KR101916493B1

KR101916493B1 - 인벌류트 곡선을 사용하여 형성된 로터

Info

Publication number: KR101916493B1
Application number: KR1020137030644A
Authority: KR
Inventors: 커티스 패터슨; 알레잔드로 후안; 크리스트잔 고트프리트
Original assignee: 엑스퍼넨셜 테크놀로지스 주식회사
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2018-11-07
Also published as: AU2012245033A1; AU2012245033B2; US9316102B2; WO2012142714A1; CN103649584B; RU2013151385A; RU2619153C2; EP2699821A1; BR112013026978A2; MX344134B; JP6193213B2; CA2833593A1; JP2014517187A; EP2699821A4; EP2699821B1; BR112013026978B1; MX2013012100A; KR20140028009A; US20120269669A1; CN103649584A

Abstract

본 발명은 타이밍 기어 또는 인덱싱 기어 뿐만 아니라 에너지 변환 장치에 사용하기 위한 인벌류트 곡선의 용도를 기술한다. 로브 개수와 형태의 몇몇 예들의 로터를 사용하여 몇몇 상이한 실시예들이 도시된다.

Description

인벌류트 곡선을 사용하여 형성된 로터{ROTORS FORMED USING INVOLUTE CURVES}

본 특허 출원은 2011년 4월 20일에 출원된 미국 가특허출원번호 61 /477,469호를 기초로 우선권을 주장하는데, 상기 미국 특허출원은 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용된다.

본 발명은 타이밍 기어 또는 인덱싱 기어 뿐만 아니라 에너지 변환 장치에 사용하기 위한 인벌류트 곡선의 용도를 기술한다.

제 1 로터와 제 2 로터를 포함하는 장치가 몇몇 실시예에 기술된다. 몇몇 실시예에서, 제 1 로터와 제 2 로터의 회전축들은 동일 직선(collinear)으로부터 이격되어 배열되고 서로 교차된다(intersecting). 각각의 로터는 제 1 측면과 제 2 측면을 가진 하나 이상의 로브(lobe)를 포함하고, 각각의 로브의 제 1 측면은 하나 이상의 구형 인벌류트 곡선(spherical involute curve)으로 형성된 곡선 표면이다. 제 1 로터의 로브들은 로터의 주변(periphery) 주위로 제 2 로터의 로브들과 서로 맞물린다(intermesh). 기술된 장치의 한 형태에서, 제 1 로터의 각각의 로브의 제 1 측면은 제 2 로터 위에서 로브의 제 1 측면과 접촉한다.

기술된 장치는 맞은편 로터의 로브 팁(tip)들에 대한 간격을 제공하기 위해 로브의 제 1 표면 내에 언더컷(undercut)을 추가로 포함할 수 있다.

기술된 장치는 로브의 제 2 측면이 티어드롭(teardrop)/오벌(oval) 형태의 횡단면을 가지도록 배열될 수 있다. 티어드롭 표면은 본 장치가 회전하는 동안 맞은편 로터의 로브 팁과 적절하게 접촉할 수 있도록 형성된다. 기술된 장치는 로브의 제 2 측면이 이격되어 배열되거나 혹은 티어드롭 형태의 사전하중(preload)을 받는 상태가 되도록 형성될 수 있다. 달리 말하면, 기술된 장치는 로브의 제 2 측면이 사전하중을 받는 상태로 맞은편 로터의 제 2 측면과 접촉하도록 형성될 수 있다는 의미이다.

본 장치의 로터들은 로브들의 제 1 측면들과 제 2 측면들이 모두 인벌류트 곡선들로 구성되도록 형성될 수 있다.

본 장치는 하우징을 추가로 포함할 수 있는데, 상기 하우징의 내측 직경과 제 1 로터의 외측 직경 사이에는 미리 정해진 틈(gap)이 있다. 상기 미리 정해진 틈은 하우징의 내측 직경과 제 2 로터의 외측 직경 사이에도 제공될 수 있다. 또한, 제 2 로터의 로브들의 제 1 측면들과 제 1 로터의 로브들의 제 1 측면들 사이에 틈이 제공되며, 상기 틈은 제 1 로터와 제 2 로터의 회전 동안에 변경된다.

조립을 용이하게 하고 기능을 쉽게 구현하기 위하여, 본 장치는 제 1 로터와 제 2 로터를 둘러싸는 슈라우드(shroud)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 슈라우드는 회전 동안 제 2 로터와 제 1 로터의 외측 직경들과 실질적으로 접촉한다. 작동 동안, 슈라우드는 제 1 로터와 제 2 로터와 회전하고 슈라우드는 하우징 내에 위치된다.

상기 장치는 제 1 및 제 2 로터의 회전축의 교차선(intersection)의 공통 중심에 중심이 위치된 실질적으로 구형 볼(spherical ball)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 볼의 외측 직경과 하나 이상의 로터의 내측 구 표면(sphereical surface) 사이에 틈이 제공될 수 있다.

컴프레서 또는 익스팬더로서 사용될 수 있도록 하기 위하여, 본 장치는 포트(port)를 형성하는 표면들을 포함할 수 있는데, 하나 이상의 로터는 로터의 후방면을 통해 통과되는(ported) 유체 입구 및/또는 출구 포트를 포함한다.

본 장치가 다수의 개수의 표면들과 로브를 가지는 것으로 기술되었지만, 기술된 한 실시예에 따르면 구형 인벌류트 유도 표면의 개수는 로터 당 하나이다.

본 장치는, 각각의 로터 위에 있는 로브 구형 인벌류트 곡선들이 나선형 형태를 가지며, 표면이 로터 주위에서 360°에 가깝게, 360°와 똑같거나 360°보다 더 크게 걸쳐 있고(span), 로터가 회전하는 동안 유체는 실질적으로 축방향으로 작용되도록 형성될 수 있다. 상기 실시예는, 인벌류트 곡선이 로터의 축 주위에서 360°보다 더 크게 걸쳐 있고, 로브들은 오거(auger)와 같이 핀(fin)을 형성하며, 상기 핀들의 양쪽 면들은 인벌류트 표면들로 구성되고, 짝(맞은편) 로터의 로브들의 핀들과 결합되는 것으로 기술된다.

한 형태에서, 본 장치는 구형 인벌류트 로브 표면들이 나선형 변환(spiral transformation)을 포함하도록 배열된다. 상기 실시예에서, 로브 표면들을 구성하는 각각의 구 평면 위에 있는 인벌류트 곡선들은 공통 중심으로부터 외부를 향해 나오고(radiate) 로터의 축 주위에서 축방향으로 재배치된다. 상기 형태에서, 각각의 구 평면 위에 있는 각각의 구형 인벌류트는 회전축 주위에서 미리 정해진 회전값만큼 회전될 수 있다.

또한, 본 명세서에는 제 1 기어 로터와 맞은편 기어 로터를 포함하는 베벨 기어 쌍(bevel gear pair)도 기술된다. 상기 제 1 기어 로터와 맞은편 기어 로터는 각각 복수의 톱니(teeth)를 포함할 수 있다. 한 형태에서, 각각의 기어 로터는 각각의 기어 로터 위에 똑같은 개수의 톱니를 포함한다. 한 실시예에서, 제 1 로터의 하나 또는 그 이상의 톱니는 토크를 제 1 기어 로터로부터 맞은편 기어 로터로 전달할 수 있도록 하기 위하여 힘 전달에 있어서 맞은편 로터 위에 있는 톱니와 접촉하게 되며 제 1 로터 위에 있는 개별 톱니는 맞은편 로터의 톱니와 접촉하거나 미리 정해진 틈이 있거나 혹은 상기 맞은편 로터의 톱니와 억지끼워 맞춤(interference fit) 되어, 백래시 제거(backlash removal)을 제공하고, 한 로터의 동일한 톱니 위에서는 백래시 제거와 토크 전달은 발생되지 않는다. 상기 실시예는 제 1 회전 구성요소(rotating component) 및 제 2 회전 구성요소를 포함하는 기계장치에 사용될 수 있다. 베벨 기어 쌍(bevel gear pair)은 제 1 회전 구성요소와 제 2 회전 구성요소 사이에 타이밍 기어(timing gear)로서 사용될 수 있다. 상기 베벨 기어 쌍은 기어 톱니가 나선형 변환으로 형성되도록 형성될 수 있다.

도 1은 구의 표면 위에 인벌류트 곡선 구성의 한 예를 도시한 도면이다.
도 2는 기준 구의 외측 표면으로부터 구의 중심을 향해 연장되는 일련의 인벌류트 곡선 구성들에 의해 형성된(정의된) 곡선의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 구형 인벌류트 곡선 공식을 유도하기 위한 기하학적 형상의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 4-6은 일련의 기다란 인벌류트 곡선들에 의해 형성된 표면의 실시예들을 도시한 도면이다.
도 7은 로터 사이에서 최대 용적의 지점에 있는 익스팬더의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 슈라우드 내에 있는 도 7의 익스팬더의 일부분을 절단하여 도시한 도면이다.
도 9는 복수의 펌프 로터의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 최소 용적 위치에 있는 도 9의 로터를 도시한 도면이다.
도 11은 최대 용적 위치에 있는 도 9의 로터를 도시한 도면이다.
도 12는 하우징 내에 있는 두 쌍의 로터를 사용하는 단일 로브 인벌류트 컴프레서의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 13은 최대 용적 지점에 있는 단일 로브 인벌류트 컴프레서의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 14는 최대 용적 지점 가까이에 있는 단일 로브 인벌류트 컴프레서의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 15는 도 14의 단일 로브 인벌류트 컴프레서의 한 실시예를 또 다른 관측 각도로부터 바라본 도면이다.
도 16은 최소 용적 지점 가까이에 있는 단일 로브 인벌류트 컴프레서의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 17은 실질적으로 최소 용적 지점에 있는 단일 로브 인벌류트 컴프레서의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 18은 최소 용적 지점 가까이에 있는 단일 로브 인벌류트 컴프레서의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 19-19b는 나선형 인벌류트 단일 로브 티어드롭 로터(teardrop rotor)의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 20은 6-톱니 오벌 이어 인벌류트 톱니 로터 조립체의 한 실시예의 표면을 도시한 도면이다.
도 22는 12-톱니 오벌 이어 인벌류트 톱니 로터 조립체의 한 실시예의 표면을 도시한 도면이다.
도 22b는 도 22의 영역(B)을 상세하게 도시한 도면이다.
도 23은 최소 백래시를 위해 구성될 수 있는 타이밍 기어의 한 실시예의 결합 표면을 도시한 도면이다.
도 24는 최소 백래시를 위해 구성될 수 있는 타이밍 기어의 12 로브 실시예의 결합 표면을 도시한 도면이다.
도 24b는 도 24의 실시예들을 도시한 측면도이다.
도 25는 4 로브 실시예의 표면을 도시한 도면이다.
도 25b는 도 25의 실시예를 도시한 측면도이다.
도 26은 12° 베벨 기어를 가진 10 로브 실시예를 도시한 도면이다.
도 27은 10°인벌류트 기어를 가진 11 로브 실시예의 결합 표면을 도시한 도면이다.
도 28은 12 로브 실시예를 도시한 도면이다.
도 29는 그 외의 다른 실시예에 도시된 로브보다 더 넓은 로브를 가진 6 로브 실시예의 표면을 도시한 도면이다.
도 30 및 31은 2개의 로터 표면이 서로 접촉하는 구형 인벌류트 기다란 나선형 변환 실시예를 도시한 도면이다.
도 32는 종래 기술의 로터 및 샤프트를 도시한 도면이다.
도 33은 로터 부분을 상세하게 도시한 횡단면도이다.

직선이 정지 원(stationary circle)을 따라 구르면, 직선 위의 한 지점은 (원의) 인벌류트(involute)로 지칭되는 곡선을 추적한다. 원이 정지 직션을 따라 구르면, 원의 외주 위에 있는 한 지점을 사이클로이드(cycloid)로 지칭되는 곡선을 추적한다. 원이 또 다른 원을 따라 구르면, 구름 원(rolling circle)의 외주 위에 있는 한 지점은 (구름 원이 정지 원의 외측면 위에서 구르는 경우) 에피사이클로이드(epicycloid)로 지칭되는 곡선을 추적하거나 (구름 원이 정지 원의 내측면 위에서 구르는 경우) 하이포사이클로이드(hypocycloid)로 지칭되는 곡선을 추적한다. 이러한 구름 원의 모든 경우에서, 외주 위에 있지 않은 지점들은 트로코이드(trochoid)로 지칭되는 곡선을 추적한다.

위에서 기술된 모든 곡선들은 평면 내에 있는 원과 직선들을 포함한다. 하지만, 구(sphere)에도 똑같이 적용될 수 있다. 직선들에 상응하는 구 위의 곡선들은 대형 원(구를 2개의 똑같은 절반부로 나누는 원)인데 그 이유는 대형 원이 평면 위에 있는 직선과 같이 구 표면 위에서 똑같은 대칭 부분을 가지기 때문이다. 구 위에서, "직선"도 원이다. 구 표면 위의 원은 구의 중심으로부터 원뿔을 형성하는데, 대형 원의 경우, 이 원뿔은 실제로 평면 디스크(planar disk)이다. 상기 원뿔과 디스크는 원 위에서 구름 원을 형성하는 것과 같이 구 위에서 형성하도록 사용될 수 있다.

인벌류트 형태는 다수의 이점, 가령, 인벌류트의 베이스 원뿔의 중심축이 동일 직선(collinear)으로부터 이격되어 배열될 때 2개의 인벌류트가 서로 동기 회전 접촉(synchronous rotating contact)할 때 구름 접촉에 대해 가까운 근사치(close apporoximation)를 가지는 이점을 가진다. 이때, 인벌류트 곡선은 또 다른 곡선, 에벌류트(evolute) 주위로 감길 때 스레드(thread)의 자유 단부에 의해 기술된 곡선과 같이 형성되어 법선(normal)이 에벌류트(evolute)에 대해 접선 방향으로(tangential) 배열된다.

이는 에너지 변환 장치에 사용하기 위한 인벌류트의 몇몇 사용법, 동일 직선으로부터 이격되어 배열된 축을 가진 로터용 타이밍 기어로서 사용되는 구형 인벌류트 곡선의 사용법 또는 가령 예를 들어 본 명세서에서 참조문헌으로 인용되는 특허출원번호 12/560,674('674)호에 기술된 인덱서(indexer)에 사용되는 구형 인벌류트 곡선의 사용법을 나타낸다. 게다가, 에너지 변환을 위해 사용되는 기계는 제 1 접촉 표면의 전체 세트는, 완전히, 가령 도 4-6에 예시된 것과 같이 대략적으로 교차선(intersect)과 동일 직선으로부터 이격되어 배열된 축과 함께 작동하는 구형 인벌류트 곡선으로 구성된다. 상기 특정 도면에서, 외부 위에 있는 적절한 "슈라우드", 및 틈(gap) 또는 접촉 밀봉부(contacting seal)가 있는 적절한 내부 볼은 항상 도시되는 것은 아니다. 본 명세서에 인용되는 미국 특허출원 13/162436('436)호는 이와 비슷한 슈라우드를 상세하게 기술한다. 하지만, 구형 인벌류트 기하학적 형상(geometry)로 구성된 2개의 로터가 동기식으로 회전되는 경우, 스크루 컴프레서(screw compressor)와 비슷하게, 일반적으로 로터의 축방향(56)으로 전파되는(propagate) 유체 모션(fluid motion)이 얻어진다. 커터 위치와 같이 로터의 분기 평면(bifurcation plane)을 사용하는 티어드롭 형태의 기하학적 형상이 형성되는 톱니 로브(sawtooth lobe) 형태의 에너지 변환 장치도 기술되는데, 상기 에너지 변환 장치는 본 명세서에서 참조문헌으로 인용되는 특허 6,036,463('463)호에 도시된 에너지 변환 장치 로브와 매우 비슷하다. 용어 "티어드롭(teardrop)"은 본 명세서에서 티어드롭의 장축을 관통하는 평면에 의해 절단되는 티어드롭 형태의 반경 방향으로 외부를 향하는 에지(edge)에 의해 형성되는 곡선의 일부분으로서 사용된다. 티어드롭은 구 평면의 표면 위에 배열된다. 하지만, 예시로서, 본 발명에서 도 32로 도시된 특허 '463호로부터의 도 7a를 사용하여, 표면(PA26)과 비슷한 표면이 하중 전달 및 접촉을 향상하는 신규 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 종래 방법에서, 표면(PA26)은 로브 팁(PA27)을 로브 루트(PA29)의 에지에 연결시킴으로써 형성되었다. 개선된 방법에서는, 표면은 로브 팁(PA27)을 구형 인벌류트 곡선 표면이 있는 로브 루트(PA29)의 에지에 연결시킴으로써 형성된다. 상기 구형 인벌류트 곡선 표면은 복수의 구형 인벌류트 곡선에 의해 형성된다. 한 예로서 도 2를 사용하여, 제 1 구형 인벌류트 곡선(58)은 로터의 외측 직경에 상응하는 외부 구 평면 위에 배열된다. 제 2 구형 인벌류트(60)는 도 9에 도시된 것과 같은 로터의 중공 중심, 또는 내부 복(88)에 상응하는 구 평면 위에 배열된다. 제 1 및 제 2 인벌류트 곡선(58 및 60)은 서로 반경 방향에서 돌출될 필요는 없으며, 가령, 예를 들어 상이한 피치(pitch)를 가질 수도 있다. 제 1 및 제 2 인벌류트 곡선(58 및 60)은 한 실시예에서 연결 표면(33)에 의해 연결될 수 있다. 한 형태에서 상기 연결 표면(33)은 무한 개수의 인벌류트 곡선으로 구성되는 것으로 고려될 수 있이서, 무한 개수의 동심 구 평면 위에 배열되며 각각의 무한 구형 인벌류트가 외측 곡선(58)으로부터 내측 곡선(60)으로 부드럽게 진행된다. 짝 로터(mating rotor)는 한 형태에서 이와 비슷한 부드럽게 진행되는(smooth progression) 표면을 가지며, 제 1 로터 위의 인벌류트 표면은 짝 로터의 인벌류트 곡선 표면과 맞물린다(mesh).

나선형 변환(spiral transformation)은 무한 개수의 인벌류트 곡선이 각각 제공되어 각각의 로터(116/118) 위에서 부드럽게 나선형 인벌류트 곡선(114)을 형성하기 위해 도 30 및 31)의 실시예에 도시된 것과 같이 특정 접선 크기만큼 클록킹될 수 있다(clocked). 나선형 인벌류트 기하학적 형상의 이점은 나선형 베벨 기어의 이점과 유사한데, 가령, 기계 소음이 줄어들고 접촉비 및 강도가 증가된다. 또한, 완전한 나선형 비틀림(spiral twist)보다 더 큰 나선형 구형 인벌류트 로터를 구성하는 것도 기술되는데, 이러한 로터는 향상된 반경방향 흐름 특성을 가진 장치를 형성하도록 사용될 수 있으며, 여기서 흐름 용적은 나선형 챔버(spiral chamber) 즉 반경방향-흐름 장치(radial-flow device) 내에 포획되어(trapped) 유체 흐름은 로터(116/118)의 외측 직경에서 입구로부터 시작하여 회전될 때 로터에 의해 포획되고(수축되고/팽창되고) 흐름은 나선형 용적(120)을 통해 반경 방향으로 로터의 중심을 향해 안내될 수 있다. 흐름의 반대 방향은 나선 방향(로터 형태)을 변경하거나 로터의 회전 방향을 변경함으로써 형성된다.

인벌류트 곡선의 특정 형태에는 구형 인벌류트(20)가 있는데, 상기 구형 인벌류트(20)는, 스트링(string)이 타이트하게 당겨진 상태로 유지되면서, 구의 표면 위에 있는 원으로부터 스트링이 풀릴 때 스트링의 팁에 의해 가로질러진(traversed) 지점들의 세트로 고려될 수 있으며, 상기 원은 구의 표면 위에 새겨진다. 도 1은 이러한 개념을 예시하는데, 여기서 지점(32)은 스트링(22)의 팁이며, 구형 인벌류트 곡선(28)을 따라 배열된 지점들은 풀려진 여러 위치들에서 스트링(22)에 의해 형성된다. 한 형태에서, 스트링(22)은 베이스 원(26)이 있는 접선 지점(24)을 형성한다. 한 형태에서, 스트링(22)은 직선이 아니라 대형 원(구 원점(34)에 중심이 있는 원)이다. 구형 인벌류트 곡선(28)이 있는 도 2는 동일 직선으로부터 이격되어 배열된 로터를 위해 관통-샤프트 디자인을 가진 에너지 변환 장치 내에서 사용될 수 있는 타이밍 기어와 유사한 베벨-기어에 대한 가능 디자인을 예시한다.

구형 인벌류트 형태의 수학적 구조를 유도하기 위하여, 한 방법은 공통의 중심 지점 주위로 회전하는 일련의 벡터를 사용하는 방법이다. 도 3은, 스트링이 풀리기 시작하여 지점(Co)에서 풀려지고 x축과 나란하게 정렬되는데, 이렇게 풀리는 과정은 반시계 방향 또는 오른손 법칙에 의해 z축 주위에서 양의 회전 방향으로 구현되는 수학적 구조를 예시한다. "t"는 베이스 원 위에 위치된 접선 지점(C)의 각위치를 나타낸다. 상기 각위치는 스트링(GC)의 지점(P)이 베이스 원으로부터 끌어 당겨질 때 베이스 원을 반시계 방향으로 가로지른다(traverse). 대형 원 "GC"의 호 길이는 지점 (Co 및 C) 사이에서 베이스 원의 원형 호의 호 길이와 동일하며 S로 표시된다. 베이스 원(26)을 사용하면, 호 길이 S = rt이며, 여기서 r은 베이스 원(26)의 반경, t는 도 3에 도시된 접선 지점 각도이다. 베이스 원뿔의 절반-각은 도 3에 예시된 것과 같이 "g"이며, 여기서 우측 삼각형 OVC에서, g = asin(r/R)이고 r = Rsin(g) 또는 r/R = sin(g)이고, 여기서 R은 인벌류트의 구 평면의 반경이다. 구 삼각형 PCO에 대해서는, S = RB라는 공식으로 쓸 수 있는데, 여기서 반경 R만큼 곱해지는 각도 B는 호 길이 S와 동일하다. S = rt 및 S = RB를 조합하여 rt = RB 또는 r/R = B/t를 얻는다. 편의상, 한 실시예에서, 각도 B를 g에 대해 적는 것으로 기술된다. 이를 구현하기 위해, r/R = B/t를 g = asin(r/R)로 대체하면 B = tsin(g)가 된다. 도 3에 예시된 xyz 직각좌표계에서 공통 지점 O 주위로 일련의 벡터 회전은 일련의 단계로 수행될 수 있다. 우선, 오른손 법칙을 이용하여 x축 주위로 벡터 V=[0,0,R]를 +B만큼 회전시켜라. 두 번째로, 이것을 y축 주위로 +g만큼 회전시켜라. 세 번째로, 이것을 z축 주위로 각도 "t"만큼 회전시켜라. 다음은, 일련의 매트릭스 회전 및 직각좌표계에서 구형 인벌류트 곡선에 대한 매트릭스 공식이다:

여기서, g = asin(r/R)이고, r은 도 3에서의 베이스 원(26) 반경이며, 내부에 R은 구형 인벌류트가 배열되는 구 평면(30)의 반경이다.

한 형태에서 구형 인벌류트 곡선은 반경 R의 구 위의 2개의 기준 지점 사이의 공간에 걸쳐 형성될 수 있다(span). 이에 따라 구형 인벌류트 곡선을 적절하게 위치시키기 위해 구형 인벌류트 곡선을 z축 주위로 임의로 회전시키면 된다. 베이스 원 반경은 인벌류트 곡선의 경사 또는 "피치"를 제어하도록 조절될 수 있다. 각위치 "t"는 인벌류트의 시작 및 종료 지점들을 조절한다. t 값의 범위는 인벌류트 곡선의 종료 지점들을 정확하게 조절하도록 선택될 수 있다. 구형 인벌류트와 결합될 수 있는 지점들에는 제한이 있다. 가령, 예를 들어, 인벌류트 곡선의 종료 지점 P은 구 위에 새겨진 2개의 베이스 원의 외측에 배열될 수 없는데, 베이스 원은 x-y 평면 주위로 거울상으로 형성되고(mirrored) z축 위에 중심이 있다. 상기 베이스 원 사이에 배열된 지점들에 대해서, 몇몇 지점들을 구형 인벌류트 곡선과 연결할 수도 있다. 또한, 양 지점들에서 접선 상태를 충족시킬 수도 있다. 예를 들어, 도 32를 보면, 도시된 로브 대신 인벌류트 곡선 표면 로브를 형성하기 위하여, 에지 PA27가 한 단부에서 구 평면을 교차하는 위치에서 제 1 부분이 형성될 수 있으며, 에지 PA29가 구 평면을 교차하는 지점을 통과하도록 인벌류트 곡선이 형성된다. 그 뒤, 오직 2개의 지점을 연결하는 세그먼트만을 사용하여, 인벌류트 곡선의 나머지 부분을 버릴 것이다(discard). 또한, 접선 상태가 충족되어 인벌류트 곡선이 로브 팁 단부 곡선으로부터 부드럽게 전이하거나 또는 두 로브 사이의 루트(root)에서 부드럽게 전이될 수 있다.

구형 인벌류트의 사용 방법은 인벌류트 표면들 사이의 향상된 구름 접촉을 통해 로터들 간에 하중 전달이 훨씬 더 많이 개선될 수 있게 하는 것으로 입증되었다. 도 4의 예에서, 로터는 접촉 지점(160, 162, 164, 및 166)에서 접촉하는 상태로 도시된다. 도 5 및 6에서는, 로터들이 지점(168, 170, 및 172)에서 접촉하고 있다. 도 7의 실시예에서, 로브(178 및 180)의 티어드롭 표면(174 및 176)은 각각 지점(182)에서 접촉하는 상태로 도시된다. 상기 실시예에서, 지점(182)은 문지름 또는 로터가 각각의 축 주위로 회전될 때 구름 접촉 지점이 아니라 마찰 접촉 지점이다. 도 10의 실시예에서, 로브(188 및 190)의 인벌류트 곡선 표면(184 및 186)은 각각 로터가 각각의 축 주위로 회전될 때 지점(192)에서 구름 접촉 상태에 있다. 로브는 다수의 로브가 (도 10에 도시된 것과 같이) 인벌류트 접촉에 대해 인벌류트를 가질 수 있도록 구성될 수 있으며, 추가로 하중 전달 용량을 증가시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 나선형 변환(spiral transformation)을 더하면 접촉 상태에 있는 로브의 개수가 추가로 증가될 수 있다.

도 7과 8은 티어드롭 형태의 기하학적 형상의 표면(174, 176)과 교대로 배열되는 톱니 패턴(36) 내에서 인벌류트 표면(194, 196)의 사용 방법을 예시하는데, 이 경우 슈라우드(40)와 후방 부분(38)이 있는 가스 익스팬더로서 사용되며, 이 실시예에서는 스플릿(46)에서 나뉘어진 제 2 섹션(44)과 제 1 섹션(42)을 포함한다. 인벌류트 베이스 원 직경은 이 실시예에서 원뿔형 래빗 이어(rabbit ear)인 로브 팁(48, 50)에 대해 정확하게 접선 방향이고 로브의 루트에서는 정확하게 접선 방향인 구형 인벌류트를 형성하도록 조절된다.

도 9-11은 펌프 로터 실시예에서 표면 형성 포트(198)를 통해 후방 포트와 슈라우드(도시되지 않음)로 사용되어야 하는 티어드롭 교대 형태와 비슷한 형태를 가진 로터(52/54)가 있는 인벌류트 곡선의 사용 방법을 예시한다. 도 11에서, 볼(88) 위에 기계가공된 몇몇 원형 플랫(90)이 볼 위에 로터를 쉽게 조립할 수 있게 도시된다. 이러한 플랫 또는 리세스를 사용하면, 로터(52, 54)를 볼(88) 위에 "스냅"할 필요가 없으며 오버행 조립 상쇄(overhang assembly compensation)를 위해 특정 탈착식 슬리브를 가질 필요도 없다. 원형 플랫이 도시되었지만, 기계가공된 디텐트(detent)가 원형일 필요가 없으며 평평할 필요도 없다. 디텐트는 로터가 로터의 중앙 구 표면이 볼(88)과 접촉하고 맞은편 로터는 볼(88)이 있는 양의 밀봉부 또는 미리 정해진 간격 틈을 가지도록 통과하게 하는 간격을 제공한다. 도면에서, 인벌류트-대-인벌류트에 의해 최소 용적에 형성된 간격 밀봉부가 존재하는 것으로 도시되며(토크 전달을 위해, 원할 시에, 그리고, 선택적으로는, 접촉부로서 구성될 수도 있음), 도 11에 도시된 최대 용적 위치에서 로브 팁(92)에 있는 간격 밀봉부가 존재하는 것으로 도시된다. 상기 특정 실시예에서, 로브 팁(200)은 플랫 또는 매우 얇은 오벌(oval)이 아니라 원형 또는 원뿔 팁으로부터 구성되지 않는데, 밀봉 틈은 기다랗고 얇으며, 기다랗고 얇은 틈을 통한 압력 강하가 더 짧은 원뿔 로브 팁 타입보다 더 길기 때문에 더 우수한 로브-대-로브 밀봉부가 제공된다. 최소 용적과 최대 용적 사이의 로브-대-로브 밀봉부에 대해 어떠한 중간 밀봉부도 필요하지 않으며, 이에 따라 도 7에 도시된 티어드롭 프로파일 보다는 "언더컷(202)이 도시된다. 상기 실시예는 내부 압축이 원하지 않을 때 사용될 수 있다. 액체가 상대적으로 비압축성이기 때문에, 본 장치는 예를 들어 오일 또는 물을 펌핑할 때 내부 압축으로 정확하게 작동하지 않을 것이다. 도 33은 이러한 언더컷(202)의 한 예를 도시한다.

도 12-18은 에너지를 변환하도록 사용될 수 있는 단일 로브 구형 인벌류트 에너지 변환 장치(96)의 한 예를 도시한다. 상기 실시예는 한 형태에서 표면 형성 보이드(void)(204)를 통해 후방으로 통과될 수 있다(rear ported). 한 형태에서, 슈라우드(94)가 사용될 수 있다. 상기 실시예는 유용한 이점을 가지는데, 가령, 도 17에 도시된 것과 같이 최소 용적 지점에서 거의 제로(zero)의 재순환(또는 간격) 용적을 가질 수 있으며, 이에 따라 원할 시에 현저하게 높은 압축비를 가질 수 있다. 도 13은 회전 동안 최대 용적 지점을 도시하며 도 14, 15 및 18은 회전 동안 중간 용적 지점들을 도시한다. 상기 실시예에서 로터(99/100)는 반드시 회전 동안 균형을 맞출 필요는 없지만, 로터의 외측 직경(106) 주위에서 재료를 제거함으로써 쉽게 적절히 균형 맞출 수 있다.

상기 실시예에서, 두 쌍의 로터(98/100 및 102/104)는 위에서 기술한 것과 비슷한 볼 부분(206)을 포함할 수 있는 하우징(110) 내에 단일 샤프트(108)에 결부된 상태로 도시된다. 베어링 세트(112)는 하우징과 샤프트 사이에 마찰을 줄이고 샤프트와 적절하게 나란히 정렬되도록 사용될 수 있다.

도시된 것과 같이, 도 18에 도시된 것과 같이, 로터의 반경방향 표면이 접촉될 때 접촉되는 실질적으로 슬라이딩 하는 지점(226)과 로터의 축방향 표면들 사이에 실질적으로 구름 접촉하는 지점(224)이 있다.

도 13-18은 제 1 로터(98)와 제 2 로터(100)를 포함하는 로터 조립체를 도시한다. 제 1 로터는 샤프트(108) 주위로 회전하는 제 1 축을 가지며, 결합 구형 곡선은 제 1 로터의 결합 곡선이 복수의 지점들에 의해 형성되는 구 평면 내에 위치된다. 각각의 지점은 제 1 로터의 결합 곡선에 대해 접선 방향으로 표시된 위치 미분 벡터(position derivative vector)를 가진다. 제 1 로터의 결합 곡선을 따라 각각의 지점에서 상대 운동 벡터, 제 1 로터의 결합 곡선 위에서 각각의 지점의 운동 벡터와 같이 형성된 상대 운동 벡터는 제 2 로터(100)에 견고하게 고정된 좌표계에 대해 측정되는데, 여기서 상대 운동 벡터는 제 2 로터에 대한 제 1 로터의 상대 회전 위치에 좌우된다.

제 2 로터는 샤프트(108) 주위로 제 1 로터의 축에 대해 동일 직선으로부터 이격되어 배열된 중앙 회전축을 가진다. 제 2 로터는 제 1 로터에 대해 미리 정해진 회전 속도로 회전된다. 게다가, 제 2 로터는 결합 구형 곡선의 제 2 세트가 제 2 로터의 구 평면 내에 위치된 제 2 결합 표면을 가지는데, 여기서 제 2 로터의 결합 곡선을 형성하는 복수의 지점들은 제 2 로터에 견고하게 고정된 좌표계 위에서 측정된다. 상기 복수의 지점들의 각각의 지점은 두 로터의 특정 회전 위치에 상응한다. 제 1 로터 곡선 위치 미분 벡터 중 하나가 제 1 로터 곡선 상대 운동 벡터 중 하나와 동일 직선에 배열되는 기하학적 위치에 각각의 지점이 형성되는데, 여기서 제 1 및 제 2 로터 곡선은 똑같은 직경의 구 평면 위에 배열되고 상대 운동 벡터와 위치 미분 벡터의 좌표는 똑같은 기준 지점을 형성하고 임의의 주어진 구 평면 위에 있는 상기 지점들의 로커스(locus)는 두 로터에 의해 공유되는 구 평면 위에 놓인 제 2 로터의 결합 곡선을 결정한다. 상기 구성은 각각의 로터 위에 티어드롭 표면(244)을 형성하며, 상기 도면의 단일 로브 실시에에서, 티어드롭 표면에 있는 로터들 사이의 접촉이 실질적으로 제로 간격을 가진다. 이 실시예에서, 인벌류트 곡선 표면(246)은 로브의 티어드롭 표면(244)의 베이스(248)를 로브의 팁(226)에 연결한다.

더 간단하게는, 한 실시예에서, 하나의 로터의 팁이 맞은편 로터의 축으로부터 동일 직선으로부터 이격되어 배열된 축 주위로 회전될 때 제 1 로터의 로브 팁은 도 13-18의 경우 로브 팁의 형태와 로브 팁의 위치에 따라 맞은편 로터 내에 티어드롭 형태를 형성하지만(scribe), 상기 형성된 형태는 티어드롭 형태가 아니라 보다 오벌 형태 또는 앞에서 기술된 수학 공식으로부터 유도된 그 밖의 형태일 수 있다.

도 19 및 19b에 도시된 장치와 같이 반경방향 흐름 장치를 형성하기 위해 나선형 변환이 표면에 제공될 수 있다. 상기 실시예에서, 각각의 로터(228, 230)는 각각 축(232, 234) 주위로 회전되며, 축들은 동일 직선이 아니고, 공면에 배열되지도 않으며 지점(236)에서 공통적으로 교차된다(commonly intersect). 앞의 실시예에서와 같이, 로터가 이동 지점(240 및 242)들과 접촉하는데, 여기서 지점(240)에서의 접촉은 실질적으로 마찰 접촉이고 지점(242)에서의 접촉은 실질적으로 구름 접촉이다.

분기 평면(bifurcation plane)으로부터 멀어지도록 이격되어 배열된 표면들이 도시되는데, 이 표면은 오벌 표면과 함께 사용되는 구형 인벌류트를 예시하며, 여기서 로브의 절반은 이제 인벌류트이고 로브 팁은 매우 얇은 오벌을 사용하여 형성된다. 얇고 기다란 오벌 팁은 더 두꺼운 로브가 여분의 강도를 추가할 수 있게 한다. 도 20, 21 및 22는 평평하고, 오벌 래빗 이어를 가진 로브를 도시한다. 그에 따른 로브는 플랫 래빗 이어 디자인으로 인해 상대적으로 두껍다.

도 20에 예시된 표면(208, 210)은, 슈라우드가 있거나 또는 슈라우드 없이도, 컴프레서 또는 익스팬더 또는 그 외의 다른 에너지 변환 장치 용도로 사용될 수 있으며, 후방으로 통과되는(rear ported) 로브도 가질 수 있다. 하지만, 제어된 백래시가 있는 "인덱서" 또는 타이밍 기어의 기하학적 형상을 형성하기 위해 이러한 표면들을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 도 20에 도시된 실시예는 예를 들어 특허 출원 '674호의 도 13 아이템(132 및 158)에 도시된 인덱서로 직접 교체될 수 있는데, 그 이유는 한 형태에 도시된 실시예는 1:1 속도비에서 작동하기 때문이다. 추가적인 나선형 변환은 부드러운 구동 작동을 향상시키기 위해 특허 출원 '674호의 도 68a-68c에서와 같이 도 20에 도시된 디자인에 제공될 수 있다. 인덱서, 가령, 상기 인덱서는 예를 들어 2중 목적으로 사용될 수 있는데, 오일 윤활로 작동될 수 있기 때문에 오일 펌프, 또는 2차 에너지 변환 장치로서 사용될 수 있다.

기어링(gearing)에서, 구동 기어의 하중의 방향이 반대가 될 때, 백래시는, 종종, 반대로 작동되는 구동 기어로부터 나온 힘이 피동 기어에 의해 제공되기 전에 닫혀져야 되는 두 세트의 기어 톱니 사이에 존재하는 간격 틈으로서 기술된다. 또한, 유격(play) 또는 래시(lash)로서도 지칭된다. 매우 정밀한 운동을 요하는 기계장치 내의 타이밍 기어에 대해, 백래시가 최소가 되는 것이 중요하다. 백래시는 특정 간격 틈에 대해서도 구성될 수 있거나 또는 스플릿 기어 및 스프링을 사용하거나, 사전하중(preload)이 있는 제로 백래시(zero backlash)도 구현될 수도 있다.

도 23 및 24는 최소 백래시 용도로 구성될 수 있는 타이밍 기어(62/64)를 예시한다. 이 기서들은 상당한 스러스트 하중(thrust laod)을 받도록 구성되지 않고고 대신 토크 전달 용도로 구성된다. 상기 두 도면에서, 타이밍 기어(62/64)는 상이한 피치 직경(70/72)을 가지지만, 각각의 기어 위에서 톱니(66/68)의 개수는 동일한데 이것은 직관에 반대된다(counter intuitive). 톱니의 개수를 똑같게 함으로써, 앞에서와 같이 인덱싱 기어(indexing gear)를 사용하여 1:1 속도비를 가진 에너지 변환 장치가 제조될 수 있다. 특허 출원 '674호의 도 68a-68d에 도시된 인덱서와 같은 동일하지 않은 속도비를 요구하는 에너지 변환 장치 인덱싱 배열에서, 필요한 속도비를 생성하기 위해 똑같지 않은 개수의 기어 톱니가 사용될 수도 있다. 구형 인벌류트 곡선을 사용하는 인덱서(타이밍 기어)는 샤프트(74/76) 주위에서 동일하거나 동일하지 않은 속도비로 작동될 수 있다. 인덱서는 백래시 제어 기능을 가질 수도 있거나 백래시 제어 기능을 가질 수 없다. 이러한 에너지 변환 장치에 대해서, 백래시 제어 기능은 모든 경우에 필요하지 않을 수도 있는데, 그 이유는 토크가 단일 방향으로도 충분히 높으며 유체 압력은 로터 사이의 간격 틈(78)을 일정한 상태로 유지할 수 있기 때문이다. 아니면, 구동 샤프트 끝부분에서의 토크가 일반적으로 최소 간격의 지점에서 인벌류트 타이밍 기어가 맞은편 기어와 접촉 상태를 유지할 수 있다는 것을 상상할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 성능 이슈를 야기하지 않도록 하기 위해 실질적으로 모든 경우에 접촉될 수 있다.

하나의 톱니의 양쪽 면이 맞은편 기어와 근접하여 위치되거나 맞은편 기어에 접촉하기에 충분히 넓은 단일 톱니를 사용함으로써, 통상, 백래시는 완화된다(mitigated). 도 24의 실시예에서, 백래시는 실제로 몇몇 톱니가 떨어지도록 제거되건, 대신에, 지점(212)에서 토크 전달 접촉이 일어나거나, 로터 표면(256 및 258)이 회전 방향(250)에서 축(252 및 254) 주위로 운동할 때 1 또는 2 톱니가 백래시 제거 지점(214)으로부터 떨어진다. 지점(214)에서 백래시 제거를 위해 제공되는 톱니는 로터 표면(258)에 대해 화살표(250)로 도시된 반대 방향에서 로터 표면(256)의 회전력을 조절하거나 완화시킨다. 이러한 반대방향 상대 회전은 백래시로서 정의된다.

구형 인벌류트 기하학적 형상을 사용하는 인덱서(또는 타이밍 기어)의 보다 더 많은 예들이 도 25-29에 도시된다. 이러한 도면들은, 상이한 피치 직경을 가진다 하더라도, 1:1 속도비를 가진 인덱싱 기어(80/82)의 단일 방향 토크 디자인의 상이한 실시예들을 도시한다. 인벌류트 기어 접촉을 1:1 속도비로 유지하기 위하여, 기어(80)의 베이스 원 직경(26)은 제 2 기어(82)의 기하학적 형상을 형성하도록 사용된 베이스 원 직경과 똑같아야 한다. 1:1 속도비와는 상이한 속도비에 대해서는, 베이스 원은 일반적으로 똑같지 않으며 필요한 속도비와 같은 속도비를 가질 수 있을 것이다.

도 26은 12°베벨 기어(260, 262)를 가진 10 로브 실시예의 결합 표면을 도시한다.

도 27은 10°인벌류트 기어(264, 266)를 가진 11 로브 실시예의 결합 표면을 도시한다.

도 28은 12 로브(272, 274)를 가진 로터(268, 270)가 있는 실시예를 도시한다.

도 29는 그 외의 다른 실시예에 도시된 로브보다 더 넓은 로브를 가진 6 로브 실시예의 표면(276, 278)을 도시한다.

도 4 및 5는 로터(84, 86)의 전체 외주 주위로 서로 맞물리는 2개의 로터를 예시하는데, 각각의 로터는 1:1 속도비에서 회전되고 동일 직선으로부터 이격되어 배열되며 서로 (거의) 교차되는 축을 가진다. 본 장치의 후방(218)와 전방(216)에서 적절한 포트, 내부 볼 및 외부 슈라우드가 제공되어 동기 회전(synchoronous rotatoin)하는 것을 상상할 수 있다면, 신장된(elongated) 구형 인벌류트 표면(220, 222)은 가령 예를 들어 컴프레서 용도로 사용될 수 있거나 혹은 익스팬더 용도로 사용될 수 있다. 도시된 표면들은 구 평면의 공통 원점(common origin)을 향해 인벌류트가 구 형상에서 반경 방향으로 내부를 향해 돌출됨으로써 형성된다. 로터는 이것에만 제한될 필요는 없다. 예를 들어, 도 30 및 도 31에 예시된 것과 같이 나선형 변환이 추가로 제공될 수도 있다. 이 두 도면들에서, 서로 맞물리는 표면(114)은 매우 얇은 것으로 도시되지만 작동 중에는 약간의 두께를 가진 것으로 제공될 수도 있다.

위에서는 원형의 베이스 곡선이 사용되었지만, 그 밖의 다른 형태의 에벌류트(evolute), 가령, 예컨대, 땅콩 형태의 베이스 원뿔도 사용될 수 있으며 이에 따라 그 외의 다른 특정 종류의 인벌류트 곡선/표면도 사용될 수 있다.

몇몇 실시예들을 기술하고 상기 실시예들을 상세하게 기술함으로써 본 발명이 예시되었지만, 본 특허 출원의 목적은 이 내용 및 하기 청구범위에만 제한하거나 한정하려는 것이 아니라는 사실을 이해해야 한다. 하기 청구범위 내에 있는 추가적인 이점과 변형예들은 당업자들에게 자명할 것이다. 본 발명은 더 넓은 형태에서 특정 세부내용, 도시된 장치 및 방법, 그리고 예시되고 기술된 실시예들에만 제한되지 않는다. 따라서, 본 출원인의 일반적인 개념 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고도 이러한 세부 내용들이 시작될 수 있다.

Claims

제 1 로터(52)와 제 2 로터(54)를 포함하고, 상기 제 1 로터(52)와 제 2 로터(54)의 축들이 동일 직선으로부터 이격되어 배열되고 서로 교차되는 장치에 있어서,
각각의 로터는 반경(R)의 외측 구 표면, 및 제 1 측면과 제 2 측면을 가진 하나 이상의 로브(170, 180)를 포함하되, 각각의 로브의 제 1 측면은 하나 이상의 구형 인벌류트 곡선으로 형성된 곡선 표면(184, 186)이며, 상기 구형 인벌류트 곡선은 직각좌표계에서 다음과 같이 매트릭스 공식에 의한 변수 곡선으로 정의되는데:

여기서,
t = 각위치(angular position);
g = asin(r/R),
r = 구형 인벌류트의 베이스 원의 반경,
B = t*sin(g)이고,
제 1 로터(52)의 각각의 로브(178)는 로터의 주변(periphery) 주위로 제 2 로터(54)의 상응하는 로브(180)들과 서로 맞물리는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 제 1 로터(52)의 각각의 로브(178)의 제 1 측면은 제 2 로터(54) 상의 로브(180)의 제 1 측면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, 제 1 로터(52)의 각각의 로브(178)의 제 2 측면은 제 2 로터(54) 상의 로브(180)의 제 2 측면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, 상기 장치는 각각의 로브의 제 2 측면들 내에 언더컷(undercut)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, 로브의 제 2 측면은 맞은편 로터의 로브 팁에 대해 공간을 유지하기 위해 티어드롭 형태의 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, 로브의 제 2 측면은 사전하중을 받는 상태로 맞은편 로터의 제 2 측면과 접촉되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 제 1 로터의 각각의 로브의 제 1 측면은 제 2 로터 상의 로브들의 제 1 측면과 접촉하지 않으며, 제 1 로터의 각각의 로브의 제 1 측면과 제 2 로터 상의 로브들의 제 1 측면 사이에는 간격 틈이 유지되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 로브들의 제 1 측면들과 제 2 측면들은 인벌류트 곡선들로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 장치는 하우징(110)을 추가로 포함하되, 상기 하우징(110)의 내측 직경과 제 1 로터(52)의 외측 직경 사이에는 미리 정해진 틈을 가지며, 상기 하우징(110)은 하우징(110)의 내측 직경과 제 2 로터(54)의 외측 직경 사이에도 미리 정해진 틈을 가지고,
제 2 로터(54)의 로브(180)들의 제 1 측면들과 제 1 로터(52)의 로브(178)들의 제 1 측면들 사이에 틈이 제공되는데, 이 틈은 제 1 로터와 제 2 로터의 회전 동안에 변경되는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서,
상기 장치는 제 1 로터(52)와 제 2 로터(54)를 둘러싸는 슈라우드(40)를 추가로 포함하되,
슈라우드(40)는 제 2 로터(54)와 제 1 로터(52)의 외측 직경과 접촉하며,
슈라우드(40)는 제 1 로터(52)와 제 2 로터(54)와 회전하고,
슈라우드(40)는 하우징(110) 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 상기 장치는, 추가로:
제 1 로터(52)와 제 2 로터(54)의 회전축의 교차선(intersection)의 공통 중심에 중심이 위치된 구형 볼(88), 및
구형 볼(88)의 외측 직경과 하나 이상의 로터(52, 54)의 내측 구 표면 사이에 틈을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 하나 이상의 로터(52, 54)는 로터(52, 54)의 후방면을 통해 통과되는(ported) 유체 입구 및/또는 출구 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 구형 인벌류트 유도 표면의 개수는 로터(52, 54) 당 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서,
각각의 로터 위에 있는 로브 구형 인벌류트 곡선들은 표면이 로터 주위에서 360°에 가깝게, 360°와 똑같거나 360°보다 더 크게 걸쳐 있는(span) 나선형 형태를 가지며, 로터가 회전하는 동안 유체는 축방향으로 작용되는 것을 특징으로 하는 장치.
제14항에 있어서,
인벌류트 곡선은 로터 주위에서 360°보다 더 크게 걸쳐 있고, 로브 부분들은 핀(fin)을 형성하며, 핀들의 양쪽 면들은 인벌류트 표면들로 구성되고, 제 1 로터 위에 있는 로브들의 핀들은 제 2 로터의 로브들의 핀들과 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
제14항에 있어서,
구형 인벌류트 로브 표면들은 나선형 변환(spiral transformation)을 포함하고, 로브 표면들을 구성하는 각각의 구 평면 위에 있는 인벌류트 곡선들은 공통 중심으로부터 외부를 향해 나오고(radiate) 각각의 구 평면 위에 있는 각각의 구형 인벌류트는 회전축 주위에서 회전값만큼 회전되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 로터(52)와 제 2 로터(54)를 포함하고, 상기 제 1 로터(52)와 제 2 로터(54)의 축들이 동일 직선으로부터 이격되어 배열되고 서로 교차되는 장치에 있어서,
각각의 로터는 반경(R)의 외측 구 표면, 및 제 1 측면과 제 2 측면을 가진 하나 이상의 로브(170, 180)를 포함하되, 각각의 로브의 제 1 측면은 하나 이상의 구형 인벌류트 곡선으로 형성된 곡선 표면이며, 상기 구형 인벌류트 곡선은 직각좌표계에서 다음의 변수 곡선으로 정의되는데:

여기서,
t = 각위치(angular position);
g = asin(r/R),
r = 구형 인벌류트의 베이스 원의 반경,
B = t*sin(g)이고,
제 1 로터(52)의 각각의 로브(178)는 로터(52, 54)의 주변(periphery) 주위로 제 2 로터(54)의 상응하는 로브(180)들과 서로 맞물리는 것을 특징으로 하는 장치.
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