KR20080032660A - 준 등온 브레이튼 사이클 엔진용 지로터 장치 - Google Patents

준 등온 브레이튼 사이클 엔진용 지로터 장치

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KR20080032660A
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마크 티. 홀츠애플
앤드류 래브로커
린든 아처
킬 로스
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더 텍사스 에이 & 엠 유니버시티 시스템
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 지로터 장치는, 외부 지로터 챔버를 갖는 외부 지로터와, 적어도 그 일부가 외부 지로터 챔버 내에 배치되는 내부 지로터와, 외부 지로터에 대해 내부 지로터의 회전을 제어하게 작동 가능한 동기 장치를 포함한다. 내부 지로터는 외부 지로터 챔버로 윤활제를 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 진입 통로를 포함한다.

Description

준 등온 브레이튼 사이클 엔진용 지로터 장치 {GEROTOR APPARATUS FOR A QUASI-ISOTHERMAL BRAYTON CYCLE ENGINE}
본 발명은 압축기 또는 팽창기로서 기능하는 지로터 장치에 관한 것이다. 지로터 장치는 브레이튼 사이클 엔진, 특히 준 등온 브레이튼 사이클에 통상 채용될 수 있다.
자동차 또는 트럭 등의 자동차 응용예에 있어서, 이하 특성, 즉 열 교환기에 대한 필요성을 감소시키는 내부 연소, 향상된 효율을 위한 완전 팽창, 등온 압축 및 팽창, 고 동력 밀도, 고효율을 위한 고온 팽창, 부분 부하 상태를 위해 엔진을 효율적으로 "스로틀(throttle)"하는 능력, 높은 턴-다운비(즉, 속도 및 토크의 넓은 범위에서 작동하는 능력), 적은 오염, 자동차 산업에 잘 알려진 표준 부품의 사용, 다중 연료 능력, 및 재생 제동 특성을 갖는 열 기관을 이용하는 것이 통상 바람직하다.
각각이 자신의 특성 및 사이클을 갖는 여러 유형의 열 기관이 현재 존재한다. 이들 열 기관은 오토 사이클 엔진(Otto cycle engine), 디젤 사이클 엔진(Diesel Cycle engine), 랜킨 사이클 엔진(Rankine Cycle engine), 스털링 사이클 엔진(Stirling Cycle engine), 에릭슨 사이클 엔진(Erickson Cycle engine), 카르노 사이클 엔진(Carnot Cycle engine) 및 브레이튼 사이클 엔진(Brayton Cycle engine)을 포함한다. 이하에는 각 엔진에 대해 간단히 설명된다.
오토 사이클 엔진은 상당히 낮은 효율을 갖고 저렴하고 저압축 내연 기관이다. 이 엔진은 동력 자동차에 널리 이용된다.
디젤 사이클 엔진은 동력 트럭 및 기차에 널리 이용되는 높은 효율을 갖고 중간 정도의 가격이고 고압축 내연 기관이다.
랜킨 사이클 엔진은 전력 설비에 통상 이용되는 외연 기관이다. 물은 가장 일반적인 작동 유체이다.
에릭슨 사이클 엔진은 일정 압력 열 전달로 인한 등온 압축 및 팽창을 이용한다. 이는 외연 또는 내연 사이클로서 실행될 수 있다. 실제, 완벽한 에릭스 사이클은 등온 팽창 및 압축이 큰 산업 장비에서 용이하게 얻어지지 않기 때문에 달성하기 어렵다.
카르노 사이클 엔진은 등온 압축 및 팽창과, 단열 압축 및 팽창을 이용한다. 카르노 사이클은 외연 또는 내연 사이클로서 실행될 수 있다. 이는 낮은 동력 밀도, 기계 복잡성, 일정 온도 압축기 및 팽창기를 달성하는데 어려운 특성을 갖는다.
스털링 사이클 엔진은 일정 부피 열 전달로 인한 등온 압축 및 팽창을 이용한다. 외연 사이클로서 거의 항상 실행된다. 카르노 사이클보다 큰 동력 밀도를 갖지만, 열 교환을 수행하기가 어려우며, 일정 온도 압축 및 팽창을 달성하기가 어렵다.
스털링, 에릭슨 및 카르노 사이클은 등온 팽창 중에는 열이 균일한 고온(Thot)에서 전달되고 등온 압축 중에는 균일한 저온(Tcold)에서 방출되기 때문에 성질이 허용하는 한 효율적이다. 이들 3개의 사이클의 최대 효율(ηmax)은
이다. 이 효율은 엔진이 마찰이 없고 온도 또는 압력 기울기가 없는 것을 의미하는 "가역(reversible)"일 때만 얻어진다. 실제로는, 실제 엔진은 마찰 및 온도/압력 기울기와 관련된 "비가역성(irreversibility)" 또는 손실을 가진다.
브레이튼 사이클 엔진은 통상 터빈과 함께 실행되고 동력 항공기 및 몇몇의 전력 설비에 통상 이용되는 내연 기관이다. 브레이튼 사이클은 매우 높은 동력 밀도를 특징으로 하며, 통상적으로 열 교환기를 이용하지 않으며, 다른 사이클보다 낮은 효율을 갖는다. 그러나, 재생기가 브레이튼 사이클에 추가될 때, 사이클 효율은 증가한다. 전형적으로, 브레이튼 사이클은 축방향 유동의 다중 스테이지 압축기 및 팽창기를 이용하여 실행된다. 이들 장치는 항공기가 매우 일정한 속도로 작동하는 항공기에 통상적으로 적절하며, 크게 변하는 속도에 걸쳐 작동하여야 하는 자동차, 버스, 트럭 및 기차 등의 대부분의 교통 수단 적용예에 통상적으로 적절하지 않다.
오토 사이클, 디젤 사이클, 브레이튼 사이클 및 랜킨 사이클 모두는 등온 압축 및 팽창 단계를 이용하지 않기 때문에 최대보다 작은 효율을 갖는다. 또한, 오토 및 디젤 사이클 엔진은 고압 기체를 완전히 팽창시키지 않고 폐기체를 대기로 간단히 스로틀하기 때문에 효율이 감소한다.
브레이튼 사이클 엔진의 비용뿐만 아니라, 치수 및 복잡성을 감소하는 것이 중요하다. 또한, 브레이튼 사이클 엔진 및/또는 그의 부품의 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 브레이튼 사이클 엔진의 제조자는 브레이튼 사이클 엔진을 생산하는 보다 우수하고 경제적인 방식을 끊임없이 찾고 있다.
본 발명의 목적은 브레이튼 사이클 엔진을 생산하는데 있어서 우수하고 경제적인 방식을 찾고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 지로터 장치는 하우징과, 하우징 내에 배치된 외부 지로터와, 외부 지로터 내에 배치된 내부 지로터와, 외부 지로터의 단부와 인접하여 위치 설정된 제1 표면을 갖는 하우징에 고정 결합된 밸브 플레이트를 포함한다. 이 지로터 장치는 그 적용과 사용에 따라 많은 상이한 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 밸브 플레이트는 입구 포트, 지로터 장치의 압축비를 제어하도록 배기 포트 및 입구 포트 또는 배기 포트와 활주 가능하게 결합되는 압축 제어 요소를 포함할 수 있다.
다른 예로서, 지로터 장치는 외부 지로터의 일단부와 밸브 플레이트의 표면 사이의 간극을 감지하도록 밸브 플레이트에 결합된 근접 센서와, 외부 지로터의 단부와 밸브 플레이트 사이의 간극을 조정하기 위한 수단을 포함한다. 또한, 지로터 장치는 밸브 플레이트의 제1 표면의 주연부 둘레에 배치되는 실링 링과, 윤활제 내로의 기체의 누출을 제어하도록 실링 링과 외부 지로터의 단부 사이의 간극을 제어하도록 작동 가능한 작동 시스템을 포함한다.
다른 예로서, 지로터 장치는 외부 지로터에 고정 결합되고 내부에 형성된 원형 구멍을 갖는 시일 플레이트와, 시일 플레이트의 원형 구멍 내에 배치되고 내부에 형성된 원형 구멍을 갖는 시일 플러그와, 시일 플러그의 원형 구멍 내에 배치되는 제1 베어링을 갖는다. 제1 베어링은 외부 지로터를 지지한다.
다른 예로서, 지로터 장치는 외부 또는 내부에 있는 외부 및 내부 지로터를 구동하도록 작동 가능한 기어링 시스템을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기어 하우징은 내부 지로터 내에 배치되며, 외부 지로터의 회전을 내부 지로터의 회전과 동기화하도록 작동 가능한 적어도 하나의 기어를 수납한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 지로터 장치는 외부 지로터 챔버를 갖는 외부 지로터와, 적어도 일부가 외부 지로터 챔버 내에 배치되는 내부 지로터와, 외부 지로터에 대한 내부 지로터의 회전을 제어하도록 작동 가능한 동기 장치를 포함한다. 내부 지로터는 외부 지로터 챔버 내로 윤활제를 연통시키도록 작동 가능한 하나 이상의 진입 통로를 포함한다.
본 발명의 실시예는 다수의 기술적 장점을 제공한다. 본 발명의 실시예는 이들 장점의 모두 또는 일부를 포함하거나 전혀 포함하지 않을 수 있다. 하나의 기술적 장점은 보다 간단한 기체 유동 경로, 베어링 상의 보다 적은 부하, 보다 작은 동력 소비를 갖는, 보다 소형이고 경량인 브레이튼 사이클 엔진이다. 몇몇의 실시예는 상기 브레이튼 사이클 엔진보다 더 적은 부품을 갖는다. 다른 장점은 본 발명의 몇몇 실시예가 간극으로부터의 누설을 조정하기 위한 보다 간단한 방법을 도입한 것이다. 부가적인 장점은 오일 경로가 기체로부터 오일로의 열 전달을 방지하는 고압 기체로부터 완전히 분리되는 것이다. 다른 장점은 내부 지로터와 외부 지로터 사이의 정밀한 정렬이 단일 부품(예를 들어, 고정 샤프트)을 통해 달성될 수 있다는 것이다. 다른 장점은 본 명세서에 개시된 구동 기구가 작은 백래시 및 적은 마모를 갖는 것이다.
다른 기술적 장점은 이하의 도면, 상세한 설명 및 청구의 범위로부터 당해 분야의 숙련자에게 용이하게 명백하다.
본 발명의 더욱 완전한 이해와 다른 장점 및 특징을 위해, 첨부된 도면과 함께 후속하는 상세한 설명에 도면 부호가 부여되었다.
도1 및 도2는 모두 준-등온 브레이튼 사이클 엔진의 다양한 실시예의 블록 다이어그램을 도시한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링 하중식 시일을 사용하는 작은 직경의 지로터 장치를 도시한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 내경에 스프링 하중식 시일을 사용하고 외경에 실링 링을 사용하는 중간 직경의 지로터 장치를 도시한다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따라 내경에 스프링 하중식 시일을 사용하고 중경 및 외경에 실링 링을 사용하는 큰 직경의 지로터 장치를 도시한다.
도6a는 원형의 스프링 하중식 면 시일의 일 실시예를 도시한다.
도6b는 지로터 형상의 스프링 하중식 면 시일을 도시한다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링 링을 도시한다.
도8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 지로터 치의 외부면 상의 세라믹 코팅을 도시한다.
도8b는 금속으로 형성된 지로터 치에 세라믹 코팅을 인가하는 다른 실시예를 도시한다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 면 플레이트 상에서 슬라이더를 사용하여 지로터 압축기의 압축비를 제어하는 시스템을 도시한다.
도10 내지 도46은 준-등온 브레이튼 사이클 엔진의 지로터 장치의 다양한 실시예를 도시한다.
도47은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 지로터를 가로지르는 압력의 균형을 맞추는 방법을 도시한다.
도48 내지 도52는 준-등온 브레이튼 사이클 엔진의 지로터 장치의 다양한 실시예를 도시한다.
도53a 및 도53b는 백래시 방지(anti-backlash) 기어 시스템의 측면도와 평면도를 각각 도시한다.
도54 내지 도58은 내부 지로터와 외부 지로터 사이의 마찰을 감소시키는 윤활제를 포함하는 지로터 장치의 다양한 실시예를 도시한다.
도59 내지 도63은 정렬 가이드 및 정렬 부재를 포함하는 지로터 장치의 다양한 실시예를 도시한다.
도64a 및 도64b는 하이포사이클로이드 형상을 갖는 내부 지로터를 도시한다.
도65a 및 도65b는 에피사이클로이드 형상을 갖는 내부 지로터를 도시한다.
도66 내지 도69는 일체형 지로터 압축기와 지로터 팽창기를 가지는 엔진 시스템의 다양한 실시예를 도시한다.
도70 내지 도79는 기체가 외부 지로터의 외주연부를 통해 이동하도록 하는 개구부를 포함하는 외부 지로터를 가지는 지로터 장치를 포함하는 엔진 시스템의 다양한 실시예를 도시한다.
도80 내지 도83은 지로터 장치를 제조하는 다양한 방법을 도시한다.
도84 내지 도87은 지로터 장치와 일체된 전기 모터 또는 발전기를 포함하는 지로터 장치를 제조하는 다양한 방법을 도시한다.
도88 내지 도91은 지로터 장치의 외부 지로터 또는 내부 지로터에서 정렬 트랙 패턴을 생성하는 방법을 도시한다.
도92는 본 발명에 따라 압축기와 팽창기가 구동 장치로부터 분리 클러치되어 있고, 압축기, 팽창기, 일 이상의 추가 압축기 및/또는 팽창기, 및 구동 장치를 포함하는 엔진 시스템을 도시한다.
도93 및 도94는 외부 지로터, 내부 지로터, 상기 외부 지로터 및 내부 지로터의 상대적인 회전을 동기화하도록 작동 가능한 동기 시스템을 포함하는 지로터 장치의 예시적 실시예들을 도시한다.
도95는 기체가 중심 샤프트의 개구부를 통해 지로터 장치 안팎으로 유동할 수 있는 지로터 장치를 도시한다.
도96 내지 도101은 준-등온 브레이튼 사이클 엔진의 지로터 장치의 다양한 실시예들을 도시한다.
다음의 도1 내지 도101은 본 발명의 교시 내에 있는 지로터 장치의 예시적 실시예들을 도시한다. 일반적으로, 후속하는 상세한 설명은 지로터 압축기와의 관계에서 사용되는 바와 같은 지로터 장치를 기술하지만, 후속하는 지로터 장치는 지로터 팽창기 또는 다른 적합한 지로터 장치와 동등하게 기능할 수 있다. 또한, 본 발명은 아래에서 기술되는 지로터 장치가 임의의 적합한 장치에서 사용될 수 있는 것으로 의도된 것이지만, 아래에서 기술되는 지로터 장치는 2002년 1월 8일 등록되어 텍사스 에이 & 엠 유니버시티 시스템(Texas A & M University System)에게 허여된 미국 특허 제6,336,317호("317 특허")에서 기술된 것과 같은 준-등온 브레이튼 사이클에서 특히 적합하다. 여기서 참조되어 합체되는 '317 특허는 지로터 압축기 및/또는 지로터 팽창기의 일반적 작동을 기술한다. 따라서, 아래에서 기술되는 지로터 장치의 작동은 상세히 기술되지 않는다.
여기서 기술된 지로터 장치가 사용될 수 있는 적용예는 도1 및 도2에 도시되어 있다. 도1 및 도2 모두는 준-등온 브레이튼 사이클 엔진의 블록 다이어그램을 도시한다. 도1은 단일 샤프트 장치의 2가지 실시예를 도시하고, 도2는 분리된 샤프트 장치의 2가지 실시예를 도시한다. 도1을 참조하면, 주위 공기(400)는 압축기(402)에 수용되고 압축된다. 그 다음 압축된 공기는 배기 기체(406)로부터의 열 에너지를 사용하여 열 교환기(404)에서 대향류식으로 가열된다. 연소기(408)에서, 연료(410)는 예열된 공기로 유입되고 점화된다. 발전기(414)로 표시된 바와 같이, 고압 연소 기체는 일(work)이 생산되는 팽창기(412)로 유동한다. 공기가 팽창기(412)에서 팽창한 다음, 더운 공기는 열 교환기(404)를 통해 유동하고 압축기(402)로부터 유동된 공기를 연소기(408)에 도달하기 전에 예열한다. 그 공기는 배기 기체(406)로서 열 교환기(404)를 벗어난다. 압축기(402)에 대한 일 요소 량을 최소화하기 위해, 원자화된 액체 워터는 주위 공기(400)로 분사되어서, 압축기(402)의 압축 중에 주위 공기(400)를 냉각할 수 있다. 압축기(402)로부터의 출구 온도는 입구 온도와 거의 같다. 따라서, 압축은 "준-등온"이라고 생각된다. 도2가 분리된 샤프트 장치를 용이하게 하기 위해 클러치와 기어를 포함한다는 것을 제외하면, 도1에서 기술된 작동은 사실상 도2의 블록 다이어그램과 유사하다.
본 발명의 실시예는 단순한 기체 유동 경로, 베어링 상의 작은 하중, 및 작은 전력 소비를 가지는 지로터 압축기 또는 팽창기의 보다 소형이고 저중량 설계와 같은 많은 기술적 장점을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 몇몇 실시예들은 간극으로부터의 누설을 통제하는 보다 단순한 방법을 도입하고, 내부 및 외부 지로터 사이의 정밀한 배열을 제공하며, 작은 백래시 및 낮은 마모를 갖는 구동 기구를 도입한다. 이러한 기술적 장점은 다음에서 기술되는 실시예의 전부, 일부에 의해서 얻어질 수 있다.
도3 내지 도5는 지로터 장치(1a)의 다양한 실시예를 도시한다. 도3은 비교적 작은 직경의 지로터 장치를 도시하고, 도4는 비교적 중간 직경의 지로터 장치를 도시하며, 도5는 비교적 큰 직경의 지로터 장치를 도시한다. 지로터 장치(1a)는 하우징(2a)과, 하우징(2a) 내에 배치된 외부 지로터(4a)와, 외부 지로터(4a) 내에 배치된 내부 지로터(6a)를 포함한다. 또한, 밸브 플레이트(8)는 하우징(2a)에 고정 결합되고, 외부 지로터(4a)의 단부에 인접하여 위치된 제1 표면(9)을 포함한다. 외부 지로터(4a)는 베어링(10)에 의해 하우징(2a)의 상부에서 외팔보식 결합되어 있어서, 외부 지로터(4a)가 하우징(2a)에 회전 가능하게 결합된다. 베어링(12)은 또한 외부 지로터(4a)를 지지한다. 베어링(12)은 그 하단부에서 밸브 플레이트(8)에 고정 결합되어 있고 그 상단부에서 베어링(12)에 의해 외부 지로터(4a)에 회전 가능하게 결합되어 있는 샤프트(14)에 결합된다. 내부 지로터(6a)는 베어링(18)으로 샤프트(14)에 회전 가능하게 결합되어 있다. 내부 지로터(6a)는 거기에 결합된 내부 기어(20)를 포함하는데, 그 내부 기어는 외부 지로터(4a) 상의 외부 기어(22)와 연동한다. 내부 기어(20)는 베어링(24)을 통해 샤프트(14)에 회전 가능하게 결합된다.
통상적으로, (화살표(26)로 표시된 바와 같이) 샤프트(16)의 회전은 하우징(2a) 내에서 외부 지로터(4a)를 회전시킨다. 외부 지로터(4a)의 회전은 외부 기어(22) 및 내부 기어(20)를 통해 내부 지로터(6a)의 회전을 유발한다. 도3 내지 도5에 도시된 실시예들은 지로터 장치(1a)를 팽창기로서 도시하고 있기 때문에, 고압 공기는 30으로 표시된 바와 같이, 기체 입구(28)를 통해 내부 지로터(6a)와 외부 지로터(4a) 사이에 배치된 챔버(29) 안쪽으로 지로터 장치(1a)로 들어가서 마침내 (정확히 도시되지 않은) 기체 출구를 벗어난다. 베어링 및 기어와 결합된 이동 부품으로 인해, 오일 또는 다른 적절한 윤활제가 지로터 장치(1a)의 적절한 부분을 통해 순환된다. 도면 부호 32로 지시된 바와 같이, 오일은 지로터 장치(1a) 내부로 순환될 수 있다. 오일은 베어링(24)뿐만 아니라 기어(20, 22)를 윤활시키기 위해 기어 챔버(34) 내부로 베어링(18)을 거쳐 작동된다. 원심력으로 인해, 냉각제는 도면 부호 36에 지시된 바와 같이, 기어 챔버(34)의 외주연부 상에 위치될 것이다. 딥 튜브(38) 또는 다른 적절한 장치는 도면 부호 40에 지시된 바와 같이, 출구 포트를 빠져나갈 수 있도록 외부 지로터(4)의 벽을 통해 오일을 역으로 아래로 전달한다.
임의의 오일이 챔버(29) 내에 함유된 기체로 누설되는 것을 방지하기 위해, 시일이 종종 이용된다. 도3에 도시된 실시예에서, 스프링 하중식 시일(42)이 이용된다. 스프링 하중식 시일(42)은 흑연 또는 일부 다른 저마찰 고형체로 제조된 표준 면 시일 등의 임의의 적절한 스프링 하중식 시일일 수 있다. 면 시일은 챔버(29)내에 함유된 기체 내부로 오일 또는 다른 윤활제의 누설을 감소시킨다. 도3에 도시된 바와 같이, 내부 지로터(6a)와 외부 지로터(4a) 사이에, 내부 지로터(6a)와 밸브 플레이트(8)의 표면(9)사이에, 그리고 외부 지로터(4a)와 밸브 플레이트(8)의 표면(9) 사이에 스프링 하중식 시일(42)이 이용된다. 스프링 하중식 시일(42)은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있으며, 두 개의 예시적인 형상이 도6a 및 도6b에 도시되어 있다.
원형의 스프링 하중식 시일(42)이 도6a에 도시되어 있으며, 지로터 형상의 스프링 하중식 시일(42)이 도6b에 도시되어 있다. 지로터 형상의 스프링 하중식 시일은 내부 지로터(6a)와 외부 지로터(4a)사이, 그리고 내부 지로터(6a)와 밸브 플레이트(8)의 표면(9)사이 등의, 표면 속도가 비교적 낮은 곳에 이용될 수 있다. 원형 스프링 하중식 시일은 지로터 장치(1a)의 중심부로부터 그 거리 상에 기초하여 보다 큰 표면 속도를 경험한, 밸브 플레이트(8)의 표면(9)과 외부 지로터(4a) 사이에 이용되는 것에 추가로 이러한 장소 내에서 원형의 스프링 하중식 시일이 이용될 수 있다. 도3에서의 지로터 장치(1a)는 비교적 작은 직경의 지로터 장치이므로, 스프링 하중식 시일(42)은 표면 속도가 보다 높은 경우에 이용될 수 있다. 그러나, 지로터 장치(1a)의 직경이 증가됨에 따라, 스프링 하중식 시일(42)은 적절한 실링을 제공하기에 충분하지 못할 수 있다. 이러한 경우에, 상이한 형태의 실링 시스템이 요구될 수 있다.
도4 및 도5는 표면 속도가 지로터 장치(1a) 내에서 높은 경우에 이용될 수 있는 실링 링(44)을 도시하고 있다. 실링 링(44)의 상세 설명은 도7과 관련하여 하기에 기술되어질 것이다. 일 실시예에서, 실링 링(44)은 밸브 플레이트(8)와 결합되어 있으나, 다른 실시예에서는 실링 링(44)이 다른 적합한 위치 내에 위치될 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 링(44)과 결합될 수 있는 작동 시스템(45)을 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, 작동 시스템(45)은 실링 링(44), 공기 공급원(47), 열선 유속계(48), 제어기(49) 및 액츄에이터(50)를 포함한다.
실링 링(44)은 임의의 적절한 형상일 수 있으며, 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 실링 링(44)은 금속으로 형성된 대체로 원형의 시일이다. 실링 링(44)은 내부에 형성된 복수개의 개구(51)를 갖는다. 임의의 적절한 수의 개구(51)가 이용될 수 있으며, 임의의 적절한 방식으로 실링 링(44) 둘레에서 이격될 수 있다. 개구(51)는 임의의 적절한 도관(52)을 거쳐 공기 공급원(47)에 결합될 수 있다. 공기 공급원(47)은 도관(52)을 통해, 개구(51)를 통해, 이러한 경우 외부 지로터(4a)의 단부로 여겨질 수 있는 회전 표면(46)과 실링 링(44) 사이에서 존재하는 간극(53) 내부로 공기 또는 다른 적절한 기체를 배출하도록 작동된다. 간극(53)을 제어하기 위해, 임의의 적절한 유동 측정 장치일 수 있는 열선 유속계(48)는 간극(53)으로 배출될 공기의 속도를 측정한다. 열선 유속계(48)는 제어기(49)에 결합되어 제어기(49)가 회전면(46)을 향하거나 이로부터 멀리 떨어지는 실링 링(44)을 이동시키기 위해 액츄에이터(50)를 제어할 수 있도록 제어기(49)에 측정된 속도를 전송한다. 제어기(49)는 액츄에이터(50)를 활성화시키기 위해 작동 가능한 임의의 적절한 제어기일 수 있으며, 액츄에이터(50)는 실링 링(44)을 이동시키기 위해 작동 가능한 임의의 적절한 액츄에이터일 수 있다. 간극(53)은 압축되거나 또는 팽창되는 기체 내부로 오일 도는 다른 윤활제의 임의의 누설을 최소화하기 위해 비교적 작은 것이 바람직하다. 작동 시스템(45)은 간극(53)을 제어하기 위해 이용될 수 있는 작동 시스템의 유일한 일 예이다. 본 발명은 간극(53)을 제어하기에 적절한 다른 작동 시스템을 고려한다.
내부 지로터(6a)의 치와 외부 지로터(4a)의 내부면 사이에 간극을 제어하는 것이 또한 중요하다. 도8a는 내부 지로터(6a)의 치(55)의 외부면에 도포된 세라믹 코팅(54)의 일 실시예를 도시하고 있다. 낮은 열팽창 계수를 갖는 세라믹 이외의 재료는 내부 지로터(6a)의 치 상에 이용될 수 있다. 낮은 열팽창 계수는 대략 2 x 10-6 m/(m·k)으로 여겨진다. 세라믹 코팅(54)은 임의의 적절한 방식으로 내부 지로터의 치에 결합될 수 있다. 도시된 실시예에서, 세라믹 코팅(54)은 노브(56)에 의해 제 위치에 고정된다. 또한, 세라믹 코팅(54)은 상이한 열 팽창의 코팅(54) 및 내부 지로터(6a)에 이용되는 재료로 하기 위해 (도시된 바와 같이) 분할될 수 있다.
도8b는 내부 지로터(6a)의 치에 세라믹 코팅(54)을 부착하기 위한 상이한 실시예를 도시한다. 본 실시예에서. 세라믹 코팅(54)은 치형을 형성하는 동시에 내부 지로터(6a)의 부피는 이에 세라믹 코팅(54)을 결합시키는 돌출부(57)를 갖는다. 다른 실시예에서, 전체 내부 지로터(6a)는 낮은 열 팽창 계수를 갖는 세라믹 재료 또는 다른 적절한 재료로부터 형성될 수 있다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 플레이트(8)와 압축 제어 요소(58)를 이용한 지로터 장치(1a)의 압축비를 제어하기 위한 시스템을 도시한다. 도9에 도시된 바와 같이, 압축 제어 요소(58)는 밸브 플레이트(8)의 기체 출구(30)와 결합되어 있다. 또한 밸브 플레이트(8)의 기체 입구(28)가 도시되어 있다. 도3 내지 도5와 결합하여 전술한 바와 같이, 공기 또는 다른 적정한 기체는 기체 입구(28)를 통해 지로터 장치(1a)로 진입되며 기체 출구(30)를 통해 지로터 장치(1a)의 외부로 결국 방출된다. 기체 입구(28) 및 기체 출구(30)의 형상 및 크기는 지로터 장치(1a)의 효율 및 작동을 최적화하기 위해 밸브 플레이트(8) 내에 형성될 수 있다. 그러나, 도시된 실시예에서, 기체 출구(30)의 형상 및 크기는 압축 제어 요소(58)에 의해 변경될 수 있다. 예를 들어, 압축 제어 요소(58)는 임의의 적절한 방식으로 밸브 플레이트(8)와 활주식으로 맞물릴 수 있다. 이는 압축 제어 요소(58)가 기체 출구(30) 내의 그 위치 상에 기초하여 지로터 장치(1a)의 압축비를 제어하도록 한다. 상부 도면에 도시된 바와 같이, 기체 출구(30)는 하부 도면에서의 기체 출구(30)보다 더 큰 영역을 가지며, 이는 하부 도면에서 기체 출구(30)를 통해 기체 방출 지로터 장치(1a)가 상부 도면에서 지로터 장치(1a)의 외부로 유동하는 기체 보다 더 압축됨을 의미한다.
도10 내지 도15는 지로터 장치(1b)의 다양한 실시예를 도시한다. 도10을 참조하면, 지로터 장치(1b)는 하우징(2b), 하우징(2b) 내에 배치된 외부 지로터(4b) 및 외부 지로터(4b) 내에 배치된 내부 지로터(6b)를 포함한다. 지로터 장치(1b)는 또한 제1 단부에서 하우징(2b)에 고정 결합된 내부 샤프트(60), 베어링(63, 64)을 경유하여 내부 샤프트(60)에 회전 결합된 중공 샤프트(62) 및 내부 샤프트(60)의 제2 단부에 결합된 오프셋 지지 플레이트(65)를 포함한다. 내부 지로터(6b)는 중공 샤프트(62)에 고정 결합되고, 내부 기어(66)가 중공 샤프트(62)의 단부에 고정 결합된다. 내부 기어(66)는 외부 지로터(4b)에 결합된 외부 기어(67)와 연동한다. 외부 지로터(4b)는 베어링(68)을 경유하여 오프셋 지지 플레이트(65)에 회전 결합되고 또한 베어링(69, 70)을 경유하여 회전 샤프트(71)를 통해 하우징(2b)의 단부에 회전 결합된다. 일반적으로, 회전 샤프트(71)가 회전할 때, 이는 외부 지로터(4b)를 회전시키고, 이는 기어(66, 67)를 경유하여 내부 지로터(6b)를 회전시킨다.
시일 플레이트(72)가 또한 외부 지로터(4b)에 결합된다. 시일 플레이트(72)는 내부에 형성된 동심 배치 원형 구멍을 갖는다. 시일 플러그(73)가 베어링(74)에 의해 시일 플레이트(72)에 형성된 구멍 내에 위치 설정된다. 시일 플러그(73)는 내부에 형성된 편심 배치 원형 구멍(75)을 갖는다. 구멍(75)은 중공 샤프트(62)와 동심이다. 시일 플러그(73)는 또한 베어링(76)을 경유하여 중공 샤프트(62)에 회전 결합된다. 도시된 실시예에서, 시일 플러그(73)를 회전 가능하게 장착하기 위해 사용되는 양 베어링(74, 76)은 "연성 장착(soft mounted)"된다, 즉 이들은 반경방향으로는 유연하지만 축방향으로는 경직한 방식으로 시일 플레이트(72) 및 중공 샤프트(62)에 장착된다. 이는 무엇보다도 오정렬에 기인하여 베어링(74, 76)에 과잉의 힘이 인가되는 것을 방지한다. 시일 플러그(73)는 베어링(74, 76)과 함께 또한 "외팔보(cantilevering)" 효과의 몇몇을 감소시키도록 외부 지로터(4b)를 위한 부가의 지지를 제공한다.
외부 지로터(4b)는 외팔보 방식으로 장착되기 때문에, 베어링(69, 70)이 매우 높은 하중을 받게될 수 있고, 이는 이들의 수명을 단축시킬 수도 있다. 이 효과를 최소화하기 위해, 베어링(69, 70)은 외부 지로터(4b)의 외부 표면의 부분에 고압 기체를 인가함으로써 실질적으로 하중 제거될 수도 있다. 임의의 적합한 압축 공기 공급원(77)이 이용되고 가압 공기가 하우징(2b)의 주연부에 형성된 임의의 적합한 포트(78)를 경유하여 하우징(2b)에 진입한다. 베어링(69, 70) 상의 부하는 내부 표면에 작용하는 고압 기체를 갖는 외부 지로터(4b)의 부분으로부터 도래하는 반경방향 힘을 초래한다. 이들 하중은 외부 지로터(4b)의 내부 상의 고압 기체에 대향하는 외부 지로터(4b)의 외부 표면의 부분 내로 고압 공기(77)를 인가함으로써 실질적으로 감소될 수도 있다. 이 천연 기체 공급원(77)은 압축기에 의해 생성된 고압 기체일 수 있다. 이는 두 개의 반동 압력이 과도기 동안 실질적으로 동일한 것을 보장한다.
지로터 장치(1b)의 고압 구역으로부터 저압 구역으로의 기체 누설은 다양한 부품들 사이의 간극을 신중히 제어함으로써 감소될 수도 있다. 간극은 두 개의 작용, 즉 원심력 및 열 성장으로부터 변화될 수도 있다. 원심력은 반경방향에서만 영향을 미치므로, 이들은 지로터 팁에서 간극을 통한 누설에 영향을 준다. 이는 각각의 부품이 동등하게 유연해지게 하여 이들 모두가 함께 팽창하도록 하는 내부 지로터(6b) 및 외부 지로터(4b) 내의 구멍 패턴을 사용함으로써 최소화될 수도 있다. 열 성장은 내부 지로터(6b)와 외부 지로터(4b)가 실질적으로 동일한 온도가 되는 것을 보장함으로써 조절될 수도 있다. 내부 지로터(6b) 및 외부 지로터(4b)의 작업 표면은 작업 기체와 실질적으로 동일한 온도를 경험한다. 외부 지로터(4b)의 외부 표면은 하우징(2b)에 의해 냉각되고, 내부 지로터(6b)의 내부 표면은 유동 윤활유에 의해 냉각된다. 오일 온도를 제어함으로써, 두 개의 부품의 온도가 일치될 수도 있다. 근접 센서(80)가 하우징(2b)의 내부 표면과 외부 지로터(4b) 사이의 간극을 측정하도록 하우징(2b)에 위치 설정될 수도 있다. 다음, 오일 온도는 이 간극을 조절하도록 요구되는 바와 같이 제어될 수도 있다. 근접 센서(80)는 제어기가 윤활유를 위한 소정의 온도를 설정하도록 하기 위해 임의의 적합한 제어기로의 피드백을 제공할 수도 있다.
지로터 장치(1b)의 고압 구역으로부터 저압 구역으로의, 특히 지로터 팁 및 면을 지나는 기체 누설을 제어하는 다른 방법은 지로터 장치(1b)의 하나 이상의 부품의 표면을 거칠게 하는 것이다. 작은 구멍으로의 표면의 오목화, 샌드블래스팅, 또는 다른 적합한 표면 조면화(roughening) 기술과 같은 임의의 적합한 조면화가 채용될 수도 있다. 이 표면 조면화는 외부 지로터(4b), 내부 지로터(6b), 시일 플레이트(72), 시일 플러그(73) 등과 같은 기체와 접촉하는 표면에 적용될 수도 있다. 본 발명은 상기 표면 조면화가 본 상세한 설명에 설명된 지로터 장치의 실시예 중 임의의 하나에 적용될 수도 있는 것으로 고려한다.
도11은 오프셋 지지 플레이트가 존재하지 않는 지로터 장치(1b)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 오프셋 지지 플레이트(65)에 의해 미리 지지된 내부 샤프트(60)의 단부는 이제 시일 플러그(73)의 베어링(74, 76)에 의해 지지된다. 일 실시예에서, 베어링(63)은 외부 지로터(4b)에 대한 지지를 제공하도록 실질적으로 베어링(74, 76)과 동일한 평면에 위치한다.
도12는 지로터 장치(1b)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는 도11에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도12에 도시된 실시예에서, 외부 지로터(4b)는 베어링(69, 70)을 경유하여 하우징에 회전 결합되지 않는다. 대신에, 외부 지로터(4b)는 시일 플러그(73)의 베어링(74, 76)에 의해 지지된다. 게다가, 하우징(2b)의 상부에 외부 지로터(4b)를 위한 지지가 없다. 따라서, 시일 플러그(73)는 추가 베어링(81, 82)을 포함한다. 본 실시예는 시일 플레이트(72) 및 시일 플러그(73) 모두가 도10 및 도11에 도시된 이전의 실시예보다 두꺼운 것을 요구한다. 외부 지로터(4b)를 위한 부가의 안정성을 제공하기 위해, 내부 샤프트(60)는 회전 방지 장착대(83)를 경유하여 시일 플러그(73)에 결합된다. 회전 방지 장착대(83)는 시일 플러그(73)에 내부 샤프트(60)를 결합하는 그의 기능을 수행하기 위해 임의의 적합한 구성을 가질 수도 있다.
도13은 지로터 장치(1b)의 다른 실시예를 도시한다. 도13에 도시된 실시예는 도12에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도13에 도시된 실시예는 시일 플러그 베어링(81, 82)을 제거하고 대신에 외부 지로터(4b)의 외주연부 둘레에 배치된 큰 직경의 베어링(84)을 사용한다.
도14는 지로터 장치(1b)의 다른 실시예를 도시한다. 도14에 도시된 실시예는 도12에 도시된 실시예와 실질적으로 동일하지만, 회전 방지 장착대(83)가 도14의 실시예에는 존재하지 않는다. 대신에, 기준 휘일(85)이 시일 플러그(73)의 회전을 방지한다. 기준 휘일(85)은 베어링(86)으로 하우징(2b)에 회전 가능하게 장착된다. 기준 휘일(85)의 외주연부는 외부 지로터(4b)에 결합된 회전 샤프트(71)에 맞물린다. 기준 휘일(85)의 직경을 샤프트 직경에 비해 크게 함으로써 기준 휘일(85)의 회전 속도를 작게 하여 그의 수명을 연장한다.
도15는 지로터 장치(1b)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 내부 샤프트(60)는 도10의 실시예에 사용된 것과 유사한 오프셋 지지 플레이트(65)를 사용함으로써 하우징(2b)의 양단부에 고정 결합된다. 따라서, 회전 샤프트(71)는 편심되고, 외부 지로터(4b)를 회전시키기 위해 회전 샤프트(71)는 외부 지로터(4b)에 결합하는 피동 기어(89)에 결합하는 구동 기어(88)를 포함한다. 회전 샤프트(71)는 베어링(90, 91)을 경유하여 하우징(2b)에 회전 결합된다.
도16 내지 도20은 지로터 장치(1c)의 다양한 실시예를 도시한다. 도16에 도시된 바와 같이, 지로터 장치(1c)는 하우징(2c), 하우징(2c) 내에 배치된 외부 지로터(4c) 및 외부 지로터(4c) 내에 배치된 내부 지로터(6c)를 포함한다. 지로터 장치(1c)는 또한 하우징에 고정 결합된 중공 샤프트(94)와, 중공 샤프트(94) 내에 배치되고 한 쌍의 베어링(96, 110)에 의해 하우징(2c)의 각각의 단부에 회전 결합된 내부 샤프트(95)를 포함한다. 내부 지로터(6c)는 내부 샤프트(95)에 고정 결합되고, 내부 기어(97)가 또한 내부 샤프트(95)에 결합된다. 내부 기어(97)는 외부 지로터(4c)에 고정 결합된 외부 기어(98)와 연동한다. 외부 지로터(4c)는 한 쌍의 베어링(99, 100)을 경유하여 중공 샤프트(94)에 회전 결합된다. 도10 내지 도15의 지로터 장치(1b)와 유사하게, 외부 지로터(4c)는 또한 그에 결합된 시일 플레이트(101)와, 베어링(103, 104)에 의해 시일 플레이트(101)의 구멍 내에 배치된 시일 플러그(102)를 포함한다.
일반적으로, 본 실시예에서, 내부 샤프트(95)가 회전하고, 이는 내부 기어(97)에 부가하여 내부 지로터(98) 및 외부 지로터(4c)를 회전시킨다. 지로터 장치(1c)는 또한 외부 지로터(4c)의 외주연부의 적어도 일부에 힘을 공급하기 위해 포트(106)를 통해 하우징(2c) 내로 압축 공기를 배출하도록 작동 가능한 하우징(2c)의 주연부에 결합된 압축 공기 공급원(105)을 가질 수도 있다. 지로터 장치는 또한 상술한 바와 같이 지로터 장치(1b)의 근접 센서(80)와 유사한 방식으로 기능하는 근접 센서(107)를 가질 수도 있다.
도17은 지로터 장치(1c)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는 도16에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도17에 도시된 실시예에서 시일 플러그(102) 및 대응 베어링(103, 104)이 존재하지 않는다. 이 경우, 실링은 내부 지로터(6c)와 시일 플레이트(101) 사이에 작은 간극을 유지함으로써 간단히 성취된다.
도18은 지로터 장치(1c)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는 도17에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도18에 도시된 실시예에서 시일 플레이트(101)는 외부 지로터(4c) 대신에 내부 지로터(6c)에 결합된다. 이 경우, 실링은 외부 지로터(4c)와 시일 플레이트(101) 사이에 작은 간극을 유지함으로써 간단히 성취된다.
도19는 지로터 장치(1c)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는 도16에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도19에 도시된 실시예에서, 중공 샤프트(94)가 도16에 도시한 바와 같이 하우징(2c)에 고정 결합되는 대신에 회전 방지 핀(108)에 의해 하우징(2c)에 결합된다. 회전 방지 핀(108)은 중공 샤프트(94)를 위한 "플로팅(floating)" 배열을 용이하게 한다. 달리 말하면, 하우징(94)은 축방향 및 반경방향 모두에서 소량의 이동을 갖지만, 중공 샤프트(94)는 하우징(2c)의 개구(109) 내에 끼워지는 회전 방지 핀(108)에 의해 회전이 방지된다. 이는 중공 샤프트가 하우징(2c)보다는 내부 샤프트(94)를 참조하도록 하며, 이는 하우징(2c)의 정밀도 요건을 감소시킨다.
도20은 지로터 장치(1c)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는 도19에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도20에 도시된 실시예에서, 지로터 장치(1c)는 중공 샤프트(94)가 이전 실시예에서보다 훨씬 짧은 더 콤팩트한 디자인이다. 중공 샤프트(94)는 또한 커넥터(111)를 경유하여 시일 플러그(102)에 결합된다. 커넥터(111)는 중공 샤프트(94)와 시일 플러그(102)를 결합하기 때문에, 플러그 베어링(103, 104)은 외부 지로터(4c)를 지지하기 위해 본 실시예에서 "경성 장착(hard-mounted)"되어, 지로터 장치(1c)의 길이를 단축시키는 것을 용이하게 한다.
도21 내지 도24는 지로터 장치(1d)의 다양한 실시예를 도시한다. 도21을 참조하면, 지로터 장치(1d)는 하우징(2d), 하우징(2d) 내에 배치된 외부 지로터(4d) 및 외부 지로터(4d) 내에 배치된 내부 지로터(6d)를 포함한다. 지로터 장치(1d)는 또한 내부 지로터(6d) 내에 배치된 기어 하우징(115)을 포함한다. 기어 하우징(115)은 이하에 설명하는 바와 같이 내부 지로터(6d)의 회전과 외부 지로터(4d)의 회전을 동기화하도록 작동 가능한 아이들러 기어(16)를 수용한다.
외부 지로터(4d)는 하우징(2d)에 회전 결합된 상부 샤프트(117)에 고정 결합되고, 내부 지로터(6d)는 하우징(2d)에 회전 결합된 하부 샤프트(118)에 고정 결합된다. 상부 샤프트(117)는 기어 하우징(115) 내에 배치되어 그의 단부에 결합된 기어(119)를 갖고, 하부 샤프트(118)는 기어 하우징(115) 내에 또한 배치된 기어(120)를 포함한다. 양 기어(119) 및 기어(120)는 아이들러 기어(116)에 결합된다. 따라서, 화살표(121)로 나타낸 바와 같이 상부 샤프트(117)의 회전이 기어(119)를 회전시키고, 이는 아이들러 기어(116)를 회전시키고, 이는 기어(120)를 회전시키고, 이는 하부 샤프트(118)를 회전시키고, 이는 내부 지로터(6d)를 회전시킨다. 상부 샤프트(117)의 회전은 또한 외부 지로터(4d)를 회전시킨다. 아이들러 기어(117)는 베어링에 의해서와 같은 임의의 적합한 방식으로 기어 하우징(115)에 결합될 수도 있다. 기어(119, 120) 사이의 기어비는 내부 지로터(6d)와 외부 지로터(4d) 사이에 적절한 상대 회전을 제공하도록 적합하게 선택된다. 내부 지로터(60) 내에 배치된 기어 하우징(115)을 갖는 장점은 콤팩트화이다.
상술한 이전의 지로터 장치와 유사하게, 지로터 장치(1d)는 또한 하우징(2d)의 주연부에 형성된 포트(123)에 결합된 압축 공기 공급원(122)을 포함할 수도 있다. 압축 공기 공급원(122)은 외부 지로터(4d)의 외주연부의 적어도 일부에 힘을 공급하기 위해 포트(123)를 통해 하우징(2d) 내로 압축 공기를 배출하도록 작동 가능하다. 게다가, 지로터 장치(1d)는 또한 상술한 바와 같은 이전의 근접 센서와 동일한 방식으로 기능하는 근접 센서(124)를 포함할 수도 있다.
도22는 지로터 장치(1d)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 상부 샤프트(117) 및 하부 샤프트(118)는 도21에서와 같이 회전 결합되는 대신에 하우징(2d)에 고정 결합된다. 게다가, 상부 샤프트(117) 및 하부 샤프트(118)는 모두 기어 하우징(115)에 고정 결합된다. 외부 지로터(4d)와 내부 지로터(6d) 모두를 회전시키기 위해, 상부 중공 샤프트(125)는 상부 샤프트(117)에 회전 결합되고 외부 지로터(4d)에 고정 결합되고, 하부 중공 샤프트(126)는 하부 샤프트(118)에 회전 결합되고 내부 지로터(6d)에 고정 결합된다. 외부 지로터(4d)를 구동하기 위해, 상부 중공 샤프트(125)는 회전 샤프트(129)에 결합된 구동 기어(128)와 연동하는 피동 기어(127)를 포함한다. 회전 샤프트(129)는 베어링(130, 131)으로 하우징(2d)에 회전 결합된다. 따라서, 화살표(132)로 나타낸 바와 같은 회전 샤프트(129)의 회전은 구동 기어(128)를 회전시키고, 이는 피동 기어(127)를 회전시키고, 이는 중공 샤프트(125)를 회전시키고, 이는 외부 지로터(4d)를 회전시킨다. 게다가, 상부 중공 샤프트(125)의 회전은 기어 하우징(115) 내에 배치된 기어(133)를 회전시키고, 이는 기어 하우징(115)에 회전 결합된 아이들러 기어(134)를 회전시키고, 이는 하부 하우징 샤프트(126)에 고정 결합된 기어(135)를 회전시켜, 내부 지로터(6d)를 회전시킨다. 도22에 도시된 실시예의 장점은 하우징(2d)이 정밀한 방식으로 제조될 필요가 없다는 것이다. 회전 중심은 샤프트의 정밀도를 통해 설립되고, 이는 비교적 성취하기가 용이하다.
도23은 지로터 장치(1d)의 다른 실시예를 도시한다. 도23에 도시된 실시예는 도21에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도23에 도시된 실시예에서, 상부 샤프트(117) 및 하부 샤프트(118) 모두가 그들의 단부에 기어를 갖지 않는다. 대신에, 아이들러 기어(116)가, 외부 지로터(4d)의 시일 플레이트(137)에 결합된 기어(136)와 내부 지로터(6d)에 결합된 기어(138)에 결합한다. 아이들러 기어(116)는 유사한 방식으로 기어 하우징(115)에 회전 결합되고 임의의 적합한 아이들러 기어일 수도 있다. 기어 하우징(115)에는 두 개의 상이한 회전 중심이 있기 때문에, 기어 하우징(115)은 회전할 수 없으며 정지 상태로 유지된다.
도24는 지로터 장치(1d)의 다른 실시예를 도시한다. 도24에 도시된 실시예는 도23에 도시된 실시예와 유사하지만, 도24의 실시예에서 상부 샤프트(117) 및 하부 샤프트(118) 모두는 회전 결합되는 대신에 하우징(2d)에 고정 결합된다. 이 경우, 내부 지로터(6d)는 베어링(139)을 경유하여 하부 샤프트(118)에 회전 결합되고 외부 지로터(4d)는 중공 샤프트(141) 및 한 쌍의 베어링(142, 143)으로 상부 샤프트(117)에 회전 결합된다. 게다가, 중공 샤프트(141)는 그에 고정 결합되어 회전 샤프트(146)에 결합되는 구동 기어(145)와 연동하는 피동 기어(144)를 갖고, 이 회전 샤프트는 한 쌍의 베어링(147, 148)으로 하우징(2d)에 회전 결합된다. 따라서, 회전 샤프트(146)의 회전(도면 부호 149로 나타냄)은 구동 기어(145)를 회전시키고, 이는 피동 기어(144)를 회전시키고, 이는 중공 샤프트(141) 및 외부 지로터(4d) 모두를 회전시키고, 이는 외부 기어(136)를 회전시키고, 이는 아이들러 기어(116)를 회전시키고, 이는 내부 기어(138)를 회전시키고, 이어서 내부 지로터(6d)를 회전시킨다. 본 실시예의 장점은 하우징(2d)이 정밀한 방식으로 제조될 필요가 없다는 것이다. 회전 중심은 샤프트의 정밀도를 통해 설립되고, 이는 비교적 성취하기가 용이하다.
도25는 지로터 장치(1e)의 실시예를 도시한다. 지로터 장치(1e)는 하우징(2e), 하우징(2e) 내에 배치된 외부 지로터(4e) 및 외부 지로터(4e) 내에 배치된 내부 지로터(6e)를 포함한다. 지로터 장치(1e)는 또한 하우징(2e)에 회전 결합된 상부 샤프트(150)와 하우징(2e)에 회전 결합된 내부 샤프트(151)를 포함한다. 샤프트(150)는 외부 지로터(4e)에 고정 결합되고 내부 샤프트(151)는 내부 지로터(6e)에 고정 결합된다.
외부 지로터(4e) 및 내부 지로터(6e) 모두의 회전은 제1 기어(154)와 제2 기어(155)를 갖는 회전 샤프트(153)를 포함하는 외부 기어 시스템(152)에 의해 용이해 진다. 제1 기어(154)는 상부 기어(156)와 연동하여 이를 구동하고, 제2 기어(155)는 하부 기어(157)와 연동하여 이를 구동한다. 상부 기어(156)는 상부 샤프트(150)에 고정 결합하고 하부 기어(157)는 내부 샤프트(151)에 고정 결합되어, 외부 지로터(4e) 및 내부 지로터(6e)의 회전을 각각 제공한다. 따라서, 도면 부호 158로 나타낸 바와 같은 샤프트(153)의 회전은 제1 및 제2 기어(154, 155) 모두를 회전시킨다. 이들 회전은 상부 기어(156) 및 하부 기어(157)의 회전을 각각 용이하게 하고, 이는 외부 지로터(4e) 및 내부 지로터(6e) 모두를 각각 회전시킨다. 이전의 지로터 장치와 마찬가지로, 지로터 장치(1e)는 또한 하우징(2e)의 주연부에 형성된 포트(160)에 결합된 압축 공기 공급원(159)을 포함할 수도 있다. 압축 공기 공급원(158)은 포트(160)를 통해 하우징(2e) 내로 압축 공기를 배출하도록 작동 가능하다. 게다가, 지로터 장치(1e)는 또한 상술한 이전의 근접 센서와 동일한 방식으로 기능하는 근접 센서(161)를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 입력 파워가 샤프트(150 또는 151)를 통해 전달될 수 있다.
도26 내지 도28은 지로터 장치(1f)의 다양한 실시예를 도시한다. 도26을 참조하면, 지로터 장치(1f)는 하우징(2f), 하우징(2f) 내에 배치된 외부 지로터(4f) 및 외부 지로터(4f) 내에 배치된 내부 지로터(6f)를 포함한다. 게다가, 지로터(1f)는 하우징(2f)에 고정 결합된 중공 샤프트(165)와, 중공 샤프트(165) 내에 배치되어 베어링(167) 및 베어링(168)으로 중공 샤프트(165)에 회전 결합된 내부 샤프트(166)를 포함한다. 내부 지로터(6f)는 내부 샤프트(166)의 단부에 고정 결합된다. 내부 지로터(6f)는 그에 결합된 시일 플레이트(169)와, 외부 지로터(4f)에 고정 결합된 외부 기어(171)와 연동하는 내부 기어(170)를 포함한다. 따라서, 화살표(172)로 나타낸 바와 같은 내부 샤프트(166)의 회전은 내부 지로터(6f)를 회전시키고, 이는 이어서 내부 기어(170) 및 외부 기어(171)의 연동을 통해 외부 지로터를 회전시킨다.
또한 도26에 도시한 것은 하우징(2f)에 결합된 오일 섬프(173)이다. 오일 또는 다른 적합한 윤활제가 하우징(2f)의 포트(174)를 통해 진입하여 하우징(2f) 내의 베어링을 윤활한다. 원심력에 의해, 오일이 오일 섬프(173) 내에 모이고 오일 섬프(173)의 주연부에 형성된 출구 포트(175)에서 방출되고 펌프(명확히 도시하지 않음)를 통해 베어링으로 재순환될 수도 있다.
이전의 지로터 장치에서와 마찬가지로, 지로터 장치(1f)는 또한 하우징(2f)의 주연부에 형성된 포트(177)에 결합된 압축 공기 공급원(176)을 포함할 수도 있다. 압축 공기 공급원(176)은 외부 지로터(4f)의 외주연부의 적어도 일부에 힘을 공급하기 위해 포트(177)를 통해 하우징(2f) 내로 압축 공기를 배출하도록 작동 가능하다. 게다가, 지로터 장치(1f)는 상술한 이전의 근접 센서와 동일한 방식으로 기능하는 근접 센서(178)를 포함할 수도 있다. 외부 지로터(4f)와 하우징(2f) 사이의 간극은 하우징(2f)에 결합된 하나 이상의 나사(179)를 사용하여 조정될 수도 있다. 유사한 접근이 내부 지로터(6f)와 하우징(2f) 사이의 간극을 조절하도록 취해질 수도 있다.
도26에 도시된 실시예에 따르면, 베어링(168, 181)은 내부 지로터(6f)와 외부 지로터(4f) 모두의 축방향 중심을 통과하는 원주방향 평면과 실질적으로 동일한 원주방향 평면 내에 있다. 이는 고정 샤프트(165), 내부 샤프트(166) 및/또는 하우징(2f) 상에 작용할 수 있는 모멘트를 제거하여 이들의 만곡을 방지한다. 이는 내부 지로터(6f)와 외부 지로터(4f) 사이에 기밀한 공차가 유지되는 것을 용이하게 한다. 베어링(167, 180)은 비교적 무시할만한 하중을 경험하고 기본적으로는 내부 지로터(6f)와 외부 지로터(4f)를 위한 정렬을 제공한다.
도27은 지로터 장치(1f)의 다른 실시예를 도시한다. 도27에 도시된 실시예는 본질적으로는 도26에 도시된 실시예와 동일하지만, 도27에 도시된 실시예에서 베어링(168, 181)은 더 이상 내부 지로터(6f)와 외부 지로터(4f)의 축방향 중심과 동일한 원주방향 평면에 있지 않다. 대신에 이들은 내부 지로터(6f)의 상부에 존재한다. 이 위치에 베어링(168, 181)을 갖는 장점은 이들이 지로터 장치(1f)에 의해 압축되거나 팽창되는 기체에 기초하여 온도를 경험하지 않는다는 것이지만, 베어링(168, 181)에 작용하는 부가의 모멘트가 중공 샤프트(165), 회전 샤프트(166) 및/또는 하우징(2f)을 만곡시킬 수도 있고, 이는 내부 지로터(6f)와 외부 지로터(4f) 사이의 간극을 개방시킬 수도 있다.
도28은 지로터 장치(1f)의 부가의 실시예를 도시한다. 도28에 도시된 실시예는, 베어링(168)이 내부 지로터(6f) 및 외부 지로터(4f) 모두의 축방향 중심을 통과하는 원주방향 평면과 실질적으로 동일한 원주방향 평면에 존재하지만, 베어링(181)은 내부 지로터(6f)의 상부의 위치에 존재한다는 점에서 도26 및 도27에 도시된 실시예들의 혼합예이다. 이 디자인의 한 장점은 소형 내부 지로터(6f)로 실시될 수도 있다는 것이다.
도29 내지 도33은 지로터 장치(1g)의 다양한 실시예를 도시한다. 지로터 장치(1g)는 하우징(2g), 하우징(2g) 내에 배치된 외부 지로터(4g) 및 외부 지로터(4g) 내에 배치된 내부 지로터(6g)를 포함한다. 지로터 장치(1g)는 또한 하우징(2f)에 고정 결합된 중공 샤프트(190)와, 중공 샤프트(190) 내에 배치되어 제1 베어링(193) 및 제2 베어링(194)에 의해 그에 회전 결합된 내부 샤프트(192)를 포함한다. 내부 지로터(6g)는 베어링(195) 및 베어링(196)을 경유하여 중공 샤프트(190)에 회전 결합된다. 내부 지로터(6g)는 내부 기어(198)와 함께 그에 부착된 시일 플레이트(197)를 갖는다. 내부 기어(198)는 외부 지로터(4g)에 고정 결합된 외부 기어(199)와 연동한다. 도26 내지 도28에 도시된 실시예와 유사하게, 지로터 장치(1g)는 또한 지로터 장치(1g)를 통해 순환되는 오일 또는 다른 적합한 윤활제를 수집하여 이것이 재순환되어 소용될 수 있도록 기능하는 오일 섬프(200)를 포함한다.
일반적으로, 내부 샤프트(192)는 화살표(201)로 나타낸 바와 같이 회전하고, 이는 외부 지로터(4g)를 회전시키고, 이는 외부 기어(199)를 회전시키고, 이는 내부 기어(198)를 회전시키고, 이는 내부 지로터(6g)를 회전시킨다. 본 실시예의 태양에 따르면, 베어링(193, 195) 및 베어링(194, 196)은 외부 지로터(4g)와 내부 지로터(6g)의 축방향 중심을 통과하는 원주방향 평면으로부터 실질적으로 등거리에 위치한다. 이는 중공 샤프트(190), 내부 샤프트(192) 및/또는 하우징(2g) 상에 작용할 수 있는 모멘트를 제거하여 이들의 만곡을 방지하고, 이는 내부 지로터(6g)와 외부 지로터(4g) 사이에 기밀한 공차가 유지되는 것을 용이하게 한다. 대칭성에 기인하여, 각각의 세트의 베어링이 대략 하중의 절반을 취한다.
지로터 장치(1g)는 또한 포트(203)를 경유하여 하우징(2g)의 주연부에 결합된 공기 공급원(202)을 포함할 수도 있다. 공기 공급원(202)은 외부 지로터(4g)의 온도를 제어하기 위해 외부 지로터(4g)의 외부의 하우징(2g) 내로 공기 또는 다른 적합한 기체를 배출하도록 작동 가능하다. 외부 지로터(4g)의 온도의 제어는 외부 지로터(4g)와 하우징(2g) 사이의 간극을 결정한다. 공기 출구(204)는 하우징(2g) 내의 공기가 하우징(2g)에서 방출되도록 한다. 근접 센서(205)는 공기 공급원(202)의 소정의 공기 유량을 설정하도록 적합한 제어기로의 피드백을 제공할 수도 있다.
도30은 지로터 장치(1g)의 다른 실시예를 도시한다. 도30에 도시된 실시예는 도29에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도30의 실시예에서는 시일 플레이트(197)가 내부 지로터(6g)에 결합되는 대신에, 시일 플레이트(197)가 외부 지로터(4g)에 결합된다. 본 실시예의 장점은 압축되는 기체로부터 오일을 더 효과적으로 격리한다는 것이다.
도31은 지로터 장치(1g)의 다른 실시예를 도시한다. 도31에 도시된 실시예는 도29에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도31의 실시예에서 샤프트(190)의 외경은 외부 베어링[즉, 베어링(195, 196)] 직경을 감소시키도록 최소화되고 이에 의해 동력 손실을 감소한다. 이를 성취하는 한 방법은, 도31에 도시된 바와 같이 중공 샤프트(190) 상에 원주방향 리세스(206)를 제공하는 것이다. 게다가, 베어링(193, 194)은 또한 중공 샤프트(190)의 단부의 리세스에 위치 설정될 수도 있다.
도32는 지로터 장치(1g)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는 도31에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도32의 실시예에서는 시일 플레이트(197)가 지로터 장치(6g)에 결합되는 대신에, 시일 플레이트(197)가 외부 지로터(4g)이다.
도33은 지로터 장치(1g)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는 도32에 도시된 실시예와 실질적으로 유사하지만, 도33의 실시예에서, 베어링(193, 194)이 중공 샤프트(190)의 내부에 형성된 리세스에 위치 설정된다. 게다가, 베어링(196)은 이전 실시예에서보다 더욱 더 작으며, 이는 동력 손실을 감소시키는 것을 보조한다.
도34 내지 도42는 지로터 장치(1h)의 다양한 실시예를 도시하고 있다. 지로터 장치(1h)는 하우징(2h)과, 하우징(2h) 내에 배치된 외부 지로터(4h)와, 외부 지로터(4h) 내에 배치된 내부 지로터(6h)를 포함한다. 지로터 장치(4h)는 하우징(2h)에 고정 결합된 하부 샤프트(210)와 베어링(213)에 의해 하우징(2h)에 회전식으로 결합된 상부 샤프트(212)도 포함한다. 지로터 장치(1h)는 베어링(215)을 통해 샤프트(210)에 회전식으로 결합된 샤프트(214)도 포함할 수 있다. 상부 샤프트(212, 214)는 외부 지로터에 결합된 샤프트들과 분리되거나, 서로 일체로 되어 하나의 샤프트를 구성할 수도 있다. 내부 지로터(6h)는 베어링(216, 217)을 통해 하부 샤프트(210)에 회전식으로 결합된다. 내부 지로터(6h)는 결합된 시일 플레이트(218)와 결합된 내부 기어(219)를 구비한다. 내부 기어(219)는 외부 지로터(4h)에 고정 결합된 외부 기어(220)에 결합된다. 도26 내지 도33과 연관하여 전술한 실시예들과 마찬가지로, 지로터 장치(1h)는 유사한 방식으로 작용하는 오일 섬프(221)도 포함할 수 있다.
도29 내지 도33과 연관하여 전술한 실시예들과 마찬가지로, 지로터 장치(1h)는 포트(224)를 통해 하우징(2h)의 주연부에 결합된 공기 공급원(223)을 포함할 수도 있다. 공기 공급원(223)은 냉각된 공기를 하우징(2h) 내로 전달하고 외부 지로터(4h)의 온도를 제어하도록 외부 지로터(4h)의 외측 둘레에 순환하도록 작동할 수 있다. 냉각된 공기는 포트(224)를 통해 하우징(2h)에 도입되고 포트(225)로 방출된다. 근접 센서(226)는 하우징(2h)에 결합되어 도29 내지 도33과 연관하여 전술한 실시예들과 마찬가지 방식으로 작용한다. 일반적인 작동에서, 상부 샤프트(212)가 화살표(226)로 표시된 바와 같이 회전되면, 외부 지로터(4h)가 회전하여 외부 기어(220)를 회전시키고 내부 기어(219)를 회전시키고 내부 지로터(6h)를 회전시킨다. 도34에 도시된 실시예의 장점은 하부 샤프트(210)에 의해 지지되는 베어링(215)이 외부 지로터(4h)의 외팔보 효과를 감소시킨다는 것이다.
도35는 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예는 도34에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도35에서는 샤프트(214)가 중실이 아닌 중공이다. 샤프트(214)의 중공부는 상부 중공 샤프트(227)가 그 내부에 배치되는 것을 허용하고, 상부 중공 샤프트(227)는 하우징(2h)에 고정 결합된다. 따라서, 샤프트(212)는 상부 중공 샤프트(227)에 회전식으로 결합된다. 본 실시예의 하나의 장점은 상부 중공 샤프트(227) 내에 장착된 베어링에 의해 하중이 지지되기 때문에 베어링(215) 상에 하중이 감소된다는 것이다.
도36은 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예는 도35에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도36에서는 샤프트(212)가 하부 샤프트(210)에 회전식으로 결합되지 않는다. 결과적으로 본 실시예에서는 하우징(2h) 내에서 지로터 장치(1h)의 정밀도가 꾀해진다.
도37은 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 하부 샤프트(210)는 전술한 실시예들에서보다 더 연장되어, 중공 샤프트(228)가 베어링(229, 230)을 통해 하부 샤프트(210)에 회전식으로 결합될 수 있다. 또한, 하우징(2h)에 상부 샤프트(212)를 결합하도록 작용하는 베어링(213)은 본 실시예에서는 제거된다. 본 실시예에서는, 하우징(2h) 및 하부 샤프트(210) 내에서 대부분의 정밀도가 높아진다.
도38은 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서는, 베어링(213)이 하우징(2h)에 상부 샤프트(212)를 회전식으로 결합하도록 다시 존재한다. 고정 샤프트(210)는 하우징(2h)의 바닥에 고정 결합되는 대신에 피봇(232)에 의해 하우징(2h)의 바닥에 피봇식으로 결합된다. 본 실시예에서, 내부 지로터(6h)와 외부 지로터(4h)의 정밀도는 기본적으로 하부 샤프트(210)에 기초한다. 회전 방지 핀(233)은 하우징(2h)의 바닥에 느슨하게 결합되어 작동중에 하부 샤프트(210)가 회전하는 것을 방지한다.
도39는 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도39에 도시된 실시예는 도38에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도39에서는 피봇(232)과 회전 방지 핀(233) 대신에 하부 샤프트(210)는 고무 장착대(235)에 의해 하우징(2h)의 바닥에 결합된다. 고무 장착대(235)는 도38에서 피봇(232)과 회전 방지 핀(233)의 조합과 유사한 방식으로 작용한다.
도40은 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도40에 도시된 실시예는 도37에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도40에서는 하우징(2h)의 상부에 상부 샤프트(212)를 회전식으로 결합하기 위해 베어링(213)이 사용된다. 본 실시예는 하우징(2h) 내에 설계되기 위한 정밀도를 요구한다.
도41은 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도41에 도시된 실시예는 도34에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도34에 도시된 실시예에서처럼 베어링(215)이 하부 샤프트(210)의 리세스부에 결합하는 대신에 하부 샤프트(210)의 외측면에 회전식으로 결합된다.
도42는 지로터 장치(1h)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 하부 샤프트(210)는 외팔보식으로 되지 않고, 하우징(2h)의 상부 및 바닥 모두에 결합된다. 이는 베어링(238, 239)에 의해 하우징(2h)에 회전식으로 결합된 상부 샤프트(212)와, 샤프트(210)에 회전식으로 결합된 중공 샤프트(242)에 고정 결합된 피동 기어(241)와 연동하는 구동 기어(240)를 포함하는 구동 시스템(237)을 갖는 것을 용이하게 한다. 본 실시예의 장점은 샤프트(210)가 각 단부에 강하게 지지되어 가요성을 감소시켜 정밀도를 유지한다는 것이다.
도43 내지 도46은 지로터 장치(1j)의 다양한 실시예들을 도시하고 있다. 지로터 장치(1j)는 하우징(2j)과, 하우징(2j) 내에 배치된 외부 지로터(4j)와, 외부 지로터(4j) 내에 배치된 내부 지로터(6j)를 포함한다. 도43 내지 도46에 도시된 지로터 장치(1j)는 이하에 설명되는 것처럼 외팔보 효과를 감소시키는 "팬케이크" 형상을 갖는다. 도43을 참조하면, 지로터 장치(1j)는 하우징(2j)의 바닥에 고정 결합되는 하부 샤프트(250)를 포함한다. 지로터 장치(1j)는 한 쌍의 베어링(253, 254)에 의해 하우징(2j)의 상부에 회전식으로 결합된 상부 샤프트(252)도 포함한다. 상부 샤프트(252)는 외부 기어(256)와 시일 플레이트(255)를 포함하는 외부 지로터(4j)에 결합된다. 외부 기어(256)는 내부 지로터(6j)에 결합된 내부 기어(258)와 연동한다. 내부 지로터(6j)는 베어링(259, 260)에 의해 하부 샤프트(250)에 고정 결합된다. 일반적으로, 회전 샤프트(252)가 화살표(261)로 표시된 바와 같이 회전하면, 외부 지로터(4j)가 회전하고 외부 기어(256)가 회전하고 내부 기어(258)가 회전하고 내부 지로터(6j)가 회전한다.
일 실시예에서, 베어링(259, 260)은 내부 지로터(6j)의 축 중심으로부터 등거리에 위치하여, 베어링 각각은 하중의 거의 절반을 받는다. 일 실시예에서, 베어링(253, 254)은 오일 윤활 처리된 베어링보다 그리스 처리된 베어링이어서 오일 분배 시스템이 요구되지 않는다. 다른 실시예에서는, 오일 분배 시스템이 채용될 수 있다.
도44는 지로터 장치(1j)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도44에 도시된 실시예는 도43에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도44에 도시된 실시예에서는 외부 지로터(4j)의 내측에 작용하는 기압이 내부에 복수의 도관(270)이 형성되어 균형 유지되기 때문에 상부 샤프트(252)는 더 짧아질 수 있다.
도47을 참조하면, 외부 지로터(4j)를 가로질러 압력을 균형 유지하는 방법이 설명된다. 설명된 바와 같이, 도관(270)은 사실상 방사상 방향으로 외부 지로터(4j)의 벽(272) 내에 형성된다. 도관(270)은 작동 동안 더욱 안정되게 만들도록 외부 지로터(4j) 상에 작용하는 하중을 균형 유지시키기 위해, 기체 일부가 외부 지로터(4j) 내의 챔버(274)로부터 외부 지로터(4j)의 외부로 새는 것을 허용한다. 하우징(2j)은 각 도관(270)과 각각 결합된 복수의 소형 챔버(278)를 형성하는 복수의 돌출부(276)를 포함한다. 작동동안, 기체는 도관(270)을 통해 챔버(274)로부터 챔버(278) 내로 누설된다. 돌출부(276)는 임의의 적절한 간격을 가질 수 있다. 또한, 도관(270)은 임의의 적절한 형상 및 임의의 적절한 치수를 가질 수 있다.
도45는 지로터 장치(1j)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예는 도44에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도45에 도시된 실시예에서는 보유 링(280)은 하우징(2j)의 상부에 결합된다. 보유 링(280)은 하나 이상의 조정 나사(282)에 의해 하우징(2j)에 결합된다. 보유 링(280)은 베어링(253)과 맞물리고, 베어링(253)은 샤프트(252)와 일체인 칼라(284) 상에 놓인다. 이런 설치는 하우징(2j)과 외부 지로터(4j)의 바닥 사이에 간극의 조절을 허용한다. 근접 센서(286)는 외부 지로터(4j)와 하우징(2j) 사이에 간극을 측정하는데 사용될 수 있다.
도46은 지로터 장치(1j)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도46에 도시된 실시예는 도44에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도46에 도시된 실시예에서는 기어 배열이 약간 다르다. 더 구체적으로는, 아이들러 기어(290)는 외부 지로터(4j)와 연관된 외부 기어(294)에 내부 지로터(6j)와 연관된 내부 기어(292)를 결합시킨다. 아이들러 기어(290)는 베어링(295, 295)에 의해 하부 샤프트(250)에 회전식으로 연결된다.
도48 내지 도53은 지로터 장치(1k)의 다양한 실시예들을 도시하고 있다. 지로터 장치(1k)는 하우징(2k)과, 하우징(2k) 내에 배치된 외부 지로터(4k)와, 외부 지로터(4k) 내에 배치된 내부 지로터(6k)를 포함한다. 지로터 장치(1k)는 기체 입구 포트(322)와 기체 출구 포트(324)를 포함하는 하우징(2k)의 단부에 고정 결합된 하부 샤프트(320)를 포함한다. 기어 하우징(326)은 하부 샤프트(320)에 결합되고, 상부 샤프트(328)는 기어 하우징(326)에 결합되고 하우징(2k)의 상부 쪽으로 상향 연장된다. 회전 샤프트(330)는 베어링(332)에 의해 하우징(2k)에 회전식으로 결합된다. 샤프트(330)는 외부 지로터(4k)에 결합되고, 중공 샤프트(334)와 베어링(335, 336)을 통해 상부 샤프트(328)에도 결합된다. 내부 지로터(6k)는 베어링(337)과 베어링(338)을 통해 하부 샤프트(320)에 회전식으로 결합된다.
기어 하우징(326)은 외부 지로터(4k)와 연관된 제1 기어(342)와 내부 지로터(6k)와 연관된 제2 기어(344)를 결합시키는 아이들러 기어(340)를 포함한다. 아이들러 기어(340)는 베어링(345, 346)에 의해서와 같이 적절한 임의의 방식으로 기어 하우징(326)에 회전식으로 결합된다. 일반적인 작동에서, 샤프트(330)가 화살표(347)로 표시된 바와 같이 회전되면, 외부 지로터(4k)가 회전하여 제1 기어(342)를 회전시키고 아이들러 기어(340)를 회전시키고 제2 기어(344)를 회전시키고 내부 지로터(6k)를 회전시킨다. 도48에 도시된 실시예의 장점은 내부 지로터(6k) 내에 위치되도록 제한되지 않는 큰 기어를 채용한다는 것이다.
도49는 지로터 장치(1k)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도49에 도시된 실시예는 도48에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도49에 도시된 실시예에서는 상부 샤프트(328)가 하우징(2k)의 상부에 고정 결합된다. 따라서, 구동 시스템(350)은 하우징(2k)의 중심에서 벗어나 존재한다. 구동 시스템(350)은 베어링(351, 352)을 통해 하우징(2k)에 회전식으로 결합되는 회전 샤프트(330)를 포함한다. 회전 샤프트(330)는 외부 지로터(4k)의 중공 샤프트(334)에 고정 결합된 피동 기어(354)와 연동하는 구동 기어(353)를 포함한다. 본 실시예의 장점은 하부 샤프트(320)와 상부 샤프트(328) 모두가 하우징(2k)에 고정 부착되므로 강도와 세기를 제공한다는 것이다.
도50은 지로터 장치(1k)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도50에 도시된 실시예는 도48에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도50에 도시된 실시예에서는 보유 링(360)은 하나 이상의 조정 나사(362)에 의해 하우징(2k)의 상부에 결합된다. 본 실시예는 하우징(2k) 내에 정밀도를 거의 요구하지 않으며, 나사(362)가 꽉 조여진 때에 샤프트 정렬이 달성된다.
도51은 지로터 장치(1k)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도51에 도시된 실시예는 도50에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도51에 도시된 실시예에서는 기어 하우징(326)이 내부 지로터(6k) 내에 배치된다. 이는 "팬케이크" 배열을 더욱 용이하게 하여 외부 지로터(4k)의 외팔보 효과가 감소되도록 한다.
도52는 지로터 장치(1k)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도52에 도시된 실시예는 도51에 도시된 실시예와 사실상 유사하지만, 도52에 도시된 실시예에서는 하우징(2k)의 주연부 둘레에 재킷(370)이 존재한다. 재킷(370)은 하우징(2k)의 온도를 제어하도록 하우징(2k)의 주연부 둘레에 임의의 적절한 유체를 순환시켜, 그로 인해 하우징(2k)과 외부 지로터(4k)의 단부 사이에 간극을 제어하고 그 길이를 조절하도록 작용하는 입구(372)와 출구(374)를 갖는다. 근접 센서(376)는 간극을 측정하는데 사용될 수 있다. 근접 센서(376)는 미리 정해진 간격으로 간극을 조절하도록 재킷(370)을 통해 유체의 흐름을 제어하는 적절한 제어기(도시되지 않음)에 결합될 수 있다. 본 발명은 하우징(2k)과 외부 지로터(4k) 사이에 간극을 조절하는 다른 방법을 고려한다. 도52에 도시된 재킷(370)은 상세한 설명에 설명된 지로터 장치의 실시예 중 임의의 것에 사용될 수 있다.
도53a 및 도53b는 각각 백래시 방지 기어 시스템(300)의 측면도 및 평면도이다. 백래시 방지 기어 시스템(300)은 자유 스핀 기어(302)와 회전 샤프트(306)에 고정 결합된 기어(304)를 포함한다. 자유 스핀 기어(302)는 하나 이상의 베어링(308)에 의해 회전 샤프트(306)에 회전식으로 결합된다. 하나 이상의 스프링(310)이 자유 스핀 기어(302)와 기어(304) 모두에 대해 편향된다. 자유 스핀 기어(302)와 기어(304)의 치가 정렬되면, 스프링(310)은 압축된다. 그리고, 정렬된 기어 치가 삽입되거나 정합 기어(도시되지 않음)와 연동하면, 단일 치의 양면 상에 접촉이 형성되고, 그로 인해 백래시가 방지된다. 본 발명은 다른 백래시 방지 기어 시스템을 고려한다.
도54는 마찰을 감소시키도록 윤활제가 사용되는 지로터 장치(1L)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 지로터 장치(1L)는 하우징(2L)과, 외부 지로터 조립체(3L)와, 내부 지로터 조립체(5L)를 포함한다. 외부 지로터 조립체(3L)는 외부 지로터(4L)와 외부 지로터 샤프트(508)를 포함한다. 마찬가지로, 내부 지로터 조립체(5L)는 내부 지로터(6L)와 내부 지로터 샤프트(514)를 포함한다. 외부 지로터 샤프트(508)는 도54에 도시된 제1 베어링(516)과 제2 베어링(518)과 같은 하나 이상의 베어링에 의해 하우징(2L)에 회전식으로 결합될 수 있다. 마찬가지로, 내부 지로터 샤프트(514)는 도54에 도시된 제3 베어링(520)과 제4 베어링(522)과 같은 하나 이상의 베어링에 의해 하우징(2L)에 회전식으로 결합될 수 있다.
외부 지로터(4L)는 외부 지로터 챔버(524)를 포함한다. 도54에 도시된 바와 같이, 내부 지로터(6L)의 적어도 일부는 외부 지로터 챔버(524) 내에 배치될 수 있다. 지로터 장치(1L)는 기체가 외부 지로터 로터 챔버(524) 내로 도입되고 외부 지로터 챔버로부터 방출되는 것을 허용하도록 작동 가능한 밸브 플레이트(526)를 포함할 수도 있다. 밸브 플레이트(526)는 기체가 외부 지로터 챔버(524)에 도입되는 것을 허용하는 하나 이상의 기체 입구 포트(528)와, 기체가 외부 지로터 챔버(524)로부터 방출하는 것을 허용하는 하나 이상의 기체 출구 포트(530)를 포함할 수 있다.
외부 지로터(4L)와 내부 지로터(6L)는 서로에 대해 회전하도록 작동되어, 지로터 조립체(1L)가 압축기 또는 팽창기로 작용할 수 있다. 예컨대, 지로터 장치(1L)가 압축기로 작용하는 실시예에서는, 제1 압력으로 다량의 기체가 기체 입구 포트(528)를 통해 외부 지로터 챔버(524)로 도입되고, 내부 지로터(6L)와 외부 지로터(4L)의 상대 회전에 의해 압축되고, 제1 압력보다 더 높은 제2 압력으로 기체 출구 포트(530)를 통해 외부 지로터 챔버(524)로부터 방출된다. 다르게는, 지로터 장치(1L)가 팽창기로 작용하는 실시예에서는, 가압되거나 상대적으로 높은 압력의 기체가 기체 출구 포트(530)를 통해 외부 지로터 챔버(524)로 유입되고, 내부 지로터(6L) 및/또는 외부 지로터(4L)의 회전을 유발하면서 외부 지로터 챔버(524) 내에서 팽창되어 내부 지로터 샤프트(514) 및/또는 외부 지로터 샤프트(508)를 구동하고, 기체 입구 포트(528)를 통해 외부 지로터 챔버(524)로부터 방출된다.
내부 지로터 조립체(5L)는 내부 지로터(6L)와 외부 지로터(4L) 사이에 마찰을 감소시키도록 내부 지로터(6L)를 통해 외부 지로터 챔버(524) 내로 윤활제(534)를 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 진입 통로(532)를 포함한다. 예컨대, 도54에 도시된 바와 같이, 내부 지로터 샤프트(514)는 외부 지로터 챔버(524) 내로 개방된 내부 지로터 진입 통로(538)에 결합된 샤프트 진입 통로(536)를 포함할 수 있다. 윤활제(534)는 예컨대 모터 오일, 윤활 그리스, 물, 연료와 같은 임의의 적절한 형태의 윤활유나 내부 지로터(6L)와 외부 지로터(4L) 사이의 마찰을 감소시키기 적절한 다른 형태의 윤활제를 포함할 수 있다.
내부 지로터(6L)가 회전함에 따라, 원심력으로 인해 윤활제(534)는 진입 통로(532)를 따라 외향으로 그리고 외부 지로터 챔버(524) 내로 이동한다. 도55를 참조하여 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 윤활제(534)가 내부 지로터(6L)로부터 방출됨에 따라, 내부 지로터(6L)의 선단이나 외주연부의 일부가 윤활된다. 본 실시예에서, 윤활제(534)는 기체 입구 포트(528)를 통해 외부 지로터 챔버(524) 내로 도입된 기체를 포함하는 외부 지로터 챔버(524) 내에서 기체와 접촉 및/또는 혼합된다. 어떤 실시예에서는, 외부 지로터 챔버(524)는 외부 지로터 챔버(524) 내로 도입된 윤활제(534)의 적어도 일부가 외부 지로터 챔버(524) 내에 적어도 일시적으로라도 저장되도록 하우징(2L) 및/또는 밸브 플레이트(526) 등에 의해 사실상 둘러싸인다.
도55는 도54의 선 A-A를 따라 취한 외부 지로터(4L) 및 내부 지로터(6L)의 단면을 도시하고 있다. 설명을 위해, 도55에 하우징(2L)은 도시되지 않았다. 도55에 도시된 바와 같이, 외부 지로터 챔버(524)는 외부 지로터 챔버(524)의 주연부 둘레에 위치된 복수의 노치(540)를 포함할 수 있다. 내부 지로터(6L)는 복수의 돌출부 또는 팁(542)을 포함할 수 있다. 팁(542)은 내부 지로터(6L)와 외부 지로터(4L)가 서로에 대해 회전함에 따라 대체로 노치(540) 내로 끼워지도록 형상 및/또는 크기가 설정된다.
전술한 바와 같이, 내부 지로터(6L)는 하나 이상의 내부 지로터 진입 통로(532)를 포함할 수 있다. 도55에 도시된 바와 같이, 내부 지로터(6L)는 대체로 내부 지로터(6L) 중심으로부터 내부 지로터(6L)의 각 선단(542)쪽으로 연장된 내부 지로터 진입 통로(538)를 포함할 수 있다. 각 선단(542)은 윤활제(534)가 내부 지로터 진입 통로(532)를 통해 외부 지로터 챔버(524)로 진입하는 것을 허용하도록 작동 가능한 하나 이상의 선단 개구부(544)를 포함할 수 있다. 도55에 도시된 실시예에서 내부 지로터(6L)는 5개의 선단(542)을 갖는 하이포사이클로이드에 기초한 별 형상을 포함하고 외부 지로터 챔버(524)는 5개의 노치(540)를 갖는 별 형상을 포함하지만, 내부 지로터(6L)와 외부 지로터 챔버(524)는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않는 다른 적절한 임의의 형상 및 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 형상은 에피사이클로이드에 기초한 것일 수도 있고, 선단 및 노치의 수는 변경될 수 있다.
도56은 윤활제(534)가 외부 지로터 챔버(524)로부터 배출되고, 적어도 기체 입구 포트(528)를 통해 외부 지로터 챔버(524)로 도입되는 기체와 사실상 분리되어 유지되는 지로터 장치(1M)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도56에 도시된 바와 같이, 지로터 장치(1M)는 하우징(2M)과, 외부 지로터(4M)를 포함하는 외부 지로터 조립체(3M)와, 내부 지로터(6M)를 포함하는 내부 지로터 조립체(5M)와, 동기 시스템(7M)을 포함한다. 동기 시스템(7M)은 외부 지로터부(8M)와 내부 지로터부(9M)를 포함한다. 내부 지로터(6M)는 외부 지로터(4M)에 따라 작용하여, 동기 시스템(7M)이 내부 지로터(6M)와 외부 지로터(4M)를 동기화시키는데 사용되면서 압축기나 팽창기 작용을 제공한다.
예컨대 도56에 도시된 바와 같이 특정 실시예에서, 내부 지로터(6M)는 일반적으로 외부 지로터 챔버(524)의 제1 섹션(556) 내에 배치되고, 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)는 일반적으로 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558) 내에 배치된다. 또한, 어떤 실시예에서는, 예컨대 내부 지로터(6M)는 도55 및 도57a에 도시된 별 형상을 포함하고, 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)는 도57b에 도시된 십자가 형상과 같은 다른 형상을 포함할 수 있다.
동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)는 윤활제(534)가 외부 지로터 챔버(524)의 부분(558) 내에 도입되는 것을 허용하는 하나 이상의 진입 통로(532)를 포함한다. 동기 시스템(7M)의 외부 지로터부(8M)는 부분(558) 내로 도입된 이런 윤활제(534)가 외부 지로터 챔버(524)의 부분(558)으로 빠져나가는 것을 허용하도록 작동 가능한 하나 이상의 방출 통로(550)를 포함한다. 예컨대, 외부 지로터 조립체(3M)가 회전함에 따라, 방출 통로(550)는 외부 지로터 챔버(524)의 내부(558)로부터 외부 지로터(4M) 외부의 영역(554)까지 윤활제(534)를 연통시킬 수 있다.
또한, 지로터 조립체(1M)는 적어도 기체가 기체 입구 포트(528)를 통해 수용되는 외부 지로터 챔버(524)의 제2 부분(558)으로부터 윤활제(534)를 포함하는 외부 지로터 챔버(524)의 제1 부분(556)을 사실상 분리 또는 밀봉하도록 작동 가능한 시일 플레이트(552)를 포함할 수 있다. 이런 방식에서, 윤활제(534)는 기체 입구 포트(528)를 통해 외부 지로터 챔버(524)의 제1 부분(556)에 도입하는 기체와 혼합되는 것이 억제된다. 본 실시예의 장점은 기체가 사실상 윤활제의 제약을 받지 않는다는 것이다.
도57a 및 도57b는 도56의 선 B-B를 따라 취한 동기 시스템(7M)의 2개의 예시적인 단면을 도시하고 있다. 도57a는 동기 시스템(7M)의 외부 지로터부(8M) 내에 배치된 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)의 일부를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 내부 지로터부(9M)는 복수의 돌출부 또는 선단(560)을 구비한 별 형상을 포함하고, 외부 지로터 챔버(524)의 제2 부분(558)은 외부 지로터부(8M)의 주연부에 근접하여 위치된 복수의 노치(562)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 외부 지로터부(8M)는 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558) 내에 도입된 윤활제(534)가 외부 지로터 챔버(524)로 빠져나가는 것을 허용하도록 작동 가능한 방출 통로(550)를 포함한다. 예컨대, 윤활제(534)는 내부 지로터부(9M)의 중심부(564) 내로 도입되고, [예컨대, 내부 지로터(6M)의 회전에 의해 발생된 원심력에 의해서와 같이] 진입 통로(532)를 따라 외향으로 이동하고, 외부 지로터 챔버(524)의 제2 부분(558) 내로 도입되고, 방출 통로(550)를 통해 외부 지로터부(9M)로 방출된다. 어떤 실시예에서는, 도57a 및 도57b에 도시된 바와 같이, 방출 통로(550)는 외부 지로터 챔버(524) 내에 노치(562)에 근접하게 위치될 수 있다. 이런 실시예에서는, 하나 이상의 노치(562)가 방출 통로(550) 내로 개방된 방출 개구부(566)를 포함할 수 있다.
도57b는 도57a에 도시된 실시예의 일 변형예를 도시하고 있다. 도57b에 도시된 바와 같이, 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)는 중심(568)과 중심(568)에서 외향으로 돌출된 복수의 아암(570)을 포함하는 십자가 형상을 포함한다. 각 아암(570)은 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558)의 노치(562) 내에 끼워지도록 형상 및/또는 크기가 정해지는 선단(572)을 포함한다. 각각의 팁(572)은 진입 통로(532)가 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558) 내로 윤활제를 연통하도록 허용하는 하나 이상의 개구부(574)를 포함할 수 있다. 도57b에 도시된 실시예의 장점은 외부 지로터 챔버(524)의 제2부(558) 내에서 기체 압축으로 인한 손실이 보다 적은 것이다.
도58 내지 도63은 내부 지로터 및 외부 지로터의 정렬 및/또는 적절한 회전을 보장 및/또는 제어하는 정렬 가이드 및/또는 하나 이상의 정렬 부재를 구비하는 동기 시스템을 포함하는 지로터 장치의 다양한 실시예를 도시한다. 이러한 실시예의 장점은 접촉점에서 하중을 감소시키는 두 개의 정렬 표면을 제공할 수 있다는 것이다.
도58은 하우징(2N)을 포함하는 지로터 장치(1N), 외부 지로터(4N)를 포함하는 외부 지로터 조립체(3N), 내부 지로터(6N)를 포함하는 내부 지로터 조립체(5N), 및 동기 시스템(7N)의 실시예를 도시한다. 본 명세서에서 논의된 다른 다양한 지로터 장치와 유사하게, 지로터 장치(1N)는 특정 실시예에 따라 압축기 및/또는 팽창기로서 기능을 하도록 설계될 수 있다. 내부 지로터(6N)는 외부 지로터(4N)와 함께 압축기 또는 팽창기 기능을 제공하도록 기능할 수 있지만, 반면에 동기 시스템(7N)은 내부 지로터(6N) 및 외부 지로터(4N)를 동기화시키도록 사용될 수 있다.
동기 시스템(7N)은 도56, 57a 및 57b를 참조로 상기 기술된 바와 같이 외부 지로터부(8N) 및 내부 지로터부(9N)를 포함한다. 외부 지로터부(8N)는 복수의 정렬 가이드(580)를 포함하고, 내부 지로터부(9N)는 정렬 가이드(580)와 정렬되어 배치된 복수의 정렬 부재(582)를 포함한다. 하나 이상의 정렬 부재(582)는 예컨대 윤활제(534)와 같은 윤활제를 하나 이상의 정렬 가이드(580) 내로 또는 향하여 연통하도록 작동 가능한 정렬 부재 통로(584)를 포함할 수 있다. 도58에 도시된 바와 같이, 각각의 정렬 부재 통로(584)는 내부 지로터(6N)에 형성된 적절한 진입 통로(532)에 결합될 수 있어서, 윤활제(534)는 내부 지로터 조립체(5N)로 유입되고, [예컨대, 내부 지로터(6N)에 의해 발생된 원심력으로 인한 것처럼] 정렬 부재(582)를 향해 이동하며, 외부 지로터(4N)에 대한 내부 지로터(6N)의 회전 도중에 정렬 부재(582) 및 정렬 가이드(580) 사이에 윤활제를 공급하기 위하여 정렬 가이드(580) 내로 배출할 수 있다. 도58에 도시된 실시예에서, 윤활제(534)는 기체 입구 포트(528)를 통해 외부 지로터 챔버(524) 내로 진입하는 기체를 포함하는 외부 지로터 챔버(524) 내의 기체들과 접촉 및/또는 혼합할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 외부 지로터 챔버(524)는 사실상 밀폐되어 외부 지로터 챔버(524) 내로 유입되는 적어도 일부의 윤활제(534)가 적어도 일시적으로 외부 지로터 챔버(524) 내에 포함된다.
도59a는 내부 지로터부(9N)로부터 분리되어 도시된 외부 지로터부(8N)를 구비하고, 도58에 도시된 C-C선을 따라 취한 동기 시스템(7N)의 일부의 전개 단면도를 도시한다. 내부 지로터부(9N)는 내부 지로터부(6N)와 적어도 부분적으로 일체가 될 수 있다. 도59b는 (도58에 도시된 것처럼) 작업 중 조립된 도59a에 도시된 외부 지로터부(8N) 및 내부 지로터부(9N)의 일부의 측면도를 도시한다.
도59a 및 도59b에 도시된 바와 같이, 정렬 가이드(580)는 정렬 트랙(586)을 포함할 수 있고, 정렬 부재(582)는 내부 지로터 조립체(5N)가 외부 지로터 조립체(3N)에 대해 회전할 때 정렬 트랙(586)을 따라 이동하도록 작동 가능한 노브 장치(588)를 포함할 수 있다. 노브 장치(588)는 노브, 돌출부 또는 동기 시스템(7N)의 내부 지로터부(9N)에 고정 결합된 다른 적절한 부재를 포함할 수 있어서, 노브 장치(588)는 내부 지로터부(9N)에 대하여 회전하지 않는다. 대체 실시예에서, 도60 내지 도62에 도시된 바와 같이, 노브 장치(588)는 내부 지로터부(9N)에 회전식으로 결합된 휘일 장치를 포함할 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 각 정렬 부재(582), 또는 노브 장치(588)는 정렬 트랙(586)을 향하여 또는 트랙 내로 유체를 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 정렬 부재 통로(584)를 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 윤활제(534)는 노브 장치(588) 및 정렬 트랙(586) 사이의 마찰을 감소하기 위하여 내부 지로터 진입 통로(532)를 따라 정렬 부재 통로(582)를 통해 정렬 가이드(532)로 외향 이동할 수 있다.
정렬 트랙(586)은 내부 표면(594) 및 외부 표면(596)에 의해 적어도 일부 한정되고, 도59a에 도시된 실시예에서 복수의 정렬 가이드 노치(598)를 포함할 수 있고, 정렬 트랙(586)의 폭은 정렬 트랙(586)의 주연부 주위로 적어도 대체로 균일하다. 대체 실시예에서, 예컨대 도59c 및 도59d에 도시된 실시예와 같이 정렬 트랙(586)은 하나 이상의 브레이크를 포함하거나 대체로 비균일한 폭을 가질 수 있다.
외부 지로터부(8N)는 윤활제(534)와 같은 윤활제가 정렬 트랙(586)에서 방출되는 것을 허용하도록 작동 가능한 하나 이상의 방출 통로(592)를 포함할 수 있다. 방출 통로(592)가 도58에 도시되지 않지만 도59a 및 도59b에 도시되었다는 것을 알아야 한다. 도59a에 도시된 바와 같이, 방출 통로(592)는 정렬 트랙 노치(598)에 인접하여 배치될 수 있다. 작업시, 정렬 부재 통로(584)를 통해 정렬 트랙(586)에 진입하는 윤활제(534)는 방출 통로(592)를 통해 정렬 트랙(586)으로부터 제거될 수 있다.
도59c는 본 발명의 대체 실시예에서 내부 지로터부(9N)로부터 분리되어 도시된 외부 지로터부(8N)를 구비하고, 도58에 도시된 C-C선을 따라 취한 동기 시스템(7N)의 일부의 전개 단면도이다. 상기 논의된 바와 같이, 내부 지로터부(9N)는 내부 지로터(6N)와 적어도 부분적으로 일체가 될 수 있다.
도59c에 도시된 바와 같이, 정렬 트랙(586)은 단속적이거나, 하나 이상의 브레이크(600)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 정렬 부재(582)가 정렬 트랙(586)을 따라 이동할 때, 정렬 부재는 정렬 트랙(586) 내의 노치에 배치된 때 회전 토크를 제공할 수 있다. 정렬 부재(582)가 노치(598) 내에 배치된 때, 정렬 부재(582) 및 정렬 트랙(586)의 상대 운동이 비교적 작고, 따라서, 둘 사이의 마찰도 비교적 작을 수 있다. 반대로, 정렬 부재(582)가 정렬 트랙(586)의 골부에 근접할 때, 정렬 부재(582)는 회전 토크를 거의 제공하지 않지만, 정렬 트랙(586)과 정렬 부재(582)의 상대 운동이 비교적 크기 때문에, 둘 사이의 마찰도 비교적 크다. 따라서, 도59c에 도시된 단속적인 정렬 트랙(586)은 정렬 트랙(586)의 골부를 제거하는데, 그러한 골부가 거의 유용한 기능을 제공하지 하고 마찰 손실에 기여하기 때문이다.
도59d는 본 발명의 다른 대체 실시예에서 내부 지로터부(9N)로부터 분리되어 도시된 외부 지로터부(8N)를 구비하고, 도58에 도시된 C-C선을 따라 취한 동기 시스템(7N)의 일부의 전개 단면도이다. 도59d에 도시된 바와 같이, 정렬 트랙(586)은 정렬 트랙(586) 주연부 둘레에 비교적 불균일한 폭을 포함한다. 특히, 정렬 트랙(586)의 폭은 정렬 트랙(586)의 노치(598)보다 정렬 트랙(586)의 골부에 훨씬 더 근접할 수 있다. 이런 방식으로, 정렬 부재(582)가 정렬 트랙(586)의 골부에 인접하게 배치되어 도59c를 참조로 상기 논의한 바와 같이 둘 사이의 마찰을 감소시킬 때, 정렬 부재(582)는 정렬 가이드와의 접촉이 억제될 수 있다.
도60a 및 도60b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동기 시스템(7N)의 예를 도시한다. 도60a는 도59a, 도59c 및 도59d에 도시된 것과 유사한 전개 단면도를 도시하는 반면에, 도60b는 도59b의 것과 유사한 부분 측면도를 도시한다. 본 실시예에서, 정렬 부재(582)는 페그 또는 샤프트에 의해서와 같이 시스템의 내부 지로터부(9N)에 회전식으로 결합된 롤러 또는 휘일(604)을 포함할 수 있다. 도60b에 도시된 바와 같이, 각각의 롤러(602)는 베어링(606)의 도움으로 회전한다. 롤러는 중량을 줄이기 위해 중공이 될 수 있다. 롤러(602)가 정렬 트랙(586)을 따라 이동할 때, 롤러(602)는 내부 지로터부(9N)에 대하여 회전하도록 작동 가능하다. 도60a에 도시된 바와 같이, 정렬 트랙(586)은 내부 표면(608) 및 외부 표면(610)에 의해 적어도 일부 한정될 수 있다. 롤러(602)가 정렬 트랙(586)을 따라 이동할 때, 개별 롤러(602)는 정렬 트랙(586)의 다양한 위치에서 내부 표면(608) 및/또는 외부 표면(610)을 따라 회전할 수 있다. 롤러(602)는 정렬 부재(582) 및 정렬 가이드(580) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있는데 유리할 수 있다.
도61a 및 도61b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 동기 시스템(7N)의 다른 예를 도시한다. 이 실시예는 정렬 가이드(580)의 내부 표면을 구비하지 않은, 도60a 및 도60b에 도시된 실시예와 유사하다. 그러한 형상은 유리할 수 있는 롤러(602) 및 정렬 가이드(580)의 내부 표면 사이의 마찰을 제거할 수 있다.
도62a, 도62b 및 도62c는 도56에 도시된 실시예에 대하여 보여지는 동기 시스템(7M)의 실시예를 도시한다. 도56에 관해 상기 언급된 바와 같이, 지로터 장치(1M)는 하우징(2M), 외부 지로터(4M)를 포함하는 외부 지로터 조립체(3M), 내부 지로터(6M)를 포함하는 내부 지로터 조립체(5M), 및 동기 시스템(7M)을 포함한다. 동기 시스템(7M)은 외부 지로터부(8M) 및 내부 지로터부(9M)를 포함한다.
도56에 관해 상기 언급된 바와 같이, 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)는 일반적으로 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558) 내에 배치된다. 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558)은 복수의 노치(614) 및 내주연부면(616)을 포함할 수 있다.
내부 지로터부(9M)는 중심 구역(618) 및 중심 구역(618)으로부터 외향 연장되는 복수의 돌출부(620)를 포함하는 별 형상을 포함할 수 있다. 노브 장치(622)는 내부 지로터부(9M)의 돌출부(620)의 각각에 결합된다. 도62a, 도62b 및 도62c에 도시된 실시예에서, 노브 장치(622)는 각 돌출부(620)에 회전식으로 결합된 롤러 장치를 포함한다. 그러나, 대체 실시예에서, 노브 장치(622)는 내부 지로터부(9M)에 고정 결합된 다른 적절한 유형의 장치를 포함할 수 있다.
노브 장치(622)는 외부 지로터 챔버(524)의 노치(614) 내에 일반적으로 끼워지도록 크기 및/또는 형상이 될 수 있다. 노브 장치(622)는 내부 지로터 조립체(5M)가 외부 지로터 조립체(6M)에 대하여 회전할 때 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558)의 내주연부면(616)을 따라 접촉 및/또는 굴러갈 수 있다. 지로터 장치(1M)는 특정 실시예에 따라 압축기 또는 팽창기로서 기능을 하도록 설계될 수 있다.
도62b는 일 실시예에 따라 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)의 돌출부(620)에 회전식으로 결합된 롤러 장치(622)의 측면도를 도시한다. 이런 실시예에서, 돌출부(620)는 돌기(624)를 포함하고, 롤러 장치(622)는 돌기(624)의 대향측에 회전식으로 결합된 제1 롤러(626) 및 제2 롤러(628)를 포함한다. 돌기(624)는 외부 팁(630)을 포함하고, 롤러 장치(622)는 팁(630) 너머로 연장되어 돌기(624)가 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558)의 내주연부면(616)에 접촉하지 않는다.
도62c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)의 돌출부(620)에 회전식으로 결합된 롤러 장치(622)의 측면도를 도시한다. 이 실시예에서, 돌출부(620)는 선단 팁(636)을 포함할 수 있고, 롤러 장치(622)는 선단 팁(636) 너머로 연장되어 돌출부(620)가 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(558)의 내주연부면(616)에 접촉하지 않는다.
도63은 윤활제가 동기 시스템의 정렬 부재 및 정렬 가이드 사이에 유입될 수 있고 지로터 장치(1Q) 내로 유입되는 기체로부터 적어도 실질적으로 분리되어 유지될 수 있는 지로터 장치(1Q)의 다른 실시예를 도시한다. 지로터 장치(1Q)는 하우징, 외부 지로터(4Q)를 포함하는 외부 지로터 조립체(3Q), 내부 지로터(6Q)를 포함하는 내부 지로터 조립체(5Q), 및 동기 시스템(7Q)을 포함한다. 동기 시스템(7Q)은 외부 지로터부(8Q) 및 내부 지로터부(9Q)를 포함한다.
내부 지로터(6Q)는 외부 지로터 챔버(524)의 제1 섹션(642) 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 반면에 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9M)는 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션(646) 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 동기 시스템(7M)의 외부 지로터부(8Q)는 하나 이상의 정렬 가이드(580)를 포함하고, 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9Q)는 정렬 가이드(580)와 정렬하여 배치된 하나 이상의 정렬 부재(582)를 포함한다. 내부 지로터(6Q)는 예컨대 윤활제(534)와 같은 윤활제를 동기 시스템(7M)의 내부 지로터부(9Q)를 향하여 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 진입 통로(532)를 포함한다. 정렬 부재(582)는 내부 지로터 진입 통로(532)에 결합되고, 정렬 부재(582) 및 정렬 가이드(580) 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 정렬 가이드(580) 내로 유체(534)를 연통하도록 작동 가능한 정렬 부재 통로(584)를 포함할 수 있다.
동기 시스템(7M)의 외부 지로터부(8Q)는 외부 지로터 조립체(3Q)로부터 빠져 나오거나 유출하기 위하여 외부 지로터 챔버(524)의 제2 섹션 내에 윤활제가 존재하도록 작동 가능한 하나 이상의 방출 통로(592)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 외부 지로터 조립체(3Q)는 외부 지로터 챔버(524)의 제1 및 제2 섹션(642, 646)을 적어도 실질적으로 분리시키도록 작동 가능한 시일 플레이트와 같은 차폐부 또는 시일(628)을 포함한다. 이런 방식으로, 시일 플레이트(628)는 제2 섹션(646)으로 유입된 윤활제(534)가 제1 섹션(642)으로 진입하여 기체 입구 포트(526)를 통해 제1 섹션(642)에 진입하는 기체와 접촉 및/또는 혼합하는 것을 사실상 방지하도록 작동 가능하다.
도64a는 하이포사이클로이드에 기초한 형상을 갖는 내부 지로터(6R)의 실시예를 도시한다. 내부 지로터(6R)는 하이포사이클로이드 형상(652)을 적어도 일부 기초한 단면 형상(650)을 포함한다. 도64a에 도시된 실시예에서, 내부 지로터(6R)의 단면 형상(650)은 복수의 만곡된 팁(654)을 갖는 하이포사이클로이드로부터 대체로 균일한 오프셋을 포함한다. 도64a에 도시된 실시예의 장점은 내부 및 외부 지로터가 단일 단계에서 높은 압축률을 달성할 수 있다는 점이다.
도64b는 예컨대 하이포사이클로이드 형상(652)과 같은 하이포사이클로이드 형상을 방생시키는 방법을 도시한다.
도65a는 에피사이클로이드에 적어도 부분적으로 기초한 형상을 갖는 내부 지로터(6S)의 실시예를 도시한다. 내부 지로터(6S)는 에피사이클로이드 형상(658)을 적어도 일부 기초한 단면 형상(656)을 포함한다. 예컨대, 도65a에 도시된 바와 같이, 내부 지로터(6S)의 단면 형상(656)은 에피사이클로이드 형상(658)으로부터 대체로 균일한 오프셋과 복수의 만곡된 돌기(660)를 포함한다. 도65a에 도시된 실시예의 장점은 작은 수의 치가 채택될 때, 큰 체적 용량을 갖는 것이다.
도65b는 예컨대 에피사이클로이드(658)와 같은 에피사이클로이드 형상을 발생시키는 방법을 도시한다.
도66 내지 도74는 하나 이상의 엔진 기능을 수행하도록 함께 작동하는 한 쌍의 지로터를 포함하는 엔진 시스템의 실시예를 도시한다. 도66 내지 도74에 도시된 각각의 실시예는 지로터 장치 쌍이 팽창기 및 압축기를 포함하도록 기재되었지만, 대체 실시예에서 지로터 장치 쌍은 한 쌍의 팽창기 또는 한 쌍의 압축기를 포함할 수 있다. 게다가, 대체 실시예에서, 엔진 시스템의 요소는 임의의 수의 상호 관계가 있는 팽창기, 압축기 또는 그 임의의 조합을 포함할 수 있다. 도66 내지 도74에 도시된 실시예의 장점은 콤팩트화이다.
도66a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템(700A)을 도시한다. 엔진 시스템(700A)은 팽창기(704A)와 적어도 부분적으로 일체로 되고 하우징(706A) 내에 적어도 부분적으로 배치된 압축기(702A)를 포함한다. 압축기(702A)는 압축기 외부 지로터(708A) 및 압축기 내부 지로터(710A)를 포함한다. 유사하게, 팽창기(704A)는 팽창기 외부 지로터(712A) 및 팽창기 내부 지로터(714A)를 포함한다. 도66A에 도시된 바와 같이, 압축기 외부 지로터(708A) 및 팽창기 외부 지로터(712A)는 외부 지로터 조립체(716A) 내에 적어도 부분적으로 일체로 될 수 있다. 유사하게, 압축기 내부 지로터(710A) 및 팽창기 내부 지로터(714A)는 내부 지로터 조립체(718A) 내에 적어도 부분적으로 일체로 될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 외부 지로터 조립체(716A)는 외부 지로터 챔버의 제1 섹션(744)을 외부 지로터 챔버의 섹션(746)으로부터 실질적으로 분리하는 시일 플레이트와 같은 차폐부 또는 시일(720A)을 포함한다. 이런 방식으로, 시일(720A)은 압축기(702A)를 팽창기(704A)로부터 실질적으로 분리할 수 있다.
도66a에 도시된 바와 같이, 내부 지로터(718A)는 하우징(706A)에 회전식으로 결합될 수 있는 내부 지로터 샤프트(722A)에 고정 결합될 수 있다. 예컨대, 도66a에 도시된 실시예에서, 샤프트(722A)는 제1 베어링(724A) 및 제2 베어링(726A)에 의해 하우징(706A)에 회전식으로 결합된다. 유사하게, 외부 지로터 조립체(716A)는 하우징(706A)에 회전식으로 결합될 수 있다. 예컨대, 외부 지로터 조립체(716A)는 제3 베어링(728A) 및 제4 베어링(730A)에 의해 하우징(706A)에 회전식으로 결합될 수 있다. 이런 방식으로, 내부 지로터 조립체(714A) 및 외부 지로터(716A)는 압축기(702A) 및 팽창기(704A)의 기능을 수행하기 위해 하우징(706A)에 대하여 회전할 수 있다.
도66a에 도시된 바와 같이, 엔진 시스템(700A)은 기체가 압축기(702A)로 유입 및 유출하도록 허용하는 제1 밸브 플레이트(732A)와 기체가 팽창기(704A)로 유입 및 유출하도록 허용하는 제2 밸브 플레이트(734A)를 포함한다. 제1 밸브 플레이트(732A)는 압축기 기체 입구 포트(736A) 및 압축기 기체 출구 포트(738A)를 포함한다. 압축기 기체 입구 포트(736A)는 기체가 제1 압력에서 압축기(702A)에 진입하도록 허용한다. 그리고 나서, 이러한 기체는 압축기 기체 출구 포트(738A)를 통해 압축기로부터 방출 또는 배출되기 전에 압축기 외부 지로터(708A)에 대한 압축기 내부 지로터(710A)의 회전에 의해 압축된다.
유사하게, 제2 밸브 플레이트(734A)는 팽창기 기체 입구 포트(740A) 및 팽창기 기체 출구 포트(742A)를 포함한다. 팽창기 기체 입구 포트(740A)는 기체가 팽창기(704A)에 진입하도록 허용한다. 이러한 기체는 팽창기 유출 포트(742A)를 통해 팽창기(704A)로부터 유출 또는 배출되기 전에 팽창기 내부 지로터(714A)가 팽창기 유출 지로터(712A)에 대하여 회전할 때 팽창기(704A) 내로 팽창한다. 팽창기(704A) 내의 이러한 기체의 팽창은 내부 지로터 조립체(718A) 및/또는 외부 지로터 조립체(716A)의 회전을 적어도 부분적으로 구동할 수 있다.
도66b는 도66a에 도시된 C-C선을 따라 취한 압축기(702A)의 단면을 도시하고, 반면에 도66C는 도66A에 도시된 D-D선을 따라 취한 팽창기(704A)의 단면을 도시한다. 도66b에 도시된 바와 같이, 압축기(702A)는 압축기 외부 지로터(708A)의 외부 지로터 챔버(744) 내에 실질적으로 배치된 압축기 내부 지로터(710A)를 포함한다. 유사하게, 도66c에 도시된 바와 같이, 팽창기(704A)는 팽창기 외부 지로터(712A)의 외부 지로터 챔버(746) 내에 실질적으로 배치된 팽창기 내부 지로터(714A)를 포함한다. 도66b 및 도66c에 도시된 실시예에서, 압축기 내부 지로터(710A)는 윤활제(534)와 같은 윤활제를 외부 지로터 챔버(744) 내로 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 진입 통로(748)를 포함하고, 반면에 팽창기 내부 지로터(714A)는 윤활제를 외부 지로터 챔버(746) 내로 연통시키기 위한 그런 진입 통로를 포함하지 않는다. 이런 형상은 윤활제가 압축기 외부 지로터(708A)의 외부 지로터 챔버(744)를 통해 이동하는 비교적 낮은 온도의 기체와 접촉 및/또는 혼합하는 것이 바람직하거나 허용 가능하지만, 윤활제가 팽창기 외부 지로터(712A)의 외부 지로터 챔버(746)를 통해 이동하는 비교적 높은 온도의 기체와 접촉 및/또는 혼합하는 것은 바람직하지 못하거나 허용 가능하지 않은 실시예에서 적절할 수 있다. 그러나, 대체 실시예에서, 압축기 내부 지로터(710A) 및 팽창기 내부 지로터(714A) 양쪽 또는 어느 쪽도 외부 지로터 챔버(744 또는 746) 내로 윤활제를 유입시키는 진입 통로를 포함할 수 없다.
도67은 압축기(704B)와 적어도 부분적으로 일체로 된 압축기(702B)를 포함하는 엔진 시스템(700B)의 다른 실시예를 도시한다. 엔진 시스템(700B)은 도66a에 도시된 엔진 시스템(700A)과 유사하지만, 그러나, 엔진 시스템(700B)에서 외부 지로터 조립체(716B)를 하우징(706B)에 회전식으로 결합시키는 제3 베어링(728B) 및 제4 베어링(730B)이 압축기(702B) 및 팽창기(704B) 사이에 내향으로 배치된다. 이런 형상은 외부 지로터 조립체(716A, 716B)의 외경이 동일하다고 가정하면 도66a에 도시된 하우징(706A)과 비교된 바와 같이 하우징(706B)의 감소된 외경 또는 외주연부를 허용할 수 있다. 게다가, 도67에 도시된 제3 및 제4 베어링(728B, 730B)의 직경이 도66a에 도시된 제3 및 제4 베어링(728A, 730A)의 직경보다 통상적으로 작기 때문에, 엔진 시스템(700B)의 형상은 도66a에 도시된 엔진 시스템(700A)의 형상보다 높은 회전 속도 응용예에 보다 적절할 수 있다. 도67에 도시된 C-C선 및 D-D선을 따라 취한 엔진 시스템(700B)의 단면은 몇몇 실시예에서 각각 도66b 및 도66c에 도시된 단면에 의해 대표될 수 있다는 것을 알아야 한다.
도68a는 외부 지로터 조립체(716D), 내부 지로터 조립체(718D), 및 외부 지로터 조립체(716D)에 대한 내부 지로터 조립체(718D)의 회전을 제어하고 및/또는 외부 지로터 조립체(176D)에 대한 내부 지로터 조립체(718D)를 물리적으로 정렬하도록 작동 가능한 동기 시스템(760D)을 포함하는 엔진 시스템(700D)의 실시예의 측면도를 도시한다. 도68a에 도시된 바와 같이, 엔진 시스템(700D)은 동기 시스템(760D)의 추가한 도66a에 도시된 엔진 시스템(700A)과 유사할 수 있다.
동기 시스템(760D)은 구동 플레이트(762D), 캠 플레이트(764D) 및 정렬 플레이트(766D)를 포함한다. 캠 플레이트(764D)는 하나 이상의 정렬 가이드(768D)를 포함한다. 정렬 플레이트(768D)는 캠 플레이트(764D)의 정렬 가이드(768D)와 정렬되어 배치된 노브, 롤러 또는 페그와 같은 하나 이상의 정렬 부재(770D)를 포함한다. 정렬 가이드(768D) 및 정렬 부재(770D)는 내부 지로터 조립체(718D)가 외부 지로터 조립체(716D)에 대해 회전할 때 내부 지로터 조립체(718)가 외부 지로터 조립체(716D)와 정렬되어 유지되도록 설계 및 배치될 수 있다. 대체 실시예에서, 동기 시스템(760D)은 상기 실시예에서 기재된 것과 같은 기어를 포함할 수 있다.
또한, 도68a에 도시된 바와 같이, 캠 플레이트(764d)는 하나 이상의 노치 또는 홈(772D)을 포함한다. 구동 플레이트(762D)는 캠 플레이트(764D)와 정합될 때 노치(772D)에 배치된 노브, 롤러, 페그와 같은 하나 이상의 구동 부재를 포함한다. 도68c를 참조하여 하기된 바와 같이, 노치(772D) 및 구동 부재(774D)는 구동 플레이트(762D) 및/또는 캠 플레이트(764D)의 열팽창 및 수축이 가능하도록 설계될 수 있다. 도68a에 되지 않았으나, 구동 플레이트(762D)는 구동 플레이트(762D)의 회전이 적어도 부분적으로 제어될 수 있도록 작동 가능한 구동 기구에 결합될 수 있다. 구동 플레이트(762D)의 구동 부재(774D)는 구동 플레이트(762D)가 캠 플레이트(764D)의 회전을 적어도 부분적으로 제어할 수 있도록 캠 플레이트(764D)의 노치(772D)에 끼워진다.
도68b는 도68a에 도시된 선 J-J를 따라 취한 엔진 시스템(700D)의 단면도를 도시한다. 다시 말해, 도68b는 압축기(702D)와 팽창기(704D)의 단면도를 도시한다.
도68c는 도68a에 도시된 선 A-A를 따라 취한 동기 시스템(760D)의 다양한 구성요소에 대한 단면도를 도시한다. 상기한 바와 같이, 캠 플레이트(764D)는 정렬 트랙 및 예로써, 캠 플레이트(764D)의 주연부 주위에 배치된 복수의 노치(772D)와 같은 정렬 가이드(768D)를 포함한다. 또한, 캠 플레이트(764D)는 윤활제를 정렬 가이드(768D)로부터 멀리 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 방출 통로(776)를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 페그 플레이트(766D)는 복수의 정렬 부재(770D)들을 포함한다. 또한, 페그 플레이트(766D)는 정렬 부재(770D)와 정렬 가이드(768D) 사이의 마찰을 감소시키도록 예로써, 윤활유(534)와 같은 윤활제를 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 진입 통로(778)를 포함한다.
구동 플레이트(762D)는 일반적으로 캠 플레이트(764D)의 노치(772D)들 내에 끼워지도록 작동 가능한 복수의 구동 부재(774D)들을 포함한다. 구동 부재(774D) 및 노치(772D)의 구성을 사용함으로써, 구동 플레이트(762D) 및/또는 캠 플레이트(764D)는 예로써, 열적 변화에 의한 팽창 및/또는 수축을 할 수 있다. 또한, 도68C는 캠 플레이트 노치(772D) 및 구동 부재(774D)들의 다른 두 가지 예의 구성을 도시한다. 상기 다른 예에서, 노치(772D)들은 캠 플레이트(764D)의 임의의 적절한 위치에 놓여질 수 있다. 또한, (도시 생략된) 다른 실시예에서, 구동 플레이트(762)는 노치(772D)들과 유사한 노치들을 포함할 수 있으며, 캠 플레이트(764D)는 구동 부재(774D)와 유사한 구동 부재를 포함할 수 있다.
도68a, 68b 및 68c에 도시된 실시예의 장점은 윤활유가 압축기와 팽창기를 통해 유동하는 기체로부터 격리된다는 것이다.
도69는 엔진 시스템(700E)의 다른 실시예를 도시한다. 엔진 시스템(700E)은 도68a에 도시된 엔진 시스템(700D)과 유사하지만, 엔진 시스템(700E)의 제3 베어링(728E) 및 제4 베어링(730E)이 도68a에 도시된 제3 베어링(728D) 및 제4 베어링(730D)과 비교하여 압축기(702E)와 팽창기(704E)의 내부와 사이에 배치된다. 도67에 도시된 엔진 시스템(700B)의 제3 베어링(728B) 및 제4 베어링(730B)에 대해 설명한 바와 같이, 엔진 시스템(700E)의 제3 베어링(728E) 및 제4 베어링(730E)의 직경이 엔진 시스템(700D)의 제3 베어링(728D) 및 제4 베어링(730D)의 직경보다 작을 수 있기 때문에, 엔진 시스템(700E)의 구성은 엔진 시스템(700D)의 구성보다 고속 회전 적용예에 있어 더욱 적절하고 바람직하다. 또한, 제3 베어링(728E) 및 제4 베어링(730E)이 외부 지로터 조립체(716E)의 외주연부로부터 내향으로 위치되기 때문에, 하우징(706E)은 외부 지로터 조립체(716D, 716E)들이 동일한 직경을 갖는 것을 고려할 때 하우징(706D)보다 작은 외경 또는 주연부를 가질 수 있다.
도70a는 압축기(702F) 및 팽창기(704F)의 외주연부 내의 개구부를 통해 기체가 압축기(702F)와 팽창기(704F)로 진입하고 방출되는 압축기(702F)와 팽창기(704F)를 포함하는 엔진 시스템(700F)의 실시예를 도시한다. 상기한 몇몇 실시예들과 유사하게, 엔진 시스템(700F)은 압축기(702F), 팽창기(704F) 및 하우징(706F)을 포함한다. 외부 지로터 조립체(716F)는 압축기 외부 지로터(708F) 및 팽창기 외부 지로터(712F)를 포함한다. 내부 지로터 조립체(718F)는 압축기 내부 지로터(710F)와 팽창기 내부 지로터(714F)를 포함한다.
외부 지로터 조립체(716F)는 외부 지로터 샤프트(790F)를 포함하며, 내부 지로터 조립체(718F)는 내부 지로터 샤프트(792F)를 포함한다. 외부 지로터 샤프트(790F)는 제1 베어링(794F)에 의해 하우징(706F)에 회전식으로 결합되며, 제2 베어링(796F)에 의해 내부 지로터 샤프트(792F)에 회전식으로 결합된다. 내부 지로터 샤프트(792F)는 하우징(706F)에 고정 부착된다. 내부 지로터 샤프트(792F)는 제3 베어링(798F)에 의해 외부 지로터 조립체(716F)에 회전식으로 결합된다. 내부 지로터 조립체(718F)는 제4 베어링(800F) 및 제5 베어링(802F)에 의해 내부 지로터 샤프트(792F)에 회전식으로 결합된다. 이러한 구성에 따라, 외부 지로터 조립체(716F) 및 내부 지로터 조립체(718F)는 서로에 대해 그리고 하우징(706F)에 대해 회전될 수 있다.
상기한 엔진 시스템(700A 내지 700E)과 달리, 엔진 시스템(700F)은 압축기 외부 지로터(708F) 및 팽창기 외부 지로터(712F)의 외주연부의 개구부를 통하여 기체가 압축기(702F)와 팽창기(704F)를 출입하고 방출하도록 구성된다. 제1 밸브 플레이트(804F)를 포함할 수 있는 하우징(706F)의 부분은 압축기 기체 입구 포트(736F)와 팽창기 기체 입구 포트(740F)를 포함한다. 제2 밸브 플레이트(860F)를 포함할 수 있는 하우징(706F)의 다른 부분은 압축기 기체 출구 포트(738F)와 팽창기 기체 출구 포트(742F)를 포함한다.
압축기(702F)에 있어서, 기체는 압축기 기체 입구 포트(736F)를 통해 하우징(706)에 유입하며, (도70b 및 70c에 도시된) 하나 이상의 개구부(808F)를 통해 외부 지로터 챔버(744F)에 유입하여, 압축기 외부 지로터(708F)에 대해 압축기 내부 지로터(710F)에 대해 회전할 때 압축되어, 압축기 외부 지로터(708F)의 하나 이상의 개구부를 통해 외부 지로터 챔버(744F)로부터 방출되며, 압축기 기체 출구 포트(738F)를 통해 하우징(706F)으로부터 방출된다. 일반적으로, 기체는 우선 압축기 기체 입구 포트(736F)에 비교적 저압으로 유입되고, 이후, 압축기 기체 출구 포트(738F)를 통해 비교적 고압으로 방출된다.
팽창기(704F)에 있어서, 기체는 팽창기 기체 입구 포트(740F)를 통해 하우징(706F)에 유입하며, 팽창기 외부 지로터(712F)의 하나 이상의 개구부(810F)를 통해 외부 지로터 챔버(746F)에 유입하여, 팽창기 내부 지로터(714F)가 팽창기 외부 지로터(712F)에 대해 회전할 때 압축되어, 팽창기 외부 지로터(712F)의 하나 이상의 개구부(810F)들을 통해 외부 지로터 챔버(746F)로부터 방출되며, 팽창기 기체 출구 포트(742F)를 통해 하우징(706F)으로부터 방출된다. 일반적으로, 기체는 우선 팽창기 기체 입구 포트(740F)에 비교적 고압으로 유입되고, 이후, 팽창기 기체 출구 포트(742F)를 통해 비교적 저압으로 방출된다.
도70b는 도78의 선 A-A를 따라 취한 압축기(702F)의 단면도를 도시한다. 일반적으로, 압축기 내부 지로터(710F)는 압축기 외부 지로터(708F)의 외부 지로터 챔버(744F) 내에 배치된다. 외부 지로터 챔버(744F)는 압축기 외부 지로터(708F)의 주연부(814F)에 근접하여 배치된 복수의 노치(812F)들을 포함한다. 개구부(808F)들은 기체가 주연부(814F)의 개구부(808F)를 통해 외부 지로터 챔버(744F)를 출입하고 방출되도록 외부 지로터 챔버(744F)의 노치(812F)들과 결합된 주연부(814F)의 개구부들을 포함한다.
하우징(706F)은 압축기 기체 입구 포트(736F)로부터의 기체를 수용할 수 있도록 작동 가능한 제1 입구 개구부(816F)와 외부 지로터 챔버(744F)로부터 수용된 기체를 압축기 기체 출구 포트(738F)를 향해 연통하도록 작동 가능한 제1 출구 개구부(818F)를 포함한다. 제1 입구 개구부(816F) 및 제1 출구 개구부(818F)의 형상, 구성 및/또는 치수는 특정 압축비 또는 압축기(702F)를 통한 기체 이송의 압축비의 범위를 얻기 위해 선택될 수 있다. 압축기 내부 지로터(708F)가 회전함에 따라, 외부 지로터 챔버(744F) 안의 기체는 노치(812F)를 향해 가압되어 적어도 부분적으로는 팽창기 내부 지로터(708F)의 회전에 의해 발생된 원심력으로 인해 개구부(808F)를 통해 제1 입구 개구부(818F)로 가압된다.
압축기 내부 지로터(710F)는 압축기 내부 지로터(710F)와 압축기 외부 지로터(708F) 사이의 마찰을 감소시키기 위해 예로써, 윤활제(534)와 같은 윤활제가 외부 지로터 챔버(744F)에 연통하도록 작동 가능한 하나 이상의 진입 통로(748F)를 포함할 수 있다.
도70c는 도70a에 도시된 선 B-B를 따라 취한 팽창기(704F)의 단면도를 도시한다. 팽창기 외부 지로터(712F)의 외부 지로터 챔버(746F)는 팽창기 외부 지로터(712F)의 주연부(822F)에 인접하게 배치된 복수의 노치(820F)들을 포함한다. 개구부(810F)는 기체가 주연부(822F)의 개구부(810F)들을 통해 외부 지로터 챔버(746F)로 유입되고 방출될 수 있도록 외부 지로터 챔버(746F)의 노치(820F)들에 결합된다.
하우징(706F)은 팽창기 기체 입구 포트(740F)로부터의 기체를 수용하도록 작동 가능한 제2 입구 개구부(824F)와 외부 지로터 챔버(746F)로부터 수용된 기체를 팽창기 기체 출구 포트(742F)를 향해 연통하도록 작동 가능한 제2 출구 개구부(826F)를 포함할 수 있다. 제2 입구 개구부(824F) 및 제2 출구 개구부(826F)의 형상, 구성 및/또는 치수는 특정 팽창비 또는 팽창기(704F)를 통과하는 기체의 팽창비의 범위를 얻기 위해 선택될 수 있다. 압축기 내부 지로터(708F)가 회전함에 따라, 외부 지로터 챔버(744F) 안의 기체는 노치(820F)를 향해 가압되어 적어도 부분적으로는 팽창기 내부 지로터(712F)의 회전에 의해 발생된 원심력으로 인해 개구부(810F)를 통해 제2 출구 개구부(826F)로 가압된다. 또한, (도시 생략된) 몇몇 실시예에서, 팽창기 내부 지로터(714F)는 팽창기 내부 지로터(714F)와 팽창기 외부 지로터(712F) 사이의 마찰을 감소시키기 위해 외부 지로터 챔버(746)로 윤활제를 연통하도록 작동 가능한 [도70b에 도시된 진입 통로(748F)와 같은] 하나 이상의 진입 통로를 포함한다.
도70a, 도70b 및 도70c에 도시된 실시예의 장점은 직경이 제한된 경우 길이를 부가함으로써 용량을 증가시킬 수 있다는 점이다.
도70d는 엔진 시스템(700F)이 압축기(702F)와 팽창기(704F) 모두 보다는 두 개중 하나를 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
도71a는 엔진 시스템(700G)의 다른 실시예를 도시한다. 엔진 시스템(700G)은 압축기(712G), 팽창기(704G), 하우징(706G), 외부 지로터 조립체(716G) 및 내부 지로터 조립체(718F)를 포함한다. 엔진 시스템(700G)은 도10a에 도시된 엔진 시스템(700F)과 유사하지만, 엔진 시스템은(700G)은 내부 지로터 조립체(718G)가 외부 지로터 조립체(716G)에 대해 회전할 때, 외부 지로터 조립체(716G)에 대한 회전을 제어하고 그리고/또는 내부 지로터 조립체(718G)와 정렬되도록 작동 가능한 동기 시스템(760G)을 부가적으로 포함한다. 동기 시스템(760G)은 도68a 및 도68c를 참조하여 상기 설명된 동기 시스템(760D)과 유사할 수 있다. 특히, 동기 시스템(760G)은 캠 플레이트(764G) 및 정렬 플레이트(766G)를 포함한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 동기 시스템(760G)은 도68a 및 도68c를 참조하여 상기 설명된 구동 플레이트(762D)와 유사한 구동 플레이트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 동기 시스템(760G)은 상기한 실시예에서 설명된 바와 같은 기어를 포함할 수 있다.
도71b는 도71a의 선 A-A를 따라 취한 캠 플레이트(764G) 및 정렬 플레이트(766G)의 확대 단면도를 도시한다. 도71a의 선 H-H와 선 I-I를 따라 취한 압축기(702G)와 팽창기(704G)의 단면도는 각각 도 70b와 70c에 도시된 압축기(702F)와 팽창기(704F)의 단면과 유사하거나 동일할 수 있다.
도72는 압축기(702H), 팽창기(704H) 및 동기 시스템(760H)을 포함하는 엔진 시스템(700H)의 다른 실시예를 도시한다. 엔진 시스템(700H)은 도71a에 도시된 엔진 시스템(700G)과 유사하지만, 엔진 시스템(700H)의 동기 시스템(760H)이 압축기(702H)와 팽창기(704H) 사이에 배치되기보다는 압축기(702H)와 팽창기(704H)의 제1 측면 상에 배치된다. 도72에 도시된 각각의 선 H-H와 선 I-I를 따라 취한 압축기(702H) 및 팽창기(704H)는 각각 도70b 및 도70c에 도시된 압축기(702F) 및 팽창기(704F)의 단면과 유사하거나 동일할 수 있다. 또한, 도72에 도시된 선 A-A를 따라 취한 동기 시스템(760H)의 단면은 도 71b에 도시된 동기 시스템(760G)의 단면 또는 도68c에 도시된 동기 시스템(760D)의 단면과 유사하거나 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 동기 시스템은 상기한 도면에서 설명되는 바와 같은 기어를 포함할 수 있다.
도73은 압축기(702J), 팽창기(704J) 및 동기 시스템(760J)을 포함하는 엔진 시스템(700J)의 다른 실시예를 도시한다. 엔진 시스템(700J)은 도72에 도시된 엔진 시스템(700H)과 유사하지만, 엔진 시스템(700H)의 동기 시스템(760H)의 위치와 비교할 때, 엔진 시스템(700J)의 동기 시스템(760J)이 압축기(702J)와 팽창기(704J)의 대향 측에 배치된다.
도74는 각각 도71a, 72 및 73에 도시된 엔진 시스템(700G, 700H 및 700J)과 비교하여 상이한 베어링과 샤프트의 구성을 갖는 엔진 시스템(700K)의 다른 실시예를 도시한다. 도74에 도시된 바와 같이, 엔진 시스템(700K)은 외부 지로터 조립체(716K), 내부 지로터 조립체(718K) 및 내부 지로터 샤프트(792K)를 포함한다. 내부 지로터 조립체(718K)는 내부 지로터 샤프트(792K)에 고정 결합되며, 제1 베어링(830K) 및 제2 베어링(832K)에 의해 하우징(706K)에 회전식으로 결합된다. 외부 지로터 조립체(716K)는 제3 베어링(834K) 및 제4 베어링(836K)에 의해 하우징(706K)에 회전식으로 결합된다. 이러한 방식으로, 내부 지로터 조립체(718K) 및 지로터 조립체(716K)는 서로에 대해 그리고 하우징(706K)에 대해 회전될 수 있다. 또한, 엔진 시스템(700K)은 예로써, 동기 시스템(760D)을 참조하여 설명한 바와 같이 내부 지로터 조립체(718K)와 외부 지로터(716K)를 동기화하고 정렬하도록 작동 가능한 동기 시스템(760K)을 포함한다. 도74에 도시된 바와 같이, 동기 시스템(760K)은 캠과 페그를 포함한다. 또한, 상기 도면들에서 설명된 바와 같이 기어를 포함할 수 있다.
도75a는 압축기 및/또는 팽창기를 포함할 수 있는 지로터 장치(1L)를 포함한 엔진 시스템(700L)의 다른 실시예를 도시한다. 지로터 장치(1L)가 압축기(702L)를 포함하는 도75a에 도시된 실시예를 고려함에 있어서, 엔진 시스템(700L)은 외부 지로터(708L)와 외부 지로터 샤프트(790L)를 포함하는 외부 지로터 조립체(716L)와, 내부 지로터(710L)와 내부 지로터 샤프트(792L)를 포함하는 내부 지로터 조립체(718L)를 포함한다.
또한, 엔진 시스템(700L)은 기체가 압축기(702L)로 유입되고 방출되게 하는 압축기 기체 입구 포트(736L) 및 압축기 기체 출구 포트(738L)를 포함하는 하우징을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 압축기 기체 입구 포트(736L) 및 압축기 기체 출구 포트(738L)는 하우징(706L)과 일체가 될 수 있고 또는 결합될 수 있는 각각의 제1 밸브 플레이트(804L) 및 제2 밸브 플레이트(806L)에 형성될 수 있다. 내부 지로터 샤프트(792L)는 제1 베어링(830L) 및 제2 베어링(832L)에 의해 하우징(706L)에 회전식으로 결합된다. 외부 지로터 샤프트(790L)는 제3 베어링(834L) 및 제4 베어링(834L)에 의해 하우징(706L)에 회전식으로 결합된다. 이러한 방식으로, 내부 지로터 조립체(718L) 및 외부 지로터 조립체(716L)는 서로에 대해 그리고 하우징(706L)에 대해 회전될 수 있다.
또한, 엔진 시스템(700L)은 내부 지로터 조립체(718L) 및 외부 지로터 조립체(716L)를 동기 및 정렬하도록 작동될 수 있는 동기 시스템(706L)을 포함할 수 있다. 압축기 외부 지로터(708L)는 외부 지로터 챔버(744L)를 포함한다. 또한, 압축기 외부 지로터(708L)는 기체가 외부 지로터 챔버(744L)에 유입하고 챔버로부터 방출될 수 있도록 작동 가능한 압축기 외부 지로터(708L)의 주연부에 하나 이상의 개구부(808L)를 포함할 수 있다. 내부 지로터 조립체(718L)는 예로써, 윤활유(534)와 같은 윤활제가 내부 지로터 조립체(718L)와 외부 지로터 조립체(716L) 사이의 마찰을 감소시키기 위해 동기 시스템(760L)으로 연통되도록 작동 가능한 하나이상의 진입 통로(778L)를 구비한다.
또한, 하우징(706L)은 기체가 외부 지로터 챔버(744L)에 유입되고 챔버로부터 방출되도록 작동 가능한 입구 통로(840L) 및 출구 통로(842L)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입구 통로(840L) 및 출구 통로(842L)는 하우징(706L)에 일체로 될 수 있고 결합될 수 있는 밸브 플레이트(848L)에 형성된 제1 개구부(844L) 및 제2 개구부(846L)에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 따라서, 압축기 기체 입구 포트(736L)를 통해 유입된 기체는 압축기 기체 입구 포트(736L)와 압축기 외부 지로터(708)의 주연부에 형성된 개구부(808L)를 통해 외부 지로터 챔버(744L)에 유입될 수 있다. 유사하게, 기체는 출구 통로(842L)와 압축기 외부 지로터(708L)의 주연부에 형성된 개구부(808L)를 통해 외부 지로터 챔버(744L)로부터 방출될 수 있다. 본 실시예는 상기한 하나 이상의 다른 실시예와 비교하여 증가된 체적의 기체가 압축기를 통과하도록 할 수 있다.
도75b는 도75a의 선 B-B를 따라 취한 엔진 시스템(700L)의 단면도를 도시한다. 상기한 바와 같이, 압축기 외부 지로터(708L)는 기체가 외부 지로터 챔버(744L)로 유입하여 챔버로부터 방출되도록 하는 압축기 외부 지로터(708L)의 외주연부에 하나 이상의 개구부(808L)들을 포함한다. 하우징(706L)은 압축기 외부 지로터(708L)의 외주연부 주위의 기체 유동을 적어도 사실상 방지하도록 작동 가능한 제1 차폐부(850L) 및 제2 차폐부(852L)를 포함한다. 제1 차폐부(850L) 및 제2 차폐부(852L)는 주연부 기체 입구 영역(854L) 및 주연부 기체 출구 영역(856L)을 적어도 부분적으로 형성한다. 제1 차폐부(850L) 및 제2 차폐부(852L)의 형상, 구성 및 크기는 주연부 기체 입구 개구부(854L) 및 주연부 기체 출구 개구부(856L)의 소정의 형상, 구성 및 크기를 얻을 수 있도록 선택되며, 기체 관통구(702L)의 소정의 압축비 또는 압축비의 범위를 얻을 수 있도록 선택된다.
도75a, 도75b 및 도75c에 도시된 실시예의 장점은 큰 체적 용량을 갖는 프리-브레딩(free-breathing) 설계이다.
도75c는 도75a의 선 C-C를 따라 취한 엔진 시스템(700L)의 단면도를 도시한다. 도75c는 각각 제1 개구부(844L) 및 제2 개구부(846L)에 의해 하우징(706L)에 형성된 입구 통로(840L) 및 출구 통로(842L)를 도시한다. 상기와 같이, 몇몇 실시예에 있어서, 제1 개구부(844L) 및 제2 개구부(846L)는 하우징(706L)에 일체된 또는 결합된 밸브 플레이트(848L)에 형성될 수 있다. 도75b 및 도75c를 함께 보면, 압축기 기체 입구 포트(736L)로 유입하는 기체는 압축기 외부 지로터(708L)의 외주연부의 개구부(808L)와 하우징(706L)의 제1 개구부(844L)에 의해 형성된 입구 통로(840L)를 통해 지로터 외부 챔버(744L)로 유입할 수 있음을 알 수 있다. 유사하게, 기체가 개구부(808L)와 압축기 지로터 챔버의 외주연부와 하우징(706L)의 제2 개구부(846L)에 의해 형성된 출구 통로(842L)를 통해 지로터 챔버(744L) 밖으로 방출될 수 있음을 알 수 있다.
도76a는 압축기 또는 팽창기를 포함하는 지로터 장치(1M)를 포함하는 엔진 시스템(700M)의 다른 실시예를 도시한다. 도76a에 도시된 본 실시예에서, 지로터 장치(1M)는 압축기 외부 지로터(708M) 및 압축기 내부 지로터(710M)를 포함하는 압축기(702M)를 포함한다. 엔진 시스템(700M)은 하우징(706M)을 포함한다. 엔진 시스템(700M)은 도75a에 도시된 엔진시스템(700L)과 유사하지만, 압축기(702L)와 비교하여 압축기(702M)를 통과하는 상이한 기체의 유동을 제공한다는 점에서 엔진 시스템(700M)의 하우징(706M)은 엔진 시스템(700L)의 하우징(706L)과 상이하다.
엔진 시스템(700M)의 하우징은 기체가 압축기(702M)의 외부 지로터 챔버(744M)로 유입되게 하는 제1 개구부(844M)를 포함한다. 일반적으로, 하우징(706M)의 개구부(844M)는 압축기 기체 입구 포트(736M)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 개구부(844M)는 제1 밸브 플레이트(848M)를 포함하며, 하우징(706M)에 일체로 되고 또는 결합될 수 있다. 도75a에 도시된 엔진 시스템(700L)과는 달리, 일반적으로, 기체는 압축기 외부 지로터(708M)의 외주연부의 개구부를 통해 외부 지로터 챔버(744M)로 유입되지 않는다.
기체는 압축기 외부 지로터(708M)의 외주연부의 하나 이상의 개구부(808)를 통해 외부 지로터 챔버(744M)로부터 방출될 수 있다. 도75a에 도시된 엔진 시스템(700L)과 달리, 엔진 시스템(700M)은 도75a에 도시된 출구 통로(842L)와 유사한 외부 지로터 챔버(744M)에 인접한 출구 통로를 구비하지 않는다. 도75a에 도시된 지로터 장치(1L)에 관해 상기한 바와 같이, 도76a에 도시된 지로터 장치(1M)는 압축기(702M)보다는 팽창기를 포함할 수 있다.
도76b는 도76a에 도시된 선 D-D를 따라 취한 엔진 시스템(700M)의 단면도를 도시한다. 도76b에 도시된 바와 같이, 하우징(706M)은 기체가 압축기 외부 지로터(708M)의 외주연부의 개구부(808M)를 통해 외부 지로터 챔버(744M)로부터 방출되도록 하는 출구 개구부(858M)를 형성하는 형태가 될 수 있다. 출구 개구부(858M)의 형상, 구성 및 크기는 압축기(702M)를 통해 이송되는 기체의 소정의 압축비 또는 압축비의 범위를 얻도록 선택될 수 있다.
도76c는 도76a의 선 E-E를 따라 취한 엔진 시스템의 단면도를 도시한다. 도76c는 하우징(706M)의 제1 개구부(844M)에 의해 형성된 기체 입구 포트(736M)를 도시한다. 제1 개구부(844M)는 기체가 외부 지로터 챔버(744M)로 유입되도록 한다. 상기한 바와 같이, 제1 개구부(844M)는 제1 밸브 플레이트(848M) 내에 형성될 수 있으며, 하우징(706M)에 일체로 되거나 결합될 수 있다.
도77a 및 도77b는 도76b에 도시된 단면의 다른 실시예를 도시한다. 하우징(706N)은 차폐 결합부(860) 및 차폐 결합부(860)에 활주식으로 결합된 조정식 차폐부(862)를 포함한다. 조정식 차폐부(862)는 출구 개구부(858N)의 형상 및 크기를 변화시키도록 차폐 결합부(860)에 대해 조정될 수 있는 형상을 갖는다. 출구(858N)의 형상 및 또는 크기는 개구부(808N)를 통해 기체 방출 외부 지로터 챔버(744N)의 압축비를 제어하도록 조정식 차폐부(862)를 사용하여 조정될 수 있다. 예로써, 도77a는 조정식 차폐부(862)가 제1 위치에 있는 단면도를 도시하며, 도77b는 조정식 차폐부(862)가 제2 위치에 있는 단면도를 도시한다. 도77a 및 도77b에 도시된 실시예의 장점은 압축기 또는 팽창기 효율이 최대가 되도록 무한히 조정 가능하다는 것이다.
도78a는 엔진 시스템(700P)의 다른 시스템을 도시한다. 엔진 시스템(700P)은 도76a에 도시된 엔진 시스템(700M)과 유사하지만, 압축기보다는 팽창기(704P)를 포함하는 지로터 장치(1P)를 포함한다. 팽창기(704P)는 외부 지로터 챔버(746P)를 포함하는 팽창기 외부 지로터(712P)와 팽창기 내부 지로터(714P)를 포함한다.
엔진 시스템(700P)은 기체가 외부 지로터 챔버(746P)에 유입되도록 작동 가능한 팽창기 기체 입구 포트(740P)를 형성하는 제1 개구부(844P)를 구비한 하우징(706P)을 포함한다. 제1 개구부(844P)는 제1 밸브 플레이트(848P) 내에 형성될 수 있으며, 하우징(706P)과 일체로 되거나 결합될 수 있다. 기체는 팽창기 외부 지로터(708P)의 외주연부의 하나 이상의 개구부(808P)를 통해 외부 지로터 챔버(746P)로부터 방출될 수 있다. 이후, 기체는 팽창기 기체 출구 포트(742P)를 통해 하우징(706P)으로부터 방출될 수 있다. 도78b는 도78a의 선 F-F를 따라 취한 엔진 시스템(700P)의 단면도를 도시한다.
하우징은 기체를 팽창기 외부 지로터(712P)의 외주연부의 개구부(808P)를 통해 외부 지로터 챔버(746P)로부터 방출시키는 출구 개구부(858P)를 형성하도록 구성된다. 출구 개구부(858P)의 형상, 구성 및 크기는 외부 지로터 챔버(746P)로부터 방출되는 기체의 소정의 팽창비와 외부 지로터 챔버(746B) 안의 기체의 팽창에 의해 팽창기 외부 지로터(712P)에 인가된 소정량의 토크에 근거하여 선택될 수 있다.
도78c는 도78a에 도시된 선 G-G를 따라 취한 엔진 시스템(700P)의 단면도를 도시한다. 도78c는 하우징(706P) 내에 형성된 제1 개구부(844P)에 의해 형성된 팽창기 기체 입구 포트(740P)를 도시한다. 제1 개구부(844P)는 팽창기 기체 입구 포트(740P)를 통해 기체를 외부 지로터 챔버(746P)에 유입시킨다. 상기한 바와 같이, 제1 개구부(844P)는 제1 밸브 플레이트(848P)에 형성될 수 있으며, 하우징(706P)에 일체로 되거나 결합될 수 있다. 제1 개구부(844P)는 소정 정도의 기체를 팽창기(704P)로 유동시키도록 형상 및 크기를 갖는다.
도79a 및 도79b는 예로써, 도70과 도75 내지 도78에 도시된 압축기 외부 지로터(708) 또는 팽창기 외부 지로터(712)와 같은 압축기 외부 지로터(708) 또는 팽창기 외부 지로터(712)의 두 가지 실시예에 대한 3 차원 도면을 도시한다. 도70a에 도시된 바와 같이, 외부 지로터(708 또는 712)는 외부 지로터(708 또는 712)의 주연부에 형성된 베이스 섹션(864) 및 복수의 개구부(808)를 포함한다. 또한, 도79b에 도시된 바와 같이, 외부 지로터(708 또는 712)는 외부 지로터(708 또는 712)에 지지부 또는 강성부를 제공하기 위한 지지 링(866)을 포함할 수 있다.
도80은 외부 지로터(872) 및 내부 지로터(874)를 포함한 지로터 장치(870)의 실시예를 도시한다. 외부 지로터(872)는 지로터 웨브(878)에 의해 지지된 외부 지로터 스킨(876)을 포함할 수 있다. 내부 지로터(874)는 내부 지로터 웨브(882)에 의해 지지된 내부 지로터 웨브(880)를 포함할 수 있다. 외부 지로터 웨브(878) 및 내부 지로터 웨브(882)는 압출에 의해 형성될 수 있으며, 예로써, 알루미늄 또는 플라스틱과 같이 압출에 적절한 임의의 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 외부 지로터 웨브(878) 및 내부 지로터 웨브(882)는 각각 단일 편으로 압출될 수 있다.
도81a는 도80에 도시된 지로터 장치(870)의 다른 실시예를 도시한다. 도81a에 도시된 실시예에 있어서, 외부 지로터 웨브(878)는 복수의 외부 지로터 웨브 섹션(878A 내지 878F)을 포함한다. 유사하게, 내부 지로터 웨브(882)는 복수의 내부 지로터 웨브 섹션(882A 내지 882E)을 포함한다. 내부 지로터 웨브 섹션(882A 내지 882E)은 서로 그리고 내부 지로터 지지 구조체(884)에 결합될 수 있다.
도81b는 특수한 외부 지로터 웨브 섹션(878a), 특수한 내부 지로터 웨브 섹션(882A) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 지로터 지지 구조체(884)를 도시한다. 외부 지로터 웨브 섹션(878A 내지 878F)은 설부 및 홈 결합기에 의해 서로 결합될 수 있다. 유사하게, 내부 지로터 웨브 섹션(882A 내지 882E)은 설부 및 홈 결합기를 사용하여 서로 그리고 내부 지로터 지지 구조체(884)에 결합될 수 있다. 도81a에 도시된 바와 같이, 지지 슬리브(888)가 외부 지로터 웨브(878)에 지지부와 강성부를 제공하기 위해 외부 지로터 웨브 섹션(878A 내지 878F) 주위에 배치될 수 있다.
도82는 지로터 장치(870)의 다른 실시예를 도시하며, 외부 지로터 웨브(878)는 하기와 같이 자성 또는 강자성 재료가 삽입될 수 있는 복수의 웨브 개구부(890)를 포함한다.
도83은 도82에 도시된 지로터 장치(870)를 도시하며, 강자성체 재료(892)의 는 각각의 웨브 개구부(890) 내에 배치된다. 강자성체(892)는 하기한 바와 같이 모터 또는 발전기와 연관되어 사용될 수 있다. 강자성체(892)는 예로써, 철, 니켈, 코발트와 같은 하나 이상의 강자성 재료를 포함할 수 있다.
도84a는 외부 지로터(872A), 내부 지로터(874A) 및 전기 모터 또는 발전기(900A)를 포함하는 지로터 장치의 실시예를 도시한다. 도84a에 도시된 실시예에 있어서, 전기 모터 또는 발전기(900A)는 절환 자기 저항 기계(switched reluctance machine: SRM)를 포함하며, 모터 또는 발전기 중 어느 하나로서 사용될 수 있다. 절환 자기 저항 기계(900A)는 (도83에 도시된 바와 같이) 복수의 강자성체(892A) 및 외부 지로터(872A)의 외주연부 주위에 배치된 복수의 코일(902A)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 도84b 및 하기한 바와 같이, 코일(902A)은 외부 지로터(872A)의 각각의 측면 상의 강자성체(892A)를 넘어 연장되는 C형 코일이다.
절환 자기 저항 기계(900A)가 절환 자기 저항 모터인 실시예에 있어서, 코일(902A) 및 강자성체(892A)는 외부 지로터(872A)의 회전을 적어도 부분적으로 제어하기 위해 상호 작용할 수 있다. 또한, 절환 자기 저항 기계(900A)가 절환 자기 저항 발전기인 실시예에 있어서, 코일(902A) 및 강자성체(892A)는 외부 지로터(872A)가 회전할 때 전기를 발생시키기 위해 상호 작용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예로써 도84a에 도시된 바와 같이, 코일(902A)의 개수는 강자성체(892A)의 개수와 일치하지 않으며, 코일(902A)의 점화 순서(firing sequence)가 전기 모터 또는 발전기(900A)의 비교적 원활한 작동을 위해 조정되게 한다.
도84b는 도84에 도시된 지로터 장치(870A)의 개략 측면도를 도시하며, 전기 모터 또는 발전기(900A)를 구비한다. 도84b에 도시된 바와 같이, 강자성체(892A)는 외부 지로터(872A)의 두께를 가로질러 연장될 수 있다. 코일(902A)은 외부 지로터(872A)의 제1 측면(916A)에 인접한 제1 단부(914A)와 외부 지로터(872A)의 제2 측면(920A)에 인접한 제2 단부(918A)를 갖는 C형 코일을 포함할 수 있다. 제어기(922A)는 각각의 코일(902A)에 결합될 수 있으며 모터 또는 발전기(900A) 내의 각각의 코일(902A)의 점화 시간을 제어하도록 작동 가능하다. 샤프트(924A)는 외부 지로터(872A) 또는 내부 지로터(874A)에 결합될 수 있다. 선택적인 위치 센서(926A)가 샤프트(924A) 근접 배치될 수 있으며 샤프트(924A)가 회전할 때 하나 이상의 위치 타깃(928A)을 검출하도록 작동 가능하다. 선택적인 위치 센서(926)는 외부 지로터(872A)의 회전 위치에 따른 각각의 코일(902A)의 점화시간을 적절히 제어하기 위해 각각의 제어기(922A)와 연결되도록 작동 가능하다.
도84a 및 도84b에 도시된 실시예의 장점은 저 비용이며 고속에서 작동될 수 있는 능력이다.
도85a 및 85b는 외부 지로터(872B), 내부 지로터(874B) 및 전기 모터 또는 발전기(900B)를 포함하는 지로터 장치(870B)의 다른 실시예를 도시한다. 도84a에 도시된 전기 모터 또는 발전기(900A)와 같이, 도85a에 도시된 전기 모터 또는 발전기(900B)는 복수의 강자성체(892B) 및 복수의 코일(902B)을 포함한다. 그러나, 강자성체(983B)는 외부 지로터(872B)의 외주연부에 결합되거나 삽입된다.
도85b는 특정 코일(902B)에 정렬된 특정 강자성체(892B)의 확대된 단면도를 도시한다. 도85b에 도시된 바와 같이, 코일(902B)은 C형 코일을 포함할 수 있다. 도85a 및 도85b에 도시된 본 실시예의 장점은 더욱 콤팩트한 코일이라는 것이다.
도86은 외부 지로터(872C), 내부 지로터(874C) 및 전기 모터 또는 발전기(900C)를 포함하는 지로터 장치(870C)의 다른 실시예를 도시한다. 전기 모터 또는 발전기(900C)는 외부 지로터(872C)의 외주연부 주위에 결합된 복수의 코일(902C) 및 복수의 영구 자석(904C)을 포함하는 영구 자석 모터 또는 발전기를 포함한다. 영구 자석 모터를 포함하는 전기 모터 또는 발전기(900C)의 실시예에 있어서, 코일(902C) 및 영구 자석(904C)은 외부 지로터(872C)의 회전을 적어도 부분적으로 제어하도록 상호 작용한다. 또한, 영구 자석 발전기를 포함한 전기 모터 또는 발전기(900C)의 실시예에 있어서, 코일(902C) 및 영구 자석(904C)은 외부 지로터(872C)가 회전될 때 전기를 발생시키도록 상호 작용한다. 도86에 도시된 실시예의 장점은 고효율이라는 것이다.
도87a는 외부 지로터(872D), 내부 지로터(874D) 및 복수의 코일(902D) 및 외부 지로터(872D) 주위에 배치된 농형 케이지(squirrel-cage; 906)를 포함하는 농형 유도 모터 또는 발전기를 포함하는 모터 또는 발전기 장치(870D)의 다른 실시예를 도시한다.
도87b는 농형 케이지(906D)의 3 차원 도면을 도시한다. 농형 케이지(906D)는 각각 제1 링 지지부(910D) 및 제2 링 지지부(912D)에 결합된 복수의 평행 케이지 바아(908D)를 포함한다. 도87a는 외부 지로터(872D)에 결합 또는 결합되지 않을 수 있는 복수의 케이지 바아(908D)의 단면도를 도시한다.
전기 모터 또는 발전기(900D)가 농형 케이지 모터를 포함하는 실시예에 있어서, 코일(902D) 및 농형 케이지(906D)는 외부 지로터(872D)의 회전을 적어도 부분적으로 제어하도록 상호 작용한다. 또한, 전기 모터 또는 발전기(900D)가 농형 케이지 발전기를 포함하는 실시예에 있어서, 코일(902D) 및 농형 케이지(906D)는 외부 지로터(872D)에 따라 농형 케이지(906D)가 회전할 때 전기를 발생시키기 위해 상호 작용한다.
도88은 지로터 장치(870E)의 구성요소의 이동을 제어하는 다양한 정렬 트랙을 발생시키는데 사용되는 예시적인 지로터 장치(870E)의 구성을 도시한다. 지로터 장치(870E)는 외부 지로터(872E), 내부 지로터(874E) 및 내부 지로터에 고정 결합된 반경 방향 바아(930E)를 포함한다. 예로써, 도89 및 도90에 도시된 바와 같이, 내부 지로터(874E) 및 외부 지로터(872E)가 회전할 때, 반경 방향 바아(930E)를 따른 많은 점들이 외부 지로터(872E)의 정렬 트랙용 패턴을 추종하는데 사용될 수 있다. 반경 방향 바아(930E)가 외부 지로터(872E)에 고정 부착되었다면, 정렬 트랙은 내부 지로터(874E) 상에서 추종된다.
예로써, 도89a 내지 89d에 도시된 바와 같이, 반경 방향 바아(930E) 상의 제1 점(A)은 외부 지로터(872E)의 정렬 트랙용 패턴을 추종할 수 있다. 다른 예로써, 도90a 내지 도90d에 도시된 바와 같이, 반경 방향 바아(930E) 상의 제2 점(B)은 외부 지로터(874E)의 정렬 트랙을 추종하는데 사용될 수 있다.
도89a는 내부 지로터(874F)와, 외부 지로터(872F)와 내부 지로터(874F) 및/또는 외부 지로터(872F)와 결합 및/또는 일체가 되는 동기 시스템(871F)을 포함한 지로터 장치(870F) 실시예의 단면도를 도시한다. 도8을 참조하여 상기한 바와 같이 점(A)에 의해 추종된 패턴에 의해 형성된 형상을 갖는 외부 지로터(872F)에 형성된 동기 시스템(871F)은 정렬 가이드 또는 트랙(932F)을 포함한다. 도89a에 도시된 실시예에 있어서, 외부 지로터(872F)의 개구부는 여섯 개의 노치(873F)를 포함하며 정렬 트랙(932F)은 여섯 개의 노치(933F)를 포함한다.
또한, 동기 시스템(871F)은 예로써, (도89b에 도시된 바와 같이) 내부 지로터(874F)에 결합 또는 일체로 되고 정렬 트랙(932F)에 정렬되는 노브, 롤러 또는 페그와 같은 복수의 정렬 부재(934F)를 포함한다. 도89a에 도시된 실시예에 있어서, 내부 지로터(874F)는 다섯 개의 돌출부 또는 팁(875F)을 포함하며, 다섯 개의 정렬 부재(934F)는 내부 지로터(874F)에 결합된다. 내부 지로터(874F) 및 외부 지로터(872F)가 서로에 대해 회전할 때, 정렬 부재(934F)는 내부 지로터(874F)와 외부 지로터(872F) 사이의 정렬을 제공하도록 정렬 트랙(932F)을 따라 이동한다.
도89b는 도89a에 도시된 지로터 장치(870F)의 측면도를 도시한다. 도89b에 도시된 바와 같이, 정렬 부재(934F)는 제1 플레이트(936F)에 의해 내부 지로터(874F)에 결합된다. 일반적으로, 정렬 부재(934F)는 내부 지로터(874F)가 외부 지로터(872F)에 대해 회전할 때 정렬 트랙(932F)에 배치되며 트랙을 따라 이동한다.
도89c는 (도89a 및 도89b에 도시된) 외부 지로터(872F) 및 정렬 트랙(932F)과 유사한 정렬 트랙(932G)을 구비한 외부 지로터(872G)의 3 차원도를 도시한다. 그러나, 본 실시예에 있어서, 외부 지로터(872G)는 일곱 개의 노치(873G)를 포함하며 외부 지로터(872F)는 (도 89a에 도시된 바와 같이) 여섯 개의 노치(873F)를 포함한다. 유사하게, 정렬 트랙(932G)은 일곱 개의 노치(933G)를 포함하며 정렬 트랙(932F)은 (도89a에 도시된 바와 같이) 여섯 개의 노치(933F)를 포함한다.
도89d는 내부 지로터(874G) 및 (도89a 및 도89b)에 도시된 내부 지로터(874F)와 유사한 내부 지로터(874G) 및 정렬 부재(934F)에 결합된 복수의 정렬 부재(934G)의 3 차원도를 도시한다. 그러나, 본 실시예에 있어서, 내부 지로터(874G)는 여섯 개의 돌출부(875G)를 포함하며 내부 지로터(874F)는 (도89a에 도시된 바와 같이) 다섯 개의 돌출부(875F)를 포함한다. 유사하게는, 도89d에 도시된 실시예는 다섯 개의 정렬 부재(934F)를 포함하는 도89a에 도시된 실시예와 대조되어 여섯 개의 정렬 부재(934G)를 포함한다.
도89a 내지 도89d에 도시된 실시예의 장점은 짧은 축방향 길이를 갖는 소형 설계이다.
도90a는 외부 지로터(872H), 내부 지로터(874H), 외부 지로터(872H) 및 내부 지로터(874H) 및/또는 외부 지로터(872H)와 결합되고 그리고/또는 일체되는 동기 시스템(871H)을 포함하는 지로터 장치(870H)의 다른 실시예의 부분 단면도를 도시한다. 동기 시스템(871H)은 도88에 도시된 반경 방향 바아(930E) 상의 점(B)에 의해 추적된 패턴에 의해 한정된 형상을 갖는 외부 지로터(872H)에 형성된 정렬 트랙(932H)을 포함한다. 도90a에 도시된 실시예에서, 외부 지로터(872H) 내의 개구는 여섯 개의 노치(873H)를 포함하고, 정렬 트랙(932H)은 여섯 개의 루프(933H)를 포함한다.
동기 시스템(871F)은 예를 들어 내부 지로터(874H)에 결합되고 통상적으로 정렬 트랙(932H)과 정렬되어 배치되는 노브, 롤러 또는 페그와 같은 복수개의 정렬 부재(934H)를 또한 포함한다. 도90a에 도시된 실시예에서, 내부 지로터(874H)는 다섯 개의 돌출부 또는 팁(875H)을 포함하고, 다섯 개의 정렬 부재(934H)는 내부 지로터(874H)와 결합된다. 내부 지로터(874H)가 외부 지로터(872H)에 대해 회전될 때, 정렬 부재(934H)와 정렬 트랙(932H)은 내부 지로터(874H)와 외부 지로터(872H) 사이에서 정렬되도록 상호 작용한다.
도90b는 도90a에 도시된 지로터 장치(870H)의 측면도를 도시한다. 도90b에 도시된 바와 같이, 정렬 부재(934H)는 내부 지로터(874H)와 결합되고, 정렬 트랙(932H) 내에서 정렬된다.
도90c는 (도90a 및 도90b에 도시된) 정렬 트랙(932H) 및 외부 지로터(872H)와 유사한 정렬 트랙(932J)을 포함한 외부 지로터(872H)의 삼차원 도면을 도시한다. 그러나, 본 실시예에서 외부 지로터(872H)가 (도90a에 도시된 바와 같이) 여섯 개의 노치(873J)를 포함하는 반면에, 외부 지로터(872J)는 일곱 개의 노치(873G)를 포함한다. 유사하게는, 정렬 트랙(932H)이 (도90a에 도시된 바와 같이) 여섯 개의 루프(933H)를 포함하는 반면에, 정렬 트랙(932J)은 일곱 개의 루프(933J)를 포함한다.
도90d는 (도90a 및 도90b에 도시된) 정렬 부재(934H) 및 내부 지로터(874H)와 유사하게, 내부 지로터(874J)와 결합된 복수개의 정렬 부재(934J) 및 내부 지로터(874J)의 삼차원 도면을 도시한다. 그러나, 본 실시예에서 (도90a에 도시된 바와 같이) 내부 지로터(874H)가 다섯 개의 돌출부(875H)를 포함하는 반면에, 내부 지로터(874J)는 여섯 개의 돌출부(875J)를 포함한다.
도90a 내지 도90d에 도시된 실시예의 장점은 매우 짧은 축방향 길이를 갖는 소형 설계이다.
도91a 내지 도90d와 관련된 이하의 설명은 도89c 및 도90c에 도시된 정렬 트랙(932G, 932J)에 대한 패턴을 생성하기 위한 예시 방법을 각각 설명한다. 다시 말해서, 이하의 설명은 (도89C 및 도90C에 각각 도시된 노치(873G, 873J)와 같이) 외부 지로터가 일곱 개의 노치를 포함하고, (도89d 및 도90d에 각각 도시된 돌출부(875G, 875J)와 같이) 내부 지로터가 여섯 개의 돌출부 또는 팁을 포함하는 실시예의 다양한 정렬 트랙을 결정하는 방법을 설명한다.
도91a를 참조하면, 내부 지로터와 외부 지로터의 각속도가 6 : 7의 상수비를 가져야 하므로, 세타(theta) 및 파이(phi)는 이하의 식으로 설명될 수 있다.
[수식1]
점(P0)은 원(1) 상에 위치되고, 상기 부분이 회전함에 따라 이동된다. 고정 좌표축 세트에 대한 좌표값(X1t, Y1t)은 이하와 같다.
[수식2]
경로를 작성하기 위해, 점(P)은 원(2)에 대해 추적될 필요가 있다. 원점으로 점(C2)을 사용하는 점(Pt)의 좌표는 이하와 같다.
[수식3]
X값의 부호 규칙을 주지해야 한다.
상기 정의에 따라, 길이(D)는 피타고라스 정리를 사용하여 얻을 수 있다.
[수식4]
그러나, 원(2) 상에 점의 경로를 작성하는 것은 원(2)도 회전하기 때문에, 고정 좌표계에 의해 수행될 없다. 좌표계는 원과 함께 회전되어야 한다. 따라서, 고정 디스크 상의 실제 경로는 다음과 같다.
[수식5]
프사이(Psi) 및 세타(Theta)는 매개 방정식이 세타(theta)에 대해 X 및 Y로 표현되도록 서로 관계되어야 한다.
[수식6]
도91b에 도시된 삼각형(C1, C2, Pt)에 코사인 법칙을 사용하면 이하와 같다.
[수식7]
수식7을 이타(eta)에 대해 풀면 이하와 같다.
[수식8]
수식8에 수식4를 대입하면 이하와 같다.
[수식9]
수식1, 수식6 및 수식9를 결합하면 이하와 같다.
[수식10]
수식4, 수식5 및 수식10을 사용하면, X 및 Y에 대한 값이 (예를 들어, 스프레드시트를 사용한 것과 같이) 구해질 수 있고, 점(P)의 경로가 원(2)이 고정된 것과 같이 작성될 수 있다.
예를 들어, 스프레드 시트는 적은 증분의 0 내지 360의 세타(theta)를 변경함으로써 경로의 하나의 로브를 계산하는데 사용될 수 있다. 전체 경로를 작성하기 위해, 동일한 D 값은 각 로브에 대해 2(π)/7만큼 프사이(psi)를 증가시키며 사용될 수 있다. 전체 경로의 예시는 도91c에 도시된다. 페그 직경인 R(예를 들어, R = 2 인치)을 변경함으로써, 도91d에 도시된 트랙이 생성될 수 있다. 도89c 및 도90c에 도시된 정렬 트랙(932G, 932J)은 상술된 방법을 사용하여 각각 생성될 수 있다.
도92는 엔진 시스템(940)의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 엔진 시스템(940)은 지로터 압축기(942), 지로터 팽창기(944), 열 교환기(946), 연소기(948), 압력 탱크(950), 구동 장치(952) 및 하나 이상의 추가 압축기/팽창기(954)를 포함한다. 엔진 시스템(940)은 지로터 팽창기(944)에 결합되고 구동 장치(952)로부터 지로터 압축기(942)에 맞물리고 그리고 해제되도록 작동 가능한 팽창기 클러치(956)와, 지로터 압축기(942)에 결합되고, 구동 장치(952)로부터 지로터 압축기(942)에 맞물리고 그리고 해제되도록 작동 가능한 압축기 클러치(958)와, 추가 압축기/팽창기(954)에 각각 결합되고, 구동 조립체(952)로부터 추가 압축기/팽창기(954)를 각각 맞물리고 그리고 해제되도록 작동 가능한 압축기/팽창기 클러치(960)를 또한 포함한다. 몇몇의 실시예에서, 팽창기 클러치(956)는 압축기 클러치(958)로부터 독립적으로 작동된다. 몇몇 실시예에서, 클러치(956, 958, 960)는 구동 장치(952)로부터 맞물리고 그리고 해제되도록 독립적으로 각각 기능한다.
작동 중에, 정상 상태에서 지로터 압축기(942)는 예를 들어 다량의 주위 공기와 같은 다량의 기체를 수납하고, 기체를 압축하고, 도92에 도시된 경로(962)를 따라 열 교환기(946)를 향해 압축된 기체와 연통한다. 압축된 기체는 정상 상태 작동 중에 일반적으로 개방되는 제1 밸브(964)를 통해 이송되고, 압축된 기체가 가열되는 연소기(948) 및 열 교환기(946)를 통해 이송된다. 가열된 압축 기체는 지로터 팽창기(944)로 진입하고 지로터 팽창기(944) 내에서 팽창될 때 샤프트(966)를 구동시킨다. 팽창되거나 또는 감압된 기체는 경로(968)를 따라 지로터 팽창기(944)로부터 방출되어, 기체가 냉각되는 열 교환기(946)를 통해 이송되고, 배출될 때 엔진 시스템(940)으로부터 방출된다. 정상 상태 작동 중에, 지로터 압축기(942)와 하나 이상의 추가 압축기/팽창기(954) 사이의 제2 밸브(970)는 폐쇄되어 유지된다. 또한, 정상 상태 작동 중에 팽창기 클러치(956) 및 압축기 클러치(958)는 일반적으로 구동 장치(952)와 맞물린다. 압축기/팽창기(960)는 구동 장치(952)로부터 해제될 수 있다.
(엔진 시스템(940)을 포함한 차량이 예를 들어 정지하는 것과 같은) 제동 상태 중에, 팽창기 클러치(956)는 구동 장치(952)로부터 해제될 수 있고, 반면에 압축기 클러치(958)는 구동 장치(952)와 맞물려 유지된다. (차량의 동역학적 에너지에 의해 발생된 것과 같은) 구동 장치(952)의 동역학적 에너지는 지로터 압축기(942)를 계속 구동시킨다. 또한, 압축기/팽창기 클러치(960)는 제동 상태 동안 구동 장치(952)와 맞물린다. 또한, 지로터 압축기(942)로부터 방출된 압축 기체가 압축 기체를 더 처리할 수 있는 하나 이상의 추가 압축기/팽창기(954)를 향해 경로(972)를 따라 연통되도록, 제동 상태 중에, 제1 밸브(964)는 폐쇄되고, 제2 밸브(970)는 개방된다. 예를 들어, 엔진 시스템(940)이 추가 압축기(954)를 포함하는 실시예에서, 경로(972)를 따라 추가 압축기(954)와 연통되는 압축 기체는 추가 압축기(954)에 의해 압축되고 압력 탱크(50)로 연통될 수 있다. 지로터 압축기(942)와 함께 추가 압축기(954)를 사용하여, 기체는 압력 탱크(50) 내에 저장되기 이전에 비교적 높게 압축될 수 있고, 이는 압력 탱크(950)의 요구된 용적 또는 크기를 감소시킬 수 있다. 각각의 추가 압축기(954)는 지로터 압축기(942)와 유사하거나 또는 동일할 수 있다. 유사하게는, 엔진 시스템(940)이 하나 이상의 추가 압축기(954)를 포함하는 실시예에서, 각각의 추가 압축기(954)는 지로터 압축기(944)와 유사하거나 또는 동일할 수 있다.
(예를 들어, 엔진 시스템(940)을 포함한 차량이 시동되는 경우와 같은) 시동 상태에서, 클러치(960)가 맞물려지면서, 압력 탱크(950)로부터의 압축 기체는 하나 이상의 팽창기(954)를 통해 유동한다. 지로터 팽창기(944)를 구동시키기 위해 기체를 열 교환기(964) 및 연소기(948)를 통해 이송시키기 위해, 밸브(970, 964)가 개방된다. 몇몇의 실시예에서, 시동 상태 중에 팽창기 클러치(956)는 구동 장치(952)와 맞물리고, 반면에 압축기 클러치(958)는 적어도 일부의 시동 상태를 위해 구동 장치(952)로부터 해제된다.
도93은 내부 지로터(874K)의 회전에 대해 외부 지로터(872K)의 회전을 제어하도록 작동 가능한 동기 시스템(978K), 하우징(976K), 내부 지로터(874K), 외부 지로터(872K)를 포함하는 지로터 장치(870K)의 실시예를 도시한다. 외부 지로터 샤프트(980K)는 외부 지로터(872K)에 고정 결합되고, 제1 베어링(982K) 및 제2 베어링(984K)에 의해 하우징(976K)에 회전식으로 결합된다. 유사하게는, 내부 지로터 샤프트(986K)는 내부 지로터(874K)에 고정 결합되고, 제3 베어링(988K) 및 제2 베어링(990K)에 의해 하우징(976K)에 회전식으로 결합된다.
동기 시스템(978K)은 외부 지로터 샤프트(980K)에 결합된 제1 회전 대상물(992K), 제3 회전 대상물(996K) 및 동기 시스템 샤프트(1000K)에 결합된 제4 회전 대상물(998K)을 포함한다. 제1 회전 대상물(992K) 및 제3 회전 대상물(996K)은 제1 벨트 장치(1002K)에 의해 서로 결합되고, 제2 회전 대상물(994K) 및 제4 회전 대상물(998K)은 제2 벨트 장치(1004K)에 의해 서로 결합된다.
제1 및 제2 벨트 장치(1002K, 1004K)는 회전 대상물(992K, 994K, 996K, 998K)을 구동시키는데 적절한 모든 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 도93에 도시된 바와 같은) 몇몇의 실시예에서, 회전 대상물(992K, 994K, 996K, 998K)은 풀리를 포함하고, 제1 및 제2 벨트 장치(1002K, 1004K)는 타이밍 벨트(1002K, 1004K)를 포함한다. 타이밍 벨트(1002K, 1004K)는 케블라(Kevlar) 섬유 벨트 또는 카본 섬유 벨트 또는 신장을 유지할 수 있는 케이블 벨트와 같은 대체로 강성인 다른 벨트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 대상물(992K, 994K, 996K, 998K)은 기어 스프로켓을 포함하고, 제1 및 제2 벨트 장치(1002K, 1004K)는 기어 스프로켓(992K, 994K, 996K, 998K)과 상호 작용하도록 작동 가능한 체인(1002K, 1004K)을 포함한다.
상술된 바와 같이, 동기 시스템(978K)은 일반적으로 내부 지로터(874K)의 회전에 대해 외부 지로터(872K)의 회전을 제어하도록 작동 가능하다. 이는 회전 대상물(992K, 994K, 996K, 998K)의 크기를 서로 적절하게 선택함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 도93에 도시된 바와 같이, 내부 지로터(874K)가 외부 지로터(872K)보다 더 높은 속도로 회전하도록, 제3 회전 대상물(994K)의 직경은 제1 회전 대상물(992K)의 직경보다 작다.
도94는 내부 지로터(874L)의 회전에 대해 외부 지로터(872L)의 회전을 제어하도록 작동 가능한 동기 시스템(978L), 하우징(976L), 내부 지로터(874L) 및 외부 지로터(872L)를 포함하는 지로터 장치(870L)의 다른 실시예를 도시한다. 외부 지로터 샤프트(980L)는 외부 지로터(872L)에 고정 결합되고, 제1 베어링(982L) 및 제2 베어링(984L)에 의해 하우징(976L)에 회전식으로 결합된다. 유사하게는, 내부 지로터 샤프트(986L)는 내부 지로터(874L)에 고정 결합되고, 제3 베어링(988L) 및 제2 베어링(990L)에 의해 하우징(976K)에 회전식으로 결합된다.
동기 시스템(978L)은 외부 지로터 샤프트(980L)에 고정 결합된 제1 회전 대상물(992L)을 포함하고, 제2 회전 대상물(994L)은 내부 지로터 샤프트(986L) 및 제2 회전 대상물(994L)과 제1 회전 대상물(992L)을 결합시키는 벨트 장치(1002L)에 고정 결합된다. 벨트 장치(1002L) 및 회전 대상물(992L, 994L)은 예를 들어 도93에 도시된 회전 대상물(992K, 994K, 996K, 998K) 및 상술된 것과 관련된 벨트 장치(1002K, 1004K)와 같은 적절한 장치를 포함할 수 있다.
도95a, 도95b 및 도95c는 기체가 중심 샤프트를 통해 지로터 장치(870M)로 진입 및 방출되는 지로터 장치(870M)의 실시예를 도시한다. 지로터 장치(870M)는 실시예에 따라 압축기 또는 팽창기를 포함할 수 있다. 도95a에 도시된 바와 같이, 지로터 장치(870M)는 외부 지로터(872M), 내부 지로터(874M), 및 정렬 기구(1015M) 및 하우징(976M)을 포함한다. 본 도면에 도시된 정렬 기구(1015M)는 도55에 도시된 것과 유사지만, 기어 등의 다른 정렬 기구도 사용될 수 있다. 외부 지로터(872M)는 제1 베어링(982M) 및 제2 베어링(984M)에 의해 하우징(976M)에 회전식으로 결합된다. 내부 지로터(874M)는 내부 지로터 샤프트(986M)에 고정 결합되고, 상기 축은 제3 베어링(998M) 및 제4 베어링(990M)에 의해 하우징(976M)에 회전식으로 결합된다.
지로터 장치(870M)가 외부 지로터(872M)는 압축기에 포함되었는지 또는 팽창기에 포함되었는지에 따라 기체가 압축되거나 팽창되는 외부 지로터 챔버(1010M)를 포함한다. 내부 지로터 샤프트(986K)는 기체가 외부 지로터 챔버(1010M)로 진입 또는 방출될 수 있는 내부 개구부(1012M)를 포함할 수 있다. 분리기(1014M)는 내부 개구부(1012M) 내에 배치되고, 도95b 및 도95c에 도시된 바와 같이 내부 개구부(1012M)의 제2 방출 섹션(1018M)으로부터 내부 개구부(1012M)의 제1 흡입 섹션(1016M)을 사실상 분리하도록 구성된다. 도95b 및 도95c에 도시된 바와 같이, 내부 개구부(1012M)의 흡입 섹션(1016M)은 기체가 내부 지로터(874M)의 하나 이상의 통로(1020M)를 통해 외부 지로터 챔버(1010M)로 연통되고, 수납하도록 작동 가능하다. 유사하게는, 방출 섹션(1018M)은 기체가 하나 이상의 통로(1020M)를 통해 외부 지로터 챔버(1010M)로 수납되고, 도95b 및 도95c에 도시된 바와 같이, 이러한 수납된 기체를 지로터 장치(870M)로부터 이격되어 배출하도록 작동 가능하다.
(도95a, 도95b 및 도 95c에 도시된 실시예와 같이) 지로터 장치(870M)가 압축기를 포함하는 실시예에서, 내부 개구부(1012M)의 흡입 섹션(1016M)은 비교적 저압의 기체를 내부 지로터(874M)의 통로(1020M)를 통해 외부 지로터 챔버(1010M)로 연통시킨다. 외부 지로터(872M) 및 내부 지로터(874M)가 서로 회전될 때, 흡입 섹션(1016M) 내의 기체는 압축된다. 상기 압축된 기체는 그 후 통로(1020M)를 통해 내부 개구부(1012M)의 방출 구역(1026M)으로 진입할 수 있고, 지로터 장치(870M)로부터 탈출될 수 있다.
도96 내지 도101은 지로터 장치(1r)의 다양한 실시예를 도시한다. 지로터 장치(1r)는 하우징(2r), 하우징(2r) 내에 배치된 외부 지로터(4r) 및 외부 지로터(4r) 내에 배치된 내부 지로터(6r)를 포함한다. 지로터 장치(1r)는 기체 입구 포트(452) 및 기체 배기 포트(454)를 포함하는 하우징(2k)의 단부에 결합된 하부 샤프트(450)를 포함한다. 기어 하우징(456)은 하부 샤프트(450)에 결합되고, 기어 하우징(456)에 결합되고, 하우징(2r)의 상부를 향해 상방으로 연장된다. 회전 샤프트(460)는 베어링(461)에 의해 하우징(2r)에 회전식으로 결합된다. 샤프트(460)는 외부 지로터(4r)에 결합되고, 중공 샤프트(462) 및 적절한 베어링을 통해 상부 샤프트(458)에 회전식으로 또한 결합된다. 내부 지로터(6r)는 적절한 베어링을 통해 하부 샤프트(450)에 회전식으로 결합된다.
기어 하우징(456)은 외부 지로터(4r)와 합체된 제1 기어(466) 및 내부 지로터(6r)와 합체된 제2 기어(468)를 결합시키는 아이들러 기어(464)를 포함한다. 아이들러 기어(464)는 베어링과 같은 적절한 방식으로 기어 하우징(456)과 회전식으로 결합된다. 도시된 실시예에서, 제1 및 제2 기어 모드는 내부 기어 치를 갖는 링 기어이다. 일반적인 작동에서, 화살표(469)에 의해 표시된 것과 같이 샤프트(460)가 회전하는 경우, 내부 지로터(6r)를 회전시키고, 제2 기어(468)를 회전시키고, 아이들러 기어(464)를 회전시키고, 제1 기어(466)를 회전시키는 외부 지로터(4r)를 회전시킨다. 도96에 도시된 실시예의 장점은 콤팩트화이다.
또한, 하우징(2r)의 주연부 둘레에 존재하는 재킷(470)이 도96에 도시된다. 재킷(470)은 그 길이를 조절하고 간극을 제어함으로써 하우징(2r)의 온도를 제어하기 위해 하우징(2r)의 주연부 주위에 적절한 유체를 재순환시키는 기능을 하는 유입부(471) 및 배출부(472)를 포함한다. 근접 센서(474)는 사전 결정된 거리에 간극을 조절하기 위해 재킷(470)을 통해 유체의 흐름을 조절하는 적절한 제어기(도시되지 않음)에 결합될 수 있다. 본 발명은 외부 지로터(4r)와 하우징(2r) 사이의 간극을 조절하는 다른 방법도 포함한다. 예를 들어, 지로터 장치(1r)는 하나 이상의 조정 나사(477)에 의해 하우징(2r)의 상부에 결합된 지지 링(476)을 포함할 수 있다. 지지 링(476)은 조정 나사(477)를 통해 하우징(2r)과 외부 지로터(4r)의 하부 사이의 간극의 조절을 허용할 수 있다.
도97은 지로터 장치(1r)의 추가의 실시예를 도시한다. 도97에 도시된 실시예는 도96에 도시된 실시예와 대체로 유사하다. 그러나, 도97의 실시예에서, 제2 기어(468)는 내부 치를 갖는 링 기어 대신에 스퍼 기어이다. 따라서, 한 쌍의 아이들 스퍼 기어(478)는 제1 기어(466)를 제2 기어(468)에 결합하기 위한 아이들러 기어(464)를 대신한다.
도98은 지로터 장치(1r)의 추가의 실시예를 도시한다. 도98에 도시된 실시예는 도96에 도시된 실시예와 대체로 유사하다. 그러나, 도98의 실시예에서 아이들러 기어(464)는 U 형상 브래킷(480)에 의해 기어 하우징(456)에 회전식으로 결합된다. U 형상 브래킷(480) 사용의 장점은 아이들러 기어(464)가 비교적 커질 수 있으며, 이는 그 회전 속도를 낮추는 것을 돕는다.
도99 및 도100은 지로터 장치(1r)의 추가의 실시예를 도시한다. 도99 및 도100에 도시된 실시예는 도98에 도시된 실시예와 대체로 유사하다. 그러나, 도99 및 도100의 실시예에서, 전체 구동 샤프트 조립체가 약간 피봇하는 것을 허용하기 위해 하부 샤프트(450)는 가요성 장착대에 의해 하우징(2r)에 결합된다. 도99에 도시된 바와 같이, 가요성 장착대는 고무 또는 플라스틱과 같은 적절한 재료로 형성된 가요성 링(482)이다. 도100에 도시된 바와 같이, 가요성 장착대는 고무 또는 플라스틱과 같은 적절한 재료로 구성된 가요성 디스크(484)이다.
도101은 지로터 장치(1r)의 추가의 실시예를 도시한다. 도101에 도시된 실시예는 도99 및 도100에 도시된 실시예와 대체로 유사하다. 그러나, 도101의 실시예에서, 하부 샤프트(450)는 적절한 피봇(486)에 의해 하우징(2r)에 결합된다. 예를 들어, 하부 샤프트(450)는 하우징(2r)에 형성된 둥근 구멍과 맞물리는 둥근 단부를 가질 수 있다. 회전 방지 핀(488)은 작동 중에 하부 샤프트(450)의 회전을 방지하기 위해 하우징(2r)의 하부에 느슨하게 결합된다. 비교적 긴밀한 끼움을 보장하기 위해, 칼라(490)가 샤프트(460)에 결합될 수 있고, 칼라(491)는 상부 샤프트(458)에 결합될 수 있고, 칼라(490)는 지지 링(476)에 경성 장착된 베어링(492)과 맞물리고, 칼라(491)는 중공 샤프트(462)에 강하게 장착된 베어링(493)에 맞물린다. 따라서, 조정 나사(477)는 피봇(486)에서 긴밀한 끼움을 보장하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예 및 장점이 상세히 설명되었으나, 당해 기술 분야의 당업자는 본 발명의 정신 및 범주에서 벗어나지 않고 다양한 변경, 추가, 생략을 수행할 수 있다.

Claims (17)

  1. 하우징과,
    상기 하우징의 제1 단부에 결합된 제1 샤프트와,
    상기 하우징의 제2 단부에 대응하고 제1 단부에서 제1 베어링에 의해 제1 샤프트에 회전 가능하게 결합된 제2 샤프트와,
    상기 제2 샤프트에 고정 결합된 외부 지로터와,
    상기 외부 지로터에 고정 결합된 제1 동기 기구와,
    제3 베어링과 제4 베어링으로 상기 제1 샤프트에 회전 가능하게 결합되고 제2 동기 기구를 갖는 내부 지로터를 포함하는 지로터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 동기 기구는 외부 기어이고, 제2 동기 기구는 내부 기어인 지로터 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제1 동기 기구는 정렬 가이드이고, 제2 동기 기구는 정렬 부재이고, 정렬 부재와 정렬 가이드는 외부 지로터에 대해 내부 지로터의 회전을 제어하도록 함께 작동하는 지로터 장치.
  4. 제1항에 있어서, 하우징의 제1 단부는 지로터 장치용 기체 입구를 포함하는 지로터 장치.
  5. 제1항에 있어서, 제2 샤프트는 제4 베어링에 의해 하우징의 제2 단부에 회전 가능하게 결합된 지로터 장치.
  6. 제1항에 있어서, 제1 베어링은 내부 지로터와 외부 지로터 모두의 축방향 중심을 통과하는 원주면과 대략 동일한 원주면에 위치 설정된 지로터 장치.
  7. 제1항에 있어서, 하우징의 제2 단부에 고정 결합된 중공 샤프트를 더 포함하고, 상기 제2 샤프트는 제4 베어링에 의해 중공 샤프트 내에 회전 가능하게 결합된 지로터 장치.
  8. 제1항에 있어서, 제1 샤프트는 하우징의 제1 단부에 피봇 가능하게 결합되고, 하우징의 제1 단부에 결합된 회전 방지 핀은 내부 지로터와 외부 지로터의 회전 동안 제1 샤프트가 회전하는 것을 방지하도록 구성된 지로터 장치.
  9. 제1항에 있어서, 제1 샤프트는 고무 장착대로 하우징의 제1 단부에 결합된 지로터 장치.
  10. 제1항에 있어서, 제2 샤프트는 제1 베어링에 의해 제1 샤프트의 외측 상에서 제1 단부에 결합된 지로터 장치.
  11. 제1항에 있어서, 제1 샤프트는 하우징의 제2 단부에 고정 결합되고,
    제2 샤프트에 고정 결합된 피동 기어와,
    상기 피동 기어와 연동하는 구동 기어와,
    하우징의 제2 단부에 회전 가능하게 결합되고 상기 구동 기어에 고정 결합된 제3 샤프트를 더 포함하는 지로터 장치.
  12. 제1항에 있어서, 하우징에 결합된 근접 센서를 더 포함하고, 상기 근접 센서는 외부 지로터의 단부와 하우징의 내부면 사이의 간극을 감지하도록 작동 가능한 지로터 장치.
  13. 제1항에 있어서, 하우징의 주연부에 형성된 포트에 결합된 압축 공기 공급원을 더 포함하고, 상기 압축 공기 공급원은 압축 공기를 포트를 통해 하우징 내로 배출하도록 작동 가능한 지로터 장치.
  14. 제1항에 있어서, 하우징의 원주 둘레에 배치된 재킷을 더 포함하고, 상기 재킷은 유체가 재킷을 통해 유동하게 하는 입구 포트 및 출구 포트를 포함하는 지로터 장치.
  15. 하우징과,
    지로터 장치용 기체 입구 포트를 포함하는 하우징의 제1 단부에 고정 결합된 하부 샤프트와,
    하우징의 제2 단부에 고정 결합된 상부 샤프트와,
    하부 샤프트와 상부 샤프트 사이에 결합된 기어 하우징과,
    하부 샤프트에 회전 가능하게 결합된 내부 지로터와,
    중공 샤프트에 의해 상부 샤프트에 회전 가능하게 결합된 외부 지로터와,
    중공 샤프트에 고정 결합된 피동 기어와,
    피동 기어에 결합된 구동 기어와,
    하우징의 제2 단부에 회전 가능하게 결합되고 구동 기어에 고정 결합된 회전 샤프트를 포함하는 지로터 장치.
  16. 제15항에 있어서, 하우징의 원주 둘레에 배치되고, 유체가 재킷을 통해 유동할 수 있도록 입구 포트와 출구 포트를 포함하는 재킷을 더 포함하는 지로터 장치.
  17. 제16항에 있어서, 하우징에 결합되고, 외부 지로터의 단부와 하우징의 제1 단부의 내부면 사이의 간극을 감지하는 근접 센서를 더 포함하는 지로터 장치.
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