KR20070119689A - 방사상 축, 구형식 로터리 머신 - Google Patents

Abstract

로터리 머신은 다수의 로터 스핀들(108)을 둘러싸는 하우징(101)을 가지고 있는 펌프 또는 내연기관일 수 있고, 이 로터 스핀들은 가상 원뿔의 꼭지점에 위치된 출력 샤프트를 구동시키기 위하여 가상 원뿔의 면 상에 놓여 있다. 스핀들(108)의 한 단부에는 출력 샤프트와 맞물리는 베벨 기어(107)가 있고 다른 한부에는 원뿔 베어링(112)이 있다. 치우쳐진 편심 로터(110)는 압축 또는 연소 챔버를 형성하기 위해 양쪽에 인접한 두 로터(110)와 슬라이딩 접선 접촉하도록 형성된 각각의 스핀들(108)에 장착되어있다. 구형의 압축기 또는 엔진(120, 150)은 편심적으로 장착된 다수의 로터리 피스톤(128, 156)을 사용하여 구형 세그먼트를 형성한다. 각각의 로터리 피스톤(128, 156)은 피스톤들 사이에 행정 챔버를 형성하기 위해 둘 이상의 다른 로터리 피스톤과 슬라이딩 접선 접촉하도록 장착되어있다. 로터리 피스톤(128, 156)은 대체로 "눈물방울" 형상을 사용한다. 로터리 펌프(175)는 흡기 및 배기를 분배하기 위한 매니폴드(180)를 가지는 하우징(176)을 가지고 있다. 펌프(175)는 다수의 로브 샤프트(186)를 가지고 있고, 하우징 내에 장착되어있는 이 로브 샤프트에 부착되며 각각 편심적으로 장착된 로터(184)를 가지고 있어, 회전 중에 로터(184)들이 모두 서로 접촉할 때 로터(184)의 중앙부에 압축 챔버를 형성한다.

베벨 기어, 편심형 로터, 스핀들, 출력 샤프트, 압축 챔버, 슬라이딩 접선 접촉, 로터리 머신

Description

방사상 축, 구형식 로터리 머신{RADIAL AXIS, SPHERICAL BASED ROTARY MACHINES}

본 발명의 기본 개념은 편심 로터 및 비편심 로터를 갖춘 축이 평행한 샤프트 및 축이 경사진 샤프트를 채용한 로터리 머신 형태를 포함하고 있다. 종래 기술에서, 회전축은 로터의 기하학적 중심을 통과하므로, 그에 의해 가능한 로터의 구성은 한계가 있었다. 전형적인 로터리 머신 엔진의 특허들은 평행축 구성을 사용하고 있고, 이 평행축 구성은 회전축들이 서로 평행하며 모든 로터는 이 회전축들에 대해 수직인 2차원의 원호로 회전하는 것을 의미한다. 회전 중심을 기하학적 중심으로부터 멀어지게 옮기는 것(즉, 편심)으로 다수의 로터 구성(4, 5, 및 6개의 로터 구성)을 고려할 수 있다. 이러한 편심 개념은 아무도 종래의 콜부네(Colbourne) 로터리 머신 개념의 기본 원리와 그것과 관련된 독특함과 단일함을 변경하려고 하지 않았기 때문에, 로터 설계에 이용되지 않았다. 콜부네 개념으로부터 많은 기술 혁신이 이루어졌지만, 그것들 중 콜부네 로터리 머신의 근본 개념으로부터 벗어난 것은 아무것도 없었다.

또한, 이러한 편심 개념은 회전축이 고정 중심축 둘레로 방사상 패턴으로 경사지거나 기울어지는 방사상 축의 로터리 머신 개념에 관한 것이다. 축의 기울기는 로터 설계에서 일어나는 편심의 정도 변화를 야기한다. 이러한 축의 경사진 상 태는 방사상의 축이 서로 90도로 수직이고 편심율이 0일 때 최고점에 달한다. 회전축이 평행한 축으부터 방사상의 축으로 이동하면, 로터의 회전축이 인접한 로터들의 축과 평행하지않는 이전보다 다양한 로터리 머신을 고려할 수 있다. 평행한 축으로부터 방사상 축으로의 회전축의 이동은 로터가 한 평면상에서 회전하는 것이 아니라 구 평면상에서 회전하는 로터리 머신을 가져온다.

3 또는 4 로터 로터리 머신을 설명하는 다수의 특허들은 모두 평행한 축을 기초로하고 있다고 기록되어있다. 이는 모든 로터가 축이 평행한 샤프트들을 중심으로 선회하고 그것들의 구조 형상 및 회전 운동이 2차원 평면상에 있는 로터리 머신을 야기한다. 또한, 회전축은 로터 형상의 중심을 일직선으로 관통해간다(0 편심율). 이는 3 또는 4개의 로터를 그룹화하는 로터의 가능한 구성을 제한하게 된다. 로터들이 360도에 걸쳐 회전함에 따라 서로 접선을 이루도록 하는 기하학적 형상으로 인하여, 단일의 체적 챔버(volume chamber)를 갖춘 평행축 로터리 머신에는 4개 이상의 로터가 형성될 수 없다. 이는 하나 이상의 챔버를 형성하기 위해 로터들이 인접한 그룹으로 함께 놓일 수 없다는 것을 의미하지 않지만, 모든 예에서, 로터리 머신의 사이클에 일을 하거나 로터리 머신의 사이클로부터 일을 추출하는 로터가 4개 이상일 수 없다는 것을 의미한다.

편심의 구성에서, 축은 오벌형 로터의 중심을 벗어나 이동되어있다(편심이라 불리워진다). 이는 4-로터 설계의 확장을 초래하고 5-로터 및 실직적인 최대 구성인 6-로터 구성의 형성을 고려할 수 있다. 7 로터 및 그 이상의 로터가 기하학적으로 가능할지라도, 그에 의한 로터의 형상은 적절한 기계적 구성을 고려하지않을 것이므로, 그에 의해 야기되는 로터 구성은 실시될 수 없다.

과거에, 4-로터 설계는 로터리 머신에 관한 기본 원리가 되었다. 편심의 도입으로 5 개의 플랫 또는 2차원 로터 구성 및 6 개의 플랫 또는 2차원 로터 구성을 고려할 수 있다. 5 로터 및 6 로터 구성은 챔버에 대해 표면 면적을 좀더 노출시켜, 그에 의해 각각 로터리 머신의 사이클마다 일을 하는 성능을 증가시키고, 이 로터 구성은 한 팁(tip)에 곡률반경이 있고 다른 한 팁에 꼭지점이 형성된 "눈물 방울" 형상 로터를 사용하고 있다. 이러한 5-로터 및 6-로터 구성은 로터가 그의 사이클을 통하여 작동함에 따라 가공하지않은 자연적인 포트를 생성한다.

4-로터 구성은 이러한 일의 증가에 동등하도록 그 크기가 비례될 수 있거나 다수의 그룹을 가질 수 있지만, 머신의 크기에 있어서 상당한 증가를 필요로 할 것이다. 따라서, 5-로터 및 6-로터 로터리 머신이 주어진 물리적인 크기에 대하여 훨씬 더 유효하다.

이러한 로터리 머신이 엔진 구성에 관한 전형적인 배열을 설명하고 있지만, 이 로터리 머신의 편심 로터 개념은 펌프와 같은 다른 실시예에 적용될 수 있다. 로터가 동일 위상 회전으로 작동되기 위하여, 작동 챔버를 생성하도록 로터의 동조를 제공하는 기어 세트를 필요로 한다.

아무도 콜부네 로터리 머신 개념의 기본 원리와 관련된 독특함과 단일함의 관점에서 이 기본 원리를 변경하려하려고 하지않았기 때문에, 로터 구성에 편심의 개념이 이용되지 않았다. 콜부네 개념의 고유한 특징 및 단일함으로부터 많은 기 술 혁신이 이루어졌지만, 본 고안이 본문에서 설명될 때까지 콜부네 로터리 머신의 근본 개념으로부터 벗어난 것은 아무것도 없었다.

로터리 머신 구성에 있어 편심 개념의 도입은 평행축 구성에 비하여 다음과 같은 이점을 초래한다: 동적(움직이는) 포팅이 엔진 사이클 방식을 단순화한다; 평행축 구성 및 비 평행축 구성 둘 다에서 작동될 수 있는 다수의(4개 이상의) 로터 구성을 고려할 수 있다; 오프셋 축으로부터 생성된 유도된 레버 암(induced lever arm)으로 인하여 토크 출력이 증가한다; 주어진 챔버 체적에 대해 허용되는 다수의(4개 이상의) 로터의 표면적의 증가로 인하여 작동 출력(work output)이 증가한다; 로터리 머신을 구성하는데에 필요한 물리적인 크기가 감소한다; 주어진 물리적인 크기에 대하여 챔버 체적이 더 크다; 용이하게 조립체는 베벨 기어를 사용할 수 있다.

평행축 시스템에서, 로터는 모두 회전축과 수직인 평면상에서 회전한다.

로터의 한 단부 또는 양단부의 팁에 곡률반경의 도입은 편심률에 영향을 미쳐서, 그에 의해 로터의 회전축이 로터 기하학 형상의 중심으로부터 벗어난다. 곡률반경이 있는 팁의 부가는 바람직한 여러 결과를 야기한다: 곡률반경이 있는 팁은 적용되는 로터리 머신에 기초하여 크기가 변경될 수 있는 챔버 체적을 생성한다; 곡률반경이 있는 팁은 로터가 서로 상호작용함에 따라 단일의 꼭지점보다 접선 접촉하는 표면적이 더 큰 상보 표면(complimentary surface)을 생성한다; 또한 곡률반경이 있는 팁은 로드-베어링 크랭크샤프트의 배치에 적절한 로터 영역을 형성한다.

로터리 머신의 방사상 축 구성은 또한 과거에 이용되지 않았었다. 평행축 구성의 실시예는 일반적인 로터리 머신이다. 기본 4-로터 구성에의 편심 도입은 5-로터 및 6-로터 로터리 머신의 형성을 고려할 수 있다. 편심은 로터 샤프트 축이 평행하지 않은 방사상 축 구성으로 이루어질 수도 있지만, 로터 샤프트의 축이 직원뿔을 형성하도록 중심축으로부터 경사져 이루어질 수도 있다.

반지름 각이 회전축에 도입될 때, 로터는 더 이상 2차원으로 또는 평면 상태에서 작동할 수 없지만 이제 구면에 비례하여 회전할 수 있다. 이러한 샤프트에 있어서 평행한 축으로부터 반경방향으로의 각도 또는 "경사(splaying)"는 규격의 2차원 형상(4각형, 5각형 및 6각형)을 구면 상에 사상(寫像)시켜 그 꼭지각(apex angle)에서 형성되는 축의 편심을 초래한다. 설계에 편심을 선택적으로 도입시키는 2차원 상태와는 다른 방사상 배열로 인하여 이제 편심이 자연적으로 형성되어있다. 방사상 배열 및 구면을 다루는 경우에, 로터가 꼭지각 및 팁의 곡률반경으로 인하여 주어진 편심량을 가지고 360도의 사이클을 통과함에 따라 곡률반경이 있는 팁은 인접한 로터의 측면과 접선 접촉을 유지하는 방안이 있다.

곡률반경이 있는 팁의 부가는 로터리 머신 형성에 있어 필수적이다. 이전에 설명된 바와 같이, 곡률반경이 있는 팁은 연소 또는 펌프 활동에 관한 체적 면적을 고려할 수 있다. 이러한 구조적인 공정은 모든 다른 로터 설계에 맞게 되어있으므로 6-로터 로브에 대해서도 동일하다. 본문에 설명된 모든 다른 구성과 같이, 로터의 "긴" 측의 합성 곡선은 2차 함수의 일정한 곡률반경의 호가 아니다. 3차 함수의 스플라인이다. 이러한 스플라인을 해석하지 못하면 "실생활(real life)" 사 용처에서 작동하지 않게 될 로터 설계를 얻게 될 것이다.

다수의 로터 스핀들을 가지고 있는 로터리 머신이 원뿔형으로 배열되어있다. 내연 기관:은 다수의 로터 스핀들;을 가지는 다수의 로터 블레이드;를 가지고 있고, 각각의 로터 블레이드에는 하나의 로터 스핀들이 부착되고; 로터 스핀들은 그것의 중심선을 중심으로 회전하고; 로터 샤프트의 중심선은 가상 원뿔면 상에 놓이도록 구성되어있다.

로터리 머신은 로터 스핀들 피니언 기어에 의해 구동되는 베벨 유성 기어를 이용한다. 내연 기관:은 다수의 로터 스핀들;을 가지는 다수의 로터 블레이드;를 가지고 있다. 각각의 로터 블레이드에는 로터 스핀들이 부착되고; 로터 스핀들은 그것의 중심선을 중심으로 회전하고; 로터 스핀들은, 출력 샤프트 상에 장착되거나 형성된 베벨(또는 원뿔) 유성기어와 맞물려 회전하도록 구성된 피니언 기어를 가지고 있다.

로터리 머신은 다수의 로터 블레이드를 가지고 있고, 이 로터 블레이드의 상면은 가상 구면 상에 놓여 있다. 내연 기관:은 다수의 로터 스핀들;을 가지는 로터 블레이드;를 가지고 있다. 각각의 로터 블레이드에는 로터 스핀들이 부착되고; 로터 스핀들은 그것의 중심선을 중심으로 회전하고; 로터 블레이드의 최상면이 가상 구면 상에 놓여있다.

로터리 머신은 로터 블레이드들을 가지고 있고, 이 로터 블레이드는 로터 블레이드의 횡단면 면적 중심으로부터 오프셋된 축을 중심으로 회전한다. 내연 기관:은 다수의 로터 블레이드를 가지고 있고; 각각의 로터 블레이드에는 로터 스핀들이 부착되고; 로터 스핀들은 그것의 중심선을 중심으로 회전한다. 로터 스핀들은 로터 블레이드의 횡단면 면적 중심으로부터 오프셋된 지점에서 로터 블레이드에 부착되어있다.

로터리 머신용 로터 블레이드는 횡단면이 대체로 "눈물방울" 모양을 한 형상을 가지고 있다. 횡단면은 대체로 타원형이지만 뾰족한 한 단부를 가지고 있다. 횡단면 형상의 변형은 로터리 머신의 압축비 제어를 고려할 수 있다.

본 발명은 다수의 로터 블레이드를 가지는 로터리 머신 또는 펌프를 포함하고 있다. 엔진 구성 요소는 세라믹 또는 금속 또는 이들의 화합물로 구성될 수도 있다. 로터 샤프트 또는 스핀들은 로터 블레이드의 각각에 걸쳐(한 로터 블레이드당 한 로터 스핀들) 뻗어있다. 로터 블레이드는 연소 챔버를 한정하는 영역 내에 수납되어있다. 연소 챔버는 배기 포트와 흡기 포트 및 관련 요소를 점화하는 데에 필요한 임의의 오리피스를 제외하고 밀폐된다. 로터 스핀들 각각의 중심선은 각 중심선이 가상 원뿔면 상에 놓인 상태로 수직선으로부터 경사져 있다. 로터 각각의 최상면은 만곡되어있다. 이 만곡은 주어진 반경을 가진 구면의 만곡과 일치한다. 로터 블레이드의 횡단면 면적은 블레이드 최상부에서 최대인 상태로부터 블레이드의 최하부에서 최소인 상태로 점차 감소하고/작아진다 - 즉 블레이드에서 최하부보다 최상부가 더 크다. 로터 블레이드는 로터 블레이드가 회전할 때 로터 블레이드의 각 스핀들도 회전하도록 로터 스핀들에 고정되어있다. 로터 블레이드는 로터 스핀들의 중심선을 중심으로 회전한다.

5-로터 설계의 로터 블레이드는 횡단면이 "눈물방울" 모양을 한 형상을 가지고 있다. 또한, 5-로터 설계에서, 로터 블레이드는 로터 블레이드의 횡단면(로터 스핀들 중심선에 대해 직각인 평면에 놓여있는 횡단면) 면적 중심으로부터 오프셋된 지점에서 로터 스핀들에 부착되어있다. 반대로, 4-로터 설계의 로터 블레이드는 로터 블레이드의 횡단면 면적 중심(또는 거의 가까운 중심)에서 로터 스핀들에 장착되어있고 로터 블레이드는 로터의 한 측에 있는 작고 평편한 "노치"를 제외하고 로터 스핀들의 양측은 대칭적이다. 양자의 설계에서 로터 횡단면의 형상은 2차 및 3차 함수 곡선의 세그먼트로부터 얻어진다.

로터 스핀들의 최상부는 스핀들이 회전하는 반면에 샤프트의 중심선을 실질적으로 움직이지 않게 유지시키도록 베어링을 설치할 수 있는 충분한 거리만큼 로터 블레이드를 지나 뻗어있다. 스핀들을 자유롭게 회전시키기 위해 다수의 테이퍼형 니들 베어링을 포함하는 원뿔형 베어링이 사용될 수도 있다.

로터 샤프트의 하단부 또는 말단부에는 테이퍼형 기어가 장착되거나 형성되어있다. 기어의 기울기(tapering)는 출력 샤프트 상에 있는 유성 기어의 기울기(tapering)에 일치되어있다. 원뿔형 태양 기어는 로터 스핀들의 중심에 안착하여 스핀들을 출력 샤프트에 접하게 적소에 유지시킨다. 이러한 기어는 백래시(backlash) 작동이 없도록(또는 최소화되도록) 구성되어있다. 그에 의해 로터 블레이드에 가해지는 힘에 의해 발생한 토크가 로터 샤프트를 통해 중앙의 출력 샤프트로 전해진다.

또한 로터 샤프트 단부의 기어는 로터 블레이드가 동시에 회전하는 것을 가능케 한다. 로터의 회전 동안(또는 5-로터 설계에 있어서 로터의 회전중 일부동안) 로터 블레이드의 각각이 그에 인접한 로터 블레이드와 접촉하도록(또는 거의 접촉하도록) 로터 블레이드의 타이밍이 조정된다. 엔진 내부에서 로터 블레이드들 사이의 체적이 격리되어있다. 로터 블레이드가 회전을 계속함에 따라, 격리된 체적은 최소 체적에 도달할 때까지 감소한다. 최소 체적 지점에 도달한 후, 더한 회전은 격리된 체적의 크기가 팽창하는 결과를 야기한다. 5-로터 설계에서, 격리된 체적은 로터 블레이드가 회전을 계속함에 따라 결국 격리 해제된다.

엔진 작동에 있어서, 연료 혼합체가 흡입 포트를 통해 들어오게 된다. 연료 혼합체는 바람직하게는 수소와 산소이지만, 석유 증기(가솔린 등) 및 공기 혼합체가 이용될 수 있다. 격리 체적을 형성하도록 로터 블레이드가 회전함에 따라, 그 후 격리 체적은 연료 혼합체를 포함하게 된다. 최대 압축 지점이 발생할 때까지 회전을 계속함에 따라 연료 혼합체가 압축된다. 최대 압축 지점 바로 후에, 격리 체적이 팽창하기 시작하고 연료 혼합체는 점화된다. 바람직하게는 점화는 연소 챔버 중심의 최상부로부터 안내되는 레이저를 사용하여 이루어지게 된다. 이 레이저 사용은 종래의 점원(point source) 점화가 사용되었을 경우에 생성되는 구형의 파면과 대조적으로, 야기될 연소를 위한 원통형 파면을 제공할 수 있다. 하지만, 디젤링과 같은 다른 점화 방법은 물론 스파크 플러그가 이용될 수 있다. 연소 에너지가 로터 블레이드의 면에 보다 일정한 압력을 제공하므로 원뿔 파면 챔버가 바람직하다.

연소가 진행됨에 따라, 로터 블레이드는 격리 체적이 팽창함에 따라 회전하려고 한다. 팽창이 최대한 발생한 후에, 연소 챔버 내부의 가스를 내보내기 위해 배기 포트가 개방된다. 그 다음 사이클이 또 시작된다.

엔진은 2 또는 4 사이클 엔진으로 구성되거나 펌프 또는 압축기로 구성될 수도 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부한 명세서 및 도면으로부터 이해될 것이다.

도 1은 4-로터, 4-사이클 엔진 실시예의 사시도;

도 2는 최상부가 제거된 4-로터, 4-사이클 엔진 실시예의 사시도;

도 3은 중간 케이싱 및 몇몇 로터가 없는 4-로터, 4-사이클 엔진 실시예의 사시도;

도 4는 4-로터, 4-사이클 엔진 드라이브 기어의 사시도;

도 5는 흡기 포트 및 배기 포트가 보이는 로터 샤프트의 사시도;

도 6은 흡기 포트 및 배기 포트가 보이는 로터의 사시도;

도 7은 최상부와 중간 케이싱이 없는 4-로터, 4-사이클 엔진의 사시도;

도 8은 4 사이클 작동 개요의 사시도;

도 9는 0도의 기본 사이클 사시도;

도 10은 90도의 기본 사이클 사시도;

도 11은 135~180도의 기본 사이클 사시도;

도 12는 190~270도의 기본 사이클 사시도;

도 13은 360도의 기본 사이클 사시도;

도 14는 2 사이클, 6 로터 엔진 실시예의 (위에서 본)사시도;

도 15는 2 사이클, 6 로터 엔진 실시예의 (정면에서 본)사시도;

도 16은 케이싱이 제거된 2 사이클, 6 로터 엔진의 사시도;

도 17은 로터가 제거된 2 사이클, 6 로터 엔진의 사시도;

도 18은 2 사이클, 6 로터 엔진 내부의 사시도;

도 19는 케이싱 커버가 제거된 2 사이클, 6 로터 엔진 내부의 사시도;

도 20은 로터 축을 내려다 본 평면도. 엔진의 각 반구(semi-sphere) 또는 절반은 4개의 챔버를 포함하고 있다. 그 중 2개는 출력 추출을 위해 사용되고 다른 2개는 인접한 2개의 발화 챔버 내로 흡입되는 연료/공기 혼합체를 마련하도록 사용된다. (이러한 2개의 챔버는 종래의 왕복 2-행정 엔진의 크랭크실의 용도에 상당하다.);

도 21은 상사점 상태의 도 19 엔진의 사시도;

도 22는 팽창(폭발) 사이클로의 100도 상태의 도 19 엔진의 사시도;

도 23은 배기가스가 배출되고 흡입을 시작하는 120도 상태의 도 19의 엔진의 사시도;

도 24는 배기 포트가 폐쇄되고, 흡기 예비 압축이 종료되고, 연소 챔버의 압축이 시작되는 180도 상태의 도 19 엔진의 사시도;

도 25는 모든 포트가 폐쇄되고 연소 챔버가 압축되고 있는, 230도 상태의 도 19 엔진의 사시도;

도 26은 구동 엔진 실시예의 외부 사시도;

도 27은 케이싱 중 최상부 반절이 제거된 구동 엔진의 외부 사시도;

도 28은 내부 케이싱이 제거된 구동 엔진의 외부 사시도;

도 29는 로터가 제거된 구동 엔진의 외부 사시도;

도 30은 로터와 내부 케이싱이 제거된 구동 엔진의 외부 사시도;

도 31은 베어링 반구가 제거된 구동 엔진의 외부 사시도;

도 32는 내부 기어와 케이싱을 가진 구동 엔진의 외부 사시도;

도 33은 구동 엔진 차동 기어의 외부 사시도;

도 34는 엔진 기어 열의 사시도;

도 35는 엔진 로터의 클로즈업의 사시도;

도 36은 엔진 흡기 및 배기의 사시도;

도 37은 5 로터 평행축 펌프의 사시도;

도 38은 평행축 펌프의 내부 사시도;

도 39는 유체 방향이 포트를 관통하는, 외부 케이싱이 없는 펌프 로브 및 매니폴드의 사시도;

도 40은 포트를 통한 펌프 유체 방향의 평면도;

도 41은 0도 회전한 상태의 펌프 평면도;

도 42는 45도 회전한 상태의 펌프 평면도;

도 43은 대략 90도 회전한 상태의 펌프 평면도;

도 44는 유체 유동이 없는, 180도 회전한 상태의 펌프 평면도;

도 45는 대략 270도 회전한 상태의 펌프 평면도;

도 46은 315도 회전한 상태의 펌프 평면도;

도 47은 평행축 펌프의 사시도.

4- 로터 , 4-사이클 엔진

경사진 축, 4-로터, 4-사이클 엔진이 도 1~13에 예시되었지만 이 로터리 머신은 2-사이클 또는 4-사이클 기계로 구성될 수 있다. 또한, 펌프로 작동되도록 구성될 수 있다.

본 발명은 연료 혼합체의 연소에 의해 구동되는 다수의 (3개 이상의)로터 블레이드를 가진 로터리 머신을 포함하고 있다. 이 로터리 머신 구성요소는 세라믹 또는 금속 또는 그것들의 합성물로 구성될 수 있다. 로터 샤프트 또는 스핀들은 로터 블레이드의 각각을 관통하여 뻗어있다(로터 블레이드 당 하나의 로터 스핀들). 로터 블레이드는 연소 챔버가 형성되는 영역 내에 수용되어있다. 연소 챔버는 흡기 및 배기 포트 및 관련 요소의 점화에 필요한 오리피스를 제외하고 밀폐된다.

도 1은 경사진 축 즉 방사상 축 설계에 기초한 다수의 로터를 가진 로터리 머신의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 이러한 도시는 4-로터 구성을 기초로 하고 있지만 4-로터 구성의 여러 원리가 5-로터 및 6-로터식 로터리 머신에 적용될 수 있다.

특히 도 1~13을 참조하면, 4 로터, 4 사이클 엔진(100)은 케이싱(101) 및 헤드 커버(102)를 가지고 있고 흡기 포트(103) 및 스파크 플러그 입구(104)를 가지는 것으로 예시되어있다. 케이싱(101)은 도 2에 보이는 바와 같이 헤드 커버가 제거된 냉각 핀(105) 및 케이싱 밴드(106)를 가지고 있다. 4개의 피니언 기어(107)가 각각 한 샤프트(108)의 단부에 연결되어있는 것을 볼 수 있고 각 샤프트(108)는 샤프트에 부착되어있어 실린더 벽(111) 내부에서 회전하여 연소 챔버(109)를 형성하는 로터리 피스톤(110)을 가지고 있다. 각 샤프트(108)는 또한 샤프트의 한 단부에 부착되어있고 대체로 원뿔형인 롤러 베어링(112)을 가지고 있다. 흡기 포트(103)가 샤프트(108)를 관통하여 뻗어있는 것을 볼 수 있고, 이 샤프트는 출력 샤프트(119)의 태양 기어(113) 상에서 회전하도록 부착되어있는 피니언 기어(107)를 가지고 있고 각 샤프트의 최하부의 중심으로부터 바깥쪽으로 경사져 있다. 샤프트(108)는 관통하여 뻗어있는 흡입 개구(114) 및 배기 포트(115)를 가지고 있다. 도 5에 보이는 바와 같이, 공기와 연료는 샤프트(108)의 흡기 포트(103)로 들어가고, 흡입 개구(114)의 흡기 포트(103)로부터 로터리 피스톤(110) 중 하나를 통과하여 배기 포트(115) 및 배출구(116)를 통하여 빠져나온다.

로터 스핀들의 각각의 중심선은, 이 중심선이 각각 0도 이상 180도 이하의 꼭지각을 가지는 가상 원뿔면 상에 놓인 상태로 중심축으로부터 경사져 있다.

4-로터 설계의 로터 블레이드가 도 1~7에서 볼 수 있는 "오벌" 형의 횡단면을 가지고 있다. 4-로터 설계의 로터 블레이드가 도 6에 단독으로 도시되어있다. 모든 방사상 설계에서, 로터의 최상부 표면은 만곡되어있다. 만곡은 주어진 반경을 가진 구면의 만곡과 일치한다. 로터 블레이드의 횡단면 면적은 블레이드 최상부에서 최대로부터 블레이드 최하부에서 최소로 점차 감소하거나 점점 작아진다 - (도 7에서 볼 수 있는 바와 같이)즉 블레이드는 최하부보다 최상부에서 크기가 더 크다.

로터 블레이드는 로터 블레이드가 회전할 때 그와 같게 그 각각의 스핀들이 회전하도록 로터 스핀들에 고정되어있다. 로터 블레이드는 로터 스핀들의 중심선을 중심으로 회전한다. 4-로터 설계에서, 로터 블레이드는 로터 블레이드의 횡단면 영역의 (약간의 편심이 있는)중심 부근에서 로터 스핀들에 장착되어있고, 로터 블레이드는 로터의 한 단부에 작은 노치가 있는 정도로 거의 대칭적이다. 5-로터 설계에서, 로터 블레이드는 로터 블레이드의 횡단면 영역(로터 스핀들 중심선에 직각인 평면으로 놓인 횡단면)의 중심으로부터 상당히 벗어난 지점에서 로터 스핀들에 장착되어있다. 양자 모두의 설계에서 로터 횡단면의 형상은 경사 각도, 팁의 곡률반경, 구 반경, 및 이전에 설명된 바와 같은 로터의 수에 기초하여 맞춤 설계된다.

로터 스핀들의 최상부는 스핀들을 회전시키는 동안 샤프트의 중심선을 실질적으로 움직이지않게 고정하도록 베어링을 설치할 수 있는 충분한 거리만큼 로터 블레이드를 지나 뻗어있다. 스핀들을 자유로이 회전시키기 위해 다수의 테이퍼형 니들 베어링을 포함하는 원뿔형 베어링이 사용될 수 있다.

로터 샤프트의 하단부 또는 말단부에는 테이퍼형 기어가 장착되거나 형성되어있다. 기어의 기울기(tapering)는 출력 샤프트의 유성 기어의 기울기에 일치된다. 로터 스핀들의 테이퍼형 피니언 기어는 출력 샤프트의 "컵형" 영역 내에 끼워진다. 원뿔형의 태양 기어는 로터 스핀들의 중앙에 안착하고, 스핀들을 출력 샤프트에 접하게 하는 동시에 적소에 유지시킨다. 이러한 기어는 백래시 작동이 없도 록(또는 최소화되도록) 구성되어있다. 로터 블레이드에 가해진 힘에 의해 발생한 임의의 토크는 로터 샤프트를 통해 중앙의 출력 샤프트로 전해진다.

또한 로터 샤프트의 단부의 기어는 로터 블레이드가 동시에 회전하는 것을 가능케 한다. 로터 블레이드의 회전 중 일부 동안에 로터 블레이드의 각각이 그에 인접한 로터 블레이드와 접촉하고 있도록(또는 거의 접촉하고 있도록) 로터 블레이드의 타이밍이 조정된다.

이하에 설명되는 엔진의 작동은 4-사이클(행정) 구성으로 작동되도록 형성된 4 로터, 방사상 축 로터리 머신 엔진 작동이다. 방사상 축 구성으로 인하여, 로터는 구면 상에서 회전하고, 편심으로 인하여, 회전 축이 로터 형상의 중심으로부터 벗어나 연소 공정시 일을 하는 더 큰 레버 암을 형성하게 된다. 로터가 그 축을 중심으로 360도 회전함에 따라, 압축 및 배기 사이클을 겪는 크기 가변식 챔버를 생성한다. 이 연소 공정으로부터의 출력은 동력 인출 장치(PTO)의 링 기어에 연결되어있는 베벨 유성 기어 세트를 통과하고, 이 동력 인출 장치의 링 기어는 필요에 따라 트랜스미션, 펌프 등과 같은 다른 장치에 부착될 수 있다. 로터 자체에의 흡기 및 배기 포트의 배치에 기인하여 흡기 및 배기 가스가 메인 피니언 샤프트를 통하여 흘러, 이러한 엔진의 포팅(porting)을 단순화시킨다. 엔진 케이스의 최상부에 부가된 매니폴드로부터 흡입 가스가 들어오고 배기 가스는 동일한 피니언 샤프트로부터 PTO를 통하여 밖으로 배출된다. 이러한 공정은 도 8에 예시되어있다.

작동에 있어서, 연료 혼합체가 흡기 포트를 통해 도입된다(이 설명은 4-로터 설계를 참조하고 있음). 연료 혼합체는 수소와 산소인 것이 바람직하지만, 석유 증기(가솔린 등)와 공기와의 혼합체가 사용될 수 있다. 로터 블레이드가 회전하여 격리된 체적을 형성함에 따라, 그 후 격리된 체적은 연료 혼합체를 포함하고 있다. 최대의 압축이 발생하는 지점까지 회전이 계속됨에 따라 연료 혼합체가 압축된다. 최대 압축 지점이 지난 바로 후에, 격리된 체적은 팽창하기 시작하고 연료 혼합체가 점화된다. 점화는 연소 챔버의 최상부 중앙으로부터 발화된 스파크 플러그를 이용함으로써 이루어진다.

연소 공정이 계속되어, 격리된 체적이 팽창됨에 따라 로터 블레이드가 회전하도록 가압된다. 결국 로터 블레이드는 더 이상 서로 접촉하고 있지않아 갇혔던 체적의 연소 후 가스는 나머지 연소 챔버 내로 새나가게 된다. 이때 연소 챔버 내부의 가스가 빠져나가도록 배기 포트가 개방된다. 이러한 가스를 연소 챔버 밖으로 빼내기 위해 진공 장치가 선택적으로 이용될 수 있다. 그 후 사이클이 재시작한다.

본 4 로터 세트의 특징은 이러한 엔진의 목적에 적합한 감속비의 범위를 가진 베벨 유성 기어 세트에 의해 제공되는 동일한 각속도로 4로터 세트가 동일 위상 회전하는 것이다.

흡기 및 배기 채널은 로터의 (중앙)보어를 관통하여, 로터의 회전시 앞서는 측면에는 배기 포트가 형성되고 뒤잇는 측면에는 흡기 포트가 형성되는 상태로, 로터의 180도 위치의 단부 팁에 이웃한 양측의 양포트에 각각 이른다. 이러한 구성에서, 필수의 포팅 채널이 로터에 대해서만 구성되어서, 엔진 케이싱 설계에 영향을 미치는 표준 플리넘은 표준 플리넘인 채로 남겨둔다.

로터가 경사진 축 상에 배치되어있는 구성은 본 발명의 의도를 나타내고 있다. 경사 각도는 이러한 기구에 4-사이클 내연소 공정의 적용을 절충시키지 않고 로터의 프로파일에 이어진다. 로터리 머신의 4-사이클 내연소 공정은 보다 적은 부품, 보다 원활한 작동 사이클, 크기 비율에 대해 더 높은 출력, 및 로터의 1 회전 동안의 완벽한 4-사이클 공정이란 몇몇 이점들을 포함하고 있다.

또한, 샤프트로부터 로터의 오프셋(편심)은 연소가 진행됨에 따라 로터의 면중 지레 작용하는 영역의 노출이 증가하여서 그에 의해 이용가능한 토크가 증가한다. '편심'은 또한 로터가 슬라이딩 접촉하고(접하고) 있는 지속기간에 영향을 미친다. 이 지속기간은 대략 90도 정도에 걸친 회전 기간이고, 135에서 225도까지 회전한 기간에는 로터 간에 근소하고 점차적인 이격이 발생한다(이는 왕복 피스톤 엔진의 오버랩 기간에 상당한다). 이 이격은 경사진 축의 결과로서 뒤따르는 작용이지만 엔진 성능에는 중요한 것이 아니다; 내연기관, 왕복 피스톤의 '오버랩' 이점은 이 로터리 머신 엔진의 로터 포팅 특징으로 인하여 이 설계에서 구현될 수 없다. 필요하다면, 포트들이 서로 교차하여 지나가도록 배열되어있는 경우에 오버랩은 선택사항으로 채택될 수 있다. 결과적으로 봤을 때, 로터들이 근소하게 이격되는 기간은 거의 중요하지 않거나 이점이 거의 없으며 이는 편심의 결과이다.

4개의 반원 구(球)형 로터 포켓(로터와 엔진 케이싱 사이의 체적)이 유리하게 작용한다. 로터가 회전함에 따라 공기가 로터 흡기 포트에 의해 밀려오거나 이송되어 냉각을 위한 체적이 생성된다. 일정한 각도로 회전하는 동안 냉각 가스 일부는 로터의 배기 포트 내로 가압되어 배기 가스를 희박하게 하고 '재연소'를 위하 여 산소를 공급할 수 있다. 대체로, 이러한 소기 체적(swept volume)은 4-사이클 공정에 직접적인 영향을 미치지 않는다. 로터와 케이싱의 형상으로 인하여, 로터는 포켓을 자유로이 통과한다(즉, 슬라이딩 접촉하지않는다). 용어 포켓 체적은 사이클 전체에 걸쳐 로터 주변의 영역을 설명하도록 사용된다. 이는 연소 챔버와 구별된다.

다음의 도면에 기초하여, 실시예의 기본 사이클을 대략 15도씩 증가시킨 상태로 설명할 것이다.

0도 상태(도 9) - 엔진이 상사점 상태에 있다. 연료/공기 혼합체가 이미 중앙 챔버 내에서 압력을 받은 상태로 점화 스파크를 기다리고 있다. 이전 사이클로부터의 배기 가스가 둘러 막힌 포켓 체적 내에 있고, 이 포켓 체적은 로터의 앞선 에지를 통하여, 엔진으로부터 가스가 배출되는 피니언 샤프트를 통해 밖으로 포트 연결되어있다. 팽창 출력 사이클에 걸쳐(대략 90도까지의 로터 회전), 포켓의 증기(공기)가 로터의 팁에 있는 배기 포트 내에 보내진다. 포켓 체적이 최대이고 연소 챔버의 크기는 최소이다. 포켓의 증기에 노출되는 로터의 표면이 최대이다.

대략 90도 상태(도 10) - 배기 포트가 연소 챔버에 대해 개방되어있다; 배기 사이클은 "하사점(B.D.C)"에 이르기까지, 로터가 실질적으로 접촉하는 150도까지의 회전과 함께 그 이후 로터들이 접촉하지 않는 30도 만큼의 상태에 걸쳐있다.

135~180도 상태(도 11) - 180도 이후에 로터들이 점차 이격된다 - 포트들이 오버랩 상태로 정렬되어있다. 오버랩은 20도 만큼에 걸쳐있을 수 있다. 도 11에서 로터 블레이드는 블레이드들 사이에 아무 접촉도 없는 로터 회전중 일부의 상태 로 도시되어있다.

대략 190도 상태(도 12) - 흡입 포트가 중앙 공동내로 개방된다. 배기 포트는 포켓 체적 내로 개방된다. 블레이드 간의 접촉이 최초로 형성된다. 이러한 회전 동안 로터리 머신의 내부 체적이 격리된다. 블레이드가 계속 회전함에 따라 격리된 체적은 최소로 될 때까지 감소한다.

190~270도 상태 - 흡입 사이클. 배기 포트가 포켓의 공기로 충진된다.

대략 275도 상태 - 압축 사이클 시작. 배기 포트에서 포켓의 공기가 '버퍼링'(buffering)되고, 로터의 고온인 표면이 포켓 공기로 냉각되고, 흡입 포트가 포켓 체적을 차지한다.

360도 상태(도 13) - 최소의 체적 지점에 도달한 후, 더한 회전은 격리된 체적의 크기를 팽창시킨다. 타이밍 진각 장치에 따라 점화가 발생한다.

출력 행정(사이클)은 대략 75도 동안에 걸쳐 지속한다.

로터들이 서로 '직각'을 이룬 135도의 위치에서, 로터 중 작은 곡률반경이 있는 단부 팁과 앞선 로터의 측면 사이의 접점 지점은 이격되기 시작한다. 이 로터의 곡률반경이 있는 단부 팁은, 15도 경사진 편심 때문에 로터 측면 프로파일의 본래 원호의 기울어진 만곡에 기인하는 위치일 때까지 계속 접촉한 상태일 수 있다.

'오버랩' 단부 프로파일은 대략 90도의 원호인 것 같이 보이지만 실제로는 로터의 장축(major axis)을 중심으로 대칭되는 2개의 약 45도 스플라인 곡선이다 - 이 2개의 스플라인 곡선은 '위쪽의'(앞선) 로터 측면과 접촉하고(접하고) 있는 것 을 의미한다. 이는 압축 및 팽창 행정이 135도 동안 로터들의 마찰 접촉 상태에서 이루어지고, 실질적으로 대략 165도 동안 폐쇄되어있다.

225도 상태에서, 로터의 단부 중 곡률반경이 있는 팁이 이에 인접한 앞선 로터의 오버랩 단부 측에서의 측면과 접하기 시작한다.

다른 포팅 방법은 마주하여 쌍으로 이루어진 헤드 포트; 흡기를 위한 한 쌍의 포트 및 배기를 위한 다른 한 쌍의 포트를 이용할 수 있다. 이는 바람직한 포팅 방법은 아니지만, 그래도 작동될 수 있다.

6- 로터 구형 엔진

도 14~25에서 2-행정 연소 사이클을 이용하는 6-로터 구형 엔진이 예시되어있다. 도시된 실시예가 엔진으로 구성되었지만, 기본 로터리 머신의 원리 및 개념을 펌프에 적용시킬 수 있다.

도 14~25에서, 2 사이클 6 로터 구형 로터리 머신(120)은 케이싱(121)을 가지고 있고, 이 케이싱은 케이싱의 한 단부로부터 돌출되어있는 드라이브 샤프트(122) 및 다른 단부로부터 돌출되어있는 출력 샤프트(123)을 가지고 있다. 엔진은 엔진(120)의 양쪽에 있는 흡기 매니폴드(127)와 함께 흡기 매니폴드의 양측에 있는 스파크 플러그(126) 및 한 쌍의 배기 포트(124 및 125)를 가지고 있다.

도 16~19에 보이는 바와 같이, 엔진(120)은 다수의 로터(128)를 가지고 있고, 각각의 로터는 기어(131)로부터 뻗어있는 스핀들에 부착된 상태로 대체로 눈물 방울 형상으로 되어있다. 드라이브 샤프트(122)는 한 쌍의 기어(133)를 포함하는 차동 기어(132)에 연결되어있고, 이 기어(133)는 기어(135)에 맞물리는 기어(133) 를 통하여 기어(132)와 맞물리기 위해 차동 핀(134) 상에서 각각 회전된다. 도 17에서, 다수의 이송 포트(140)와 함께 포핏 체크 밸브(138)가 도시되어있다. 또한 차동 기어를 통해 출력 샤프트(122)에 연결되어있는 공동의 출력 샤프트(137)가 도 10에 도시되어있다. 도 21 및 22에서, 점화 챔버(143) 및 이송 그루브 또는 포트(142)와 함께 3개의 배기 포트(124)가 도시되어있다. 연소 챔버(140)와 함께 예비 압축 챔버(141)가 도 20에 도시되어있다.

도 14~25를 참조하면, 양극이 있고 서로 동일한 6개의 로터(128)들이 구형으로 적절히 정렬되어 그 구형에 내포된 가상 입방체의 꼭지점에 8개의 캐버티를 형성한다. 모든 6개의 로터가 동일한 각속도를 가지고 동일한 각방향(angular direction)으로 동시 회전하는 상태로 로터의 양단부에 작동 압력이 고르게 가해진다. 정보 설계 파라미터는 작동 구체의 반경, 로터의 두께, 및 로터(128)의 팁의 곡률반경을 포함하고 있다. 로터가 서로에 대해 이동할 때 로터간의 상대 이동은 슬라이딩 접선 접촉 상태의 이동이다. 고르게 토크를 전달하고 기계의 동기화를 조력하는데에 사용되는 유성 기어 세트가 실시예에 도시되어있다. 이 기어 세트는 필요에 따라 도 15에 도시된 바와 같이 로터의 내부에 형성되거나 또는 외부에 장착될 수 있다.

로터의 운동에 의해 발생되는 저압으로 인하여 연료/공기 혼합체가 8개의 챔버 중 4개의 챔버 내로 이송된다. 이 4개의 챔버는 흡입 및 예비 압축 챔버로서 작용한다. 연료/공기 혼합체의 방향을 제어하기 위해 체크 밸브가 사용된다. 이러한 흡입 사이클 동안, 교호의 4개 챔버는 발화 및 연소의 작동 사이클을 겪는다. 로터(128)가 회전을 계속함에 따라, 그 후 연료/공기 혼합체는 로터가 입구 포트를 가로지름으로써 개방되거나 "노출된" 수송 채널을 통해 예비 압축 챔버로부터 인접한 챔버로 통과한다. 이는 인접한 챔버의 연소 및 발화와 동시에 일어나도록 조정된다. 그 후 사이클은 사이클 자체를 차례차례 번갈아 반복하여 엔진의 2 사이클을 이룬다.

도 20은 로터 축을 위에서 내려다본 도면이다. 각각의 반구, 즉 엔진의 절반은 4개의 챔버를 포함하고 있다. 2개의 챔버는 출력 공급을 위해 사용되고 다른 2개의 챔버는 인접한 2개의 챔버 내에 흡입되는 연료/공기 혼합체를 마련하도록 사용된다. 이러한 2개의 챔버는 종래의 왕복 2-행정 엔진의 크랭크실의 용도에 상당하다.

2-사이클 엔진(120)의 작동이 도 21~25에 예시되어있다. 각각의 도면은 연소 챔버(120), 인접한 예연소 챔버(41)를 도시하고 있다. 설명될 사이클은 실제로 엔진 사이클당 4개의 다른 챔버에서 동시에 발생한다. 도시된 해당 위치에서(도 21), 로터(128)는 상사점 상태에 있다. 그 위치에서 발화 챔버(143(우측)는 그 크기가 가장 작고 예비 압축 챔버는 최대한 크다.

스파크 플러그(126)가 발화하여 가스의 팽창으로 인해 로터(128)가 회전하게 된다. 도 22에서 로터(128)는 그 팽창 사이클에서 대략 100도 회전한 상태이다. 반대로, 인접한 챔버(140)에서, 엔진 케이스(121)의 흡입 매니폴드로부터 일방향 체크 밸브를 통해 챔버 내로 들어간 예연소 혼합체는 압축되고 있는 중이다. 대략 100도 상태에서, 배기 포트(124)가 노출되어 엔진 케이스(121)를 통해 기체 등이 빠져나가도록 한다.

도 23의 대략 120도 상태에서, 배기 가스의 대부분이 빠져나가고 이송 포트의 개구가 로터(128)의 아래로부터 노출되어있다. 이는 압축된 예연소 혼합체가 이송 그루브를 통해 연소 챔버(140) 내에 전달되도록 한다. 이는 2-행정 사이클에서 배기 사이클과 흡기 사이클 간의 공통 기간인 "오버랩"을 야기한다. 여러 포트를 이동시키거나 그 크기를 변경시켜, 배기 및 흡기의 유동 특성이 가스의 최대 효율 및 최저 배출에 영향을 미칠 수 있다.

180도 상태(도 24)에서, 로터(128)는 예연소 챔버(141)를 완전히 압축시키고 이제 연소 챔버(141)를 압축하기 시작하는 중이다. 이송 포트(142)가 완전히 노출되고 로터(128)의 경로로 인하여 배기 포트가 완전히 폐쇄되었다(로터에 의해 덮여졌다).

대략 230도 상태(도 25)에서, 로터(128)가 배기 포트(124)와 이송 포트(142) 둘 다를 덮었고 연료 혼합체의 압축 사이클이 시작된다. 연소 챔버(140)가 압축됨에 따라, 공정을 반복하기 위해 일방향 체크 밸브를 통해 예연소 챔버(141)로 새 연료 혼합체가 투입되고 있다.

도 26~36은 6-로터 구형 엔진(150)의 다른 형태를 도시하고 있다. 이 실시예는 증기 또는 압축 가스로 작동할 수 있는 엔진(150)을 나타내고 있다.

도 26~36에서, 외부 동력 6 로터 로터리 머신(150)은 출력 기어(152)가 돌출된 케이싱(151)을 가지고 있다. 도 27에 보이는 바와 같이, 로터리 베어링(154)이 엔진의 각 측면으로부터 뻗어있고, 공기 배기구(153)가 외부 섹터(155)를 관통하고 있다. 편심적으로 장착되어있고 대체로 눈물방울 형상인 다수의 로터(156) 각각은 압축 챔버로부터의 배기 통로(157)를 가지고 있다. 가압된 공기의 흡입을 위하여 출력 기어(152)의 내부에 통로(158)가 형성되어있는 것으로 볼 수 있다. 도 30~32에 보이는 바와 같이, 각각의 로터(156)는 로터리 베어링(154)의 스핀들부 중 하나에 장착되어있고 이 스핀들부는 이어서 베어링(160)에 연결되어있으며, 각각의 기어(160)는 아이들 기어(161)와 맞물리고 이 아이들 기어는 이어서 출력 샤프트(152)를 구동시키기 위한 출력 샤프트 기어(162)와 맞물리고 있다.

도 31에서, 섹터(155)와 함께 회전 밸브(163)가 도시되어있다. 로터리 밸브(163)는 베어링 반구체(164) 내에 장착되어있다. 로터리 밸브(163)는 기어 열(164)을 가지고 있고 로터리 밸브(163)를 로터 내부에 수용하기 위해 섹터(165)가 외부 섹터(155)와 로터(156) 내에 장착되어있다.

도 33은 기어 열(164) 및 스파이더 기어(167)를 가지고 있는 로터리 밸브(163)를 보다 명확히 도시하고 있다. 도 34에서, 균일하게 토크를 분배하여 로터(156)들을 동시에 회전시키는 베벨 기어(160)에 연결되어있는 로터 샤프트(154)가 도시되어있다. 스파이더 기어(168)는 이중 롤 내에서, 로터로부터의 토크를 균일하게 분배하고 그리고 로터리 포트(170)가 회전하여 대응하는 입구 포트와 정렬될 때 에너지를 챔버에 투입시키면서 로터리 포트를 가지고 로터리 밸브를 조정하는 차동 장치 역할을 한다. 도 35에서, 대체로 눈물방울 형상이며, 인접한 제2의 로터(156)의 에지(171)에 대해 원활하게 회전하기 위한 각이 있는 에지(171)를 가지는 하나의 로터(156)가 예시되어있다. 로터는 관통되어있는 배기 포트(157)를 가지고 있다.

양극이 있고 서로 동일한 6개의 로터(156)는 구형으로 적절히 정렬되어 8개의 캐버티를 형성한다. 모든 6개의 로터가 동일한 각속도를 가지고 동일한 각방향로 동시 회전하는 상태로 로터의 양단부에 작동 압력이 고르게 가해진다. 정보 설계 파라미터는 작동 구체의 반경 및 로터(156)의 곡률반경을 포함하고 있다. 고르게 토크를 전달하고 기계의 동기화를 조력하는데에 사용되는 유성 기어 세트가 실시예에 도시되어있다. 이 기어 세트는 필요에 따라 로터(156)의 내부에 형성되거나 또는 외부에 장착될 수 있다.

작동에 있어서, 증기 또는 압축된 공기가 메인 로터 샤프트(152)를 통해 중앙의 구형 챔버 내에 들어간다. 모든 포팅, 배기 및 흡기는 로터가 360도 회전함에 따라 내부의 부품들이 회전하고 그에 따라 포트들이 개방(노출)되거나 폐쇄(감춰짐)됨에 따라 행해진다. 로터의 회전과 함께 조정되어, 유성 기어 세트를 통해 연결된 밸브가 회전하여서, 일을 추출하는 로터 챔버 내로 "연료"가 흐르게 된다. 일이 행해지면, 소모된 연료는 로터의 앞선 단부에서의 개구를 통해 방출되어 로터(156)의 채널(157)을 통해 배출된다. 로터(156)가 회전함에 따라, 채널(157)이 엔진 케이스(151)의 출력 벤트(153)와 정렬된다. 내부의 로터리 밸브 조립체(163)는 로터리 밸브(163) 림의 양 베벨 기어(164) 사이에 놓인 전달 피니언(167) 기어 세트를 사용한다. 전달 피니언 기어(167)는 대향하는 로터로부터 직접 토크를 전달할 수 있다.

5 로터 펌프

도 37, 38a 및 38b에서, 5 로터 펌프(175)는 한 단부에 엔진 커버(177)가 있고 다른 단부에 엔진 몸체 하부 커버(178)가 있는 하우징(176)을 가지고 있다. 매니폴드(180)가 엔진 몸체 커버(177) 상에 장착되어있고 로터리 샤프트(181)가 엔진 몸체 하부 커버(178)로부터 돌출되어있다. 유동 포트(182)가 매니폴드(188)의 각 측면에 있다. 저속 기어(185)가 단부에 각각 장착되어있는 다수의 로터 로브(184)가 도 38a 및 38b에 도시되어있다. 각각의 로브(184)가 로브 샤프트(186)에 장착되어있는 것을 볼 수 있다. 로터 샤프트(181)가 중앙의 드라이브 기어(187)에 부착되어있고 이어서 이 드라이브 기어는 로터리 로브 기어(185)에 연결되어있다. 입구/출구 포트(188)가 엔진 몸체 커버(177)를 관통하여 도 40의 매니폴드(180) 내에 이르는 것을 볼 수 있다. 펌프가 화살표로 나타낸 바와 같이, 입구 포트(182)에 들어가는 공기에 높은 압력을 일으키고, 입구 공기 압력이 상승하여 공기가 출구 포트(183 및 190)를 통해 빠져나간다. 도 43에 보이는 바와 같이, 외부 챔버(192)가 최소 체적 상태인 동시에 내부 챔버(191)가 최대 체적 상태인 것으로 도시되어있다.

도 37~47는 축이 평행한 5-로터 펌프(175)를 도시하고 있다. 편심의 개념은 5-로터 및 6-로터 기계의 장치를 고려할 수 있다. 회전 축의 오프셋은 일을 추출하거나 일을 하는 중앙의 챔버에 대한 표면적이 좀 더 주어지는 로터(184)를 야기한다. 로터(184)의 고유 형상 및 로터 서로에 대한 배향은 로터가 360도에 걸쳐 회전함에 따라 제재의 흡기 또는 배기를 위한 개구가 가공되지 않고도 자연적으로 생성되게 한다.

도시된 실시예가 펌프로 구성되었지만, 기본 기계 원리 및 개념은 연소 기관으로 작동하도록 용이하게 될 수 있다. 평행 5 로브 기계(175)는 (4-행정 또는 2-행정)연소 엔진, 증기 또는 공기압 엔진으로 구성될 수 있다(하지만 이에 한정되지 않는다). 도 39~47은 복동(dual acting) 펌프 구성의 평행 5-로브 기계(175)를 도시하고 있다.

"복동 펌프"는 엔진의 행정이나 사이클의 일부동안 유체를 동시에 퍼내고 흡입하는 펌프를 말한다. 피스톤형 복동 펌프는 피스톤의 한쪽에서 유체를 퍼내는 경우 다른 한쪽에서 유체를 흡입한다. 평행 5 로브 행정은 로브가 유체를 가져오거나 내보내고 있는지를 로브의 여러 위치 및 측면이 결정하는 로브(184)의 회전을 기초로 하고 있다.

도 39 및 40은 평행 5 로브 펌프(175)의 분리 도면 및 평면도이다. 이 분리 도면에는 매니폴드 조립체 아래에 길고 편심적으로 된 평행 로브가 도시되어있다. 매니폴드 조립체에는, 매니폴드의 중앙 둘레에 5각형으로 배열된 5개의 복동 포트(182)와 중앙의 한 포트(180)로 된 6개의 복동 포트가 있다. 평면도에는 유동방향을 나타내는 화살표와 함께 번호로 대략적인 포트들의 위치 전체가 도시되어있다.

펌프를 조사하면 펌프 내 2개의 별도 챔버가 있는 것을 알 수 있다. 한 챔퍼(192)가 로브와 펌프의 외벽 사이에 있고 다른 챔버(191)는 로브가 서로 밀폐된 상태일 때 펌프의 중심 쪽에 있다. 펌프의 사이클 중, 1~5번 포트는 항상 동일한 방향으로 작동될 것이며, 이는 유체가 1~5번 포트를 통해 동시에 펌프(175) 내에 들어오거나 동시에 펌프(175)를 빠져나가는 것을 의미한다. 이에 반하여 6번 포트(190)는 1~5번 포트에 비하여 반대로 작동될 것이다. 매니폴드(180) 내에서 단일방향 밸브가 각각의 포트 위치에서 개폐된다. 예를 들면, 내부 챔버가 유체를 흡입할 때, 입력 밸브는 개방될 것이고 출력 밸브는 자동으로(즉, 압력 제어되어) 닫힐 것이다. 그 후 밸브는 유체를 펌프로부터 유동시키도록 그 위치를 전환할 것이다.

하나의 완전 사이클에 걸친 펌프의 기본 작동은 다음과 같다.

도 41a 및 41b의 상태 #1에서, 로브는 상사점(0도 회전) 상태에 있다.

이러한 상태는 유체가 이동하는 2개의 챔버를 도시하고 있다. 상사점 상태는 로브(184)의 팁에 의해 형성되는 가장 작은 크기의 내부 챔버(181) 영역(펌프의 중앙)을 생성한다. 이 상태에서, 로브의 측면과 펌프 하우징의 측벽 사이(외부 챔버(192))에 유체량이 가장 많은 상태로 내부 챔버(191) 내에는 가장 적은 유체량이 존재한다. 상사점 상태에서, 내부 챔버에서 유체를 밖으로 퍼내는 것이 이제 종료되었고 동시에 외부 챔버에서 유체를 안으로 흡입하는 것이 방금 종료되었다.

도 42a 및 42b의 상태 #2에서, 로브는 출력 행정으로 45도 회전 상태에 있다. 로브(184)가 상사점 상태로부터 회전하기 시작함에 따라, 유체는 외부 챔버 로부터 밀려져서 중앙 내로 흡입된다. 로브의 팁이 이 팁에 인접한 로브의 측면과 접한 채인 이유를 알 수 있다. 이는 내부 챔버(191)와 외부 챔버(192) 사이에 존재하여서 중앙부로 빨아들이는 힘과 바깥쪽으로 밀어내는 힘을 생성하는 시일(seal)이다. 펌프 전체의 캐비티, 내부 챔버 및 외부 챔버는 항상 유체로 가득 차있으며(즉, 공기의 포켓 없음) 항상 동일한 전체 유체 체적을 가지고 있음을 알 수 있다.

5각형 매니폴드의 각 코너부에는 한 쌍의 포트(182)가 형성되어있다. 한 포트는 저장소로부터 펌프 내로 유체를 끌어내도록(흡입하도록) 되어있고 다른 포트는 펌프의 밖으로 유체를 밀어내도록 되어있다. 각 포트의 내부에는 압력 차동 장치를 기반으로 유체를 일방향으로만 흐르게 할 자동 밸브가 있으며, 즉 한 밸브가 펌프 쪽으로 통할 것이고 다른 밸브는 펌프 밖으로 통할 것이다.

펌프 매니폴드의 중앙에 있는 제6 포트(190) 쌍은 코너부의 포트와 동일하게 작동한다. 중앙의 포트는 다른 직경으로 구성되어있다. 포트의 직경은 펌프의 크기, 로브의 기하학적 형상 및 편심량을 기초로 조정되어있다. 5개의 코너부 포트(182) 쌍은 중앙 포트(190) 쌍에 반대로 동시에 작동하고, 출입하는 유동량을 산출할 때 고려되어야만 한다.

도 43a 및 43b에 도시된 상태는 접촉이 해제될 듯한 때인 대략 90도 회전 상태이다.

대략 90도 회전 상태에서, 로브(184)들 간의 접촉 시일이 거의 해제된다. 실제 회전 각도는 로브(184)의 곡률반경이 있는 팁 및, 그에 따른 로브의 측면의 곡률반경에 따라 발생한다. 이 단계에서, 내부 챔버(191)의 유체 체적은 최대이고 외부 챔버의 유체 체적은 최소이다.

이는 펌프의 작동 사이클의 마지막이다. 대략 180도(90에서 270도까지) 회전 동안 로터(184) 간의 접점 연결이 분리되고 두 챔버 사이의 압력이 동등해진다.

도 44a 및 44b에서, 대략 90도에서 270도까지의 회전 상태에서 데드 존(dead zone)이 있다.

로브(184)들이 서로 접하고 있는 상태로부터 로브들이 서로 분리되어 멀어짐에 따라 내부 챔버와 외부 챔버(191, 192)는 하나의 큰 챔버로 합쳐진다. 로브 간의 이러한 "무접촉" 시간 동안, 유체는 펌프의 안팎으로 흐르지 않으므로, 회전 중 데드 존을 초래한다.

전체 사이클에 걸쳐 연속적인 펌프 압력이 있어서 그에 의해 데드 존을 없애도록 펌프 구성에서의 임의의 설계는 5개의 로브를 각각 가진 2개의 펌프를 결합시키고 이 2개의 펌프가 서로 180도 역위상(out of phase)이 되도록 시간 간격을 정할 것이다.

도 45a 및 45b에서, 대략 270도 회전 상태에서 접선 접촉이 다시 일어난다.

데드 존의 마지막에, 로브 간의 접촉이 다시 발생하여서 외부 챔버(192)로부터 내부 챔버를 밀폐시킨다. 이 상태에서, 내부 챔버(191)는 최대 체적 상태인 반면 외부 챔버(192)는 최소 체적 상태이다. 다음으로 조금 회전하는 동안, 펌프의 출력 행정이 시작되고, 유체는 내부 챔버(191) 밖으로 밀려나 외부 챔버(192) 안으로 빨려들어가기 시작할 것이다.

도 46a 및 46b에 도시되어있는 출력 행정은 315도 회전 상태이다.

270도에서 360도까지의 회전에서, 펌프(315)는 내부 챔버(191)로부터 유체를 끌어내 외부 챔버(192) 내로 유체를 흡입한다. 이는 0~90도 회전 상태에서 발생하는 유체 흐름 개요의 반대이다.

요약해서, 펌프는 270도에서 360도(즉, 0도)를 지나 90도까지 작동하고 90도부터 270도까지 공전한다. 0도 상사점에서 내부 챔버(191)가 펌핑 동작에서 흡입동작으로 전환하는 동시에 외부 챔버(192)가 흡입동작에서 펌핑 동작으로 작동하여 복동 특성의 펌프를 얻을 수 있다.

로브의 회전은 펌프 아래의 샤프트로부터 일어난다. 기어 구성은 1대 1로 도시되어있지만 펌프는 필요에 따라 높거나 낮은 기어비를 가질 수 있다.

Claims (22)

1. 로터리 머신에 있어서,

   하우징(101);

   상기 하우징(101) 내에 장착되어있는 다수의 로터 스핀들(108)로서, 상기 로터 스핀들(108)은 가상 원뿔의 면 상에 놓여있는 로터 스핀들의 중심선을 중심으로 회전할 수 있는 상태로 각각 장착되어있고, 한 단부에서 베벨 기어(107)를 각각 가지고 있고, 함께 회전하는 편심형(angled shaped) 로터(110)를 가지고 있는 상기 다수의 로터 스핀들(108); 및

   상기 한 로터 스핀들(108)의 단부에 있는 각각의 기어(107)에 작동가능하게 연결되기 위하여 상기 가상 원뿔의 꼭지점에 위치되어있는 출력 샤프트(119);를 포함하고 있고,

   상기 편심형 로터(110)는 상기 로터(110)의 내측에 압축 챔버를 형성하기 위해 2개의 다른 편심형 로터(110)와 슬라이딩 접선 접촉하도록 각각 위치되어있어,

   상기 다수의 편심형 로터(110)의 회전에 의해 상기 하우징(101) 내의 유체를 주기적으로 압축할 수 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
2. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 상기 편심형 로터(110)는 유체를 상기 압축 챔버 내로 흐르게 하기 위한 유체 입구(114)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
3. 제 2 항에 있어서, 하나 이상의 상기 편심형 로터(110)는 유체를 상기 압축 챔버로부터 흐르게 하기 위한 유체 출구(115)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
4. 제 3 항에 있어서, 상기 하우징(101)은 각각의 상기 로터(110)에 맞는 형상의 내벽(111)을 가지고 있어, 각각의 상기 로터(110)와 상기 내벽(111) 사이의 영역이 한정되는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
5. 제 4 항에 있어서, 하나 이상의 상기 로터 스핀들(108)은 유체가 상기 로터 입구로부터 흐를 수 있도록 관통 통로(103)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
6. 제 5 항에 있어서, 각각의 상기 로터 스핀들(108)은 유체가 흐를 수 있도록 관통 통로를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
7. 제 6 항에 있어서, 각각의 상기 로터(110)는 유체를 상기 하우징 내부로부터 하나의 상기 스핀들 통로(103) 내로 흐르게 하기 위한 입구(115)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
8. 제 6 항에 있어서, 각각의 상기 로터는 유체를 하나의 상기 스핀들 통로(103)로부터 상기 압축 챔버로 흐르게 하기 위한 출구(115)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
9. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 로터 스핀들(108)은, 상기 하우징(101)에 대해 각각의 상기 로터 스핀들(108)을 지지하고 상기 로터 스핀들(108)의 축방향 변위를 제한하기 위한 원뿔형 상부 베어링(112)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
10. 제 1 항에 있어서, 편심형 로터(110)를 각각 가지고 있는, 가상 원뿔의 면 상에 장착되어있는 4개의 로터리 스핀들(108)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
11. 제 1 항에 있어서, 편심형 로터(110)를 각각 가지고 있는, 가상 원뿔의 면 상에 장착되어있는 5개의 로터리 스핀들(108)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(100).
12. 로터리 머신에 있어서,

    하우징(121, 151);

    각각 상기 하우징(121, 151) 내에 장착되어있고, 각각 한 단부에 베벨 기 어(131, 154)를 가지고 있는 다수의 로터리 샤프트(131, 154); 및

    상기 로터리 샤프트(131, 154) 중 하나에 각각 편심적으로 장착되어있어 상기 로터리 샤프트와 함께 회전하는 다수의 로터리 피스톤(128, 156);을 포함하고 있고,

    상기 베벨 기어(131, 154)는 하나 이상의 동기 베벨 기어(136, 161)와 맞물려서 상기 로터리 샤프트 모두를 동기화하고, 상기 로터리 샤프트(131, 154) 중 하나 이상은 입구 통로(103)를 가지고 있고,

    상기 로터리 피스톤(131, 154)은 상기 로터리 피스톤(131, 154)이 회전함에 따라 피스톤들 사이에 행정 챔버를 형성하기 위해 2개 이상의 다른 로터리 피스톤(128, 156)과 슬라이딩 접선 접촉하도록 장착되어있어,

    유체가 로터리 머신 내에서 압축될 수 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
13. 제 12 항에 있어서, 상기 하우징(121, 151)을 관통하여 회전가능하게 부착되어있는 출력 샤프트(122, 152)를 가지고 있고, 상기 출력 샤프트는 각각의 로터리 샤프트 베벨 기어(131, 160)에 맞물리는 베벨 기어(135, 162)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
14. 제 12 항에 있어서, 상기 동기 베벨 기어는 상기 하우징에 부착되어있고 상기 로터리 샤프트(130, 154)를 동기화하기 위하여 상기 로터리 피스톤의 로터리 샤 프트 베벨 기어의 각각에 맞물리는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
15. 제 12 항에 있어서, 각각의 상기 로터리 피스톤의 로터리 샤프트(130, 154)는 모든 다른 로터리 피스톤의 로터리 샤프트(130, 154)에 대해 비스듬히 반경방향으로 위치되어있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
16. 제 12 항에 있어서, 각각의 상기 로터리 피스톤(128, 156)은 2개 이상의 다른 로터리 피스톤(128, 156)과 맞물려 회전하는 소정의 구형 세그먼트인 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
17. 제 16 항에 있어서, 각각 하나의 상기 로터리 샤프트(130, 154)에 편심적으로 장착되어있는 6개의 구형 로터리 피스톤(128, 156)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
18. 제 17 항에 있어서, 각각의 구형 로터리 피스톤(128, 156)은 회전에 의해 통로(140, 157)를 개방시키거나 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
19. 제 16 항에 있어서, 각각의 상기 구형 피스톤(128, 156)은 구형 세그먼트에 편심적으로 장착되어있는 대체로 눈물방울 형상인 것을 특징으로 하는 로터리 머 신(120, 150).
20. 제 19 항에 있어서, 중앙의 연소 챔버를 형성하는 대체로 눈물방울 형상인 5개의 로터리 피스톤(128, 156)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 로터리 머신(120, 150).
21. 로터리 펌프(175)에 있어서,

    유체 입구와 출구(188)를 가지고 있는 펌프 하우징(176);

    상기 하우징(176)에 작동가능하게 부착되어있고 입구의 유체 및 가압되는 출구의 유체를 분배하기 위해 상기 유체 입구와 출구(188)에 연결되어있는 공기 분배 매니폴드(180); 및

    상기 하우징(176) 내에 서로 평행하게 회전가능하게 장착되어있고 각각 편심적으로 장착되어있는 로브(184)를 가지고 있는 다수의 샤프트(186);를 포함하고 있고,

    상기 각각의 로브(184)는 로브들 사이에 압축 챔버를 형성하기 위해 회전 행정의 일부 동안 2개의 인접한 로브(184)와 슬라이딩 접선 접촉하도록 배치되어있어,

    로터리 펌프(175)가 서로 슬라이딩 접선 접촉하는 다수의 회전 편심 로브(184)의 회전에 의해 유체의 압력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 로터리 펌프(175).
22. 제 21 항에 있어서, 편심적으로 장착되어있는 5개의 로브(184)를 지지하는 5개의 로터리 샤프트(186)를 가지고 있고, 상기 로브는 각각 2개의 인접한 로브와 롤링 접촉하여 로브(184)들 사이에 압축 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 로터리 펌프(175).

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