(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータリ装置（３０）であって、
第１の軸を中心に回転可能であり、その外周に曲面（４１）を境界とするリセス（４）を有する第１のロータ（３）と、
前記第１の軸と平行である第２の軸を中心として前記第１のロータ（３）とは逆の回転が可能であり、曲面（６１）を境界とする半径方向のローブ（６）を有する第２のロータ（５）を有し、
前記第１及び第２のロータ（３，５）は回転のために結合され、また互いに噛み合っており、
ロータ（３，５）を囲んでいるハウジング（２０）であって、ハウジング（２０）は第１のロータ（３）と同軸である第１のアーチ状リセス（２１）を有し、第１のロータ（３）のリセス（４）の縁（４２）は第１のロータ（３）の回転の一部において第１のアーチ状リセス（２１）とスライド式のシールを形成し、またハウジング（２０）は第２のロータ（５）と同軸である第２のアーチ状リセス（２２）を有し、第２のロータ（５）のローブ（６）は第１のロータ（３）の回転の一部分において第２のアーチ状リセス（２２）とスライド式のシールを形成し、従ってロータ（３，５）の回転の一部で、第１及び第２のロータ（３，５）とハウジング（２０）のアーチ状リセス（２１，２２）との間にロータ（３，５）の回転に伴って容量が漸次減少する一時チャンバ（２３）が限定されるハウジング（２０）を有し、
前記ロータリセス（４）、ロータローブ（６）及びハウジングのアーチ状リセス（２１，２２）は軸方向にらせん状に伸長しており、
前記ハウジングのアーチ状リセス（２１，２２）は前記ハウジング（２０）の一部（１）に形成されハウジング（２０）及びロータ（３，５）に関連して動作可能であり、
以て、可動部分（１）の軸方向移動により、一時チャンバ（２３）の最大容量を変更されることを特徴とするロータリ装置（３０）。
【請求項２】
前記可動部分（１）は、リニアベアリング（１３）上に取り付けられていて両ロータ（３，５）の軸に平行に往復動作をする請求項１に記載のロータリ装置。
【請求項３】
ロータ（３，５）によって一時チャンバ（２３）を限定する側壁（９，１０）を備え、前記側壁（９，１０）は、可動部分（１）がその中へと移動可能であるリセスを有している請求項１または２に記載のロータリ装置。
【請求項４】
前記変更手段（１）を制御するための制御手段（２）を備えた請求項１から３の何れかに記載のロータリ装置。
【請求項５】
前記装置は、一時チャンバ（２３）内の作動流体の圧力及び一時チャンバ（２３）から圧縮された流体が供給されるレシーバ内の圧力を測定するための圧力測定手段を備えたコンプレッサである請求項１から３の何れかに記載のロータリ装置。
【請求項６】
作動流体を一時チャンバ（２３）から前記レシーバへと移す直前に一時チャンバ（２３）内の圧力が前記レシーバ内の圧力と実質的に同一となるように可動部分（１）の移動を制御するための制御手段を備えた請求項５に記載のロータリ装置。
【請求項７】
一時チャンバ（２３）と前記レシーバとの間の送り出しポート（１８）にリード弁を備えた請求項５または６に記載のロータリ装置。
【請求項８】
前記レシーバ内の作動流体の圧力と前記レシーバにおける最大許容圧力との差を監視し、圧縮された流体の使用によって一時チャンバ（２３）から前記レシーバへの作動流体の送出流量を調整する可動部分（１）の移動を制御するための制御手段を備えた請求項７に記載のロータリ装置。
【請求項９】
前記ロータリ装置は内燃機関の一部を形成し、前記装置は可動部分（１）のオペレータによる位置制御のためのオペレータ制御手段を備えた請求項１から４の何れかに記載のロータリ装置。
【請求項１０】
曲面（４１，６１）は、前記ロータローブ（６）が前記ロータリセス（４）を通る間に前記リセス表面（４１）が前記ローブ（６）の先端（６２）と前記ローブ表面（６１）に沿って前進する前記ローブ（６）上の可動位置との両方によって継続的に掃引されて前記一時チャンバ（２３）が限定されるように輪郭取りされている請求項１から９の何れかに記載のロータリ装置。
【請求項１１】
リセスを有する第１のロータ（３）の回転速度は、整数比１未満対１の割合でローブを有する第２のロータ（５）の回転速度より低い請求項１から１０の何れかに記載のロータリ装置。
【請求項１２】
両ロータ（３，５）は、速度比と同じリセス（４）対ロブ（６）比で各々等角度で間隔を置いて配置されたリセス（４）及びローブ（６）を有する請求項１１に記載のロータリ装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、ロータリ装置に関する。
ＷＯ−Ａ−９１／０６７４７には、軸方向にらせん形状を有し相互に作用するロータを有するロータリ装置が開示されている。
こうした装置を使用する内燃機関では、回転圧縮部分及び膨張部分が別々に存在する。
流体圧縮機では、ロータ対は、圧縮性流体を圧縮して流体源よりも実質的に高い圧力のレシーバに送る働きをする。ロータ対を駆動し、こうして流体を圧縮させるための動力は外部の原動機によって供給され、流体の圧力は供給源の圧力からレシーバの圧力にまで増大される。容積式コンプレッサの効率的な作動のためには、レシーバへの装入物の送り出しが開始される前に流体の装入圧力を上げてレシーバの圧力に等しくしておくことが望ましい。ＷＯ−Ａ−９１／０６７４７に開示されたロータシステムでは、側壁内にポートが存在する。ポートの開放は、ロータ内の移動通路の前縁が側壁内のポートの進入側を通過した時点で実行される。従って、装入物の送り出しのためのポート開放のタイミングは１つのロータのリセスにおける予め決められた場所における通路の位置によって決定されることとなり、コンプレッサの作動中は調整を行うことができない。従って、ポートが開放され始めた瞬間に、装入圧力とレシーバの圧力との等化を保証するように初期の装入容積を調整する手段を保有することが望まれる。これは、コンプレッサがリード弁によって作動されない場合、及び流体供給源及び／またはレシーバの圧力が一定でない場合に特に重要である。
ＷＯ−Ａ−９１／０６７４７に開示されているようなロータシステムを有する回転式内燃機関では、ロータは容積式システムとして機能し、これによって、エンジンの熱力学的サイクルを通じた作動流体において発生する容積変更が実施される。内燃機関のほとんどの用途は、動力が軸速度の範囲に渡って、変化するトルク負荷において伝達されることを必要としている。圧縮着火式以外の内燃機関の場合、出力及びエンジン回転数の変更は、サイクルの間に使用される作動流体の量を変更することによって行われる。従って、サイクルの開始時にため込む作動流体の容積、つまりはその質量を変えるための手段を提供することが望ましい。
このタイプの両ロータリ装置、即ちコンプレッサ及び内燃機関の両アプリケーションにおいては、ロータの作動中に装入物の最大容積または質量を変更可能であることが望ましい。
本発明は、ロータリ装置（３０）であって、第１の軸を中心に回転可能であり、その外周に曲面（４１）を境界とするリセス（４）を有する第１のロータ（３）と、前記第１の軸と平行である第２の軸を中心として前記第１のロータ（３）とは逆の回転が可能であり、曲面（６１）を境界とする半径方向のローブ（６）を有する第２のロータ（５）を有し、前記第１及び第２のロータ（３，５）は回転のために結合され、また互いに噛み合っており、ロータ（３，５）を囲んでいるハウジング（２０）であって、ハウジング（２０）は第１のロータ（３）と同軸である第１のアーチ状リセス（２１）を有し、第１のロータ（３）のリセス（４）の縁（４２）は第１のロータ（３）の回転の一部において第１のアーチ状リセス（２１）とスライド式のシールを形成し、またハウジング（２０）は第２のロータ（５）と同軸である第２のアーチ状リセス（２２）を有し、第２のロータ（５）のローブ（６）は第１のロータ（３）の回転の一部分において第２のアーチ状リセス（２２）とスライド式のシールを形成し、従ってロータ（３，５）の回転の一部で、第１及び第２のロータ（３，５）とハウジング（２０）のアーチ状リセス（２１，２２）との間にロータ（３，５）の回転に伴って容量が漸次減少する一時チャンバ（２３）が限定されるハウジング（２０）を有し、前記ロータリセス（４）、ロータローブ（６）及びハウジングのアーチ状リセス（２１，２２）は軸方向にらせん状に伸長しており、前記ハウジングのアーチ状リセス（２１，２２）は前記ハウジング（２０）の一部（１）に形成されハウジング（２０）及びロータ（３，５）に関連して動作可能であり、以て、可動部分（１）の軸方向移動により、一時チャンバ（２３）の最大容量を変更されることを特徴とする。
このように一時チャンバの最大容量は変更可能であるため、一時チャンバに取り込まれる流体の圧力及び／または容量をこの流体の一時チャンバからの移送前に変更することが可能である。装入の初期容量は、ポートが開き始めた時点で装入圧力とレシーバの圧力との等化が保証されるように調整することができる。これは特に、ロータリ装置がコンプレッサにおいて使用される場合に有益である。サイクルの開始時に取り込まれる流体の容量、従ってその質量は、変更が可能である。これは特に、ロータリ装置が内燃機関において使用される場合に有益である。
変更手段は、ハウジングの一部分に形成されハウジングに関連して移動可能なハウジングアーチ状リセスと、一時チャンバの最大容量を変更するためのロータとを備えることができる。
リニアベアリングが設けられている場合には、この可動部分を便宜的にリニアベアリング上に取り付けて両ロータの軸に平行な往復動作を行わせることができる。
本ロータリ装置は、好適には、ロータによって一時チャンバを限定する側壁を有している。側壁は、可動部分が移動する先であるリセスを有している。
変更手段の制御は、制御手段を供給して行なうことができる。
本ロータリ装置がコンプレッサである場合は、一時チャンバ内の作動流体の圧力、及び一時チャンバから圧縮された流体を供給されるレシーバにおける圧力を測定するために、圧力測定手段を供給することができる。一時チャンバから前記レシーバへの作動流体の移送の直前に一時チャンバ内の圧力が実質的に前記レシーバ内の圧力に等しくなるように変更手段を制御するためには、制御手段を供給することができる。
一時チャンバと前記レシーバとの間の送り出しポートには、リード弁を供給することができる。
レシーバ内の作動流体とレシーバ内で許容可能な最大圧力との差を監視するため、及び圧縮流体の使用によって一時チャンバから前記レシーバへの作動流体の送り出し流量を調整するように変更手段を制御するために、制御手段を供給することができる。
本ロータリ装置が内燃機関の一部を形成する場合には、変更手段の位置を操作員が制御するために、オペレータ制御手段を供給することができる。
前記ロータリセス、ロータローブ及びハウジングアーチ状リセスは、好適には、軸方向にらせん状に伸長する。
曲面の輪郭は、前記ロータローブが前記ロータリセスを通過する間に、前記リセス表面が前記ローブの先端と前記ローブ上を移動可能であって前記ローブ表面に沿って進む位置とによって徐々になくされ、前記一時チャンバが限定されるようなものとして形成することができる。
リセスを有する第１のロータの回転速度は、好適には、ローブを有する第２のロータの回転速度よりも遅い。その整数比は、１未満対１である。
両ロータは各々、等角度で間隔を置いて配置されたリセス及びローブを速度比と同じリセス対ローブ比で有することができる。ある特定の例では、第１のロータは等角度で間隔を置いて配置された３つのリセスを有し、第２のロータは直径方向に正反対に配置された２つのローブを有していて、その回転速度の割合は２：３である。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について例示的に説明する。
図１は、本発明による装置の一例を第１の側面から見た略断面図である。
図２は、明確を期するために側壁及びハウジングを取り除いた図１の例の第１の側面からの略斜視図である。
図３は、他の側面から見た図２に一致する図である。
図４は、本装置の当該例の両側面を示した斜視図である。
図５は、明確を期するために側壁及びハウジングなしで描いた当該例のさらなる斜視図である。
本発明の基本的なロータリ装置３０は、ＷＯ−Ａ−９１／０６７４７に開示されているものに類似している。従って、本装置３０は、各々がキーで止められた２つの圧縮ロータ３、５を有している。第１のロータ３は、その外周に等角度で間隔を置いて配置された３つのリセス４を有しており、各リセス４は、第１のロータ３の曲面４１によって境界を形成されている。第２のロータ５は、直径方向の反対側に伸長する両ローブ６を有しており、各ローブ６は、第２のロータ５の曲面６１によって境界を形成されている。ローブ６は、第１のロータ３のリセス４にはまり、これと共動する。
ロータ３、５は、各々の軸７、８上に取り付けられている。軸７、８は、ギヤ（図示されていない）によって整数の速度比で連動される。好適には、第１のロータ３が３つのリセス４を有し、第２のロータ５が２つのローブ６を有している場合には、この速度比は２：３である。
軸７、８は、ロータ３、５の両側に平行に固定された各側壁９、１０内に配置されたベアリング内で回転するように設置されている。ロータ３、５は、側壁９、１０と実質的に気密スライド式嵌め合いの関係にある。
ロータ３、５は、ハウジング２０によって包囲されている。事実、側壁９、１０の一方または両方をハウジング２０の一部とすることができる。ハウジング２０は第１のアーチ状リセス２１を保有するような形状であり、第１のアーチ状リセス２１は、第１のロータ３の各リセス４の後縁４２がスライド式に第１のアーチ状リセス２１とはまり合うような形状にされている。ハウジング２０はまた、第２のアーチ状リセス２２を保有するような形状であり、第２のアーチ状リセス２２は、第２のロータ５のローブ６の前縁６２がスライド式にハウジング２０の第２のアーチ状リセス２２とはまり合うような形状にされている。
リセス４及びローブ６の後縁４２及び前縁６２が各々アーチ状リセス２１、２２へと進入すると、第１のロータ３のリセス４、第２のロータ５のローブ６及びハウジング２０のアーチ状リセス２１、２２の間に、図１で影をつけて示されている一時チャンバ２３が形成される。一時チャンバ２３は、作動流体を圧縮するために使用される。作動流体は、装置がコンプレッサである場合は単に圧縮される流体とすることができる。これに対して、ロータリ装置がロータリ式内燃機関の圧縮部分である場合は、作動流体は空気または空気／ガスの混合体である可能性もある。
一時チャンバ２３の容量は、第２のロータ５のローブ６の前縁６２がハウジング２０の第２のアーチ状リセス２２へとまさに進入しようとし、リセス４の後縁４２が第１のアーチ状リセス２１へとまさに進入しようとする図１に示された位置からロータ３、５の回転が進行するにつれて減少する。図２及び図３から特に明白に分かるように、ロータ３、５はその各々の軸に平行にらせん状に伸長している。ロータ３、５のねじれ角はその各々の回転速度に整合しているため、ねじれ角の割合はロータ３、５の回転速度の割合に等しい。例えば、リセスを有する第１のロータ３のねじれ角は２０°、ローブを有する第２のロータ５のねじれ角は３０°とすることができる。アーチ状リセス２１、２２は、リセス４及びローブ６のらせん形状に合わせてらせん状に形作られている。
本発明においては、アーチ状リセス２１、２２を限定するハウジング２０の少なくとも一部または部分１は、ロータ３、５の回転軸に平行に移動可能である。可動部分１は、軸方向の長さがロータ３、５より長く、側壁９、１０内に供給された可動部分１を受け入れるためのリセスヘと伸長する。可動部分１は、各々が適宜同時に第１のロータ３におけるリセス４の後縁４２の軸方向の全長、及び第２のロータ５におけるローブ６の前縁６２の軸方向の全長と合わさるように形作られた外縁１４、１５を有している。言い替えれば、ハウジング２０の可動部分１は、第１のロータ３におけるリセス４の後縁４２の全長と一直線を成す壁の縁の一部１４と、第２のロータ５におけるローブ６の前縁６２の先端の全長と同時に一直線を成す壁の縁の一部１５とを有している。
可動部分１は、リニアベアリング１３上に設置されており、側壁９、１０における各リセスに出入りする往復動作を行う。制御装置２は、可動部分１の前後動作を制御するために供給されている。制御装置２は、例えば機械装置または電気機械装置とすることができる。図示されている例では、制御装置２はねじ切りされたロッド１１を含み、ロッド１１は、相補的にねじ切りされてハウジング２０の可動部分１に固定されたブロックにおいて回転が可能である。可動部分１を前後に駆動するモータまたは電磁石は、図面には示されていない。第１及び第２のロータ３、５間の半径方向のすきまは、可動部分１の往復動作を通じて維持される。
可動部分１はロータ３、５の軸に平行して（即ち、ロータ３、５が取り付けられている回転軸７、８に平行して）前後に移動するため、ロータ３、５及びハウジング２０のアーチ状リセス２１、２２間に限定される一時チャンバ２３の最大容量は変化する。ロータ３、５及びハウジングのアーチ状リセス２１、２２が軸方向にらせん状に伸長する好適な実施例においては、一時チャンバ２３の最大容量のこの変更は、単に可動部分１の往復動作によって発生する。図面を考察すれば分かるように、可動部分１が図２に示された壁面１０から離れる方向へ移動するほど、第１のロータ３のリセス４と第２のロータ５のローブ６の縁４２、６２及びハウジング２０のアーチ状リセス２１、２２の各々の同時的一致がより早く発生する。これは、本装置３０のサイクルのこの時点で一時チャンバ２３に取り込まれる作動流体のより大きな容量に相当する。可動部分１の軸方向位置を図２に示された壁面１０の方向へ調整すれば、逆に本装置３０の１サイクル間の一時チャンバ２３の最大容量はより小さくなる。
一時チャンバ２３における作動流体の最終圧縮に続いて、コンプレッサの場合、作動流体は側壁１０の１つに配置された送り出しポート１８及び通路１９を介してレシーバに送られる。この場合の通路１９は、好適には、送り出しポート１８と同一の断面形状及び寸法を保持している。内燃機関の場合には、通路１９は燃焼チャンバを供給し、また内燃機関の要件に従って送り出しポート１８とは異なる断面形状及び寸法を有する。
送り出しポート１８の隣には、オリフィス１６が設けられている。オリフィス１６は圧力トランスデューサ（図示されていない）に通じており、圧力トランスデューサのダイヤフラムは側壁１０の内面と同一平面にあるため、圧力トランスデューサは一時チャンバ２３において到達された最大圧力を監視することができる。最大圧力には、送り出しポート１８が開く直前に到達する。
図５は、一時チャンバ２３内の流体圧力が最大である送り出しポート１８の開放直前の配置を示している。コンプレッサの場合には、一時チャンバ２３における圧力は実質的にレシーバ内の圧力と同じである。従ってコンプレッサの場合、ロータ３、５の回転が進むにつれて、第１のロータ３のリセス４における面取りされた溝１７の前縁は送り出しポート１８の進入側を越えて進み、流体は圧力変更なしに送り出しポート１８を通って送出が可能である。ロータ３、５がさらに動作すると、面取りされた溝１７の後縁が送り出しポート１８の進入側を越えるまで、漸次増大する送り出しポート１８の流域を露出させる。ロータ３、５がさらに回転すると、送り出しポートの領域は徐々に減少し、面取りされた溝１７の後縁が送り出しポート１８の後退側を越えた時点でゼロになる。好適には、送り出しポート１８の閉鎖は一時チャンバ２３の最小（クリアランス）容量までの減少と一致するように時間設定される。
エンジンの場合には、面取りされた溝１７の前縁の設計及び送り出しポート１８の輪郭の設計は、装入前の燃焼チャンバ内の残存圧力は大気圧に近いため、一時チャンバ２３から燃焼チャンバへの流体の送出をサイクルの初期段階で可能にするようなものである。
圧縮空気供給システムが供給圧力に関して厳密な制限を必要としない広範囲の工具類に使用される作業室におけるようにレシーバの圧力及び圧縮された流体の利用率が共に幅広く変化する場合には、送り出しポート１８にリード弁を使用することができる。こうした場合、ハウジングの壁面の可動部分１は、主として送出流量を変化する流体使用速度と整合するように変更する働きをする。他方、精密空気コンプレッサ供給システムにおけるようにレシーバ内の圧力変化が極めて小さい場合、全ての送出速度において高い効率を維持しながらロータリ装置の停止と開始の繰り返しを回避するために必要である送出量の変更は全てハウジングの可動部分１によって十分に供給されるため、リード弁は必ずしも必要でない。
本ロータリ装置を内燃機関において使用する場合、可動部分１の軸方向動作を制御する制御装置２は、エンジンの操作者が使用できるように出力及び／または速度制御に直結することができる。
本発明の実施形態について特に図示された例に関連して述べてきたが、本発明の範囲において記載された例に対する変更及び修正が可能であることは理解されるであろう。
【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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