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"Machine à pistons rota. tifs
L'invention concerne une machine à pistons rotatifs, du type à un ou plusieurs- rotors munis à leur pourtour de pistons rotatifs dont la surface extérieure constitue une partie de cylindre et tourne autour de l'axe de ce cylindre au voisinage immédiat de la paroi interne de la machine) qui entoure le ou les rotors et qui présente une ou plusieurs chambres à section annulaire ou en segment, l'arbre du rotor coïncidant avec l'axe de cette paroi interne.
Par "rotor" on entend ici un corps rotatif muni de pistons rotatifs oscillants. Plusieurs de tels corps peuvent être montés sur un seul arbre. L'invention vise à établir une machine à pistons rotatifs dont les pistons oscillants sont supportés d'una manière parfaitement stable dans un lo- gement approximativement cylindrique, ils exécutent au contact de ce. logement un mouvement oscillatoire très pro-
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gressif et à faible course, et servent au transport de va- peurs., de gaz et de liquides, ainsi que pour accomplir un travail de dé tente .
Selon l'invention, les pistons rotatifs présentent la forme de cylindres dont on a enlevé une tranche en for- me de segment suivantun plan parallèle à leur axe.
Dans une variante selon l'invention, la paroi inter- ne du stator,le pourtour du rotor et les cylindres rotatifs montés dans celui-ci, ainsi qu'un ou plusieurs manchons di- recteurs ou de guidage interchangeables prévus à la paroi interne du stator, déterminent des chambres ayant approxima- tivement la forme d'anneaux ou de segments et servant de chambres de compression ou d'expansion.
Les pistons rotatifs cylindriques sont commandés automatiquement par les manchons directeurs interchangeables encastrés. Plus il y a de manchons directeurs plus le nom- bre de chambres de stator annulaires ou en forme de segment est élevé et plus nombreuses peuvent être les impulsions motrices.
Des pertes, minimes par friction, ne se produisent que lors de la commande automatique, c'est-à-dire lors du passage des pistons devant les anneaux ou manchons direc- teurs, cela pendant un court trajet, lors du mouvement oscil- latoire des pistons. En dehors de celà il ne se produit aucune perte par frottement, sauf dans les roulements à rou- leaux. Dans les autres chambres du stator et du rotor ayant dépassé l'anneau directeur il ne se produit pas non plus de frottement, vu que la force centrifuge des pistons rotatifs, déterminée de préférence par une différence de masse à gauche et à droite de l'axe de ces pistons, est absorbée par des
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plaques obturatrices prévues aux extrémités du rotor et tournant solidairement avec celui-ci.
Le rayon du cercle intérieur de ces plaques corres- pond au rayon des butées prévues aux extrémités des pistons et qui limitent la rotation de ceux-ci, de façon que ces pistons ne viennent pas en contact avec la paroi du stator.
De cette façon, on obtient un jeu minimum, à déterminer d'avance, entre la paroi intérieure du stator et les aubes rotatives. Comme une partie de la surface en "pan coupé de l'aube, qui tourne Le long de la paroi interne du stator, est établie, dans une variante, suivant le rayon de cette paroi, les pertes dans les interstices sont minimes, notam- ment avec un grand nombre de pistons rotatifs encastrés.
Grâce à la largeur relativement élevée de leurs surfaces actives et à leur grand nombre, les pistons rotatifs agissent à la manière d'un joint à lamelles.
L'autre partie de la surface en "pan coupé" de l'au- be correspond au rayon du pourtour du rotor.
La machine selon l'invention ressemble en principe à une turbo-machine, avec cette différence que, dans la ma- chine selon l'invention, les aubes sont rotatives, et que l'on travaille avec une énergie de détente potentielle, l'énergie obtenue étant transmise directement au rotor an- nulaire par les pistons rotatifs. Donc, dans cette machine on n'utilise pas l'énergie cinétique du jet, mais uniquement l'énergie potentielle de la détente. On sait que des tur- bines d'une puissance inférieure à 500 c.v. fournissent en général un mauvais rendement comparativement aux autres ma- chines.
Les machines à pistons rotatifs selon l'invention conviennent donc aussi par excellence là où des turbines n'entrent pas en ligne de compte. Leur construction est
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simple et convient aux puissances réduites, mais aussi aux puissances élevées. Gràce au fait que les pistons rotatifs sont les seuls organes tournants et qu'ils présentent des dimensions suffisantes pour réaliser une faible pression unitaire par cm2, afin de limiter l'usure au minimum, ces machines fonctionnent sans soupapes, tiges de piston, vile- brequin, piston ou autres organes à mouvement alternatif, de sorte qu' on obtient en outre un rendement mécanique favo- rable.
L'invention permet donc d'établir une machine rota- tive qui, tout en fournissant des rendements thermique. et mécanique favorables, présente un faible poids et des dimen- sions réduites, permettant ainsi une économie de matières premières.
Dans une variante de l'invention, les pistons rota- tifs assurent non seulement la transmission ou la génération d'énergie, mais agissent aussi en même temps comme distri- buteurs pour l'admission et l'échappement de l'agent moteur.
Dans les machines à pistons rotatifs, qui engendrent de l'énergie et qui travaillent avec de la vapeur d'eau, d'au- tres vapeurs ou des gaz, ces pistons peuvent encore avoir pour fonction d'assurer un degré d'admission fixe déterminé, nécessaire pour .Le comportement favorable au pont de vue de la détente, de l'agent moteur, dans les chambres de détente du stator.
Les aubes rotatives assurent un grand volume d'aspi- ration par impulsion de travail . Dans l'espace cylindrique de la chambre de rotor, dans lequel est logé le piston ro- tatif, ce dernier détermine aussi, lors de sa rotation, une chambre d'aspiration qui vient s'ajouter au volume de la chambre de stator.
La nouvelle construction est d'une réalisation facile.
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Elle permet une rectification et un polissage soignés.
Les machines selon l'invention sont susceptibles d'applications ci-après: comme machines consommant de l'éner- gie en vue de fpurnir un travail.,entre autres comme machi- nes réfrigérantes à commande séparée, par exemple par mo- teur électrique, ou à commande propre par réchauffage de l'agent moteur en circulation, tel que F 12, CET Cl et au- tres, dans une même machine, à l'aide d'une source de cha- leur quelconque; comme rotors de compression d'air à un ou plusieurs étages dans une seule carcasse; comme rotors à liquides pour le transport de ceux-ci, entre autres pour l'huile, les combustibles liquides, ainsi que l'eau, etc.;
comme machines produisant de l'énergie en vue d'ac- complir un travail, fonctionnant avec un degré d'admission fixe et détente totale ou, sans. degré d'admission fixe comme machine à réaction pour la vapeur d'eau, autres vapeurs et gaz et, comme rotors moteurs suivant le procédé à pression constante et à détente totale avec un grand nombre d'im- pulsions motrices, permettant de brûler des gaz de haut- fourneaux et naturels peu coûteux, du gaz pauvre ou d'éclai- rage, des combustibles liquides légers, ainsi que les huiles plus lourdes, dans une chambre de combustion située à l'in- térieur ou à l'extérieur de l'enveloppe du rotor.
Par l'application de la méthode à pression constan- te aux rotors moteurs, la pression de combustion étant égale à la pression d'admission d'air, un volant est rendu super- flu grâce à la prévision d'un grand nombre d'impulsions motrices se succédant immédiatement les unes aux autres.
La machine fonctionne d'une manière souple et sans à-coups et l'on atteint un haut degré d'uniformité même en l'absence d'un volant.
La combustion s'effectue d'une manière continue dans
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une chambre de combustion unique située à 1'intérieur ou à l'extérieur de l'enveloppe du rotor. On peut travailler avec un excès d'air important, pour obtenir une combustion totale et inodore. la chambre et les gaz de combustion sont maintenus dans les machines à combustion à pistons rotatifs à une température qui n'attaque pas la matière et n'affecte pas la sécurité de fonctionnement.
Ceci peut être réalisé grâce au fait qu'une traction de la chaleur de combustion est d'abord soutirée pour être utilisée à la vaporation d'un liquide facilement vaporisa- ble, par exemple F 12, CH3C1 et autres ou même de l'eau, et que les vapeurs obtenues sont amenées à participer au cycle de travail dans un rotor de détente séparé, monté sur un même arbre de rotor sur lequel sont également montés les ro-, tors de compression et à gaz de combustion. Ce même cycle de travail peut être appliqué avec un rotor unique pour la ' compression et la détente, lequel comporte dans ce cas plus d'un anneau directeur.
La chaleur, qui, autrement, est évacuée avec l'eau de refroidissement réchauffée à la suite du refroidissement de l'enveloppe du rotor, reste conservée ici dans le cir- cuit, étant donné qu'aucune eau de refroidissement n'est nécessaire en raison de la vaporation du liquide volatil et de la détente poussée dans les chambres du stator. Pour obtenir un rendement thermique favorable, il est nécessaire de réaliser une détente totale, ce qui permet d'abaisser les températures d'échappement des gaz ou des vapeurs.
Dans les machines à pistons rotatifs fonctionnant avec la vapeur d'eau,d'autres vapeurs ou des gaz, on peut trouver la température de détente finale de la manière habi-
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tuelle, comme par exemple dans les machines à vapeur à pis- tons, en dé terminant d'avance le degré d'admission des pistons rotatifs. Donc, le degré d'admission et, partant la détente, est donné par le volume de l'agent moteur contenu dans l'es- pace d'admission des pistons rotatifs.
L'attaque des pistons, des chambres de stator et des chambres de rotor est empêchée par une épuration des gaz chauffés, après leur combustion, à l'aide de filtres encas- trés, de sorte que les impuretés sont retenues à l'extérieur de l'enveloppe du rotor.
Le nombre de tours peut être élevé, vu que les for- ces d'inertie sont bien équilibrées. La force centrifuge des Pistons rotatifs peut être maintenue dans des limites tolérables grâce à des petits contre-poids judicieusement disposés. Plus le centre de l'orifice pour l'enlèvement de la matière du piston est rapproché du centre imaginaire du piston rotatif, plus la force centrifuge est réduite.
Pour influencer encore plus favorablement le rende- ment de ia machine destinée à fourbir de l'énergie, on in- troduit pendant l'expansion, de la chaleur dans les chambres de détente du stator par l'intermédiaire du fluide moteur réchauffé ou d'un fluide auxiliaire réchauffé, l'huile par exemple.
Dans le cas de rotors. de réfrigération, les gaz ré- frigérants réchauffés se détendent directement dans le vapo- rissateur (qui est disposé directement en aval des lumières d'échappement d'expansion, sans interposition d'un organe de réglage) après avoir fourni un travail par l'intermédiai- re des pistons rotatifs agissant sur le rotor d'expansion ou sur l'élément de rotor d'expansion.
La température d'é- chappement qui est égale à la température de détente finale dans ces rotors de réfrigération, correspond à la tempéra-
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ture de vaporisation voulue dans,le vaporisateur. Plus la température de vaporisation est basse, plus le rendement thermique est favorable dans ces rotors de réfrigération, sui- vant la formule de Carnot : T1 - T2/T1
Les pistons rotatifs de détente agissent ici comme organes de réglage. L'absence d'autres organes de réglage évite ici des obstructions, par exemple le blocage par le gel, très ennuyeux, de la soupape de réglage, en raison de l'humidité présente dans le fluide moteur. Ceci permet éga- lement de supprimer les dispositifs pour le séchage du flui- de réfrigérant.
L'invention sera expliquée plus amplement avec réfé- rence aux exemples d'exécution représentés dans les dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 est une coupe transversale suivant la ligne 1-1 de la coupe longitudinale, représentée dans la fi- gure 2, d'un premier exemple d'exécution.
La figure 2 estuune vue perspective d'dne extrémité d'un piston rotatif selon les figures 1 et 2.
La figure 3 est une vue schématique d'une installation de réfrigération.
La figure 4 est une coupe longitudinale d'une deuxié- me variante.
La ;figure 5 est une coupe transversale selon la ligne V-V de la figure 4.
La figure 6 est une coupe transversale selon la ligne VI-VI de la figure 4.
La figure 7 est un schéma d'une autre installation.
La figure 8 est une coupe transversale d'une variante.
La figure 1 montre un exemple de réalisation d'une machine réfrigérante à pistons rotatifs pour installations de
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réfrigération, de congélation, de climatisation, et analo- gues, et qui peut également fonctionner, moyennant de lègè- res modifications, comme rotor compresseur d'air, cette ma- chine comportant un rotor annulaire et un seul anneau ou manchon de guidage ou directeur Interchangeable, en forme de segment, monté directement dans la carcasse ou enveloppe, ainsi que .cinq pistons rotatifs, cette machine pouvant être entraînée par un moteur électrique ou autre machine, la fi- gure 1 étant une coupe transversale selon la ligne I-I de la coupe longitudinale de la figure 2.
La figure 2a montre en perspective une surface en bout d'un piston rotatif.
Dans une carcasse 1 est monté concentriquement un rotor 2. Celui-ci comporte cinq chambras cylindriques, 3, 4, 5, 6 et 7, dans lesquelles sont montés librement cinq pistons rotatifs cylindriques 8, 9, 10, 11 et 12. L'arbre 13 du rotor 2 est supporté dans des paliers à rouleaux 14 et 15, de construction robuste, montés dans deux flaqques d'obturation 16 et 17 fixés par des brides à la carcasse 1.
A ces couverches sont vissés deux petits chapeaux 18 et 19 servant à recevoir des boites à bourrage, non re- présentées, pour l'arbre.
La paroi interne concentrique de la carcasse, le ro- tor annulaire monté concentriquement et portant les pistons rotatifs, et un manchon de guidage interchangeable 20 en forme de segment, disposé dans la partie en forme de segment de la carcasse et serré entre les flasques précités, déter- minent des chambres 21, 22, 23 et 24 servant à aspirer et à comprimer l'agent moteur* a désigne l'admission du fluide.
On voit nettement que le volume des chambres de stator s'ac- croît encore d'une partie du volume des chambres de rotor en 25, 26, 27, 28. b désigne des orifices d'échappement pra-
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tiqués obliquement dans le manchon de guidage et qui commu- niquent toutes avec l'échappement.
Les évidements 30, 31, 32, 33 et 34 sont prévus dans les pistons rotatifs afin de déterminer une différence de poids à droite et à gauche de l'axe, dans le but d'engendrer une force centrifuge lors de la rotation du rotor.
Pour limiter la rotation des aubes rotatives, on fixe aux extrémités du rotor deux plaques d'obturation 35 et 36 tournant avec celui-ci et dont le rayon intérieur cor- respond au rayon des cames 35a et 36a prévues aux extrémi- tés des pistons (voir également figure 2a) . La rotation des pistons, provoquée par la force centrifuge, est ainsi absor- bée et limitée. De ce fait, il n'y a pas de frottement entre les pistons et la paroi inter ne du stator.
La figure 3 représente le fonctionnement d'une machi- ne réfrigérante à commande propre par réchauffage de l'agent moteur en circulation, avec deux rotors sur un même arbre et dans une même carcasse 1, à savoir un rotor de compression 2a avec dix pistons rotatifs Z, et un rotor d'expansion 2b avec sept pistons rotatifs. Les gaz réfrigérants sont as- pirés, à la basse température de vaporisation requise, par le rotor compresseur 2a (de gauche) depuis un ou plusieurs vaporisateurs V reliés à ce compressemr, sont comprimés à la pression du condenseur C et ensuite condensés dans ce der- nier par refroidissement par air, eau ou huile.
Le condenseur C est suivi d'un réservoir à liquide R d'où le fluide moteur liquide parvient dans le rotor d'ex- pahsion 2b. Il se produit ici une élévation de la tempé- rature sous l'action d'huile réchauffée venant d'un réchauf- feur d'huile 0, de marne qu'une élévation de la pression du liquide vaporisé.
Ces vapeurs sous pression plus élevée se détendent
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dans le rotor d'expansion 2b vers le vaporisateur V à la faible pression de vaporisation prescrite, sans interposi- tion d'un organe de réglage. La basse température de vapo- risation voulue correspond donc ici à la température de détente finale dans les chambres d'expansion du rotor. Lors de la détente, les vapeurs à haute pression fournissent de l'énergie à l'arbre de rotor commun A-A par l'intermédiaire des pistons rotatifs et du rotor d'expansion 2b.
Le réchauffage du fluide auxiliaire dans le réchauf- feur d'huile 0 peut être obtenu avec une source de chaleur quelconque. On peut également chauffer directement le fluide moteur en circulation, sans interposition d'un flui- de auxiliaire.
L'introduction du liquide dans le rotor d'expansion 2b, et lorsqu'il est fait usage d'un fluide auxiliaire, l'huile par exemple, peut s'effectuer à l'aide du disposa tif d'injection décrit dans le brevet hollandais ? 44.734.
Dans l'installation décrite ici, le fluide auxiliai- re remplit plusieurs fonctions. Il sert à élever la tempé- rature du fluide réfrigérant, lequel est ainsi amené à la haute pression correspondante, en vue d'accomplir un travail.
Ensuite, l'huile sert à refroidir les vapeurs comprimées, dans le condenseur. Les deux fonctions sont remplies dans le même circuit. En outre, le fluide auxiliaire sert aussi à empêcher les fuites, grâce à la formation d'un film d'huile entre les chambres de stator et les pistons.
Le circuit du fluide auxiliaire, ici l'huile, s'é- tablit comme suit:
L'huile réchauffée amenée par la conduite 11, qui a vaporisé l'agent moteur liquide en élevant fortement sa pression et qui est refroidie avec les vapeurs dans l'élé-
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ment d'expansion 2b jusqu'à une .basse température d'expan- sion finale, est dirigée par la conduite de refoulement U vers le séparateur d'huile OF monté en amont du vaporisateur et dans lequel a lieu la séparation. Du séparateur,, l'hui- le froide est refoulée par la conduite 12, par l'intermé- diaire d'une pompe à engrenages OP encastrée dans la carcas- se 1 et d'une conduite 13, à travers le condenseur.
Ici a lieu l'absorption de la chaleur de condensation, et l'huile préchauffée traverse le réchauffeur d'huile 0, où elle est portée à une température plus élevée, pour retourner dans les chambres d'expansion, afin de vaporiser à nouveau l'a- gent moteur.
Cette disposition influence favorablement le rende- ment thermique, vu que la chaleur de condensation, qui se- rait autrement perdue avec le fluide de refroidissement, reste dans le circuit.
En déterminant d'avance un espace d'admission fixe dans les aubes rotatives, on peut réaliser un degré d'admis- sion fixe, et donc toute température de vaporisation voulue, égale à la température de détente finale.
Une conduite auxiliaire à fluide HF est en outre pré- vue entre le condenseur C et le vaporisateur V, pour permettre éventuellement l'introduction de liquide moteur complémen- taire dans celui-ci. Un réservoir à huile est désigné par OR.
La coupe longitudinale de la figure 4, la coupe V-V de la figure 5, et la coupe VI-VI de la figure 6 montrent un exemple d'exécution d'une machine à pistons rotatifs avec un rotor récepteur et un rotor moteur sur un arbre commun et avec une carcasse de même diamètre intérieur, les rotors ayant toutefois des longueurs différentes. Le rotor de compression comporte six pistons rotatifs, tandis que le rotor d'expan- sion en a cinq.
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Dans ce cas, la carcasse 40 comporte un guidage com- mun 41 dans lequel sont montas concentriquement un stator annulaire de compression et un stator annulaire de détente, 43 et 44. Chaque stator annulaire présente trois anneaux de guidage interchangeables, soit 45, 46, 47, 48, 49 et 50.
Les six chambres 52, 53, 54, 55, 56 et 57 du rotor récepteur de compresion 51 contiennent les six pistons rotatifs 58, 59, 60, 61, 62, 63, tandis que les cinq chambres du rotor moteur de détente 64, à savoir 65, 66, 67, 68, 69 contiennent les cinq pistons rotatifs 70, 71, 72, 73, 74.
Ici également, l'arbre de rotor commun 75 sur lequel sont calés les deux rotors, est monté dans de robustes paliers à rouleaux 76 et 77 supportés dans des flasques 78 et 79 fixés par des brides à la carcasse. L'oscillation des pis- tons rotatifs est limitée par des cames prévues sur les pro- longements de ces pistons de la manière indiquée dans la fi- gure 2a et qui coopèrent avec des plaques d'obturation 80, 81, 82 prévues sur les extrémités des rotors et dont le rayon intérieur correspond au rayon des butées.
Dans cette variante, l'admission est assurée par les rotors et en passant par les pistons rotatifs, à travers des orifices d'admission 83 prévus dans les rotors. L'admission peut également s'effectuer par au-dessus, par l'intermédiaire des stators annulaires. La fluide moteur comprimé ou détendu s'échappe par des canaux obliques 84 pratiqués dans les man- chons de guidage, à travers l'espace annulaire de la carcasse.
Le schéma de la figure 7 montre un moteur à combus- tion rotatif avec rotor de compression 85 pour la compression de l'air comburant, et deux rotors d'expansion 86, 87 desti- nés à fournir de l'énergie, ce moteur fonctionnant avec un fluide auxiliaire, à savoir un liquide volatil
Pour vaporiser ce dernier par soutirage de chaleur à
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partir d'une chambre de combustion 88 ou de gaz de combus- tion, on abaisse la température finale de ces derniers.
Cette chaleur n'est pas perdue grâce au fait que les vapeurs, lesquelles sont amenées à haute pression, sont à nouveau rendues au cycle de travail par leur détente, dans le second rotor d'expansion 87, jusqu'à la température finale peu éle- vée. La détente des vapeurs obtenue par vaporisation du, liquide volatil, peut tre conduite jusqu'à, une très basse température de détente finale pour le refroidissement de la carcasse, des rotors et des pistons, de sorte que les tem- pératures de service' extrêmes peuvent être maintenues dans des limites voulues pour la sécurité de fonctionnement, sans pertes élevées par abduction de chaleur. 89 désigne un fil incandescent.
Un liquides par exemple F12, arrive en 90 depuis un condenseur, est conduit par une pompe 91 et une canalisation 92 au voisinage d'une chambre de com- bustion 88 et, après vaporisation, se détend dans le rotor 87. La sortie de F12 est désignée par 93.
L'air et le gaz sont amenés en 94 vers le centre du rotor 85 où ils sont comprimés pour être amenés dans la chambre 88, où a lieu la combustion. Ires gaz de la combus- tion se détendent dans le rotor 86.
Finalement, la figure 8 montre le schéma d'un anneau de stator 95 avec rotor annulaire correspondant 96, pistons rotatifs 97 et manchon de guidage 98, l'admission du fluide moteur se faisant à travers les plaques d'obturation, en passant directement par les pistons à travers les canaux 99 prévus dans ceux-ci, en direction des chambres du stator.
Cette figure montre nettement les cames 35a prévues aux prolongements des pistons rotatifs, ainsi que le rayon R suivant lequel ces cames sont guidées.
Dans un exemple favorable d'exécution pratique on
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choisit comme suit les cotes principales indiquées dans la figure 8:
Le rapport entre la partie en "pan coupé" des cylin- dres rotatifs et la partie restante de ceux-ci est d'environ 1:4. La hauteur h de la chambre de stator, qui correspond à la hauteur d'oscillation des cylindres égale environ 1/30 du diamètre D du rotor, tandis que le diamètre d d'un piston égale environ 1/3 du diamètre D.
Le rapport entre la distance h5 du centre imaginaire M du piston rotatif au pourtour du rotor et le diamètre d des pistons est d'environ 1:3,75.
REVENDICATIONS.
1.- Machine à pistons à un ou plusieurs rotors pour- vus sur leur pourtour de pistons rotatifs dont la surface extérieure forme une partie de cylindre et tourne autour de l'axe de ce cylindre en coopérant avec la paroi interne de la machine, qui entoure le ou les rotors et qui est munie d'une ou de plusieurs chambres à section annulaire ou en segment, l'axe du rotor coïncidant avec l'axe de cette aproi interne, caractérisée en ce que les cylindres rotatifs pré- sentent la forme de cylindres dont on a découpé une partie en forme de segment suivant une surface oblique parallèle à l'axe du cylindre.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.