旋转活塞及汽缸装置的制作方法

本发明涉及旋转活塞及汽缸装置。

背景技术：

旋转活塞及汽缸装置可以采取内燃机发动机或压缩机(例如增压器或流体泵)或膨胀器(例如蒸汽机或涡轮机替代设备)的形式，还可以为一种容积式装置。

旋转活塞及汽缸装置包括转子和固定体，该固定体至少部分地限定环形汽缸空间，该转子可以为环形的形式，且该转子包括至少一个活塞，所述活塞从转子延伸进入环形汽缸空间中，在使用中至少一个活塞在转子相对于固定体旋转的时候沿周向移动穿过环形汽缸空间，所述转子相对于固定体被密封，并且所述装置进一步包括汽缸空间快门式开闭部件，所述快门式开闭部件能够相对于固定体移动至封闭位置(在该封闭位置上所述快门式开闭部件将环形汽缸空间分隔)以及打开位置(在该打开位置上所述快门式开闭部件允许至少一个活塞通过)，所述汽缸空间快门式开闭部件包括快门式开闭盘。

本文中所使用的术语“活塞”在其最广泛的含义内包括(其中语境允许)能够相对于汽缸壁移动的分隔体，这样的分隔体一般不需要在相对移动方向上具有实质厚度，而是可以为叶片的形式。分隔体可以具有实质厚度或可以为中空的。所述快门式开闭盘可以表现为基本沿汽缸空间的径向延伸的分隔体。

申请人已经发明了用于这种装置的改进的密封布置。

转子的内表面的几何结构受限于旋转快门式开闭盘的外面的至少一部分，所述旋转快门式开闭盘在冲程结束时使活塞穿过狭孔。活塞必须在每个循环中优选穿过所述盘一次，同时至少与汽缸壁和盘中的狭孔两者形成局部密封，这是由于腔室仍然包含工作流体且在大多数构造中仍然连接至出口端口(在压缩机中)，或者更普遍地在工作压力下连接至容积。应当注意在使用术语密封的地方，其包括这样的含义：一种减小间隙、使泄露减到最小且不必完全防止流体穿过密封进行输送的布置。

对本领域技术人员而言明显的解决方案为通过限定所述盘的中平面处的封闭行进几何结构而优先密封活塞的工作表面。封闭行进几何结构可以由一组点形成，或优选由可以为弯曲或笔直的连续的线段形成。考虑到盘与转子的相对运动，活塞的工作表面可以由该封闭行进几何结构进行限定。可以看到该方法将导致活塞与盘在活塞穿过所述盘的整个通道上在封闭行进线处将保持基本恒定且最小的间隙。对于封闭行进线的每侧，相对于盘的厚度下降，叶片的工作表面将为可变的且基本距离盘中的狭孔的表面更远的距离。

一种如上所述的建立叶片和狭孔几何结构的方法首先还限定与活塞相对的表面的封闭行进几何结构，由于其重要性更低因此可以具有更大的间隙。于是封闭行进几何结构在转子坐标系内沿转子扫过以形成活塞表面。然后狭孔在其坐标系内使用相同的密封横截面通过扫掠切割(sweep-cutting)所述盘而形成。于是在盘坐标系内使用活塞的前沿边缘横截面和后沿边缘横截面通过扫掠切割而形成密封表面的每一侧引入和引出表面区域。这样布置的示例显示在图1a至图1d中，穿过转子的壁(为清楚起见将其省略)观察，图1a至图1d显示了穿过快门式开闭盘101中的狭槽102的活塞叶片103的端部视图。封闭行进线crl位于(中)平面105上，(中)平面105为快门式开闭盘的圆周表面101a的深度/高度的中心，圆周表面101a(在某些点适时地)与转子紧密协作。在该布置中，封闭行进线在(叶片)穿过该狭槽时保持在此位置上。从这些附图中可以看到，前沿边缘和后沿边缘穿过狭槽102的容积的不同区域。特别地，“表面a”最初时基本更接近狭槽的下部区域穿过，然后基本更接近狭槽的上部区域穿过。应理解在该装置的其它实施方案中，其可以应用于相反的情况中。在该特别的实施方案中，这导致在活塞的前沿边缘到达crl之前活塞与快门式开闭盘之间的间隔。根据该装置的构造，该间隔可能使流体从汽缸泄露出去。

应理解形成适当的盘狭槽的几何结构的不同方法都是可能的，本发明的实施方案可以通过带来所需的几何结构的任何适当的方法来实现。此外，活塞形状可以根据给定的狭槽构造而实现，反之亦然，由此获得适当的狭槽/快门式开闭盘配合表面。

本发明旨在提供一种叶片与快门式开闭盘狭孔之间的密封配合表面的优选布置。“密封配合表面”概括而言指的是活塞的表面与盘狭孔的表面，“封闭行进区域/线”指的是盘的表示在叶片的工作表面与盘狭孔之间的密封配合表面处的基本为最小的密封间隔的一组点。该封闭行进线可以由多个不连续的部分形成，但优选由单一的连续的线形成。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种旋转活塞及汽缸装置，其包括转子、固定体以及快门式开闭盘，所述转子包括从转子延伸进入汽缸空间内的活塞，所述转子与所述固定体共同限定所述汽缸空间，所述快门式开闭盘穿过所述汽缸空间并在其中形成分隔体，所述盘包括允许所述活塞在其中通过的狭槽，所述狭槽设置于两个表面部分之间，所述两个表面部分接收在其中通过的所述活塞，所述表面中的至少一个与活塞限定封闭行进区域，用以提供流体密封，对于所述活塞通过所述狭槽的过程中的至少一部分阶段，封闭行进区域从中平面偏移，所述中平面延伸穿过所述盘且与所述盘共面。

所述中平面可以与转子的径向平面重合。对于至少一部分所述盘的圆周表面的周向长度而言，盘的中平面可以基本位于所述表面的深度/高度的中间，盘的圆周表面与转子紧密的进行协作。优选地，所述平面设置成成为所述圆周表面的主要延伸范围。

在所述叶片通过所述狭槽行进的过程中，所述封闭行进区域可以布置成相对于所述快门式开闭盘的厚度而移动。

所述狭槽设置在其之间的所述表面可以(直接地)彼此相对。

所述表面可以具有不相似的轮廓形状，所述表面中的一个(该表面不用于形成封闭行进线)可以以简化制造的方式形成，例如通过四方切割的方式。

狭槽的仅一个表面可以构造成为与活塞的工作表面相互作用的表面，从而与活塞形成封闭行进线。

旋转快门式开闭盘的至少一个狭孔当在快门式开闭部件打开的条件下放置成基本与环形汽缸空间的周向延伸的孔对准以允许活塞穿过快门式开闭盘。

快门式开闭装置的狭孔可以设置成基本径向相对于所述快门式开闭盘，或事实上可以具有适当的形状以适合于活塞的形状。

优选地，转子的旋转轴线与快门式开闭盘的旋转轴线不平行。更优选地，转子的旋转轴线基本垂直于快门式开闭盘的旋转轴线。

优选地，活塞成形为随着狭孔穿过环形汽缸空间，活塞将在移动的快门式开闭部件中穿过狭孔而不会受到阻挡。活塞优选地成形为使得在活塞与快门式开闭部件中的狭孔之间存在最小的间隙，从而在活塞穿过狭孔时形成密封。可以在活塞的前沿表面或后沿表面或前沿边缘或后沿边缘上设置密封。在压缩机的情况下，可以在前沿表面上设置密封，而在膨胀器的情况下，可以在后沿表面上设置密封。

优选地转子本体由固定体可旋转地支撑而不是依赖于活塞与汽缸壁之间的协作，从而使转子本体相对固定体定位。可以理解旋转活塞及汽缸装置与传统的往复活塞装置不同在于，在传统的往复活塞装置中，活塞通过合适的活塞环而保持与汽缸同轴，所述活塞环产生相当高的摩擦力。

转子可以由合适的轴承装置可旋转地支撑，该轴承装置由固定体承载。

优选地，固定体包括至少一个入口端口和至少一个出口端口。

优选地，所述端口中的至少一个基本毗邻快门式开闭部件。

优选地，转子的角速度与快门式开闭盘的角速度的比可以为1:1，也可以设想为其它比值。

转子可以包括(圆形)凹进表面，该(圆形)凹进表面部分地与固定体限定汽缸空间。在某些实施方案中，转子可以包括中心狭孔以允许在所述盘与转子之间的旋转传动延伸穿过。

快门式开闭盘可以布置成在汽缸空间的一个区域处延伸穿过汽缸空间。

所述装置可以包括一个或者更多的特征，其将在下文的描述中进行描述和/或在附图中显示。

附图说明

下文将参考附图并仅通过示例性的方式来描述本发明的各个实施方案，其中：

图2为旋转活塞及汽缸装置的立体图，

图3为图1的装置的转子的立体图，其显示了转子的旋转的轴线和不同平面，

图4为穿过快门式开闭盘狭槽的活塞叶片的端部的视图，

图5为穿过快门式开闭盘狭槽的活塞叶片的端部的视图，

图6a为快门式开闭盘的立体图，

图6b为图6a的快门式开闭盘的平面图，

图7a显示穿过快门式开闭盘的狭槽的活塞，

图7b为图7b的快门式开闭盘的立体图，

图8a为具有倒锥形侧部的快门式开闭盘的立体图，

图8b为图8a的快门式开闭盘的截面图，

图9为在其侧面上具有流变凹陷(flow-alteringindentation)的快门式开闭盘的立体图，

图10为具有位于盘的狭槽之内的流变凹陷的快门式开闭盘的立体图，

图11为布置有非线性封闭行进区域的快门式开闭盘的立体图，

图12为第一活塞叶片的立体图，

图13为修改的活塞叶片的立体图，

图14为与盘的穿过狭槽的切线平行的截面图，

图15为快门式开闭盘的立体图，其中所述表面(其没有与活塞的工作表面相互作用以产生封闭行进线)构造成用于简化制造，

图16显示两个可能的活塞形状的立体图，

图17显示变体快门式开闭盘的立体图，并且

图18显示另一个变体快门式开闭盘的立体图。

具体实施方式

参考图2，其显示了旋转活塞及汽缸装置1，该旋转活塞及汽缸装置1包括转子2、固定体(未示出)以及快门式开闭盘3。该固定体包括相对于转子被保持的构造以及固定体的面对转子的内表面2a的表面，从而共同限定汽缸空间。固定体还可以包括位于转子后面的部分，因此转子实际上位于两个固定体部分之间。设置与转子整体形成并从内表面延伸的叶片5。设置在快门式开闭盘3中的狭槽3a的尺寸和形状设置成允许叶片在其中穿过。快门式开闭盘3的旋转通过传动组件的方式而与转子保持对应，以确保转子的正时与快门式开闭盘同步。传动组件包括齿轮机构。转子包括出口端口6。

在使用该装置时，快门式开闭盘的圆周表面30面向转子的内表面2a从而在它们之间提供密封，因此能够实现快门式开闭盘的在汽缸空间之内充当分隔体的功能。在下文描述的实施方案中，公开了快门式开闭盘与快门式开闭盘的狭槽之间的密封方面的内容。

转子的内表面2a的几何结构受限于旋转的快门式开闭盘的弯曲圆周表面。由于盘(优选地)只贯穿(环形)汽缸的一侧，因此盘的轴线与转子的轴线一般不会相交。由于盘也具有厚度，因此可以理解其不能沿着其整个外面形成一致的密封。

在某些实施方案中，转子2的中心平面还可以看作是径向平面，其与转子的轴线一致。参考图3，其显示了用a和b表示的平面以及用c表示的转子的旋转轴线。平面b垂直于平面a。

图4显示了盘的侧视图(在压缩机的构造中沿径向朝着装置的中心看)，其中包含封闭行进线的平面从盘的中平面朝着装置的出口侧偏移。通过这样的布置，至封闭行进线的引入基本比引出更短。这会具有许多影响，这些影响对于不同构造的装置而言在重要性方面会有所不同，并且对于每一种构造而言会决定其使得密封外边缘平面偏移的方向是否比使得该方向相反而更合适。

至crl更短的引入增加了引出的长度。在某些实施方案中，在活塞的前沿边缘首先到达crl之前这使形成于活塞与盘之间的间隔的间隙减小。如果实施方案构造成为具有如图1a至图1d中示出的活塞-狭孔相互作用类型的压缩机，那么更小的间隔使加压的工作流体从出口汽缸泄露减少，这对于装置的性能具有显著的贡献。当改进的密封是有利的时候，更长的狭槽引出表面还在排出的早期过程中改进活塞与盘之间的密封。朝向出口循环的末端的更短的密封区域可以增加流体泄露，减少汽缸内的压力峰值区域(spikes)。

如图5中所示，还可以使密封外边缘的平面朝向盘的入口侧偏移。虽然该方法能够显现出上述引用的问题，但是由于这样的构造暴露更多的朝向循环的末端的端口面积，因此更长的引入可以使在汽缸中保持的工作流体朝向循环的末端更有效地穿过引入容积而被排放到出口狭孔中的一个中。由于其可以减少在循环的末端处的任何压力峰值区域，因此这是有利的，并且因而相应的温度和输入功率增加。如果装置构造成为真空泵或膨胀器，那么则应用相反的逻辑，朝向盘的入口侧设置密封线会产生等同的情况。

在一个实施方案中，密封区域可以基本为非线性的。图6a和图6b中显示密封线为弯曲的实施方案，从而其使得叶片向工作流体呈现基本凹进的表面，这会在循环的末端改善流体朝向出口端口的动态流动。该曲率可以在图6b中的快门式开闭盘的平面图中得到最佳观看效果。快门式开闭盘包括引入表面30a和引出表面30b。根据活塞叶片周围的流体的动态，密封线的形状可以用来提高在循环过程中的入口流量、出口流量和/或工作流体的性能。图6a和图6b中显示的弯曲的类型还可以改进叶片的(相对于转子的)径向内表面与弯曲的内固定体表面之间的密封，这是因为对于给定的容积排量弯曲叶片将具有更宽的顶面。相似地，对于给定的径向内面宽度，这样的弯曲工作表面将会产生更大的容积排量。

图7a和图7b中显示另一个实施方案，其中在叶片穿过盘的时候封闭行进线移动穿过盘的厚度。该实施方案可以在叶片通过的过程中通过进一步减小接触的任一侧引入和引出来改进密封。随着叶片接近，封闭行进线位于靠近盘的出口侧的位置，留下足够的引入以提供倒角从而减小对叶片的损坏。在叶片穿过盘130而通过的过程中，封闭行进线更接近盘的入口侧移动，这是为了在通过的过程中在任意给定的时间内更接近叶片的表面从而使得更接近地类似于狭孔围绕叶片的形状。不同的封闭行进线位置的实施例以虚线显示，其将盘狭槽131的工作表面向下移动，如同实线箭头所示意性地显示。

在一个实施方案中，在离开引入并行进之后，封闭行进线将会在叶片通过的某一位置之后而朝向盘的出口侧向后移动，并形成为大部分与初始封闭行进线一致。这能够保持狭孔的形状而使其不受引入的影响，否则会在相同的位置处需要该引入。相反，引入被完全包含在初始的(并因此也是最终的)封闭行进线的位置与盘的面向出口的表面之间的区域之内，其中所述区域在通过开始时提供用于叶片的倒角。

图8a和图8b中显示了另一个实施方案。封闭行进线布置成在叶片穿过盘230而通过的过程中相对于盘的法向表面旋转。明显地，这可以应用于盘大体上不太平坦的情况，盘例如为如图中所示的锥形或倒锥形。这如同上文所述提供相同的功能：在叶片通过的开始的时候使泄露减到最小并使叶片损坏减到最小，并在叶片通过的过程中通过减小封闭行进线的每一侧的相向的表面之间的距离来改进穿过盘的活塞通过时的密封。如同虚线所示，封闭行进线在叶片通过开始的时候在盘的出口侧基本平行于锥形盘表面。然后封闭行进线在叶片通过的过程中旋转，从而使其朝向盘的入口侧移动。然后封闭行进线将朝向其初始定向向后移动以提供叶片的后沿边缘所需的间隙。

图9显示本发明另一个实施方案，其也在冲程结束的时候提供泄压(pressurerelief)。这里快门式开闭盘303的出口表面具有凹进部50，该凹进部50在冲程结束的时候允许空气通过汽缸的径向内壁而被排出。重要的是注意这样的特征是可行的，转子的径向外壁和汽缸的径向内壁中的一者可以具有不同的几何结构/厚度，这是因为否则的话泄压特性会提供泄露路径(这是由于泄露路径在叶片穿过盘通过刚刚开始之前首先进入汽缸)。如果盘为中空的，则凹穴可以与盘的内部空间连通。

图10中显示另一个快门式开闭盘变体的实施方案，其中快门式开闭盘403中的凹陷设置在密封配合表面上，从而形成封闭行进线的不连续，用以增加工作流体的泄露。这可以通过固定的封闭行进线来实现，但是其优选利用移动和/或旋转封闭行进线来实施，其仅仅朝向循环的末端与凹陷相交。初始封闭行进线用附图标记crli表示，最终封闭行进线用附图标记crlf表示。

图11中显示本发明的另一个实施方案，其中快门式开闭盘503的封闭行进线crl为弯曲的(并且位于一个以上的维度内)，从而使其基本不能被包含在单一平面内。这样的实施方案可以允许耐磨涂层(如果使用的话)的磨损通过设定在盘上的任意点处的封闭行进线与叶片的相对表面速度之间的角度而得到更严格地控制。最佳条件对于装置的每个构造并且特别取决于所使用的耐磨涂层的特性而会发生改变。由于可获得额外地选择，因此除了如上所述的复杂性较低的解决方案之外还可以使用这样的情况以便更有效地控制汽缸之内的气体动态。

在实施方案的变体中，沿着封闭行进线的密封间隔的宽度朝向叶片通过盘的端部增大，从而允许工作流体穿过密封间隔而进入入口汽缸中的额外泄露。在压缩机实施方案中，这可以在循环的末端处用来减少任何潜在的压力峰值区域。这样的特征可以实施为封闭行进线在狭孔中偏移(在使用移动的封闭行进线，或者作为叶片的局部偏移表面，或在两者的结合的情况下)。参考图12和图13，图12和图13分别显示数学上的理想叶片几何形状115a以及其中将叶片的后沿截面115b材料移除的叶片。偏移表面115b增大叶片穿过快门式开闭盘狭槽的端部处的密封间隔。还参考图14，图14显示了如何已经合适的改进快门式开闭盘603的表面607的几何形状从而使得封闭行进线crl被修改为朝向叶片的穿过狭槽的端部，进而使得密封间隔在这些点处增大。这种狭槽的改进增加朝向活塞穿过狭槽的端部的流体泄露。

图15显示快门式开闭盘703的变体实施方案，其中狭槽731的表面730(其不与活塞的工作表面相互影响)形成为四方切口(square-cut)，用于简化制造。

虽然上述实施方案通过首先建立狭槽轮廓然后建立合适的活塞形状以穿过狭槽(并形成所需的crl)而产生，但是可替代地，可以以期望的活塞形状开始，并建立狭槽以将其容纳。图16中显示两个这样可能的活塞形状。由于以期望的狭槽轮廓开始，因此这些就封闭行进线方面而言提供相同的效果。

在上述实施方案中，封闭行进区域或封闭行进线布置成在叶片的至少一部分穿过狭孔狭槽的过程中从快门式开闭盘的中心平面偏移。有利地，通过这样做提供了使叶片与快门式开闭盘的狭槽的工作表面之间的密封效果更好的不同方式，对于不同应用的不同情况并获得不同期望的结果而言，其中的一些已在上文中进行概述。

图17和图18显示具有‘不规则的’周向的盘表面的快门式开闭盘的变体实施方案。在图17中，快门式开闭盘803包括切断部805。对于圆周表面805a的延伸范围的主要部分而言，盘的中平面806位于圆周表面的高度的中间。然而，在毗邻切断部805的区域中，在圆周表面的附近的那部分的中平面相对于该部分在高度上偏移。在图18中显示快门式开闭盘903，在快门式开闭盘903中设置有使盘的整体厚度增加的弯曲延伸部907。弯曲延伸部位于在与转子的紧密协作中发挥作用的圆周表面903a之外。中平面为盘的位于圆周表面903a的中间的平面。在该实施方案中，中平面906并不位于整个盘的(厚度)中心。