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JP2023547576A - 回転駆動装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023547576000001
内部に第１のロータおよび第２のロータが配置されるハウジングを備える回転駆動装置であって、前記第１のロータは、第１の軸を中心に回転可能であるとともに、そこから径方向に突出するロータ要素を有し、前記第２のロータは、前記第１の軸と平行な第２の軸を中心に前記第１のロータとは反対の方向に回転可能であり、前記第２のロータは、前記ロータ要素を受けることができる凹部を備え、前記第１のロータ、前記第２のロータおよびハウジングは、前記ロータ要素が通過するチャンバを前記第１のロータの周りに画定し、前記チャンバは、流体が前記チャンバに出入りすることができる入口および出口を有する、回転駆動装置が開示されている。

Description

本発明は、タービンや人工呼吸器ポンプを含む流体ポンプとして好適な回転駆動装置に関する。また、本発明の回転駆動装置は、ロータリーエンジンとしても好適である。
原則として、回転駆動装置は、駆動シャフトと移動流体又は燃焼流体との間でエネルギーを伝達する。回転駆動装置のための多くの構成が知られており、また、それらのための広範囲の用途がある。
タービンでは、移動流体が駆動シャフトにエネルギーを与える。現在のタービンは、タービンを回転させるために、液体又は気体から圧力を受けるブレードを利用する。そのような概念は、かなりの割合のガス又は流体が、ブレードに接触することも、ブレードに位置エネルギーを伝達することもなく、タービンのブレードを通過するため、ガス又は流体で利用可能なエネルギーの全てを利用するわけではない。
ロータリーエンジンにおいて、エネルギー伝達は、燃焼流体から駆動シャフトへとなされる。ピストンを必要としない燃焼機関、例えばロータリーエンジンが知られている。ピストンを上下に移動させる際にピストンのそれぞれのチャンバ内でかなりの量のエネルギーが失われるため、ピストン駆動エンジンの代替品を見つけることには特に利点がある。従来の「４ストローク」エンジンの実際の効率は、燃料によって与えられる位置エネルギーと比較して低い。ロータリーエンジンの既知の概念は、ピストンチャンバの必要性を求心エネルギーに依存する機械に置き換えることを試みる。以前は、ロータリーエンジンおよびポンプは、複雑な構成および困難な組立方法を有しており、製造するのが高価であった。更に、既存のロータリーエンジン形態は、回転動作に加えて左右動作を伴う複雑な機構を有する。全体的な結果は、電力および効率の損失である。既知のロータリーエンジンは、従来の４ストロークエンジンの有用な代替手段であるが、実行可能な完全な代替品ではない。
本発明の目的は、エネルギーのより効率的な使用、又はより滑らかな動作、又は少なくとも有用な代替物を公衆に提供する回転駆動装置を製造することである。
本発明の第１の態様では、内部に第１のロータおよび第２のロータが配置されるハウジングを備える回転駆動装置が提供され、第１のロータは、第１の軸を中心に回転可能であるとともに、そこから径方向に突出するロータ要素を有し、第２のロータは、第１の軸と平行な第２の軸を中心に第１のロータとは反対の方向に回転可能であり、第２のロータは、ロータ要素を受けることができる凹部を備え、第１のロータおよび第２のロータおよびハウジングは、ロータ要素が通過するチャンバを第１のロータの周りに画定し、チャンバは、流体がチャンバに出入りすることができる入口および出口を有する。
幾つかの実施形態において、第１のロータおよび第２のロータは、回転中にシール係合を維持することができる。
幾つかの実施形態では、ロータ要素が回転中に凹部の床と接触しない。
任意選択的に、装置は、第１のロータと第２のロータおよびハウジングとの間にシール手段を更に備える。
任意選択的に、装置は、第１のロータとハウジングおよび／又は第２のロータとの間にシールを形成することができるシール手段を更に備える。
任意選択的に、装置は、ロータ要素とハウジングおよび／又は第２のロータとの間にシールを形成することができるシール手段をロータ要素に更に備える。
任意選択的に、装置は、ロータ要素に隣接して第１のロータから突出して、第１のロータのサイクルの一部の間に入口および／又は出口を少なくとも部分的に閉塞する肩部を更に備える。
任意選択的に、ロータ要素又は肩部の先行面および／又は後面は、流体の抗力を低減又は緩和する形状を備える。
好ましい実施形態において、装置は、入口手段を通じて加圧流体を導入して、ロータ要素にエネルギーを付与するようになっている。
任意選択的に、流体は、ロータ要素に対してより直接的な圧力を与えるように、第１のロータの回転軸からオフセットした角度で入口に入る。
任意選択的に、段落００１４の実施形態において、装置は、第２のロータとハウジングとの間にシール手段を更に備える。
任意選択的に、段落００１４の実施形態において、装置は、ロータ要素に隣接して第１のロータから突出する肩部を更に備える。
任意選択的に、段落００１４の実施形態において、装置は、ロータ要素の両側で第１のロータから突出する２つの肩部を更に備える。
任意選択的に、段落００１４の実施形態において、第１のロータの回転中に、肩部がロータ要素に先行して第１のロータのサイクルの一部の間に入口を閉塞する。
幾つかの実施形態において、装置は、２つのロータ要素と、ロータ要素を受けることができる第２のロータの２つの凹部とを備える。
幾つかの実施形態において、第２のロータは、第１のロータの直径の２倍を有し、第２のロータは、ロータ要素を受けることができる２つの凹部を備える。
幾つかの実施例において、入口および出口は、ロータ要素が移動する前記チャンバのゾーン内に配置されるとともに、第２のロータが移動するゾーンを避けるように配置される。
任意選択的に、入口および出口は、ロータの回転軸に対して実質的に垂直なチャンバ壁の領域に配置される。
幾つかの実施形態では、ロータ要素が凹部と係合するときに、ロータ要素が入口および出口の両方を同時に閉塞する。
幾つかの実施例において、ロータ要素は、第１のロータの軸に対して約６０°から約１２０°のセクタを占める。
幾つかの実施形態において、ロータ要素は、第１のロータの軸に対して約８０°のセクタを占める。
幾つかの実施例において、装置は、通気領域を更に形成する入口および／又は出口への延在部を更に備える。
幾つかの実施形態において、通気領域は、第２のロータが移動するゾーンを回避するが、他の実施形態において、通気領域は、第２のロータが移動するゾーンに配置される。
通常は、幾つかの実施例において、ロータ要素は、ロータの回転中にロータ要素の他の部分に先行する前面、前面とは反対側の後面、および第１のロータの回転中にチャンバの壁と接触する又はほぼ接触する外面と、前面とロータ要素の外面との間の外側前接合部と、後面とロータ要素の外面との間の外側後接合部と、第１のロータの外壁とロータ要素の前面との間の内側前接合部と、第１のロータの外壁とロータ要素の後面との間の外側後接合部とによって画定され、凹部は、ロータ要素の前面および後面を受け入れるように離間される壁、およびロータ要素が凹部内に受けられるときにロータ要素の外面と接触する又はほぼ接触する床と、床と凹部の前壁との間の内側前接合部と、床と凹部の後壁との間の内側後接合部と、凹部の前壁と第２のロータの外壁との間の外側前接合部と、凹部の後壁と第２のロータの外壁との間の外側後接合部とによって画定される。
好ましい実施形態では、ロータ要素の外側接合部がロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、ロータ要素の内側接合部は、第１のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋３７°、－３７°の角度をなす線の傍に配置され、ロータ要素の外側接合部は、第１のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋３０°、－３０°の角度をなす線の傍に配置され、凹部の内側接合部は、第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋３８°、－３８°の角度をなす線の傍に配置され、入口および出口は、ロータ要素が移動するゾーン内に配置されるが、第２のロータが移動するゾーンを回避する。
他の好ましい実施形態では、ロータ要素の外側接合部がロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、ロータ要素の内側接合部および外側接合部は、第１のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４０°、－４０°の角度をなす線の傍に配置され、凹部の内側接合部は、第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４３°、－４３°の角度をなす線の傍に配置され、凹部の外側接合部は、第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４６°、－４６°の角度をなす線の傍に配置され、入口および出口は、ロータ要素が移動するゾーン内に配置されるが、第２のロータが移動するゾーンを回避する。
他の好ましい実施形態では、ロータ要素の外側接合部がロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、ロータ要素の内側接合部および外側接合部は、第１のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４０°、－４０°の角度をなす線の傍に配置され、入口は、ロータ要素が移動するゾーン内であって、第１のロータの軸から延びて前記線Ｘと約＋３８°の角度をなす線内に配置されるとともに、第２のロータが移動するゾーンを回避し、出口は、ロータ要素が移動するゾーン内であって、第１のロータの軸から延びて前記線Ｘと約－３９°の角度をなす線内に配置されるとともに、第２のロータが移動するゾーンを回避し、凹部の内側接合部は、第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４５°、－４５°の角度をなす線の傍に配置され、凹部の外側接合部は、第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋５３°、－５３°の角度をなす線の傍に配置される。
好ましい実施形態において、入口と出口との間の空間は、両方のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋１５°、－１５°の角度をなす線によって画定される。
他の好ましい実施形態では、ロータ要素の外側接合部がロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、ロータ要素の内側接合部および外側接合部は、第１のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４０°、－４０°の角度をなす線の傍に配置され、入口は、ロータ要素が移動するゾーン内であって、第１のロータの軸から延びて前記線Ｘと約＋３８°の角度をなす線内に配置されるとともに、第２のロータが移動するゾーンを回避し、出口は、ロータ要素が移動するゾーン内であって、第１のロータの軸から延びて前記線Ｘと約－３９°の角度をなす線内に配置されるとともに、第２のロータが移動するゾーンを回避し、凹部の内側接合部は、第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４６°、－４６°の角度をなす線の傍に配置され、凹部の外側接合部は、第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋５３°、－５３°の角度をなす線の傍に配置される。
前述した本発明の幾つかの実施例において、装置は、第１のロータ又は第２のロータに回転エネルギーを与えて、入口手段を通じて流体を引き込み、出口手段を通じて流体を押し出すようになっている。
好ましくは、段落００３５の実施形態では、流体が空気又は空気／酸素混合物であり、装置が人工呼吸器用のポンプを提供する。
任意選択的に、段落００３５の実施形態では、第１のロータの回転中に、肩部が前記ロータ要素に追従して第１のロータのサイクルの一部の間に出口を閉塞する。
任意選択的に、段落００３５の実施形態では、出口は、圧力が解放されるときにシールすることができる一方向弁を備える。
本発明の幾つかの実施形態では、装置が２つの入口を含む。
幾つかの実施例において、装置は、点火手段を更に備えるとともに、ロータ要素にエネルギーを与えるべく、燃焼のために入口を介して可燃性流体又は流体の混合物を導入するようになっている。
任意選択的に、点火手段を備える実施形態において、装置は、ロータ要素に隣接して第１のロータから突出する肩部を更に備え、肩部は、第１のロータの回転中にロータ要素に先行して第１のロータのサイクルの一部の間に入口を閉塞する。
本発明の第２の態様では、前述した装置を使用して流体からエネルギーを抽出する方法が提供され、該方法は、ロータ要素にエネルギーを付与するために入口を介してチャンバに加圧流体を導入するステップと、加圧流体が出口を介してチャンバから出ることができるようにするステップと、を含む。関連して、本発明は、タービンとしての、本明細書に記載の装置の使用を提供する。
本発明の第３の態様では、前述した装置を使用して可燃性流体からエネルギーを抽出する方法が提供され、該方法は、可燃性流体を前記入口を介して装置のチャンバに導入するステップと、ロータ要素にエネルギーを与えるために可燃性流体を点火するステップと、燃焼した流体が出口を介してチャンバから出ることができるようにするステップと、を含む。関連して、本発明は、燃焼機関としての、本明細書に記載の装置の使用を提供する。
本発明の第４の態様では、前述した装置を使用して流体を圧送する方法が提供され、該方法は、装置の入口を流体と接触させるステップと、第１のロータおよび／又は第２のロータに回転エネルギーを加えて、流体を入口に引き込むとともにチャンバを通じて出口から引き出すステップと、を含む方法。関連して、本発明は、ポンプとしての、本明細書に記載の装置の使用を提供する。
任意選択的に、第４の態様の方法では、流体が空気又は空気／酸素混合物であり、前記ポンプが人工呼吸器ポンプである。
本発明の回転駆動装置は、好ましい実施形態を示す添付図面に関連して以下で説明される。
図１は、ポンプ、タービン又は燃焼機関としての使用に適した回転駆動装置のハウジングの内部の図である。 図１Ａは、半サイクル回転後の図１の回転駆動装置のハウジングの内部の図である。 図２は、図１の回転駆動の断面図である。 図３Ａは、本発明のシール手段を示すロータの部分斜視図である。 図３Ｂは、シール手段のない本発明におけるロータの部分斜視図である。 図３Ｃは、ロータ要素の後面が流体中の抗力を低減又は緩和する形状を備える、本発明におけるロータの部分斜視図である。 図３Ｄは、ハウジング内で互いに結合された２つの回転駆動装置の配置の断面図である。 図４Ａは、タービンを提供するために加圧流体媒体と共に使用するのに適した更に別の実施形態のハウジングの内部の図である。 図４Ｂは、タービンを提供するために加圧流体媒体と共に使用するのに適した更に別の実施形態のハウジングの内部の図であり、ロータ要素の両面は、流体の抗力を低減又は緩和する形状を備える。 図５は、タービンを提供するために加圧流体媒体と共に使用するのに適した別の実施形態のハウジングの内部の図である。 図６は、タービンを提供するために加圧流体媒体と共に使用するのに適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図である。 図７は、タービンを提供するために加圧流体媒体と共に使用するのに適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図である。 図８は、人工呼吸器ポンプなどのポンプとしての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内側の図である。 図９は、人工呼吸器ポンプなどのポンプとしての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図である。 図１０は、ポンプ又はタービンとしての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図を示す。 図１１は、ポンプ又はタービンとしての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図を示す。 図１２Ａは、ポンプ又はタービンとしての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図を示す。 図１２Ｂは、ポンプ又はタービンとしての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図を示す。 図１３は、ポンプ又はタービンとしての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図を示す。 図１４は、燃焼機関としての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内部の図である。 図１５は、燃焼機関としての使用に適した本発明の更なる実施形態のハウジングの内側の図である。
［定義］
本発明の説明全体を通して、および以下の特許請求の範囲において、文脈が明示的な言語又は必要な含意により他の意味に解釈すべき場合を除いて、「備える（ＣＯＭＰＲＩＳＥ）」という単語又は「備える（ＣＯＭＰＲＩＳＥＳ）」もしくは「備えている（ＣＯＭＰＲＩＳＩＮＧ）」などの変形は包括的な意味で使用され、すなわち、記載された特徴の存在を特定するが、本発明の様々な実施形態における更なる特徴の存在又は追加を排除するものではない。加えて、不定冠詞「１つの（Ａ）」又は「１つの（ＡＮ）」による要素への言及は、文脈が要素の１つのみが存在することを明確に要求しない限り、要素の複数が存在する可能性を排除しない。したがって、不定冠詞「１つの（Ａ）」又は「１つの（ＡＮ）」は、通常、「少なくとも１つ」を意味する。
本明細書で使用される場合、「流体」という用語は、一般に、液体又は気体、および燃料／空気混合物又は空気／酸素混合物を含むこれらのそれぞれの混合物を指すために使用される。
本発明において、「シール」又は「シール係合」の要件又は程度は、流体の性質および回転速度を含む提案された使用に応じて異なることは明らかである。本明細書で使用される場合、「シール係合」という用語は、完全なシールを指すこと、又は全ての場合に完全なシールが必要であることを意味することを意図するものではない。むしろ、「シール係合」という用語は、ロータの回転の反対方向の流れが少なくとも実質的に防止されることを示す。
本明細書で使用される場合、角度に関して「約」という用語は、記載された値よりも５°、好ましくは４°、３°、２°、１°又は０．５°大きい又は小さい範囲を含み、パーセンテージに関して記載された値よりも５％、好ましくは４、３、２又は１％大きい又は小さい範囲を含む。
［回転駆動装置の全体形態］
本発明に係る回転駆動装置の一般的な形態を図１および図２に示す。
図１は、本発明の回転駆動装置の「対向する連動ロータ」の概念を示す図である。ハウジング１０は、第１のロータ１１および第２のロータ１４を囲む。ロータ１１は、第２のロータ１４の凹部１３によって受け入れられる単一の突出ロータ要素１２を含む。
それぞれのロータ１１および１４の周壁１６および１７と共に、ハウジング１０は、ロータ要素１２が通過するチャンバを第１のロータの周囲に画定する。チャンバは、流体がチャンバに出入りすることができる少なくとも１つの入口１８および少なくとも１つの出口１９を有する。図面では、入口１８および出口１９は、ロータの回転軸に実質的に垂直なチャンバ壁１５ａの領域に示されている。しかしながら、入口および出口の配置は変更することができ、例えば、入口は、流体が装置の一方の側Ｓａ（図２）からチャンバに入り、反対側Ｓｂ（図２）でチャンバを出るように配置することができ、或いは任意選択的に、偏心を低減するために装置の側ＳａおよびＳｂに入口および出口をそれぞれ設けることができる。ロータ要素および凹部に対する入口および出口の位置も、本明細書で更に説明するように変更することができる。
図１および図２では、突出ロータ要素１２および凹部１３は、サイクルごとに１回互いに係合する。ロータ要素１２と凹部１３とが互いに係合していないとき、第１のロータは第２のロータと接触したままであり、したがって第２のロータは回転中ずっと第１のロータとシール係合したままである。したがって、ロータ１１および１４の回転速度が同じになることは明らかであろう。一貫性は、タイミングベルト、歯（噛み合う歯を有する）又は当技術分野で公知の他のタイミング手段によって達なすることができる。図１では、各ロータ１１および１４の直径は実質的に同じである。直径が異なる場合、大径のロータは、小径のロータよりも速く回転する必要があり、機構を複雑にする。
図１Ａは、図１の装置から半サイクルオフセットした装置を示す。突出ロータ要素１２は、凹部１３から係合解除され（ここではチャンバ１５の壁１５ａでシールされ）、それぞれのロータ１１および１４の周壁１６および１７は、それらがサイクルの残りの間係合するシールを形成する。壁１６および１７が回転中に互いにシールすることが望まれる場合、高レベルの機械加工精度が必要である。
［ロータ要素および凹部の詳細な幾何学的形状］
ロータ要素および凹部の詳細な幾何学的形状は変化し得る。ロータ要素は、図１に符号１２ａ、１２ｂおよび１２ｃで示す様々な面を有する。図１に示す回転方向において、符号１２ｂはロータ要素の前面を示し、符号１２ａは後面を示し、符号１２ｃはロータ要素の外面を示す。前面は、ロータ要素の他の部分に先行する面であり、デバイスの固定部分（例えば、入口および出口）に最初に到達する面である。凹部１３は、一般に、壁１３ａ，１３ｂと、床１３ｃ（図１Ａに示されている）とを有する。壁１３ｂは、ロータ１４がロータ１１と反対方向に回転しているときに凹部の他の部分に先行する凹部の前壁である。
ロータ要素および凹部の異なる面は、目的に応じて異なる幾何学的形状を有することができ、例えば、直線的であってもよく、又はより複雑な曲面を有してもよい。以下の説明では、ロータ要素および凹部の幾何学的形状は、それぞれ４つの接合部によって特徴付けられる。接合部は、鋭い角又は曲面であり得る。
図１を参照すると、ロータ要素１２の幾何学的形状は、ロータ１１の壁１６とロータ要素１２の前面１２ｂとの間の接合部である内側前接合部１２１、ロータ１１の壁１６とロータ要素１２の後面１２ａとの間の接合部である内側後接合部１２２、ロータ要素１２の前面１２ｂと外面１２ｃとの間の接合部である外側前接合部１２３と、ロータ要素１２の後面１２ａと外面１２ｃとの間の接合部である外側後接合部１２４によって表わされる。
同様に、凹部１３の幾何学的形状は、床１３ｃと凹部１３の前壁１３ｂとの間の接合部である内側前接合部１３１、床１３ｃと凹部１３の後壁１３ａとの間の接合部である内側後接合部１３２、凹部１３の前壁１３ｂとロータ１４の壁１７との間の接合部である外側前接合部１３３、凹部１３の後壁１３ａとロータ１４の壁１７との間の接合部である外側後接合部１２４によって表わされる。
図１では、例えば、接合部１３１および１３２が所定の角部であることが分かる。接合部１３３および１３４は複雑な曲線の一部に生じるが、それらは壁１７の円形輪郭が終了するポイントに相当する。
シャフトＡおよびＢの軸を接合する概念的な線Ｘは、図１に破線で示されており、接合部の位置は、線Ｘを参照することによって説明することができる。これは、ロータ要素１２の外側前接合部１２３および外側後接合部１２４が線Ｘから等距離にある係合位置を参照して行われる。
そのような係合位置では、接合部１２１，１２２，１２３，１２４の位置は、接合部をシャフトＡの軸と接続する線と線Ｘとの２つの線の間に作られる角度によって表わすことができる。これを図に示し、特定の実施形態について以下で更に説明する。接合部１２１および１２３の位置は、例えば、約＋５°，＋１０°，＋１５°，＋１６°，＋１７°，＋１８°，＋１９°，＋２０°，＋２１°，＋２２°，＋２３°，＋２４°，＋２５°，＋２６°，＋２７°，＋２８°，＋２９°，＋３０°，＋３１°，＋３２°，＋３３°，＋３４°，＋３５°，＋３６°，＋３７°，＋３８°，＋３９°，＋４０°，＋４１°，＋４２°，＋４３°，＋４４°，＋４５°，＋４６°，＋４７°，＋４８°，＋４９°，＋５０°，＋５１°，＋５２°，＋５３°，＋５４°，＋５５°，＋５６°，＋５７°，＋５８°，＋５９°，＋６０°，＋６５°，＋７０°，＋７５°，＋８０°，＋８５°，＋９０°，＋９５°又は＋１００°の角度などによって独立して表わすことができる。接合部１２２および１２４の位置は、例えば、約－５°，－１０°，－１５°，－１６°，－１７°，－１８°，－１９°，－２０°，－２１°，－２２°，－２３°，－２４°，－２５°，－２６°，－２７°，－２８°，－２９°，－３０°，－３１°，－３２°，－３３°，－３４°，－３５°，－３６°，－３７°，－３８°，－３９°，－４０°，－４１°，－４２°，－４３°，－４４°，－４５°，－４６°，－４７°，－４８°，－４９°，－５０°，－５１°，－５２°，－５３°，－５４°，－５５°，－５６°，－５７°，－５８°，－５９°，－６０°，－６５°，－７０°，－７５°，－８０°，－８５°，－９０°，－９５°又は－１００°の角度などによって独立して表わすことができる。同様に、接合部１３１，１３２，１３３，１３４の位置は、接合部をシャフトＢの軸と接続する線と線Ｘとの２つの線の間に作られる角度によって表わすことができる。接合部１３１および１３３の位置は、例えば、約－５°，－１０°，－１５°，－１６°，－１７°，－１８°，－１９°，－２０°，－２１°，－２２°，－２３°，－２４°，－２５°，－２６°，－２７°，－２８°，－２９°，－３０°，－３１°，－３２°，－３３°，－３４°，－３５°，－３６°，－３７°，－３８°，－３９°，－４０°，－４１°，－４２°，－４３°，－４４°，－４５°，－４６°，－４７°，－４８°，－４９°，－５０°，－５１°，－５２°，－５３°，－５４°，－５５°，－５６°，－５７°，－５８°，－５９°，－６０°，－６５°，－７０°，－７５°，－８０°，－８５°，－９０°，－９５°又は－１００°の角度などによって独立して表わすことができる。接合部１３２および１３４の位置は、例えば、約＋５°，＋１０°，＋１５°，＋１６°，＋１７°，＋１８°，＋１９°，＋２０°，＋２１°，＋２２°，＋２３°，＋２４°，＋２５°，＋２６°，＋２７°，＋２８°，＋２９°，＋３０°，＋３１°，＋３２°，＋３３°，＋３４°，＋３５°，＋３６°，＋３７°，＋３８°，＋３９°，＋４０°，＋４１°，＋４２°，＋４３°，＋４４°，＋４５°，＋４６°，＋４７°，＋４８°，＋４９°，＋５０°，＋５１°，＋５２°，＋５３°，＋５４°，＋５５°，＋５６°，＋５７°，＋５８°，＋５９°，＋６０°，＋６５°，＋７０°，＋７５°，＋８０°，＋８５°，＋９０°，＋９５°又は＋１００°の角度などによって独立して表わすことができる。
本明細書で使用する場合、正の角度、例えば＋４０°は、指定された軸（Ａ又はＢ）の周りで線Ｘから時計回りに測定された角度である。負の角度、例えば－４０°は、指定された軸（Ａ又はＢ）の周りで線Ｘから反時計回りに測定された角度である。
上記の議論は、ロータ要素および凹部の外側範囲の様々な幾何学的形状を網羅する。これらの特徴は、ロータ要素と凹部、並びに入口および出口との係合およびその後の係合解除のための様々な異なるプロファイルを提供する。次に、断面におけるシステムの幾何学的形状について説明する。
［断面におけるロータ要素、凹部およびチャンバ］
本発明に係る回転駆動装置の断面を図２に示す。この実施形態では、ロータ要素１２は、凹部１３による収容を可能にする半円形の外面１２ｃを有する。図２は、ロータ要素１２の特徴１２ａ，１２ｂ，１２ｃについて１つの可能性のみを示していることが理解され得る。図２の実施形態では、駆動シャフトＡがロータ１１上に示されており、ロータ１４は更なるシャフトＢの周りを回転する。図２に示すように、全体的に符号２０で示すシールリングを設けて、チャンバ１５の完全性を維持することができる。チャンバ壁１５ａとシールするために、ロータ要素１２の表面に埋め込まれた更なるシール手段２１を任意選択的に設けることができる。シール手段２１を有するロータ１１およびロータ要素１２の構成が図３Ａに示されている。クリアランスが極めて小さい場合、シールリングは必要とされない場合があることが理解され得る。図３Ｂに示すようなシールリングのない実施形態は、著しく改善された効率を達なすることが期待される。
図２および図３Ａから図３Ｃは、ロータ要素１２およびチャンバ壁１５ａの湾曲した輪郭を示しているが、製造がより容易な平坦な輪郭を含む他の輪郭も可能であることが理解され得る。この例が図３Ｄに示されており、ロータ要素１１２，２１２は、ハウジング１００と接触する軸ＡおよびＢに平行な平坦面を有する。
ロータの直径に対するロータの厚さは、異なり得るものであり、例えば、ロータの直径の約１０％、２０％、３０％、４０％又は５０％の厚さであり得る。
突出ロータ要素の形状およびサイズは、様々な結果を達なするために流体力学の法則に従って適合させることができる。
例えば、図３Ｃは、突出ロータ要素の後面１２ａが流体中の抗力を低減又は緩和する形状を含む本発明の一実施形態を示す。この例では、ロータ要素１２の後面１２ａの形状は複合形状である。複合形状の最後尾１２ｘは、表面１６から凸状ロータ要素１２の最外点１２ｙまで滑らかな曲線で延びている。突出ロータ要素の片面又は両面に対するこのような複合形状は、効率を改善することができる。一般に、複合形状は、タービン、燃焼機関およびポンプ／人工呼吸器の一方又は両方の側面１２ａおよび１２ｂにあり得る。図４Ｂは、ロータ要素１２の両面１２ａおよび１２ｂに複合形状を含む例を示す。図４Ｂでは、比較のために、また本発明の理解を助けるために、ロータ要素１２の単純な形状が破線で示されているが、複合形状の背後の入口１８および出口１９の一般的な位置も破線で示されている。複合形状は、流体の流れを改善し、抗力を低減又は緩和しながら、行程容積を減少させることができる。そのような複合形状は、ロータ要素に隣接する肩部（複数可）を組み込むことができ、これらの肩部（複数可）は、以下で更に説明するように、サイクルの特定の部分で入口（複数可）および出口（複数可）を閉じる役割を果たすことができる。一般に、入口および／又は出口は、図面に示すように片側だけでなく、チャンバ１５のどちらの側にあってもよい。
それぞれのロータ表面１６および１７上の任意の固定点が同じ相対速度で移動することが好ましい。これにより、不必要な摩擦、したがって効率の損失が回避される。
２以上の回転駆動ユニットが連結されてもよく、ロータ１１および１４のそれぞれの向きは、サイクルの「電力モード」のユニットが現在電力を供給していないユニットに対してオフセットされるようにオフセットする。これは、システムのより滑らかな機能を与えることが期待される。例えば、２つの結合されたユニットは、それぞれのロータ１１および１４の向きを１８０°だけオフセットし、３ユニットでは１２０°だけオフセットし、４ユニットでは９０°だけオフセットし、以下同様である。この例を図３Ｄに示す。ハウジング１００内の２つのユニットは、シャフトＡおよびＢを共有し、タイミングベルト又は歯付き機構Ｔによって連結されている。第１のユニットのロータ１１２は係合解除上方位置にあり、ロータ１１１はロータ１１４と接触している。凹部１１３は、ユニットの底部まで移動している。この位置において、第２のユニットのロータ要素２１２は、ロータ２１４の凹部を占める。したがって、チャンバ１１５の一部は、第２のユニットの上部に見える。
［流体駆動回転駆動装置］
回転駆動装置がタービンとして機能する本発明の態様は、例として、図４Ａから図７に示す実施形態に示されている。殆ど全ての水が駆動力を発生させているため、本発明はタービンとして効率的に機能すると考えられ、捕捉されない唯一の非常に少量のエネルギーは、サイクルの様々な段階で非常に小さな隙間を通過して摺動する流体中のエネルギーである。
幾つかのタービンの実施形態では、第１ロータおよび第２のロータは、回転中にシール係合を維持することができ、すなわち、ロータ要素が凹部と接触しているか、又は表面１６および１７が互いに接触している。これにより、サイクルのロストコンタクト部分の間に流体がロータ要素を迂回して電力の損失をもたらすことを防止することができる。このような動力の損失は、部分的なものに過ぎず（後述するように複数のタービンを連結することによって相殺することができる）、タービンの効率を低下させる。ポンプの実施形態では、この効率の低下は、流体の滑らかな流れを供給することよりも懸念が少ない場合がある。
図４Ａ、図４Ｂおよび図５を参照すると、流体圧力が入口ポート１８によってチャンバ１５に導入され、出口１９を介してチャンバ１５から出る。流体圧力は、例えば水力又は蒸気駆動タービンのように、水又は蒸気を含む流体源から供給される。このようにして、ロータ要素は、第１のロータの回転を駆動する駆動要素として機能する。図示のような（ロータ１１の）時計回りの回転軸の実施形態では、入口１８は、線Ｘに対して軸Ａの周りで約７又は８時（すなわち、＋３０°から＋６０°）に位置し、出口１９は、線Ｘに対して軸Ａの周りで４又は５時（すなわち、－３０°から－６０°）に位置することが好ましい。これは、最大の「ストローク」（電力が印加されるアークであるか、又はガスもしくは流体がチャンバ１５から押し出される）を与えるが、将来の実施形態では他の位置も可能であり得る。
好ましくは、動力サイクルは、ロータ要素１２が入口１８の真上の位置、例えば線Ｘに対して軸Ａの周りに＋６０°から＋９０°で始まる（すなわち、８から９時）。この位置では、壁１６および１７は、流体圧力がロータ要素１２の後面１２ａに伝えられ、それによってロータ１１をこの例で示される時計回り方向に押すように、入口１８「後方」シール係合にある。ロータ１１は、駆動シャフトＡ（図２）に更に取り付けられ、その回転エネルギーは、従来の方法で発電機を使用して電気を生なするための使用を含む、更なる使用に供することができる。
突出ロータ要素１２が出口１９に到達すると、求心動作は、凹部１３内のロータ要素１２の係合を過ぎて両方のロータ１１および１４を回転させ続け、新しいサイクルが始まる。
図１と比較すると、図４Ａ、図４Ｂおよび図５において、ロータ１１は、ロータ要素１２の基部に更なる肩部２６を含む。ロータ１１が肩部を含む場合、ロータ要素１２はロータ要素１２の壁１６に直接接合しないので、ロータ要素１１の内側接合部１２１および１２２は存在しない。しかしながら、ロータ要素の形状は、概念的な内側接合部を参照することによって依然として表わすことができる。肩部２６は、蒸気および水で駆動されるタービンの成功および効率を改善するために、サイクルの特定の段階で入口１８を覆う閉鎖弁であるという効果を有することができる。幾つかの実施形態では、肩部２６は、ロータ要素に強度を与えることができる。例えば、タービンの実施形態では、肩部は、ロータ要素に加えられる圧力に抵抗するためのバットレスとして作用することができる。そのような実施形態では、肩部はフランジとして説明することができる。図４Ａにおいて、肩部２６は、ロータ要素１２がロータ１４の凹部１３と係合するときに入口１８および出口１９を覆う。タービンの実施形態では、ロータ要素１２の両側の２つの肩部２６の使用は、ロータが回転すると、出口１９が後肩部によって覆われないと同時に入口１８が先行する肩部によって覆われ、したがってタービンを通る一定の流れを与えるので有利である。入口１８および出口１９に対する肩部２６の正確な形状は、入口１８の完全な被覆および出口１９の不完全な被覆をもたらすように調整することができる。これは、チャンバ１５を出る流体のより自由な動きをもたらし、圧力の蓄積を回避する。
図４Ｂを参照すると、シャフトＡとシャフトＢとの間に引かれた線Ｘが破線で示されており、線Ｘの両側で軸Ａと軸Ｂの両方から延在し、線Ｘと＋５０°、－５０°の角度をなす更なる破線が示されている。図において、これらの破線は、部品間の関係を説明し、本発明の理解を助けるのに役立つ。例えば、図４Ｂでは、内側前接合部１２１および内側後接合部１２２は、線Ｘに対して約＋５０°、－５０°の角度をなす。凹部１３の内側前接合部１３１および内側後接合部１３２は、軸Ｂからこれらの線と整列し、したがって線Ｘに対して＋５０°、－５０°の角度をなす。
入口１８および出口１９自体の形状も適合させることができる。図１から図１１では、入口１８および出口１９は、概略的に示されており、入口１８および出口１９はロータ１１および１４によって覆われるべきではなく、存在する場合にはロータ要素１２および肩部２６によって断続的にのみ覆われるべきであるという原理で示されている。しかしながら、好ましい実施形態では、入口１８および出口１９の形状は、図面に示す通りである。
図４Ａおよび図４Ｂでは、入口１８は、周壁１６および１７の係合に隣接してチャンバ１５の裏壁に配置されている。チャンバ１５の完全性を維持するために、第２のロータとハウジングとの間に更なるシール手段２０が示されている。しかしながら、幾つかの実施形態では、特にハウジング１０と壁１７との間のクリアランスが極めて小さい場合、シール手段２０は必要でもなく有益でもない場合がある。
図５は、入口１８を覆うように成形された、ただ１つの肩部２６を有する更なる実施形態を示す。この図では、外側前接合部１２３および外側後接合部１２４が線Ｘから等距離にある係合位置において、入口１８を配置するための領域は、肩部２６の対応する形状内にあり、軸線Ａから延在し、線Ｘと＋５０°の角度をなす破線によって表わされる。出口１９を配置するための領域は、シャフトＡおよびＢから延びる破線によって表わされ、それぞれが線Ｘに対して－５０°、＋５０°の角度をなす。ロータ要素１２が図示の位置にあるとき、入口１８は肩部２６によってブロックされ、流体（水）は入口１８を介してハウジングに入ることができず、ロータは前のサイクルからの動作量のために回転している。ロータ要素１２が入口１８を通過すると、入口１８を介して入る流体は、ロータ要素１２の表面１２ａおよびロータ１４の露出面に同時に圧力を加え、したがって次のサイクルを駆動する。
理解され得るように、効率を高めるために更なるシールを設けることができる。例えば、図４Ａに示すように、直線状のシール２０をロータ１４の壁１７とハウジング１０の壁との間に設けることができる。しかしながら、前述したように、壁１７とハウジング１０との間のクリアランスが非常に小さい実施形態では、シール手段は必要ではなく、実際に効率を低下させる可能性がある。
効率を向上させる更なる手段は、各ロータの平坦面の一方又は両方に、ロータに折り返され、前記面の外周付近でロータの周りに延在するトラック内のＯリングなどのシールを設けることである。
例えば、石炭、石油、核又は地熱エネルギーから生成された高圧の水又は蒸気の動力を利用するタービンとして使用される場合、突出ロータ要素１２が出口１９から入口１８を直接通過する点（例えば９時）まで回転するときに、瞬間的に吸気口を閉じるための弁（図示せず）を入口１８に含むことが可能である。殆どの場合、突出ロータ要素１２が次のサイクルで強制的に移動されるときに単にガス／水の逃げ道を可能にするため、出口１９上の弁を使用する必要はない。
入口弁は、サイクルの段階に関連して他の可動部から駆動されるカムによって作動されてもよい。入口弁は必要とされない場合があり、図５又は図６には示されていない。
図６は、ロータ１４に２つの凹部と、流体が入るチャンバ１５からロータ要素１２に力を受ける面１２ａを有する２つの突出ロータ要素１２とがある更なる実施形態を示す。したがって、第２のロータの２つの凹部は、２つのロータ要素を収容し、ロータ要素が凹部と係合するときにシール係合を維持する。
この配置は、ロータの偏心を除去し、ロータ１１および１４のバランスを改善することによって効率を改善することができる。これは、極めて高い毎分回転数が必要とされる場合に特に有利である。
図７は、ロータ１４がロータ１１の直径の実質的に２倍であり、ロータ１４に２つの凹部１３を必要とする更なる実施形態を示す。ロータのうちの１つ又は他のロータの直径を乗算する原理は、本発明の他の好ましい実施形態、燃焼機関および人工呼吸器ポンプにも適用することができることに留意されたい。
［ポンプとしての回転駆動装置］
回転駆動装置が水又は人工呼吸器ポンプなどのポンプを提供する本発明の別の態様は、図８および図９に示す実施形態によって示されている。本発明のこの態様は、凝縮器装置としての用途も有する。
入口１８で流体リザーバ（水、気体又は空気）に接続されている間に、駆動シャフトを介してロータ１１又は１４に回転動作が外部から加えられる場合、装置はポンプとして機能する。図８に示すように、空気又は空気－酸素混合物などの流体は、入口１８を通って引き込まれ、ロータ要素１２の面１２ｂによってチャンバ１５の周りを押されて、ロータ１１の回転速度によって規定される圧力で出口１９に至る。図８および図９では、第１のロータの回転中に、肩部がロータ要素に追従し、第１のロータのサイクルの一部の間に出口を閉塞し、これは高速ポンプの実施形態において有用である。
任意選択的に、ポンプの実施形態又は人工呼吸器の実施形態では、第１のおよび第２のロータは、回転中、すなわち回転の任意の段階で、ロータ要素１２が凹部１３と接触しているか、又は表面１６および１７が互いに接触しているかのいずれかで、シール係合を維持することができる。しかしながら、幾つかの実施形態では、第１ロータおよび第２のロータは、回転の一部の間に互いに短時間接触しなくなる（例えば、ロータ要素１２が凹部１３と接触しなくなった場合）。このような回転の段階では、ポンプ／人工呼吸器によって引き込まれる流体／空気の量の減少があり得る。流体／空気の引き込みは、第１のロータと第２のロータとの間のシールが再確立されると、回転の次の段階で最大レベルに戻る。
実施例を以下により詳細に説明する。
［実施例：図８のポンプの実施形態］
図８では、入口１８は、シャフトＡから延在し、線Ｘに対して＋５０°の角度をなす破線によって画定されるセクタの内側に位置し、出口１９は、シャフトＡから延在し、線Ｘに対して－５０°の角度をなす破線によって画定されるセクタの外側に位置する。この配置は、出口１９がロータ要素１２および肩部２６によって閉塞されるまで、出口１９から出る流体／ガスに最大圧力を与え、その後、ロータ要素１２が凹部１３と接触しなくなると、ロータ間のシールが除去される。ロータ間のシールが再確立されると、出口１９の圧力が再開する。図１０の実施形態は、高圧ポンプなどのより高速の回転に特に適していると予想される。そのようなポンプは、非常に小さなクリアランスを有するシールを必要としない場合がある。
［実施例：図９のポンプ／人工呼吸器の実施形態］
図９の実施形態は、２つの入口１８を備え、人工呼吸器などの低速ポンプにより適している。入口１８の一方は、シャフトＡから延在し、線Ｘと＋５０°の角度をなす破線によって画定されるセクタの内側および外側に位置する。この配置は、ロータ要素１２が第１の入口１８に達すると、ロータ１１および１４がシール係合になり、したがって新しいガスが引き込まれ始めることができることを意味する。これはまた、ロータ１１および１４がロータ要素１２の背後でシールすると真空が生成されるのを防止する。代替的な構成は、各入口に対してより小さいサイズを必要とする、ロータ１１に対して径方向に位置合わせされた２つの入口を有することであり得る。任意選択的に、そのようなポンプは、設計に組み込まれたゴム引きシールを有することができる。図９の実施形態は、ロータ要素１２が出口１９を通過するときにシールすることができる出口１９上の一方向弁を備える。出口１９のシールは、背圧が流体をチャンバ１５内に押し戻すのを防止する。出口１９に関して、一方向弁は、装置の本体１０に接触するか、又は装置とは別個であり得る。出口１９は、シャフトＡから延在し、線Ｘに対して－５０°の角度をなす破線によって画定されるセクタの外側に位置する。
ロータ１１又はロータ１４のいずれかへの回転動作の適用の選択は、人工呼吸デバイスなどのポンプの一部として本発明の装置を構なする際の柔軟性を与える。
実施形態では、人工呼吸器用のポンプには、空気および酸素用の２つの入口をそれぞれ設けることができ（図９に示すように）、それにより、空気／酸素混合物を患者に提供することができる。２つの入口の使用は、より正確な空気／酸素混合物を可能にし、リアルタイムで調整することができる選択肢も提供し、これは人工呼吸器の実施形態に有利である。
［幅広のロータ要素を有する回転駆動装置］
図１０から図１３は、幅広のロータ要素を有する回転駆動装置を示す。これらの図に示す実施形態は、タービン又はポンプとして適しているが、幅広のロータ要素を有する燃焼機関についても以下で説明する。図１０から図１３の実施形態では、ロータ１１およびロータ１４は同じ半径を有し、ロータ要素１２は、ロータ１１又はロータ１１の半径の約３０％の距離だけロータ１４を越えて径方向に延在する。
一般に、幅広のロータ要素は、図１０から図１３に示す係合位置において、入口１８および出口１９の両方を同時に閉塞するものである。このようにして、チャンバ１５の周りの流体の漏れが回避される。入口１８は、約＋３０°から＋９０°、好ましくは＋３０°から＋６０°の範囲の線Ｘと正の角度をなす線の傍に配置され、出口１９は、約－３０°から－９０°、好ましくは－３０°から－６０°の範囲の線Ｘと負の角度をなす線の傍に配置されるため、これは、ロータ要素が一般に約６０°から約１８０°、好ましくは約６０°から１２０°のセクタを占め、全ての接合部がこのセクタの範囲内に入ることを意味する。例えば、幅広のロータ要素は、好ましくは、約６０°、７０°、８０°、９０°、又は１００°のセクタを占めることができる。好ましくは、ロータ要素は、約８０°のセクタを占める。これにより、チャンバ１５の行程容積を維持しながら、入口１８と出口１９の両方を同時に覆うことを可能にするバランスをとるある程度の被覆がもたらされる。
図１０では、ロータ要素１２の内側接合部１２１，１２２は、シャフトＡから延在し、線Ｘに対して＋３７°、－３７°の角度をなす線の傍に配置される。後面１２ａおよび前面１２ｂは、ロータ１１から径方向に延在していない。代わりに、外側接合部１２３，１２４は、シャフトＡから延在し、線Ｘから＋３０°、－３０°の角度をなす線の傍に配置される。後面１２ａおよび前面１２ｂの径方向の向きは、同じ結果を達なすると予想される。凹部１３に目を向けると、凹部の内側接合部１３１，１３２は、シャフトＢから延在し、線Ｘから＋３８°、－３８°の角度をなすセクタによって配置される。
ロータ１２の外表面は、シャフトＡからの距離が大きいため、凹部１３よりも速く移動する。したがって、符号１２と符号１３との間のシール係合は生じず、むしろ、それらの表面間にはほぼ接触があり、それらの間には公称間隙のみがある。内側接合部１３１，１３２と比較して内側接合部１２１，１２２の角度がわずかに小さい（この場合、それぞれ３７°および３８°の１°の差である）こともまた、凹部がロータ要素を収容することを可能にする。近接触は、ギャップを通るいくらかの流れをもたらし、したがって効率をわずかに低下させる。幅広のロータ要素は、図１０に示す係合する向きで入口１８および出口１９を完全に覆う。
この例では、入口１８および出口１９は、ロータ要素１２が移動するゾーンに位置するが、ロータ１４が移動するゾーンを回避する。図１０に示す係合位置では、入口１８および出口１９の両方がロータ要素によって閉塞されている。したがって、１８および１９の位置は、流れがロータ１１の進行によって影響を受けるが、ロータ１４の進行によっては影響を受けないような位置である。
図１１を参照すると、この実施形態では、後面１２ａおよび前面１２ｂは、ロータ１１から径方向に延在し、図示の向きでは、シャフトＡから延在する線と整列し、線Ｘから＋４０°、－４０°の角度をなす（内側接合部１２１，１２２および外側接合部１２３，１２４と同様に）。したがって、幅広のロータ要素は、約８０°のセクタを占める。入口１８は、ロータ１４が通過するゾーンを避けるように成形されているが、入口までの延在部は、小さな通気領域１８ａを形成する。同様に、出口１９への延在部は、ロータ１４のゾーン内に延びるより大きな通気領域１９ａを形成する。通気領域は、背圧が流体をチャンバ１５内に押し戻して装置を停止させるか、又は回転を著しく遅くすることを防止するように作用し、それによって装置のより滑らかな動作を与える。
図１１の実施形態では、内側接合部１３１，１３２は、シャフトＢから延在し、線Ｘから＋４３°、－４３°の角度をなすセクタによって配置され、一方、外側接合部１３３，１３４は、シャフトＢから延在し、線Ｘから＋４６°、－４６°の角度をなすセクタによって配置される。したがって、内側接合部１３１，１３２と比較して内側接合部１２１，１２２の角度がわずかに小さい（この場合、それぞれ４０°および４３°であり、３度の差である）ことによっても、凹部がロータ要素を収容することが可能になる。
図１２の実施形態では、図１１と同様に、後面１２ａおよび前面１２ｂは、ロータ１１から径方向に延在し、図示の係合位置では、シャフトＡから延在する線と整列し、線Ｘから＋４０°、－４０°の角度をなす（内側接合部１２１，１２２および外側接合部１２３，１２４と同様に）。入口１８は、線Ｘと、軸線Ａから延在し、線Ｘに対して＋３８°の角度をなす破線とによって画定されるセクタ内にある。出口１９は、線Ｘと、軸Ａから延在し、線Ｘと－３９°の角度をなす破線とによって画定されるセクタ内にある。符号１８，１９を画定するためにそれぞれ＋３８°および－３９°を選択することにより、それらの両方が係合位置でロ素１２によって確実に閉塞される（以下に説明する通気領域１８ａ、１９ａを除く）。前述したように、入口ポート１８および出口ポート１９の両方を同時に閉じることは、チャンバ１５の周りの流体の漏れを防止し、それによってエネルギーの損失を防止する。
入口１８はまた、ロータ１４が通過するゾーンを回避するように成形されているが、入口までの延在部は小さな通気領域１８Ａを形成する。出口１９はまた、ロータ１４が通過するゾーンを回避するように成形されているが、入口への延在部は小さな通気領域１９Ａを形成する。したがって、図示の係合位置では、入口１８および出口１９はロータ要素１２によって閉塞されているが、通気領域１８Ａ、１９Ａは閉塞されていない。背圧を回避するために、入口１８は出口１９よりもわずかに小さいことが好ましい。入口１８および出口１９の相対的なサイズは、装置の機能に応じて変化し得る。タービンの場合、背圧の低減が望ましいため、入口は出口よりも小さくなるが、ポンプ（又は凝縮器）では、生成される圧力を増加させるために反対になる可能性がある。
凹部１３の内側接合部１３１，１３２は、シャフトＢから延在し、線Ｘに対して＋４５°、－４５°の角度をなす線の傍に配置される。外側接合部１３３，１３４は、シャフトＢから延びる線の傍に配置され、線Ｘに対して＋５３°、－５３°の角度をなす。したがって、内側接合部１３１，１３２と比較して内側接合部１２１，１２２の角度がわずかに小さい（この場合、それぞれ４０°および４５°であり、５度の差である）ことによっても、凹部がロータ要素を収容することが可能になる。
入口１８および出口１９の幾何学的形状を図１２Ｂに示す。図に見られるように、入口と出口との間の空間は、両方のロータの軸から延在し、前記線Ｘに対して＋１５°、－１５°の角度をなす線によって画定される。
図１２に示す実施形態と同様の実施形態を図１３に示す。この実施形態では、凹部１３の内側接合部１３１および１３２は、シャフトＢから延在し、線Ｘに対して＋４６°、－４６°の角度をなす線の傍に配置される。これは、図１２の例と比較してわずかに広い凹部をもたらす。図１３の他の幾何学的形状は、図１２に示す幾何学的形状と同等である。この幾何学的形状を有する装置は、摩擦を生じることなくポンプとして非常に効率的に機能する。
この装置をタービンとして動作させるために、入口１８への流体の進入角を増加させることによって効率を改善することができる。好ましくは、流体は、ロータ要素を直接押すように、ロータ１１の回転軸からオフセットした角度で入口１８に入る。これは、ロータ１１がその正確な位置合わせから押し出されるリスクを最小限に抑える。タービンの実施形態において偏心を低減するための他の方法は、両方のロータに穴を開けてロータの両側に圧力をより均一に分配することを含む。
［燃焼駆動型回転駆動装置］
回転駆動装置が燃焼機関として機能する本発明の別の態様は、図１４および図１５に示す実施形態によって示されている。適切な燃料は明らかであり、ペトロール（ガソリン）又は水素および酸素を含む。
燃焼機関の実施形態では、それぞれのロータ１１および１４の周壁１６および１７は、少なくともサイクルの吸気および燃焼段階中にシール係合を維持することができ、したがって、ロータ要素に動力を伝達するための燃焼のための限られた空間を与える。燃焼機関は、点火プラグ２２を更に必要とし、当技術分野で知られているように燃料／空気混合物を供給する２つの入口２３および２４（図１４には示されておらず、図１５に示されている）を利用する（例としてのみ）。これにより、正確な空気／燃料混合が可能になり、リアルタイムで調整できるという選択肢も与えられる。入口２３および２４は、円形の一方向弁であってもよい。入口２３および２４における混合物の分配を制御するためにバルブが必要となる。入口弁は、サイクルの段階に関連して他の可動部から駆動されるカムによって作動されてもよい。また、図１５に示すように、点火プラグヘッドの近くの燃焼部のチャンバ壁１５ａは、点火プラグヘッドを通過するロータ要素１２の回転を可能にするためにわずかに凹んでいることに留意されたい。
燃焼は、好ましくは、セグメント１２が最後の点火プラグ２２をちょうど通過した時点にあるサイクルの段階で開始される。これはまた、ガスの適切な混合時間を可能にする。
燃料／空気の爆発は、ロータ要素１２を軸線Ａの周りに押し付け、ロータ１１が取り付けられているシャフトを駆動する。排気ガスは出口１９を通って出る。セグメント１２は、新しいサイクルを開始するときに前のサイクルからの排気を効果的に押し出すので、出口１９が弁を含む必要はない。
２以上の回転駆動ユニットが連結されてもよく、ロータ１１および１４のそれぞれの向きは、サイクルの「電力モード」のユニットが現在電力を供給していないユニットに対してオフセットされるようにオフセットする。これにより、より滑らかなエンジン回転が得られることが期待される。例えば、２つの結合されたユニットは、それぞれのロータ１１および１４の向きを１８０°だけオフセットし、３ユニットでは１２０°だけオフセットし、４ユニットでは９０°だけオフセットし、以下同様である。２つ以上のユニットを有する幾つかの従来の「２ストローク」又は「４ストローク」燃焼機関は、ユニットのそのような配置を使用してそれらの「パワーモード」オフセットを有する。
「２ストローク」燃焼機関では、ピストンを上下に動かさなければならないことによってエネルギーが失われている。本発明では、ピストンを上下に動かす必要がないことによって節約されるエネルギーは、シールなどを超える圧縮の損失によって引き起こされる効率の損失を上回ると考えられる。更に、各サイクルは動力を生なするが、４ストローク燃焼機関は、廃ガスを排出し、新鮮な可燃性ガス混合物を引き込むために１サイクルを必要とする。
突出ロータ要素１２のサイズおよび凹部１３の深さはまた、比例して大きい推力のために調整されてもよい。凹部１３内へのロータ要素１２の特定の形状はまた、最適な動作特性を配置するように変更されてもよい。
肩部２６が図１４に示されているが、これは燃焼駆動の実施形態では必要ではないことが予想される。この代替的な「弁」配置に対する他の変形が、本発明の範囲内で可能であり得る。
燃焼機関の実施形態では、図１０から図１３に示すタイプの幅広ロータ要素１２を使用すると、より良好な効率を与えることができることに留意されたい。
本発明の回転駆動装置は、高効率を有することができ、従来のポンプ、タービン、又はエンジンの設計に取って代わる可能性があると考えられる。少なくとも、「回転」駆動装置の構築方法を提示する代替案を考慮しなければならない。

Claims (44)

  1. 内部に第１のロータおよび第２のロータが配置されるハウジングを備える回転駆動装置であって、前記第１のロータは、第１の軸を中心に回転可能であるとともに、そこから径方向に突出するロータ要素を有し、前記第２のロータは、前記第１の軸と平行な第２の軸を中心に前記第１のロータとは反対の方向に回転可能であり、前記第２のロータは、前記ロータ要素を受けることができる凹部を備え、前記第１のロータ、前記第２のロータおよびハウジングは、前記ロータ要素が通過するチャンバを前記第１のロータの周りに画定し、前記チャンバは、流体が前記チャンバに出入りすることができる入口および出口を有する、回転駆動装置。
  2. 前記第１のロータおよび第２のロータは、回転中にシール係合を維持することができる、請求項１に記載の装置。
  3. 前記ロータ要素が回転中に前記凹部の床と接触しない、請求項１に記載の装置。
  4. 前記第１のロータと前記ハウジングおよび／又は前記第２のロータとの間にシールを形成することができるシール手段を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記ロータ要素と前記ハウジングおよび／又は前記第２のロータとの間にシールを形成することができるシール手段を前記ロータ要素に更に備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記ロータ要素に隣接して前記第１のロータから突出して、前記第１のロータのサイクルの一部の間に前記入口および／又は前記出口を少なくとも部分的に閉塞する肩部を更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記ロータ要素又は前記肩部の先行面および／又は後面は、流体の抗力を低減又は緩和する形状を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記装置は、入口手段を通じて加圧流体を導入して、前記ロータ要素にエネルギーを付与するようになっている、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記流体は、前記ロータ要素に対してより直接的な圧力を与えるように、前記第１のロータの前記回転軸からオフセットした角度で前記入口に入る、請求項８に記載の装置。
  10. 前記第２のロータと前記ハウジングとの間にシール手段を更に備える、請求項８又は９に記載の装置。
  11. 前記ロータ要素に隣接して前記第１のロータから突出する肩部を更に備える、請求項８から１０のいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記ロータ要素の両側で前記第１のロータから突出する２つの肩部を備える、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記第１のロータの回転中に、肩部が前記ロータ要素に先行して前記第１のロータのサイクルの一部の間に前記入口を閉塞する、請求項１１又は１２に記載の装置。
  14. ２つのロータ要素と、前記ロータ要素を受けることができる前記第２のロータの２つの凹部とを備える、請求項８から１３のいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記第２のロータは、前記第１のロータの直径の２倍を有し、前記第２のロータは、前記ロータ要素を受けることができる２つの凹部を備える、請求項８から１３のいずれか一項に記載の装置。
  16. 前記入口および前記出口は、前記ロータ要素が移動する前記チャンバのゾーン内に配置されるとともに、前記第２のロータが移動する前記ゾーンを避けるように配置される、請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記入口および前記出口は、前記ロータの前記回転軸に対して実質的に垂直なチャンバ壁の領域に配置される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置。
  18. 前記ロータ要素が前記凹部と係合するときに、前記ロータ要素が前記入口および前記出口の両方を同時に閉塞する、請求項１から１７のいずれか一項に記載の装置。
  19. 前記ロータ要素は、前記第１のロータの前記軸に対して約６０°から約１２０°のセクタを占める、請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
  20. 前記ロータ要素は、前記第１のロータの前記軸に対して約８０°のセクタを占める、請求項１９に記載の装置。
  21. 前記装置は、通気領域を更に形成する前記入口および／又は前記出口への延在部を更に備える、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の装置。
  22. 前記通気領域は、前記第２のロータが移動する前記ゾーンを回避する、請求項２１に記載の装置。
  23. 前記通気領域は、前記第２のロータが移動する前記ゾーン内に配置される、請求項２１に記載の装置。
  24. 前記ロータ要素は、
    前記ロータの回転中に前記ロータ要素の他の部分に先行する前面、前記前面とは反対側の後面、および前記第１のロータの回転中に前記チャンバの前記壁と接触する又はほぼ接触する外面と、
    前記前面と前記ロータ要素の前記外面との間の外側前接合部と、
    前記後面と前記ロータ要素の前記外面との間の外側後接合部と、
    前記第１のロータの外壁と前記ロータ要素の前記前面との間の内側前接合部と、
    前記第１のロータの外壁と前記ロータ要素の前記後面との間の外側後接合部と、
    によって画定され、
    前記凹部は、
    前記ロータ要素の前記前面および前記後面を受け入れるように離間される壁、および前記ロータ要素が前記凹部内に受けられるときに前記ロータ要素の前記外面と接触する又はほぼ接触する床と、
    前記床と前記凹部の前記前壁との間の内側前接合部と、
    前記床と前記凹部の前記後壁との間の内側後接合部と、
    前記凹部の前記前壁と前記第２のロータの前記外壁との間の外側前接合部と、
    前記凹部の前記後壁と前記第２のロータの前記外壁との間の外側後接合部と、
    によって画定される、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の装置。
  25. 前記ロータ要素の前記外側接合部が前記ロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、
    前記ロータ要素の前記内側接合部は、前記第１のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋３７°、－３７°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記ロータ要素の前記外側接合部は、前記第１のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋３０°、－３０°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記凹部の前記内側接合部は、前記第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋３８°、－３８°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記入口および前記出口は、前記ロータ要素が移動するゾーン内に配置されるが、前記第２のロータが移動するゾーンを回避する、
    請求項２４に記載の装置。
  26. 前記ロータ要素の前記外側接合部が前記ロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、
    前記ロータ要素の前記内側接合部および前記外側接合部は、前記第１のロータの前記軸から延在して前記線Ｘと約＋４０°、－４０°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記凹部の前記内側接合部は、前記第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４３°、－４３°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記凹部の前記外側接合部は、前記第２のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋４６°、－４６°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記入口および前記出口は、前記ロータ要素が移動するゾーン内に配置されるが、前記第２のロータが移動するゾーンを回避する、
    請求項２４に記載の装置。
  27. 前記ロータ要素の前記外側接合部が前記ロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、
    前記ロータ要素の前記内側接合部および前記外側接合部は、前記第１のロータの前記軸から延在して前記線Ｘと約＋４０°、－４０°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記入口は、前記ロータ要素が移動するゾーン内であって、前記第１のロータの前記軸から延びて前記線Ｘと約＋３８°の角度をなす線内に配置されるとともに、前記第２のロータが移動するゾーンを回避し、
    前記出口は、前記ロータ要素が移動するゾーン内であって、前記第１のロータの前記軸から延びて前記線Ｘと約－３９°の角度をなす線内に配置されるとともに、前記第２のロータが移動するゾーンを回避し、
    前記凹部の前記内側接合部は、前記第２のロータの前記軸から延在して前記線Ｘと約＋４５°、－４５°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記凹部の前記外側接合部は、前記第２のロータの前記軸から延在して前記線Ｘと約＋５３°、－５３°の角度をなす線の傍に配置される、
    請求項２４に記載の装置。
  28. 前記入口と前記出口との間の空間は、両方のロータの軸から延在して前記線Ｘと約＋１５°、－１５°の角度をなす線によって画定される、請求項２７に記載の装置。
  29. 前記ロータ要素の前記外側接合部が前記ロータの軸を結ぶ線Ｘから等距離にある係合位置において、
    前記ロータ要素の前記内側接合部および前記外側接合部は、前記第１のロータの前記軸から延在して前記線Ｘと約＋４０°、－４０°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記入口は、前記ロータ要素が移動するゾーン内であって、前記第１のロータの前記軸から延びて前記線Ｘと約＋３８°の角度をなす線内に配置されるとともに、前記第２のロータが移動するゾーンを回避し、
    前記出口は、前記ロータ要素が移動するゾーン内であって、前記第１のロータの前記軸から延びて前記線Ｘと約－３９°の角度をなす線内に配置されるとともに、前記第２のロータが移動するゾーンを回避し、
    前記凹部の前記内側接合部は、前記第２のロータの前記軸から延在して前記線Ｘと約＋４６°、－４６°の角度をなす線の傍に配置され、
    前記凹部の前記外側接合部は、前記第２のロータの前記軸から延在して前記線Ｘと約＋５３°、－５３°の角度をなす線の傍に配置される、
    請求項２４に記載の装置。
  30. 前記装置は、前記第１のロータ又は前記第２のロータに回転エネルギーを与えて、前記入口手段を通じて流体を引き込み、出口手段を通じて前記流体を押し出すようになっている、請求項１から２９のいずれか一項に記載の装置。
  31. 前記流体が空気又は空気／酸素混合物であり、前記装置が人工呼吸器用のポンプを提供する、請求項３０に記載の装置。
  32. 前記第１のロータの回転中に、肩部が前記ロータ要素に追従して前記第１のロータのサイクルの一部の間に前記出口を閉塞する、請求項３０又は３１に記載の装置。
  33. 前記出口は、圧力が解放されるときにシールすることができる一方向弁を備える、請求項３０から３２のいずれか一項に記載の装置。
  34. ２つの入口を備える、請求項３０から３３のいずれか一項に記載の装置。
  35. 前記装置は、点火手段を更に備えるとともに、前記ロータ要素にエネルギーを与えるべく、燃焼のために前記入口手段を介して可燃性流体又は流体の混合物を導入するようになっている、請求項１から６又は１６から２９のいずれか一項に記載の装置。
  36. 前記ロータ要素に隣接して前記第１のロータから突出する肩部を更に備え、前記肩部は、前記第１のロータの回転中に前記ロータ要素に先行して前記第１のロータのサイクルの一部の間に前記入口を閉塞する、請求項３５に記載の装置。
  37. 請求項８から２９のいずれか一項に記載の装置を使用して流体からエネルギーを抽出する方法であって、前記ロータ要素にエネルギーを付与するために前記入口を介して前記チャンバに加圧流体を導入するステップと、前記加圧流体が前記出口を介して前記チャンバから出ることができるようにするステップと、を含む方法。
  38. 請求項８から２９のいずれか一項に記載の装置の、タービンとしての使用。
  39. 請求項３０から３４のいずれか一項に記載の装置を使用して流体を圧送する方法であって、前記装置の前記入口を流体と接触させるステップと、前記第１のロータおよび／又は前記第２のロータに回転エネルギーを加えて、前記流体を前記入口に引き込むとともに前記チャンバを通じて前記出口から引き出すステップと、を含む方法。
  40. 前記流体が空気又は空気／酸素混合物であり、前記ポンプが人工呼吸器ポンプである、請求項３９に記載の方法。
  41. 請求項３０から３４のいずれか一項に記載の装置の、ポンプとしての使用。
  42. 前記流体が空気又は空気／酸素混合物であり、前記ポンプが人工呼吸器ポンプである、請求項４１に記載の使用。
  43. 請求項３５又は３６に記載の装置を使用して可燃性流体からエネルギーを抽出する方法であって、可燃性流体を前記入口を介して前記装置の前記チャンバに導入するステップと、前記ロータ要素にエネルギーを与えるために前記可燃性流体を点火するステップと、燃焼した流体が前記出口を介して前記チャンバから出ることができるようにするステップと、を含む方法。
  44. 請求項３５又は３６に記載の装置の、燃焼機関としての使用。
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