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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION Léon PONTHIR " Machine rotative volumétrique, motrice ou réceptrice "
La présente invention a pour objet une machine rotative volumétrique pouvant fonctionner, soit comme motrice, soit comme réceptrice, et susceptible d'avoir les mêmes applications que les machines à piston.
Dans les machines connues de ce genre, la construction organique nécessite le maintien d'organes de distribution, tels les soupapes et les tiroirs nécessaires à l'admission et à l'échappement du fluide utilisé.
Les machines connues comportent des lignes de contact pour délimiter les chambres de pression soumises à variations de volume, alors qu'il serait souhaitable que cette délimitation soit faite par des surfaces.
La présente invention réalise une simplifica- tion de la construction des pompes connues à ce jour, en ce sens que les organes de distribution sont supprimés, ainsi que les contacts par lignes et quelles premiers
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sont remplacés par des organes nommés secteurs servant en même temps de tiroir et de piston.
Dans les machines selon l'invention, les deux éléments faisant fonction de piston et désignés ci-après par secteurs, sont reliés à un arbre, suivant le cas, de commande ou de réception, par des liaisons telles que celles-ci sont le siège de couples inverses ayant pour résultante un couple moteur variable de fonction pério- diquedont la période est éventuellement égale à une demi-révolution de l'arbre susdit, A cette variation pé- riodique correspondent, de par les liaisons, d'une part, des variations de volume à fonction périodique de même période, se produisant dans l'espace entre deux secteurs et, d'autre part, un mouvement continu de l'arbre.
Une forme de réalisation de l'invention se traduit en ce que chacun des secteurs est relié à l'arbre par une liaison à rapport de vitesse variable, ces deux secteurs tournant à la suite l'un de l'autre dans un même cylindre dont la paroi est pourvue de lumières d'en- trée et de sortie obturées par les secteurs aux endroits où deux faces de secteurs voisins prennent leur plus courte distance et qu'on appelle point mort.
La description ci-dessous se rapporte à un moteur à air comprimé; elle a été faite à titre d'exemple non limitatif. La machine aurait pu être un compresseur ou pompe à liquide ou toute autre machine à propulsion ou déplacement de fluide, telle la machine à combustion interne.
Dans le dessin ci-annexé : la figure 1 représente une coupe axiale (arbre extérieur) du moteur à air comprimé; les figures 2 et 3 représentent des coupes perpendicu- laires à la précédente, respectivement selon AB et CD; les figures 4 à 15 représentent schématiquement des
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coupes perpendiculaires à l'axe du cylindre montrant le fonctionnement dans différentes hypoyhèses, à l'aide de conventions qui seront précisées ci-après; la figure 16 représente une vue en perspective de la transmission de mouvement dans le cas d'emploi de bielles; les figures 17 et 18 représentent schématiquement deux positions du mécanisme de transmission du mouvement re- présenté à la figure 16 ; la figure 19 représente schématiquement une machine fonc- tionnant à trpis cylindres;
les figures 20 et 21 représentent schématiquement la posi- tion relative des secteurs et d'un mécanisme de transmis- sion par manivelle à coulisseaux; les figures 22 et 23 représentent la position relative des secteurs et des bielles d'un mécanisme de transmission selon une variante; la figure 24 représente une coupe de secteurs de forme spéciale.
Dans ces différentes figures, les mêmes nota- tions de référence désignent des éléments identiques.
Le moteur à air comprimé est représenté aux figures 1, 2 et 3. Il se compose d'un bâti 1 possédant d'un c8té une chambre cylindrique fermée par un couvercle 2. Par chambre cylindrique, il faut comprendre une chambre dont la surface latérale peut être formée par la rotation, autour d'un axe, d'une ligne quelconque, droite ou courbe, c'est-à-dire que la chambre peut avoir, par exemple, la forme d'un tronc de cône. Cette chambre sera dénommée ultérieurement 'cylindre". Dans le cylindre se meuvent deux prismes droits (ou hélicoïdaux dans le but d'obvier à l'effet de la force centrifuge) 3 et 4, qui font office de pistons, et dont les bases forment des secteurs cir- culaires. Ces primes, qui seront appelés dans la suite
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"secteur", sont solidaires respectivement des arbres concentriques 5 et 6.
Deux manivelles 7 et 8 de même rayon sont respectivement calées sur les arbres 5 et 6.
On voit à la figure 2 que l'axe de chaque manivelle et l'axe du secteur qui s'y rapporte se trouvent dans le même plan. Cette disposition n'est pas indispensable; il suffit que, vus dans le plan de la figure 2, ces axes forment deux à deux des angles égaux.
L'arbre creux 5 s'appuie sur le bâti 1, tandis que l'arbre 6 s'appuie, d'une part, dans l'arbre 5 et, d'autre part, dans le couvercle 2. A l'extrémité de chaque manivelle, se trouve un coulisseau 9 ; ceux-ci glissent dans la rainure diamétrale d'un disque ou bras 10 qui, dans une certaine mesure, sert également de volant. Le centre de rotation de ce disque est excentré par rapport à l'axe des arbres 5 et 6. Un couvercle 11, qui sert éga- lement de support au bras 10 par l'intermédiaire de l'ar- bre 12, ferme le carter dans lequel est enfermé le méca- nisme du mouvement de transformation.
Deux orifices 13 et 14 communiquent respecti- vement avec des lumières 15 et 16 dont l'arc est sensi- blement égal (cas de la pleine admission) à celui des secteurs mobiles. Ces orifices servent à l'admission et à l'échappement du fluide, s'il s'agit d'une machine mo- trice et à l'aspiration et au refoulement s'il s'agit d'un compresseur ou d'une pompe à liquide.
La figure 2 et les trois figures schématiques 4,5 et 6 montrent les positions occupées par les secteurs pour quelques positions du disque ou bras 10 dont la rainure est figurée par l'axe X Y. Pour faciliter la compréhension du mouvement du fluide, indiqué par les flèches, les deux lumières ont été représentées, pour les figures 4,5 et 6, dans la paroi latérale du cylindre.
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La figure 5 montre clairement que l'air com- primé entrant par la lumière 15 exerce sur les flancs des secteurs des pressions égales, représentées par les flèches et qui forment, par l'intermédiaire des manivelles, deux coupss, agissant simultanément, mais en sens inverse, sur le disque 10. Ces deux couples, de forces égales, mais de bras de leviers AB et AC différents, ont donc des moments également différents, ce qui entrainera le disque dans le sens indiqué, c'est-à-dire du plus grand moment.
On voit que par suite de la rotation du disque entraîné par le plus grand moment, les deux secteurs 3 et 4 tournent dans le même sens, mais d'un mouvement à vitesse variable si bien qu'à tour de rôle, correspondant à un demi-tour de l'arbre de réception, l'un se déplace rapide- ment tandis que l'autre se déplace lentement et que le cylindre est toujours partagé en deux espaces I et II, dont, les volumes varient constamment d'une manière analogue à ceux du cylindre d'une machine à piston à double effet.
Avec l'emploi des gaz, l'angle au centre des deux secteurs ; doit être déterminé d'après la position du centre du dis- que 10, de manière à ce que les secteurs ne se touchent pas dans les positions limites (figures 4 et 6, points morts). Ces secteurs peuvent aussi être creux, comme l'indique la figure 24.
Pendant une demi-rotation de l'axe X Y, (figures 4,5 et 6), le secteur 3 vient prendre la posi- tion du secteur 4 et, vice-versa, 4 vient dans la position de 3. Durant ce trajet, la lumière 15 reste en communi- cation avec l'espace II dont le volume augmente pendant que la lumière 16 reste en communication avec l'espace I dont le volume diminue.
Oh obtiendra le changement de marche en inversant l'admission et l'échappement.
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Dans le cas d'un moteur à détente, il suffit, au moyen d'un mécanisme approprié, de réduire la longueur de la lumière d'admission 15.
La figure 7, où. les deux lumières ont également été reorésentées dans la paroi du cylindre, montre cette disposition pour une admission de 50%.
Dans les compresseurs et pommes à liquide, le même mécanisme appliqué aux deux lumières, c'est-à-dire d'aspiration et de refoulement, servira au réglage du débit Il suffira de régler la longueur des lumières de manière à ce qu'elles n'entrent en service qu'au moment opportun.
Une autre réalisation de l'invention est représentée aux figures 8 à 15 montrant schématiquement le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, chacune des lumières étant précédée d'une soupape ou d'un tiroir.
Dans une première hypothèse d'exécution, comme il est visible aux figures 8 à 11, dans chacune des cham- bres I et II se réalise le cycle des quatre temps, les mêmes opérations étant décalées dans les chambres res- pectives, les unes par rapport aux autres, d'un demi-tour de l'arbre extérieur de réception 12. non représenté aux figures susdites. Celles-ci représentent : la figure 8, aspiration à la chambre I et évacuation à la chambre II, la figure 9, compression à la chambre I et aspiration à la chambre II, la figure 10;, allumage à la chambre I et compression à la chambre II, la figure 11, évacuation à la chambre I et allumage à la chambre II.
Dans une deuxième hypothèse d'exécution, comme il est visible aux figures 12 à 15, les opérations dans la chambre II sont décalées d'un demi-tour de l'arbre extérieur de réception 12, non représenté dans les fi- gures susdites. Hais ..ici, les opérations de cette
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chambre II sont en avance sur celles de la chambre I.
Les figures susdites représentent : la figure 12, aspiration à la chambre I et compression à la chambre II, à la figure 13, compression à la chambre I et allumage à la chambre II, la figure 14, allumage à la chambre I et évacuation à la chambre II, la figure 15, évacuation à la chambre I et aspiration à la chambre II.
Ces deux hypothèses se réalisent par une dis- position différente et adéquate des cames sur l'arbre à cames du moteur commandant les soupapes 35 et on peut constater sur les figures que chacune de celles-ci conser- ve la position ouverte ou fermée, pendant une rotation complète du moteur.
Une variante de réalisation du mécanisme de transformation dans le but d'augmenter la durée des or- ganes de frottement, consiste dans le remplacement des coulisseaux 9 (figures 1 et 3) par les deux bielles 17 et 18 (figure 16) oscillant, d'une part, respectivement autour des pivots 19 et 20, diamétralement opposés l'un à l'autre et solidaires du disque 10, et, d'autre part, autour des pivots 21 et 22, solidaires des manivelles 7 et 8. Schématiquement, le mécanisme au point mort se pré- sente comme représenté à la figure 17. Dans une position quelconque, ces bielles et manivelles se présentent comme indiqué à la figure 18 et l'on peut démontrer que dans ces différents cas, pour chaque position, le centre A du disque 10 se trouve toujours en ligne droite avec les pivots C et B des manivelles.
On démontre également que les réactions dans les deux bielles, produites par l'action du fluide sur les flancs des secteurs, ont toujours la même intensité et que les plus grandes réactions que subissent les deux bielles sont inférieures à celles qui seraient
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produites pour tout autre uhoix de la position des points D et E sur la circonférence a. (figure 17).
Il est démontré que le disque est entrainé sous l'effet d'un couple moteur égal, en valeur absolue, au produit de l'effort F développé identiquement dans cha- cune des bielles, par la différence des distances du centre du disque aux bielles, c'est-à-dire F x (AM-AN).
D'autres dispositifs peuvent assurer le mou- vement rotatif et discontinu des secteurs, par exemple, des engrenages de formes appropriées, elliptiques, excentrées, qui ne sont pas représentés.
Dans les descriptions qui précèdent, le cas a été envisagé où deux secteurs 3 et 4 fonctionnent dans le cylindre.
Les figures 20 et 21 représentent schématique- ment le cas où trois secteurs 36, 37, 38, fonctionnent dans le même cylindre, deux secteurs 36, 37, prenant leur plus courte distance (figure 20) ou une position quel- conque (figure 21), les manivelles 48,49, 50 transmettant leur mouvement à l'arbre 12 représenté par l'axe 0, au mo- yen de coulisseaux 39,40, 41, coulissant dans des coulisses convergeant vers le dit axe 0 de l'arbre de com- mande ou de réception 12 et construites à 1200 l'une de l'autre.
Les figures 22 et 23 représentent respecti- vement les mêmes positions des trois mêmes secteurs, comme les figures 20 et 21 la transmission du mouvement ayant lieu par biellettes 42, 43, 44 fixées respec- tivement aux manivelles 45,46, 47 et au disque solidaire de l'arbre de commande ou de réception 12 dont l'axe est en 0. Il peut être démontré que quand deux secteurs 36, 37, prennent leur plus courte distance comme c'est le cas dans la figure 22, les bielles 42, 43, articulées en
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G et H sont perpendiculaires, respectivement au plan passant par l'axe 0 de l'arbre 12 et le pivot des mani- velles 45 et 46.
L'autre secteur 38 est dans une posi- tion déterminée par la position de la bielle 44 de même longueur que les bielles 42 et 43 et articulée en J au disque ou bras 10 solidaire de l'arbre de commande ou de réception;12, représenté par l'axe o. Le point d'ar- ticulation J, équidistant des points G et H, se trouve avec ceux-ci sur une même circonférence.
Un autre mode de réalisation de l'invention consiste dans la disposition en étoile de plusieurs machines autonomes, celles-ci fournissant ou recevant leur mouvement d'un organe commun.
Dans la figure 19 se trouve réalisée une autre variante de l'invention,
Trois cylindres 23, 24, 25, sont disposés sur la même paire d'arbres 32 et 33 sur lesquels agissent les secteurs des cylindres. La sortie 27 du cylindre 25 est en communication avec l'entrée 28 du cylindre 24.
La sortie 29 de celui-ci est en communication avec l'en- trée 30 du cylindre 23 de sorte que'le fluide, dans le cas où la paire d'axes reçoit son mouvement du mécanisme de transformation non représenté, est comprimé à partir de son entrée 26 jusqu'à sa sortie 31. La réfrigération du fluide s'effectue à la sortie des cylindres 25 et 24.
Dans ce cas, la machine fonctionne comme com- presseur à trois étages.
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Léon PONTHIR PATENT OF INVENTION "Volumetric rotary machine, driving or receiving machine"
The present invention relates to a volumetric rotary machine which can operate either as a motor or as a receiver, and which can have the same applications as piston machines.
In known machines of this type, the organic construction requires the maintenance of distribution members, such as the valves and spools necessary for the admission and the exhaust of the fluid used.
The known machines include contact lines to delimit the pressure chambers subjected to variations in volume, whereas it would be desirable for this delimitation to be made by surfaces.
The present invention realizes a simplification of the construction of the pumps known to date, in that the distribution members are omitted, as well as the contacts by lines and which first.
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are replaced by organs called sectors serving at the same time as spool and piston.
In the machines according to the invention, the two elements acting as a piston and designated hereinafter by sectors, are connected to a shaft, depending on the case, control or reception, by connections such that these are the seat of inverse torques resulting in a variable motor torque with a periodic function, the period of which is possibly equal to half a revolution of the aforesaid shaft, To this periodic variation correspond, through the connections, on the one hand, to volume variations with a periodic function of the same period, occurring in the space between two sectors and, on the other hand, a continuous movement of the shaft.
One embodiment of the invention results in that each of the sectors is connected to the shaft by a connection with variable speed ratio, these two sectors rotating one after the other in the same cylinder whose the wall is provided with entry and exit openings closed by the sectors at the places where two faces of neighboring sectors take their shortest distance and which is called a dead point.
The description below relates to a compressed air motor; it was made by way of non-limiting example. The machine could have been a compressor or liquid pump or any other machine propelling or moving fluid, such as the internal combustion machine.
In the accompanying drawing: FIG. 1 represents an axial section (outer shaft) of the compressed air motor; FIGS. 2 and 3 represent cross-sections perpendicular to the preceding one, respectively along AB and CD; Figures 4 to 15 schematically represent
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sections perpendicular to the axis of the cylinder showing the operation in different hypotheses, with the aid of conventions which will be specified below; FIG. 16 represents a perspective view of the motion transmission in the case of use of connecting rods; Figures 17 and 18 schematically represent two positions of the movement transmission mechanism shown in Figure 16; FIG. 19 schematically represents a machine operating with a mesh roll;
Figures 20 and 21 schematically show the relative position of the sectors and of a sliding crank transmission mechanism; FIGS. 22 and 23 represent the relative position of the sectors and of the connecting rods of a transmission mechanism according to a variant; FIG. 24 represents a section of specially shaped sectors.
In these different figures, the same reference notations designate identical elements.
The compressed air motor is shown in Figures 1, 2 and 3. It consists of a frame 1 having on one side a cylindrical chamber closed by a cover 2. By cylindrical chamber, it is necessary to understand a chamber whose side surface can be formed by the rotation, around an axis, of any line, straight or curved, that is to say that the chamber can have, for example, the shape of a truncated cone. This chamber will be called later 'cylinder ". In the cylinder move two right prisms (or helical in order to obviate the effect of centrifugal force) 3 and 4, which act as pistons, and whose bases form circular sectors. These bonuses, which will be called hereafter
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"sector" are respectively integral with the concentric shafts 5 and 6.
Two cranks 7 and 8 of the same radius are respectively wedged on shafts 5 and 6.
It can be seen in FIG. 2 that the axis of each crank and the axis of the sector which relates to it are in the same plane. This provision is not essential; it suffices that, seen in the plane of FIG. 2, these axes form two by two equal angles.
The hollow shaft 5 rests on the frame 1, while the shaft 6 rests, on the one hand, on the shaft 5 and, on the other hand, on the cover 2. At the end of each crank, there is a slide 9; these slide in the diametral groove of a disc or arm 10 which to some extent also serves as a flywheel. The center of rotation of this disc is eccentric with respect to the axis of shafts 5 and 6. A cover 11, which also serves as a support for arm 10 via shaft 12, closes the casing. in which is enclosed the mechanism of the movement of transformation.
Two orifices 13 and 14 communicate respectively with openings 15 and 16, the arc of which is substantially equal (in the case of full admission) to that of the movable sectors. These orifices are used for the admission and the exhaust of the fluid, if it is a motive machine, and for the suction and discharge if it is a compressor or an engine. liquid pump.
Figure 2 and the three schematic figures 4, 5 and 6 show the positions occupied by the sectors for some positions of the disc or arm 10, the groove of which is represented by the axis X Y. To facilitate understanding of the movement of the fluid, indicated by the arrows, the two openings have been shown, for Figures 4, 5 and 6, in the side wall of the cylinder.
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FIG. 5 clearly shows that the compressed air entering through the lumen 15 exerts on the flanks of the sectors equal pressures, represented by the arrows and which, by means of the cranks, form two strokes, acting simultaneously, but in opposite direction, on the disc 10. These two couples, of equal forces, but of different lever arms AB and AC, therefore have also different moments, which will cause the disc in the direction indicated, that is to say of the greatest moment.
We see that as a result of the rotation of the disc driven by the greatest moment, the two sectors 3 and 4 rotate in the same direction, but with a movement at variable speed so that in turn, corresponding to half a - around the receiving shaft, one moves rapidly while the other moves slowly and the cylinder is always divided into two spaces I and II, the volumes of which constantly vary in an analogous manner to those of the cylinder of a double-acting piston machine.
With the use of gases, the angle at the center of the two sectors; must be determined from the position of the center of the disc 10, so that the sectors do not touch each other in the limit positions (figures 4 and 6, dead points). These sectors can also be hollow, as shown in Figure 24.
During a half-rotation of the XY axis (figures 4, 5 and 6), sector 3 takes the position of sector 4 and, vice versa, 4 comes to the position of 3. During this journey, lumen 15 remains in communication with space II, the volume of which increases, while lumen 16 remains in communication with space I, whose volume decreases.
Oh will get the gear change by reversing the intake and exhaust.
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In the case of a trigger engine, it suffices, by means of a suitable mechanism, to reduce the length of the intake port 15.
Figure 7, where. the two ports have also been re-represented in the cylinder wall, this arrangement shows for 50% admission.
In the compressors and liquid cones, the same mechanism applied to the two ports, that is to say suction and discharge, will be used to adjust the flow rate.It will suffice to adjust the length of the ports so that they enter service only at the appropriate time.
Another embodiment of the invention is shown in Figures 8 to 15 schematically showing the operation of an internal combustion engine, each of the ports being preceded by a valve or a slide.
In a first execution hypothesis, as can be seen in FIGS. 8 to 11, in each of chambers I and II, the cycle of four times is carried out, the same operations being shifted in the respective chambers, one by one. compared to the others, by a half-turn of the outer receiving shaft 12. not shown in the aforementioned figures. These represent: figure 8, suction to chamber I and discharge to chamber II, figure 9, compression to chamber I and suction to chamber II, figure 10; ignition to chamber I and compression to chamber II, figure 11, evacuation to chamber I and ignition to chamber II.
In a second execution hypothesis, as can be seen in FIGS. 12 to 15, the operations in the chamber II are offset by half a turn of the external reception shaft 12, not shown in the aforementioned figures. Hais .. here, the operations of this
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room II are ahead of those of room I.
The aforesaid figures represent: figure 12, suction in chamber I and compression in chamber II, in figure 13, compression in chamber I and ignition in chamber II, figure 14, ignition in chamber I and evacuation in chamber II, figure 15, evacuation to chamber I and suction to chamber II.
These two hypotheses are realized by a different and adequate arrangement of the cams on the camshaft of the engine controlling the valves 35 and it can be seen in the figures that each of these retains the open or closed position, during one full rotation of the motor.
An alternative embodiment of the transformation mechanism with the aim of increasing the duration of the friction members, consists in replacing the slides 9 (figures 1 and 3) by the two oscillating rods 17 and 18 (figure 16), d 'on the one hand, respectively around the pivots 19 and 20, diametrically opposed to each other and integral with the disc 10, and, on the other hand, around the pivots 21 and 22, integral with the cranks 7 and 8. Schematically, the neutral mechanism is shown as shown in figure 17. In any position, these connecting rods and cranks are shown as shown in figure 18 and it can be shown that in these different cases, for each position, the center A of disc 10 is always in a straight line with the pivots C and B of the cranks.
It is also demonstrated that the reactions in the two connecting rods, produced by the action of the fluid on the flanks of the sectors, always have the same intensity and that the greatest reactions which the two rods undergo are lower than those which would be
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produced for any other choice of the position of points D and E on the circumference a. (figure 17).
It is shown that the disc is driven under the effect of a motor torque equal, in absolute value, to the product of the force F developed identically in each of the connecting rods, by the difference in the distances from the center of the disc to the connecting rods. , i.e. F x (AM-AN).
Other devices can ensure the rotational and discontinuous movement of the sectors, for example, gears of appropriate shapes, elliptical, eccentric, which are not shown.
In the preceding descriptions, the case has been considered where two sectors 3 and 4 operate in the cylinder.
Figures 20 and 21 represent schematically the case where three sectors 36, 37, 38, operate in the same cylinder, two sectors 36, 37, taking their shortest distance (figure 20) or any position (figure 21 ), the cranks 48, 49, 50 transmitting their movement to the shaft 12 represented by the axis 0, by means of slides 39, 40, 41, sliding in slides converging towards the said axis 0 of the shaft control or reception 12 and built 1200 apart.
Figures 22 and 23 respectively show the same positions of the same three sectors, like Figures 20 and 21, the transmission of movement taking place by connecting rods 42, 43, 44 fixed respectively to the cranks 45, 46, 47 and to the disc. integral with the control or reception shaft 12, the axis of which is at 0. It can be shown that when two sectors 36, 37, take their shortest distance as is the case in FIG. 22, the connecting rods 42 , 43, articulated in
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G and H are perpendicular, respectively, to the plane passing through axis 0 of shaft 12 and the pivot of cranks 45 and 46.
The other sector 38 is in a position determined by the position of the connecting rod 44 of the same length as the connecting rods 42 and 43 and articulated in J to the disc or arm 10 integral with the control or reception shaft; 12, represented by the axis o. The point of articulation J, equidistant from the points G and H, is located with the latter on the same circumference.
Another embodiment of the invention consists in the star arrangement of several autonomous machines, the latter providing or receiving their movement from a common organ.
In FIG. 19 is found another variant of the invention,
Three cylinders 23, 24, 25 are arranged on the same pair of shafts 32 and 33 on which the sectors of the cylinders act. The outlet 27 of the cylinder 25 is in communication with the inlet 28 of the cylinder 24.
The outlet 29 thereof is in communication with the inlet 30 of the cylinder 23 so that the fluid, in the event that the pair of axes receives its movement from the transforming mechanism not shown, is compressed from it. from its inlet 26 to its outlet 31. The refrigeration of the fluid takes place at the outlet of the cylinders 25 and 24.
In this case, the machine works as a three-stage compressor.
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