(57)【要約】      エンジンが、エアフォイル形セクションを備えた最適に配置された揚抗比ブレードを使用して流体内にパワーを伝達することによってトルクを与える。流体は、液体またはガスであってもよい。エンジン構成、流体密度、流体圧力および流体温度のさまざまな考察が、高性能を達成するように調整されることができる設計パラメータである。作り出される流体流れが、例えば、出力駆動軸の回転運動を駆動するのに用いられることができる。【選択図】  図１ａ
2012503141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンであって、
互いに接続される第１部分および第２部分に分けられる内部スペースを含むハウジングと、
前記内部スペースを充填する作動流体と、動作中に、前記第１部分と前記第２部分との間に流れる前記作動流体を維持する流体構造体と、
一組のブレードが出力構造体を回転させる出力構造化上にトルクを作り出すように前記出力構造体を連結するために、前記流体流れの循環経路の前記内部スペース内に配置される前記出力構造体および前記一組のブレードと、を備えるエンジン。
【請求項２】
前記一組のブレードが１を超える揚抗比を備えた空力であり、および、前記揚力が前記トルクを作り出すのに用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記出力構造体が駆動軸を含み、および、前記一組のブレードが前記駆動軸に連結される、ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記出力構造体が前記ハウジングを含み、および、前記一組のブレードが前記ハウジングに連結される、ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
前記一組のブレードが、前記出力構造体上の前記トルクを制御するように調整可能である、ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項６】
エンジンであって、
中心部および前記中心部に接続される１つ以上の拡張チャンバを有する内部スペースを含むハウジングと、
動作中に、作動流体が中心部を通して前記拡張チャンバに流れ込む、前記内部スペースを充填する前記作動流体と、
前記拡張チャンバ上にトルクを作り出し、それによって前記ハウジングを回転させるように向けられる一組の空力ブレードの揚力を備えた前記拡張チャンバ内の前記一組の空力ブレードと、を備え、そして、前記ハウジング回転が前記拡張チャンバを通して前記作動流体を動かす遠心力を前記作動流体上に作り出す、ことを特徴とするエンジン。
【請求項７】
少なくとも１つの拡張チャンバが、前記作動流体がそれを通して流れる前記中心部への接続部の反対側の前記拡張チャンバの一端にノズルを含む、ことを特徴とする請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
各ノズルが、前記作動流体を第２の組のブレードに向ける、ことを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【請求項９】
エンジンであって、
内部スペースを含むハウジングと、
前記内部スペースを充填する作動流体と、
動作中に、前記作動流体に螺旋形流体流れを有させる流体構造体と、
一組の螺旋ブレードが出力構造化上でトルクを作り出し、それによって出力構造体を回転させるように前記出力構造体を連結するために、前記流体流れの循環経路の前記内部スペース内に配置される前記出力構造体および前記一組のブレードと、を備えるエンジン。
【請求項１０】
前記ハウジングがチューブ状であり、そして、前記出力構造体が前記ハウジングを含み、および、前記一組の螺旋ブレードが前記ハウジングに連結される、ことを特徴とする請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
エンジンであって、
互いに接続される第１部分および第２部分に分けられる内部スペースを含むハウジングと、
前記内部スペースを充填する作動流体と、
動作中に、前記ハウジングに対して静止であって、かつ前記作動流体角速度を使用して前記第１部分と前記第２部分との間の前記作動流体流れを増大する流体構造体と、
前記ハウジング上で出力を作り出す、前記作動流体流れ内の１枚以上のブレードと、を備えるエンジン。
【請求項１２】
前記流体構造体がプロペラを含むことを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記流体構造体がディフューザを含むことを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１４】
動作中に、温度差が前記第１部分と前記第２部分との間に作り出され、前記温度がようにする、ことを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１５】
エンジンであって、
作動流体を密封するハウジングであって、パワーソースから熱エネルギを受け取る前記ハウジングと、
前記熱エネルギを受け取るように連結される前記ハウジング内の第１ゾーンと、
前記ハウジングから離れて熱を放散させる前記ハウジング内の第２ゾーンであって、動作中に前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間に温度差が作り出されるようにする、第２ゾーンと、
出力構造体および各々１を超える揚抗比を有する前記ハウジング内の一組の空力ブレードと、を備え、前記作動流体動きによって前記一組の空力ブレードから生成される揚力が、前記出力構造体を回転運動に設定する、ことを特徴とするエンジン。
【請求項１６】
前記一組の空力ブレードが、前記一組の空力ブレードによって生成される前記揚力を制御するように調整可能である、ことを特徴とする請求項１５に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は（特許文献１）に関連してその優先権を主張し、それを、本願明細書に引用したものとする。本出願は、さらに、（特許文献２）にも関連する。これらの出願の両方を全体として本願明細書に引用したものとする。
【０００２】
米国を指定国とする場合、本出願は上記（特許文献１）の継続出願である。
【０００３】
本発明は、エネルギ変換装置に関する。特に、本発明は流体運動を通して機械エネルギを有効な仕事に効率的に伝達するエンジンに関する。
【背景技術】
【０００４】
熱機関は、異なる温度のゾーンの間で流体流れが生じる熱エネルギを有効な仕事に変換することによって動作する。代表的な熱機関は、熱エネルギを使用して一組のピストンの調整された往復動式の動きまたは一組のタービンブレードの回転運動を駆動する。ピストンまたはブレードの動きは、機械または発生機を駆動する。
【０００５】
従来技術において、熱機関動作用の可動部品がハウジング内に密封され、外部の部品に（例えば駆動軸によって）機械的に連結されて外部の機械を駆動する。
【０００６】
翼およびエアフォイルが、それらの形状を活用して流体（例えば空気）内のそれらの運動における空力の利点を得る。多くの翼およびエアフォイル設計が、オンラインＵＩＵＣエアフォイルデータベース、およびさらに多くの現代的なエアフォイルを含む多くの供給源から入手可能である。
【０００７】
全米航空諮問委員会（ＮＡＣＡ）は、種々の翼設計を設計して試験し、系統的組の表で結果を公表した。これらの結果が今日なお有効であり、多くの用途に対して翼を設計する際に使われることができる。この表は、それを通して流れる流体のエアフォイル迎角に基づいてエアフォイルに対する揚力および抗力係数を与える。これらの係数を使用して、揚力および抗力が以下の等式を使用して算出されることができる：
１）揚力＝１／２ＣｌρＶ２Ａ
２）抗力＝１／２ＣｄρＶ２Ａ
ここでＣｌは揚力係数、Ｃｄは抗力係数、ρは流体の密度、Ｖは流体に対するエアフォイルの速度であり、および、Ａはエアフォイルの表面積である。
【０００８】
抗力に対する揚力の比率（Ｌ／Ｄ比率）が、エアフォイルまたはブレード設計の効率を比較するのに用いられる。抗力に対する揚力の比率（Ｌ／Ｄ比率）が、特定の流体特性による特定の迎角でのエアフォイルまたはブレード設計の揚力創成の効率に対する尺度として使われる。
【０００９】
Ｑの吐出量、流体圧力Ｐｐｒｅｓ、および理論的圧力ヘッドＨＴを有するポンプを駆動するのに必要な最小の入力パワーＰｉｎは、Ｐｉｎ＝ＱＰｐｒｅｓ＝ＱρｇＨＴで与えられる。オイラーのターボ機関関係式が、一組の回転ブレードから作り出される圧力ヘッドを決定するのに用いられることができ、圧力ヘッドは、以下で与えられる：
ＨＴ＝（ｕ２Ｖ２ｃｏｓα２−ｕ１Ｖ１ｃｏｓα１）／ｇ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許本出願第１２／２３５，３９５号、名称「高められた効率を備えた流体エンジン」、２００８年９月２２日出願、
【特許文献２】米国特許本出願第１０／９６３，２７４号、名称「スターリングエンジン原理を使用した電気および機械力の発生のための方法およびシステム」、２００４年１０月１２日出願
【発明の概要】
【００１１】
［発明が解決しようとする課題］
［課題を解決するための手段］
本発明の一実施態様によれば、エンジンが、トルクを作り出すように最適に配置された揚抗比空力ブレードを使用して流体内にパワーを伝達することによって効率を与える。流体は、液体またはガスであってもよい。エンジン構成、ブレード位置、ブレード形状、ブレードの揚抗比、ブレード角、流体密度、流体圧力、流体経路、流体運動および流体速度のさまざまな考察が、高性能を達成するように調整されることができる設計パラメータである。作り出される流体流れが、例えば、出力駆動軸の回転運動を駆動するのに用いられることができる。
【００１２】
本発明は、図面とともに下記の詳細な説明の考察でよりよく理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１ａ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジン１００の断面を示す。
【図１ｂ】流体構造体１０２および半径方向ブレード１０６を示すように分割される上部１０４および下部１２０を備えた、流体エンジン１００の断面である。
【図１ｃ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジン１５０の断面を示す。
【図１ｄ】ハウジング１１０なしで、図１の流体エンジン１００の可動部品を示す斜視図である。
【図２】ハウジング１６０なしで、図１ｃの流体エンジン１５０を示す斜視図である。
【図３ａ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジン３００の斜視図を示す。
【図３ｂ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジン３００の第２の図を示す。
【図４】本発明の一実施態様に従って、流体エンジン４００の斜視図を示す。
【図５】図４の流体回転式エンジン４００を組み込む流体エンジン５００の斜視図を示す。
【図６ａ】軸方向に配置されて中心点のまわりにトルクを作り出すブレード６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃおよび６０１ｄの向きを示す。
【図６ｂ】半径方向に配置されて中心点のまわりにトルクを作り出すブレード６１１ａおよび６１１ｂを示す。
【図７ａ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジンに用いられるのに適している螺旋ブレード７６６ａおよび７６６ｂを示す。
【図７ｂ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジンに用いられるのに適している螺旋ブレード組７０８を示す。
【図７ｃ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジンに用いられるのに適している螺旋ブレード７６７ａおよび７６７ｂを示す。
【図８ａ】本発明の一実施態様に従って、流体エンジン８００の断面図を示す。
【図８ｂ】流体エンジン８００の螺旋ブレード８０２ａの断面図を示す。
【図８ｃ】流体エンジン８００の流体構造体８２０を示す。
【００１４】
図の間で相互参照するのを容易にするために、同様な要素は同様な参照番号を割り当てられている。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
流体エンジンは、流体エネルギを機械エネルギに変換する装置である。本発明の流体エンジンは、ブレードを横切る作動流体運動に抵抗する流体抵抗からの空力ブレード上の揚力ゲインを活用することによって動作し、流体エンジンのトルクを作り出す。ブレード上の揚力は、流体抵抗からの流体によるエネルギ損失から生じる。揚力は、流体エンジンの可動部品を動かし始めるトルクを作り出し、それによって流体エンジンを動作させる。１０の揚抗比（Ｌ／Ｄ比率）を備えた空力ブレードは、揚力が流体抵抗の１０倍であることを意味する。本発明では、流体エンジンに流れ込む流体は、１つ以上のガスまたは１つ以上の液体であってもよい。
【００１６】
本発明の一実施態様に従って、図１ａは流体エンジン１００の断面を示す。図１ａに示すように、エンジン１００は、上部１０４および下部１２０を含むハウジング１１０を含む。流体は一般的に、流体エンジン１００内部で入力駆動軸１０１から流体にパワーを伝達するためにハウジング１１０内に密封され、それは、次に、流体エンジン１００内に配置されるブレードの揚力を作り出してトルクを作り出す。このトルクによって誘導される動きが、出力駆動軸１１３に出力パワーを供給する。流体構造体１０２が、入力駆動軸１０１および半径方向ブレード組１０６を含む。入力駆動軸１０１は半径方向ブレード組１０６を回転させるように外部的に駆動され、それが流体回転速度およびハウジング１１０内部の圧力を増大する。流体構造体１０２の回転を容易にする適切な軸受を収容するようにスペース１０３が設けられる。セパレータ構造体１１１は、軸方向ブレード１０８をその上に設けたトロイダル構造体である。流体の動きに起因する軸方向ブレード１０８上の揚力が、流体エンジン１００のトルク出力を供給する。セパレータ構造体１１１は、環状形エアフォイルブレードであってもよい。本実施態様において、セパレータ構造体１１１は重さを減少させて、制御要素の配置のための余地を与える中空の内側（スペース１０７）である。軸方向ブレード１０８は、好ましくはエンジン効率に対して好ましくは１をかなり超える揚抗比を有する空力ブレードである。軸方向ブレード１０８は、セパレータ構造体１１１の外側部分に沿って配置されて、および、各々流体流れからのトルク創成を最大化するように向けられて出力駆動軸１１３を駆動する。
【００１７】
半径方向ブレード１０６の回転運動は、流れが軸方向ブレード１０８の各々上に最適「迎角」で作り出されるように、半径方向に流体を駆動する遠心力を作り出し、顕著な量のトルクを与えてセパレータ構造体１１１を回転させる。図１ａに示すように、セパレータ構造体１１１は支持要素１１２で構造的に支えられてベース１０９を支持する。支持ベース１０９が、作動流体流れを制御するために使われることができる。支持要素１１２は、トルク創成のための（エアフォイル形セクションを備えた）ブレードを備えていることができる。代わりとして、別の組のブレードが支持要素１１２の代わりに設けられて追加のトルクを与えることができる。セパレータ１１１の動きが支持要素１１２によって伝達され、支持ベース１０９、および支持ベース１０９に取り付けられる出力駆動軸１１３の回転運動を駆動する。軸受１１４が、出力駆動軸１１３の回転の軸方向安定性を確実にする。一実施態様において、軸方向ブレード１０８がハウジング１１０の内部の壁に構造的に取り付けられ、および、軸受１１４が除去される。動作中に、作動流体は軸方向ブレード１０８を横切って流れてトルクを作り出し、それが、ハウジング１０１を所定の方向に回転させる。エンジン１００の回転運動は、ハウジングに対して外部に連結される駆動軸またはギア構造体を通して機械を駆動するのに用いられることができる。
【００１８】
動作中に、流体構造体１０２は流体循環での抗力および摩擦に起因する流体圧力損失を補うのに充分な流体圧力を供給する。流体構造体１０２を出る流体は、軸方向ブレード１０８の回転速度以上の回転速度（すなわち、角速度およびそれゆえに、角運動量）を有して流体エンジン１００の効率を最大化することができる。軸方向ブレード１０８によって生成されるトルクの合計は、出力駆動軸１１３での軸トルクに寄与する。エンジン効率は、それらの揚抗比を活用して作り出されるトルクを最大化するために、流体流れが好ましい迎角で各ブレードに働くように、軸方向ブレード１０８を向けることによって向上されることができる。支持要素１１２またはセパレータ１１１に連結される他のブレード組が、また、出力駆動軸１１３に対するトルクに寄与することができる。
【００１９】
ブレード１０６および入力駆動軸１０１を含む、上部１０４内に設置される流体構造体１０２は、作動流体を周辺流体スペース１３１の方へ機械的に、かつ、半径方向に外へ駆動するように設計されている。流体構造体１０２は、ブレード組１０６の構成および流体エンジン１００の用途に従い、インペラ、ポンプ、圧縮機、ファンまたはブロワとして機能することができる。一実施態様において、流体構造体１０２は、作動流体が流体エンジン１００内に流れ込むためのエネルギをブレード組１０６が供給するように、調整可能ブレードまたはブレード構成を有することができる。エンジン１００内に達成される軸トルクは、流体構造体１０２によってポンピングされる流体の量を調整することによって制御されることができる。
【００２０】
本発明に従って、流体内に作り出される力は、使用される流体の密度によって増大する。したがって、より高い流体密度（例えば液体）は所定の出力パワーを作り出すのにより低い流体速度要件に結びつく。入力パワー要件は、流体密度と流体速度との間のトレードオフに基づいてシステム設計中に考慮すべき事柄である。流体速度および流体粘性によって増大する摩擦に起因する流体圧力損失およびハウジング要件もまた、ガスおよび液体のどちらかを選択するときに、考慮されなければならない。
【００２１】
図１ｂは、流体構造体１０２および半径方向ブレード１０６を示すように分けられる上部１０４および下部１２０を備えた、流体エンジン１００の断面である。
【００２２】
本発明の一実施態様に従って、図１ｃは流体エンジン１５０の断面を示す。流体エンジン１５０のハウジング１６０は、上部１６４および下部１７０を含む。流体が軸方向ブレード１０８、ブレード組１６６ａおよび１６６ｂを駆動して出力駆動軸１０１のトルクを作り出すように、流体は一般的に、入力駆動軸１１３からパワーを伝達するためにハウジング１６０内に密封されてエンジン１５０内のブレード組２０３によって流体を動かす。流体構造体１０９は、入力駆動軸１１３およびブレード組２０３を含む。入力駆動軸１１３はブレード組２０３を回転させるように外部的に駆動され、それがハウジング１６０内の流体回転速度および圧力の両方を増大する。ブレード組２０３の回転運動は、中心流体スペース１３０を通して上部１６４に流体を駆動し、かつ、周辺流体スペース１３１を通して下部１７０に、次いで中心流体スペース１３０へと戻る、回転流体流れを作り出す。
【００２３】
図１ｃにおいて、流体エンジン１５０が、例だけとして、半径方向ブレード１０６なしでその代わりに、上部１６４および下部１７０にセパレータ１１１を固定する支持要素としてブレード組１６６（それは、上部１６４内のブレード組１６６ａおよび下部１７０内のブレード組１６６ｂを含む）が設けられて示される。セパレータ構造体１１１は、軸方向ブレード１０８、ブレード組１６６ａおよび１６６ｂをその上に設けたトロイダル構造体である。セパレータ構造体１１１は、軸方向ブレード１０８の一部であってもよい。加えて、セパレータ１１１はまた、任意選択である。本実施態様において、セパレータ構造体１１１は重さを減少させて、制御要素の配置のための余地を設ける中空の内側（スペース１０７）である。ブレードの１つ以上の追加の環が、追加のトルクのために設けられることができる。反作用ブレードが、ブレード組１６６内に使われてトルクを作り出すことができる。ブレード組１６６ａまたは１６６ｂは、螺旋形状ブレードを有することができる。好ましくは軸方向ブレード１０８、ブレード組１６６ａおよび１６６ｂは、好ましくは１をかなり超える揚抗比を有する空力ブレードである。ブレード組１６６ａおよび１６６ｂが、流体エンジン１５０の支持要素として設けられることができる。ブレード組１６６ａおよび１６６ｂは、出力駆動軸１０１に連結される。ブレード組１６６ａおよび１６６ｂは、反作用種類ブレードであってもよい。一実施態様において、軸方向ブレード１０８、ブレード組１６６ａおよび１６６ｂの１つがハウジング１６０の内部の壁に構造的に取り付けられ、および、軸受１０３が除去される。動作中に、作動流体が軸方向ブレード１０８を横切って流れ、ハウジング１６０を所定の方向に回転させるトルクを作り出す。エンジン１６０の回転運動は、ハウジングに外部的に連結される駆動軸またはギア構造体を通して機械を駆動するのに用いられることができる。
【００２４】
一実施態様において、ブレード組１６６ａ、１６６ｂおよび軸方向ブレード１０８が回転運動で出力駆動軸１０１を推進して流体エンジン１５０の機械力出力を伝達する。出力駆動軸１０１は、１つの方向に優先的に回転する。軸方向ブレード１０８、ブレード組１６６ａおよび１６６ｂが、流体構造体１０９によって生成される流体流れ圧力の結果として、回転する。別の実施態様によれば、流体が軸のまわりの回転運動で流れるように、流体エンジン１５０内部のブレードが回転して作動流体内に渦を作り出す。作動流体の速度が、ブレードを動きに入れ、したがって、有効な仕事をする。出力駆動軸１０１の回転運動のトルクが、機械を駆動するのに用いられることができる。
【００２５】
図１ｄは、ハウジング１１０なしで、図１ａの流体エンジン１００の可動部品を示す斜視図である。
【００２６】
図２は、ハウジング１６０なしで、図１ｃの流体エンジン１５０を示す斜視図である。図２に示すように、２つの組のブレード１６６ａおよび１６６ｂ、周辺の１つの組の軸方向ブレード１０８および流体構造体１０９上に設けられるブレード組２０３が、ハウジング１１０内に設けられる。好ましくは、軸方向ブレード１０８は１をかなり超える揚抗比を有する空力ブレードであり、および、ブレード組１６６ａおよび１６６ｂは反作用または空力ブレードである。
【００２７】
流体エンジン１５０において、流体構造体１０９はブレードの３つの組（すなわちブレード１６６ａおよび１６６ｂならびに軸方向ブレード１０８）のいずれか内の速度から独立の速度で回転する。入力駆動軸１１３は、ブレード組２０３を通り抜ける。ブレード組２０３が流体エンジン１５０のパワー出力によって駆動されるときに、ギアが特定の比率でブレード組２０３の回転速度を流体エンジン１５０の出力回転速度に設定するのに用いられることができる。歯数比を適切に設定することによって、ブレード組２０３は流体エンジン１５０を定期的に動作させるのに十分なパワーを生成することができる。しかしながら、ブレード組２０３が外部的に駆動されるときに、ギアは必要でなく、その結果、流体構造体１０９の回転速度は外部ドライバまたはエンジンの回転速度によって設定される。一実施態様において、流体構造体１０９がブレードの組の構成および流体エンジンの用途に従いポンプ、プロペラ、圧縮機、ファンまたはブロワによって与えられることができる。
【００２８】
一実施態様において、流体構造体（例えば流体構造体１０２または１０９）は流体エンジン内のどこでも位置して望ましい流体流れを作り出すことができる。複数の流体構造体またはブレードの組が設けられ、流体を駆動してブレード上で仕事をすることができる。流体エネルギ損失を減少させるために、流体構造体を駆動する何の機械入力パワーも存在しないとき、流体構造体はブレードが流体経路から引き込められる（例えば、駆動軸周辺で平らに折り重ねられる、または、ハウジング１１０の内部の壁に沿って整列する）ことができる１つ以上の機構を含むことができる。一実施態様において、流体構造体が外部機械力供給源によって連続的に駆動される必要がないように、流体構造体内のブレードが、回転なしで回転流体を高圧流体に変換するディフューザとして機能することができる。
【００２９】
流体構造体内のブレードが、コイルばねによって駆動されて流体を回転させることができる。一実施態様において、流体エンジンの出力駆動軸から作り出されるトルクが入力駆動軸へ伝達されて流体構造体を駆動することができる。トルクを作り出すブレードが、流体通路を形成することができる。各ブレードが、ブレードによって生成されるトルクを制御するように調整可能でもよい。調整は、迎角を制御することによってまたはブレードを傾けることによって実現されることができる。流体エンジン１００または１５０が、回転流体エンジンであるように構成されることができる。
【００３０】
本発明の一実施態様に従って、図３ａは流体回転式エンジン３００の斜視図を示す。図３ａに示すように、流体回転式エンジン３００は流体チャンバ３０７を密封するハウジング３０６を含む。流体チャンバ３０７は、それぞれ、上部３０１ｕ、３０２ｕ、３０３ｕおよび３０４ｕならびに下部３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂおよび３０４ｂから構成される４つの拡張チャンバ３０１−３０４に開いている。上で論じられる流体エンジンの流体構造体のいずれか（例えば流体エンジン１００または１５０）が、流体チャンバ３０７内に設けられてもよい。図３ａには、流体構造体１０９がブレード組２０３を含み、および、入力駆動軸１１３が示される。流体構造体１０９は、流体チャンバ３０７から拡張チャンバ３０１−３０４の上部３０１ｕ、３０２ｕ、３０３ｕおよび３０４ｕまで、および、拡張チャンバ３０１−３０４の下部３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂおよび３０４ｂを通してチャンバ３０７に戻って流れる流体循環を作り出す。動作中に、拡張チャンバ３０１−３０４は密封される。空力ブレード３０５が各拡張チャンバ内にあり、拡張チャンバ３０１−３０４の回転を生じさせ、出力駆動軸１０１を駆動するトルクを作り出す流体流れを使用するように適切に向けられる。本発明の一実施態様に従って、図３ｂは流体回転式エンジン３００の第２の図を示す。図３ｂに示すように、空力ブレード３０５が上部３０１ｕ、３０２ｕ、３０３ｕおよび３０３ｕ内に向けられて、ならびに下部３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂおよび３０４ｂ内に向けられてトルクが出力駆動軸１０１上の拡張チャンバ３０１−３０４によって作り出されることができる。流体エンジン３００は、戻りの流体上で遠心力の影響を減少させる高トルク、遅い回転用の設計である。本発明では、流体構造体１０９はブレードの組の構成および流体エンジンの用途に従いポンプ、プロペラ、インペラ、圧縮機、ファンまたはブロワによって与えられることができる。
【００３１】
本発明の一実施態様に従って、図４は流体回転式エンジン４００の斜視図を示す。流体回転式エンジン４００は、アーム４０４ｌおよび４０４ｒおよび中心部４０４ｃから構成され、ならびに、連続流体チャンバ４０３を形成するハウジング４０４を含む。流体回転式エンジン４００は、出力駆動軸１１３またはアーム４０４ｌもしくはアーム４０４ｒの回転によって作り出される遠心力によって流体（ガスまたは液体）循環を始めるオープンシステムである。遠心力は、流体を中心部４０４ｃに引き入れる。動作中に、流体は中心部４０４ｃに流れ込んで、遠心力によってチャンバ４０３のアーム４０４ｌおよび４０４ｒの方へ外側に動いて、ノズル４０１ａおよび４０１ｂで出る。揚抗比空力ブレード３０５が流体チャンバ４０３内に設けられ、流体流れからトルクを作り出すように向けられて、中心部４０４ｃに取り付けられる回転機構（それゆえに、出力駆動軸１１３での出力パワー）を駆動する。トルクが、また、ノズル４０１ａおよび４０１ｂを通して出る流体によって（すなわち流体がノズル４０１ａおよび４０１ｂを出るにつれてノズル４０１ａおよび４０１ｂ上の反作用力によって）作り出される。流体回転式エンジン４００は密封された流体チャンバによってクローズドシステムとして構成されることができ、中心部４０４ｃが流体を中心部４０４ｃに引き寄せるように下方へ配置されることができる。
【００３２】
本発明の一実施態様に従って、図５は流体回転式エンジン５００の斜視図を示す。流体回転式エンジン５００は、オープンシステムである。図５に示すように、流体回転式エンジン５００は出力駆動軸１０１および１１３を駆動するようにシステム内にトルクを与える。流体回転式エンジン５００は、上部５０２ａおよび下部５０２ｂを含む。下部５０２ｂは、図４の流体エンジン４００のような、オープンシステム種類流体エンジンによって設けられることができる。流体エンジン５００の下部５０２ｂ内のノズル４０１ａおよび４０１ｂを通して流体チャンバ４０３から出る流体が、出力駆動軸１０１を駆動する追加のトルクを与えるように上部５０２ａ内の軸方向ブレード５０１を駆動するように向けられる。駆動軸１０１および駆動軸１１３は、反対方向に回転する。流体回転式エンジン５００は、密封された流体チャンバを備えたクローズドシステムとして構成されることができる。ガス状の流体が、加圧されることができる。
【００３３】
図６ａは、軸方向に配置され、トルクを作り出すように向けられる空力ブレードを示す。図６ａにおいて、流体流れ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃおよび６０４ｄから示唆されるように、ブレード６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃおよび６０１ｄを有するブレード組６０１が軸方向に流れる流体から駆動軸６０５上にトルクを作り出すように設置される。各揚力が作り出されるトルクを最大化するように（すなわち回転軸に対して垂直に）向けられる所で、ブレード６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃおよび６０１ｄがそれぞれ揚力６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄを作り出すように配置される。空力ブレード組６０１を横切って流れる流体に起因する流体抵抗６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃおよび６０３ｄが、空力ブレード組６０１によって生成されるトルクを作り出す流体力である。各ブレードと流体流れ（すなわちブレード６０１ａおよび流体流れ６０４ａ）との間の角速度差が、各ブレードの迎角を決定する。それらの迎角がゼロ以上であるように、ブレード６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃおよび６０１ｄが配置される。例えば、駆動軸６０５から半径６０６ａ（Ｒ）に位置するその揚力６０２ａ（ＬＦ）、流体抵抗６０３ａ（ＤＦ）を有し、かつ、ＬＤの揚抗比を有するブレード６０１ａで、ブレード６０１ａによって作り出されるトルクは、ＬＦ＊Ｒ＝ＤＦ＊ＬＤ＊Ｒによって近似されることができる。したがって、ＬＤが１より大きいときに、ブレード６０１ａは流体力（流体抵抗６０３ａ）より大きい力を使用してトルクを作り出す。同様に、ブレード６０１ｂ、６０１ｃおよび６０１ｄは各々流体力より大きい力を使用してトルクを生成する。
【００３４】
図６ｂは、半径方向に配置されてトルクを作り出す空力ブレードを示す。図６ｂにおいて、流体流れ６１４ａおよび６１４ｂによって示唆されるように、ブレード６１１ａおよび６１１ｂは半径方向に外へ流れる流体から回転軸６２０の回りにトルクを作り出すように設置される。ブレード６１１ａおよび６１１ｂは、それぞれ揚力６１２ａおよび６１２ｂならびにそれぞれ流体抵抗６１３ａおよび６１３ｂを作り出すように配置される。上記した軸方向に配置されたブレードの様に、ブレード６１１ａおよび６１１ｂが１を超える揚抗比を有する場合、ブレード６１１ａおよび６１１ｂは流体力より大きい力を使用してトルクを生成することができる。流体が半径方向に外へ流れるにつれて、流体は角運動量保存に起因して減少した角速度を有する。流体角速度のこの変化は、ブレード６１１ａおよび６１１ｂのような、半径方向に沿って向けられるブレードによって生成される揚力および流体抵抗に影響を及ぼす場合がある。ブレード６１１ａおよび６１１ｂの前縁６１５ａおよび６１５ｂのような、半径方向に向けられたブレードの前縁の角速度より、中心でより高速の角速度を備えた流体を有することは、これらの影響を減少させることができる。高いキャンバを有するエアフォイルセクションを使用するかまたは複数の組のより短いブレードを使用するブレードもまた、これらの影響を減少させることができる。
【００３５】
本発明では、流体がブレードを横切って流れるときに、１を超える揚抗比を備えたブレードが流体抵抗より大きい揚力を生成することができる。ブレードは、トルク創成のためにブレードを横切って流体を動かすのに必要な力より大きい力を生成するように密封エンジン内に配置されることができる。
【００３６】
別の実施態様によれば、流体エンジン７００が流体エンジン１５０の構造体を変更することによって設けられる。具体的には、流体エンジン７００は螺旋ブレード７６６ａおよび７６６ｂで流体エンジン１５０のブレード組１６６ａを置き換え、螺旋ブレード組７０８で流体エンジン１５０の軸方向ブレード１０８を置き換え、かつ螺旋ブレード７６７ａおよび７６７ｂで流体エンジン１５０のブレード組１６６ｂを置き換えることによって達成される。螺旋ブレード７６６ａおよび７６６ｂが、図７ａ内に示される。同様に、それぞれ、螺旋ブレード組７０８ならびに螺旋ブレード７６７ａおよび７６７ｂが図７ｂおよび７ｃ内に示され、流体エンジン７００は図１ｃに示すように回転流体流れを有し、流体構造体１０９はブレード組２０３および入力駆動軸１１３を含む。入力駆動軸１１３はブレード組２０３を回転させるように構成され、流体を螺旋ブレードのカーブしている方向と反対方向に動くように駆動する。一実施態様において、ブレード組２０３はブレード組２０３がプロペラとして機能するように調整可能であることができる空力ブレードを有する。したがって、流体とブレード組２０３内のブレードとの間の相対的角速度の差異が、流体圧力の増大を決定する。
【００３７】
螺旋流体エンジン７００が動き出すときに、入力駆動軸１１３がブレード組２０３を回転させ、流体に中心流体スペース１３０を通して上方へ上部１６４に動くように強制する。上部１６４内のブレード７６６ａおよび７６６ｂが、流体を入力駆動軸１１３回転と反対方向に回転するように強制する。回転流体は、上部１６４から周辺スペース１３１に流れ、そこで図７ｂに示すように、軸方向ブレード１０８が流体を螺旋状に下方へ下部１７０に流れ込ませる。流体が中心流体スペース１３０に内部へ動くにつれて、下部１７０内のブレード７６７ａおよび７６７ｂが流体角速度を増大する。螺旋流体流れによって生成される揚力から出力駆動軸１０１上にトルクを作り出すように設計されている、それぞれ、図７ａ、７ｂおよび７ｃ内のブレード７６６ａ、７６６ｂ、７０８、７６７ａおよび７６７ｂが、流体と同じ回転方向に回転する。流体が上記した方法で循環し続けるにつれて、中心流体スペース１３０内の流体角速度を含む、流体角速度が増大し、その結果、流体とブレード組２０３との間の相対的角速度もまた増大する。流体循環を保つように流体圧力を増大するのに充分な相対的角速度差が流体とブレード組２０３との間にある限り、ブレード組２０３の角速度は減少されることができる。ブレード組２０３が流体循環を維持するのに充分な流体圧力増大を生成したのにつれて、流体が特定の角速度に到達すると、ブレード組２０３は静止にされることができる（すなわち、入力駆動軸１１３は回転しない）。
【００３８】
本発明のもう１つの実施態様によれば、図８ａに示すように、流体エンジン８００が、作動流体を密封するチューブハウジング８０１、流体構造体８２０および螺旋ブレード８０２ａおよび８０２ｂを含む螺旋ブレード組８０２を含む円形チューブである。チューブハウジング８０１は、支持要素８１２を通して出力駆動軸８１１に連結される。流体構造体８２０は、チューブハウジング８０１の内部の壁に沿って作動流体を螺旋形経路８１０に圧入する。螺旋ブレード組８０２は、螺旋形流路８１０に沿って流れる作動流体から作り出される揚力８０３ａおよび８０３ｂのようなブレード揚力によって、出力駆動軸８１１を駆動するチューブハウジング８０１を回転させるようにトルクを作り出す。螺旋ブレード８０２ａを示す図８ｂから、流体流れ８１０ａは螺旋ブレード８０２ａを螺旋状に横切って前縁８０５ａから螺旋ブレード８０２ａを横切って後縁８０６ａに到達するまで流れる。螺旋ブレード８０２ａによって作り出される揚力は、螺旋ブレード８０２ａを横切って作動流体経路に沿って流体抵抗８０４ａによってページ内に示される方向にある。螺旋ブレード組８０２内のブレード８０２ａおよび８０２ｂは、１を超える揚抗比を有するように設計されている。
【００３９】
図８ｃにおいて、流体構造体８２０は入力駆動軸８２１に取り付けられる軸方向ブレード組８２２、および、チューブハウジング８０１の内部の壁に取り付けられる静止プロペラ８２３を含む。入力流体流れ８１０ｂが流体構造体８２０に入ったあと、入力駆動軸８２１が入力流体流れ８１０ｂの回転速度を増大するように軸方向ブレード組８２２を駆動する。軸方向ブレード組８２２を出る作動流体は、作動流体循環を内部のハウジング８０１の回りに保つために、作動流体圧力を増大するように作動流体角速度を使用する静止プロペラ８２３を通して流れる。出力流体流れ８１０ｃが、静止プロペラ８２３を通して流れた後に流体構造体８２０を出る。
【００４０】
一実施態様において、ブレードパラメータの調整は迎角、表面積上の調整を可能にするように実現され、および、Ｌ／Ｄ比率またはブレードによって生成される揚力を最大化するのに十分な範囲で回転させることができる。トルクを作り出すブレードが、トルク創成を最大化するように流体流向、流体速度および流体運動を参照する際に傾けられ調整されることができる。ブレードは、水平な動き、上下、および回転を有するように調整されることができる。流体エンジンのスラスト出力は、ブレード参照領域、迎角を変更することによって最大化されることができる。
【００４１】
本発明の一実施態様において、トルクを作り出すブレードが流体エンジンのハウジングの内部の壁に連結され、流体エンジンのハウジングが回転する。上で議論したように、流体エンジン１００および流体エンジン１５０が回転式エンジンであることができる。回転式エンジンの回転運動は、スラストまたはトルクを作り出すのに用いられることができる。トルクを作り出すブレードはトルク創成が達成されることができる所で、どこでも設置されることができる。もう１つの実施態様では、流体エンジンのハウジング内部のブレードが、作動流体が横切って流れるための連続的または不連続な、密封されたまたは密封されない流路を形成することができる。流体流れを駆動するための流体構造体が、各流路内に使われることができる。
【００４２】
最適迎角および高い揚抗比でブレードを横切って流れる作動流体は、ブレードによって作り出されるトルクを最大化することができる。流体エンジンを運転するパワー出力の量は、流体構造体の外部への流れと内部への流れとの間の流体角速度差である。
【００４３】
図で示すブレードは、本発明の概念を最もよく実証するように配置される。これらの図は、ゼロ迎角を有する空力ブレードおよびまっすぐな他のブレードを示す。ブレード幾何学形状および位置は、流体流れ経路、流体運動、流体速度および、最も大きな揚抗比を作り出すブレード迎角を含む多くのエンジン設計パラメータに依存している。
【００４４】
翼、エアフォイル形状のセクションを備えたブレードおよびエアフォイルは、本出願において空力効果を備えた物体を意味する。空力効果を備えた任意の物体が、本発明を実現するのに適していることができる。本発明によれば、ブレードの組の構成および流体エンジン用途に従い、流体構造体（駆動軸および一組のブレードを有する構造体）によって動かされる流体エンジン内部の作動流体はインペラ、プロペラ、ポンプ、圧縮機、ファンまたはブロワとして機能することができる。この種の流体構造体のいくつかの例は、流体エンジン１００の流体構造体１０２、流体エンジン１５０の流体構造体１０９および流体エンジン３００の流体構造体１０９である。一実施態様において、流体構造体のブレード組が周辺流体スペース１３１内に設置されることができる。
【００４５】
本発明では、トルクを作り出すブレードおよび流体を動かすブレードが、同じ駆動軸に連結されることができる。本発明では、トルクを作り出すブレードおよび流体を動かすブレードが、流体エンジンの同じ内部構造体上に連結されるかまたは配置されることができる。
【００４６】
一実施態様において、ガスが流体エンジン内に循環する作動流体として使われる。流体エンジン内部の流体循環は、熱エネルギによって駆動されることができる。流体エンジンは、１つ以上の領域の中で加熱して、１つ以上の領域の中で冷却することによって熱エネルギを回転機械エネルギに変換することができる。流体エンジンは、したがって、温度差を維持して流れ循環を保つことができる。
【００４７】
本発明のもう１つの実施態様によれば、温度差を備えた流体エンジン内の２つの領域を備えた、熱エネルギによって駆動される熱機関もまた、前述したように空力ブレードを使用することから恩恵をうけることができる。熱機関内部の２つの領域間の温度差が、機関内に流体循環を保つのに用いられる。熱機関によって生成されるトルクが、本発明に従って流体エンジンと類似の構成でブレードの１つ以上の空力の組を横切って流れる作動流体によって作り出されることができる。
【００４８】
熱エネルギを使用して駆動される熱機関１０００が、流体エンジン１００の構造体を変更することによって作成される。流体エンジン１００の流体構造体１０２（入力駆動軸１０１および半径方向ブレード１０６を含む）が、上部１０４内に１つ以上の加熱領域および下部１２０内に１つ以上の冷却領域によって置換される。上部１０４内の半径方向空力ブレード１０６および下部１２０内の一組の同様の空力ブレードが設けられ、トルクを作り出すことができる。セパレータ１１１が、上部１０４内の加熱領域と下部１２０内の冷却領域との間の断熱体として使われる。上部１０４内部の作動流体が、周辺流体スペース１３１の方へ外側に動いて、そして下部１２０を通して周辺流体スペース１３１から中心流体スペース１３０まで移動して流体流れの循環を形成する。トルクが、軸方向ブレード１０８、半径方向空力ブレード１０６、支持要素１１２（空力効果を備えたブレードでもよい）およびトルクを生成するのに寄与するように構成される任意の空力ブレードを横切って流れる作動流体によって作り出される。
【００４９】
一実施態様において、熱機関１０００が、中心流体スペース１３０の方へ内部に動いて、中心流体スペース１３０を通して下部１２０に動いて、周辺流体スペース１３１を通して下部１２０から上部１０４まで移動する上部１０４内の流体循環を有する。空力ブレードが任意の適切な位置に配置され、熱機関１０００のトルクを作り出すことができる。一実施態様において、熱機関１０００が作動流体を上部１０４から周辺流体スペース１３１を通して下部１２０まで回転させ、および、下部１２０から、軸方向ブレード１０８および半径方向空力ブレード１０６の回転の結果として、中心流体スペース１３０を通して上部１０４まで回転させる。上部１０４から下部１２０への回転流体流れが、下部１２０から上部１０４への回転流体流れによって作り出される上方流を取り囲む下方流を作り出す。回転流体流れは、螺旋流体流れを誘導することができる。
【００５０】
一実施態様において、熱エネルギによって駆動される熱機関１５００が、流体構造体１０９を任意選択にして、上部１６４内に１つ以上の加熱領域および下部１７０内に１つ以上の冷却領域を加えることによって流体エンジン１５０を変更することによって作成されることができる。軸方向空力ブレードが中心流体スペース１３０内に向けられることができ、半径方向空力ブレード１６６ａおよび１６６ｂが上部１６４および下部１７０内に別々に配置され、トルクを作り出すことができる。流体構造体１０９が含まれるときに、ブレード組２０３が調整可能で、流体エンジン７００などでプロペラとして機能することができる。
【００５１】
一実施態様において、熱エネルギによって駆動される熱機関３０００が、拡張チャンバ３０１、３０２、３０３および３０４の周辺部分内の加熱機構によって流体エンジン３００の流体構造体１０９（入力駆動軸１１３およびブレード組２０３を含む）を置換して、流体チャンバ３０７の下部内に冷却機構を設けることによって作成されることができる。熱機関３０００内の温度差によって、熱機関３０００の回転によって作り出される遠心力によって下部３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂおよび３０４ｂの方へ外側に流体チャンバ３０７の下部から流体流れが生じる。流体は次いで、熱機関３０００の回転運動によって作り出される遠心力によって上部３０１ｕ、３０２ｕ、３０３ｕおよび３０４ｕの方へ流れる。流体は、拡張チャンバ３０１、３０２、３０３および３０４の周辺部分内に拡大して、上部３０１ｕ、３０２ｕ、３０３ｕおよび３０４ｕを通して流体チャンバ３０７へ戻って移動する。流体が熱機関３０００を横切って流れて、回転するときに、空力ブレード３０５がトルクを作り出す。
【００５２】
加熱と冷却要素が、空力ブレード、支持要素、セパレータまたはハウジング内部の構造体内に埋め込まれ、トルク創成の揚力を最大化するために流体の速度および流体の密度を変えることができる。流体容積制御機構が、空力ブレードの流体速度を変更するのに用いられることができる。
【００５３】
上の詳細な説明は、本発明の特定の実施態様を例示するために提供されて、限定することを目的としない。本発明の有効範囲内の多数の修正および変更が、可能である。本発明は、添付の請求の範囲に記載される。
【符号の説明】
【００５４】
１００  流体エンジン
１０１  入力駆動軸  ハウジング  出力駆動軸
１０２  流体構造体
１０３  スペース  軸受
１０４  上部
１０６  半径方向ブレード組
１０７  スペース
１０８  軸方向ブレード
１０９  支持ベース  流体構造体
１１０  ハウジング
１１１  セパレータ構造体
１１２  支持要素
１１３  出力駆動軸  入力駆動軸
１１４  軸受
１２０  下部
１３０  中心流体スペース
１３１  周辺流体スペース
１５０  流体エンジン
１６０  ハウジング
１６４  上部
１６６、１６６ａ、１６６ｂ  ブレード組
１７０  下部
２０３  ブレード組
３００  流体回転式エンジン
３０１−３０４  拡張チャンバ
３０１ｕ、３０２ｕ、３０３ｕ、３０４ｕ  上部
３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂ、３０４ｂ  下部
３０５  空力ブレード
３０６  ハウジング
３０７  流体チャンバ
４００  流体回転式エンジン
４０１ａ、４０１ｂ  ノズル
４０３  流体チャンバ
４０４  ハウジング
４０４ｌ、４０４ｒ  アーム
４０４ｃ  中心部
５００  流体回転式エンジン
５０１  軸方向ブレード
５０２ａ  上部
５０２ｂ  下部
６０１  ブレード組
６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄ  ブレード
６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ  揚力
６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄ  流体抵抗
６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ、６０４ｄ  流体流れ
６０５  駆動軸
６０６ａ  半径
６１１ａ、６１１ｂ  ブレード
６１２ａ、６１２ｂ  揚力
６１３ａ、６１３ｂ  流体抵抗
６１４ａ、６１４ｂ  流体流れ
６１５ａ、６１５ｂ  前縁
６２０  回転軸
７００  流体エンジン
７０８  螺旋ブレード組
７６６ａ、７６６ｂ  螺旋ブレード
７６７ａ、７６７ｂ  螺旋ブレード
８００  流体エンジン
８０１  チューブハウジング
８０２  螺旋ブレード組
８０２ａ、８０２ｂ  螺旋ブレード
８０３ａ、８０３ｂ  揚力
８０４ａ  流体抵抗
８０５ａ  前縁
８０６ａ  後縁
８１０  螺旋形経路
８１０ａ  流体流れ
８１０ｂ  入力流体流れ
８１０ｃ  出力流体流れ
８１１  出力駆動軸
８１２  支持要素
８２０  流体構造体
８２１  入力駆動軸
８２２  軸方向ブレード組
８２３  静止プロペラ
１０００  熱機関
１５００  熱機関
３０００  熱機関
【図１ａ】
2012503141.tif 000003
【図１ｂ】
2012503141.tif 000004
【図１ｃ】
2012503141.tif 000005
【図１ｄ】
2012503141.tif 000006
【図２】
2012503141.tif 000007
【図３ａ】
2012503141.tif 000008
【図３ｂ】
2012503141.tif 000009
【図４】
2012503141.tif 000010
【図５】
2012503141.tif 000011
【図６ａ】
2012503141.tif 000012
【図６ｂ】
2012503141.tif 000013
【図７ａ】
2012503141.tif 000014
【図７ｂ】
2012503141.tif 000015
【図７ｃ】
2012503141.tif 000016
【図８ａ】
2012503141.tif 000017
【図８ｂ】
2012503141.tif 000018
【図８ｃ】
2012503141.tif 000019
【国際調査報告】
2012503141.tif 000020
2012503141.tif 000021
2012503141.tif 000022
2012503141.tif 000023
2012503141.tif 000024