KR20180098215A

KR20180098215A - 경계층 터보기계

Info

Publication number: KR20180098215A
Application number: KR1020187000709A
Authority: KR
Inventors: 빌리 더블유. 헬톤; 마크 더블유. 존스
Original assignee: 그린 프로그 터빈즈 (유케이) 리미티드
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-09-03
Also published as: AU2016276259A1; US20200256191A1; CA2989093A1; PH12018500094A1; US20160258442A1; US11208890B2; WO2016198962A2; MX2017016039A; CN109983202A; JP2018521268A; WO2016198962A3

Abstract

경계층 터보기계(100)는 하우징(110)을 포함할 수 있으며, 하우징은 내부 공간(115)을 한정하고, 하우징(110)을 통한 유체의 이동을 용이하게 하기 위한 입구 개구(112) 및 출구 개구(113)를 갖는다. 경계층 터보기계(100)는 또한, 로터 챔버(117) 내에 배치되고 회전축(101)을 중심으로 회전하도록 구성된 로터 조립체(120)를 포함할 수 있다. 로터 조립체(120)는, 회전축(101)을 따라 이격되고 회전축(101)을 따른 내부 개구를 한정하는 복수의 디스크(121)를 가질 수 있다. 유체가 하우징(110)을 통해 이동함에 따라 유체는 디스크(121)들 사이의 갭과 내부 개구를 통과할 수 있다. 대응하는 로터 조립체 및 파티션이 또한 제공된다.

Description

경계층 터보기계

관련 출원

본 출원은 2015년 6월 10일자로 출원된 유럽 출원 EP15171530호, 2015년 6월 10일자로 출원된 유럽 출원 EP15171531호, 및 2016년 1월 8일자로 출원된 미국 출원 제14/991,228호의 이익을 청구하며, 이들 출원 각각은 본 명세서에 참고로 포함된다.

적층된 회전 디스크들과 유체 사이의 원동력(motive force)의 전달이 테슬라(Tesla)에 의해 미국 특허 제1,061,142호 및 제1,061,206호에 기술된다. 이들 개시에 따르면, 유체는 유체의 표면 층의 점착력과 점도로 인해 근접 이격된(closely spaced) 회전 디스크들 상에서 끌리며, 이는 유체에 두 가지 힘, 즉 회전 방향으로 접선방향으로 작용하는 한 가지 힘과 반경방향 외향으로 작용하는 다른 한 가지 힘을 가한다. 이들 접선력(tangential force)과 원심력(centrifugal force)의 조합된 효과는 유체가 적합한 주연부 출구 - 이로부터 유체가 방출됨 - 에 도달할 때까지 유체를 연속적으로 증가하는 속도로 나선형 경로로 추진시키는 것이다.

테슬라에 의해 기술된 설계는 펌프로서 또는 모터로서 사용될 수 있다. 그러한 장치는 디스크들의 회전 표면들과 접촉할 때의 유체의 특성을 이용한다. 디스크들이 유체에 의해 구동되는 경우, 유체가 이격된 디스크들 사이를 통과함에 따라, 유체의 운동은 디스크들이 회전하게 하여서, 샤프트를 통해 장치 외부로 전달될 수 있는 동력을 생성하여, 다양한 응용을 위한 원동력을 제공한다. 따라서, 그러한 장치는 모터 또는 터빈으로서의 기능을 한다. 반면에, 유체가 본질적으로 정지 상태인 경우, 디스크들의 회전은 유체가 디스크들과 동일한 방향으로의 회전을 시작하게 하고 이에 따라 장치를 통해 유체를 흡인하게 하여서, 장치가 펌프 또는 팬(fan)으로서의 기능을 하게 할 것이다. 본 개시에서, 모든 그러한 장치는, 모터로서 사용되든지 또는 펌프 또는 팬으로서 사용되든지 간에, 총칭적으로 "경계층 터보기계(boundary layer turbomachine)"로 지칭된다.

테슬라에 의한 최초 설계에 대한 많은 개선에도 불구하고, 그러한 기계는 신뢰성 및 비용과 같은 다양한 결점으로 인해 제한된 실제 적용이 확인되었다. 전형적인 경계층 터보기계는 여러 가지 단점을 갖는다. 전형적인 경계층 터보기계의 얇은 디스크는 작동 하중(operating load)하에서 편향되는 경향이 있으며, 이는 다른 디스크 및/또는 다른 구조체, 예를 들어 디스크를 둘러싸는 하우징과의 접촉을 초래할 수 있다. 이러한 잠재적으로 파괴적인 접촉을 최소화시키기 위해, 몇몇 경계층 터보기계는 하우징 내에 통합된 딤플(dimple) 또는 스페이서(spacer)로서의 역할을 하는 관통-볼트(through-bolt)와 같은 특징부를 포함한다. 또한, 전형적인 경계층 터보기계의 효율은 제한될 수 있다. 따라서, 경계층 터보기계 설계에 있어서의 개선이 계속 추구된다.

인접한 디스크들 및/또는 하우징 사이의 접촉을 유발하는 경향이 있는 디스크 편향을 최소화하거나 제거할 수 있는 경계층 터보기계가 본 명세서에 개시된다. 일 태양에서, 경계층 터보기계의 증가된 효율을 또한 제공하는 원리가 본 명세서에 개시된다. 경계층 터보기계는 하우징을 포함할 수 있으며, 하우징은 내부 공간을 한정하고, 하우징을 통한 유체의 이동을 용이하게 하기 위한 입구 개구 및 출구 개구를 갖는다. 경계층 터보기계는 또한, 로터 챔버 내에 배치되고 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 로터 조립체(rotor assembly)를 포함할 수 있다. 로터 조립체는, 회전축을 따라 이격되고 회전축을 따른 내부 개구를 한정하는 복수의 디스크를 가질 수 있다. 유체가 하우징을 통해 이동함에 따라 유체는 디스크들 사이의 갭(gap)과 내부 개구를 통과할 수 있다. 로터 조립체는 또한 복수의 디스크에 결합된 기부(base)를 포함할 수 있다. 기부는 하우징 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있고, 로터 조립체를 하우징에 결합하는 것을 용이하게 할 수 있다.

일 태양에서, 경계층 터보기계를 위한 로터 조립체가 개시된다. 로터 조립체는 복수의 디스크를 포함할 수 있으며, 복수의 디스크는 회전축을 따라 이격되고 회전축을 따른 내부 개구를 한정하여, 유체가 로터 조립체를 통해 이동함에 따라 유체는 디스크들 사이의 갭과 내부 개구를 통과한다. 로터 조립체는 또한 로터 조립체를 경계층 터보기계의 하우징에 결합하는 것을 용이하게 하기 위해 복수의 디스크에 결합된 기부를 포함할 수 있다.

이와 같이, 하기의 본 발명의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록, 그리고 당업계에 대한 본 기여가 보다 잘 인식될 수 있도록, 본 발명의 보다 중요한 특징이 다소 개괄적으로 약술되었다. 본 발명의 다른 특징이 첨부 도면 및 청구범위와 함께 취해진 본 발명의 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이거나, 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다.

도 1은 본 개시의 예에 따른 경계층 터보기계의 사시도.
도 2a와 도 2b는 도 1의 경계층 터보기계의 분해도.
도 3a는 로터 조립체가 생략된, 하우징 부분들 사이에서 취해진 도 1의 경계층 터보기계의 단면도.
도 3b는 로터 조립체를 보여주는, 하우징 부분들 사이에서 취해진 도 1의 경계층 터보기계의 단면도.
도 4는 본 개시의 예에 따른 로터 조립체의 디스크의 측면도.
도 5는 본 개시의 예에 따른 테이퍼 형성된(tapered) 구역을 갖는 로터 조립체의 디스크 에지의 상세도.
도 6은 본 개시의 예에 따른 로터 조립체의 일부분의 단면도.
도 7은 본 개시의 다른 예에 따른 내부 개구 내의 선택적인 나선형 배플을 보여주는 로터 조립체의 일부분의 단면도.
도 8a와 도 8b는 본 개시의 예에 따른 경계층 터보기계의 내부 공간 내의 유체 용적부를 보여주는 컴퓨터 모델을 예시하는 도면.
도 9a와 도 9b는 본 개시의 다른 예에 따른 경계층 터보기계를 예시하는 도면.
도 10a와 도 10b는 도 9a와 도 9b의 경계층 터보기계의 로터 조립체를 예시하는 도면.
도 11은 본 개시의 다른 예에 따른 경계층 터보기계의 로터 조립체를 예시하는 도면.
도 12는 본 개시의 다른 예에 따른 경계층 터보기계의 사시도.
도 13a와 도 13b는 도 12의 경계층 터보기계의 부분 분해 사시도.
도 14a는 회전축에 평행한 도 12의 경계층 터보기계의 단면도.
도 14b는 로터 조립체가 생략된, 도 12의 경계층 터보기계의 단면도.
도 15는 회전축에 수직인 도 12의 경계층 터보기계의 단면도.
도 16은 도 15의 경계층 터보기계의 단면도의 상세.
도 17은 도 12의 경계층 터보기계의 로터 조립체의 사시도.
도 18은 도 12의 경계층 터보기계의 로터 조립체의 디스크와 스페이서를 예시하는 도면.
도 19는 본 개시의 다른 예에 따른 경계층 터보기계의 사시도.
도 20은 도 19의 경계층 터보기계의 단면도.
도 21a는 본 개시의 예에 따른 펌프로서 구성된 경계층 터보기계의 개략도.
도 21b는 본 개시의 예에 따른 진공 펌프로서 구성된 경계층 터보기계의 개략도.
도 21c는 본 개시의 예에 따른 팬 또는 블로워(blower)로서 구성된 경계층 터보기계의 개략도.
도 21d는 본 개시의 예에 따른 인라인 펌프(in-line pump)로서 구성된 경계층 터보기계의 개략도.
도 21e는 본 개시의 예에 따른 보트 모터(boat motor)로서 구성된 경계층 터보기계의 개략도.
도 21f는 본 개시의 예에 따른 추진기(thruster)로서 구성된 경계층 터보기계의 개략도.
도 22a 내지 도 22c는 본 개시의 여러 가지 예에 따른, 유체 유동에 노출되는 표면을 위한 항력 감소 구조체를 예시하는 도면.
이들 도면은 본 발명의 다양한 태양을 예시하기 위해 제공되며, 달리 청구범위에 의해 제한되지 않는 한, 치수, 재료, 구성, 배열 또는 비율의 면에서 범주의 제한인 것으로 의도되지 않는다.

이들 예시적인 실시예는 당업자가 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 충분히 상세히 기술되지만, 다른 실시예가 실현될 수 있고, 본 발명에 대한 다양한 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예의 하기의 보다 상세한 설명은 청구된 바와 같은 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 의도되는 것이 아니라, 본 발명의 특징 및 특성을 기술하기 위해, 본 발명의 최선의 작동 모드를 기재하기 위해, 그리고 당업자가 본 발명을 실시하는 것을 충분히 가능하게 하기 위해, 제한이 아닌 단지 예시의 목적으로 제시된다. 따라서, 본 발명의 범주는 오로지 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

정의

본 발명을 기술하고 청구함에 있어서, 하기의 용어가 사용될 것이다.

문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 복수의 지시 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "디스크"에 대한 언급은 그러한 디스크들 중 하나 이상에 대한 언급을 포함하고, "스페이서"에 대한 언급은 그러한 스페이서들 중 하나 이상을 말한다.

식별된 특성 또는 상황과 관련하여 본 명세서에 사용된 바와 같이, “실질적으로"는 식별된 특성 또는 상황을 눈에 띄게 손상시키지 않도록 할 만큼 충분히 작은 어느 정도의 편차를 말한다. 허용가능한 정확한 편차 정도는 몇몇 경우에 특정 상황에 좌우될 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "인접한"은 두 구조체 또는 요소의 근접을 말한다. 특히, "인접한" 것으로 식별되는 요소들은 맞닿거나 연결될 수 있다. 그러한 요소들은 또한 반드시 서로 접촉할 필요는 없이 서로 부근에 있거나 가까울 수 있다. 정확한 근접 정도는 몇몇 경우에 특정 상황에 좌우될 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "경계층 두께"는 점성 유동 속도가 자유유동 속도의 99%인 고체 표면으로부터의 거리를 말한다. 가장 흔히, 터보기계는 실질적으로 층류인 조건하에서 작동될 수 있지만, 장치는 때때로 난류 조건하에서 가동될 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 복수의 아이템, 구조적 요소, 조성적 요소, 및/또는 재료가 편의를 위해 공통 목록으로 제시될 수 있다. 그러나, 이러한 목록은 마치 목록의 각각의 구성원이 별개의 그리고 고유의 구성원으로서 개별적으로 식별되는 것처럼 해석되어야 한다. 따라서, 그러한 목록의 개별 구성원은 반대에 대한 지시 없이는 오로지 공통 군 내의 그것의 제시에 기초하여 동일 목록의 임의의 다른 구성원의 실질적인 등가물로서 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "~ 중 적어도 하나"는 "~ 중 하나 이상"과 동의어이도록 의도된다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나"는 오직 A, 오직 B, 오직 C, 및 각각의 조합들을 명시적으로 포함한다.

수치 데이터가 본 명세서에서 범위 형식으로 제시될 수 있다. 그러한 범위 형식은 단지 편의 및 간략함을 위해 사용되며, 범위의 한계로서 명시적으로 언급된 수치 값을 포함할 뿐만 아니라, 그 범위 내에 포함되는 모든 개별 수치 값 또는 하위-범위를 마치 각각의 수치 값 및 하위-범위가 명시적으로 언급된 것처럼 포함하도록 융통성 있게 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 약 1 내지 약 4.5의 수치 범위는 1 내지 약 4.5의 명시적으로 언급된 한계를 포함할 뿐만 아니라 2, 3, 4와 같은 개별 수치 및 1 내지 3, 2 내지 4 등과 같은 하위-범위를 포함하도록 해석되어야 한다. 동일한 원리가 "약 4.5 미만"과 같은 단지 하나의 수치 값을 언급하는 범위에 적용되며, 이는 상기에 언급된 값들 및 범위들 모두를 포함하도록 해석되어야 한다. 또한, 그러한 해석은 기술되는 특성 또는 범위의 폭에 무관하게 적용되어야 한다.

임의의 방법 또는 공정 청구항에 언급된 임의의 단계들은 임의의 순서로 실시될 수 있으며, 청구항에 제시된 순서로 제한되지 않는다. '수단+기능(means-plus-function)' 또는 '단계+기능(step-plus-function)' 한정은 특정 청구항 한정에 대해 하기의 조건들 모두가 그 한정에 존재하는 경우에만 채용될 것이다: a) "~하기 위한 수단" 또는 "~하기 위한 단계"가 명시적으로 언급되고; b) 대응하는 기능이 명시적으로 언급됨. '수단+기능'을 지원하는 구조, 재료 또는 행위가 본 명세서의 설명에 명시적으로 언급된다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 제공된 설명 및 예에 의해서보다는 오로지 첨부된 청구범위 및 그것의 법적 등가물에 의해 결정되어야 한다.

경계층 터보기계

도 1을 참조하면, 본 개시의 예에 따른 경계층 터보기계(100)가 예시된다. 도 2a와 도 2b는 추가의 참고를 위해 경계층 터보기계(100)의 분해도를 예시한다. 경계층 터보기계는 상호보완적인 하우징 부분(111a, 111b)을 포함할 수 있는 하우징(110)을 포함할 수 있다. 하우징은 또한 하우징을 통한 유체(즉, 기체 및/또는 액체)의 이동을 용이하게 하기 위해 입구 개구(112)와 출구 개구(113)를 구비할 수 있다. 출구 개구(113)는 로터 조립체(120)의 회전축(101)에 또는 그것 부근에 위치될 수 있는 반면, 입구 개구(112)는 회전축(101)으로부터 반경방향 바깥쪽에 하우징(110) 상에 위치될 수 있다. 도면 부호 112, 도면 부호 113이, 각각, 하우징(110)의 입구 개구와 출구 개구를 식별하였지만, 몇몇 실시예에서 경계층 터보기계의 작동에 기초하여 개구(113)가 입구 개구일 수 있고 개구(112)가 출구 개구일 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 일 태양에서, 경계층 터보기계는 유체의 유동이 항상 동일한 입구 개구를 통해 하우징에 들어가고 동일한 출구 개구를 통해 하우징으로부터 빠져나간다는 점에서 "지향성(directional)"으로서 설계되고 작동될 수 있다. 다른 태양에서, 경계층 터보기계는 유체의 유동이 어느 하나의 개구(112, 113)를 통해 하우징에 들어가고 다른 개구를 통해 하우징으로부터 빠져나가 순방향 및 역방향 유체 유동을 달성하도록 스위칭될 수 있다는 점에서 "양방향성(bidirectional)"으로서 설계되고 작동될 수 있다. 또한, 하우징은 개구(113)와 유사한 입구 및/또는 출구로서의 역할을 또한 할 수 있는 개구(114)(도 2b)를 포함할 수 있다. 둘 모두의 개구(113, 114)가 사용될 때, 그것들은 전형적으로 동일한 기능을 가질 것이다. 따라서, 개구(112)는 입구 개구로서의 역할을 할 수 있고, 개구(113) 및/또는 개구(114)는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있다. 다른 한편으로는, 개구(113) 및/또는 개구(114)는 입구 개구로서의 역할을 할 수 있고, 개구(112)는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입구 및/또는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있는 다수의 개구가 개구(112)와 유사하게 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 하우징(110) 상에 위치될 수 있다.

도 2a와 도 2b에 예시된 바와 같이, 하우징(110)은 로터 조립체(120)를 수용하기 위한 내부 공간(115)을 한정할 수 있다. 로터 조립체는 회전축(101)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 로터 조립체는 회전축을 따라 이격된 복수의 디스크(121)를 구비할 수 있다. 일 태양에서, 디스크들은 실질적으로 평탄하고 회전축에 수직으로 배향될 수 있지만, 원추형 디스크 구성과 같은 임의의 적합한 디스크 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 원리를 사용하여 비-평탄 디스크들이 포개져 로터 조립체를 형성할 수 있다. 여하튼, 디스크들은 전체에 걸쳐 서로 실질적으로 평행할 수 있다. 또한, 임의의 적합한 수의 디스크가 사용될 수 있다(예컨대, 동력 요건에 따라). 이하에 더 상세히 기술되는 바와 같이, 복수의 디스크(121)는 회전축을 따른 내부 개구(복수의 디스크(121) 내부에 있으며 가려져서 보이지 않음)를 한정할 수 있다. 따라서, 유체가 하우징을 통해 입구 개구(112)로부터 출구 개구(113 및/또는 114)로 이동함에 따라 유체는 디스크들 사이의 갭과 내부 개구를 통과할 수 있다.

로터 조립체(120)는 또한, 로터 조립체를 하우징(110)에 결합하고 회전축(101)을 중심으로 한 로터 조립체의 회전을 용이하게 하기 위한 연장 부재(122a, 122b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연장 부재(122a, 122b)는 서로 반대편에 복수의 디스크(121)에 부착될 수 있고, 축(101)을 중심으로 한 로터 조립체의 회전을 용이하게 하기 위해 실질적으로 일렬식일 수 있다. 연장 부재(122a, 122b)는 접착제, 패스너(fastener), 또는 임의의 다른 적합한 물질 또는 장치를 사용하여 복수의 디스크(121)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 연장 부재는, 복수의 디스크와 인터페이싱하고 디스크와의 결합을 용이하게 하기 위한 플랜지(123a, 123b)를 포함할 수 있다. 연장 부재(122a, 122b)는 하우징(110)에 결합될 때 베어링 상에 장착되어 저 마찰 회전 인터페이스를 제공할 수 있다. 하나의 대안에서, 베어링은 브러시 베어링 시일(brush bearing seal)일 수 있다. 일 태양에서, 연장 부재(122a, 122b)는 복수의 디스크(121)에 의해 형성되는 내부 개구와 유체 연통하는, 연장 부재를 통해 연장되는 벤트 포트(vent port)(125a, 125b)를 포함할 수 있다. 따라서, 유체는, 각각, 하우징 개구(113, 114)를 통해 연장되는 연장 부재 벤트 포트(125a, 125b)를 통해 하우징으로부터 빠져나가거나 하우징에 들어갈 수 있다.

경계층 터보기계(100)의 다양한 구성요소가 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있지만, 일 태양에서 로터 조립체(120)(즉, 복수의 디스크(121), 연장 부재(122a), 및/또는 연장 부재(122b)) 및/또는 하우징(110)(즉, 하우징 부분(111a) 및/또는 하우징 부분(111b))은 전체적으로 또는 부분적으로 복합 재료, 예를 들어 탄소 섬유 복합재(예컨대, 토레이(Toray) T800S), 현무암 섬유 복합재, 또는 임의의 다른 적합한 경량 구조 재료로부터 제조될 수 있다. 일례에서, 복수의 디스크는 직조 섬유 복합 재료(예컨대, 경사(warp)/위사(weft))로 형성될 수 있다. 하나의 경우에, 직조 섬유 재료는 현무암 섬유 재료일 수 있으며, 예를 들어 - 그러나 이로 제한되지 않음 - 구매가능한 15582/50 재료가 사용될 수 있다. 일반적인 지침으로서, 로터 조립체(120)는 낮은 질량 대 표면적 비를 제공하도록 설계될 수 있다. 전형적으로, 로터 조립체에서 충분한 강도가 유지되는 한, 더 낮은 질량 대 표면적 비가 개선된 성능을 제공한다. 몇몇 경우에, 로터 조립체(120)는 손상된 또는 마모된 로터 조립체의 대체물로서 완전 유닛으로서 제공될 수 있다.

일 태양에서, 연장 부재(122a, 122b)는 로터 조립체(120)를 제너레이터(generator) 또는 모터에 결합하는 것을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 연장 부재(122a, 122b)는, 제너레이터 샤프트 또는 모터 샤프트와 인터페이싱하고, 예를 들어 패스너 등을 사용하여 로터 조립체(120)를 제너레이터 또는 모터에 결합하는 것을 용이하게 하기 위한 플랜지(124a, 124b)를 포함할 수 있다. 제너레이터(예컨대, 전기 제너레이터 또는 펌프)가 로터 조립체(120)에 결합되어 유체가 하우징(110)을 통해 이동함에 따라 동력을 발생시킬 수 있다. 모터가 로터 조립체(120)에 결합되어 로터 조립체의 회전을 유발하여서, 하우징(110)을 통한 유체의 이동을 유발하고 경계층 터보기계(100)를 펌프로서 사용할 수 있다. 따라서, 연장 부재(122a, 122b)는 제너레이터 또는 모터와 같은 외부 장치에 대한 로터 조립체(120)를 위한 기계적 전달 커플링(mechanical transfer coupling)으로서의 역할을 할 수 있다. 임의의 적합한 제너레이터 또는 모터가 경계층 터보기계(100)와 함께 사용될 수 있다. 일 태양에서, 각각의 하우징 부분(111a, 111b)은 제너레이터 또는 모터에 결합될 수 있다. 예를 들어, 하우징 부분(111a, 111b)은, 제너레이터 또는 모터와 인터페이싱하고, 예를 들어 패스너, 용접부 등을 사용하여 하우징(110)을 제너레이터 또는 모터에 결합하는 것을 용이하게 하기 위한, 각각, 장착 특징부(116a, 116b)를 포함할 수 있다. 일 태양에서, 장착 특징부(116a, 116b)는 연장 부재(122a, 122b)로부터의 간섭 없이 하우징(110)을 제너레이터 또는 모터에 직접 부착하는 것을 용이하게 하기 위해 적어도 연장 부재(122a, 122b)까지 연장될 수 있다. 또한, 경계층 터보기계(100)는 회전축(101)이 수직 또는 수평과 같은 임의의 적합한 배향에 있는 상태에서 작동될 수 있다.

경계층 터보기계(100)를 제너레이터와 함께 사용할 때, 경계층 터보기계는 보일러로부터 폐열을 포획하는 것, 머플러(muffler)를 교체함으로써 액체 연료 제너레이터의 배출 스트림 내로 직접 물을 주입하는 것, 또는 연소기로부터 자체 열 함량(heat content)을 발생시키는 것과 같은 다수의 상이한 소스(source)로부터의 증기에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 이러한 구성들 각각은 급수 탱크, 펌프, 센서, 컴퓨터, 및 다른 전자 구성요소와 같은, 많은 동일한 구성요소를 사용할 수 있다. 따라서, 물이 경계층 터보기계(100)에 증기로서 들어갈 수 있고 액체로서 빠져나갈 수 있지만, 광범위한 압력 및 온도 내의 임의의 유체가 사용될 수 있으며, 이는 경계층 터보기계 구성요소가 탄소 섬유 복합재로 구성될 때 재료와 수지 특성에 의존할 수 있다.

일 태양에서, 경계층 터보기계(100)는 파티션(partition)(130)을 포함할 수 있다. 도 3a와 도 3b에 더 명확하게 예시된 바와 같이, 파티션(130)은 내부 공간(115)을 외측 챔버(116)와 외측 챔버의 반경방향 안쪽에 위치된 로터 챔버(117)로 원주방향으로 분할할 수 있다. 외측 챔버(116)는 일반적으로 내부 공간(115)의 반경(103)의 80% 내지 95%의 내측 반경방향 치수(102)를 갖는 환형 용적부일 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 로터 조립체(120)는 로터 챔버(117) 내에 배치될 수 있다. 로터 조립체의 외측 에지는 파티션 부재(132)의 내측 에지로부터 반경방향 로터 갭 거리만큼 이격될 수 있다. 반경방향 로터 갭은 일반적으로 내측 에지까지 측정되는 로터 챔버 반경의 85% 내지 95%일 수 있다. 일 태양에서, 반경방향 갭 거리는 유체의 경계층 두께의 3배 내지 8배와 동일할 수 있다. 로터 디스크(121)에 대해 사용되는 대부분의 재료의 강성에도 불구하고, 작동 중 관련 회전 속도(rate of spin)는 흔히 1% 내지 5%의 반경방향 연신율(elongation)을 생성할 수 있다. 로터 갭은 크기에 따라 달라질 수 있지만, 휴지 상태(resting condition)에서 흔히 1 mm 내지 2 cm이다. 따라서, 로터 갭은 그러한 디스크 신장을 수용하도록 설계될 수 있다. 특히, 작동 속도가 상당히 다를 수 있다. 그러나, 많은 경우에, 로터 조립체는 5,000 rpm 내지 100,000 rpm의 속도로 작동할 수 있다.

파티션(130)은 유체가 외측 챔버(116)와 로터 챔버(117) 사이의 파티션을 통해 이동가능하도록 파티션 개구(131)를 구비할 수 있다. 일 태양에서, 개구(112)는 개구(112)가 입구 개구일 때 외측 챔버가 유체를 위한 팽창 챔버로서의 역할을 하도록 외측 챔버(116)와 관련될 수 있다. 전형적으로, 요구되지는 않지만, 입구는 또한 팽창 챔버 내에 접선방향 유동을 생성하도록 배향될 수 있다. 파티션 개구(131)들은 디스크의 외측 에지 주위의 다수의 위치에서, 유체가 외측 챔버(116)로부터 로터 챔버(117) 내로, 그리고 이에 따라 로터 조립체(120)의 디스크들 사이의 갭 내로 이동하도록 허용하기 위해 파티션(130) 주위에서 원주방향으로 (예컨대, 균등하게) 이격될 수 있다. 외측 챔버(116)로부터 로터 조립체(120) 디스크로의 다수의 접근 포트를 제공하는 이러한 구성은, 특히 파티션 개구(131)들이 서로 균등하게 이격될 때, 터보기계의 효율을 증가시킬 수 있다. 일 태양에서, 파티션 개구(131)는 2개 이상의 파티션 부재(132)에 의해 한정되거나 단일 파티션 부재 내에 형성될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 파티션 부재(132)들은 로터 조립체(120) 디스크를 수용하도록 크기설정된(즉, 디스크의 외경보다 큰) 내경을 갖는 원형 구성으로 배열될 수 있다. 파티션(130)(즉, 파티션 부재(132))은 제 위치에 고정된 개별 구성요소일 수 있거나, 하우징 부분(111a)과 같은 하우징과 일체로 형성될 수 있다. 도 3a와 도 3b에 예시된 실시예에서, 예시된 파티션 부재(132)는 단지 파티션(130)의 반이며, 이때 파티션 부재들의 상호보완적인 세트가 반대편 하우징 부분(111b)에 고정된다. 대안적으로, 파티션은 상호보완적인 파티션 부재들의 오정렬을 회피하기 위해 파티션 부재들의 단일 세트로서 형성될 수 있다.

일 태양에서, 파티션 개구(131)는 벤츄리(venturi) 구성을 포함할 수 있다. 용어 "벤츄리"는 본 명세서에서 인접한 파티션 부재(132)들의 2개의 이격된 상호보완적인 표면(133, 134)에 의해 형성되는 파티션 개구(131)가 수렴하고/하거나 발산하여, 파티션 개구를 통과하는 유체가 향상된 속도에 도달하면서 동시에 현저히 감소된 압력을 발생시켜 벤츄리 효과와 유사한 효과를 생성하는 구성을 일반적으로 정의하는 데 사용된다. 임의의 적합한 벤츄리 구성이 사용될 수 있다. 일 태양에서, 파티션 개구(131)는 적어도 부분적으로 평탄한 표면(133)에 대해 25도 내지 55도의 분사각(injection angle)(104)을 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 분사각(104)은 30도 내지 50도의 범위일 수 있고, 하나의 특정 예에서 41.5도일 수 있다. 대안적으로, 분사각(104)은 35도 내지 65도, 몇몇 경우에 40도 내지 60도의 범위일 수 있고, 하나의 특정 예에서 51.4도일 수 있다. 다른 태양에서, 파티션 개구(131)는 5 mm 내지 5 cm의 반경방향 치수(105)를 가질 수 있다. 또 다른 태양에서, 파티션 개구(131)는 5 mm 내지 5 cm의 외측 원주방향 치수(106) 및 1 cm 내지 10 cm의 내측 원주방향 치수(107)를 가질 수 있다. 각도(104), 반경방향 치수(105), 외측 원주방향 치수(106), 및 내측 원주방향 치수(107)는 터보기계의 유체 유형, 크기, 및 응용에 따라 달라질 수 있다.

일 태양에서, 파티션 개구(131)는 하우징을 통한 유체의 양방향 유동을 용이하게 하기 위해 사용 동안 재구성될 수 있다. 예를 들어, 파티션 개구(131)의 구성(즉, 각도(104), 반경방향 치수(105), 외측 원주방향 치수(106), 및/또는 내측 원주방향 치수(107))은 파티션 개구를 통한 두 방향으로의 적합한 유동 특성을 달성하기 위해 하나 이상의 스위치에 의해 작동될 수 있는 모터를 통해 하나 이상의 파티션 부재(132)를 조작함으로써 제어될 수 있다.

일 태양에서, 외측 챔버(116)(즉, 몇몇 실시예에서 팽창 챔버)는 예를 들어 회전축(101)을 중심으로 완전 360도에 걸쳐 치수 특성 및 기하학적 구조를 유지함으로써 일정한 또는 균일한 단면적을 가질 수 있다. 특히, 팽창 챔버는 이 경우에 팽창 챔버까지 이어지는 입구 개구(112) 공간을 포함하지 않는다. 예시된 실시예에서, 외측 챔버(116)는 일정한 원통형 벽 두께를 통해 외측 챔버(116) 주위에서 균일한 단면적을 갖는 원통형 구성을 갖는다.

유체가 개구(112)를 통해 하우징에 들어가는 정상 작동 상태(steady operational state)에서, 유체는 외측 챔버(116) 주위를 순환하고 외측 챔버 내에 비교적 일정한 압력 체제를 유지한다. 유체는 파티션 개구(131)를 통과하여 로터 챔버(117) 내로 이동하고, 로터 조립체(120) 내의 개별 디스크(121)들 사이의 공간 또는 갭에 들어간다. 디스크의 표면 상에서의 점착 및 점성 작용에 의해, 유체는 디스크가 회전하게 한다. 디스크의 회전 속도가 증가함에 따라, 디스크들 사이의 유체에는 외측 챔버(116)와 파티션 개구(131) 사이에서 유지되는 압력 차이 및 원심력 둘 모두가 작용하며, 이는 유체가 디스크들 내에 보유되게 한다. 디스크들 사이에서의 유체의 이러한 증가된 체류는 유체가 계속해서 에너지를 전달하고 토크의 형태로 추가의 회전을 부여함으로써 일을 하는 것을 가능하게 하며, 이는 효율을 증가시키고 터보기계가 더 많은 열 에너지를 기계적 일(mechanical work)로 변환하도록 허용한다.

일 태양에서, 원심력에 의해 로터 조립체(120)의 외측 에지로 투척되는 더 무거운 입자를 수집하고 방출하기 위해 데브리스 트랩(debris trap)(140)이 포함될 수 있다. 예를 들어, 파티션(130)의 일부분이 파티션 부재(132)들 중 하나 이상의 내측 반경방향 표면을 따른 채널 또는 홈의 형상으로 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같은 데브리스 트랩(140)을 형성할 수 있다. 데브리스 트랩(140)은 도 1과 도 2a에 도시된 바와 같이 도관(143)을 통해 하우징(110) 외부에 있는 데브리스 리셉터클(debris receptacle)(142)로 이어질 수 있는 개구(141)를 통해 내부 공간(115)으로부터 입자를 운반할 수 있다. 예시된 데브리스 트랩은 각 단부에서 개구(141)를 포함하지만, 단일 개구가 적합할 수 있다. 데브리스 리셉터클(142)은 증기 압력과 중력을 사용하여 용이하게 정비되고 세정될 수 있다. 따라서, 데브리스 트랩(140)은 유체로부터 입자를 포획하고 입자가 터보기계로부터 배출물로서 떠나는 것을 방지할 수 있다. 소정 응용에서, 이는 전형적인 기존 기술과 관련된 환경적으로 부정적인 배출물을 현저히 감소시킬 수 있다.

일 태양에서, 개구(112)는 유체를 위한 최적 효율 흡입 압력 및/또는 유동 패턴을 제공하기 위해 적응식(adaptive) 입구 포트로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 유체의 흡입 압력 및/또는 유동 패턴에 영향을 미치도록 원하는 대로 상이한 오리피스 또는 입구 개구 크기를 제공하기 위해 모듈식의 교체가능한 입구 피팅(fitting)(118)이 선택적으로 사용될 수 있다. 대안적으로, 입구 매니폴드(144)는 매니폴드의 폭을 가로지른 교체가능 인서트(insert)를 포함할 수 있다.

도 4는 본 개시의 예에 따른 로터 조립체에 사용될 수 있는 디스크(250)를 예시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 디스크(250)는 복수의 유체 가이드(251)를 포함할 수 있다. 유체 가이드는 에어포일(airfoil), 타원형, 원형, 다이아몬드 등과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는, 임의의 적합한 단면을 가질 수 있다. 그러나, 예시된 바와 같은 에어포일 단면이 특히 효과적일 수 있다. 유체 가이드(251)들은 디스크(250)를 가로질러 링 구성(252a, 252b, 및/또는 252c)으로 배열될 수 있다. 일 태양에서, 링 구성은 회전축(201)을 중심으로 동심인 다수의 링(252a 내지 252c)을 포함할 수 있다. 3개의 그러한 링이 예시되지만, 크기와 설계 작동 파라미터에 따라 약 3개 내지 약 8개의 링이 흔히 적합할 수 있다. 다른 태양에서, 유체가 디스크(250)를 따라 나선형 유동 경로를 따를 때 유체의 효율을 최대화하기 위해 링(252a 내지 252c)의 반경방향 관계는 피보나치 비(Fibonacci ratio)(1.61618) 또는 황금비(Golden ratio)(1.61803)에 대응할 수 있다. 그러나, 예를 들어 등거리, 또는 1.2 내지 2의 비와 같은 다른 반경방향 관계가 사용될 수 있다. 유체가 우선 유체 가이드(251)와 접함에 따라, 압력파가 형성되는데, 이는 통과 시에 저압 와류 영역을 형성하며, 이러한 저압 와류 영역은 이미 존재하는 힘(들)(예컨대, 회전하는 로터 조립체에 작용하는 점착력 및 점성력)에 더하여 (회전하는) 디스크에 에너지의 기계적 전달의 형태로 추가의 임펄스(impulse)를 부가한다. 에어포일 형상의 유체 가이드를 사용할 때, 경사각은 원하는 작동 파라미터에 기초하여 조절될 수 있다. 일반적인 지침으로서, 경사각(253)(즉, 로터 반경(254)과 중심 종방향 에어포일 축(255) 사이의 각도)은 약 20° 내지 약 75°, 그리고 몇몇 경우에 30° 내지 55°일 수 있다. 디스크(250) 상의 유체 가이드(251)의 수, 기하학적 설계, 및 위치는 디스크의 크기, 입구 압력, 및 로터 조립체의 설계 회전 속도에 기초하여 최적화될 수 있다. 일 태양에서, 파티션 개구의 벤츄리 구성(도 3a 및 도 3b 참조)은 동심 링(252a 내지 252c) 사이에서의 유체 유동을 제어할 수 있다. 로터 조립체의 회전 속도가 증가함에 따라, 유체 유동은 디스크의 중심을 향해 증가한다. 더 낮은 회전 속도에서는, 유체 유동은 디스크의 외측 에지를 향하는 경향이 있다.

도 5는 디스크들 사이의 갭을 보여주기 위해 배향된 본 개시의 예에 따른 로터 조립체의 인접 디스크(350a, 350b)를 예시한다. 로터 조립체의 디스크(350a, 350b)는 전형적으로 비교적 얇고(예컨대, 대략 1.45 mm의 두께(356)) 전형적으로 디스크 두께(356) 이하의 거리(358)의, 디스크들 사이의 갭(357) 또는 공간을 구비한다. 더 일반적으로, 디스크 두께(356)는 유체의 경계층 두께의 약 2배 내지 5배, 흔히 3배 내지 5배, 그리고 가장 흔히 약 3배일 수 있다. 유사하게, 디스크(350a, 350b)는 유체의 경계층 두께의 3배와 동일한 거리(358)만큼 이격될 수 있지만, 경계층 두께의 약 2배 내지 5배, 흔히 2배 내지 5배, 그리고 가장 흔히 약 3배가 사용될 수 있다. 일반적으로, 디스크 두께는 약 0.5 mm 내지 약 5 mm, 그리고 몇몇 경우에 약 0.8 mm 내지 약 2 mm의 범위일 수 있다. 일 태양에서, 디스크(350a, 350b)의 외측 에지는 난류를 감소시키고 로터 조립체 내로의 또는 로터 조립체 밖으로의 유체 유동의 매끄러운 전이를 용이하게 할 수 있는 테이퍼 형성된 구역을 제공하기 위해 작은 반경의 더 얇은 에지로 각도(359)만큼 테이퍼 형성될 수 있다.

도 6은 본 개시의 예에 따른 로터 조립체(420)의 일부분의 단면을 예시한다. 로터 조립체(420)는 내부 개구를 통해 연장되는, 회전축을 따른 중심 중공(hollow) 내부 개구(426)를 한정하는 복수의 디스크(421)(개별적으로 디스크(450a 내지 450n)로 식별됨)를 포함한다. 디스크(450a 내지 450n)는 디스크들을 회전축을 따라 이격시켜 디스크들 사이의 갭(454a 내지 454m)을 제공하도록 인접한 디스크들 사이에 배치된 복수의 스페이서(451a 내지 451n)를 포함한다. 따라서, 유체가 로터 조립체(420)를 통해 이동함에 따라 유체는 디스크(450a 내지 450n) 사이의 갭(454a 내지 454m)과 내부 개구(426)를 통과할 수 있다.

일 태양에서, 디스크(450a 내지 450n)는, 예를 들어 접착제를 사용하여, 복수의 스페이서(451a 내지 451n)에 의해 서로 영구적으로 결합될 수 있다. 일례에서, 접착제는 전체 조립체를 형성하는 데 사용되는 일반적인 수지 결합제이다. 디스크들을 함께 유지하기 위한 중실(solid) 중심 샤프트가 없으면, 이러한 구성은 "무샤프트(shaftless)"로 칭해질 수 있다. 바꾸어 말하면, 내부 개구(426)는 디스크(450a 내지 450n)를 서로 결합하거나 고정시키고/시키거나 토크를 전달할 임의의 중실 구조체(예컨대, 샤프트 또는 다른 유사한 구조체)가 없는 중심 중공 공극(void)이다. 따라서, 중실 구조체가 중심 중공 내부 개구(426)로부터 복수의 디스크(421)의 전체 길이를 따라, 그리고 몇몇 실시예에서 로터 조립체의 전체 길이를 따라 배제된다. 그러한 구성은 또한 내부 개구의 양 단부로부터의 유체 유입 및 유출의 결과를 가져온다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스페이서(451a 내지 451n)는 디스크(450a 내지 450n)와 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 그러한 내장 스페이서(451a 내지 451n)를 사용하여 디스크(450a 내지 450n)를 서로 결합함으로써, 디스크 조립체를 완성하는 데 다른 부품이 필요하지 않다. 일 태양에서, 스페이서(451a 내지 451n)는 에어포일 구성을 가질 수 있으며, 따라서 또한 도 4에 관하여 위에서 논의된 바와 같은 유체 가이드로서의 역할을 할 수 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 디스크(450a 내지 450n)는 일측에서 평평할 수 있고 반대측으로부터 돌출하는 스페이서들을 가질 수 있으며, 이러한 스페이서들은 위에서 논의된 바와 같이 링 구성으로 정리되거나 배열될 수 있다. 따라서, 스페이서(451a 내지 451n)는 디스크(450a 내지 450n)의 서로로부터의 정확하고 적절한 간격을 보장할 수 있고, 인접한 디스크들을 상호로킹하기 위해 다수의 기하학적으로 그리고 반경방향으로 분포된 결합 위치를 제공함으로써 작동 하중하에서 로터 조립체(420) 구조체에 강성을 제공할 수 있다. 또한, 접착제를 사용하여 스페이서(451a 내지 451n)를 인접한 디스크들에 접합시키는 것은 모든 자유도에서의 고정된 부착 상태를 제공하며, 이는 볼트체결 결합과 같은, 모든 자유도에서의 고정이 없는 더 단순한 부착 상태에 비해 강직성(stiffness)을 증가시킨다. 전형적으로, 로터 조립체(420)는 0.5 mm 내지 5 mm의 갭 거리를 갖는 60개 내지 200개의 디스크를 포함할 것이지만, 임의의 적합한 수 및 간격의 디스크가 사용될 수 있다. 로터 조립체 내의 디스크의 수는 달라질 수 있지만, 일반적인 지침으로서, 50개 내지 500개의 디스크, 그리고 몇몇 경우에 75개 내지 200개의 디스크가 포함될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 동일한 디스크들이 전체 로터 조립체(420)(외측 단부 디스크들을 포함함)를 구성하는 데 사용되어서, 구성을 단순화할 수 있다. 다른 실시예에서, 상이한 스페이서/유체 가이드 구성들을 갖는 디스크들과 같은, 상이한 구성들의 디스크들이 로터 조립체 내에 통합될 수 있다. 일례에서, "평활한(smooth)" 디스크가 로터 조립체 디스크의 단부를 "캡핑(capping)"하는 데 사용되어서, 로터 조립체의 서로 반대편에 있는 단부들 상에 평활한 노출된 디스크 면을 제공할 수 있다. 대안적으로, 그렇지 않으면 워터 브레이크(water break)로서의 역할을 할 수 있는 응축수가 샤프트 내로 자유롭게 배출되도록 허용하는 구멍이 디스크 팩의 외측 플레이트 상에 배치될 수 있다.

장치의 디스크 및 다른 부분은 일반적으로 적합한 기계적 강도 및 강성을 갖는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 디스크는 경량 복합 재료, 금속 합금, 세라믹 등으로 형성될 수 있다. 경량 복합 재료는 탄소 섬유, 현무암 섬유, 유리섬유 등을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 그러한 섬유-기반 재료는 또한 작동 동안의 과도한 신장에 대항하여 강성을 증가시키기 위해 직조될 수 있다. 적합한 금속의 비-제한적인 예는 티타늄, 텅스텐, 마그네슘 합금, 알루미늄, 강철, 탄탈륨, 바나듐, 이들의 합금, 이들의 복합재 등을 포함할 수 있다. 세라믹 및 적합한 초경질 재료는 탄화물, 질화물, 다결정 다이아몬드(PCD 및 CVD) 등을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 디스크는 조성이 단일적이거나 코팅될 수 있다(예컨대, 세라믹 또는 PCD 외측 코팅을 갖는 금속 코어). 일 태양에서, 로터 조립체의 디스크는 본 개시의 터보기계와는 달리, 운동량을 보존하기 위해 "플라이휠(flywheel)" 효과에 크게 의존하는 전형적인 설계에 비해 더 작은 질량을 갖고서 고 표면적을 제공할 수 있는 경량 복합 재료(예컨대, 탄소 섬유 및/또는 현무암 섬유)로 구성될 수 있다.

도 7은 본 개시의 다른 예에 따른 로터 조립체(520)의 일부분의 단면을 예시한다. 도 6에서와 같이, 로터 조립체(520)는 내부 개구를 통해 연장되는, 회전축을 따른 중심 중공 내부 개구(526)를 한정하는 복수의 디스크(521)를 포함한다. 따라서, 인접한 디스크들 사이의 갭을 통해 이동하는 유체는 갭으로부터 직접 자유롭게 내부 개구(526)에 들어가거나 그것으로부터 빠져나갈 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 내부 개구(526)는 또한 로터 조립체로부터 유체를 배출시키기 위해 로터 조립체(520)를 통한 유체의 지향성 유동 또는 이동을 용이하게 하기 위해서 적어도 부분적으로 나선형 배플(baffle)(527)에 의해 한정된다. 몇몇 실시예에서, 나선형 배플(527)은 디스크들이 조립될 때 배플이 인접한 디스크들 사이의 배플에 있어서의 갭을 갖고서 형성되도록 각각의 디스크 상의 특징부 또는 돌출부에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 나선형 배플(527)은 배플이 인접한 디스크들 사이의 갭을 가로질러 연장되도록 디스크 조립체에 부가된 별개의 구성요소일 수 있다.

연장 부재(522)가 또한 복수의 디스크(521)에 부착되어 도시된다. 연장 부재(522)는 접착제, 패스너, 또는 임의의 다른 적합한 물질 또는 장치를 사용하여 복수의 디스크(521)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 연장 부재(522)는, 복수의 디스크(521)와 인터페이싱하고 디스크와의 결합을 용이하기 위한 플랜지(523)를 포함할 수 있다. 연장 부재(522)는 또한 회전축을 따라 배향된 벤트 포트(525)를 포함한다. 벤트 포트(525)는 복수의 디스크에 의해 형성되는 내부 개구(526)와 유체 연통하여 연장 부재(525)를 통해 연장되어서, 내부 개구의 연장부를 효과적으로 형성할 수 있다. 벤트 포트(525)의 직경이 내부 개구(526)의 직경과는 상이한 것으로 예시되지만, 벤트 포트와 내부 개구는 내부 개구와 벤트 포트 사이에서의 무제한 유체 유동을 용이하게 하기 위해 실질적으로 동일한 직경을 가질 수 있다는 것이 인식되어야 한다.

나선형 배플은 선택적으로 연장 부재(522)를 가로질러 연장된다. 일 태양에서, 벤트 포트(525)는 벤트 포트(525)를 통한 유체의 이동을 용이하게 하기 위해 적어도 부분적으로 나선형 배플(528)에 의해 한정될 수 있다. 내부 개구(526)의 나선형 배플(527)에서와 같이, 나선형 배플(528)은 기재(substrate)와 일체로 형성된 돌출 내부 표면 특징부이거나 별개의 구성요소로서 포함될 수 있다. 나선형 배플(527, 528)은 로터 조립체로부터 유체를 배출시키기 위해 로터 조립체(520)를 통한 유체의 유동 또는 이동을 유지하기 위해서 배플의 인터페이싱 단부들이 서로 정렬되도록 내부 개구(526)와 벤트 포트(525)를 통해 연속적일 수 있다. 내부 개구(526)와 벤트 포트(525)가 나선형 배플(527, 528)을 갖는 것으로 도시되지만, 내부 개구와 벤트 포트는 매끄러운 또는 특징부 없는 경계를 가질 수 있으며, 이는 로터 조립체(520)의 구성을 단순화할 수 있다는 것이 인식되어야 한다.

도 8a와 도 8b는 본 개시의 예에 따른 경계층 터보기계의 내부 공간 내의 유체 용적부를 보여주는 컴퓨터 모델을 예시한다. 이들 도면은 입구 개구, 외측 챔버, 파티션 개구, 로터 챔버, 내부 개구, 및 벤트 포트 내의 유체를 보여준다.

도 9a와 도 9b를 참조하면, 본 개시의 다른 예에 따른 경계층 터보기계(600)가 예시된다. 경계층 터보기계는 하우징(610)을 포함할 수 있다. 하우징은 입구/출구 유동 방향(608, 609)에 의해 예시된 바와 같이, 하우징을 통한 유체(즉, 기체 및/또는 액체)의 이동을 용이하게 하기 위해, 경계층 터보기계의 작동에 기초하여, 입구 또는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있는 개구(612, 613)를 가질 수 있다. 개구(613)는 로터 조립체(620)의 회전축 상에 또는 그것 주위에 위치될 수 있는 반면, 개구(612)는 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 하우징(610) 상에 위치될 수 있다. 파티션 부재는 가려져 있지만, 도 2a와 도 2b에 관하여 기술된 바와 같이 하우징(610)의 내측 표면과 로터 조립체(620) 사이에 원주방향으로 배향된다. 도 10a와 도 10b는 추가의 참고를 위해 하우징(610)으로부터 격리된 로터 조립체(620)의 도면을 예시한다. 일 태양에서, 경계층 터보기계는 유체의 유동이 항상 동일한 입구 개구를 통해 하우징에 들어가고 동일한 출구 개구를 통해 하우징으로부터 빠져나간다는 점에서 "지향성"으로서 설계되고 작동될 수 있다. 다른 태양에서, 경계층 터보기계는 유체의 유동이 어느 하나의 개구(612 또는 613)를 통해 하우징에 들어가고 다른 개구를 통해 하우징으로부터 빠져나가 순방향 및 역방향 유체 유동을 달성하도록 스위칭될 수 있다는 점에서 "양방향성"으로서 설계되고 작동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입구 및/또는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있는 다수의 개구(612)가 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 하우징(610) 상에 위치될 수 있다. 따라서, 임의의 적합한 수의 개구(612)가 포함될 수 있고 개구 매니폴드(644) 또는 도관에 의해 형성될 수 있다.

하우징(610)은 로터 조립체(620)를 수용하기 위한 내부 공간(615)을 한정할 수 있다. 로터 조립체는 회전축을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 로터 조립체는 회전축을 따른 내부 개구(626)를 한정하는, 전술된 바와 같이, 회전축을 따라 이격된 복수의 디스크(621)를 구비할 수 있다. 따라서, 유체가 하우징을 통해 개구(612)와 개구(613) 사이에서 이동함에 따라 유체는 디스크들 사이의 갭과 내부 개구를 통과할 수 있다.

로터 조립체(620)는 또한 복수의 디스크(621)에 결합된 연장 부재(622)를 포함할 수 있다. 일 태양에서, 연장 부재(622)는 복수의 디스크(621)에 의해 형성되는 내부 개구(626)와 유체 연통하여 연장 부재를 통해 연장되는 벤트 포트(625)를 포함할 수 있다. 따라서, 유체는 하우징 개구(613)를 통해 연장될 수 있는 연장 부재 벤트 포트(625)를 통해 하우징으로부터 빠져나가거나 하우징에 들어갈 수 있다.

또한, 로터 조립체(620)는 복수의 디스크(621)에 결합된 장착 플레이트(660)를 포함할 수 있다. 연장 부재(622)와 장착 플레이트(660)는 접착제, 패스너, 또는 임의의 다른 적합한 물질 또는 장치를 사용하여 복수의 디스크(621)에 부착될 수 있다. 장착 플레이트(660)는 유체가 내부 개구(626)를 통과할 때 유체가 벤트 포트(625) 또는 디스크들 사이의 갭을 통해 유동하여야 하도록 내부 개구(626)를 통과하는 유체에 대한 장벽(barrier)을 형성할 수 있다.

로터 조립체(620)는 연결 부재(662)를 통해 장착 플레이트(660)에 결합된 기부(664)를 추가로 포함할 수 있다. 기부(664)는 적어도 부분적으로 하우징(610)의 내부 공간(615) 내에 배치될 수 있다. 일 태양에서, 기부(664)는 로터 조립체(620)를 하우징(610)에 결합하고 회전축(601)을 중심으로 한 로터 조립체의 회전을 용이하게 하는 데 사용될 수 있다. 기부(664)는 하우징(610)에 결합될 때 베어링 상에 장착되어 저 마찰 회전 인터페이스를 제공할 수 있다. 일 태양에서, 경계층 터보기계(600)는 하우징(610)과 로터 조립체(620)가 원하는 결과를 달성하기 위해 유사한 구성요소와 상호 교환가능한 모듈 방식으로 구성될 수 있다. 따라서, 기부(664)는 주어진 로터 조립체 내에 포함될 수 있는 임의의 적합한 수의 디스크를 수용하기 위해 회전축을 따라 "부유"하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기부(664)는 로터 조립체의 일관된 적층 높이를 유지하기 위해 디스크의 수가 변함에 따라 크기가 조절될 수 있지만, 그럴 필요가 있는 것은 아니다. 하우징(610)은 위치(628)에서 복수의 디스크에 근접하게 위치되도록 구성된 쇼울더(shoulder)(619)를 포함할 수 있다. 쇼울더(619)는 복수의 디스크(621) 내의 갭으로의 또는 갭으로부터의 하우징(610)을 통한 유체 통과를 용이하게 하기 위해 내부 공간(615) 내에 복수의 디스크(621)로부터 반경방향 바깥쪽에 있는 영역을 적어도 부분적으로 한정할 수 있다.

일 태양에서, 기부(664) 및/또는 연장 부재(622)는 로터 조립체(620)를 제너레이터, 모터, 구동 샤프트 등에 결합하는 것을 용이하게 할 수 있다. 제너레이터(예컨대, 전기 제너레이터 또는 펌프)가, 예를 들어 기부(664)를 통해, 로터 조립체(620)에 결합되어 유체가 하우징(610)을 통해 이동함에 따라 동력을 발생시킬 수 있다. 모터가 로터 조립체(620)에 유사하게 결합되어 로터 조립체의 회전을 유발하여서, 하우징(610)을 통한 유체의 이동을 유발하고 경계층 터보기계(600)를 펌프로서 사용할 수 있다. 따라서, 기부(664) 및/또는 연장 부재(622)는 제너레이터 또는 모터와 같은 외부 장치에 대한 로터 조립체(620)를 위한 기계적 전달 커플링으로서의 역할을 할 수 있다. 임의의 적합한 제너레이터 또는 모터가 경계층 터보기계(600)와 함께 사용될 수 있다. 또한, 경계층 터보기계(600)는 회전축이 수직 또는 수평과 같은 임의의 적합한 배향에 있는 상태에서 작동될 수 있다.

경계층 터보기계(600)의 다양한 구성요소가 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있지만, 일 태양에서 로터 조립체(620)(즉, 복수의 디스크(621), 기부(664), 연결 부재(662), 및/또는 연장 부재(622)) 및/또는 하우징(610)은 전체적으로 또는 부분적으로 탄소 섬유 복합재(예컨대, 토레이 T800S) 또는 임의의 다른 적합한 경량 구조 재료로부터 제조될 수 있다. 일반적인 지침으로서, 로터 조립체(620)는 낮은 질량 대 용적 비를 제공하도록 설계된다. 몇몇 경우에, 로터 조립체(620)는 손상된 또는 마모된 로터 조립체의 대체물로서 완전 유닛으로서 제공될 수 있다.

도 11은 본 개시의 다른 예에 따른 로터 조립체(720)를 예시한다. 전술된 로터 조립체(620)에서와 같이, 로터 조립체(720)는 복수의 디스크(721)에 결합된 장착 플레이트(760), 기부(764), 및 연결 부재(762)를 포함한다. 그러나, 이러한 경우에, 기부(764)는 연결 부재(762)를 통해 장착 플레이트(760)에 결합된 모터(770)를 수용하도록 구성된 개구(766)를 포함한다. 기부(764)는 연결 부재(762)가 그것을 통해 연장될 수 있는 개구(768)를 포함할 수 있다. 따라서, 이 실시예에서, 기부(764)는 하우징과 모터(770)에 대해 고정될 수 있는 반면, 연결 부재(762)는 복수의 디스크(721)의 회전을 유발하기 위한 모터로부터의 구동 샤프트로서의 역할을 한다.

도 12를 참조하면, 본 개시의 다른 예에 따른 경계층 터보기계(800)가 예시된다. 도 13a와 도 13b는 경계층 터보기계(800)의 부분 분해도를 예시하고, 도 14a와 도 15는 추가의 참고를 위해 경계층 터보기계(800)의 단면도를 예시한다. 본 명세서에 개시된 다른 예에서와 같이, 경계층 터보기계(800)는 로터 조립체(820)의 디스크(821)를 포위하거나 둘러싸기 위해 임의의 수 또는 구성의 하우징 부분을 포함할 수 있는 하우징(810)을 포함할 수 있다(도 14a). 로터 조립체(820)가 없는 하우징(810)의 단면이 도 14b에 도시되고, 추가의 참고를 위해 도 17에 로터 조립체(820)가 격리되어 도시된다.

하우징(810)은 하우징을 통한 유체(즉, 기체 및/또는 액체)의 이동을 용이하게 하기 위해 개구(812 내지 814)를 구비할 수 있다. 개구(813, 814)는 로터 조립체(820)의 회전축(801)에 또는 그것 부근에 위치될 수 있는 반면, 개구(812)는 회전축(801)으로부터 반경방향 바깥쪽에 하우징(810) 상에 위치될 수 있다. 개구(812 내지 814)는 하우징(810)을 통한 유동의 방향에 따라 입구 또는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 개구(812)는 입구 개구로서의 역할을 할 수 있고, 개구(813) 및/또는 개구(814)는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있다. 다른 한편으로는, 개구(813) 및/또는 개구(814)는 입구 개구로서의 역할을 할 수 있고, 개구(812)는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있다. 경계층 터보기계(800)는 유체의 유동이 항상 동일한 입구 개구를 통해 하우징(810)에 들어가고 동일한 출구 개구를 통해 하우징으로부터 빠져나간다는 점에서 "지향성"으로서 설계되고 작동될 수 있거나, 경계층 터보기계는 유체의 유동이 개구(812) 또는 개구(813, 814)를 통해 하우징에 들어가고 다른 개구(들)를 통해 하우징으로부터 빠져나가 순방향 및 역방향 유체 유동을 달성하도록 스위칭될 수 있다는 점에서 "양방향성"으로서 설계되고 작동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입구 및/또는 출구 개구로서의 역할을 할 수 있는 다수의 개구가 개구(812)와 유사하게 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 하우징(810) 상에 위치될 수 있다.

본 명세서에 개시된 다른 예에서와 같이, 로터 조립체(820)는 회전축을 따른 내부 개구(826)를 한정할 수 있는, 회전축(801)을 따라 이격된 복수의 디스크(821)를 구비할 수 있다(도 14a). 따라서, 유체가 하우징(810)을 통해, 예를 들어 개구(812)로부터 개구(813) 및/또는 개구(814)로 이동함에 따라 유체는 디스크들 사이의 갭과 내부 개구를 통과할 수 있다.

도 14b와 도 15에 예시된 바와 같이, 하우징(810)은 로터 조립체(820)를 수용하기 위한 내부 공간(815)을 한정할 수 있다. 또한, 파티션(830)은 내부 공간(815)을 외측 챔버(816)와 외측 챔버의 반경방향 안쪽에 위치된 로터 챔버(817)로 원주방향으로 분할할 수 있다. 개구(812)가 입구 개구일 때, 하우징(810)은 유체 유동을 입구 개구로부터 내부 공간으로 전이시키기 위한, 입구 개구와 내부 공간(815) 사이의 분배 영역(880)을 구비할 수 있다. 일 태양에서, 개구(812)는 팽창 입구 영역(881)을 형성하도록 구성될 수 있는 입구 매니폴드(844)와 관련될 수 있다. 팽창 입구 영역(881)과 분배 영역(880)은 유체를 위한 방향전환 챔버를 형성할 수 있고, 외측 챔버(816)는 원주방향으로 파티션(830) 주위에 유체를 위한 별개의 그리고 분리된 팽창 챔버를 형성한다. 일 태양에서, 분배 영역(880)과 외측 챔버(816)는 서로 동일한, (예컨대, 도 16에 각각 890과 891로 표시된 바와 같은) 유체 유동 방향에 수직인 단면적을 가질 수 있지만, 이들 면적에 있어서의 어느 정도의 차이는 허용가능할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 분배 영역(880)의 단면적(890)은 외측 챔버(816)의 단면적(891)과 100%만큼 다를 수 있다. 그러나, 분배 영역(880)의 단면적(890)은 가장 흔하게는 외측 챔버(816)의 단면적(891)과 10% 미만만큼 다를 수 있고, 몇몇 경우에는 실질적으로 동일하다(예컨대, 약 1% 이내). 실질적으로 동일한 단면적(890, 891)을 제공하는 것은 일정한 유체 속도를 유지할 수 있고 외측 챔버(816) 내의 와류(eddy current)를 회피할 수 있다. 매니폴드(844)는 유체의 흡입 압력 및/또는 유동 패턴에 영향을 미치도록, 원하는 대로, 상이한 입구 개구 크기 및 팽창 영역 특성을 제공하는 데 사용될 수 있는 모듈식의 교체가능한 피팅으로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 매니폴드(844)는 팽창 영역(881)을 한정하도록 구성된 팽창 표면(845a, 845b)(도 13b)을 구비할 수 있다. 팽창 표면(845a, 845b)은 원하는 팽창 영역 특성을 제공하도록 크기설정되고/되거나 비스듬히 놓일 수 있다. 이러한 구성에서, 팽창 표면(845a, 845b)은 입구 직경(즉, 원형 입구와 관련됨)으로부터 더 좁은 팽창 높이로 테이퍼 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 입구 매니폴드(844)는 단면적을 원형 입구로부터 직사각형 분배 영역(880) 단면으로 점진적으로 변화시킬 수 있다. 그러한 점진적인 전이는 바람직한 층류 유동을 또한 감소시킬 수 있는 유체 유동에 있어서의 와류 또는 교란을 감소시키거나 제거하는 데 도움을 줄 수 있다. 일반적으로, 장치 전체에 걸친 층류 유동은 작동 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 팽창 영역, 내부 공간, 외측 영역, 디스크 갭, 출구 등으로의 전이는 비-층류 유동을 감소시키거나 실질적으로 제거하도록 구성될 수 있다. 요구되지는 않지만, 분배 영역(880)은 외측 챔버(816) 내에 접선방향 유동을 생성하도록 배향될 수 있다. 유체 배출관(882)이 하우징(810)과 관련되고, 내부 공간으로부터 액체를 배출시키기 위해 내부 공간(815)과 유체 연통할 수 있다.

파티션(830)은 유체가 외측 챔버(816)와 로터 챔버(817) 사이의 파티션을 통해 이동가능하도록 파티션 개구(831)를 구비할 수 있다. 파티션 개구(831)들은 디스크의 외측 에지 주위의 다수의 위치에서, 유체가 외측 챔버(816)로부터 로터 챔버(817) 내로, 그리고 이에 따라 로터 조립체(820)의 디스크들 사이의 갭 내로 이동하도록 허용하기 위해 파티션(830) 주위에서 원주방향으로 (예컨대, 균등하게) 이격될 수 있다. 일 태양에서, 파티션 개구(831)는 2개 이상의 파티션 부재(832)에 의해 한정되거나 단일 파티션 부재 내에 형성될 수 있다. 파티션 부재(832)들은 로터 조립체(820) 디스크를 수용하도록 크기설정된(즉, 디스크의 외경보다 큰) 내경을 갖는 원형 구성으로 배열될 수 있다. 파티션 부재(832)는 로터 챔버(817) 주위에서 원주방향으로 (예컨대, 균등하게) 이격될 수 있다. 파티션(830)(즉, 파티션 부재(832))은 제 위치에 고정된 개별 구성요소일 수 있거나, 하우징(810)과 일체로 형성될 수 있다.

파티션 개구(831)는 파티션 개구를 통과하는 유체가 향상된 속도에 도달하면서 동시에 현저히 감소된 압력을 발생시켜 벤츄리 효과와 유사한 효과를 생성하도록 수렴하고/하거나 발산하는 인접한 파티션 부재(832)들의 2개의 이격된 상호보완적인 표면(833, 834)에 의해 형성되는 벤츄리 구성을 포함할 수 있다. 임의의 적합한 벤츄리 구성이 사용될 수 있다. 일 태양에서, 각각의 파티션 부재(832)는 파티션 개구 입구(836)의 일부분을 형성하는 입구 표면 반경(835)을 가질 수 있다. 입구 표면 반경(835)(예컨대, 곡률 반경)은 파티션 부재의 반경방향 두께(883)(즉, 최대 반경방향 두께)에 반경방향 두께의 1/2을 더한 것과 동일할 수 있다. 일반적인 지침으로서, 입구 표면 반경은 반경방향 두께(883)의 1.5배의 5% 이내, 그리고 가장 흔하게는 약 1% 이내일 수 있다. 다른 태양에서, 각각의 파티션 부재(832)는 파티션 개구 출구(838)의 일부분을 형성하는 출구 표면 반경(837)을 가질 수 있다. 출구 표면 반경(837)은 입구 표면 반경(835)의 1/3과 동일할 수 있고, 일반적으로 적어도 입구 표면 반경(835)의 1/3의 20% 이내, 흔하게는 5% 이내일 수 있다. 예시된 바와 같이, 파티션 부재(832)의 표면(833)은 전체적으로 또는 부분적으로 평탄할 수 있지만, 임의의 적합한 구성이 사용될 수 있다.

임의의 적합한 수의 파티션 부재(832)가 사용될 수 있다. 일 태양에서, 파티션 부재(832)의 수는 적어도 8개이고 복수의 디스크(821)의 외경(892)을 2로 나눈 것 내에서 인치(예컨대, 2.54 cm의 단위)의 가장 가까운 또는 다음의 더 큰 짝수 정수와 동일할 수 있다. 일 태양에서, 디스크(821)의 외경에 무관하게 적어도 8개의 파티션 부재(832)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 10개의 파티션 부재가 19 인치 직경 디스크와 함께 사용될 수 있고, 8개의 파티션 부재가 14 인치 직경 디스크와 함께 사용될 수 있다. 도 16의 상세도에 도시된 바와 같이, 파티션 부재(832)들의 위치는 하우징(810)에 대해 확립될 수 있다. 일 태양에서, 파티션 부재(832)들 중 하나는 파티션 부재의 중점(885)이 예를 들어 분배 영역(880)의 종단부에 있는, 유체 입구 경로 또는 도관(888)을 한정하는 하우징(810)의 종단점(887)으로부터 파티션 부재의 길이(889)의 51%만큼 오프셋(offset)(886)되도록(명료함을 위해 축척에 맞게 도시되지 않음) 위치될 수 있다. 그러나, 전방 오프셋(886)은 몇몇 경우에 길이(889)의 51%의 약 1% 이내일 수 있지만, 와류의 생성을 회피하기 위해 50% 이상일 수 있다. 중점(885)은 파티션 부재(832)의 길이를 한정하는 선(889)의 기하학적 중심을 나타낼 수 있다.

일 태양에서, 외측 챔버(816)(즉, 몇몇 실시예에서 팽창 챔버)는 예를 들어 회전축(801)을 중심으로 완전 360도에 걸쳐, 그리고 대부분의 경우에 회전축(801)을 중심으로 적어도 330도에 걸쳐 치수 특성 및 기하학적 구조를 유지함으로써 일정한 또는 균일한 단면적(891)을 가질 수 있다. 외측 챔버(816)는 인접한 파티션 부재(832)들 사이에 형성된 파티션 개구(831), 또는 분배 영역(880)을 포함하지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 따라서, 예시된 실시예에서, 외측 챔버(816)는 일정한 원통형 벽 두께를 통해 외측 챔버(816) 주위에서 균일한 단면적(891)을 갖는 원통형 구성을 갖는다.

도 16은 파티션 부재(832)의 내측 에지 또는 표면(839)으로부터 반경방향 로터 갭 거리(884)만큼 이격된 로터 조립체(820)의 외경 에지(829)를 추가로 예시한다. 일 태양에서, 반경방향 거리(884)는 유체의 경계층 두께의 6배, 몇몇 경우에 3배 내지 10배, 그리고 몇몇 경우에 3배 내지 8배와 동일할 수 있다. 거리가 특정 설계 파라미터에 기초하여 달라질 수 있지만, 반경방향 거리는 터보기계가 펌프로서 구성될 때 일반적으로 약간 더 클 수 있다. 예를 들어, 펌프 구성에서, 반경방향 거리(884)는 유사하게 구성된 터빈 구성보다 약 2% 내지 10% 더 클 수 있다. 어느 경우든, 경계층 두께의 3배 내지 10배의 범위가 적합할 수 있다.

도 14a와 도 17에 도시된 바와 같이, 로터 조립체(820)는 또한, 로터 조립체를 하우징(810)에 결합하고 회전축(801)을 중심으로 한 로터 조립체의 회전을 용이하게 하기 위한 연장 부재(822a, 822b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연장 부재(822a, 822b)는 서로 반대편에 복수의 디스크(821)에 부착될 수 있고, 축(801)을 중심으로 한 로터 조립체의 회전을 용이하게 하기 위해 실질적으로 일렬식일 수 있다. 일 태양에서, 연장 부재(822a, 822b)는 접착제, 패스너, 또는 임의의 다른 적합한 물질 또는 장치를 사용하여, 예를 들어 외측 지지 디스크(857a, 857b)를 통해, 복수의 디스크(821)에 부착될 수 있다. 다른 태양에서, 연장 부재(822a, 822b)는, 각각, 외측 지지 디스크(857a, 857b)와 일체로 형성될 수 있다. 연장 부재(822a, 822b)와 결합하기 위한 인터페이스 또는 구조체를 제공하는 것에 더하여, 외측 지지 디스크(857a, 857b)는 로터 조립체 디스크의 단부를 "캡핑"하는 데 사용되어서, 로터 조립체의 서로 반대편에 있는 단부들 상에 평활한 노출된 디스크 면을 제공할 수 있다. 일 태양에서, 로터 조립체(820)의 디스크는 경량 복합 재료(예컨대, 탄소 섬유 및/또는 현무암 섬유)로 구성될 수 있다. 특정 태양에서, 외측 지지 디스크(857a, 857b)는 연장 부재(822a, 822b)를 구성하는 데 사용되는 재료와 동일하거나 유사한 유형의 것일 수 있는 금속 재료(예컨대, 강철, 알루미늄, 니켈, 청동 등)로 구성될 수 있다.

도 14a에 도시된 바와 같이, 연장 부재(822a, 822b)는 하우징(810)에 결합될 때 베어링(865a, 865b) 상에 장착되어 저 마찰 회전 인터페이스를 제공할 수 있지만, 다른 마운트(mount)가 사용될 수 있다. 하우징(810)으로부터의 유체의 누출을 방지하거나 최소화하기 위해 시일(866a, 866b)이 연장 부재(822a, 822b) 주위에 포함될 수 있다. 일 태양에서, 연장 부재(822a, 822b)는 복수의 디스크(821)에 의해 형성되는 내부 개구(826)와 유체 연통하는, 연장 부재를 통해 연장되는 벤트 포트(825a, 825b)를 포함할 수 있다. 따라서, 유체는, 각각, 하우징 개구(813, 814)를 통해 연장되는 연장 부재 벤트 포트(825a, 825b)를 통해 하우징(810)으로부터 빠져나가거나 그것에 들어갈 수 있다.

연장 플레이트(823a, 823b)가, 각각, 연장 부재(822a, 822b)의 단부들에 부착될 수 있다. 연장 플레이트는 적합한 기계 회전 에너지 포획 장치(예컨대, 구동샤프트, 벨트 등)에 결합하는 데 사용될 수 있다. 연장 플레이트를 회전 커플링으로 고정 출구 도관에 결합함으로써 유체가 벤트 포트(825a, 825b)를 통해 인출될 수 있다. 대안적으로, 연장 부재(822a, 822b)는 외측 하우징(810)을 훨씬 지나 연장되도록 길 수 있다. 고정된 구동샤프트 또는 다른 부재가 긴 부분의 원위 단부(distal end)에서 부착될 수 있도록 유체의 방출을 허용하면서 또한 시스템으로부터의 유체의 제거를 허용하기 위해 유체 출구가 긴 부분을 따라 분포될 수 있다. 여하튼, 임의의 수의 구성이 대응하는 기계 에너지 포획 장치를 결합하면서 또한 내부 공간(826)으로부터의 유체의 유출을 허용하는 데 사용될 수 있다.

도 18은 위에서 논의된 로터 조립체(820)와 같은, 본 개시의 예에 따른 로터 조립체에 사용될 수 있는 디스크(850)를 예시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 디스크(850)는 복수의 스페이서(851)를 포함할 수 있다. 스페이서(851)는 에어포일, 타원형, 원형, 다이아몬드 등과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는, 임의의 적합한 단면을 가질 수 있다. 스페이서(851)들은 예시된 바와 같이 디스크(850)를 가로질러 링 구성으로 배열될 수 있다. 일 태양에서, 스페이서(851)는 디스크(850)의 반경(854)의 1/2 이내의 영역에 국한될 수 있다. 다른 태양에서, 스페이서(851)는 디스크(850)의 반경(854)의 1/3 이내의 영역에 국한될 수 있다. 디스크(850) 주위에 스페이서(851)들을 중심에 위치시키는 것 (예컨대, 그러나 내부 개방 공간 내가 아님)은 디스크의 반경방향 바깥쪽 부분이 자유롭게 휘어지거나 편향되도록 허용할 수 있다. 작동 조건(예컨대, 인접한 디스크들 사이에 유체가 있는 상태에서의 고속 회전 속도)하에서, 디스크의 그러한 가요성은 인접한 디스크들 사이의 거리를 균등하게 함으로써 디스크들이 압력 차이에 응답하여 "자동-조절"될 수 있으며, 이는 터보기계(800)에 성능 이득을 제공할 수 있다는 점에서 이로울 수 있다.

일 태양에서, 스페이서(851)는 유체 가이드로서 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 스페이서(851)는 원하는 작동 파라미터에 기초하여 선택될 수 있는 경사각(853)으로 배향될 수 있다. 일반적인 지침으로서, 경사각(853)(즉, 로터 반경(854)과 중심 종방향 스페이서 축(855) 사이의 각도)은 약 20° 내지 약 75°, 그리고 몇몇 경우에 30° 내지 55°일 수 있다. 디스크(850) 상의 스페이서(851)의 수, 기하학적 설계, 및 위치는 디스크의 크기, 입구 압력, 및 로터 조립체의 설계 회전 속도에 기초하여 최적화될 수 있다. 일 태양에서, 스페이서(851)의 수는 파티션 부재(예컨대, 파티션 부재(832))의 수와 동일할 수 있다.

일 태양에서, 다수의 디스크(850)가 스페이서(851)를 사용하여 서로 결합되어 로터 조립체의 디스크를 형성할 수 있다. 예를 들어, 스페이서(851)는 구멍 또는 개구(866a, 866b)를 포함할 수 있고, 디스크(850)는 다수의 디스크를 서로 결합할 수 있는 패스너(예컨대, 도 14a의 나사형성된 패스너(869))를 수용하도록 구성된 구멍 또는 개구(867a, 867b)(예컨대, 도 15 참조)를 포함할 수 있다. 이 예에서, 2개의 패스너가 인접한 디스크(850)들 사이의 개별 스페이서(851)를 통해 연장되고 그것을 고정시키는 데 사용될 수 있으며, 이는 터보기계의 작동 동안 스페이서에 안정성을 제공하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 패스너는 선택적으로 디스크들을 관통하는 복수의 볼트일 수 있다. 그러한 패스너들은 본 명세서에 더 상세히 기술되는 바와 같이 디스크들 주위에 분포될 수 있다. 대안적으로, 스페이서가 디스크와 일체로 형성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 디스크들을 함께 유지하기 위한 중실 중심 샤프트가 없다면, 예시되고 기술된 구성은 전술된 바와 같이 "무샤프트"로 칭해질 수 있다. 또한, 조합되어 로터 조립체 내에 내부 개구를 형성하는 디스크(850) 내의 노출된 중심 개구 외에는, 디스크는 로터 조립체 내에 조립될 때 윈도우(window) 또는 다른 유체 통로가 없는 중실형일 수 있다.

도 19와 도 20은 본 개시의 다른 예에 따른 터보기계(800')를 예시한다. 이 경우에, 터보기계(800')는 하나 이상의 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)에 결합되는, 도 12 내지 도 15에 관하여 위에서 논의된 터보기계(800)를 포함한다. 도 20에 도시된 바와 같이, 연장 부재(822a, 822b)는 로터 조립체(820)를 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)에 결합하는 것을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 연장 부재(822a, 822b)는, 제너레이터 샤프트 및/또는 모터 샤프트(872a, 872b)와 인터페이싱하고, 예를 들어 패스너 등을 사용하여 로터 조립체(820)를 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)에 결합하는 것을 용이하게 하기 위한 플랜지(824a, 824b)를 포함할 수 있다.

일 태양에서, 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)는 로터 조립체(820)의 회전을 유발하여서, 하우징(810)을 통한 유체의 이동을 유발하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)는 터보기계가 펌프로서 작동하고 있을 때 연장 부재(822a, 822b)에 토크를 제공하는 역할을, 또는 제너레이터로서 사용될 때 터보기계를 "시동"시키는 역할을 할 수 있다. 후자의 경우에, 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)는 일단 로터 조립체가 원하는 작동 속도에 도달하면 토크를 제공하는 모터로부터 제너레이터로 스위칭될 수 있다. 따라서, 연장 부재(822a, 822b)는 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)와 같은 외부 장치에 대한 로터 조립체(820)를 위한 기계적 전달 커플링으로서의 역할을 할 수 있다. 임의의 적합한 제너레이터 또는 모터가 경계층 터보기계(800)와 함께 사용될 수 있다. 일 태양에서, 하우징(810)은 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)의 하우징(871a, 871b)에 결합될 수 있다.

샤프트(872a, 872b)는 연장 부재(822a, 822b)를 통해 터보기계(800)로부터 빠져나가거나 그것에 들어가는 유체를 위한 도관으로서의 역할을 하는 중심 개구(875a, 875b)를 포함할 수 있다. 하우징(871a, 871b)은 하우징(871a, 871b)의 벽을 통한 유체의 통과를 용이하게 하기 위한 개구(876a, 876b)를 포함할 수 있다. 예시된 예에서, 개구(876a, 876b)는 샤프트(872s, 872b)의 중심 개구(875a, 875b)와 유체 연통하지만, 몇몇 실시예에서 샤프트는 하우징 내의 개구를 통해 연장될 수 있다. 베어링(877a, 877b)과 시일(878a, 878b)이 샤프트(872s, 872b)를 지지하고 그것 주위를 밀봉하기 위해 하우징(871a, 871b)과 관련될 수 있다.

일 태양에서, 하나 이상의 플라이휠(873a, 873b)이 로터 조립체(820)에 결합될 수 있다. 플라이휠(873a, 873b)은 샤프트(872a, 872b)에 장착될 수 있으며, 따라서 회전축(801)을 중심으로 로터 조립체(820)와 함께 회전할 수 있다. 샤프트(872a, 872b)는 임의의 적합한 수의 플라이휠 또는 다른 그러한 회전 구성요소를 수용하도록 크기설정될 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 플라이휠(873a, 873b)은 하우징(871a, 871b) 내에 배치될 수 있다. 플라이휠(873a, 873b)은 회전 에너지를 저장하는 역할을 할 수 있고/있거나 발전 부재(electricity generation member)를 포함할 수 있어서, 제너레이터 및/또는 모터의 일부분을 형성할 수 있다. 제너레이터 및/또는 모터(870a, 870b)는 또한 제너레이터 및/또는 모터를 형성하도록 플라이휠(873a, 873b)과 함께 작동가능한 하나 이상의 스테이터(874a, 874b)를 포함할 수 있다.

도 21a 내지 도 21f는 본 개시의 여러 가지 예에 따른 경계층 터보기계를 개략적으로 예시한다. 예를 들어, 도 21a는 펌프로서 구성된 경계층 터보기계(900)를 예시한다. 이 경우에, 유체는 회전축(901)으로부터 반경방향 바깥쪽에 위치된 개구(912)를 통해 터보기계에 들어갈 수 있고, 반경방향 내향으로 이동하여 회전축 상에 또는 그것 주위에 위치된 개구(913)를 통해 터보기계로부터 빠져나갈 수 있다.

도 21b는 진공 펌프로서 구성된 경계층 터보기계(1000)를 예시한다. 이 경우에, 유체는 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 위치된 개구(1012)를 통해 터보기계에 들어갈 수 있고, 반경방향 내향으로 이동하여 회전축 상에 또는 그것 주위에 위치된 개구(1013)를 통해 터보기계로부터 빠져나갈 수 있다. 이는 흡입이 진공을 생성하게 할 수 있다. 일 태양에서, 진공화된 챔버 내로의 유체의 역류를 방지하기 위해 체크 밸브(check valve)(1094)가 출구와 관련될 수 있다.

도 21c는 팬 또는 블로워로서 구성된 경계층 터보기계(1100)를 예시한다. 이 경우에, 유체는 회전축(1101) 상에 또는 그것 주위에 위치된 개구(1113)를 통해 터보기계에 들어갈 수 있고, 반경방향 외향으로 이동하여(가속되어) 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 위치된 개구(1112)를 통해 터보기계로부터 빠져나갈 수 있다. 일 태양에서, 터보기계로부터 빠져나갈 때 유체 이동의 방향을 제어하기 위해 유체 가이드 구조체(1195)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 터보기계의 하우징이 유체의 유출 방향을 제어하도록 구성될 수 있다.

도 21d는 유체 도관(1296)에 결합된 인라인 펌프로서 구성된 경계층 터보기계(1200)를 예시한다. 이 경우에, 유체는 회전축(1201) 상에 또는 그것 주위에 위치된 개구(1213)를 통해 터보기계에 들어갈 수 있고, 반경방향 외향으로 이동하여(가속되어) 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 위치된 개구(1212)를 통해 터보기계로부터 빠져나갈 수 있다. 일 태양에서, 유체가 다시 더 작은 직경의 유체 도관으로 수렴하게 하기 위해 유체 가이드 구조체(1295)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 터보기계의 하우징이 유체를 도관으로 이동시키거나 지향시키도록 구성될 수 있다.

도 21e는 보트 모터로서 구성된 경계층 터보기계(1300)를 예시한다. 이 경우에, 유체는 회전축(1301) 상에 또는 그것 주위에 위치된 개구(1313)를 통해 터보기계에 들어갈 수 있고, 수평 이동을 위한 회전력의 효율적인 전달을 위해 반경방향 외향으로 이동하여 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 위치된 개구(1312)를 통해 터보기계로부터 빠져나갈 수 있다. 일 태양에서, 유체는 벡터 스러스트(vector thrust)를 위해 지향될 수 있다. 예를 들어, 유출 유체를 하나 이상의 자유도로 지향시키기 위해 하우징(1310)이 회전하도록 구성될 수 있고/있거나 하류측의 노즐(1397)이 회전하도록 구성될 수 있다.

도 21f는 추진기로서 구성된 경계층 터보기계(1400)를 예시한다. 이 경우에, 유체는 회전축(1401) 상에 또는 그것 주위에 위치된 개구(1413)를 통해 터보기계에 들어갈 수 있고, 반경방향 외향으로 이동하여, 공기가 연소를 위해 압축되는, 회전축으로부터 반경방향 바깥쪽에 위치된 개구(1412)를 통해 터보기계로부터 빠져나갈 수 있다. 개구(1413)는 유동을 직사각형 단면으로 전이시키기 위해 앞서 기술된 입구 조립체(844)에서와 같이 구성될 수 있다. 이러한 연소로부터의 팽창은 벤츄리 노즐(1498)을 통해 밖으로 전달되어 추진력을 효율적으로 생성할 수 있다. 도 21e와 도 21f의 경계층 터보기계(1300, 1400)는 항공기, 선박(예컨대, 보트 또는 잠수함), 또는 지상 또는 육상 수송 플랫폼과 같은 임의의 적합한 수송 플랫폼을 위한 동력 또는 추진력을 제공하는 데 사용될 수 있다.

도 21a 내지 도 21f에 예시된 유체 유동의 방향은 주어진 유형의 경계층 터보기계 또는 응용에 대한 유체 유동 방향의 예를 나타낸다. 주어진 유형의 경계층 터보기계 또는 응용에 대한 유체 유동의 방향은 도면에 도시된 것과는 다를 수 있다는 것이 인식되어야 한다.

또한, 장치는 냉장, HVAC, 또는 엔진 냉각 응용에서 냉각기 및/또는 응축기로서 또한 사용될 수 있다.

도 22a 내지 도 22c는 본 개시의 여러 가지 예에 따른, 유체 유동에 노출되는 표면을 위한 항력 감소 구조체를 예시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 전연(leading edge)이 유체 유동의 방향으로 비스듬히 놓이거나 지향된 리지(ridge)는 유체가 리지 위를 지나감에 따라 후연(trailing edge)에서 진공을 생성하여, 와류를 형성할 수 있다. 그 결과는 공기 베어링(air bearing)과 유사하며, 이는 리지의 표면에 걸쳐 항력을 감소시킬 수 있다. 일 태양에서, 리지는 수직인(도 22a의 1599), 언더커팅된(undercut)(도 22b의 1699), 그리고/또는 유동의 방향으로 리지의 피크로부터 멀어져 연장되는(도 22c의 1799) 후연을 가질 수 있다. 리지는 임의의 적합한 높이를 가질 수 있다. 일 태양에서, 리지는 높이가 약 0.030 인치이다. 항력 감소 구조체는 공기역학적 표면, 차체, 노즐 등과 같은, 유체 유동에 노출되는 임의의 표면에 적용될 수 있다.

전술한 상세한 설명은 특정한 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 기술한다. 그러나, 다양한 수정 및 변경이 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것이 인식될 것이다. 상세한 설명 및 첨부 도면은 제한적인 것으로보다는 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 만약에 있다면, 모든 그러한 수정 또는 변경은 본 명세서에 기술 및 기재된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims

경계층 터보기계(boundary layer turbomachine)로서,
하우징 - 하우징은 내부 공간을 한정하고, 하우징을 통한 유체의 이동을 용이하게 하기 위한 입구 개구 및 출구 개구를 가짐 -;
내부 공간을 외측 챔버와 외측 챔버의 반경방향 안쪽에 위치된 로터 챔버로 원주방향으로 분할하는 파티션(partition) - 파티션은 유체가 외측 챔버와 로터 챔버 사이의 파티션을 통해 이동가능하도록 파티션 개구를 가짐 -; 및
로터 챔버 내에 배치되고 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 로터 조립체(rotor assembly) - 로터 조립체는 회전축을 따라 이격되고 회전축을 따른 내부 개구를 한정하는 복수의 디스크를 갖고, 유체가 하우징을 통해 이동함에 따라 유체는 디스크들 사이의 갭(gap)과 내부 개구를 통과함 -
를 포함하는, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 복수의 디스크는 회전축에 수직으로 배향되는, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 디스크들은 복수의 스페이서(spacer)에 의해 유체의 경계층 두께의 3배 내지 10배와 동일한 거리만큼 이격되고, 스페이서들은 선택적으로 디스크의 반경의 1/3 이내의 영역에 국한되며, 스페이서들은 선택적으로 각각의 디스크를 가로질러 링 구성으로 배열되는, 경계층 터보기계.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 디스크들은 복수의 디스크를 관통하는 복수의 패스너(fastener)에 의해 서로 결합되는, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 디스크의 외측 에지는 테이퍼 형성되는(tapered), 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 로터 조립체는 로터 조립체를 하우징에 결합하고 회전축을 중심으로 한 로터 조립체의 회전을 용이하게 하기 위한 연장 부재를 포함하고, 연장 부재는 선택적으로 내부 개구와 유체 연통하여 관통 연장되는 벤트 포트(vent port)를 포함하는, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 로터 조립체에 결합된 플라이휠(flywheel)을 추가로 포함하며, 플라이휠은 선택적으로 발전 부재(electricity generation member)를 포함하는, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 입구 개구는 외측 챔버가 유체를 위한 팽창 챔버로서의 역할을 하도록 외측 챔버와 관련되는, 경계층 터보기계.
제8항에 있어서, 외측 챔버의 단면은 회전축을 중심으로 360도에 걸쳐 균일한, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 파티션 개구들은 파티션 주위에서 원주방향으로 균등하게 이격되고, 파티션 개구들은 다수의 파티션 부재에 의해 한정되며, 파티션 부재의 수는 8개 또는 복수의 디스크의 외경을 2로 나눈 것 내에서 2.54 cm의 단위의 가장 가까운 정수와 동일한 수 중 더 많은 것인, 경계층 터보기계.
제10항에 있어서, 파티션 개구 입구의 일부분을 형성하는 입구 표면의 반경은 파티션 부재의 반경방향 두께의 1.5배의 5% 이내이고, 각각의 파티션 부재는 선택적으로 입구 표면 반경의 1/3의 5% 이내의, 파티션 개구 출구의 일부분을 형성하는 출구 표면 반경을 갖는, 경계층 터보기계.
제10항에 있어서, 파티션 부재들 중 하나는 선택적으로 파티션 부재의 중점이 유체 입구 경로를 한정하는 하우징의 종단점으로부터 파티션 부재의 길이의 51%만큼 오프셋(offset)되도록 위치되는, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 하우징은 유체 유동을 입구 개구로부터 내부 공간으로 전이시키기 위한, 입구 개구와 내부 공간 사이의 분배 영역을 추가로 포함하고, 입구 개구는 선택적으로 원형 입구를 직사각형 분배 영역 단면으로 점진적으로 전이시키는 팽창 영역을 갖는 모듈식 입구 매니폴드를 포함하는, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 디스크의 외경과 파티션의 내측 표면 사이의 반경방향 거리는 유체의 경계층 두께의 3배 내지 10배와 동일한, 경계층 터보기계.
제1항에 있어서, 복수의 디스크 중 적어도 하나는 직조 섬유 수지 복합 재료로 구성되는, 경계층 터보기계.
경계층 터보기계를 위한 로터 조립체로서,
복수의 디스크; 및
회전축을 따라 디스크들을 이격시키기 위해 인접한 디스크들 사이에 배치된 복수의 스페이서
를 포함하며,
디스크들은 회전축을 따른 내부 개구를 한정하여, 유체가 로터 조립체를 통해 이동함에 따라 유체는 디스크들 사이의 갭과 내부 개구를 통과하는, 로터 조립체.
제16항에 있어서, 복수의 디스크는 회전축에 수직으로 배향되는, 로터 조립체.
제16항에 있어서, 디스크들은 디스크들을 통해 그리고 선택적으로 스페이서들 중 적어도 하나를 통해 연장되는 패스너에 의해 서로 결합되는, 로터 조립체.
제16항에 있어서, 스페이서들은 각각의 디스크를 가로질러 링 구성으로 배열되고, 링 구성은 선택적으로 회전축을 중심으로 동심인 복수의 링을 포함하며, 스페이서들은 선택적으로 디스크의 반경의 1/3 이내의 영역에 국한되는, 로터 조립체.
제16항에 있어서, 디스크의 외측 에지는 테이퍼 형성되는, 로터 조립체.
제16항에 있어서, 로터 조립체는 로터 조립체를 터보기계의 일부분에 결합하고 회전축을 중심으로 한 로터 조립체의 회전을 용이하게 하기 위한 연장 부재를 포함하는, 로터 조립체.
제16항에 있어서, 디스크들은 유체의 경계층 두께의 3배 내지 10배와 동일한 거리만큼 이격되고, 디스크들은 경계층 두께의 2배 내지 5배의 디스크 두께를 갖는, 로터 조립체.
제16항에 있어서, 복수의 디스크 중 적어도 하나는 직조 섬유 수지 복합 재료로 구성되는, 로터 조립체.
경계층 터보기계를 위한 파티션으로서,
제1 표면을 갖는 제1 파티션 부재; 및
입구 및 출구를 포함하는 파티션 개구를 형성하는, 제1 표면으로부터 이격된 제2 표면을 갖는 제2 파티션 부재 - 제2 표면은 파티션 개구 입구의 일부분을 형성하는 입구 표면, 및 파티션 개구 출구의 일부분을 형성하는 출구 표면을 가짐 -
를 포함하며,
입구 표면은 제2 파티션 부재의 반경방향 두께의 1.5배의 5% 이내의 반경을 갖는, 파티션.
제24항에 있어서, 입구 표면의 반경은 제2 파티션 부재의 반경방향 두께의 1.5배의 1% 이내인, 파티션.
제24항에 있어서, 출구 표면은 입구 표면 반경의 1/3의 20% 이내의 반경을 갖는, 파티션.
제26항에 있어서, 출구 표면의 반경은 입구 표면 반경의 1/3의 5% 이내인, 파티션.
제24항에 있어서, 제1 표면은 평탄한 부분을 포함하는, 파티션.
제24항에 있어서, 파티션 개구는 25도 내지 55도 또는 35도 내지 65도의 분사각(injection angle)을 갖는, 파티션.