(57)【要約】      （修正有）【課題】閉じ込み現象が起きても閉じ込められた流体の圧縮や減圧を抑えることができる高効率な流体機械を提供する。【解決手段】流体機械において、第１ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２が外接し、第１ロータ基礎円１１１ａと第２ロータ基礎円１２１ａが外接し、凸部１１２の断面形状が、各々が沿トロコイド曲線である一対の線１１２ａと、２つの端点１２２ａそれぞれが描くトロコイド曲線１２２ａ−１の以内かつそれらに連続的に近接しない凸円弧曲線１１２ｂと、で構成され、凹部１２２の断面形状が、凸円弧曲線１１２ｂが第２円１２１ａ内に描くトロコイド曲線群の以遠かつそれらそれぞれに連続的に近接しない凹円弧曲線１２２ｂであり、第１ピッチ円Ｃｐ１の半径をＲｐ１、第２ピッチ円Ｃｐ２の半径をＲｐ２、第１ロータ１１の回転速度をＮ１、第２ロータ１２の回転速度をＮ２としたときに式（１）が成り立つ。Ｒｐ１／Ｒｐ２＝Ｎ２／Ｎ１・・・（１）【選択図】図４
2019027415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に凸部が設けられて第１回転軸の周りに回転する第１ロータと、外周に前記凸部と噛み合う凹部が設けられて前記第１回転軸と平行な第２回転軸の周りに回転する第２ロータと、前記第１ロータ及び前記第２ロータそれぞれを少なくとも１つずつ収容し、流体の流入口及び流出口が設けられたケースと、を備え、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転により、前記流入口から流入した前記流体を前記流出口から流出させる流体機械であって、
前記第１回転軸及び前記第２回転軸の双方と直交する面を基準平面とし、
前記基準平面において前記第１回転軸と、前記第２回転軸と、を結ぶ線分上にあって、前記第１回転軸の近傍の点を第１基準点とし、
前記線分上にあって、前記第２回転軸の近傍の点を第２基準点としたとき、
前記第１ロータにおける前記基準平面に沿った断面形状は、前記第１基準点を中心として前記第２基準点を内側に含まない第１ロータ基礎円の以内で当該第１ロータ基礎円の近傍を通る第１円の円周から前記凸部が突出した形状となっており、
前記第２ロータにおける前記基準平面に沿った断面形状は、前記第２基準点を中心として前記第１ロータ基礎円に外接する第２ロータ基礎円の以内で当該第２ロータ基礎円の近傍を通る第２円の円周に、当該円周の内側へと凹むように前記凹部が設けられた形状となっており、
前記第１基準点を中心として前記第２基準点を内側に含まない円を第１ピッチ円とし、前記第２基準点を中心として前記第１ピッチ円に外接する円を第２ピッチ円とし、前記第１基準点と、前記第２基準点と、を結ぶ線分を基準線分とし、前記第２基準点から見て前記第２円の以内にあって前記基準線分の延長線を挟む二点を２つの端点とし、前記第１ロータ及び前記第２ロータが回転するときの位置関係において、前記２つの端点の双方が当該２つの端点を定義した位置にあるときの位置関係を基準位置としたとき、
前記凸部における前記基準平面に沿った凸断面形状が、前記基準位置において、前記第１基準点から見て前記２つの端点それぞれが前記第２ピッチ円を動円とし、前記第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線の以内かつ当該２つの端点の近傍の二点から前記凸部の根本までを結ぶ一対の線と、当該一対の線における前記根本とは反対側の端部どうしを結ぶ凸部先端の線と、で構成され、
前記凸部先端の線が、前記第１基準点から見て前記トロコイド曲線の以内かつ当該トロコイド曲線に連続的に近接しない経路を辿る線であり、
前記凹部における前記基準平面に沿った凹断面形状の少なくとも一部が、前記基準位置において、前記２つの端点を結び、前記第１基準点から見て前記凸部先端の線の上の任意の点が前記第１ピッチ円を動円とし、前記第２ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに前記第２円内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る線である凹部底の線であり、当該凹部底の線が前記凹断面形状の全てではない場合、当該凹部底の線以外の他の凹部分の形状も、前記第１基準点から見て前記トロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る、前記２つの端点それぞれ及び前記第２円の前記円周上の点を結ぶ線となっており、
前記一対の線それぞれにおける少なくとも一部が、前記２つの端点それぞれが、前記基準位置から、前記第２ピッチ円を動円とし、前記第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに前記第１円に近付く方向に転がったときに描くトロコイド曲線の前記基準線分寄りの近傍を通る曲線である沿トロコイド曲線であり、当該沿トロコイド曲線が前記一対の線それぞれの全てではない場合、当該沿トロコイド曲線以外の凸部根本部分の形状が、当該沿トロコイド曲線における前記根本側の端部及び当該根本を結ぶ、前記２つの端点それぞれ又は前記他の凹部分それぞれが、前記基準位置から、前記第２ピッチ円を動円とし、前記第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに、前記基準線分から見て当該端点又は当該他の凹部分における任意の点が描くトロコイド曲線又はトロコイド曲線群の以内にあって、当該他の凹部分が前記第１円に近付くときには前記沿トロコイド曲線を含む前記一対の線それぞれに当該他の凹部分における複数の点が同時に連続的に近接しない経路を辿り、当該端点又は当該他の凹部分が前記第１円から遠ざかるときには当該端点又は当該他の凹部分における任意の点に連続的に近接しない経路を辿る線となっており、
前記第１ピッチ円の半径をＲｐ１、前記第２ピッチ円の半径をＲｐ２、前記第１ロータの回転速度をＮ１、前記第２ロータの回転速度をＮ２としたときに式（１）が成り立つことを特徴とする流体機械。
【数１】
2019027415.tif 000007
【請求項２】
前記第２円の半径をＲ２としたときに、前記第２ピッチ円の半径であるＲｐ２との間に式（２）が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【数２】
2019027415.tif 000008
【請求項３】
前記第２ロータは、前記基準平面において、前記第１ロータに対する第１ロータ側シール点と、前記ケースの内面に対するケース側シール点と、で前記流体に対するシール構造を形成しており、
前記基準平面において、前記第１ロータ側シール点と、前記ケース側シール点と、を結ぶ線分に対する垂直二等分線が前記第２回転軸の近傍を通ることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械。
【請求項４】
前記第１ロータは、前記基準平面に沿った断面形状が前記第１回転軸に沿って直線状に移動したときの軌跡からなる柱形状を有し、
前記第２ロータも、前記基準平面に沿った断面形状が前記第２回転軸に沿って直線状に移動したときの軌跡からなる柱形状を有していることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の流体機械。
【請求項５】
前記第１ロータは、前記基準平面に沿った断面形状が前記第１回転軸に沿って螺旋状に捩じられながら移動したときの軌跡からなるネジ形状を有し、
前記第２ロータも、前記基準平面に沿った断面形状が前記第２回転軸に沿って螺旋状に捩じられながら移動したときの軌跡からなるネジ形状を有していることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のロータの回転により、流入口から流入した流体を流出口から流出させる流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばポンプや水車等の流体機械に上記のような流体機械が利用されている（例えば特許文献１参照。）。このような流体機械では、あるロータにおける凸部が他のロータにおける凹部と噛み合いつつ回転が行われる。ロータとしてはネジ状のものや歯車状のもの等があり、ネジ状のロータを用いた流体機械ではロータの回転軸方向に流体が流れ、歯車状のロータを用いた流体機械では回転軸と直交する方向に流体が流れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−７３９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上記のような流体機械において、あるロータにおける凸部が他のロータにおける凹部と噛み合ったときに、凸部と、凹部と、の間などに一時的に空間が形成されて流体が閉じ込められる閉じ込み現象が生ずることがある。このとき、ロータが回転するにつれてこのような空間が狭まって、閉じ込められた流体が圧縮される場合がある。また、逆に、このような空間が拡がって、閉じ込められた流体が減圧される場合もある。このように閉じ込められた流体の圧縮や減圧はロータの回転の妨げとなる恐れがあるため、流体機械の多くは、流体が閉じ込められたときの逃げ道が設けられている。しかしながら、このような逃げ道は、流体機械の構造の複雑化や効率の低下を招くことが多く、閉じ込み現象が起きたとしても閉じ込められた流体の圧縮や減圧を抑えることが求められている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、閉じ込み現象が起きたとしても閉じ込められた流体の圧縮や減圧を抑えることができる高効率な流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の流体機械は、外周に凸部が設けられて第１回転軸の周りに回転する第１ロータと、外周に前記凸部と噛み合う凹部が設けられて前記第１回転軸と平行な第２回転軸の周りに回転する第２ロータと、前記第１ロータ及び前記第２ロータそれぞれを少なくとも１つずつ収容し、流体の流入口及び流出口が設けられたケースと、を備え、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転により、前記流入口から流入した前記流体を前記流出口から流出させる流体機械であって、前記第１回転軸及び前記第２回転軸の双方と直交する面を基準平面とし、前記基準平面において前記第１回転軸と、前記第２回転軸と、を結ぶ線分上にあって、前記第１回転軸の近傍の点を第１基準点とし、前記線分上にあって、前記第２回転軸の近傍の点を第２基準点としたとき、前記第１ロータにおける前記基準平面に沿った断面形状は、前記第１基準点を中心として前記第２基準点を内側に含まない第１ロータ基礎円の以内で当該第１ロータ基礎円の近傍を通る第１円の円周から前記凸部が突出した形状となっており、前記第２ロータにおける前記基準平面に沿った断面形状は、前記第２基準点を中心として前記第１ロータ基礎円に外接する第２ロータ基礎円の以内で当該第２ロータ基礎円の近傍を通る第２円の円周に、当該円周の内側へと凹むように前記凹部が設けられた形状となっており、前記第１基準点を中心として前記第２基準点を内側に含まない円を第１ピッチ円とし、前記第２基準点を中心として前記第１ピッチ円に外接する円を第２ピッチ円とし、前記第１基準点と、前記第２基準点と、を結ぶ線分を基準線分とし、前記第２基準点から見て前記第２円の以内にあって前記基準線分の延長線を挟む二点を２つの端点とし、前記第１ロータ及び前記第２ロータが回転するときの位置関係において、前記２つの端点の双方が当該２つの端点を定義した位置にあるときの位置関係を基準位置としたとき、前記凸部における前記基準平面に沿った凸断面形状が、前記基準位置において、前記第１基準点から見て前記２つの端点それぞれが前記第２ピッチ円を動円とし、前記第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線の以内かつ当該２つの端点の近傍の二点から前記凸部の根本までを結ぶ一対の線と、当該一対の線における前記根本とは反対側の端部どうしを結ぶ凸部先端の線と、で構成され、前記凸部先端の線が、前記第１基準点から見て前記トロコイド曲線の以内かつ当該トロコイド曲線に連続的に近接しない経路を辿る線であり、前記凹部における前記基準平面に沿った凹断面形状の少なくとも一部が、前記基準位置において、前記２つの端点を結び、前記第１基準点から見て前記凸部先端の線の上の任意の点が前記第１ピッチ円を動円とし、前記第２ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに前記第２円内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る線である凹部底の線であり、当該凹部底の線が前記凹断面形状の全てではない場合、当該凹部底の線以外の他の凹部分の形状も、前記第１基準点から見て前記トロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る、前記２つの端点それぞれ及び前記第２円の前記円周上の点を結ぶ線となっており、前記一対の線それぞれにおける少なくとも一部が、前記２つの端点それぞれが、前記基準位置から、前記第２ピッチ円を動円とし、前記第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに前記第１円に近付く方向に転がったときに描くトロコイド曲線の前記基準線分寄りの近傍を通る曲線である沿トロコイド曲線であり、当該沿トロコイド曲線が前記一対の線それぞれの全てではない場合、当該沿トロコイド曲線以外の凸部根本部分の形状が、当該沿トロコイド曲線における前記根本側の端部及び当該根本を結ぶ、前記２つの端点それぞれ又は前記他の凹部分それぞれが、前記基準位置から、前記第２ピッチ円を動円とし、前記第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに、前記基準線分から見て当該端点又は当該他の凹部分における任意の点が描くトロコイド曲線又はトロコイド曲線群の以内にあって、当該他の凹部分が前記第１円に近付くときには前記沿トロコイド曲線を含む前記一対の線それぞれに当該他の凹部分における複数の点が同時に連続的に近接しない経路を辿り、当該端点又は当該他の凹部分が前記第１円から遠ざかるときには当該端点又は当該他の凹部分における任意の点に連続的に近接しない経路を辿る線となっており、前記第１ピッチ円の半径をＲｐ１、前記第２ピッチ円の半径をＲｐ２、前記第１ロータの回転速度をＮ１、前記第２ロータの回転速度をＮ２としたときに式（１）が成り立つことを特徴とする。
【０００７】
【数１】
2019027415.tif 000003
【０００８】
尚、上記にいう近傍とは、例えば第１回転軸や第１ロータ基礎円等といった対象を含む、例えば製造誤差程度の範囲を持った領域を意味する。第１回転軸の近傍の点とは、このような領域内の点を意味し、第１ロータ基礎円の近傍を通る円とは、このような領域内を通る線で形作られる円を意味する。
【０００９】
本発明の流体機械では、第１ロータ及び第２ロータが回転するときに、上記の基準平面における基準位置において、第２ロータの凹部における２つの端点の双方が、第１ロータの凸部と近接する瞬間がある。このとき、凸部先端の線が、凹部における２つの端点の近傍の二点を結び、第１基準点から見て凹部における２つの端点それぞれが第２ピッチ円を動円とし、第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線の以内かつ当該トロコイド曲線に連続的に近接しない経路を辿る線であり、凹部底の線が、凹部における２つの端点を結び、第１基準点から見て凸部先端の線の上の任意の点が第１ピッチ円を動円とし、第２ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る線であることから、凸部と、凹部と、の間に瞬間的に流体が閉じ込められる場合がある。ここで、上記の式（１）が成り立つが、この式（１）は、第１ロータ及び第２ロータが回転するときに、互いに干渉せずに、凸部先端の線が、凹部底の線と完全に噛み合い、凹部における２つの端点の双方と近接するための条件式に当たる。そして、凸部先端の線が、凹部底の線と完全に噛み合った状態から抜け出した直後には、凹部における２つの端点又は他の凹部分のうちの一方が、上記の一対の線のうちの対応する一方に近接するのみとなる。これにより、直ぐに閉じ込み現象が解消される。
【００１０】
また、凸部先端の線が、凹部底の線と完全に噛み合う基準位置以外でも、凹部の形状が、基準位置において、２つの端点を通り、第１基準点から見て凸部先端の線の上の任意の点が第１ピッチ円を動円とし、第２ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る線となっており、一対の線が、基準位置において、２つの端点の近傍の二点から凸部の根本までを結ぶ、２つの端点それぞれが、基準位置から、第２ピッチ円を動円とし、第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに第１円に近付く方向に転がったときに描くトロコイド曲線の基準線分寄りの近傍を通る曲線である沿トロコイド曲線や、２つの端点それぞれ又は他の凹部分それぞれが、基準位置から、第２ピッチ円を動円とし、第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに、基準線分から見て当該端点又は当該他の凹部分における任意の点が描くトロコイド曲線又はトロコイド曲線群の以内にあって、当該他の凹部分が第１円に近付くときには沿トロコイド曲線を含む一対の線それぞれに当該他の凹部分における複数の点が同時に連続的に近接しない経路を辿り、当該端点又は当該他の凹部分が第１円から遠ざかるときには当該端点又は当該他の凹部分における任意の点に連続的に近接しない経路を辿る線である凸部根本部分で構成されるため、凸部と、凹部と、の間や、凸部と、第１円と、第２円と、の間に瞬間的に流体が閉じ込められる場合があるが、第１ロータ及び第２ロータは互いに複数の点で連続的に近接しないので、直ぐに閉じ込み現象が解消される。
【００１１】
上記のように、本発明の流体機械では、第１ロータ及び第２ロータが回転するときに、瞬間的な流体の閉じ込み現象が起きたとしても、直ぐに閉じ込み現象が解消されるので、その流体に対する圧縮や減圧を抑えることができる。
【００１２】
ここで、本発明の流体機械において、前記第２円の半径をＲ２としたときに、前記第２ピッチ円の半径であるＲｐ２との間に式（２）が成り立つことが好適である。
【００１３】
【数２】
2019027415.tif 000004
【００１４】
この好適な流体機械では、上記の式（２）は、式（１）が満たされながら第１ロータ及び第２ロータが回転するときに、凸部における上記の一対の線それぞれに近接しながら移動する凹部における２つの端点それぞれ又は他の凹部分それぞれが凸部から離れることなく近接し続けるための条件式に当たる。凹部における２つの端点それぞれ又は他の凹部分それぞれが凸部から離れると、この流体機械における、流体の流入側と、流出側と、の間のシールが一時的に破れることを意味する。シールが破れると流体の搬送効率が落ちることから、このようなシールの破れは抑制されることが望ましい。上記の好適な流体機械によれば、上記の式（２）が成り立つことから、式（１）が満たされながら第１ロータ及び第２ロータが回転するときにシールが維持されるので、高い搬送効率を得ることができる。
【００１５】
また、本発明の流体機械において、前記第２ロータは、前記基準平面において、前記第１ロータに対する第１ロータ側シール点と、前記ケースの内面に対するケース側シール点と、で前記流体に対するシール構造を形成しており、前記基準平面において、前記第１ロータ側シール点と、前記ケース側シール点と、を結ぶ線分に対する垂直二等分線が前記第２回転軸の近傍を通ることも好適である。
【００１６】
この好適な流体機械では、２つのシール点を通る、第２ロータの断面に、流体の圧力が作用するので、第２ロータには、圧力による力が、第１ロータ側シール点と、ケース側シール点と、を結ぶ線分に対する垂直二等分線に沿った方向に掛かる。このとき、上記の好適な流体機械では、基準平面において、その垂直二等分線が第２回転軸の近傍を通るので、上記の力もこの第２回転軸の近傍に向かって掛かる。一般に、回転体に対し、回転軸からずれた方向に力が掛かると、トルクが発生する。このようなトルクが第２ロータに発生すると、第１ロータと第２ロータの間に余分な回転駆動力の伝達を生じ、動力伝達部品の高強度化や流体機械の効率の低下を招く場合がある。上記の好適な流体機械によれば、第２ロータに掛かる上記の力が第２回転軸の近傍に向かって掛かるので、このようなトルクが極小となり、第１ロータと第２ロータの間の余分な回転駆動力の伝達を抑えることができるため、動力伝達部品の高強度化や流体機械の効率の低下を抑えることができる。
【００１７】
また、本発明の流体機械において、前記第１ロータは、前記基準平面に沿った断面形状が前記第１回転軸に沿って直線状に移動したときの軌跡からなる柱形状を有し、前記第２ロータも、前記基準平面に沿った断面形状が前記第２回転軸に沿って直線状に移動したときの軌跡からなる柱形状を有していることも好適である。
【００１８】
この好適な流体機械によれば、第１ロータ及び第２ロータを上記の柱形状に形成することで、各ロータの加工が簡便なものとなり、加工コストを低減することができる。
【００１９】
また、本発明の流体機械において、前記第１ロータは、前記基準平面に沿った断面形状が前記第１回転軸に沿って螺旋状に捩じられながら移動したときの軌跡からなるネジ形状を有し、前記第２ロータも、前記基準平面に沿った断面形状が前記第２回転軸に沿って螺旋状に捩じられながら移動したときの軌跡からなるネジ形状を有していることも好適である。
【００２０】
この好適な流体機械では、流体は、ネジの山と、ネジの谷と、ケースと、の間に形成される空間とともに第１回転軸や第２回転軸と略平行に流れることとなるため、その空間を軸方向に多段化することにより、流入側と流出側の圧力差を大きくすることができる。このとき、基準平面において、凸部と、凹部と、の間に流体が閉じ込められたとしても、その流体は、軸方向に流れて逃げることができるので、原理的に二重に圧縮や減圧を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、閉じ込み現象が起きたとしても閉じ込められた流体の圧縮や減圧を抑えることができる高効率な流体機械を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態の流体機械を示す模式的な断面図である。
【図２】図１に示されている流体機械の、図１中のＶ１１−Ｖ１１線を通る基準平面に沿った模式的な断面図である。
【図３】図１及び図２に示されている流体機械において、内部における第１ロータ及び第２ロータの回転により流体の流入と、流出と、が行われる様子を示す模式図である。
【図４】図１に示されている第１ロータ及び第２ロータの、図１中のＶ１１−Ｖ１１線を通る基準平面に沿った模式的な断面図である。
【図５】図４に示されている凸部の断面形状を構成する一対の線が沿トロコイド曲線であることを説明する図である。
【図６】特殊円の中心が第１ピッチ円と第２ピッチ円の接点と一致しない場合のうち、第１の場合において干渉が生ずることについて説明する図である。
【図７】第１の場合において完全に噛み合った状態から第１ロータ及び第２ロータがわずかに回転したときの、２つの円弧中心を結ぶ線分の垂直二等分線について示す模式図である。
【図８】互いに円弧中心がずれた状態の凸円弧曲線と凹円弧曲線の間に生ずる干渉点を模式的に示す図である。
【図９】特殊円の中心が第１ピッチ円と第２ピッチ円の接点と一致しない場合のうち、第２の場合において干渉が生ずることについて説明する図である。
【図１０】第２の場合において完全に噛み合った状態から第１ロータ及び第２ロータがわずかに回転したときの、２つの円弧中心を結ぶ線分の垂直二等分線について示す模式図である。
【図１１】特殊円の中心が第１ピッチ円と第２ピッチ円の接点と一致する場合に、干渉が生じないことについて説明する図である。
【図１２】式（２）が満たされない場合に、凹部における２つの端点それぞれが凸部から一時的に離れることについて説明する図である。
【図１３】第１ロータ及び第２ロータが回転するときに、基準平面における基準位置において、第２ロータの凹部における２つの端点の双方が、第１ロータの凸部と近接する瞬間について示す模式図である。
【図１４】第１実施形態の流体機械と比較するための第１比較例を示す図である。
【図１５】第１実施形態の流体機械におけるシール構造を示す模式図である。
【図１６】第１実施形態の流体機械と比較するための第２比較例を示す図である。
【図１７】第１実施形態の流体機械と比較するための第３比較例を示す図である。
【図１８】第２実施形態の流体機械を示す模式図である。
【図１９】第３実施形態の流体機械を示す模式図である。
【図２０】第４実施形態の流体機械を示す模式図である。
【図２１】第５実施形態の流体機械を示す模式図である。
【図２２】第６実施形態の流体機械を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の流体機械の一実施形態について説明する。まず、第１実施形態について説明する。
【００２４】
図１は、第１実施形態の流体機械を示す模式的な断面図であり、また、図２は、図１に示されている流体機械の、図１中のＶ１１−Ｖ１１線を通る基準平面に沿った模式的な断面図である。
【００２５】
本実施形態の流体機械１は、ケース１３に収容された第１ロータ１１及び第２ロータ１２の回転により、ケース１３に流体を取り込んで流出させる容積式流体ポンプである。この流体機械１は、第１ロータ１１、第２ロータ１２、ケース１３、第１回転軸棒１４、第２回転軸棒１５、第１同期歯車１６、及び第２同期歯車１７を備えている。尚、以下では、この流体機械１について「ポンプ」として説明するが、この流体機械１は、ケース１３に流体を流し込んで第１ロータ１１及び第２ロータ１２を回転させる「水車」としても利用できる。
【００２６】
第１ロータ１１は、第１円板１１１の外周に一対の凸部１１２が設けられ、第１回転軸棒１４と同軸の第１回転軸１１ａの周りに図２中で時計回りに回転する。一対の凸部１１２は、第１回転軸１１ａを挟んで、互いに逆向きに突出するように設けられている。
【００２７】
第２ロータ１２は、図２に示されているように、第２円板１２１の外周に、各々が上記の凸部１１２と噛み合う一対の凹部１２２が設けられ、第２回転軸棒１５と同軸の第２回転軸１２ａの周りに図２中で反時計回りに回転する。一対の凹部１２２は、第２回転軸１２ａを挟んで、互いに逆向きに凹むように設けられている。
【００２８】
ケース１３は、第１ロータ１１を収容する第１収容室１３１と、第２ロータ１２を収容する第２収容室１３２と、を備えている。第１収容室１３１は、回転中の第１ロータ１１における一対の凸部１１２の先端が辿る軌跡に沿った内壁面１３１ａを有し、第１ロータ１１の回転中は、凸部１１２の先端がこの内壁面１３１ａに近接してシールが保たれる。第２収容室１３２は、回転中の第２ロータ１２における第２円板１２１の外周が辿る軌跡に沿った内壁面１３２ａを有し、第２ロータ１２の回転中は、第２円板１２１の外周がこの内壁面１３２ａに近接してシールが保たれる。
【００２９】
また、ケース１３には、第１収容室１３１と、第２収容室１３２と、の中間位置に流体の流入口１３３と、流出口１３４と、が設けられている。流体は、流入口１３３からケース１３の内部へと流入し、このケース１３の内部を、第１収容室１３１の内壁面１３１ａに沿って第１回転軸１１ａを中心に時計回りに、第２収容室１３２の内壁面１３２ａに沿って第２回転軸１２ａを中心に反時計回りに流れ、流出口１３４からケース１３の外部へと流出する。
【００３０】
第１回転軸棒１４は、その一端が第１ロータ１１と一体かつ同軸に形成され、各種ベアリングを介してケース１３に回転自在に保持されている。同様に、第２回転軸棒１５は、その一端が第２ロータ１２と一体かつ同軸に形成され、各種ベアリングを介してケース１３に回転自在に保持されている。
【００３１】
第１同期歯車１６は、第１回転軸棒１４における第１ロータ１１の側とは反対側の端部に固定されている。同様に、第２同期歯車１７は、第２回転軸棒１５における第２ロータ１２の側とは反対側の端部に固定されている。そして、第１同期歯車１６及び第２同期歯車１７は、互いに噛み合い状態でケース１３に収められている。
【００３２】
本実施形態では、第１回転軸棒１４における第１同期歯車１６の側の端部に不図示の駆動源から、第１ロータ１１を回転させるための回転駆動力が加えられる。すると、第１同期歯車１６及び第２同期歯車１７を介して、その回転駆動力が第２回転軸棒１５及び第２ロータ１２に伝達される。これにより、第１ロータ１１と、第２ロータ１２と、が、互いに同期して回転する。この回転により、ケース１３への流体の流入と、流出と、が行われる。尚、本実施形態の流体機械１を「水車」として利用する場合には、第１回転軸棒１４における第１同期歯車１６の側の端部から動力が出力されることとなる。
【００３３】
図３は、図１及び図２に示されている流体機械において、内部における第１ロータ及び第２ロータの回転により流体の流入と、流出と、が行われる様子を示す模式図である。
【００３４】
この図３におけるステップＳ１では、第１ロータ１１の一対の凸部１１２のいずれもが第２ロータ１２の一対の凹部１２２のいずれとも噛み合っていない。このステップＳ１の状態から、第１ロータ１１が時計回り、第２ロータ１２が反時計回りに回転すると、ステップＳ２〜ステップＳ７において、一方の凸部１１２が一方の凹部１２２に噛み合う。この間、第１ロータ１１における他方の凸部１１２が、ケース１３の第１収容室１３１の内壁面１３１ａに近接し、第２ロータ１２における第２円板１２１の外周が第２収容室１３２の内壁面１３２ａに近接してシールが保たれる。ここまでの動きにより、流入側でケース１３と第１ロータ１１及び第２ロータ１２の間の空間に取り入れられた流体が、シールされて連続的に流出側に送られる。また、ステップＳ１〜ステップＳ４では、それまでに流入口１３３から取り入れられた流体が、第２収容室１３２に閉じ込められる。
【００３５】
続く、ステップＳ８〜ステップＳ１２では、噛み合い状態にあった凸部１１２が凹部１２２から抜け出す。抜け出した凸部１１２が、流入口１３３を横切って第１収容室１３１の内壁面１３１ａに達することで、それまでに流入口１３３から取り入れられた流体が、第１収容室１３１に閉じ込められる。この後は、ステップＳ１へと動作が戻るが、これ以降の上述した動きによって、第１収容室１３１に閉じ込められた流体が、流出口１３４から押し出されることとなる。また、ステップＳ１１以降の動きでは、上述したように第２収容室１３２に閉じ込められた流体が、流出口１３４から押し出されることとなる。
【００３６】
以上に説明したステップＳ１〜ステップＳ１２の一連動作が繰り返されて流体機械１による流体の搬送が行われる。尚、本実施形態の流体機械１を「水車」として利用する場合には、上述した一連の流体の流れから第１ロータ１１へとエネルギーが受け渡される。
【００３７】
次に、第１ロータ１１及び第２ロータ１２について詳細に説明する。
【００３８】
図４は、図１に示されている第１ロータ及び第２ロータの、図１中のＶ１１−Ｖ１１線を通る基準平面に沿った模式的な断面図である。ここにいう基準平面Ｐ１１は、第１回転軸１１ａ及び第２回転軸１２ａの双方と直交する面である。以下、特に断らない限り、基本的に、この基準平面Ｐ１１に沿った断面に注目して説明を行う。また、以下では、説明を簡単なものとするため、本実施形態が、基準平面Ｐ１１において、第１回転軸１１ａが、後述の第１ロータ基礎円の中心である第１基準点と一致し、第２回転軸１２ａが、後述の第２ロータ基礎円の中心である第２基準点と一致する、理想的な形態であるとして、第１回転軸１１ａと、第１基準点と、を特に区別せず、第２回転軸１２ａと、第２基準点と、を特に区別せずに説明を行う。
【００３９】
また、本実施形態では、第１ロータ及び第２ロータは同一回転速度で回転し、一対の凸部と一対の凹部が互いに噛み合いながら回転するため、基準平面Ｐ１１において、第１回転軸１１ａを中心として第１回転軸１１ａと、第２回転軸１２ａと、を結ぶ基準線分Ｌ１の中点を通る円を第１ピッチ円Ｃｐ１とし、第２回転軸１２ａを中心として第１ピッチ円Ｃｐ１に基準線分Ｌ１の中点で外接する円を第２ピッチ円Ｃｐ２とし、第１ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２の接点を中心Ｃｓａとして第２回転軸１２ａを内側に含まずに後述の２つの端点１２２ａの双方を通る円を特殊円Ｃｓとする。尚、本実施形態では、第１ピッチ円Ｃｐ１は後述の第１円１１１ａと一致し、第２ピッチ円Ｃｐ２は後述の第２円１２１ａと一致している。
【００４０】
ここで、説明や図示を簡単なものとするために、後述の第１円１１１ａは、第１回転軸１１ａを中心として第２回転軸１２ａを内側に含まない第１ロータ基礎円と一致する理想的な円とする。また、後述の第２円１２１ａは、第２回転軸１２ａを中心として第１ロータ基礎円に外接する第２ロータ基礎円と一致する理想的な円とする。しかしながら、第１円１１１ａは、第１ロータ基礎円の内側に製造誤差程度にずれた、この第１ロータ基礎円の近傍を通る円であってもよい。同様に、第２円１２１ａも、第２ロータ基礎円の内側に製造誤差程度にずれた、この第２ロータ基礎円の近傍を通る円であってもよい。また、本実施形態について、第１ロータ基礎円の中心である第１基準点と、第１回転軸１１ａと、が一致し、第２ロータ基礎円の中心である第２基準点と、第２回転軸１２ａと、が一致する、理想的な形態であるとしている。しかしながら、第１基準点と、第１回転軸１１ａと、は必ずしも一致しなくてもよく、第１回転軸１１ａは、基準平面Ｐ１１において第１基準点から製造誤差程度にずれた近傍に位置する点であってもよい。同様に、第２基準点と、第２回転軸１２ａと、は必ずしも一致しなくてもよく、第２回転軸１２ａは、基準平面Ｐ１１において第２基準点から製造誤差程度にずれた近傍に位置する点であってもよい。
【００４１】
まず、第１ロータ１１について説明する。第１ロータ１１における基準平面Ｐ１１に沿った断面形状は、第１回転軸１１ａを中心とした第１円１１１ａの円周から一対の凸部１１２が突出した形状となっている。第１円１１１ａは、図１及び図２に示されている第１円板１１１の、基準平面Ｐ１１に沿った断面形状のことである。一対の凸部１１２のうち基準線分Ｌ１の中点側の凸部１１２における基準平面Ｐ１１に沿った断面形状が、次のような一対の線１１２ａと、凸部先端の線と、で構成される。一対の線１１２ａは、凸部１１２及び凹部１２２が完全に噛み合う基準位置において、第１回転軸１１ａから見て後述の２つの端点１２２ａそれぞれが第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線１２２ａ−１の以内かつ当該２つの端点１２２ａの近傍の二点から凸部１１２の根本１１２ｃまでを結ぶ線であり、具体的には、２つの端点１２２ａと一致する二点から凸部１１２の根本１１２ｃまでを結ぶ理想的な線となっている。以下では、説明の簡単化のために、一対の線１１２ａをこのような理想的な線として説明を行う。また、凸部先端の線は、一対の線１１２ａにおける根本１１２ｃとは反対側の端部どうしを結び、第１回転軸１１ａから見てトロコイド曲線１２２ａ−１の以内かつ当該トロコイド曲線１２２ａ−１に連続的に近接しない経路を辿る線のうち、閉じ込み現象を生じ難くすることに最適であり、説明の簡単化のためにも適した形状である、特殊円Ｃｓの円周に沿った凸円弧曲線１１２ｂとなっている。この凸円弧曲線１１２ｂの中心角は１８０°以下である。２つの端点１２２ａは、基準位置において、第２回転軸１２ａから見て第２円１２１ａの以内にあって、基準線分Ｌ１の延長線を挟む二点であり、具体的には、第２円１２１ａと、特殊円Ｃｓと、の交点に位置する理想的な二点となっている。以下では、説明の簡単化のために、２つの端点１２２ａをこのような理想的な二点として説明を行う。
【００４２】
また、一対の凸部１１２のうちもう一方の凸部１１２の断面形状は、基準線分Ｌ１の中点側の凸部１１２の断面形状と、第１回転軸１１ａを中心として略点対称の形状となっている。
【００４３】
次に、第２ロータ１２について説明する。第２ロータ１２における基準平面Ｐ１１に沿った断面形状は、第２回転軸１２ａを中心とした第２円１２１aの円周に一対の凹部１２２が設けられた形状となっている。第２円１２１aは、図１及び図２に示されている第２円板１２１の、基準平面Ｐ１１に沿った断面形状のことである。そして、一対の凹部１２２のうち基準線分Ｌ１の中点側の凹部１２２における基準平面Ｐ１１に沿った断面形状は、基準位置において、上記の２つの端点１２２ａを結び、第１回転軸１１ａから見て凸部先端の線の上の任意の点が第１ピッチ円Ｃｐ１を動円とし、第２ピッチ円Ｃｐ２を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円１２１a内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る線である凹部底の線であるが、具体的には、上記のとおり凸部先端の線を特殊円Ｃｓの円周に沿った凸円弧曲線１１２ｂとしているので、当該トロコイド曲線群が特殊円Ｃｓの中心Ｃｓａから見て特殊円Ｃｓの以内を通るため、特殊円Ｃｓの円周に沿った凹円弧曲線１２２ｂとなっており、凹円弧曲線１２２ｂが凹断面形状の全てとなっている。この凹円弧曲線１２２ｂの中心角は１８０°以下である。
【００４４】
また、一対の凹部１２２のうちもう一方の凹部１２２の断面形状は、基準線分Ｌ１の中点側の凹部１２２の断面形状と、第２回転軸１２ａを中心として略点対称の形状となっている。
【００４５】
ここで、一対の線１１２ａそれぞれは、上記の２つの端点１２２ａそれぞれが、基準位置から、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに第１円１１１ａに近付く方向に転がったときに描くトロコイド曲線に沿った沿トロコイド曲線となっている。尚、以下では、説明を簡単なものとするため、「沿トロコイド曲線」を、２つの端点１２２ａそれぞれが描くトロコイド曲線そのものとして説明する。しかしながら、ここにいう「沿トロコイド曲線」は、トロコイド曲線そのものに限るものではなく、トロコイド曲線の基準線分Ｌ１寄りの近傍を通る曲線であってもよい。
【００４６】
図５は、図４に示されている凸部の断面形状を構成する一対の線が沿トロコイド曲線であることを説明する図である。尚、この図５では、第２ロータ１２における一対の凹部１２２のうちの一方の図示が省略されている。
【００４７】
凸部１１２における一対の線１１２ａとしての沿トロコイド曲線は、２つの端点１２２ａそれぞれが、基準位置から、動円（第２ピッチ円Ｃｐ２）とともに定円（第１ピッチ円Ｃｐ１）に沿って滑らずに第１円１１１ａに近付く方向に転がったと仮定したときに描く曲線となっている。この図５では、二点鎖線で示されているように、動円（第２ピッチ円Ｃｐ２）が反時計回りに回転しながら、定円（第１ピッチ円Ｃｐ１）に沿って反時計回りに進んだときに図中上側の端点１２２ａが描くトロコイド曲線そのものが、沿トロコイド曲線としての図中上側の線１１２ａとなっている。また、動円（第２ピッチ円Ｃｐ２）が時計回りに回転しながら、定円（第１ピッチ円Ｃｐ１）に沿って時計回りに進んだときに図中下側の端点１２２ａが描くトロコイド曲線そのものが、沿トロコイド曲線としての図中下側の線１１２ａとなっている。
【００４８】
ここで、第１ピッチ円Ｃｐ１の半径をＲｐ１、第２ピッチ円Ｃｐ２の半径をＲｐ２、第１ロータ１１の回転速度をＮ１、第２ロータ１２の回転速度をＮ２としたときに、本実施形態では、以下の式（１）が成り立つ。
【００４９】
【数３】
2019027415.tif 000005
【００５０】
式（１）は、第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときに、互いに干渉せずに、凸部１１２を構成する凸部先端の線である凸円弧曲線１１２ｂが、凹部底の線である凹円弧曲線１２２ｂと完全に噛み合うための条件式に当たる。
【００５１】
ここで、特殊円Ｃｓの中心Ｃｓａが第１ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２の接点と一致しない場合、第１ロータ１１及び第２ロータ１２が互いに完全に噛み合った状態から回転しようとすると、その回転途中で次のように干渉が生じ、凸円弧曲線１１２ｂが、凹円弧曲線１２２ｂの内側から抜け出せなくなることを、式（１）が満たされながら第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときの第１ロータから見た第２ロータの相対的な動きである、第１ロータ１１の周りを第２ロータ１２が、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がりながら移動すると仮定したときの第２ロータ１２の動きに注目して説明する。
【００５２】
図６は、特殊円の中心が第１ピッチ円と第２ピッチ円の接点と一致しない場合のうち、第１の場合において干渉が生ずることについて説明する図である。この図６では、第２ロータ１２における一対の凹部１２２のうちの一方の図示が省略されている。また、第１ロータ１１については一対の凸部１１２のうち左側の凸部１１２の図示が省略され、右側の凸部１１２については凸円弧曲線１１２ｂのみが図示されている。
【００５３】
この場合、第１ロータ１１及び第２ロータ１２が互いに完全に噛み合った状態では、凸円弧曲線１１２ｂの円弧中心１１２ｂ−１と、凹円弧曲線１２２ｂの円弧中心１２２ｂ−１と、は第1ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２の接点から第１回転軸１１ａの側にずれ量δだけずれた位置で重なる。
【００５４】
このとき、第１ロータ１１の周りを第２ロータ１２が、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がりながら移動すると仮定したときに凹円弧曲線１２２ｂの円弧中心１２２ｂ−１の軌跡は、図６中に実線で示されているように途中でループを描くトロコイド曲線１２２ｂ−２となる。そして、完全に噛み合った状態から第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転しようとすると、円弧中心１２２ｂ−１がこのような軌跡を描く凹円弧曲線１２２ｂと、凸円弧曲線１１２ｂと、の間に、次のような干渉点Ｔ１が生ずる。この干渉点Ｔ１は、２つの円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１を結ぶ線分Ｌ２（図７参照）の垂直二等分線Ｌ３と、凸円弧曲線１１２ｂ及び凹円弧曲線１２２ｂと、の交点に生ずる。
【００５５】
図７は、第１の場合において完全に噛み合った状態から第１ロータ及び第２ロータがわずかに回転したときの、２つの円弧中心を結ぶ線分の垂直二等分線について示す模式図である。
【００５６】
この図７には、凹円弧曲線１２２ｂの円弧中心１２２ｂ−１が、第１ロータ１１及び第２ロータ１２の回転により、凸円弧曲線１１２ｂの円弧中心１１２ｂ−１から若干離れた位置までトロコイド曲線１２２ｂ−２に沿って移動した状態が示されている。そして、これら２つの円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１を結ぶ線分Ｌ２の垂直二等分線Ｌ３の上に凸円弧曲線１１２ｂと、凹円弧曲線１２２ｂと、の干渉点Ｔ１が生ずる。
【００５７】
図８は、互いに円弧中心がずれた状態の凸円弧曲線と凹円弧曲線の間に生ずる干渉点を模式的に示す図である。尚、この図８では、円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１がずれた状態の凸円弧曲線１１２ｂと、凹円弧曲線１２２ｂと、が簡略化された２つの円弧で示されている。
【００５８】
この図８に示されているように、互いに円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１がずれた２つの円弧の交点は、２つの円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１とで二等辺三角形をなす点に生ずる。この点は、２つの円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１を結ぶ線分Ｌ２の垂直二等分線Ｌ３と、２つの円弧と、の交点に当たる。
【００５９】
図６に示されている第１の場合では、完全に噛み合った状態から第１ロータ１１及び第２ロータ１２がわずかでも回転したときには、上記の垂直二等分線Ｌ３と、凸円弧曲線１１２ｂ及び凹円弧曲線１２２ｂと、の交点が、両者の干渉点Ｔ１として生ずる。このため、第１の場合では、凸円弧曲線１１２ｂが、凹円弧曲線１２２ｂの内側から抜け出せなくなる。
【００６０】
図９は、特殊円の中心が第１ピッチ円と第２ピッチ円の接点と一致しない場合のうち、第２の場合において干渉が生ずることについて説明する図である。この図９でも、図６と同様、第２ロータ１２における一対の凹部１２２のうちの一方の図示が省略されている。また、第１ロータ１１については一対の凸部１１２のうち左側の凸部１１２の図示が省略され、右側の凸部１１２については凸円弧曲線１１２ｂのみが図示されている。
【００６１】
この場合、第１ロータ１１及び第２ロータ１２が互いに完全に噛み合った状態では、凸円弧曲線１１２ｂの円弧中心１１２ｂ−１と、凹円弧曲線１２２ｂの円弧中心１２２ｂ−１と、は第1ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２の接点から第２回転軸１２ａの側にずれ量δだけずれた位置で重なる。
【００６２】
このとき、第１ロータ１１の周りを第２ロータ１２が、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がりながら移動すると仮定したときに凹円弧曲線１２２ｂの円弧中心１２２ｂ−１の軌跡は、図９中に実線で示されているように略Ｖ字型のトロコイド曲線１２２ｂ−２となる。そして、この場合にも円弧中心１２２ｂ−１がこのような軌跡を描く凹円弧曲線１２２ｂと、凸円弧曲線１１２ｂと、の間に干渉点Ｔ１が生ずる。
【００６３】
図１０は、第２の場合において完全に噛み合った状態から第１ロータ及び第２ロータがわずかに回転したときの、２つの円弧中心を結ぶ線分の垂直二等分線について示す模式図である。
【００６４】
この図１０には、凹円弧曲線１２２ｂの円弧中心１２２ｂ−１が、第１ロータ１１及び第２ロータ１２の回転により、凸円弧曲線１１２ｂの円弧中心１１２ｂ−１から若干離れた位置までトロコイド曲線１２２ｂ−２に沿って移動した状態が示されている。そして、この場合にも、上述した第１の場合と同様に、これら２つの円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１を結ぶ線分Ｌ２の垂直二等分線Ｌ３の上に凸円弧曲線１１２ｂと、凹円弧曲線１２２ｂと、の干渉点Ｔ１が生ずる。このため、第２の場合でも、凸円弧曲線１１２ｂが、凹円弧曲線１２２ｂの内側から抜け出せなくなる。
【００６５】
以上、図６〜図１０を参照して説明したように、特殊円Ｃｓの中心Ｃｓａが第１ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２の接点と一致しない場合には、上述した干渉点Ｔ１が生じ、凸円弧曲線１１２ｂが、凹円弧曲線１２２ｂの内側から抜け出せなくなる。
【００６６】
これに対し、特殊円Ｃｓの中心Ｃｓａが第１ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２の接点と一致する本実施形態では、第１ロータ１１の周りを第２ロータ１２が、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がりながら移動すると仮定したときに凹円弧曲線１２２ｂの円弧中心１２２ｂ−１の軌跡が、図１１に示されているように、基準線分Ｌ１上において、その接線と基準線分Ｌ１が完全に重なるトロコイド曲線１２２ｂ−２となる。そして、この場合には、２つの円弧中心１１２ｂ−１，１２２ｂ−１を結ぶ線分Ｌ２の垂直二等分線Ｌ３は、凹円弧曲線１２２ｂと交わることがない。このため、本実施形態では、２つの円弧曲線間に干渉が生ずることがなく、凸円弧曲線１１２ｂが、凹円弧曲線１２２ｂの内側から抜け出すことができる。尚、上述したように、本実施形態では、図４における２つの端点１２２ａを結ぶ凸部先端の線が、基準位置において、第１回転軸１１ａから見て２つの端点１２２ａそれぞれが第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線１２２ａ−１の以内かつ当該トロコイド曲線１２２ａ−１に連続的に近接しない経路を辿る線のうち、閉じ込み現象を生じ難くすることに最適である特殊な線として、特殊円Ｃｓの円周に沿った凸円弧曲線１１２ｂとなっており、図４における２つの端点１２２ａを結ぶ凹部底の線が、基準位置において、第１回転軸１１ａから見て凸円弧曲線１１２ｂである凸部先端の線の上の任意の点が第１ピッチ円Ｃｐ１を動円とし、第２ピッチ円Ｃｐ２を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円１２１ａ内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る線のうち、閉じ込み現象を生じ難くすることに最適である特殊な線として、特殊円Ｃｓの円周に沿った凹円弧曲線１２２ｂとなっている。
【００６７】
ここで、本実施形態では、図４に示されている第２円１２１ａの半径をＲ２とし、第２ピッチ円Ｃｐ２の半径をＲｐ２としたときに式（２）が成り立つ。
【００６８】
【数４】
2019027415.tif 000006
【００６９】
式（２）は、式（１）が満たされながら第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときに、凸部１１２における上記の沿トロコイド曲線としての一対の線１１２ａそれぞれに近接しながら移動する凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが凸部１１２から離れることなく近接し続けるための条件式に当たる。
【００７０】
図１２は、式（２）が満たされない場合に、凹部における２つの端点それぞれが凸部から一時的に離れることについて説明する図である。この図１２では、第２ロータ１２における一対の凹部１２２のうちの一方の図示が省略されている。また、第１ロータ１１については一対の凸部１１２の一方のみが図示され、さらに、その凸部１１２における一対の線１１２ａのうちの一方のみが図示されている。
【００７１】
この図１２の例では、第１ロータ１１の周りを第２ロータ１２が、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がりながら移動するときに凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが描くトロコイド曲線１２２ａ−１は、第１円１１１ａの近傍においては、図１２中の拡大図に示されているように、途中でループを描く曲線となる。これは、式（２）が満たされない場合、上記のトロコイド曲線１２２ａ−１を定義するための動円である第２ピッチ円Ｃｐ２の外部に凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが存在するためである。
【００７２】
そして、この場合には、式（１）が満たされながら第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときに、凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれと、凸部１１２と、の干渉を避けつつ、第１ロータ１１と、第２ロータ１２と、の間での流体の圧縮や減圧を抑えるために、この凸部１１２における一対の線１１２ａの第１円１１１ａの近傍では、次のような切込み１１２ａ−１を設ける必要が生ずる。即ち、この切込み１１２ａ−１は、本発明にいう「凸部根本部分」の一例に相当し、凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが、基準位置から、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに第１円１１１ａに近付く方向に転がり、第１円１１１ａに最接近した後に第１円１１１ａから遠ざかるときに描くトロコイド曲線１２２ａ−１に連続的に近接せずに、基準線分Ｌ１から見て当該トロコイド曲線１２２ａ−１の以内の経路を辿る線となる。この結果、凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれがループの外側を通る際に、その端点１２２ａが、凸部１１２から一時的に離れて切込み１１２ａ−１との間にわずかな間隙ｄ１が開くこととなる。これは、第２ピッチ円Ｃｐ２の外部に他の凹部分が存在する場合にも同様である。
【００７３】
これに対し、上記の式（２）が満たされる本実施形態では、凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが描くトロコイド曲線１２２ａ−１が第１円１１１ａの近傍で上記のようなループを描くことがない。このため、凸部１１２に上記のような切込み１１２ａ−１が設けられることもなく、凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが凸部１１２から離れることなく近接し続けることとなる。これは、他の凹部分が存在する場合にも同様である。
【００７４】
以上に説明した第１実施形態の流体機械１では、第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときに、上記の基準平面Ｐ１１における基準位置において、第２ロータ１２の凹部１２２における２つの端点１２２ａの双方が、第１ロータ１１の凸部１１２と近接する瞬間がある。
【００７５】
図１３は、第１ロータ及び第２ロータが回転するときに、基準平面における基準位置において、第２ロータの凹部における２つの端点の双方が、第１ロータの凸部と近接する瞬間について示す模式図である。
【００７６】
図１３における図中左側の図は、凹部１２２における２つの端点１２２ａの双方が第１ロータ１１の凸部１１２と近接する直前の状態を示し、図中右側の図が、２つの端点１２２ａの双方が第１ロータ１１の凸部１１２と近接する瞬間を示している。図中左側の状態では、図中上側の端点１２２ａが凸部１１２から離れており、図中右側の状態において凸部１１２と、凹部１２２と、が若干の隙間を許容しつつ噛み合う。
【００７７】
本実施形態では、基準平面Ｐ１１においては、凸部１１２における凸部先端の線と、凹部１２２における凹部底の線は、いずれも特殊円Ｃｓの円周に沿った凸円弧曲線１１２ｂと、凹円弧曲線１２２ｂである。このため、上記のように２つの端点１２２ａの双方が第１ロータ１１の凸部１１２と近接する瞬間には、２つの円弧曲線が互いに合致することとなる。
【００７８】
そして、本実施形態では、第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときに、凸円弧曲線１１２ｂが、凹円弧曲線１２２ｂの内側から抜け出すための条件である特殊円Ｃｓの中心Ｃｓａが第１ピッチ円Ｃｐ１と第２ピッチ円Ｃｐ２の接点と一致することが満足される。そして、凸円弧曲線１１２ｂが凹円弧曲線１２２ｂの内側から抜け出した後は、凹部１２２における２つの端点１２２ａのうちの一方が、沿トロコイド曲線となった上記の一対の線１１２ａのうちの対応する一方に近接するのみとなる。凸円弧曲線１１２ｂが凹円弧曲線１２２ｂの内側に噛み合う前の状態でも同様で、図１３の図中左側の図に示されているように、一方の端点１２２ａのみが、一方の線１１２ａに近接する。
【００７９】
このように、本実施形態の流体機械１では、第１ロータ１１及び第２ロータ１２の回転の全過程を通して、第１ロータ１１と、第２ロータ１２と、の間に流体の閉じ込み現象が略生ずることがない。また、仮に、製造上の誤差等に起因して、凸部１１２と、凹部１２２と、が噛み合った際に両者間に間隙が開き、その間隙に流体が瞬間的に閉じ込められたとしても、その直後には、凹部１２２における２つの端点１２２ａのうちの一方の端点１２２ａのみが凸部１１２の線１１２ａに近接する状態となる。これにより、直ぐに閉じ込み現象が解消される。
【００８０】
図１４は、第１実施形態の流体機械と比較するための第１比較例を示す図である。尚、この図１４及び、以下に示す図１６〜図２０では、第１実施形態にかかる図４に示されている構成要素と同等な構成要素については、図４と同等な符号が付されており、以下では、これら同等な構成要素に対する重複説明を省略する。
【００８１】
この第１比較例の流体機械１’では、凸部１１２’における先端側の基準平面Ｐ１１’に沿った断面形状が、凸部１１２’及び凹部１２２’が完全に噛み合う基準位置において、２つの端点１２２ａ’を結び、第１回転軸１１ａ’から見て２つの端点１２２ａ’それぞれが第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線１２２ａ’−１の以内かつ一部が当該トロコイド曲線１２２ａ’−１に連続的に近接する経路を辿る線となっており、凹部１２２’の基準平面Ｐ１１’に沿った断面形状が、基準位置において、２つの端点１２２ａ’を結び、第１回転軸１１ａ’から見て凸部１１２’における先端側の基準平面Ｐ１１’に沿った形状を形成する線の上の任意の点が第１ピッチ円Ｃｐ１を動円とし、第２ピッチ円Ｃｐ２を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円１２１ａ’内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群のうちのいくつかのトロコイド曲線それぞれに連続的に近接する経路を辿る線となっており、上記の式（１）が満たされながら第１ロータ１１’及び第２ロータ１２’が回転し、凸部１１２’と、凹部１２２’と、が完全な噛み合い状態にあるとき、及び、その前後において、凹部１２２’は、２つの端点１２２ａ’だけでなく内面上の複数点で連続的に凸部１１２’と近接する。そして、これら複数の近接点１２２ａ−１’の相互間に、流体が閉じ込められる空間が形成される。さらに、図１４に示されているように、この空間は、第１ロータ１１’及び第２ロータ１２’の回転につれて、その容積が変化する。このときに、閉じ込められた流体が圧縮されたり減圧されたりすることとなる。このように閉じ込められた流体の圧縮や減圧はロータの回転の妨げとなる場合があるため、この第１比較例の流体機械１’には、閉じ込められた流体の逃げ道が必要となる。
【００８２】
これに対し、上述した第１実施形態の流体機械１では、そもそも流体の閉じ込み現象の発生が抑制されており、閉じ込み現象が生じ難くなっている上に、仮に閉じ込み現象が生じたとしても、直ぐに解消されるので流体の圧縮や減圧も抑制することができる。
【００８３】
また、本実施形態の流体機械１では、上記の式（２）が成り立つので、式（１）が満たされながら第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときに、凸部１１２における沿トロコイド曲線としての一対の線１１２ａそれぞれに、凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが離れることなく近接し続けることができる。凹部１２２における２つの端点１２２ａそれぞれが凸部１１２から離れると、この流体機械１における、流体の流入側と、流出側と、の間のシールが一時的に破れることを意味する。シールが破れると流体の搬送効率が落ちることから、このようなシールの破れは抑制されることが望ましい。本実施形態の流体機械１によれば、上記の式（２）が成り立つことから、式（１）が満たされながら第１ロータ１１及び第２ロータ１２が回転するときにシールが維持されるので、高い搬送効率を得ることができる。
【００８４】
ここで、本実施形態では、第２ロータ１２は、基準平面Ｐ１１において、次のような一対のシール点において流体の流入側と、流出側と、の間のシール構造を形成している。
【００８５】
図１５は、第１実施形態の流体機械におけるシール構造を示す模式図である。
【００８６】
この図１５に示されているように、本実施形態の流体機械１では、第２ロータ１２は、第１ロータ１１に対する第１ロータ側シール点ＳＰ１と、ケース１３の内面に対するケース側シール点ＳＰ２と、で流体に対するシール構造を形成している。そして、基準平面Ｐ１１において、第１ロータ側シール点ＳＰ１と、ケース側シール点ＳＰ２と、を結ぶ線分Ｌ４に対する垂直二等分線Ｌ５が第２回転軸１２ａの近傍を通る。
【００８７】
第２ロータ１２が回転する際には、２つのシール点ＳＰ１，ＳＰ２を通り、第２回転軸１２ａに平行な、第２ロータ１２の断面に、流体の圧力が作用するので、第２ロータ１２には、圧力による力Ｆ１が、第１ロータ側シール点ＳＰ１と、ケース側シール点ＳＰ２と、を結ぶ線分Ｌ４に対する垂直二等分線Ｌ５に沿った方向に掛かる。このとき、本実施形態の流体機械１では、その垂直二等分線Ｌ５が第２回転軸１２ａの近傍を通るので、上記の力Ｆ１もこの第２回転軸１２ａの近傍に向かって掛かる。尚、本実施形態の流体機械１を「水車」として利用する場合には、流体の流入側が高圧となるので、流れ方向と、回転方向と、が図１５とは逆向きとなるが、流体の圧力による力Ｆ１は、図１５と同様に、第２回転軸１２ａの近傍に向かって掛かる。
【００８８】
図１６は、第１実施形態の流体機械と比較するための第２比較例を示す図であり、図１７は、第１実施形態の流体機械と比較するための第３比較例を示す図である。
【００８９】
図１６に示されている第２比較例の流体機械１”は、第１歯車１１”と第２歯車１２”がケース１３”に収容された歯車ポンプである。また、図１７に示されている第３比較例の流体機械１’’’は、第１ロータ１１’’’と第２ロータ１２’’’がケース１３’’’に収容されたルーツ式ポンプである。
【００９０】
第２比較例の流体機械１”では、基準平面Ｐ１１”に沿った断面形状において第１歯車側シール点ＳＰ１”と、ケース側シール点ＳＰ２”と、を結ぶ線分Ｌ４に対する垂直二等分線Ｌ５が、第２回転軸１２ａ”から大きくずれた位置を通る。このため、第１歯車１１”及び第２歯車１２”の回転中に、第２歯車１２”には回転軸１２ａ”から大きくずれた方向に圧力による力Ｆ１が掛かる。
【００９１】
同様に、第３比較例の流体機械１’’’でも、基準平面Ｐ１１’’’に沿った断面形状において第１ロータ側シール点ＳＰ１’’’と、ケース側シール点ＳＰ２’’’と、を結ぶ線分Ｌ４に対する垂直二等分線Ｌ５が、第２回転軸１２ａ’’’から大きくずれた位置を通る。このため、第１ロータ１１’’’及び第２ロータ１２’’’の回転中に、第２ロータ１２’’’には回転軸１２ａ’’’から大きくずれた方向に圧力による力Ｆ１が掛かる。
【００９２】
一般に、回転体に対し、回転中に、回転軸からずれた方向に、回転方向と逆向きに力が掛かると、この力に抗して回転させるために余分なトルクが必要となる。このため、第２比較例の流体機械１”や第３比較例の流体機械１’’’では、第２歯車１２”や第２ロータ１２’’’を回転させるために、第１歯車１１”や第１ロータ１１’’’との間に余分な回転駆動力の伝達が必要となる。このような余分な回転駆動力の伝達は、動力伝達部品の高強度化や流体機械の効率の低下を招く場合がある。
【００９３】
これに対し、上述した第１実施形態の流体機械１によれば、回転中に第２ロータ１２に掛かる上記の力Ｆ１が第２回転軸１２ａの近傍に向かって掛かるので、上記のようなトルクが極小となり、第１ロータ１１と第２ロータ１２の間の余分な回転駆動力の伝達を抑えることができるため、動力伝達部品の高強度化や流体機械の効率の低下を抑えることができる。
【００９４】
また、本実施形態では、上述したように、第２ロータ１２の凹部１２２における２つの端点１２２ａの双方が、第１ロータ１１の凸部１１２と近接するときには、凹部１２２の凹円弧曲線１２２ｂと、凸部１１２の凸円弧曲線１１２ｂと、が互いに略密着するような円弧形状に形成されている。これにより、本実施形態の流体機械１によれば、そもそも流体の閉じ込み現象それ自体について略回避することができる。
【００９５】
また、本実施形態によれば、第１ロータ１１には一対の凸部１１２が設けられ、第２ロータ１２には一対の凹部１２２が設けられている。これにより、流体を高い搬送効率で搬送することができる。
【００９６】
また、本実施形態では、図１に示されているように、第１ロータ１１は、基準平面Ｐ１１に沿った断面形状が第１回転軸１１ａに沿って直線状に移動したときの軌跡からなる柱形状の板となっている。同様に、第２ロータ１２も、基準平面Ｐ１１に沿った断面形状が第２回転軸１２ａに沿って直線状に移動したときの軌跡からなる柱形状の板となっている。本実施形態によれば、第１ロータ１１及び第２ロータ１２をこのような柱形状に形成することで、各ロータの加工が簡便なものとなり、加工コストを低減することができる。
【００９７】
以上で第１実施形態についての説明を終了し、第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、第２ロータの形状及び第１ロータの形状が第１実施形態とは異なっている。以下、第２実施形態について、この第１実施形態との相違点に注目して説明を行う。
【００９８】
図１８は、第２実施形態の流体機械を示す模式図である。
【００９９】
第２実施形態の流体機械２では、第２ロータ２２の凹部２２２における基準平面Ｐ２１に沿った断面形状では、特殊円Ｃｓ上に位置する２つの端点２２２ａそれぞれを起点として、第２ロータ２２の外周面へと向かう面取り２２２ｃが形成されている。この面取り２２２ｃは、凹部２２２における凹断面形状の、上述した凹部底の線以外の部分であり、本発明にいう「他の凹部分」の一例に相当する。この面取り２２２ｃは、凸部２１２及び凹部２２２が完全に噛み合う基準位置において、第１回転軸２１ａから見て凸部先端の線２１２ｂの上の任意の点が第１ピッチ円Ｃｐ１を動円とし、第２ピッチ円Ｃｐ２を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円２２１ａ内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る、２つの端点２２２ａそれぞれ及び第２円２２１ａの円周上の点を結ぶ線となっている。
【０１００】
そして、第１ロータ２１の凸部２１２における基準平面Ｐ２１に沿った断面形状では、一対の線２１２ａそれぞれが、上記の端点２２２ａが描くトロコイド曲線に沿った沿トロコイド曲線２１２ａ−１と、次のような線２１２ａ−２と、で構成される。即ち、この線２１２ａ−２は、本発明にいう「凸部根本部分」の一例に相当し、沿トロコイド曲線２１２ａ−１における凸部２１２の根本２１２ｃ側の端部２１２ａ−１ａと、当該根本２１２ｃと、を結ぶ、面取り２２２ｃが、基準位置から、第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに第１円２１１ａに近付く方向に転がったときに、基準線分Ｌ１から見て面取り２２２ｃにおける任意の点が描くトロコイド曲線群の以内にあって、沿トロコイド曲線２１２ａ−１を含む一対の線２１２ａそれぞれに面取り２２２ｃにおける複数の点が同時に連続的に近接しない経路を辿る線となっている。本実施形態においても、上記の式（２）が満たされるため、図１８に示すとおり、２つの端点２２２ａ及び面取り２２２ｃが凸部２１２から離れることなく近接し続けることができるが、製造上の都合などによっては、線２１２ａ−２を、面取り２２２ｃにおける任意の点が描くトロコイド曲線群に沿った線より、基準線分Ｌ１寄りの経路を辿る線とすることも可能である。
【０１０１】
この第２実施形態の流体機械２によれば、第２ロータ２２の凹部２２２において、上記の基準平面Ｐ２１での２つの端点２２２ａを通る一対の縁が、上記の面取り２２２ｃが、第２回転軸２２ａに沿って延在した帯面状の縁となる。これにより、例えばナイフエッジ形状で縁が形成されている場合等に比べて構造上の強度を高めることができる。
【０１０２】
次に、第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、第１ロータ及びケースの形状が第１実施形態とは異なっている。以下、第３実施形態について、この第１実施形態との相違点に注目して説明を行う。
【０１０３】
図１９は、第３実施形態の流体機械を示す模式図である。
【０１０４】
第３実施形態の流体機械３では、第１ロータ３１の凸部３１２の、基準平面Ｐ３１における断面形状が、上述した沿トロコイド曲線である一対の線３１２ａと、それらの端部どうしを結ぶ凸部先端の線３１２ｂで構成されている。
【０１０５】
凸部先端の線３１２ｂは、一方の線３１２ａの端部を発し、特殊円Ｃｓの円周に沿った経路と、特殊円Ｃｓの以内にあって第１回転軸３１ａを中心とする円弧に沿った経路と、を辿り、他方の線３１２ａの端部へと達している。つまり、この凸部先端の線３１２ｂは、凸部３１２及び凹部１２２が完全に噛み合う基準位置において、第１回転軸３１ａから見て２つの端点１２２ａそれぞれが第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線１２２ａ−１の以内かつ当該トロコイド曲線１２２ａ−１に連続的に近接しない経路を辿る線となっている。
【０１０６】
本実施形態の流体機械３では、第１ロータ３１が回転する際に、凸部先端の線３１２ｂの先端の円弧全体をケース３３の内壁面３３１ａに近接させることができるため、第１ロータ１１が回転する際に、凸円弧曲線１１２ｂの先端の一点のみがケース１３の内壁面１３１ａに近接する第１実施形態の流体機械１に比べて第１ロータとケース内面の隙間からの流体の漏れを抑えることができる。
【０１０７】
本実施形態の流体機械３では、第１ロータ３１の凸部３１２と、第２ロータ１２の凹部１２２と、が完全に噛み合った瞬間には、特殊円Ｃｓの円周に沿った凹部１２２と、上記の凸部先端の線３１２ｂと、の間の空間に、流体が一時的に閉じ込められる。しかし、その直後には、凹部１２２における２つの端点１２２ａのうちの一方が凸部３１２から離れるので、直ぐに閉じ込み現象が解消される。
【０１０８】
このように第３実施形態の流体機械３によれば、流体の閉じ込み現象が生ずる瞬間があるものの、その閉じ込み現象が直ぐに解消されるので、流体の圧縮や減圧を抑制することができる。
【０１０９】
次に、第４実施形態について説明する。この第４実施形態は、第１ロータと第２ロータの双方の形状が第１実施形態とは異なっている。以下、第４実施形態について、この第１実施形態との相違点に注目して説明を行う。
【０１１０】
図２０は、第４実施形態の流体機械を示す模式図である。
【０１１１】
第４実施形態の流体機械４では、第１ロータ４１の凸部４１２の、基準平面Ｐ４１における断面形状が、上述した沿トロコイド曲線である一対の線４１２ａと、それらの端部どうしを結ぶ凸部先端の線４１２ｂで構成されている。
【０１１２】
凸部先端の線４１２ｂは、一方の線４１２ａの端部を発し、途中で、凸部４１２及び凹部４２２が完全に噛み合う基準位置において、第１回転軸４１ａから見て２つの端点４２２ａそれぞれが第２ピッチ円Ｃｐ２を動円とし、第１ピッチ円Ｃｐ１を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線４２２ａ−１の以内にあって第１回転軸４１ａを中心として特殊円Ｃｓを内接する円弧に沿った経路を辿り、他方の線４１２ａの端部へと達している。つまり、この凸部先端の線４１２ｂは、基準位置において、第１回転軸４１ａから見てトロコイド曲線４２２ａ−１の以内かつ当該トロコイド曲線４２２ａ−１に連続的に近接しない経路を辿る線となっている。
【０１１３】
また、第４実施形態の流体機械４では、第２ロータ４２の凹部４２２の、基準平面Ｐ４１における断面形状が、基準位置において、２つの端点４２２ａのうちの一方を発して他方の端点４２２ａに達する、第１回転軸４１ａから見て凸部先端の線４１２ｂの上の任意の点が第１ピッチ円Ｃｐ１を動円とし、第２ピッチ円Ｃｐ２を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円４２１ａ内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿る線となっている。
【０１１４】
本実施形態の流体機械４でも、第１ロータ４１が回転する際に、凸部先端の線４１２ｂの先端の円弧全体をケース１３の内壁面１３１ａに近接させることができるため、第１ロータ１１が回転する際に、凸円弧曲線１１２ｂの先端の一点のみがケース１３の内壁面１３１ａに近接する第１実施形態の流体機械１に比べて第１ロータとケース内面の隙間からの流体の漏れを抑えることができる。更にケース１３の内壁面１３１ａの内径は第３実施形態の流体機械３におけるケース３３の内壁面３３１ａの内径に比べて大いため、第３実施形態の流体機械３に比べて流体をより多く搬送することができる。ただし、第２ロータ４２の一対の凹部４２２に挟まれた部分の肉厚が第１実施形態の流体機械１や第３実施形態の流体機械３の対応する部分に比べて薄くなる。
【０１１５】
本実施形態の流体機械４でも、第１ロータ４１の凸部４１２と、第２ロータ４２の凹部４２２と、が完全に噛み合った瞬間には、凸部４１２と、凹部４２２と、の間の空間に流体が一時的に閉じ込められる。しかし、その直後には、凹部４２２における２つの端点４２２ａのうちの一方が凸部４１２から離れるので、直ぐに閉じ込み現象が解消される。
【０１１６】
このように第４実施形態の流体機械４でも、流体の閉じ込み現象が生ずる瞬間があるものの、その閉じ込み現象が直ぐに解消されるので、流体の圧縮や減圧を抑制することができる。
【０１１７】
次に、第５実施形態について説明する。
【０１１８】
図２１は、第５実施形態の流体機械を示す模式図である。
【０１１９】
本実施形態の流体機械５は、ケース５３に収容された第１ネジロータ５１及び第２ネジロータ５２の回転により、ケース５３の流入口５３１で流体を取り込んで流出口５３２から軸方向に流出させるスクリュー式流体ポンプである。
【０１２０】
本実施形態では、第１ネジロータ５１における基準平面Ｐ５１に沿った断面形状は、図４に示されている第１実施形態における第１ロータ１１の断面形状と同等である。また、第２ネジロータ５２における基準平面Ｐ５１に沿った断面形状は、図４に示されている第１実施形態における第２ロータ１２の断面形状と同等である。
【０１２１】
そして、第１ネジロータ５１は、基準平面Ｐ５１に沿った断面形状が第１回転軸５１ａに沿って螺旋状に捩じられながら移動したときの軌跡からなるネジ形状を有している。また、第２ネジロータ５２も、基準平面Ｐ５１に沿った断面形状が第２回転軸５２ａに沿って螺旋状に捩じられながら移動したときの軌跡からなるネジ形状を有している。本実施形態の流体機械５では、第１ネジロータ５１と、第２ネジロータ５２と、が互いに噛み合った状態で同期しつつ回転する。
【０１２２】
本実施形態の流体機械５では、流体は、ネジの山と、ネジの谷と、ケース５３と、の間に形成される空間とともに、第１回転軸５１ａや第２回転軸５２ａと略平行に流れることとなるため、その空間を軸方向に多段化することにより、流入側と流出側の圧力差を大きくすることができる。このとき、基準平面Ｐ５１において、仮に凸部５１２と、凹部５２２と、の間に流体が閉じ込められたとしても、その流体は、軸方向に流れて逃げることができるので、原理的に二重に圧縮や減圧を抑えることができる。
【０１２３】
次に、第６実施形態について説明する。
【０１２４】
図２２は、第６実施形態の流体機械を示す模式図である。
【０１２５】
本実施形態は、上述した第１実施形態の流体機械１を適用して構成した内燃機関６である。この内燃機関６は、圧縮／吸気用流体機械６１と、膨張／排気用流体機械６２と、燃焼室６３と、を備えている。圧縮／吸気用流体機械６１及び膨張／排気用流体機械６２それぞれが、上述した第１実施形態の流体機械１と同等なものとなっている。つまり、本実施形態では、圧縮／吸気用流体機械６１及び膨張／排気用流体機械６２それぞれが、本発明にいう流体機械の一例に相当する。
【０１２６】
圧縮／吸気用流体機械６１の流入口６１１に吸気管６４が接続され、膨張／排気用流体機械６２の流出口６２１に排気管６５が接続されている。圧縮／吸気用流体機械６１の流出口６１２と、膨張／排気用流体機械６２の流入口６２２は、配管６６と、燃焼室６３と、を介して互いに接続されている。燃焼室６３において燃焼気体の燃焼／膨張が起こる度に、その圧力による力を受けて膨張／排気用流体機械６２の第１ロータが回される。圧縮／吸気用流体機械６１の第１ロータは、膨張／排気用流体機械６２の第１ロータとの軸や歯車などを介した連動により回される。圧縮／吸気用流体機械６１でのロータの回転により、吸気管６４から新たな燃焼気体が取り込まれて圧縮されつつ配管６６を通して燃焼室６３へと送り込まれる。そして、燃焼室６３での燃焼によって生じた膨張気体が膨張／排気用流体機械６２でのロータの回転により、排気管６５から排出される。このような動作が繰り返されて、膨張／排気用流体機械６２の第１ロータの回転軸に回転駆動力が発生する。ここで、本実施形態の圧縮／吸気用流体機械６１及び膨張／排気用流体機械６２は、第１実施形態の流体機械１と同等なものであり、そのシール構造によれば、膨張気体の圧力による力の第２ロータへの伝達は抑えられるため、第２ロータは、略バルブとしての役割のみを果たす。
【０１２７】
尚、上述した第１〜第６実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、これに限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の流体機械の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
【０１２８】
例えば、上述した第１〜第６実施形態では、本発明にいう流体機械の一例として、ポンプ、水車、及び内燃機関に利用される流体機械が例示されている。しかしながら、本発明にいう流体機械はこれらに限るものではなく、その具体的な適用形態を問うものではない。
【０１２９】
また、上述した第１〜第６実施形態では、本発明にいう第１ロータ及び第２ロータの一例として、凸部が一対設けられた第１ロータ、及び凹部が一対設けられた第２ロータが、同一回転速度で回転するものが例示されている。しかしながら、本発明にいう第１ロータ及び第２ロータは、これらに限るものではなく、式（１）を満たし、互いに噛み合うことが可能であれば、第１ロータにおける凸部や、第２ロータにおける凹部の具体的な数や、回転速度については任意に設定し得る。
【０１３０】
また、上述した第１〜第６実施形態では、本発明にいう流体機械の一例として、第１ロータ及び第２ロータが１つずつ設けられた流体機械が例示されている。しかしながら、本発明にいう流体機械は、これらに限るものではなく、例えば、第１ロータを１つ、第２ロータを、その第１ロータの周りに複数配置したものであってもよく、あるいは、第１ロータ及び第２ロータをそれぞれ複数ずつ設けたもの等であってもよい。本発明にいう流体機械は、第１ロータ及び第２ロータそれぞれを少なくとも１つずつ設けたものであれば、各ロータの具体的な個数を問うものではない。
【０１３１】
また、上述した第１〜第６実施形態では、本発明にいう凸部先端の線の一例として、円弧曲線や線分で構成された凸部先端の線が例示されている。しかしながら、本発明にいう凸部先端の線は、これに限るものではない。本発明にいう凸部先端の線については、基準位置において、一対の線における凸部の根本とは反対側の端部どうしを結び、第１基準点から見て２つの端点それぞれが第２ピッチ円を動円とし、第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線の以内かつ当該トロコイド曲線に連続的に近接しない経路を辿るものであれば、その具体的な形状を問うものではない。
【０１３２】
また、上述した第１〜第６実施形態では、本発明にいう凹部の一例として、円弧曲線や線分で構成された凹部が例示されている。しかしながら、本発明にいう凹部は、これに限るものではない。本発明にいう凹部については、基準位置において、２つの端点を通り、第１基準点から見て凸部先端の線の上の任意の点が第１ピッチ円を動円とし、第２ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに第２円内に描くトロコイド曲線群の以遠かつ当該トロコイド曲線群それぞれに連続的に近接しない経路を辿るものであれば、その具体的な形状を問うものではない。
【０１３３】
また、上述した第１〜第６実施形態では、本発明にいう一対の線の一例として、２つの端点や他の凹部分が基準線分に関して線対称であり、第１ピッチ円と第２ピッチ円の接点を中心とする特殊円の円周上に２つの端点が存在する場合の、２つの端点が描くトロコイド曲線に沿った沿トロコイド曲線や、他の凹部分が描くトロコイド曲線群に沿った線で構成される線が例示されている。しかしながら、本発明にいう一対の線は、これに限るものではない。本発明にいう一対の線それぞれについては、基準位置において、第１基準点から見て２つの端点それぞれが第２ピッチ円を動円とし、第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに描くトロコイド曲線の以内かつ当該２つの端点の近傍の二点から凸部の根本までを結び、少なくとも一部が、２つの端点それぞれが、基準位置から、第２ピッチ円を動円とし、第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに第１円に近付く方向に転がったときに描くトロコイド曲線の基準線分寄りの近傍を通る曲線である沿トロコイド曲線であり、沿トロコイド曲線が一対の線それぞれの全てではない場合、沿トロコイド曲線以外の凸部根本部分の形状が、沿トロコイド曲線における凸部の根本側の端部及び当該根本を結ぶ、２つの端点それぞれ又は他の凹部分それぞれが、基準位置から、第２ピッチ円を動円とし、第１ピッチ円を定円として、当該動円とともに当該定円に沿って滑らずに転がったときに、基準線分から見て当該端点又は当該他の凹部分における任意の点が描くトロコイド曲線又はトロコイド曲線群の以内にあって、当該他の凹部分が第１円に近付くときには沿トロコイド曲線を含む一対の線それぞれに当該他の凹部分における複数の点が同時に連続的に近接しない経路を辿り、当該端点又は当該他の凹部分が第１円から遠ざかるときには当該端点又は当該他の凹部分における任意の点に連続的に近接しない経路を辿る線となっているものであれば、その対称性を問うものではない。
【０１３４】
また、上述した第１〜第６実施形態では、本発明にいう第１ロータや第２ロータの回転方向の一例として、図２を参照して、前者について時計回り、後者について反時計回り、をそれぞれ例示している。しかしながら、本発明にいう第１ロータや第２ロータの回転方向はこれらに限るものではなく、任意に設定し得る。
【符号の説明】
【０１３５】
１，２，３，４，５      流体機械
６    内燃機関
１１，２１，３１，４１    第１ロータ
１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ，５１ａ  第１回転軸
１２，２２，４２    第２ロータ
１２ａ，２２ａ，５２ａ  第２回転軸
１３，３３，５３    ケース
１４    第１回転軸棒
１５    第２回転軸棒
１６    第１同期歯車
１７    第２同期歯車
５１    第１ネジロータ
５２    第２ネジロータ
６１    圧縮／吸気用流体機械（流体機械）
６２    膨張／排気用流体機械（流体機械）
６３    燃焼室
６４    吸気管
６５    排気管
６６    配管
１１１    第１円板
１１１ａ，２１１ａ  第１円（第１ロータ基礎円）
１１２，２１２，３１２，４１２，５１２    凸部
１１２ａ，２１２ａ，２１２ｂ，２１２ａ−２，３１２ａ，３１２ｂ，４１２ａ，４１２ｂ    線
１１２ａ−１    切込み
１１２ｂ    凸円弧曲線
１１２ｂ−１，１２２ｂ−１    円弧中心
１１２ｃ，２１２ｃ    根本
１２１    第２円板
１２１ａ，２２１ａ，４２１ａ  第２円（第２ロータ基礎円）
１２２，２２２，４２２，５２２    凹部
１２２ａ，２２２ａ，４２２ａ    端点
１２２ａ−１，１２２ｂ−２，４２２ａ−１    トロコイド曲線
１２２ｂ    凹円弧曲線
１３１    第１収容室
１３１ａ，１３２ａ，３３１ａ    内壁面
１３２    第２収容室
１３３，５３１，６１１，６２２    流入口
１３４，５３２，６１２，６２１    流出口
２１２ａ−１    沿トロコイド曲線
２１２ａ−１ａ    端部
２２２ｃ    面取り
Ｃｐ１    第１ピッチ円
Ｃｐ２    第２ピッチ円
Ｃｓ    特殊円
Ｃｓａ  中心
ｄ１    間隙
Ｆ１    力
Ｌ１    基準線分
Ｌ２，Ｌ４    線分
Ｌ３，Ｌ５    垂直二等分線
Ｎ１，Ｎ２    回転速度
Ｐ１１，Ｐ１１”，Ｐ１１’’’，Ｐ２１，Ｐ３１，Ｐ４１，Ｐ５１    基準平面
Ｒ２    第２円の半径
Ｒｐ１    第１ピッチ円の半径
Ｒｐ２    第２ピッチ円の半径
Ｓ１，・・・，Ｓ１２    ステップ
ＳＰ１    第１ロータ側シール点
ＳＰ２    ケース側シール点
Ｔ１    干渉点
δ      ずれ量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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