JP6823649B2 - せん断流ターボ機械装置 - Google Patents

Description

本開示は、せん断流タービンおよびせん断流ポンプを含む、せん断流ターボ機械装置（ｓｈｅａｒ ｆｌｏｗ ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅｓ）に関する。

せん断流ターボ機械装置、または単にせん断流装置は、ロータを取り囲むチャンバーを有するハウジングを含む。ロータはシャフトに結合され、かつシャフトの回転と一緒に回転する、離間した複数のディスクを含む。ハウジングのチャンバーは、ロータの寸法に厳密に適合する内部寸法を有する。せん断流装置は、せん断流タービンおよびせん断流ポンプを含む。

せん断流タービンでは、ノズルが、流体ジェットをディスクの方へ、ディスクの縁に対しては接線方向でありかつシャフトに対しては垂直方向に、方向付ける。流体ジェットはディスクの回転を引き起こし、流圧および流体の流れを力学的回転エネルギーに変換する。

せん断流ポンプでは、シャフトが回転されて、ロータの回転しているディスクが、チャンバー内の流体にせん断力を加えるようにする。せん断力は、遠心力に起因して、シャフトから外向きに動く流体の円形の流れを生成する。このようにして、せん断流ポンプは、力学的回転エネルギーを流圧および流体の流れに変換する。

少なくとも一部には、他のタイプのタービンおよびポンプと比較して効率が低いことに起因して、せん断流装置の商業的利用は限られていた。

せん断流ターボ機械装置の改良が望まれている。

本発明の一態様は、空洞を規定するハウジング壁を有するハウジングと、空洞の端部のハウジング壁にあるシャフト開口部を通って空洞内へと延在するシャフトと、空洞内でシャフトに結合されたロータであって、ロータは、ロータの中心軸から半径方向外向きに延在する複数のディスクを有し、ディスクは、隣接するディスク間に間隙を形成する離間配置構成を有している、ロータと、ロータを囲うシュラウドであって、ロータの対向する両端部に結合された１対の端部ディスクを含むシュラウドと、１対の端部ディスクの外縁間に延在するスクリーンであって、ロータとハウジング壁との間でロータの周りに延在するスクリーンとを含む、せん断流ターボ機械装置であって、シュラウドは、ロータの回転とは無関係に、自由に回転可能であり、空洞が流体で満たされかつシャフトおよび複数のディスクが回転されているときに、ハウジング壁に起因する、に対する抗力を低減させる、せん断流ターボ機械装置を提供する。

本発明の別の態様は、第１の円錐形状の空洞を規定する第１のハウジング壁を有する第１のハウジングと、第１の空洞の第１の端部における第１のハウジング壁にある第１のシャフト開口部を通って第１の空洞内へ延在する第１の端部を有する第１のシャフトと、第１のシャフトの第１の端部に結合された第１の円錐形状のロータであって、第１の円錐形状のロータは、第１のロータの中心軸から半径方向外向きに延在する複数のディスクを含み、ディスクは、隣接するディスク間に間隙を形成する離間配置構成を有している、第１の円錐形状のロータとを含む、第１のせん断流段を含む、せん断流ターボ機械装置であって、ディスクは、ディスクの直径が、ロータの第１の端部からの距離が長くなるにつれて大きくなるように、配置されて、ロータが、第１の円錐形状の空洞の円錐形状と全体的に適合する円錐形状を有するようにする、せん断流ターボ機械装置を提供する。

以下の図面は、同様の参照符号が同様の部分を示す実施形態を説明する。実施形態は、例として示され、および添付図面に限定されるものではない。

図１Ａは、従来技術によるせん断流ポンプの底断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す、従来技術のせん断流ポンプの側断面図である。 図２Ａは、従来技術によるせん断流タービンの底断面図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す従来技術のせん断流タービンの側断面図である。 図３は、実施形態によるせん断流ポンプの切り欠き斜視図である。 図４Ａは、図３に示す実施形態によるせん断流ポンプの一部分の拡大断面図である。 図４Ｂは、図３に示す実施形態の代替的な実施形態によるせん断流ポンプの一部分の拡大断面図である。 図５は、実施形態によるせん断流装置の切り欠き斜視図である。 図６は、図５に示す実施形態によるせん断流装置のロータ用のディスクの平面図である。 図７は、図５に示す実施形態によるせん断流装置のロータおよびエンドキャップの斜視図である。 図８は、図５に示す実施形態によるせん断流装置のハウジングの切り欠き斜視図である。 図９は、図５に示す実施形態によるせん断流装置のロータ、コレクタープレナム用空洞、およびノズルプレナム用空洞の斜視図である。 図１０Ａは、実施形態によるせん断流装置のロータ用の代替的なディスクの平面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａに示す実施形態によるディスクのための様々な***の端面図である。 図１１は、実施形態による多段せん断流装置の切り欠き斜視図である。 図１２Ａは、図１１に示す実施形態による多段せん断流装置のコレクタータービンの斜視図である。 図１２Ｂは、一部分を切り欠いた、図１２Ａに示すコレクタータービンの斜視図である。 図１３は、別の実施形態によるせん断流装置用のロータの断面図である。 図１４は、別の実施形態によるせん断流装置用のロータの断面図である。 図１５は、実施形態による二段せん断流装置の切り欠き斜視図である。 図１６Ａは、図１５に示す実施形態による二段せん断流装置のロータの斜視図である。 図１６Ｂは、図１５に示す実施形態による二段せん断流装置のロータの斜視図である。

下記で、せん断流タービンおよびせん断流ポンプおよびせん断流コンプレッサを含む、せん断流ターボ機械装置について説明する。いくつかのせん断流装置はせん断流ポンプと称し得るが、せん断流ポンプは、ポンプまたはコンプレッサのいずれかとして用いられ得ることが理解される。図示を簡潔におよび明瞭にするために、図面間で参照符号を繰り返して使用し、対応するまたは類似の要素を示し得る。多くの詳細は、本明細書で説明する例の理解をもたらすために、明記される。例は、これらの詳細を用いなくても、実施され得る。他の場合には、周知の方法、手順、および構成要素が、説明する例を曖昧にするのを回避するために、詳細には説明されない。説明は、本明細書で説明する例の範囲を限定するとはみなされない。

図１Ａおよび図１Ｂは、従来技術によるせん断流ポンプ１００の例を示す。せん断流ポンプ１００は、ハウジング１０２、ロータ１０４、およびシャフト１０６を含む。

ハウジング１０２は、ハウジング前壁１１０およびハウジング後壁１１２を含み、これらは、内側空洞１１４および外側空洞１１５を規定する。ロータ１０４は内側空洞１１４内に設置される。ロータ１０４は、シャフト１０６から半径方向に延在する複数のディスク１０８を含む。

シャフト１０６は、ハウジング壁１１０、１１２にある開口部１１６、１１８を通ってハウジング１１０を通過する。シャフト１０６は、ハウジング１０２の外部にあるモータまたはジェネレータ（図示せず）に接続され得る。シャフト１０６は、モータまたはジェネレータに、直接、またはギヤやベルトなどを介して、接続され得る。

ディスク１０８は、シャフト１０６上で離間されて、隣接するディスク１０８間に、流体が通過するための間隙１２０を形成し得る。隣接するディスク１０８間の間隔は、スペーサ１２２によって提供される。ポンプ１００内のスペーサ１２２は、ディスク１０８間でシャフト１０６に配置された平丸ワッシャー（ｒｏｕｎｄ ｗａｓｈｅｒｓ）であるが、他のタイプのスペーサ１２２を用いてもよい。ディスク１０８は、ディスク１０８間の間隙１２０内を流れるために、流体が軸方向入口１１７を通って入るための通路を提供するアパーチャ１２３を含む。

図１に示すせん断流ポンプ１００のディスク１０８は平面的であるが、ディスクではなく複数の円錐体を含む、代替的なせん断流ポンプが提案されている。従来技術の円錐体は、図１Ａに示すように垂直に延在するのではなく、シャフトからある角度をなして外向きに延在する標準的なディスクからなっており、全てが同じ外径を有する一連の円錐体を形成する。

ハウジング１０２は、コレクター１２４およびディフューザ出口１２６に使用される渦形室を形成するような形状にされる。コレクター１２４は、ディフューザ出口１２６を経由して流出する流体を、ディスク１０８から接線方向に収集する。

ポンプの他の例では、矩形横断面の出口が含まれ得る。矩形横断面の出口はまた、せん断流装置をタービンおよびポンプとして二重目的で利用するのを容易にするために、入口として使用されてもよく、タービンとして利用されるときの流体の流れの方向は、装置がポンプとして利用されるときの流れの方向に対して逆方向にされる。

出口１２６は流速調整器（図示せず）に結合されており、ディスク１０８間のトルク条件および流速条件を制御することによってポンプ１００の効率を高めるために、ポンプ１００の内側空洞１１４内の圧力を調整し得る。

動作中、シャフト１０６は、例えばモータやタービン（図示せず）からの、外部から加えられるトルクによって回転される。シャフト１０６の回転によってディスク１０８の回転を引き起こす。流体が、外側空洞１１５を通ってポンプ１００に入り、および軸方向入口１１７を経由して内側空洞１１４に入る。流体は、ディスク１０８にあるアパーチャ１２３を通って間隙１２０内へと流れる。

回転しているディスク１０８は、粘性せん断に起因して、間隙１２０内にある流体に力を加え、流体を円運動に引き込む。流体の運動量および円運動によって、流体を螺旋経路でディスク１０８の外縁の方へ外向きに流す。流体は、ディスク１０８の外縁において間隙１２０から出て、およびディスク１０８の縁に対して接線方向において、内側空洞１１４によって規定されたコレクター１２４内へと流入する。流体が間隙１２０から流出する速度は、ディスク１０８の外縁の速度とほぼ等しいとし得る。コレクター１２４では、流体の流れの速度は遅くなり、および流体の静圧は高まる。流体は、出口１２６を経由してポンプから出る。

ここで図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、従来技術によるせん断流タービン２００が示されている。せん断流タービン２００は、内側空洞２０８および外側空洞２１０を規定する前壁２０４および後壁２０６を有する、ハウジング２０２を含む。出口２１１が、内側空洞２０８と外側空洞２１０との間の流体の流れを促す。シャフト２１２が、前壁２０４にある開口部２１４、および後壁２０６にある開口部２１６を通過する。

内側空洞２０８内にロータ２１７が設置される。ロータ２１７は、内側空洞２０８内で、シャフト２１２から半径方向に延在する複数のディスク２１８を含む。ディスク２１８の直径はほぼ等しい。隣接するディスク２１８間のスペーサ２２０が、シャフト２１２上でディスク２１８を離間させて間隙２２２を形成し、そこに流体が流れ得る。図２Ｂに示すスペーサ２２０は、「Ｙ」字形状のスペーサである。ディスク２１８はアパーチャ２２４を含み、これらアパーチャは、間隙２２２と外側空洞２１０との間に流体が流れるための通路を提供する。

タービン２００は、流体ジェットを、シャフト２１２の縦軸に対して垂直な方向にあるディスク２１８の外縁２２５上で接線方向に方向付けるための、第１のノズル２２６および第２のノズル２２８を含む。第１のノズル２２６は、図２Ｂに示すように、ディスク２１８およびシャフト２１２の時計方向の回転を引き起こすために用いられる。第２のノズル２２８は、図２Ｂに示すように、ディスク２１８およびシャフト２１２の反時計方向の回転を引き起こすために用いられる。

図２Ａおよび図２Ｂに示すノズル２２６、２２８は、矩形断面を備える楔状のノズルである。楔状ノズル２２６、２２８は、ノズル出口２３０、２３２の方へ向かって横断面が減少して、流体がノズル２２６、２２８を強制的に通されるときに流体ジェットの速度が高速になって、高速の流体ジェットがノズル出口２３０、２３２を通って出るようにする。

動作中、高圧流体が、例えば、第１のノズル２２６を通ってタービン２００に入る。流体は、ノズル２２６を通過するときに加速し、ディスク２１８の縁２２５において接線方向に方向付けられた高速流体ジェットとして、ノズル出口２３０から出る。流体ジェットは、ディスク２１８の縁２２５に衝突し、かつ間隙２２２内へと入って、粘性せん断によってディスク２１８を引きずり、および流体の運動量をディスク２１８に与えて、ディスク２１８の回転を引き起こす。ディスク２１８の回転によってシャフト２１２にトルクを生じ、流体の圧力および運動エネルギーをシャフト２１２の力学的回転エネルギーに変換する。流体は、間隙２２２を通って螺旋経路においてシャフト２１２の方へ移動する。流体は、アパーチャ２２４を通り、および出口２１１を経由して外側空洞２１０内へ流れ、そこで、流体はタービン２００から出る。

動作中、発電機またはコンプレッサによってシャフト２１２に加えられるトルクは、タービン２００の流速を調整しかつタービン２００の効率を高めるために、修正され得る。その代わりに、またはそれに加えて、流速は、ノズル内への流れを制御することによって、またはタービンから流出する流速を制御することによって、またはそれら双方によって、調整され得る。

ポンプ１００およびせん断流タービン２００などのせん断流装置では、ディスク間の間隙のサイズは、せん断流装置の効率を高めるように、調節され得る。一部の非常に高粘度の流体を除いて、一般に、ディスク間の間隙は、ほとんどの流体および流れに関して、１ｍｍ程度であえるかまたはそれを下回り得る。低粘度、高密度の流体に用いられる適用例では、ディスク間の間隙は、１００ミクロン未満とし得る。

ここで図３を参照すると、本開示によるせん断流ポンプ３００の実施形態が示されている。下記でより詳細に説明するように、せん断流ポンプ３００は、ロータの周りに配置された、自由回転の多孔質シュラウドを含む。自由回転の多孔質シュラウドは、ハウジングの抗力によって失われるエネルギーを減少させることによって、従来技術のせん断流ポンプと比較して、ポンプ３００の効率を高める。

ポンプ３００は、ほぼシリンダー形状のハウジング３０２を含む。ハウジング３０２は、上壁３０６と下壁３０８との間に延在する側壁３０４を含む。側壁３０４、上壁３０６、および下壁３０８は、ロータ３１２を取り囲むほぼシリンダー状のロータチャンバー３１０を規定する。本明細書では、用語「上（方）」および「下（方）」は、図３に示すポンプ３００の向きを指し、およびそれ以外を限定することを意図するものではない。ロータ３１２は、シャフト上部３１４およびシャフト下部３１６に結合される。モータ３１８が、シャフト下部３１６を回転させるためにシャフト下部３１６を取り囲んでおり、それによりロータ３１２を回転させる。

ロータ３１２は複数のディスク３２０を含み、これらディスクは、隣接するディスク３２０間に間隙３２２を形成するように離間されている。ディスク３２０は、ディスク３２０から間隙３２２内へと延出する任意選択的な***３２４を含む。***３２４は、ディスク３２０の表面粗さを増加させる。表面粗さの増加によって、間隙３２２内の流体とディスク３２０との間の抗力を増大させ、ディスク３２０から流体への運動量移動を増加させる。粗さの増加はまた、ディスク３２０の上側にわたって流れる流体の層流境界層の厚さを増大させる。***３２４に起因する層流境界層の厚さを増大させることによって、流体に所与のトルクを加えるために滑らかな表面を備えるディスクを用いるロータと比較して、間隙３２２がより大きい、より少数のディスク３２０を使用することを促す。***３２４はまた、ディスク間に橋絡部を形成することによって、間隙３２２を、ディスク３２０の表面にわたって半径方向により均一なサイズにするように促して、ディスク３２０が互いに近くに動いたりまたは反ったりするのを阻止し得る。

ロータ３１２は、上端ディスク３２６および下端ディスク３２８を含む。上端ディスク３２６および下端ディスク３２８は、ロータ３１２のディスク３２０よりも厚みがあり、ロータ３１２内での剛性を高めている。ディスク３２０は、通しボルト３３０によって上端ディスク３２６および下端ディスク３２８に結合される。上端ディスク３２６はシャフト上部３１４に結合される。下端ディスク３２８はシャフト下部３１６に結合される。例えば、ネジ接続またはサークリップによって、上端ディスク３２６はシャフト上部３１４に結合され、および下端ディスク３２８はシャフト下部３１６に結合され得る。

あるいは、シャフト上部３１４および上端ディスク３２６は単一部片に形成され得る。シャフト上部３１４および上端ディスク３２６は、例えば、３次元印刷、または任意の他の好適な方法によって、単一部片に形成され得る。同様に、シャフト下部３１６および下端ディスク３２８は、単一部片に形成されても、および例えば、３次元印刷または任意の他の好適な方法によって形成されてもよい。

シャフト上部３１４は、ハウジング３０２の上壁３０６にある上方シャフト開口部３３１を貫通して延在する。シャフト上部３１４はリップ３３２を含み、このリップは、上方シール３３３を押して、上壁３０６を通過する流体の漏れを阻止する。上方シール３３３とハウジング３０２の上壁３０６との間に上方シャフト軸受３３４が設置される。リップ３３２、上方シール３３３、および上方シャフト軸受３３４は、ハウジング３０２の上壁３０６にある上方切り欠き部３３５内に受け入れられる。

同様に、シャフト下部３１６は、ハウジング３０２の下壁３０８にある下方シャフト開口部３３６を貫通して延在する。シャフト下部３１６はリップ３３７を含み、このリップは、下方シール３３８を押して、シャフト下部３１６の周りでの、下壁３０８を通過する流体の漏れを阻止する。下方シール３３８とハウジング３０２の下壁３０８との間に下方シャフト軸受３３９が設置される。リップ３３７、下方シール３３８、および下方シャフト軸受３３９が、ハウジング３０２の下壁３０８にある下方切り欠き部３４０内に受け入れられる。

上方軸受３３４および下方軸受３３９は、例えば、電子力学的な同極の浮上軸受（ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｈｏｍｏｐｏｌａｒ ｌｅｖｉｔａｔｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇｓ）または能動型空気軸受（ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ）とし得、シャフト上部３１４およびシャフト下部３１６をハウジング３０２に対して「浮かせ」て、回転の際のシャフト上部３１４およびシャフト下部３１６上での摩擦抵抗力を低減させる。電子力学的な同極の浮上軸受または能動型空気軸受は、シャフト上部３１４およびシャフト下部３１６およびロータ３１２の重量を完全に支持するわけではないかもしれない。軸受３３４および３３９が電子力学的な同極の浮上軸受または能動型空気軸受である事例では、軸受３３４、３３９はラジアル軸受にすぎず、シャフト上部３１４およびシャフト下部３１６およびロータ３１２の重量のほとんどは、下記でさらに説明するように、他の軸受によって支持される。

シャフト上部３１４は中空であり、かつ上方入口３４１を含む。同様に、シャフト下部３１６は中空であり、かつ下方入口３４２を含む。ディスク３２０のそれぞれは、中空のシャフト上部３１４およびシャフト下部３１６と整列された中心開口部３４３を含んで、上方入口３４１および下方入口３４２を通って入る流体が、ロータ３１２を通って、ディスク３２０間の間隙３２２内へと流れ得るようにする。

上方入口３４１および下方入口３４２を設けることによって、単一の入口と比較して入口の断面積を増大させ、シャフト上部３１４およびシャフト下部３１６およびロータ３１２を通る流体の流速を低下させるのを促す。さらに、上方入口３４１および下方入口３４２を設けることによって、入口３４１および３４２のうちの一方を通って流入する流体が流れる距離を短くする。流れを減少させ、かつ流れる距離を短くすることによって、シャフト３１４および３１６およびロータ３１２を通って移動する流体に起因する効率損失を低減させ得る。あるいは、シャフト上部３１４およびシャフト下部３１６の一方は、せん断流ポンプ３００が単一の入口を含むように、中実とし得る。

場合によっては、モータ３１８は、例えば、モータ３１８が冷却剤ストリーム内にあるときなど、モータ３１８を冷却するための追加的な構造を含み得る。冷却構造は、例えば、電気モータ３１８の巻き線を冷却するために、巻き線内およびその周りに、冷却流体が流れるためのチャンネルを含み得る。

ディスク３２０を含むロータ、および上端ディスク３２６および下端ディスク３２８は、自由回転の内側シュラウド３４４、自由回転の外側シュラウド３４５、および固定多孔質膜３４６内で回転する。本明細書では、「自由回転」は、ロータ３１２およびシャフト上部３１４およびシャフト下部３１６とは無関係に、内側シュラウド３４４および外側シュラウド３４５が回転することを意味する。

内側シュラウド３４４は、内側上端ディスク３４８、内側下端ディスク３５０、および内側多孔質膜３５２を含む。内側多孔質膜３５２は、内側上端ディスク３４８の外縁と内側下端ディスク３５０の外縁との間に延在する。内側上端ディスク３４８は、ロータ３１２の上端ディスク３２６とハウジング３０２の上壁３０６との間に位置決めされる。内側上端ディスク３４８は、シャフト上部３１４の周囲にぴったり合うように、環状形状である。内側上端ディスク３４８とシャフト上部３１４との間に、任意選択的な上方内側ラジアル軸受３４９が設置される。内側下端ディスク３５０は、下端ディスク３２８とハウジング３０２の下壁３０８との間に位置決めされ、およびシャフト下部３１６の周囲にぴったり合うように、環状形状である。内側下端ディスク３５０とシャフト下部３１６との間に、任意選択的な下方内側ラジアル軸受３５１が設置される。内側上端ディスク３４８および内側下端ディスク３５０の直径は、ディスク３２０の直径よりも大きく、内側シュラウド３４４がロータ３１２を効果的に取り囲むようにしている。

同様に、外側シュラウド３４５は、外側上端ディスク３５４、外側下端ディスク３５６、および外側多孔質膜３５８を含む。外側多孔質膜３５８は、外側上端ディスク３５４の外縁と外側下端ディスク３５６の外縁との間を延在する。外側上端ディスク３５４は、内側上端ディスク３４８と上壁３０６との間に位置決めされ、およびシャフト上部３１４の周囲にぴったりと合うように、環状形状である。外側上端ディスク３５４とシャフト上部３１４との間に、任意選択的な上方外側ラジアル軸受３５５が設置される。外側下端ディスク３５６は、内側下端ディスク３５０とハウジング３０２の下壁３０８との間に位置決めされ、およびシャフト下部３１６の周囲にぴったり合うように、環状形状である。外側下端ディスク３５６とシャフト下部３１６との間に、任意選択的な下方外側ラジアル軸受３５７が設置される。外側上端ディスク３５４および外側下端ディスク３５６の直径は、内側上端ディスク３４８および内側下端ディスク３５０よりも大きく、外側シュラウド３４５が内側シュラウド３４４およびロータ３１２を効果的に取り囲むようにしている。

固定多孔質膜３４６は、外側シュラウド３４５とハウジング３０２の側壁３０４との間で、外側膜３５８の周りに、上壁３０６から下壁３０８まで延在する。固定多孔質膜３４６とハウジング３０２の側壁３０４との間の空間は、出口プレナムチャンバー３６０を形成する。出口プレナムチャンバー３６０は、ハウジング３０２の上壁３０６に出口３６２を有する。

内側多孔質膜３５２、外側多孔質膜３５８、および固定多孔質膜３４６は、開口部または細孔（図示せず）を含んで、ロータチャンバー３１０内にある流体が、膜３５２、３５８、３４６を通過できるようにし得る。膜３５２、３５８、３４６は、ディスク３２０と同じ材料から形成され得、例えば、孔または細孔は、材料からの切断または打ち抜きによって形成される。多孔質膜３５２、３５８、および３４６は、例えば、チタンまたは任意の好適な金属またはプラスチックなどの任意の好適な材料を用いて、例えば、キャスティングまたは三次元印刷によって、形成され得る。あるいは、多孔質膜３５２、３５８、３４６は、ワイヤメッシュ、または天然の多孔質物質、例えばファブリックから形成され得、これは、例えば、金属インサートまたは任意の他の好適な材料によって補強され得る。

ロータ３１２の下端ディスク３２８と内側シュラウド３４４の内側下端ディスク３５０との間に第１の軸受３６４が設置される。内側下端ディスク３５０と外側シュラウド３４５の外側下端ディスク３５６との間に第２の軸受３６６が設置される。外側下端ディスク３５６とハウジングの下壁３０８との間に第３の軸受３６８が設置される。

図４Ａを参照すると、下方内側軸受３５１、下方外側軸受３５７、第１の軸受３６４、第２の軸受３６６、および第３の軸受３６８の配置構成の拡大図が示されている。第１の軸受３６４は、下端ディスク３２８内の切り欠き部４０４と、切り欠き部４０４と協働する、内側端部ディスク３５０内の切り欠き部４０６とによって形成された第１の空洞４０２内に載置される。第２の軸受３６６は、内側下端ディスク３５０内の切り欠き部４１０と、切り欠き部４１０と協働する、外側下端ディスク３５６内の切り欠き部４１２とによって形成された第２の空洞４０８内に載置される。第３の軸受３６８は、外側下端ディスク３５６内の切り欠き部４１６と、切り欠き部４１６と協働する、ハウジング３０２の下壁３０８内の切り欠き部４１８とによって形成された第３の空洞４１４内に載置される。

下方内側ラジアル軸受３５１は、内側下端ディスク３５０の内縁とシャフト下部３１６との間の第１の間隙４２０内に設置される。下方外側ラジアル軸受３５７は、外側下端ディスク３５６の内縁とシャフト下部３１６との間の第２の間隙４２２内に設置される。下方内側ラジアル軸受３５１と端部ディスク３２８との間に第１のスペーサ４２４が設置され、下方内側ラジアル軸受３５１と下方外側ラジアル軸受３５７との間に第２のスペーサ４２６が設置され、および下方外側ラジアル軸受３５７とハウジング３０２の下壁３０８との間に第３のスペーサ４２８が設置される。

図４Ｂは、下方内側ラジアル軸受３５１および下方外側ラジアル軸受３５７が省略されている、代替的な配置構成を示す。この代替的な配置構成では、内側シュラウド３４４および外側シュラウド３４５は、第１の軸受３６４、第２の軸受３６６、および第３の軸受３６８によって十分に支持される。この場合、図４Ｂに示す各軸受は、アキシアル荷重およびラジアル荷重の双方を支持できるタイプのものである必要があるとし得る。

図４Ａおよび図４Ｂに示す配置構成と同様に、ロータ３１２の上端ディスク３２６と内側シュラウド３４４の内側上端ディスク３４８との間に第４の軸受３７０が設置される；内側上端ディスク３４８と外側シュラウド３４５の外側上端ディスク３５４との間に第５の軸受３７２が設置される；および外側上端ディスク３５４とハウジング３０２の上壁３０６との間に第６の軸受３７４が設置される。さらに、図４Ａに示す配置構成と同様に、任意選択的な上方内側ラジアル軸受３４９が、内側上端ディスク３４８とシャフト上部３１４との間に設置され、および任意選択的な上方外側ラジアル軸受３５５が、外側上端ディスク３５４とシャフト上部３１４との間に設置される。軸受３４９、３５５、３７０、３７２、および３７４の配置構成は、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上記で説明した構造に酷似しているため、さらに説明することはしない。

軸受３６４〜３７４は、例えば、炭素繊維製リング、電子力学的な同極の浮上軸受、または任意の他のタイプの好適な軸受、または複数のタイプの軸受の混合物とし得る。軸受３６４〜３７４は、内側シュラウド３４４および外側シュラウド３４５をハウジング３０２およびロータ３１２に対して位置決定する一方で、内側シュラウド３４４および外側シュラウド３４５が、ロータ３１２および上端ディスク３２６および下端ディスク３２８とは実質的に無関係に、回転するのを促す。

ロータ３１２の軸が、垂直に、または水平からある角度で装着される場合には、軸受３６４〜３７４は、ロータ３１２、シャフト上部３１４、およびシャフト下部３１６の重量を支持する必要があるとし得る。さらに、追加的な主スラスト軸受（図示せず）も、ロータ３１２、シャフト上部３１４、およびシャフト下部３１６の全重量を支持するために含まれ得る。あるいは、ロータ３１２の軸は、水平に装着される。ロータ３１２の軸が水平に装着される場合、ロータ３１２、シャフト上部３１４、およびシャフト下部３１６の全重量は、軸受３３４および３３９によって支持され得る。

動作中、シャフト下部３１６は、例えばモータ３１８やタービンなどにより、外部から加えられるトルクによって、回転される。シャフト下部３１６の回転によって、ロータ３１２およびシャフト上部３１４の回転を引き起こす。流体は、シャフト上部３１４にある上方入口３４１およびシャフト下部３１６にある下方入口３４２を通って、せん断流ポンプ３００に流入する。流体は、中心開口部３４３を通過してロータ３１２内へ、および回転しているディスク３２０間の間隙３２２内へと入る。粘性せん断によって、間隙３２２内にある流体は、回転しているディスク３２０によって引きずられ、流体が、ディスク３２０の縁の方へ向かって外向きに、螺旋経路に沿って、円運動で流れるようにする。

間隙３２２から流出する流体は、ディスク３２０の縁に対して接線方向の経路を辿り、その速度は、ロータ３１２の回転に起因してディスク３２０の縁が動いている速度にほぼ等しい。

内側シュラウド３４４、外側シュラウド３４５、および固定多孔質膜３４６は、比較的高速で回転するロータ３１２とハウジング３０２の静止側壁３０４との間に、相対速度が低減される多孔性隔膜を形成する。動作中、回転しているディスク３２０から出る流体は、内側膜３５２の上側にわたって流れ、および外側膜３５８が粘性せん断を生じ、それにより、内側シュラウド３４４および外側シュラウド３４５の回転を引き起こす。

内側シュラウド３４４および外側シュラウド３４５はそれぞれ、シュラウドの両側の表面の回転速度の中間の速度で回転する。例えば、内側シュラウド３４４は、ロータ３１２の回転速度と外側シュラウド３４５の回転速度との中間の速度で回転する。同様に、外側シュラウド３４５は、内側シュラウド３４４の回転速度と、固定多孔質膜３４６の回転速度であるゼロとの間の中間の速度で回転する。

ロータ３１２の回転によって、側壁３０４の方へ、外向きに加速される流体は、内側膜３５２、外側膜３５８、および固定多孔質膜３４６を段階的な流れで通過する。ロータ３１２のディスク３２０の外縁において流出する流体の角速度は、半径方向の流体の速度と比較して、非常に大きい。流体の角速度成分は、内側膜３５２、外側膜３５８、および固定膜３４６のそれぞれを通過することによって、減少される。固定膜３４６から出る流体は、ゼロに達する角速度成分を有する。ロータ３１２を出る流体の角速度を減少させることによって、内側シュラウド３４４、外側シュラウド３４５、および固定膜３４６は角速度を圧力に変換する（ベルヌーイの法則を参照）。

流体は、固定多孔質膜３４６を通ってプレナムチャンバー３６０に入る。プレナムチャンバー３６０内の流体の静圧は、入口３４１、３４２における流体と比較して、回転しているディスク３２０から流体に与えられる運動エネルギー（これは圧力に変換される）に起因して、高められている。プレナムチャンバー３６０内の流体は、出口３６２を通って出る。出口３６２に調整器（図示せず）が設けられて、せん断流ポンプ３００から流出する所望の流速を維持し得る。

図３は、外側シュラウド３４５内に取り囲まれた内側シュラウド３４４を示し、それらは双方とも固定多孔質膜３４６内に取り囲まれているが、その代わりに、固定多孔質膜３４６を備えてまたは備えずに、内側シュラウド３４４および外側シュラウド３４６の一方のみが含まれても、または３つ以上のシュラウドが含まれてもよい。あるいは、固定多孔質膜３４６のみが含まれてもよい。

図３は、シャフト上部３１４およびシャフト下部３１６に結合されたロータ３１２を示すが、その代わりに、シャフト上部３１４が省略されて、およびロータ３１２が、片持ち式にシャフト下部３１６に結合され得る。

ここで図５を参照すると、円錐状のロータを有する例示的なせん断流装置５００が示されている。せん断流装置５００は、円錐状のロータを用いることによって、ハウジングの抗力を低減させるように設計されている。円錐形ロータは、相対速度が最高である最大半径におけるロータの部分の表面積を減少させ、ハウジングの抗力によって失われるエネルギーを減少させ、かつロータの効率を高める。ハウジングの抗力は、さらに、ロータの周りに自由回転の多孔質シュラウドを使用することによって、減少され得る。さらに、ディスク間の高速の半径方向速度によって、装置の効率およびその動作範囲を制限し得る。円錐形状は、軸の近くのディスク５２６間の半径方向流体速度を低減させることによって、扁平円筒状（ｆｌａｔ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈａｐｅ）の同様のロータと比較すると、効率を高め得る。

図５に示すせん断流装置５００は、タービンモードまたはポンプモードのいずれかで動作され得る。せん断流装置５００は、ロータ用空洞５０４を規定するハウジング５０２を含む。ロータ用空洞５０４内にロータ５０６が閉じ込められる。ハウジング５０２は第１のシャフト開口部５０８を含み、そこを貫通して、第１のシャフト部分５１０がハウジング５０２内へと延在し、かつ第１のエンドキャップ５１２によってロータ５０６に結合する。ハウジングは第２のシャフト開口部５１４を含み、そこを貫通して、第２のシャフト部分５１６がハウジング５０２内へと延在し、かつ第２のエンドキャップ５１８によってロータ５０６に結合する。

第１のシャフト部分５１０および第２のシャフト部分５１６は中空である。第１のシャフト部分５１０は第１のアキシャルポート５２０を含み、および第２のシャフト部分５１６は第２のアキシャルポート５２２を含む。

ポンプモードでは、第１のシャフト部分は、第１のシャフト部分５１０を回転させるモータ５２４に結合され、ロータ５０６の回転を引き起こす。タービンモードでは、モータは、例えば装置５００によって生じた回転エネルギーを電気に変換し得るジェネレータ５２４と交換され得る。

ロータ５０６は複数のディスク５２６を含み、これらディスクは離間されて、隣接するディスク５２６間に間隙５２８を形成するようにする。ディスク５２６は、同心状に整列された、直径が異なる平板ディスクである。ディスク５２６は直径によって配置されて、ベースで接合された２つの円錐体と同様に、ロータ５０６が全体的に円錐形状を有するようにする。最大直径のディスク５２６はロータ５０６の中央に設置され、および最小直径のディスク５２６は、第１および第２のシャフト部分５１０、５１６に最も近い、ロータ５０６の最外端部に設置される。あるいは、せん断流装置５００のロータ５０６の全体的な形状は、例えば、図１１に示すロータと同様の単一の円錐体を有し得る。

ここで図６を参照すると、ロータ５０６において使用するのに好適なディスク５２６の例が示されている。各ディスク５２６は、ロータ５０６と中空の第１および第２のシャフト部分５１０、５１６との間の流体の軸流を促す中心開口部６０２を有する。各ディスク５２６は、ディスク５２６の平面６０６にわたって複数のディスクアパーチャ６０４を含む。図６に示す例示的なディスク５２６のディスクアパーチャ６０４は、第１のリング６０８、第２のリング６１０、および第３のリング６１２の形態で配置されるが、ディスクアパーチャ６０４は、ディスク５２６の平面６０６にわたって何らかの形態で配置され得る。

ディスク５２６はまた、ディスク５２６の外縁６１６に切り欠き部６１４を含む。ディスク５２６がロータ５０６に組み込まれると、ディスクアパーチャ６０４および切り欠き部６０８は、ディスク５２６の平面６０６を通りかつ外縁６１０における流体の流れを促す。

ディスク５２６は複数の***６１８を含む。***６１８は、ロータ内に取り付けられると、例えば、隣接するディスク５２６間の間隙５２８を維持するために、隣接するディスク５２６からディスク５２６を離間し得る。さらに、***６１８は、その代わりに、またはそれに加えて、ディスク５２６の表面から、異なる様々な高さで延出し、およびまた、平坦なディスク上の粗さと同様の機能を果たし、ディスク５２６の上側にわたって流体の流れを層流化し得る。***６１８は、例えば、シートメタルディスク５２６を打ち抜くことによって、形成され得る。打ち抜きにより***６１８を形成することによって、ディスク５２６の背面（図示せず）に、対応する凹み（図示せず）を形成する。ディスク５２６がロータ内に取り付けられると、ディスク５２６は、隣接するディスク５２６に対して回転され得、ディスク５２６の***６１８が、隣接するディスク５２６の凹みと整列されないようにして、ディスク５２６を適切に離間させる。

ディスク５２６は、複数の通しボルト開口部６２０を含む。ディスク５２６がロータ５０６内に取り付けられると、通しボルトは通しボルト開口部６２０を通過して、複数のディスク５２６を一緒に結合する。通しボルト開口部６２０の総数は、ディスク５２６がロータ５０６に取り付けられるときに、１つのディスク５２６の***６１８が隣接するディスク５２６の凹みからオフセットされるようにディスク５２６が隣接するディスクに対して回転され得るように、選択される。

ロータ５０６は、それぞれ第１および第２のエンドキャップ５１２、５１８によって、第１および第２のシャフト部分５１０、５１６に結合される。引き続き図５を参照しながら、ここで図７を参照すると、ロータ５０６、第２のシャフト部分５１６、および第２のエンドキャップ５１８の配置構成が示されている。

第１のエンドキャップ５１２は第１のシャフト部分５１０に接続され、および第２のエンドキャップ５１８は第２のシャフト部分５１６に接続される。第１のエンドキャップ５１２は、例えばネジ接続などの任意の好適な方法によって第１のシャフト部分５１２に接続される別個の要素とし得る。あるいは、第１のエンドキャップ５１２および第１のシャフト要素５１０は単一の要素に形成され得る。同様に、第２のエンドキャップ５１８は、別個の要素としてもよいし、または第２のシャフト部分５１６と一緒に単一の要素に形成されてもよい。

第１および第２のエンドキャップ５１２、５１８は、ロータ５０６の中間領域７０４にあるものを除いて、全てのディスク５２６を覆い囲んで、流体がディスク５２６の外縁の周りを再循環するのを阻止する。エンドキャップ５１２、５１８は中間領域７０４を被覆しないため、下記で説明するノズルおよびコレクター入口は、塞がれない。第１および第２のエンドキャップ５１２、５１８によってロータ５０６を囲うことはまた、ロータ５０６とハウジング５０２の壁との間の抗力を低減させる。

通しボルト７０２は、第１のエンドキャップ５１２から第２のエンドキャップ５１８まで、より大きな直径のディスク５２６の通しボルト孔６２０を通って延在する。通しボルト７０２は、図９に示すように、ロータ５０６の端部の方に設置されたより小さな直径のディスク５２６を通過しなくてもよい。これらのより小さな直径のディスク５２６は、第１および第２のエンドキャップ５１２、５１８の圧迫によって、適所に保持される。

ここで図５に戻ると、第１のシャフト部分５１０は第１のリップ５３０を含む。第１のリップ５３０は、第１のカーボンフェースシール５３２に押し付けられて、流体が第１のシャフト部分の周りでロータ用空洞５０４から漏出するかまたはそこに流入するのを阻止する。第１のカーボンフェースシールとハウジング５０２との間に設置された第１のラジアル軸受５３４は、ハウジング５０２内に第１のシャフト部分５１０を支持する。第１のリップ５３０、第１のカーボンフェースシール５３２、および第１のラジアル軸受５３４は、第１のシャフト開口部５０８にある第１の切り欠き部５３６内に設置される。同様に、第２のシャフト部分５１６は、第２のカーボンフェースシール５４０に押し付けられる第２のリップ５３８を含む。第２のカーボンフェースシール５４０とハウジング５０２との間に第２のラジアル軸受５４２が設置される。第２のリップ５３８、第２のカーボンフェースシール５４０、および第２のラジアル軸受５４２は、ハウジング５０２の第２のシャフト開口部５１４にある第２の切り欠き部５４４内に設置される。第１および第２のラジアル軸受５３４、５４２は、例えば、同極の電子力学的な浮上軸受、能動型空気軸受、または任意の他の好適なタイプの軸受である。

せん断流装置５００は、第１および第２の自由回転の内側シュラウド５４６、５４８および第１および第２の自由回転の外側シュラウド５５０、５５２を含む。第１および第２の内側シュラウド５４６、５４８は、ロータ用空洞５０４の内壁とロータ５０６との間の空間、および第１および第２のエンドキャップ５１２、５１８とロータ５０６との間の空間において自由に回転する。第１および第２の外側シュラウド５５０、５５２は、第１および第２の内側シュラウド５４６、５４８とロータ用空洞５０４の内壁との間の空間において自由に回転する。

上述のせん断流ポンプ３００のシュラウド３４４、３４５と同様に、自由回転するシュラウド５４６、５４８、５５０、５５２は、ハウジング５０２とロータ５０６との間の抗力を低減させる。シュラウド５４６、５４８、５５０、５５２は、ロータ５０６の中間領域７０４において、対向するシュラウド間に間隙を有して、片持ち式に装着されて、ノズルからの流体がディスク５２６の方へ方向付けられるのを容易にする。例えば、タービンの機能性が所望でない場合、シュラウド５４６、５４８、５５０、５５２は、前述のせん断流ポンプ３００のシュラウド３４４、３４５と同様にそれらの構造のいくつかまたは全てが多孔質で作製された場合に、ロータ５０６を完全に取り囲み得る。

第１および第２の内側シュラウド５４６、５４８は、第１および第２の内側シュラウド５４６、５４８と第１および第２のシャフト部分５１０、５１６との間に設置されるそれぞれ第１および第２の内側ラジアル軸受５６０、５６２によって、支持される。同様に、第１および第２の外側シュラウド５５０、５５２は、第１および第２の外側シュラウド５５０、５５２と第１および第２のシャフト部分５１０、５１６との間に設置される第１および第２の外側ラジアル軸受５６４、５６６によって支持される。第１および第２の内側ラジアル軸受５６０、５６２および第１および第２の外側ラジアル軸受５６４、５６６は、例えば、同極の電子力学的な浮上軸受、能動型空気軸受、または任意の他の好適なタイプの軸受とし得る。

さらに、第１の内側シュラウド５４６および第１の外側シュラウド５５０は、第１のエンドキャップ５１２と第１の内側シュラウド５４６との間に設置される第１のスラスト軸受５６８、第１の内側シュラウド５４６と第１の外側シュラウド５５０との間に設置される第２のスラスト軸受５７０、および第１の外側シュラウド５５０とハウジング５０２との間に設置される第３のスラスト軸受５７２によって支持される。同様に、第２の内側シュラウド５４８および第２の外側シュラウド５５２は、第２のエンドキャップ５１８と第２の内側シュラウド５４８との間に設置される第４のスラスト軸受５７４、第２の内側シュラウド５４８と第２の外側シュラウド５５２との間に設置される第５のスラスト軸受５７６、および第２の外側シュラウド５５２とハウジング５０２との間に設置される第６のスラスト軸受５７８によって支持される。スラスト軸受５６８、５７０、５７２、５７４、５７６、および５７８は、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上記で説明した切り欠き部および軸受の配置構成と同様に形成される切り欠き部内に設置され得る。

スラスト軸受５６８、５７０、５７２、５７４、５７６、５７８は、例えば、同極の電子力学的な浮上軸受、炭素繊維製リング、球軸受、または任意の他の好適なタイプの軸受とし得る。

ハウジング５０２は、ディフューザ５８２を含むコレクタープレナム用空洞５８０を含む。コレクタープレナムは、複数のコレクターポート５８４によってロータ用空洞５０４と流体連通している。コレクターポート５８４は、任意選択的に、多孔質コレクター膜５８６を含む。ハウジング５０２はまた、複数のノズルプレナム用空洞５８８を含む。

図８は、せん断流装置５００の３個のコレクターポート５８４ａ、５８４ｂおよび５８４ｃを含み、それぞれ、多孔質コレクター膜５８６ａ、５８６ｂ、および５８６ｃを含む。せん断流装置５００は、追加的なコレクターポート５８４および多孔質膜５８６を含むが、これは、図８に示す図には含まれない。２つのノズル出口５９０ａ、５９０ｂが示されている。２つの他のノズル出口５９０は、図８に示す図には示されていない。

ここで図９を参照すると、ハウジング５０２の周囲部分が切り取られた、コレクタープレナム用空洞５８０、ディフューザ５８２、多孔質膜５８４、およびノズル５８６の図が示されている。４個の多孔質膜５８６ａ〜ｄが、４個のコレクターポート５８４ａ〜ｄのそれぞれに１つずつ設けられる。コレクターポート５８４ａ〜ｄは、それぞれ、コレクターポート５８４ａ〜ｄとコレクタープレナム用空洞５８０との間の流体連通を促す関連のディフューザ用空洞５８２ａ〜ｄを有する。コレクタープレナム用空洞５８０は出口５９２を含む。多孔質膜５８６ａ〜ｄは、図３に示すせん断流ポンプ３００の多孔質膜３５２、３５８、３４６に好適な上述の材料と同様の任意の好適な材料で形成され得る。多孔質膜５８６ａ〜ｄは、ディスク５２６の外縁６１６の近くに表面を形成する。ポンピング動作の最中にディスク５２６から出る流体は、その半径方向速度と比較して高角速度で、多孔質膜５８６ａ〜ｄを越えて流れる。多孔質膜５８６ａ〜ｄの表面に平行に、多孔質膜５８６ａ〜ｄを越えて流れる高角速度の流体は、境界層を形成する。流体から見るときのコレクターポート５８４ａ〜ｄの断面積は半径方向の流速に対して大きく、半径方向の遅い流れ速度に起因して、多孔質コレクター膜５８６ａ〜ｄを通ってコレクターポート５８４ａ〜ｄ内へ流れる流体の効率的な流れを可能にする。

せん断流装置５００は４個のノズルプレナム用空洞５８８を含むが、図９には２個のノズルプレナム用空洞５８８ａ、５８８ｂが示され、コレクタープレナム用空洞５８０の明瞭な図を提供するために、２個の他のノズルプレナム用空洞５８８は省略される。図９に示すノズルプレナム用空洞５８８ａ、５８８ｂに加えて、２個のノズルプレナム用空洞５８８がせん断流装置５００内に含まれていることが理解される。

ノズルプレナム用空洞５８８ａ、５８８ｂは、それぞれ、ノズル入口５９４ａ、５９４ｂを含む。ノズル出口５９０ａ、５９０ｂから出る流体は、多孔質膜５８６ａ〜ｄによって妨害されずに、ディスク５２６へと方向付けられ得るように、多孔質膜５８６ａ〜ｄは空間によって分離されている。ノズル出口５９０は、ロータ５０６の円周上で均一に離間され得、対向するノズル出口５９０から出る流体ジェットが、それぞれによって生じた半径方向力を釣り合わせる。

ノズル５８８は個別に制御可能として、タービンによってより多くの流れが必要とされるときに、ノズル５８８が、例えば、段階的に起動されるように、最適な制御をもたらし得る。さらに、各ノズル５８８の流体の流速は、流れをより細かく制御できるように、調整され得る。

せん断流装置５００がタービンとして動作されると、流体は、ノズル入口５９４を通って入る。流体はゆっくりになり、およびノズルプレナム用空洞５８８で膨張し、ノズル出口５９０を出る流体ジェットのより均一な速度分布を促す。ノズル入口５９４は十分に大きくて、流体が、ノズル出口５９０から出る前に、プレナムチャンバー内で確実に超音速にならないようにする十分な流れに適応させる必要がある。流体は、ディスク５２６の縁６１６に対して接線方向の高速流体ジェットとしてノズル出口５９０から出る。粘性せん断に起因して、流体はディスク５２６を引きずり、ディスク５２６の角速度を増大させ、かつ第１および第２のシャフト部分５１０、５１６にトルクを加える。流体は、流体がロータ５０６を通過して、ディスク５２６にある中心開口部６０２を経由して第１および第２のシャフト部分５１０、５１６に入るまで、螺旋経路を辿って間隙５２８を通って内向きに流れる。流体は、第１および第２のシャフト部分５１０、５１６を通って第１および第２のアキシャルポート５２０、５２２の方へ流れ、せん断流装置５００から出る。第１および第２のシャフト部分５１０、５１６に適用されるトルクは、シャフト部分５１０、５１６の回転を引き起こし、それにより、今度は、第１のシャフト部分５１０のうちの１つに結合されたジェネレータ５２４の回転を引き起こし得る。ジェネレータは、電気を生成し得るか、またはそうでなければ、回転されたシャフトによって生成された運動エネルギーを用い得る。せん断流装置５００の効率を高めるために、ジェネレータ５２４によって第１および第２のシャフト部分５１０、５１６の一方または他方に加えられた制動トルクは調整され得る。それに加えて、またはその代わりに、せん断流装置の効率は、ノズルプレナム用空洞５８８を通る流体の流速を制御することによって高められ得る。

せん断流装置３００をポンプモードで動作するとき、モータ５２４は第１のシャフト部分５１０を回転させ、それによりロータ５０６を回転させる。流体は、第１および第２のアキシャルポート５２０、５２２を通って第１のシャフト部分５１０および第２のシャフト部分５１６に入る。流体は、第１および第２のシャフト部分５１０、５１６を通って、中心開口部６０２を経由してロータ５０６内へと流れる。流体は、ディスク５２６間の間隙５２８に流入する。回転しているディスク５２６から流体に加えられるせん断力は、間隙５２８内の流体を、ディスク５２６の外縁６１６の方へ螺旋運動で引きずる。ディスク５２６の外縁６１６において、流体は、アパーチャおよびディスク５２６の切り欠き部６１４を通って、ロータ５０６の中央に向かって流れる。第１および第２のエンドキャップ５１２、５１８は、流体が、エンドキャップ５１２、５１８内に閉じ込められるディスク５２６間で再循環するのを阻止し、およびハウジング５０２に対する抗力を低減させる。第１および第２の内側シュラウド５４６、５４８および第１および第２の外側シュラウド５５０、５５２は、上述のシュラウド３４４、３４５と同様に、ハウジング５０２に起因する流体に対する抗力を低減させる。流体は、多孔質膜５８６を通ってコレクターポート５８４内へと拡散し、かつコレクタープレナム用空洞５８０内に集まる。コレクタープレナム用空洞では、流体は膨張し、かつ、コレクター出口５９２を通過する前にさらにゆっくりになる。コレクター出口５９２には調整器（図示せず）が含まれて、ポンプとして動作するとき、せん断流装置５００を通る流速およびその効率を制御し得る。それに加えて、またはその代わりに、モータの角速度も、ポンプとして動作されるときに、せん断流装置５００の流速および効率を制御するように調整され得る。

図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、ディスク１０００の代替的な設計が示されている。ディスク１０００は、ロータ５０６の１つ以上のディスク５２６の代わりに、図５に示すせん断流装置５００に組み込まれ得る。

ディスク１０００は、内側ディスク１００４から半径方向外向きに延在する複数の剛毛（ｂｒｉｓｔｌｅｓ）１００２を含む。内側ディスク１００４は***１００６を含み得る。ロータ内に取り付けられると、***１００６は、例えば、隣接するディスク１０００からディスク１０００を離間させ、ディスク１０００間の間隙を維持し得る。***１００６は、図６を参照して上記で説明したディスク５２６内への***６１８の形成と同様に、形成され得る。中心開口部１００８は、内側ディスク１００４の中心に含まれて、ディスク１０００が、中空シャフトに結合されたロータに装着されると、流体は、中空シャフトから中心開口部１００８を通ってロータ内へと流れ得る。内側ディスク１００４は、ロータ内に取り付けられるとディスク１０００を一緒に結合する通しボルトを受け入れる、複数の通しボルト開口部１０１０を含む。

剛毛１００２は、異なる横断面を有し得る。図１０Ｂは、剛毛１００２の様々な横断面の例を示す。剛毛１０１２は円形の横断面を有する。剛毛１０１２は、例えば、中心ディスク１００４に取り付けられたワイヤから形成され得る。剛毛１０１４は正方形の横断面を有する。剛毛１０１４は、例えば、中実ディスクから剛毛１０１４をレーザ切断することによって形成され得、ディスクの非切断部分が内側ディスク１００４を形成する。剛毛１０１６は、翼形を形成する扁平な横断面を有する。翼形の横断面は、抗力を低減させることによって、ロータの効率を高め得る。

ロータ内に取り付けられると、流体は、剛毛１００２間の空間１０１８を通って流れ、ディスク１０００を通る流体の軸流を促進し得る。さらに、剛毛１００２は、平坦なディスク上の粗さと同様に機能し、ディスク１０００にわたって流体の流れを層流化する。

ここで図１１を参照すると、多段せん断流装置１１００が示されている。多段せん断流装置１１００は、第１のせん断流段１１０２と、コネクタ段１１８０によって第１のせん断流段に結合される第２のせん断流段１１４０とを含む。第１および第２のせん断流段１１０２、１１４０と同様の追加的な段も、それらの間の追加的なコネクタ段１１８０によってシャフトに追加され得る。

第１のせん断流段１１０２は、第１の空洞１１０５に第１のロータ１１０６を収容する第１のハウジング１１０４を含む。第１の流段１１０２はまた、第１のシャフト部分１１０８および第２のシャフト部分１１１０を含む。第１のロータ１１０６は、上述のせん断流装置５００のロータ５０６のディスク５２６と同様のディスク１１１２を含む。第１のロータ１１０６は、単一の円錐体の形状を有する一方で、ロータ５０６は二重円錐形を有し、第１のロータ１１０６は、他の点ではロータ５０６と同様である。

第１のシャフト部分１１０８は中実であり、およびポンプの動作の最中にはモータ１１１４に、およびタービンの動作の最中にはジェネレータ１１１４に結合され得る。第１のシャフト部分１１０８は、せん断流装置における第１のシャフト部分５１０の装着と同様に、第１のハウジング１１０４内に装着されるため、さらにここで説明することはしない。

第１のシャフト部分１１０８は第１の端部ディスク１１１６に結合される。自由回転する第１の内側ディスク１１１７および自由回転する第１の外側ディスク１１１９は、第１の端部ディスク１１１６とハウジング１１０４との間に設置される。第１の内側ディスク１１１７および第１の外側ディスク１１１９は、第１のシャフト部分１１０８の周りを自由に回転する。第１のラジアル軸受１１２１は、第１の内側ディスク１１１７と第１のシャフト部分１１０８との間に設置されて、第１の内側ディスク１１１７を支持する。同様に、第２のラジアル軸受１１２３は、第１の外側ディスク１１１９と第１のシャフト部分１１０８との間に設置されて、第１の外側ディスク１１１９を支持する。第１および第２のラジアル軸受１１２１、１１２３の構造および取り付けは、せん断流装置５００に関して既に説明した第１の内側ラジアル軸受５６０および第１の外側ラジアル軸受５６４と同様であり、ここでさらに説明はしない。

第１の端部ディスク１１１６と第１の内側ディスク１１１７との間に形成された切り欠き部に第１のスラスト軸受１１２５が設置され、第１の内側ディスク１１１７と第１の外側ディスク１１１９との間に形成された第２の切り欠き部に第２のスラスト軸受１１２７が設置され、および第１の外側ディスク１１１９と第１のハウジング１１０４にある第１の空洞１１０５の内壁との間に形成された切り欠き部に第３のスラスト軸受１１２９が設置される。

同様に、第１の内側シュラウド１１２２と第２のシャフト部分１１１０との間に第３のラジアル軸受１１３３が設置され、および第１の外側シュラウド１１２４と第２のシャフト部分１１１０との間に第４のラジアル軸受が設置される。第１のエンドキャップ１１１８と第１の内側シュラウドとの間に第４のスラスト軸受１１３５が設置され、第１の内側シュラウド１１２２と第１の外側シュラウド１１２４との間に第５のスラスト軸受１１３６が設置され、および第１の外側シュラウド１１２４と第１のハウジング１１０４にある第１の空洞１１０５の内壁との間に第６のスラスト軸受１１３７が設置される。ラジアル軸受１１２１、１１２３、１１３３、１１３４およびスラスト軸受１１２５、１１２７、１１２９、１１３５、１１３６、１１３７の構造および取り付けは、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上記で説明したラジアル軸受３５１、３５７およびスラスト軸受３６４、３６６、３６８の構造および配置構成と同様であり、およびここでさらに説明はしない。

第２のシャフト部分１１１０は、第１の端部部分１１１５を除いて、ディスク７０４の中心部分を露出する第２のエンドキャップ５１８と同様に、ロータ１１０６のディスク１１１２を取り囲む第１のエンドキャップ１１１８に結合される。第２のシャフト部分１１１０は中空であり、および第１のアキシャルポート１１２０を含む。第２のシャフト部分１１１０は、上述のせん断流装置５００内の第２のシャフト部分５１６の取り付けと同様に、第１のハウジング１１０４内に取り付けられるため、ここでさらに説明はしない。

通しボルト（図示せず）は、第１の端部ディスク１１１６から第１のエンドキャップ１１１８へ延在して、第１のシャフト部分１１０８を第２のシャフト部分１１１０に結合し、かつ、上述のせん断流装置５００の通しボルト７０２と同様に、ロータ１１０６のディスク１１１２を一緒に保持する。第１のせん断流段１１０２は第１の内側シュラウド１１２２および第１の外側シュラウド１１２４を含み、これらシュラウドは、上述のせん断流装置５００の第２の内側シュラウド５４８および第２の外側シュラウド５５２と同様に、第１のエンドキャップ１１１８を取り囲む。第１の内側シュラウド１１２２および第１の外側シュラウド１１２４の構造および取り付けは、第２の内側シュラウド５４８および第２の外側シュラウド５５２に関して上述の構造および取り付けと同様であるため、ここでさらに説明はしない。

第１のハウジング１１０２は、複数の第１のコレクターポート１１２８を有する第１のコレクタープレナム用空洞１１２６を含む。複数のコレクターポート１１２８のそれぞれに第１の多孔質膜１１３０が含まれ得る。第１のハウジングはまた、複数の第１のノズルプレナム用空洞１１３２を含む。第１のコレクタープレナム用空洞１１２６、第１のコレクターポート１１２８、第１の多孔質膜１１３０、および第１のノズルプレナム用空洞１１３２は、上述のせん断流装置５００の収集プレナム用空洞５８０、収集ポート５８４、多孔質膜５８６、およびノズルプレナム用空洞５８８と同様であるため、第１のコレクタープレナム用空洞１１２６、第１のコレクターポート１１２８、第１の多孔質膜１１３０、および第１のノズルプレナム用空洞１１３２について、ここでさらに説明はしない。

第２のせん断流段１１４０は、複数のディスク１１４５を有する第２のロータ１１４４を収容する第２のハウジング１１４２を含む。第２のロータ１１４４は、中実の第３のシャフト部分１１４６、および第２の軸方向出口１１５０を含む中空の第４のシャフト部分１１４８に結合される。第３のシャフト部分１１４６は第２の端部ディスク１１５２に結合され、および第４のシャフト部分１１４８は第２のエンドキャップ１１５４に結合される。第２のエンドキャップは、第２の端部部分１１５３を除いて、上述の第１のエンドキャップ１１１８と同様に、第２のロータ１１４４のディスク１１４５を取り囲む。第２の端部ディスク１１５２は、第２のロータ１１４４のディスク１１４５を通過する通しボルト（図示せず）によって第２のエンドキャップ１１５４に結合される。第２の内側シュラウド１１５６および第２の外側シュラウド１１５８が第２のエンドキャップ１１５４を取り囲む。自由回転する第２の内側ディスク１１６０および第２の外側ディスク１１６２が、第２の端部ディスク１１５２と第２のハウジング１１４２との間で第３のシャフト部分１１４６の周りを自由に回転する。第２のハウジング１１４２は、第２の多孔質膜１１６８を含む複数の第２のコレクターポート１１６６を有する第２のコレクタープレナム用空洞１１６４を含む。第２のハウジング１１４２はまた、複数の第２のノズルプレナム用空洞１１７０を含む。

第２のせん断流段１１４０の複数の部分の構造および取り付けは、上述の第１のせん断流段１１０２の複数の部分の構造および取り付けと同様であるため、ここでさらに説明はしない。

コネクタ段１１８０は、コネクタロータ１１８２を収容するコネクタハウジング１１８１を含む。コネクタ段１１８０は、第１のせん断流段の第２のシャフト部分１１１０を第２のせん断流段１１４０の第３のシャフト部分１１４６に結合する。コネクタ段１１８０はまた、多段せん断流装置１１００がタービンモードで動作するときに、第１のアキシャルポート１１２０を第２の段の第２のノズルプレナム１１７０のノズル入口（図示せず）に接続すること、およびせん断流装置１１００がポンプモードで動作するときには、第２のコレクタープレナム用空洞１１６４の出口（図示せず）を第１のアキシャルポート１１２０に接続することによって、流体移送を容易にする。

コネクタロータ１１８２は、第１のコネクタディスク１１８３において、ネジ接続または他の好適な接続によって、第１のせん断流段１１０２の第２のシャフト部分１１１０に接続する。コネクタロータ１１８２は、ネジ接続または他の好適な接続などにより、第２のコネクタディスク１１８４によって、第２のせん断流段１１４０の第３のシャフト部分１１４６に接続する。第１のコネクタディスク１１８３と第２のコネクタディスク１１８４との間には、インペラ１１８５がある。

図１２を参照すると、コレクターロータ１１８２の拡大図が示されている。第１のコネクタディスク１１８３は、流体をコネクタロータ１１８２と第２のシャフト部分１１１０の第１のアキシャルポート１１２０との間に流すための開口部１２００を含む。インペラ１１８５は、流体が接続段１１８０を通って流れるのを容易にする一方で、トルクを第２のシャフト部分１１１０から第３のシャフト部分１１４６へ伝達するように設計されることを意図する。インペラ１１８５の設計は、図１２に示す例示的なインペラ１１８５ａ〜ｄとは異なり得る。例えば、図１２に示す例示的なコネクタロータ１１８２は、４個のインペラ１１８５ａ〜ｄを含むが、インペラ１１８５の数は５個以上でもまたは３個以下でもよい。

コネクタロータ１１８２は、第２のシャフト部分１１１０と第３のシャフト部分１１４６との間でトルクを伝達しながら、第２のシャフト部分１１１０内へ流入するまたはそこから流出する流体の半径流を促すように機能する。図１１および図１２に示すコネクタロータ１１８２のインペラ１１８５ａ〜ｄは、流体が中空の第２のシャフト部分１１１０内へ流入するまたはそこから流出するように半径方向に流れるのを促しながら、第２のシャフト部分１１１０と第３のシャフト部分１１４６との間でトルクを伝達する。インペラは、コネクタロータ１１８２を通って流れる流体に対する抗力を低減させる形状にされ得る。

コネクタロータ１１８２は、配置構成によって第２のシャフト部分１１１０と第３のシャフト部分１１４６との間でトルクを伝達しかつ流体が第１のアキシャルポート１１２０とコネクタポート１１８６との間を流れるのを容易にすることを条件に、図１１および図１２に示すものとは異なる形状および配置構成を有し得る。例えば、コネクタロータ１１８２の代替的な実施形態は、第２のシャフト部分１１１０を第３のシャフト部分１１４６に接続しかつ中空シャフト内へ流入するまたはそこから流出する流体の半径流を容易にする孔を含む中空シャフトによって提供される。

コネクタハウジング１１８１は、流体がコネクタハウジング１１８１内へ流入しかつそこから流出するためのコネクタポート１１８６を含む。内側コネクタシュラウド１１８７は、コネクタロータ１１８２を覆い囲む。外側コネクタシュラウド１１８８は、コネクタロータ１１８２および内側コネクタシュラウド１１８７を覆い囲む。固定コネクタ膜１１８９は、コネクタロータ１１８２、内側コネクタシュラウド１１８７および外側コネクタシュラウド１１８８を覆い囲む。内側コネクタシュラウド１１８７および外側コネクタシュラウド１１８８は、第１のせん断流段１１０２の第１の内側シュラウド１１２２および第１の外側シュラウド１１２４と同様の片持ち構造を有する。シュラウド１１８７、１１８８、１１８９は、上述のシュラウドと同様に機能するため、ここでさらに説明はしない。

第１のコネクタラジアル軸受１１９０が、内側コネクタシュラウド１１８７とコネクタロータ１１８２との間に設置されて、内側コネクタシュラウド１１８７を支持する。第２のコネクタラジアル軸受１１９１が、外側コネクタシュラウド１１８８とコネクタロータ１１８２との間に設置されて、コネクタシュラウド１１８７を支持する。第１および第２のラジアル軸受１１９０、１１９１の構造および取り付けは、第１のせん断流段１１０２の第１および第２のラジアル軸受１１２１、１１２３と同様であり、およびここでさらに説明はしない。

第１のコネクタスラスト軸受１１９２が、第２のコネクタディスク１１８４と内側コネクタシュラウド１１８７との間に形成された切り欠き部に設置される。第２のコネクタスラスト軸受１１９３が、内側コネクタシュラウド１１８７と外側コネクタシュラウド１１８８との間に形成された切り欠き部に設置される。第３のコネクタスラスト軸受１１９４が、外側コネクタシュラウド１１８８とコネクタハウジング１１８１との間に形成された切り欠き部に設置される。第１、第２、および第３のコネクタスラスト軸受１１９２、１１９３、１１９４の構造および取り付けは、第１のせん断流段１１０２の第１、第２、および第３のスラスト軸受１１２５、１１２７、１１２９と同様であり、およびさらに説明はしない。

多段せん断流装置１１００は、タービンモードで動作され得、その場合、コネクタポート１１８６は、第２のせん断流段１１４０の第２のノズルプレナム１１７０のノズル入口（図示せず）に結合され、およびジェネレータ１１１４は第１のシャフト部分１１０８に結合される。

タービンモードで動作中、高圧流体が、第１のせん断流段１１０２の第１のノズルプレナム用空洞１１３２のノズル入口（図示せず）に入る。流体は、第１のロータ１１０６のディスク１１１２の外縁へ接線方向に方向付けられた高速ジェットでノズル出口（図示せず）を通って第１のノズルプレナム用空洞１１３２から出る。上述の通り、その後、流体は、ディスク１１１２間の間隙を通って半径方向内向きに流れ、粘性せん断に起因してディスク１１１２の回転を引き起こす。第１のロータ１１０６のディスク１１１２の回転は、第１および第２のシャフト部分１１０８、１１１０を回転させ、それにより、ジェネレータ１１１４に電力を伝達する。接続ロータ１１８２は、第２のせん断流段の第２のシャフト部分１１１０から第３のシャフト部分１１４６へトルクを伝達する。

上述のようなディスク５２６の流体の通路と同様に、流体は、アパーチャおよびディスク１１１２にある中心開口部を通ってコレクター段１１８０の方へ軸方向に移動する。流体は、中空の第２のシャフト部分１１１０を通って移動し、かつ第１のアキシャルポート１１２０から出て、コネクタロータ１１８２のコネクタポート１１８６を通ってコネクタハウジング１１８１に入る。その後、流体は、内側コネクタ多孔質シュラウド１１８７、外側コネクタ多孔質シュラウド１１８８、および固定多孔質コネクタ膜１１８９を通過し、コネクタポート１１８６を通って出る前に、コネクタハウジング１１８１の流体の角速度を低下させる。コネクタハウジング１１８１から出る流体は、上述の第１のせん断流段の動作と同様に、第２のノズルプレナム用空洞１１７０のノズル入口（図示せず）に流入し、かつ第２のロータ１１４４のディスク１１４５に方向付けられた高速ジェットとしてノズル入口を通って出る。流体は、第２のロータ１１４４から中空の第４のシャフト部分１１４８へ入り、および第２のアキシャルポート１１５０を通って多段せん断流装置１１００を出る。

ポンプまたはコンプレッサモードでの動作中、モータ１１１４は第１のシャフト部分１１０８に結合される。モータ１１１４は、第１のシャフト部分１１０８、第１のロータ１１０６、第２のシャフト部分１１１０、コネクタロータ１１８２、第３のシャフト部分１１４６、第２のロータ１１４４、および第４のシャフト部分１１４８の回転を引き起こすトルクを加える。低圧流体が、第２のせん断流段１１４０の第２のアキシャルポート１１５０を通って多段せん断流装置１１００に入る。流体は、第２のロータ１１４４内に流入し、かつ上述の通り第２のロータ１１４４を通って半径方向外向きに移動する。流体が、第２の多孔質膜１１６８を通過して、第２のコレクタープレナム用空洞１１６６に入る。流体は、出口（図示せず）を通って第２のコレクタープレナム用空洞１１６６から流出して、コネクタ段１１８０の接続ポート１１８６へ運ばれる。流体は、コネクタハウジング１１８１を通過し、およびコネクタポート１１８６および第１のアキシャルポート１１２０を通過して、第１のせん断流段１１０２に入る。流体は、第１のロータ１１０６に流入し、かつ上述の通り第１のロータ１１０６を通って半径方向外向きに移動する。流体は第１の多孔質膜１１３０を通過して、高圧流体として第１の収集プレナム用空洞に入る。

シャフト１１０８、１１１０、１１４６、１１４８およびロータ１１０６、１１４４、１１８２の回転方向は、タービンモードおよびポンプモードの双方において同じとし得る。この場合、多段せん断流装置１１００は、シャフト１１０８、１１１０、１１４６、１１４８の回転を停止させることなく、変換され得る。例えば、ポンプモードからタービンモードへは、コネクタ段の結合を第２のコネクタプレナム用空洞１１６４から第２のプレナムノズル用空洞１１７０へ変更することによる。この変換は、第１および第２のコレクタープレナム用空洞１１２６、１１６４の出口（図示せず）の閉鎖、および第１および第２のノズルプレナム用空洞１１３２、１１７０の入口の開放によって、もたらされ得る。

一方のモードから他方のモードへ変換されるとき、第１の段１１０２、第２の段１１４０およびコネクタ段１１８０での流体の流れの半径方向の流速は、反対方向に増加する前に、ゼロまでゆっくりになる。多段せん断流装置の流体の半径流速度は、角速度と比べて比較的小さく、ポンプモードからタービンモードへの移行、またはその逆は、シャフトおよびロータの回転を停止させずに、非常に迅速に発生し得る。

あるいは、多段せん断流装置１１００は、もっぱらタービンモードで動作し得る。この場合、第１および第２のコレクタープレナム用空洞１１２６、１１６４は省略され得る。

あるいは、多段せん断流装置１１００は、もっぱらポンプモードで動作し得る。この場合、第１および第２のノズルプレナム用空洞１１３２、１１７０は省略され得る。さらに、ノズルが除去された状態では、第１および第２の内側端部ディスク１１１７、１１６０は、それぞれの第１および第２の内側シュラウド１１２２、１１５６に接続され得る。同様に、第１および第２の外側端部ディスク１１１９、１１６２は、それぞれの第１および第２の外側シュラウド１１２４、１１５８に接続され得る。

ここで図１３を参照すると、円錐形状のロータ１３００の代替的な設計の横断面が示されている。ロータ１３００は、例えば、ロータ５０６の代わりにせん断流装置５００に組み込まれ得るか、または第１のせん断流段１１０２の第１のロータ１１０６および第２のせん断流段１１４０の第２のロータ１１４４の代わりに多段せん断流装置１１００に組み込まれ得る。

ロータ１３００は、第１の部分１３０２と、第１の部分１３０２によく似た第２の部分１３０４とを含む。第１の部分１３０２は複数の円錐体１３０６を含み、これら円錐体は。隣接する円錐体１３０６間の間隙１３０８によって離間している。円錐体１３０６は中心開口部１３１０を含む。円錐体１３０６の中心開口部１３１０は、ロータ１３００の第１の外側端部１３１４において第１のアキシャルポート１３１２と整列される。流体は、第１の軸方向開口部１３１２を通って中心開口部１３１０内へ、および円錐体１３０６間の間隙１３０８内へ、軸方向に流れ得る。第１の部分１３０２の円錐体１３０６は、例えば、円錐体１３０６を通過する通しボルト（図示せず）によって、一緒に結合され得る。円錐体１３０６は***（図示せず）を含み得、これら***は、例えば、円錐体１３０６間の間隙１３０８の均一な距離を維持し、ならびに上述のような平坦なディスク３２０から延出する***３２４と同様に、円錐体１３０６の表面粗さを増す。

同様に、第２の部分１３０４は複数の円錐体１３１６を含み、これら円錐体は、隣接する円錐体１３１６間の間隙１３１８によって離間している。第２の部分の円錐体１３１６は中心開口部１３２０を含む。円錐体１３１６の中心開口部１３２０は、ロータ１３００の第２の外側端部１３２４において第２のアキシャルポート１３２２と整列される。流体は、第２の軸方向開口部１３２２を通って中心開口部１３２０内へ、および円錐体１３１６間の間隙１３１８内へと、軸方向に流れ得る。第２の部分の円錐体１３１６は、通しボルト（図示せず）によって一緒に結合され得る。円錐体１３１６は、第１の部分１３０２の円錐体１３０６と同様の***を含み得る。

第１の部分１３０２および第２の部分１３０４は、中心間隙１３２６によって分離される。第１の部分１３０２および第２の部分１３０４は、例えば、通しボルト（図示せず）によって一緒に結合され得る。中心間隙１３２６は、例えば、第１の部分１３０２と第２の部分１３０４を一緒に結合する通しボルトにある切り欠き部によって、または第１および第２の部分１３０２、１３０４の最も内側の円錐体１３０６、１３１６間の間隙を通って延在する***によって、維持され得る。

図１３に示す円錐体１３０６、１３１６は、異なる直径、および同じ開先角度を有する。円錐体１３０６、１３１６は、第１および第２の外側端部１３１４、１３２４における最大直径から中心間隙１３２６における最小直径まで、より小さな直径の円錐体１３０６、１３１６がより大きな直径の円錐体１３０６、１３１６内に入れ子にされるように、配置される。

例えば図５に示すせん断流装置５００のロータ５０６のディスク５２６などの平坦なディスクではなく、円錐体１３０６、１３１６を有するロータ１３００を用いることによって、流体は、平坦なディスクにあるアパーチャを用いることなく、間隙１３０８、１３１８を通って軸方向に流れ得る。例えば、ロータ５０６のディスク５２６の間の流体の軸流では、流体はアパーチャ６０４を通過する。アパーチャを通過することによって乱流渦を生じ、これは、ロータの全体効率を低下させ得る。円錐体１３０６、１３１６を用いることによって、流体の軸流の促すためのアパーチャが使用されないため、効率が高められる。

さらに、円錐体１３０６、１３１６の開先角度は、円錐体１３０６、１３１６の上側にわたって流れる流体の半径方向速度を制御するために変更され得る。流体の流れの半径方向速度の制御は、熱を産み出す抗力を生じる半径方向の流体せん断力によって引き起こされる半径流の摩擦効率損失を低減させるために用いられ得る。

円錐体１３０６、１３１６が同じ開先角度に含まれるロータ１３００では、間隙１３０８、１３１８を通って流れる流体の半径方向速度成分から「見る」ときの半径方向横断面は、流体が外向きに流れるにつれて、増大する。

半径方向断面積は、所与の半径におけるシリンダー状の表面積を指す。シリンダー状の表面積は、２πＲで乗された特定の半径Ｒにおける、円錐体間、またはディスク間の距離である。シャフトと周囲との間の半径Ｒに応じて、シリンダー状の表面積の変動を小さくすることが望ましい場合、ディスク間（または円錐体間）の距離は、半径Ｒに応じて、減少する必要がある。より均一な半径方向断面積を達成するための１つの方法は、異なる開先角度および異なる直径の複数の円錐体を備えるロータを形成することである。あるいは、図１０Ａに示すものと同様の複数の直径のディスクで作製された剛毛ブラシロータは、より均一な半径方向断面積を提供するために用いられ得る。あるいは、円錐体１３０６、１３１６は、多孔質材料で作製され得るか、またはアパーチャを用い得るか、またはアパーチャを含む多孔質材料で作製され得る。細孔およびアパーチャは、流体が、１つの間隙１３０８、１３１８から次の間隙１３０８、１３１８まで、円錐体１３０８、１３１６を通ってより半径方向に流れるのを容易にする。この代替例では、細孔およびアパーチャを通る軸流および半径流は、依然として、円錐形状に起因する乱流渦の減少およびより高い効率によって成し遂げられ得る。これらの代替的な配置構成の全ては、半径方向外向きに流れる流体の半径方向速度成分が減少されるようにより均一な半径方向断面積を可能にしながら、層状せん断流トルク移動を可能にするために、外側の円錐体間の間隙を埋めるために用いられ得る。

ここで図１４を参照すると、様々な開先角度および様々な直径の円錐体１４０２を含む例示的なロータ１４００の横断面が示されている。様々な開先角度の円錐体１４０２を含むことによって、円錐体１４０２間の間隙１４０４を通って流れる流体の半径方向速度成分から「見る」ときの半径方向断面積は、流体が半径方向外向きに動くときに流体から「見る」ときのより一定の半径方向断面積を維持するために、制御され得る。より一定の半径方向横断面は、流体のより一定の半径方向速度を維持し、半径方向速度があまり一定ではないロータと比べて、ロータの効率を高める。

ロータ１３００および１４００を製造するために用いられる材料は、例えば、チタンシリコンカーバイド、チタン、アルミニウム、炭化ケイ素、他の高力の耐クリープ性の航空タービン合金とし得る。あるいは、用いられる材料は、好適な低コストのプラスチックまたは任意の他の好適な材料とし得る。

ここで図１５を参照すると、二段せん断流装置１５００が示されている。二段せん断流装置１５００はせん断流装置１１００と同様であり、コネクタ段１１８０が除去されており、およびロータがディスクではなく、入れ子状の円錐体を含む。せん断流装置１５００は、第１のロータ用空洞１５０４および第２のロータ用空洞１５０６を取り囲むハウジング１５０２を含む。

第１のロータ１５０８は第１のロータ用空洞１５０４内に収容され、および第２のロータ１５１０は第２のロータ用空洞１５０６内に収容される。第１および第２のロータ１５０８、１５１０は、ロータ１３００の円錐体１３０６と同様の複数の入れ子状の円錐体１５０９、１５１１を含むため、ここでさらに説明はしない。

中空の第１のシャフト部分１５１２は、第１のロータ１５０８をモータ１５１４に接続する。中空の第１のシャフト部分１５１２は第１のアキシャルポート１５１６を含む。中実の第２のシャフト部分１５１８は、第１のロータ１５０４を第２のロータ１５０６に接続する。第２のロータ１５０６は、第２のアキシャルポート１５２２を含む中空の第３のシャフト部分１５２０に結合される。

ハウジング１５０２は、第１のロータ用空洞１５０４に開口する複数の第１のコレクター入口１５２６を有する第１のコレクタープレナム用空洞１５２４を含み、各開口部は、任意選択的な多孔質膜１５２８を有する。ハウジング１５０２はまた、第１のロータ用空洞１５０４に開口するノズル出口（図示せず）を有する複数の第１のノズルプレナム用空洞１５３０を含む。同様に、ハウジング１５０２は、第２のコレクタープレナム用空洞１５３２と、任意選択的な多孔質膜１５３６を有する複数の第２のコレクター入口１５３４を含み、およびノズルプレナム用空洞１５３８が、第２のロータ用空洞１５０６に関連付けられる。コレクタープレナム用空洞１５２４、１５３２、コレクター入口１５２６、１５３４、およびノズルプレナム用空洞１５３０、１５３８は、上述のせん断流装置５００および１１００の同様の要素と同様であるため、さらに説明はしない。

第１の端部ディスク１５４４は、第２のシャフト部分１５１８と第１のロータ１５０８との間に結合され、および第１のロータ１５０８から離間されて間隙１５４５をもたらす。第２の端部ディスク１５５４は、第２のシャフト部分１５１８と第２のロータ１５１０との間に結合され、および第１のロータから離間されて間隙１５５５をもたらす。

第１の自由回転の内側シュラウド１５４０および第１の自由回転の外側シュラウド１５４２は、任意選択的に、第１のロータを覆い囲むために含まれ得る。第１の自由回転の内側ディスク１５４６および第１の自由回転の外側ディスク１５４８は、任意選択的に、第１の端部ディスク１５４４とハウジング１５０２との間に設置される。シュラウド１５４０、１５４２、第１の端部ディスク１５４４、および第１の自由回転のディスク１５４６、１５４８の取り付けおよび構造は、上述のせん断流装置１１００のこれらの要素の構造および取り付けと同じであり、ここでさらに説明はしない。

任意選択的な第２の内側シュラウド１５５０、任意選択的な第２の外側シュラウド１５５２、第２の端部ディスク１５５４、任意選択的な第２の内側ディスク１５５６、および任意選択的な第２の外側ディスク１５５８が、第２のロータ用空洞１５０６に含まれる。第２の内側シュラウド１５５０、任意選択的な第２の外側シュラウド１５５２、第２の端部ディスク１５５４、任意選択的な第２の内側ディスク１５５６、および任意選択的な第２の外側ディスク１５５８の構造および取り付けは、第１のロータ用空洞１５０４のシュラウド１５４０、１５４２、第１の端部ディスク１５４４、および第１の自由回転のディスク１５４６、１５４８と同様であり、ここでさらに説明はしない。

上述の通り、ロータ１５０８、１５１０は、上述のロータ１３００と同様である。ロータ１５０８、１５１０および第１および第２の端部ディスク１５４４、１５５４は、例えば、３次元印刷またはキャスティングによって、単一部片で形成され得る。図１６Ａは、３次元印刷によって形成された第２のロータ１５１０および第２の端部ディスク１５５４の例を示す。図１６Ｂは、ロータ１５１０内の構造が見えるように第２のエンドキャップ１５５４が除去されている、第２のロータ１５１０を示す。第１のロータ１５０８および第１のエンドキャップ１５４４は、第２のロータ１５１０および第２のエンドキャップ１５５４と構造的に同じである。

ロータ１５１０は、間隙１６０２によって分離された複数の円錐体１６００を含む。円錐体１６００は、図１３を参照して説明したように、同じ開先角度を有し、および直径が小さくなる。円錐体１６００は、コネクタ１６０４によって一緒に接続される（図１６Ｂ参照）。

二段せん断流装置１５００は、例えば、コンプレッサとして動作する第１のロータ１５０８、およびコンプレッサに給電するタービンとして動作する第２のロータ１５１０を備える、可逆性の単段コンプレッサおよびタービンとして使用され得る。動作中、流体は、第２のノズルプレナム用空洞１５３８に入り、高速ジェットとして出て、第２のロータ１５１０の回転を引き起こし、かつ上述したように第２の軸方向出口１５２２を通って出る。一例では、可燃燃料が第２のノズルプレナム用空洞に入り、これは、圧縮空気と合わせられる。混合気はノズルプレナム用空洞内で燃焼されて高温の排気ジェットを生成し、これがノズル出口（図示せず）から出て、第２のロータ１５１０を回転させる。

第２のロータ１５１０の回転によって、第１のロータ１５１０の回転を引き起こす。ポンプで吸い込まれる流体は、第１のアキシャルポート１５１６を通って入り、第１のロータ１５０８内へ移動する。流体は、第１のロータ１５０８の回転によって生じた粘性せん断に起因して、円錐体１６００にある間隙１６０２を通って半径方向外向きに、移動する。高圧の流体は、上述のような第１のコレクタープレナム用空洞１５２４に収集される。

同様に、図１１〜１４を参照して上記で説明した多段せん断流装置１１００はまた、例えば、コンプレッサとして動作する第１の段１１０２と、コンプレッサに給電するタービンとして動作する第２の段１１４０とを備える単段コンプレッサおよびタービンとして用いられ得る。

別の例では、二段せん断流装置１５００は、二段ポンプまたはコンプレッサとして用いられ得る。この例では、第１のコレクタープレナム１５２４のコレクター出口（図示せず）は、第２のアキシャルポート１５２２に接続される。モータ１５１４は、第１のシャフト部分１５１２を回転させ、第１および第２のロータ１５０８、１５１０の回転を引き起こす。流体が第１のアキシャルポート１５１６に入り、第１のロータ１５０８を通過し、および第１のコレクタープレナム用空洞１５２４において収集される。その後、第１のコレクタープレナム用空洞１５２４からの流体は、第２のアキシャルポート１５２２を通って第２のロータ用空洞に入り、およびさらに、第２のロータ１５１０によって圧縮され、かつ第２のコレクタープレナム用空洞１５３２において収集される。

別の例では、二段せん断流装置１５００は、二段タービンとして用いられ得る。この例では、モータ１５１４はジェネレータで置き換えられてもよく、および第１のアキシャルポート１５１６は、第２のノズルプレナム用空洞１５３８の入口（図示せず）に接続される。流体は、第１のノズルプレナム用空洞１５３０に入り、および上述の通り第１のロータ１５１０を回転させる高圧ジェットとして出る。流体は、第１のロータ１５０８を通過し、かつ第１のアキシャルポート１５１６を通って出る。第１のアキシャルポート１５１６から、流体は、第２のノズルプレナム用空洞１５３８に入り、および高圧ジェットとして出て、第２のロータ１５１０の回転を引き起こす。流体は、第２のロータ１５１０を通過し、かつ第２のアキシャルポートを通って出る。

前述の記載では、説明のために、実施形態の十分な理解をもたらすために、多数の詳細について説明している。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細は必要ではないことは明白である。

上述の実施形態は、説明を意図するにすぎない。当業者によって、特定の実施形態に変更、修正および変形がなされ得る。特許請求の範囲は、本明細書で説明する特定の実施形態によって限定されるべきではなく、明細書全体に一致するとみなされるべきである。

Claims (13)

1. 空洞を規定するハウジング壁を有するハウジングと；
   前記空洞の端部における前記ハウジング壁にあるシャフト開口部を通って前記空洞内へと延在するシャフトと；
   前記空洞内で前記シャフトに結合されたロータであって、前記ロータは、前記ロータの中心軸から半径方向外向きに延在する複数のディスクを有し、前記ディスクは、隣接するディスク間に間隙を形成する離間配置構成を有している、ロータと；
   前記ロータを囲う第１のシュラウドであって、前記シュラウドは：
   前記ロータの両端部の外側に配置された第１の対の端部ディスク；
   前記第１の対の端部ディスクの外縁間に延在する第１のスクリーンであって、前記ロータと前記ハウジング壁との間で、前記ロータの周りに延在する、第１のスクリーン
   を含む、第１のシュラウドと
   を含む、せん断流ターボ機械装置において、
   前記第１のシュラウドは、前記ロータの回転とは無関係に、自由に回転可能であり、前記空洞が流体で満たされかつ前記シャフトおよび複数のディスクが回転されるときに、前記ハウジング壁に起因する前記ディスクに対する抗力を低減させることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
2. 請求項１に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記ハウジング壁は円錐形状の空洞を規定し、および前記複数のディスクは、前記ディスクの直径が、ロータの第１の端部からの距離が長くなるにつれて大きくなるように、配置されて、前記ロータが、前記円錐形状の空洞の前記円錐形状に全体的に適合する円錐形状を有するようにすることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
3. 請求項１に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記第１のスクリーンと前記ハウジング壁との間で前記第１のシュラウドの周りに延在する第２のスクリーンを含む第２のシュラウドを含むことを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
4. 請求項３に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記第２のシュラウドは固定シュラウドであることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
5. 請求項３に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記第２のシュラウドは、前記ハウジング壁と前記第１の対の端部ディスクのそれぞれ１つとの間に、前記ロータの対向する両端部に結合された第２の複数の端部ディスクを含み、および
   前記第２のスクリーンは、第２の対の端部ディスクの外縁間に延在し；および
   前記第２のシュラウドは、前記空洞が流体で満たされかつ前記シャフトおよび複数のディスクが回転されるときに、前記ロータの前記回転および前記第１のシュラウドの前記回転とは無関係に、自由に回転可能であることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
6. 請求項５に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記第２のスクリーンと前記ハウジング壁との間で前記第２のシュラウドの周りに延在する第３のスクリーンを含む第３のシュラウドを含み、前記第３のシュラウドは固定シュラウドであることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
7. 請求項１に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記ロータの前記複数のディスクのそれぞれの表面は、ディスクと、隣接するディスク間の前記間隙内での流体との間の抗力を増すように、粗面化されていることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
8. 請求項７に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記複数のディスクのそれぞれの前記表面は粗面化されていて、複数の***が、各ディスクの前記表面から隣接するディスクとの前記間隙へ延出していることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
9. 請求項８に記載のせん断流ターボ機械装置において、各ディスクの前記表面から延出する前記複数の***の少なくとも一部分は、隣接するディスクとの前記間隙を橋絡していることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
10. 請求項８に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記複数の***は、様々な高さで各ディスクの前記表面から延出していることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
11. 請求項１に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記スクリーンは、ワイヤメッシュおよびファブリックシートの一方で形成された多孔質膜であることを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
12. 請求項１に記載のせん断流ターボ機械装置において、さらに、ノズル出口から前記複数のディスクに対して接線方向に流体ジェットを適用して前記ロータの回転を引き起こす、１つ以上のノズルを含み、各ノズルは、プレナムチャンバーを介して前記ノズル出口と流体連通するノズル入口を有することを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。
13. 請求項１に記載のせん断流ターボ機械装置において、前記ハウジングは、前記空洞内の圧力を調整する流速調整器を有する流体出口を含むことを特徴とする、せん断流ターボ機械装置。

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