增压器的制作方法

专利名称：增压器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用作内燃机用增压器的容积式空气泵 (positivedisplacement air pump)，其包括用作增压器的容积式空气泵并且具有修正的 出口以改善等熵效率(isentropic efficiency)。
背景技术：
容积式空气泵包括罗茨式增压器(Roots-type blower)、螺旋式空气泵和一些其 它类似于平行叶状转子的设备。容积式空气泵可以包括具有直的叶(叶片)或者螺旋扭曲 状叶的叶状转子。转子可以啮合地并行布置，横切地重叠于由壳体限定的圆筒状腔室。传 统的实施例中每个转子具有四个叶，尽管在其它的实施例中每个转子可以具有或多或少的 叶。各个转子的邻近的未啮合叶之间的空间可以从进口到出口开口传递大量的可压缩流体 (例如空气)，在传递体积暴露在出口开口之前，每个空间内都具有或者不具有流体的机械 压缩。每个转子的未啮合叶的端部可以从圆筒状腔室的内表面靠近地隔开，以实现它们之 间的密封协作。随着转子叶移动而不再相啮合，空气可以流入由每个转子上邻近的叶限定 的容积或者空间。当每个转移体积的啮合叶移入与圆筒状腔室的内表面关联的密封时，这 些容积中的空气可能以实际进口压处被捕获滞留。定时齿轮可以用来使啮合叶维持紧密间 隔的、非接触的关系以形成进口和出口开口之间的密封。当叶移动而脱离与圆筒状腔室内 表面的密封关系时，大量的空气可以被传递或者直接地暴露到出口。通常，容积式空气泵可以用作车辆发动机的增压器，其中，发动机提供机械转矩输 入以驱动叶状转子。传递到出口的大量空气可以以本领域普通技术人员的公知方式被用以 在车辆发动机的进气歧管内提供压力“增加”(boost)。在一定的工作条件下，转移特定的空 气体积所需要的动力或者能量可以用以评估容积式空气泵的效率。使用增压器泵送流体 (例如空气)，需要将机械能置于增压器中。需要的机械能输入直接与各种效率(例如机械 的、等熵的等)和增压器的工作条件(例如质量流率、压力比等)相关。对于相同的工作条 件，如果提高了效率，则所需的机械能输入就会降低，因此有益于增压器所应用的整个系统 (例如内燃机)的效率。理想过程是100%的效率。然而，实际压缩会以低于这个值的效率 运行。相对于理想过程的实际压缩称为等熵效率。当空气流过增压器时，被传递空气的温 度会增加。通过提高等熵效率，可以使较少的额外热能投入到流体(例如空气)中，以获得 流体(例如空气)的理想压力。之前已经通过改善出口的构造做了一些改进容积式空气泵的等熵效率的尝试，例 如罗茨式增压器。例如，可如被US专利号No. 5527168公开和示出地装配罗茨式增压器的 出口结构，这里通过引用将其全部内容结合于此。随着对增压器转子几何结构(包括例如 螺旋扭曲度)的技术改进，流体速度与径向方向相对更加朝着轴向方向进行转变。然而，目 前的平行轴增压器出口几何结构可以继续认为是主要造成径向出口空气流的原因，而并非 显著地致力于流体速度的轴流部件。在仍然保持增压器传统的和/或标准特征，例如轴向入口方向和径向出口方向的 情况下，优化在增压器出口端的流动几何结构以更好的用于轴向和径向流动速度，是值得期待的。随着增压器速度的增加，轴向速度部件也可以增加，并且当排出传统增压器设计的 出口时可以要求更急剧的速度变化。具体地，可要求所有的轴向速度向量转换为径向速度 向量，因此增加了在流体上必须执行的工作。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种增压器，通过利用改进的出口，从而使得增压器 的等熵效率总体上大于现有技术的等熵效率。提供一种增压器(supercharger)，其可以包括具有第一端和第二端的壳体。该壳 体可以至少部分地限定一个腔室并且可以包括设置在腔室内的至少一个转子。该增压器还 可以包括最靠近壳体第一端的、并与腔室流体连通的进口，以及最靠近壳体第二端的、并与 腔室流体连通的出口。增压器还可以包括与腔室流体连通的凹室(relief chamber，凹入 室)。在一个实施例中，凹室可以在轴向方向延伸，并在轴向方向上具有等于转子的轴向长 度至少大约10%的深度。依照本实用新型的一个实施例，用于增压器的一个改进的出口几何结构可以允许 保持增压器的标准或传统特征，其包括轴向进口和径向出口，同时减少作用在流体上的额 外功。当流体流出增压器时，一个改进的出口几何结构可以用来产生流体的最佳流动路径。 用于增压器的一个改进的出口几何结构对于改善增压器工作范围的高流动和/或高速度 部分的性能是非常有用的。通过增加工作范围的高流动和/或高速度部分的性能，可以使 用较小的增压器以获得增加的性能。利用较小的增压器可以较大地减低包装尺寸要求和成 本。

现在通过示例和参考附图将描述本实用新型的实施例，其中图1是依据本实用新型实施例的增压器的视图。图2是依据本实用新型实施例的增压器的部分的横截面图；图3是依据本实用新型实施例的增压器的视图；图4是依据本实用新型实施例的增压器的部分的横截面图；图5是依据本实用新型实施例的增压器的部分的横截面图。图6是依据本实用新型实施例的轴承板(bearing plate，支承板)的透视图；图7A是包括现有技术的凹室的现有技术的轴承板的顶部俯视图；图7B是包括依据本实用新型实施例的凹室的轴承板的顶部俯视图；图8是包括现有技术的凹室的现有技术的轴承板的透视图；图9A是包括现有技术的凹室的现有技术的轴承板的前视图；图9B是包括依据本实用新型实施例的凹室的轴承板的前视图；图10是对比现有技术和本实用新型的等熵效率-增压器速度的相对关系表。
具体实施方式
现在仔细参考本实用新型的实施例，这里描述并结合附图示出了实施例。虽然将 结合实施例描述本实用新型，可以理解这不限制本实用新型为这些实施例。相反，本实用新 型试图覆盖可替换方案、修正和等效方案，这些可包括在所附的权利要求所体现的本实用新型的精神和范围之内。现在参考附图1-2，增压器(例如容积式空气泵)10可以包括主壳体12和轴承板 14。增压器10可以包括纵向轴线13。主壳体12和轴承板14可以以本领域普通技术人员 的任何公知的方式固定在一起。例如，通过具有由成对的定位销(dowel pin)(未示出)确 保适当对齐定位的多个机器螺钉(未示出)可以将壳体12和轴承板14固定在一起。尽管 主壳体12和轴承板14被描述为包括分离的部件，但是在其它实施例的情况下可不必如此， 在其它实施例中它们可以是整体的和/或单一的部件。例如但不限于此，壳体和轴承板可 以形成整体的和/或单一的和/或单片结构。当壳体和轴承板被整合时，增压器的出口几 何结构与这里描述的将是相同的，但是增压器将包括一个部件，而不是两个部件。例如但不 限于此，参考图3-4，示出了增压器100具有整体(集成)的壳体和轴承板设计112。虽然在一些实施例中，容积式空气泵或者增压器10、100可以包括罗茨式增压器 或者螺旋式空气泵，但是，在其它实施例中，容积式空气泵10、100可以包括任何类型的具 有转子(例如叶状转子)的容积式空气泵。例如，容积式空气泵10、100可以包括具有平行 叶状转子的任何空气泵。主壳体12、112可以是单一部件，其限定内圆筒壁表面和横向端壁18。在一些实施 例中，轴承板14可以限定轴承板端壁20。在其它的实施例中，可以不使用分离的轴承板。 代替地，可以利用一个单个的部件做为壳体和轴承板的功能，并且该单个部件可以限定与 横向端壁18相对的端壁120。主壳体12的内圆筒壁表面和端壁18、20或120(例如是壳体 12或者壳体和轴承板结构112的)可以一起限定多个横向交叠(重叠)的圆筒腔室22。 在一个实施例中，可以具有两个交叠的圆筒腔室22。多个转子23可以设置在交叠的圆筒腔室22内。每个转子23可以具有四个叶。虽 然具体描述为四个叶，但是在其它的实施例中每个转子23可以具有或多或少的叶。每个转 子23可以安装在转子轴上用于与其旋转。通过轴承装置(未示出)，每个转子轴23的每个 端部可以旋转地支撑在轴承板14或者单个的部件壳体内。，至少一个转子23可以利用各种 输入驱动结构(例如但不限于此输入轴部分和/或增速齿轮装置)，由此增压器10可以接 收输入驱动转矩。主壳体12、112可以包括第一端和第二端。主壳体12、112的第一端可以包括背板 部分M。在多个实施例中，背板部分M可以与主壳体12 —体形成，或者在其它实施例中， 可以包括分离的板部件。背板部分对，无论与壳体12、112是整体的或者是分离的，都可以 限定一个入口 26。入口沈可以与至少一个腔室22流体连通，转子23设置在该腔室中。主 壳体12、112也可以限定出口 28。出口观可以是与主壳体12、112的第二端最近。出口观 还可以与至少一个腔室22流体连通，转子23设置在该腔室中。出口观可以包括出口端表 面30和一对相对设置的出口侧表面(未示出)。在图2示出的实施例中，出口端表面30 可大体上与增压器10的纵向轴线13垂直。然而，在其它实施例中，出口端表面30可以成 一角度(例如大体上不与增压器10的纵向轴线13垂直)。例如，如图5所示，出口端表面 可以向外形成角α。在一个实施例中，角α可小于45°。尽管这里具体提到的角α小于 45°，但是在其它实施例中也可以大于或者小于它。在一些实施例中，主壳体12可以包括端部四，其可以作为用于轴承板14的接收 部。端部四可以接近主壳体12的第一端。在其它实施例中，可以不使用分离的轴承板，壳体112可以包括在壳体112的第二端上的整体轴承板结构。在轴承板结构与壳体112形成 一体的一些其它实施例中，可以不需要在壳体112内的轴承板的接收部分。现在参看图6，可以提供轴承板14用以组装增压器10。然而，如这里描述的，轴 承板14在本实用新型的其它实施例中可以省略(例如图3-4)。例如，在本实用新型的其它 实施例中，轴承板的结构可以与壳体112—体形成。依照本实用新型的一个可以利用分离 的轴承板14的实施例，该轴承板14可以包括第一部分31和第二部分33。第一部分31可 以连接第二部分33和/或与第二部分33 —体形成。第一部分31可以是近似矩形形状并 且具有恒定的某一厚度。轴承板14的第一部分31可以包括多个孔用来接收多个紧固件以 将轴承板14连接在主壳体12上。轴承板的第二部分33可以是近似哑铃的形状并且可具 有通常比第一部分31厚的某一厚度。轴承板14的第二部分33可以包括和/或限定一个凹室32。凹室32可以辅助减 少驱动马力并增加等熵效率。特别地，从入口沈传递到出口开口观的部分流体可以从转 子的端部轴向流出(相对于径向流出的部分流体)。流体从转子的端部轴向流出其中的增 压器10的区域可以与凹室32具有相同的边界范围(coextensive)。凹室32可以包括和/ 或部分地由室端部表面34限定。凹室32可以向内地面向其中设置有转子23的交叠的圆 筒腔室22。凹室32可以与其内设置有转子23的圆筒腔室22流体连通。凹室32可以轴向 延伸，并且可以在轴向上朝壳体12的第二端延伸超过圆筒腔室22。虽然详细描述和示出了形成于和/或设置在轴承板14中的凹室32，但是在本实 用新型的其它实施例中，凹室32也可以形成在其它结构中。例如，在另一个实施例中，凹室 32可以形成在壳体112的一个整体部分中。在其它实施例中，凹室32也可以在与包括入口 26的第一端相对的壳体的第二端处形成为任何其它适合的结构。该结构可以与壳体12为 一整体和/或分离于壳体12。在不包括分离的轴承板14的这些实施例中，凹室32的功能 可以大体上与当凹室被包括在轴承板14中时相同，出口观的几何结构可以大体上与凹室 被包括在轴承板14中时相同。腔室端部表面34从前沿36到后沿38大体上是弯曲的(例如，向上倾斜)。在其 它实施例中，腔室端部表面34可以具有大体上较少的弯曲几何结构(参看例如图4)，但是 凹室32依旧可以被构造为具有大体相同的功能。在一些实施例中，在靠近前沿36处，腔室 端部表面34可以在与轴承板14总体上垂直的表面当中。腔室端部表面34可以在靠近后 沿38处与轴承板14总体上平行的表面当中。前沿36可以包括多个曲线和凹槽。例如，在 一个实施例中，前沿36可以包括至少三条曲线并具有设置其间的两条凹槽(identation)。 尽管详细地提及了三条曲线和两条凹槽，然而在其它实施例中，前沿36可以包括或多或少 的曲线和/或凹槽。前沿36的曲线和凹槽也可限定腔室端部表面34，使得腔室端部表面 34的至少一部分可以具有大体上相应数量的凸起(bump)和凹部(valley)。在本实用新型 的其它实施例中，前沿36可以是直的。至少在一些实施例中，前沿36可构造成在尺寸和/ 或形状上大体上与设置在壳体12的交叠、圆筒状腔室22内的叶状转子的相对应。凹室32 的后沿38可以包括多个曲线和凹槽。例如，在一个实施例中，后沿38可以包括至少两条曲 线并具有设置其间的一个凹槽。虽然详细地提及了两条曲线和一个凹槽，但是在其它实施 例中，后沿38可以包括或多或少的曲线和/或凹槽。尽管后沿38可以包括一个或者多个 曲线和/或凹槽，靠近后沿38的腔室端部表面34可以是平的。在本实用新型的其它实施例中，后沿38可以是直的。也可以由成对的相对设置的腔室侧表面40、42限定凹室32。在一个实施例中，每 个腔室侧表面40、42都可从凹室32向外形成一定角度。例如，最好的显示如图7B，腔室侧 表面40、42可以设定形成(倾斜)为β度角。根据一个实施例，角β可以大约为22°。 在一些实施例中，角β可以从约10°到约40°的范围之内。虽然详细地提及了这些角度， 在其它实施例中，角β可以更大或者更小。在其它实施例中，每个腔室侧表面40、42大体 上可以不是如图所示的线性。例如但不局限于此，腔室侧表面40、42可大体上是弯曲的。 腔室侧表面40、42可以构造为大体上相应于设置在增压器10、110内的转子的叶的几何结 构。现在参看图8，示出了现有技术的包括和/或限定凹室32'的轴承板14'。凹室 32'可以由腔室端部表面34'和成对的相对设置的腔室侧表面40' ,42'限定。现在参看 图9Α-9Β，示出了现有技术的凹室32'和本实用新型的凹室32之间的不同。特别地，依 照本实用新型可以增加凹室32在轴流方向的深度D。凹室32在轴流方向的深度D可基本 (实际)上相应于和/或相关于增压器的工作容积(displacement)、转子尺寸和/或转子 长度。依照本实用新型的一个实施例，凹室32的深度D可以大约至少等于增压器转子长度 的10%。在一些实施例中，凹室32的深度D可以大约等于增压器转子长度的大约10%至 大约35%。例如但不限于此，轴承板14的凹室32可以具有大约20mm的深度D。依照本实 用新型的一些实施例，凹室32可以具有大约两倍于现有技术的凹室32'的深度D'的深度 D。在其它实施例中，深度D可以更大或更小，尤其依赖于转子尺寸、转子长度和/或增压器 工作容积。虽然详细提及了增压器转子长度的某些百分比，但是在其它实施例中，凹室32 的深度D可以为较小的或者较大的增压器转子长度百分比。虽然详细提及了某些深度，但 是在其它实施例中，凹室32的深度D可以更大或更小。再参看图7A-7B，示出了现有技术的凹室32 ‘和本实用新型的凹室32的另一个不 同。特别地，在本实用新型的轴承板14中可以增加凹室的宽度。例如但不限于此，凹室32 可以具有宽度W，该宽度W等于其中设置有转子23的腔室22的宽度的至少50%。另一个 例子，凹室32可以具有宽度W，该宽度W比凹室32'的宽度W'大大约50%。在其它实施 例中，宽度W可以更大或更小。凹室32的宽度W可以构造为基本上相应于设置在增压器10 内的转子叶的几何结构。仍然参考图7A-7B，示出了现有技术的轴承板14'与本实用新型的轴承板14之间 的另一个不同。例如但不局限于此，轴承板14可以具有比现有技术的轴承板14'的高度 H'小的高度H。而且，可以减少本实用新型一实施例中将轴承板14固定到主壳体12上必 需的紧固件的数量。例如但不限于此，可以使用大约六个紧固件来将轴承板14固定到主壳 体12上，然而，传统的轴承板14'可以使用至少八个紧固件。虽然详细提及了这些紧固件 的数量，但是在其它实施例中可以使用更多或更少的紧固件。用于增压器10的轴承板14 的尺寸的减少，导致包装尺寸的减小及成本的降低，但却维持了相同数量的流体流量。现在主要参看图10，示出了比较现有技术设备(例如具有图8示出的凹室32') 和本实用新型(例如具有图6示出的凹室32)的等熵效率与增压器速度的相对关系的图 表。图10的图表的测试是在相同的压力下在成对的罗茨式增压器上进行的，其提供关于等 熵效率(百分比)与增压器速度(例如，输入驱动机构和/或构造的速度)的相对关系的信息。设备的等熵效率是设备的实际性能(例如，功输出量，work output)占在理论的理 想条件(即，如果在系统中不发生热损失)下将获得性能的百分比。换句话说，就增压器来 说，等熵效率指出了作为热量被浪费的输入能量的数量。如图10所示，本实用新型和现有技术在10000RPM的中等增压器速度下都具有大 约74%的效率。然而，当增压器速度增加到大约18000RPM时，具有利用凹室32'的传统 出口的现有技术设备的效率下降到大约67%，然而，本实用新型的具有改进的凹室32的 设备的效率依旧为大约73%。因此，现有技术设备在高增压器速度时的效率只是现有技术 设备在中增压器速度时效率的大约89%。另一方面，本实用新型的设备在高增压器速度时 的效率依旧是本实用新型的设备在中增压器速度时效率的98%。在一个实施例中，在大约 18000RPM时增压器的等熵效率可以是在大约10000RPM时增压器的等熵效率的至少95%。 在高增压器速度(blowerspeed)(例如大约18000RPM)时-这种情形是等熵效率最值得关 注的，本实用新型的设备基本上比现有技术的设备效率高。利用改进的凹室32的本实用新 型的设备、还保持在中增压器速度(例如大约10000RPM)时的与利用凹室32'的现有技术 的设备在相同的增压器速度时大约相同的等熵效率。利用凹室32的改进出口也没有降低 流动。虽然本实用新型的效率在某一压力比(pressure ratio)(例如图10示出的压力 比1.6)时在大约18000RPM时的大约至少70%，本实用新型的效率依赖于增压器的压力比 和/或质量流量(kg/hr) (mass flow)而增加或降低。因此，在其它条件下，效率可以高于 或低于在高增压器速度时的70%。然而，在更高增压器速度时，即使在不同的压力比和质量 流量时，具有利用凹室32的改进出口的增压器的等熵效率(％ )总体上会大于具有利用现 有技术的凹室32'的出口的增压器的等熵效率(％)。本实用新型的具体实施例的上述描述是出于示例和描述的目的。它们不是详尽地 或者用来限制所公开的明确形式，按照上面的教导，可以进行各种修改和变化。选择和描述 这些实施例是用于解释本实用新型的原理和它的实际应用，因此，其它的本领域技术人员 可以利用本实用新型和各种修改的各种实施例来适用于预期的具体使用。本实用新型已在 上述说明书非常详细地进行了描述，通过阅读和理解本说明书，相信本实用新型的各种替 换和修改对本领域技术人员来说将变得显而易见。各种替换和修改在落入所附的权利要求 的保护范围之内的情况下都包括在本实用新型中。本实用新型的保护范围由所附的权利要 求和它们的等效方案所限定。
权利要求1.一种增压器，包括至少部分地限定一个腔室的壳体，该壳体具有第一端和第二端；设置在所述腔室内的至少一个转子；最靠近所述壳体的所述第一端并与所述腔室流体连通的进口；最靠近所述壳体的所述第二端并与所述腔室流体连通的出口；以及与所述腔室流体连通的凹室，其中，所述凹室在轴向方向上延伸，并在所述轴向方向上 具有等于所述转子的轴向长度的至少大约10%的深度。
2.如权利要求1所述的增压器，其中，还包括在所述壳体的所述第二端处连接于所述 壳体的轴承板，其中所述凹室被包含在所述轴承板。
3.如权利要求1所述的增压器，其中，凹室被包含在所述壳体。
4.如权利要求1所述的增压器，其中，所述壳体包括多个腔室。
5.如权利要求4所述的增压器，其中，所述多个腔室中的每个腔室都重叠着。
6.如权利要求1所述的增压器，其中，其中，所述转子是叶状的并且包括至少四个叶。
7.如权利要求1所述的增压器，其中，还包括输入轴，该输入轴构造成向所述转子提供 转矩。
8.如权利要求1所述的增压器，其中，所述出口包括一个出口端部表面和一对相对设 置的出口侧表面。
9.如权利要求8所述的增压器，其中，所述增压器包括纵向轴线，并且所述出口侧表面 基本上垂直于所述纵向轴线。
10.如权利要求8所述的增压器，其中，所述增压器包括包括纵向轴线，并且所述出口 侧表面基本上不垂直于所述纵向轴线。
11.如权利要求1所述的增压器，其中，凹室构造成接收从内部设置有转子的腔室轴向 流出的流体。
12.如权利要求1所述的增压器，其中，所述凹室包括一个腔室端部表面，该腔室端部 表面基本上从前沿弯曲到后沿。
13.如权利要求12所述的增压器，其中，该前沿构造成基本上相应于所述转子的形状。
14.如权利要求1所述的增压器，其中，所述凹室包括一对相对设置的腔室侧表面。
15.如权利要求14所述的增压器，其中，每个所述腔室侧表面包括从所述凹室向外倾 斜成一角度的部分。
16.如权利要求14所述的增压器，其中，每个所述腔室侧表面包括弯曲的部分。
17.如权利要求1所述的增压器，其中，凹室具有等于所述转子的轴向长度的大约10% 至大约35%的轴向深度。
18.如权利要求1所述的增压器，其中，凹室具有等于内部设置有转子的所述腔室的宽 度的至少大约50%的宽度。
19.如权利要求1所述的增压器，其中，增压器的等熵效率在至少大约18000RPM的增压 器速度时为至少大约70%。
20.如权利要求1所述的增压器，其中，在大约18000RPM时的所述增压器的等熵效率是 在大约10000RPM时的所述增压器的等熵效率的至少大约95%。
专利摘要提供一种增压器，其包括具有第一端和第二端的壳体。该壳体可以至少部分地限定一个腔室并且可以包括设置在腔室内的至少一个转子。该增压器包括最靠近壳体的第一端并与所述腔室流体连通的进口，以及最靠近壳体的第二端并与所述腔室流体连通的出口。增压器还包括与腔室流体连通的凹室。在一个实施例中，凹室可以在轴向方向延伸，并在轴向方向上具有等于转子的轴向长度至少大约10％的深度。
文档编号F04C29/00GK201858154SQ20092017803
公开日2011年6月8日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月7日
发明者D·R·奥文加, M·G·斯瓦茨兰德尔 申请人:伊顿公司