JPH04507274A - 液体リング装置の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液体リング装置の改良 本発明は作動流体の圧縮または制御された拡張を生じるために使用されるような 液体リング熱力学装置に関するものである。

液体リング装置はそれ自体公知であって、通常、円筒形ドラムの中を回転自在の 羽根付きロータを含み、これらの羽根の末端はこのような回転中に液体リングと 接触状態に保持される。液体リングはロータ上の各隣接羽根対と共に閉鎖チャン バを形成し、ロータの回転軸線がドラムの中心軸線から片寄っている事の故に、 前記チャンバの容積がロータの角度位置に対応して変動する。このような装置は 、流体が各チャンバの中に導入されまたは各チャンバから排出される角度位置に 対応して作動流体を圧縮する装置として、または作動流体を制御的に拡張させる 装置として使用できる事は理解されよう。

このような液体リング装置の機能は業界公知である。

しかし、この型の装置は他の型の装置と比較して一般に効率が低いので、その用 途が限定され、この種の代表的装置の最良の効率が一般に約５０％以下である。

この種の装置の効率に影響する大きなファクタは、外側ドラムの隣接壁体によっ て回転液体リングに加えられる抗力による激しい機械的損失である。

本発明の目的は、効率を増大された液体リング熱力学装置を提供するにある。

本発明によれば、液体リング装置において、前記液体リング装置は中心軸線を中 心とする円筒形壁体を有する外側ドラムと、前記ドラムの中心軸線に対して平行 であるが片寄らされた軸線回りに前記ドラム内部を回転自在の羽付きロータと、 前記ドラムの中に配置された液体であって、ロータが十分速度で回転する際に前 記液体がドラムの円筒形壁体に隣接して回転リングを形成し、またロータ上に取 り付けられた羽根の末端がこのような回転中に液体と接触状態に保持されてロー タの羽根の間に一連のチャンバが形成され、これらのチャンバがその外周部分に おいて液体リングによって画成され、ロータ回転軸線とドラムの中心軸線との片 寄りの故に前記チャンノくの容積がロータの回転角度に依存して変動するように 配置された液体と、ロータの適当な角度位置において作動流体を前記各チャンバ の中に導入しまた各チャンノくから排出させる導入手段および排出手段とを含み 、ここにドラムの少なくとも円筒形壁体は中心軸線回りに回転自在であってこの ドラム壁体が前記液体リングによって回転させられるようにした液体リング装置 において、前記液体リング装置は熱力学装置が提供される。

従って、ドラムの外側壁体は実際上液体リングの回転速度に一致した速度で回転 する事がで、液体リングと外側壁体との間の相対運動が事実上除去される。その 結果、ドラムの壁体によって回転液体リングに加えられる抗力が最小限となり、 与えられた回転速度における装置効率は通常の液体リング装置と比較して著しく 増大される。

このようにして、従来の装置に対する本発明の装置の下記のような利点の結果、 本発明の装置の用途範囲が増大される。

（ｉ）はるかに高い回転速度を使用できる、（ｉ　ｉ）より高い差圧を支持する 事ができる、（ｉ　ｉ　ｉ）与えられた装置サイズに対して作動流体のより大き な流通量が得られる、 （ｉｖ）液体粘度の大きさが低下するので、液体リングを形成するために、より 広い液体選択範囲を使用する事ができる。

本発明の装置の非限定的用途は空気サイクル熱ポンプおよび種々の型の熱エンジ ンである。

本発明の実施態様として、ドラムの円筒形壁体の内側面は放射方向内側に向けら れた複数の羽根またはローブを備える。このような羽根またはローブの配役は隣 接チャンバ間の差圧に対応する液体の運動量を低減させるので、これらを配設し ない場合よりも与えられた差圧を支持するためにロータのより低い回転速度を使 用する事ができる。

好ましくは、ロータは、ロータの一方の軸方向末端においてロータの回転軸線に 対して垂直に延在しロータの各羽根の対応の軸方向末端に接合されたシュラウド プレートを含む。このようなシュラウドプレートはロータの一方の軸方向末端に おいて隣接チャンバ間の漏れを防止し、またロータの前記末端とドラムの隣接壁 体との間に軸方向間隙を生じて、軸方向公差を増大する事により装置の製造を簡 単化する。

本発明の他の実施態様によれば、流体導入手段および排出手段は導入ポートおよ び排出ポートを含み、これらのポートは、ドラムの軸方向末端壁体を成すポート プレートを通り各チャンバと連通する。

本発明のさらに他の実施態様によれば、流体導入手段および排出手段は導入ダク トおよび排出ダクトを含み、これらのダクトは固定ハブを通して延在し、このハ ブの外側円筒面に開いてロータのポートによって各チャンバに連通し、ハブ外側 円筒面を包囲するロータの内側円筒面上に開く。

また本発明は、燃料導入手段、空気導入手段および燃焼生成物排出手段を有する 燃焼室と、圧縮部分および拡張部分を有する液体リング装置とを含むエンジンで あって、前記の液体リング圧縮部分は空気を受けるように成された導入手段と圧 縮された空気を前記燃焼チャンバの空気導入手段に供給するための排出手段とを 含み、また前記液体リング拡張部分は燃焼チャンバの燃焼生成物排出手段から燃 焼生成物を受ける導入手段と、拡張された燃焼生成物を排出するための排出手段 とを有するように成されたエンジンを提供する。

このようなエンジンは多くの用途において有効に使用する事ができ、エンジンの 特定の設計はそれぞれエンジン用途に依存する。

以下、本発明を図面に示す実施例について説明するが本発明はこれらの実施例に 限定されるものではない。

第１図は液体リング装置の一般原理を説明するための概略平面図、 第２図は本発明の第１実施態様の一部を構成する液体リング組立体の軸方向断面 図、 第３図は本発明の第２実施態様の一部を構成する液体リング組立体の軸方向断面 図、 第４図は本発明による装置の他の実施態様の一部の軸方向断面図、 第５図乃至第９図は本発明による各種液体リングエンジンの全体レイアウトを示 すダイヤグラムである。

以下、本発明を第１図乃至第９図について説明する。

第１図において、液体リングは一般に外側ドラムを含み、このドラムは、中心軸 線２を中心とする円筒形外側壁体１と、前記ドラム軸線２に対して平行に片寄っ た軸線４回りにドラム内部を回転自在の羽根付きロータ３と、前記ロータ３が十 分速度で回転する際にドラムの外側壁体１に隣接して回転液体リング５を形成す る液体とを含む。第１図においては、ロータ３上に４枚の羽根のみが図示されて いるが、実際には羽根がロータ３の外周囲りに等間隔で配置されるように、これ より多数の羽根が備えられる事は理解されよう。

ロータ３の回転中に羽根の放射方向外端が液体から出ないように、各羽根６の放 射方向長さは軸線２と４の間隔の２倍より少し大とする事が好ましい。第１図に おいて、回転中に羽根６の外端の通る通路を円７で示す。このようにして一連の チャンバ８が羽根６の間に形成され、これらのチャンバ８はその外周において液 体リング５によって画成され、またこれらのチャンバの容積はロータ３の回転角 度に応じて変動する。従ってロータが第１図において矢印９の方向に回転させら れる際に、第１図の下方に向いたチャンバ８は時計方向に回動し、その際に容積 が減少して、第１図のＡによって示された角度位置に達した時に最小容積となり 、つぎにＢの角度位置に達するまで容積が増大する。作動流体が位置Ａの入口か らチャンバ８の中に導入され、つぎに位置Ｂの出口から排出されるとすれば、機 械はエキスパンダーとして作用するが、作動流体が位置Ｂの入口においてチャン バ８の中に導入され、つぎに位置Ａの出口から排出されるとすれば、機械はコン プレッサーとして作用する。

実際上、コンプレッサーの場合、時計方向においてＡからＢまでの半りレッセン ト全体が導入ポートに露出されるが、排出ボートは位置Ａから逆時計方向に数度 の短い円弧のみを占める（近似的に単一チャンバの幅に対応）。しかし導入ポー トも排出ボートも実際上は位置Ａに達しないので、常に導入ポートと排出ボート との間において区域Ａの中に少なくとも１枚の羽根８が存在する。同様のファク タがエキスパンダーの導入ポートおよび排出ボートに適用される。しかし正確な ポートの位置づけは羽根の間の角度と、圧縮または拡張の所要容積比によって支 配される。

第２図は本発明による液体リング装置の実際的実施例であって、この場合ロータ ３が軸１０上に取り付けられ、ドラム１３の固定ポートプレート１２を通る軸受 １１によって支持されている。さらにドラム１３は外側ハウジング１６の壁体を 通る軸受１５によって回転自在に支持された軸１４上に取り付けられている。図 示のように、ロータ３上の羽根６は近似的に長方形断面を有する。さらにロータ ３は環状シュラウドプレート１７を備え、このシュラウドプレートはロータの回 転軸線に対して垂直に延在し各羽根６の軸方向一端に接合されている。ロータ３ の軸方向末端における隣接チャンバ間の漏れが防止される。また隣接チャンバ間 の圧力差を最小限になし、従って羽根と固定ポートプレート１２の間の間隙の液 体の存在しない点を通しての隣接チャンバ間の漏れを最小限となすように羽根の 数が大でなければならない。

図示のように、ドラム１３は皿状ベース１８とこれに固着された環状カバープレ ート１９とを含む。カバープレート１９は隆起した内側リム２０を有し、このリ ム２０は固定ポートプレート１２の外周に対して環状シール２１によって封止さ れているので、ポートプレート１２に対するドラム１３の回転を可能とする。ま た導入ダクト２２がポートプレート１２の導入ポート２３に連通し、排出ダクト ２４がポートプレート１２の排出ボート２５に連通して高圧流体を各チャンバか ら排出する。

従ってポートプレート１２とカバープレート１９の間の環状ギャップ２６が液体 によって浸潤され、これは環状ギャップ２６を通しての作動流体の漏れを最小限 になすのに役立つ。この機構は、各チャンバが圧下流体を非常に短時間のみ収容 するので効果的である。さらに液体を内側に駆動してチャンバ中の圧下流体の収 容能力を増大するため、ポートプレート１２の内側面とカバープレート１９の内 側面に螺旋−形グループを形成する事が望ましい。

またポート２３．２５とチャンバ８との間に必要な流体連通を生じながらチャン バ８の容積を位置Ａにおいて最小限になすように、ロータ３の外側面２７が円錐 形にテーパ状とされている事が見られる。

第３図は他のポート構造を有する本発明の他の実施態様を示す。この実施態様に おいて、固定ポートプレート１２は固定ハブ３０と一体的に形成され、このハブ を通して導入ダクト２２．２４が延在して、ハブ３８の円筒形外側面３３に開く 導入ポート３１および排出ポート３２と連通ずる。この場合、羽根６はロータ３ の外側環状部分３４に固着され、この環状部分３４の内側円筒面３５はハブ３０ の外側円筒面３３を包囲し、また、導入ポート３１と排出ボート３２はチャンバ ８とみぞ穴３６を通して連通し、これらのみぞ穴３６は羽根６の間においてロー タ環状部分３４の中を延在し、ロータの内側円筒面３５に開く。

この実施態様において、隣接チャンバ８の間の漏れを減少させるために、ロータ の各軸方向末端において羽根６に対してシュラウドプレート３７．４８が固着さ れている。しかし、みぞ穴３６と、ロータ環状部分３４とハブ３０とのギャップ とを通して、隣接チャンバ８の間のある程度の漏れが生じる。

第４図は第２図の実施態様の変形を示し、この場合、ロータ３の軸１０の下端が ポートプレート１２と一体的に形成されたハブ４０を通して延在し、ドラム１３ がハブ４０を包囲する大サイズのドラム軸受４１によって支持されている。同様 の軸受構造（図示されず）が軸１０の上端に備えられまた同様の大サイズドラム 軸４１を含む。このような構造はドラム１３上にオーバハングリム２０を備える 必要をなくす。

前記の液体リング装置のいずれも、比較的低い全重量のエンジンについて比較的 高出力を生じるために効果的に使用する事ができる。第５図に図示のように、こ のエンジンは好ましくは低圧燃焼サイクルで作動し、液体装置５０と燃焼チャン バ５１を含み、この燃焼チャンバは液体リング装置５０の外部に配置されて連続 燃焼を生じる。第５図の液体リング装置はコンプレッサー５２とエキスパンダー ５３とを共通軸線上に備え、これらのコンプレッサーとエキスパンダーは共に液 体リング装置であるので、確動的流体移動装置であり、すなわち特定体積のガス を特定体積比で処理する装置である。付図から明らかなように、コンプレッサー ５２によって圧縮された空気が燃焼チャンバ５１の空気導入口に供給され、燃焼 チャンバ５１から出た燃焼生成物がエキスパンダー５３によって拡張され、その 結果、コンプレッサー５２がエキスパンダー５３によって駆動される。燃焼チャ ンバ中では圧力上昇はないので、燃焼中の温度上昇によりエキスパンダー５３に 供給される作動流体の体積はコンプレッサー５２から排出される作動流体の体積 より大である。

作動流体の体積の増大度は燃料／空気混合物の混合比に依存して可変である。も ちろん、共通軸によって得られた駆動出力は、軽量航空機の駆動など、種々の目 的に使用される。

このようなエンジンの各種の用途に対応するようにエンジンの種々の形状が可能 であるが、その一部を第６図乃至第９図に図示する。これらの図において、液体 リング装置は第１図と同様に図示されているが、導入ポートと排出ボートは描影 法によって図示されている。これらのエンジンは、それぞれの出力軸の速度範囲 の大小、および出力トルク範囲の大小によって分類する事ができる。

コンプレッサー軸については高速を維持する事が好ましい。

第６図のエンジンは共通軸上のコンプレッサーおよびエキスパンダーと、第１エ キスパンダーと並列に駆動される別個の駆動軸上の第２エキスパンダーとを使用 する。

この場合、駆動出力は第２エキスパンダーによって与えられ、エキスパンダーに よって排出される流体の体積は駆動軸の所望の速度に依存する。このエンジンは 広い速度範囲と広いトルク範囲とを有し、従って、その構造が複雑であるが使用 上融通性がある。

第７図は第５図に図示の構造と類似であって、この場合、コンプレッサー駆動の ためと駆動出力の発生のために単一エキスパンダーが配備される。このようなエ ンジンは狭い速度範囲を生じるが、広いトルク範囲を生じる。

第８図は原理において第６図のエンジンと類似であるが、コンプレッサーと第１ エキスパンダーが結合されて、それぞれの機能が単一の液体リング装置によって 実施される。第８図に見られように、このような装置のロータチャンバの回転サ イクルの最初の１８０°が燃焼用導入空気を圧縮し、これに対してロータチャン バサイクルの最後の１８０°が燃焼生成物を拡張してコンプレッサーを駆動する ために使用される。第６図の構造と同様に、別個の駆動軸上に取り付けられたエ キスパンダーが駆動出力を提供する。このようなエンジンは広い速度範囲を有す るが、狭いトルク範囲を有する。

第９図は単一の液体リング装置であるが、この場合にもコンプレッサーとコンプ レッサードライブの二重機能を実施する。この場合駆動出力もこの単一液体リン グ装置によって供給される。この場合、エキスパンダ一部分に対する導入ボート が所望の作動流体量を生じるように「遅いボート閉鎖」を生じ、コンプレッサ一 部分に対する導入ボートが拡張比と類似の圧縮比を生じるように「遅いボート閉 鎖」を生じる。第９図のエンジンは狭い速度範囲と狭いトルク範囲とを生じる。

単一ロータが圧縮と拡張ｙを生じる第８図および第９図のようなエンジンはトル クの変動のための絞りが容易でない（その意味で、２行程ピストンエンジンに類 似している）。

第６図および第８図のエンジンのような別個の軸上のエキスパンダーによって駆 動出力を発生するエンジンは、出力軸、従ってロータが静止している場合でも液 体リングの一体性の保持のために外側ドラムの回転を生じる簡単な構造を成す事 ができる。従ってこのようなエンジンは、ゼロ速を含む広い速度範囲を生じ、ま た休止状態からの始動のために少なくともある程度のトルクを発生する事ができ よう。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成　３　年　１１月　２８日 国

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．中心軸線（２）を中心とする円筒形壁体を有する外側ドラム（１３）と、前 記ドラムの中心軸線（２）に対して平行であるが片寄らされた軸線（４）回りに 前記ドラム内部を回転自在の羽付きロータ（３）と、前記ドラムの中に配置され た液体であって、ロータ（３）が十分速度で回転する際に前記液体がドラムの円 筒形壁体に隣接して回転リング（５）を形成し、またロータ上に取り付けられた 羽根（６）の末端がこのような回転中に液体と接触状態に保持されてロータ（３ ）の羽根（６）の間に一連のチャンバ（８）が形成され、これらのチャンバ（８ ）がその外周部分において液体リングによって画成され、ロータ回転軸線（４） とドラムの中心軸線（２）との片寄りの故に前記チャンバ（８）の容積がロータ （３）の回転角度に依存して変動するように配置された液体とロータ（３）の適 当な角度位置において作動流体を前記各チャンバ（８）の中に導入しまた各チャ ンバ（８）から排出させる導入手段および排出手段（２２、２４）とを含む液体 リング装置において、ドラムの少なくとも円筒形壁体（１）は中心軸線（２）回 りに回転自在であって前記液体リング（５）によって回転させられる事を特徴と する液体リング装置。 ２．ドラム（１３）の円筒形壁体（１）の内側面は放射方向内側に向けられた羽 根またはロープを備える事を特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．ロータ（３）は、ロータの一方の軸方向末端においてロータの回転軸線に対 して垂直に延在しロータの各羽根の対応の軸方向末端に接合されたシュラウドプ レート（１７）を含む事を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の装置 。 ４．ドラム（１３）は皿状ベース（１８）と、このベースに固着された環状カバ ープレート（１９）とを含む事を特徴とする請求項１、２または３のに記載の装 置。 ５．ロータ（３）は軸（１０）上に取り付けられ、前記軸（１０）はカバープレ ート（１９）の環状内部に配置された固定プレート（１２）を通る軸受（１１） によって支持される事を特徴とする請求項４に記載の装置。 ６．固定プレート（１２）とカバープレート（１９）との間に環状シール（２１ ）が備えられて、ドラム（１３）を固定プレート（１２）に対して回転させる事 を特徴とする請求項５に記載の装置。 ７．流体導入手段および排出手段は導入ダクトおよび排出ダクト（２２、２４） を含み、これらのダクトは、ドラム（１３）の軸方向末端壁体を成すポートプレ ート（１２）を通り各チャンバ（８）と連通する事を特徴とする請求項１乃至６ のいずれかに記載の装置。 ８．流体導入手段および排出手段は導入ダクトおよび排出ダクト（２２、２４） を含み、これらのダクトは固定ハブ（３０）を通して延在し、このハブの外側円 筒面（３３）に開いてロータ（３）のポート（３１、３２）によって各チャンバ （８）に連通し、ハブ外側円筒面（３３）を包囲するロータの内側円筒面（３５ ）上に開く事を特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。 ９．燃料導入手段、空気導入手段および燃焼生成物排出手段を有する燃焼チャン バと、圧縮部分および拡張部分を有する液体リング装置とを含み、液体リング圧 縮部分の導入手段が空気を受けるように成され、前記の液体リング圧縮部分は空 気を受けるように成された導入手段と圧縮された空気を前記燃焼チャンバの空気 導入手段に供給するための排出手段とを含み、また前記液体リング拡張部分は燃 焼チャンバの燃焼生成物排出手段から燃焼生成物を受ける導入手段と、拡張され た燃焼生成物を排出するための排出手段とを有するように成されたエンジン。