專(zhuān)利名稱：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，這種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有雙凸葉轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子在封閉腔室內(nèi)被偏心驅(qū)動(dòng)從而壓縮或膨脹所述腔室內(nèi)的流體。
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在包括有液壓泵、氣體壓縮機(jī)、氣體膨脹機(jī)以及旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)等的各種機(jī)器中均有應(yīng)用。
已經(jīng)提出有許多不同類(lèi)型的用于在泵、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)以及旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械。大多數(shù)公知的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械在任一上述應(yīng)用中已經(jīng)取得了有限的操作上的成功，但還沒(méi)有任一旋轉(zhuǎn)式機(jī)械適于在所有這些應(yīng)用中均能成功地運(yùn)行。
一種特定的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械包括可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在環(huán)形腔室內(nèi)的雙凸葉透鏡狀轉(zhuǎn)子(two-lobe lenticular rotor)或者葉片，所述環(huán)形腔室具有圓貝殼狀的結(jié)構(gòu)。雙凸葉轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)必須被精細(xì)地引導(dǎo)，以確保雙凸葉轉(zhuǎn)子的頂端始終保持與腔室內(nèi)壁的滑動(dòng)接觸以及密封接觸，從而連續(xù)改變轉(zhuǎn)子和腔室壁之間的空間體積。進(jìn)入腔室內(nèi)的入口允許流體進(jìn)入，并且流體在轉(zhuǎn)子的壓縮下通過(guò)出口排出。
在一種已知的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械中，端部開(kāi)口的曲柄延伸穿過(guò)腔室的一個(gè)端蓋并且支撐轉(zhuǎn)子。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄從而在腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)由安裝在透鏡狀轉(zhuǎn)子一端的齒輪系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)。這種設(shè)計(jì)的問(wèn)題在于，該齒輪系統(tǒng)不足以承受在運(yùn)行過(guò)程中作用于機(jī)械上的高振動(dòng)應(yīng)力及負(fù)荷。
上述這種旋轉(zhuǎn)式機(jī)械具有偏心旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子質(zhì)心，這自然就會(huì)產(chǎn)生沿一個(gè)方向的傾斜或牽拉。即使增加了腔室殼體的剛度并引入旋轉(zhuǎn)配重，諸如那些在轉(zhuǎn)子一側(cè)具有齒輪系統(tǒng)導(dǎo)向裝置的復(fù)雜設(shè)計(jì)、或者引入任意其他的打亂機(jī)械對(duì)稱性的設(shè)計(jì)仍不能抵消通常的機(jī)械傾斜，因此運(yùn)行時(shí)會(huì)失去平衡。
另一種已知的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械使用延伸穿過(guò)槽的心軸，其中，槽與心軸的相互關(guān)系為，心軸在槽內(nèi)的往復(fù)滑動(dòng)引導(dǎo)轉(zhuǎn)子在腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)。不過(guò)，這種設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上太過(guò)脆弱，不能承受泵、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等在正常運(yùn)行狀態(tài)下的連續(xù)振動(dòng)應(yīng)力。有時(shí)在轉(zhuǎn)子的每個(gè)循環(huán)中都要承載運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的滿負(fù)荷的各心軸不能承受住重復(fù)負(fù)荷而會(huì)發(fā)生剪切變形。
就內(nèi)燃機(jī)而言，僅有汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)(Wankel)的回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)成功地應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)中。不過(guò)，即便是汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)也有不足，由于外旋輪線腔室內(nèi)的三凸葉轉(zhuǎn)子導(dǎo)致低熱力學(xué)效率，使得其僅適合于在高速旋轉(zhuǎn)的情況下使用并且僅適用于輕型車(chē)輛。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓縮處的上死點(diǎn)，轉(zhuǎn)子橫跨外旋輪線腔室且在轉(zhuǎn)子和腔室壁之間留下兩個(gè)具有未壓縮燃料的小間隙，因此壓縮比低。在低速旋轉(zhuǎn)的情況下，轉(zhuǎn)子與腔室的接觸損失尤其值得關(guān)注。三凸葉轉(zhuǎn)子在這種形狀的腔室內(nèi)的密封也尤為困難。
在所有的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械中，特別是由于維持良好的腔室密封很困難，而導(dǎo)致了熱力學(xué)效率低下。由于許多公知的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械具有復(fù)雜的轉(zhuǎn)子，通常隨之具有復(fù)雜的腔室形狀，因此頂端處的尖端密封件需要從轉(zhuǎn)子或多或少地進(jìn)行延伸。在許多情況下，轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)所述尖端密封件自身就要承受負(fù)荷，這使得它們易于磨損和泄漏。例如齒輪系統(tǒng)及槽的附加特征增加了可能發(fā)生流體泄漏的區(qū)域數(shù)量，并且由于這些附加特征的尺寸及定位，可能無(wú)法有效地設(shè)置密封件。可以理解，轉(zhuǎn)子和腔室的形狀越復(fù)雜，腔室密封就會(huì)遇到越大的困難。另外，具有較多數(shù)量組件的較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)更為昂貴，并且制造和維護(hù)會(huì)更困難。
通常，旋轉(zhuǎn)式機(jī)械還會(huì)面臨其他熱力學(xué)缺陷，即很難有效地冷卻轉(zhuǎn)子。而冷卻問(wèn)題又可能導(dǎo)致難以維持金屬制品(metal)的整體性(integrity)，特別是可能會(huì)達(dá)到高溫的轉(zhuǎn)子的金屬制品的整體性。
機(jī)械部件尤其是諸如齒輪系統(tǒng)以及槽系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)裝置的磨損是導(dǎo)致機(jī)械卡住的普遍問(wèn)題。其中的一個(gè)主要原因就是對(duì)于眾多設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，移動(dòng)組件被迫承受大的點(diǎn)載荷或者承載不均勻載荷，這會(huì)導(dǎo)致組件的一部分會(huì)比另一部分磨損得更厲害。這樣，在薄弱點(diǎn)上施加的較大負(fù)荷會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生使磨損惡化的振動(dòng)。
因此需要一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其能作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效熱力學(xué)運(yùn)行，以提供足以驅(qū)動(dòng)各種車(chē)輛的壓縮比。這種機(jī)構(gòu)應(yīng)該制造經(jīng)濟(jì)，密封和磨損良好，并且當(dāng)作為泵、壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等運(yùn)行時(shí)容易承載滿負(fù)荷。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，包括殼體，所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室；雙凸葉對(duì)稱轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線；驅(qū)動(dòng)軸，所述驅(qū)動(dòng)軸支撐所述轉(zhuǎn)子以使所述轉(zhuǎn)子以下述方式在所述腔室內(nèi)滑動(dòng)并偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)所述頂端連續(xù)地掃過(guò)所述內(nèi)壁，從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔；以及間隔開(kāi)的入口端口和排放端口，用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出；其中，所述轉(zhuǎn)子通過(guò)擋塊和槽的往復(fù)裝置以及第二支撐裝置支撐，以在所述驅(qū)動(dòng)軸上滑動(dòng)并偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，包括殼體，所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室；雙凸葉對(duì)稱轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線；所述轉(zhuǎn)子以下述方式設(shè)置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)滑動(dòng)并偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)所述頂端連續(xù)地掃過(guò)所述內(nèi)壁，從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔；其中，所述轉(zhuǎn)子安裝在延伸穿過(guò)所述腔室至少一端的軸上，所述軸支撐第一導(dǎo)向裝置，所述第一導(dǎo)向裝置是安裝成相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子上的長(zhǎng)槽(elongated slot)能進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的擋塊，由此，所述擋塊和所述軸允許所述轉(zhuǎn)子滑動(dòng)和偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)；間隔開(kāi)的入口端口和排放端口，用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出；以及第二導(dǎo)向裝置，所述第二導(dǎo)向裝置與所述第一導(dǎo)向裝置相互作用，以引導(dǎo)所述轉(zhuǎn)子并確保所述頂端在運(yùn)行過(guò)程中與所述內(nèi)壁保持連續(xù)的密封接觸，其中，所述第二導(dǎo)向裝置的中心位于與所述腔室的中心軸線偏離的原點(diǎn)上。
優(yōu)選地，所述導(dǎo)向裝置為導(dǎo)向組件，所述引導(dǎo)組件構(gòu)成為具有匹配的接觸表面，從而使相互接合的導(dǎo)向組件之間的接觸負(fù)荷沿著所述導(dǎo)向組件均勻分布。
優(yōu)選地，所述導(dǎo)向組件包括圓形的導(dǎo)向盤(pán)，所述導(dǎo)向盤(pán)安裝在所述環(huán)形腔室的至少一端；以及對(duì)應(yīng)的圓形凹部，其位于所述轉(zhuǎn)子的一側(cè)，以容置所述導(dǎo)向盤(pán)；其中，所述凹部具有位于所述轉(zhuǎn)子的中心的原點(diǎn)，并且比所述導(dǎo)向盤(pán)大，以允許所述轉(zhuǎn)子在所述導(dǎo)向盤(pán)上進(jìn)行有限的運(yùn)動(dòng)。所述導(dǎo)向盤(pán)的中心通常偏離所述腔室的中心軸線，并且特別地，所述導(dǎo)向盤(pán)的中心位于所述腔室的中心軸線與所述軸的軸心之間。
優(yōu)選地，設(shè)置兩個(gè)導(dǎo)向盤(pán)，在所述腔室的每一端各設(shè)置一個(gè)導(dǎo)向盤(pán)；所述導(dǎo)向盤(pán)能容置在位于所述轉(zhuǎn)子的每一側(cè)面上的對(duì)應(yīng)的圓形凹部?jī)?nèi)。所述軸優(yōu)選為延伸穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子和所述腔室的單個(gè)檔塊軸(single block shaft)，并且，所述長(zhǎng)槽沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定向。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，還提供了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，包括殼體，所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室；雙凸葉對(duì)稱轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線；所述轉(zhuǎn)子以下述方式設(shè)置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)滑動(dòng)并偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)所述頂端連續(xù)地掃過(guò)所述內(nèi)壁，從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔；其中，所述轉(zhuǎn)子安裝在分軸系統(tǒng)上，所述分軸系統(tǒng)包括延伸穿過(guò)所述腔室一端的第一軸以及延伸穿過(guò)所述腔室另一端的第二軸，所述第一軸支撐第一擋塊，所述第一擋塊被安裝成相對(duì)于沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定向的第一長(zhǎng)槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述第二軸支撐第二擋塊，所述第二擋塊被安裝成相對(duì)于垂直所述第一槽定向的第二長(zhǎng)槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；其中，所述擋塊和軸允許所述轉(zhuǎn)子滑動(dòng)并偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)，且所述轉(zhuǎn)子的負(fù)荷由各擋塊和軸依次承載；以及間隔開(kāi)的入口端口和排放端口，用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出。
優(yōu)選地，所述第一軸和第二軸彼此軸向偏離地排列，并且一個(gè)軸的軸心與所述腔室的中心軸線對(duì)齊。
所述轉(zhuǎn)子的圓形軌跡的中心偏離所述腔室的中心軸線，并且特別地，所述軌跡的中心位于所述中心軸線和與所述中心軸線并不對(duì)齊的所述軸的軸心之間。
可以理解，根據(jù)端口的設(shè)置，這種裝置可以用作容積式液壓泵、氣體壓縮機(jī)、氣體膨脹機(jī)或者旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)。
參考附圖以舉例的方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)第一實(shí)施例的示意性俯視圖，其中轉(zhuǎn)子位于腔室的上死點(diǎn)；圖2示出了圖1的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位30°的情形；圖3示出了圖1的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位60°的情形；圖4示出了圖1的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位90°的情形；圖5示出了圖1的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位135°的情形；圖6是沿圖1的線6-6的該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)第一實(shí)施例的示意性剖視圖，并且沿線1-1示出的對(duì)應(yīng)剖視圖是圖1；圖7是根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)第二實(shí)施例的示意性俯視圖，其中轉(zhuǎn)子位于腔室的上死點(diǎn)；圖8示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位30°的情形；圖9示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位60°的情形；圖10示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位90°的情形；圖11示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時(shí)針移位135°的情形；圖12是沿圖7的線12-12的該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)第二實(shí)施例的示意性剖視圖，并且沿線7-7示出的對(duì)應(yīng)剖視圖是圖7；圖13a是該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的實(shí)施例的立體圖，其示出了擋塊和槽的輪廓；圖13b是該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)施例的一個(gè)擋塊和槽的幾何輪廓的立體圖；圖13c是該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)施例的另一個(gè)擋塊和槽的幾何輪廓的立體圖；圖13d示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的殼體腔室的形狀的兩種可選方案；圖14是用作空氣壓縮機(jī)的第二實(shí)施例的剖視圖；圖15是圖14所示配重的剖視圖；圖16是配重的主視圖；圖17是示出該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的容積與軸轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系實(shí)施例的曲線圖；圖18是該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子頂端抵靠殼體的放大視圖。
圖1和圖7示出了適于在多種應(yīng)用中使用的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)10的兩個(gè)實(shí)施例，所述應(yīng)用場(chǎng)合包括液壓泵、氣體壓縮機(jī)、氣體膨脹機(jī)以及旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)。在這兩個(gè)實(shí)施例中，機(jī)構(gòu)10具有設(shè)置在封閉腔室內(nèi)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)以依序增大和減小腔室內(nèi)封閉空間的尺寸，從而根據(jù)入口端口和出口端口的位置以及端口操作(即，端口用作開(kāi)式閥或者定時(shí)閥)，通過(guò)入口端口將流體引入腔室內(nèi)并使流體膨脹或者壓縮流體。然后流體通過(guò)出口端口排出。
附圖中所示的兩個(gè)實(shí)施例示出了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)10包括具有大致呈環(huán)形腔室12的殼體11。腔室12由內(nèi)腔室壁16及殼體端蓋13限定，不同實(shí)施例之間端蓋13的結(jié)構(gòu)不同(見(jiàn)圖6和圖12)。各端蓋13支撐軸頸支撐在所述蓋內(nèi)的支承件14中的軸。雖然這里公開(kāi)的實(shí)施例中示出了從各蓋延伸的擋塊軸(block shaft)或者分軸(split shaft)，但是應(yīng)該理解，轉(zhuǎn)子的特性(特別參考第二實(shí)施例)可以使該機(jī)構(gòu)通過(guò)僅延伸穿過(guò)一個(gè)端蓋13的單個(gè)擋塊軸就足以運(yùn)行。
腔室12內(nèi)設(shè)置有雙凸葉透鏡狀轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子在形狀上關(guān)于縱向長(zhǎng)軸20和垂直的短軸23對(duì)稱。長(zhǎng)軸和短軸的交點(diǎn)限定了轉(zhuǎn)子的中心軸線30。轉(zhuǎn)子的縱向長(zhǎng)軸20與兩個(gè)凸葉21的結(jié)合部，即轉(zhuǎn)子頂端22相交。這兩個(gè)對(duì)稱的凸葉21沿長(zhǎng)軸20朝內(nèi)向著頂端變尖。從頂端向外延伸有彈簧加載的尖端密封件(未示出)，并且彈簧加載的尖端密封件適合于連續(xù)抵靠腔室的內(nèi)壁16。尖端密封件的彈簧加載特性彌補(bǔ)了(bridge)腔室壁16和頂端22之間可能由于腔室壁的缺陷或者設(shè)計(jì)造成的微小間隙。
轉(zhuǎn)子上的端面24a和24b彼此平行，并且以狹窄間隙(close clearance)抵靠殼體11的固定端蓋13移動(dòng)。各端面和相鄰端蓋13之間應(yīng)該允許有間隙，以不妨礙轉(zhuǎn)子的移動(dòng)，但防止轉(zhuǎn)子和端蓋之間的流體泄漏。在轉(zhuǎn)子的側(cè)面上設(shè)置有密封件，并在端蓋13和端面24a和24b之間引入潤(rùn)滑油以輔助轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，并且密封間隙，防止泄漏。
轉(zhuǎn)子適于在腔室12內(nèi)偏心地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以圓形蚌線(circular-conchoidal)的形式滑動(dòng)，使頂端沿內(nèi)腔室壁16連續(xù)掃過(guò)并且與所述內(nèi)壁密封接觸，產(chǎn)生與各凸葉21相鄰的封閉空腔25，這樣，轉(zhuǎn)子15每一次旋轉(zhuǎn)均會(huì)使所述封閉空腔的容積相繼增大和減小。在頂端處的尖端密封件防止在腔室25之間發(fā)生流體泄漏。封閉腔室25的容積變化歸因于轉(zhuǎn)子15隨著在腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)所經(jīng)過(guò)的圓形蚌線路徑。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子的中心軸線30相對(duì)于腔室12并不是固定的位置，而是圍繞與腔室的中心軸線32偏心設(shè)置的原點(diǎn)(origin)31、沿著稱作瞬心軌跡33的圓形軌跡運(yùn)行。
在圖1至圖6中所示的第一個(gè)分軸實(shí)施例中，原點(diǎn)31分別位于第一分軸41和第二分軸44的軸心(axial centre)46和47之間。在圖7至圖12所示的第二個(gè)直軸(straight shaft)實(shí)施例中，原點(diǎn)31位于腔室12的中心軸線32和單軸(single shaft)50的軸心57之間。
轉(zhuǎn)子的瞬心軌跡原點(diǎn)31偏離腔室的中心軸線32，使得轉(zhuǎn)子相對(duì)于腔室滑動(dòng)和偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生兩個(gè)相對(duì)的、容積連續(xù)變化的空腔。圖2-5以及圖8-11的剖視圖分別示出了該機(jī)構(gòu)的第一和第二實(shí)施例的組件的幾何關(guān)系。特別地，其清楚地示出了轉(zhuǎn)子的瞬心軌跡33及其原點(diǎn)31。
所述腔室被描述為大致呈環(huán)形。雖然環(huán)形腔室完全能夠滿足需要，但是在其轉(zhuǎn)動(dòng)路徑上的某些位置處，可能會(huì)在頂端和尤其是尖端密封件上施加不希望的負(fù)荷。為了減少這種負(fù)荷，腔室的內(nèi)部形狀可以不制成圓形的，而是制成由轉(zhuǎn)子的實(shí)際頂端所限定的精確路徑的形狀，即圓形蚌線形。在這種情況下，這種形狀與圓形并沒(méi)有實(shí)質(zhì)差異，但盡管如此，通過(guò)這樣形成的腔室使得尖端密封件上的負(fù)荷以及尖端密封件上存在變化負(fù)荷時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題即使不能克服至少也可以基本最小化。
圖1和圖7示出了內(nèi)腔室壁16上的隔開(kāi)的入口端口34和排放端口35。這兩個(gè)端口之間距離的微小變化會(huì)改變腔室內(nèi)的流體壓力以及該機(jī)構(gòu)的計(jì)時(shí)，從而使其適合在不同的應(yīng)用中使用。根據(jù)該機(jī)構(gòu)的諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等的期望應(yīng)用，可以確定任意的這種修改。盡管端口之間有一些搭接是允許的，但是通常在任何時(shí)刻一個(gè)空腔僅向一個(gè)端口敞開(kāi)。
在工作時(shí)，除非流體經(jīng)過(guò)預(yù)壓縮，否則流體會(huì)在由尺寸增大的空腔以及由此產(chǎn)生的負(fù)壓梯度所引起的真空效應(yīng)(vacuum effect)的作用下進(jìn)入空腔內(nèi)。一旦空腔的尺寸開(kāi)始減小，則入口關(guān)閉，并且排放端口打開(kāi)，以在壓縮狀態(tài)下排出流體。這個(gè)過(guò)程發(fā)生在轉(zhuǎn)子的半轉(zhuǎn)中，這種排放可以稱作為脈動(dòng)。因此轉(zhuǎn)子的每一旋轉(zhuǎn)存在兩個(gè)脈動(dòng)。通常不需要入口閥(inlet valve)，因?yàn)閿U(kuò)大的空腔產(chǎn)生的真空足以吸入流體。在排放端口處可以使用單向閥，以防止流體回流進(jìn)入腔室。
可選地，在一定量的預(yù)壓縮流體進(jìn)入擴(kuò)大的腔室之后關(guān)閉入口。由流體施加的壓力使得腔室的尺寸變大，從而提供驅(qū)動(dòng)一根或多根軸的扭矩。一旦空腔的尺寸開(kāi)始減小，則一個(gè)端口打開(kāi)，允許排出膨脹的流體(expandedfluid)。
為了確保掃過(guò)的頂端與內(nèi)腔室壁密封接觸并防止流體從空腔25泄漏，腔室內(nèi)精確偏心的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)十分重要。雖然彈簧加載的尖端密封件允許有某些公差，但是在設(shè)計(jì)頂端時(shí)必須注意使頂端不受阻礙地掃過(guò)內(nèi)壁，即恰好接觸內(nèi)壁或者與內(nèi)壁有間隔；而不是強(qiáng)制地與內(nèi)壁作用，這將會(huì)造成頂端磨損。在此描述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)第一和第二實(shí)施例的設(shè)計(jì)特征本質(zhì)上提供了精確的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)路徑，頂端能沿該路徑不受阻礙地掃過(guò)。
另外，盡管轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)分軸實(shí)施例的相互接合的組件允許其均勻且平穩(wěn)地承受轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)負(fù)荷。在直軸實(shí)施例中，實(shí)際上所有的負(fù)荷都由單個(gè)檔塊軸承受，使得不再需要用于相互接合組件的復(fù)雜支承裝置(bearing arrangement)。
該機(jī)構(gòu)的第一和第二實(shí)施例均有驅(qū)動(dòng)裝置；或者，在該機(jī)構(gòu)應(yīng)用為發(fā)動(dòng)機(jī)或者氣體膨脹機(jī)的情況下具有從動(dòng)裝置。兩個(gè)實(shí)施例還具有導(dǎo)向裝置。在第一實(shí)施例中，分軸同時(shí)用作驅(qū)動(dòng)裝置和導(dǎo)向裝置。在直軸實(shí)施例中有專(zhuān)用的導(dǎo)向裝置。在這兩個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)/從動(dòng)裝置和/或?qū)蜓b置使得轉(zhuǎn)子的中心沿所述腔室內(nèi)的圓形軌跡(即瞬心軌跡)運(yùn)動(dòng)。
在圖1至圖6所示的第一實(shí)施例(分軸實(shí)施例)中，驅(qū)動(dòng)裝置包括第一和第二擋塊及軸裝置(block and shaft arrangement)。第一矩形擋塊40固定在機(jī)構(gòu)10的第一分軸41的端部上，并安裝成在轉(zhuǎn)子的一個(gè)端面24a中的第一長(zhǎng)槽42內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。第一長(zhǎng)槽42與轉(zhuǎn)子的短軸23平行，并且沿轉(zhuǎn)子的短軸23布置。軸心46(圖2)限定了第一分軸41的中心軸線。第二矩形擋塊43安裝在第二分軸44的端部上，并且設(shè)置在位于轉(zhuǎn)子另一端面24b上的第二長(zhǎng)槽45(圖2)內(nèi)。第二長(zhǎng)槽與第一長(zhǎng)槽呈直角，即，沿著長(zhǎng)軸20定位。軸心47是第二分軸44的中心軸線。前述被軸頸支撐于腔室12的端蓋13內(nèi)的第一和第二分軸41和44設(shè)置成，第一分軸41與腔室的中心軸線32同軸，而另一分軸即第二分軸44偏移中心軸線32。偏移量取決于腔室的尺寸，其由兩軸間的距離以及轉(zhuǎn)子的輪廓來(lái)確定。圖6中所示的該機(jī)構(gòu)的剖視圖清楚地示出了偏移的分軸以及垂直的擋塊和槽裝置。
當(dāng)?shù)谝环州S41或者第二分軸44轉(zhuǎn)動(dòng)或者兩者同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)槽在相應(yīng)擋塊上的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)圍繞腔室驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子15。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)以及所述分軸同時(shí)的相互作用迫使轉(zhuǎn)子15以滑動(dòng)且偏心但受控的方式繞腔室12運(yùn)動(dòng)，從而使頂端以狹窄間隙掃過(guò)內(nèi)腔室壁16。
由于兩個(gè)槽以直角設(shè)置，擋塊40和43有效地將轉(zhuǎn)子精確地定位在腔室內(nèi)，從而強(qiáng)制頂端22沿腔室的內(nèi)壁16運(yùn)行。凸葉21自身在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置是相繼靠近相鄰的內(nèi)腔室壁部分或者進(jìn)一步遠(yuǎn)離該部分。
圖1至圖5示出了轉(zhuǎn)子半轉(zhuǎn)的情況，首先是30°的間隔，然后圖4和圖5之間以及返回到圖1是45°的間隔。
圖1示出了旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的情形，此時(shí)流體已經(jīng)進(jìn)入第一封閉空腔25a，并且轉(zhuǎn)子關(guān)閉空腔25a以及入口34和出口35。此位置的轉(zhuǎn)子位于上死點(diǎn)。具體地，第一矩形擋塊40位于第一槽42的頂端，而第二擋塊43位于第二槽45的中心，與第二槽端部間隔的距離相等。擋塊軸(block shaft)41和44中的一個(gè)或者兩個(gè)的相互轉(zhuǎn)動(dòng)迫使槽在其相應(yīng)的擋塊上滑動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)子15在腔室12內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2至圖5示出了轉(zhuǎn)子15的轉(zhuǎn)動(dòng)以及第一和第二槽在其相關(guān)擋塊上的往復(fù)滑動(dòng)。為了清晰起見(jiàn)，圖2至圖5中略去了入口端口和排放端口，但是可以想象，通過(guò)沿著圖2中的腔室下部與第二凸葉21b相鄰形成的第二封閉空腔25，流體在擴(kuò)大的空腔25b內(nèi)的真空壓力下通過(guò)入口端口進(jìn)入第二空腔25b。
同時(shí)，第一封閉空腔25a中與第一轉(zhuǎn)子凸葉21a相鄰的流體通過(guò)排放端口35被強(qiáng)制排出。因此，該機(jī)構(gòu)在每一轉(zhuǎn)中吸入、壓縮并排出流體兩次，也就是說(shuō)，每轉(zhuǎn)兩次脈動(dòng)。因此，在轉(zhuǎn)子一側(cè)上出現(xiàn)的操作與轉(zhuǎn)子另一側(cè)上出現(xiàn)的操作相同，只不過(guò)有180°的相位差。
圖7至圖12示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例(單軸實(shí)施例)。所有與第一實(shí)施例類(lèi)似的特征采用相同的附圖標(biāo)記。第二實(shí)施例包括單個(gè)擋塊軸50，該單個(gè)擋塊軸50具有縱向軸線57，并且從腔室的一個(gè)端蓋13至另一個(gè)端蓋垂直(right)地延伸穿過(guò)該機(jī)構(gòu)。該單個(gè)擋塊軸50延伸穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子，并且支撐位于轉(zhuǎn)子15內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)擋塊51。
該實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)裝置僅包括設(shè)置在用于往復(fù)滑動(dòng)的長(zhǎng)槽52內(nèi)的驅(qū)動(dòng)擋塊51。槽52沿轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)軸對(duì)齊，并且垂直貫穿轉(zhuǎn)子的寬度延伸。當(dāng)軸50轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槽在驅(qū)動(dòng)擋塊51上移動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)子偏心地繞所述腔室運(yùn)動(dòng)。軸50自身偏離腔室的中心軸線32以提供轉(zhuǎn)子相對(duì)于腔室的位移，從而產(chǎn)生變?nèi)莘e的封閉空腔。
該實(shí)施例包括繞所述腔室偏心地引導(dǎo)移動(dòng)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)向裝置。該導(dǎo)向裝置包括兩個(gè)圓形的導(dǎo)向盤(pán)53，所述導(dǎo)向盤(pán)53從殼體的端蓋13向腔室12的內(nèi)部突出。圖12最佳地示出了所述突出的導(dǎo)向盤(pán)53。導(dǎo)向盤(pán)53可以與端蓋13一體形成，或者可以單獨(dú)制造再獨(dú)立地連接至端蓋。臺(tái)階部54將導(dǎo)向盤(pán)與圍繞各導(dǎo)向盤(pán)的凹形環(huán)狀部55分開(kāi)。
轉(zhuǎn)子的兩個(gè)端面24a和24b均設(shè)置有與導(dǎo)向盤(pán)53對(duì)應(yīng)但是大于導(dǎo)向盤(pán)的圓形凹部56。轉(zhuǎn)子任一端上的圓形凹部56用于容置相鄰端蓋13上相應(yīng)的導(dǎo)向盤(pán)53。由于圓形凹部56的直徑大于導(dǎo)向盤(pán)53，因此轉(zhuǎn)子15能夠繞導(dǎo)向盤(pán)運(yùn)動(dòng)，但因?yàn)橛袑?dǎo)向盤(pán)和圓形凹部之間的直徑差的限制，因此位移有限。所述的直徑差由軸50的軸心57與腔室的中心軸線32之間偏移的差確定。該距離又由用于特定應(yīng)用的空腔的變化容積來(lái)確定。由于偏心軸以及轉(zhuǎn)子位移的綜合結(jié)果要確保頂端連續(xù)地掃過(guò)腔室的內(nèi)壁，因此圓形盤(pán)53的中心位于腔室的中心軸線和軸50的軸心之間的中點(diǎn)處。因此，導(dǎo)向盤(pán)53的中心也偏離腔室的中心軸線32，并且還是與轉(zhuǎn)子中心軌跡的原點(diǎn)31相同的點(diǎn)。特別地，導(dǎo)向盤(pán)53以及導(dǎo)向盤(pán)與凹部相互接合產(chǎn)生的組合導(dǎo)向效應(yīng)以軌跡原點(diǎn)31為中心，從而允許在導(dǎo)向組件上不施加任何顯著負(fù)荷的情況下使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
由導(dǎo)向裝置與擋塊和槽的裝置組合支配的運(yùn)動(dòng)限制產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子頂端的精確蚌線路徑，在該路徑中，頂端以密封接觸的方式連續(xù)地掃過(guò)(circumspect)內(nèi)腔室壁16。實(shí)際上，由組合導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)來(lái)支配轉(zhuǎn)子繞腔室的自然運(yùn)動(dòng)已經(jīng)頂端始終掃過(guò)內(nèi)壁所得到的路徑。當(dāng)然可以理解的是，導(dǎo)向裝置可以僅使用一個(gè)導(dǎo)向盤(pán)來(lái)運(yùn)行，但是優(yōu)選在每一個(gè)端蓋上都設(shè)置導(dǎo)向盤(pán)，因?yàn)檫@樣提供了平衡且對(duì)稱的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。
圖12示出了容置于轉(zhuǎn)子的圓形凹部56內(nèi)的導(dǎo)向盤(pán)53。通過(guò)鄰接圓形凹部的壁的導(dǎo)向盤(pán)臺(tái)階部54來(lái)限制轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。
圖7至圖11示出了轉(zhuǎn)子的半轉(zhuǎn)，其間隔與第一實(shí)施例中示出的相同。即，圖8、9、10和11分別示出了從圖7所示的上死點(diǎn)中間位置移位30°、60°、90°以及135°的轉(zhuǎn)子?？梢钥吹剑瑸榱双@得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的期望路徑，擋塊軸50本身安裝成偏離導(dǎo)向盤(pán)53的中心以及腔室12的中心軸線32。
圖8至圖11示意性地示出了在腔室12內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子15，通過(guò)長(zhǎng)槽52在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)擋塊51上的往復(fù)滑動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)該運(yùn)動(dòng)。由導(dǎo)向盤(pán)53限制的轉(zhuǎn)子的圓形凹部56進(jìn)一步限制了該運(yùn)動(dòng)。如在第一實(shí)施例中所討論的，轉(zhuǎn)子中心(在其中心軸線30處)沿著圍繞原點(diǎn)31的瞬心軌跡33運(yùn)動(dòng)。圖8至圖11(也適用于圖2至圖5)中的長(zhǎng)軸和短軸的交點(diǎn)代表了轉(zhuǎn)子中心30。當(dāng)轉(zhuǎn)子在腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子中心30在圖8至圖11中示出為沿路徑33運(yùn)動(dòng)。還可以看到，轉(zhuǎn)子的瞬心軌跡33與導(dǎo)向盤(pán)53同心地對(duì)齊。
導(dǎo)向盤(pán)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)在于，其允許直的擋塊軸(straight block shaft)從一個(gè)端蓋13到另一個(gè)端蓋延伸穿過(guò)整個(gè)腔室，并且允許該軸通過(guò)僅用作導(dǎo)向裝置的盤(pán)來(lái)承載所有的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷。這樣消除了所有的轉(zhuǎn)子傾斜，并且減小了機(jī)構(gòu)中的振動(dòng)。由于不需要重載滾柱軸承來(lái)調(diào)整由傾斜的轉(zhuǎn)子導(dǎo)致的軸偏差及游隙，所以該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比公知設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。較少的部件以及更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)減小了該機(jī)構(gòu)的總體制造成本。
另外，由圓形凹部引導(dǎo)的圓形盤(pán)提供了一種轉(zhuǎn)子和腔室之間的磨損系數(shù)(wear factor)徹底最小化的裝置，其原因在于，互相接合的導(dǎo)向盤(pán)和凹部之間的接觸負(fù)荷沿所述導(dǎo)向盤(pán)和凹部均衡分布。也就是說(shuō)，導(dǎo)向盤(pán)53圓周上的所有點(diǎn)是均勻磨損的，并且圓形凹部56的內(nèi)圓周上的所有點(diǎn)也是均勻磨損的。其原因在于，兩個(gè)組件具有匹配或者一致的接觸表面，即一個(gè)圓在一較大圓中轉(zhuǎn)動(dòng)。換句話說(shuō)，導(dǎo)向盤(pán)上的所有點(diǎn)都保持與圓形凹部接觸相同的時(shí)間，從而將磨損減小到可以忽略不計(jì)的程度，且出現(xiàn)的磨損圍繞組件均勻地分布。諸如在具有平行壁的槽中的圓形構(gòu)件等其他不一致的裝置就不是這樣，其中構(gòu)件或者槽上的一些點(diǎn)分別與槽壁或者構(gòu)件接觸不同長(zhǎng)度的時(shí)間，這最終將在運(yùn)行期間導(dǎo)致故障。
圖1至圖12的兩個(gè)實(shí)施例中所示的擋塊和長(zhǎng)槽的裝置示出了與擋塊連接的軸，所述擋塊為矩形輪廓且在對(duì)應(yīng)的矩形槽內(nèi)滑動(dòng)。擋塊的表面和槽的內(nèi)表面為機(jī)械加工表面，其具有精密公差(close tolerance)以確保最大程度地并且平穩(wěn)地傳遞來(lái)自轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)能。槽的內(nèi)表面可以沿著支承表面設(shè)置，用于減少摩擦。
圖13a的轉(zhuǎn)子示出了在初始位置時(shí)軸擋塊以及槽的對(duì)應(yīng)支承輪廓。不過(guò)，擋塊和支承輪廓并非必須是矩形輪廓，而是可以包括其他匹配的幾何形狀。例如，圖13b和圖13c分別示出了圓柱形活塞軸/支承表面輪廓以及六棱柱形(cylindrical hexagonal)輪廓。在這些實(shí)施例中，軸71延伸穿過(guò)擋塊72，所述擋塊72在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)對(duì)應(yīng)成形的支承表面73內(nèi)滑動(dòng)。擋塊/槽的輪廓可以采用提供始終保持恒定均勻的滑動(dòng)接觸的、與機(jī)械加工表面相匹配的支承表面的任何幾何形狀?？梢赃x擇轉(zhuǎn)子/槽的輪廓形狀，以更好地適應(yīng)加工限制和/或該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在不同應(yīng)用中的空間限制。
另外，對(duì)許多機(jī)器而言，該機(jī)構(gòu)近似圓形的結(jié)構(gòu)是最佳設(shè)計(jì)。不過(guò)，該機(jī)構(gòu)的形狀可以進(jìn)行修改，只要這種修改更適合特定的機(jī)器。在第二實(shí)施例中，偏心軸和在對(duì)應(yīng)槽內(nèi)的擋塊以及容置在轉(zhuǎn)子側(cè)面中對(duì)應(yīng)的凹部?jī)?nèi)的、腔室蓋端部處的圓形盤(pán)的組合導(dǎo)向影響，實(shí)現(xiàn)了由轉(zhuǎn)子和對(duì)應(yīng)的腔室形狀所實(shí)現(xiàn)的蚌線形路徑。這些參量中任一個(gè)的形狀變化均會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和路徑的形狀變化。轉(zhuǎn)子和殼體輪廓的形狀也可以進(jìn)行修改以更好地適合特定的功能。
例如，殼體的形狀可以制成為環(huán)形或者蚌線形。當(dāng)轉(zhuǎn)子頂端掃過(guò)腔室的內(nèi)壁時(shí)，蚌線形的殼體成形為緊密跟隨轉(zhuǎn)子頂端。這種形狀提供了在任一點(diǎn)處轉(zhuǎn)子頂端和腔室壁之間的最小間隙。圖13d示出了與環(huán)形腔室輪廓78重疊的蚌線形腔室輪廓77。盡管蚌線形輪廓大致為環(huán)形輪廓，但是這兩種輪廓的差別明顯。其他的修改包括改變殼體端蓋的形狀以及轉(zhuǎn)子面的形狀。這些修改可以更好地適應(yīng)包含該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)器的功能，并且可以例如改善支承負(fù)荷、增加間隙、改變流速、優(yōu)化端口的定時(shí)、提供凹形燃燒室(recessedcombustion chamber)等。
與許多公知的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不同，本機(jī)構(gòu)的兩個(gè)實(shí)施例由于所有的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷都橫越驅(qū)動(dòng)裝置而被均勻地分布，所以能輕易承受負(fù)荷并且實(shí)現(xiàn)良好的平衡。為了將振動(dòng)進(jìn)一步減少至可以忽略不計(jì)的程度，可以使用旋轉(zhuǎn)配重來(lái)有效地平衡轉(zhuǎn)子。發(fā)生轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原因在于，轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子的質(zhì)心都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)兩次。為了抵消這種振動(dòng)，引入了平衡機(jī)構(gòu)以與轉(zhuǎn)子的質(zhì)心以相同轉(zhuǎn)速和相同轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子和軸每轉(zhuǎn)一圈該平衡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)兩次。這可以通過(guò)使用1∶2的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖14至圖16示出了該平衡裝置，其示出了作為空氣壓縮機(jī)操作的直軸轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)10的實(shí)施例。在圖14所示的空氣壓縮機(jī)中，該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)10由驅(qū)動(dòng)軸90驅(qū)動(dòng)，并且被側(cè)蓋91限制。驅(qū)動(dòng)軸90在主支承件98上轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)子93相對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸90在滑動(dòng)支承件99上滑動(dòng)。該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的殼體92包圍轉(zhuǎn)子93，并且支撐從殼體92徑向延伸的散熱片94。環(huán)形保持件95設(shè)置在轉(zhuǎn)子93的圓形凹部96中，并提供凹形支承(recessed bearing)(環(huán))以及刮油環(huán)。所述油環(huán)與活塞式或者汪克爾旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)中油環(huán)的作用相同，用來(lái)控制冷卻油從轉(zhuǎn)子內(nèi)部進(jìn)入壓縮腔。所述環(huán)形保持件繞所述導(dǎo)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，以結(jié)合軸/擋塊以及轉(zhuǎn)子槽產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)路徑。環(huán)形保持件的轉(zhuǎn)子凹部96圍繞固定的導(dǎo)向盤(pán)97轉(zhuǎn)動(dòng)。
該平衡機(jī)構(gòu)包括具有孔67的配重63，該配重63以軸頸支撐的方式安裝在轉(zhuǎn)子軸50上，軸50每轉(zhuǎn)一圈該配重就圍繞軸50轉(zhuǎn)兩圈。圖16示出了該配重63的質(zhì)量源自孔67下方的半圓形結(jié)構(gòu)。
配重63通過(guò)螺紋連接到配重齒輪68內(nèi)，配重齒輪68同樣被軸頸支撐，并以所述軸兩倍的速度繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。配重齒輪68分別由較大、較小的兩個(gè)小齒輪64a和64b驅(qū)動(dòng)。較大、較小的兩個(gè)小齒輪彼此同軸固定到小齒輪軸65上。較大的小齒輪64a的尺寸是較小的小齒輪64b的兩倍，兩者一起提供使配重與轉(zhuǎn)子質(zhì)心以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)所需的1∶2的傳動(dòng)比。較小的小齒輪64b通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪66驅(qū)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)齒輪66安裝在所述轉(zhuǎn)子軸50上并且與之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
以這種方式驅(qū)動(dòng)配重63可使配重和諧地(in unison)轉(zhuǎn)動(dòng)，并抵消由于轉(zhuǎn)子15的質(zhì)心造成的失衡力。
就該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用作空氣壓縮機(jī)而言，只有振動(dòng)顯著的大容積式空氣壓縮機(jī)才真正需要平衡機(jī)構(gòu)。小容量的空氣壓縮機(jī)，例如每次循環(huán)都低于300cc的空氣壓縮機(jī)的振動(dòng)通常不會(huì)達(dá)到顯著的程度。
決定是否使用平衡機(jī)構(gòu)還取決于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量及其材料。與較重的轉(zhuǎn)子相比，較輕的轉(zhuǎn)子不易產(chǎn)生顯著的振動(dòng)。
不過(guò)，總的來(lái)說(shuō)，與其他類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相比，本旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)較低，很容易就能獲得極好的平衡。這是因?yàn)?，與例如具有相似容量的氣缸內(nèi)活塞質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)偏心率(eccentricity)相比，該轉(zhuǎn)子質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)偏心率極低。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的幾何形狀使得其能減小機(jī)構(gòu)振動(dòng)、降低磨損、消除高應(yīng)力區(qū)域，總的來(lái)說(shuō)，其通常會(huì)延長(zhǎng)該機(jī)構(gòu)的壽命。而且，在直軸實(shí)施例的情形下，該機(jī)構(gòu)的腔室內(nèi)僅有兩個(gè)主要的工作組件，即在擋塊上滑動(dòng)的槽以及繞固定的導(dǎo)向盤(pán)運(yùn)動(dòng)的凹部，從而減少了該機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。
為了獲得最佳效果，根據(jù)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，可以通過(guò)對(duì)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析來(lái)計(jì)算殼體和轉(zhuǎn)子的輪廓幾何形狀。
通過(guò)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，可以推導(dǎo)出用于描述并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子和殼體幾何形狀的數(shù)學(xué)方程。這類(lèi)數(shù)學(xué)方程可以通過(guò)產(chǎn)生制造轉(zhuǎn)子和殼體所需坐標(biāo)(coordinate)的計(jì)算機(jī)軟件程序來(lái)實(shí)施。至少利用最大腔室半徑以及第一軸與殼體中心偏移距離的期望值，可以計(jì)算出幾何輪廓。轉(zhuǎn)子和殼體之間的期望間隙也可用于幾何計(jì)算。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的一個(gè)特征在于，其產(chǎn)生諧和循環(huán)(harmonic cycle)，由此使得處理過(guò)程中的充氣容積是軸轉(zhuǎn)角(shaft angle)θ的簡(jiǎn)單正弦函數(shù)。從數(shù)學(xué)上講，簡(jiǎn)單振蕩運(yùn)動(dòng)的圖示及相類(lèi)似的、一點(diǎn)沿一圓移動(dòng)的圖示相當(dāng)于一正弦曲線。由該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的膨脹-壓縮循環(huán)的簡(jiǎn)單正弦特性簡(jiǎn)化了包括本機(jī)構(gòu)的機(jī)器的設(shè)計(jì)及分析。諸如處理的容積(volume processed)、傳遞壓力和扭矩這樣的性能特性可以作為軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。圖17示出了該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在其用作空氣壓縮機(jī)時(shí)，作為軸轉(zhuǎn)角θ°的函數(shù)的容積的正弦函數(shù)。基于該機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單特性及其隨之而來(lái)的簡(jiǎn)單的諧和特性(harmonicnature)可望很好地反映機(jī)器的性能和效率。
除了頂端密封件之外，適當(dāng)?shù)拿芊饧夹g(shù)還應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的其他部分。在單軸實(shí)施例中，圓形凹部56適用于容置圓形的油封，圓形的油封在密封時(shí)更為有效，并且比非圓形密封件更容易定位。導(dǎo)向盤(pán)的小尺寸以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子凹部的尺寸使得密封更容易，并且在機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)為不同應(yīng)用時(shí)具有更大靈活性。當(dāng)本機(jī)構(gòu)用作發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在其容量?jī)?nèi)還能很容易地使用氣體密封技術(shù)。應(yīng)該理解，在該機(jī)構(gòu)的這種應(yīng)用中，頂端和側(cè)面密封件的密封柵格(grid)與所述端口及閥和諧地工作，以有效地密封燃燒室。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在其用作空氣壓縮機(jī)的實(shí)施例中，可以安裝簡(jiǎn)單廉價(jià)的氣體密封件。在頂端處以及轉(zhuǎn)子的側(cè)面使用密封件以產(chǎn)生三維空間的有效的密封柵格，以增加壓縮機(jī)的熱力學(xué)及工作效率。相比較而言，這種密封程度不能用在螺桿式和葉片式壓縮機(jī)上，而所述螺桿式和葉片式壓縮機(jī)嚴(yán)重依賴于極小間隙以及油溢流(oil flooding)來(lái)阻隔充氣。
本轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)使用的有效密封使得即使在從較低到中等的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下也能將空氣壓縮至極高的壓力。除了有效的密封，在上死點(diǎn)處非常接近殼體的轉(zhuǎn)子也輔助產(chǎn)生高壓。這將有利地允許在變速及高壓下獲得變化的容積。大多數(shù)傳統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)依賴于高轉(zhuǎn)速，以將空氣壓縮到高壓。
當(dāng)用作發(fā)動(dòng)器時(shí)，轉(zhuǎn)子在腔室內(nèi)的單向運(yùn)動(dòng)有效地產(chǎn)生了極高的湍流，這種極高的湍流是燃料-氣體混合物快速均勻燃燒所必需的。這種效果導(dǎo)致廢氣(exhaust gas)的低排放。
另外，使用轉(zhuǎn)子側(cè)面的油封來(lái)避免與腔室內(nèi)的油溢流有關(guān)的問(wèn)題，并用于有效地冷卻轉(zhuǎn)子。圖14示出了使油流至軸和擋塊上的滑動(dòng)部(slides)以及支承件(bearings)的油路69，其用于冷卻空氣壓縮機(jī)內(nèi)的機(jī)構(gòu)。該空氣壓縮機(jī)僅需要標(biāo)準(zhǔn)的油水過(guò)濾器，以將油從壓縮空氣中的水/油冷凝物中分離。因此，為了使機(jī)構(gòu)順利運(yùn)行，被用來(lái)潤(rùn)滑并冷卻轉(zhuǎn)子的組件，例如油泵、油分離器、過(guò)濾器以及控制器，不需要太復(fù)雜。相比之下，制造用于螺桿式和葉片式壓縮機(jī)的復(fù)雜控制器以及油-氣處理系統(tǒng)的高成本會(huì)導(dǎo)致高的制造和銷(xiāo)售成本。
圖18為轉(zhuǎn)子15的頂端81處的彈簧加載的密封件80的放大視圖。密封件80頂?shù)謴椈?4而設(shè)置在于轉(zhuǎn)子頂端81處通過(guò)機(jī)械加工得到的縱向槽82內(nèi)，并且由扣式密封件(button seal)83保持在縱向槽82內(nèi)。在圖18示出的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，密封件80與殼體內(nèi)部接觸。這種接觸是始終與殼體接觸而總是不受阻礙(always positive)的接觸；并且在壓縮過(guò)程中，氣體G進(jìn)入槽從而強(qiáng)制頂端密封件從槽的后部向槽的外部偏壓并且與殼體接觸。同時(shí)，頂端密封件80也與槽的側(cè)面接觸，以防止流體繞密封件泄漏，并提供有效的密封。這種密封件抵靠殼體的連續(xù)接觸不僅提供了較佳的腔室密封，而且還使得密封件與殼體的磨損最小。在這種裝置中，作用于密封件上的力的大小不會(huì)急劇變化。
轉(zhuǎn)子殼體的這種“近似環(huán)形(close to annular)”的設(shè)計(jì)也利于有效地密封該機(jī)構(gòu)。殼體的形狀與轉(zhuǎn)子頂端經(jīng)過(guò)的路徑相協(xié)調(diào)(sympathetic)，從而使得頂端處的密封件有效地滑動(dòng)，不會(huì)在殼體上產(chǎn)生任何負(fù)力(negativeforce)。頂端密封件的正力(positive force)意味著在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下在其整個(gè)循環(huán)中該機(jī)構(gòu)會(huì)遇到可以忽略不計(jì)的壓縮空氣損失。相比較而言，汪克爾旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)近似呈數(shù)字“8”狀的殼體在其腰部附近會(huì)遇到負(fù)力，由此在這點(diǎn)處會(huì)損失壓縮空氣。
殼體的圓形或者蚌線形路徑的優(yōu)點(diǎn)在于，其不會(huì)遇到其他旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的殼體所遇到的問(wèn)題，例如“顫動(dòng)擦痕”。頂端密封件在汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體腰部處的接觸損失是指，當(dāng)重新開(kāi)始接觸時(shí)，密封件會(huì)生硬地(harshly)沖擊殼體，產(chǎn)生公知為“顫動(dòng)擦痕”的現(xiàn)象。在本旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，由于密封件不會(huì)喪失與殼體的接觸，所以不會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象。
在空氣壓縮機(jī)中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不使用吸入閥(suction valve)，僅使用吸入端口。吸入端口始終位于轉(zhuǎn)子殼體上。不過(guò)，在排放端口中安裝排放閥可使壓縮機(jī)更有效地運(yùn)行。所述排放端口可以設(shè)置在轉(zhuǎn)子殼體上或者設(shè)置在每一側(cè)蓋上。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，不管有沒(méi)有閥，仔細(xì)選擇排放端口相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的位置是很重要的。
將吸入端口始終暴露于大氣壓力下會(huì)產(chǎn)生高的容積效率，并且轉(zhuǎn)子的正位移(positive displacement)能進(jìn)一步增大容積效率。在排放端口處具有閥的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，流體持續(xù)地沿一個(gè)方向流動(dòng)以及通過(guò)閥口系統(tǒng)散熱會(huì)加大冷卻。
本機(jī)構(gòu)的兩個(gè)實(shí)施例的對(duì)稱特性允許該機(jī)構(gòu)以最小的振動(dòng)運(yùn)行，并且由轉(zhuǎn)子質(zhì)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力均勻地分布并且由轉(zhuǎn)子上的所有點(diǎn)連續(xù)承載。換句話說(shuō)，轉(zhuǎn)子上不存在承載比其他部分更多負(fù)荷的特殊部分，否則這些特殊部分將產(chǎn)生集中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力區(qū)域?？梢允褂萌缟纤龅呐渲鼗蛘咂渌胶饧夹g(shù)來(lái)平衡轉(zhuǎn)子并將振動(dòng)減少至絕對(duì)最小值。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可用在許多應(yīng)用中，包括液壓泵、真空泵、油泵、氣體壓縮機(jī)、氣體膨脹機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)。與公知機(jī)構(gòu)相比，結(jié)合輕質(zhì)緊湊的結(jié)構(gòu)所獲得的高壓提供了明顯的優(yōu)勢(shì)。
以作為內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的任一實(shí)施例為例，可以看到，在轉(zhuǎn)子基本移向腔室外周的上死點(diǎn)處(如圖1和圖7所示)，已經(jīng)提前進(jìn)行了引入，從而存在待壓縮的燃料/空氣混合物。這種情形可以認(rèn)為與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞向著壓縮沖程上死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相類(lèi)似。
在此位置，轉(zhuǎn)子外周的一部分可以輕易地提供一個(gè)腔，在該位置處，該腔可以有效地設(shè)置在火花塞或者其他點(diǎn)火裝置的下方。并且，在該位置處，或者可由轉(zhuǎn)子自身覆蓋進(jìn)入腔室的封閉空腔的端口，或者可以關(guān)閉與所述端口相連接的閥。
點(diǎn)火之后，開(kāi)始動(dòng)力沖程及排氣沖程，并且使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于空腔內(nèi)的燃燒致使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，所以鄰近內(nèi)腔室壁的轉(zhuǎn)子凸葉趨向于遠(yuǎn)離所述壁運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，排放端口打開(kāi)，空腔內(nèi)的氣體和未燃燒燃料的壓力使得廢氣能有效地從空腔通過(guò)排放端口排出。
如果能結(jié)合單獨(dú)的增壓器，優(yōu)選結(jié)合旋轉(zhuǎn)式增壓器，則將該機(jī)構(gòu)用作雙沖程發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)更為有效。在這樣的裝置中，入口處于壓力下，從而只要設(shè)置適當(dāng)?shù)亩丝诩伴y系統(tǒng)，不需要吸入沖程就可以向腔室內(nèi)充氣，引入這種增壓器還能輔助將廢氣完全排出(extraction)。在這種裝置中，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈就有兩個(gè)沖程動(dòng)力的兩個(gè)脈動(dòng)。
因此，可以看到在這種雙沖程情形下，與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)閯?dòng)力沖程的頻率而具有高效率。
同樣可以理解的是，槽和環(huán)形凹部使得轉(zhuǎn)子實(shí)際上是中空的，并且由于通過(guò)槽或者通過(guò)孔(例如鄰近槽的孔)可以從轉(zhuǎn)子的內(nèi)部接近端蓋，因此易于使油流入轉(zhuǎn)子中心來(lái)簡(jiǎn)單地潤(rùn)滑并冷卻本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)。可選地，所述軸中的一個(gè)可以制成為是中空的，從而使轉(zhuǎn)子部分地或者完全地充滿油，并且油通過(guò)一個(gè)或者兩個(gè)槽或孔返回，因此，轉(zhuǎn)子和油之間具有良好的傳熱。導(dǎo)向盤(pán)和腔室端蓋自身也可以設(shè)置例如鄰近支承件的、用于排油的通路。然后油可以到達(dá)貯油槽(sump)或者類(lèi)似部件。還可以優(yōu)選設(shè)置散熱片以對(duì)位于貯油槽的入口或者出口的油進(jìn)行冷卻?？梢詮馁A油槽抽吸油，以用于再循環(huán)。當(dāng)油沿轉(zhuǎn)子的端面流動(dòng)時(shí)，其還提供了密封件的潤(rùn)滑。
為了實(shí)現(xiàn)密封件的有效潤(rùn)滑，可以使用傳統(tǒng)的方法，這些方法包括使用油/燃料混合物將油導(dǎo)入燃燒室或者將油直接導(dǎo)入腔室的損失可控的油噴射方法(controlled loss oil injection method)。
機(jī)構(gòu)的幾何形狀使得其具有大的表面積，這確保了有效的散熱和改善的冷卻性能。當(dāng)考慮該機(jī)構(gòu)的整體效率時(shí)，尤其是當(dāng)實(shí)施為具有散熱片的空氣壓縮機(jī)而暴露于空氣時(shí)，這一點(diǎn)尤為有利。
盡管已經(jīng)論述了旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行組件，雖然并未深入探討特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)和操作，但是應(yīng)該理解，同樣的裝置也同樣適用于容積式泵。由于轉(zhuǎn)子的頂端經(jīng)過(guò)入口端口的位置處，在該位置處轉(zhuǎn)子和腔室之間的容積增大，因此該端口處的流體會(huì)被引入腔室中。隨著進(jìn)一步的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的凸葉移動(dòng)接近腔室的內(nèi)壁時(shí)，流體承受壓力，并且能夠在壓力下從適當(dāng)位置的出口端口排出。同樣地，當(dāng)用作泵運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)流體脈動(dòng)，因此作為泵時(shí)其具有高級(jí)別的效率。
應(yīng)該理解并且如之前簡(jiǎn)要提及的，根據(jù)該機(jī)構(gòu)是用作旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)還是用作泵以及具體的條件和待被操作的流體，端口和閥的具體位置(如果有閥的話甚至是閥的類(lèi)型)可以有很大變化。
另外，如果該機(jī)構(gòu)被用作旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，則根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，端口的位置將被設(shè)計(jì)為，在需要的運(yùn)行速度下提供最有效的導(dǎo)入和排出。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)幾乎任意一種適當(dāng)?shù)牟牧享樌夭僮?。其不需要制造殼體的復(fù)雜過(guò)程以及任何精加工(finishings)。該機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)單地由例如鑄鐵的材料制造。在考慮重量的場(chǎng)合更希望是輕質(zhì)材料以及復(fù)合材料。
控制和維護(hù)該機(jī)構(gòu)不需要復(fù)雜的電子控制。對(duì)于壓縮機(jī)而言，許多公知的機(jī)器使用監(jiān)視及運(yùn)行控制裝置來(lái)控制熱量、濕氣、氣/油污染、發(fā)動(dòng)機(jī)及“空氣”速度、振動(dòng)、供油、濕度等。在最簡(jiǎn)單的形式中，實(shí)施為空氣壓縮機(jī)的本機(jī)構(gòu)實(shí)際上不需要這些控制，不需要在特定負(fù)荷的條件下切斷電源的標(biāo)準(zhǔn)空氣/壓力開(kāi)關(guān)。在具有較高容量的較大壓縮機(jī)中可以考慮輔助控制器，不過(guò)任何這些控制器都將是標(biāo)準(zhǔn)的并且容易獲得。
盡管在該說(shuō)明書(shū)中，該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其操作已經(jīng)以其最簡(jiǎn)單的概念進(jìn)行了說(shuō)明，但是應(yīng)該理解，在實(shí)際的機(jī)構(gòu)中可以有各種變化，其對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是很清楚的。
另外，在此并未描述當(dāng)該機(jī)構(gòu)用作旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)所使用的燃料系統(tǒng)形式，但是其對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。例如，燃料源根據(jù)需要可以是汽化器或者燃料噴射系統(tǒng)。
上面已經(jīng)對(duì)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的某些應(yīng)用進(jìn)行了描述。下面將描述這些實(shí)例以及其他實(shí)例的其他細(xì)節(jié)。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可用作空氣發(fā)動(dòng)機(jī)(air motor)，其中，可以使用壓縮空氣來(lái)運(yùn)行作為發(fā)動(dòng)機(jī)的該機(jī)構(gòu)。實(shí)際上，所有類(lèi)型的流體膨脹機(jī)均可以使用該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這些膨脹機(jī)包括蒸汽或者有機(jī)流體的蘭金循環(huán)電動(dòng)機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、液態(tài)制冷劑膨脹閥、空氣循環(huán)冷卻器、氣動(dòng)起動(dòng)器、天然氣膨脹機(jī)、重金屬污染清洗系統(tǒng)等。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的概念從微小級(jí)別到大型級(jí)別都是有用的。在微小級(jí)別，本旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)展現(xiàn)了用于微機(jī)械的良好特性。例如，可以將相同的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)概念用于微型發(fā)動(dòng)機(jī)以及標(biāo)準(zhǔn)的大型(full size)發(fā)動(dòng)機(jī)。其簡(jiǎn)單的、平面的幾何形狀以及較少的部件(沒(méi)有齒輪機(jī)構(gòu))意味著在微小級(jí)別上該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制造相對(duì)簡(jiǎn)單，并可以以最少的維護(hù)來(lái)運(yùn)行。甚至在微小級(jí)別上轉(zhuǎn)子密封也是有效的，因?yàn)檗D(zhuǎn)子尖端的密封始終無(wú)阻礙地(positive)抵靠殼體。有效的密封對(duì)于高性能是很重要的。當(dāng)用作微型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，甚至在微小級(jí)別上也能很容易地獲得高壓縮比，并產(chǎn)生有效的壓縮點(diǎn)火燃燒。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可利用包括氫和乙醇等眾多形式的燃料來(lái)運(yùn)行。作為發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)構(gòu)可以以極低速度和極高速度運(yùn)行。
在大型級(jí)別上，該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成內(nèi)燃機(jī)或者其他的流體膨脹發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)還能作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。通過(guò)在轉(zhuǎn)子內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)拇朋w并在殼體內(nèi)設(shè)置線圈，可以將發(fā)電機(jī)結(jié)合到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。
具有高壓縮潛力的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開(kāi)辟了以天然氣或者氫作為燃料的可能性。該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)很有潛力用作氫發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠錄](méi)有熱點(diǎn)并且具有良好的冷卻。
該機(jī)構(gòu)的冷卻特性可以歸因于其較大的表面/容積比；每一次充氣都是繞殼體腔室的整個(gè)周邊正向移位(positively displaced)；進(jìn)氣口遠(yuǎn)離排出閥，并且持續(xù)打開(kāi)從而保持冷卻；壓縮空氣通過(guò)排放端口的閥被快速排放至氣罐(tank)，以防止熱的壓縮空氣泄漏或者回流進(jìn)入壓縮機(jī)；在軸的內(nèi)部設(shè)置有油路，用于進(jìn)一步冷卻；并且與渦輪式及螺桿式壓縮機(jī)不同，該機(jī)構(gòu)不會(huì)攪動(dòng)或者截?cái)嗫諝猓駝t會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能并加熱空氣。
該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在用作汽車(chē)增壓器時(shí)具有更大的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出多種修改。
在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)及說(shuō)明書(shū)中，除非由于語(yǔ)言表達(dá)或者必要的暗示導(dǎo)致的內(nèi)容需要，否則詞語(yǔ)“包括”或者其變形均為包含的意思，即，只是具體指出所述特征的存在，但是不排除本發(fā)明各實(shí)施例中其他特征的存在或者附加。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，包括殼體，所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室；雙凸葉對(duì)稱轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有相對(duì)的側(cè)面以及位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向軸線；驅(qū)動(dòng)軸，所述驅(qū)動(dòng)軸支撐所述轉(zhuǎn)子以使所述轉(zhuǎn)子以下述方式在所述腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)所述頂端連續(xù)地掃過(guò)所述內(nèi)壁，從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔；以及間隔開(kāi)的入口端口和排放端口，用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出；其中，所述轉(zhuǎn)子通過(guò)擋塊和槽的往復(fù)裝置以及第二支撐裝置支撐，以在所述驅(qū)動(dòng)軸上偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使所述轉(zhuǎn)子的中心沿所述腔室內(nèi)的圓形軌跡運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述第二支撐裝置是輔助引導(dǎo)所述轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的路徑的導(dǎo)向裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)向裝置位于所述腔室的端壁上，并且與所述轉(zhuǎn)子的側(cè)面接合。
4.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)向裝置是位于所述腔室至少一端處的圓形盤(pán)，并且所述圓形盤(pán)容置在所述轉(zhuǎn)子側(cè)面中的、對(duì)應(yīng)但較大的圓形凹部中。
5.如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，在所述轉(zhuǎn)子側(cè)面中的所述圓形凹部的原點(diǎn)位于所述轉(zhuǎn)子的中心。
6.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)向盤(pán)的中心偏離所述腔室的中心軸線。
7.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)向盤(pán)的中心位于所述腔室的中心軸線與所述驅(qū)動(dòng)軸的軸心之間的中間位置。
8.如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置有兩個(gè)導(dǎo)向盤(pán)，所述腔室的每一端各有一個(gè)導(dǎo)向盤(pán)；并且，所述導(dǎo)向盤(pán)能容置在位于所述轉(zhuǎn)子的每一側(cè)面中的、對(duì)應(yīng)的圓形凹部?jī)?nèi)。
9.如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述殼體和轉(zhuǎn)子的幾何輪廓可以由所述腔室的直徑以及所述軸與所述腔室的中心的偏離距離來(lái)計(jì)算。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述軸為延伸穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子和所述腔室的單軸，并且在所述軸上支撐所述擋塊和槽裝置中的擋塊。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，長(zhǎng)槽沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位。
12.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述第二支撐裝置為安裝在第二驅(qū)動(dòng)軸上的第二擋塊和槽往復(fù)裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述第二擋塊和槽裝置垂直于所述第一擋塊和槽裝置安裝，且所述第一擋塊和槽裝置沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位。
14.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述第一和第二驅(qū)動(dòng)軸從所述殼體的相對(duì)端延伸到所述腔室內(nèi)，并且彼此軸向偏離地排列。
15.如權(quán)利要求14所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，一個(gè)軸的軸心與所述腔室的中心軸線對(duì)齊。
16.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)子的中心沿圓形軌跡移動(dòng)，由此所述軌跡的中心與所述腔室的中心貫通軸線和所述第一驅(qū)動(dòng)軸的軸心之間的中間位置偏離。
17.一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，包括殼體，所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室；雙凸葉對(duì)稱轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線；所述轉(zhuǎn)子以下述方式設(shè)置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)所述頂端連續(xù)地掃過(guò)所述內(nèi)壁，從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔；其中，所述轉(zhuǎn)子安裝在延伸穿過(guò)所述腔室至少一端的軸上，所述軸支撐第一導(dǎo)向裝置，所述第一導(dǎo)向裝置由安裝成相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子上的長(zhǎng)槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的擋塊來(lái)限定，由此，所述擋塊和軸允許所述轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)；間隔開(kāi)的入口端口和排放端口，用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出；以及第二導(dǎo)向裝置，所述第二導(dǎo)向裝置與所述第一導(dǎo)向裝置相互作用，以便引導(dǎo)所述轉(zhuǎn)子并確保所述頂端在運(yùn)行期間與所述內(nèi)壁連續(xù)地密封接觸，使得所述轉(zhuǎn)子的中心沿著所述腔室內(nèi)的圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，其中，所述第二導(dǎo)向裝置的中心偏離所述腔室的中心軸線。
18.如權(quán)利要求17所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述第二導(dǎo)向裝置是構(gòu)造成具有匹配的接觸表面的組件，從而使接觸負(fù)荷沿著相互接合的導(dǎo)向組件均勻分布。
19.如權(quán)利要求18所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述第二導(dǎo)向組件包括圓形的導(dǎo)向盤(pán)，所述導(dǎo)向盤(pán)安裝在所述環(huán)形腔室的至少一端；以及對(duì)應(yīng)的圓形凹部，其位于所述轉(zhuǎn)子的一側(cè)上，以容置所述導(dǎo)向盤(pán)；其中，所述凹部具有位于所述轉(zhuǎn)子的中心的原點(diǎn)，并且比所述導(dǎo)向盤(pán)大，以允許所述轉(zhuǎn)子在所述導(dǎo)向盤(pán)上進(jìn)行有限運(yùn)動(dòng)。
20.如權(quán)利要求19所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)向盤(pán)的中心偏離所述腔室的中心軸線。
21.如權(quán)利要求20所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)向盤(pán)的中心位于所述腔室的中心軸線與所述軸的軸心之間的中間位置。
22.如權(quán)利要求19所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置有兩個(gè)導(dǎo)向盤(pán)，所述腔室的每一端各有一個(gè)導(dǎo)向盤(pán)；并且，所述導(dǎo)向盤(pán)能容置在位于所述轉(zhuǎn)子的每一側(cè)面中的、對(duì)應(yīng)的圓形凹部?jī)?nèi)。
23.如權(quán)利要求17所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述軸為單軸，其延伸穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子并且其上支撐有擋塊。
24.如權(quán)利要求17所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述長(zhǎng)槽沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位。
25.一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，包括殼體，所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室；雙凸葉對(duì)稱轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線；所述轉(zhuǎn)子以下述方式設(shè)置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)所述頂端連續(xù)地掃過(guò)所述內(nèi)壁，從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔；其中，所述轉(zhuǎn)子安裝在分軸系統(tǒng)上，所述分軸系統(tǒng)包括延伸穿過(guò)所述腔室一端的第一軸以及延伸穿過(guò)所述腔室另一端的第二軸，所述第一軸支撐第一擋塊，所述第一擋塊安裝成相對(duì)于沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位的第一長(zhǎng)槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述第二軸支撐第二擋塊，所述第二擋塊安裝成相對(duì)于垂直所述第一長(zhǎng)槽定位的第二長(zhǎng)槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；其中，所述擋塊和軸允許所述轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)，以使所述轉(zhuǎn)子的中心沿所述腔室內(nèi)的圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，且所述轉(zhuǎn)子的負(fù)荷由各擋塊和軸依次承載；以及間隔開(kāi)的入口端口和排放端口，用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出。
26.如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述第一軸和第二軸彼此軸向偏離地排列。
27.如權(quán)利要求26所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，一個(gè)軸的軸心與所述腔室的中心軸線對(duì)齊。
28.如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)子的圓形軌跡的中心偏離所述腔室的中心軸線。
29.如權(quán)利要求28所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述軌跡的中心位于所述中心軸線和與所述中心軸線不對(duì)齊的軸的軸心之間的中間位置。
30.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)子頂端設(shè)置有正位移密封件，所述密封件位于與所述內(nèi)壁連續(xù)接觸的所述轉(zhuǎn)子頂端處的槽內(nèi)。
31.如權(quán)利要求30所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述密封件為彈簧偏置的密封件。
32.如權(quán)利要求30所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，允許所述空腔內(nèi)的流體進(jìn)入所述槽內(nèi)，并迫使所述密封件抵靠所述內(nèi)壁。
33.一種包含如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)器，其中，所述機(jī)器傳輸、膨脹或壓縮流體、或者使流體內(nèi)燃。
34.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)子的輪廓和/或所述腔室的輪廓能進(jìn)行修改，以適應(yīng)特定的機(jī)械參量。
35.如權(quán)利要求19所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)向盤(pán)和/或圓形凹部的形狀能進(jìn)行修改，以適應(yīng)特定的機(jī)械參量。
36.如權(quán)利要求34或35所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述參量為間隙的增大、流速的變化或者凹形燃燒室。
37.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中，所述腔室的輪廓為圓形或者蚌線形。
38.一種包含如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及用于平衡所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的平衡機(jī)構(gòu)的機(jī)器。
39.如權(quán)利要求37所述的機(jī)器，其中，所述轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈所述平衡機(jī)構(gòu)就轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(10)，其具有由殼體(11)的內(nèi)壁(16)限定的環(huán)形腔(12)。對(duì)稱的雙凸葉轉(zhuǎn)子(15)具有相對(duì)的側(cè)面(21a、21b)以及位于頂端(22)之間的縱向軸線。驅(qū)動(dòng)軸(50)通過(guò)擋塊(51)和槽(52)的往復(fù)裝置以及第二支撐裝置(53)偏心地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的中心沿著腔室(12)內(nèi)的圓形軌道運(yùn)動(dòng)。頂端(22)連續(xù)地掃過(guò)內(nèi)壁(16)，借助相關(guān)的流體入口端口和排放端口(31、35)產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔(25)。
文檔編號(hào)F01C1/22GK1842636SQ200480024656
公開(kāi)日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月27日
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