專利名稱：旋轉活塞機器的改進的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉活塞機器。它涉及斯特林原理的采用，涉及在有長短幅圓外旋輪線凸起(epitrochoidal lobes)、經(jīng)歷封閉熱力循環(huán)過程的工作流體或蒸汽的工作室中運行的多側面活塞。該機器可用作引擎或熱泵。
本發(fā)明提供了一種流體或蒸汽旋轉活塞機器，它包括兩個變容單元，每一單元有一旋轉的多凸起長短幅圓外旋輪線的工作室和其中的一多側面旋轉活塞，其中由活塞與相關的工作室的外圍形成多個單獨的子工作室，活塞側面的數(shù)目(n+1)比長短幅圓外旋輪線的弧的數(shù)目(n)多1個，其中兩工作室被強制以第一公共速度繞第一有效公共軸線轉動，而兩活塞被強制以第二公共速度繞第二有效公共軸線轉動，第一公共速度和第二公共速度的比值是n+1∶n，其中每一工作室有多個(n)能經(jīng)導管在工作室之間連接的雙功能端口，且所述每一個導管中有一蓄熱器(regenerator)，作為相對轉動和端口位置的結果，能使一變容單元執(zhí)行吸入、膨脹和排放過程，而另一單元執(zhí)行吸入、壓縮和排放過程。
可取的是，工作室將是同軸的，將作為轉子。這樣簡化了結構。但理論上它們可以在不同的軸線上，而且耦合以協(xié)調一致的轉動。術語“有效”意在包括這種選擇。
可以為執(zhí)行膨脹過程的變容單元提供加熱部件，且還可在每一所述蓄熱器和執(zhí)行該膨脹過程的變容單元之間有加熱裝置。
也可為執(zhí)行壓縮過程的變容單元提供冷卻裝置，且還可在每一所述蓄熱器和執(zhí)行該壓縮過程的變容單元之間有冷卻裝置。
在優(yōu)選形式中n=2，所以有在雙凸起的工作室中運行的三側面活塞。
可以但不是必須被加熱的膨脹單元有其端口，該端口的布置使得其中形成的工作室當不與一端口連通時一般容積增加，當所述工作室與一端口連通時一般容積減小?？梢缘皇潜仨毐焕鋮s的另一單元即壓縮單元有其端口，該端口的布置使得其中形成的工作室當不與一端口連通時一般容積減小，當所述工作室與一端口連通時一般容積增加。這樣在與端口開口隔離的工作室內發(fā)生工作過程，而在一對工作室之間發(fā)生工作流體或蒸汽的傳輸，每一工作室與開向一公共導管的端口連通。如果給流向、流出或容納在膨脹單元的工作流體或蒸汽實行高級熱傳遞，而從流向、流出或容納在壓縮單元的工作流體或蒸汽實行低級熱傳遞，那么該機器為一引擎，有機械功輸出。如果機械功施加到旋轉部件上，給膨脹單元的區(qū)域實行低級熱傳遞，而從壓縮單元的區(qū)域發(fā)生高級熱傳遞，那么該機器作為一熱泵或制冷機。
為了對本發(fā)明有更好的理解，現(xiàn)在將通過示例參照


，其中圖1、2、3、4和5是示出在轉動循環(huán)過程中的間隔處，一旋轉活塞機器的膨脹和壓縮單元的相對位置示意圖；和圖6是通過該機器的一優(yōu)選實施例的示意截面圖。
膨脹單元1有一容納在工作室3內的旋轉活塞2，而壓縮單元4有一容納在工作室6中的旋轉活塞5。每一活塞2和5是扁平的，通常為等邊三角形形式，但帶有三角形凸邊和拱起的邊。每一工作室3和6也是扁平的，接近地限制活塞的表面，且為雙凸起長短幅圓外旋輪線形式。這樣工作室有在其中心以直角相交的主軸和副軸。兩單元1和4剛性地連接，從而繞通過它們中心的一公共軸線沿同樣的方向以同樣的速度轉動，工作室3和6的主軸互相成90度。兩旋轉活塞2和5也剛性地連接，從而繞通過它們中心的一公共軸線沿同樣的方向以同樣的速度轉動，該速度是工作室3和6的轉動速度的三分之二?；钊?的拱形側面2a、2b和2c與另一活塞5的對應側面5a、5b和5c成180度布置?；钊?和5的側面與相應工作室3和6的輪廓相配合，在運行中形成不同容積和形狀的子工作室3a、3b和3c與6a、6b和6c，如下所述。
膨脹單元1上的端口7和8對角地彼此相對，且在運動的方向(如圖1至5中為順時針方向)上從工作室3的副軸線偏離30度。相當?shù)亩丝?和10類似地位于壓縮單元4上，但沿旋轉的相反方向從工作室6的副軸線偏離30度。這樣定位確保了在運行過程中，當膨脹單元1的一個子工作室為最大容積時，一端口7或8將開向該子工作室。類似地，當壓縮單元4的一個子工作室為最大容積時，一端口9或10剛好關閉該子工作室。膨脹單元端口7通過一互連管11連接到壓縮端口9，相對于單元1和4的轉動軸線對角地相對，而膨脹單元端口8類似地通過一互連管12連接于壓縮單元端口10。這些管的每個都含有蓄熱器(未示出)。
運行順序如下在圖1中，加熱的工作流體或蒸汽充滿子工作室3a，該子工作室處在最小容積，且經(jīng)端口8開向導管12。子工作室3b被隔開且容積在增加。子工作室3c容積在減小，從而經(jīng)端口7通過導管11排出工作流體或蒸汽。流體或蒸汽在引擎的情況下放出，或在熱泵的情況下吸收，導管11內的蓄熱器中的熱量。冷卻的工作流體或蒸汽充滿子工作室6a，該子工作室為最大容積，被隔離，且將要開始壓縮循環(huán)。子工作室6b處于其壓縮循環(huán)中，容積在減小且被隔離。子工作室6c容積在增加且經(jīng)端口9開向導管11。因此，它從子工作室3c接收工作流體或蒸汽。端口10由活塞5關閉。
在圖2中，活塞2和5已經(jīng)順時針轉動了30度，工作室3和6轉動了45度。子工作室3a容積增加且經(jīng)端口8從導管12和從子工作室6b接收工作流體或蒸汽，子工作室6b繼續(xù)減小容積且現(xiàn)在與端口10相通。子工作室3b繼續(xù)增加容積，其中被隔離的加熱的工作流體或蒸汽被膨脹，而工作流體或蒸汽繼續(xù)經(jīng)端口7、導管11和端口9從子工作室3c傳輸?shù)阶庸ぷ魇?c。子工作室6a內的冷卻的工作流體或蒸汽保持隔離且隨著子工作室的容積的減小而被壓縮。
在圖3中，活塞已經(jīng)從其最初位置轉動了60度，而工作室轉動了90度。子工作室3a繼續(xù)增加容積，但活塞2關閉了端口8，從而中止了工作流體或蒸汽的進入，于是在該子工作室中開始了膨脹過程。子工作室3b已經(jīng)達到其最大容積，其中加熱的工作流體已經(jīng)達到了其膨脹過程的盡頭，而子工作室3c繼續(xù)減小容積，工作流體或蒸汽經(jīng)端口7、導管11和端口9流到壓縮單元4。在隔離的子工作室6a中隨著其內容積的減小，冷卻的工作流體繼續(xù)被壓縮。子工作室6b處在最小容積，且經(jīng)端口10開向導管12，但工作流體或蒸汽由于端口8的關閉而不再流動。子工作室6c繼續(xù)增加容積，且繼續(xù)經(jīng)端口9從子工作室3c接收工作流體或蒸汽。
在圖4中，活塞2和5已經(jīng)又移動了一個30度，而工作室3和6也又移動了一個45度。子工作室3a被隔離且容積在增加，其中加熱的工作流體繼續(xù)其膨脹過程。現(xiàn)在子工作室3b與端口8相通，因為端口8不被活塞2覆蓋，且因為子工作室容積在減小，所以其中的工作流體或蒸汽被強迫進入導管12。子工作室3c繼續(xù)減小容積，工作流體或蒸汽繼續(xù)經(jīng)端口7、導管11和端口9傳輸?shù)綁嚎s單元4。子工作室6a保持隔離且容積減小，冷卻的工作流體或蒸汽繼續(xù)其壓縮過程。現(xiàn)在子工作室6b增加容積，且由于其與端口10相通，所以經(jīng)導管12從子工作室3b接收工作流體或蒸汽。子工作室6c繼續(xù)增加容積，工作流體或蒸汽繼續(xù)從膨脹單元1經(jīng)端口9和導管11進入。
在圖5中，活塞從其原始位置離開了120度，而工作室從其原始位置離開了180度。子工作室3a繼續(xù)增加容積，其中加熱的、隔離的工作流體繼續(xù)其膨脹過程。子工作室3b繼續(xù)減小容積，其工作流體或蒸汽經(jīng)端口8、導管12和端口10流到容積正在增加的子工作室6b。子工作室3c為最小容積，且經(jīng)端口7開向導管11，但壓縮單元活塞5已經(jīng)關閉了端口9，所以工作流體或蒸汽不再流動。子工作室6a仍然隔離且容積在減小，其中冷卻的工作流體處于其壓縮過程的盡頭。子工作室6b繼續(xù)接收從膨脹單元1傳輸來的工作流體或蒸汽。現(xiàn)在子工作室6c由于端口9的關閉而隔離，處于最大容積狀態(tài)，且其中的工作流體或蒸汽處于其壓縮過程的開始狀態(tài)。現(xiàn)在機器中的位置類似于圖1，雖然在前面的圖中，不同的工作流體或蒸汽的主體占據(jù)了不同的空間。
認為冷卻的工作流體的主體在圖1的子工作室6a中處于其壓縮過程的開始。當單元1和4轉動180度而旋轉活塞2和5轉動120度時，相對的轉子轉動將是在相反方向上的60度。這樣發(fā)現(xiàn)在其壓縮過程的盡頭的子工作室6a中的流體的主體，處于與圖1的子工作室6b中的冷卻的工作流體或蒸汽的相類似的狀態(tài)。在又30度的相對轉子轉動后(相當于圖3的位置)，子工作室6a將為最小容積，其中的工作流體或蒸汽的大部分將已經(jīng)經(jīng)端口9、導管11和端口7傳輸?shù)阶庸ぷ魇?c，且在引擎的情況下吸收，或者在熱泵的情況下抵制，在其通過導管11的過程中的熱量。在這一點，總的相對轉子轉動是90度，活塞2將已經(jīng)經(jīng)過了端口7。膨脹的子工作室3c允許其中的加熱的工作流體或蒸汽膨脹，直到已經(jīng)發(fā)生了又60度的相對轉子轉動(總數(shù)為150度)，此時子工作室3c為最大容積。進一步的轉動露出了端口8，使得加熱的工作流體或蒸汽經(jīng)導管12排出，其中在引擎的情況下它被冷卻，或者在熱泵的情況下被加熱。然后它經(jīng)端口10進入子工作室6c，該傳輸過程發(fā)生在又90度的相對轉子轉動上，那么總數(shù)將是240度，此時子工作室3c將為最小容積?，F(xiàn)在活塞5覆蓋端口10且重復包含這種特定的工作流體或蒸汽的主體的熱力循環(huán)。
這些過程可以制成在360度相對轉子轉動上的表格，相當于720度的活塞轉動和1080度的工作室轉動，如下面的表1所示。
上述封閉的熱力循環(huán)重復發(fā)生，伴隨著相位偏移，工作流體或蒸汽的四個主體。在圖1中，這些位于在壓縮的開始的子工作室6a內，在朝向壓縮盡頭的子工作室6b，在經(jīng)歷蓄熱傳遞的子工作室3c、6c和導管11中，在經(jīng)受膨脹的子工作室3b內。子工作室3a內殘余的工作流體或蒸汽等待與子工作室6b內的工作流體或蒸汽的主體混合。應當指出的是在兩膨脹和壓縮單元中的工作過程為相同的持續(xù)時間，即60度的相對轉子轉動。工作流體或蒸汽從壓縮單元4到膨脹單元1的蓄熱傳遞總是到一個不同標識的子工作室，即，6a到3c,6b到3a和6c到3b，且為短持續(xù)時間，即30度的相對轉子轉動。工作流體或蒸汽從膨脹單元1到壓縮單元4的蓄熱傳遞總是到一個相同標識的子工作室，即3a到6a、3b到6b和3c到6c，且為長持續(xù)時間，即90度的相對轉子轉動。如果單元1和4為同樣大小，這不是必要的，那么幾何形狀確保了后一種傳遞在恒定的總體積下進行。
任何一種工作流體或蒸汽的主體的蓄熱傳遞總是在兩導管11和12之間交替完成。也就是，從一單元經(jīng)一導管到另一單元的傳遞總伴隨有經(jīng)另一導管的返回傳遞。由于在這些傳遞過程中成對的子工作室，任何一種工作流體或蒸汽的主體將最終經(jīng)機器內每一子工作室傳輸，以便迅速地獲得工作流體或蒸汽的質量和能量平衡。
后面有工作流體或蒸汽的一種主體的路線可以在720度的相對轉子轉動上制成表格，相當于1440度的活塞轉動和2160度的殼體轉動，如下表2所示。在該表中所研究的工作流體或蒸汽的主體是圖1的子工作室6a中出現(xiàn)的，處于其壓縮過程的開始?？梢钥闯?，在經(jīng)過機器的全部其他子工作室之后，在它返回到子工作室6a之前，經(jīng)歷三個完全的熱力循環(huán)。在圖1中子工作室6b中出現(xiàn)的工作流體或蒸汽的第二種主體，經(jīng)歷其膨脹過程，將沿表2所示的同樣的路線，與表2所示的有+360度的相對轉子轉動的相位移。在圖1的子工作室6b中出現(xiàn)的工作流體或蒸汽的第三種主體，朝向其壓縮過程的盡頭，將沿同樣的路線，但有交換的管，從而膨脹單元到壓縮單元的傳遞經(jīng)導管12進行，同時，通過導管12進行反向傳遞，與表2所示的有+180度的相對轉子轉動的相位移。在圖1的子工作室3c、6c和導管11中出現(xiàn)的工作流體或蒸汽的第四種主體，經(jīng)歷到壓縮單元的蓄熱傳遞，將沿與工作流體或蒸汽的第三種主體同樣的路線，但與表2所示的有-180度的相對轉子轉動的相位移。因此，該機器在整個由1440度的活塞轉動，相當于2160度的工作室轉動和720度的相對轉子轉動所限定的時間周期上提供了總共12個熱力循環(huán)。
應當指出的是，每一個熱力循環(huán)在由240度的相對轉子轉動，即480度的活塞轉動和720度的工作室轉動所限定的期間內發(fā)生。無論那個部件，或者成對的活塞2和5或者成對的單元1和4，用作引擎工作輸出介質或熱泵工作輸出介質，該熱力循環(huán)比那些普通的往復式熱引擎和往復式熱泵有更長的持續(xù)時間。這些必須在輸出或輸入軸轉動的整個360度上進行。上述的旋轉機器的這個特征增強了熱傳遞過程，能夠達到理論上的理想熱力循環(huán)。
在圖6中，兩單元1和4由一在標記14和15處軸頸支承于固定的臺座16內的中空軸13剛性連接，活塞2和5由一在標記18和19處軸頸支承于固定的臺座16內的公共軸17支撐。端口7、8、9和10在工作室3和6的扁平徑向側面內，在其外圍附近，且開向活塞2和5的平面并由該平面封閉。在軸13和17之間的齒輪聯(lián)軸節(jié)20確保了單元1和4沿所述的方式相對于活塞2和5轉動。
單元1和4可以被封裝或遮罩，以分開它們周圍的高低溫度區(qū)域，每一單元有一較大的有效傳熱的表面積。這些單元的轉動促進接近均勻的溫度分布。
除在單元1和4之間保持溫度差異之外，可以提供用于導管11和12的附加的加熱或冷卻裝置，例如，采用封閉或遮罩措施來包圍導管的端部。在蓄熱器和單元1之間還可以有加熱裝置，而在蓄熱器和單元4之間也可以有冷卻裝置。
為簡化起見，圖6示出了兩個隔離的可轉動結構。當然，將有一個與一個或另一個轉動結構的連接，以便在引擎的情況下放出功，或在泵的情況下吸收功。軸13和17適于采用。
應當理解的是，雖然已經(jīng)描述了在雙凸起工作室內運行的三側面活塞的簡單實施例，但可以有更精巧的布置，其中在由相當數(shù)目的有蓄熱器的導管連接的n個凸起工作室中有n+1(n＞2)個側面的活塞。工作室與活塞的相對轉動速度比將是n+1∶n。
表1
用度表示的轉動角 -停滯的流體或蒸汽流Expan膨脹過程Comp壓縮過程→蓄熱蓄熱從膨脹單元傳輸?shù)綁嚎s單元→蓄熱蓄熱從壓縮單元傳輸?shù)脚蛎泦卧?(續(xù))
表2 數(shù)字表示伴隨相應工作室轉動的活塞轉動，用度表示comp壓縮過程Regen蓄熱傳遞過程Expan膨脹過程3a,3b,3c膨脹工作室標識6a,6b,6c壓縮工作室標識
權利要求
1．一種流體或蒸汽旋轉活塞機器，其包括兩個變容單元，每一單元有一旋轉的多凸起長短幅圓外旋輪線的工作室和其中的一多側面旋轉活塞，由活塞與相關的工作室的外圍相配合形成多個單獨的子工作室，活塞側面的數(shù)目(n+1)比長短幅圓外旋輪線的弧的數(shù)目(n)多1個，其中兩工作室被強制以第一公共速度繞第一有效公共軸線轉動，而兩活塞被強制以第二公共速度繞第二有效公共軸線轉動，第一公共速度和第二公共速度的比值是n+1∶n，其中每一工作室有多個(n)能經(jīng)導管在工作室之間連接的雙功能端口，且所述每一個導管中有一蓄熱器，由于相對轉動和端口位置的結果，能使一變容單元執(zhí)行吸入、膨脹和排放過程，而另一單元執(zhí)行吸入、壓縮和排放過程。
2．如權利要求1所述的旋轉活塞機器，其特征在于，為執(zhí)行膨脹過程的變容單元提供加熱裝置。
3．如權利要求2所述的旋轉活塞機器，其特征在于，其還在每一所述蓄熱器和執(zhí)行該膨脹過程的變容單元之間提供加熱裝置。
4．如權利要求1、2或3所述的旋轉活塞機器，其特征在于，為執(zhí)行該壓縮過程的變容單元提供冷卻裝置。
5．如權利要求4所述的旋轉活塞機器，其特征在于，其還在每一所述蓄熱器和執(zhí)行該壓縮過程的變容單元之間提供冷卻裝置。
6．如上述任一權利要求所述的旋轉活塞機器，其特征在于，n=2。
7．一種基本如上文參照附圖所述的旋轉活塞機器。
全文摘要
一種旋轉活塞機器,采用斯特林原理且可作為引擎或熱泵運行。兩變容單元(1、4)有具有n個凸起的可繞一公共軸線以第一速度轉動工作室(3、6)。每一工作室容納有一個(n+1)側面的活塞(2、5),這些活塞可繞一不同的公共軸線以不同的第二速度轉動,且與凸起配合以形成膨脹和減小的子工作室。第一和第二速度的比值是(n+1)∶n。包括蓄熱器的n個導管(10、11)在工作室(3、6)之間形成互連,且由活塞的相對轉動打開或關閉,以在單元之間交換流體或蒸汽?？梢詾橐粏卧?即膨脹單元(1)提供加熱,而為另一單元,即壓縮單元(4)提供冷卻,且導管也可包括加熱和冷卻裝置。
文檔編號F02G1/043GK1307666SQ9980786
公開日2001年8月8日 申請日期1999年4月26日 優(yōu)先權日1998年4月25日
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