(57)【要約】機関は、ポンプのうちの１つの周辺部または中央のいずれかで、圧縮後加熱した空気、または燃焼生成物のいずれかを、連続した遠心膨張器に供給する。本発明はまた、関連する発明のセットであり、半径方向の流れを軸方向の流れに変換する流れガイドのグループ、および軸方向の流れを半径方向の流れに変換するグループ、およびこれらの流れガイドの組み合わせを備える。変換はまた、多段圧縮機または多段拡張器を形成するために用いる遠心ポンプを組み合わせて使用することを含む。多段圧縮機または多段膨張器は、軸の近辺からポンプの周辺部に向かう気体の流れを処理する少なくとも１つのポンプ、別のポンプの周辺部から、この別のポンプの軸に向かって移動する気体の同じ流れを処理する少なくとも１つの別のポンプを含む。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段遠心拡張器であって、拡張器として用いられる連続した少なくとも１セットの遠心ポンプを備え、
流出する流れは、前記セットの第１の部材から前記セットの第２の部材に流入し、前記セットの各部材は流出する流れを最後の部材になるまで次の部材に送り、
前記セットの少なくとも１つのポンプでは、内部を流れる流れの大部分が内側にらせん状に、周辺部の近くから前記セットの前記１つのポンプのロータの軸の近くまで流れ、
前記セットの少なくとも１つの別のポンプでは、内部を流れる流れの大部分が外側にらせん状に、別のポンプの前記ロータの前記軸の近くから別のポンプの前記周辺部の近くまで流れる、多段遠心拡張器。
【請求項２】
前記少なくとも１つのポンプの前記ロータおよび前記少なくとも１つの別のポンプの前記ロータは前記同じ軸上にある、請求項１に記載の多段遠心拡張器。
【請求項３】
前記拡張器は、高温気体の膨張を利用して熱エネルギを機械運動エネルギに変換する、請求項１に記載の多段遠心拡張器。
【請求項４】
圧縮器として用いられる１セットの連続した遠心ポンプを備える多段遠心圧縮器であって、
前記流出する流れは、前記セットの第１の部材から前記セットの第２の部材に流入し、前記セットの各部材は流出する流れを最後の部材になるまで、次の部材に送り、
前記遠心ポンプのセットの少なくとも１つのポンプでは、内部を流れる流れの大部分が内側にらせん状に、周辺部の近くから前記ポンプのロータの軸の近くまで流れ、
前記遠心ポンプのセットの少なくとも１つのポンプでは、内部を流れる流れの大部分が外側にらせん状に、別のポンプの前記ロータの前記軸の近くから別のポンプの前記周辺部の近くまで流れる、多段遠心圧縮器。
【請求項５】
前記少なくとも１つのポンプの前記ロータおよび前記少なくとも１つの別のポンプの前記ロータは前記同じ軸上にある、請求項４に記載の多段遠心圧縮器。
【請求項６】
高温気体の膨張を利用して熱エネルギを機械運動エネルギに変換するために用いられる機関であって、前記機関は、
多段遠心拡張器を備え、
加圧下の高温気体を前記拡張器に導入する手段をさらに備え、前記導入された気体は前記拡張器を通過後に前記機関を離れる、機関。
【請求項７】
前記加圧下の高温気体は燃焼によって生成される、請求項６に記載の機関。
【請求項８】
前記加圧下の高温気体は、たとえば太陽熱など外部供給源からの熱による熱交換器を用いて生成される、請求項６に記載の機関。
【請求項９】
加圧下の高温気体は、拡張器ポンプの前記周辺部よりも前記拡張器ポンプの前記軸の近くで、前記多段遠心拡張器外部から前記多段拡張器に導入される、請求項６に記載の機関。
【請求項１０】
加圧下の高温気体は、拡張器ポンプの前記軸よりも前記拡張器ポンプの前記周辺部の近くで、前記拡張器外部から前記多段拡張器に導入される、請求項６に記載の機関。
【請求項１１】
熱エネルギと運動エネルギとを変換する装置であって、前記装置の例は熱ポンプおよび機関であり、前記装置は、
拡張器として用いられる１セットの遠心ポンプを備える多段遠心拡張器であって、流出する流れは、前記セットの第１の部材から前記セットの第２の部材に流入し、前記セットの各部材は流出する流れを最後の部材になるまで、次の部材に送る多段遠心拡張器と、
前記セットの少なくとも１つのポンプであって、内部を流れる流れの大部分が内側にらせん状に、周辺部の近くから前記セットの前記１つのポンプのロータの軸の近くまで流れるポンプと、
前記セットの少なくとも１つの別のポンプであって、内部を流れる流れの大部分が外側にらせん状に、別のポンプの前記ロータの前記軸の近くから別のポンプの前記周辺部の近くまで流れる別のポンプと、
を備え、
前記装置はさらに、多段遠心圧縮器を備える、装置。
【請求項１２】
拡張器として用いられる前記遠心ポンプのセットの前記ロータは、前記同じ軸上にある、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
拡張器として用いられる前記遠心ポンプのセットの前記ロータおよび前記多段遠心圧縮器の前記ロータは、すべて前記装置内の前記気体の流れに囲まれ、前記流れは一方向流であり、場合により、少なくとも１つの遠心ポンプを通じる連通経路を用いて、前記流れのすべての部分は互いに連通する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
熱エネルギと運動エネルギとを変換する装置であって、前記装置の例は熱ポンプおよび機関であり、前記装置は、
圧縮器として用いられる１セットの遠心ポンプを備える多段遠心圧縮器であって、流出する流れは、前記セットの第１の部材から前記セットの第２の部材に流入し、前記セットの各部材は流出する流れを最後の部材になるまで、次の部材に送る多段遠心拡張器と、
前記セットの少なくとも１つのポンプであって、内部を流れる流れの大部分が、前記ポンプロータの周辺部から軸まで流れるポンプと、
前記セットの少なくとも１つのポンプではあって、内部を流れる流れの大部分が、前記ポンプロータの前記軸の近くから、前記ポンプの前記周辺部まで流れるポンプと、
を備え、
前記装置はさらに、多段遠心拡張器を備える、装置。
【請求項１５】
圧縮器として用いられる前記遠心ポンプのセットの前記ロータは前記同じ軸上にある、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
圧縮器として用いられる前記遠心ポンプのセットの前記ロータおよび前記多段遠心拡張器の前記ロータは、すべて前記装置内の前記気体の流れによって囲まれ、前記流れは一方向流であり、少なくとも１つの遠心ポンプを通じる連通経路を場合により用いて、前記流れのすべての部分は互いに連通する、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
１セットの流れガイドを備える装置であって、前記ガイドはほぼ剛性の固体であり、ロータを有する大型の装置の一部であり、
前記ガイドは、軸に実質的に平行であり、前記ロータの前記軸に垂直な流れがほとんどない状態と、前記流れが前記軸の回りで実質的にらせん状である状態との間で気体の流れの方向を変化させることに役立ち、
前記ガイドを用いて、前記流れガイドが除去されて前記流れが用いるチャネルが少なくなる場合よりも、少ない渦電流しか起こらないように前記流れの方向を変更する、
装置。
【請求項１８】
前記流れガイドのセットは実質的にシート状である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記流れガイドのセットは大部分において、最も近接するガイドに局所的、実質的に平行である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記流れガイドのセットは、前記気体の好ましい流れ線に局所的に平行に延在する１セットの管に類似する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記流れガイドのセットは、前記軸に取り付けられ、したがって前記軸と一緒に回転する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記気体の流れは、まずらせん状に実質的に前記軸に向かい、前記流れガイドのセットの領域に入り、前記流れガイドは前記らせん状の動きを軸方向の動きに変換することに役立ち、前記軸方向の動きは、明らかに前記軸に実質的に平行である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記気体の流れは、まず実質的に前記軸に平行な軸方向の動きであり、
次に、前記流れは前記流れガイドのセットに入り、流れガイドのセットは、前記軸に実質的に平行な前記軸方向の動きを、実質的にらせん状で前記軸から離れる動きに変換することに役立つ、請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
前記気体は、まずらせん状に実質的に前記軸に向かい、前記流れガイドのセットに入り、前記流れガイドは前記らせん状の動きを、前記軸に平行な軸方向の動きに変換することに役立ち、
さらに、前記軸に実質的に平行な前記軸方向の気体の動きを、実質的にらせん状で前記軸から離れる動きに変換することに役立つ、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
【０００２】
以下の記載は審査官に対してのみ情報を提供するものであり、本出願明細書では言及されず、本出願とは法的または優先権の関係はない。本出願は、単原子気体および遠心ポンプを用いるロータリ外部熱機関を示す米国特許出願番号第１３／３４２，７７３号に関連する。審査官はまだ任命されていない。本明細書はまた、現在特許第８，０８７，２４７号となっている出願番号第１２，２９１，１４８号に関連する。同出願は現在特許第７，８７４，１７５号となっている出願番号第１２／１５２，４３７号の一部継続出願である。本出願はまた、現在南アフリカ共和国で特許として登録され、拡張器として逆流で用いられる遠心ポンプを請求しているＰＣＴ／ＵＳ２００９／００２９１０の独立請求項にも関連する。先行出願である米国出願第１３／３４２，７７３号の遠心圧縮器および拡張器は、本発明の一部である。先行出願または特許には多段圧縮器または拡張器はなかった。新規の単段圧縮器および拡張器の中には、上記で参照した先行出願または特許に示されていないものもあった。
連邦政府資金による研究開発の記載  該当なし
共同研究当事者  該当なし
シーケンスリスト、表等への参照  該当なし
【０００３】
概して、第１の分野は内燃機関であり、特にタービン型の内燃機関である。第２の分野は多段遠心圧縮器である。第３の分野は、現在実施されていない多段遠心拡張器である。第４の分野は外部熱機関である。第５の分野は流れ方向を変化させるためのガイドである。第６の分野は、大きな渦電流を生じずに流路を曲げることである。副分野は現在技術の多段遠心ポンプ、軸受システム、および噴射推進機関設計である。
【背景技術】
【０００４】
上記の範囲内で、１つの分野は多段遠心圧縮器であり、中心から周辺部へ流れる従来の方法で作用する圧縮器を備え、その後すぐに周辺部から中心へ流れるように操作される新技術の遠心圧縮器を備える。既存の技術では、第２段遠心圧縮器を適用する前に、流れを中心に逆流させる。従来の圧縮器の使用にはこれらの発明が適用されていた。
【０００５】
拡張器という用語は、拡張器の中を流れる気体の熱エネルギおよびマクロ速度が機械エネルギに変換されるという概念を含むことに留意されたい。遠心拡張器の事例では、機械エネルギは、拡張器を流れる気体流で押されるロータによって受容される。ロータはピストンなどの別の機械装置によって置き換えられえる。多くの場合気体の温度は拡張器に入ってから出るまでの間に下がる。多くの場合気体は拡張器内で膨張する。通常、気体速度は拡張器に入ってから出るまでの間に増加する。遠心拡張器は、新規技術の流れ方向を備えた、拡張器として作用するように操作される遠心ポンプとして定義される。従来の技術では、遠心ポンプは主に圧縮器と考えられていた。
【０００６】
機関内で多段遠心拡張器を使用することは、内部または外部熱のいずれであれ、一般には既知ではなく、本発明とは別の分野である。多段遠心拡張器は従来技術の遠心圧縮器であってもよく、流れに対して逆に稼働する。多段遠心拡張器は、新規技術の遠心拡張器を備えていてもよいが、備えている必要はない。新規技術の遠心拡張器は、周辺部から中心に向かう流れを持つように操作され、流れから遠ざかるロータの刃に作用し、すぐに、中心から周辺部への流れを持つ拡張器がその後に続き、再び流れから遠ざかるロータの刃に作用する。前述の多段は、中心または周辺部のいずれでも流れを開始でき、２を超える段を用いえる。同じ軸上に４段ある場合を図１に示す。ロータはすべて同じ軸上であっても、なくてもよい。新規の拡張器を用いる各段は、１対のディスクの間に刃を有する。ディスクは平坦である必要はなく、凹型または凸型であってもよい。１対のディスク間の距離は、圧力低下または速度変化または温度変化または任意の組み合わせによる、流体の膨張または収縮を考慮して、周辺部より小さくも大きくてもよい。拡張器の後段は、前段よりもさらに離れてディスクを有していてもよい。圧縮器の後段は、互いに近接するディスクを有していてもよい。
【０００７】
本発明はまた、特に内燃機関または高温気体噴射機関内の拡張器として作用する前述の多段拡張器に適用される。新規技術の機関は、圧縮高温気体の供給源からなり、たとえば、噴射推進機関の排気またはバーナの排気または単に太陽光エネルギによって加熱された圧縮空気などからなる。圧縮高温気体は、拡張器として作用する遠心圧縮器の中心、または拡張器として作用する圧縮器の周辺部のいずれかに適用される。高温気体供給源として可能性のある３つのすべては、前工程の圧縮器、噴射推進機関およびバーナさえも必要とする。噴射推進機関では、空気は吸い込まれて圧縮され、次に燃料が追加されて燃焼され、ＣＯ２およびＨ２Ｏだけではなく、圧縮Ｎ２も生成する。空気は８０％がＮ２である。同じ生成物がバーナで生成される。太陽光エネルギによって加熱された圧縮空気の場合、高温気体の組成はＯ２とＮ２である。リーンな燃料混合物を燃焼することによって、Ｎ２の相対量は増加される。すべての事例において、二原子気体であるＮ２は拡張器に流入する気体の半分を超える。つまり、ポンプに標準的な鋼鉄を用いて、流出温度を流入温度の半分に変化させるには、５０％の効率を考慮すると約８段の膨張が必要であることを意味する。空気に差し込む必要な段の数を計算するためには、Ｅｌｌｉｏｔｔ−ｔｕｒｂｏ．ｃｏｍが提供する計算器を利用し、２：１の温度比を得るために断熱的に圧縮された空気の適切な圧力比を得る。
【０００８】
流入気体が中心、つまり、第１の段のらせんの軸近くに適用されると、刃は膨張する流体に押され、押された表面に垂直な部品は中心を指す。刃は押す流体に対して凹型となり、外側にらせんを描く。これは、流れによって回転する風車のような任意のらせんに対して当てはまる。角運動量の維持のため、刃アセンブリおよび押す流体のシステムにおいては、らせん状の流体内に現れる回転は刃の回転と反対である。
【０００９】
流入気体が周辺部に当てられる場合は、刃は流体によって押される。通常、押された表面に垂直な部品は周辺部を指す。この事例では、刃は押す流体に対して凸型となり、内側にらせんを描く。刃は回転するため、軸を回る角運動量は同じ軸を回る流入流体の角運動量と同じ方向である。刃はまっすぐでも、またはわずかにカーブしていてもよいが、カーブしていると効率が下がる。
【００１０】
前述の接続を含む、様々な接続の一部を本明細書の図に示し、説明する。流体が中心から周辺部に動く場合は、流体は刃とは反対の角運動量を有する。次の段が同じ方向（時計回りにまたは反時計回りに）に回転する別の軸上にある場合は、流体は１つの段の周辺部から次の段の周辺部まで、２つの軸の間をつなぐ接続通路によって、直線的に流れることができる（図５参照）。次の段が反対の方向に（時計回りにまたは反時計回りに）回転する別の軸上にある場合は、流体は１つの段から次の段に流れ、２つの軸の同じ側をつなぐ接続通路によって、直線的に流れることができる（図６参照）。同じ軸上にある場合は、次の段の周辺部に流入する前に、流体は周辺部で１８０度回転しなければならない。刃のらせんは、前の段の刃のらせんとは反対に、周辺部から中心に最適に発生し、押される刃の表面の部品が周辺部を指す。
【００１１】
流体が先行段と呼ばれる段内で、内側のらせん状になる場合、流体は次の段では外側のらせん状にならなければならない。流体を次の段の遠心拡張器の中心に導入する前に、流体は先行段を離れるときに、半径方向から軸方向の動きを取らなければならない。この移動を図示し、説明する。流体は次の段に入るとき、軸方向から半径方向に戻される（この点も説明する）。軸に取り付けられることが多い流体ガイドを用いる移動方法は、請求項で請求される。らせんは中心から周辺部にかけて起こり、押される刃の表面の部品は中心を指す。
【００１２】
本発明はまた、前述のように多段拡張器および多段圧縮器を用いる外部熱機関にも適用される。拡張器の場合は、膨張は外側への流体移動および内側への流体移動の両方に起こる。圧縮器の場合は、圧縮は外側への流体移動および内側への流体移動の両方に起こる。作動流体の熱交換加熱は圧縮後に適用される。作動流体の熱交換冷却は膨張後に適用される。
【００１３】
本出願者の先行出願の機関の一態様は、圧縮器ロータがトルクを拡張器ロータから共通の軸に沿って受容することであった。トルクはロータの共通の軸によって伝達されると最もよいが、代替する連結によっても伝達される。２以上の軸を用いる場合は好ましく、本出願者の先行出願を拡大して、拡張器および圧縮器をバランスよく各軸上に置く。
【００１４】
第２の態様は、遠心ポンプまたは容積式ポンプであれ圧縮器が、機械トルクを拡張器から受領することである。圧縮器および拡張器の移動部分および圧縮器と拡張器との間の機械的接続は、すべて作動流体によって囲まれ、作動流体を囲んで含有する容器によって囲まれる。本出願者の先行出願にあるように、同じ作動流体のプールに囲まれる発電機もありえる。
【００１５】
作動流体は非常に遅く動く容器内（移動する車両または床上）にあるが、軸が非常に早く回転するため、また、軸は容器の内部から外側に延在すべきではないため、動力は１または複数の発電機から抽出される。発電機は磁石および流出コイルの両方を作動流体と同じ容器内に有する。コイルからのワイヤは作動流体容器を通り、流体に浸った状態から、機関の回りの比較的遅く動く状態まで移動する。このように、コイルは容器に対して固定されなければならない一方、磁気は容器と共に回転する。
【００１６】
従来技術の説明
本発明者の新規の多段遠心圧縮器に対する、最も関連の強い従来技術は現在の多段遠心圧縮器である。既存の技術のすべての圧縮段の流れはロータの軸近くで開始し、遠心ポンプの周辺部近くで終了する。本出願者の発明では、流れが周辺部から軸近くに移動する間に圧縮を追加する。
【００１７】
本発明者の新規の多段拡張器では、最も関連の強い従来技術は、現在の多段遠心圧縮器であり、逆流で用いられる（これは実際には実施されていない）。現在の技術のすべての膨張段の流れは、実際には実施されていないが、遠心ポンプの周辺部近くで開始し、ロータの軸近くで終了する。本出願者の発明では、流れが軸近くから周辺部近くに移動する間に圧縮を追加する。
【００１８】
別の関連する従来技術は、軸方向拡張器および軸方向圧縮器である。これらは羽毛のような小型の刃を用いて、刃の近くで渦電流を発生させる。これらが最も関連性の高い技術である。拡張器としての軸方向のタービンは２つの同心軸を持つかのように機能する。１つは時計回りに回り、もう１つは反時計回りに回る。流れは回転方向に各タービンホイールの多くの刃によって、激しく変化する。これは次の段の反対の回転に対応する。また、刃は互いに非常に迅速に通過する。多くの渦電流が、刃のセットと、刃のセットに近い通路との間の気体の方向変化と、エッジのある刃を用いることの両方の結果として生じる。本発明者の新規技術では、刃にはエッジがあまりない。たとえば本発明の刃が刃を保持するディスクに接続する場所のエッジは、これらのエッジに垂直に気体が通過しないため、活発なエッジではない。軸近くおよび周辺部近くの収集および解放するエッジのみが、活発なエッジであり、それらはそれぞれ、エッジで刃の側面に平行な潤滑な流れを提供する。以前の軸方向タービンは、発電の膨張のために用いられ、また、たとえば噴射推進機関のための空気を収集し圧縮する際に、逆に圧縮のために用いられる。
【００１９】
本発明者の新規の内燃機関に関する、１つの関連性の高い技術はショックウェーブ機関であり、  現在コンセプトの証明のために米国エネルギ高等研究計画局（ＡＲＰＡ−Ｅ）から資金を受けている。本発明者の機関の１つの単段とある程度同等であり、流れが拡張器の中央から周辺部に流れる。拡張器はショックウェーブ室に類似しているが、継続した一定速度の流れで操作される。ショックウェーブ機関の問題は、燃焼生成物を本発明よりもかなり高温で排出することであり、したがって利用可能な熱エネルギのほとんどを失うことである。第２の問題は、流体が半径方向に垂直でない方向に排出されることであり、したがって一部のトルクを失うことである。
【００２０】
本発明者の機関の加熱気体の供給源に関して、１つの供給源は太陽エネルギに加熱された圧縮空気である。必要な熱交換は関連性が高い。また、関連性が高いのは、加熱圧縮気体の供給源として噴射推進機関の分野である。
【００２１】
本発明者の新規の外部熱機関または熱ポンプは、アルゴンなどの単原子気体を含有するループを用いる。新規の発明は、１つの形態では、本発明者の以前の出願における単段圧縮器および拡張器を新規の多段拡張器および圧縮器と代替する。
【００２２】
作動流体を膨張および収縮させる多くの外部熱機関がある。本発明者の好ましい外部熱機関はスターリング機関であり、最も有名な形態では大型のピストンを用いて、低温および加熱される間に流体を振動させるものである。温度の振幅は、流体を再生器に送り出すこと、熱交換加熱源を１つの端部に、および熱交換低温源を再生器の別の端部に有することによって生じる。振動される作動流体と同じ作動流体と連通する出力ピストンは、発振器ピストンの相から同期される。摩擦および圧力および温度損失が両方のピストンにあるが、主に出力ピストンで起こる。また、従来技術のスターリング機関では、排除容積対ピストン移動を小さく保たねばならない。本発明者の発明の機関には、ピストン室のような、容積を変化させるピストンも室も必要ない。また、再生器は、流体による動力損失を引き起こし、したがって再生機全体にわたって圧力損失が起こり、再生器部分と流体との間の温度差ヒステリシスによっても動力損失が発生する。高温熱交換器から低温熱交換器への温度変化全体は遠心ポンプで起こるため、再生器は本発明者の機関には必要ない。さらに、本発明者の新規の内燃機関の事例では、太陽エネルギを用いて空気を加熱する場合を除いて、熱交換器もない。
【００２３】
その他の機関は圧縮器の後に拡張器を用いるが、その後大気に開放される。本発明者の発明に最も近いものは、軸方向圧縮器を用いて、流体を羽根車の回転軸に沿って送出する。噴射推進機関、たとえば、内燃機関は、前段階で圧縮器を用いることができる。羽根車はハウジングに対して移動する。これによって、機関がアイドリングしているときであっても、エネルギが損失する。また、刃がケーシングに対して音速よりも早く動くと、問題が生じる。刃はケーシング内部に存在する。複数の圧縮器の刃のグループを用いると、渦電流および乱流によって、エネルギが浪費される。一方、本発明者の設計のほとんどでは、ディスクをロータの刃の片側に置いた。それによって、刃は隣接する周囲に沿って透過しない。
【００２４】
本発明者の現在特許を取得している以前の発明では（本発明者の新規の機関すべてにおいて）、互いに対する部品の動きによる損失はほとんどない。ロータは、本発明者の以前の米国特許取得発明の容器に取り付けられる。ただし、同特許の好ましい実施形態では、ロータは作動流体の全容器を回転させるため、太陽エネルギで用いるのが最適である。太陽エネルギでは、高温熱交換器は、太陽から光速で移動する太陽熱放射によって迅速に動力を得る。本発明者の新規の発明は、ロータがケーシングに対して移動する際に、ロータの刃を実質的にディスク状の板の間で保護し、それによって刃がすぐ近く、つまり板とも呼ばれるディスクに対して移動しない。ディスク自体は周辺から離れることができる。ただし、周辺部上またはその近辺は除く。ディスクはまた、周囲が近づいてきたときに、流体が流れる断面を段階的に増やすようにそれてもよい。各ディスクは軸または延長した軸に対して対称であり、周囲の動作流体ではほとんど邪魔にならない。
【００２５】
本発明者の新規の発明は、アイドリングしているときもエネルギ損失が小さい。羽根車は一対の回転ディスク内に含有されるため、互いにゼロ角度以外はどの部分も別の部分を通過しない。つまり、流体は羽根車近くの表面をこすらない、たとえば、噴射推進機関プレ圧縮器で用いられる本設計の場合と同様である。また、本発明者の機関は、作動流体に接触する移動するシールがない。したがって、ロータを保持する軸の軸受以外には潤滑油は必要ない。
【００２６】
最も高い関連性がある技術は遠心圧縮器およびターボ機械である。圧縮ファンの中心近くの流入と周辺部近くの流出との間の圧力比を最大にするために、刃が中心から外側へ動く際の刃のらせんは逆行であるべきである（回転方向とは反対）。圧縮ファンの周辺部近くの流入と中心近くの流出との間の圧力比を大きくするために、刃が中心から外側へ動く際の刃のらせんは流体をすくいあげるようにあるべきである（回転方向と同じ）。
【００２７】
同じような説明が、刃の回転が逆になることを除いて、拡張器の内側および外側向きの刃に当てはまる。このように、通常の刃は圧縮器の中心と周辺部との間の流れを促す傾向にあり、拡張器の流れを妨げる傾向にある。
【００２８】
Ｅｌｌｉｏｔ−ｔｕｒｂｏ社のウェブサイトに示されるような典型的な多段圧縮器は、流体が周辺部まで外側に移動する際に一つの段で圧縮する。類似する次の段で、流体は固定管で周辺部から軸近くまで再び誘導される。本出願者の発明では、周辺部から中心への移動中に、その通路でロータを前述のように用いて圧縮を継続する。したがって、Ｅｌｌｉｏｔ−ｔｕｒｂｏ設計の段ごとに、本発明は２つの段を持ち、１つは外側向きであり、もう１つは戻り用である。
【００２９】
本発明者にとって、ロータを用いる多段拡張器は未知である。また、２つの段を、周辺部から中心までさらに周辺部まで戻る作動流体用に１つの往復移動の段に組み合わせた多段拡張器または圧縮器、または中心から周辺部まで、さらに中心まで戻る２つの段を組み合わせた多段拡張器または圧縮器も本発明者には未知である。
【００３０】
圧力比が大きくなるほど、温度比も大きくなり、したがって、機関の理論的効率も増大する。単段遠心圧縮器の圧縮率の現在の限界は、空気を押す場合に、約１０倍（１０対１）である。外部熱が圧縮後加えられる。単原子気体では、圧力比が６から７の間であれば、温度比は２対１である。絶対温度での２対１とは、熱を機械エネルギに変換する理論的効率が５０％であることを意味する。これは、これらの温度の範囲で動作するカルノー機関の理論的効率である。本出願者の熱ポンプまたは外部熱機関の発明は、アルゴンまたはクリプトンおよびヘリウムの混合を用いる場合、はるかに高い温度比、したがってはるかに高い効率を実現可能である。これらの３種類の気体は単原子である。
【００３１】
本発明者の内燃機関の効率を考慮すると、使用した空気の８０％を占める窒素などの二原子気体に必要な圧力比は、２：１の温度比を得るために約１２：１である。燃焼副生成物のほとんどがＣＯ２およびＨ２Ｏの場合には、必要な圧力比はここでも２倍になる。ただし、内燃には誰も純酸素は用いないので、Ｎ２が多くを占める混合が出力され、機関がリーンに動作する場合は、さらにＮ２およびＯ２の割合が高まり、必要な圧力比が低下する。
【００３２】
断熱的圧縮の公式によれば、一定の圧力比では、単原子気体の温度比は分子あたり原子が複数である気体の温度比よりも高い。分子に複数の原子があると、自由度が大きくなり、したがって圧縮による熱を貯蔵する能力が大きくなる。二原子気体に対して、単原子気体の温度比が高いこと、および３以上の原子を持つ分子に比べて二原子気体の温度比が高いことは、前述のように機関効率にとって重要である。
【００３３】
理想的には、遠心ポンプロータの刃は流体に接触し、または反対の方向に流体を排出する。それによって、流体は、各刃に接触する前、および接触直後に刃表面に平行な方向に移動する。各刃を軸から様々な距離において複数の刃と交換してもよい。理想的には、最大効率のために、各ロータの圧力差は最大になり、可能な最大の温度比となる。空気に対して遠心圧縮器で達成可能な最大圧力比は、現在の技術では約１０：１である。空気に対して１０以上の比率では、圧縮器は早く摩耗し、危険となりうる。アルゴンまたはクリプトンなどの重い気体に対しては、問題は少ない。７：１の比は、高効率、低いリスク、機関内の低いエネルギ損失を得るために適切である。アルゴンの場合は、圧力比によって温度比が２：１を超え、約５０％の効率を得るのに適切である。クリプトンはアルゴンより２倍重く、したがって、さらに高い圧力比および高い効率につながるが、アルゴンは希少であり、費用がかかる。効率は太陽光収集システムにおいてさらに重要である。必要な数の鏡の比は効率比と等しい。太陽光収集システムでは、鏡の数は、同じエネルギ出力を得るための効率に反比例する。アルゴンは大気の約１％であり、大気の２０％である酸素を抽出すると、アルゴン副生成物の量は酸素量の約５％になる。
【００３４】
外部熱機関の事例では、作動流体容器の外側に伝達されるロータから電力を得るためには、発電機を用いるのが最善である。電流および電圧を伝えるワイヤは容器を内部から外側に、摩擦損失または流体損失なく貫通することができる。ロータの回転を用いて、シリンダに取り付けられる磁石を回転させることができる。シリンダはロータのディスクに取り付けられる。磁石は内側に軸に向かい、固定ワイヤは固定中央幹に取り付けられる。固定中央幹はロータ軸の想像上の延長線上にある。磁気およびワイヤのどちらも、回転中に空気力学的となるように素材で包まれるべきである。磁石は、実質的に磁石と共に回転する流体内にある。コイルは、磁石によって生じる流体の渦の中にある。このように、磁石の抵抗は最低限である。抵抗は、渦を引っ張る固定コイルによって生じる渦を遅くすることによって生じるが、この抵抗は、速度および効果が低い回転軸近くで生じる。また、圧力は中心近くでは低い。ポンプディスクから区域へのある程度の漏れを許容すると同時に、周辺部からの高圧が入らないようにすることで、中心近くの圧力はさらに低減可能である。磁石を包むことによって、磁気素材は空気力学的であるタイヤのような形状を取ることができる。そのため、流体力学および発電機の分野が適用される。
【００３５】
ロータの回転は、電動機として発電機を用いることによって、または発電機が取り付けられていないポンプに電動機を取り付けることによって開始することができる。ワイヤはもちろん流体容器を貫通し、１セットのコイルは固定されなければならない。電動機は長時間は動作せず、整流器は高速で開放可能なため、整流器を用いてもよい。モータによって整流器よりも、光学センサの方が好ましい。光学センサは変化発電機のコイルに印加される電圧の極性を磁石の位置に応じて変化させる。印加される電圧は、センサと発電機コイルの間ではっきりとした方法で、電気増幅器によって制御されえる。そのため、電子工学および発電機の分野が適用される。
【００３６】
遠心分離器に用いられる電磁軸受は、操業率に到達した後、ロータと関連して高速回転速度で用いることができる。ロータの環境、実際にはロータを保持するディスクの環境は非常に高速で移動するため、高速列車に用いる技術も適用される。
【発明の概要】
【００３７】
本発明の１つの目的は、安定した速度で操業されるとき、特定の点で温度に変化が起こらない機関／熱ポンプを製作することであった。このように、作動流体の温度は常に最も近い容器壁の温度と同じため、操作温度を特定の位置で変えることによる熱損失は無視できない。この目的は遠心ポンプを使用し、したがって、滑らかな一方向の流れをポンプおよびポンプ間の流体接続の両方で可能にすることで実現される。容積式ポンプが従来技術で用いられる場合は、大幅な温度許容差がポンプ内の場所で発生する。再生器を用いる場合は、大幅な温度許容差が再生器内の場所で発生する。
【００３８】
空間的温度差のある部分に沿った伝導による熱損失は、位置の関数としての温度が迅速に変化する、主に圧縮器および拡張器で起こるが、複数の明白な方法で最小化することができる。この方法は、たとえば、作動流体と接触する絶縁層を表面に置くことも含む。磁石を使用する場合は、磁石を高温から保護するために、軸近くの絶縁層を排除することも賢明な方法である。それによって、発電機が圧縮器または拡張器の近くに位置するかによって、熱は発電機からロータに逃れ、または拡張器または圧縮器いずれかの冷たい部分に逃れることができる。圧縮器は冷たいこともありえる。
【００３９】
本発明の別の目的は、ピストンまたは刃の周囲で基本的に圧力の損失がない機関を製作することであった。従来の機関は局所的な循環、および特に刃が刃のケーシングに近い場所では、乱流を発生する。空間の狭い部品間での素早い相対的な動きがほとんどすべての従来技術に存在する。本出願者の発明では刃をディスクの間に配置することによって、移動部分に近いケーシングの量は最小限である。また、表面の交差点が移動する場合は、ロータの刃を保持し、包み、ロータの刃と共に回転するディスクを用いることによって、容器に角度がついている移動面は最小限であるか、または排除されている。
【００４０】
外部熱機関に適用される本発明の別の目的は、作動流体が、応力または歪みを除いて、実質的に形状または容積が変化しない容器内にあるため、ピストンの外側または周囲で作動流体の損失がない機関を製作することであった。容器の外側を貫通する移動要素はない。アルゴンおよびクリプトンガスは、鋼鉄を用いる場合、その筐体から浸透または外に出ない。電線のみが作動流体容器の外側を貫通する。
【００４１】
本発明の別の目的は、回転部分はほぼ一定の回転速度を維持し、したがって応力もほぼ一定に維持されるため、金属疲労がほとんど発生しない機関を製作することであった。従来技術の金属疲労は、金属が様々な応力下で前後に曲がることから発生している。
【００４２】
本発明の別の目的は、軸を除いて、潤滑油の必要がない機関を製作することである。機関には他の摩擦はない。
【００４３】
本発明の別の目的は、シールの必要がない機関を製作することである。シールは高温の別の機関では問題を生じえる。
【００４４】
本発明の別の目的は、回転速度を変えることによって、温度比が様々である、非常に低損失の熱ポンプを製作することであった。
【００４５】
本発明の別の目的は、ほとんどアルミニウムからなり、作動流体としてアルゴンを用いる熱ポンプを製作することであった。
【００４６】
本発明の別の目的は、ロータを用いて流体を高圧力で、周辺部近くに排出することである。該ロータは、回転軸から外側へ移動する際に断面が大きくなるロータ管からなる。管は、２つの連続する刃、および刃の間に延在する２つのディスクを備えていてもよい。ディスクは、その間に刃を挟持して、刃のエッジを支持し、回転軸から離れて移動するにつれて互いに離れるように外側へ広がり、したがって、放物面鏡のように見える。ディスクは流体容器に周辺部またはその近くで接近し、流体がポンプ間の導管に流入する際に急な変化は流れ断面に起こってはならない。ナイフのエッジがディスクの周辺部上にあると有用である。それによって、ディスクは強さを保ったまま、刃に最も近い表面で導管口に問題なく近づくことができる。
【００４７】
本出願の前述の目的は以前の特許第８，０８７，２４７号および新規の出願および本発明者の以前の出願のすべてに適用される。以下の目的は、新規であり、新規の出願および本発明者の以前の出願に適用される。
【００４８】
本発明の別の目的は、本発明の滑らかで均一な流れ特性を有する機関を製作することである。また、外部熱機関の熱交換器が任意の大きさであってもよく、任意の場所に取り付けられ、固定され、中を流れる流体抵抗によってのみ制限される機関を製作することである。たとえば、スターリング機関は、効率上、その熱交換器の大きさをピストンの移動容積よりも小さく制限する必要がある。本発明者の以前の特許を取得した発明では、明細書において、請求項以外に、低温熱交換器の場所に制限があり、実施例では運転中の熱交換器を示した。別の例では、高温熱交換器が管の場合は、積み重ねて配置することができ、それによって、一部の部分は炎の中にあり、別の部分は燃焼排出生成物によって加熱される。
【００４９】
本発明の別の目的は、動く部分がロータ、ロータディスクに取り付けられる発電機、およびロータ軸のみである機関を製作することである。これらの部分のうち１つが故障した場合は、故障した部品は流体容器に含有されてもよく、したがって周囲への損傷を防ぐ。
【００５０】
本発明の別の目的は、機関サイクルによって、互いに相対的に移動する固体部分はほとんどないため、ごくわずかな摩擦損失しかない機関を製作することであった。もちろん、ほとんどの機関で、ロータ軸は、ボールまたは磁気軸受などの、軸を支持する装置の部分に対して回転する。また、ロータの刃を保持するディスクの周囲は、作動流体の容器に相対的に円形に移動する。固定円に対向するディスクの周辺部に移動する円がある。この構成はいつも同じように現れ、したがって、流体が引き起こす抵抗を最小限にする。
【００５１】
本発明の別の目的は、圧縮器が拡張器によって駆動され、トルクが軸などの機械接続によって伝達され、作動流体容器内に完全に含有される外部熱機関を製作することである。任意の機械接続を、軸に限らず用いることができる。また、任意の種類の圧縮器または拡張器、ロータリ歯車を用いるものなどを用いることができる。
【００５２】
本発明の別の目的は、拡張器からのトルクを発電機に用いて、発電機からのワイヤを用いて、流体容器を貫通して機関内部からの出力を機関外部に伝えることによって、発電機を駆動することである。
【００５３】
本発明の別の目的は、延在する軸の回りに円形に対称であるか、延在する軸の回りに円形に対称である素材に包まれているワイヤコイルおよび発電空気力学的な磁石も作成することである。これによって、コイルと磁石との間の作動流体における抵抗および渦電流が低減する。
【００５４】
以下の目的は、本出願に適用されるが、他の前述の出願または前述の特許には適用されない。
【００５５】
本発明の別の目的は、流体がロータの軸近くからロータの周辺部に向かって移動するとき、および流体がロータの周辺部からロータの軸に向かって移動するときの両方において流体を圧縮する、より効率的な多段遠心圧縮器を製作することである。
【００５６】
本発明の別の目的は、流体がロータの軸近くからロータの周辺部に向かって移動するとき、および流体がロータの周辺部からロータの軸に向かって移動するときの両方において、流体からの機械エネルギを受領する、より効率的な多段遠心拡張器を製作することである。
【００５７】
本発明の別の目的は、半径方向内側への動きからの流れを軸方向の動きに変える効率的な手段である流体流れガイド、および軸方向の動きからの流れを半径方向外側への動きに変える効率的な手段である流体流れガイドを提供することである。同様に、周辺部では、外側への流れを内側への流れに変換する順調な移動がある。
【００５８】
本発明の別の目的は、新規の種類の内燃機関、またはより一般的には、全機関の一部を備える高温圧縮気体機関を示すことである。この一部は加圧下でこの部分に流入する高温気体を動きエネルギに変換し、冷たい気体を排出する部分である。この部分は、遠心拡張器を用いる拡張器からなる可能性が非常に高い。
【課題を解決するための手段】
【００５９】
本発明は１セットの関連する発明であり、半径方向の流れを軸方向の流れに変換する流れガイドのグループ、および軸方向の流れを半径方向の流れに変換する流れガイドのグループを備える。両方の変換は流れガイドを追加して、流れを複数の実質的に平行な流れに分割しない場合よりも、少ない渦電流で行われる。もちろん、２つの流れガイドのグループを組み合わせて、１つの流れガイドのグループにし、遠心ポンプの軸に向かって移動する流れを受容し、個別の遠心ポンプの軸から離れて移動するように流れを回転させてもよい。
【００６０】
本発明はまた、多段圧縮機を形成するために用いる遠心ポンプを組み合わせて使用することを含む。多段圧縮器は、軸の近辺からポンプの周辺部に向かう気体の流れを処理する少なくとも１つのポンプ、別のポンプの周辺部から、この別のポンプの軸に向かって移動する気体の同じ流れを処理する少なくとも１つの別のポンプを含む。処理するという単語は、実質的には機械エネルギと熱エネルギ間との変換を意味する。
【００６１】
本発明はまた、多段拡張器を形成するために用いる遠心ポンプを組み合わせて使用することを含む。多段拡張器は、軸の近辺からポンプの周辺部に向かう気体の流れを処理する少なくとも１つのポンプ、別のポンプの周辺部から、この別のポンプの軸に向かって移動する気体の同じ流れを処理する少なくとも１つの別のポンプを含む。
【００６２】
本発明はまた、前述の遠心多段拡張器の使用または前述の遠心多段圧縮器の使用、またはその両方を外部熱機関または熱ポンプで使用することを含む。
【００６３】
本発明はまた、前述の多段拡張器を内燃機関で用いることを含む。これを実現する１つの方法は、小型の噴射推進機関の排気を多段拡張器の１つのポンプの周辺部または中心に導入することである。本発明はまた、噴射推進機関の排気が導入された場所で、加圧下で加熱気体を導入することを含む。たとえば、継続した流路内の空気を、圧縮器で圧縮して、次に太陽光エネルギで加熱し、次に、遠心多段拡張器の１つのポンプの周辺部または中心に導入する。
【００６４】
拡張器内側への流れ、拡張器外側への流れ、圧縮器内側への流れおよび圧縮器外側への流れ内の流れガイドおよびらせん刃の詳細を拡張器に関しては図３および図４に示し、圧縮器に関しては図１０および図１１に示す。内側および外側という用語は、遠心多段拡張器および圧縮器で用いられるポンプ内の周辺部と軸との間の流れの方向を指す。内側は軸に向かってらせん状である。
【００６５】
本発明を理解するために、本出願者の先行出願から以下が有用であろう。先行出願の発明は主に外部熱機関であり、修正して熱ポンプとして機能可能であった。機関は、熱を作動流体から一部の外部熱シンクに除去する熱交換器、その後、作動流体の流れにおいて、実質的な遠心圧縮器を備える。遠心圧縮器は、すべての先行遠心圧縮器と同様に、羽根車またはロータを備える。羽根車またはロータは、軸方向部品と同等かそれより大きい正の半径方向部品に、流体が流れるように促す。圧縮器は、遠心ポンプとして考えられてもよい。次に熱交換器が続き、外部供給源からの作動流体を加熱する。この熱交換器の次に拡張器が続く。拡張器は別の実質的な遠心圧縮器であり、従来操作される遠心圧縮器の流れとは逆の流れで操作され、それによって、拡張器として機能するように用いることができる。この拡張器の周辺部近くの従来の流れは、発電が持続している間は、実際には流入である。この拡張器の従来のロータ軸の近くの流入は、実際には流れが関わる限り流出である。この拡張器は実際に、遠心圧縮器のように物理的に構築される。流れ方向に対して逆向きに操作されるとしても、機関は発電する。明白にするために、気体の遠心ポンプが従来操作されるときには、従来はロータの回転の中心近くの流入口で、気体はポンプに流入し、従来はポンプの周辺部近くに位置する流出口で、気体は流出する。拡張器から流出する流れは熱交換器に到達し、熱を除去するために用いられる。この熱交換器は本来の熱交換器であっても、なくてもよく、本段落の開始時に述べたように熱を除去する。少なくとも１つの圧縮器の流入から流出の温度比は、圧縮器の流出から次の拡張器の流入までの温度比（熱交換器の）より大きい。これは、圧縮器の高圧力比と組み合わせて単原子気体を用いることで実現される。拡張器の温度比は、圧縮器の逆比と比較可能であってもよいが、必ずしも同じでなくてもよい。もちろん、前述した任意の外部熱機関は熱ポンプとして操作可能な前述のものを含む。拡張器および圧縮器の比はほとんど等しいという事実は、特許番号第８，０８７，２４７号に記載されている機関からよりよくわかるであろう。同発明の回転ドラムの効果は、より明白に等しくなる。
【００６６】
本発明者の以前の出願の最善の設計では、本出願者の先行出願の機関は、各端部にロータを備える軸、および各端部にロータを備える別の軸からなる。この構成は、連続した２つの機関を表す。各機関は各端部にポンプを備える単一の軸を有する。４つのロータのそれぞれは、それぞれの遠心ポンプの一部である。軸の１つの端部上のロータは拡張器の一部であり、および別の端部上のロータは圧縮器の一部である。１つの軸上の１つのポンプの中心の流入口は同じ軸の第２のポンプの中心の流入口に低温流体導管によって接続する。低温流体導管はまた、熱交換器を含有し、流体が１つの遠心ポンプから別の遠心ポンプに流れる間に、熱を流れから除去する。別の軸上にある別の２つのポンプは、同様に冷却するために接続される。
【００６７】
さらに、本発明者の以前の出願では、作動流体を維持するハウジングは、とりわけ、４つのロータおよび軸を囲む。ハウジングは、遠心ポンプを完成するような形状となっている。また、低温流体通路の部分を除いて、軸に沿って移動する低温流体導管上の熱交換器を含有する形状にもなっている。低温流体は、作動流体に対して個別に、導管に沿って、導管内の作動流体の流れとは逆方向に流入し、移動する。各ロータのロータの刃は、ロータの刃が取り付けられるそれぞれ一対のディスクに挟持される。
【００６８】
ディスクという用語を文字通り受け取ってはならない。ディスクはナイフのエッジのように回転の周囲で薄く、中心近くで厚くなることもある。ディスクはまた、周囲が近づいてきたときに、互いにそれてもよい。この相違によって、作動流体の加速が緩やかになり、圧力変化が増加する。流量ではなく流体の圧力変化は、圧縮器からの流出時に強調される。ディスクはまた、刃が作動流体を周囲面から一掃することを防ぐ。各刃は、複数の刃によって回転軸から様々な距離で交換されてもよい。１セットの刃は、刃を所定の位置に保持するディスクに対して多少回転可能であってもよい。回転される刃によって、機関は、刃の角度を調整することによって、異なる速度の効果を補償することができる。それによって、流体は常に各刃の刃表面に実質的に平行に当たる。
【００６９】
さらに、本発明者の以前の出願を説明すると、圧縮器または拡張器の少なくとも１つの外部ディスクには、磁石のアレイまたはアレイのホルダが取り付けられている。これは、発電機の一部であり、電力を機関から抽出する。発電機の出力電圧コイルはワイヤに取り付けられ、作動流体を保有するハウジングを貫通する。このように、コイルはポンプのハウジングに対して固定される。刃を保持するディスク、および刃もまた、その表面で熱的に絶縁され、軸近くを除いて熱損失を最小限にする。軸近くでは、熱はディスクを内側から外面まで流れ、磁石を含有する発電機容積を冷却することが望ましい。
【００７０】
さらに本発明者の以前の出願を説明すると、流体は、圧縮器として用いられる２つの遠心ポンプそれぞれの周辺部から流出し、この流体は高温流体導管によって、拡張器として用いられる２つの遠心ポンプのそれぞれ１つの周辺部の流入に接続する。２つの高温流体導管はそれぞれ、作動流体が高温流体導管を流れるときに、熱を作動流体に加える手段を有する。この手段は、高温流体導管に入る第２の流体導管であってもよく、または加熱は直接高温流体導管に加えられてもよい。どちらの導管も複数の管を有していてもよい。もちろん、各低温流体導管も複数の管を備ええる。
【００７１】
本発明者の以前の出願に対する、２つの拡張器および２つの圧縮器の接続を前述の通り説明した。ロータを保持する軸は、互いに平行となることが多い。高温流体導管は、まっすぐである必要はない。このように、各高温流体導管が１つの軸から別の軸につながる場合、導管の長さを制限せずに、軸は互いに近くてもよい。導管がまっすぐである場合は、ロータ構成は車両の４輪に非常に似る。回転が同じ方向の場合は、１つの高温流体導管は車の片側の上にあり、別の導管は反対側の下にあることになる。軸が反対の方向に回転する場合は、車の片側の１つの高温流体導管の流体は上から下に流れ、車の反対側の別の高温流体導管の流体も上から下に流れることになる。つまり、１つの軸の回転が他の軸の回転とは反対方向の場合、１つの軸から他の軸に移動する場合は、高温熱交換器の入口および出口では、常に上から下へのスイッチ、またはその逆で下から上へのスイッチがある。
【００７２】
以前の出願の機関の第２のバージョンは、ただ１つの軸および２つのポンプを含有しえる。これは、２つの遠心ポンプの中央開口間で作動流体を軸に沿って移動させる１つの低温熱交換器を有する。高温熱交換器は、作動流体を圧縮器の周辺部の流出口から、拡張器の周辺の流入口まで移動させる。
【００７３】
損失を無視すると、機関の出力は、圧縮器への電力流入と拡張器からの電力流出との間の正味差である。流体はさらに加熱され、したがって圧縮後に膨張するため、流体は圧縮器を出たときよりも、大きな容積流量で拡張器に流入する。これによって、流体は圧縮器で用いられていたよりも大きな働きを拡張器で行ことができる。
【００７４】
もちろん、圧縮器の流入から流出までの圧力差は、これは閉鎖ループであるため、また、一部の圧力損失が熱交換器で起こるため、機関がバランスを取るために、拡張器の流入から流出までの圧力差より高くなければならない。したがって、拡張器よりも圧縮器でよりはっきりとしたらせんを得ることが最善である。
熱ポンプの態様
【００７５】
遠心圧縮器を用いる任意の装置が熱ポンプとして機能する方法を理解することは、大きな可変の負荷はないため、容易であるかもしれない。圧縮可能な流体が回転しているドラムまたは車輪を持っていると仮定する。ここで、流体を車輪の中心から周辺部に移動させる場合は、圧縮器ファンで起こるように、この流体は圧縮されてその温度が上昇する。流体が次に、回転の中心に戻って流れる場合は、拡張器ファンで起こるように、流体は膨張し、したがって低温になる。このように、ロータの回転の周辺部の温度と中心近くの温度には差がある。この温度差を用いて、熱ポンプと同様に熱交換を想定し、機械エネルギを連続回転に追加しなくてはならない。熱ポンプ内の流体は、拡張器よりも圧縮器の方が大きい容積流で回転軸から同じ距離を移動するため、回転エネルギを追加しなければならない。したがって圧縮器で用いられるエネルギは、拡張器で回収されるエネルギよりも大きくなる。また、この反対も機関に適用することができる。熱ポンプでは、膨張後であって圧縮前に、熱が作動流体に追加される（熱を周囲から奪う）。このように熱ポンプは低温端部で機能する。同様に、暖かい周辺部で、膨張直前に熱は作動流体から周囲に除去される。熱の追加および除去は質量流ではなく容積流に影響する。容積流は流体速度に影響し、したがって、その運動量は変化し、したがって刃の上の圧力も変化する。もちろん、流体が流れる断面は大きく、したがって、同じ圧力でより大きい力が刃に生じる。
【００７６】
圧力および回転加速度の考慮
機関または熱ポンプは、高い大気圧、通常約１００大気圧で作動流体を用いて操作可能である。非常に大きな回転加速度でも操作可能である。圧縮器が約７：１の圧力比で操作される場合、その比の大部分は加速度によって生じる。圧力比の別の大部分はらせん状の刃が流体を半径方向部品で押すために生じる。刃が圧縮器または拡張器それぞれの流体の角運動量を増加または減少させようとするにつれて、押すことは慣性効果によって生じる。本出願の残りの部分は新規の発明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】４つの遠心ポンプを示す。一対の遠心ポンプは、流れの観点から軸近くで接続する。軸近くの流れガイドは、１つのポンプの半径方向の動きを軸方向の動きに変換し、次に、第２のポンプの軸方向の動きを半径方向の動きに変換する。
【図２】１対のポンプの流れガイドおよび関連するポンプ部分の拡大図を示す。ポンプ対の間のボール軸受も示す。
【図３】断面Ａ−Ａ、およびＣ−Ｃを示す。これらは多段拡張器のポンプロータの刃およびロータの回転の方向および気体の流れを示す。
【図４】断面Ｂ−Ｂ、およびＤ−Ｄを示す。これらは多段拡張器のポンプロータの刃およびロータの回転の方向および気体の流れを示す。
【図５】多段拡張器において、半径方向外側への流れを持つ拡張器がその周辺部で、半径方向内側への流れを持つ拡張器と連結する方法を示す。
【図６】軸が反対方向に回転している多段拡張器において、半径方向外側への流れを持つ拡張器がその周辺部で、半径方向内側への流れを持つ拡張器と連結する方法も示す。
【図７】図２の流れガイドよりも角の丸いセットの流れガイドを示す。
【図８】バーナから流れガイドで軸に入る流れを示す。バーナからの流れがポンプ周辺部に入る方法については不図示。
【図９】軸がケーシングに対して相対的に移動しないように保つ軸受を示す。
【図１０】断面Ｊ、およびＬを多段圧縮器の流れおよび刃の回転と共に示す。
【図１１】断面Ｋ、およびＭを多段圧縮器の流れおよび刃の回転と共に示す。
【図１２】図１の遠心ポンプに類似する４つ遠心ポンプを示す。断面Ｊ、Ｋ、Ｌ、およびＭは多段圧縮器の流れおよび刃の回転を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
まず、拡張器として用いられる一連の遠心ポンプを説明する。ポンプの半分は周辺部から軸へ移動する流れを有する。ポンプの別の半分は軸の近くから周辺部へ移動する流れを有する。いずれかの流れの種類のポンプが１つ余計にあってもよい。この多段拡張器または内燃機関の一部としての任意の多段拡張器について、後ほど説明し、引き続き多段拡張器を外部熱機関において用いる場合を説明する。軸方向の流れと半径方向の流れとの間で変換する流れガイドについても、説明する。最終的に、圧縮器として用いられる一連の遠心ポンプについて説明する。これらの圧縮器ポンプの半分は周辺部から軸へ移動する流れを有する。圧縮器の別の半分は従来技術のものであり、軸から周辺部へ移動する流れを有する。移動軌道はらせん型の経路となる。
【００７９】
拡張器という用語は、拡張器の中を流れる気体の熱エネルギ、圧力エネルギおよび動きの流れ慣性が機械エネルギに変換されるという概念を含むことに留意されたい。遠心拡張器の事例では、機械エネルギは、拡張器を流れる気体流で押されてロータによって受容される。遠心ポンプおよびロータはピストンなどの別の機械装置によって置き換えられえる。多くの場合、気体の温度は拡張器に入ってから出るまでの間に下がる。多くの場合、気体は拡張器内で膨張する。気体の速度は拡張器に入ってから出るまでの間に増加することもある。遠心拡張器は、拡張器として作用するように操作される遠心ポンプとして定義される。従来の技術では、遠心ポンプは主に圧縮器と考えられていた。
【００８０】
図１は、操作可能ではあるが、簡潔版である連続して接続する１セットの遠心拡張器を示す。ポンプ１０およびポンプ２０は２つの遠心ポンプであり、この事例では拡張器である。ポンプ１０およびポンプ２０は、軸５０近くの中心で、砂時計型の実質的に平行な流れガイド５１の間の通路によって、流れにおいて接続する。流れガイドは大部分が局所的に実質的に平行であるが、流れガイド間の距離は場所によってある程度変化する。この事例では、流れガイドは流れを複数の異なった通路に分割する。流れガイドは、軸と共に回転し、不図示の支持体によって互いに接続する。支持体は最も近い流れガイドの間を延在し、流れの回転を維持するために用いることができる。一部の支持体はまた、軸から最も近い流れガイドまで延在する。図２は図１の右中心の拡大図である。図７は図２の改良版であり、それぞれの回転半径が大きい、より良い流れガイドを示す。
【００８１】
図３および図４の矢印は、ポンプ１０の周辺部からの流れの方向を示す。流れは流れガイド５１に沿って流れ、ポンプ２０の周辺部に向かう。図３は図１のＡの断面図であり、図４は図１のＢの断面図である。らせん状の羽根はディスク１３および１４、さらにディスク２３および２４に取り付けられ、図３および図４にそれぞれ示される。ディスク１３および２３は軸５０に取り付けられ、軸５０と共に回転する。流れガイド、羽根およびディスクのすべての回転方向は、図３の中心近くの小さい矢印および図４の中心近くの小さい矢印で示すように時計回りである。ディスク１３および２３は軸５０に取り付けられるため、ディスク１３および２３は、流れガイド５１と同じ速度で回転する。たとえば、ディスク１３は点１７に取り付けられる。ディスク１３および２３から時には刃と呼ばれることもある羽根によって、回転が伝えられるため、ディスク１４および２４は回転する。刃は１つのディスクから別のディスクへ延在し、それによって近くの軸から近くの周辺部へ延在するチャネルを形成する。
【００８２】
図３、図４、図１０、および図１１では、ロータの刃は周辺部から中心にらせん状に向かう線として示されることに留意されたい。さらに多くの刃を図示する刃の間に配置すること、特に周辺部近くに配置することは流れの理由から有利であろう。遠心力および刃の曲線による渦電流を避けるために、刃間の距離は、刃が動いていないときには刃の曲線半径の約１０分の１であるが、刃が遠心力を生じているときには、はるかに大きくなる。たとえば、周辺部までの中間では、新規のセットの刃を中間点からディスクの周辺部まで延在するように追加すべきである。これは、図３および図４に示されるが、図１０および図１１には示されない。実際にさらに多くの刃を追加することは、中心からのすべての距離で有利である。刃の厚さおよび重量のため、現実的には限界がある。遠心力によってロータが離間される傾向にあるため、重量によって最高速度が制限される。刃の数を増やすことによる利益をさらに説明すると、刃が移動して流体に遠心力を生じることである。この遠心力は半径＝軸中心からの距離に比例する。この比例力によって、周辺部近くの余分の刃がさらに重要になる。
【００８３】
軸からの特定の距離における距離あたりの圧縮率は半径に比例するため、内側の第３のロータは９分の１の圧縮効果しか提供しないことにも留意されたい。これは、力が半径に比例するためである。このように、内側の第３の流体流れ空間は、図７に示すように、半径方向内側への流れを半径方向外側への流れに緩やかに回転させるように割り当てられる。
【００８４】
たとえば図１において凹型でも凸型でもなく平坦に示されるディスクは、別の形状であってもよいことに留意されたい。たとえば、中心に近づくにつれて、互いにずれてもよい。一対のディスクは中心に近づくにつれて、どちらも流れガイドの方向に向く傾向があることもあるため、流れガイド領域内で流体の方向を変化させることは減少する。
【００８５】
羽根に接続する側面に対向するディスクの側面は熱を流れ領域に保持するために絶縁されていてもよいことに留意されたい。もちろん、すべての部分を絶縁して、熱が特にディスクまたは羽根に沿って熱が移動することによって、損失することを抑えることができる。
【００８６】
流れガイド部分の間隔を狭くすることで乱流が抑えられ、研究によって、最適な間隔が測定されている。流体通路の曲線の半径と、流れガイドよりも軸に近い流体に接触する流れガイド部分と、流れガイドよりも軸から遠い流体に接触する流れガイド部分との間の流れ間の間隔との割合が１０：１であると非常に適切である。上記の一例は管であり、管のすべては接触する流体よりも軸に近い部分、および接触する流体よりも軸から遠い部分を持ちえる。厚さを多少変更するシートに類似する流れガイドの場合は、間隔はシート間の間隔を指す。ガイドとして管を用いる場合は、流れガイド部分間の間隔は、管の内径を指す。
【００８７】
図１は軸５０を中心として対称であるため、底部の部分の符号は上部の部分の符号と同じである。ポンプのケーシングは、接続されたセットの部分となりえるものからなる。ポンプ１０の部品１５は軸に取り付けられないが、点１６において非常に軸に近づく。点１６には、圧力シールを配置してもよい。部品１５はまた、図の上部および底部である周辺部で伸びる。ポンプ１０およびポンプ２０に共通なケーシング部品６０は、周辺部からディスク１４および２４の流れガイドに最も近い点まで延在する。ディスク１４および２４は、砂時計形状の流れガイド近くの部品６１によって互いに接続する。部品１１および２１はリングであり、周辺部近くから軸近くまでディスクの外側に流れないようにする。ディスクとケーシングの間に延在するリングを配置するのにさらに適した第２の場所は、図１および図２に示すように軸近くである。しかし、その部分には図内が混み合っているため、内側のリングには符号をつけない。摩擦があまり大きくない場合は、リングは両方の表面に接触することもあり、潤滑油を追加してもよい。流れが軸近くになる場合は、流は軸に沿って、別のセットのポンプ、たとえばポンプ３０および４０まで流れる。部品１２および２２はリングであり、ディスク１４と部品６０との間の空間、およびディスク２４と部品６０との間の空間に流れが入ることを防ぎ、したがってポンプ１０とポンプ２０との間の移動を防ぐ。これらのリング１２および２２は軸にはるかに近づくこともできるため、接触ごとのトルクを少なくし、リングの長さも短くなる。すべてのディスクは、気体が満たされた空間によって、ケーシングから離間していることに留意されたい。したがって、ディスクに取り付けられ、ディスクの間にある刃、およびディスク自体はほとんど動かない部分であり、ケーシング近くに存在する。ディスクは円形に対称であり、したがってその回転によって、大きな渦電流は生じない。また、ポンプという用語は、本明細書において拡張器に適用することに留意されたい。
【００８８】
もちろん、部品６０は２つの個別の平行な部品でありえる。また、ケーシングも２つ以上の部品で形成されてもよく、部品の間にガスケットを備え、ボルト止めされてもよい。ガスケットは軸５０に平行に延在するため、回転アセンブリ全体が除去され、修復され、交換されえる。
【００８９】
図２は、図１の拡大部分を示し、拡大部分は軸５０の右および中心部分である。図２は、ケーシングが軸５０から離れている点１６を示す。図２はまた、ディスク１３が軸に取り付けられる点１７を示す。図２の左側には、断面Ｅがある。断面Ｅは１セットの軸受を含有し、それによって軸は固定ケーシング内部を回転することができる。軸受のセットおよびそのケーシングは部品８０であり、図９でさらに説明する。この部分はケーシング部品２５にしっかりと接続し、次のセットのポンプ３０および４０の対応する部分にしっかりと接続する。ポンプ３０および４０はポンプ１０および２０と同様に説明することができる。
【００９０】
同一であるように表示されているポンプはサイズ、主にディスク間の距離が異なっていてもよく、それによって作動気体が冷えて縮小できる。また、半径方向の寸法は、圧力低下率を連続するポンプで類似するように保つことができるように異なっていてもよい。作動気体が移動する順序の一例としては、Ｃ、Ｄ、Ａの順に流入し、Ｂで流出してもよい。Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは様々なポンプの断面を指す。単純にするために、ポンプをその断面で表す。別の方法としては、ポンプ３０の周辺部で流入が起こることである。流れは次にポンプ４０の中心に向かい、周辺部に戻る。流れは次にポンプ１０の周辺部に向かう。次に、流れはポンプ２０の中心に向かい、周辺部に戻る。中心は軸に最も近い点である。
【００９１】
別の順序はＡ、Ｂ、Ｃと流入し、Ｄで流出することであろう。第１の順序によって、より長い距離が得られ、（２つのうちの）１つのポンプセットを（２つのうちの）もう１セットの周辺部に接続する。同じ軸上のすべてのポンプロータは時計回りに回転するか、またはすべて反時計回りに回転するため、１つのポンプセットの周辺部で流出する気体は、その周辺部で次のポンプセットに流入する前に１８０度回転する。図３および図４からも、ポンプＤおよびＡまたはＢおよびＣの周辺部での矢印方向を観察することによって、これがわかる。
【００９２】
２つ以上の軸を用いる場合であって、図５のように、両方の軸が時計回りに回転している場合は、気体は、図５に示すように、各軸に１つずつあるポンプの間を移動することができる。回転上の理由から、軸が反対の方向に回転することが好ましい場合は、気体は図６のように移動し、接続することができる。それによって、ＢおよびＤなどの断面内のロータが、気体の慣性回転とは反対である反時計回りに回転する場合であっても、角運動量の維持のために流れは両方とも時計回りに旋回する。４つの軸を用いる場合は、機関は非常に小型であり、セットごとに４つのポンプを持ち、合計でおそらく１６のポンプを持ちえる。４つのポンプからなるセットを図１に示す。断熱的膨張の式を見ると、アルゴンなどの単原子気体と比べて、ＣＯ２などの三原子気体の温度比が全体として同じになるようにするためには、段は４倍であり、４倍の圧力比がかかる。空気は８０％はＮ２であるため、二原子気体の方が関心が高い。Ｎ２などの二原子気体の総温度比が同じになるようにするためには、アルゴンなどの単原子気体と比べて、段は２倍であり、２倍の圧力比をかかる。
【００９３】
たとえば段ごとの圧縮器率に関しては、圧縮器メーカーであるＥｌｌｉｏｔｔ社のウェブサイトを参照されたい。通常の鋼鉄の構造を用いて、アルゴンで６：１の圧縮率または空気で１２：１の圧縮率を実現するには、どれだけの段が必要かは言えないが、Ｅｌｌｉｏｔｔ−ｔｕｒｂｏ社のウェブサイトにはアプリケーションがあり、推奨される段数を算出できる。本出願の段では、作動気体が周辺部から中心に移動するたび、また作動気体が中心から周辺部に移動するたびに、有用な膨張または圧縮を得る。Ｅｌｌｉｏｔ社の設計では、中心から周辺部の通路上のみでの圧縮が得られ、気体は固定チャネルに沿って中心に戻る。十分な段があれば、任意の圧縮率を実現可能である。目標の１つは、各段で温度比を生成し、最終的には２以上の温度比を得ることである。これは５０％の効率引く損失を意味する。膨張率は２：１の温度比を反対の方向に得ることに類似する。ここでも、断熱関係式によると、２：１の温度比を得るためにはアルゴンで６：１の圧力比および空気で１２：１の圧力比が必要となる。
【００９４】
図１は、ポンプおよび「ボール」軸受構造を追加することによって、右または左に拡張することもできることに留意されたい。軸受はボールである必要はないが、シリンダまたは磁気または流体軸受などであってもよい。
【００９５】
図７は図２の改良図であり、１セットの流れガイド１５１が流れガイド５１に代替し、ディスク１４と２４を接続する角の丸い連結部分１６１が連結部品６１に代替している。２つのポンプに共通なケーシングの部分はここでは部品１６０と呼ばれる。改良によって、流れ軸近くを流れる際の圧力損失をかなり少なく抑えられる。
【００９６】
図８では、内部燃焼を利用して加熱気体を生成する機関、または圧縮空気および太陽エネルギを用いて加熱気体を生成する機関を取り上げる。この加熱気体は次に機関の多段拡張器部分に導入される。熱が燃焼によって生じる場合であっても、加熱気体の上部の温度は調整できることに留意されたい。たとえば圧縮された空気が導入される場合は、燃焼に必要とする空気以上を用いると、混合気体が薄い場合などのように、気体を拡張器に導入する前に気体温度を下げることができる。機関効率は温度比によって変化するため、５０％の効率に必要な温度は大気温度の２倍よりも低くなりえる。５０％を超える効率を得るためには、流入温度および膨張段の数を増やしえる。空気を多く加えることによって、実際に効率は増加する。Ｏ２およびＮ２は二原子であり、断熱膨張で同じ温度変化を得るために三原子気体よりも低い圧縮率しか必要としないためである。ＣＯ２およびＨ２Ｏは三原子であり、燃焼の生成物である。一定数の拡張器に対しては、無駄になる熱量は開始温度および終了温度が低いと、はるかに少なくなる。
【００９７】
新規の拡張器についてこれまで説明し、図１から図７までに示した。所望する場合は加熱気体の供給源によって、流れを軸近くに流入させることができる。たとえば、図１では、ポンプ１０を除去し、流れガイド５１の右半分を取り除いてもよい。流れは左に移動し、図８に示すように、流れガイドの残り半分の間の通路に入るようになる。
【００９８】
図８は、図７に対応する新しい中心の図を示す。加熱気体は右から導入されている。図７は図１の中央および右側部分に類似している。図８では、部分１７６および１７５は燃焼気体の供給源または加熱気体の供給源の部品である。供給源１７８は小型の噴射推進機関に類似しえる。または供給源１７８は燃料および空気を噴射する手段を備える単に燃焼室でありえる。または供給源１７８は加圧下で燃焼気体を供給する任意の供給源でありえる。代替的に、供給源１７８は、空気が加圧下で噴射される供給源でありえる。供給源１７８はまた、その内部で太陽光によって、または原子炉または別の手段からの流れを用いる熱交換によって空気が加熱される供給源でありえる。部品１７５はケーシング部品１６０に取り付けられる。ケーシング部品１６０はポンプケーシングの一部である。部品１６０は２つのポンプケーシングの共通の部分であるが、１つのポンプは除去されて燃焼気体の供給源１７８と交換されている。部品１２４はロータの右ディスクである。矢印は燃焼気体が供給源１７８から流れガイド１５１に流入することを示す。とがったスプリッタ１７９は軸に取り付けられ、供給源からガイドへの流れを滑らかにする。部品１７６が追加され、ガイドへの流れを滑らかにし、部品１７５を強い熱から断熱してもよい。図８は機関の一部のみであり、図の左右、上部および底部に向かって継続する。図は主に、燃焼気体が機関に入る方法を示す。
【００９９】
所望する場合は、加熱気体はポンプのうちの１つの周辺部に流入してもよい。周辺部および開口を図３に示す。図３では、流れは周辺部から軸に向かって進む。図３の矢印は図の上部の周辺部で接線方向に流れる流れを示すことに留意されたい。燃焼気体の供給源は図示しないが、ポンプ段の周辺部で管にはっきりとした方法で接続しえる。
【０１００】
加熱圧縮気体が供給され、連続して接続する複数の単段ポンプからなり、前述のように機関で用いられる多段ポンプは本出願のポンプと類似している必要はない。これらの多段ポンプは、Ｅｌｌｉｏｔｔ−ｔｕｒｂｏ社のウェブサイトに示されるポンプに類似していてもよい。Ｅｌｌｉｏｔｔ−ｔｕｒｂｏ社のウェブサイトに示されるポンプは、気体が周辺部に移動する際に膨張するときの移動によってのみ、出力を生成する。Ｅｌｌｉｏｔｔ−ｔｕｒｂｏ社のウェブサイトに示されるポンプは、次の段の前に中心に戻る移動では出力エネルギを生成しない。Ｅｌｌｉｏｔｔ社のウェブサイトに示されるポンプは、圧縮器とも呼ばれるが、圧縮器であって拡張器ではないことにも留意されたい。ただし、圧縮器は逆に少々技術的に処理して拡張器を生成するように用いえる。
【０１０１】
図８から離れる前に、気体は右の軸方向から噴射されるため、つまり流れは軸に平行であり、半径方向の動き、つまり軸に垂直な動きがあったとしても非常に小さいことに言及したい。気体は流れガイド１５１によって誘導され、それによって流れガイドから送り出される気体は、軸方向の動きがほとんどないか全くないが、半径方向のらせん状の動きはかなり大きい。各ガイドは大きな表面区域を有することに留意されたい。グループとしてのガイドは、複数の固く、ほとんど剛性のシートからなる手段として記載することができる。これらのシートは局所的に互いに実質的に平行である。この手段は軸方向の流れを実質的に半径方向のらせん状の流れに変換するという目的をはたしている。
【０１０２】
同様に、図７は、右半分を切り落とす前の流れガイド１５１のセットを示す。切られていない流れガイドは１つのポンプから噴射されて軸に実質的に向かう気体流を変換して、実質的に軸に沿った気体流にし、次にガイドから離れて実質的に第２のポンプの周辺部に実質的に半径方向に向かう気体流にする。この事例のガイドは、複数の固く、ほとんど剛性のシートからなる手段として記載することができる。これらのシートは局所的に互いに実質的に平行である。この手段は実質的に半径方向のらせん状の流れを軸方向の流れに変換し、次に実質的に半径方向のらせん状の流れに変換するという目的をはたしている。移動はまず軸に向かい、最終的には軸から離れる。
【０１０３】
図９は、多くの可能性のある断面Ｅのうち１つを示す。リング８１は、２つのポンプケーシングの間のブリッジ部であり、しっかりとケーシングに取り付けられる。ケーシングも軸に平行なガスケットによって分離されて二等分とされ、ボルト止めされることもあるため、リング８１はリングを二等分したものであってもよい。リング８２はボール軸受の軌道であり、リング８１に取り付けられる。ボール軸受８３は軌道に乗りながら、軸にも接触する。リング８２および軸受８３からなるアセンブリは、現在製造が可能な市販のボール軸受アセンブリに類似する。軸方向および半径方向の力および軸に取り付けられる軌道の種類は、技術者によって選択される。前述したように、磁気軸受も含め、別の種類の軸受アセンブリを用いてもよい。機能をわかりやすく例示するために、用語を示さなくても図が理解できるようにボール軸受を用いて示す。
【０１０４】
次に、多段圧縮器について説明する。図１０および図１１は、図１２に示す多段圧縮器のポンプ段の部分を示す断面図である。多段圧縮器全体は図１の多段拡張器に類似している。図１０および図１１は以下の点を除いて図３および図４と同じであることに留意されたい。流れおよび回転矢印の方向が異なり、余分の刃は周辺部に追加されていない。また、図の説明文も異なる。余分の刃を追加してもよい。図１２は、多段圧縮器用のポンプケーシング、流れガイドおよび羽根ではなく、ディスクを支持する羽根を示す。したがって、図１２は図１とほとんど同一であるが、断面を表す文字が異なる。
【０１０５】
次に遠心圧縮器について説明する。遠心圧縮器の中には、既存技術と同様に、中心から周辺部に向かって流れるものもある。一方、新規の技術では、遠心圧縮器は周辺部から中心に向かう流れを有するものもある。圧縮器の主な寄与は、圧縮機が機械エネルギを気体内のエネルギに変換することであり、つまり、一部は圧縮器を流れる気体の大気圧以上の圧力エネルギに、一部は熱エネルギに、一部は流速エネルギに変換することである。多くの場合、気体の温度は、圧縮器を出入りする間隔の間に上昇する。多くの場合、気体は圧縮器内で収縮するため、圧縮器と呼ばれる。
【０１０６】
図１２は、操作可能な、簡潔化したバージョンの連続した１セットの遠心圧縮器を示す。圧縮器または拡張器のどちらでも同じ部分を用いることができるため、符号は図１と同じである。ポンプ１０およびポンプ２０は２つの遠心ポンプである。この事例では、ポンプは圧縮器である。ポンプは流れの観点から、軸５０近くの中心で砂時計形状の流れガイド５１間の通路によって接続する。流れガイドは軸と共に回転し、不図示の支持体によって互いに接続する。支持体は最も近い流れガイドの間を延在し、流れの回転を維持するために用いることができるが、用いなくてもよい。一部の支持体はまた、軸から最も近い流れガイドまで延在する。図２は図１２の右中心の拡大図である。図７は図２の改良版であり、より良い流れガイドを示す。
【０１０７】
図１０および図１１の矢印はポンプ１０の周辺部から来る流の流れ方向を示す。この流れは流れガイド５１に沿って流れ、ポンプ２０の周辺部まで到達する。図１０および図１１は、それぞれ図１２の断面Ｊ、断面Ｋを示す。ディスク１３および１４に取り付けられるらせん状の羽根、およびディスク２３および２４に取り付けられるらせん状の羽根もまた、図１０および図１１にそれぞれ示す。ディスク１３および２３は軸５０に取り付けられ、軸５０と共に回転する。ディスクおよび流れガイドの羽根のすべての回転方向は、図１０の中心近くおよび図１１の中心近くの小さい矢印で示すように、反時計回りである。ディスク１３および２３は軸５０に取り付けられるため、ディスク１３および２３は流れガイド５１と同じ速度で回転する。たとえば、ディスク１３は点１７に取り付けられる。ディスク１３および２３から羽根によって伝達される回転によって、ディスク１４および２４は回転する。この羽根は刃と呼ばれることもある。刃は１つのディスクから別のディスクに延在し、したがって、軸近くから周辺部近くまで延在する。
【０１０８】
流れガイドの間隔を狭くすることで乱流が抑えられ、研究によって、最適な間隔が測定されている。流体通路の曲線の半径と、流れガイド間の間隔との割合が１０：１であると非常に適切である。図１は軸５０を中心として対称であるため、底部の部分の符号は上部の部分の符号と同じである。図１のポンプケーシングおよびその別の態様の説明は図１２にも当てはまる。
【図１】
2016503857.tif 000003
【図２】
2016503857.tif 000004
【図７】
2016503857.tif 000005
【図８】
2016503857.tif 000006
【図９】
2016503857.tif 000007
【図１２】
2016503857.tif 000008
【図３】
2016503857.tif 000009
【図４】
2016503857.tif 000010
【図５】
2016503857.tif 000011
【図６】
2016503857.tif 000012
【図１０】
2016503857.tif 000013
【図１１】
2016503857.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月11日(2013.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段遠心拡張器であって、拡張器として用いられる連続した少なくとも１セットの遠心ポンプを備え、
前記セットの第１の部材から流出する流れの多くは、最終的には前記セットの第２の部材に流入し、前記セットの各部材は流出する流れの全て、または大部分を最後の部材になるまで次の部材に送り、
前記セットの少なくとも１つのポンプでは、内部を流れる流れの大部分が内側にらせん状に、周辺部の近くから前記セットの前記１つのポンプのロータの軸の近くまで流れ、
手段によって、前記ロータが通過する空間の外部から流入する前記流れの実質的にすべての回転軸の角速度を前記ロータの前記角速度と同じ方向にし、前記２つの方向は時計回りと反時計回りであり、前記２つの角速度はそれぞれ相当な大きさであり、
前記連続した遠心ポンプのセットの少なくとも１つの別のポンプでは、内部を流れる流れの大部分が外側にらせん状に、別のポンプの前記ロータの前記軸の近くから別のポンプの前記周辺部の近くまで流れ、
前記別のポンプは、前記別のポンプの前記ロータが通過する前記空間のわずかに外側に近隣して、前記別のポンプの前記回転軸の回りの前記流れのほとんどの前記角速度をロータ羽根の角速度に対して反対方向にし、前記２つの方向は時計回りおよび反時計回りであり、前記流れおよび前記ロータ羽根の２つの前記角速度はそれぞれ相当の大きさであり、それぞれが前記回転軸の回りにあるが、前述のように反対方向である、多段遠心拡張器。
【請求項２】
前記少なくとも１つのポンプの前記ロータおよび前記少なくとも１つの別のポンプの前記ロータは前記同じ軸上にある、請求項１に記載の多段遠心拡張器。
【請求項３】
前記拡張器は、高温気体の膨張を利用して熱エネルギを機械運動エネルギに変換する、請求項１に記載の多段遠心拡張器。
【請求項４】
圧縮器として用いられる１セットの連続した遠心ポンプを備える多段遠心圧縮器であって、
前記セットの第１の部材から流出する流れの多くは、最終的には前記セットの第２の部材に流入し、前記セットの各部材は流出する流れの全て、または大部分を最後の部材になるまで次の部材に送り、
前記連続する遠心ポンプのセットの少なくとも１つのポンプでは、内部を流れる流れの大部分が内側にらせん状に、周辺部の近くから前記セットの前記１つのポンプのロータの回転軸の近くまで流れ、
手段によって、前記ロータが通過する空間の外部から流入する前記流れのほとんどの前記回転軸の角速度は、前記ロータの前記角速度とは反対方向になり、前記２つの方向は時計回りと反時計回りであり、２つの角速度はそれぞれ相当な大きさであり、
前記連続した遠心ポンプのセットの少なくとも１つの別のポンプでは、内部を流れる流れの大部分が外側にらせん状に、別のポンプの前記ロータの前記軸の近くから別のポンプの前記周辺部の近くまで流れ、
前記別のポンプは、前記別のポンプの前記ロータが通過する前記空間のわずかに外側に近隣して、前記別のポンプの前記回転軸の回りの前記流れの前記角速度をロータ羽根の角速度に対して同じ方向にし、前記２つの方向は時計回りおよび反時計回りであり、流れおよびロータ羽根の２つの前記角速度はそれぞれ相当の大きさであり、それぞれが前記回転軸の回りにあるが、前述のように同じ方向である、多段遠心圧縮器。
【請求項５】
前記少なくとも１つのポンプの前記ロータおよび前記少なくとも１つの別のポンプの前記ロータは前記同じ軸上にある、請求項４に記載の多段遠心圧縮器。
【請求項６】
高温気体の膨張を利用して熱エネルギを機械運動エネルギに変換するために用いられる機関であって、前記機関は、
多段遠心拡張器を備え、
加圧下の高温気体を前記拡張器に導入する手段をさらに備え、前記導入された気体は前記拡張器を通過後に前記機関を離れる、機関。
【請求項７】
前記加圧下の高温気体は燃焼によって生成される、請求項６に記載の機関。
【請求項８】
前記加圧下の高温気体は、たとえば太陽熱など外部供給源からの熱による熱交換器を使用して生成される、請求項６に記載の機関。
【請求項９】
加圧下の高温気体は、拡張器ポンプの前記周辺部よりも前記拡張器ポンプの前記軸の近くで、前記多段遠心拡張器外部から前記多段拡張器に導入される、請求項６に記載の機関。
【請求項１０】
加圧下の高温気体は、拡張器ポンプの前記軸よりも前記拡張器ポンプの前記周辺部の近くで、前記拡張器外部から前記多段拡張器に導入される、請求項６に記載の機関。
【請求項１１】
熱エネルギと運動エネルギとを変換する装置であって、前記装置の例は熱ポンプおよび機関であり、前記装置は、
拡張器として用いられる１セットの遠心ポンプを備える多段遠心拡張器と、
流出する流れのほとんどは、前記セットの第１の部材から前記セットの第２の部材に流入し、前記セットの各部材は流出する流れのすべて、またはその大部分を、最後の部材になるまで次の部材に送る、流出する流れと、
前記セットの少なくとも１つのポンプでは、内部を流れる流れの大部分が内側にらせん状に、周辺部の近くから前記セットの前記１つのポンプのロータの回転軸の近くまで流れるポンプと、
前記ロータが通過する空間の外部から流入する前記流れの実質的にすべての回転軸の角速度を前記ロータの前記角速度と同じ方向にする手段であって、前記２つの方向は時計回りと反時計回りであり、前記２つの角速度は互いに相当な大きさである手段と、
前記連続した遠心ポンプのセットの少なくとも１つの別のポンプであって、内部を流れる流れの大部分が外側にらせん状に、別のポンプの前記ロータの前記軸の近くから別のポンプの前記周辺部の近くまで流れる別のポンプと、
前記別のポンプであって、前記別のポンプの前記ロータが通過する前記空間のわずかに外側に近隣して、前記別のポンプの前記回転軸の回りの前記流れのほとんどの前記角速度をロータ羽根の角速度に対して反対方向にし、前記２つの方向は時計回りおよび反時計回りであり、流れおよびロータ羽根の２つの前記角速度はそれぞれ相当の大きさであり、それぞれが前記回転軸の回りにあるが、前述のように反対方向である別のポンプと、
を備え、
前記装置はさらに、多段遠心圧縮器を備える、装置。
【請求項１２】
拡張器として用いられる前記連続した遠心ポンプのセットの前記ロータは、前記同じ軸上にある、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
拡張器として用いられる前記連続した遠心ポンプのセットの前記ロータおよび前記多段遠心圧縮器の前記ロータは、すべて前記装置内の前記気体の流れに囲まれ、前記流れは一方向流であり、場合により、少なくとも１つの遠心ポンプを通じる連通経路を用いて、前記流れのすべての部分は互いに連通する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
熱エネルギと運動エネルギとを変換する装置であって、前記装置の例は熱ポンプおよび機関であり、前記装置は、
圧縮器として用いられる１セットの連続した遠心ポンプを備える多段遠心圧縮器と、
流出する流れのほとんどは、前記セットの第１の部材から前記セットの第２の部材に最終的に流入し、前記セットの各部材は流出する流れのすべて、またはその大部分を、最後の部材になるまで次の部材に送る、流出する流れと、
前記連続する遠心ポンプの前記セットの少なくとも１つのポンプであって、内部を流れる流れの大部分が内側にらせん状に、周辺部の近くから前記セットの前記１つのポンプのロータの回転軸の近くまで流れるポンプと、
前記ロータが通過する空間の外部から流入する前記流れの前記回転軸のほとんどの角速度を前記ロータの前記角速度と反対の方向にする手段であって、前記２つの方向は時計回りと反時計回りであり、前記２つの角速度は互いに相当な大きさである手段と、
前記連続した遠心ポンプのセットの少なくとも１つの別のポンプであって、内部を流れる流れの大部分が外側にらせん状に、別のポンプの前記ロータの前記回転軸の近くから別のポンプの前記周辺部の近くまで流れるポンプと、
前記別のポンプであって、前記別のポンプの前記ロータが通過する前記空間のわずかに外側に近隣して、前記別のポンプの前記回転軸の回りの前記流れの前記角速度をロータ羽根の角速度に対して同じ方向にし、前記２つの方向は時計回りおよび反時計回りであり、流れおよびロータ羽根の２つの前記角速度はそれぞれ相当の大きさであり、それぞれが前記回転軸の回りにあるが、前述のように同じ方向であるポンプと、
を備え、
前記装置はさらに、多段遠心拡張器を備え、
前記多段遠心圧縮器からの前記流出のほとんどは、最終的には前記多段遠心拡張器に入る、装置。
【請求項１５】
圧縮器として用いられる前記連続した遠心ポンプのセットの前記ロータは、前記同じ軸上にある、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
圧縮器として用いられる前記遠心ポンプのセットの前記ロータおよび前記多段遠心拡張器の前記ロータは、すべて前記装置内の前記気体の流れによって囲まれ、前記流れは一方向流であり、少なくとも１つの遠心ポンプを通じる連通経路を場合により用いて、前記流れのすべての部分は互いに連通し、
前記多段遠心拡張器からの前記流出のほとんどは、最終的には前記多段遠心圧縮器に入る、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
１セットの流れガイドを備える装置であって、前記ガイドはほぼ剛性の固体であり、ロータを有する大型の装置の一部であり、
前記ガイドは、軸に実質的に平行であり、前記ロータの前記軸に垂直な流れがほとんどない状態と、前記流れが前記軸の回りで実質的にらせん状である状態との間で気体の流れの方向を変化させることに役立ち、
前記ガイドを用いて、前記流れガイドが除去されて前記流れが用いるチャネルが少なくなる場合よりも、少ない渦電流しか起こらないように前記流れの方向を変更する、
装置。
【請求項１８】
前記流れガイドのセットは実質的にシート状である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記流れガイドのセットは大部分において、最も近接するガイドに局所的、実質的に平行である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記流れガイドのセットは、前記気体の好ましい流れ線に局所的に平行に延在する１セットの管に類似する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記流れガイドのセットは、前記軸に取り付けられ、したがって前記軸と一緒に回転する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記気体の流れは、まずらせん状に実質的に前記軸に向かい、前記流れガイドのセットの領域に入り、前記流れガイドは前記らせん状の動きを軸方向の動きに変換することに役立ち、前記軸方向の動きは、明らかに前記軸に実質的に平行である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記気体の流れは、まず実質的に前記軸に平行な軸方向の動きであり、
次に、前記流れは前記流れガイドのセットに入り、流れガイドのセットは、前記軸に実質的に平行な前記軸方向の動きを、実質的にらせん状で前記軸から離れる動きに変換することに役立つ、請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
前記気体は、まずらせん状に実質的に前記軸に向かい、前記流れガイドのセットに入り、前記流れガイドは前記らせん状の動きを、前記軸に平行な軸方向の動きに変換することに役立ち、
さらに、前記軸に実質的に平行な前記軸方向の気体の動きを、実質的にらせん状で前記軸から離れる動きに変換することに役立ち、
互いに連通する流れの一部は、場合により、少なくとも１つの遠心ポンプを通じて連通する経路を用いる、請求項１７に記載の装置。
【国際調査報告】
2016503857.tif 000015
2016503857.tif 000016
2016503857.tif 000017