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KR20150121034A - 인덱스 방식 정 변위 회전 운동 장치 - Google Patents

인덱스 방식 정 변위 회전 운동 장치 Download PDF

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KR20150121034A
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알레한드로 후안
커터스 패터슨
크리스찬 고트프리트
소헤일 파쉬치안
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엑스퍼넨셜 테크놀로지스 주식회사
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Abstract

일 형태에 있어서 샤프트를 중심으로 회전할 수 있도록 구성되는 드라이브 로터의 회전 위치를 조정할 수 있는 로터 어셈블리용 인덱싱 시스템이 개시된다.

Description

인덱스 방식 정 변위 회전 운동 장치{INDEXED POSITIVE DISPLACEMENT ROTARY MOTION DEVICE}
본 출원은 2008년 9월 17일 출원된 미국 특허 출원 제 61/097,744 호와 2008년 11월 3일 출원된 미국 특허 출원 제 61/110,770 호와 2008년 12월 31일 출원된 미국 특허 출원 제 61/142,035 호와 2009년 5월 26일 출원된 미국 특허 출원 제 61/181,236 호와 2009년 7월 16일 출원된 미국 특허 출원 제 61/226,199 호와 2009년 6월 3일 출원된 미국 특허 출원 제 61/183,873 호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 공통 라인에서 오프셋되고, 바람직한 일 형태에 있어서는 중심 위치에서 교차하는, 회전 축을 구비하는 회전 장치 상에서 활용되는 표면을 생성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 회전 합성 변위 장치와 관련된 종래 기술은 다양한 유형의 메커니즘을 개시하였다. 그러한 메커니즘의 일부는, 대부분의 자동차 엔진에서 사용되는 피스톤 및 실린더형 구조인, 주기적인 왕복 운동 패턴으로 동작하는 메커니즘을 포함한다. 다른 유형의 정 변위 장치, 예컨대 방켈(Wankel) 엔진은 땅콩과 같은 형상의 가늘고 긴 실린더와 함께 회전하는 왕복 운동 부재를 구비할 수 있다. 물론, 방켈 엔진은 다양한 마쯔다® 자동차에서 사용되는 상업적으로 성공한 엔진이다.
미국 특허 출원 제 61/097,744 호 미국 특허 출원 제 61/110,770 호 미국 특허 출원 제 61/142,035 호 미국 특허 출원 제 61/181,236 호 미국 특허 출원 제 61/226,199 호 미국 특허 출원 제 61/183,873 호
그러나, 종래 기술에 따른 회전 장치의 한가지 문제점은 2 개의 짝을 이루는 기어 형상 부재가 상호 맞물려야 하거나 분리된 상태를 유지하기 위해서는 그 사이에 유체 필름을 구비하여야 한다. 예를 들어, 본 출원의 출원인 회사에 양도된 특허인, 미국 특허 제 5,755,196 호에 개시된 바와 같이, 2 개의 짝을 이루는 로터를 갖는 장치가 제공된다. 또한 본 출원의 발명자에 의해 출원된 미국 계속 특허 출원 제 6,739,852 호에는 반대쪽 로터 상의 2 개의 인접한 로브 사이에 "포켓" 영역과 맞물리는, 로브의 어느 한쪽의 대향하는 맞물림 표면을 갖는 로터가 개시되어 있다. 이러한 유형의 장치는 정 변위 장치를 보여주지만, 예를 들어, 가스 따위의 점성이 낮은 유체가 가스 팽창기 또는 압축기의 버킷 영역 내에 존재하면, 이 점성이 낮은 가스는 2 개의 로터 사이의 간격을 밀봉 상태로 유지하기 어렵고, 로터 간에 접촉이 일어나게 된다. 클라센(Klassen)의 미국 특허 출원 제 6,497,564 호에는, 로브가 클라센(Klassen)의 미국 특허 출원 제 6,497,564 호의 도 9에 도시된 바와 같은 주위를 둘러싸는 케이싱의 케이싱 밀봉 부재 뒤쪽에 위치하는 반대쪽 로터의 버킷 내에 완전하게 삽입될 때 유체 회로 경로가 제공되어 로브의 어느 한쪽에서 발란스 힘을 허용하여 슬레이브 로터의 발란스를 유지할 수 있도록 슬레이브 로터 상에 사전 설정된 간격을 제공함으로써, 슬레이브 로터의 발란스를 유지하는 실시예가 개시되어 있다. 이 발명은 비압축성 유체를 펌프 또는 워터 터빈에서 사용하기에 유용하다. 그러나, 가스의 경우, 가스는 압축될 수 있다는 점에서 포트 형성이 다르게 이루어진다. 예를 들어, 압축기의 일 실시예의 경우, 더 높은 방출 압력을 갖는 챔버 내로 가스를 방출하기 전에 정 변위 회전 운동 장치의 압축실의 체적이 감소하도록 포트가 형성된다.
또 다른 종래 기술인, 1967년 6월 6일 출원된 독일 특허 제 1,551,081 호에는 반대쪽 로터의 2 개의 인접하는 로브 사이에 로브 영역과 반대쪽 버킷 영역을 갖도록 구성된 로터가 개시되어 있다. 그러나, 이 특허에 개시된 바에 따르면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 로브 상에 다수의 작은 인서트 부재가 제공되어 밀봉을 달성한다. 이 특허의 영문 번역문에 기재된 바와 같이, 롤러와 볼 베어링이 사용되어 실제적인 압력의 변화를 흡수한다. 이 독일 특허는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 로브 상에 직접 위치하는 다양한 유형의 간격 유지 요소를 보여주고 있다.
정 변위 회전 운동 장치의 다양한 실패를 통해, 특정 작동 환경에서는 로터를 상호 간에 이격시킬 필요가 있음을 명백히 알 수 있다. 그러나, 로터 사이에서 유체 층 간격을 유지하기 위해서는 로터 스스로 윤활이 가능하여야 하기 때문에, 이러한 간격 유지 시스템은 실현 가능하지 않다. 대안으로서, 앞서 언급한 독일 특허 제 1,151,081 호에 개시된 바와 같은 인서트가 로터 사이의 마모를 완화하기 위하여 사전 설정된 간격을 유지하는 데 필요한 것처럼 보인다. 또 다른 시도로서, 어느 한쪽의 로터 상에 그에 토크를 인가하는 동력원을 제공할 수 있다. 이 형태에 있어서는, 장치가 (예를 들어) 펌프 또는 압축기로서 사용되는 경우, 동일한 양의 토크가 양쪽 로터에 존재할 때, 로터 사이의 접촉은 사실상 줄어들게 된다. 그러나, 이 경우에는 2 개의 토크 생성 장치(예를 들어, 모터) 또는 토크 수용 장치(예를 들어, 발전기)가 로터의 어느 한쪽에 배치되어야 한다.
본 출원의 출원인이 그 권리를 소유하고 있는 클라센의 미국 특허 출원 제 6,036,463 호에 상세히 개시된 바에 따르면, 이 출원의 초기 도면에 도시된 바와 같이, 2 개의 대향하는 로터의 회전 축 사이의 간격을 분기하는 중심 축을 이용하여 로터를 형성하는 방법을 제공하고 있음을 알 수 있다. 이 축 둘레에 원추체를 전개하고 그 축을 로터 중 하나에 고정하면, 이 원추체는 반대쪽 로터의 경로를 절단하게 된다. 도 1 내지 도 7C는 이러한 진행 과정을 보여주고 있다. 또한, 미국 특허 출원 제 6,497,564 호에 개시된 바와 같이, 오프셋 표면을 형성하는 동일한 공정이 로터의 인접한 부분 상에서 사용되어 로브를 형성하는 완전한 로브 설계가 도시되어 있다. 미국 특허 출원 제 6,739,852 호의 도 15A 내지 16B에 도시된 바와 같은 일반적인 공정을 이해할 수 있다. 미국 특허 제 5,755,196 호, 미국 특허 제 6,036,463 호, 미국 특허 출원 제 6,497,564 호, 미국 특허 제 6,705,161 호 및 미국 특허 출원 제 6,739,852 호는 전부 참조자료로서 본 명세서에 통합된다.
미국 특허 제 5,755,196 호에 개시된 실시예와 관련된 한가지 문제점은 로터 사이에 분리가 존재하고 전체 로브가 아닌 오직 로브의 절반에 의해 로터가 회전하여 서로에 대해 이격된다는 점에 주목할 필요가 있다. 그러한 백래시를 방지하는 전체 로브를 생성하더라도 몇몇 형태의 인덱싱 시스템 없이는 로터 간에 접촉이 발생하는 문제점이 여전히 존재한다.
따라서, 비교적 상당한 시간 동안 2 개의 대향하는 로터의 인덱스 위치를 유지하는 것은 실현 가능한 것으로 여겨지지 않았다.
일 형태에 있어서 사전 설정된 공간을 갖는 인덱스 방식 로터를 구비함으로써 작동 로브가 상호 간의 사전 설정된 회전 거리를 유지할 수 있고, 일 형태에 있어서 각각의 로브의 길이 방향 후방 부분에 위치하는 인덱싱 로브가 사용되는 신규한 방법이 개시된다.
사전 설정된 공간을 갖는 인덱스 방식 로터를 구비함으로써 작동 로브가 상호 간의 사전 설정된 회전 거리를 유지할 수 있고, 각각의 로브의 길이 방향 후방 부분에 위치하는 인덱싱 로브가 사용되는 신규의 방법을 제시한다.
도 1은 교차하고 공통 라인에서 오프셋된 회전 축을 갖는 2 개의 로터 사이에서 베이스 곡선을 생성하기 위하여 로터에 적용되는 일반적인 기하학적 개념을 보인 도면이다.
도 2는 결과로서 생기는 베이스 곡선으로서 구체의 외측 표면 상에 위치하는 베이스 곡선을 보인 도면이다.
도 3은 양쪽 로터의 상대 회전 사이의 베이스 곡선 둘레의 중심 기준 축의 이동 경로를 보인 도면으로, 일 형태에 있어서 절두 원추형 표면 또는 다른 형상일 수 있는 한정 표면이 중심 기준 축 둘레에 위치하는 것을 보인 도면이다.
도 4는 일 형태에 있어서 도 3에 도시된 한정 표면에 기초하는 오프셋 표면을 보인 도면이다.
도 5는 구체의 구형 외측 표면 상에 위치하는 베이스 곡선을 보인 도면이다.
도 6은 베이스 곡선이 방사상으로 간격을 두고 분리된 두 위치로 분리되는 것을 보인 도면이다.
도 7은 반대쪽 로터 상의 원형 맞물림 선단부로부터의 오프셋 표면에 대응하는 베이스 곡선으로부터의 오프셋 곡선을 보인 도면이다.
도 8은 도 12에 도시된 대향 배치된 오프셋 표면의 맞물림을 위한 로터 상에서의 맞물림 선단부의 위치를 보인 도면이다.
도 9는 인접한 오프셋 표면을 갖는 맞물림 선단부의 최종 형성을 보인 도면이다.
도 10은 로터의 중심 회전 축 둘레의 반복적인 패턴을 구성하기 위한 연결 표면 라인을 형성하는 일 형태를 보인 도면이다.
도 11은 회전 축이 공통 라인에서 오프셋된 것으로 이해될 수 있는 제 1 및 제 2 로터의 형성을 보인 도면이다.
도 12는 상호 맞물림된 제 1 및 제 2 로터를 보인 도면이다.
도 13은 가운데에 위치한 한 쌍의 로터와 상호 간에 로터를 위치시키기 위한 인덱스 시스템을 구비한 에너지 변환 장치의 측면 윤곽도이다.
도 14는 인덱스 하우징이 제거된 에너지 변환 장치의 등각 투상도이다.
도 15는 드라이버 로터의 측면도이다.
도 16은 드라이버 로터의 정면도이다.
도 17은 드라이브 로터의 배면도이다.
도 18은 인덱스 하우징의 정면도이다.
도 19는 도 18의 19 - 19 선을 따라 취한 인덱스 하우징의 측면 단면도이다.
도 20은 중앙 샤프트의 측면도이다.
도 21은 도 20의 위치에서 90 도 회전한 중앙 샤프트의 측면도이다.
도 22는 도 21의 22 - 22 선을 따라 취한 일 형태에 있어서의 샤프트의 단면도이다.
도 23은 에너지 변환 장치의 배면도이다.
도 24는 도 23의 24 - 24 선을 따라 취한 단면도이다.
도 25는 인덱서(롤러 핀)의 등각 투상도이다.
도 26은 도 25의 26 - 26 선을 따라 취한 단면도이다.
도 27은 사이 끼움된 드라이브 로터가 반대쪽 드라이브 로터 및 고정된 인덱서 로터와는 다른 회전 속도를 갖도록 인덱싱 구성 요소가 드라이버 로터 중 하나와 협력하는 에너지 변환 장치의 일 실시예를 보인 도면이다.
도 28은 변형된 드라이브 로터의 등각 투상도이다.
도 29는 변형된 드라이브 로터의 측면도 및 정면도이다.
도 30은 반대쪽 드라이브 로터의 등각 투상도 및 측면도이다.
도 31은 인덱서 하우징이 제거왼 연속파 인덱싱 오프셋 표면의 등각 투상도이다.
도 32는 연속파 인덱싱 오프셋 표면을 갖는 에너지 변환 장치의 측면도이다.
도 33은 드라이브 로터의 정면도이다.
도 34는 드라이브 로터의 측면도이다.
도 35는 파형으로서의 오프셋 표면을 보여주는 드라이브 로터의 배면도이다.
도 36은 상대적인 각도를 보여주는 개략 측면도이다.
도 37은 인덱서 하우징이 제거된 로터를 보인 도면이다.
도 38은 오프셋 로터가 단일 인덱스 하우징을 갖는 샤프트 등의 공통 중심 축과 함께 반대쪽 로터가 회전 중심 축인 공통 라인에서 오프셋된 단일 로터를 갖는 원리를 보여주는 개략 측면도이다.
도 39는 연속 파형 오프셋 표면을 형성하기 위한 로터와 관련된 일반적인 기하학적 개념을 보인 도면이다.
도 40은 연속 파형 오프셋 기준 베이스 곡선을 보인 도면이다.
도 41은 맞물림 선단부에 기초하여 오프셋 표면을 구성하는 일반적인 개념을 보인 도면이다.
도 42는 완성된 오프셋 표면을 보인 도면이다.
도 43은 다수의 맞물림 선단부 및 오프셋 표면을 갖는 대향 배치된 로터의 초기의 개념적인 구성을 보인 도면이다.
도 44는 개념적인 로터 구성 요소의 정면도이다.
도 45는 로터 구성 요소의 측면도이다.
도 46은 오프셋 표면에 대한 맞물림 선단부의 상대 운동을 보여주는 개략 벡터 선도이다.
도 47은 맞물림 선단부를 따라 취한 접선 성분 부재를 나타내는 개략적인 요소를 보인 도면이다.
도 48은 파 기준 선이 위치하는 구체의 외측 표면의 위치를 따라 취한 다양한 접선 요소를 보인 도면이다.
도 49는 로터가 축을 중심으로 회전할 때 외측 기준 선에 따른 다양한 점의 상대 운동을 보인 도면이다.
도 50은 반대쪽 로터를 이용한 맞물림 표면의 형성을 개략적으로 보인 도면으로, 특히 로터의 반대쪽 표면을 형성하기 위한 다양한 회전 위치에서의 반대쪽 로터의 위치 벡터 및 운동 벡터를 보인 도면이다.
도 51은 일 형태에 있어서 인덱싱 시스템에 차례로 부착되는 2 개의 로터 사이에 사이 끼움 로터가 위치하는 에너지 변환 장치의 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 52는 드라이버의 측면 윤곽도이다.
도 53은 드라이버의 등각 투상도이다.
도 54는 일 형태에 있어서 사이 끼움 로터의 등각 투상도이다.
도 55는 오프셋 표면이 회전 사이클의 절반만큼 위상에서 벗어나 있는 일 형태를 보여주는 사이 끼움 로터의 측면 윤곽도이다.
도 56은 도 51의 실시예의 단면도이다.
도 57은 도 56의 57 - 57 선을 따라 취한 측면 윤곽 절결도이다.
도 58은 펄스 폭발 장치의 측면 단면도이다.
도 59는 도 58의 59 - 59 선을 따라 취한 전체 단면도이다.
도 60은 에너지를 변환하기 위한 정 위치 회전 운동 장치와 결합된 펄스 폭발 장치의 개략도이다.
도 60A는 에너지 변환 장치에 부착된 펄스 폭발 엔진의 또 다른 형태의 측면도이다.
도 60B는 펄스 폭발 장치의 일부 단면도이다.
도 60C는 펄스 폭발 장치의 단부 영역에 부착된 에너지 변환 장치의 단면도이다.
도 60D는 에너지 변환 장치에 부착된 펄스 폭발 장치의 단부 부분의 단면도 또는 일 형태에 있어서 본 도면의 상부 오른쪽 부분에 도시된 포트 조정 개구 장치를 보인 도면이다.
도 60E는 시스템에서 중앙 로터가 제거된 상태를 보인 또 다른 단면 등각 투상도이다.
도 60F는 포트의 체적을 조정하기 위하여 사용되는 슬라이드의 일 예를 보인 도면이다.
도 60H는 밀봉 맞물림 또는 무밀봉 맞물림 방향으로 맞물림되는 플레이트의 수를 조정하기 위한 일 형태에서 사용될 수 있는 내부 캠 부재의 일 예를 보인 도면이다.
도 60G는 조정 슬라이드 플레이트의 적층체를 보인 도면이다.
도 60I는 펄스 폭발 시스템의 길이 방향 후면 영역 부근의 단면도로서, 점화 장치, 점화기가 위치한 점화 위치의 상류에 위치하며, 디퓨저와 연통하는 노즐과 차례로 연통하는 예비 가열기와 연통하는 혼합실을 보여주는 도면이다.
도 60J는 팽창기와 압축기를 갖춘 펄스 폭발 장치의 일 형태의 일 예를 보인 개략도로서, 팽창기로부터의 토크가 압축기를 구동하는 것을 보여주는 도면이다.
도 60K는 제 1 팽창기가 압축기를 구동하고 제 1 팽창기에서 나온 배기 가스가 제 2 팽창기로 흐르는 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 60L은 한 사이클에서 에너지를 추출하는 또 다른 시스템으로서 제 2 팽창기와 연통하는 시스템을 보인 도면이다.
도 61A는 낮은 비율을 갖는 드라이브 로터와 샤프트와 로터 사이에 알맞은 회전 변환을 제공하기 위하여 대응하는 낮은 비율을 갖는 인덱싱 시스템을 구비한 에너지 변환 장치의 측면도이다.
도 61B는 에너지 변환 장치의 등각 투상도 및 측면도이다.
도 62A는 인덱싱 시스템의 로브(lobe)의 개수를 보여주는 장치의 단면도이다.
도 62B는 도 62A의 62B - 62B 선을 따라 취한 단면도이다.
도 63A는 더욱 넓은 범위의 드라이브 로터와 인덱싱 로터의 스파이럴 설계를 보인 등각 투상도이다.
도 63B는 스파이럴 로터의 정면도이다.
도 63C는 도 63B의 63C - 63C 선을 따라 취한 단면도이다.
도 63D는 로터의 인덱싱 표면을 보인 배면도이다.
도 63E는 로터의 등각 투상도이다.
도 64A는 도 63A 내지 도 63E에 도시된 바와 같은 로터에 결합되도록 구성된 스파이럴 로터의 전면 부분을 보인 등각 투상도이다.
도 64B는 스파이럴 로터의 정면도이다.
도 64C는 도 64B의 64C - 64C 선을 따라 취한 단면도이다.
도 64D는 인덱싱 표면의 일 형태를 보여주는 스파이럴 로터의 길이 방향 배면도이다.
도 64E는 스파이럴 로터의 등각 투상 배면도이다.
도 64F는 내측 및 가늘고 긴 스파이럴 외측 로터 부재를 갖는 에너지 변환 장치의 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 64G는 내부 언덕 부분 및 계곡 부분을 갖는 외측 로터 부재를 보인 도면이다.
도 64H는 일 형태에 있어서의 내측 로터 부재를 보인 도면이다.
도 64I는 에너지 변환 장치의 정면도이다.
도 64J는 도 64I의 64J - 64J 선을 따라 취한 단면도로서, 내측 및 외측 로터의 각각의 축과 로터 간의 내부 언덕 부분과 반대쪽 계곡 부분의 맞물림을 보여주는 도면이다.
도 65는 인덱스 표면을 갖는 인덱스 하우징의 등각 투상도이다.
도 66은 도 62A에 도시된 바와 같은 방식으로 메인 로터의 대응하는 인덱스 표면에 맞물림될 수 있도록 구성된 인덱스 하우징의 정면도이다.
도 67A는 스파이럴 인덱스 표면을 갖는 드라이브 로터의 또 다른 실시예의 등각 투상도이다.
도 67B는 드라이브 로터 부재의 측면도이다.
도 67C는 스파이럴 인덱스 오프셋 표면을 보여주는 배면도이다.
도 67D는 드라이브 로터의 배면 등각 투상도이다.
도 68A는 중앙 관통 샤프트와 함께 회전할 수 있도록 구성된 고정 인덱스 로터의 측면도이다.
도 68B는 인덱스 로터의 길이 방향 정면도이다.
도 68C는 인덱스 로터의 등각 투상도이다.
도 68D는 도 68B의 68D - 68D 선을 따라 취한 인덱스 로터의 단면도이다.
도 69A는 메인 드라이브 로터 사이에 끼워 넣어진 사이 끼움 로터 및 스파이럴 인덱싱 시스템을 구비한 로터 어셈블리의 측면도이다.
도 69B는 메인 드라이브 로터의 스파이럴 레이디얼 인덱스 오프셋 표면을 보여주는 스파이럴 인덱싱 시스템의 배면도이다.
도 70A는 여분의 하우징의 일부로서 일 형태에 있어서의 인덱서 조정 시스템의 등각 투상도이다.
도 70B는 인덱서 조정 시스템의 분해도이다.
도 70C는 인덱서 하우징의 측면도이다.
도 70D는 도 70C의 70D - 70D 선을 따라 취한 단면도로서, 외측 링에 대해 베이스 링을 재배치할 수 있도록 구성된 조정 부재를 보여주는 도면이다.
도 71은 외측 케이싱 부재를 보여주는 에너지 변환 장치의 단면도이다.
도 72는 펌프의 일 형태를 보여주는 등각 투상도이다.
도 73은 펌프의 단면도이다.
도 74A 내지 도 74E는 인덱싱 시스템의 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 75는 에너지 변환 장치의 또 다른 실시예를 보인 도면으로서, 부착 위치에서 로브 부재가 베이스 링에 부착된 것을 보여주는 도면이다.
도 76은 새로운 실시예의 또 다른 특성을 보인 도면으로서, 인덱싱 시스템이 인덱싱 표면으로서 볼 베어링 부재를 활용하는 것을 보여주는 도면이다.
도 77은 로터의 일부를 형성하는 베이스 링의 일 형태를 보여주는 도면이다.
도 78은 로브 인서트의 일 형태를 보여주는 도면이다.
도 79는 로터를 위치시키고 다른 목적을 달성하기 위한 회전 토크를 전달하는 인덱스 표면의 일부인 표면을 갖는 인덱서 하우징의 일 형태를 보인 도면이다.
도 80은 도 76 내지 도 79에 도시된 장치의 측면 단면도이다.
도 81은 또 다른 에너지 변환 장치를 보인 도면이다.
도 82는 도 81에 도시된 바와 같은 에너지 변환 장치의 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 83 및 도 84는 볼 베어링 인덱싱 타입 표면을 정의하는 다양한 수학적인 원리를 보인 도면이다.
도 85 내지 도 88은 볼 베어링 인덱서 타입 시스템을 예시한 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 89 내지 도 92는 다수의 베어링 부재를 갖는 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 축 시스템(20)은 제 1 축(22)과, 제 2 축(24)과, 기준 축(26)을 포함하여 구성된다. 일반적으로, 설명을 위하여, 기준 축(26)은 제 1 축(22)을 중심으로 사전 설정된 각도 "a" 를 두고 배치되며, 축(22)과 축(24)이 동일한 양으로 회전함에 따라 아크 경로(28)가 형성되고, 축 1 을 중심으로 하는 사전 설정된 회전량이 값 θ로 정의된다. 동일한 개수의 로브가 형성되는 제 1 형태에서는 값 θ의 회전량이 서로 연관되어 있음에 주목할 필요가 있다. 그러나, 축 1 및 축 2를 중심으로 하는 회전량이 본 명세서에서 설명되는 다른 실시예들에서는 변경될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 축(12)이 X 방향을 나타내고 축(14)이 Y 방향을 나타내는 기준 축 시스템(10)이 정의된다. 또한, 도면부호 24'로 나타낸, 아니면 도면부호 16으로 나타낸, 축 연장선이, 그에 대응하는 로터의 회전 중심인 축(24)과 공통 라인인, Z 방향을 나타낸다. 축 시스템은 일반적으로 추상적으로 설명될, 도 4에 도시된, 베이스 곡선(33)을 형성하기 위한 수학과 관련하여 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이 활용된다.
따라서, 아크 경로(28)는 제 1 축(22) 둘레에 배치되는 것으로 이해될 수 있다. 그러나, 회전 축(24)에 대한 기준점이 주어지면, 기준점(30)의 경로는 도 2에 도시된 바와 같은 베이스 곡선(33)을 한정한다.
추가적인 설명에 앞서, 설명을 돕기 위하여 몇 가지 기준점 및 방향에 대해 정의한다. 도면부호 32로 나타낸 점은 제 1 축(22) 및 제 2 축(24) 의 교차점이다. 도 1에 도시된 바와 같은 알파 각(α)은 교차하는 축(22)(24) 사이의 공통 라인으로부터 오프셋된 각이다. 본 명세서에서 추가적으로 설명되는 바와 같이, 이들 두 축(22)(24) 상에서, 교차점(32)에 위치하지 않는 좌표는 길이 방향으로 후방 또는 멀리 떨어진 위치로서 언급된다. 또한, 교차점(32)으로부터 외측으로 또는 사실상 외측으로 연장되는 방향은 방사상으로 외측으로 연장되는 것으로 간주되며, 이 방향에 대한 90도의 방향은 접선 방향이다.
미국 특허 제 5,755,196 호에 개시된 바와 같은 종래 기술에 있어서는, 각 α/2에 두 축 사이의 각인 90°를 더한 기준 축이 사용되었다. 이것은, 출원 당시에 로터에 필요한 곡선으로 믿어졌던, 눈물 방울 형상을 갖는 기준 곡선을 생성하였다.
이제 도 3을 참조하면, 기준 축(26)은 축(22)으로부터 값(a)만큼 떨어져서 재배치되어서, 새롭게 생성된 베이스 곡선(33)이 외측 구체(34) 상에 위치하고 있음을 알 수 있다. 정의를 위해, 축(2)에 대한 축(21)은 일반적으로 수직 축으로서 설명되고, 축(23)은 폭방향 축으로 설명된다. 물론, 이들 축의 방위는 도 2에 위치한 바와 같이 베이스 곡선(33)의 위치에 대해 상대적이다.
이제 도 3을 참조하면, 일 형태에 있어서 원추형 부재일 수 있는 한정 표면(38)이 제공되는 경우, 이 부재는 기준 축(26)으로부터 소정 거리 떨어져 있는 외측 표면(40)을 갖게 됨을 알 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 도면은 도 1의 도면에서 대략 180도 회전된 것이고, 연장 부분(24')은 도 3의 왼쪽 전방 부분에 도시되어 있음에 주목할 필요가 있다. 따라서, 기준 축(26)이 축(24)와 함께 동시에 세타 값(θ)만큼 제 1 축(22)(도 1에만 도시되어 있음)을 중심으로 회전함에 따라, 도 3에 도시된 바와 같은 기준 축(26)이 베이스 곡선(33)을 추종하게 된다. 이와 유사하게, 한정 표면(38)은 축(26)과 함께 이동하여 오프셋 표면(42)을 생성한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 오프셋 표면(42)은 완전한 반면에, 일 형태에 있어서 한정 표면(38)은 축(26) 둘레에 일정한 거리를 두고 떨어져 있음을 알 수 있다. 그러나, 다른 형태의 한정 표면, 예를 들어 타원형의 한정 표면이 사용될 수 있으며. 이는 본 명세서에서 추가적으로 설명된다. 한정 표면(38)이 절두 원추형 표면을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 교차점(32)에서 소정 거리 떨어져 위치하는 한, 교차/중심점으로부터의 거리에 대해 다른 한 세트의 표면을 형성할 수 있다. 다시 말해서, 앞서 언급한 바와 같이 일 형태에 있어서 원추형으로 이루어진, 외측 표면(40)은 변수 ρ(rho)의 값으로서 정의되는 중심점으로부터 주어진 값만큼 떨어진 위치에서 모든 형태의 변형을 가질 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 이 형태에 있어서는, 베이스 곡선(33) 둘레의 세타 값(θ)에 있어서, 오프셋 표면(42) 상에 대응하는 위치가 존재한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 위치에서, 도 4에 도시된 바와 같은 θ 값은 대략 점(46)에서 제로이다. 90도의 θ 값에서, 베이스 곡선(33)에 따른 위치는, 대략 점 위치(50)에서 오프셋 표면(42) 상의 위치와 관련이 있는, 도면부호 48로 대략적으로 도시된 위치에 놓이게 된다.
이제 도 5를 참조하면, 베이스 곡선(33)이 외측 구체(34) 상에 배치되어 있음을 일반적으로 알 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 두 기준 축(26a)(26b)은 소정의 로브의 개수의 2배만큼 360° 분할된 분리선을 갖도록 한정될 수 있음을 알 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 오프셋 표면(42a)(42b)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 유사한 방법으로 생성될 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 베이스 곡선 부분(33a)(33b)로부터의 회전 거리는 위에서 논의한 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 예보다 낮은 값이라는 것을 또한 알 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 일반적으로 도면부호 56a 및 56b로 나타낸 상부 θ 값 위치에 있어서, 오프셋 표면(42a)(42b)을 한정하는 절단 원추체와 거의 동일한 직경을 갖는 절단 표면(60a)(60b)이 이 상부 θ 값 영역에 위치함을 또한 알 수 있다. 본 명세서에 더욱 명백해지는 바와 같이, 하나의 로터의 일부는 반대쪽 로터의 오프셋 표면과 맞물림되는 맞물림 선단부로서의 기능을 한다.
도 9는 도 8의 절단 표면(60a)(60b)으로서 앞서 언급된 원형 부재가 오프셋 표면(42a)(42b)과 통합되는 것을 보여주고 있다. 따라서, 이제 도면부호 62a 및 62b로서 표시되는 이들 맞물림 선단부는 오프셋 표면(42a)(42b)과 각각 연속하게 된다. 일 형태에 있어서, 이들 선 모두는 기준 구체인 외측 구체(34)의 외측 표면 상에 놓인다. 또한, 교차점(32)(도 1 내지 도 4 참조)으로부터 소정 거리(ρ) 떨어진 위치에서, 두 회전 축(22)(24)이 교차하고 공통 라인에서 오프셋 되어 있기 때문에, ρ(중심점에서의 거리)의 값이 변하지 않게 되어 완전히 유일한 한 세트의 로터를 한정할 수 있다.
따라서, 이제 도 10을 참조하면, 중앙 전방 로브 표면(64a)(64b)이 한정되고 맞물림 선단부(62a)(62b)의 단부 영역에 각각 연결된다. 또한, 중앙 후방 로브 표면(66a)(66b)이 외측 구체(34)의 외측 표면 둘레로 연장되어 오프셋 표면(42a)(42b) 사이에 놓인 중앙 영역(68)에서 한정되는 버킷 영역을 연결하고 완전하게 한정한다.
따라서, 한정된 로브(254)의 개수와 관련된 정수 값(N)으로 축(24) 둘레에서 도 10에 도시된 바와 같은 라인 패턴을 복사하면 도 11에 도시된 바와 같은 제 2/내측 로터(14) 내에 도시된 외측 프로파일을 생성하게 된다. 도 10에서 도면부호 70으로 일반적으로 표시되는 라인 패턴은 다양한 표면으로서 언급되지만, 이론적인 수준에서는, 패턴(70)은 사실상 외측 구체(34)의 외측 표면 둘레에 그려지는 라인이라는 점에 주목할 필요가 있다. 이 라인에 방사상 깊이가 주어지면, 도 11에 도시된 바와 같은 동작 로브(254)를 갖는 작업 표면이 제공된다. 그러나, 방사상으로 내측 및 외측으로 연장되는 다양한 표면이 원추형일 필요는 없으며, 모든 ρ 값에 있어서, 오프셋, 원추체 값, 오프셋 표면 모두는 변경될 수 있으며, 예를 들어, ρ의 함수일 수 있다. 그러나, 예를 들어 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 베이스 곡선(33)이 하나의 상수이며, 따라서 로터 중 하나에 고정된 기준 축(26)을 가지게 되며, 이 로터를 다른 하나의 로터에 대해 회전시키면 다양한 한정 표면(38) 및 오프셋 표면(42)과 상관없이 기하학적이고 일정한 곡선인 베이스 곡선(33)이 생성된다. 그러나, ρ에 대해 기준 축의 위치를 조정하게 되면 각각의 ρ의 값에 있어서 다른 베이스 곡선을 생성하게 된다.
이제 도 11을 참조하면, 제 1 로터(12)와 제 2 로터(14)가 어떻게 배치되는지를 부분적으로 분해된 도면으로 통해 알 수 있다. 각각의 로터는 중심 회전 축(22)(24)을 각각 구비하고 있다. 축(22)(24)은 공통 라인으로부터 오프셋되어 있으며, 이들 축은 제 1 및 제 2 로터(12)(14)에 대해 등각 투상도로 도시되어 있음을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 맞물림 선단부(72b)의 중심이 일반적으로 도면부호 74로 표시되어 있고, 중심(74)은 베이스 곡선(33) 둘레를 따라 움직인다. 이와 유사하게, 도 12의 상부에 또한 도시되어 있는 맞물림 선단부(62b)는 반대쪽 베이스 곡선(33') 둘레를 따라 움직하는 중심점(76)을 구비하고 있다. 도 12를 통해 일반적으로 알 수 있는 바와 같이, 하부 오른쪽에 도시되어 있는 도면부호 62c 및 72c로 표시되는 맞물림 선단부 각각은 오프셋 표면(44c)(78c)과 맞물려 있다. 일 형태에서, 로브 부재는 이하에서 설명되는 도 75 내지 도 79에 도시된 바와 같은 인서트일 수 있다. 인서트에 의해 로터는 조립될 수 있다.
물론, 도 6 내지 도 12와 관련한 상기한 설명은 오프셋 표면과 대향 배치된 로터의 맞물림 선단부를 결합하여 정 변위 장치를 형성하는 방법을 보여주고 있다. 도 4에 도시된 바와 같은 표면을 이용하여 위치 인덱서가 2 개의 로터 사이의 소정의 간격을 로터가 회전하는 동안 유지하는 방법이 또한 설명된다.
이제 도 18 및 도 19를 참조하여 인덱서 하우징(132)에 대해 설명하기로 한다. 일반적으로, 인덱서 하우징(132)은 도 13에 도시된 바와 같은 인덱싱 시스템(124)의 일부분이다. 인덱싱 시스템은 드라이브 로터(130)의, 도 17에 도시된, 인덱스 오프셋 표면(156)과 협력하는 하우징(132)을 포함한다. 이제 도 18 및 도 19를 참조하면, 인덱서 하우징(132)은 일반적으로 원형 베이스 링(164)을 포함하여 구성된다. 일반적으로, 도 19에 도시된 바와 같은 베이스 링은, 인덱서 연장 장착 위치로서 한정되는, 개구부(167)를 한정하는 표면을 구비한다. 베이스 링(164)은 도 17에 도시된 바와 같이 드라이브 로터(130)의 베이스 표면(158)과 맞물리도록 구성된 중앙 공동 영역(167)을 구비하고 있다. 도 19는 도 20 및 도 24에 도시된 바와 같은 인덱서 하우징 장착 위치(202)에서 샤프트(126)에 장착되도록 구성된 중앙 구멍(168)을 또한 보여주고 있다. 일반적으로, 중앙 구멍(168)은 샤프트에 분리 가능하게 고정 부착되도록 구성되며, 일 형태에 있어서 도 18에 도면부호 170으로 도시된 바와 같은 노치가 형성된 위치에 키 등이 끼워넣어짐으로써 베이스 링(164)이 샤프트(126)(도 13 참조)와 함께 회전한다. 도 18에 또한 도시된 바와 같이, 일 형태에 있어서 인덱서 표면은 다수의 인덱서 연장부(174)로 이루어져 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 인덱서 연장부(174)는 인덱서 연장부 장착 위치(166) 내에 끼워 넣어지도록 구성되며, 일 형태에 있어서는 내부에 나사 결합 방식으로 맞물린다. 도 25 및 도 26에 도시된 바와 같이, 일 형태에 있어서, 인덱서 연장부(174)가 정면 등각 투상도 및 단면도로 도시되어 있다. 일반적으로, 도 26은 외측 표면(184)을 갖는 베이스 영역(182)을 구비한 본체(180)를 보여주고 있다. 일 형태에 있어서, 외측 표면(184)에는 나사가 형성되어 있고, 앞서 언급한 바와 같이 도 19에 도시된 바와 같은 인덱서 연장 장착 위치(166)로서 언급되는 표면 개구부(166)에 나사 결합 방식으로 맞물릴 수 있다. 도 26은 부싱(188)이 그 둘레에 위치하는 핀 영역(186)을 갖는 본체(180)를 또한 도시하고 있다. 일 형태에서, 부싱은 베이스 영역(182) 상에 놓이는 일부 스러스트를 흡수하기 위한 플랜지 영역(190)을 구비할 수 있다.
롤러 부재(192)는 부싱 둘레에 위치하며 핀 영역(186)에 대해 회전할 수 있도록 구성된다. 워셔(194)가 보유 링(196)과 함께 채용될 수 있다. 롤러 부재(192)는, 일 형태에 있어서 절두 원추형인, 외측 표면(198)을 구비하는 것에 주목할 필요가 있다. 일 형태에 있어서 절두 원추형 표면을 갖는 것이 바람직하며, 도 19에 도시된 바와 같이, 인덱서 연장부(174)는 인덱서 연장부 장착 위치(166) 내에 놓임에 따라, 절두 원추형 표면(198)의 방사상으로 간격을 두고 배치된 위치는 도 13에 도시된 바와 같이 인덱스 오프셋 표면(156)의 맞물림에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
이제 도 20 내지 도 22를 참조하면, 일 형태에 있어서 곧은 관통 샤프트인 샤프트(126)가 도시되어 있다. 일반적으로, 샤프트(126)는 도 16에 도시된 바와 같은 로터의 내측 표면(152)에 맞물릴 수 있도록 종종 재구성되는 중앙 구형 표면(200)을 포함하여 구성된다. 일 형태에 있어서 인덱스 하우징이 샤프트(126)와 일체로 형성되고 그와 함께 회전할 수 있도록 인덱서 하우징(132)의 도 18에 도시된 바와 같은 노치가 형성된 위치(170)에 맞물릴 수 있도록 구성된 키 연장부(204)를 갖는 인덱서 하우징 장착 위치(202)가 제공된다. 샤프트는 도 20 내지 도 22에 일반적으로 도시되어 있는 베어링 장착 영역(210)을 구비할 수 있다. 도 22에 단면도로서 또한 도시된 바와 같이, 일 형태에 있어서 그리스 니플일 수 있는 윤활유 수용 위치(214)를 윤활유가 통과할 수 있도록 하는 윤활유 통로를 제공하기 위하여 내부 통로(212)가 제공될 수 있다. 통로 연장부(216)는 방사상으로 외측으로 연장될 수 있으며, 예를 들어 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같은 환상 리세스(218)에 윤활류 및/또는 냉각을 제공할 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 스러스트 플레이트 배열을 가지게 되면 여러가지 장점을 얻게 된다. 한가지 장점은 시스템 내에 배치된 베어링이 작아도 어셈블리의 분당 회전 속도를 증가시킬 수 있다는 것이다. 또한, 각각의 로터에 작용하는 분리력의 내부 샤프트로의 인가 및 샤프트 내의 장력은 하중을 예를 들어 외부 하우징에 인가되는 하중보다 더욱 양호하게 처리할 수 있다. 또한, 중심 샤프트를 더욱 얇게 만들 수 있고, 하중 강화 효과를 통해 그 위에 놓이는 장력이 샤프트가 회전할 때 샤프트 내에서 발생하는 플러터 또는 다른 형태의 진동을 감소시킬 수 있다.
도 13을 다시 참조하면, 하우징을 제외하고 거의 완전하게 도시되어 있는 에너지 변환 장치(120)는 제 1 잠금 링(141)과 제 2 잠금 링(143)과 그 사이에 끼워 넣어진 베어링 부재(134)를 또한 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 또한, 잠금 와셔(136)(138)가 제공될 수 있다. 도 13의 반대쪽 영역에는, 잠금 링(141')(143')과 그 사이에 끼워 넣어진 베어링 부재(134')가 또한 도시되어 있다. 물론, 다른 형태의 잠금 장치들이 채용될 수 있다. 선택적으로, 잠금 와셔(146)(148)가 제공될 수 있다. 유닛, 예를 들어 가스 팽창기 또는 워터 터빈(비압축 유체식 터빈)이 어떤 형태로 에너지를 추출하는 경우, 샤프트(126)의 부분은 토크가 그에 인가되거나 그로부터 토크가 제거되도록 연장될 수 있다.
전술한 설명에 이어서, 도 14에 도시된 것과 유사한 도 31에 도시된 또 다른 실시예에 대해 설명하기로 한다. 그러나, 도 31에 도시된 바와 같이, 이 실시예는 사인 곡선형 표면을 갖는 인덱스 오프셋 표면을 포함하여 구성되며, 그 형성에 대해서는 도 39 내지 도 45를 참조하여 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
도 39 내지 도 45는 본질적으로 앞서 설명된 도 1 내지 도 4와 유사하며, 이들 도면은 오프셋 표면을 형성하는 또 다른 방법을 보여준다. 앞서 설명된 바와 같이, 도 4는 도 14에 도시된 바와 같은 오프셋 표면(156)과 그 구성에 있어 본질적으로 유사한 최종 오프셋 표면(42)을 보여주고 있다.
도 31에 도시된 바와 같은 실제 장치의 상세한 설명 이후에, 일 형태에 있어서 표면을 생성하고 인덱싱 장치 시스템(124)(도 13 및 도 32 참조) 및 다른 기계적인 장치뿐만 아니라 정 변위 에너지 변환 장치를 생성하기 위한 맞물림 및 오프셋 표면을 산출하기 위하여 변수를 등식에 적용하는 데 사용될 수 있는 수학에 대해 상세히 논의하기로 한다.
도 27에 도시된 바와 같이, 일 형태에 있어서 맞물림 표면(142")(143")이 본질적으로 도 31에 도시된 바와 같은 인덱스 오프셋 표면(156')과 유사한 한 쌍의 드라이버(122")(로터 어셈블리)를 갖는 에너지 변환 장치(120")의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 따라서, 이 형태에 있어서, 로터 부재(130a")가 샤프트(126")에 고정 상태로 부착되고, 로터 부재(130b")는 고정된 인덱싱 로터(132")는 물론 샤프트 및 로터 부재(130a")와는 다른 회전 속도로 회전하도록 설계된다. 예를 들어, 드라이버(122") 및 표면(156")(198") 사이의 다양한 맞물림 표면은, 예를 들어, 표면(198")(156") 사이에 6:7의 회전 비율이 성립되고 표면(142")(143") 사이에 7:6의 회전 비율이 성립되도록 배열된다. 도 30에 도시된 바와 같이, 로터 부재(130a")가 측면도 및 등각 투영도로서 도시되어 있다. 표면(142")은 도 40 내지 도 45와 관련하여 설명한 바와 유사한 방식으로 구성된다. 일반적으로, 도 30의 등각 투영도 부분에 도시된 바와 같이, 내부 영역(157")은 샤프트에 고정 상태로 부착되도록 배열될 수 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, 로터(130b")가 도시되어 있으며, 표면(143")은 도 30의 표면(142")과 맞물릴 수 있도록 구성되어 있음을 알 수 있다. 길이 방향 후방 인덱싱 표면(156")이 제공되며, 이 표면은 도 27의 고정된 인덱서 로터(132")와 맞물릴 수 있도록 구성되어 있다.
도 31에 도시된 바와 같이, 인덱싱 하우징이 도시되지 않은 (인덱싱 하우징(132)은 도 32 참조) 에너지 변환 장치(120')가 등각 투영도로서 도시되어 있다. 도 31의 등각 투영도에는 오프셋 표면(156')이 도시되어 있다. 바람직한 일 형태에 있어서, 이 오프셋 표면은 연속하는 표면이며 길이 방향 전방 부분 또는 계곡 부분(157)과 길이 방향 후방 부분 또는 언덕 부분(159)을 포함하여 구성된다. 표면(156')은 도 32에 도시된 바와 같이 인덱서 하우징(132)의 인덱서 연장부(174)와 맞물리도록 구성되어 있다. 인덱서 연장부(174)는 본질적으로 도 25 및 도 26에 도시된 것들과 유사하며, 도 18 및 도 19에서는 인덱서 하우징(132)에 부착된 것으로서 도시되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 인덱서 하우징(132)은 도 32에 도시된 바와 같이 샤프트(126)에 고정 상태로 부착되어 있으며, 베어링 장치(127)와 동일한 유형이다.
도 33 내지 도 35는 앞서 설명한 바와 같이 단일 구조일 수 있는 드라이브 로터(130')를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 베이스 부분(136')에는 앞서 언급하고 설명한 인덱스 오프셋 표면(156')이 제공되어 있다. 앞서 설명한 도 27 내지 도 30에 도시된 모델에 따라 생성되는 인덱스 오프셋 표면은 일반적으로 사인 곡선형 형상을 가진다. 길이 방향 전방 및 후방 부분은 일반적으로 언덕 부분(159)으로 언급되고, 길이 방향 후방 부분은 계곡 부분(157)으로 언급된다. 길이 방향 전방 부분에는 표면을 따라 구르는 도 18에 도시된 바와 같은 인덱서 연장부(174)와 같은 맞물림 표면이 제공된다. 드라이브 로터(130')가 회전할 때 인덱스 하우징(132)의 회전은 그보다 약간 더 적으며, 특히 (n-1)/n의 값을 갖는다. 여기서, n은 언덕 부분(159)의 개수이다. 따라서, 도 31 및 도 32에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 있어서는, 드라이브 로터(122)가 샤프트(126)보다 약간 더 적은 분당 회전수로 회전하게 됨을 알 수 있다. 이와 같이 특별한 경우에, 도 31 및 도 32에 도시된 바와 같은 에너지 변환 장치(120)의 회전은 샤프트의 회전의 6/7에 대응한다. 물론, 이 비율은 특정 실시예에서만 적용되며, 인덱싱 경로를 따라 별도의 인덱서가 제공될 수도 있고, 일 형태에 있어서 이들 별도의 인덱서는 회전 중에 오프셋 표면에서 분리될 수도 있기 때문에, 이 비율이 반드시 인덱서의 개수에 좌우되는 것은 아님에 또한 주목할 필요가 있다.
일반적으로, 앞서 설명한 도면들은 샤프트를 따라 대향하는 길이 방향 영역에 배치된 2 개의 인덱서를 갖는 일 실시예를 보여주는 것임을 알 수 있다. 도 36은 그러한 영역에 배치된 인덱서를 개략적으로 보여주고 있다. 도 36은 앞서 설명한 바와 같이 일 형태에 있어서 인덱싱 하우징(132)이 샤프트(126)에 고정 상태로 부착된 것을 보여주는 절결도이다. 도 37에 도시된 바와 같이, 인덱싱 하우징은 도시되어 있지 않고, 일반적으로, 드라이브 로터(122)는 제 1 및 제 2 드라이브 로터 부재(123)(125)를 포함하여 구성되며, 이들은 일 형태에 있어서 샤프트(126)의 중심 축(211)에서 오프셋된 회전 중심 축(131)(133)을 각각 구비하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 도면부호 240 및 242로 도시된 각은 예를 들어 절반의 α이다. 도 38을 참조하면, 일 형태에 있어서, 로터(123')는 예를 들어 샤프트(126)에 고정되고 그와 함께 회전하는 것을 알 수 있다. 따라서, 로터(125')는 전체 α 각인 각(242')으로 오프셋되어 있다. 이 형태에 있어서, 인덱스 하우징(132')은 인덱싱 시스템이 전체 α 각에서 파라미터에 의해 한정되는 표면으로 이루어지도록 배열된다.
도 38에 도시된 바와 같은 시스템의 장점은 단일 인덱스 하우징(132')이 인덱싱 시스템(124')을 구성하는 데 사용될 수 있다는 것이다(이러한 시스템은 도 14에 도시된 형태의 인덱서와 함께 동작하지만 도 32에 도시된 형태의 인덱서와는 함께 동작하지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다). 앞서 설명한 바와 같은 로터(123')는 단순히 그에 고정 상태로 부착되어 있는 샤프트(126)와 함께 회전하며, 도 38에는 도시되지 않은 둘러싸는 하우징이 드라이브 로터(122') 둘레에 배치되어 로터에 들어가고 나오는 유체를 낮추는 다양한 포트를 제공한다. 경사진 로터(125')를 갖는 경우에 생기는 한가지 문제점은 하우징이 이 경사면을 수용할 수 있도록 그 내부에 더 큰 각을 가져야 하며, 본질적으로 원추형으로서 가정할 수 있고 일 형태에 있어서 절두 원추형인 내부 표면(250)은 도 38에 도시된 바와 같이 상사 중심 점(252)에서 로터를 뛰어 넘기에 충분한 직경을 가져야만 한다는 것이다.
인덱싱 시스템을 동적으로 조정하는 것과 관련하여, 인덱서는 회전할 수 있거나 축방향으로 이동하여 들어가거나 나올 수 있다. 축방향 이동은, 백래시 및 비활주 운동을 야기할 수 있기 때문에, 바람직하지 않다. 관통 샤프트 설계와 관련하여서는, 관통 샤프트에 대한 실시간 회전이 가능하도록 설계할 수 있지만, 각 운동이 로브 사이의 간격을 제어하기에는 매우 작다. 인덱서 연장부가 원추형 롤러인 경우, 백래시를 제거할 수 있도록 축방향으로 조정될 수 있다. 그러나, 그러한 조정은 작은 증분으로 이루어지며, 조립 중에 한번 이루어져서 제자리에 놓여야 한다. 인덱서 연장부(174)가 원추형 롤러일 필요는 없으며,다른 형태의 롤러로 이루어질 수 있음에 주목할 필요가 있다. 그러나, 절두 원추 형태는, 경우에 따라 이 형태가 롤러 표면 상의 슬라이딩 접촉을 제거할 수 있기 때문에, 바람직한 롤러 형태이다. 절두 원추 형태와 다른 롤러 프로파일의 경우에는 마모가 일어날 수도 있다. 따라서, 바람직한 일 형태에 있어서, 원추 형태는 로터의 회전 중심을 향하는 중심을 가질 수 있다. 물론, 이것은 롤러의 내측 부분 및 외측 부분 사이에서 슬라이딩이 없이 롤링 작용을 수행하기 위하여 제공된다.
현재의 분석에 따르면, 인덱서는 최상의 상태로 제 위치에서 고정된다. 그러나, (1000 분의 5 인치보다 작은) 작은 편향으로 동작할 수 있도록 스프링이 설계될 수 있다. 일부 적용 분야에 있어서, 인덱서 상의 스프링 장력기가 기계가 더욱 매끄럽게 동작하는 것을 도울 수도 있다. 그러나, 인덱서에 토크가 인가될 때 방사상으로 외측으로 향하는 힘이 발생하게 된다. 이 힘과 유체의 압력이 합쳐진 합력이 스프링의 예비 장력을 초과하는 경우, 인덱서는 축방향으로 후퇴하고, 그 결과 백래시가 발생하고 기계는 매끄럽지 않은 상태로 동작하게 된다.
전술한 설명에 이어서, 앞서 설명한 표면을 수학적으로 도출하는 방법에 대해 설명하기로 한다. 본 명세서에서 설명되는 곡선은 단위 구체, 즉 도 1에 도시된 바와 같은 벡터(기준 축)(26)와 같은 반경 R = 1을 갖는 구체에 놓이는 것으로 가정한다. 도출된 곡선은 이 단위 구체 상에 놓이며 구형으로 내측으로 투영되어 표면을 형성하는 것으로 가정한다. 수학적으로 설명하면, 이들 구형 곡선 중 하나를 따라 위치하는 특정 점이 원점(구체의 중심)까지 직선으로 연결되고, 곡선을 따라 위치하는 모든 점에서 무한한 이들 선을 모으면 연속하는 표면을 형성하게 된다. 결과적으로 얻어지는 구체의 외측 표면 상의 곡선은 길이 R = 1의 직선을 스위핑하여 구성되는 표면으로서 보여질 수 있다. 선은 원점의 선회 점 상에 고정되며, 결과적으로 얻어지는 표면은 구형 곡선을 따라 선의 반대쪽 단부가 가로지름에 따라 생성된다. 모든 표면이 이러한 방식으로 구체 중심에 연결되기 때문에, 잇따라 일어나는 모든 기하학은 그 중심을 중심으로 하는 일련의 "회전"으로서 도출될 수 있다. 사실상 가능한 비-원추형 짝(mating) 기하학을 사용할 때 이러한 규칙으로부터 도출될 필요가 있지만, 이들 기하학의 결점은 순수한 구름 접촉 대신에 슬라이딩 접촉이 발생할 가능성이 있다는 것이다 (나중에 논의되지만, 원추형 롤러의 "인덱서" 또는 원추형 롤러를 사용하는 토크 전달 장치의 경우).
도 1 내지 도 4와 관련하여 본 명세서의 서두에서 설명한 바와 같이, 적어도 2 개의 메시 로터가 제공되는 것으로 가정한다. 즉, 메시 어셈블리는 상호 작용하는 2 개, 3 개, 4 개 또는 그 이상의 로터를 포함하여 구성될 수 있다. 각각의 로터는 절두 구형 외표면을 구비할 수 있다. 그러나, 완전한 구체는 아니며, 배경기술에서 설명된 것과 같은 곡선으로부터 얻어지는 표면에 의해 절단되는 몇몇 형태의 로브 또는 공동을 갖는다. 로터는, 바람직한 일 형태에 있어서 서로 다른 각을 갖는 각각의 회전 축 상에서 회전하며, 각각의 축은 로터의 공통 구체 원점을 관통할 수도 있다. 설명의 편의를 위하여, 2 개의 로터는 로터(A) 및 로터(B)로 언급된다. 로터(A)는 도 1 내지 도 4 및 후속하는 도면에 도시된 축 1(22)을 중심으로 회전하고, 로터(B)는 축 2(24)를 중심으로 회전한다. 로터(A)의 회전 속도는 로터(B)의 회전 속도와 같거나 같지 않을 수 있다. 도 39 내지 도 45와 관련하여 이하에서 설명되는 속도와 같거나, 작거나, 클 수 있다. 그러나, 유용한 표면을 얻기 위해서는, 결과적으로 얻어지는 표면은, 로터(A)와 로터(B)의 회전수 전반에 걸쳐 연속하도록, 로터(A)와 로터(B)의 회전 속도 비율은 1:(1±1/정수)이어야 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 공통 구체 중심을 공유하는 짝을 이루는 두 로터의 회전 축 사이의 각은 도 1에 도시된 α각으로 불린다. 부착된 (고정된) 로터(A)는 로터(A)의 구체의 중심으로부터 구체 상의 반경(R) 거리 떨어진 점까지 연장되는 기준 축(26)을 갖는다. 이 선의 선단부는 "커터"를 나타낸다. 로터(A)와 로터(B) 둘다 동일한 속도로 그리고 베벨 기어 쌍이 함께 회전하는 동일한 구형 방향으로 회전하면, 로터(A)에 부착된 커터는, 기준이 되는 로터(B)의 프레임에 대해, 로터(B)의 표면 상에서 구형 표면 곡선을 스위핑하게 된다. 즉, 로터(B)의 표면에 앉아서 로터(B)와 함께 회전하게 되면, 커터 기준 축(26) 선단부가 로터(B)의 표면 상에서 곡선을 절단하게 됨을 볼 수 있다. 로터가 구형 좌표 시스템에 대해 한번 회전하게 되면 이 곡선은 반복적으로 형성된다.
α/2 베이스 기준 곡선을 갖는 종래 회전 운동 기계의 "짝 곡선"은 무한하게 얇은 선 대신에 도 3에 도시된 바와 같은 원추 형상의 커터 한정 표면(38)을 갖는 기준 축(26)을 사용함으로써 형성한다. 즉, 커터는 도 3에 도시된 바와 같은 "누(ν)"의 각도 반경을 가지며, 오프셋 표면(42)을 절단한다. 미국 특허 제 5,755,196 호에 개시되어 있는 α/2 베이스 기준 곡선을 갖는 종래 회전 운동 기계의 경우, 이른바 "토끼 귀"를 생성하기 위하여 원추형 커터를 사용하면 제로 반경 커터와 관련한 로브 선단부의 날카로운 가장자리를 없앨 수 있다.
α/2 베이스 기준 곡선 메시 곡선을 갖는 원래의 회전 운동 기계의 등식을 도출하기 위하여, 공통 구체 중심의 원점을 중심으로 4 번의 회전이 이루어진다. 도 1은 이러한 도출에 사용되는 공통 기준 프레임을 XYZ 좌표로 도시하고 있다. 해법은 회전의 오른손 법칙(RHR)을 이용하며 다음과 같다.
벡터 V가 도 1에 도시된 원점인 점(32)에서 점(30)까지 연장되는 XYZ 좌표의 벡터라고 가정한다.
Figure pat00001
는 Y 축을 중심으로 +p(알파 각) 만큼 V의 벡터 회전을 수행한다.
결과적으로 얻어지는 벡터를 Z 축을 중심으로 +t 만큼 회전시킨다.
그런 다음, 결과적으로 얻어지는 벡터를 Y 축을 중심으로 -p 만큼 회전시킨다.
결과적으로 얻어지는 벡터를 Z 축을 중심으로 -t 만큼 회전시킨다.
그 결과, 커터 경로의 중심선으로 알려져 있는, 베이스 곡선(C)이 얻어진다. 이하는 4 개의 회전 매트릭스가 완전하게 기재된 매트릭스 곱셈 연산이다.
파라미터 "t"는 세타(θ)(각각의 축을 중심으로 하는 로터의 회전 각)을 나타낸다.
0<t<360의 각도에서, 베이스 곡선은 α/2 베이스 기준 곡선을 갖는 원래의 회전 운동 기계의 메시 곡선의 완전한 "눈물 방울"을 그린다. 이하는 4 개의 회전 매트릭스가 완전하게 기재된 매트릭스 곱셈 연산이다.
Figure pat00002
곱셈 연산 및 단순화 후, 베이스 곡선에서의 데카르트 좌표의 파라미터 등식은 다음과 같다.
Figure pat00003

α/2 베이스 기준 곡선을 갖는 종래 회전 운동 기계의 경우, α/2 베이스 기준 곡선을 갖는 원래의 회전 운동 기계의 상기 식에서 a = (pi+α)/2이고, 단위 구체 당 R = 1, p가 α각이다.
α/2 베이스 기준 곡선을 갖는 원래의 회전 운동 기계에서 결과적으로 얻어지는 "눈물 방울" 형상은 눈물 방울의 대칭면이 절반으로 분할되며, 로브 사이의 간섭 없이 메시 구조를 이룰 수 있도록 동일한 회전 속도와 방향으로 회전하는 반대쪽 로터 상의 유사한 형상의 로브와 맞물릴 수 있도록 균일하게 또는 불균일하게 간격을 두고 배치된다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 앞서 개략적으로 설명한 바와 같이 그리고 도 13 내지 도 38의 명백한 동작으로부터 알 수 있는 바와 같이, 인덱서는 (원추형 커터 각 ν에 의해 메시 곡선으로부터 오프셋되는) α/2 베이스 기준 곡선 짝 곡선을 갖는 원래의 회전 운동 기계를 사용하여 (핀 타입 인덱서의 경우) 실제 구름 접촉을 보여주는 (롤러의 조정 및/또는 표면 가공의 공차에 기초하는) 잠재적인 제로 백래시를 갖는 고정 각 토크 전달 커플링 장치를 생성할 수 있는 능력을 보여준다. 도 13 내지 도 38을 참조하여 앞서 상세히 설명한 바와 같이, 인덱서 연장부(174)는 인덱서 하우징(132)에 부착된다. 수학적으로, 인덱서 연장부(174)는 앞서 언급한 바와 같은 "커터"로서 생각할 수 있다. 인덱서 연장부(174)는 샤프트에 고정되고, 샤프트의 회전축을 따라 샤프트와 함께 회전한다. 수학적으로, 인덱서 연장부(174)의 중심은 로터 샤프트의 기준 프레임을 통해 "메시 곡선" 등식을 추종한다. 어떤 회전 방향에서도 제로 백래시를 잠재적으로 가지거나 토크를 전달할 수 있도록 롤러가 다른 로터를 "움켜잡는" 방법에 주목할 필요가 있다.
만일 각이 a=(180도 +/- α)/2 도에서 다른 각으로 변경되면, a=90 도일 때의 "8자"에서 한쪽으로 기울어진 8자들, 도 4에 도시된 바와 같은 달걀형 곡선, 타원형, a=0 또는 a=180일 때의 완전한 원까지의 범위를 갖는 일련의 곡선을 얻을 수 있다. 이들 일련의 곡선은, 0 < a < 90의 각도에서 90 < a < 180의 각도 사이의 곡선의 미러 이미지를 생성할 수 있도록, 대칭적이다.
α/2 베이스 기준 곡선을 갖는 원래의 회전 운동 기계에서와 같이 곡선의 미러 평면을 분할하고 분리시키는 것과 유사한 방법을 이용하여 이들 일련의 곡선으로부터 많은 형태의 로터 표면을 구성하고, 다른 챔버에 있어서 다른 오프셋 각도 "a"를 선택함으로써 다중 유닛을 단일 구체로 "층 분리"하는 것이 가능하다. 이것은 동일한 구체 내에서 다중 유닛을 구비함으로써 엔진, 펌프, 팽창기 등의 성능 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 앞서 상세히 설명한 바와 같이 "관통 샤프트" 구조를 가질 수 있으며, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 하나의 유닛을 이루는 2 개의 로터 사이에 제 3 로터가 끼워 넣어지는 실시예를 또한 구성할 수도 있다. 일 형태에 있어서, 제 3 로터는 관통 샤프트에 견고히 고정된다. 또한, 다른 실시예에 있어서는, 동일한 로터 내에서 다른 "a" 각도를 갖는 로브로 이루어진 비대칭 로터 또는 로터 쌍이 제공된다.
α/2 베이스 기준 곡선 인덱서를 갖는 원래의 회전 운동 기계와 동일한 개념이 오프셋 인덱서에 적용된다. 커터 각 "a"가 45도로 설정되면, 눈물 방울 대신에 로터(B) 상에 타원형 경로가 형성된다. 도 3 및 도 4는 도 14와 더불어 앞서 설명한 오프셋 인덱서의 개념을 예시하고 있다. 이 실시예는 가능한 다른 인덱서와 동일한 거동을 보여주지만, 다음과 같은 장점을 갖는다. 1) 일 형태에 있어서, 원추형 롤러/인덱서 연장부(174)는 연속적으로 부드럽게 운동한다. 2) 각 "a"가 미국 특허 제 5,755,196 호에 개시된 α/2 베이스 기준 곡선 인덱서를 갖는 원래의 회전 운동 기계보다 작기 때문에, 롤러 및 인덱싱 표면은 "관통 샤프트" 축에 더욱 근접하게 위치할 수 있어서, 한 쌍의 로터의 중앙 작업 챔버의 경로 밖에 놓일 수 있다. 각 "a"가 더 작으면 밀봉이 이루어져서 작업 챔버 내의 유해한 유체가 "인덱싱" 표면 및 롤러에 유입되는 것이 방지되고, 인덱서의 신뢰성이 증가하고, 작업 로터 챔버 내에 윤할유를 주입함이 없이 (예를 들어) 오일로 인덱서를 윤활할 수 있다.
인덱서 시스템과 관련된 관통 샤프트의 개념은 로터로부터 샤프트로의 토크 전달을 가능케 하며, 로터가 서로 마찰되지 않도록 하여 로브의 마찰로부터 야기되는 마모를 감소시키기 위하여, 알려진 여유 간격이 동작하는 로터 사이에 설정되는 것을 허용한다.
원추형 롤러 인덱서 연장부(174)에 있어서, 롤러가, 베어링 대신에 예를 들어 오일로 윤활되는 "핀"으로 대체되도록 설계될 수 있다. 이것은 어셈블리를 단순화하며, 롤러 설계보다 반드시 더 길 필요는 없지만, 수명을 연장시킬 수도 있으며, 크기가 중요한 작은 어셈블리에 이상적으로 사용될 수 있다.
표면의 내측에서 움직이는 원추형 롤러 대신에, 원추형 롤러는 중심 영역에서, 예를 들어 도 15 및 도 17에 도시된 바와 같이 인덱스 오프셋 표면(156)의 중심에서, 타원 형상의 "보스"의 외측에서 움직일 수 있다. 이러한 설계의 단점은, 타원형 소켓 형태보다 이러한 형태의 인덱서에서는 더 많은 공간을 필요로 한다는 것이다. 설계자는 두 로터의 α 각을 구속하기 위하여 타원형 소켓을 타원형 보스와 결합할 수 있다. 그러나, 이러한 설계는 더 많은 공간을 필요로 하며, 롤러가 내측 보스 또는 타원형 소켓 표면과 마찰을 일으키기 때문에, 마찰이 문제가 된다.
이제 도 39 내지 도 45를 참조하여, 도 31 내지 도 35와 관련하여 앞서 설명한 인덱서에 의해 도시된 바와 같은 파형 설계와 관련된 또 다른 실시예를 구성하는 일반적인 원리에 대해 설명하기로 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 인덱스 오프셋 표면(156')은 도 31에 도시된 바와 같은 다수의 길이 방향 전방 및 후방 부분(언덕 부분 또는 계곡 부분)(157)(159)을 구비하고 있다. 이들은 본질적으로 도 18 (또한 도 32)에 도시된 바와 같은 인덱서 연장부 174의 개수와는 다른 개수의 로브 및 버켓을 형성한다. 도 39 내지 도 45와 관련된 이하의 설명은 일 형태에 있어서 표면을 생성하는 상세한 방법을 설명하기 위하여 제공되며, 아울러 이러한 표면의 형성을 위한 수학적인 모델을 제공한다. 도 39 내지 도 42는 도 1 내지 도 4와 그 개념에 있어서 유사하다.
도 39에 도시된 바와 같이, 제 1 축(322) 및 제 2 축(324)이 제공된다. 제 1 및 제 2 축은 궁극적으로 구성되는 로터의 회전 중심과 관련이 있다. 더욱이, 수학적인 논의와 설명을 위하여, 기준 축이 도면부호 10으로 XYZ 좌표 내에서 한정된다. 축(12')은 X 방향을 나타내고, 그에 직교하는 축(14')은 Y 방향을 나타내고, Z 축은 X 및 Y 축에 직교하며 도면부호 16'로 표시된다. 앞서 설명한 바와 같이, 축(322)(324)은 도면부호 323으로 나타낸 알파 각(α)만큼 공통 라인으로부터 오프셋되어 있다.
일반적으로, 기준 축(326)은 기준 점(330)을 한정하고, 이 기준 점(330)은 다시 도 40에 도시된 바와 같은 외측 구체(334)의 표면 상에 놓이는 아크 경로(328)를 한정한다.
앞서 설명한 바와 유사한 방식으로, 기준 점(330)은 축(322)을 중심으로 회전한다.
도면부호 "R"로 표시된 길이 치수를 갖는 기준 축(326)은 제 1 축(322)으로부터 도 39에 도시된 바와 같은 오프셋 각도 "a"를 갖는 것으로 한정된다.
도 1 내지 도 4는 축(22)(24)의 회전이 동시에 발생하는 실시예를 보여주고 있다. 기준 축(26)은 아크 경로(28)를 형성하는 축(24)에 고정 상태로 부착되어 있으며, 회전 축(22)에 대해서는 베이스 곡선(33)을 사실상 생성한다. 도 39 내지 도 45에서 설명되는 실시예에는 동일하지 않은 축(322)(324)의 회전이 제공된다. 도 40에 도시된 바와 같이, 예를 들어 축(322)은 승수 "B"의 "t" 배의 값으로 회전한다. B가 1일 때, 각각의 축은 동일한 수의 로브를 갖게 된다. B가 (1 + 1/N)인 경우, 도면부호 322로 표시된 축(1)에 대응하는 로터(1)는 N개의 로브를 가지며, 도면부호 324로 표시된 축(2)에 대응하는 로터(2)는 N+1개의 로브를 갖는다. 그와 달리, B가 (1 - 1/N)이고 도면부호 322로 표시된 축(1)에 대응하는 로터(1)가 N개의 로브를 가지는 경우, 축(2)(도면부호 324로 표시됨)의 회전 중심에 대응하는 로터(2)는 N-1개의 로브를 갖는다. 1의 값만큼 다른 로브의 개수는 도 32에 도시된 바와 같은 인덱싱 시스템(124')의 실제의 물리적인 실시예를 통해 알 수 있다. 또한 도 35에 도시된 바와 같이 길이 방향 후방 부분(159)이 로브로서 동작하는 언덕 부분을 한정함을 알 수 있다. 이 실시예에서는. 도 18에 도시된 바와 같이, 7개의 로브가 제공되며, 제 2 실시예에서는 동일한 인덱서 하우징(132)이 사용되고, 로브의 개수가 6개일 때 각각의 로브는 앞서 설명한 바와 같이 인덱서 연장부(174)로서 효과적으로 기능한다. 또 다른 예에 있어서, 제 2 로터는 고정된 인덱스 로터 및 제 1 로터에 대해 (N+1)/N 또는 (N-1)/N의 값으로 회전한다.
도 40을 다시 참조하면, 반대쪽 로터의 회전 비율과 비교하여 반대쪽 로터의 로브의 개수보다 한 개 더 많거나 한 개 더 적은 회전 비율로 제 2 축(324)이 회전함에 따라 제 1 축(322)을 중심으로 기준 축(326)이 각각 회전함을 알 수 있다. 다시 말해서, 도 40에 도시된 바와 같이, 축(322)(324) 양쪽 모두 회전함에 따라, 기준 축(326)은, 예를 들어 축(322)의 회전의 7/8의 값으로, 축(324)과 함께 회전하여, 도면부호 341로 표시된 시작 위치로부터 도면부호 333a로 표시된 베이스 곡선의 세그먼트를 따라 추종하는 도면부호 343으로 표시된 종료 위치까지 효과적으로 재배치된다.
이제 도 41을 참조하면, 도 3에 도시된 바와 유사한 방식으로, 기준 축(326)둘레에 한정 표면(338)을 적용함으로써, 오프셋 표면(342)이 한정됨을 알 수 있다. 도 42에 도시된 바와 같이, 오프셋 표면(342)은 완전히 전개되어 있다. 이때, 이 오프셋 표면은 그 개념이 도 31에 도시된 바와 같은 인덱스 오프셋 표면(156')과 유사함을 알 수 있다.
이제 도 43을 참조하면, 제 1 축(322)을 중심으로 하는 중심 축을 갖는 오프셋 표면(342)은 다수의 인덱서 연장부(474a 내지 474f)를 구비하고 있음을 알 수 있다. 각각의 인덱서 연장부(474)의 중심 축은 도 42에 도시된 바와 같은 베이스 곡선(333)을 따라 움직인다. 따라서, 도 44에 더욱 상세히 도시된 바와 같이, 일 형태에 있어서, 예를 들어 6 개의 인덱서로 구성될 수 있지만, 오프셋 표면(333)을 갖는 로터에 대향하는 로터는 사실상 다수의 인덱서를 구비할 수 있으며, 일 형태에 있어서 단일 인덱서로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 정점에서의 반경에 따라 또는 원추형 표면이 사용되는 않는 경우 중심 축으로부터의 거리에 따라, 인덱서 연장부의 개수는 오직 공간의 크기와 그 안에서 로터를 물리적으로 원조하는 물리적인 제약에 의해 제한된다. 인덱서 연장부(474)를 위치시키는 것과 관련된 한가지 고려 사항이 도 45에 도시되어 있다. 이 도면으로부터, 인덱서 연장부(474b)(474c) 사이의 도면부호 481 및 483으로 표시된 맞물림 위치가 오프셋 표면(222)을 따라 다른 경사를 가지고 제공됨을 알 수 있다. 따라서, 로터가 한 번 회전하면, 인덱서가 하나의 길이 방향 후방 부분(459')에서 제 2 길이 방향 후방 부분(159")으로 재배치된다.
원형이 아닌 맞물림 선단부를 갖는 오프셋 표면을 형성하는 것과 관련하여, 일반적으로, 그 프로세스는 먼저, 예를 들어 맞물림 선단부의 위치 등식 또는 다른 맞물림 특징을 확인하는 것이다. 예를 들어, 타원형 선단부(201)가 도 46에 도시되어 있다. 도 46에 도시된 바와 같이, 그 둘레에 배치된 다양한 벡터에 의해 표시되는 다수의 도함수가 제공된다. 각각의 벡터는 선단부(201)에 따른 다양한 부분의 운동으로 연장된다. 따라서, 도 46은 타원형의 맞물림 선단부(201)에 따른 각각의 위치에 있어서 방향 운동 벡터(203)가 존재함을 보여주고 있다.
도 47은 도 46에 도시된 바와 같은 운동 벡터(203)가 아닌 단순히 선단부(201)에 대한 다양한 접선의 도함수에 대응하는 벡터(205)를 보여주고 있다. 따라서, 도 46 및 도 47에 도시된 바와 같이, 벡터(203')(205')는 공통 라인을 이루고 있음을 알 수 있다. 따라서, 벡터가 공통 라인을 이루고 있는 다양한 XYZ 위치에는 선단부(201)로부터의 오프셋 곡선이 생성되어야 하는 위치가 존재한다. 맞물림 선단부(201)는 맞은편의 로터 상의 로브의 기하학을 설명하는 곡선을 한정하기 위해 사용된다. 모든 값에 있어서의 실제 방향 운동은, 반대쪽 로터에 대해 그 둘레에서 회전할 때, 그 자신의 베이스 곡선을 본질적으로 형성한다. 따라서, 기본 등식의 맞물림 오프셋의 한정은 벡터(203)(205)가 공통 라인을 이루고 있거나 양쪽 로터가 각각의 축을 중심으로 회전함에 따라 다양한 회전 위치에서 동일한 방향에 위치하는지의 여부를 판단하는 것이다.
이제, 예를 들어, 도 48 내지 도 50에 도시된 바와 같은 실시예에 있어서 오프셋 표면을 한정하는 방법에 대해 설명하기로 한다. 먼저 도 48을 참조하면, 다수의 벡터(500)가 도 48에 점괘선으로 표시된 것을 제외하면 도 45와 유사한 측면도가 도시되어 있다. 본질적으로, 이들 벡터는 오프셋 곡선(333)에 따른 다양한 접선을 나타낸다. 다시 말해서, 오프셋 곡선(333)은 구체의 외부에 위치하기 때문에, 곡선(333)을 구성하는 점 각각의 접선 방향에 따라 작은 인덱서 라인을 위치시키는 것을 상상해볼 수 있다. 이들 접선 각각은 도 48에 도시된 벡터(500)를 나타낸다. 이제 도 49를 참조하면, 벡터(502)는 전체 곡선이 그 중심 축을 중심으로 회전할 때의 각각의 점의 상대 운동을 나타낸다. 다시 말해서, 벡터(502)는 각각의 점에 있어서의 실제적인 운동 벡터를 나타낸다. 따라서, 앞서 설명한 바와 유사하게, 도면부호 504로 표시된 개략적인 XYZ 좌표 영역에서와 같은 주어진 구속된 영역에 있어서 벡터(502)를 갖는 공통 라인 요인(500)을 판단하는 것은, 이 경우 원추체/인덱서 연장부(474)와 관련된 로터인, 반대쪽 로터의 맞물림 표면의 한정을 위한 오프셋 라인(333)에 따른 XYZ 좌표 위치를 고려하여 이루어진다. 따라서, 도면부호 474b 및 474c로 표시된 두 인덱서 연장부 사이에 놓이는 표면을 생성하기 위하여, 오프셋 표면(333)에 대응하는 로터의 각각의 주어진 회전 위치에 대해 공통 라인 벡터를 간단히 확인하고, 그 결과, 도 50에 도시된 바와 같이, 오프셋 라인/표면(510)이 얻어진다. 이 표면은 원추체(474b)(474c)의 외측 표면과 맞물릴 수 있거나, 오프셋 표면(333)에 따른 다양한 점들이 단순히 이들 원추체 표면을 다시 한정할 수 있다. 오프셋 표면(510)은 그 사이에 위치하는 간격을 가질 수 있음에 또한 주목할 필요가 있다. 예를 들어, 표면의 경로의 방향의 도함수를 취함으로써, 사전 설정된 간격을 생성하기 위하여 점들은 이 유도된 90 도 "핸들"로부터 사전 설정된 양을 더욱 회전할 수 있다. 물론, 이 간격은, 간격을 한정하거나 특정 각도 간격을 가지기 위하여 사전 설정된 회전이 이루어지면 중심으로부터 거리 값을 취함으로써 한정될 수 있다. 로터 사이에는 간섭 끼워 맞춤이 또한 존재할 수 있다. 선들을 한정하는 다양한 점들은 앞서 표면으로 언급된 것에 또한 주목할 필요가 있다. 물론, 수학적인 용어로는, 점이 선을 한정한다. 그러나, 이들 선이 평면 및 (앞서 설명한 바와 같은) 굽은 평면을 형성하기 위하여 사용되는 경우, 사실상 다양한 선들이 궁극적으로 표면을 생성한다. 따라서, 이들 용어, 선 및 표면은 실제적인 로터 및 인덱서를 생성하는 데 있어서 다양한 단계를 설명하기 위하여 사용된다. "커터 선단부"는 다양한 형상을 취할 수 있으며, 회전 중심으로부터 다른 거리를 갖도록 변경될 수 있다.
도 51에 도시된 바와 같이, 드라이버(122")를 포함하여 구성되는 에너지 변환 장치(120")가 제공된다. 일반적으로, 로터(130A")(130B")는 각각 인덱싱 시스템(124A")(124B")에 동작 가능하게 부착되어 있다. 인덱싱 시스템은 약간 변형된 것을 제외하면 사실상 앞서 도시된 것과 유사하다. 설명의 편의를 위해, 인덱스 시스템(124A")이 상세히 설명되지만, 반대쪽 인덱스 시스템(124B")도 마찬가지로 제공되는 것이 이해될 것이다. 물론, 더욱 넓은 범위에서는, 다른 형태의 인덱싱 시스템이 각각의 드라이브 로터에 대해 사용될 수 있으며, 앞서 설명된 인덱싱 시스템이 다양하게 조합될 수도 있고, 도 51에 도시된 바와 같은 인덱싱 시스템이 하나의 부분에 대해서 사용될 수 있고, 반대쪽 로터는 도 39과 관련하여 앞서 설명한 바와 같은 관통 샤프트에 견고하게 잠금 결합될 수 있다. 인덱서는 낮은 베어링 재료, 낮은 마찰 재료, 또는 낮은 마찰 또는 마모 방지 코팅, 하드 코팅, 세라믹 코팅 또는 기어 관련 분야에서 예상할 수 있는 다양한 코딩, 또는 마찰이 일어나는 기계 부분 상의 마찰 마모를 줄이는 데 전형적으로 사용되는 코팅이 피복된 강철로 제조될 수 있다. 인덱서가 높은 토크 또는 낮은 토크가 적용되는 분야에 사용되는지의 여부에 따라, 예를 들어, 낮은 토크 및 낮은 힘이 적용되는 분야에서는 재료가 Delrin 등의 플라스틱일 수 있다. 관통 샤프트의 볼 또한 낮은 마찰 재료 또는 소정의 밀봉 특성 및 자기 윤활을 달성할 수 있는 기타의 재료로 만들어질 수 있다. 인덱서 또는 샤프트 볼은 자기 윤활 또는 액체가 주입된 재료로 만들어질 수 있다.
도 51은 에너지 변환 장치에 맞물린 로터(130A''')를 보여주고 있다. 도면을 명확히 나타내기 위하여 외부 케이싱은 도시되어 있지 않다 (케이싱의 일 예는 도 71 참조). 사이 끼움 로터(121''')를 설명하기에 앞서, 인덱싱 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도 52에 도시된 바와 같이, 로터 중 하나, 예를 들어 로터(130A''')가 측면 윤곽도로서 도시되어 있다. 일반적으로, 드라이브 로터는 도 51에 도시된 바와 같은 사이 끼움 로터(121''')의 공동 작용 표면(144''')과 맞물리도록 구성된 맞물림 표면(142''')을 포함하여 구성된다. 일반적으로, 표면(142''')(144''')은 본질적으로 앞서 설명한, 도 27에 도시된 바와 같은, 표면(142")(143")에 대응하는 표면과 유사하다. 더욱이, 표면(142''')의 맞물리지 않는 부분은 도 46 내지 도 50을 참조하여 앞서 상세히 설명한 정렬 도출 방법을 사용하여 구성될 수 있다. 도 52를 다시 참조하면, 인덱스 오프셋 표면(156''')이 제공되고, 도 51에 도시된 바와 같은 인덱서 표면(174''')과 맞물리도록 구성되는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 인덱서 표면(174''')은 샤프트(126''')에 견고하게 부착된 인덱스 하우징(132''')의 일부분이다. 도 53에 도시된 바와 같이, 내부 구체 부분, 예를 들어 샤프트의 중앙 부분과 맞물리도록 구성된 내측 표면(152''')이 제공됨을 알 수 있다. 또한, 환상 그루브(157''')가 제공되고, (예를 들어) 그 내부에 밀봉 링이 배치될 수도 있다.
이제 도 54를 참조하면, 중간 끼움 로터(121"')가 등각 투영도로서 도시되어 있다. 일반적으로, 앞서 설명한 바와 같이, 일 형태에 있어서, 공동 작용 표면(144"')은 대향하는 측부 양쪽에서 사실상 유사할 수 있으며, 도 54에 도시된 바와 같이 로브 하나의 폭만큼 오프셋될 수도 있다. 또한, 도 55에 도시된 바와 같이, 다른 로터에 있어서도, 외측 표면(155"')이 제공되고, 하우징의 내부의 대응하는 구형 표면과 짝을 이루도록 구체의 일부를 형성한다.
도 51을 다시 참조하면, 중간 끼움 로터(121"')는 최소 체적 영역(193"')에서 최대 체적 영역(195"')까지 체적이 변화하는 작동 챔버(189"')(191"')를 생성할 수 있도록 설계된다. 예를 들어, 드라이브 로터(122"')의 중심에 위치하는 샤프트의 회전에 수직하는 분기선에 의해 대향하는 작동 챔버(189"')(191"')가 상호 분리되도록, α각 및 다른 파라미터가 조정될 수 있다. 따라서, 케이싱은 그 둘레에 원주 방향으로 배치된 분할 선을 구비할 수 있으며, 다양한 작동 유체(압축성 및 비압축성 유체)로부터 작업을 제공하고 도출하는 다양한 포트 장치를 구비할 수 있다. 포트 장치의 예는 앞서 언급한 양수인의 회사가 소유하고 있는 다양한 참조 문헌에서 발견할 수 있다. 이들 참조 문헌은 참조 자료로서 본 명세서에 포함된다.
도 56은 축(126''')을 따라 취한 단면도이다. 일반적으로, 도 56은 인덱스 하우징(132''')이 어떻게 부분적으로 인덱스 오프셋 표면(156''')을 가로막는지를 보여주고 있다. 더욱이, 도 56의 57 - 57 선은 로터(130A''')(130B''')가 중간 끼움 로터(121)와 공동으로 작동 챔버(189''')(191''')를 각각 한정하는 것을 보여주는 도 57의 절결도를 한정하고 있다. 일반적으로, 일 형태에 있어서, 인덱스 하우징(132)은 공동 작용 표면(174''')과 인덱스 오프셋 표면(156''')(도 51 참조) 사이의 적절한 맞물림을 제공하기 위하여 샤프트(126)를 따라 조정될 수 있다.
도 58 내지 도 60에 도시된 바와 같이, 독자적으로 또는 앞서 설명한 에너지 변환 장치와 같은 정 변위 장치와 공동으로 활용될 수 있는 펄스 폭발 시스템이 개략도로서 도시되어 있다. 일반적으로, 도 58에 도시된 바와 같은 펄스 폭발 장치(600)는 단면도로서 도시되어 있으나, 일 형태에 있어서는 원형 외부 타입 구조를 갖는다. 일반적으로, 펄스 폭발 장치(600)는 연료 혼합 영역(602), 폭발 영역(604), 연소 폭발 전이 구역(DDT 구역)(606) 및 폭발 영역(608)을 포함하여 구성된다.
도 58의 59 - 59 선을 따라 취한 도면인 도 59를 참조하면, 일 형태에 있어서 연료 혼합 영역(602)은 일반적으로 흡기 포트(610)(612)를 포함하여 구성된다. 일 형태에 있어서, 흡기 포트(610)(612) 각각의 중심 축은 혼합실(614)의 중심에서 방사상으로 거리를 두고 위치하여 소용돌이 동작을 생성한다. 혼합실(614)내에 연료를 혼합하기 위하여 연료 분사기 포트(616)가 추가로 제공된다. 도 58을 다시 참조하면, 밸브(620)가 도시되어 있다. 일반적으로, 일 형태에 있어서, 밸브는 고유의 기계적인 프로세스에 의해 제어될 수 있는데, 밸브는 밸브 시트(622) 둘레에서 폐쇄 위치로 편이되어 있다. 예를 들어, 밸브는 그 내부에 배치된 헬리컬 스프링 등의 스프링 부재에 의해 편이될 수 있다. 따라서, 혼합실(614)내에 특정 압력이 형성되면, 연료 공기 혼합물은 밸브 둘레를 미끄러지듯 움직여서 점화 영역(604)의 일부분인 연소실(626) 내로 유입된다. 이 영역에서, 스파크 플러그(628) 등의 점화 부재가 연소를 개시한다. 연소는 압력을 증가시키고 인가된 압력은 밸브(620)의 스프링 편이력을 극복하면서 밸브를 폐쇄하고 흡기 포트(610)(612)로부터의 공기의 연속적인 흡입을 일시적으로 중단하여 내부의 압력을 증가시킨다. 그 후에, 연소 화염은 도 58의 왼쪽 부분을 통과하여 DDT 구역(60)으로 들어가며, 화염은 전파되고, 연료 공기 혼합물은 연소되어 화염 속도는 더욱 가속된다. 결국에, 화염 속도는 Chapman-Jouguet 조건에 도달하게 되고, 연료 공기 혼합물은 일정 체적 프로세스에서 폭발하게 된다. 그 후에, 연소의 결과로 생기는 가스가 내부 챔버(640)를 통해 이동하고 배출 포트(642)를 통해 배출된다. 도 13에 도시된 장치와 같이 적절하게 장착된 케이싱을 갖춘 장치는 배출 포트(642)와 연통하여 고압 가스가 그 에너지를 로터(122)에 전달할 수 있게 한다. 적절하게 장착된 케이싱은 드라이버 둘레에 장착되어 밀봉된 챔버를 제공하는 점에 주목할 필요가 있다. 또한, 밀봉 영역은 전략적으로 위치하여 팽창 가스로부터 작업량을 최적화할 수 있도록 모델링될 수 있는 사전 설정된 팽창량을 고려할 수 있다. 또한, 로브의 개수 및 로브의 위치는 펄스 폭발 장치(600) 내의 제 1 폭발과 동기되어, 로터의 로브의 넓은 개방 면이 가스의 팽창 압력 파의 전체 범위에 놓일 때, 높은 압력 피크를 제공할 수 있게 된다.
다시 말해서, 도 13을 다시 참조하면, 적은 수의 로브가 채용될 수 있고, 15도 내지 35도의 급경사진 α각을 활용할 수 있다. 인덱싱 시스템은 드라이버 사이의 상대 간격을 유지하는 데 큰 도움을 줄 수 있다. 따라서, 최적의 일 형태에 있어서, 포트 내에서의 로브의 완전 노출은 배출 포트(642)를 빠져나가는 고압파에 맞추어질 수 있다.
도 58에 도시된 바와 같은 펄스 폭발 장치(600)의 실시예는 본질적으로 개략적으로 도시된 것이며, 이 형태는 압력 및 온도 등의 다양한 데이터 파라미터를 측정하기 위한 다수의 데이터 획득 점(644)을 제공한다.
이제 도 60을 참조하면, 펄스 폭발 장치(600)가 개략적으로 도시되어 있다. 정 변위 회전 운동 장치(660) 등의 에너지 변환 장치가 배출 포트(642)에 위치하고 있다. 일반적으로, 정 변위 회전 운동 장치(660)는 에너지 변환 장치(120)와 유사하다. 정 변위 회전 운동 장치(660)는 일 형태에 있어서 조절 가능한 밀봉 수단(664)을 포함하는 입구 포트(662)를 구비하고 있다. 일반적으로, 조절 가능한 밀봉 수단(664)은 정 변위 회전 운동 장치(660)의 다양한 로터로부터 바깥쪽으로 이동할 수 있어서 펄스 폭발 장치(600)로부터 나온 팽창 가스가 큰 초기 체적으로 유입되는 것을 허용한다. 일반적으로, 맞물리는 로터가 최대 체적을 갖게 되는 최대 체적 위치(668)가 제공되며, 그 후에, 가스는 배기 영역(670)에서 배출된다. 그 후에, 로터는 체적이 감소하고 하류의 배기 영역(672) 밖으로 배기 가스를 정 변위시키며, 밀봉 수단(674)이 제공되어 정 변위 회전 운동 장치(660)의 최소 체적 영역에서 케이싱을 밀봉하는 역할을 수행한다.
또한, 제 2 에너지 변환 장치는 압축기로서 동작할 수 있으며, 일 형태에 있어서 이 장치(680)는, 예를 들어, 벨트(682)에 의해, 정 변위 회전 운동 장치(660)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 일반적으로, 공기 (즉, 순환 공기)가 다양한 챔버 내로 유입되는 흡기 영역(684)이 제공되며, 공기는 예를 들어 4 대 1의 압축비로 압축된다. 장치의 흡기는 최대 체적 위치(688)에서 완료될 수 있으며, 압축된 가스는 스로틀(690) 부근을 빠져나와 연료와 혼합됨으로써 압축 공기 연료 혼합물을 생성할 수 있다. 일반적으로, 펄스 폭발 영역(608) 및 점화 영역(604)으로부터 열이 전달될 수 있도록 열 전달 충만 공간(692)이 제공될 수 있다. 일 형태에 있어서, 펼스 폭발 영역(608) 내에서의 폭발 프로세스를 돕는 시첼킨(Shchelkin) 스파이럴(609) 등의 난류 발생기(화염 가속기)가 제공될 수 있다.
도 60A를 참조하면, 배출 포트(642')에 위치한 밸브가 없는 펄스 폭발 장치(600')가 도시되어 있다. 파워 출력 조정 시스템(681')을 포함하여 구성되는 정 변위 회전 운동 장치(660')가 제공된다. 일반적으로, 일 형태에 있어서 에너지 변환 장치(660')는 본 출원에 속하는 하나의 실시예이며, 본 특허 출원 및 다른 특허의 청구범위에 포함되는 기타 잠재적인 장치는 물론 모두 참조 자료로서 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제 5,755,196호, 미국 특허 제 6,036,463 호, 미국 특허 제 6,497,564 호 및 미국 특허 제 6,739,852 호에 개시된 바와 같은 그러나 이러한 특허에 의해 한정되지 않는 기타 에너지 변환 장치도 본 출원에 속한다. 또한, 더욱 넓은 범위의 하류 가스 또는 그 일부는 참조 자료로서 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제 6,705,161 호에 개시된 바와 같은 유량계에 의해 측정될 수 있다.
이제 도 60B를 참조하면, 밸브가 없는 펄스 폭발 장치(600')가 단면도로서 도시되어 있다. 폭발 영역(608')이 도시되어 있는데, 일 형태에 있어서 나선형 방향으로 위치할 수 있는 시첼킨 스파이럴(609')로 구성될 수 있고, 일 형태에 있어서 튜브(611')에 삽입되고 그에 고정 상태로 부착되는 나선형 부재 따위의 인서트일 수 있다. 일 형태에 있어서, 시첼킨 스파이럴(609')의 나선형 부분의 회전 사이의 거리는 빈번히 증가할 수 있으며, 스파이럴 간의 피치는 그 내부의 가스의 속도에 따라 감소할 수 있다 (몇몇 형태에 있어서는, 가스의 팽창에 따라 증가한다).
열 전달 시스템(691')에는 압축 가스 등의 가스가 내부로 유입되어 역류되도록 하는 입구 포트(623')가 제공되어 있다. 일 형태에 있어서, 폭발 영역(608') 에서 나온 열은 가스로 전달되어 가스를 예비 가열한다. 그런 다음, 가스는 가스 전달 튜브(625')를 따라 흘러서 혼합실/연료 혼합실(602')로 들어가며, 여기서 예비 가열된 가스는 연료 혼합물과 혼합되고 디퓨저(631')를 통과한다. 디퓨저는 연소실(604')에 들어가기에 앞서 가스 혼합물을 계층화할 수 있도록 설계된다. 일반적으로, 디퓨저는 다양한 형태로 구성될 수 있는데, 일 형태에 있어서는 길이 방향으로 연장된 표면에 의해 한정된 다수의 구멍이 적절한 폭발을 위해 가스의 소용돌이 동작을 감소시킨다. 일 실시예에 있어서, 디퓨저의 개방 단면적은 디퓨저 영역의 전체 단면의 표면적의 적어도 50%에 상당한다. 더욱 넓은 범위에서는, 개방 단면적이 디퓨저 영역의 전체 단면적의 적어도 30% 내지 98%에 상당한다. 다른 형태에 있어서, 디퓨저는 소정의 폭발을 위해 가스의 흐름을 적절하게 형성하기 위한 길이 방향 연장 핀을 포함하여 구성될 수 있다.
도 60I를 참조하면, 개구부(639')를 한정하는 다수의 표면을 갖는 디퓨저(631')가 단면도로서 도시되어 있다. 또한, 도 60I에 도시된 바와 같이, 핀(647')이 열 전달 시스템(691')의 옥시던트 도관 내에 제공되어 튜브(611')로부터 열 전달 시스템(691')을 통해 흐르는 공기로의 대류를 더욱 허용하게 됨을 또한 알 수 있다.
도 60B에 도시된 연료 분사기(616')는 혼합실(602') 내에 사전 설정된 양의 연료를 분사하도록 구성된다. 그 내부에 분사되는 연료는 불순 연료, 펄스 폭발 장치에서 사용되는 종래의 연료 또는 점화될 때 에너지를 제공하는 그 밖의 다른 연료일 수 있다. 일 형태에 있어서, 팽창기 영역(609')은 길이 방향 후방 영역에서 길이 방향 전방 영역으로 단면 직경이 증가함에 따라 디퓨저(631')로 유입되기 전에 연료 공기 혼합물을 약간 팽창시킨다.
연소 영역(604')은 공기 연료 혼합물을 점화하기에 충분한 활성 에너지를 인가할 수 있는 점화 시스템을 포함한다. 일 형태에 있어서, 점화 영역은 점화 위치(607')에 일반적으로 위치하는 기폭 장치(점화기)를 포함한다. 일 형태에 있어서, 기폭 장치는 종래의 스파크 플러그일 수도 있으며, 이 영역에 일정한 에너지를 제공한다. 더욱 넓은 범위에 있어서는, 점화 영역은 레이저 점화 장치일 수 있고, 가스를 점화시키기에 충분한 에너지, 일 형태에 있어서 열 에너지를 인가할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 점화 위치(607')에서 디퓨저(631')의 길이 방향 전방 영역까지의 거리는 점화를 최적화할 수 있도록 설정되어야 한다. 일 형태에 있어서, 점화 위치(607')는 대략 튜브(611')(그 내부 표면)의 직경 거리 + 또는 - 50%이다. 더욱 넓은 범위에서, 이 거리는 튜브 직경의 1/4에서 튜브 직경의 4배의 범위에 놓일 수 있다. 물론, 이 거리는 연소될 연료, 디퓨저의 단면 개구 면적, 연료 공기 혼합물의 유량 등의 여러 가지 요인 및 잠재적인 다른 요인에 따라 달라질 수 있다.
이제 도 60C를 참조하면, 에너지 변환 장치(660')가 상세히 도시되어 있다. 투입 포트 조정 시스템(681')의 일 형태가 도시되어 있는데, 밀봉 블록 부재의 적층체(649')로 이루어진 다수의 밀봉 블록 부재(651')가 제공되어 있다. 일 형태에 있어서, 도 60E에서 도면부호 659'로 도시된 내부 캠 표면과 맞물리도록 회전할 수 있는 중앙 캠 샤프트(653')가 제공된다. 도 60D에 도시된 바와 같이, 에너지 변환 장치(660')가 도시되어 있는데, 제 1 및 제 2 로터는 단면도로서 도시되어 있고, 이들 로터는 로터 어셈블리(661')로서 일반적으로 언급된다. 일반적으로, 배출 포트(642')는 매우 높은 속도로 가스를 방출하는 것을 알 수 있으며, 일 형태에 있어서는 마하 3의 범위 내에서 가스를 방출한다. 이 고압 가스는 그 에너지를 로터 어셈블리(661')에 전달한다. 팽창 가스의 중심 스러스트는 로터 어셈블리의 중심이 아니라 다소간 그에 접선 방향으로 놓이게 됨에 따라 팽창된 가스로부터의 운동 에너지가 로터 부재 각각의 넓은 개방 면에 전달된다. 일 형태에 있어서, 로터 부재는 일반적으로 회전 근처에서 도면부호 668'로 도시된 최대 체적 위치를 갖는다. 따라서, 밀봉 블록 부재(649')의 적층체가, 도면부호 671'에서 초기 형성되는 채널을 통해 가스가 새어나와 최대 체적 위치로 이동함으로써 고압 가스가 직접 그 힘을 로터에 최대 압력으로 인가할 수 있도록, 배열되면, 로터 어셈블리(661')에 대해서 (도 69A에 도시된 바와 같은 샌드위치 형 구조가 사용되면, 적어도 하나의 로터나 양쪽 로터 또는 다수의 로터에 대해서) 최대 토크가 생성된다. 도 60E를 참조하면, 채널(671')이 일반적으로 도시되어 있고, 밀봉 블록(649')의 적층체의 연장된 부분과 연통하고 있음을 알 수 있다.
이제 도 60F 내지 도 60H를 참조하면, 중앙 캠 샤프트는 물론 밀봉 블록 부재가 다양하게 도시되어 있다. 도 60F에 도시된 바와 같이, 밀봉 블록 부재(651') 각각은 내부 캠 표면(659')을 포함하고 있다. 일 형태에 있어서, 이 내부 캠 표면은 도 60H에 도시된 바와 같이 중앙 캠 샤프트(653')의 캠 표면(655')과 맞물릴 수 있도록 구성된 연장부를 구비한다. 따라서, 도 60G에서 밀봉 블록 부재(649)의 적층체 내에 도시된 바와 같은, 다양한 밀봉 블록 부재는 개별적으로 제어될 수 있고 중앙 캠 샤프트(653')의 회전에 따라 순차적으로 개방될 수 있다.
이제 도 60J, 60K 및 60L을 참조하면, 발전 시스템의 개략적인 구조가 도시되어 있다. 도 60J에 도시된 바와 같이, 압축기(680')는 흡기구(683)로부터의 압축 공기를, 열 전달 시스템(691')으로서 언급되는, 예비 가열기로 공급하고, 여기서 이 공기는 가스 전달 유브를 통해 흐르거나 도면부호 625'로 도시한 바와 같이 연료 도입부(686)를 구비한 펄스 폭발 장치(600')로 전달된다. 더욱 상세하게는, 가스가 혼합실로 전달되고, 여기서 가스가 폭발하고, 가압되고 뜨거운 생성물은 팽창기로 방출되거나, 일 형태에 있어서 에너지 변환 장치(660')를 통해 배기구(685)로 방출된다. 이제 60K를 참조하면, 앞서 설명한 바와 유사한 시스템이 도시되어 있다. 에너지 변환 장치(660')에서 나온 가스는 제 2 에너지 변환 장치(660')로 전달된다. 터빈 스테이지가 옮겨져서 차례로 재배열될 수 있다. 이제 도 60L을 참조하면, 에너지 변환 장치(660')의 하류에서 배기 가스가 보일러(711')를 통해 흐르고, 보일러는 물 등의 작동 유체를 가열하고, 이 작동 유체는 팽창기(713')를 통해 흐른 후 응축기(715')로 유입되며, 그런 다음 작동 유체는 펌프(717')를 통해 압축되고, 재가열을 위해 보일러(711')로 다시 전달되는 것을 제외하면 앞서 설명한 바와 유사한 시스템을 도시하고 있다.
따라서, 펄스 폭발 장치(600)에서 방출되는 매우 높은 에너지를 갖는 가스가 에너지 변환 장치와 함께 사용될 수 있음을 알 수 있다. 일 형태에 있어서, 에너지 변환 장치는 공통 라인에서 오프셋되고 교차하는 축을 중심으로 회전하는 제 1 및 제 2 로터를 구비하는 장치로서 작동 챔버를 형성하며, 여기서 팽창된 가스는 로터에 접선 방향의 각으로 작동 챔버를 가격하여 토크를 인가하게 된다. 본 명세서에서 여러 가지 형태로 도시되는 로터는 매우 견고하며, 예를 들어 터빈 날개보다 더 견고하며, 사용 가능한 에너지를 얻기 위해 그로부터 토크를 추출하기 위한 펄스 폭발 장치의 매우 높은 온도와 압력을 취급할 수 있도록 설계됨에 주목할 필요가 있다. 또한, 펄스 폭발 시스템은 일반적으로 빠른 연소율을 가지며, 따라서 효과적으로는 일정 체적 연소를 수행한다. 따라서, 일 형태에 있어서 정 변위 회전 운동 장치인, 에너지 변환 장치를 통합하게 되면, 모든 가스가 (가스의 일부가 다른 곳으로 이르지 않는 한) 챔버 내에서 수집되어 그로부터 에너지를 추출할 수 있다.
현재의 분석에 따르면, 펄스 폭발 장치의 하류에 정 변위 회전 운동 장치를 배치하는 것이 더 큰 효율을 제공할 가능성이 있다. (나선형 또는 다른 형태의)이들 시첼킨 스파이럴 사이의 길이 방향 간격은 리바운드된 반사 충격파가 혼합물 내에서 난류를 일으켜 화염 전파 속도를 가속시킬 수 있도록 설정되는 것에 또한 주목할 필요가 있다.
연료와 관련하여서는, 안개 모양으로 원자화될 수 있거나 분쇄될 수 있는 거의 모든 연료가 펄스 폭발 엔진에서 잠재적으로 사용될 수 있으며, 앞서 언급한 바와 같이, 황화 수소 입자의 높은 오염 물질을 갖는 연료 등의 "불순 연료"를 또한 사용할 수 있다.
도 60A 내지 도 60E에 도시된 실시예와 관련하여, 도 60에서 도면부호 690으로 도시된 것과 유사한 스로틀이 공기를 투입 포트(623')에 투입하고 그 내부에 허용되는 공기의 양을 제어하기 위하여 사용될 수 있음에 주목할 필요가 있다. 다시 말해서, 투입되는 공기는 연료와 화학량론적으로 적절히 혼합되며, 에너지 변환 장치(680')의 회전 비율에 따라, 이 장치는 도 60에 도시된 바와 같은 방식으로 압축기를 회전시키게 된다. 여기서, 이 압축기로부터의 유량은 스로틀에 의해 제어될 수 있다.
고온의 공기가 시스템에 유입되면, 공기로 충만된 공간은 활기찬 혼합 효과를 생성함으로써 연료가 축 방향으로 도입된다. 혼합되는 양은 엄청나며(흐름은 크게 난류를 일으키며), 노즐은 속도를 늦추고, 그 후에 디퓨저가 함께 동작한다. 노즐은 유동 속도를 효과적으로 늦춘다. 디퓨저는 적절한 폭발을 위해 흐름 난류를 감소시킨다. 디퓨저의 전방 표면은 길이 방향으로 후방으로 되돌아가는 충격파를 굴절시킬 수 있도록 동작한다. 혼합실 내에서 디퓨저와 노즐을 사용하게 되면, 연료 분사기가 단부 캡 부근의 혼합실 부근에 위치할 수 있도록, 후방으로 이동하는 폭발 충력파가 약해진다.
디퓨저의 길이의 한가지 특징은 억제(quenching) 효과를 가진다는 것이다. 후방으로 작용하려고 하는 화염은 길이 방향으로 후방으로 움직이는 화염을 억제하는 이른바 화염 방지 장치로서 작용한다. 적어도 전체의 1/2 미만의 길이에서, 디퓨저의 길이는 개방 영역 대 비개방 영역의 비에 좌우되며, 또한 개구부를 한정하는 내부 표면의 순수 표면 면적에 좌우된다. 따라서, 더욱 넓은 범위에서는, 디퓨저의 길이는 설계 요인에 따라 1/8 인치 내지 2 인치의 범위에서 결정된다. 반면에, 디퓨저의 길이가 더 길어지면, 잠재 압력 손실이 더욱 커져서 유체 흐름을 저하시킨다. 이는 시스템에 악영향을 미친다.
일 형태에 있어서, 노즐의 압축된 부분은 디퓨저(631')로 향하는 개방 단면적보다 작다. 일 형태에 있어서, 도 60A 및 도 60B에서의 거리 비는 일정한 비율로 축소된 것이며, 물론 일 형태에 있어서 판독 가능한 범위, 예를 들어 구성 요소의 상호 관계에 대해 + 또는 - 20%의 범위 내에서 변동될 수 있다.
도 61A에 도시된 바와 같이, 에너지 변환 장치(120iv)가 제공된다. 에너지 변환 장치(120iv)에서, 로터(122iv)는 로터 부재(131aiv)(131biv)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 일반적으로, 로터는 (이하에서 설명하는 바와 같은 나선형 구조가 아닌 경우) 3:2의 비율을 갖는다. 즉, 로터(131aiv)는 3 개의 로브를 가지며, 로터(131biv)는 2 개의 로브를 갖는다. 따라서, 이들 두 로터 사이의 회전 차는 2:3의 비율이다. 로터(131aiv)는, 로터(131iv)가 360도 회전할 때마다, 예를 들어 240도 회전한다.
이제 인덱싱 시스템(124aiv)(124biv)에 대해 설명하기로 한다. 도 61B로부터 알 수 있는 바와 같이, 인덱싱 시스템(124biv)을 보여주는 에너지 변환 장치(120iv)가 등각 투상도로 도시되어 있다. 일반적으로, 이 인덱싱 시스템은 고정된 인덱서 로터(132aiv)가 5 개의 로브를 갖도록 배열되는 방식으로 배열된다. 또한, 인덱스 오프셋 표면(156aiv)은 6 개의 로브를 갖도록 배열된다. 따라서, 고정된 인덱스 로터(132aiv)에 고정 상태로 부착된 샤프트는 로터(131aiv)의 잠재 속도의 6/5배의 속도로 회전하게 된다.
이제 도 61A의 오른쪽 부분에 도시된 인덱싱 시스템(124biv)을 참조하면, 인덱스 오프셋 표면(156biv)는 4 개의 로브를 가지며 고정된 인덱스 로터(132biv)는 5 개의 로브를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 앞서 언급한 이 특정 예에 있어서는, 로터(131biv)가 예를 들어 360도 회전할 때, 대응하는 반대쪽 로터(131aiv)는 240도 회전하게 된다. 따라서, 샤프트 그리고 특히 고정된 인덱스 로터(132aiv)는 240도의 6/5에 대응하는 각도를 회전하며, 이 경우에는 188도를 회전하게 된다. 이제 장치(120iv)의 오른쪽 부분을 살펴보면, 앞서 언급한 바와 같이, 로터(131biv)는 기준으로서 360도 회전하며, 따라서 고정된 인덱스 로터(132biv)는 360도의 4/5에 해당하는 188도를 회전하게 된다. 물론, 이 실시예에 있어서는 고정 인덱스 로터(132aiv)(132biv) 모두 중심 축(126iv)에 고정 상태로 부착되어 있기 때문에, 정체를 피하기 위하여 이들 두 로터는 드라이브 로터에 대해 동일한 각도를 회전하여야 한다. 기어 인덱서 및 웨이브 로터로 구성되는 로터의 경우, 아래와 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 기재된 기어와 로터의 로브의 개수의 가능한 몇몇 조합(전부가 아님)이 제공될 수 있다.
L기어 L인덱스 L로터 R로터 R인덱스 R기어
3 2 5 6 4 5
2 1 3 4 2 3
3 2 8 9 3 4
4 3 15 16 4 5
5 4 24 25 5 6
6 5 35 36 6 7
6 7 49 48 8 7
5 6 36 35 7 6
4 5 25 24 6 5
3 4 16 15 5 4
3 2 5 6 4 5
4 3 9 10 5 6
5 4 14 15 6 7
6 5 20 21 7 8
7 6 27 28 8 9
3 2 4 5 5 6
4 3 7 8 6 7
6 5 15 16 8 9
7 6 20 21 9 10
3 4 10 9 6 5
4 5 15 14 7 6
5 6 21 20 8 7
6 7 27 28 9 8
7 8 35 36 10 9
3 4 7 6 8 7
4 5 10 9 9 8
3 2 1 2 4 3
5 4 2 3 6 5
7 6 3 4 8 7
8 7 35 36 9 10
9 8 44 45 10 11
상기한 표 1은 완전한 것은 아니며 각각의 표면의 언덕 부분 사이의 가능한 비율의 여러 가지 예를 보여주고 있다.
이제 도 62A를 참조하면, 축(126iv)의 도면을 따라 취한 에너지 변환 장치(120iv)의 단면도가 도시되어 있다. 이 도면에서는, 인덱싱 시스템(124aiv)이 상세히 도시되어 있다. 도 62B는 도 62A의 62B - 62B 선을 따라 취한 단면도로서, 일 형태에 있어서, 로터(122iv)는 단순히 통상적인 로터일 수 있음을 알 수 있다. 로브는 중심으로부터 방사상으로 외측으로 연장되고, 나선 형태로 회전할 수 있다. 나선형 비틀림이 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이 2 개의 드라이버 사이의 N:N-1의 비율과 유사한 비율로 수행된다. 도 62B에 도시된 바와 같이, 샤프트(126iv)에는, 일 형태에 있어서 윤활을 위한 흐름 경로를 제공할 수 있는, 내부 통로(212iv)가 제공된다. 또한, 통로(213iv)는, 예를 들어, 그를 통해 작동 유체가 들어가고 나올 수 있는 내부 통로를 제공할 수 있다. 일 형태에 있어서, 유체는 압축성 유체일 수 있으며, 에너지 변환 유닛은 팽창기 또는 압축기로서 동작할 수 있다. 유체가 드라이버 사이의 개방 통로의 미로를 통해 나선 형태로 진행할 때의 유체의 압축 및 팽창의 속성에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이제 드라이버에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 로터(131aiv)는 도 63A 내지 도 63E에서 설명되고, 제 2 로터(131biv)는 도 64A 내지 도 64E에서 설명된다.
이제 도 63A 내지 도 63E를 참조하면, 3 개의 로브를 갖는 로터에 맞물림 표면(143iv)이 제공되어 있음을 알 수 있다. 일 형태에 있어서, 이 맞물림 표면은 다소간 도 27의 맞물림 표면(143")(그 특정 맞물림 표면은 더 많은 로브를 구비한다)과 유사할 수 있다. 그러나, 언덕 부분과 계곡 부분이 단순히 로터의 중심을 향하여 방사상으로 연장되도록 하는 대신에, 전체 로터 표면이 접선 방향으로 회전한다. 2 개의 드라이버는 공통 중심을 중심으로 회전하기 때문에, 모든 반경 값 "ρ"(로터의 중심으로부터의 거리)는 다른 ρ 값으로부터 독립적으로 동작하는 중심으로부터의 값이다. 따라서, 드라이버 쌍이 무한한 수의 (오렌지 껍질 등의) 구체 층을 갖는 것으로 가정하면, 맞물림 표면에 따라 달라지는 ρ 값으로 어떠한 형태로든 변형을 할 수 있다. 이 경우, 맞물림 표면은 도 63A의 등각 투상도에 도시된 바와 같은 나선 형태로 회전한다.
이제 도 63B를 참조하면, 맞물림 표면(143iv)이 정면도로 도시되어 있다. 일반적으로, 이 형태에 있어서, 방사상 내측 부분(219iv)의 회전량은 방사상 외측 부분(221iv)에 대해 시계반대방향으로 2 번 회전한다. 따라서, 다양한 나선형 라인이, 예를 들어, 맞물림 표면의 꼭대기 또는 길이 방향 전방 부분을 나타낼 수 있다.
도 63C에 도시된 바와 같이, 3 개의 로브에 대응하는 3 개의 꼭대기가 제공되고 그 사이에 3 개의 계곡 부분이 제공되기 때문에, 그리고 로브의 회전이 방사상 외측 부분(221iv)에서 방사상 내측 부분(219iv)까지 시계반대방향으로 2 번 회전하기 때문에, 도 63C에 도시된 바와 같이, 로터(131aiv)의 상부 및 하부 영역에는 6 개의 꼭대기가 제공된다. 도 63D 및 도 63E는 각각 배면도 및 등각 투상도를 보여주고 있다. 여기서 인덱스 오프셋 표면(156aiv)은 6 개의 로브를 갖는 것으로 도시되어 있다.
이제 도 64A 내지 도 64E에 도시되어 있는 다른 파워 로터(131biv)를 참조하면, 이 짝을 이루는 로터에는 맞물림 표면(142iv) 내에 2 개의 로브가 제공되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 도 64B를 참조하면, 직경 방향으로 대향 배치된 2 개의 로브가 나선 형태로 도시된 꼭대기 부분을 갖는 것으로 도시되어 있음을 알 수 있다. (도 61A 및 도 61B에서 짝으로서 도시된) 드라이브 로터(122iv)가 나선 형태로 동작하기 위해서는, 로브가 1 개 더 적은 로터가 방사상 외측 부분(225iv)으로부터 방사상 내측 부분(223iv)까지 한번 더 회전을 하여야 한다. 다시 말해서, 나선형으로 시계방향으로 가장 상부 또는 가장 하부에서 로브의 꼭대기 중 하나를 추종하는 경우, 거의 3 번 회전을 하게 된다. 로터(131aiv)(131biv) 사이의 회전 차로 인해, 더 적은 로브를 갖는 로터는 한번 더 완전하게 회전을 하여야 한다. 또한, 도 64C에 도시된 바와 같이, 로터의 상부 및 하부 각각에 있어서, 도 63C에 도시된 바와 같이 동일한 수의 꼭대기, 즉 6 개의 꼭대기가 제공된다. 마지막으로, 도 64D 및 도 64E에 도시된 바와 같이, 인덱스 오프셋 표면(156iv)은 4 개의 로브를 갖는다 (도 61A 또한 참조). 오프셋 표면(156div)은, 예를 들어, 도 65 및 도 66에 도시된 바와 같은 고정된 인덱스 로터(132biv)에 맞물릴 수 있도록 구성된다. 일반적으로, 이들 도면에 도시된 바와 같은 고정 로터(132iv)는 표면(198iv) 상에 배치되는 5 개의 로브를 구비한다. 이들 도면에 또한 도시된 바와 같이, 내부 표면(237iv)은 길이 방향으로 전방을 향하여 아래로 내려갈 수 있고, 또한 노치(239iv)에 키 결합되어 고정 인덱스 로터(132iv)를 샤프트에 고정 상태로 부착하여 그와 함께 일체로 회전할 수 있게 된다.
이제 도 64F 내지 도 64J를 참조하면, 에너지 변환 장치의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 어떤 점에 있어서, 이 실시예는, 프로그레시브 캐비티 펌프와 같은 방식으로 동작한다. 일 형태에 있어서, 내부 또는 외부 로터(131cIV)(133dIV)는 다양한 재료로 만들어질 수 있다. 일 형태에 있어서, 내부 부재는 금속일 수 있고, 외부 재료는 고무 기반 재료일 수 있다. 내부 로터를 이용하는 한가지 방법은 외부 로터의 반대쪽 표면을 생성할 수 있는 나선 형상의 커터로서 사용하는 것이다.
일 형태에 있어서, 2도의 α각을 갖는 A 각인 6 도의 오프셋 각이 제공된다. 또한, 회전은 일 형태에 있어서 2 대 3의 회전 비율인 로브의 개수의 함수이다. 일 형태에 있어서, 2 개의 로터는 인덱싱 표면일 수 있고, 공동은 프로그레시브 캐비티 타입 펌프일 수 있다. 여기서, 챔버의 체적은 감소한다. 예를 들어, 도 68A 내지 도 68D와 유사한 방식으로, 도 64F 내지 도 64J에 도시된 바와 같은 실시예는, 압축기, 펌프 또는 팽창기 등의 에너지 변환 장치는 물론, 인덱싱 표면으로서 채용될 수 있다.
도 64F에 도시된 바와 같이, 내부 로터(131cIV)는 외부 로터(133dIV) 내에 위치한다. 도 64G에 도시된 바와 같이, 외부 로터는 다수의 언덕 부분(157IV)과 계곡 부분(157IV)을 포함하여 구성된다. 이와 유사하게, 내부 로터(131cIV)는, 도 64H에 도시된 바와 같이, 외부 로터(133dIV) 내에서 회전할 수 있다. 도 64J에 또한 도시된 바와 같이, 내부 로터는 축(178IV)을 중심으로 회전하고, 외부 로터는 축(180IV)을 중심으로 회전한다. 두 축 사이의 각은 오프 각으로서, 도 64J에는 2도인 것으로 도시되어 있다.
이제 도 67A 내지 도 67D를 참조하면, 예를 들어 일 형태에 있어서 정 변위 맞물림 표면이거나 좀더 넓은 범위에서는 통계 방식의 표면 또는 그 조합일 수 있는, 유체를 변위시킬 수 있는, 형태에 구애되지 않는 작동 표면일 수 있는 맞물림 표면(141v)을 구비한 로터 부재(131v)가 도시되어 있다. 드라이브 로터(131v)의 흥미있는 요소가 길이 방향 후방 부분에 위치하고 있다. 도 67B에 도시된 바와 같이, 인덱스 오프셋 표면(156v)은 파형 구조로 이루어져 있다. 반면에, 도 67C에 도시된 바와 같이, 인덱스 오프셋 표면(156v)은 나선형 구조로 이루어져 있다. 또 67D는, 언덕 부분으로 언급되는, 길이 방향 후방 부분(159v)과, 계곡 부분으로 언급되는, 길이 방향 전방 부분(157v)의 원리를 보여주는 등각 투영도이다. 이제 도 68A 내지 도 68D를 참조하면, 고정 인덱싱 로터(132v)가 도시되어 있다. 인덱서 표면(174v)은 도 67A 내지 도 67D에 도시된 바와 같은 인덱스 오프셋 표면(156v)에 대응하여 나선형으로 맞물림되는 것을 알 수 있다. 도 69A 및 도 69B에 도시된 바와 같이, 에너지 변환 장치(120v)의 전체적인 어셈블리가 제공된다. 드라이버(122v)가 제공되고, 일 형태에 있어서 (예를 들어) 사이 끼움되는 로터(121v)가 제공됨을 알 수 있다. 또한, 인덱싱 시스템(124av)(124bv)이 각각 제공되고, 도 67A 내지 도 68D에 도시된 바와 같은 구성 요소들이 사용됨을 또한 알 수 있다. 도 68D를 다시 참조하면, 그 단면도를 통해 내부 표면(237v)에 도 69A에 도시된 바와 같이 중심 축(126v)에 키 결합될 수 있는 슬롯(239v)이 제공될 수 있음을 알 수 있다. 도 69B는 고정 인덱싱 로터(132v)와 함께 동작하는 드라이브 로터(131v)를 보여주는 단면도이다. 여기서 이들 두 요소 사이에 회전 비율이 존재함을 알 수 있다.
메인 로터에 맞도록 설계된 스파이럴을 갖는 경우 다양한 잠재적인 효과를 얻게 된다. 부분적인 스파이럴은, (예를 들어, 캐비테이션을 감소시키기 위하여 접선 방향 흐름 요소를 생성함으로써) 입구 및 출구 포트 양쪽에서, 외경 부근에서의 유체 역학을 향상시킬 수 있다. 또 다른 효과는 유체의 원심력이 로터에 대해 접선 방향 힘을 생성함으로써 효율이 증가한다는 것이다. 각각에서 적절한 포트를 가지고 분리 유체를 펌핑할 수 있으며, 인덱서는 유체를 펌핑할 수 있도록 포트를 구비할 수 있으며, 그렇지 않으면(압축성 또는 비압축성) 유체가 그를 통과할 수 있도록 한다.
현재의 분석은, 직선 절단 파형 로브가 유체를 "슬래핑"할 수 있는 가능성이 있거나 어떤 상황에서는 두드리는 효과를 얻게 되는 트래핑된 체적의 길이가 긴 스트립을 생성한다는 것을 보여준다. 나선형 밀봉 수단이 유체의 길이가 긴 스트립을 동시에 슬래핑하는 대신에 트래핑된 유체를 방사상으로 외측으로 (또는 다른 실시예에서는 내측으로) 본질적으로 압착하기 때문에, 부분적인 스파이럴을 추가하게 되면 로브 내에 함유된 유체의 잠재적인 두드림 또는 슬래핑을 잠재적으로 제거할 수 있다. 메인 로터에는 관통 샤프트가 구비되지 않을 수도 있으며, 로터가 (파워 및 슬레이브 로터와) 접촉하여야 할 때, 스파이럴은 헬리컬 베벨 기어처럼 로터 사이의 접촉을 둔화시키는데 일조를 할 수 있으며, 접촉 위치는 로브의 내측에서 외측으로 (또는 그 반대로) 점진적으로 이동하게 되어 "슬래핑" 효과를 제거할 수 있어서 더욱 조용하고 더욱 매끄러운 동작을 달성할 수 있게 된다. 도 67A 내지 도 69B에 도시된 나선형 인덱서와 관련해서는, 앞서 언급한 바와 같은 유사한 효과를 얻게 된다. 즉, 인덱서에 부분적인 스파이럴이 추가되면 노이즈가 적게 생성되고 더욱 매끄러운 동작을 달성할 수 있으며, 갑작스러운 접촉 충격 대신에 "기어의 이" 사이에서의 더욱 점진적인 충격으로 인해 내마모성이 잠재적으로 향상되는 효과를 얻게 된다. 이러한 둔화 효과는, 인덱서가 더욱 높은 회전 속도로 회전할 때 더욱더 현저해질 수 있다. 또한, 스파이럴은 직선 절단 로브와 비교하여 더욱 긴 접촉 라인을 생성한다. 이들 길이가 더 긴 접촉 라인은 인덱서의 스러스트 하중 용량을 증가시킨다. 스파이럴 인덱서는, (직선 절단 로브에서와 같은) 얇은 선을 따라 공기를 가두지 않으며, 그 대신에, 스파이럴에 의해 공기가 트래핑된 이중 밀봉 위치(이중 밀봉 위치는 선단부 밀봉 수단과 기어링 밀봉 수단이 모여서 유체를 압착하는 위치를 의미한다)로부터 점진적으로 압착된다는 사실 때문에, 또한 더욱 매끄럽게 동작한다. 이제 스파이럴 설계와 관련된 실시예에 있어서, 현재의 분석은 앞서 언급한 트래핑이 발생하지 않고 오히려 점진적인 압착이 방사상으로 발생하는 것을 보여준다. 부분적인 스파이럴 기어는 트래핑된 위치에서의 가스의 "압축"으로 인한 더 적은 기계적인 손실 때문에 더욱 매끄럽고 더욱 효율적으로 동작하게 된다. 오일로 윤활된 인덱서 기어 이와 관련하여, 스파이럴은 사실상 방사상 펌핑 효과를 가질 수 있다. 예를 들어, 오일 또는 윤활유가 샤프트 근방 내측에 있을 때, 오일은 작은 포켓 내에 트래핑될 수 있고, 그런 다음 인덱서의 외측으로 압착될 수 있다. 인덱서가 어떻게 설계되는가에 따라 그리고 회전 방향에 따라 반대되는 효과가 또한 발생할 수도 있다. 인덱서가 오일 팬 내에 놓인다면, 인덱서 로브 사이의 기어링 밀봉 수단과 선단부의 나선형의 이중 밀봉 거동의 압착 효과에 의해 오일 팬으로부터 방사상으로 내측으로 인덱서 내로 오일을 잠재적으로 "빨아들일" 수 있다. 상기한 펌핑 거동은, 윤활을 위하여 오일을 펌핑하기 때문에 냉각에 효과적일 뿐만 아니라, 인덱서가 마찰로 인해 온도가 상승할 때 자체 냉각에도 유용할 수 있다. 또한, 윤활유와 더불어 스파이럴의 동력학은 잠재적으로 윤활유(예를 들어, 오일)의 캐비테이션을 방지하는데 도움이 된다. 도 67A 내지 도 69B에 도시된 바와 같이, 직립 상태의 스파이럴은 오프셋 각 "a"에 대응하는 원추형 표면 상에 내접되는 단순한 선형 스파이럴 또는 아키미디언(Archimedean) 스파이럴이다. 다른 스파이럴이 또한 사용될 수 있다. 분석의 목적으로, 단순히 접촉 하중이 "법선" 방향으로 더 많이 전달될 수 있기 때문에, 직선 절단 인덱서 기어가 스파이럴 인덱서와 비교하여 토크 전달에 있어 더 좋다고 가정해 보자. 이것이 사실이라면, 볼 부근에 스파이럴이 더 많고, 응력에 저항하는 재료가 더 많이 제공되는, 인덱서의 외측을 향하여 더 적은 스파이럴이 경사지도록 변화하는 스파이럴을 가지는 것이 바람직할 수도 있다.
다른 스타일의 스파이럴이 더 바람직한 또 다른 이유는 오일의 펌핑과 관련이 있다. 예를 들어, 오일 유체 상의 원심 하중은 인덱서 로브의 내부 근처보다 외부 근체에서 더 크게 된다. 따라서, 인덱서가 오일 팬 상에 놓인다면, 인덱서 기어 쌍의 외부에서 내부로 오일을 더욱 양호하게 펌핑하기 위하여 인덱서의 외측 부근에 더욱 공격적인 스파이럴을 제공하는 것이 바람직할 수 있지만, 오일에 인가되는 원심력이 적기 때문에 그리고 그러한 영역에서의 잠재적으로 더욱 양호한 토크 전달을 위하여 내부 근처에 덜 공격적인 (적은 방사상 각도를 갖는) 스파이럴을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 덜 공격적인 스파이럴로부터 더욱 높은 방사상으로 트래핑된 흐름 속도를 얻게 됨에 주목할 필요가 있다. 따라서, 오일 팬 내에서 인덱서의 외경 부근에 공격적인 스파이럴를 제공하고 인덱서의 내측 부근에 덜 공격적인 스파이럴을 제공하면, 예를 들어, 유체의 외측에서 내측으로의 움직임을 가속할 수 있으며, 이는 오일을 내부로 분출하는 것이 바람직하다면 (예를 들어, 샤프트 부근의 밀봉 수단에서 오일의 분출이 요구되도록 설계되는 경우)유용할 수 있는, 오일의 분출 효과를 더욱 양호하게 생성할 수도 있다. 샤프트 부근의 밀봉 수단에서의 오일의 분출이 이들 밀봉 수단을 냉각하는데 유익하기 때문에 동일한 효과가 냉각에도 적용된다 (이는 통상적인 선형 스파이럴에 대해서도 마찬가지다).
도 도 70A 내지 도 70D에 도시된 바와 같이, 인덱서 하우징(132vi)의 또 다른 실시예가 제공된다. 일반적으로, 도 70A 및 도 70C로부터 알 수 있는 바와 같이, 인덱서 표면(174vi)은 앞서 설명한 바와 유사한 방식으로 드라이브 로터의 인덱스 오프셋 표면과 연관되도록 구성된다 (이 형태에 있어서, 인덱스 표면은 나선형 구조로 이루어진다). 도 70A 내지 도 70D에 도시된 바와 같이, 일 형태에 있어서 인덱스 표면 조정 시스템(241vi)은, 일 형태에 있어서 관통 샤프트에 견고하게 고정되도록 구성되는 베이스 링(243vi)을 포함하여 구성된다. 키 위치(239vi)로서 동작하는 노치가 채용되어 베이스 링(243vi)을 중심 축에 회전 가능하게 잠금 고정시킬 수 있다. 도 70B에 분해도로서 도시된 바와 같이, 다수의 조정 부재(245vi)가 제공되고, 일 형태에 있어서는 수용 베이스(247vi)가 제공된다. 도 70D에 도시된 바와 같이, 일 형태에 있어서 조정 부재(245vi)는, 도 70D의 상부에 도시된 바와 같이, 상호 대향 배치되도록 구성되며, 일 형태에 있어서, 3 쌍의 부재가 사용되어 베이스 링(243vi)에 대해 외측 링(249vi)을 재배치시킬 수 있다. 일 형태에 있어서, 수용 베이스(247vi)는 베이스 링(243vi)을 따라 수용 위치에 놓이며, 예를 들어 캡 스크류일 수 있는 조정 부재는 외측 링(249vi)에 나사 결합 방식으로 맞물리거나 외부로부터 접근하여 중심 축에 대해 외측 링(249vi)을 미세하게 조정할 수 있다. 따라서, 인덱서 표면 조정 시스템(241vi)은 인덱서 표면(174vi)의 미세 조정을 제공하며, 이 인덱서 표면(174vi)은 2 개의 로터 부재가 그 사이에 사전 설정된 여유 틈새를 갖도록 또는 그 사이의 회전 거리를 규정하기 위하여 서로에 대해 회전 가능하게 조절될 때 결합된 로터 부재를 회전시킨다 (간섭 끼워 맞춤이 이루어지는 경우, 예를 들어, 2 개의 로터의 선단 표면 및 후단 표면 사이의 간격이 동일해진다).
이제 도 71을 참조하면, 에너지 변환 장치(170vii)가 도시되어 있다. 회전 부재(123vii)(125vii)는 앞서 설명한 바와 같은 방식으로 샤프트(126vii)를 중심으로 회전할 수 있도록 구성된다. 하우징(119vii)이 일반적으로 단면도로 도시되어 있다. 도 71은, 몇몇 형태에 있어서 조합되어 단일 모놀리스 구조를 형성하는 다수의 구성 요소를 갖는 상당히 완전한 하우징 어셈블리를 보여주고 있다. 그러나, 도 71에 도시된 바와 같은 실시예는 하우징을 구성하는 일 형태에 지나지 않는다. 이 일 형태의 하우징에 대해 이하에서 설명한다. 하우징을 설명하는 도면부호("vii"부호는 포함하지 않음)는 이전 설명에서와 유사한 도면부호와 반드시 관련이 있어야 하는 것은 아니다. 도 71의 오른쪽 부분부터 참조하면, 작은 단부 캡(130vii)이 큰 단부 캡(132vii)에 부착되어 있다. 일 형태에 있어서 베어링 하우징(136vii) 내에 배치되어 있는 니들 베어링인 베어링 부재(134vii)가 제공되어 있다. 베어링 하우징(136vii)은 니들 베어링 하우징으로 언급된다. 로터(123vii)의 길이 방향 후방 표면과 맞물릴 수 있도록 구성되는 밀봉 플레이트(138vii)가 또한 제공되고, 또한 유사한 방식으로 로터(125vii)의 길이 방향 후방 표면과 맞물릴 수 있도록 구성되는 밀봉 플레이트(140vii)가 제공된다. 최소 체적 밀봉 블록(142vii)이, 일 형태에 있어서 로터(123vii)(125vii) 사이에 형성되는 챔버의 최소 체적 부근에 위치하는, 로터의 하부 영역 내에 제공된다. 로터 어셈블리의 반대쪽 영역에는 최대 체적 밀봉 블록(144vii)이 위치한다. 인덱서 스파이럴 기어(146vii)가 제공되며, 클럭 코어(148vii)가 그로부터 방사상으로 내측으로 위치한다. 키(150vii)는 클럭 코어(148vii)를 샤프트(126vii)에 회전 가능하게 장착할 수 있도록 구성된다. 대형 단부 파워 캡(152vii)이 제공되며, 이 대형 단부 파워 캡(152vii)은 소형 단부 파워 캡(154vii)에 장착될 수 있도록 구성된다. 샤프트 밀봉 수단(156vii)이 샤프트(126vii)에 맞물릴 수 있도록 제공된다. 일 형태에 있어서, 클럭 코어(148vii)는 도 70A 및 도 70B에 도시된 바와 같은 베이스 링(243vii)과 유사함에 주목할 필요가 있다. 일 형태에 있어서, 블록(142vii)(144vii)은 로터(123vii)(125vii) 사이에서 유체가 다양한 챔버 내로 유입되고 그로부터 나올 수 있도록 하는 포트를 제공한다.
도 72에 도시된 바와 같이, 에너지 변환 장치(120viii)가 등각 투영도로 도시되어 있다. 일반적으로, 이 장치는 입구(170viii)와 출구(172viii)를 구비한다. 에너지 변환 장치(120viii)에는 하우징(119viii)이 제공되며, 도 73에 도시된 바와 같이, 로터 어셈블리(122viii)가 제공되고, 투입 포트(174viii)는 입구(170viii)와 연통하고 있음을 알 수 있다. 이와 유사하게, 배출 포트(176viii)는 출구(172viii)와 또한 연통하고 있다. 일 형태에 있어서, 입구 및 출구 포트는 최소 체적 밀봉 블록(180viii) 및 최대 체적 밀봉 블록(182viii)에 의해 한정되며, 밀봉 블록의 방사상 폭은 배출 포트(176viii) 및 투입 포트(174viii) 사이에서 로터 어셈블리(122viii)의 외측 표면의 밀봉 연결을 제공하도록 설정될 수 있다. 또한, 다른 형태에 있어서는, 이들 밀봉 블록이, 예를 들어 에너지 변환 장치의 위치에 따라 팽창 가스 또는 압축 가스의 밀봉 체적 타이밍을 조정하기 위하여 압축성 유체와 그 위치가 조정될 수 있다.
도 73에는 테스트의 목적으로 일반적으로 제공되거나 하우징(119viii)의 내측 부분을 모니터링하는 것이 요구되는 적용 분야에 있어서 사용될 수 있는 근접 프로브(186viii)가 또한 도시되어 있다.
도 74A 내지 도 74E에 도시된 바와 같이, 인덱싱 시스템(124ix)의 또 다른 실시예가 제공된다. 일반적으로, 도 74A에 도시된 바와 같이, 로터 어셈블리(122ix)는 한 쌍의 드라이버로 구성되어 있다. 샤프트(126ix)에 고정 상태로 부착될 수 있도록 구성된 인덱싱 하우징(132ix)이 제공된다. 도 74B에 도시된 바와 같이, 인덱스 하우징(132ix)에는 다수의 인덱서 연장부(174ix)가 제공되어 있다. 이제 도 74C를 참조하면, 인덱서 연장부(174ix)가 분해도로 도시되어 있다. 인덱서 연장부(174ix)는 인덱서 하우징(132ix)으로부터 분리되어 있으며, 인덱서 장착 위치(133ix) 내에 끼워 맞춰질 수 있도록 구성되어 있다. 일 형태에 있어서, 인덱서 연장부(174ix)는 단순히 인덱서 장착 위치(133ix) 내에 놓이도록 끼워 맞춰질 수 있고 단지 그 내부에 위치할 수도 있으며, 도 74A에 도시된 바와 같이, 약간의 보유 표면(135ix)을 가질 수 있도록 고정 상태로 위치할 수도 있다.
도 74D는 인덱서 하우징(132ix)의 배면도이다. 또한 74D에는 상부 및 하부 인덱서 장착 위치(133ix)가 단면도로 도시되어 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 개개의 인덱서 연장부는 보유 표면(135ix)에 의해 그 내부에서 고정 유지될 수 있다. 윤활유가 통과할 수 있는 개구부(137ix)가 제공될 수 있다.
이제 도 75를 참조하면, 에너지 변환 장치(120x)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 에너지 변환 장치(120x)는 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이 로브의 맞물림 표면을 위한 인서트를 제공할 수 있는 방식으로 설계된 드라이버(130Ax)(130Bx)를 포함하여 구성된다. 에너지 변환 장치(120x)에서 주목할 만한 제 2 요소는 본 명세서에서 추가로 설명되는 사전 설정된 인덱싱 표면 내에 배치되는 볼 베어링 부재를 활용하는 인덱싱 시스템(124x)이다. 따라서, 쌍으로 된 로터(122x)에 대해 먼저 설명한다. 특히 로터 인서트는 쌍으로 된 로터를 포함한다. 다음으로 일 형태에 있어서 볼 베어링 등의 구형 부재인 이동 가능한 인덱서(175x)를 활용하는 것과 관련된 인덱싱 시스템(124x)에 대해 설명한다.
이제 도 76을 참조하면, 이 형태에 있어서 드라이브 로터(130Ax)는 로터 베이스 부재(147x) 및 다수의 로터 인서트(149x)를 포함하여 구성되는 어셈블리이다.
도 77에 도시된 바와 같이, 로터 베이스 부재(147x)에는 인서트 부착 위치(151x)가 제공되어 있다. 일 형태에 있어서, 인터트 부착 위치(151x)는 도 78에 도시된 바와 같이 보유 슬롯(155x)과 맞물릴 수 있도록 구성된 돌출 연장부(153x)를 포함한다. 이 도면은 부착 베이스(157x)를 제공하는 로터 인서트(149x)의 일 예를 보여주고 있다. 로브(161x)는 앞서 설명한 바와 유사한 방식으로 (예를 들어, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 방법과 도 5 내지 도 12에 도시된 그리고 위에서 수학적으로 더욱더 논의된 예로써) 표면(142x)을 제공할 수 있도록 설계된다.
도 76은 로터(130Ax)의 조립된 상태를 보여주고 있다. 다수의 로터 인서트(149x)가 로터 베이스 부재(147x)의 인서트 부착 위치(151x)에 부착되어 있다. 물론, 로터는 도 76에 도시된 것과는 다른 형태의 어셈블리일 수 있다. 단일 구조와 비교하여 드라이브 로터를 포함하는 어셈블리를 구비하는 경우에 얻어지는 한가지 장점은 로터 인서트가 로터 베이스 부재와는 다른 재료로 구성될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 로터 인서트는 더 단단한 재료로 주조될 수도 있고, 몇몇 경우에는 더 무른 재료로 주조될 수 있다. 여하간, 로터 베이스 부재(147x)의 특성은 로터 인서트(149x)의 필수적인 특성과 다를 수 있다.
도 76을 계속해서 참조하여 인덱싱 시스템(124x)에 대해 설명하기로 한다. 도 76에 드라이브 로터(130ax)의 길이 방향 후면 사시도로서 도시된 바와 같이, 다수의 인덱스 오프셋 표면(156x)이 제공되어 있다. 이들 오프셋 표면은 도 79에 도시된 바와 같은 대응하는 하우징 인덱서 표면(174Ax)와 맞물릴 수 있도록 구성되어 있다. 도 18 및 도 19를 다시 참조하면, 인덱서 하우징(132)에는 다수의 인덱싱 표면(174)이 부착되어 있음을 알 수 있다. 이제 도 79를 참조하면, 인덱서(132x)가 도시되어 있는데, 인덱서 표면(174Ax)은 표면(174Ax)과 인덱서 오프셋 표면(156x) 사이에 배치된 볼 베어링과 협력하여 인덱싱 시스템을 제공한다. 이제 도 80을 참조하면, 에너지 변환 장치(120x)가 도시되어 있다. 드라이브 로터(130Ax)(130Bx)는 상호 맞물려 있음을 알 수 있고, 로터 인서트(149x)가 로터 베이스 부재(147x)에 부착되어 있음을 또한 알 수 있다. 이제 도 80의 오른쪽 부분을 참조하면, 드라이브 로터(130Bx)에는 인덱스 오프셋 표면(156x)과 인덱서 하우징(132x)의 하우징 인덱서 표면(174Ax)과 협력하는 외부 인덱싱 표면(174x)을 제공하는 구형 부재(175x)가 구비된다. 하부 오른쪽 부분의 하부 구형 부재(175x)는 상기한 바와 유사한 방식으로 하부 오른쪽 부분의 표면(156x)(174x)과 협력하여 샤프트(126x)에 대해 사전 설정된 회전 위치에서 로터를 적절히 인덱스하고 유지한다.
이제 도 81을 참조하면, 에너지 변환 장치(120xi)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 일반적으로, 이 장치는 제 1 및 제 2 로터 어셈블리(122Axi)(122Bxi)를 사용하며, 이들 로터 어셈블리로부터 나오는 에너지는 베벨 기어 표면(199xi)을 경유하여 중심 축(126Bxi)로 전달된다.
도 1 및 도 30을 참조하여 설명한 바와 같이, 타원형 및 파형 기하학의 베이스 곡선을 형성하기 위한 근거에 대해 논의하기로 한다. 이들 식은 베이스 곡선, 눈물 방울 베이스 곡선 및 인덱싱 기어의 기어 로터 쌍을 이루는 2 개의 로터 또는 파형 로터 중 하나는 물론 타원형 베어링 및 파형 볼 베어링 인덱서 표면 기하학에 대한 베이스 곡선을 도출하는 데 사용된다. 파라미터 t는 회전축을 중심으로 하는 로터 중 하나의 회전각(라디안)을 나타낸다. 파라미터 p는 하나의 구성 요소의 다른 하나의 구성 요소에 대한 회전 축 사이의 α각을 나타낸다 (볼 베어링 그룹은 표면의 수학적 형성을 위한 하나의 구성 요소로서 고려될 수 있음에 주목할 필요가 있다). 각 a는 커터의 회전축에 대한 커터 중심 벡터의 오프셋 각도이다. 이 오프셋 각도는 도 1 및 도 39에 도시되어 있다. 파라미터 B는 이동하는 하나의 물체와 그와 메시 결합된 다른 물체 사이의 상대 속도 비율의 속도 비율 승수이다. 볼 베어링 세트가 볼 베어링 그룹의 순수 회전축을 중심으로 볼 베어링 그룹이 순수 회전하는 경우의 속도 비율을 갖는 이동 물체로서 고려될 수 있음에 주목할 필요가 있다. 타원형 인덱싱 표면의 경우, 속도 비율 B = 1 이고, 파형 기하학에 있어서는 B ≠ 1이며, 전형적으로 파형 기하학은 B = 1+1/N 또는 B = 1-1/N 일 때 발생한다. 여기서, N은 동일한 간격으로 배치된 로브의 개수, 동일한 간격으로 배치된 인덱싱 핀의 개수 또는 동일한 간격으로 배치된 볼 베어링의 수를 가리킨다. 파라미터 R은 베이스 곡선이 놓이는 가상 구체의 반경을 가리킨다. 데카르트 좌표 시스템은 CvR 어셈블리의 구체의 중심에 위치한다.
벡터
Figure pat00004
가 도 39에 도시된 원점에서 점(330)까지 연장되는 XYZ 좌표의 벡터라고 가정한다. 일련의 4 개의 벡터 회전이 적용된다. 먼저, Y 축을 중심으로 +α 만큼 V의 벡터 회전을 수행한다. 결과적으로 얻어지는 벡터를 Z 축을 중심으로 +B*t 만큼 회전시킨다. 그런 다음, 결과적으로 얻어지는 벡터를 Y 축을 중심으로 -p 만큼 회전시킨다. 결과적으로 얻어지는 벡터를 Z 축을 중심으로 -t 만큼 회전시킨다. 그 결과, 커터 경로의 중심으로 알려져 있는, 베이스 곡선(C)이 얻어진다. 이하는 4 개의 회전 매트릭스가 완전하게 기재된 매트릭스 곱셈 연산이다.
Figure pat00005
곱셈 연산 및 단순화 후, 베이스 곡선에서의 데카르트 좌표의 파라미터 등식은 다음과 같다.
Figure pat00006
베이스 곡선의 예들이 도 83 및 도 84에 도시되어 있다. 파형 및 타원형 인덱싱 설계에 있어서의 항목 a2 및 b2는 각각 p = 2.5 도 및 a = 45 도의 α각을 갖는다.
타원형 레이스를 갖는 볼 베어링 인덱서는, 타원형 핀을 구비하는 대신에 핀이 로터 상의 (관통 샤프트 상의 부분에 부착된 것과 같은) 일 부분과 타원형 부분에 부착되고, 볼 베어링이 로터 상에서 일련의 타원형 부분과 관통 샤프트에 고정된 부분 상의 타원형 부분을 갖는 것을 제외하면, 통상적인 타원형 인덱서와 유사하다. 이들 두 일련의 타원형 부분 사이에 볼 베어링이 배치되며, 볼과 타원형 그루브 사이에 일차 구름 접촉이 발생하기 때문에, 타원형 표면은 볼 베어링 상에서 레이스로서 유사하게 작용한다.
이 시점까지 개시된 내용은 상기한 수학에서 설명된 베이스 곡선(C)을 따라 이동하는 "커터"로서의 방사상 원추형 또는 일정 반경의 토끼 귀(rabbit ears)에 의해 생성되는 기계 가공된 표면을 도출하는 것이었다. 볼 베어링 타원형 인덱서의 경우, 동일한 베이스 곡선(C)이 파라미터 B = 1을 사용하는 커터 경로로서 사용될 수 있다. 타원형 베이스 곡선의 일 예는 도 84의 항목(b2)이다. 그러나, 커터로서 원추형, 원통형 또는 임의의 방사상 형상, 나선형 형상 또는 임의의 다른 형상을 사용하는 대신에, 도 84에서의 항목(b3)과 같은 커터로서 구체를 사용할 수 있다. 구체는 베이스 곡선(b2) 상에 그 중심을 두며 수학적으로는 베이스 곡선(b2)을 따라 스위핑됨으로써 도 84에 예로서 도시된 토로이드 체적(b4)을 생성하게 된다. 이 도면에서는 임의로 6 개의 인덱싱 볼이 선택되었다. 이 체적의 외부는 기계 가공될 볼 베어링 인덱싱 표면의 베어링 레이스를 생성하는 중요한 표면이다. 이 단일 토로이드 표면은 2 개의 다른 기계 구성 요소의 레이스 표면에서 사용되는 기하학을 설명한다. 이 토로이드 표면은 2 개의 표면으로 분할되어서 2 개의 레이스를 생성하는 것으로 고려될 수 있다. 그러나, 볼은 여전히 표면이 어떻게 다듬어지는가에 따라 한 쌍의 일부 표면 내측을 구름 운동하기 때문에, 결과적으로 얻어지는 표면을 100% 사용하는 것이 장치가 제 기능을 발휘하기 위해 필요한 것은 아니다. 즉 사용자가 토로이드 표면을 다듬는 방법에 대한 제어를 갖는다.
타원형의 베이스 곡선(C)의 도출은 상기에서 설명되었다. 로터와 관통 샤프트의 회전 중심 축 사이에는 α각이 형성된다. 타원형 레이스의 개수는 볼 베어링의 개수의 2 배이다. 도 60A 내지 도 60E에서 팽창기 엔진은 타원형 인덱서를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 여기서는, 10도의 α각을 갖는다. 이 특별한 장치는 대칭적으로 배치되어 있는데, 각각의 측부에 동일한 2 개의 인덱싱 어셈블리가 놓이고 관통 샤프트가 배치된다. 이 예에서, 장치의 일측에서의 타원형 레이스 세트는 베이스 곡선 등식 C 내에서 a=45도, p=2.5도, B=1의 파라미터를 가지고 생성될 수 있다. 로터의 중심 회전 축과 (일정한 평면 상에 둥글게 놓이는) 볼 어셈블리의 회전 축 사이에는 2.5도의 α각이 형성된다. 볼 그룹은 관통 샤프트의 회전 축으로부터의 α각이 2.5도인 축을 중심으로 회전한다. 따라서, 볼을 갖는 이 인덱싱 어셈블리에 있어서의 전체 각은 5도이다. 볼 베어링 전체가 타원형으로서 동일한 간격을 두고 둥글게 놓이고, 2 세트의 타원형 표면 사이의 중간 평면 내에 놓이는 것에 주목할 필요가 있다.
로터의 후방에서 레이스를 생성하기 위하여, 바람직한 실시예에서 베이스 곡선은 로터의 후방의 구형 볼 및 구형 소켓 표면과 샤프트에 부착된 인덱서 사이의 여유 간격의 중심 반경에 통상적으로 놓이게 되는 구형 반경 R 위에 놓인다(볼의 구체 및 인덱서의 소켓 상의 표면이 반드시 구체일 필요는 없다는 점에 주목할 필요가 있다). 그런 다음, 이상적으로는 볼 베어링의 크기와 동일한 구형 커터를 사용하여 그루브를 생성하기 위하여 로터의 후방의 구형 표면을 (로터 쌍의 중심을 향하여) 절단한다. 이러한 그루브를 생성하기 위하여 제거되는 재료의 일 예가 도 84에 예시되어 있다. 체적으로서의 항목(b4)이 베이스 곡선 경로(b2)를 따라 이동하는 커터 볼(b3)에 의해 제거된다. 볼 베어링에 있어서 약간의 예비 하중을 생성하거나 약간의 여유 간격을 생성하기 위하여, 커터가 볼과 정확히 동일한 직경을 가질 필요는 없다. 관통 샤프트에 고정된 인덱서의 내부 소켓 상에서 절단되어 돌출되는 토로이드를 형성하기 위하여, 베이스 곡선 경로를 추종하는 구형 커터를 또한 이용하여 재료를 제거한다. 베이스 곡선 경로의 좌표 시스템은 로터 쌍의 중심에 위치하며 Z 축은 그 부분의 회전 축과 정렬한다.
파형 레이스를 갖는 볼 베어링 인덱서는, 상호 메시 결합하는 두 개의 기어 형상 쌍 대신에, 팽이 모양 토로이드 형태의 2 개의 파형 표면 사이에 일련의 볼 베어링이 위치하는 것을 제외하면, 기어 쌍 인덱서와 유사하다.
볼 베어링 인덱서 베이스 곡선의 경우, 양쪽 레이스에 대해 오직 상기한 등식(C)이 요구된다. 이 때, 2 개의 레이스는 마치 기어 쌍인 것처럼 1 대신에 2의 로브 개수를 갖는다는 점에서 차이가 있다. 도 83은 레이스를 형성하기 위하여 제거되어야 하는 체적을 보인 것이다. 도 83에 있어서의 데카르트 좌표 시스템(a1)은 베이스 곡선 등식(C)의 원점을 나타내며 또한 CvR 장치의 중심의 원점의 위치를 나타낸다. Z 축은 볼 베어링 레이스가 기계 가공되는 구성 요소의 회전 축을 나타낸다. 도 83에서, 3/8 인치 직경을 갖는 볼 베어링에 대해 p = 2.5 도, a = 45 도, N = 9로 파라미터의 값을 선택하였다. 하나의 볼 베어링은 커터(a3)로서 상상할 수 있으며, 이 경우 베이스 곡선(a2)은 반경 R = 1.01 에 놓인다. 이 경우, 속도 비율로서 B = 1+1/9를 선택하였고, 그 결과로서 10 개의 로브가 제공된다. B = 1-1/9의 속도 비율을 선택하였다면, 8 개의 로브를 갖는 팽이 모양 토로이드를 얻었을 것이고 다른 어셈블리 인덱싱 구성 요소 상의 다른 레이스에 대해 그 표면을 사용할 수 있었을 것이다.
일 예로서,도 85에 도시된 11 개의 볼 베어링(c8)을 참조하면, 이 특별한 어셈블리는 메인 중심 로터(c5)(c6) 사이에서 전체 10 도의 α각을 갖는다 (도 86 내지 도 89 또한 참조). 도 86에 도시된 인덱싱 팽이 모양 트로이드 파형 레이스 표면(c13)(c14)의 경우, 일 예를 보여주기 위하여 a = 45 도, p = 2.5 도, N = 11의 파라미터 값이 선택된다. 그러나, 파형 볼 베어링 인덱서의 경우, 타원형 볼 베어링 인덱서에서 사용하였던 것과 동일한 토로이드 체적을 활용하지 않는다. 대신에 2 개의 레이스에 대해 서로 다른 2 개의 표면을 갖는다. 메인 로터(c6)에 고정된 레이스(c13)의 경우, 파라미터 B = 1+1/11 이 선택되었고, 그 결과 12 범프 팽이 모양 트로이드 절단 레이스 표면(c13)을 얻게 되어, 베이스 곡선(C)의 데카르트 좌표 시스템의 중심을 도 86에서 항목(c7)의 좌표 시스템 중심에 정렬시킬 수 있고, 항목(c7)의 중심 좌표 시스템 또한 로터 쌍 어셈블리의 중심 좌표 시스템(c10)과 정렬시킬 수 있다. c7 상에서의 베이스 곡선의 적절한 위치를 확보하기 위해서는, 베이스 곡선(C)의 Z 축은 부분(c7)의 Z 축과 정렬하여야 한다. Z 축은 그 부분의 회전 축이다. 도 86에서 부분(c9) 상의 레이스(c14)의 경우, 파라미터 B = 1-1/11이 선택되었고, 그 결과 10 범프 파형 팽이 모양 트로이드 레이스(c14)를 얻게 되어, 등식(C)을 또한 사용할 수 있고, 이때 Z 축을 도 88의 관통 샤프트(c13)의 회전 축과 정렬시킬 수 있고, Z 축의 정렬에 따라 곡선(C)의 원점이 로터 쌍 어셈블리의 구체의 중심에 놓일 수 있다. 이러한 조합의 결과, 볼 베어링과 레이스 사이에서 최소의 마찰로 순수한 구름 운동이 일어나게 된다. 즉, 동작 시에 볼 베어링의 슬라이딩 접촉은 발생하지 않으며, 따라서 이 토크 전달 장치는 높은 효율을 갖는다. 기계 가공된 부분이 충분한 허용 오차를 갖거나 예비 하중을 받게 되면, 제로 백래시를 얻을 수 있다. 기어 인덱서 쌍과 같은 제로 백래시 토크 전달 장치를 생성하였다. 차이점이라면 볼 베어링 구조가 기어 쌍과 비교하여 매우 낮은 마찰 또는 무시할 정도의 마찰을 갖는다는 것이다. 또한, 메인 로터와 관통 샤프트 사이의 속도 비율은, 기어 쌍의 경우 앞서 설명한 바와 같은 1 개의 로브의 차이가 아닌 2 개의 로브의 차이로 인하여 다르다. 이 결과, 인덱서의 경우 2 개의 차이를 갖는 정수 기어 비율에 기초하여 메인 로터의 로브의 개수가 제한된다. 속도 비율의 기능적인 조합을 갖는 어셈블리의 일 예가 도 85에 도시되어 있다. 어셈블리의 좌측에 있어서는, 다음과 같은 기어 로브 개수를 갖는다. 항목(c1)은 7 개의 로브를 가지며, 항목(c2)은 8 개의 볼을 가지며, 항목(c3)은 9 개의 로브를 가지며, 고정 로터(c5)는 16 개의 로브를 가지며, 그에 메시 결합되는 로터(c6)는 15 개의 로브를 가지며, 그 후방에 고정된 항목(c7)은 12 개의 로브를 가지며, 11 개의 볼 베어링(c8)이 제공되고, 볼이 레이스(c9) 상에서 구름 운동을 한다. c1 및 c9은 둘 다 관통 샤프트에 고정되며, 따라서 동일한 속도로 회전한다. 그 결과, 허용 오차가 적절히 제공되는 경우, 메인 로터(c5)(c6)는 상호 마찰을 일으킬 필요가 없으며, 그들 사이에 여유 간격을 가질 수 있어서, 마모가 줄어들거나 마모의 가능성이 제거된다. 또한, 항목(c1)(c2)(c3)(c7)(c8)(c9)에서의 마모 및 마찰은 최소화된다.
볼 베어링의 회전의 본질을 설명하기 위하여, 도 88은 볼 베어링의 중심이, 인덱서 어셈블리의 α각(c16)의 절반인 각도(c15)로, 이 경우에는 2.5도의 각도로, 평면(c11) 상에 놓이는 것을 보여주고 있다. 또한, 베이스 곡선(C)와 관련한 앞서 설명한 구성에 있어서, 볼 베어링의 중심은 항상 평면(c11) 내에 놓이는 원을 따라 이동하며, 이 원의 회전 축은 로터 쌍 어셈블리(c10)의 원점을 가로지르는 것으로 판명된다. 또한, 도 88 및 도 86에 도시된 바와 같이, 레이스(c11)(c12)가 도 83에 예시된 체적(a4)의 절반과 비교하여, 원래의 팽이 모양 토로이드의 절반보다 어떻게 훨씬 더 적은지에 대해 주목할 필요가 있다.
볼 베어링은 완전 상보성 구조일 수도 있고 볼 베어링 사이에 "케이지"를 두어 동작 중에 볼이 동일한 간격을 두고 유지되도록 할 수 있다. 그 결과 마찰이 더욱 감소하고 동작의 원활성이 증가한다.
또한 도 89 내지 도 92에 도시된 바와 같이, 샤프트의 중심 볼 부재와 로터 중 하나 사이에 다수의 베어링 부재가 배치되는 또 다른 인덱싱 시스템이 제공된다. 도 92에 도시된 바와 같이, 서로 상대적인 위치에 베어링을 위치시키는 베어링 케이지가 분해도로 도시되어 있다. 도 90에 단면도로 도시된 후방 백 플레이트가 제공될 수 있다. 백 플레이트는 인덱싱 시스템의 로터 하우징에 고정 상태로 부착된다. 이 실시예에 있어서, 인덱싱 오프셋 표면은 볼 베어링 샤프트 부재 상에 위치하고, 인덱싱 표면은 베어링을 경유하여 로터에 연결된다.
본 발명이 몇몇 실시예의 설명을 통해 예시되었고 예시된 실시예가 상세히 설명되었지만, 이들 실시예가 이하에 기재되는 청구항의 범위를 제한하는 것은 아니다. 이하에 기재되는 청구항의 범위 내에서의 이점 및 변형을 이 기술분야의 당업자는 명백히 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 광의의 측면에서, 본 발명은 상세한 설명, 대표적인 장치 및 방법과, 도시되고 설명된 예시적인 예들에 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 개념의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한 그러한 개시된 내용으로 통해 다양한 변경이 이루어질 수 있다.
본 명세서(특허청구범위 포함)에서 사용되는 "포함한다", "포함된다", 또는 "포함하는" 등의 용어는 설명된 특징, 정수, 단계, 또는 요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 요소 또는 그들의 조합의 존재를 배척하는 의미로 해석되어서는 아니 된다.
10: 기준 축 시스템 12: 외측 로터
14: 내측 로터 20: 제 1 축 시스템
22: 제 1 축 24: 제 2 축
26: 기준 축 28: 아크 경로
30: 기준 점 32: 교차점
33: 베이스 곡선 34: 외측 구체
38: 한정 표면 40: 외측 표면
42: 오프셋 표면 120: 에너지 변환 장치
126: 샤프트 130: 드라이브 로터
132: 인덱스 하우징 156: 인덱스 오프셋 표면
164: 베이스 링 192: 롤러 부재

Claims (19)

  1. a. 시첼킨(Shchelkin) 스파이럴을 내부에 갖는 폭발영역과, 옥시던트 입구와 유체 연통하며 연료 라인과 또한 연통하는 혼합실과,
    b. 혼합실로부터 연료/옥시던트 혼합물을 수용할 수 있도록 구성되는 디퓨저와,
    c. 디퓨저의 하류에 위치하며, 연료/옥시던트 혼합물을 점화시키기에 충분한 활성 에너지를 제공하는 점화 위치를 갖도록 구성되는 폭발 영역을 포함하며,
    d. 연료/옥시던트 혼합물의 팽창되고 연소된 가스는 폭발 영역에서 그 아래에 위치하는 출구 위치로 유동하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    폭발 영역 아래로 연장되는 나선형 경로로 이루어진 난류발생기의 시첼킨(Shchelkin) 스파이럴 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    시첼킨(Shchelkin) 스파이럴은 길이 방향 후방 부분으로부터 길이 방향 전방 부분까지의 거리에 대해 그 빈도가 증가하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    점화 위치는 적어도 점화 위치의 내표면의 직경의 절반보다 더 큰 거리를 두고 디퓨저에서 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    폭발 영역은 팽창되고 연소된 가스로 인해 생성된 힘으로부터 기계적 에너지를 발생시키기 위하여 구성된 정 변위 회전 운동 장치와 연통하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    정 변위 회전 운동 장치는 공통 라인에서 오프셋되는 각각의 축을 중심으로 회전하는 둘 이상의 로터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    투입 포트를 또한 포함하며, 정 변위 장치의 투입 포트는 밀봉 블럭 부재의 적층체로 이루어지고, 밀봉 블럭 부재는 투입실의 투입 체적을 조절할 수 있도록 구성되며, 투입실은 로터의 작동 표면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    정 변위 회전 운동 장치는, 펄스 폭발 장치에서 나온 팽창되고 연소된 가스가 로터 각각의 개방된 넓은 표면을 향함으로써 그에 동적 에너지가 인가되어 로터 상에서 토크가 생성되도록, 배열되는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    팽창되고 연소된 가스는 로터 어셈블리의 작동 챔버 내로 유입되고, 작동 챔버는 로터의 회전에 대해 팽창함으로써, 펄스 폭발 장치의 팽창되고 연소된 가스의 압력이 로터 중 적어도 하나에 토크를 제공하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    열 에너지를 폭발 영역에서 멀리 전달하기 위하여 옥시던트 폭발 영역과 열적으로 연통하는 옥시던트 도관을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  11. 청구항 6에 있어서,
    펄스 폭발 장치는 동작 주파수를 포함하며, 펄스 폭발 장치의 동작 주파수는 정 변위 회전 운동 장치의 로터와 동기되지 않는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    a. 연소기와 직접 연통하는 제 2 정 변위 회전 운동 장치와,
    b. 압축 공기를 폭발 영역에 제공할 수 있도록 구성된 압축기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    압축기는 각각의 축을 중심으로 회전하는 다수의 로터를 포함하며, 로터의 축은 공통 라인에서 오프셋되고 명목상 교차하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    폭발 영역은 팽창되고 연소된 가스의 화염 속도를 가속할 수 있도록 기하학적으로 구성된 난류 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    난류 발생기는 폭발 영역으로부터 하향 연장되는 나선형 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    난류 발생기는 길이방향 후방 부분에서 길이방향 전방 부분까지의 거리에 대해 주파수가 가변되는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  17. 청구항 1에 있어서, 혼합실은
    a. 방사상으로 수렴하는 다수의 옥시던트 입구 분출구와 축방향 연료 입구를 포함하며,
    b. 각각의 분출구는 동일한 점을 향해 수렴하며 옥시던트와 연료의 혼합을 촉진하기 위해 높은 난류를 생성할 수 있도록 구성되며,
    c. 연료 옥시던트 혼합물의 속도는 확산 노즐을 통해 느려지고, 난류는 디퓨저에 의해 감소되며,
    d. 디퓨저는 개구를 한정하는 다수의 표면을 포함하며, 확산 노즐은 방사상으로 수렴하는 옥시던트 입구 분출구의 하류에 위치하는 혼합실 내에 제공되며,
    e. 폭발 영역은 옥시던트 밸브를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    연료 라인은 열전달 시스템으로부터 예열된 연료를 제공하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.
  19. 청구항 1에 있어서,
    디퓨저는 기하학적 패턴으로 간극을 한정하는 표면 어레이를 포함하는 다공성 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭발 장치.

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