(57)【要約】【課題】ローターの回転と連動する容積変化を発生させ、高効率な上に磨耗に対する耐久性に優れたポンプ及び回転動力発生装置を開発する。【解決手段】１：２のギア比で製作されたトロコイドギアのインターナルギアと一体化させる楕円柱形状のローターを特定の基準で設定し、ローターの回転時に重なる空間領域を削除した面をハウジング内壁とする事で、ローター回転中ハウジング内壁の定位置と常時接する接点と、長軸端点付近と接しハウジング内壁を移動する接点を構成し、体積が大きい最大容積と比率の高い容積比を併せ持つ、圧送、吸引、回転動力発生において優れた機能を備えた装置を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロコイドギアを使う容積型ポンプ及び回転動力発生装置において、構成するトロコイドギアのステーショナリーギアとインターナルギアの比率を１：２に設定、インターナルギアと同じ中心軸で接合したローターを楕円柱形状とし、ステーショナリーギア中心とインターナルギア中心を結んだ直線に対し、楕円長軸が直角方向となる位置状態で長軸を任意の長さで設定した上に、トロコイドギアと連動させた回転により、長軸の方向を９０度変化させた時の長軸端点位置を楕円の短軸端点位置と定める事により、ローター回転時に重なる空間領域を削除した形状のハウジング内壁の定位置に、ローターと常に接する接線を構成し、接線で遮蔽され分断したハウジング内部の２空間と繋がるポートを接線両側で設けた、ハウジング内部を楕円柱形状ローターで分断した２空間が、拡張と収縮を同時に行う事を特徴とした装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ及び回転動力発生装置において、トロコイドギアを使い楕円柱の形状をしたローターの回転から容積変化を発生させる、ポンプ及び回転動力発生装置の設計と仕組みに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
容積変化を利用したポンプ及び動力発生装置はピストンの往復運動による容積変化や、変心されたローターに装着された遮蔽板に仕切られた領域の容積変化を利用している。
【０００３】
ピストンを使用する装置は、機密性が高く容積の容量を確保しやすいなどの理由で、オイルを高圧で圧送させるポンプや、蒸気機関などに使用されている。高圧で圧送するギアポンプ、トロコイドポンプなど２つのギアの組み合わせで構成されたタイプは、エンジン内部でオイルを圧送するポンプとして多く使われている。
【０００４】
回転式のポンプ及び軽付加で使用する蒸気機関に使われ、スライド式の遮蔽板を備えたローターを円柱形状のハウジングと変心させて設置し回転させるベーンロータリーと言われる方式は、ドラム缶に備え付ける油回転ポンプもこの方式で、真空ポンプなどにも使われ普及している。
【０００５】
繭型断面のハウジングにローターを二つ備え、違う回転方向で重なる領域を設けて回転させ、２つのローターが僅かなクリアランスを保ち遮蔽する事を利用し空気を送り出す方式で、自動車エンジンなどに使われるルーツブロア、リショルムと言われる加給装置がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０３２３３６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】松村 正夫著  「入門  新ポンプ技術」  丸善出版  ２０１１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
解決しようとする問題点は、ポンプ及び回転動力発生装置の効率、耐久性、機能に関する。圧送機能を持つ、ギアポンプ、トロコイドポンプなどは圧送圧力を高く設定できるが吐出量が少ない。ピストン方式では往復運動の慣性ロスや接触面積が多く、磨耗する欠点があり、部品点数も増える。ベーンロータリー方式は回転運動で容積変化を発生させてもハウジングと接触し磨耗する部分を持ち、遮蔽板をローターに設置する方法から強度を出せないので高圧力に対応しない。ルーツブロアやリショルムは気体の圧送に使われているが、円柱を２つ重ねた繭型のハウジング内で中心を同一とするローターを回転させ、ハウジング容積とローター体積の差を利用するため１回転あたりの途出量が少なく、高回転で稼動させる必要性がありロスと騒音が大きくなる欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１：２のギア比で設定した、トロコイドギアのインターナルギアと連結した楕円ローターが、ハート型のハウジング内部で回転した時、ハウジング容積に比較し、他の方式よりも最大容積が大きく、比率の高い容積変化を発生する楕円ローターを有する装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は回転に大きい容積変化を伴う、楕円ローターを有するポンプ及び回転動力発生装置であり、他の方式と比較し装置の大きさに対しの最大容積が格段に大きく、ローター１回転でハウジング総容積以上の容積変化発生させる特徴を持つ。楕円ローターで遮蔽され二分したハウジング内部の空間で容積の拡張と収縮を同時に進行させ高効率であり、楕円柱型ローター１回転で最大から最小容積、及び最小から最大容積、２工程を二つの容積でそれぞれ行なう。この装置は、機密性があることから真空状態を作るポンプとしても利用可能で、水などを圧送するエンジンポンプに移用した場合、呼び水なしでポンプまで水を吸い寄せることができる。磨耗部分が極めて少なく設計することが可能で、ギアを精密に製作したときにローターとハウジングが比接触として成立する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は装置の楕円ローターとハウジング形状の設計する基礎となる原理と基準を図形で示した図面代用写真である。（実施例１）
【図２】図２は楕円ローター短軸に対しトロコイドギアを大きく設計した装置の断面図（トロコイドギア表示）の図面代用写真、である（実施例２）
【図３】図３は同径のトロコイドギアを設置しているが、楕円ローターの大きさが違う装置を左右２つ並べた比較断面図（トロコイドギア表示）であり、左側は楕円ローター短径がトロコイドギア外周以上になるように、長軸を長く設計した装置の図面代用写真である（実施例３）。
【図４】図４は、図２の装置を稼動した時の楕円ローター各回転位置状態を８つの連続図形で描いた断面図（トロコイドギア表示）の図面代用写真である。（実施例４）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
特定の楕円形状を持つローターで容積変化を発生させる為、ハウジングと接合するステーショナリーギア径の２倍でインターナルギアを設定し、インターナルギアと一体化されたローターの回転運動でそれを成立させる。動力による圧送及び圧力による動力発生では、力の大きさに適応した動力伝達軸の径を確保する。その為、ロータリーエンジンのようにローターにインターナルギアを一体化した構成だけでなく、サイドハウジングの一部を回転自在にすることで、ハウジング外部に楕円ローターの短径より大きいインターナルギアを設け、動力伝達軸の径を太くして対応する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明装置を設計する設定方法と利用する原理の説明図形ある。ペリトロコイド基円と転円の径の比率は１：２とし、転円２、転円７、任意の長さで描く直線の位置と状態を基準としてローターの形状を設定する。
【００１４】
直線８は、楕円の長軸となる直線であり、基円中心と転円中心を結んだ直線に対して９０度の方向で、転円２の中心が中点なるように任意の長さで設定できる。直線９は、転円２に直線８を一体化し、ペリトロコイドで基円１を中心とし、転円２の中心が１８０度回転移動した直線の位置と状態であり、回転方向にかかわらず直線の方向が９０度変化する。この時の転円の位置が転円７となる。
【００１５】
直線８を長軸とし直線９の基円側端点を短軸の端点とする楕円を、転円２の中心を中心にして描き、楕円４の径と楕円率を設定する。楕円４を転円２と一体化し、転円７の位置までペリトロコイドで回転移動した位置状態が楕円５であり、直線９は楕円５の長軸である。
【００１６】
この方法で楕円の径と楕円率を設定した場合、転円と楕円を一体化してトロコイドで回転移動する時に、楕円４短軸端点と楕円５長軸端点の重なる静的位置で、楕円と接する状態を保つ。それは直線８の長さを変えて径と楕円率が変化しても、変わらない性質を持っている。
【００１７】
ペリトロコイド６は、楕円４の長軸である直線８の両端を定点としで描いたペリトロコイドであり、交差することなく同一軌道を通過し続ける、すなわち直線８はペリトロコイドの内側に接した状態で連続回転することが可能である。この事は直線８を長軸とする楕円４にも共通するが、楕円は直線から膨らむ形状となる為、楕円５の位置状態以外ではペリトロコイド６を超えてしまっている。
【００１８】
境界線３は、転円２に楕円４を一体化し、楕円４長軸の両端点を定点としたペリトロコイド６を描いたとき、楕円４と重なる領域を削除した境界線であり、楕円４短軸端点と楕円５長軸端点の重なる位置を通っている。その事は、楕円のトロコイド回転移動で、楕円４と境界線３が常時接した状態にあり、移動しない接点である事を意味している。即ち、楕円４の長軸両端点付近と境界線３の接点は、楕円のペリトロコイド回転移動で境界線３の線上を回転方向に移動し、移動しない接点を境に領域の拡張と収縮が連続で同時進行される。
【００１９】
境界線３は、楕円４短軸端点と楕円５長軸端点の重なった位置で、基円１の中心方向に突起したハート型の形状をしており、そこを境界に拡張側と縮小側を遮蔽している事を利用し、境界線３をハウジング断面の内壁形状に設定した上に、Ａ及びＢの位置２箇所にポートを設け、基円１の径で製作したステーショナリーギアをハウジングと一体化、転円２の径で製作したインターナルギアと、断面に楕円４の形状を持つ楕円ローターを一体化し回転させる事により、回転方向に応じA側からB側、又はB側からA側に、流体を圧送することが可能となる。
【００２０】
反対に、高圧力で流体を圧送した時はポンプと逆の作用により回転動力を発生する動力機関として使える構造をしている。上記した基準と工程を経て、用途に応じ楕円ローターの径、楕円率を適した比率に設計する。
【実施例２】
【００２１】
図２は、サイドハウジングの一部を回転部材とすることでハウジング外部にステーショナリーギア１とインターナルギア２を設置し、インターナルギア外周に対し楕円ローター４の短径を小さく設定した事により、容積効率を高めた装置の断面図である。
【００２２】
ステーショナリーギア１とローターに接合されているインターナルギア２は、サイドハウジングの外部に設置され、潤滑油を注入した密閉された別な空間に設置してある。
【００２３】
楕円ローター４と相対的に、トロコイドギアの径を大きく設定する事でステーショナリーギアの強度が上がり高圧力に対応し、ローターの体積を小さくした事で容積効率も高くなる。:１：２の比率で設定したステーショナリーギア１とインターナルギア２の径を変えずに楕円ローター長径の長さを短縮すると、楕円ローターの短径は長径以上の比率で短縮され、薄い楕円ローターとなる事でローターの体積は減少する。ローターの強度も減少することを考慮し、機能を維持できる範囲で構成を設定した。
【実施例３】
【００２４】
図３は、同径のトロコイドギアを設置した楕円ローターを有する装置を左右に並べた比較断面図である。楕円ローター長径を大きくしていくと比率的に短径は長径以上に大きくなり真円に近づく。
【００２５】
左側のポンプは、楕円ローターの短径をインターナルギア２の径より大きく設定してあり、ロータリーエンジンのようにインターナルギア２をローターの内部に接合した構造を持つ。内燃機関であるロータリーエンジンはインターナルギア径の３分の２のステーショナリーギア径であるのに対し、楕円ローターを有する装置は、インターナルギア２の径の２分の１のステーショナリーギア１の径となる為、ステーショナリーギアを貫通する構成で設置される動力伝達を担うエキセントリックシャフトの径を大きくできない。動力伝達軸の径が確保できない為、大きな入力には対応できない事を考慮し、気体の圧送を想定したポンプとして適合している。
【００２６】
右側のポンプは液体の圧送を想定した構成である。左右のポンプでインターナルギア径が同一であっても、楕円ローター４の長軸を左側ポンプより短く設定した事で短軸は長径以上の比率で短縮され、インターナルギア外周より小さくなる。ステーショナリーギア１とインターナルギア２は、ハウジング外部に設置する事で動力伝達軸の径を大きくした上に、ステーショナリーギア１は動力伝達軸を貫通させる必要がなく強度を損なわない。
【実施例４】
【００２７】
図４は、図２の装置が作動した時、左回転する楕円ローターの各回転位置状態を８つの図形で並べた連続図形である。図形１は楕円ローターの片側で最大容積となった状態であり、反対側では２つのポートと繋がっている状態で最小容積となっている。この位置状態の楕円ローターを０度とした。
【００２８】
図形１から図形８までの図形は、楕円ローターがインターナルギア中心を軸として２２．５度ずつ左回転した位置状態である。図形８から図形１に戻り同一の状態となるが、楕円ローターは長軸と短軸の、どちらを軸としても対象であるため、長軸を基準として片側が、反対側と入れ替わった状態である。
【００２９】
左回転する楕円ローター１８０度の回転で、ハウジング総容積から楕円ローター体積を除いた殆どの体積を占める最大容積から、右側ポートと繋がり最小容積となる。最大容積にあった流体を全て吐出した図形１の状態に戻った時、楕円ローターの反対側では左側ポートと繋がった最小容積が最大容積に拡張し、左側のポートと遮断された状態になっている。ハウジング内を二分割する楕円ローターが回転する事により、２つの容積で拡張と収縮を交互に行う工程を持つ。
【００３０】
図４の各図形番号のローターの回転角度は下記の通りである
１        楕円ローター０度位置状態
２        楕円ローター２２．５度左回転位置状態
３        楕円ローター４５度左回転位置状態
４        楕円ローター６７．５度左回転位置状態
５        楕円ローター９０度左回転位置状態
６        楕円ローター１１２．５度左回転位置状態
７        楕円ローター１３５度左回転位置状態
８        楕円ローター１５７．５度左回転位置状態
【産業上の利用可能性】
【００３１】
容積変化を利用したポンプや動力発生装置など社会で多く使用されている。蒸気の高圧力から動力を発生させる蒸気機関など、発電所に使用される機関はタービンを使ったものが多い。理由に接触による摩擦が少ない事も含まれると思われる。容積型であり楕円ローターを有する装置は比接触としての構成が可能であり、容積型であることを有効に生かせば、発生蒸気量が少ない高圧力な状態であっても効率が出せる蒸気機関として適応きる。
【００３２】
水の汲み上げや水の排水で使われているポンプは、呼び水などでポンプ内部の気密性を確保しなければならない事が一般的である。楕円ローターを使ったポンプであれば気密性が高く吸引空気量が多い為に吸引側のホース内に大きい負圧を作り出し呼び水をしなくても稼動できる可能性があり、異物の混入があっても影響を受けにくい形態をしている利点もあることから、排水、給水のポンプとしての使用に適している。
【００３３】
自動車のエンジンに、加給機として使われるルーツブロア装置は、１回転の圧送空気の量が少なく、圧送に高回転が必要とされる。楕円ローターを使用した装置は、容積変化量が装置に対して非常に大きく、低回転で必要空気を圧送する事が可能であり、加給機としての使用も適している。
【符号の説明】
【００３４】
１    ペリトロコイド基円（ステーショナリーギア径）
２    ペリトロコイド転円（インターナルギア径、図４図形１の位置状態）
３    境界線（ハウジング断面内壁）
４    楕円（楕円ローター、図４図形１の位置状態）
５    楕円（楕円ローター、図４図形５の位置状態）
６    ペリトロコイド
７    ペリトロコイド転円（インターナルギア径、図４図形５の位置状態）
８    直線（楕円ローター長軸、図４図形１の位置状態）
９    直線（楕円ローター長軸、図４図形５の位置状態）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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