KR0172615B1

KR0172615B1 - 교차 베인 장치 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR0172615B1
Application number: KR1019920700298A
Authority: KR
Inventors: 스테픈 엠. 쵸미스쟈크
Original assignee: 스테픈 엠. 쵸미스쟈크; 메카놀로지 인터내셔날 인코포레이티드
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 1999-03-20
Also published as: EP0485465B1; CA2059662C; CA2059662A1; DE69031495D1; EP0485465A1; JPH05505223A; EP0485465A4; AU649622B2; AU6150390A; DE69031495T2; DK0485465T3; WO1991002145A1; JP2922640B2; KR920704003A; ATE158639T1; ES2112839T3

Abstract

엔진(10)은 서로 맞닿는 한쌍의 회전자(12 및 14)를 가진다. 회전자(12)는 흡입/압축베인(18)을 갖추고 있고, 회전자(14)는 팽창/배기 베인(22)을 갖추고 있다. 엔진(10)의 작동시, 회전자(12)의 흡입/압축베인(18)이 회전자(14)의 팽창/배기베인(22)과 상호작동하여서 흡입/압축실들 및 팽창/배기실들을 형성한다. 이러한 흡입/압축실들은 팽창/배기실들과 분리되어 있으며, 팽창/배기실들은 흡입/압축실들의 각각의 체적보다 더 큰 체적을 가진다.

Description

[발명의 명칭]

교차 베인 장치 및 그 작동방법

[본 출원의 기원]

본 출원은, 지금은 포기되었지만 1990년 1월 26일자로 출원된 본 출원인의 미합중국 특허출원 제 07/471,845호의 일부 계속출원이며, 상기 미합중국 특허출원은 역시 지금은 포기되었지만 1989년 8월 11일자로 출원된 본 출원인의 미합중국 특허출원 제 07/392,450호의 일부 계속출원이다.

[발명의 배경]

[발명의 분야]

본 발명은 양의 배기량(positive displacement)을 가지는 엔진, 압축기, 팽창기 및 펌프에 관한 것이며, 한편 2개 이상의 회전자를 갖추고 있고 이들 회전자가 회전함에 따라서 작동유체가 흡입, 압축, 초과팽창(hyperexpansion) 및 배기행정을 수행할 수 있도록 순환적인 펌프작동을 하기에 충분한 체적 변화를 제공하는 방법에 관한 것이다.

[종래기술의 설명]

회전자들의 상호작동에 의해서 연소실 및 점화실 그리고 팽창실을 각각 형성하도록 경사진 가장자리를 갖추고 있으며 서로 맞닿는 회전자들을 포함하는 엔진들이 공지되어 있다. 예를 들어, 출원인 맥콜(McCall)의 1954년 4월 13일자 공고된 미합중국 특허 제 2,674,982호, 역시 출원인 맥콜의 1962년 10월 30일자 공고된 미합중국 특허 제 3,060,910호, 출원인 코울더(Coulter)의 1965년 9월 28일자 공고된 미합중국 특허 제 3,208,437호, 출원인 햄브릭(Hambric)의 1970년 3월 24일자 공고된 미합중국 특허 제 3,502,054호, 출원인 맥콜(McCall)의 1973년 8월 7일자 공고된 미합중국 특허 제 3,751,193호, 출원인 딘(Dean)의 1974년 5월 7일자 공고된 미합중국 특허 제 3,809,022호, 그리고 출원인 케이스(Case)의 1974년 10월 15일자 공고된 미합중국 특허 제 3,809,022호 등에는 상기한 바와 같은 엔진들이 개시되었다. 이와 같은 종래의 기술들이 상기한 유형의 엔진들의 일반적인 개념을 실행 가능하게 하였으나, 이들 특허에 개시된 설계로는 상기한 유형의 엔진들에 대한 잠재적인 효율의 이점을 충분히 살리지는 못했다.

[발명의 요약]

따라서 본 발명의 목적은, 상기한 유형의 엔진들의 잠재적인 효율의 이점을 향상시킬 수 있도록, 서로 맞닿아서 연소실 및 점화실 그리고 팽창실을 각각 형성하는 회전자들을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 서로 맞닿는 회전자들이 각각 흡입실 및 연소실 그리고 배기실을 형성하는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 엔진의 작동유체를 포함한 가스들의 팽창이 원래의 흡입행정보다 더 큰 체적으로 수행되도록 서로 맞닿는 회전자들이 배열되어 있는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 엔진이 공기의 부족을 피할 수 있도록, 증가된 흡입행정을 가지는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 흡입행정이 엔진내의 압축기의 수와 관계없이 이루어지는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 흡입 및 압축행정이 팽창 및 배기행정과 서로 다른 지점에서 발생하는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 엔진내의 각각의 챔버들을 형성하는데 이용되는 결합면들이 그 접촉 및 밀봉을 향상시킬 수 있는 구성을 가지는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 엔진의 열역학적 싸이클의 각각의 위상이 필요에 따라서 제공될 수 있는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기어비의 변화에 따라서 압축 베인들과 압축실들간의 사이각이 직접 변화되는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 엔진의 크기를 변화시키지 않고서도 기어비의 변화에 따라서 단위 시간당 수행되는 배기량을 변화시킬 수 있는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 회전자의 베인들이 연료분사 및 점화를 위한 기계적인 타이밍 장치로서, 그리고 연료분사 구멍들을 개폐시키고 점화 장치들을 차페시키는 밸브들로서 사용될 수 있는 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 용이하게 조립되는 조립식 엔진블록을 가지는 엔진을 제공하는 것이다.

상기한 목적들 및 이에 관련된 목적들은 이하 기술되는 본 발명의 환형 초과팽창 회전식 엔진에 의해서 달성된다. 본 발명에 따른 엔진은, 함께 회전하면서 작동유체의 흡입, 압축, 초과팽창 및 배기 싸이클을 수행하기 위하여 충분한 체적을 제공하도록 구성되어 있는 2개 이상의 회전자를 갖추고 있다. 싸이클 내에 열을 부가함으로써, 엔진은 일을 수행하게 된다. 본 발명에 따른 환형 초과팽창 회전식 엔진은 내부면을 가지는 엔진블록을 갖추고 있다. 엔진블록 내에는 서로 맞닿는 제 1 및 제 2 회전자들이 회전 가능하게 설치되어 있다. 제 1 회전자는 다수의 흡입/압축 베인들을 갖추고 있으며, 제2 회전자는 다수의 팽창/배기 베인들을 갖추고 있다. 흡입/압축 베인들은, 제1 및 제2회 전자들이 서로에 대해서 회전함에 따라서 팽창/배기 베인들 및 엔진블록의 내부면과 상호 작동하여서 제1 및 제2 회전자들의 사이로 흡입/압축실들 및 팽창/배기실들을 형성하도록 위치되고 구성되어 있다. 흡입/압축실들은 팽창/배기실들과 분리되어 있으며, 팽창/배기실들은 흡입/압축실들의 각각의 체적보다 더 큰 체적을 가진다.

본 발명에 따른 엔진의 작동방법에 있어서는, 먼저 엔진블록 내에 서로 맞닿는 제1 및 제 2 회 전자들이 제공되어 있다. 제1 및 제2 회전자들은 서로에 대해서 회전된다. 제1 및 제 2 회 전자들이 회전함에 따라서, 제1 및 제2 회전자들의 사이로 흡입/압축실들 및 팽창/배기실들이 형성된다. 흡입/압축실들은 팽창/배기실들과 분리되어 있으며, 팽창/배기실들은 흡입/압축실들의 각각의 체적보다 더 큰 체적을 가진다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명함으로써, 상기한 목적들 및 그에 관련된 목적들, 그리고 본 발명의 이점들 및 특징들이 본 발명의 분야에서 숙련된 전문가들에게는 보다 명확히 이해될 수 있을 것이다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명에 따른 엔진의 부분 사시도.

제2도는 제1도의 선 2-2를 따라서 절단된 개략적인 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 엔진의 다른 구조를 도시하기 위해서 제1도의 선 3-3을 따라서 절단된 단면도.

제4도는 다른 구조물을 추가하여 도시된, 제1도의 엔진의 부분 사시도.

제5도 내지 제8도는 제1도 내지 제4도에 도시된 엔진의 작동을 설명하기 위해서 제2도의 선 5-5를 따라서 도시한 단면도.

제9도는 제1도 내지 제8도에 도시된 엔진의 외부의 사시도.

제10도는 본 발명에 따른 엔진의 다른 실시예의 사시도.

제11도는 제12도의 선 A-A를 따라서 취해진, 제10도에 도시된 엔진의 단면도.

제12도는 제10도 및 제11도에 도시된 엔진의 부분단면도 및 정면도로서, 제11도의 방향(B)(주 회전축을 따르는 방향)으로 본 도면들.

제13도는 제10도 내지 제12도에 도시된 엔진의 외부 부품들 및 덮개들을 도시하기 위해서 조립된 상태를 나타낸 사시도.

제14도는 제10도 내지 제13도에 도시된 엔진의 엔진블록 부분들을 조립하는 순서를 나타내는 정면도.

제15도는 제10도 내지 제14도에 도시된 엔진을 뒤쪽에서 본 사시도.

제16도는 제10도 내지 제14도에 도시된 엔진의 엔진블록의 사시도.

제17도는 제16도에 도시된 엔진블록부분들의 다른 사시도.

제18도는 제10도 내지 제15도에 도시된 엔진의 팽창베인의 사시도.

제19도는 제18도에 도시된 팽창베인의 다른 사시도.

제20도 내지 제24도는 제10도 내지 제15도에 도시된 엔진의 작동을 도시하기 위한, 엔진의 연속적인 부분도.

제25도 내지 제32도는 종래의 엔진 및 본 발명에 따른 엔진의 싸이클 선도.

제33도는 제10도 내지 제15도에 도시된 엔진의 부분도로서, 제11도의 방향(B)에서 본 도면.

제34도는 제10도 내지 제15도에 도시된 엔진의 다른 부분의 정면도.

제35a도 및 제35b도, 그리고 36a도 및 36b도는, 각각 제10도 내지 제15도에 도시된 엔진의 팽창 베인과, 본 발명에 따른 엔진의 또 다른 실시예의 팽창베인의 각각의 측면도 및 단면도들.

제37a도 및 제37b도, 그리고 38a도 및 38b도는, 각각 제10도 내지 제15도에 도시된 엔진의 압축베인과, 본 발명에 따른 엔진의 또 다른 실시예의 압축베인의 각각의 측면도 및 단면도들.

제39a도 및 제39b도는, 각각 제10도 내지 제15도에 도시된 엔진의 베인 궤도 및 본 발명에 따른 엔진의 또 다른 실시예의 베인 궤도의 각각의 평면도.

제40도 내지 제44도는 본 발명에 따른 엔진의 또 다른 실시예의 작동을 도시하는 연속적인 부분도.

제 45도는 양의 배기량을 가지는 압축기, 팽창기 혹은 펌프로서 이용될 수 있는, 본 발명에 따른 교차하는 베인장치의 사시도.

제46a도 및 제46b도, 그리고 제47a도 및 47b도는, 각각 제45도에 따른 교차하는 베인장치에 사용되는 회 전자들의 평면도 및 단면도들.

제48a도 및 48b도, 제49a도 및 49b도, 그리고 제50a도 및 50b도는 제45도에 도시된 교차하는 베인장치로 사용되는, 서로 다른 회전자들의 구성을 나타낸 평면도들.

제51도 내지 제54도는 제45도에 도시된 장치의 작동을 보여주는 연속적인 부분도.

제55도 및 제56도는 제45도에 도시된 장치의 주 베인을 도시한 사시도.

제57도 내지 제 59도는 제 45도에 도시된 장치의 다른 구성을 도시한 블럭선도이다.

[발명의 상세한 설명]

도면을 참조하면, 특히 제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 엔진(10)의 일부분이 도시되어 있다. 엔진(10)은 서로 맞물린 한 쌍의 회전자(12, 14)들을 가진다. 서로 맞물리는 것에 더하여, 회전자(12, 14)들은 다른 회전자(14, 12)들의 중심을 관통하는 각각의 회전자(12, 14)를 가지는 것에 의하여 서로 잠가지게 된다. 각각의 회전자(12, 14)들은, 각 회전자(12, 14)의 내부면(20)에 있는 흡입/압축베인(18)과, 각 회전자(12, 14)의 외부면(24)에 있는 팽창/배기베인(22)들을 지지하는 휘일(16)로 이루어진다. 각 회전자(12, 14)의 휘일(16)은 휘일(16)의 측부에 부품들의 부착을 위하여, 그리고 각 회전자(12, 14)들을 위한 지지를 제공하도록 어떤 필요한 베어링들 또는 지지면들을 제공하고, 부품들은 기어, 풀리, 및 캠들과 같은 것들이 회전함으로써 회전자(12, 14)들로부터 발휘되는 유용한 일을 허용한다. 제1도에서, 회전자(12, 14)들은 4개의 흡입/압축 베인(18)들과 4개의 팽창/배기베인(22)들을 가졌으나, 베인들의 수는 4개로 제한되지 않는다.

엔진(10)의 작동에 있어서, 회전자(12)의 흡입/압축베인(18)들은 회전자(14)의 팽창/배기베인(22)들과 상호작용하고, 회전자(14)의 흡입/압축 베인(18)들은 회전자(12)의 팽창/배기베인(22)들과 상호 작용한다. 이러한 상호작용은 유용한 일을 생산하도록 두 회전자(12, 14)들을 허용한다.

제2도는 회전자(12)와 상호작용 하는 회전자(14)의 단면도를 도시한다. 이 도면은 흡입/압축 및 팽창/배기베인(18, 22)들의 단면뿐만 아니라 회전자(12, 14)들의 고유한 환형 형상을 도시한다. 도시된 바와 같이, 휘일(16)의 두께는 흡입/압축베인(18)으로부터 팽창/배기베인(22)까지 일관적일 필요는 없다. 두께에서의 이러한 변화는 흡입/압축실(26)의 흡입체적으로부터 이러한 적용에서 소위 과팽창이라 불리는 팽창/배기실(28)의 배기 체적까지의 압축비를 증가시키도록 이용되는 특징들 중 하나이다. 초과팽창을 허용하도록 사용되는 회전자 형상의 다른 특징은 흡입/압축베인(18)들과 팽창/배기베인(22)들 사이의 중간지름들에 있어서의 상이함이다. 연소가 따르는 챔버(28)들의 팽창 체적으로 흡입/압축실(26)들의 흡입체적의 초과팽창은 엔진(10)의 가장 중요한 일면이다. 이러한 과팽창은 증가된 열역학적 효율을 허용한다.

제3도 및 4도는 베벨기어(34, 36, 38 및 40)들에 의하여 출력축(30, 32)들에 결합되는 2개의 회전자(12, 14)들을 도시한다. 출력축(30, 32)들은 스퍼어 기어(42, 44)들에 의하여 서로 차례로 결합된다. 출력축(30, 32)들은 각각의 회전자(12, 14)들로부터 동력 출발의 수단을 준비하여, 이것들이 회전함으로써 회전자(12, 14)들을 동기화하는 것을 돕는다.

이는 출력축 없이 동기화가 일어나는 회전자(12, 14)들 때문에 실패가 없도록 각 회전자(12, 14)들의 베인(18, 22)들을 배치하는 것이 가능하나, 이러한 것은 각 베인(18, 22)들을 경유하여 회전자들(12 또는 14) 중 하나가 다른 것을 구동시킬 필요성을 만들게 된다. 이러한 것이 불가능한 것은 아니다.

베인(18, 22)들 사이의 적절한 밀봉표면과 회전자(12, 14)를 구동하는 동안 발생되는 마찰을 최소화하는데 필요한 가장 효율적인 표면의 연구가 보다 필요하게 된다.

엔진(10)의 열역학적 싸이클은, 흡입, 압축, 과팽창, 및 배기의 4개의 독자적이며 분명한 위상들로 이루어진다. 제5 내지 8도는 각각의 싸이클이 흡입/압축베인(18)들과 팽창/배기베인(22)들의 상호작용에 의하여 어떻게 달성되는가를 도시한다. 제9도는 엔진블록(76)에서의 흡입구(52)들과 배출구(74)들의 배치를 도시한다.

[흡입]

제7도는 팽창/배기베인(22a)의 전연부(48)의 완전 결합한 흡입/압축베인(18a)의 후연부를 도시한다. 제8도는 흡입/압축베인(18a)이 팽창/배기베인(22a)과 분리하기 시작함으로써 흡입실(50)의 형성의 시작을 도시한다. 흡입실(50)은, 제5도에 도시된 바와 같이 흡입실(50)보다 크게 되도록 연속함으로써 생성되는 부분적인 진공으로 인하여 작동유체를 흡입실(50)로 공급하는 흡입구(52)와 소통한다. 제6도에 의하여, 흡입실(50)은 전체적인 체적에 도달한다.

각 흡입실(50)의 흡입체적은 회전자(12, 14)당 챔버들의 수에 의존한다. 각 회전자(12, 14)를 위한 흡입실(50)들의 수는 같아야만 된다. 흡입실(50)들의 체적효율은 제공되는 흡입기간의 실질적인 양으로 인하여 매우 높다. 싸이클 타임의 대략 75%가 각 챔버를 위한 흡입을 위하여 사용될 수 있게 된다. 종래의 왕복 동 엔진은 이것의 실린더들을 채우도록 싸이클 타임의 약 30%를 허용한다. 또한, 두 회전자(12,14)들은 엔진(12) 안으로 공통의 흡입구(52)를 분배하고, 복잡한 다기관들의 필요성이 없게 만든다. 이러한 것은 각 회전자(12,14)의 각 흡입실(50)로 공기의 매우 균일한 분산이 뒤따른다. 흡입실(50)들은 흡입구(52)들을 통하여 채워져서, 밸브와 이와 관련된 하드웨어를 필요하지 않게 만든다.

[압축]

제5도는 흡입/압축베인(18b)의 후연부(56)의 결합 및 압축실(58)의 형성의 시작에 앞선 팽창/배기베인(22b)의 전연부(54)를 도시한다. 작동유체는 제6도에 도시된 바와 같이 압축실(58)의 체적보다 작아지게 됨으로써 압축된다. 제7도는, 팽창/배기베인(22a)의 측면(64)에 있는 통로(62)를 경유하여 연소실(60)에 운반되는 부분적으로 압축된 작동유체를 도시한다. 제8도에서, 작동유체는 연소실(60)과 통로(62)안으로 압축된다. 이 지점에서 연소가 발생된다. 연소는 어떤 외부점화나 아니면 디젤엔진에서와 같이 압축점화에 의하여 점화될 수 있게 된다.

압축행정은 공기-연료 혼합물 내에서 난류가 발생되도록 고유의 수단을 준비한다. 난류는 연소공정동안 바람직한 특징이다. 공기-연료 혼합물은 적절한 압축비를 제공하도록 여유 체적으로 압축된다. 베인(18, 22)들의 형상 및 여유 체적의 위치에 기인하여, 가스는 난류를 꾀하는 다수의 방향전환은 연소챔버 내에서 겪는다.

[초과팽창]

제8도에서, 흡입/압축베인(18b)의 전연부(66)는 팽창/배기베인(22a)의 후연과 전체적인 결합으로 있다. 베인(18b, 22a)들은 초과팽창실(70)이 제5도에 도시된 바와 같이 형성됨으로써, 약간의 시간동안 전체적인 결합을 유지할 것이다. 초과팽창실(70)은 제8도의 완전한 체적에 도달할 때까지 제6도 및 제7도를 통하여 성장하도록 연속한다.

연소에 의하여 가열된 가스가 원래의 체적보다 큰 체적으로 팽창하도록 허용되는 것이 앞에서 언급되었었다. 이것은 싸이클 타임의 약 25% 이다. 종래의 엔진은 가스가 싸이클 타임의 약 20% 팽창하도록 허용한다. 비록 이러한 것이 처음에 양호하게 나타날지라도, 열손실이 시간에 의존하기 때문에, 종래의 엔진이 가스가 원래의 흡입 체적으로 팽창하도록 단지 허용하는 것을 고려 해야된다. 엔진(10)은 싸이클 타임의 8% 에서 원래의 흡입 체적으로, 시간의 25% 에서 3.5배의 흡입체적으로 가스의 팽창을 허용한다.

[배기]

제7도에서, 흡입/압축베인(18b)의 전연부(66)는 제8도에 도시된 바와 같이 배기실(72)의 체적에 있어서 감소를 시작하도록 팽창/배기베인(22a)의 후연부(68)와 결합을 막 시작한다. 배기실(72)은 제5도 및 6도에 도시된 바와 같이 수축을 계속하여, 배출구(74)를 통한 유체의 배출을 강요한다.

엔진(10) 안에서 열역학적인 위상에서의 겹쳐짐에 기인하여, 배기가스는 싸이클 타임의 75%까지동안 엔진내부에서 남아있을 수 있거나, 또는 초과팽창 위상이 즉시 따르는 대기압으로 가져갈 수 있다. 팽창의 충분한 양으로 인하여, 가스들은 종래의 왕복엔진보다 차가운 1000℉인 온도에 접근한다. 따라서, 이러한 낮은 온도 및 압력은 배기과정에 의하여 발생되는 소음의 양을 낮춘다. 시간의 연장된 주기동안 배기가스를 포함할 수 있는 것에 의하여, 밀봉 및/또는 엔진(10)의 어떤 잠재적인 열 필요성들을 돕도록 배기가스를 사용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 가스는 연소과정을 시작하는데 요구되는 필요한 열의 일부를 제공하도록 사용될 수 있으며, 종래의 점화 장치를 없앤다. 감소된 배출온도 때문에, 냉각 씨스템없이 엔진(10)을 작동하는 것이 가능하다.

[연료공급]

엔진(10)이 자연적으로 회전하고 팽창된 흡입기간 때문에, 혼입된다면, 원심력은 공기로부터 연료를 분리하려하여 흔합의 질이 빈약하게 된다. 보다 좋은 해결은 직접적인 연료분사를 사용하는 것이다. 직접적인 분사가 압축 위상동안 가스압력을 극복하도록 보다 높은 분사압을 요구할지라도, 보다 좋은 결과가 간접적인 연료분사상에 달성될 수 있다. 직접적인 분사를 위한 피트팔(pitfall)들 중 하나는 분사기의 끝이 연소열에 직접 노출되는 것이며, 연소열은 5000℉에 도달할 수 있다. 이러한 것은 분사기들의 끝을 부식하려하여, 이것들의 수명을 단축시킨다. 엔진(10, 디젤 싸이클을 사용하지 않을 때)은, 압축위상동안 직접적인 분사를 허용하여, 흡입베인(18)들과 함께 연소과정동안 분사기의 끝을 감추어 전형적인 분사기들의 고온부식을 방지하는 그러한 것이다. 또한, 흡입베인(18)들은 분사기들을 제어하는 타이밍 기구로서 작용한다. 그러므로, 분사기들은 복잡한 타이밍 기구의 필요성 없이 일정한 흐름형태로 되게된다. 공급비율은 연료펌프의 압력 및/또는 유동율을 변화시키는 것에 의하여 간단히 제어될 수 있게 된다.

[점화]

각각의 회전자를 위한 2개의 연소실들이 있다. 이것은 또한 이것들이 점화지점들인 것을 의미한다. 그러나, 점화는 25,000RPM 의 전류해석 및 회전자당 4개의 흡입 및 4개의 배기실들을 위하여 제안된 기계적인 설계 제한에서 종래의 스파크 플러그들 및 타이밍 기구들로 행할 수 있게되고, 이는 분당 회전자당 100,000 점화 사실들로 해석한다. 이러한 것은 배기가스 또는 레이저 점화에서 열을 사용하는 것과 같은 대안적인 점화접근들의 개발을 필요로 한다.

[윤활]

윤활은 2 싸이클 엔진에서와 같은 연료, 또는 오일펌프와 같은 외부의 압축화된 공급으로 제공될 수 있게된다. 윤활을 위하여 이용될 수 있는 재미있는 현상은, 회전자(12, 14)들의 배열 및 상호작용이 재순환 원심펌프에 기여하는 것이다. 오일이 한 회전자의 중심을 향하여 주입된다면, 이는 제1도의 화살표(78)들에 의하여 지시된 바와 같이 원심력에 의하여 그 회전자의 외측으로 팽개쳐질 것이다. 한 회전자의 외측이 다른 회전자의 내측과 상호작용하기 때문에, 오일은 화살표에 의하여 지시된 바와 같이 다른 회전자의 외측으로 운반되고, 그런 후에 그 회전자의 외측으로 튀어 원래 회전자의 내측에 의하여 픽업되고, 결과들의 동일한 고리를 통하여 재순환된다.

[열역학]

종래의 4 행정 왕복엔진과 로타리 엔진(10)을 비교하는 테이블(I-XI)들에 따른 계산들은 1953년 McGraw Hill 출판사에서 출판된 A.R. Rogowski의 내연기관의 요소 중 57∼65페이지에 기술된 바와 같은 연료-공기-싸이클 접근에 근거한다. 계산은 마찰이 없는 단열과정을 가정하고, 책에 동봉된 별지의 26도, 57페이지, 및 27도의 열역학 상태들의 2개의 차트들에 기대한다.

[변수항목]

P(n) : 싸이클 적정단계에서의 압력(psia)

T(n) : 싸이클의 적정단계에서의 온도(˚R)

V(n) : 싸이클의 적정단계에서의 연료-공기혼합물의 체적(ft³)

r : 압축비

Es(n) : 싸이클의 적정단계에서의 내부 반응에너지(Btu)

Ec : 화학적 에너지(Btu)

E = 전체 내부에너지 = Es + Ec(Btu)

f = 잔류가스의 질량/차트 성분들의 전체 질량

[테이블 Ⅰ]

신선한 공기 및 연료 흡입 종료에서의 초기조건

종래예 제안예

P1 = 14.7 psia P1 = 14.7 psia

T1 = 540R T1 = 540R

V1 = 13.8ft³V1 = 13.8ft³

r = 10 r = 10

ES1 = 8Btu ES1 = 8Btu

[테이블 Ⅱ]

압축행정의 종료에서의 조건

잔류가스(T) = T1/2500r = 540/2500(10) = 0.0216

연소에 앞선 화학적 에너지 :

Ec = (1-f)1507 + 300(f) = (1-0.0216)1507 + 300(0.0216) = 1481Btu

종래예 제안예

P2 = 310 psia P1 = 310 psia

T2 = 1160 R T2 = 1160 R

V2 = V1/r =1.38ft³V2 = V1/r = 1.38 ft³

ES2 = 1481 Btu ES2 = 1481 Btu

Ec = 1481 Btu Ec = 1481 Btu

E2 = Es2 + Ec = 1623 Btu E2 = Es2 + Ec = 1623 Btu

[테이블 Ⅲ]

연소로 인한 열의 추가

종래예 제안예

P3 = 1575 psia P3 = 1575 psia

T3 = 5150 R T3 = 5150 R

V3 = 1.38 ft³V3 = 1.38 ft³

E3 = 1623 Btu E3 = 1623 Btu

[테이블 Ⅳ]

가열가스의 팽창

종래예 제안예

P4 = 90 psia P4 = 18.5 psia

T4 = 2975 R T4 = 2100 R

V4 = 13.8ft³V4 = 48.3ft³

E4 = 915 Btu E4 = 672 Btu

[테이블 Ⅴ]

싸이클당 일

(E3-E4)-(Es2-Es1) = Btu

종래예 제안예

(1623-915)-(142-8)=574 Btu (1623-915)-(142-8)=817 Btu

[테이블 Ⅵ]

에너지 입력

(연료질량)(가열값) =(1-f)×19,270 = Btu

종래예 제안예

(1-0.0216)1507×19,270= (1-0.0216)1507×19,270=

1474 Btu 1474 Btu

[테이블 Ⅶ]

지시된 열효율

일 출력/열 입력

종래예 제안예

574 Btu/1474 Btu = 0.39 817 Btu/1474 Btu = 0.55

[테이블 Ⅷ]

지시된 중간 실행압력

MEP = (싸이클 당 일)(J)Vd

J = 778 ft.1b/Btu

Vd = (V1-V2)(144in²/ft²)

Vd = (13.8-1.38)(144) = 1788.5

종래예 제안예

(574 But)(778)/1788.5 = (817 Btu))(778)/1788.5 =

250 psia 355 psia

[테이블 Ⅸ]

다음 계산들은 3.05in³(50㏄)의 전체 체적을 각각 배출하는 종래 및 제안된 8 실린더 엔진들을 위한 것이다.

마력

Vd = 전체 배출/실린더들의 수 = 3.05 in³/8 = 0.3814 in³

종래예 제안예

n = (실린더의 수)(RPM)/2 n=(실린더의 수)(RPM)

= 8×25,000/2=100,000 =8×25,000=200,000

=24.1 =68.4

[테이블 Ⅹ]

지시된 단위 연료 연소

isfc=2545/(ec)(ni)=연료(1b)/HP·hr

ec=화학적 에너지/연료(Ib)

ni=지시된 열효율(테이블 Ⅶ에서 계산)

종래예 제안예

isfc=2545/(19,000)(0.39) isfc=2545/(19,000)(0.55)

=0.34Ib의 연료/HP·hr =0.24Ib의 연료/HP·hr

[테이블 ⅩⅠ]

갈론 당 마일

임의의 차량이 1시간 동안 시속 60마일로 수행하고, 구름마찰 및 공기 저항으로 인하여 시속 60마일에 대해 20마력을 필요로 한다고 가정.

필요한 연료의 파운드(1bs) = (isfc)(HP)(hrs)

MPG = 주행된 거리/연료의 갈론

종래예 제안예

연료의 파운드=(0.34)(20)(1) 연료의 파운드=(0.24)(20)(1)

=6.8 =4.8

연료의 갈론=6.8/6=1.13 연료의 갈론=4.8/6=0.8

MPG=60mi./1.13갈론=53MPG MPG=60mi./0.8=75MGP

[고려해야 할 다른 요소들]

종래의 엔진이 가상의 전달기관에 동력을 전달하기 위해서는 60MPH의 전달기관을 추진하기 위해 요구된 20HP를 생산하기 위해 종래 엔진은 최대 25,000RPM까지 회전을 하여야 한다. 이것은 종래의 엔진 신뢰도에 대한 중요성을 보장한다. 반대로, 추진된 엔진은 60MPH의 전달기관을 추진하기 위해 요구된 20HP를 생산하기 위해 7500RPM의 회전을 필요로 한다. 이것은 이상적인 RPM이고, 그 결과로서 신뢰도는 증진된다.

제10도 내지 제13도는 본 발명 엔진(100)의 또 다른 형태를 도시했다. 제10도는 엔진(100)의 근본적인 역학 요소를 도시한다. 8개의 압축회전자(102)들은 하나의 팽창 회전자(104)와 상호 작용한다. 팽창회전자(104)에 결부된 것은 베어링(162)을 갖춘 주 구동축(106)(제11도 참조)과 압축기구동축(114)의 기어(12)와 맞물린 기어(110)이다. 기어(112)는 기어(116)와 맞물리고, 오일펌프구동축(118)을 교대로 구동한다. 압축기 회전자들은 기어(119)들에 의해 서로 연결된다. 압축기 회전자(102)들의 각각은 다수의 흡입/압축 베인(120)들을 갖고 있다. 팽창 회전자(104)는 내부주위에 다수의 팽창/배기베인(122)을 갖고 있고, 회전자(102 및 104)들이 각각 화살표(124 및 126)방향으로 회전할 때 흡입/압축 베인(120)과 맞물린다. 팽창/배기베인(122)들의 각각은 배출구(130)에서 끝나는 전달통로(128)를 갖고있고, 그 기능은 아래에 설명한다.

제11 내지 13도는 엔진(100)의 부가적인 상세도이다. 이것들은 정면도 및 단면도로서 엔진(100)의 일부를 각각 나타낸다. 제10도에 도시된 엔진(100)의 일부는 엔진블록(132)내에 봉입되었고, 엔진블록(132)은 압축기회전자(102)들과 팽창회전자(104)가 역학적으로 작동하는 챔버를 형성하기 위해 회전할 때 그들과 상호 작용하고, 엔진블록은 종래의 피스톤 엔진에서 실린더에 해당된다. 엔진블록(132)은, 주 구동축(106)에 부착된 냉각팬(138)에 의해 구동되는, 엔진(100)을 냉각하기 위해 통과하는 냉각 덕트(134)를 갖는다. 엔진블록(132) 상의 냉각핀(139)들은 냉각을 돕는다. 기어 하우징과 오일섬프(140)는 기어(110, 112 및 116)들과 오일펌프(142)를 봉합하기 위해 엔진블록(132)에 부착된다. 오일펌프(142)는 엔진의 구동부분들에 오일을 공급하기 위해 엔진블록(132) 전체를 윤활통로(144)(제14 및 15도 참조)로 연결된다. 첫번째 압축기 회전자(102)는 오일섬프(140)로 오일복귀를 용이하게 하기 위한 오일복귀통로(142)를 포함한다. 연료분사기(146)는 블록(132) 상에 위치한(147) 회전자(102) 각각에 공급된다. 회전자(102)는 베어링(148)에 지지된다. 출입구(150)는 회전자(102)의 각각에 제공된다. 블록(132) 상의 흡입덕트(152)는 흡입 매니폴드(154)를 통해 출입구(150)에 공기를 공급한다. 블록(132)을 꿰뚫은 배출구(156)는 팽창/배기베인(122) 내의 배출구(130)로부터 배출가스를 받는다. 점화장치(158)(제20도 내지 제24도 참조)는 지점(160)에 있는 제1 회전자(102)와 제2 회전자(104) 각각의 사이에 설치된다. 주 구동축(106)은 베어링(162)에 의해 지지되고 오일시일(164)을 갖는다. 그리고 주 구동축은 엔진 블록(132)을 관통한다.

제13도 및 제14도는 엔진블록(132) 및 조립방법의 상세도이다. 블록(132)은 다수의 배기형 부재(166)로 형성된다. 두개의 쐐기형 부재(166)는 서로 결합하여 압축회전자(102)를 둘러싼다. 부재(166)들은 서로 연속해서 결합하여 반월형 조립체(168)를 만든다. 이런 두개의 조립체(168)들은 두 개의 압축 회전자(102)를 포함하여 서로 결합하고 엔진블록(132)을 형성한다.

제14도에 도시된 것처럼 부재(166)들 상에 출입구(170)가 있다.

제15도는 윤활분포통로(144)와 흡입덕트(152)를 가진 흡입매니폴드(154) 및 오일섬프(140)의 상세도이다.

제16도 및 제17도는 출입구(170), 출입구(170)에 연결된 흡입통로(172), 흡입위상 및 팽창위상 밀봉지역(174 및 176), 연료분사기(146) 지점(178) 및 오리피스(180) 그리고 윤활통로(144)를 도시한 부재(165)의 상세도이다. 또한 연소실(182) 및 점화장치(158)의 지점(160)을 도시했다.

제18도 및 제19도는 배출구(130) 및 맞닿는 표면(184 및 185)을 도시하고, 엔진(100)의 작동시 압축회전자(102)의 표면(186)(제14도 참조)들이 맞물린 팽창회전자(104)의 상세도이다. 또한 전달통로(128)를 도시했다.

제1도 내지 제9도의 환형의 초과팽창 회전식엔진(10)과 같이, 제10도 내지 제19도의 다수의 압축기를 가진 초과팽창엔진(100)은 충분한 부피 변화를 제공하고, 순환펌핑작동을 허용하며, 유체의 흡입, 압축, 초과 팽창 및 배기가 일어나도록 하기 위해 배열된 둘 이상의 회전자(102 및 104)를 포함하고 있는 용적형 엔진이다. 싸이클에 열을 추가함에 의해서, 엔진은 일을 할 수 있다. 제5도 내지 8도에서 환형의 초과팽창 회전식엔진(10)의 펌핑 작동 사건의 흐름도를 도시한 것처럼, 제20도 내지 제24도는 멀티-압축 하이퍼-팽창엔진(100)의 펌핑작동사건의 유사성 도시한다. 두 작동 사이의 차이점은, 다수의 압축기를 가지는 초과 팽창엔진의 배기위상이 환형의 초과팽창회전식 엔진에서와는 달리 팽창/배기베인(122) 내에 제공된 배출구를 이용한다는 것이다.

두 엔진들은 모두가 환형의 초과팽창 회전식 엔진이고, 같은 개념으로 작동한다. 그러나 둘 사이의 차이점은 회전자의 역학적 배열에 있다. 환형의 초과팽창 엔진(10)은 체인연결과 같이 연결된 회전자(12 및 14)를 가지고 있다. 다수의 압축기를 가지는 초과팽창엔진(100)은 회전자(102 및 104)가 서로 연결됨을 원하지 않는다. 환형의 초과 팽창엔진의 회전자(12 및 14)는 각각 흡입/압축베인(18)과 팽창/배기베인(22)의 접촉에 제공된 반면, 다

수의 압축기를 가지는 초과 팽창엔진(100)의 회전자(102 및 104)들은 한 형태의 베인만을 각각 갖는다. 간단히 하면, 흡입/압축베인(120)은 압축베인(120)으로 생각되고, 팽창/배기베인(122)은 팽창베인(122)으로 생각된다. 압축배인(120)을 갖는 복수 압축기의 초과팽창 엔진의 회전자(102)들은 압축기(102)라 불린다. 팽창베인(122)을 갖는 복수압축기의 초과팽창엔진(100)의 한 회전자(104)는 팽창회전자(104)라 불린다. 팽창비는 3.5:1이므로, 열역학적 관계 및 효능은 도표 I-ⅩⅠ)의 예시 및 환형의 초과팽창 엔진에서와 같다.

복수압축기의 초과팽창엔진(100)은 동작부분의 동심형 회전운동을 통해 수행되는 펌핑작동 및 초기흡입부피보다 더 큰 가열공기의 팽창부피를 허용하는 용적형 내부연소엔진이다. 그래서 많은 이익을 제공하고, 열효율 증가를 포함한다. 엔진(100)의 전체적인 도안은 유동적이므로, 작동 혹은 신뢰성을 개선하기 위해 필요하다고 생각되는 다른 특징의 추가를 할 수 있다. 팽창부피는 흡입부피의 3¹/₂배이다. 그러나, 이런 팽창부피는 설계에 따라 크거나 혹은 작아질 수 있다. 가열공기를 큰 부피로 팽창하도록 함으로써, 싸이클 말미에 최종 온도 및 압력 실질적으로 낮추어 질 수 있다. 펌핑작동 및 출력을 하기 위한 엔진(100)(보조엔진은 제외)에 필요한 작동부의 수는 10이다. 이들 가운데 6개는 같고, 제7 및 제8부분은 사소한 점을 제외하고는 같다. 이점은 엔진의 생산에 있어서 주목할만한 특징이 있다.

배기온도는 종전의 용적형 엔진의 배기온도보다 900℉ 낮다. 이것은 보다 큰 열 에너지의 비율이 역학적인 일을 하기 위해 실제로 사용되어짐을 의미한다. 이것은 보다 적은 열 에너지를 버림으로써 엔진부를 가열한다. 그래서 본 엔진은 작은 냉각씨스템을 요구할 것을 예상한다. 공냉은 훨씬 더 싸고 간단하다. 그러나 수법은 전형적으로 안정하다. 둘다 엔진의 설계에 있어서 설계자의 의도에 고려될 수 있다. 감소된 배기온도는 감소된 배기압력에 비례한다. 회전자인 소수의 이동부를 결합한 점은 큰 작동엔진에 제공되고, 그래서 머플링 즉 소음감소기는 무게 감소에 일치하여 감소되어질 수 있다.

엔진(100)의 동작부는 제10도에 도시된 것처럼 하나의 팽창회전자(104), 8개의 압축기 회전자(102), 및 하나의 압축구동축(l14)을 포함하고 있다. 팽창회전자(104)는 구름베어링(162)에 둘러싸인 주 구동축(106)을 갖추고 있지만, 작동속도에 따라, 미끄럼 베어링이 사용되어질 수 있다. 압축 회전자(102)는 기어(119)들에 의해 서로 맞물린 회전자 및 회전축 그리고 구름 베어링이나 미끄럼 베어링(148)을 통해 지지된 회전자와 독립이다. 압축 구동축(114)은 기어비가 1:1인 팽창회전자(104)의 주 구동축(106)에 직접 맞물려 있고 구름 및 미끄럼 베어링에 의해 지지된다. 기어비가 1:1에 한정되어지는 것이 필요하지 않지만, 기어비는 엔진(100)의 효율 및 출력에 영향을 미치는 압축베인(102) 및 팽창베인(122)의 기하학적 형상에 영향을 미친다. 압축구동축은 윤활을 엔진의 기어 및 베어링 모두에 공급할 수 있는 오일펌프(142)를 작동할 수 있다. 주 구동축(106)은 적당한 구동장치 및 짝을 이룬 장치와 짝을 이루고 필요하다면 부수적인 구동 도드래를 갖춘다.

팽창회전자(104) 및 압축회전자(102)는 8개의 베인(122 및 120)을 각각 갖고있다. 이것은, 펌핑작동에 요구된 필요한 부피변화를 제공하도록, 팽창회전자(104)의 베인(122)과 압축회전자(102)의 베인(120)들이 상호 작용하도록 구성하기 위한 것이다. 압축회전자(102)의 스핀축은 팽창회전자(104)의 스핀축의 평면에 직각이 되도록 배열된다. 압축회전자(102)는 또한 팽창회전자(104)의 스핀축에 방사형으로 배열되어 있다. 그래서, 각 팽창베인(122)은 회전자(102 및 104)가 완전히 회전하는 동안에 압축회전자(102)의 압축베인(120)과 상호 작용한다. 엔진(100)의 회전을 수행하는 싸이클의 수는 베인(120 및 122)의 수 곱하기 압축기 수이다. 이 경우, 8개의 베인(120 혹은 122) 곱하기 8개의 압축기(102)는, 팽창회전자(104)의 회전마다 64번 수행된 열역학 싸이클의 수와 같다. 엔진(100)은, 팽창회전자(104)에 의해 부여된 기하학적 한계 내에서 압축기(102)의 수에 맞게 설계되어질 수 있다. 엔진(100)의 배기량 압축기(102)의 치수를 변화시키거나 혹은 사용된 압축기의 수를 변화시킴으로써 바뀔 수 있다. 압축기(102)당 압축베인(120)의 수는 (기어비)×(팽창회전자(104)에 사용된 팽창베인(122)의 수)와 같고, 기어비는 팽창회전자(104)의 회전당 압축기(102)의 회전수와 같다. 가장 좋은 열효율은 팽창회전자(104)에 사용된 베인(122)의 수가 압축회전자(102)의 수보다 크거나 혹은 같을 때 수행된다. 베인(122)의 수가 압축기(102)의 수보다 작으면, 팽창비는 감소하고, 이 때문에 베인 및 챔버의 각각의 싸이클은 겹쳐진다.

엔진(100)에서 열역학 싸이클의 단계는 흡입, 압축, 초과팽창 및 배기이다. 용적형 펌프와 같이, 펌핑작동은 부피변화를 통해 수행되고 연속적으로 일어나나, 다른 위치로 놓여있다. 이 배열은 싸이클의 위상을 최적화하기에 알맞은 고안의 유연성을 증가시키기 위해 제공된다.

열역학 싸이클의 4 위상은 팽창베인(122)과 팽창회전자(104)의 챔버의 상호작용과 더불어 압축베인(120)과 압축기(102)의 챔버와의 상호작용에 의해 생성된 펌핑작동에 의해서 수행된다. 필요한 펌핑작동은 아래에 서술하였다.(제20도 내지 제24참조)

[흡입]

제24도는 흡입베인(120)이 팽창베인(122)으로부터 이동함에 따라 흡입실(200)의 형성초기를 도시한다. 흡입실(200)의 부피는 제20도에 도시한 것처럼 제21도에서의 최대값에 도달할 때까지 증가한다.

[압축]

제24도는 압축을 막 시작하려는 압축실(202)을 도시했다. 압축부피는 팽창베인(122)을 향한 압축베인(120)의 구동에 의해서 감소한다. 부피감소는 제20 내지 22도에 도시했다. 압축실의 내용물은 팽창베인의 측면에 위치한 전달통로(128)를 경유하여 연소실내로 압축된다. 제22도에 도시한 것처럼, 전달통로(128)는 점화장치(158)에 노출되어있다. 전달통로(128)는 연소실(204)과 직접연결(제21도 참조)되어서, 연결통로(128) 내의 점화장치(158)에 의해서 점화되어지는 압축혼합물은 연소실(204)내에서 연소가 계속된다.

[초과팽창]

제23도는 팽창베인(122)이 압축베인(120)으로부터 멀어짐에 따라서 팽창실(206)의 형성을 도시한다. 팽창실(206)은 제 24, 20, 21 및 22도를 통해서 계속해서 커진다. 이 구역에서는, 연소가스가 팽창베인(122)에 힘을 발휘하고, 팽창회전자(104)를 구동한다.

[배기단계]

제23도는 또한 배기위상의 초기를 도시한다. 배출구가 노출되고 제 24, 20, 21 및 22도에 의해 보여진 것처럼 배기실의 부피가 압축베인(120)을 향한 팽창베인(122)의 이동에 의해 감소되어짐에 따라서 배기가스는 팽창베인의 배출구(130)를 통해 빠져나가게 되어있다.

제25도 내지 제32도는 종래의 엔진과 본 발명의 엔진(10 및 100)의 싸이클을 비교하여 도시한다. 엔진의 작동을 수행하는 모든 엔진의 팽창 단계 싸이클이다. 제25도는 단일 실린더 4 행정 왕복엔진의 싸이클 단계를 도표화했다. 단지 한번의 팽창위상이 있는 720°크랭크축 회전(2번의 완전회전)을 도표화했다. 엔진에 또 다른 실린더를 부가하면, 피스톤의 운동이 다른 것에 관하여 어떤 위상인지에 관계없이, 각각의 720°크랭크축 회전에 2번의 팽창 위상이 있다. 제26도는 4 실린더 4 행정 왕복엔진이 720°크랭크축 회전마다 4 팽창위상까지 공급할 수 있음을 도시했다. 싸이클이 서로에 대해서 180°의 이상이 될 때 가장 매끄럽게 출력이 제공된다. 이것은, 180°크랭크축 회전당 한번씩의 팽창위상을 만든다.

제27도는 단일 2행정 왕복엔진의 싸이클을 도표화했다. 매 360°크랭크축 회전마다 한번의 팽창위상으로 위상들이 겹침을 도시했다. 두 번째 실린더의 부가에 의해서, 2행정 엔진은 매 180°크랭크 회전마다 한번의 팽창위상을 제공한다. 이는, 4 실린더 4 행정 왕복엔진의 경우와 마찬가지이다. 이것은, 한 싸이클을 수행하기 위해 4 행정이 720°인 것과는 대조적으로 2 행정엔진에 있어서는 총 기간이 360°이기 때문에 가능한 것이다. 2 행정엔진은 그 싸이클의 위상이 겹쳐짐으로써 이와 같은 행정을 수행한다.

방켈엔진의 싸이클이 제28도에 도시되어 있다. 단일회전자 방켈엔진은 회전자의 매 360° 의 회전마다 3번의 팽창위상을 만든다. 방켈엔진의 싸이클을 정당하게 나타내기 위해, 싸이클을 출력축의 회전수보다는 회전자의 회전수와 곱하는 것으로 보여줄 필요가 있다. 이것은, 출력축과 회전자 자체 사이에 요구된 기어비의 효과를 감한다.

실제적인 실행에서, 각 싸이클상의 지속기간이 변하더라도, 세 개의 상기 각 싸이클의 위상은 같은 지속기간의 소비로 표현된다. 다른 말로 하면, 흡입, 압축, 팽창 및 배기위상들은 4행정엔진에서는 180°를, 2 행정엔진에서는 120°를 그리고 방켈엔진에서는 90°를 필요로 한다.

본 발명의 싸이클은, 각 위상들의 지속기간이 같지 않고 지속기간의 가능한 변화량이 실질적으로 크다는 것을 제외하고는, 2 행정왕복엔진의 싸이클과 비슷하다. 제29 내지 32도는 각각 하나의 압축기, 두개의 압축기, 4개의 압축기, 및 8개의 압축기의 초과팽창엔진의 싸이클을 예시했다. 제27도의 단독싸이클과 제31도 및 제32도의 단독 싸이클을 비교하면, 본 발명의 싸이클이 2 행정왕복엔진의 싸이클과 어떻게 많이 비슷한가를 보여 줄 수 있다. 그러나, 완전한 매 싸이클마다 요구된 총 지속기간뿐만 아니라 본 발명의 위상 기간의 비례가 상술한 엔진의 비례와는 다르다는 것이 명백하다.

초과 팽창엔진의 싸이클 위상의 각각의 비슷한 지속기간들은 팽창 회전자에 관한 것이고 다음과 같이 계산될 수 있다. 즉, 흡입기간(도)=(360-α)/기어비,

압축기간(도)=(γ+β)/기어비, 팽창기간(도)=(α-β+θ), 배기기간(도)=δ이며, 여기에서 α=압축기의 회전축으로부터 측정된 팽창 베인의 단부와의 사이각(제11도 참조), β = 팽창회전자의 회전축으로부터 측정된 압축베인의 단부와의 사이각 (제12도 참조), y=압축기의 회전축으로부터 측정된 흡입실의 측면과의 사이각(제34도 참조), θ=팽창회전자의 회전축으로부터 측정된 팽창실의 측면과의 사이각(제33도 참조), f=팽창회전자의 회전축으로부터 측정된 압축기의 방사상의 기점과의 사이각(제12도 참조), 기어비=팽창 회전자의 회전수 당 압축기의 회전수이다.

엔진(100)은 8개의 팽창베인(122)과 팽창회전자(104)에 대한 압축회전자(102)의 기어비가 1:1인 8개의 압축기를 가진 초과 팽창엔진이고, 다음의 값을 갖는다.

α = 35.0°

β = 9.0°

y = 225°

θ = 22.5°

f = 45.0°

이것은 325°의 흡입기간, 31.5°의 압축기간, 48.5°의 팽창기간 및 45°의 배기기간을 만든다. β에 대한 α의 비는 흡입체적에 대한 팽창 체적의 비를 나타낸다. 이 경우에, 팽창비는 약 4:1이다. 그러나, 실제 팽창비는 배기위상이, 팽창체적이 최고조에 달하기 전에 시작하므로, 3.5:1이다.

이 경우, y 및 θ는 같으나, 이는 필요하지 않다. 본 발명의 흐름해석에서, 흡입실의 사이각은 압축기의 회전축으로부터 측정된 압축베인의 사이각과 같다. 이는, 팽창실 및 팽창베인에 대해서도 동일하다. 그러나, 각 챔버의 사이각과 베인의 수와의 합은 360°가 되어야만 한다.

예를 들면, y를 15°까지 감소시킴에 따라서, 이것은 압축베인의 사이각을 30°(8×(15+30) = 360)까지 증가시킨다. 이것은, 동일한 조건에서 반대방향에 팽창베인을 갖추고 있는 팽창실의 비율에 영향을 주는데, 팽창실의 사이각과 팽창베인의 사이 각과의 합에 팽창베인의 수를 곱하면 360°가 되어야 하며, θ는 30°가 되고, 팽창베인의 사이각은 15°가 된다. 이것은, 압축 베인의 사이각 때문에 증가한 경우이고, 따라서 베인이 상호 작용하는 것에 상응하는 팽창실의 사이각이다. 이런 비율의 결과는, 엔진 배기량과 팽창비에 영향을 미치는 조건이다. 다른 모든 조건이 동일하고, γ가 감소하고 θ가 증가하면, 압축기의 배기량은 감소하고 팽창비는 증가한다. 그 역도 마찬가지이다.

압축기가 팽창 회전자의 각 속도의 2배로 돌도록 기어비가 변하고 (기어비=2:1)나서 내구력이 상기 식에 따라 변하면, 하지만 더 중요하게 효율 및 동력 출력도 또한 변한다. 열역학적 비교로서 엔진(10)에 관한 표 I-XI를 사용하고 이 엔진에 초기 팽창 체적을 유지시킴으로써, 엔진(100)에서의 체적은 초기 체적의 2배, 즉 50㏄로부터 100㏄로 된다. 팽창비는 3.5:1로부터 1.75:1로 1/2 감소된다. 이러한 새로운 값을 열역학 방정식에 재도입함으로써, 도시 열효과는 0.55로부터 0.47로 감소하고 도시 평균 유효 압력은 355psi로부터 300 psi로 감소한다. 이 감소는 팽창율의 감소 때문이다. 하지만, 마력은 팽창 회전자(104)의 25,000 rpm에서 68.4로부터 115.5로 증가한다. 팽창율이 그 이전 값으로 증가하면, 출력은 초기 출력의 2배인 136.8로 증가할 것이다. 기어비가 다 압축기 초과팽창엔진(100)의 특징을 결정하는데 중요한 역학을 할 수 있다는 것이 명백해진다.

엔진(100)에 대한 흡입 공정은 흡입 내구력을 강하게 증가시킴으로써 향상된다. 왕복 엔진, 2 행정 및 4 행정, 방켈엔진에 의해서, 열역학 싸이클의 모든 위상은 엔진의 동일한 기하학적 위치 및 동일 유지시간을 발생함으로 흡입 공정은 짧은 유지 시간에 의해 방해받는다. 엔진(100)은 흡입 및 압축 위상이 압축기(102) 내에 생기고 팽창 및 배기위상이 팽창 회전자(104) 내에 생기도록 한다. 엔진(100)의 본질상 또는 위상의 유지시간은 각 위상의 기하학적 위치와 분리되기 때문이다. 증가된 흡입 유지시간은 제안된 엔진의 부피효율에 직접적인 좋은 영향을 주고 조립하는 동안의 엔진 퍼텐셜의 직접적인 측정이다.

매우 단축된 압축위상은 또한 이로운데, 그 이유는 가스가 연료를 연소시키기 전에 조차도 압축공정에 의해 가열되기 때문이다. 이 열은 또한 엔진의 퍼텐셜 일의 일부이기 때문이다. 만일 공기가 느리게 압축되면, 열은 전도 공정에 의해 엔진의 나머지부분으로 벗어날 것이고 엔진의 전체 퍼텐셜 중 다수는 잃어버릴 것이다. 이 열손실은 압축위상의 속도를 증가시킴으로써 감소될 수 있다.

이러한 초과팽창위상은 또한 동일한 이점에 의해 상당히 짧아진다. 엔진(100)에 의해 흡수될 수 있는 시간당 열의 크기의 감소가 있다. 이것은, 연소동안에 연료/공기 혼합물 내의 적절한 난류를 가지는게 매우 중요하도록 하는데, 그 이유는 연소를 일으키는데는 더 짧은 시간이 걸리기 때문이다.

압축 및 초과팽창위상과 같이, 짧아진 배기위상 유지 시간이 또한 바람직한데, 그 이유는 이것이 남아있는 열이 엔진(100)의 성분으로 포기해야 하는 시간양을 감소시키기 때문이다. 배출가스는, 만일 필요하다면 오염물을 감소시키기 위해 개별 영역 내에 집적되어 처리된다. 왕복 엔진과는 달리, 배출가스는 배기를 위해 사용되지 않아서 흡입위상과 배출위상에 필요한 중첩은 없다. 엔진(100)은 펌핑과 열역학 싸이클에 필요한 모든 상을 최적화 시킨다.

팽창 회전자(104) 및 압축기(102)의 베인(122 및 120)은 흡입 및 배출 위상을 조절하기 위해 타이밍 장치로서, 그리고 연료의 분사 및 점화공정에 사용된다. 흡입 및 배기는 2-행정 왕복 엔진내의 피스톤과 같은 방법으로 밸브로서 작용하는 베인(122, 120)에 의해 엔진블록(132)내의 포트(150, 130)를 통해 발생한다. 팽창 회전자(104)의 베인(122)은 또한 전달통로(128)에 의해 제공된다. 이 통로는 연료/공기 혼합물이 연소실(204)내로 팽창되게 하고 연료/공기 혼합물이 점화되는 것에 의해 연속점화장치를 노출시킨다. 팽창베인(122) 내에 배기구(130)가 또한 제공되어 있어서 배기 위상 중에 배출가스가 팽창 회전자(104)를 통해 벗어나도록 한다.

연료의 이송은 비교적 단순한 연료 분사 장치로부터의 직접 연료 분사에 의해 행해진다. 각 압축기(102)를 위한 연료 분사기(146)가 설치된다. 연료의 양호한 원자화가 직접 분사 장치의 이송의 증가된 압력으로 인해 생기는 점에서 직접 분사는 간접 분사보다는 장점을 갖는다. 전형적으로, 직접 분사장치의 분사기는 직접 연소열에 노출되고 부식되기 쉽다 ; 하지만, 엔진(100)의 분사기(146)는 압축실(202)에서의 위치에 의해 직접 연소열로부터 보호되고 연소실(204)로부터 분리되어 분사기의 수명이 증가되게 한다. 이러한 분사는 압축기(102)의 베인(120)에 의해 물리적으로 시간이 조절된다. 이것은 연료 분사 장치의 복잡성을 감소시키는데, 그 이유는 분사기(146)를 펄스할 필요가 없기 때문이다. 분사장치는 공기의 흐름 특성에 따라 분사기(146)의 유량을 조절하기만 하면 된다. 연료 분사기(146)는 일반적인 연료레일(도시 않음)에 의해 측정되고, 적당한 연료 펌프(도시 않음)를 통하여 공급된다.

또한, 점화 장치가 단순화된다. 점화원(158)은 연소실(204) 옆에 위치하고 압축기(102) 하나에 하나씩의 점화원(158)이 필요하다. 점화는 팽창회전자(104)의 베인(122)에 의해 물리적으로 시간이 조절되고, 별도의 점화 분배기가 필요없게 한다. 점화원(158)의 원리는 디이젤 엔진에 사용된 글로우 플러그(glow plug)의 원리와 같다. 점화원은 압축된 연료/공기 혼합물의 열적 요구에 따라 일정한 온도로 가열된다. 이어서, 연료/공기 혼합물은 팽창 베인(122)의 전달 통로(128)를 통하여 점화원(158)에 노출된다. 그 후에, 혼합물의 연소부는 연소실(204)에 있는 혼합물의 나머지를 점화시킨다.

윤활유가 오일 펌프(142)로부터 공급되고, 압축기 구동축(114)에 의해 구동된다. 이 오일은 오일 분배 채널(144)로 정정되는데, 이 경우에 오일은 각 블록의 부분(166)에 위치한 각 윤활 채널(144)로 분배되고, 기어, 베어링 및 다른 필요한 영역에서 순환되고, 압축기(102)의 중공 구동축에 있는 오일 귀환 통로(145)를 경유하여 오일섬프(140)로 되돌아간다. 오일은 엔진의 고온영역으로부터 벗어난다. 따라서, 이 오일은 쉽게 오염물을 집적시키지 말아야 하거나 종래 엔진에서만큼 뜨겁게 가열되지 않아야 한다. 이것은, 요구된 오일의 변화 간격을 증가시킬 것이다.

만일 필요하다면 비록 수냉식 장치가 설치될 수 있다하더라도, 공냉식 냉각장치가 엔진(100)의 냉각용으로 적합하다고 예상된다. 엔진(100)에서 가장 뜨거운 영역은 엔진의 주변이며, 이 영역은 여분의 열을 제거하기가 가장 쉽다. 엔진의 주변에는 지느러미 형태의 부품이 있고, 공기가 주축(106)으로부터 구동된 팬(138)을 경유하여 공급된다. 이 팬(138)은 필요시에 물펌프로 대체될 수 있고 핀(139)은 물 재킷으로 대체될 수 있다.

압축기(102)의 베인(120)은 압축 및 팽창단계 중에 밀봉을 유지시킬 필요가 있다. 이 단계들은 비교적 단시간 내 그리고 실제로 회전자(102, 104)의 일부에서 발생하므로, 밀봉으로 인한 마찰은 상당히 감소될 수 있다. 압축기 회전의 큰 비율은 밀봉 장치에 의해 방해받지 않을 수 있다. 하지만, 팽창 회전자(104)의 베인(122)은 회전자(104)의 전체 회전을 위해 적당한 밀봉을 유지해야 한다. 이 단계들 중에 밀봉은 가동부의 실제 접촉없이 밀봉하기에 충분한 공차를 제공함으로써 이루어져야 한다. 각 챔버의 벽 위의 표면 패턴과 결합한 회전자(102 및 104)의 베인(120 및 122)의 기하학적 형상은 누설 방지에 층분한 공차를 갖도록 하기에 적당하도록 믿어진다. 압축 베인(120) 및 팽창 베인(122)의 단부들은 열역학적 싸이클의 위상들을 밀봉하고 분리하기 위해 가능한 한 치밀하게 구성되어 있어야 한다. 밀봉 단부면(184, 185, 186)은 환형으로 그 둘레에 생긴 나선형부에 기초를 둔다. 다 음식은, 표면상에 임의의 지점을 결정하기 위한 기초 수학공식이다.

X = sin(-α/2 + φ) x반경.

Y = cuts(-φ/기어비)× ((cos(-α/2 +φ)× 직경) + 중심거리).

Z = sin(-φ/기어비)× ((sos(-α/2 +φ)× 직경) + 중심거리).

여기서 α = 압축기 회전축으로부터 측정된 팽창 베인 단부와의 사이각 (제11도), φ = 표면의 각도 분해를 결정하기 위해 사용된 각도의 증분(제18도), 반경 = 압축기의 회전축으로부터 문제의 지점까지 압축기 평면상에 있는 2차원 거리 (제11도), 기어비 =팽창 회전자의 각도 분해당 압축기의 분해수, 중심거리 = 압축기 회전축과 팽창 회전자의 회전축 사이의 수직거리(제11도)이다. 이 방정식들은 팽창베인(122)을 위한 서로 맞닿는 표면(184, 185)을 나타낸다. 이 방정식은 치수(φ)의 각도 스텝에 의해 -α/2 내지 α/2로 제한된다. 압축 베인(120)의 서로 맞닿는 표면은 팽창 베인(122)을 위해 생긴 표면(184, 185)의 일부이다. 표면(184, 185, 186)의 상호 작용의 특징은 사용된 -α/2 와 α/2 사이의 부분에 따라서 그리고 압축베인의 사이각(제12도에서 13)과 같아야 하는 전체 부분을 염두에 두고 변경될 수 있다.

제35a-35b도 및 제36a-36b도는 각각 제10-15도의 엔진(100)으로부터의 팽창 베인(122)과 그 내부에서 개별 연소실(204, 제20-24도)이 제거되는 엔진(100)의 변화를 위한 팽창 베인(250)을 나타낸다. 이 엔진에서, 연소실은 개정된 베인 기하학적으로 인해 날개 상에 형성된다. 이것은 팽창 베인(122)내에 전달통로(128)가 필요없게 한다. 팽창베인(250)의 측면(252)은 팽창베인(122)의 대응측면(254)과는 많이 다른 각을 갖는다. 고정식 연소실(204) 및 전달 통로(128)를 제거시킴으로써 배기 손실이 상당히 감소된다.

제 37a-37b도 및 제 38a-38b도는 제 10-15도의 엔진의 압축 베인(120)과 고정식 연소실(204)이 없는 엔진용 압축베인(256) 사이의 차이를 나타낸다. 측면(258)은 압축베인(120)의 대응측면(260)과는 다른 각을 갖는다.

제39a도 및 제39b도는, 제10-15도에서 압축베인(120) 및 팽창베인(122)을 사용하는 엔진(100)용 압축궤도(265) 및 팽창궤도(266)와 비교되는, 압축베인(256) 및 팽창베인(250)을 사용하는 엔진용 압축궤도(262) 및 팽창 궤도(264)에서의 변화를 나타낸다. 표면(268, 270)은, 압축궤도(265) 및 팽창궤도(265)에 있는 대응표면(274, 276)과 비교되는, 압축궤도(262 및 팽창 궤도(264)의 바닥(272)에 대한 다른 각을 갖는다. 팽창궤도(266)에 있는 연소실(204)은 팽창궤도(264)에서는 제거된다. 테이퍼부(278)는 압축 궤도(262) 및 팽창궤도(264) 사이의 교차점(280)에 존재한다.

제40 내지 44도는 압축 베인(256), 팽창 베인(250), 압축 궤도(262) 및 팽창 궤도(264)의 변경된 기하학에 기초를 둔 베인(250)과 (256)의 상호 작용을 보이는 일련의 단계를 나타낸다. 제40 내지 43도는 각각 제1 내지 4도의 엔진(10)용 제5 내지 8도에 대응하고 제40 내지 44도는 각각 제10 내지 15도의 엔진(100)용 제24 및 20 내지 23도에 대응한다.

간단히 하면, 제24 및 20-23도를 참조하며, 제24도에서 압축실(202)은 최대 체적에 있다. 제20도에 도시된 바와 같이 베인(120 및 122)이 각각의 방향으로 회전을 계속함에 따라 압축실(202)의 체적은 감소하고, 제21도에 도시된 바와 같이 압축실(202)의 내용물은 팽창 베인(122) 내의 전달 통로(128)를 통하여 연소실(204)로 이동한다.

제40도는 최대 체적에 있는 압축실(282)을 나타낸다. 제41 및 42도에 도시한 바와 같이 압축베인(256) 및 팽창베인(250)이 각각의 방향으로 회전을 계속함에 따라 압축실(282)의 체적은 감소한다. 제43도에서 압축실(282)은 베인(250, 256)의 기하학에 의해 완전히 형성되고 사면체의 형상을 가지기 시작한다. 제44도는 압축실의 최종 형상을 나타낸다. 이 경우에 압축실은 연소실(284)로 된다. 연소실(284)은 역사면체의 형상이 된다. 제43도 및 제44도에서, 연소실(284)이 압축궤도(262)와 팽창궤도(264) 사이의 테이퍼부(278)를 경유하여 형성됨에 따라 제40도에 도시된 바와 같이 초기 압축실(282)의 내용물은 사면체 연소실(284)로 이동한다. 이 작은 테이퍼부(278)에 의해 형성된 체적은 엔진에서의 배기 손실시키는 역할을 하는 체적만을 나타낸다. 도시되고 설명된 것과는 다른, 제35a-44도의 변경 기하학 및 방식을 사용하는 엔진의 구성 및 동작은 제10-15도의 엔진의 구성 및 동작과 같다.

제45도는 단일 주회전자(302) 및 다수의 보조 회전자(304)에 의해 형성된 챔버들의 체적비와, 이 챔버들 사이의 연통 통로에 따른 양변위압축기, 팽창기 또는 펌프로서 사용될 수 있는 장치(300)를 나타낸다. 제45도는 주 회전자(302)의 회전축에 대해 방사형으로 배향된 8개의 보조 회전자(304)를 나타낸다. 보조 회전자(304)는 제45도에는 그 중에 하나만이 도시된 보조 구동축(306)에 의해 구동된다. 보조 구동축(306)은 주 구동축(310)에서는 (308)에 및 보조 회전자(304)의 하나에서는 다른 단부에 연결된다.

만일 필요하다면 하나보다 많은 보조 구동축(306)이 사용될 수 있다. 주회전자(302)는 다수의 주베인(314)을 갖고, 이 베인들 사이에 다수의 주챔버(316)가 형성된다. 보조 회전자(304) 각각은 다수의 보조베인(318)을 갖고, 이 베인들 사이에는 다수의 보조챔버(320)가 형성된다. 보조베인(318) 및 보조챔버(320)의 수는 주베인(314)의 수 및 주회전자(302)와 보조 회전자(304)의 사이의 기어비는 함수이다. 이것은, 주베인(314) 및 보조베인(318) 그리고 압축기, 팽창기 또는 펌프의 필요한 펌핑 작용을 제공하기 위해 충분한 체적 변화가 생기도록 형성된 챔버(316, 320)의 상호 작용이다.

주챔버(316)의 체적 및 보조 챔버(320)의 체적 사이의 체적비는 여러 인자에 따라 변할 수 있다. 제1 인자는 제46a 및 46b도에 도시된 바와 같이 보조 회전자(304)에 의해 결정된 보조챔버(320)의 평균직경(D2)에 대한 주회전자(302)에 의해 결정된 주챔버(316)의 평균직경(D1)의 비율이다. 제2 인자는, 제47a 및 47b도에 도시된 바와 같이 보조 회전자(304)의 두께에 의해 결정된 보조챔버(320)의 두께(T2)에 대한 주회전자(302)의 두께에 의해 결정된 주챔버(316)의 두께(T1)의 비율이다. 제3 인자는, 제48a-49b도에 도시된 바와 같이 챔버와 베인사이에 방사형 사이각(γ 및 θ)의 비율이다. γ와 θ의 합은 다른 양상의 기하학에 의해 결정된 어느 값과 동일하지만, 그 합이 일정하게 남아있는 한 γ 및 θ는 다른 값으로 지정될 수 있다. 보조회전자(322)에 대한 γ의 값이 증가하면, 주회전자(324)에 대한 γ의 값은 감소함을 주목해야 한다. 챔버의 유지시간이 상호 작용하는 회전자상의 베인의 유지시간과 같아야 한다는 사실 때문에 그렇게 할 필요가 있다. 제4 인자는 주 구동축(310)과 보조구동축(306)사이의 기어비이다. 제46a 및 26b도는 1:1의 기어비를 갖는 주회전자(302)와 보조회전자(304)를 나타낸다. 각 회전자에 대한 베인(314, 318)의 수는 같음을 주목해야 한다. 제50a 및 50b도는 2:1의 기어비를 갖는 주회전자(302)와 보조회전자(326)를 나타낸다. 이것은 보조회전자(326)가 주회전자(302)의 각속도의 2배의 속도로 회전함을 의미한다. 따라서, 베인(328)의 수는 기어비 1:1의 보조회전자(304)에 비교해서 1/2로 된다. 기어비는 변화는, 보조회전자(326)가 주회전자의 각 회전에 대해 처리될 수 있는 대치로 효과적으로 2배가 된다.

제51 내지 54도는 베인(314, 318) 상호작용의 연속을 나타낸다. 작동 매체는 어느 적합한 포트장치를 통해 장치(300) 내로 향해질 수 있고 바람직하다면 감속되고, 내부 매체는 상기 포트를 통해 장치로부터 향해질 수 있다. 제55도는 주베인(314) 내에 포함된 포트(330)를 나타낸다. 하나의 회전자(302)의 베인(314)이 다른 회전자(304)의 베인(318)으로부터 벗어남에 따라, 챔버(316) 또는 (320)의 체적은 감소한다. 4개의 챔버(315) 또는 (320)의 체적은 각 상호작용점에서 동일하게 변할 것이다. 상호작용점의 수는 보조 회전자의 수에 의존한다.

챔버(316)와 챔버(320) 사이에 적당한 통로(321)를 제공함으로써, 하나의 챔버(316 또는 320) 내용물은 다른 챔버(320 또는 316)로 이동하고, 회전자(302, 304)가 회전하는 방법, 주챔버(316) 및 보조챔버(320) 사이의 체척비 및 통로 및 포트의 위치에 의하며, 장치(300)는 압축기, 팽창기, 펌프 또는 이들의 조합으로 배열될 수 있다.

제57 내지 59도는 장치(300)의 소수의 퍼텐셜 변화의 블록선도이다. 제57도는 일련으로 동작하는 모든 보조 회전자(304)를 나타낸다. 한 회전자에서 다른 회전자까지의 체적비를 변화시킴으로써, 장치(300)는 다단계 압축기 또는 팽창기로 작용할 수 있다. 제58도는 병행으로 작용하는 모든 보조 회전자(304)를 나타낸다. 이 장치는 다른 또는 같은 종류의 매체를 펌핑하기 위한 펌프로서 적합하다. 제59도는 일련으로 및 병행으로 보조 회전자(304)의 조합을 갖는 배열된 장치(300)를 나타낸다. 물론, 장치(300)를 배열할 수 있는 많은 부가적인 방법이 있다.

주베인(302)의 단부(330)는 주챔버(314) 및 보조챔버(320)를 밀봉하고 분리하기 위해서 보조베인(304)의 단부와 가능한 한 치밀하게 맞닿아야 한다. 이 단부면 또는 맞닿는 표면은 환형으로 그 둘레에 생긴 나선형부에 기초를 둔다.

도시된 도면들 및 상술한 설명 이외에도, 장치(100)의 구성 및 동작은 제10-15도 및 제35a-44도에 나타낸 엔진의 구성 및 동작과 같다.

상기한 본 발명의 목적을 이를 수 있는 신규의 환형 초과 팽창 회전식 엔진이 제공됨을 이 분야 기술자들은 이제 용이하게 알 수 있을 것이다. 본 발명의 엔진은 서로 맞물리는 회전자를 갖춘 엔진의 퍼텐셜 효율을 증가시키는 이점을 갖는다. 본 발명의 한 특징에 의하면, 서로 맞물리는 회전자는 흡입/압축 및 팽창/배기실을 제공한다. 이러한 엔진에서, 압축가스의 팽창은 최초의 흡입 체적보다 더 큰 체적으로 발생한다.

첨부된 도면들 및 상기 실시예들이 여러 가지로 변경 및 개조될 수 있음은, 당 분야의 전문가들에게는 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 이러한 것들은 모두가 특허청구의 범위에 기재된 바와 같이 본 발명에 속하는 것이다.

Claims

교차 베인 장치(100)에 있어서, 내부면을 갖춘 지지구조물(132)과 상기 지지구조물(132) 내에 회전 가능하게 설치되어 상호 결합되는 제1 및 제2 회전자(104, 102)를 포함하고 있으며, 상기 제1 회전자(104)는 다수의 제1 베인(122)을 갖추고 있고, 상기 제1 회전자(104)의 내주면과 상기 제1 베인(122)은 횡방향으로 오목하게 형성되어 있고, 연속적으로 배치된 한 쌍의 상기 제1 베인(122)과 상기 지지구조물(132)의 내부면 사이의 공간이 다수의 주 챔버(206)를 형성하고 있으며, 상기 제2 회전자(102)는 다수의 제2 베인(120)을 갖추고 있고, 상기 제2 회전자(102)의 외주면과 상기 제2 베인(120)은 횡방향으로 볼록하게 형성되어 있고, 연속적으로 배치된 한 쌍의 상기 제2 베인(120)과 상기 지지구조물(132)의 내부면 사이의 공간이 다수의 보조 챔버(200)를 형성하고 있으며, 상기 제1 회전자(104)의 제1 회전축과 상기 제2 회전자(102)의 제2 회전축은 서로 교차하지 않도록 배열되어 있으며, 그리고 상기 제1 회전자(104)와 상기 제2 회전자(102)는 상기 제1 베인(122)과 상기 주 챔버(206), 그리고 상기 제2 베인(120)과 상기 보조 챔버(200)가 각각 단일의 공통 교차점을 통과하도록 배열되어 있는 교차 베인 장치.
제1항에 있어서, 하나의 상기 제1 회전자(104)와 다수의 상기 제2 회전자(102)를 포함하고 있으며, 상기 제1 회전자(104)는 상기 다수의 제1 베인(122)이 부착되어 있는 횡방향으로 오목한 형상의 내부면을 가지고 있고, 상기 제2 회전자(102)는 상기 다수의 제2 베인(120)이 부착되어 있는 횡방향으로 볼록한 형상의 외부면을 가지고 있고, 상기 제1 베인(122)이 주 베인이 되고 상기 제2 베인(120)이 보조 베인이 되는 교차 베인 장치.
교차 베인 장치(100)에 있어서, 내부면을 갖춘 지지구조물(132)과 상기 지지구조물(132) 내에 회전 가능하게 설치되어 상호 결합되는 제1 및 제2 회전자(104, 102)를 포함하고 있으며, 상기 제1 회전자(104)는 다수의 제1 베인(250)을 갖추고 있고, 상기 제2 회전자(102)는 다수의 제2 베인(256)을 갖추고 있고, 상기 제2 베인(256)은 상기 제1 및 제2 회전자(104, 102)가 서로에 대해서 회전할 때에 상기 제1 베인(250) 및 상기 지지 구조물(132)의 내부면과 상호 작동하여서 주 챔버(284) 및 보조 챔버(282)를 형성하도록 위치되고 구성되어 있고, 상기 제1 베인(250) 및 상기 제2 베인(256)의 측면들이 연속하는 면들로서 구성되어 있어서 상기 지지 구조물(132)의 내부면과 상기 제1 베인(250) 및 상기 제2 베인(256)과의 사이에 틈새 체적(282)을 동력학적으로 형성하고, 상기 보조 챔버(282)로부터 상기 주 챔버(284)로의 내용물의 전달은 상기 지지 구조물(132) 내에 있는 전달 통로(278)를 통해서 이루어지며, 상기 전달 통로(278)는 그 체적이 상기 동력학적으로 형성된 틈새 체적(282)의 최소 전체 체적보다 작게 되도록 크기가 정해져서 구성되어 있는 교차 베인 장치.
교차 베인 장치(100) 내에 틈새 체적을 동력학적으로 형성하는 방법에 있어서, 내부면을 갖춘 지지구조물(132)의 내부에 제1 베인(122, 250) 및 제2 베인(120, 256)을 제공하는 단계로서, 상기 제1 베인(122, 250)이 제1 결합면(185)을 제공하며 제1 축방향 단면을 갖추고 있고, 상기 제2 베인(120, 256)이 제2 결합면(186)을 제공하며 제2 축방향 단면을 갖추고 있고, 그리고 상기 제1 및 제2 축방향 단면이 다른 형상으로 되어 있는, 제 1 베인(122, 250) 및 제2 베인(120, 256)을 제공하는 단계와, 그리고 상기 제1 베인(122, 250)을 제1 이동 방향으로 이동시키고 상기 제2 베인(120, 256)을 상기 제1 이동 방향과 교차하는 제2 이동 방향으로 이동시키는 단계로서, 상기 제1 베인(122, 250) 및 상기 제2 베인(120, 256)이 공통 교차점을 통과하고, 그리고 상기 제1 결합면(185)이 상기 제2 결합면(186)과 결합되었을 때 상기 제1 및 제2 결합면(185, 186)과 상기 지지구조물(132)의 내부면이 틈새 체적(282)을 형성하는, 상기 제1 베인(122, 250) 및 제2 베인(120, 256)을 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.