JP2007518918A - 容量形ロータリースクリューマシンにおけるエネルギ変換方法 - Google Patents

Abstract

本願発明におけるエネルギ変換方法のロータリースクリューマシン（図１ａ）は、雄−雌共役部材における第１及び第２のセットを備える。該セットは、中心軸に沿って互いに離隔し、内側面及び外側面を有する。雄及び／又は雌部材の回転運動中、作動チャンバーは前記部材間に形成される。作動チャンバーは軸方向に移動する。異なるセット（１，２，３）の回転運動は、同期させる方法で同期される。異なるセットにおける部材の同期運動は、作動チャンバーの軸方向の運動による振動における異なる値の角周期で実施される。従って、作動チャンバーに移送された作動媒体は、圧縮又は膨張される。

Description

本願発明は、ロータリースクリューマシンにおけるエネルギ変換方法に関する。

容量形ロータリースクリューマシンは、共役スクリュー部材、すなわち雌（閉鎖側）スクリュー部材及び雄（被閉鎖側）スクリュー部材を備えている。雌スクリュー部材は内側面（内スクリュー面、雌面）を有し、雄スクリュー部材は外側面（外スクリュー面、雄面）を有している。スクリュー面は非円筒形とされて、径方向に部材を規制している。該スクリュー面は、平行であって通常は一致していない軸を中心としており、長さＥ（偏心量：eccentricity）で離隔されている。

三次元式ロータリースクリューマシンは、特許文献１により開示されている。この特許文献１では、雄部材は固定された雌部材に囲まれており、雌部材に対して遊星運動をしている。

内部で共役された容量形ロータリースクリューマシンの作動チャンバーは、これら曲線をなす雄部材及び雌部材からなる運動機構によって形成される。

運動変換は、雄部材及び雌部材の相互接続されたロータリー運動に基づいている。前記部材は、互いに機械的な曲線接触をして、作動物質のための閉作動チャンバーを形成する。この作動物質は、空隙内の共役部材の相対運動が行われる場合には、軸方向の運動をする。

たいていの場合には、スクリュー面はサイクロイド（トロコイド）形状とされている。例えば、該形状は特許文献２及び特許文献３に開示されている。モータで利用されるような運動変換は、非特許文献１に開示されている。

従来技術のスクリューマシンにおけるエネルギ変換方法の効率は、マシン内で生じている熱力学的プロセスの強度（intensity）により決定され、一般化されたパラメータ“角周期（angular cycle）”により特徴づけられる。該周期は、任意の回転部材（雄部材、雌部材、又は同期リンク）の回転角に等しい。ここで、回転部材は、独立した自由度を有する部材として選択される。

角周期は、独立した自由度を有する部材の回転角に等しく、この回転角では、雄部材及び雌部材により形成された作動チャンバーの断面領域（開断面領域及び閉断面領域）の全体的な周期変動が生じているだけでなく、内スクリュー面を有する前記マシンの一周期Ｐｍ及び外スクリュー面を有する前記マシンの一周期Ｐｆによる作動チャンバーの軸方向の運動とも生じている。

曲線形状の共役部材を有するロータリー式容量形スクリューマシン、及び同種のマシンにおいて実現される公知のエネルギ変換方法には、以下の欠点が存在する。
−運動を構成する不完全なプロセスにより、技術的ポテンシャルが制限され、独立した自由度を有する駆動部材の一回転当たりの角周期を増大させることができない。
−同種のスクリューマシンの比出力（specific power）が制限される。
−効率が制限される。
−マシンの固定部に対する反作用力が存在する。

すべての場合において、内部的に共役されたスクリュー部材の長手軸は平行とされている。該軸は偏心している場合もあり、幾つかの該軸は可動とされる場合がある。遊星運動又は差動運動のいずれか一方が設けられている。
米国特許第５，４３９，３５９号明細書 仏国特許発明第９９７９５７号明細書 米国特許第３，９７５，１２０号明細書 V. Tiraspolskyi, "Hydraulical Downhole Motors in Drilling", the course of drilling, p.258-259, published by Edition TECHNIP, Paris

本願発明の目的は、上記問題を解決することである。

本願発明で利用される容量形スクリューマシンは、共役とされる雄部材及び雌部材の少なくとも２つのセットを備え、該セットは互いに前記マシンの中心軸に沿って離隔されていることが望ましい。各セットの雌部材は内側面を有し、該内側面は第１の長手軸を中心としている。そして、各セットの雄部材は外側面を有し、第２の長手軸を中心としている。第１及び第２の長手軸は互いに平行とされている。雄部材は、対応する雌部材の空隙内に載置されている。

本願発明におけるロータリースクリューマシンでのエネルギ変換方法においては、雄作動部材及び／又は雌作動部材が回転運動している場合には、作動チャンバーが雌部材と雄部材との間に形成され、軸方向に運動する。本願発明においては、前記作動チャンバーの軸方向運動における周期の異なる値の角周期で異なるセットの部材が同期的且つ同調的に運動する方法で同期される。

言い換えれば、前記マシンの一部（又は部材）は、一の共役部材の動作中に、各セットの同一の長手軸が所定比で（互いに相対的に）特徴づけられる角速度値を有しながら運動するように配置される。

同期することにより、前記マシンの機能が最適化される。

本願発明の好ましい実施例においては、角周期が、一セットから次セットへ減少することにより、作動媒体を圧縮させる。代替的な実施例においては、角周期が、一セットから次セットへ増加することにより、作動媒体を膨張させる。

前記マシンの実施例は、ローター及び反転ローターを備え、反転ローラーはローターに対して逆回転的に回転される。遊星運動部材が、ローターと反転ローターとの間に設けられる。前記実施例は、作動チャンバー内の作動媒体の安定且つバランスした運動を容易に実現する。

結合手段は機械的装置とすることができる。代替的には、作動媒体は異なるセットを結合するために利用され得る。これらの代替物の組み合わせにおいては、同期手段は、１つの（少なくとも部分的に）中空軸を備えており、作動媒体は前記軸を通過する。

さらなる好ましい実施例においては、第１のセットは差動運動機構を形成し、該機構は機械的回転について三自由度を有し、そのうちの二自由度については独立している。そして、第２のセットは遊星運動機構を形成し、該機構は機械的回転について二自由度を有し、そのうちの一自由度は独立している。それらの機構が前記実施例において利用されている。共役部材の第３のセットは、差動運動機構を形成することができる。

従って、前記マシンは、第１及び第３のセットの共役部材の断面が略同一とされる方法で配置される。言い換えれば、第１及び第３のセットは、同一設計であり、第２のセットを経由して共役され得る。特に、スクリュー部材の平均的な半径及び／又は厚さ及び／又はうねり（undulation）は等しい。

前記セットは、一以上の雄部材及び雌部材を備えていることは当然である。好ましい実施例においては、ネスト状の構造（nested structure）が備えられている。例えば、上述の第１及び第２のセットは、２つのグループの共役雄部材及び共役雌部材を備えることができる。該部材は作動媒体を移送することができる導管により分離されている。

本願発明における方法のさらなる好ましい実施例においては、作動媒体の熱エネルギが取り除かれて、熱交換器に供給される（第１のステージで作動媒体から取り除かれて、第２のステージで供給されるか又は多くの他の方法で供給される）。

さらには、前記セットのうちの１つのセットで生み出される機械的エネルギは、他の機械装置を駆動させるために利用され得る。言い換えれば、機械的なエネルギは、ロータリースクリューマシンから抽出され得る。もちろん、周知の熱力学の法則に従えば、特に熱変化が、マシンの幾つかの部分内又は作動媒体内で同時に発生するはずである。

本願発明で用いられる容量形スクリューマシンは、図１ａ及び１ｂに示されて、共役部材の３つの異なるセットを備えている。すなわち、第１のセット１は、空気を吸入及び圧縮することを目的とする差動運動機構を形成する。第２のセット２は、空気を圧縮することを目的とする遊星運動機構を形成する。そして、第３のセット３は、セット２のチャンバー１４０から得た燃焼生成物を膨張することを目的とする差動運動機構を形成する。

言い換えれば、本願発明のために用いられる容量形スクリューマシンは、ロータリースクリュー式の内燃機関であり、この内燃機関においては、運動が変換されて、作動物質のエネルギの連続周期的な変化が、異なるセクションの作動チャンバーを通じて、前記作動物質を通過するプロセスと同期して生じる。従って、容量形スクリューマシンは、作動物質のエネルギを発生させる。シンクロナイザ１１，１４は、それぞれセット１及びセット３の操作をサポートすることを目的としている。これらのセットは、図１ｂに示すように、単一部材として提供され得る。

本願発明における容量形スクリューマシンの異なるセット１，２，３は、マシンの中心軸Ｚに沿って、互いに離隔されていることに留意すべきである。言い換えれば、セット１，２，３は、互いに取り囲まれていない。むしろ、該セットは、先行するセットの背後に載置されている。又は、言い換えれば、前記セットは、先行するセットの中心線上に載置されている。該セットは、すべてマシンの中心軸を中心としている。

異なるセットは、機械的共役及びガス状の作動物質の作用（すなわち、ガス状の共役）の両方により共役されている。機構１，２，３の間の機械的共役は、共有された軸４により提供される。軸４は部分的に中空とされ、さらには、軸４に取り付けられたクランク１０を備えている。空気は、機構セット１から軸４の中空部分を通過して、機構セット２に向かっている。セット１，２は、共に容量形ロータリースクリュー圧縮機（コンプレッサ）を形成している。セット２は、燃焼チャンバー１４０を備えている。セット２及びセット３は、協働する場合には、容量形ロータリースクリュー拡張マシン（デタンダー：detander）を形成する。

第１のセット１及び第２のセット３の両方共が、共役部材の２つのグループ、すなわち部材５，６，７（５’，６’，７’）の第１のグループ及び部材１５，１６，及び１７（１５’，１６’，１７’）からなる第２のグループを備えている。

第１のセット及び第２のセット３は、略同一の形状、すなわち、同一の断面を有している。このことは、特に単一のスクリュー部材の場合に当てはまる。該部材は、同一の平均半径及び同一の厚さを有している。

詳細は、下記の通りである。

第１のセットは、第１の雌部材５，１５を備えている。各部材はそれぞれ、内側面１０５，１１５を有しており、これら雌部材５，１５は、容量形スクリューマシンの対称軸である固定軸Ｚを中心としている。雌部材５，１５は、６次（order of 6）の対称性を有している。次いで、概念的な対称次数は、雌部材５，１５の横断面の回転対称に関するものである。第１のセットは、雄部材及び雌部材の双方である第２の部材６，１６をさらに備えている。すなわち、前記第１のセットは、外トロコイド面２１６，１１６及び内トロコイド面２０６，１０６をさらに備えている。それらは、５次（order of 5）の対称性を有しておち、それぞれそれ自身の軸Ｏ_６及びＯ_１６を中心としている。それらは、遊星運動を実行する。４次の対称性を有している外側面２０７，２１７をそれぞれ有しているシンクロナイザ部材７，１７が、さらに備えられている。これらの部材間では、一方においては、作動チャンバー１００，３００が備えられ、他方においては、作動チャンバー２００，４００が備えられる。一方の部材５，６，７と、他方の部材１５，１６，１７の間に導管が備えられ、作動チャンバー１００，２００に流入された空気が、容量形スクリューマシンの下部（図１ａ）に戻り、その後さらに作動チャンバー３００，４００に流入することができる。

第２のセット２は、２つの共役部材のみを備えている。すなわち、該共役部材は、３次の対称形とされる内側面１０８を有し、さらにＺ軸を中心としている雌部材８と、軸Ｏ_９を中心として、遊星運動をし、且つ、２次の対称形とされる外トロコイダル側面２０９を有している雄部材と、である。作動チャンバー１４０は、これらの部材間で形成される。燃料は、入口１２を経由して作動チャンバー１４０に注入される。

第３のセット３は、各グループにおいて、第１の雄部材７’，１７’をそれぞれ備えている。第１の雄部材７’，１７’は、それぞれ４次の対称形とされ、固定軸Ｚを中心とする外面２０７’，２１７’を有している。第２の部材６’，１６’は、雄部材及び雌部材の両方とされ、５次の対称形とされる内トロイダル面１０６’，２０６’、及び１１６’，２１６’を備えている。これらの部材６’，１６’は、第２の軸Ｏ_６，Ｏ_１６を中心として、遊星運動をする。部材５’，１５’は、６次の対称形とされる内面１０５’，１１５’を有し、シンクロナイザ部材のように機能する。これらの部材間では、一方においては作動チャンバー１００’，３００’が形成され、他方においては作動チャンバー２００’，４００’が形成される。

図１に示すセット１は、差動機構を形成し、部材５，６，７及び１５，１６，１７の機械的回転について三自由度を有している。該三自由度のうち二自由度は、独立した回転自由度とされる。

同様のことが、セット３における部材５’，６’，７’及び１５’，１６’，１７’に当て嵌まり、同様に差動機構を形成する。

セット２の運動を変換する遊星運動機構は、図１に示され、部材９の機械的回転について二自由度を有している。部材９の二自由度のうち一自由度は、独立した回転自由度とされる。

本願発明においては、エネルギ変換は、セットの運動機構におけるグループの機械的に共役された運動の形態として共役部材の運動を変換することによって実現され得る。すなわち、該運動は、共役部材５，６，７，１５，１６，１７及び８，９によって形成され、互いの内部空隙において同軸に偏心し配置されている。さらには、同期カップリングリンク１０は、整合装置（matching device）１１と同様に利用され得る。整合装置１１は、機械主軸及びそれ自体の軸回りについての前記部材の同期的に相互接続運動をする。そのためには、運動変換が、２つの運動機構のグループにおいて同期して実施され、内共役部材の運動は変換されて、作動物質のエネルギを受容する必要がある。

本願発明における方法は、同時に同期して共役部材の運動を容易に変換させることができる。その一方で、作動物質はセット１の差動運動機構を通過する。差動運動機構は互いに機械的に共役され、例えば、図１ａに示すように吸入部及び圧縮部を形成している。少なくとも、この差動運動機構は、セット１に形成され、機械的回転について三自由度を有している。該三自由度のうち二自由度は独立しており、図１ｂに示すセット２における遊星運動機構は、圧縮部と、独立した一自由度の回転を有している作動物質の放出部と、を備えている。差動機構及び遊星機構においては、作動チャンバーの軸方向の運動について異なる角周期値を有している（出力リンク４の回転角から算出した場合）。

スクリュー部材は任意形状とすることはできず、明確に定義された特性を有している必要がある。スクリュー部材の明確に定義された形状ｄ_ｍは、図４に関して説明されるような次の方法で構成されている。ここで、断面ｄ_ｍは、ｎ_ｍ＝５次の対称形とされている。

前記方法は、パラメトリック形状（パラメータｔに依存する）とされる内転サイクロイドΓの構築から開始される。

図４に示すように、対称次数ｎ_ｍ，（ｎ_ｍ＋１），（ｎ_ｍ＋２），．．．，（ｎ_ｍ＋ｉ）における内転サイクロイドΓは、半径Ｏ_１Ａ＝Ｅ及び中心Ｏ_Ｅの円における点Ａにより描かれ、中心Ｏ_ｍで半径Ｏ_ｍ＝Ｅｎ_ｍ，Ｅ（ｎ_ｍ＋１），Ｅ（ｎ_ｍ＋２），．．．，Ｅ（ｎ_ｍ＋ｉ）とされる他の円の内面に沿って（滑ることなく）回転する曲線である。点Ａがこれらの円と接触する点を点Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｉで示す。対称次数ｎ_ｍ，（ｎ_ｍ＋１），（ｎ_ｍ＋２），．．．，（ｎ_ｍ＋ｉ）における内転サイクロイドΓは、半径Ｅ（ｎ_ｍ−１），Ｅ（ｎ_ｍ＋１），Ｅ（ｎ_ｍ＋２），．．．，Ｅ（ｎ_ｍ＋１＋ｉ）の円における点Ａと、半径Ｅｎ_ｍ，Ｅ（ｎ_ｍ＋１），Ｅ（ｎ_ｍ＋２），．．．，Ｅ（ｎ_ｍ＋２＋ｉ）の円の内面に沿って（滑ることなく）回転する中心Ｏ_２の曲線を描くことに基づいている。

本願発明における前記スクリュー部材のために利用される側面Ｄ_ｍは、内転サイクロイドΓから始まり、円（例えば、図４においては、半径ｒ_０は２Ｅに等しく、ｒ_０＝ＦＲ＝２Ｅである）を内転サイクロイドΓに沿って回転させることによって得られる。ここで、前記円の中心は、内転サイクロイドに沿って移動する。

ｒ_０がＺ軸（図１における図面の平面に対して垂直な軸）に沿って一様に変化するように選択された場合には、パラメトリック方程式（パラメータｔに依存する）による側面Ｄ_ｍを得ることができる。

ここで、ｎ＝ｎ_ｍ−１、又はｎ＝ｎ_ｆ−１である。

図５は、上述の作図を利用することにより得られたスクリュー部材の三次元的な表現を示す。

雄部材１７，１６，７，６，１７’，１６’，７’，６’，及び９における他のすべての外面２１７，２１６，２０７，２０６，２１７’，２１６’，２０７’，２０６’，２０９と、雌部材５，６，１５，１６，５’，６’，１５’，１６’，及び８におけるすべての内面１０５，１０６，１１５，１１６，１０５’，１０６’，１１５’，１１６’，１０８とは、それぞれ、上述の作図による非円筒状のスクリュー面によって径方向に制限されている。これらの面の対称次数は、内面から外面へ増加していることに留意すべきである。第２のセットにおいては、スクリュー部材９は２次の対称形とされており、スクリュー部材８は３次の対称形とされている。第１のセット１及び第３のセットにおいては、最内部材１７，１７’は４次の対称形であり、５次の対称形とされる部材１６，１６’で囲まれている。そのとき、部材１６，１６’は、それ自体が６次の対称形とされる内側面１１５，１１５’を有している部材１５，１５’によって囲まれている。一連の対称次数は、繰り返して、部材７，７’から始まり部材５，５’に至る。

部材５，７，１５，１７，５’，７’，１５’，１７’がセットされて、Ｚ軸回りに回転可能となる。部材６，１６，６’，１６’，及び９における軸Ｏ_６，Ｏ_１６，Ｏ_６’，Ｏ_１６’，Ｏ_９は、それぞれ移動可能とされている。Ｏ_６軸はＺ軸に対して偏心量Ｅ_１＝Ｅを有し、Ｏ_１６軸は中心軸Ｚに対して偏心量−Ｅ_２（Ｅ_１より小さい）を有している。Ｏ_６軸及びＯ_１６軸は、中心軸を横断する線上に載置されている。回転中、Ｏ_６軸及びＯ_１６軸の空間的関係は維持されたままである。言い換えれば、静的に安定な容量形スクリューマシンを得るような方法で偏心量が選択されている場合には、前記スクリューマシンは動的にも安定している。部材６，１６及び９は、前記マシンに設けられており、Ｚ軸回りに遊星運動をすることができる。部材６，１６，６’，１６’は、前記ローターの遊星運動を開始させる付加的な手段を必要とせず、それぞれ部材５，７；１５，１７；５’，７’，及び１５’，１７’の間に設けられている。ローター９は、軸４のクランク１０上に取り付けられている。

差動機構１，３及び遊星機構２においては、リンクが設けられており、セット１での圧縮、セット２の作動チャンバー１４０における作動物質の開放を伴う圧縮と作動物質の膨張、及び作動チャンバー１００’，２００’，３００’，４００’を伴う容量形連続サイクル吸入を実施することが可能となる。燃焼チャンバー１４０と共に燃焼部が、遊星機構２の部材によって形成されることに留意すべきである。遊星機構２の部材の断面を図２に示す。遊星機構２は、中心に固定されたステータ８、遊星ローター−衛星９、及び軸４のクランク１０からなる。装置１２は、燃料をチャンバー１４０に噴射して点火させることを目的とする。燃焼チャンバー１４０は、部材８及び９の断面の二重回転捩れの一周期又はその二周期（一定体積で燃料を燃焼させるため）により形成され得る。

部材９の遊星運動は、固定部材８と共に、次のパラメータ、すなわち、ｎ_８＝３；ｎ_９＝２；ω_１＝ω_{revolution(9)}＝１；ω_９＝ω_{swivelling(9)}＝−０．５によって規定される。セット２の全容量は、軸４の回転に関して、Ｖ_２＝（３・Ｖ_１４０・３６０／３６０）＝３Ｖ_１４０と表わされる。各セットにおいては、雌スクリュー部材８の前記中心軸回りの回転が実施され得る。代替的に、部材８を静止状態とすることができる。雄スクリュー部材９の遊星運動は、第１のセットと共役とされ、同期的に共役されたリンク−クランク１０又は第３の（雄）共役スクリュー部材の補助により実施され得る。該共役スクリュー部材は、第１のセットと同軸とされる。

ここで、第１のセットに注目すると、部材５，６，７の第１のグループの３種類の状態を選択することができる。
ａ）中心固定軸回りの第１の部材５の回転（又は静止状態）と、前記軸回りの第３の部材（シンクロナイザ）の回転（又は静止状態）、
ｂ）前記軸回りの第２の部材６のＯ_６軸の回転、及び
ｃ）第１のセットと同軸とされる同期カップリングリンク（雄型の共役スクリュー部材７）の補助による第２の部材６の旋回。

この３種類の状態は、各々を第１のセット１の部材１５，１６，１７の第２のグループのうちそれぞれ１つと（機械的に）同期され得る。ここで、第１のセットは、
ｄ）中心固定軸回りの第１の部材１５の回転（又は静止状態）と、前記軸回りの第３の部材（シンクロナイザ）１７の回転、
ｅ）前記軸回りの第２の部材１６におけるＯ_１６軸の回転、及び、
ｆ）第２の部材１６の旋回、
を備えている。

一組の雌−雄共役部材の角周期Ｔ_ｉは、次式のように表わされる。

ここで、
ω_ｆ，ω_ｍ−雄−雌部材自体の中心軸回りの雄−雌部材の角速度。
ω_Ｉ−独立部材（例えば、Ｔｉの値を規定する回転及び回転角を実施する部材）の各速度。
ｎ_ｍ，ｆ−対称次数。
ｎ_ｍ，ｆは、外側筐体を備える内転トロコイド機構に関するものである。また、ｎ_ｆは、内側筐体を備える外トロコイド機構に関するものである。

セット１での差動運動（複数の部材６，１６の運動及び部材１５，１５’，１７，及び１７’の回転を備える）は、次のパラメータにより規定される。

軸４の回転を駆動する作動チャンバー１００，３００の全容積は、Ｖ_{Ｔ（１００）}＝６Ｖ_１００３６０／９０＝２４Ｖ_１００、及びＶ_{Ｔ（３００）}＝６Ｖ_３００３６０／９０＝２４Ｖ_３００のように表わされる。

軸４の回転中における作動チャンバー２００，４００の全容積は、Ｖ_{Ｔ（２００）}＝５Ｖ_２００３６０／７５＝２４Ｖ_２００、及びＶ_{Ｔ（３００）}＝５Ｖ_３００３６０／７５＝２４Ｖ_３００のように表わされる。

ここで、第３のセット３に注目すると、固定部材７’，１７’による差動運動、軸４（独立した運動をする）から減速装置１８によって付与される角速度を有する部材５，１５’又は５’，１５’の回転、及び部材６’，１６’の遊星運動（依存した運動をする）は、次のパラメータによって規定される。

軸４の回転中におけるセット３の作動チャンバー１００’，３００’の全容量は、ω_{Ｔ（１００’）}＝６Ｖ_１００’２π／３π＝４Ｖ_１００’，及びＶ_{Ｔ（３００’）}＝６Ｖ_３００’２π／３π＝４Ｖ_３００’のように表わされる。

軸４の回転中における作動チャンバー２００’，４００’の全容量は、Ｖ_{Ｔ（２００’）}＝５Ｖ_２００’２π／２．５π＝４Ｖ_２００’，及びＶ_{Ｔ（４００’）}＝５Ｖ_４００’２π／２．５π＝４Ｖ_４００’のように表わされる。

上述より、本願発明における部材の差動運動の場合には、角周期は、作動チャンバーを形成するスクリュー部材の運動における相対角速度を変化させることにより変化され得ることは明らかである。角周期は、セット１においては９０°、セット２においては３６０°、及びセット３においては５４０°とされ得る。言い換えれば、前記角周期は短くなる場合があり（これにより作動媒体が圧縮される）、長くなる場合もある（これにより本願発明においては作動媒体を膨張させる）。従って、本願発明における方法の効率が高くなる。

チャンバー１００，２００，３００，４００において作動媒体のＺ軸に沿った軸方向の運動方向は、セット１における部材６，１６の中心軸Ｏ_６，Ｏ_１６の回転方向によって規定される。上述の通り、作動媒体の運動と同一方向を選択するためには、中心軸Ｏ_６，Ｏ_１６の回転は同一方向を付与される。一方のチャンバー１００，２００及び他方のチャンバー３００，４００内の作動媒体の運動の反対方向を選択したい場合には、中心軸Ｏ_６，Ｏ_１６は逆回転する。

圧縮を伴う吸引セット１においては、圧縮は作動物質を機構２に開放（放出）した状態で実施される。異なる運動機構１，２の選択を原因として、作動チャンバーの軸方向の運動における角周期の値は、出力リンク４の回転角から計算されるが、同様に異なる。

セット１は、部材５，６，７，１５，１６，及び１７のグループから構成され、吸引及び予備圧縮をする区画を形成する。該区画においては、連続サイクルステップの空気圧縮が実施される。セット２における部材８，９は、最終的な圧縮及び作動物質を確実に開放（放出）する。差動機構１の排出部における作動チャンバー１００，２００が、共役部材５，６，７の外部グループにより形成される。前記共役部材は同軸上に配置され、互いの内部空隙内で偏心している。予備圧縮は、空気が共役部材１５，１６，１７の内部グループに送り込まれた場合に実施される。同期装置１１は、セット１における部材−ローター５，７，１５，及び１７を異なる方向に等しい角速度で（すなわち、反転的に）回転駆動させるために利用される。同時に、セット２におけるローター９の軸４は回転駆動される。遊星機構２における最終圧縮１４０のチャンバーは、部材８，９によって形成される。部材９は、自己同期の恩恵により、軸４のクランク１０上で回転するように取り付けられている。他の部材８は固定されている。

セット１における部材５，７，１５，１７の回転運動及びセット２の部材９のセット３における部材５’，１５’（固定部１３内で回転するように固定されている）の中心軸Ｚ軸回りの回転運動に対する相互関係は、変換比３の同期装置１４による部材５’，１５’のセット３の軸４に対する剛性の高い機械的結合、部材９のセット２の軸４とのヒンジ結合、及び変換比−１で回転方向を変換する同期装置１１によるセット１における部材５，１５（固定部１３内で回転するように取り付けられている）の軸４との機械的結合により確保されている。セット２における部材８（ステータ）、及び部材７’，１７’（セット３におけるステータ）は、固定部１３に機械的に高い剛性で結合されている。セット３における部材５’，１５’（固定部１３内で回転するように取り付けられている）の軸４との機械的結合は、同期装置１４（回転運動についての変換比３の減速装置）により成されている。

差動機構１，３の内部における部材の回転を同期させる準備と並行して、一方における差動機構１，３のグループと、他方における遊星機構２のグループとの間の回転同期が確実に成される。機構１，３又は機構２におけるすべてのグループ部材の対称次数の変更を通じて、前記差動機構と前記遊星機構との部材の回転を同期させることも可能である。

変換グループの数及び遊星機構と差動機構との共役機構は、これらの機構間の作動チャンバーの必要とされる角度範囲及び軸方向運動の周期の値の組み合わせによって決定される。

図１に示すエンジンの操作は、以下の通りである。エンジンの作動物質のガス状の構成成分（例えば、空気）は、第１のグループにおける部材１５，１６，１７の開いた左木口（open left end surface）によって、セット１に注入される（図１ａにおいて矢印が示す通りである）。さらには、前記構成成分は、導管（間隙）を経由して、第２グループにおける部材１５，１６，１７の開いた左木口に給送される。上述の部材５，６，７，１５，１６，１７（部材８，９と共に）のグループは、容量形ロータリースクリュー空気圧縮機１を形成する。軸４の導管を通じて、圧縮空気はセット１から離隔した場所へ導かれ、燃焼セット２の部材８，９の左開断面（すなわち、燃焼チャンバー１４０）に供給される。圧縮率は、８（Ｖ_１００＋Ｖ_２００）／Ｖ_１４０とされる。さらには、コンプレッサ１からの６倍の体積の空気で燃焼チャンバー１４０を充填し閉鎖することにより、装置１２はチャンバー１４０に燃料を噴射し点火する。一定圧力での燃焼サイクル（ディーゼルサイクルのような）においては、チャンバー１４０は、部材８，９の二重回転捩れの一周期の間に形成され得る。そして、燃料が、空気の圧縮によって点火され得る。一定体積での燃焼サイクル（オットーサイクルのような）においては、チャンバー１４０は、部材８，９の二重回転捩れの二周期の間に形成され得る。そして、燃料が、点火装置の点火プラグによって点火される。さらには、そのときに、点火された燃料−空気の混合気体は、部材８，９の開断面から離隔された場所へ導かれ、膨張して膨張部３内部を通過して、セット３の部材１５，１６，１７，５，６，７における下部開断面に給送される。

セット３は、容量形回転増幅装置（rotary expanded machine）（デタンダー）
である。燃焼混合体の膨張プロセスがエンジンの軸４上で実施される。前記燃焼混合体が完成した場合には、セット３の上部（矢印により示される）から排出される。軸４が回転している場合には、セット１における共役部材５，６，７，１５，１６，及び１７は、ユニット１１により規定されるように、セット１の部材５，７，１５，１７における独立した二自由度の反転運動で共役接触面を移動させることにより、吸引部１（Ｚ軸に沿って、部材５，６，１５，１６間に６つのチャンバー、部材６，７，１６，１７間に５つのチャンバーがある）の作動媒体を制限し移動させる。

軸４が回転している場合には、セット２の共役部材８，９は、軸４のクランクにより規定されるように、セット２の部材９の一自由度で共役接触面を移動させることにより、燃焼部２の３つの作動チャンバー１４０を制限し、Ｚ軸に沿って移動させる。

軸４が回転している場合には、セット３の共役部材５’，６’，７’，１５’，１６’，１７’は、セット３の部材６’，１６’における一自由度の回転運動で共役接触面を移動させることにより、膨張排出部３（各グループには、部材５’，６’，１５’，１６’間に６つのチャンバー、部材６’，７’，１６’，１７’間に５つのチャンバーがある）の作動チャンバーを制限し、Ｚ軸に沿って移動させる。セット１の軸４が一回転している間に、部材５’，６’，７’，１５’，１６’，１７’間の作動チャンバーの軸方向における完全な一周期の運動が、４回発生する。言い換えれば、

相互接続された前記マシンの主軸Ｚ軸回り及びそれ自体の軸回りの回転運動は、すべてのセット１〜３で三自由度の機械的回転を伴って発生する。

図１のエンジンにおいては、機械的に接続されたローター５，１５及び機械的に接続された反転ローター７，１７は、同時にＺ軸回りに逆方向に同一相対速度ω_{（５，１５）}＝−１及びω_{（７，１７）}＝１で回転する。ローター５，７に関するＺ軸回りのローター６の中心線Ｏ_６−Ｏ−Ｏ_１６における相対角速度ω_ｒｅは、ω_ｒｅ＝５となる。ローター−衛星６，１６におけるＯ_６，Ｏ_１６軸回りの相対角速度ω_{ｓ（６，１６）}は、ω_{ｒｅ（６，１６）}＝０．２のように表わされる。

セット１における圧縮比ｋ_１は、部材５，６間の６つのチャンバーの全容量の生成物と、部材６，７間の５つのチャンバーの全容量との合計の部材１５，１６間の６つのチャンバーの全容量と、部材１６，１７間の５つのチャンバーの全容量との合計に対する関係として、軸４が一回転する間の体積変化についての多くの周期によって、すなわち、ｋ_１＝２４（Ｖ_１００＋Ｖ_２００）／［２４（Ｖ_３００＋Ｖ_４００）］＝（Ｖ_１００＋Ｖ_２００）／（Ｖ_３００＋Ｖ_４００）によって決定される。

セット２における圧縮比ｋ_２は、一生成物に対する合計の生成物の関係として決定される。言い換えると、圧縮比ｋ_２は、セット１における部材１５，１６間の６つのチャンバーの全容量における第１の生成物と、セット１における部材１６，１７間の５つのチャンバーの全容量における第２の生成物とのセット２における部材８，９間の３つの燃焼チャンバーの全容量における生成物に対する関係として決定される。すなわち、その関係を式として表わすと、ｋ_２＝２４（Ｖ_３００＋Ｖ_４００）／３Ｖ_１４０＝８（Ｖ_３００＋Ｖ_４００）／Ｖ_１４０となる。

エンジンの完全な圧縮度ｋは、セット１，２の圧縮度から求められ、ｋ_１ｋ_２＝８（Ｖ_１００＋Ｖ_２００）／Ｖ_１４０と表せる。

本願発明の目的のために、セット１，２内のチャンバーにおける幾何学的な容量の適切な関係を選択することにより、異なるエンジンで求められる任意の圧縮比を得ることができる。任意の圧縮モード（例えば、断熱圧縮モード又はポリトロープ圧縮モード）を提供することが可能である。部材８，９のチャンバー１４０における二周期の二重回転捩れにより、一定体積で一のチャンバーから他のチャンバーに向かって軸方向にガスを移送する場合には、燃料／空気混合体の燃焼することができる。これにより、エンジンの熱力学的な効率が高まる。

排出セット３の作用は、固定部材７’，１７’と共に発生する。すべての共役部材５’，６’，７’，１５’，１６’，１７’は、共に、前記マシンにおける排出部の作動チャンバーを制限し、その共役接触面の動作によりＺ軸に沿って同一方向に移動する。

セット３の機構は、可逆的とされる。

セット３における作動物質の膨張度は、共役部材の幾何的パラメータ及び膨張段階の数によって付与される。本願発明の目的のために、作動物質の完全な膨張を提供する方法で、前記膨張度は選択される。その一方で、大気圧に対して圧力が低下している。これにより、音響的雑音が発生しなくなる。この場合においては、作動物質により提供される機械的エネルギは、軸４を回転させるために完全に利用される。

幾つかの他の場合、特に垂下モーメント特性（drooping moment characteristic）を備える車両を運転する場合においては、セット３における一部の機械的エネルギのみを利用し、付加的な容量形拡張装置３３（デタンダー３に類するデタンダー）の残りの機械的エネルギを利用するだけの価値がある。ここで、装置３３は、図１において点線で描かれている。装置３３の軸３４（図１において破線にて示されている）は、軸４に機械的に接続されていない。機械的な回転エネルギは、二軸形エンジンの機構における付加的な装置３３の出力軸３４から出力される。

他の代替的な場合においては、エアジェットエンジンの機構におけるセクション３の出口から排出された燃焼生成物のジェット推力を利用することができる。前記エアジェットエンジンにおいては、本願発明における方法を利用する圧縮は、セクション１，２により形成され、本願発明における方法を利用するデタンダーは、容量形ロータリースクリューマシンのセクション３により形成される。一定体積でセット２のチャンバー１４０内において、燃料燃焼を発生させることにより、エンジン推力を増すことができる。チャンバー１４０に接続された外部燃焼チャンバー（図示しない）内で燃料を燃焼させることもできる。

さらには、空気を加熱するための高温ガス排出部を備える特別な熱交換器（図１に図示しない）で、作動物質の機械的エネルギのみならず、熱エネルギまでも（完全に）利用することができる。前記排出部は、一定体積で高温ガスをセット１からセット２へ通過させることにより、その圧力を高める。従って、本願発明においては、エンジン内部の作動物質の機械的熱エネルギを完全に利用し、その効率を向上させ、大気圧レベルの排出ガスにおける圧力及び温度で雑音のない動作を実現することができる。

セクション１の出力軸４，５の逆回転は、インバータ１１により提供される。これにより、エンジンは、エアプロペラ、水流ベーン（water vane）、草刈り機の逆回転切断部材、ノコギリ、又は砕石機等のような逆回転機関と接続可能になる。逆回転タービンや航空機の主ローター等との接続が可能となる。

容量形スクリューマシンを利用する場合には、前記方法により、作動物質がセット１の差動運動機構を通過している間における共役部材の運動を同期的に且つ同時的に変換することが可能となる。

本願発明は、図面に関して下記の好ましい実施方法の説明から明らかになるだろう。
本願発明で利用される容量形スクリューマシンの長手方向の断面図である。 図１の容量形スクリューマシンの概略図である。 図１の容量形スクリューマシンにおける線II−IIに沿った断面図である。 図１の容量形スクリューマシンにおける線III−IIIに沿った断面図である。 任意の共役部材の断面の作図方法を示す。 電子ＣＡＤで構築した対称次数ｎ_ｍ＝４の共役部材におけるスクリュー表面を示す。

符号の説明

１ 第１のセット
２ 第３のセット
３ 第２のセット
４ 軸
５ 雌部材
７ 雄部材
１５ 雌部材
１７ 雄部材
１００ 作動チャンバー
１０６ 内トロコイダル面
１１６ 外トロコイダル面
２０６ 内トロコイダル面
２１６ 外トロコイダル面
３００ 作動チャンバー
４００ 作動チャンバー

Claims (7)

1. ロータリースクリューマシンのエネルギ変換方法であって、該ロータリースクリューマシンは、
   共役された雄部材及び雌部材（５，６，７；１５，１６，１７）からなる第１のセットと、
   共役された雄部材及び雌部材（８，９；５’，６’，７’；１５’，１６’，１７’）からなり、前記マシンの中心軸に沿って前記第１のセット（１）から離隔されている少なくとも第２のセットと、
   を備えており、
   各セットの前記雌部材（５，６，１５，１６；８；５’，６’，１５’，１６’）が、第１の長手軸（Ｚ）を中心とする内側面（１０５，１０６，１１５，１１６；１０８；１０５’，１０６’，１１５’，１１６’）を有し、
   各セット（１，２，３）の前記雄部材（６，７，１６，１７；９；６’，７’，１６’，１７’）が、第２の長手軸を中心とする外側面（２０６，２０７，２１６，２１７；２０９；２０６’，２０７’，２１６’，２１７’）を有し、
   前記第１及び前記第２の軸が、互いに平行とされ、
   前記雄部材が、対応する雌部材の空隙内に載置されており、
   前記雄部材及び／又は前記雌部材の回転運動中に、前記雌部材と前記雄部材との間に形成された作動チャンバーを、軸方向に運動させるステップと、
   異なるセット（１，２，３）の回転運動を、異なるセット（１，２，３）における前記部材の同期的且つ同相的な運動が、異なる値の前記作動チャンバーの軸方向運動の角周期で、同期的且つ同調的になされるように、同期させるステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 前記角周期を、一のセットから次のセットへと減少することにより、前記作動媒体を圧縮させるステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記角周期を、一のセットから次のセットへと増加することにより、前記作動媒体を膨張させるステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 異なるセット（１，２，３）の回転運動を同期させる手段として、中空軸（４）を利用して、前記作動媒体が前記中空軸を通過するステップを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１のセット（１）が、機械的回転について三自由度を有し、そのうちの二自由度が独立している差動運動機構を形成するステップと、
   前記第２のセット（２）が、機械的回転について二自由度を有し、そのうちの一自由度が独立している遊星運動機構を形成するステップと、を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記作動媒体の熱エネルギが取り除かれて、熱交換器内で供給されるステップを備えていることを特徴とする請求項１〜５に記載の方法。
7. 前記セットのうち１つのセットで生成された機械的エネルギを、他の装置を駆動するために利用するステップを備えていることを特徴とする請求項１〜６に記載の方法。
   

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