DE69608749T2

DE69608749T2 - Rotierende verdrängungsbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69608749T2
Application number: DE69608749T
Authority: DE
Inventors: James Klassen
Original assignee: OUTLAND TECHNOLOGIES USA Inc
Current assignee: E3p Technologies Inc Calgary Ca
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2016-03-09
Also published as: EP0763162B1; DE69608749D1; US6036463A; EP0763162A1; WO1996028641A1; AU4873596A; US5755196A; ATE193749T1

Description

Gegenstand der Erfindung

Diese Erfindung betrifft rotierende Verdrängungsbrennkraftmaschinen und ein Verfahren zur Herstellung rotierender Verdrängungsbrennkraftmaschinen.

Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine verbesserte Verdrängungsbrennkraftmaschine mit einem hohen Leistung-zu-Masse-Verhältnis und geringen Herstellungskosten. Der Begriff Maschine, wie er in diesem Patentdokument benutzt wird, wird als eine Vorrichtung verstanden, die eine Energieform in eine andere konvertiert. Eine beispielhafte Pumpe und eine beispielhafte äußere Verbrennungsmaschine sind beschrieben und beinhalten die neuen Gestaltungsprinzipien der Erfindung.
In dem Fall der bekannten Verbrennungskraftmaschinen ist der Hubkolbentyp in überwiegender Weise aufgrund der geringen Herstellungskosten und der wirksamen Abdichtung eingesetzt, während die Turbine gezeigt hat, daß eine Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung eine größere Leistung zur Verfügung stellen kann, teilweise aus hoher Geschwindigkeit. Rotationsmaschinen wie die Wankel Maschine haben ein höheres Leistung-zu-Gewicht-Verhältnis als die Hubkolbenmaschinen gezeigt, jedoch auf Kosten eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs. Die vorliegende Erfindung ist eine Rotationsvorrichtung, die viele der Vorteile der vorbekannten Vorrichtungen darbietet, jedoch unter Vermeidung vieler ihrer Nachteile.
Für den Fall von Pumpen sind viele allgemeine Arten der Pumpengestaltung bekannt, wie zum Beispiel Verdränger-, Kreisel- und Flügelradpumpe. Pumpen des Verdrängertypes sind üblicherweise Hubkolben- oder Rotationspumpen.
Viele vorhergehende Arten der Rotationskolbenmotoren waren nach der Einscheibenart aufgebaut, in der die Drehbewegung um Achsen stattfindet, die parallel zueinander sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft den Typ der rotierenden Verdrängerkraftmaschine. In dieser rotierenden Verdrängerkraftmaschine sind die Achsen der sich bewegenden Teile zueinander versetzt und die sich bewegenden Teile rotieren mit einer konstanten Geschwindigkeit relativ zu einander wenn sie in einer konstanten Geschwindigkeit relativ zu dem Gehäuse rotieren. Die Maschine wird durch ein Paar sich gegenüberstehender Rotoren gebildet, die axial zueinander versetzt angeordnet sind und deren Oberflächen Kammern definieren, die das Volumen mit der Drehung der Rotoren ändern. Eine Maschine diesen Typs beinhaltet ein Minimum an sich bewegenden Teilen, nämlich nur insgesamt zwei.
Rotationspumpen, bei denen die Rotoren auf versetzten Achsen befestigt sind, sind bekannt, zum Beispiel beschrieben in verschiedenen Patentdokumenten wie die Patente der Vereinigten Staaten 32,372 (Jones und andere); 351,129 (Salomo); 2,101,428 (Cuny); 2,101,051 (Cuny); 2,242,058 (Cuny); 3,101,700 (Bowdish); 3,106,912 (Kahlert); 3,236,186 (Wildhaber); und 3,856,440 (Wildhaber) und andere ausländische Patentdokumente wie Japan 55-72,683 (Hatsutori); Italien 268,459 (Cargnelutti); Frankreich (916,277 (Saumon); Kanada 2,069,607 (Roseborough) und Deutschland (3,221,994 (Werner). Während Pumpen mit einander auf ver setzten Achsen gegenüberstehenden Rotoren daraus bekannt sind, haben solche Pumpen oder Maschinen allgemein keine weite Anwendung gefunden.
In so weit, als diese zu den Pumpen und Maschinen gehören, ist jede offensichtlich auf Vorrichtungen mit einem hohen Druckverhältnis ausgerichtet. Aufgrund der schnellen Volumenänderungen in den Kammern dieser Pumpen zu Beginn des Einlaßtaktes und zum Ende des Ausstoßtaktes werden Turbulenzen in diesen Pumpen erzeugt, die Wärme produzieren und die Effektivität der Pumpen verringern. Turbulenzen begrenzen ebenfalls die Geschwindigkeit der Pumpoperation und Erhöhen das Geräusch, das durch die Pumpe erzeugt wird und die Scherbeanspruchung auf das zu pumpende Fluid.
Weiterhin beschreibt keine dieser Vorrichtungen den Gebrauch in einer Maschine mit axial versetzten Rotoren, ein Rotor umschlossen von dem anderen, mit sich radial erstreckenden Kolben und Zylindern.
Beispielhafte Unterschiede der vorliegenden Erfindung von dem Stand der Technik umfassen das Folgende. Die Form der Ortskurve der Punkte auf einem Rotor während der Rotor sich dreht, gemäß Bowdish oder Roseborough, entlang der Achse des Rotors betrachtet, dessen Ortskurve eine tropfenförmige Kontur beinhaltet, beinhaltet keine Wendepunkte entlang der Seiten der Tropfenform. Bei dieser Art der Geometrie wird während der Rotation kein passender Kontaktpunkt zwischen den Rotoren aufrechterhalten. Bei Bowdish führt eine abgeschlossene Kammer (Fig. 14-16) eine große Volumenänderung durch und erzeugt Strahlen von Fluid entlang der Dichtungen zwischen den Kammern, während die Rotoren sich drehen.
In dem Bereich der höchsten Kompression, wie beispielhaft bei Bowdish und Saumon gezeigt, versuchen die bekannten Pumpen eine doppelte oder überlappende Dichtung zwischen den beiden Rotoren und dem Bereich der höchsten Kompression einzurichten. Dieses erhöht die Wirksamkeit der Dichtung zwischen den verschiedenen Kammern, aber dies wird auf Kosten der hydraulischen Wirksamkeit erreicht, wenn die Pumpe ein inkompressibles Fluid pumpt. Die vorliegende Erfindung ist auf diese Nachteile der bekannten Pumpen und Maschinen gerichtet.
In einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine Pumpe ein Rotorpaar, beide an und bevorzugt innerhalb des gleichen Gehäuses angebracht. Das Gehäuse hat einen inneren Hohlraum mit einem Zentrum. Jeder Rotor ist auf einer Achse befestigt, die durch das Zentrum des Hohlraumes hindurchgeht; die jeweiligen Achsen der Rotoren stehen in einem Winkel zueinander, wobei das Zentrum eines jeden Rotors sich in dem Zentrum des Hohlraumes befindet. Die Rotoren greifen ineinander ein, um Kammern zu bilden. Flügel, definiert durch eine Kontaktfläche auf einer Seite des Flügels und einer Seitenfläche auf der anderen Seite des Flügels, stehen von den Rotoren ab. Jede Kontaktfläche eines Rotors wird definiert durch die Drehung eines konischen Abschnittes an der Spitze des Flügels auf dem anderen Rotor, so daß ein konstanter linearer Kontakt zwischen gegenüberstehenden Flügeln der zwei Rotoren besteht, wenn diese sich drehen. Die Seitenflächen sind bevorzugt konkav und erstrecken sich von einem inneren Ende der einen Kontaktfläche zu dem äußeren Ende einer benachbarten Kontaktfläche, äquivalent zu der Spitze eines Flügels. Die Seitenflächen und Kontaktflächen definieren Wände von Kammern, die das Volumen ändern, während die Rotoren sich drehen. Öffnungen für Einlaß und Auslaß sind bevorzugt so ausgestaltet, daß sie Formen entsprechend der sich kreuzenden Flügel der Rotoren aufwei sen. Die Seitenflächen können ausgehöhlt werden, um das Volumen einer primären Pumpenkammer zu einem minimalen Volumen zu erhöhen und dadurch das Druckverhältnis zu reduzieren, beispielsweise auf unterhalb 7 : 1.
In einem weiteren Aspekte der Erfindung ist eine Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung vorgesehen, bei der ein Leistungsrotor eine Achse A aufweist und sich innerhalb eines passiven Rotors mit einer Achse B dreht, wobei die Achse B versetzt zu der Achse A ist. Die Rotoren teilen sich ein gemeinsames Zentrum und die Achsen schneiden einander in diesem gemeinsamen Zentrum. Kolben ragen radial aus dem Leistungsrotor in den Zylinder hervor, die durch den passiven Rotor gebildet werden. Die Kolben berühren die Wände des Zylinders an 180º der Drehung (von oben nach unten) und berühren diese nicht während der nächsten 180º der Drehung (von unten nach oben). Während sich die Rotoren drehen, bewegen sich die Kolben axial innerhalb der Zylinder und verändern das Volumen der Kammern innerhalb der Zylinder.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden detaillierter im folgenden beschrieben und beansprucht in den Ansprüchen am Ende dieses Patentdokumentes.

Kurze Beschreibung der Figuren

Nunmehr werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren zur Veranschaulichung beschrieben, in denen der gleiche Numerierungen die gleichen Elemente bezeichnen:
Fig. 1A ist eine Draufsicht auf einen kugelförmigen Hauptrotor an einer axialen Welle, die auf einer Achse A in einem Winkel zu der Achse B liegt, vor der Anpassung des Rotors in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Erfindung;
die Fig. 1B und 1C sind eine Seitenansicht bzw. isometrische Ansicht des Hauptrotors der Fig. 1A;
die Fig. 2A ist eine Draufsicht auf den Hauptrotor, bei dem Material von der Seite des Rotors, die der axialen Welle gegenüberliegt, entfernt wurde, unter Zurücklassung einer kegelförmigen Oberfläche mit dem Scheitelpunkt des Kegels in dem Zentrum der Kugel, wobei die Achse mit der Achse A fluchtet und der Kegel einen Spitzenwinkel von 180 - α hat;
die Fig. 2B und 2C sind eine Seitenansicht bzw. eine isometrische Ansicht des Hauptrotors der Fig. 2A;
die Fig. 3A ist eine Draufsicht des Hauptrotors der Fig. 2A mit einem vertikal orientierten Materialkegel, der an der Frontfläche des Hauptrotors gedacht überlagert ist, der Kegel hat seinen Scheitelpunkt an der Kreuzung der Achse A und der Achse B (genau wie das Zentrum der Hauptrotorkugel);
die Fig. 3B und 3C zeigen eine Seitenansicht bzw. eine isometrische Ansicht des Hauptrotors der Fig. 3A;
die Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Hauptrotor der Fig. 3A und zeigt die Bewegung des gedachten Kegels in dem Bezugssystem des Hauptrotors, so als ob er von dem gedachten Kegel geführt würde, wenn er an der Frontfläche eines im wesentlichen identischen Rotors (Nebenrotor), der auf der Achse B liegt und ein Zentrum an dem Punkt der Kreuzung der Achse A und Achse B aufweist, angeordnet wäre und wenn der Nebenrotor um 180º mit dem Hautrotor aus der vertikalen Position gedreht wurde (der gedachte Kegel ist dargestellt, daß er vom Zentrum beginnt, jedoch sollte berücksichtigt werden, daß die Achse des Kegels an seinem oberen Totpunkt die Bewegung beginnt, korrespondierend zu dem Punkt mit der geringsten Kompression in der Maschine dieser Erfindung);
die Fig. 4B und 4C zeigen eine Seitenansicht bzw. eine isometrische Ansicht des Hauptrotors der Fig. 4A;
die Fig. 5A zeigt die Spur des Zentrums des gedachten Kegels der Fig. 3A auf der Oberfläche des Hauptrotors während der Nebenrotor und der Hauptrotor eine Umdrehung um ihre jeweiligen Achsen ausführen;
die Fig. 5B zeigt die Spur der Fig. 5A aus der Richtung der Achse A gesehen;
die Fig. 5C ist ein Diagramm, das die Begriffe darstellt, die in den Gleichungen verwendet werden, die die Ortskurve der Punkte auf den Rotoren definieren;
die Fig. 6A ist eine Draufsicht auf den Hauptrotor gemäß Fig. 4A, mit einem tatsächlichen Kegel aus Material, hinzugefügt zu der Frontfläche des Hauptrotors, der Kegel hat seinen Scheitelpunkt an der Kreuzung der Achse A und der Achse B, und der Scheitelpunkt des Kegels liegt entlang der Fläche des Hauptrotors, dessen Oberfläche tangential zu einer Kontaktfläche des Hauptrotors verläuft;
die Fig. 6B und 6C zeigen eine Seitenansicht bzw. eine isometrische Ansicht des Hauptrotors der Fig. 6A;
die Fig. 7A ist eine Draufsicht auf den Hauptrotor gemäß der Fig. 6A und zeigt das Ergebnis der Entfernung von Material des Hauptrotors zwischen vier Flügeln, wobei eine Fläche eines jeden Flügels wie in den vorhergehenden Figuren dargestellt ausgebildet ist;
die Fig. 7B und 7C zeigen eine Seitenansicht bzw. eine isometrische Ansicht des Hauptrotors der Fig. 7A;
die Fig. 8 zeigt eine isometrische Ansicht eines Hauptrotors und eines Nebenrotors, umgeben von einem mit Öffnungen versehenen erfindungsgemäßen Gehäuse;
die Fig. 9 ist eine schematische Darstellung des Inneren des Gehäuses der Fig. 8;
die Fig. 10 ist eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, des Gehäuses der Fig. 8;
die Fig. 11A ist eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung des Gehäuses der Fig. 8 und zeigt eine einseitig gelagerte Nebenrotorwelle;
die Fig. 11B zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Maschine, in Schnittdarstellung, mit Flügeln eines jeden Rotors, die sich in die Welle des anderen Rotors erstrecken;
die Fig. 11c ist ein Schnitt und zeigt die Ausgestaltung gemäß der Fig. 11B, wobei ein Teil des Welle des Nebenrotors sich um den Hauptrotor erstreckt;
die Fig. 12 ist ein schematischer Schnitt durch eine stilisierte Vierflügelpumpe gemäß der Erfindung, der Schnitt verläuft entlang einer Ebene, die die Achsen der Rotoren zweiteilt, um die Anordnung der Öffnungen zu illustrieren;
die Fig. 13 ist ein schematischer Schnitt durch eine stilisierte Zweiflügelpumpe gemäß der Erfindung, der Schnitt verläuft entlang einer Ebene, die die Achsen der Rotoren zweiteilt, ebenfalls um die Anordnung der Öffnungen zu illustrieren;
die Fig. 14 zeigt ein stilisiertes Gehäuse für eine Pumpe gemäß der Erfindung, mit einer bevorzugten Konfiguration einer Öffnung zum Gebrauch für die Ausgestaltung gemäß der Fig. 8;
die Fig. 15 ist eine schematische Darstellung von Seitenflächen mit Vertiefungen, um Bewegungen eines Fluids in und aus einer Sekundärkammer, während diese ihr Volumen während der Drehung verändert, zu erlauben;
die Fig. 16 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Ausgestaltung einer Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung, mit einem Hauptrotor und einem Nebenrotor, hergestellt in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Erfindung;
die Fig. 17.1 bis 17.10 sind eine Abfolge schematischer Darstellungen und zeigen eine Draufsicht der Bewegung eines Kolbens und Zylinders der Maschine gemäß Fig. 16 in dem Bezugssystem des Nebenrotors gemäß Fig. 16;
die Fig. 18 ist eine Seitenansicht, teilweise in Schnittdarstellung und teilweise ausgeschnitten, der Kompressions/- Expansions-Seite der Maschine gemäß Fig. 16;
die Fig. 19 ist eine Seitenansicht, teilweise in Schnittdarstellung und teilweise ausgeschnitten, der Einlaß/Auslaß-Seite der Maschine gemäß Fig. 16;
die Fig. 20 bis 23 sind axiale Schnittdarstellungen verschiedener Ausgestaltungen der Maschine gemäß Fig. 16 und zeigen eine Vielheit an Wellenlagerungssystemen und Öffnungsanordnungen;
die Fig. 24 ist eine schematische Darstellung und zeigt einen Zweistufen-Vergasungsbrenner (Combustor) zur Verwendung mit der Maschine gemäß Fig. 16;
die Fig. 25 zeigt einer weitere Ausgestaltung einer Maschine gemäß der Erfindung, in der die Flügel des einen Rotors in ständigem Kontakt mit den Flügeln des anderen Rotors stehen;
die Fig. 26 ist eine Unteransicht einer Primärkammer in der Position geringsten Volumens;
die Fig. 27 ist einer Seitenansicht einer Primärkammer, 90º von der Position höchsten Volumens entfernt;
die Fig. 28 ist eine Untenansicht einer Sekundärkammer nahe der Position geringsten Volumens, mit einem Flügel in Kontakt mit dem gegenüberliegenden Rotor und der andere Flügel gerade vor oder nach einem Kontakt und
die Fig. 29 A bis F zeigen Formen der Sekundärkammer für verschiedene Winkelstellungen und formende Kegelwinkel.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungsformen

Bei der Darstellung der in den hier beschriebenen Maschinen verwendeten Rotoren wird auf "oben" und "unten" Bezug genommen. Auf Punkte auf einer Linie, die den größeren Winkel, gebildet zwischen versetzt sich kreuzende Achsen A und B in der durch die Achsen A und B definierten Ebene, zweiteilen, wird als "oben" befindlich Bezug genommen, während auf Punkte auf der Verlängerung dieser Linie, die den spitzen Winkel zwischen den Achsen A und B zweiteilt, als "unten" befindlich Bezug genommen wird.
Zum besten Verständnis für den Gebrauch der Begriffe in diesem Patentdokument soll die Fig. 8 in Verbindung mit der Fig. 7A betrachtet werden. In der Fig. 8 ist eine Maschine 10 gezeigt, gebildet durch ein Gehäuse 12 mit einer inneren Oberfläche 14, zumindest einen teilweise kugelförmigen Hohlraum bildend, mit einem zentralen Punkt in dem Zentrum der Lagerung 16. Ein Hauptrotor 20 ist um eine erste Achse A drehbar an und innerhalb des Gehäuses 12 montiert. Der Hauptrotor 20 umfaßt eine Welle 22, die sich entlang der Achse A erstreckt und weist konturierte Flächen 24, 26 auf, die eine Mehrzahl an Flügeln 25 an der anderen Seite des Hauptrotors 20 von der Welle 22 ausbilden. Ein Nebenrotor 30 ist um eine zweite Achse B drehbar an und innerhalb des Gehäuses 12 montiert. Der Nebenrotor 30 umfaßt eine Welle 32 und weist konturierte Flächen 34, 36 auf, die eine Mehrzahl an Flügeln 35a auf der anderen Seite des Nebenrotors 30 von der Welle 32 ausbilden. Jeder der Rotoren 20, 30 definierte zumindest einen Teil einer Kugel und teilt ein gemeinsames Zentrum, das zusammenfällt mit dem Zentrum des Hohlraumes. Die Welle 32 ist in diesem Beispiel auf einem Bolzen 33 verzapft (Fig. 9) (Konfiguration als eine Pumpe, Turbine oder hydraulische Maschine), weil der Nebenrotor 30 nicht angetrieben werden muß. Die Welle 32 kann ebenfalls in der gleichen Art und Weise wie die Welle 22 einseitig gelagert werden. Der Hauptrotor 20 und Nebenrotor 30 liegen einander innerhalb des Gehäuses in axialer Richtung gegenüber, jeder ist überwiegend auf einer Seite des gemeinsamen Zentrums des Rotors angeordnet.
Der Teil der inneren Oberfläche 14, der kugelförmige ausgebildet ist, ist der Teil, in welchem sich sowohl die Flügel des Hauptrotors 20 als auch des Nebenrotors 30 drehen. In einer extremen Stellung, in der die Flügel des einen Rotors sich in die Welle des anderen Rotors erstrecken, (wie z. B. gezeigt den Fig. 11B und 11C) erstrecken sich die Flügel beider Rotoren in die Wellen 22, 32. Die Wellen 22, 32 sind nicht kugelförmig, sondern rotationssymmetrisch. Weiterhin sind der Hauptrotor 20 und der Nebenrotor 30 in den Bereichen, in denen sie sich während des Betriebes überschneiden, im wesentlichen kugelförmig ausgebildet. Die Reste der Rotoren 20, 30 und der inneren Oberfläche 14 müssen lediglich rotationssymmetrisch in dem benötigten Maße sein, um die Rotoren 20, 30 in dem Gehäuse 12 zu drehen.
Wie gesehen werden kann, arbeiten die konturierten Flächen 24, 26, 34, 36 des Hauptrotors 20 und des Nebenrotors 30 miteinander und mit der inneren Oberfläche 14 des Gehäuses 12, um Kammern 40 (der Raum zwischen den Flächen der Rotoren) zu formen, die das Volumen während der Drehung der Rotoren 20, 30 um die Achsen A bzw. B verändern. Öffnungen 42 sind in dem Gehäuse 12 vorgesehen, um es dem Fluid zu erlauben, in und aus den Kammern zu strömen.
Jede konturierte Fläche ist aus einer Kontaktfläche 24, 34 und einer Seitenfläche 26, 36 gebildet, die Flügel 25, 35 zwischen ihnen definieren. Die Kontaktflächen 24, 34 formen Kontaktbereiche zwischen den beiden Rotoren 20, 30. Das Abdichten in der Kammern 40 wird durch eine enge Toleranzpassung sowohl der Rotoren 20, 30 gegenüber dem Gehäuse 12 und der Lagerung 16 als auch durch den Kontakt der Flügel 25, 35 mit den jeweiligen Kontaktflächen 24, 34 erreicht.
Der Aufbau der Maschine wird wahrscheinlich am besten unter Bezugnahme auf die Art der Konstruktion der Rotoren 20, 30 verstanden.
Unter Bezug auf die Fig. 1A, 1B und 1C ist ein Hauptrotor beispielhaft in einem Anfangsstadium der Konstruktion dargestellt. Der Nebenrotor 30 der Fig. 8 ist ähnlich konstruiert. Der Hauptrotor 20 beginnt mit einer Kugel mit einer Welle 22, die entlang einer Achse A liegt. Die Achse B ist in einem Winkel zu der Achse A dargestellt.
Bezug nehmend auf die Fig. 2A, 2B und 2C wwird Material von dem Hauptrotor 20 entfernt, um einen kegelförmigen Abschnitt 21 zurückzulassen, dessen Scheitelpunkt in dem Zentrum E des kugelförmigen Hauptrotors 20 liegt und dessen Spitzenwikel 180 - αº ist. Die Achse des Kegels liegt entlang der Achse A.
Bezug nehmend auf die Fig. 3A, 3B und 3C ist ein gedachter Kegel 44 dem Hauptrotor 20 überlagert. Dieser gedachte Kegel 44 kann als Teil des Nebenrotors 30 gedacht werden, als ob der gedachte Kegel 44 auf dem entsprechenden Teil des Nebenrotors 30 liegt, wenn der Nebenrotor 30 sein Zentrum in dem Zentrum des Hauptrotors 20 hat (beide in dem Zentrum E des kugelförmigen Gehäuses). Wie in der Fig. 8 gezeigt, ist der gedachte Kegel 44 die Spitze 38a,b eines der Flügel 35 des Nebenrotors 30. Der Kegel 44 hat seinen Scheitelpunkt in dem Zentrum der Kugel des Hauptrotors 20 und seine zentrale Achse C liegt entlang der Oberfläche des kegelförmigen Oberfläche des Hauptrotors 20, dergestalt, daß die zentrale Achse C ein Radius ist, der sich nach außen von dem Zentrum des Hohlraumes in einen Winkel von α/2 von einer Normalen zu der Achse des anderen Rotors erstreckt.
Während davon ausgegangen wird, daß es notwendig ist, daß die Achse des geformten Kegels durch das gemeinsame Zentrum der Rotoren oder sehr nahe daran vorbei verlaufen muß, kann der Scheitelpunkt des Kegels unmittelbar jenseits des Zentrums liegen. Das heißt, die Entfernung von dem Scheitelpunkt des Kegels zu der äußeren Kante des Rotors kann größer oder kleiner als der Radius des Rotors sein. Im wesentlichen zweiteilt die zentrale Achse C des Kegels den größeren der beiden Winkel, der durch die Achse A und die Achse B gebildet wird, in der Ebene, in der beide Achsen A und B liegen. Der Kegel 44 hat einen Spitzenwinkel Θ. Die Größe von Θ hängt teilweise von der Festigkeit des Materials ab, aus dem der Hauptrotor 20 und der Nebenrotor 30 hergestellt sind. Je größer der Winkel Θ ist, desto geringer sind die Belastungen auf die Spitzen der Flügel 25, 35 und desto geringer ist der Druck, der durch die Flügel 25, 35 auf die Kontaktflächen 24, 34 ausgeübt wird. Der Wert von Θ hängt in einem gewissen Maße von α ab. Ein großes α nahe 45º benötigt kleine Θ, um zu vermeiden, daß die Flügel sich hinter die Drehachse erstrecken und um das Entfernen von zu viel Material zu vermeiden, das benötigt wird, um die Flügel zu stützen. Kleinere α können aus dem gleichen Grund größere Θ haben. α liegt vorzugsweise zwischen 1º und 45º.
Bezugnehmend auf die Fig. 4A, 4B und 4C wird der gedachte Kegel 44, um eine Kontaktfläche 24 zu erzeugen, mit dem Hauptrotor 20 so gedreht, als ob der Kegel auf dem Nebenrotor 30 wäre, der auf der Achse B liegt, mit seinem Zentrum in dem Zentrum des Hauptrotors 20. Beide Rotoren 20, 30 drehen sich zusammen um verschiedene Achsen. Der Pfad des Kegels 44 ist in der Fig. 4A dargestellt. Die Ortskurve L des Zentrums des Kegels auf der Oberfläche des Rotors 20 in dem Bezugssystem des Hauptrotors 20 ist in den Fig. 5A, 5B und 5C dargestellt. Die Fig. 5A zeigt eine Draufsicht. Die Fig. 5B zeigt eine Ansicht entlang der Achse A. Es kann gesehen werden, daß die Ortskurve eine Tropfenform aufweist. Die tatsächliche Form, entfernt durch den Kegel 44, ist näherungsweise durch das Hinzufügen eines Bandes mit der Breite Θ/2 um die Tropfenform, die in der Fig. 5 gezeigt ist, definiert. Der Tropfen befindet sich auf der Oberfläche einer Kugel, so daß Winkelentfernungen leicht zu berechnen sind.
Eine mathematische Beschreibung der Ortskurve L lautet wie folgt. Bezug nehmend auf die Fig. 5C ist A das gemeinsame Zentrum der Rotoren, B ist ein unterer Rotor, der zum Zwecke dieser Analyse als stationär angesehen wird und D ist ein oberer, sich bewegender Rotor. Die Rotoren liegen in einem Winkel 2φ zueinander. Der Winkel der Achse des formenden Kegels beträgt φ und der Drehwinkel der Rotoren innerhalb eines festen Bezugssystems beträgt Θ. P ist ein Punkt auf der Achse des formenden Kegels. R ist der Radius AP der Rotoren. Wenn u = R(sinφsin2φ + cosΘcos2φ) und v = RsinΘ, dann sind für den Punkt P die x-, y- und z-Koordinaten gegeben durch:
x = ucosΘ + vsinΘ, y = usinΘ - vcosΘ,
z = R(sinφcos2φ - cosΘsin2φ).
Die Ortskurve L des Pfades des Punktes P, dargestellt in der Fig. 5A, hat einen Wendepunkt I, der auftritt, wenn der Punkt P durch die Ebene z = 0 oder gleichbedeutend, wenn sinΘ = cos2φ/2cosφ, hindurchtritt. Die Ebene z = 0 ist eine Ebene senkrecht zu der Achse des stationären Rotors B, die durch das gemeinsame Zentrum der Rotoren hindurchgeht. Daher tritt der Wendepunkt I zweimal während jeder Drehung auf. Mit dieser Geometrie ist ein konstanter Kontakt der Rotoren zueinander gewährleistet, mit einer festen Dichtung für 360º der Drehung.
Eine Drehung der Rotoren um 180º um die Achsen A, B, mit der daraus folgenden Bewegung des Kegels 44 innerhalb des Hauptrotors 20, ist erforderlich, um die vollständige Kontaktfläche 24 auszubilden. Eine Drehung um einen kleinen Betrag geringer als 180º kann in einigen Fällen annehmbar sein, obwohl es nicht bevorzugt ist. Solch ein Design kann das Durchströmen von Fluid zwischen den Flügeln an dem Endpunkt der Drehung ermöglichen. Dies kann Vibrationen aufgrund plötzlicher Druckänderungen in der Kammer zwischen den beiden Kontaktflächen an dem Endpunkt der Drehung vermeiden. In dieser Position liegen die Kontaktflächen angrenzend aneinander. Wenn eine Kontaktfläche durch eine Drehung weniger als 180º konstruiert wurde, dann kann die korrespondierende Kontaktfläche des anderen Rotors durch eine Drehung größer als 180º konstruiert werden.
Der Kegel kann während der Konstruktion um 360º gedreht werden, aber weil die Oberfläche dergestalt gebildet ist, daß dem Gebrauch sich gegenseitig blockierender Flügel vorgebeugt wird, folglich die Entfernung von Material von dem Hauptrotor 20 erfordert, besteht keine Notwendigkeit, diese dergestalt auszuführen. Die Kontaktflächen 24, 34 eines jeden Rotors 20, 30 sind in dieser Art und Weise definiert. Es können sich 2, 3, 4 oder mehr Kontaktflächen an jedem Rotor befinden.
Tatsächlich bedeutet diese Art und Weise der Konstruktion, daß jede Kontaktfläche eines Rotors 20, 30 durch die Ortskurve definiert ist, die durch Punkte auf dem anderen Rotor, die entlang einer äußeren Kante auf dem Kegel liegen, gebildet wurde, während die Rotoren 20, 30 um ihre jeweiligen Achsen A, B rotieren.
Weil die Kontaktflächen 24, 34 des einen Rotors durch die Bewegung von Punkten auf dem anderen Rotor, während die beiden Rotoren sich miteinander drehen, definiert werden, kann sichergestellt werden, daß Kontaktpunkte zwischen den beiden Rotoren entlang einer radialen Linie R existieren, die entlang einer Kontaktfläche über zumindest 180º der Bewegung liegt. Die Linien R, die die Kontaktfläche 24 in den Fig. 4A, 4B, 4C, 6A, 6B und 6C schraffieren, illustrieren die radialen Linien, die die augenblicklichen Kontaktpunkte definieren, wenn die Rotoren sich relativ zueinander drehen. Weil die Linien, die die Kontaktpunkte zwischen den Rotoren definieren, die weiteste Eindringtiefe in den Rotor erreichen, bedeutet die Aufrechterhaltung des Kontaktes auf dieser Kontaktfläche, daß die Kontaktfläche sich zurück auf sich selbst abrollt, wie in der Fig. 5A gezeigt. Dies erlaubt keinem Teil des Nebenrotors 30 in die tropfenförmige Kontur einzudringen, es sei denn, die gegenüberliegenden Flächen der tropfenförmigen Ausnehmung, weggenommen durch den gedachten Kegel, stellen einen ausreichenden Abstand her, um ein Eindringen durch einen Flügel des Nebenrotors zu erlauben, wie in der Fig. 25 dargestellt, der nicht symmetrisch mit dem Flügel des Hauptrotors ist. Daher ist es in den Fällen, in denen die Flügel symmetrisch sein müssen, für den Kontaktpunkt zwischen den Rotoren notwendig, sich auf eine korrespondierende Kontaktfläche auf dem anderen Rotor zu verschieben. Dies findet statt, wenn jeder Rotor das Spiegelbild des anderen ist und die Kontaktflächen wie in den Fig. 4A, 4B und 4C dargestellt definiert werden, dann verschiebt sich die Kontaktlinie von der Kontaktfläche 24 des einen Rotors auf eine Kontaktfläche des anderen Rotors. Diese Verschiebung findet an dem Boden des Gehäuses und an der Spitze des Gehäuses statt, nämlich wenn die Kontaktflächen die Linie überspannt, die den spitzen Winkel zwischen den Achsen A und B zweiteilt. Das Verschieben von einer Kontaktfläche 24a auf die andere Kontaktfläche 34a kann durch die Betrachtung der Fig. 8 verstanden werden. Die Spitze 28a des Flügels 25a liegt an der Kontaktfläche 34a wie in der Figur dargestellt an und dies wird über die ganze Zeit der Fall sein, wenn der Flügel 25a sich auf der Seite der Maschine befindet, wie es in der Figur dargestellt ist, sowie für eine kurze Entfernung nach dem unteren Totpunkt. Nachdem der Flügel 25a die obere Position durchlaufen hat, dargestellt durch den Flügel 25b in der Figur, wird die Spitze 38a des Flügels 35a an der Kontaktfläche 24a des Hauptrotors in der gleichen Art und Weise anliegen, wie der Flügel 25a an der Kontaktfläche 34a in gezeigter Weise anliegt. Durch die Konstruktion aller Kontaktflächen 24, 34 in der beschriebenen Art und Weise, kann der ständige Kontakt zwischen den Flügeln 25, 35 an gegenüberliegenden Rotoren gewährleistet werden. Die Verwendung eines Kegels zum Formen eines Rotors und dadurch erfolgtes Entfernen von Material wird, wie auch immer, einen Spalt zwischen den Rotoren belassen, bis Material zu dem anderen Rotor hinzugefügt wurde.
Die Fig. 6A, 6B und 6C zeigen, wie Lücken zwischen den Rotoren an den Flügelkontakten vermieden werden. Ein Kegel aus Material 48, exakt korrespondierend zu dem gedachten Kegel aus Material 44, wird dem Rotor hinzugefügt. In diesen Figuren ist der Kegel aus Material 48 an einem Hauptrotor 20 dargestellt. Eine Drehung dieses Kegels aus Material 48 auf dem Hauptrotor 20 während sich der Nebenrotor 30 mit dem Hauptrotor dreht wird eine Kontaktfläche 34 auf dem Nebenrotor 30 in derselben Art und Weise erzeugen, wie die Kontaktfläche 24 auf dem Hauptrotor 20 erzeugt wurde. Die Kontaktfläche 34 wird die gleiche tropfenförmige Form wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt haben. Um die korrekte Tropfenform zu erzeugen, ist der Startpunkt für das Entfernen von Material von dem Rotor, wenn die Achse D des Kegels aus Material 48 oben liegt, nämlich entlang der Linie, die den stumpfen Winkel zwischen den Achsen A und B zweiteilt. Wie in der Fig. 6A gezeigt, muß deshalb der Kegel 48 um die Hälfte seines Spitzenwinkels gedreht werden, bevor er dazu verwendet werden kann, Material aus dem Nebenrotor 30 zu entfernen. Die zusätzliche Menge an Material an der Spitze 28, erzeugt durch den Kegel an Material 48, kompensiert den Verlust an Material während der Erstellung der konturierten Flächen des Rotors durch den Gebrauch des gedachten Kegels 44. Es wird angemerkt, daß der Kegel aus Material 48 und 44 nicht exakt kegelförmig zu sein braucht, noch muß der Scheitelpunkt des Kegels sich exakt in dem Zentrum des Hohlraumes befinden, aber die Kontaktab schnitte zwischen den Flügeln 25 des Hauptrotors 20 und Kontaktflächen 34 des Nebenrotors 30 sollten eine glatte Oberfläche haben. Je näher der Scheitelpunkt sich an dem Zentrum des Hohlraumes befindet, desto besser ist es für die Arbeitsweise des Rotors. Der Ausdruck "im wesentlichen", wie er in den Ansprüchen verwendet wird, ist vorgesehen, um eine Maschine abzudecken, dessen Kegel 48 nicht exakt in der dargelegten Art und Weise definiert ist, aber der das Konzept der Erfindung verkörpert.
Bezug nehmend auf die Fig. 7a, 7b und 7c ist ein Hauptrotor 20 mit vier Flügeln 25 und vier Kontaktfläche 24, erzeugt wie oben beschrieben, gezeigt. Seitenflächen 26 verbinden innere Enden 27 einer Kontaktfläche 24 mit den äußeren Enden 29 benachbarter Kontaktflächen. Die Seitenflächen 26, verschieden von den Kontaktflächen 24, haben eine etwas beliebige Form. Selbstverständlich sollten sie nicht jenseits der Spitzen 28 der Flügel 25 hervorstehen, da sie anderenfalls mit den Seitenflächen 36 des Nebenrotors 30 zusammenstoßen. Die Form der Seitenflächen 26 kann für verschiedene Veränderungen des volumetrischen Verhältnisses der Kammern 40, definiert zwischen den Rotoren 20, 30 angepaßt werden. Die Kammern können zu einem Siebtel ihrer maximalen Größe (Verdichtungsverhältnis 7 : 1) in einer 3-Flügel Ausgestaltung verdichten. Für die Ausgestaltung, die in der Fig. 8 durch die gepunktete Linie dargestellt ist, wird das Verhältnis kleiner sein. Für jede einzelne Kammer ist der Punkt der maximalen Verdichtung erreicht, wenn die Flügel 25a, 35a gleich entfernt von dem Fußpunkt ihrer Drehung sind, also von der Linie, die den spitzen Winkel zwischen den Achsen A und B zweiteilt. Eine Vergrößerung der Kammern 40 kann durch das Entfernen von Material von den Seitenflächen 26, 36 erreicht werden, um diese konkav zu machen. Gepunktete Linien F in der Fig. 8 zeigen bevorzugte Schnittlinien. Die resultierenden Kammern haben ein beachtliches Volumen zum effizienten Pumpen von Fluid aufgrund der Reduzierung der Fluidgeschwindigkeit bei den Einlaß- und Auslandkammern.
Es ist denkbar, daß der Hauptrotor 20 und der Nebenrotor 30 einseitig gelagert bzw. ohne zusätzliche Lagerung um ihre Wellen 22, 33 rotieren können. Wie dem auch sei, Kontaktprobleme und Fluidverluste in dem Zentrum des Hohlraumes führen zu beträchtlichen Schwierigkeiten. Es ist vorgesehen, daß ein kugelförmiges Lagerungsgehäuse durch das Entfernen einer Teilkugel von Material von dem Zentrum sowohl des Hauptrotors 20 und des Nebenrotors 30 herausgebildet wird, wie in den Fig. 7A, 7B und 7C gezeigt ist. Das kugelförmige Lagerungsgehäuse beherbergt die Lagerung 16.
Das Material der Rotoren die die Lagerung 16 umfassen, wie in den Fig. 7A, 7B und 7C gezeigt ist, ist tatsächlich konkav über mehr als 180º, was Schwierigkeiten bei der Konstruktion hervorruft. Die Lagerung kann einstückig mit einem Rotor hergestellt oder auf andere Weise an einem Rotor befestigt werden, bevorzugt der Hauptrotor 20. Für den anderen Rotor kann die Lagerung 16 locker in einem weniger als 180º aufweisenden Lagerungsgehäuse befestigt sein, was zu einem größeren Leckstrom führt, oder die Lagerung kann in das Gehäuse eingepreßt werden, thermisch geschrumpft und in das Lagerungsgehäuse eingeführt oder zum Einführung geschlitzt und einmal innerhalb des Lagerungsgehäuses gedreht werden, um dem Nebenrotor eine runde Lagerungsoberfläche zu präsentieren.
Die komplette Maschine ist in der Fig. 8 gezeigt. Der Hauptrotor 20 wird durch eine Antriebsquelle (nicht dargestellt) über die Welle 22 angetrieben. Flügel des Rotors 20 stoßen an Kontaktflächen 34 des Rotors 30 auf der gezeigten Seite und auf der anderen Seite (nicht dargestellt) stoßen Kontaktflächen 24 des Motors 20 an Flügel 35 des Rotors 30. Die Pumpe kann durch das Umkehren der Position der Kontaktfläche und der Seitenflächen eines oder mehrerer Flügel eines Rotors und der Kontaktflächen und Seitenflächen der korrespondierenden Flügel des anderen Rotors dazu ausgebildet werden, in umgekehrter Richtung zu pumpen. Das bedeutet, daß der Ort, an dem sich wie in der Figur gezeigt die Seitenfläche an einem Flügel befindet, der Ort einer Kontaktfläche wird und umgekehrt.
Die innere und äußere Konfiguration des Gehäuses ist in den Fig. 9, 10, 11A und 12 gezeigt. Insbesondere die Anordnung der Öffnungen 42 kann deutlich in den Fig. 9, 10 und 12 erkannt werden, zusammen mit Flanschen 50 für die Verbindung des Gehäuses 12 mit Einlaß- und Auslaß-Leitungen (nicht dargestellt). Eine alternative Schraubverbindung 51 ist ebenfalls in der Fig. 8 gezeigt. Das Gehäuse 12 ist vorzugsweise aus zwei Hälften 12a und 12b geformt und mit Schrauben 54 zusammengeschraubt. Die Öffnungen 42 sind an einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet, mit einer Einlaßöffnung 42a und einer Auslaßöffnung 42b. Fig. 12 zeigt eine Vierflügelpumpe mit zwei Öffnungen 42. Bereiche 53 zeigen Kontaktbereiche eines Flügels an Kontaktflächen zwischen den Haupt- und Nebenrotoren 20, 30. Fluid dringt in die Einlaßöffnung 42a und die Ausdehnungskammer 40a ein. Die Kammer 40c befindet sich in dieser Drehposition in maximaler Ausdehnung. Die Kammer 40b verdichtet und drängt daher Fluid aus der Öffnung 42b. Die Kammer 40d befindet sich in dieser Drehposition in maximaler Verdichtung. Die Öffnungen 42 haben vorzugsweise Umrandungen, die mit den Konfigurationen der Kammer an dem Ort übereinstimmen, an dem die Kammern die Grenzen der Öffnungen überschreiten, so daß so viele Punkte der Kammerkante wie möglich, definiert durch ein Flügelpaar 24, 34, die Kanten der Öffnung zur gleichen Zeit kreuzen. Eine beispielhafte Form und Öffnung mit einer Randkante 61 und einem Öffnungs durchgang 66 ist in der Fig. 14 gezeigt, mit einer sich annähernden Seite 62 und einer zurückweichenden Seite 64. Die nachfolgende Kante des Flügelsatzes, beginnend die Auslaßöffnung oder die Einlaßöffnung zu kreuzen, definiert die bevorzugte Form der Öffnung in dieser Position. Die vorlaufende Kante der Flügel, die Einlaßöffnung oder Auslaßöffnung verlassend, definiert die bevorzugte Form der Öffnung in dieser Position.
Die Fig. 11B und 11C stellen eine Ausgestaltung der Erfindung dar, in der die Flügel eines jeden Rotors in die Welle des anderen Rotors hineinragen. Dargestellt in den Fig. 11B und C ist der Hauptrotor 20 mit Welle 22, befestigt auf Lagerungen 21 in dem Gehäuse 12 und der Nebenrotor 30 mit Welle 32, befestigt auf Lagerungen 31. Die Flügel 25 des Rotors 20 ragen in die Welle 32 des Rotors 30 hinein, wie gezeigt bei 55 in der unteren Position. Es wird angemerkt, daß die Flügel 25 nicht in die Welle 32 in der oberen Position 57 hineinragen. Die Fig. 11C zeigt eine Ausgestaltung ähnlich die Fig. 11B, mit der Ausnahme, daß die Wellen 32 bis 52 ausgedehnt wurden, um teilweise die Flügel 25 des Hauptrotors 20 zu umgeben und um einen Teil der Grenzen der Kammern 40 zu definieren, insbesondere in der oberen Position.
Die Kammern 40 müssen daher nicht allein durch die Oberflächen 24, 26, 34 und 36 und die Lagerung definiert werden, sondern können ebenfalls teilweise durch einen Abschnitt der Wellen der Rotoren, die sich um die Rotoren erstrecken, definiert werden. Beide Wellen 22 und 32 können sich in dieser Art und Weise erstrecken (z. B. bei 52 in der Fig. 11C), aber sie können sich nicht soweit erstrecken, daß die Ausdehnungen beider Wellen sich an dem unteren Punkt der Drehung überschneiden. Daher ist zumindest ein V-förmiger Splitter des Gehäuses mit einem Spitzenwinkel und angeordnet zwischen den Rotoren 20, 30 in diesem Beispiel erforderlich, um die Kammern zu definieren.
Die Fig. 13 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, die als Flüssigkeits- oder Gasturbine ausgestaltet ist. Ein Zwei- Flügel-Motor ist möglich, wie gezeigt. Die Öffnung 54 ist eine Hochdruck-Einlaßöffnung und die Öffnung 56 ist eine Niedrigdruck-Auslaßöffnung. Gas dehnt sich in der Kammer 58 aus und entweicht aus der Kammer 59. Eine Spaltdichtung, wie z. B. eine sich bewegende Labyrinthdichtung oder eine berührungslose Getriebegrenzfläche, wäre an der gestrichelten Linie 60 zwischen den Oberflächen der Rotoren wichtig.
Eine kleine Lücke oder Einschnitt 49 in den Seitenflächen 26, 36, dargestellten der Fig. 15, ein Viertelkegel zum Beispiel, können von den inneren Enden 29 der Kontaktflächen 24, 34 entfernt werden, um das Entweichen von Fluid (dargestellt durch die Pfeile in der Fig. 15) an den Spitzen der Flügel 25, 35 an der Stelle zu erlauben, wenn die Kontaktflächen des Hauptrotors und des Nebenrotors Seite an Seite zueinander liegen und eine Sekundärkammer 282 definieren. Der Einschnitt muß sich nicht radial über die gesamte Seitenfläche erstrecken, sondern braucht nur einen kleinen Teil einzunehmen, vergleichbar mit einer Leckstelle. In dieser Positionen wird eine kleine Sekundärkammer 282 zwischen den Kontaktflächen des Haupt- und Nebenrotor an dem Fuß der Drehung geformt. Die Vorsehung der kleinen Lücke 49 reduziert die Geschwindigkeit des Fluides aufgrund des Drückens des Fluides hinter die Spitzen der Flügel von einer Kammer in die andere und beugt deshalb einer übermäßigen Belastung auf die Spitzen der Flügel vor und wirkt sich auf eine Steigerung der Effektivität aus.
Zum Betrieb als eine Pumpe wird der Hauptrotor durch eine Energiequelle angetrieben. Die Drehung des Haupt- und Nebenrotors miteinander bewirkt die Kontraktion der Kammern 40 während der Bewegung von dem Punkt der maximalen Entfernung der Rotoren in der oberen Stellung zu dem Punkt der minimalen Entfernung der Rotoren in der unteren Stellung. Auf der anderen Seite vergrößern sich die Kammern. Während der Vergrößerung lassen die Kammern Fluid einströmen und während der Kontraktion der Kammern drücken sie Fluid hinaus und vergrößern die Geschwindigkeit und/oder den Druck des Fluids und vergrößern die Energie des Fluides. So wird die Energie des Motors, der die Pumpe antreibt, in Energie umgewandelt, die dem Fluid übertragen wurde. Die hier beschriebenen Teile können aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, eingeschlossen Kunststoffe und Metall, abhängig von dem beabsichtigten Gebrauch. Stahl wird wahrscheinlich für den Hauptrotor 20 verwendet werden, während Messing für den Nebenrotor 30 verwendet werden wird. Bei 10.000 U/min wird davon ausgegangen, daß eine Stahl- und Bronzepumpe in der Lage ist, 10 PS pro Pfund (lbs) Pumpengewicht zu produzieren, und 20 PS pro Pfund (lbs) Pumpengewicht bei Titanrotoren. Es muß Sorge dafür getragen werden, daß enge Toleranzpassungen der Flügel bereitgestellt werden, so daß nur wenig Fluid zwischen den Flügelkontakten und zwischen dem Rotor und dem Gehäuse entweichen kann. Es kann ebenfalls Material zu den Flügeln hinzugefügt werden, um die Haltbarkeit zu erhöhen.
Diese Erfindung betrifft eine rotierende Verdrängerpumpe mit einem hohen Wirkungsgrad, angenommen wird ein Gesamtwirkungsgrad von 90%, und für eine Pumpe mit einem äußeren Durchmesser von 20,32 cm (8 Inch) und mit Rotoren mit 17,78 cm (7 Inch) wird angenommen, daß sie in der Lage ist, pro Umdrehung einen Liter zu pumpen. 100% Drehbewegung bewirkt weniger Belastung auf Teile und eine geringe Vibration. Anwendungen umfassen Bewässerung, Feuerbekämpfung, Tiefenwasser- und Ölförderung, Hydraulik, Produktförderpumpen und Hochhauswasserpumpen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in der Fig. 16 für eine bevorzugte Anwendung als eine äußere Verbrennungsmaschine dargestellt. Wie bei der Pumpenausgestaltung der Fig. 8 beinhaltet die Maschine einen Haupt- oder Leistungsrotor 120, der sich um eine erste Achse A dreht und einen Passivrotor 130, der sich um eine zweite Achse B dreht, die von der Achse A um einen Winkel versetzt ist. Jeder Rotor 120, 130 ist teilweise kugelförmig mit einem gemeinsamen Zentrum ausgebildet. Dies bedeutet, daß die äußeren Oberflächen 121, 131 dem Inneren einer Kugel den Bereichen folgt, in denen Teile der Rotoren sich überschneiden, so daß sich beide innerhalb des kugelförmigen Gehäuses drehen können. Wo sich die Rotoren nicht überschneiden, müssen die Rotoren lediglich rotationssymmetrisch sein. Jeder Rotor weist konturierte Flächen auf, beinhaltend Kontaktflächen 124, 134 und Seitenflächen 126, 136. Die konturierten Flächen 124, 126, 134, 136 des Leistungs- und Passivrotors 120 und 130 wirken miteinander zusammen, um Kammern 140 zu bilden, die das Volumen mit der Drehung des Leistungsrotors und des Passivrotors um ihre jeweiligen Achsen verändern.
Das Operationsende 141 des Leistungsrotors 120 wird von dem Passivrotor 130 umgeben. Die Seitenflächen 126 des Leistungsrotors 120 verbinden gegenüberliegende (innere und äußere) Enden der Kontaktflächen 124, um Kolben 125 zu definieren. Die Seitenflächen 136 des Passivrotors 130 verbinden gegenüberliegende (innere und äußere) Enden der Kontaktflächen 134, um Zylinder zu definieren, ein Zylinder korrespondierend zu jedem Kolben. Vorzugsweise haben alle Kolben und Zylinder in jeder einzelnen Maschine die gleiche Form, so daß die Beschreibung eines die Beschreibung aller ist.
Wie bei der Pumpe werden die Kontaktflächen 134 der Zylinder durch die Ortskurve definiert, die durch Punkte auf den Kontaktflächen des korrespondierenden Kolbens gebildet wird, wenn die Rotoren 120, 130 sich um ihre jeweiligen Achsen drehen. Jede Kontaktfläche 124 eines jeden Kolbens 125 kann durch einen Kegelabschnitt definiert werden, dessen zentrale Achse G1, G2 im wesentlichen ein Radius ist, der sich von dem gemeinsamen Zentrum der Rotoren nach außen erstreckt. Das bedeutet, die Punkte auf jeder Kontaktfläche 124, die in dem gleichen Abstand von der Achse A liegt, liegen auf einem Bogen, der auf einer der Achsen G1 und G2 zentriert ist. Der Bogen ist ein Teil eines Kegels, dessen Achse sich durch das gemeinsame Zentrum der Rotoren erstreckt. Der Scheitelpunkt des Kegels kann in dem gemeinsamen Zentrum oder kurz davor oder unterhalb liegen, so daß die Entfernung von dem Scheitelpunkt des Kegels zu der äußeren Kante des Kolbens oder des Zylinders geringer oder größer als der Radius des Rotors ist. Für einen vorgegebenen Kolben wird bevorzugt, daß die beiden Achsen G1 und G2 für jeden Kolben auf gegenüberliegenden Seiten der Ebene H liegen, die die Achsen A und B zweiteilt. Weiterhin wird bevorzugt, daß die Ebene (bezeichnet PG2), definiert durch die Drehung der Achse G2 (die Achse, nächst zu der Welle 122 des Leistungsrotors), die Ebene H an dem unteren Totpunkt (BDC) schneidet und daß die Ebene (PG1), definiert durch die Drehung der Achse G1 (die Achse, entferntest der Welle 122 des Leistungsrotors), die Ebene H an dem oberen Totpunkt (TDC) schneidet. Die Lagen von G1 und G2 können über die Achse H gespiegelt werden. Dies ändert nur die Orientierung der Kolben 125, nicht deren Funktion. Die Kontaktflächen 124 der Kolben 125 müssen nicht durch die Radien des gemeinsamen Zentrums der Rotoren definiert werden, sondern können willkürlich in der Form sein, soweit die Formen der korrespondierenden Flächen 134, 136 der Zylinder 135 zu der Form der Kolben 125 paßt, so daß eine Spaltdichtung zwischen ihnen zumindest für einen Teil der Drehung der Rotoren 120, 130 vorgesehen ist. Die Kontaktflächen 124 müssen keine perfekten Bögen sein. Material kann bei 127 bis zu einer Hälfte der Kontaktfläche 124 entfernt werden, um die Kontaktfläche 124 weniger gebogen, flach oder sogar konkav in diesem Bereich zu machen. Solch ein Design wird als hilfreich bei dem Drücken von Fluid von der Kammer 140 (Kompressionsseite 140a in der Fig. 17.1) angesehen, wenn die Kammer sich schließt.
Wenn gebogene Kontaktflächen 124 auf der gleichen Seite der Ebene H zentriert sind, ist es schwierig, eine Dichtung auf beiden Seiten des Kolbens zu erhalten, ohne daß der Kolben mit der Zylinderwandung in einer anderen Rotorstellung zusammenstößt. Die Orientierung der Seitenflächen 126, 136 ist vorzugsweise senkrecht zu den jeweiligen Achsen A und B an dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt. Die Seitenflächen 126 sind so geformt, daß sie sich der Form der Seitenflächen 136 anpassen, beide sind in diesem bevorzugten Beispiel flach, aber es können andere übereinstimmende Formen verwendet werden. Übereinstimmung ist erforderlich, wenn ein 100% Kompressionsverhältnis erforderlich ist. Die Seiten 126, 136 müssen nicht übereinstimmen, wenn weniger als 100% Kompression annehmbar ist. Wie bei den Seiten 26, 36 der Pumpen aus Fig. 8, können die Seiten 126, 136 konkav ausgebildet werden.
Die Bewegung der Kolben 125 in den Zylindern ist durch eine Abfolge von Ansichten in den Fig. 17.1 bis 17.10 dargestellt, die die Bewegung eines beispielhaften Kolbens 125 zeigt, betrachtet von einem rotierenden Bezugsrahmen, der sich mit den Rotoren dreht. Die folgende Beschreibung betrifft eine äußere Verbrennungsmaschinen, Kompressor, Turbine oder Pumpe.
Die Fig. 17.1 zeigt den Kolben an dem oberen Totpunkt, mit einer Seite 126 an einer Seite 136 des Zylinders anliegend, im wesentlichen die Ausdehnung von Null Volumen der einen Seite 140b der Kammer und der Verdichtung der anderen Seite 140a der Kammer zu Null Volumen einleitend. An dem oberen Totpunkt wurde eine Einlaßöffnung (nicht dargestellt in den Fig. 17.1 bis 17.10, aber zu sehen in der Fig. 19) gerade geschlossen und eine Ausdehnungsöffnung (nicht dargestellt, aber zu sehen in der Fig. 18) wird gerade geöffnet. In der Fig. 17.2 öffnet die Ausdehnungsöffnung und sich ausdehnendes Gas aus dem Zweistufen-Vergasungsbrenner (Combustor) 150 (Fig. 24) tritt auf der Seite 140b der Kammer, definiert durch den Zylinder, ein. Das sich ausdehnende Gas drückt den Kolben 125 durch die Kammer 140 und bewirkt, daß beide Rotoren sich um ihre Achsen drehen. Kontaktflächen 124 und 34 sind auf beiden Seiten des Kolbens 125 in Kontakt und dichten deshalb die Seite 140b der Kammer ab. Bogenmittelpunkte auf dem Kolben 125 folgen wie gezeigt tropfenförmigen Pfaden, ähnlich der Tropfenform, die in der Fig. 5a gezeigt ist. Die Formen in den Figuren sind für die zentralen Achsen G1 und G2. Die Tropfenform für G1 und Bogenmittelpunkte auf dieser Seite der Ebene H ist umgekehrt zu der Tropfenform für G2 auf der anderen Seite der Ebene H, und die Richtung der Bewegung entlang der Tropfenform ist umgekehrt, mit dem Ergebnis, daß sich der Kolben 125 in dem Bezugsrahmen des Zylinders verdreht, wenn die Rotoren sich drehen. Während die Ausdehnung in der Kammer 140b fortgesetzt wird, wird Gas auf der Seite 140a verdichtet.
Während die Ausdehnung fortgesetzt wird, kann die Kraft der Ausdehnung allmählich abnehmen, während die Verdichtung in der Kammer 140a ansteigt. Wie in der Fig. 17.3 gezeigt, schließt die Ausdehnungsöffnung zuerst, während die Ausdehnung weiter fortgesetzt wird und die Verdichtung fortgeführt wird, mit allen Öffnungen geschlossen. In der Fig. 17.4 öffnet die Verdichtungsöffnung (Fig. 18) und verdichtete Luft wird zu dem Zweistufen-Vergasungsbrenner 150 geleitet. An dem unteren Totpunkt wird die Kammer 140a geschlossen und die Kammer 140b hat ihr maximales Volumen inne. Die Verdichtungsöffnung und die Auslaßöffnung (in der Kammer 140b) öffnen.
In allen Fig. 17.1 bis 17.5 bewegt sich der Kolben von dem oberen Totpunkt zu dem unteren Totpunkt (Fig. 18) und der Kolben steht in ständigem Kontakt mit dem Zylinder entlang beider Kontaktflächen 124. In den Fig. 17.6 bis 17.10 bewegt sich der Kolben von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt (Fig. 19) und die Kolbenkontaktflächen berühren aufgrund der relativen Drehung des Kolbens zu dem Nebenrotor, wenn die Zentren G1 und G2 den dargestellten tropfenförmigen Pfad folgen, nicht die Kontaktflächen 134 des Zylinders.
Wenn der Kolben anfängt, sich, wie in der Fig. 17.6 gezeigt, seinen Weg zurück durch den Zylinder zu bahnen, öffnet die Einlaßöffnung und erlaubt das Eindringen von Gas (zum Beispiel Umgebungsluft) in die Kammer 140a, während sich das Ausströmen in der Kammer 140b fortsetzt. In den Fig. 17.7 bis 17.10 setzt sich der Einlaß und das Ausströmen fort und unmittelbar nach der Position, die in der Fig. 10 dargestellt ist, schließen sich sowohl die Auslaß- als auch Einlaßöffnungen, um den Zyklus zu vollenden.
Wie in der Fig. 18 gezeigt, sind die Rotoren 120 und 130 in einem Gehäuse 112 befestigt, welches eine innere Oberfläche 114 hat, die eine zumindest teilweise kugelförmige Aushöhlung definiert, deren Zentrum mit dem gemeinsamen Zentrum der Rotoren 120 und 130 zusammenfällt. Die innere Gehäuseoberfläche 114 wirkt mit den konturierten Flächen 124, 126, 134 und 136 zusammen, um die Kammern 140 zu formen. In diesem Beispiel umgibt das Gehäuse 112 beide Rotoren. Eine Ausdehnungsöffnung 155 ist in dem Gehäuse 112 ausgebildet, um sich ausdehnenden Gasen von dem Zweistufen-Vergasungsbrenner 150 (Fig. 24) das Eindringen in die Kammern 140b zu erlauben. Eine Verdichtungsöffnung 157 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ausgebildet, und zwar deshalb auf der gegenüberliegenden Seite der Kammern 140, um verdichtetes Gas aus der Kammer 140a ausströmen und in den Zweistufen-Vergasungsbrenner 150 einströmen zu lassen. Fig. 19 ist ein Schnitt, der von der anderen Seite der Maschine der Fig. 18 genommen wurde. Die Anordnung der Einlaßöffnung 154 und der Auslaßöffnung 156 sind dargestellt. Sowohl Öffnung 154 als auch Öffnung 156 sind in dem Gehäuse 112 ausgebildet, obwohl es möglich ist, wie mit den Ausdehnungs- und Verdichtungsöffnungen, diese in dem Passivrotor selbst auszubilden.
Mit Bezug auf die Fig. 20, 22 und 24 kann ein Passivrotor 130 auf einer sich von dem Gehäuse 112 erstreckenden Welle 133 befestigt sein oder vorzugsweise an dem Gehäuse mit einer koaxialen Welle 122 befestigt sein, unterstützt durch die Passivrotorwelle 132. Eine Lagerung 162, koaxial zu der Achse A und gegen welche sich der Hauptrotor 120 dreht, ist an dem weitest herausragenden Teil der Welle 133 angeordnet. In der Fig. 21 wurde die Welle 133 gekürzt, um überflüssiges Material zu entfernen, und die äußere Oberfläche 131 des Passivrotors 130 ist auf Lagerungen 164 befestigt, die um die innere Oberfläche 114 des Gehäuses 112 angeordnet sind. In der Fig. 22 ist die Welle 122 an beiden Enden auf Lagerungen 166, 162 gelagert, während der Passivrotor 130 aus zwei Teilen 130a und 130b hergestellt wurde, miteinander verschraubt, um eine Erleichterung der Montage und Widerstand gegen eine zentrifugale Ausdehnung des Passivrotors 130 bereitzustellen.
In der Fig. 23 ist der Passivrotor 130 aus einem ersten ringförmigen Rotorteil 130a und einem zweiten ringförmigen Rotorteil 130c an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses hergestellt, an welches Rotorensegmente 130b angeschraubt sind, die die Kammern 140 trennen. Die ringförmigen Rotorteile 130a und 130c sind drehbar gegenüber dem Gehäuse 112 auf den Lagerungen 164 gelagert. Die ringförmigen Rotorteile 130a und 130c sind symmetrisch dargestellt, müssen dies aber nicht sein. Eine Ausdehnungsöffnung 158 und eine Verdichtungsöffnung 159, die durch den Passivrotor 130 und das Gehäuse 112 hindurchgehen, sind vorgesehen. Weiterhin sind Kolben 125 an den Leistungsrotor 120 angeschraubt. In dieser Art und Weise wurde die Masse des Passivrotors 130 soweit wie möglich durch das Entfernen von Material von dem Rotor 130 und durch dessen Ersetzen durch hinzugefügtes Material in das nicht drehende Gehäuse reduziert.
Die Luftströmungsrichtung durch die Öffnungen 158 und 159 wurde bestimmt, um innere Energieverluste der Gasströmung zu minimieren. Die innere Energie des sich ausdehnenden Gases, das in die Ausdehnungsöffnung 158 eintritt, hilft die Kolben 125 zu drücken und die Zentrifugalkraft hilft beim Ausräumen von Abgasen, während bei der Verdichtungsöffnung 159 verdichtetes Gas, das die Kammer 140a verläßt, nicht die Richtung ändert, wenn es sich von der Kammer zu der Öffnung bewegt. Diese Modifikationen reduzieren Verluste aufgrund des Wechsels in der Richtung des Gasstromes in der Maschine. Berührungslose Spaltdichtungen können zweckmäßigerweise in diesem Entwurf an den Dichtpunkten entlang der Kontaktflächen 124 und 134 verwendet werden. Berührungslose Spaltdichtungen sind in diesem Entwurf aufgrund ihrer relativ hohen Betriebsgeschwindigkeit und der resultierenden Verringerung in der Auslaufzeit (leak down time) zweckmäßig. Es wird angenommen, daß der vorliegende Entwurf den Kontakt zwischen den Oberflächen der Haupt- und Nebenrotoren aufgrund der geringen Luftleckage zwischen diesen Oberflächen reduziert, wodurch ein Luftlagereffekt erzeugt wird.
In der Fig. 24 ist eine äußere Verbrennungskammer 150 und ihr Verhältnis zu der in der Fig. 23 dargestellten erfindungsgemäßen Maschine gezeigt, mit sich ausdehnenden Gas, das der Öffnung 158 zugeführt wird, und verdichtetem Gas, das aus der Öffnung 159 in den Einlaß der Verbrennungskammer 150 ausgestoßen wird. Die Treibstoffversorgung und Zünder für die Verbrennungskammer sind nicht dargestellt, da eine Vielfalt an äußeren Verbrennungskammern 150 und Treibstoffen bei der erfindungsgemäßen Maschine verwendet werden kann.
Im allgemeinen ist die Anzahl der Kolben wählbar und hängt in gewissem Maße von dem Versatzwinkel der Rotoren ab. Weiterhin darf der Versatz der Achsen A und B nicht so groß sein, daß zuviel Material des Passivrotors entfernt wird, mit einer bevorzugten Begrenzung von ungefähr 45º, und auch nicht, in dem Fall der Ausgestaltung der Fig. 24, so klein, daß die Kraft in der Ausdehnungskammer 140b zu klein ist, um die Reibungskräfte auf die Rotoren zu überwinden. Die Größen und Formen der Öffnungen können ebenfalls verändert werden, abhängig von Strömungserfordernissen, obwohl für die Maschine ebenso wie für die Pumpe die Öffnungsumrandungen vorzugsweise mit den Kammerkanten übereinstimmen, wenn die Kammern die Öffnungen kreuzen. Es wird eingeschätzt, daß die Erfindung geringe Reibungsverluste bewirkt, mit einem laminaren Gasstrom innerhalb der Maschine.
Intermittierende Kühlung der Ausdehnungskammern und Kolben soll den Einsatz hoher Temperaturen erlauben, ohne den Gebrauch sehr teuren temperaturbeständigen Materials.
Eine weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine ist in der Fig. 25 dargestellt. In dieser Ausgestaltung ist ein versetzter erster Rotor 220 und zweiter Rotor 230 direkt oberhalb des oberen Totpunktes zu sehen, jeder beinhaltet konturierte Flächen 224 bzw. 234. Der Rotor 220 und Rotor 230 können Haupt- oder Nebenrotor sein, abhängig von der Art des Gebrauches. Die konturierten Flächen 224 des ersten Motors beinhalten erste Paare gegenüberliegender Kontaktflächen 224a, 224b. Jede Kontaktfläche 224a, 224b ist durch die Ortskurve definiert, geformt durch Punkte auf dem Nebenrotor, wenn sich die Rotoren um ihre jeweiligen Achsen drehen. Die Punkte sind diejenigen auf den Seiten des kegelförmigen Kolbens 244, die einen Teil des Nebenrotors 230 ausbilden und mit dem gedachten Kegel der Fig. 3A-3C korrespondieren. Die gegenüberliegenden Kontaktflächen 224a, 224b, 224, 234 definieren eine Kammer 240a, 240b zwischen ihnen. Mehrere solcher Kammern 240a, 240b und kegelförmiger Kolben 244 können um den ersten Rotor 220 und zweiten Rotor 230 ausgebildet sein. Ähnliche Kammern 240a, 240b können ebenfalls in dem zweiten Rotor 230 ausgebildet sein, mit korrespondierenden kegelförmigen Kolben an dem ersten Rotor 220. Der kegelförmige Kolben 244 an dem zweiten Rotor 230 ist mit dem Hauptteil des zweiten Rotors 230 durch einen Materialsteg 245 verbunden, dessen seitliche Ausdehnungen einerseits durch die Größe der Öffnung der Kammer 240a und andererseits durch die Notwendigkeit zur Herstellung einer belastungsfähigen Verbindung zwischen dem kegelförmigen Kolben 244 und dem zweiten Rotor 230 begrenzt sind. Die Kammer 240a, 240b bildet daher einen Zylinder aus. Während die Rotoren 220, 230 sich um ihre jeweiligen Achsen drehen, bewegt sich der kegelförmige Kolben 244 in (unterer Totpunkt) und aus (oberer Totpunkt, dargestellt) der Kammer 240a und verändert dadurch das Volumen der Kammern 240. Die Kammer 240a ist nur für eine kurze Zeitspanne an dem oberen Totpunkt abgedichtet. Ununterbrochener Kontakt wird durch die Seiten des kegelförmigen Kolbens 244 mit den Seiten der Kammer 240a während der Drehung hergestellt. Öffnungen können für das Einströmen und Ausströmen von Fluiden aus den Kammern 240a, 240b vorgesehen sein. Bei 250, 251 an den Rotoren dargestelltes Material ist angeordnet, um ein Zusammenstoßen der Rotoren miteinander zu vermeiden und die notwendige strukturelle Festigkeit für die Kammern 240a und kegelförmige Kolben 244 vorzusehen.
Die Verbrennungsmaschine soll ein hohes Leistungs-Masse-Verhältnis mit einem geringen Treibstoffverbrauch und geringen schädlichen Emissionen bereitstellen.
Bezug nehmend auf die Fig. 26 und 27 ist eine Ausgestaltung einer Pumpe mit einem geringen Verdichtungsverhältnis dargestellt. Rotoren 20 und 30 sind jene, die in der Fig. 8 dargestellt sind, wobei Material entlang der Linien F von den gegenüberliegenden Seitenflächen 26 und 36 entfernt wurde. Die Seitenflächen 26 und 36 erstrecken sich daher in jeden Rotor, in welchem sie ausgebildet sind, über die Ortskurve hinaus, die durch einen Kegel auf dem anderen Rotor ausgebildet wurde, während sich der Rotor dreht. Vorzugsweise sind die Seitenflächen 26, 36 soweit wie möglich in den Rotoren 20 und 30 ausgehöhlt, ohne signifikante Schwächung der strukturellen Vollständigkeit der Flügel. Das bedeutet, wenn die Flügel zu dünn hergestellt wurden, werden sie bis zu einem nicht annehmbaren Punkt geschwächt, an dem sie zu leicht beim Gebrauch versagen werden. Dieser Versagenspunkt kann leicht experimentell bestimmt werden und hängt von dem Material ab, aus dem die Flügel hergestellt sind.
Die Kontaktflächen 24 und 34 sind unverändert dargestellt, jedoch kann Material auf den Rückseiten eines jeden Flügels hinzugefügt werden, wie an den Spitzen 262, 264 der Flügel dargestellt, um ein gewisses Maß an Haltbarkeit bei einer geringen Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit zu erreichen. Das minimale Volumen der Primärkammer 260 einer Niedrigdruckausgestaltung ist in der Fig. 26 gezeigt und das maximale Volumen bei 270 in der Fig. 27. Wie gesehen werden kann, weist die Primärkammer 260 ein hohes Anfangsvolumen und ein größeres Endvolumen auf, was zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis führt.
Bezug nehmend auf die Fig. 28 und 29A-F wird die Form der Sekundärkammer dargestellt. Die Bezugszeichen unterhalb einer jeden Figur zeigen in die ungefähren Volumina der dargestellten Sekundärkammern an. Die Sekundärkammer 282 wird zwischen gegenüberliegenden Kontaktflächen 26, 36 der gegenüberliegenden Rotoren 20, 30 gebildet. Die Fig. 29C zeigt die Form der Sekundärkammer 282 bei 0º Drehung, wie in der Fig. 28, mit den geformten Rotorflächen, definiert durch einen Kegel mit einem Kegelwinkel ungleich Null. Die Fig. 29D zeigt die Form der Sekundärkammer der Fig. 29C bei einer Drehung um ungefähr 35º. Die Fig. 29A zeigt die Form der Sekundärkammer bei 0º Drehung, bei einem Kegel mit 0º Spitzenwinkel. In dieser idealen Position verändert die Sekundärkammer 280 das Volumen während sie sich dreht nicht, wie in der Fig. 29B gezeigt, die die 35º Position darstellt. Für einen übertriebenen Kegelwinkel kann in den Fig. 29E und 29F gesehen werden, daß die Sekundärkammer 284 das Volumen beträchtlich zwischen der 0º Position in der Fig. 29E und der 35º Position der Fig. 29F ändert.
Es wird bevorzugt, daß die Volumenänderung in der Sekundärkammer minimiert wird. Dies kann durch die Verringerung des formenden Kegelwinkels auf den niedrigsten praktikablen Winkel, der nicht Null ist, erreicht werden. Aufgrund der geringen Veränderungen des Volumens der Sekundärkammer, insbesondere wenn sie für das Pumpen inkompressibler Fluide eingesetzt wird, wird bevorzugt, daß Fluid aus der zweiten Kammer 282, unmittelbar vor oder nachdem die Sekundärkammer 282 ihr minimales Volumen hat, durch das Versehen mit kleinen Einschnitten 49 in den Seitenflächen 26, 36, wie in der Fig. 15 dargestellt, austreten kann. Selbst wenn dieser angesprochene Einschnitt nicht verwendet wird, ist es wünschenswert, daß die Sekundärkammer 282 lediglich kurzfristig an dem Punkt des minimalen Volumens der Sekundärkammer abgedichtet ist.

Claims

1. Maschine mit einem Gehäuse (12),

- einem ersten Rotor (20), der drehbar um eine erste Achse (A) in dem Gehäuse gelagert ist und der erste Rotor erste konturierte Flächen (24, 26) aufweist und zumindest einen Teil einer ein Zentrum aufweisenden Kugel bildet,

- einem zweiten Rotor (30), der drehbar in dem Gehäuse um eine zweite Achse (B) gelagert ist und der zweite Rotor zweite konturierte Flächen (34, 36) aufweist und zumindest einen Teil einer Kugel mit einem gemeinsamen Zentrum mit dem Zentrum des ersten Rotors bildet,

- die erste und die zweite Achse sind zur Kollinearität um einen Winkel α versetzt und schneiden sich in den gemeinsamen Zentren der Rotoren,

- jede der konturierten Flächen weist eine Kontaktfläche (24, 34) und eine Seitenfläche (26, 36) auf,

- die Kontaktflächen jedes Rotors sind durch Punkte geformt, die gegenseitige Kontaktbereiche zwischen den Rotoren definieren und jede Kontaktfläche jeden Rotors ist durch eine Ortskurve definiert, die durch die Drehung der Rotoren um ihre jeweiligen Achsen durch Punkte auf dem anderen Rotor gebildet wird,

- die Kontaktflächen und die Seitenflächen definieren Flügel (25), die zur Bildung von Kammern, die mit der Drehung der Rotoren um ihre Achsen ihr Volumen ändern, zusammenwirken,

- Öffnungen (42) sind innerhalb des Gehäuses angeordnet, um einem Fluid das Strömen in und aus den Kammern zu erlauben,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Punkte eines jeden Rotors, die die Ortskurve festlegen, entlang einer äußeren Kante eines Kegels (44) liegen, dessen zentrale Achse (C) im wesentlichen einen Radius ist, der sich nach außen von den gemeinsamen Zentren der Rotoren in einen Winkel von α/2 zu einer Normalen zu der Achse des anderen Rotors erstreckt, so daß die gemeinsamen Kontaktbereiche, die durch die Punkte gebildet sind, die die Kontaktflächen eines jeden Rotors formen, im wesentlichen dicht gehalten werden, während die Rotoren um ihre jeweiligen Achsen drehen.

2. Maschine nach Anspruch 1, in der der erste und der zweite Rotor (20, 30) einander über dem gemeinsamen Zentrum der Rotoren gegenüberstehen und der erste Rotor einen Hauptrotor und der zweite Rotor einen Nebenrotor bildet.

3. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der das Gehäuse (12) eine innere Oberfläche aufweist, die zumindest einen teilweise kugelförmigen Hohlraum festlegt, dessen Zentrum mit dem gemeinsamen Zentrum der Rotoren zusammenfällt und die innere Oberfläche des Gehäuses mit den konturierten Flächen der Rotoren zur Bildung der Kammern zusammenwirkt.

4. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der die Kontaktflächen (24, 34) innere und äußere Enden aufweisen und die Seitenflächen (26, 36) ein inneres Ende einer Kontaktfläche mit dem äußeren Ende einer benachbarten Kontaktfläche verbindet.

5. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der die Öffnungen (42) Randkanten aufweisen, die durch die Form der Flügel festgelegt werden, während diese die Öffnungen kreuzen.

6. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der die Flügel (25) in kontinuierlichem Kontakt mit den Kontaktflächen der korrespondierenden Kammern stehen, während sich die Rotoren um ihre jeweilige Achse drehen.

7. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der gegenüberliegende Seite Flächen (26, 36) Primärkammern festlegen und gegenüberliegende Kontaktflächen Sekundärkammern festlegen und daß das Verhältnis des Maximalvolumens der ersten Kammer zu dem Minimalvolumen der Primärkammer geringer als 7 : 1 ist.

8. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der gegenüberliegende Seitenflächen (26, 36) Primärkammern festlegen und gegenüberliegende Kontaktflächen Sekundär kammern festlegen und daß die Sekundärkammer nur vorübergehend an dem Punkt des Minimalvolumens der Sekundärkammer abdichtet.

9. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der Punkte auf jedem Rotor (20, 30) einer tropfenförmigen Ortskurve folgen, mit einem Wendepunkt, wenn die Punkte eine Ebene schneiden, die durch das gemeinsame Zentrum der Rotoren hindurchgeht und senkrecht zu der Achse des anderen Rotors liegt.

10. Verfahren zur Herstellung einer Maschine (10), in der die Maschine ein Gehäuse (12) mit einer inneren Oberfläche, die zumindest einen teilweise kugelförmigen Hohlraum festlegt, der ein Zentrum aufweist;

- einem ersten Rotor (20), der drehbar um eine erste Achse (A) in dem Gehäuse gelagert ist und konturierte Flächen (24, 26) aufweist und zumindest einen Teil einer ein Zentrum aufweisenden Kugel bildet;

- einem zweiten Rotor (30), der drehbar in dem Gehäuse um eine zweite Achse (B) gelagert ist und zweite konturierte Flächen (34, 36) aufweist;

- die erste und die zweite Achse sind zur Kollinearität um einen Winkel versetzt und schneiden sich in dem Zentrum des Hohlraumes;

- die Kontaktflächen jedes Rotors sind durch Punkte geformt, die gegenseitige Kontaktbereiche zwischen den Rotoren definieren;

- die Kontaktflächen und die Seitenflächen definieren Flügel (25), die miteiander und der inneren Oberfläche zur Bildung von Kammern, zusammenwirken, die ihr Volumen mit der Drehung des ersten Rotors und des zweiten Rotors um die erste beziehungsweise zweite Achse ändern,

- Öffnungen (42) sind innerhalb des Gehäuses angeordnet, um einem Fluid das Strömen in und aus den Kammern zu erlauben;

das Verfahren umfaßt die Schritte:

Bereitstellen von ersten und zweiten Rotorgrundkörpern mit einer äußeren Rotationssymmetrie; und

Formen einer jeden Kontaktfläche eines jeden Rotors durch Entfernen von Material des Rotorgrundkörpers auf einer Seite einer Ortskurve, die gebildet werden, wenn die Rotoren eine Umdrehungen um ihre jeweiligen Achsen vollenden, durch Punkte auf dem anderen Rotor, die entlang einer äußeren Kante eines Kegels (44) liegen, dessen zentrale Achse (C) einen Radius ist, der sich nach außen von dem Zentrum des Hohlraumes in einem Winkel von α/2 zu einer Normalen zu der Achse des anderen Rotors erstreckt, so daß die Kontaktbereiche, die durch die Punkte gebildet sind, die die Kontaktflächen eines jeden Rotors formen, im wesentlichen dicht gehalten werden, während die Rotoren um ihre jeweiligen Achsen drehen.