(57)【要約】  境界層ターボ機械（１００）は、内部空間（１１５）を定義し、かつ、ハウジング（１１０）を通る流体の移動を容易にするための入口開口（１１２）及び出口（１１３）開口を有するハウジング（１１０）を含み得る。境界層ターボ機械（１００）はまた、ロータチャンバ（１１７）内に配設されたロータ組立体（１２０）を含んでもよく、回転軸（１０１）を中心に回転するように構成されてもよい。ロータ組立体（１２０）は、回転軸（１０１）に沿って隔置され、かつ、回転軸（１０１）に沿って内部開口を定義する複数のディスク（１２１）を有し得る。流体がハウジング（１１０）を通って移動するとき、流体はディスク（１２１）間の間隙及び内部開口を通過してもよい。対応するロータ組立体及び隔壁もまた提供される。【選択図】図２Ａ
2018521268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を定義し、かつ、ハウジングを通る流体の移動を容易にするための入口開口及び出口開口を有する前記ハウジングと、
前記内部空間を、外側チャンバと前記外側チャンバの径方向内側に位置するロータチャンバとに円周方向に分割する隔壁であって、前記外側チャンバと前記ロータチャンバとの間を前記隔壁を通って流体が移動可能となる隔壁開口を有する隔壁と、
前記ロータチャンバ内に配設され、かつ、回転軸を中心に回転するように構成されたロータ組立体であって、前記回転軸に沿って隔置され、かつ、前記回転軸に沿って内部開口を定義する複数のディスクを有するロータ組立体と、を含む境界層ターボ機械であって、前記流体が前記ハウジングを通って移動するとき、前記流体は前記ディスク間の間隙及び前記内部開口を通過する、境界層ターボ機械。
【請求項２】
前記複数のディスクは、前記回転軸に垂直となる向きになっている、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項３】
前記ディスクは、前記流体の境界層厚さの３〜１０倍に等しい距離だけ、複数のスペーサによって互いに離間されており、前記スペーサは、任意で、前記ディスクの半径の３分の１以内の領域に収まり、前記スペーサは、任意で、各ディスクを横切るリング構成で配置されている、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項４】
前記ディスクは、前記複数のディスクを通過する複数の留め具によって互いに連結されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の境界層ターボ機械。
【請求項５】
前記ディスクの外側縁は先細りになっている、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項６】
前記ロータ組立体は、前記ロータ組立体を前記ハウジングに連結し、かつ、前記回転軸を中心とする前記ロータ組立体の回転を容易にする延長部材を含み、前記延長部材は、任意で、前記内部開口と流体連通して前記延長部材を通って延伸するベントポートを含む、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項７】
前記ロータ組立体に連結され、かつ、任意で発電部材を含むフライホイールを更に含む、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項８】
前記入口開口は、前記外側チャンバが流体用の膨張チャンバとして機能するように、前記外側チャンバに関連付けられている、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項９】
前記外側チャンバの断面は、前記回転軸を中心とする３６０°において均一である、請求項８に記載の境界層ターボ機械。
【請求項１０】
前記隔壁開口は、前記隔壁の周りに円周方向に等間隔に配置され、前記隔壁開口は、多数の隔壁部材によって定義され、前記隔壁部材の数は、８、並びに、前記複数のディスクの外径を２で割った数以下の２．５４ｃｍ単位の小数点切り下げの整数に等しい数のうちのいずれか大きい方である、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項１１】
隔壁開口入口の一部を形成する入口表面の半径は、前記隔壁部材の径方向厚さの１．５倍の５％以内であり、各隔壁部材は、任意で、前記入口表面の半径の３分の１の５％以内の隔壁開口出口の一部を形成する出口表面半径を有している、請求項１０に記載の境界層ターボ機械。
【請求項１２】
前記隔壁部材のうちの１つは、任意で、前記隔壁部材の中間点が、前記隔壁部材の長さの５１％だけ前記ハウジングの終点からオフセットするように配置されており、それによって、流体入口路を定義する、請求項１０に記載の境界層ターボ機械。
【請求項１３】
前記ハウジングは、前記入口開口と前記内部空間との間に、流体の流れを前記入口開口から前記内部空間へ移行させる分配領域を更に含んでいてもよく、前記入口開口は、任意で、円形の入口から矩形の分配領域断面へと徐々に推移する膨張領域を有するモジュール式入口マニホルドを含んでいる、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項１４】
前記ディスクの外径と前記隔壁の内側表面との間の径方向距離が、前記流体の境界層厚さの３〜１０倍に等しい、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項１５】
前記複数のディスクのうちの少なくとも１つは、織成繊維樹脂複合材料で構成されている、請求項１に記載の境界層ターボ機械。
【請求項１６】
境界層ターボ機械用のロータ組立体であって、
複数のディスクと、
回転軸に沿って前記ディスクを互いに離間するように、隣接するディスク間に配設された複数のスペーサと、を含み、
前記ディスクは、前記回転軸に沿って内部開口を定義し、前記流体が前記ロータ組立体を通って移動するとき、前記流体は前記ディスク間の間隙及び前記内部開口を通過する、ロータ組立体。
【請求項１７】
前記複数のディスクは、前記回転軸に垂直となる向きになっている、請求項１６に記載のロータ組立体。
【請求項１８】
前記ディスクを通って、また、任意で前記スペーサのうちの少なくとも１つを通って延伸する留め具によって、前記ディスクは互いに連結されている、請求項１６に記載のロータ組立体。
【請求項１９】
前記スペーサは、各ディスクを横切るリング構成で配置され、前記リング構成は、任意で、前記回転軸を中心とする同心円状の複数のリングを含み、前記スペーサは、任意で、前記ディスクの半径の３分の１以内の領域に収まる、請求項１６に記載のロータ組立体。
【請求項２０】
前記ディスクの外側縁は先細りになっている、請求項１６に記載のロータ組立体。
【請求項２１】
前記ロータ組立体は、前記ロータ組立体を前記ターボ機械の一部に連結し、かつ、前記回転軸を中心とする前記ロータ組立体の回転を容易にする延長部材を含む、請求項１６に記載のロータ組立体。
【請求項２２】
前記ディスクは、前記流体の境界層厚さの３〜１０倍に等しい距離だけ離間されており、前記ディスクは、前記境界層厚さの２〜５倍のディスク厚さを有している、請求項１６に記載のロータ組立体。
【請求項２３】
前記複数のディスクのうちの少なくとも１つは、織成繊維樹脂複合材料で構成されている、請求項１６に記載のロータ組立体。
【請求項２４】
境界層ターボ機械用の隔壁であって、
第１表面を有する第１隔壁部材と、
前記第１表面から離間することによって入口及び出口を含む隔壁開口を形成する第２表面であって、前記隔壁開口入口の一部を形成する入口表面と前記隔壁開口出口の一部を形成する出口表面とを有する第２表面を有する第２隔壁部材と、を含み、
前記入口表面は、前記第２隔壁部材の径方向厚さの１．５倍の５％以内の半径を有する、隔壁。
【請求項２５】
前記入口表面の半径は、前記第２隔壁部材の前記径方向厚さの１．５倍の１％以内である、請求項２４に記載の隔壁。
【請求項２６】
前記出口表面は、前記入口表面の半径の３分の１の２０％以内の半径を有する、請求項２４に記載の隔壁。
【請求項２７】
前記出口表面の前記半径は、前記入口表面の半径の３分の１の５％以内である、請求項２６に記載の隔壁。
【請求項２８】
前記第１表面は平面状部分を含む、請求項２４に記載の隔壁。
【請求項２９】
前記隔壁開口は、２５〜５５°又は３５〜６５°の噴射角を有する、請求項２４に記載の隔壁。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、２０１５年６月１０日に提出された欧州特許出願公開第１５１７１５３０号、２０１５年６月１０日に提出された欧州特許出願公開第１５１７１５３１号、及び２０１６年１月８日に提出された米国特許出願公開第１４／９９１，２２８号の利益を主張するものであり、これらの出願は、それぞれ参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
Ｔｅｓｌａによる米国特許第１，０６１，１４２号及び同第１，０６１，２０６号に、スタックされた回転ディスクと流体との間における動力の移動が記載されている。これらの開示によれば、流体の表層の粘度及び粘着性により、流体は、互いに近接して配置された回転ディスク上で抵抗を示す。これにより、流体は、回転方向の接線方向に作用する力と、径方向外向きに作用する力との２つの力にさらされる。この接線力と遠心力との複合効果により、流体は、流体が吐出される好適な周縁の出口に到達するまで、螺旋軌道に沿って連続的に増加する速度で推進される。
【０００３】
Ｔｅｓｌａによって記載されたこのデザインは、ポンプ又はモータとして使用することができる。このような装置は、ディスクの回転面に接したときの流体の特性を利用している。ディスクが流体によって駆動される場合、離間したディスク間を流体が通過すると、流体の移動によってディスクが回転してパワーが生じる。そのパワーは、シャフトを介して装置へと外部に伝達され得る。それによって、様々な用途の動力が提供される。したがって、このような装置は、モータ又はタービンとして機能する。一方で、流体が実質的に静止状態である場合、ディスクが回転すると、流体は、ディスクと同じ方向へ回転し始める。それによって、流体は装置を通過して引き込まれ、装置はポンプ又はファンとして機能するようになる。本開示では、このような装置の全てを、モータとして使用される場合でもポンプ又はファンとして使用される場合でも、「境界層ターボ機械」と総称する。
【０００４】
Ｔｅｓｌａによる元のデザインに対して数多くの改良がなされてきたが、信頼性やコスト等の様々な欠点により、かかる機械の実用的応用は限られていた。典型的な境界層ターボ機械には、いくつかの短所がある。典型的な境界層ターボ機械の薄いディスクは、動作負荷がかかると撓む傾向がある。これにより、他のディスク及び／又は他の構造体（例えば、ディスクを内包するハウジング）との接触を引き起こすことがある。破壊を引き起こす可能性のあるこの接触を最小限にするために、いくつかの境界層ターボ機械は、ハウジング内に設けられたくぼみ（dimple）又はスペーサとして機能する通しボルトなどの特徴部を備えている。更に、典型的な境界層ターボ機械の効率は、制限されることがある。そのため、境界層ターボ機械のデザインに対する改良の模索が続いている。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書では、隣接するディスク間の接触及び／又はハウジングとの接触を引き起こす傾向のあるディスクの撓みを最小限にする又はなくすことができる境界層ターボ機械が開示されている。一態様では、本明細書中で開示された原理によれば、境界層ターボ機械の効率も向上する。境界層ターボ機械は、内部空間を定義し、かつ、ハウジングを通る流体の移動を容易にするための入口開口及び出口開口を有するハウジングを含んでもよい。境界層ターボ機械はまた、ロータチャンバ内に配設され、かつ、回転軸を中心に回転するように構成されたロータ組立体を含んでもよい。ロータ組立体は、回転軸に沿って隔置され、かつ、回転軸に沿って内部開口を定義する複数のディスクを有し得る。流体がハウジングを通って移動するとき、流体はディスク間の間隙及び内部開口を通過し得る。ロータ組立体はまた、複数のディスクに連結された基部を含み得る。基部は、少なくとも部分的にハウジング内に配設され得る。また、この基部は、ロータ組立体をハウジングに連結しやすくし得る。
【０００６】
一態様では、境界層ターボ機械用のロータ組立体が開示されている。ロータ組立体は、回転軸に沿って隔置され、かつ、回転軸に沿って内部開口を定義する複数のディスクを含んでもよく、流体がロータ組立体を通って移動するとき、流体はディスク間の間隙及び内部開口を通過し得る。ロータ組立体はまた、複数のディスクに連結され、ロータ組立体を境界層ターボ機械のハウジングに連結しやすくする基部を含み得る。
【０００７】
このように、以降の詳細な説明が一層理解され得るように、かつ、当技術分野へのこの貢献が一層評価され得るように、本発明のより重要な特徴を幾分大まかに略述した。本発明の他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲と合わせた、以下の本発明の詳細な説明により明確となるか、又は本発明の実施により教示され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の例による境界層ターボ機械の斜視図である。
【図２Ａ】図１の境界層ターボ機械の分解組立図である。
【図２Ｂ】図１の境界層ターボ機械の分解組立図である。
【図３Ａ】ハウジング部間で切断し、ロータ組立体を省略した、図１の境界層ターボ機械の断面図である。
【図３Ｂ】ハウジング部間で切断し、ロータ組立体を示す、図１の境界層ターボ機械の断面図である。
【図４】本開示の例によるロータ組立体のディスクの側面図である。
【図５】本開示の例による、先細り領域を有するロータ組立体のディスク端部の詳細図である。
【図６】本開示の例によるロータ組立体の部分的な断面図である。
【図７】本開示の別の例によるロータ組立体の部分的な断面図であり、内部開口内の任意的な螺旋状バッフルを示す。
【図８Ａ】本開示の例による、境界層ターボ機械の内部空間内の流体量を示すコンピュータモデルを示す。
【図８Ｂ】本開示の例による、境界層ターボ機械の内部空間内の流体量を示すコンピュータモデルを示す。
【図９Ａ】本開示の別の例による境界層ターボ機械を示す。
【図９Ｂ】本開示の別の例による境界層ターボ機械を示す。
【図１０Ａ】図９Ａ及び図９Ｂの境界層ターボ機械のロータ組立体を示す。
【図１０Ｂ】図９Ａ及び図９Ｂの境界層ターボ機械のロータ組立体を示す。
【図１１】本開示の別の例による境界層ターボ機械のロータ組立体を示す。
【図１２】本開示の別の例による境界層ターボ機械の斜視図である。
【図１３Ａ】図１２の境界層ターボ機械の部分的な分解斜視図である。
【図１３Ｂ】図１２の境界層ターボ機械の部分的な分解斜視図である。
【図１４Ａ】回転軸に平行な、図１２の境界層ターボ機械の断面図である。
【図１４Ｂ】ロータ組立体が省略された、図１２の境界層ターボ機械の断面図である。
【図１５】回転軸に垂直な、図１２の境界層ターボ機械の断面図である。
【図１６】図１５の境界層ターボ機械の断面図の詳細である。
【図１７】図１２の境界層ターボ機械のロータ組立体の斜視図である。
【図１８】図１２の境界層ターボ機械のロータ組立体のディスク及びスペーサを示す。
【図１９】本開示の別の例による、境界層ターボ機械の斜視図である。
【図２０】図１９の境界層ターボ機械の断面図である。
【図２１Ａ】本開示の例による、ポンプとして構成された境界層ターボ機械の概略図である。
【図２１Ｂ】本開示の例による、真空ポンプとして構成された境界層ターボ機械の概略図である。
【図２１Ｃ】本開示の例による、ファン又はブロワとして構成された境界層ターボ機械の概略図である。
【図２１Ｄ】本開示の例による、インラインポンプとして構成された境界層ターボ機械の概略図である。
【図２１Ｅ】本開示の例による、船用モータとして構成された境界層ターボ機械の概略図である。
【図２１Ｆ】本開示の例による、スラスタとして構成された境界層ターボ機械の概略図である。
【図２２Ａ】本開示のいくつかの例による、流体の流れにさらされる表面のための抵抗低減構造を示す。
【図２２Ｂ】本開示のいくつかの例による、流体の流れにさらされる表面のための抵抗低減構造を示す。
【図２２Ｃ】本開示のいくつかの例による、流体の流れにさらされる表面のための抵抗低減構造を示す。
【０００９】
これらの図面は本発明の種々の態様を示すために提供され、特許請求の範囲により別段に制限されない限り、寸法、材料、構成、配置、又は比率の観点から、範囲を制限することを意図するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
これらの代表的実施形態は、当業者による本発明の実施を可能にするよう十分詳細に記載されてはいるが、他の実施形態も実現され得ること、並びに本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明に対する種々の変更をなし得ることは理解されるべきである。したがって、本発明の実施形態についての以下のより詳細な記載は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定することを意図するものではないが、限定ではなく例示のみを目的として、本発明の特徴及び特性を記載し、本発明の操作の最良の形態を説明し、かつ当業者による本発明の実施を十分に可能にするために、提示される。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって規定されるものとする。
（定義）
【００１１】
本発明を説明し、特許請求する際に、以下の用語を使用する。
【００１２】
単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その内容について別段の明確な指示がない限り、複数の指示対象を含む。したがって、例えば「ディスク（a disk）」への言及は、１つ以上のかかるディスクへの言及を含み、また「スペーサ（the spacer）」への言及は、１つ以上のかかるスペーサを指す。
【００１３】
特定の性質又は状況に関して本明細書で使用する場合、「実質的に」とは、ばらつきが、特定の性質又は状況から測定され得る程に外れるようなものではなく、十分わずかなものであることを意味する。許容され得るばらつきの正確な程度は、場合によっては具体的な文脈に依存し得る。
【００１４】
本明細書で使用する場合、「隣接する」とは、２つの構造又は要素の近接性を意味する。特に、「隣接」していると特定される要素は、当接していても又は接続していてもよい。かかる要素はまた、必ずしも互いが接触する必要なく、互いに近傍にあって（near）も、接近して（close to）いてもよい。近接性の正確な程度は、場合によっては具体的な文脈に依存し得る。
【００１５】
本明細書中で使用するとき、「境界層厚さ」とは、粘性流れ速度が自由流速度の９９％である固体表面からの距離を指す。ほとんどの場合、ターボ機械は、実質的に薄層条件下で動作する。ただし、この装置は、乱流条件下でも機能し得る。
【００１６】
本明細書で使用する場合、複数の項目、構造要素、構成要素、及び／又は材料は、便宜上、共通の一覧で示され得る。しかしながら、これらの一覧は、あたかも一覧の各要素が、別個の独自の要素として個々に認識されるように解釈されるべきである。したがって、かかる一覧の個々の要素は、別途記載のない限り、共通の群の中でのこれらの提示のみに基づき、同じ一覧の任意の他の要素の事実上の均等物として解釈されるべきでない。
【００１７】
本明細書で使用する場合、用語「のうちの少なくとも１つ」は、「１つ以上の」と同義語であることを意図される。例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」は明示的に、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、又はそれぞれの組み合わせを含む。
【００１８】
数値データは、本明細書中では範囲形式で提示され得る。かかる範囲の形式は単に、便宜上及び簡潔性のために用いられることを理解されたく、かつ、範囲の限定として明示的に列挙される数値を含むだけでなく、あたかも各数値及び部分範囲が明示的に列挙されているかのように、その範囲内に包含されている個々の数値又は部分範囲全ても含むと柔軟に解釈されるべきである。例えば、約１〜約４．５の数的範囲は、１〜約４．５の明示的に列挙された限界だけでなく、２、３、４等の個々の数字、及び１〜３、２〜４等の副範囲も含むと解釈されるべきである。同じ原理は、「約４．５未満」等の１つの数的値のみを列挙する範囲に適用され、これは、上で列挙される値及び範囲の全てを含むと解釈されるべきである。更に、記載されている範囲の幅又は特性に関係なく、かかる解釈を適用するべきである。
【００１９】
任意の方法又はプロセスの請求項で列挙した任意の工程は、任意の順序で実行してよく、特許請求の範囲に提示される順序に限定されるべきでない。ミーンズ・プラス・ファンクション又はステップ・プラス・ファンクションの限定は、特定の請求項の限定に対し、以下の条件の全て：ａ）「〜のための手段（means for）」又は「〜のための工程（step for）」が明示的に列挙され、かつｂ）対応する機能が明示的に列挙される場合にのみ、用いられるであろう。ミーンズ・プラス・ファンクションを支える構造、材料又は動作は、本明細書における説明で明示的に列挙される。したがって、本発明の範囲は、単に本明細書で与えられる説明及び実施例ではなく、添付の特許請求の範囲及びこれらの法的均等物によってのみ決定されるべきである。
（境界層ターボ機械）
【００２０】
図１を参照して、本開示の例による境界層ターボ機械１００を説明する。図２Ａ及び図２Ｂに、境界層ターボ機械１００の分解組立図を更なる参照のために示す。境界層ターボ機械は、相補的ハウジング部１１１ａおよび１１１ｂを含み得るハウジング１１０を含んでもよい。ハウジングはまた、ハウジングを通る流体（すなわち、ガス及び／又は液体）の移動を容易にする入口開口１１２及び出口開口１１３を含み得る。出口開口１１３は、ロータ組立体１２０の回転軸１０１に又はその近くに配置され得る。一方で、入口開口１１２は、ハウジング１１０上に、回転軸１０１から径方向外側に配置され得る。参照番号１１２及び１１３によってそれぞれハウジング１１０の入口開口及び出口開口が示されるが、いくつかの実施形態では、境界層ターボ機械の動作によっては、開口１１３が入口開口であってもよく開口１１２が出口開口であってもよいことが理解されるべきである。一態様では、境界層ターボ機械は、流体の流れが常に同じ入口開口を介してハウジングに入り、常に同じ出口開口を介してハウジングを出る「方向性」として設計及び動作可能である。別の態様では、境界層ターボ機械は、流体の流れが開口１１２及び１１３のうちのいずれか一方を介してハウジングに入り、他方の開口を介してハウジングを出るように切り替えて、正方向及び逆方向の流体の流れが得られる「二方向性」として設計及び動作可能である。更に、ハウジングは、開口１１３と類似の入口及び／又は出口としても機能し得る開口１１４（図２Ｂ）を含み得る。開口１１３及び１１４の両方が使用されている場合、これらは典型的には同じ機能を有することとなる。このように、開口１１２は入口開口として機能することができ、開口１１３及び／又は開口１１４は出口開口として機能することができる。反対に、開口１１３及び／又は開口１１４は入口開口として機能することができ、開口１１２は出口開口として機能することができる。いくつかの実施形態では、入口開口及び／又は出口開口として機能し得る複数の開口が、開口１１２と同様、ハウジング１１０上に、回転軸から径方向外側に配置され得る。
【００２１】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ハウジング１１０は、ロータ組立体１２０を収容する内部空間１１５を定義することができる。ロータ組立体は、回転軸１０１を中心に回転するように構成することができる。ロータ組立体は、回転軸に沿って隔置された複数のディスク１２１を有し得る。一態様では、ディスクは実質的に平面状であり、回転軸に垂直となる向きになっていてもよい。ただし、任意の好適なディスク構成（例えば、円錐状のディスク構成）を用いることができる。例えば、非平面状のディスクを入れ子状にして、本明細書中に記載された原理を用いてロータ組立体を形成してもよい。それとは関係なく、ディスクは、全体にわたって互いに実質的に平行であり得る。更に、（例えば、パワー要件に応じて）任意の好適な数のディスクを用いることができる。後で詳述するように、複数のディスク１２１は、回転軸に沿って内部開口（複数のディスク１２１の内側で、図では隠れている）を定義し得る。したがって、流体が入口開口１１２から出口開口１１３及び／又は１１４へとハウジングを通って移動するとき、流体はディスク間の間隙及び内部開口を通過し得る。
【００２２】
ロータ組立体１２０はまた、ロータ組立体をハウジング１１０に連結し、かつ、回転軸１０１を中心とするロータ組立体の回転を容易にする延長部材１２２ａ及び１２２ｂを含み得る。例えば、延長部材１２２ａ及び１２２ｂは、互いに対向し、かつ、実質的に一直線に並んでいる複数のディスク１２１に取り付けることができ、それによって、軸１０１を中心とするロータ組立体の回転を容易にし得る。延長部材１２２ａ及び１２２ｂの複数のディスク１２１への取り付けは、接着剤、留め具、又は他の任意の好適な物質又は装置を用いて行うことができる。例えば、延長部材は、複数のディスクに接続し、かつ、ディスクへの連結を容易にするフランジ１２３ａ及び１２３ｂを含み得る。延長部材１２２ａ及び１２２ｂは、ハウジング１１０への連結時にベアリング上に取り付けることができ、それによって、低摩擦の回転界面を提供し得る。一代替例では、ベアリングはブラシベアリングシールであり得る。一態様では、延長部材１２２ａ及び１２２ｂは、複数のディスク１２１によって形成された内部開口と流体連通して延長部材を通って延伸するベントポート１２５ａ及び１２５ｂを含み得る。そのため、流体は、それぞれハウジング開口１１３及び１１４を通って延伸する延長部材のベントポート１２５ａ及び１２５ｂを介してハウジングに出入りすることができる。
【００２３】
境界層ターボ機械１００の種々の構成部品は、任意の好適な材料で構成することができる。しかし、一態様では、ロータ組立体１２０（すなわち、複数のディスク１２１、延長部材１２２ａ及び／又は延長部材１２２ｂ）及び／又はハウジング１１０（すなわち、ハウジング部１１１ａ及び／又はハウジング部１１１ｂ）は、その全体又は一部が、炭素繊維複合材（例えば、東レＴ８００Ｓ）、バサルト繊維複合材、又は他の任意の好適な軽量構造材などの複合材料でできていることがある。一例では、複数のディスクは、織成繊維複合材料（例えば、縦糸／横糸）で形成され得る。一例では、織成繊維材料は、バサルト繊維材料であり得る（例えば、市販の１５５８２／５０材料を使用することができるが、これに限定されない）。一般的なガイドラインとして、ロータ組立体１２０は、低い質量対表面積比を提供するように設計され得る。典型的には、ロータ組立体において十分な強度が維持されていれば、低い質量対表面積比によって、性能が向上する。いくつかの場合では、ロータ組立体１２０は、損傷又は摩耗したロータ組立体の代替品としての完成ユニットとして提供され得る。
【００２４】
一態様では、延長部材１２２ａ及び１２２ｂによって、ロータ組立体１２０のジェネレータ又はモータへの連結が容易になり得る。例えば、延長部材１２２ａ及び１２２ｂは、ジェネレータシャフト又はモータシャフトに接続し、かつ、例えば留め具などを用いることによってロータ組立体１２０のジェネレータ又はモ−タへの連結を容易にするフランジ１２４ａ及び１２４ｂを含み得る。ジェネレータ（例えば、発電機又はポンプ）は、ロータ組立体１２０に連結することができ、流体がハウジング１１０を通って移動すると、ジェネレータはパワーを発生し得る。モータは、ロータ組立体１２０に連結することができ、ロータ組立体を回転させる。それによって、流体をハウジング１１０を通って移動させ、境界層ターボ機械１００をポンプとして用いる。よって、延長部材１２２ａ及び１２２ｂは、ジェネレータ又はモータなどの外部装置にロータ組立体１２０を連結させる機械的伝達部として機能し得る。任意の好適なジェネレータ又はモータを、境界層ターボ機械１００と共に用いることができる。一態様では、各ハウジング部１１１ａ及び１１１ｂをジェネレータ又はモータに連結することができる。例えば、ハウジング部１１１ａ及び１１１ｂはそれぞれ、ジェネレータ又はモータに接続し、かつ、留め具や溶接などを用いることによってハウジング１１０のジェネレータ又はモータへの連結を容易にする取り付け特徴部１１６ａ及び１１６ｂを含み得る。一態様では、取り付け特徴部１１６ａ及び１１６ｂは少なくとも延長部材１２２ａ及び１２２ｂまで延伸することがあり、それによって、延長部材１２２ａ及び１２２ｂによって干渉されることなくハウジング１１０をジェネレータ又はモータに直接接続しやすくし得る。また、境界層ターボ機械１００は、任意の好適な向き（例えば、垂直又は水平）の回転軸１０１を用いて動作し得る。
【００２５】
ジェネレータ付きの境界層ターボ機械１００を使用する場合、境界層ターボ機械は、ボイラーからの廃熱を捕捉すること、マフラーの交換により液体燃料ジェネレータの排気流に水を直接注入すること、又は燃焼器から自身の熱容量を発生させることなどの、数多くの異なる源からの蒸気を動力としてもよい。これらの構成はそれぞれ、同一の構成部品（例えば、給水タンク、ポンプ、センサ、コンピュータ、及びその他の電子構成部品）を多数用いてもよい。そのため、水は蒸気として境界層ターボ機械１００に入って液体として出ることがあるが、境界層ターボ機械の構成部品が炭素繊維複合材で構成されている場合は、材料及び樹脂の特性によって決定され得る広範囲の圧力及び温度内の任意の流体を用いることができる。
【００２６】
一態様では、境界層ターボ機械１００は、隔壁１３０を含み得る。図３Ａ及び図３Ｂにより明確に示すように、隔壁１３０は、内部空間１１５を、外側チャンバ１１６と外側チャンバの径方向内側に位置するロータチャンバ１１７とに円周方向に分割し得る。外側チャンバ１１６は、内部空間１１５の半径１０３の８０〜９５％の内側径方向寸法１０２を概して有する環状体積であり得る。図３Ｂに示すように、ロータ組立体１２０は、ロータチャンバ１１７内に配設され得る。ロータ組立体の外側縁は、隔壁部材１３２の内側縁から、径方向のロータ間隙の距離だけ離間され得る。径方向ロータ間隙は、概して、内側縁に対して測定されたロータチャンバ半径の８５〜９５％であり得る。一態様では、径方向間隙距離は、流体の境界層厚さの３〜８倍に等しいことがある。ロータディスク１２１に用いられる材料の多くが剛性を有しているにも関わらず、動作中の関連するスピンレートによって、１％〜５％の径方向の伸張がしばしば生じ得る。ロータ間隙はサイズによって異なり得るが、静止状態で１ｍｍ〜２ｃｍであることが多い。したがって、ロータ間隙は、このようなディスクの伸びを収容するように設計され得る。特に、動作速度は大幅に変化し得る。しかし、多くの場合、ロータ組立体は、５，０００ｒｐｍ〜１００，０００ｒｐｍの速度で動作し得る。
【００２７】
隔壁１３０は、外側チャンバ１１６とロータチャンバ１１７との間を隔壁を通って流体が移動可能となる隔壁開口１３１を有し得る。一態様では、開口１１２は、開口１１２が入口開口である場合に外側チャンバが流体用の膨張チャンバとして機能するように、外側チャンバ１１６に関連付けられていることがある。典型的には、入口もまた、膨張チャンバ内で接線流を生じさせる向きであり得るが、必須ではない。隔壁開口１３１は、隔壁１３０の周りに円周方向に（例えば、等間隔に）隔置され得る。それによって、流体を、外側チャンバ１１６からロータチャンバ１１７内に移動させることができ、ひいてはディスクの外側縁の周りの複数位置においてロータ組立体１２０のディスク間の間隙に移動させることができる。外側チャンバ１１６からロータ組立体１２０のディスクへの複数のアクセスポートを提供するこの構成によって、特に隔壁開口１３１が互いに等間隔に隔置されている場合にターボ機械の効率を向上させることができる。一態様では、隔壁開口１３１は、２つ以上の隔壁部材１３２によって定義され得る、あるいは、１つの隔壁部材に形成され得る。図３Ｂに示すように、隔壁部材１３２は、ロータ組立体１２０のディスクを収容するように（すなわち、ディスクの外径より大きくなるように）サイズ決めされた内径を有する環状構成に配置され得る。隔壁１３０（すなわち、隔壁部材１３２）は、適所に固定された個別の構成部品であり得る。あるいは、ハウジング部１１１ａなどのハウジングと一体的に形成され得る。図３Ａ及び図３Ｂに示す実施形態では、図示された隔壁部材１３２は、対向するハウジング部１１１ｂに固定された隔壁部材の相補的セットに対する、隔壁１３０の２分の１であるにすぎない。代替的には、隔壁は、１セットの隔壁部材として形成され得る。それによって、相補的隔壁部材の位置合わせ不良が回避される。
【００２８】
一態様では、隔壁開口１３１は、ベンチュリ構成を内包し得る。本明細書中で使用するとき、「ベンチュリ」という用語は、概して、隣接する隔壁部材１３２の２つの隔置された相補的表面１３３及び１３４によって形成された隔壁開口１３１によって、隔壁開口を通過する流体の速度を増大させつつ、同時に、ベンチュリ効果に似た効果を生じさせる著しく低減された圧力をもたらす集束及び／又は発散を行う構造を定義する。任意の好適なベンチュリ構造を用いることができる。一態様では、隔壁開口１３１は、少なくとも部分的に平面状の表面１３３に対して２５〜５５°の噴射角１０４を有し得る。いくつかの場合では、噴射角１０４は３０〜５０°の範囲内であり得、特定の一例では４１．５°である。代替的には、噴射角１０４は３５〜６５°の範囲内であり得、いくつかの場合では４０〜６０°であり、特定の一例では５１．４°である。別の態様では、隔壁開口１３１は５ｍｍ〜５ｃｍの径方向寸法１０５を有し得る。更に別の態様では、隔壁開口１３１は、５ｍｍ〜５ｃｍの外側円周方向寸法１０６と、１ｃｍ〜１０ｃｍの内側円周方向寸法１０７とを有し得る。角度１０４、径方向寸法１０５、外側円周方向寸法１０６、及び内側円周方向寸法１０７は、ターボ機械の流体タイプ、サイズ、及び用途によって変わることがある。
【００２９】
一態様では、隔壁開口１３１は使用中に再構成されて、ハウジングを通る流体の二方向性の流れを促進し得る。例えば、隔壁開口１３１の構成（すなわち、角度１０４、径方向寸法１０５、外側円周方向寸法１０６、及び／又は内側円周方向寸法１０７）は、１つ以上のスイッチによって動作可能なモータを介して、１つ以上の隔壁部材１３２を操作することによって制御することができ、それによって、隔壁開口を通る二方向の好適な流れ特性を得ることができる。
【００３０】
一実施形態では、外側チャンバ１１６（すなわち、いくつかの実施形態における膨張チャンバ）は、例えば、回転軸１０１を中心とする全３６０°における寸法的特徴及びジオメトリを維持することによって、一定の又は均一な断面領域を有することができる。特に、この場合の膨張チャンバは、膨張チャンバまで続く入口開口１１２空間を含まない。図示した実施形態では、外側チャンバ１１６は、一定の円筒状肉厚によって外側チャンバ１１６について一様の断面領域を有する円筒状構成を有している。
【００３１】
流体が開口１１２を介してハウジングに入る静的動作状態では、流体は外側チャンバ１１６を周回し、外側チャンバ内で比較的一定の圧力レジームを維持する。流体は隔壁開口１３１を通過してロータチャンバ１１７内に入り、ロータ組立体１２０内の個々のディスク１２１間の空間又は間隙に入る。ディスクの表面に対する接着及び粘着作用によって、流体はディスクを回転させる。ディスクの回転速度が増大すると、ディスク間の流体は、外側チャンバ１１６と隔壁開口１３１との間で維持される遠心力及び圧力差の両方によって作用され、それによって、流体がディスク内に保持される。ディスク間の流体の滞留の増大の結果、流体によって、更なる回転をトルクの形態で与えることによって、継続的なエネルギー伝達及び作用が可能となる。それによって、効率が増大し、ターボ機械はより多くの熱エネルギーを機械的作用に変換させることができる。
【００３２】
一態様では、デブリトラップ１４０を含めることができ、それによって、遠心力によってロータ組立体１２０のディスクの外側縁に飛ばされた重い粒子を集めて放出することができる。例えば、隔壁１３０の一部は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、１つ以上の隔壁部材１３２の内径表面に沿ったチャネル又は溝の形状のデブリトラップ１４０を形成することができる。デブリトラップ１４０によって、粒子を内部空間１１５から開口１４１を介して運ぶことができる。この開口は、図１及び図２Ａに示すように、導管１４３を介して、ハウジング１１０の外側にあるデブリ容器１４２に通じていることがある。図示されたデブリトラップは各端部に開口１４１を備えているが、単一の開口が好適であり得る。デブリ容器１４２の保守及び清掃は、蒸気圧及び重力を用いて容易に行うことができる。そのため、デブリトラップ１４０は、流体から粒子を捕捉して、粒子がターボ機械から排出物として放出されるのを防止することができる。特定の用途では、これによって、典型的な既存の技術に付随する環境に悪い排出物を著しく低減することができる。
【００３３】
一態様では、開口１１２は、流体にとって最適な効率の吸入圧力及び／又は流れパターンを提供する適応性入口ポートとして構成され得る。例えば、図３Ｂに示すように、モジュール式の交換可能な入口フィッティング１１８を任意で使用して、異なる孔又は入口開口のサイズを所望により提供し、流体の吸入圧力及び／又は流れパターンに影響を与えることができる。代替的には、入口マニホルド１４４は、交換可能なインサートを、マニホルドの幅を横切るように備えることができる。
【００３４】
図４は、本開示の例によるロータ組立体で使用され得るディスク２５０を示す。図に示すように、ディスク２５０は複数の流体ガイド２５１を含み得る。流体ガイドは、任意の好適な断面を有し得る。例えば、翼型、楕円形、円形、菱形などが挙げられるが、これらに限定されない。ただし、図に示すような翼型の断面が、特に効果的であり得る。流体ガイド２５１は、ディスク２５０を横切るリング構成２５２ａ、２５２ｂ、及び／又は２５２ｃで配置され得る。一態様では、リング構成は、回転軸２０１を中心とする同心円状の複数のリング２５２ａ〜ｃを含み得る。そのようなリング３個が図示されているが、サイズ及びデザインの動作パラメータに応じて、約３個〜約８個のリングが多くの場合好適であり得る。別の態様では、リング２５２ａ〜ｃの径方向関係は、フィボナッチ比率（１．６１６１８）又は黄金比（１．６１８０３）に対応し得る。それによって、流体がディスク２５０に沿った螺旋状の流路を進むにつれて、流体の効率が最大化され得る。ただし、その他の径方向関係を用いることもできる。例えば、等距離、あるいは１．２〜２の比率が挙げられる。流体が最初に流体ガイド２５１に直面すると、圧力波が形成され、通過の際に低圧渦領域を形成する。これは、既に存在する力（例えば、回転中のロータ組立体に作用する接着力及び粘着力）に加えて、更なる衝撃を（回転中の）ディスクへのエネルギーの機械的伝達の形態で加える。翼型の流体ガイドを用いた場合、所望の動作パラメータに基づいて傾斜角を調整することができる。一般的なガイドラインとして、傾斜角２５３（すなわち、ロータ半径２５４と翼型の中央長手方向軸２５５との間の角度）を約２０°〜約７５°とすることができ、いくつかの場合では３０°〜５５°とすることができる。ディスク２５０上の流体ガイド２５１の数、幾何学的デザイン、及び位置は、ディスクのサイズ、入口の圧力、及びロータ組立体の回転の設計速度に基づいて最適化され得る。一態様では、隔壁開口のベンチュリ構成（図３Ａ及び図３Ｂ参照）によって、同心リング２５２ａ〜ｃ間の流体の流れを制御することができる。ロータ組立体の回転速度が増大するにつれ、流体の流れがディスクの中心に向かって増大する。回転速度が低いと、流体の流れは、ディスクの外側縁に向かう傾向がある。
【００３５】
図５に、本開示の例によるロータ組立体の隣接するディスク３５０ａ及び３５０ｂを、ディスク間の間隙を示す向きで示す。ロータ組立体のディスク３５０ａ及び３５０ｂは、比較的薄い（例えば、約１．４５ｍｍの厚さ３５６）のが典型的であり、ディスク厚さ３５６以下の距離３５８のディスク間の間隙３５７又は空間を有しているのが典型的である。より一般的には、ディスク厚さ３５６は、流体の境界層厚さの約２〜５倍であってもよく、多くの場合３〜５倍であり、最も多くの場合約３倍である。同様に、ディスク３５０ａ及び３５０ｂは、流体の境界層厚さの３倍に等しい距離３５８だけ離間されていてもよいが、境界層厚さの約２〜５倍であってもよく、多くの場合境界層厚さの２〜５倍であり、最も多くの場合境界層厚さの約３倍である。一般的に、ディスク厚さは約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲であり得、いくつかの場合では約０．８ｍｍ〜約２ｍｍの範囲である。一態様では、ディスク３５０ａ及び３５０ｂの外側縁は、小半径の細い縁に向かって角度３５９だけ先細りになり、先細り小域を提供し得る。それによって、乱流を減らし、ロータ組立体に対して流体の流れがスムーズに出入り移動しやすくし得る。
【００３６】
図６は、本開示の例によるロータ組立体４２０の部分的な断面図である。ロータ組立体４２０は、内部開口を通って延伸する回転軸に沿った中央の中空内部開口４２６を定義する複数のディスク４２１（個別にはディスク４５０ａ〜ｎとして示す）を含む。ディスク４５０ａ〜ｎは、隣接するディスク間に配置された複数のスペーサ４５１ａ〜ｎを含んでいる。これらのスペーサによって、ディスクは回転軸に沿って離間され、ディスク間に間隙４５４ａ〜ｍが提供される。したがって、流体がロータ組立体４２０を通って移動するとき、流体はディスク４５０ａ〜ｎ間の間隙４５４ａ〜ｍ及び内部開口４２６を通過し得る。
【００３７】
一態様では、ディスク４５０ａ〜ｎは、例えば接着剤を用いて、複数のスペーサ４５１ａ〜ｎによって互いに永久的に連結され得る。一例では、接着剤は、組立体全体を形成するのに使用される共通の樹脂粘結材である。ディスクをまとめて保持する中実の中央シャフトがないため、この構成は「シャフトレス」と呼ばれることがある。言い換えると、内部開口４２６は、ディスク４５０ａ〜ｎを互いに連結又は固定する及び／又はトルクを伝達する中実構造（例えば、シャフト又は他の同様の構造）の無い、中央の中空空隙である。したがって、複数のディスク４２１の全長に沿った（いくつかの実施形態では、ロータ組立体の全長に沿った）中央の中空内部開口４２６には中実構造は無い。このような構成により、内部開口の両端部から流体が出入りすることになる。
【００３８】
図６に示すように、スペーサ４５１ａ〜ｎはディスク４５０ａ〜ｎと一体的に形成され得る。したがって、このような内蔵型スペーサ４５１ａ〜ｎを用いてディスク４５０ａ〜ｎを互いに連結するので、ディスク組立体を完成させるための他の部品は必要ない。一態様では、スペーサ４５１ａ〜ｎは翼型構成を有していてもよく、そのため、図４を参照して前述したように流体ガイドとしても機能し得る。図６に示すように、ディスク４５０ａ〜ｎの片面は平らであってもよく、反対の面から突出するスペーサを有していてもよい。このスペーサは、前述したように、リング構成で設計又は配置され得る。その結果、スペーサ４５１ａ〜ｎによって、ディスク４５０ａ〜ｎを互いに正確かつ適切に離間することを確実にすることができ、また、隣接するディスクを連結するための複数の幾何学的かつ放射状に配置された連結位置を提供することにより、動作負荷下のロータ組立体４２０構造に剛性を付与することができる。更に、接着剤を用いてスペーサ４５１ａ〜ｎを隣接するディスクに接合することによって、全自由度の固定的取り付け状態が得られる。この状態は、全自由度の固定（ボルトによる連結など）無しのより簡易な取り付け状態と比較して、剛性を増大させるものである。典型的には、ロータ組立体４２０は、０．５ｍｍ〜５ｍｍの間隙距離を有する６０個〜２００個のディスクを含む。ただし、任意の好適な数及び間隔のディスクを用いることができる。ロータ組立体内のディスクの数は変わることがあるが、一般的なガイドラインとして、５０〜５００個のディスク、いくつかの場合では７５〜２００個のディスクが含まれ得る。いくつかの実施形態では、同一のディスクを用いてロータ組立体４２０全体（外側端ディスクを含む）を構成することができ、それによって構成を単純化することができる。他の実施形態では、異なる構成のディスク（例えば、異なるスペーサ／流体ガイド構成を有するディスク）をロータ組立体内に組み込むことができる。一例では、「滑らか」なディスクを用いて、ロータ組立体のディスクの端部を「キャップ」することができる。それによって、ロータ組立体の反対側の端部において滑らかな露出ディスク面を提供することができる。代替的には、ディスク束の外側プレートに穴を設けて、凝縮された水をシャフトへと自由に逃がすことができる（さもなければ、水による破断（water break）として作用することがある）。
【００３９】
ディスク及び装置の他の部分は、概して、好適な機械的強度及び剛性を有する任意の材料で形成され得る。非限定的な例として、ディスクは、軽量の合成材料、金属合金、セラミックなどで形成され得る。軽量の合成材料としては、炭素繊維、バサルト繊維、繊維ガラスなどが挙げられるが、これらに限定されない。このような繊維系材料を織り込むことによっても、動作中の過度の伸張に対する剛性を向上させることができる。好適な金属の非限定的な例としては、チタン、タングステン、マグネシウム合金、アルミニウム、スチール、タンタル、バナジウム、これらの合金、これらの複合材料などが挙げられる。セラミック及び好適な超硬質材料としては、炭化物、窒化物、多結晶ダイヤモンド（polycrystalline diamond（ＰＣＤ）及びＣＶＤ）などが挙げられるが、これらに限定されない。ディスクは、構成上モノリシックであってもよい、あるいは、コーティングされていてもよい（例えば、セラミック又はＰＣＤによる外側コーティングを施したメタルコア）。一態様では、ロータ組立体のディスクは軽量の合成材料（例えば、炭素繊維及び／又はバサルト繊維）で構成され得る。それによって、本開示のターボ機械とは異なり運動量を保存する「フライホイール」効果に大いに依存する典型的なデザインと比較して、低質量の高表面積を提供することができる。
【００４０】
図７は、本開示の別の例によるロータ組立体５２０の部分的な断面図である。図６と同様に、ロータ組立体５２０は、内部開口を通って延伸する回転軸に沿った中央の中空内部開口５２６を定義する複数のディスク５２１を含む。したがって、隣接するディスク間の間隙を通って移動する流体は、この間隙から直接内部開口５２６に自由に出入りすることができる。しかし、この場合、内部開口５２６は、ロータ組立体５２０を通る流体の方向性の流れ又は移動を容易にして、ロータ組立体から流体を放出する螺旋状バッフル５２７によっても、少なくとも部分的に定義されている。いくつかの実施形態では、螺旋状バッフル５２７は、ディスクを組み立てたとき隣接するディスク間のバッフルにおいて間隙を有するバッフルが形成されるように、各ディスク上の特徴部又は突起によって形成することができる。他の実施形態では、螺旋状バッフル５２７はディスク組立体に追加された別個の構成部品であってもよく、バッフルが隣接するディスク間の間隙を横切って延伸するようになっている。
【００４１】
延長部材５２２もまた、複数のディスク５２１に取り付けられているものとして図示されている。延長部材５２２の複数のディスク５２１への取り付けは、接着剤、留め具、又は他の任意の好適な物質又は装置を用いて行うことができる。例えば、延長部材５２２は、複数のディスク５２１に接続し、かつ、ディスクへの連結を容易にするフランジ５２３を含み得る。延長部材５２２はまた、回転軸に沿った向きのベントポート５２５を含む。ベントポート５２５は、複数のディスクによって形成された内部開口５２６と流体連通して、延長部材５２５を通って延伸していてもよく、それによって、内部開口の延長部を効果的に形成している。ベントポート５２５の径は内部開口５２６の径とは異なるように描かれている。しかし、ベントポートと内部開口とは実質的に同じ径を有することができ、それによって内部開口とベントポートとの間で制限されない流体の流れを促進し得ることが理解されるべきである。
【００４２】
螺旋状バッフルは、任意で、延長部材５２２を横切って延伸する。一態様では、ベントポート５２５は螺旋状バッフル５２８によって少なくとも部分的に定義されてもよく、それによって、ベントポート５２５を通る流体の移動を容易にし得る。内部開口５２６の螺旋状バッフル５２７と同様に、螺旋状バッフル５２８は、基体に一体的に形成された突出した内側表面特徴部であってもよく、あるいは、別個の構成部品として含まれていてもよい。螺旋状バッフル５２７及び５２８は、内部開口５２６及びベントポート５２５を通る連続的なものであってもよく、各バッフルの接続端部同士が整列してロータ組立体５２０を通る流体の流れ又は移動を維持して、流体をロータ組立体から放出し得る。内部開口５２６及びベントポート５２５は螺旋状バッフル５２７及び５２８を有するように描かれているが、内部開口及びベントポートは滑らかで特徴部のない境界を有することができ、それによってロータ組立体５２０の構成を簡易なものとし得ることが理解されるべきである。
【００４３】
図８Ａ及び図８Ｂは、本開示の例による、境界層ターボ機械の内部空間内の流体量を示すコンピュータモデルを示す。これらの図によって、入口開口、外側チャンバ、隔壁開口、ロータチャンバ、内部開口、及びベントポート内の流体を示す。
【００４４】
図９Ａ及び図９Ｂを参照して、本開示の別の例による境界層ターボ機械６００を説明する。境界層ターボ機械は、ハウジング６１０を含み得る。ハウジングは、開口６１２及び６１３を有し得る。これらの開口は、境界層ターボ機械の動作に基づいて入口開口又は出口開口として機能し得る。それによって、入口／出口の流れ方向６０８及び６０９によって示すようなハウジングを通る流体（すなわち、ガス及び／又は液体）の移動を容易にし得る。開口６１３は、ロータ組立体６２０の回転軸上に又はその周りに配置され得る。一方で、開口６１２は、ハウジング６１０上に、回転軸から径方向外側に配置され得る。隔壁部材は明示されていないが、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したように、ロータ組立体６２０とハウジング６１０の内側表面との間で円周方向を向いている。図１０Ａ及び図１０Ｂに、ハウジング６１０から分離されたロータ組立体６２０の図を更なる参照のために示す。一態様では、境界層ターボ機械は、流体の流れが常に同じ入口開口を介してハウジングに入り、常に同じ出口開口を介してハウジングを出る「方向性」として設計及び動作可能である。別の態様では、境界層ターボ機械は、流体の流れが開口６１２及び６１３のうちのいずれか一方を介してハウジングに入り、他方の開口を介してハウジングを出るように切り替えて、正方向及び逆方向の流体の流れが得られる「二方向性」として設計及び動作可能である。いくつかの実施形態では、入口開口及び／又は出口開口として機能し得る複数の開口６１２は、ハウジング６１０上に、回転軸から径方向外側に配置され得る。このため、任意の好適な数の開口６１２を含むことができ、この開口は、開口マニホルド６４４又は導管によって形成することができる。
【００４５】
ハウジング６１０は、ロータ組立体６２０を収容する内部空間６１５を定義することができる。ロータ組立体は、回転軸を中心に回転するように構成することができる。ロータ組立体は、回転軸に沿って隔置され、かつ、前述のように、回転軸に沿って内部開口６２６を定義する複数のディスク６２１を有し得る。したがって、流体が開口６１２と開口６１３との間をハウジングを通って移動するとき、流体はディスク間の間隙及び内部開口を通過することができる。
【００４６】
ロータ組立体６２０はまた、複数のディスク６２１に連結された延長部材６２２を含んでもよい。一態様では、延長部材６２２は、複数のディスク６２１によって形成された内部開口６２６と流体連通して、延長部材を通って延伸するベントポート６２５を含み得る。そのため、流体は、ハウジング開口６１３を通って延伸し得る、延長部材のベントポート６２５を介してハウジングに出入りすることができる。
【００４７】
更に、ロータ組立体６２０は、複数のディスク６２１に連結された取り付けプレート６６０を含み得る。延長部材６２２及び取り付けプレート６６０の複数のディスク６２１への取り付けは、接着剤、留め具、又は他の任意の好適な物質又は装置を用いて行うことができる。取り付けプレート６６０は、内部開口６２６を通過する流体に対する障壁を形成し得る。これにより、流体は、内部開口６２６を通過するときに、ベントポート６２５及びディスク間の間隙のうちのいずれか一方を通らなければならなくなる。
【００４８】
ロータ組立体６２０は、接続部材６６２を介して取り付けプレート６６０に連結された基部６６４を更に含み得る。基部６６４は、ハウジング６１０の内部空間６１５内に少なくとも部分的に配設され得る。一態様では、基部６６４を用いてロータ組立体６２０をハウジング６１０に連結して、回転軸６０１を中心とするロータ組立体の回転を容易にすることができる。基部６６４は、ハウジング６１０への連結時にベアリング上に取り付けることができ、それによって、低摩擦の回転界面を提供し得る。一態様では、境界層ターボ機械６００は、所望の結果を得るためにハウジング６１０及びロータ組立体６２０が類似の構成部品と置き換え可能なモジュール式として構成することができる。したがって、基部６６４は、所与のロータ組立体に含まれ得る任意の好適な数のディスクを収容するために、回転軸に沿って「浮く（float）」ように構成することができる。いくつかの実施形態では、ロータ組立体の一貫したスタック高さを維持するためにディスクの数を変えて、基部６６４のサイズを調整することができる。ただし、これは必須ではない。ハウジング６１０は、位置６２８にて複数のディスクに近接して配置されるように構成されたショルダー６１９を含み得る。ショルダー６１９は、内部空間６１５内の複数のディスク６２１から径方向外側の領域を少なくとも部分的に定義し、それによって、複数のディスク６２１内の間隙に向かう又はその間隙からのハウジング６１０を通る通過流体を促進し得る。
【００４９】
一態様では、基部６６４及び／又は延長部材６２２によって、ロータ組立体６２０のジェネレータ、モータ、ドライブシャフトなどへの連結が容易になり得る。ジェネレータ（例えば、発電機又はポンプ）を基部６６４などを介してロータ組立体６２０に連結することにより、流体がハウジング６１０を通って移動するときにパワーを発生させることができる。同様に、モータは、ロータ組立体６２０に連結することができ、ロータ組立体を回転させることができる。それによって、ハウジング６１０を通って流体が移動し、境界層ターボ機械６００はポンプとして使用される。よって、基部６６４及び／又は延長部材６２２は、ジェネレータ又はモータなどの外部装置にロータ組立体６２０を連結させる機械的伝達部として機能し得る。任意の好適なジェネレータ又はモータを、境界層ターボ機械６００と共に用いることができる。また、境界層ターボ機械６００は、任意の好適な向き（例えば、垂直又は水平）の回転軸を用いて動作し得る。
【００５０】
境界層ターボ機械６００の種々の構成部品は、任意の好適な材料で構成することができる。しかし、一態様では、ロータ組立体６２０（すなわち、複数のディスク６２１、基部６６４、接続部材６６２、及び／又は延長部材６２２）及び／又はハウジング６１０は、その全体又は一部が、炭素繊維複合材（例えば、東レＴ８００Ｓ）又は他の任意の好適な軽量構造材でできていることがある。一般的なガイドラインとして、ロータ組立体６２０は、低い質量対体積率を提供するように設計され得る。いくつかの場合では、ロータ組立体６２０は、損傷又は摩耗したロータ組立体の代替品としての完成ユニットとして提供され得る。
【００５１】
図１１は、本開示の別の例によるロータ組立体７２０を示す。前述したロータ組立体６２０と同様に、ロータ組立体７２０は、複数のディスク７２１に連結された取り付けプレート７６０と、基部７６４と、接続部材７６２とを含んでいる。しかし、この場合、基部７６４は、接続部材７６２を介して取り付けプレート７６０に連結されるモータ７７０を収容するように構成された開口７６６を含んでいる。基部７６４は開口７６８を有していてもよく、この開口を通って接続部材７６２が延伸し得る。このように、本実施形態では、基部７６４はハウジング及びモータ７７０に対して固定され得る。一方で、接続部材７６２は、複数のディスク７２１の回転を生じさせる、モータからのドライブシャフトとして機能する。
【００５２】
図１２を参照して、本開示の別の例による境界層ターボ機械８００を説明する。図１３Ａ及び図１３Ｂは境界層ターボ機械８００の部分的な分解組立図であり、図１４Ａ及び図１５は境界層ターボ機械８００の断面図を更なる参照のために示す。本明細書中に開示された他の例と同様に、境界層ターボ機械８００は、ロータ組立体８２０のディスク８２１を取り囲む又は包囲するために、任意の数の又は構成のハウジング部を含み得るハウジング８１０を含んでいてもよい（図１４Ａ）。ロータ組立体８２０の無いハウジング８１０の断面を図１４Ｂに示し、分離されたロータ組立体８２０を更なる参照のために図１７に示す。
【００５３】
ハウジング８１０は、ハウジングを通る流体（すなわち、ガス及び／又は液体）の移動を容易にする開口８１２〜８１４を有し得る。開口８１３及び８１４は、ロータ組立体８２０の回転軸８０１に又はその近くに配置され得る。一方で、開口８１２は、ハウジング８１０上に、回転軸８０１から径方向外側に配置され得る。開口８１２〜８１４は、ハウジング８１０を通る流体の方向に応じて、入口開口又は出口開口として機能し得る。例えば、開口８１２は入口開口として機能し得る。さらに、開口８１３及び／又は開口８１４は出口開口として機能し得る。反対に、開口８１３及び／又は開口８１４は入口開口として機能し得る。さらに、開口８１２は出口開口として機能し得る。境界層ターボ機械８００は、流体の流れが常に同じ入口開口を介してハウジング８１０に入り、常に同じ出口開口を介してハウジングを出る「方向性」として設計及び動作可能である。あるいは、境界層ターボ機械は、流体の流れが開口８１２並びに開口８１３及び８１４のうちのいずれか一方を介してハウジングに入り、他方の開口（複数可）を介してハウジングを出るように切り替えて、正方向及び逆方向の流体の流れが得られる「二方向性」として設計及び動作可能である。いくつかの実施形態では、入口開口及び／又は出口開口として機能し得る複数の開口が、開口８１２と同様、ハウジング８１０上に、回転軸から径方向外側に配置され得る。
【００５４】
本明細書中に開示された他の例と同様、ロータ組立体８２０は、回転軸８０１に沿って隔置され、かつ、回転軸に沿って内部開口８２６を定義し得る複数のディスク８２１を有し得る（図１４Ａ）。したがって、流体がハウジング８１０を通って、例えば開口８１２から開口８１３及び／又は８１４に移動するとき、流体はディスク間の間隙及び内部開口を通過し得る。
【００５５】
図１４Ｂ及び図１５に示すように、ハウジング８１０は、ロータ組立体８２０を収容する内部空間８１５を定義することができる。更に、隔壁８３０は、内部空間８１５を、外側チャンバ８１６と外側チャンバの径方向内側に位置するロータチャンバ８１７とに円周方向に分割し得る。開口８１２が入口開口である場合、ハウジング８１０は、入口開口と内部空間８１５との間に、流体の流れを入口開口から内部空間へ移行させる分配領域８８０を有していてもよい。一態様では、開口８１２は、膨張入口領域８８１を形成するように構成され得る入口マニホルド８４４に関連付けられていることがある。膨張入口領域８８１及び分配領域８８０は、流体用の転送チャンバを形成し得る。また、外側チャンバ８１６は、隔壁８３０を中心とした円周方向に、流体用の別個の独立した膨張チャンバを形成する。一態様では、分配領域８８０及び外側チャンバ８１６は、流体の流れ方向に垂直な、互いに等しい断面領域（例えば、図１６にそれぞれ８９０及び８９１として示される）を有し得る。ただし、これらの領域においていくらかの相違が許容され得ることが理解されるべきである。例えば、分配領域８８０の断面領域８９０と外側チャンバ８１６の断面領域８９１との相違の度合いは、１００％にもなることがある。しかし、分配領域８８０の断面領域８９０と外側チャンバ８１６の断面領域８９１との相違の度合いは１０％未満であることが最も多くあり得、いくつかの場合では、実質的に同一（約１％以内）である。実質的に同一の断面領域８９０及び８９１を提供することによって、流体の一定速度を維持して、外側チャンバ８１６内の渦流を回避することができる。所望により異なる入口開口サイズ及び膨張領域特性を提供し、流体の吸入圧力及び／又は流れパターンに影響を与えるために用いることができるモジュール式の交換可能なフィッティングとして、マニホルド８４４を構成することができる。例えば、マニホルド８４４は、膨張領域８８１を定義するように構成された膨張表面８４５ａ及び８４５ｂ（図１３Ｂ）を有し得る。膨張表面８４５ａ及び８４５ｂは、所望の膨張領域特性を提供するようにサイズ決め及び／又は角度決めされ得る。この構成では、膨張表面８４５ａ及び８４５ｂは、（例えば、円形の入口に関連付けられている）入口径からより狭い膨張高さへと先細りになっていることがある。このように、入口マニホルド８４４は、断面領域を、円形の入口から矩形の分配領域８８０断面へと徐々に変化させ得る。このように徐々に変化させることは、流体の流れにおける渦又は乱れを低減または取り除くのに役立ち、それによって所望の層流を低減することもできる。概して、デバイス中の層流は、動作効率を増大させ得る。したがって、膨張領域、内部空間、外側領域、ディスク間隙、及び出口などへの変化は、非層流を低減させる又は実質的に取り除くように構成され得る。必須ではないが、分配領域８８０は、外側チャンバ８１６内の接線流を生じさせるような向きであり得る。流体排出部８８２は、ハウジング８１０に関連付けられていることがあり、また、内部空間８１５と流体連通して内部空間から液体を排出し得る。
【００５６】
隔壁８３０は、外側チャンバ８１６とロータチャンバ８１７との間を隔壁を通って流体が移動可能となる隔壁開口８３１を有し得る。隔壁開口８３１は、隔壁８３０の周りに円周方向に（例えば、等間隔に）隔置され得る。それによって、流体を、外側チャンバ８１６からロータチャンバ８１７内に移動させることができ、ひいてはディスクの外側縁の周りの複数位置においてロータ組立体８２０のディスク間の間隙に移動させることができる。一態様では、隔壁開口８３１は、２つ以上の隔壁部材８３２によって定義され得る、あるいは、１つの隔壁部材に形成され得る。隔壁部材８３２は、ロータ組立体８２０のディスクを収容するように（すなわち、ディスクの外径より大きくなるように）サイズ決めされた内径を有する環状構成に配置され得る。隔壁部材８３２同士は、ロータチャンバ８１７の周りに円周方向に（例えば、等間隔に）隔置され得る。隔壁８３０（すなわち、隔壁部材８３２）は、適所に固定された個別の構成部品であり得る。あるいは、ハウジング８１０と一体的に形成され得る。
【００５７】
隔壁開口８３１は、隣接する隔壁部材８３２の２つの隔置された相補的表面８３３及び８３４によって形成されたベンチュリ構成を有し得る。この構成は、隔壁開口を通過する流体の速度を増大させつつ、同時に、ベンチュリ効果に似た効果を生じさせる著しく低減された圧力をもたらす集束及び／又は発散を行う。任意の好適なベンチュリ構造を用いることができる。一態様では、各隔壁部材８３２は、隔壁開口入口８３６の一部を形成する入口表面半径８３５を有し得る。入口表面半径８３５（例えば、曲率半径）は、隔壁部材の径方向厚さ８８３（すなわち、最大径方向厚さ）に径方向厚さの２分の１を加えたものと等しくなり得る。一般的なガイドラインとして、入口表面半径は、径方向厚さ８８３の１．５倍の５％以内であり得、約１％以内であることが最も多い。別の態様では、各隔壁部材８３２は、隔壁開口出口８３８の一部を形成する出口表面半径８３７を有し得る。出口表面半径８３７は、入口表面半径８３５の３分の１と等しくなり得る。また、この出口表面半径は、概して、入口表面半径８３５の３分の１の少なくとも２０％以内であり、５％以内であることが多い。図に示すように、隔壁部材８３２の表面８３３は、その全体又は一部が平面状であってもよい。ただし、任意の好適な構成を用いることができる。
【００５８】
任意の好適な数の隔壁部材８３２を用いることができる。一態様では、隔壁部材８３２の数は少なくとも８個であってもよく、また、複数のディスク８２１の外径８９２を２で割った数以下の、小数点以下切り下げ又は切り上げの偶整数インチ（例えば、２．５４ｃｍ単位）に等しい数であってもよい。一態様では、ディスク８２１の外径に関係なく、少なくとも８個の隔壁部材８３２を含ませることができる。例えば、１０個の隔壁部材を直径１９インチのディスクと共に用いることができ、８個の隔壁部材を直径１４インチのディスクと共に用いることができる。図１６の詳細図に示すように、隔壁部材８３２の位置は、ハウジング８１０に相対的に確定することができる。一態様では、隔壁部材８３２のうちの１つを、その隔壁部材の中間点８８５が、隔壁部材の長さ８８９の５１％（明確さのため、縮尺どおりに示されていない）だけハウジング８１０の終点８８７からオフセット８８６するように配置することができ、それによって、例えば分配領域８８０の終端において流体入口路又は導管８８８を定義し得る。ただし、いくつかの場合では、前方オフセット８８６は、長さ８８９の５１％の約１％以内であってもよいが、渦の発生を回避するためには５０％以上であり得る。中間点８８５は、隔壁部材８３２の長さを定義する線８８９の幾何学的中心を表し得る。
【００５９】
一態様では、外側チャンバ８１６（すなわち、いくつかの実施形態における膨張チャンバ）は、例えば、回転軸８０１を中心とする全３６０°で（ほとんどの場合では回転軸８０１を中心とする少なくとも３３０°で）寸法的特徴及びジオメトリを維持することによって、一定の又は一様の断面領域８９１を有することができる。なお、外側チャンバ８１６は、隣接する隔壁部材８３２間に形成された隔壁開口８３１又は分配領域８８０を含まないことに留意されたい。したがって、図示した実施形態では、外側チャンバ８１６は、一定の円筒状肉厚による外側チャンバ８１６を中心に一様の断面領域８９１を有する円筒状構成を有している。
【００６０】
図１６は、隔壁部材８３２の内側縁又は表面８３９から径方向ロータ間隙距離８８４だけ離間されたロータ組立体８２０の外径縁８２９を更に示す。一態様では、径方向距離８８４は、流体の境界層厚さの６倍に等しいことがあり、いくつかの場合では、３〜１０倍であり、いくつかの場合では３〜８倍である。距離は特定の設計パラメータに応じて変わり得るが、ターボ機械がポンプとして構成されている場合、径方向距離は、一般的には、若干長くなる。例えば、ポンプ構成では、径方向距離８８４は、同様に構成されたタービン構成よりも約２〜１０％長くなり得る。いずれの場合でも、境界層厚さの３〜１０倍の範囲が好適であり得る。
【００６１】
図１４Ａ及び図１７に示すように、ロータ組立体８２０はまた、ロータ組立体をハウジング８１０に連結して回転軸８０１を中心とするロータ組立体の回転を容易にする延長部材８２２ａ及び８２２ｂを含み得る。例えば、延長部材８２２ａ及び８２２ｂは、互いに対向し、かつ、実質的に一直線に並んでいる複数のディスク８２１に取り付けることができ、それによって、軸８０１を中心とするロータ組立体の回転を容易にし得る。一態様では、延長部材８２２ａ及び８２２ｂの複数のディスク８２１への（例えば外側支持ディスク８５７ａ及び８５７ｂを介した）取り付けは、接着剤、留め具、又は他の任意の好適な物質又は装置を用いて行うことができる。別の態様では、延長部材８２２ａ及び８２２ｂはそれぞれ、外側支持ディスク８５７ａ及び８５７ｂと一体的に形成することができる。外側支持ディスク８５７ａ及び８５７ｂは、延長部材８２２ａ及び８２２ｂとの連結のための界面又は構造を提供することに加えて、ロータ組立体ディスクの端部を「キャップ」するのに用いることができる。これによって、ロータ組立体の対向する端部上に滑らかな露出ディスク面を提供することができる。一態様では、ロータ組立体８２０のディスクは、軽量合成材料（例えば、炭素繊維及び／又はバサルト繊維）で構成され得る。特定の態様では、外側支持ディスク８５７ａ及び８５７ｂは、延長部材８２２ａ及び８２２ｂの構成に用いられたものと同じ又は類似の種類の材料であり得る金属材料（例えば、スチール、アルミニウム、ニッケル、銅など）で構成され得る。
【００６２】
図１４Ａに示すように、延長部材８２２ａ及び８２２ｂは、ハウジング８１０への連結時にベアリング８６５ａ及び８６５ｂ上に取り付けることができ、それによって、低摩擦の回転界面を提供することができる。ただし、その他の取り付け部を用いることもできる。シール８６６ａ及び８６６ｂを含ませることによって、延長部材８２２ａ及び８２２ｂの周りにおけるハウジング８１０からの流体の漏れを防止する又は最小限にすることができる。一態様では、延長部材８２２ａ及び８２２ｂは、複数のディスク８２１によって形成された内部開口８２６と流体連通して、延長部材を通って延伸するベントポート８２５ａ及び８２５ｂを含み得る。そのため、流体は、それぞれハウジング開口８１３及び８１４を通って延伸する延長部材のベントポート８２５ａ及び８２５ｂを介してハウジング８１０に出入りすることができる。
【００６３】
延長プレート８２３ａ及び８２３ｂはそれぞれ、延長部材８２２ａ及び８２２ｂの端部に取り付けられ得る。延長プレートは、好適な機械的回転エネルギー捕捉装置（例えば、ドライブシャフト、ベルトなど）への連結に用いることができる。回転連結部を有する延長プレートを固定された出口導管に連結することによって、ベントポート８２５ａ及び８２５ｂを介して流体を引き出すことができる。代替的には、延長部材８２２ａ及び８２２ｂは、外側ハウジング８１０を超えて延伸するような細長い形状となっていてもよい。流体出口が、細長部に沿って配置され得る。それによって、この流体出口により、この細長部の遠位端部に固定されたドライブシャフト又は他の部材を取り付けられるように流体を放出させたり、流体をシステムから取り除いたりできる。いずれにせよ、任意の数の構成を、対応する機械的エネルギー捕捉装置の連結に用いることができ、同時に、この任意の数の構成によって、内部開口８２６から流体を退出させることができる。
【００６４】
図１８は、本開示の例によるロータ組立体（例えば、前述したロータ組立体８２０）で使用され得るディスク８５０を示す。図に示すように、ディスク８５０は複数のスペーサ８５１を含み得る。スペーサ８５１は、任意の好適な断面を有し得る。例えば、翼型、楕円形、円形、菱形などが挙げられるが、これらに限定されない。スペーサ８５１は、図に示すように、ディスク８５０を横切るリング構成で配置され得る。一態様では、スペーサ８５１は、ディスク８５０の半径８５４の２分の１以内の領域に収まり得る。別の態様では、スペーサ８５１は、ディスク８５０の半径８５４の３分の１以内の領域に収まり得る。スペーサ８５１をディスク８５０を中心として中央配置（ただし、例えば、内部開放空間内ではない）することによって、ディスクの径方向外側の部分が自由に屈曲し得る又は撓み得るようにしている。動作条件（例えば、隣接するディスク間に流体がある状態で回転速度が高い）下において、ディスクのこのような可撓性は次の点で有益であり得る。それは、隣接するディスク間の距離を等しくすることによって、ディスクが、圧力差に応答して「自己調整」でき、それによってターボ機械８００に対して性能上の利益を提供できるという点である。
【００６５】
一態様では、スペーサ８５１は流体ガイドとして構成され得る。この場合、スペーサ８５１は、所望の動作パラメータに応じて選択され得る傾斜角８５３の向きになっていることがある。一般的なガイドラインとして、傾斜角８５３（すなわち、ロータ半径８５４とスペーサの中央長手方向軸８５５との間の角度）を約２０°〜約７５°とすることができ、いくつかの場合では３０°〜５５°とすることができる。ディスク８５０上のスペーサ８５１の数、幾何学的デザイン、及び位置は、ディスクのサイズ、入口の圧力、及びロータ組立体の回転の設計速度に基づいて最適化され得る。一態様では、スペーサ８５１の数は、隔壁部材（隔壁部材８３２）の数と等しいことがある。
【００６６】
一態様では、複数のディスク８５０は、スペーサ８５１を用いて互いに連結されて、ロータ組立体のディスクを形成していることがある。例えば、スペーサ８５１は穴又は開口８６６ａ及び８６６ｂを含むことがあり、ディスク８５０は穴又は開口８６７ａ及び８６７ｂ（例えば、図１５参照）を含むことがある。これらの穴又は開口は、複数のディスクを互いに連結し得る留め具（例えば、図１４Ａのねじ部品８６９）を受けるように構成されている。この例では、２個の留め具を、隣接するディスク８５０間の１個のスペーサ８５１を通って延伸して固定するために用いることができる。このことは、ターボ機械の動作中のスペーサの安定性を提供する働きをする。したがって、留め具は、任意で、ディスクを通過する複数のボルトであり得る。このような留め具は、本明細書中に詳述するように、ディスクの周りに配置され得る。代替的に、スペーサは、ディスクと一体的に形成され得ることが理解されるべきである。ディスクをまとめて保持する中実の中央シャフトがないため、図示及び説明されたこの構成は、前述のように、「シャフトレス」と呼ばれることがある。更に、ロータ組立体内で内部開口を形成するために組み合わされる、ディスク８５０内の露出中央開口を除いては、ディスクは、ロータ組立体内に組み付けられると、窓部やその他の流体通路の無い中実となり得る。
【００６７】
図１９及び図２０は、本開示の別の例によるターボ機械８００’を示す。この場合、ターボ機械８００’は、１つ以上のジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂに連結された、図１２〜図１５を参照して前述したターボ機械８００を含んでいる。図２０に示すように、延長部材８２２ａ及び８２２ｂによって、ロータ組立体８２０のジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂへの連結が容易になり得る。例えば、延長部材８２２ａ及び８２２ｂは、ジェネレータシャフト及び／又はモータシャフト８７２ａ及び８７２ｂに接続し、かつ、留め具などを用いることによってロータ組立体８２０のジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂへの連結を容易にするフランジ８２４ａ及び８２４ｂを含み得る。
【００６８】
一態様では、ジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂは、ロータ組立体８２０を回転させるように構成されていることがあり、それによって、流体をハウジング８１０を通って移動させ得る。そのため、ジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂは、ターボ機械がポンプとして動作している場合は延長部材８２２ａ及び８２２ｂにトルクを提供し、ターボ機械がジェネレータとして使用されている場合はターボ機械を「起動」させるように機能し得る。後者の場合、ロータ組立体が所望の動作速度に達すると、ジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂは、ジェネレータにトルクを提供するモータから切り替わり得る。よって、延長部材８２２ａ及び８２２ｂは、ジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂなどの外部装置にロータ組立体８２０を連結させる機械的伝達部として機能し得る。任意の好適なジェネレータ又はモータを、境界層ターボ機械８００と共に用いることができる。一態様では、ハウジング８１０は、ジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂのハウジング８７１ａ及び８７１ｂに連結され得る。
【００６９】
シャフト８７２ａ及び８７２ｂは、延長部材８２２ａ及び８２２ｂを介してターボ機械８００に流体を出入りさせるための導管として機能する中央開口８７５ａ及び８７５ｂを含み得る。ハウジング８７１ａ及び８７１ｂは、ハウジング８７１ａ及び８７１ｂの壁を通る流体の通過を容易にする開口８７６ａ及び８７６ｂを含み得る。図示した例では、開口８７６ａ及び８７６ｂは、シャフト８７２ａ及び８７２ｂの中央開口８７５ａ及び８７５ｂと流体連通しているが、いくつかの実施形態では、シャフトは、ハウジング内の開口を通って延伸し得る。ベアリング８７７ａ及び８７７ｂ並びにシール８７８ａ及び８７８ｂは、ハウジング８７１ａ及び８７１ｂに関連付けられていることがあり、それによって、シャフト８７２ａ及び８７２ｂ周りを支持及び密閉し得る。
【００７０】
一態様では、１つ以上のフライホイール８７３ａ及び８７３ｂをロータ組立体８２０に連結させることができる。フライホイール８７３ａ及び８７３ｂは、シャフト８７２ａ及び８７２ｂに取り付け可能であり、そのため、ロータ組立体８２０と共に回転軸８０１を中心に回転することができる。シャフト８７２ａ及び８７２ｂは、任意の好適な数のフライホイール又は他の同様の回転構成部品を収容するようにサイズ決めされ得る。図２０に示すように、フライホイール８７３ａ及び８７３ｂは、ハウジング８７１ａ及び８７１ｂ内に配設され得る。フライホイール８７３ａ及び８７３ｂは、回転エネルギーを保存するように機能することができ、及び／又は発電部材を含むことができ、それによって、ジェネレータ及び／又はモータの一部を形成し得る。ジェネレータ及び／又はモータ８７０ａ及び８７０ｂはまた、フライホイール８７３ａ及び８７３ｂと共に動作可能な１つ以上のステータ８７４ａ及び８７４ｂを含むことができ、それによって、ジェネレータ及び／又はモータを形成し得る。
【００７１】
図２１Ａ〜図２１Ｆは、本開示のいくつかの例による境界層ターボ機械を概略的に示す。例えば、図２１Ａは、ポンプとして構成された境界層ターボ機械９００を示す。この場合、流体は、回転軸９０１から径方向外側に位置する開口９１２を介してターボ機械に入ることができ、径方向内側に移動して、回転軸の上又は周りに位置する開口９１３を介してターボ機械から出ることができる。
【００７２】
図２１Ｂは、真空ポンプとして構成された境界層ターボ機械１０００を示す。この場合、流体は、回転軸から径方向外側に位置する開口１０１２を介してターボ機械に入ることができ、径方向内側に移動して、回転軸の上又は周りに位置する開口１０１３を介してターボ機械から出ることができる。これによって吸引が生じ、真空状態が作り出される。一態様では、チェックバルブ１０９４を出口に関連付けて、真空チャンバ内への流体の逆流を防止することができる。
【００７３】
図２１Ｃは、ファン又はブロワとして構成された境界層ターボ機械１１００を示す。この場合、流体は、回転軸１１０１の上又は周りに位置する開口１１１３を介してターボ機械に入ることができ、径方向外側に移動（加速）して、回転軸から径方向外側に位置する開口１１１２を介してターボ機械から出ることができる。一態様では、流体ガイド構造１１９５を含めることができ、それによって、ターボ機械を出たときの流体の移動方向を制御することができる。例えば、ターボ機械のハウジングは、流体の退出方向を制御するように構成され得る。
【００７４】
図２１Ｄは、流体導管１２９６に連結されたインラインポンプとして構成された境界層ターボ機械１２００を示す。この場合、流体は、回転軸１２０１の上又は周りに位置する開口１２１３を介してターボ機械に入ることができ、径方向外側に移動（加速）して、回転軸から径方向外側に位置する開口１２１２を介してターボ機械から出ることができる。一態様では、流体ガイド構造１２９５を含めることができ、それによって、より小径の流体導管へと流体を再び集束させ得る。例えば、ターボ機械のハウジングは、流体を導管へと集中させる又は送るように構成され得る。
【００７５】
図２１Ｅは、船用モータとして構成された境界層ターボ機械１３００を示す。この場合、流体は、回転軸１３０１の上又は周りに位置する開口１３１３を介してターボ機械に入ることができ、径方向外側に移動して、回転軸から径方向外側に位置する開口１３１２を介してターボ機械から出ることができる。それによって、回転力を水平運動へと効率的に変換し得る。一態様では、流体は、推力方向へと送られ得る。例えば、ハウジング１３１０は回転するように構成することができ、及び／又は下流のノズル１３９７は回転するように構成することができ、それによって、退出する流体を１以上の自由度で送ることができる。
【００７６】
図２１Ｆは、スラスタとして構成された境界層ターボ機械１４００を示す。この場合、流体は、回転軸１４０１の上又は周りに位置する開口１４１３を介してターボ機械に入ることができ、径方向外側に移動して、回転軸から径方向外側に位置する開口１４１２を介してターボ機械から出ることができる。このとき、空気が圧縮されて燃焼される。開口１４１３は、前述のような入口組立体８４４と同様に構成することができ、それによって、流れを矩形の断面へと推移させ得る。この燃焼による膨張は、ベンチュリノズル１４９８を通って送り出されることがあり、それによって、推進力が効率的に生成され得る。図２１Ｅ及び図２１Ｆの境界層ターボ機械１３００及び１４００は、飛行機、船舶（例えば、ボート又は潜水艦）、あるいは地上又は陸上輸送プラットフォームなどの任意の好適な輸送プラットフォームにパワー又は推進力を提供するために用いることができる。
【００７７】
図２１Ａ〜図２１Ｆに示す流体の流れ方向は、所与のタイプの境界層ターボ機械又は用途のための流体の流れ方向の例を表している。所与のタイプの境界層ターボ機械又は用途のための流体の流れ方向は、図に示すものとは異なり得ることが理解されるべきである。
【００７８】
更に、この装置は、冷蔵、ＨＶＡＣ、又はエンジン冷却の用途における冷却装置及び／又は凝縮装置として用いることもできる。
【００７９】
図２２Ａ〜図２２Ｃは、本開示のいくつかの例による、流体の流れにさらされる表面のための抵抗低減構造を示す。図に示すように、流体の流れ方向に合うように角度決めされた又は方向付けられた前縁を有する隆起部（ridge）によって、流体が隆起部上を通過して渦を形成する際に、後縁上で真空状態を作り出すことができる。得られる結果は、隆起部の表面上の抵抗を低減し得る空気ベアリングと同様である。一態様では、隆起部は、垂直状（図２２Ａ中の１５９９）、アンダーカット状（図２２Ｂ中の１６９９）、及び／又は隆起部の頂点から流れ方向に沿って延伸する（図２２Ｃ中の１７９９）後縁を有し得る。隆起部は、任意の好適な高さであり得る。一態様では、隆起部の高さは約０．０３０インチである。これらの抵抗低減構造は、空気力学的表面、車両本体、ノズルなどの、流体の流れにさらされるあらゆる表面に対して適用することができる。
【００８０】
前述の詳細な説明は、特定の代表的実施形態を参照して本発明について記載している。しかしながら、添付の特許請求の範囲に説明されている本発明の範囲を逸脱することなく、種々の修正及び変更を行うことができることが理解されるであろう。詳細な説明及び添付図面は、制限するものではなく、単に例示的なものとしてみなされるものとし、かかる全ての修正又は変更は、たとえあったとしても、本明細書で記載及び説明される本発明の範囲内に収まることが意図されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２１Ｆ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【国際調査報告】
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