BR112013026978B1

BR112013026978B1 - Dispositivo de conversão de energia

Info

Publication number: BR112013026978B1
Application number: BR112013026978-2A
Authority: BR
Inventors: Curtis Patterson; Alejandro Juan; Kristjan Gottfried
Original assignee: Exponential Technologies, Inc
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2021-06-15
Also published as: AU2012245033A1; CA2833593A1; EP2699821B1; US20120269669A1; MX2013012100A; CA2833593C; CN103649584B; RU2013151385A; JP6193213B2; WO2012142714A1; MX344134B; KR101916493B1; BR112013026978A2; EP2699821A1; KR20140028009A; US9316102B2; JP2014517187A; EP2699821A4; RU2619153C2; CN103649584A

Abstract

dispositivo, e, par de engrenagens cônicas. a presente descrição descreve o uso de curvas involutas para uso em dispositivos de conversão de energia, bem como geradores de regulação ou indexação. várias diferentes formas de realização são mostradas usando rotores de vários exemplos de números e formatos de lobos.

Description

Campo da Descrição

[001] A presente descrição descreve o uso de curvas involutas parauso em dispositivos de conversão de energia, bem como engrenagens de regulação ou indexação.

SUMÁRIO DA DESCRIÇÃO

[002] Em várias formas de realização é descrito um dispositivocompreendendo um primeiro rotor e um segundo rotor. Em várias formas de realização, os eixos geométricos rotacionais do primeiro rotor e do segundo rotor são deslocados de colinear e se intersectam. Cada rotor compreendendo pelo menos um lobo, tendo um primeiro lado e um segundo lado, em que o primeiro lado de cada lobo é uma superfície curvada, formada de pelo menos uma curva involuta esférica. Os lobos do primeiro rotor se entrelaçam com os lobos do segundo rotor, em torno da periferia dos rotores. Em uma forma de realização o dispositivo descrito é formado, em que o primeiro lado de cada lobo do primeiro rotor contata o primeiro lado dos lobos associados do segundo rotor.

[003] O dispositivo descrito aqui pode ainda compreender rebaixosnas primeiras superfícies dos lobos para prover liberação das pontas do lobo do rotor oposto.

[004] O dispositivo descrito pode ser disposto tendo o segundo ladodo lobo em um formato de lágrima/oval em seção transversal. A superfície de gota é formada para permitir contato apropriado com a ponta do lobo do rotor oposto durante rotação do dispositivo. O dispositivo pode também ser formado tendo no segundo lado do lobo um deslocamento ou pré-carga do formato de lágrima.

[005] Os rotores do dispositivo podem ser formados sendo tanto osprimeiros lados como os segundos lados dos lobos compreendidos de curvas involutas.

[006] O dispositivo pode ainda compreender um alojamento, tendoum vão prescrito entre o diâmetro externo do primeiro rotor e o diâmetro interno do alojamento. Este vão prescrito pode também ser provido entre o diâmetro externo do segundo rotor e o diâmetro interno do alojamento. O dispositivo pode também utilizar um vão variando entre os primeiros lados dos lobos do primeiro rotor e os primeiros lados dos lobos do segundo rotor durante rotação.

[007] Para facilitar a montagem e funcionamento, o dispositivo podeainda compreender uma proteção abrangendo o primeiro rotor e o segundo rotor. A proteção está substancialmente em contato com os diâmetros externos do primeiro rotor e do segundo rotor durante rotação. Durante operação, a proteção gira com os primeiro e segundo rotores e a proteção é posicionada dentro do alojamento.

[008] O dispositivo pode ainda compreender uma bolasubstancialmente esférica centralizada no centro comum da interseção do eixo geométrico de rotação dos primeiro e segundo rotores. Um vão pode ser provido entre uma superfície esférica interna de pelo menos um rotor e um diâmetro externo da esfera.

[009] Para ser usado como um compressor, ou expansor, odispositivo pode incluir superfícies definindo orifícios, onde pelo menos um rotor compreende entrada de fluido e/ou orifícios de saída que passam através de uma face traseira do rotor.

[0010] Embora dispositivos com muitos números de superfícies e lobos sejam descritos, uma forma de realização é descrita em que o número de superfícies derivadas involutas esféricas é um por rotor.

[0011] O dispositivo pode ser formado onde curvas involutas esféricas de lobo em cada rotor têm um formato helicoidal, onde a superfície abarca em torno do rotor, próximo a, igual a, ou maior do que 360 graus, e resultam em uma ação de fluido durante rotação dos rotores que é substancialmente na direção axial. Uma forma de realização desta variação é descrita, onde as curvas involutas abarcam mais do que 360 graus em torno do eixo geométrico do rotor e os lobos formam “aletas” muito iguais aquelas de um trado, onde ambos os lados das aletas são compreendidos de superfícies involutas e destinados a encaixar as aletas nos lobos de um rotor acoplado (oposto).

[0012] Em uma forma de realização, o dispositivo é disposto onde superfícies de lobo involutas esféricas compreendem uma transformação helicoidal. Nesta forma de realização, as curvas involutas em respectivos planos esféricos, que constroem as superfícies do lobo, irradiam para o exterior de um centro comum e se reposicionam em uma direção axial em torno de um eixo geométrico do rotor. Nesta forma de realização, cada involuta esférica em cada respectivo plano esférico pode ser girada em torno do eixo geométrico do rotor por um predeterminado valor de rotação.

[0013] Também é descrito aqui um par de engrenagem cônica compreendendo um primeiro rotor de engrenagem e um rotor de engrenagem oposto. Cada um do primeiro rotor de engrenagem e do rotor de engrenagem oposto compreende uma pluralidade de dentes. Em uma forma de realização, cada rotor de engrenagem compreende um número igual de dentes em cada rotor de engrenagem. Em uma forma de realização, um ou mais dentes do primeiro rotor ficam em contato com os dentes do rotor oposto na transferência de força, a fim de transferir torque do primeiro rotor de engrenagem para o rotor de engrenagem oposto, e os dentes separados do primeiro rotor ficam em contato com o vão prescrito ou em encaixe de interferência com os dentes do rotor oposto, para prover remoção de interstício, e a remoção de interstício e transferência de torque não ocorrem no mesmo dente de um ou outro rotor. Esta forma de realização pode ser usada em uma máquina compreendendo um primeiro componente de rotação e um segundo componente de rotação. O par de engrenagem cônica pode ser usado como uma engrenagem de regulação entre o primeiro componente de rotação e o segundo componente de rotação. O par de engrenagem cônica pode ser formado onde os dentes de engrenagem são formados com uma transformação helicoidal.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0014] A Fig. 1 é uma representação de uma forma de realização de uma construção de curva involuta na superfície de uma esfera.

[0015] A Fig. 2 é uma representação de uma forma de realização de uma superfície definida (formada) por uma série de construções de curva involuta estendendo-se da superfície externa de uma esfera de referência em direção ao centro da esfera.

[0016] A Fig. 3 mostra uma forma de realização de uma estrutura geométrica para derivar a matemática de uma curva involuta esférica.

[0017] As Figs. 4-6 são representações das formas de realização de superfícies definidas por uma série de curvas involutas alongadas.

[0018] A Fig. 7 mostra uma forma de realização de um expansor em um ponto de volume máximo entre os rotores.

[0019] A Fig. 8 mostra uma vista cortada parcial do expansor da Fig. 7 dentro de uma proteção.

[0020] A Fig. 9 mostra uma forma de realização de uma pluralidade de rotores de bomba.

[0021] A Fig. 10 mostra os rotores da Fig. 9 em uma posição de volume mínimo.

[0022] A Fig. 11 mostra os rotores da Fig. 9 em uma posição de volume máximo.

[0023] A Fig. 12 mostra uma forma de realização de um compressor involuto de lobo único usando dois pares de rotores em um alojamento.

[0024] A Fig. 13 mostra uma forma de realização de um compressor involuto de lobo único em um ponto de volume máximo.

[0025] A Fig. 14 mostra uma forma de realização de um compressor involuto de lobo único próximo ao ponto de volume máximo.

[0026] A Fig. 15 mostra uma forma de realização de um compressor involuto de lobo único da Fig. 14 de outro ângulo de visão.

[0027] A Fig. 16 mostra uma forma de realização de um compressor involuto de lobo único próximo a um ponto de volume mínimo.

[0028] A Fig. 17 mostra uma forma de realização de um compressor involuto de lobo único substancialmente em um ponto de volume mínimo.

[0029] A Fig. 18 mostra uma forma de realização de um compressor involuto de lobo único próximo a um ponto de volume mínimo.

[0030] As Figs. 19A-19B mostram uma forma de realização de um rotor em gota de lobo único involuto helicoidal.

[0031] A Fig. 20 mostra superfícies de uma forma de realização de uma unidade de rotor de dente de serra involuto de orelha oval de seis-dentes.

[0032] A Fig. 22 mostra superfícies de uma forma de realização de uma unidade de rotor de dente de serra involuto de orelha oval de doze- dentes.

[0033] A Fig. 22B mostra uma vista em detalhes da área B da Fig. 22.

[0034] A Fig. 23 mostra superfícies de encaixe de uma forma derealização de engrenagens de regulação que podem ser projetadas para interstício mínimo.

[0035] A Fig. 24 mostra as superfícies de encaixe de uma forma de realização de doze-lobos de engrenagens de regulação que podem ser projetadas para interstício mínimo entre engrenagens.

[0036] A Fig. 24B mostra uma vista lateral das formas de realização da Fig. 24.

[0037] A Fig. 25 mostra as superfícies de uma forma de realização de quatro-lobos.

[0038] A Fig. 25B mostra uma vista lateral da forma de realização da Fig. 25.

[0039] A Fig. 26 mostra uma forma de realização de dez lobos com décimas segundas engrenagens cônicas.

[0040] A Fig. 27 mostra as superfícies de engrenagem de uma forma de realização de onze lobos com décimas engrenagens involutas.

[0041] A Fig. 28 mostra uma forma de realização de doze lobos.

[0042] A Fig. 29 mostra as superfícies de uma forma de realização deseis lobos, com lobos mais amplos do que os mostrados em outras formas de realização.

[0043] As Figs. 30 e 31 mostram uma forma de realização datransformação helicoidal alongada involuta esférica das duas superfícies derotor em contato.

[0044] A Fig. 32 mostra um rotor e eixo da técnica anterior.

[0045] A Fig. 33 mostra uma vista em seção transversal detalhada departe de um rotor.

DESCRIÇÃO DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS

[0046] Quando uma linha reta rola ao longo de um círculo estacionário, um ponto da linha traça uma curva chamada um involuto (do círculo). Quando um círculo rola ao longo de uma linha reta estacionária, um ponto da circunferência do círculo traça uma curva chamada um cicloide. Quando um círculo rola ao longo de outro círculo, então um ponto da circunferência do círculo rolando traça uma curva chamada um epicicloide (se o círculo rolando rolar do lado de fora do círculo estacionário), ou um hipocicloide (se o círculo rolando rolar no interior do círculo estacionário). Em todos estes casos de círculos rolando, pontos não na circunferência traçam curvas chamadas trocoides.

[0047] Todas as curvas descritas acima envolvem linhas retas e círculos no plano. Entretanto, a mesma situação pode ser aplicada a uma esfera. As curvas em uma esfera que correspondem a linhas retas são os grandes círculos (círculos que dividem a esfera em duas metades iguais) porque os círculos grandes têm a mesma simetria na superfície esférica que faz as linhas retas sobre o plano. Em uma esfera as linhas “retas” são círculos também. Um círculo em uma superfície esférica forma um cone do centro da esfera; no caso de um círculo grande este cone é realmente um disco plano. Estes cones e discos podem ser usados para produzir em uma esfera o rolamento de círculos sobre círculos.

[0048] A forma involuta tem muitas vantagens, incluindo estreita aproximação com um contato rolante quando dois involutos estão em contato de rotação sincrônica entre si, quando o eixo geométrico central dos cones de base dos involutos é deslocado colinearmente. Nesta descrição, uma curva involuta é definida como a curva descrita pela extremidade livre de uma rosca quando é girada em torno de outra curva, a evoluta, de modo que suas perpendiculares são tangenciais à evoluta.

[0049] Esta descrição apresenta diversos usos de involutas para uso em dispositivos de conversão de energia, bem como o uso das curvas involutas esféricas usadas como engrenagens de regulação para rotores com eixos geométricos que são colinearmente deslocados, ou de preferência, usados em indexadores, como descrito, por exemplo, no Pedido de Patente Número de série 12/560.674 (‘674) incorporado aqui por referência. Além disso, máquinas usadas para conversão de energia podem também ser formadas, pelas quais o conjunto inteiro de superfícies de contato primárias é compreendido completamente de curvas involutas esféricas operando com o eixo geométrico colinearmente deslocado e aproximadamente intersectandose, tais como aquelas ilustradas nas Figs. 4-6. Neste particular, as Figs. com uma “proteção” adequada no exterior, bem como uma esfera interna adequada com vão ou selagens de contato, não são sempre mostradas. O Pedido de Patente US 13/162436 9436), incorporado aqui por referência, descreve proteções similares em alguns detalhes. Entretanto, se uma for sincronicamente girar os dois rotores compostos de geometria involuta esférica, obtém-se um movimento de fluido que geralmente se propaga na direção axial 56 dos rotores, similar a um compressor helicoidal. Também é descrito o dispositivo de conversão de energia de formato de lobo de dente de serra, onde uma geometria de gota é criada utilizando-se o plano de bifurcação dos rotores como os locais cortadores, sendo muito similar ao lobo do dispositivo de conversão de energia mostrado na patente 6.036.463 (‘463), também incorporada aqui por referência. O termo “gota” é usado aqui como uma parte de uma curva criada pela borda radialmente para fora de um formato de lágrima, dividida por um plano passando através do eixo geométrico longitudinal da gota. Entretanto, usando a Fig. 7A da patente ‘463 como uma ilustração, atualmente apresentada como Fig. 32, uma superfície similar àquela da superfície PA26 pode ser formada empregando-se um novo método que melhora o contato e transfere a carga. No método anterior, a superfície PA26 era formada conectando-se a borda das pontas do lobo PA27 à borda da raiz do lobo PA29. No método melhorado, a superfície é formada conectando-se a borda das pontas do lobo PA27 até a borda da raiz do lobo PA29 com uma superfície de curva involuta esférica. Esta superfície de curva involuta esférica é criada por uma pluralidade de curvas involutas esféricas. Usando-se a Fig. 2 desta descrição como um exemplo, uma primeira curva involuta esférica 58 situa-se em um plano esférico externo correspondendo ao diâmetro externo do rotor. Uma segunda involuta esférica 60 situa-se no plano esférico correspondendo a uma esfera interna 88, ou centro oco do rotor, como mostrado na Fig. 9. As primeira 58 e segunda 60 curvas involutas não precisam ser projeções radiais uma da outra; de preferência, elas podem ter diferentes passos, por exemplo. As primeira 58 e segunda 60 involutas podem ser conectadas, em uma forma de realização, por uma superfície de conexão 33. Esta superfície de conexão 33, em uma forma de realização, pode ser concebida como sendo composta de um número infinito de curvas involutas que se situam em um número infinito de planos esféricos concêntricos, e que os parâmetros que descrevem cada uma destas involutas esféricas infinitas têm alguma progressão plana a partir da curva externa 58 até a curva interna 60. O rotor acoplado, em uma forma, pode também ter superfícies com uma progressão plana similar, de modo que as superfícies de curva involuta em um primeiro rotor engrenem com as superfícies de curva involuta do rotor acoplado.

[0050] Uma transformação helicoidal poderia também ser aplicada, de modo que cada um deste número infinito de curvas involutas possa ser sincronizado por alguma quantidade tangencial, tal como mostrado nas formas de realização das Figuras 30 e 31, homogeneamente, para criar uma superfície involuta helicoidal 114 em cada rotor 116/118. Os benefícios de uma geometria involuta helicoidal são análogos àqueles de uma engrenagem cônica helicoidal, tal como reduzir o ruído de máquina e aumentar a relação de contato e resistência. Também é descrita para construir um rotor involuto esférico helicoidal que tem mais do que uma torção helicoidal inteira, tal rotor poderia ser usado para criar um dispositivo (bomba, compressor, ou motor) com uma característica de fluxo radial melhorada, onde volumes de fluido poderiam ser aprisionados pelas câmaras espirais resultando em um dispositivo de fluxo radial, isto é, o fluxo de fluido poderia começar de uma entrada do diâmetro externo dos rotores 116/118, tornando-se aprisionado (comprimido/expandido) pelos rotores quando eles giram, e o fluxo poderia ser direcionado para o centro dos rotores radialmente, através de volumes espirais 120. A direção oposta do fluxo poderia também ocorrer mudando-se a direção do helicoidal (formato dos rotores), ou mudando-se a direção de rotação dos rotores.

[0051] Na forma particular de uma curva involuta há uma involuta esférica 20 que pode ser concebida como o conjunto de pontos atravessados pela ponta de um cordão, quando se desenrola um cordão de um círculo sobre a superfície de uma esfera, enquanto mantendo-o puxado retesado, o círculo sendo inscrito na superfície de uma esfera. A Fig. 1 ilustra esta concepção, onde o ponto 32 é a ponta do cordão 22, e os pontos ao longo da curva involuta esférica 28 são criados pelo cordão retesado 22 em várias posições de ser desenrolado. Em uma forma, o cordão 22 forma um ponto de tangência 24 com o círculo de base 26. Em uma forma, o cordão 22 não é uma linha reta, mas sem dúvida, um grande círculo (um círculo com centro na origem da esfera 34). A Fig. 2 com curva involuta esférica 28 ilustra um possível projeto para engrenagem cônica como engrenagem de distribuição, que poderia ser usada em um dispositivo de conversão de energia com um projeto de eixo contínuo para rotores que são deslocados de colineares.

[0052] Para derivar uma construção matemática do formato de involuta esférica, um método é utilizar uma série de rotações vetoras em torno de um ponto central comum. A Fig. 3 ilustra esta construção matemática, com a suposição de que o “cordão” sendo desenrolado começa a ser desenrolado em um ponto Co, alinhado com o eixo geométrico-x, e desenredar ocorre na direção contrária á de um relógio, ou sem dúvida, em uma direção rotacional positiva em torno do eixo geométrico-z pela regra-de-mão-direita. Admitamos que “t” represente a posição angular do ponto tangente C localizado no círculo de base. Este ponto tangente atravessa o círculo de base em uma direção contrária à do relógio quando o ponto P do cordão GC é puxado do círculo de base. O comprimento do arco do grande círculo “GC” é igual ao comprimento de arco do arco circular do círculo de base entre os pontos Co e C e é indicado por S. Usando-se o círculo de base 26, o comprimento do arco S = rt, onde r é o raio do círculo de base 26, t é o ângulo do ponto tangente mostrado na Fig. 3. O semiângulo do cone de base, como “g” é ilustrado na Fig. 3, onde o triângulo direito O V C demonstra g = asin(r/R), que pode ser reescrito como = r = Rsin(g) ou r/R=sin(g), onde R é o raio do plano esférico da involuta. Para o triângulo esférico P C O, podemos escrever uma relação S=RB, isto é, o ângulo B multiplicado pelo raio R iguala ao comprimento de arco S. Combinemos S = rt com S = RB para obtermos rt = RB ou r/R = B/t. Por conveniência, é descrito em uma forma de realização escrever o ângulo B em termos de g. Para realizar isto, substituamos r/R - B/t dentro de g = asin(r/R), assim B = tsin(g). Uma série de rotações vetoras nas coordenadas Cartesianas x y z em torno do centro comum O, ilustrado na Fig. 3, pode agora ser realizada em uma série de etapas. Primeiro, girar o vetor V = [0,0,R] por +B em torno do eixo geométrico-x, usando-se a regra da mão-direita. Segundo, girar este resultado por +g em torno do eixo geométrico-y. Terceiro, girar este segundo resultado pelo ângulo “t” em torno do eixo geométrico-z. Abaixo estão as séries de rotações de matriz e equação paramétrica resultante para uma involuta esférica em coordenadas Cartesianas:

[0053] Onde g = asin(r/R), r sendo o raio do círcuo de base 26 da Fig. 3 e R sendo o raio do plano esférico 30 em que a involuta esférica situa-se.

[0054] Uma curva involuta esférica em uma forma pode abarcar o espaço entre dois pontos de referência de uma esfera do raio R. Uma pessoa simplesmente necessita aplicar uma rotação arbitrária da curva involuta esférica em torno do eixo geométrico-z, a fim de posicionar a curva involuta esférica dessa maneira. O raio de círculo de base pode ser ajustado para controlar a “declividade” ou inclinação da curva involuta. A posição angular ‘t” controla os pontos iniciais e finais da involuta. Uma faixa de valores t pode ser selecionada para precisamente controlar os pontos finais da curva involuta. Há limitações nos pontos que podem ser unidos com uma involuta esférica. Por exemplo, os pontos finais P da curva involuta não podem situar- se fora dos dois círculos de base inscritos na esfera, círculos de base centrados no eixo geométrico-z e refletido em torno do plano x-y. Para pontos que se situam entre estes círculos de base, é possível conectar alguns pontos com uma curva involuta esférica. Pode-se também satisfazer quaisquer condições de tangência em ambos os pontos. Por exemplo, com referência à Fig. 32, para produzir um lobo de superfície de curva involuta, em vez do lobo mostrado, um primeiro ponto poderia ser definido como o local em que a borda PA27 intersecta o plano esférico em uma extremidade e a curva involuta poderia ser feita também passar através do ponto em que a borda PA29 intersecta o plano esférico. Uma pessoa descartará o resto da curva involuta, empregando somente o segmento que conecta os dois pontos. As condições de tangência poderiam também ser satisfeitas, de modo que a curva involuta suavemente transiciona das curvas da extremidade de ponta de lobo ou suavemente transiciona em uma raiz entre dois lobos.

[0055] O uso da involuta esférica foi constatado permitir transferência de carga muito melhorada entre os rotores, através do contato de rolamento aperfeiçoado entre as superfícies involutas. No exemplo da Fig. 4, os rotores são mostrados contatando nos pontos de contato 160, 162, 164 e 166. Nas Figs. 5 e 6, os rotores estão contatando nos pontos 168, 170 e 172. Na forma de realização da Fig. 7, as superfícies de lágrima 174 e 176 dos lobos 178 e 180, respectivamente, são mostradas contatando no ponto 182. Nesta forma de realização, o ponto 182 é um ponto de contato de esfregamento ou friccional e não um ponto de contato de rolamento quando os rotores giram em torno de seus respectivos eixos geométricos. Na forma de realização da Fig. 10, as superfícies de curva involuta 184 e 186 dos lobos 188 e 190, respectivamente, estão em contato de rolamento no ponto 192, quando os rotores iram em torno de seus respectivos eixos geométricos. Os lobos podem ser projetados de tal maneira que múltiplos lobos podem ter contato de involuta com involuta (como mostrado na Fig. 10), o que aumenta mais a capacidade de transporte de carga. A adição de uma transformação helicoidal pode ainda aumentar o número de lobos que estão em contato.

[0056] As Figs. 7 e 8 ilustram o uso das superfícies involutas 194, 196 em um padrão de dente de serra 36 alternando-se com superfícies de geometria de lágrima 174, 176, usadas neste caso como um expansor de gás com orifício traseiro 38 e uma proteção 40 que, nesta forma de realização, compreende uma primeira seção 42 e uma segunda seção 44 divididas em uma fenda 46. Os diâmetros do círculo de base involuto são ajustados para criar involutas esféricas, que são precisamente tangentes a ambas as pontas de lobo 48, 50 que, nesta forma de realização, são orelhas de coelho cônicas, bem como tangência precisa nas raízes dos lobos.

[0057] As Figs. 9 - 11 ilustram o uso da curva involuta com rotores 52/54 tendo formas similares a formatos de lágrima alternando-se, em uma forma de realização de rotor de bomba, para serem usados com uma proteção (não mostrada) e orifícios traseiros através de superfícies definindo orifícios 198. Na Fig. 11 são também mostradas algumas partes planas circulares 90 usinadas sobre a esfera 88, para permitir montagem fácil dos rotores sobre a esfera. Com tais partes planas ou rebaixos, não é necessário “encaixar” os rotores 52, 54 sobre a esfera 88 e não necessário terem-se luvas removíveis especiais, para permitir a compensação de montagem suspensa. Embora placas circulares sejam mostradas, os retentores usinados não necessitam ser circulares, nem necessitam ser planos. Os detentores proveem interstício para os rotores passarem por eles, de modo que a superfície esférica central de um rotor contata a esfera 88 e o rotor oposto tem um vão de interstício predefinido ou selagem positiva com a esfera 88. Nestas Figs, é mostrado que pode haver selagens de interstício formadas em volume mínimo pela interstício de involuta-para-involuta (que pode também ser projetado como um contato se assim desejado e, opcionalmente, para transferência de torque) e selagem de interstício nas pontas de lobo 92 na posição de volume máximo mostrado na Fig. 11. Nesta forma de realização particular, as pontas de lobo 200 não são construídas de pontas circulares ou cônicas, porém de preferência fora das placas, ou ovais muito finas, por meio do que o vão de selagem é longo e fino, provendo uma melhor selagem lobo-com-lobo quando a queda de pressão através de um longo vão fino é maior do que um vão mais curto do tipo de ponta de lobo cônica. Não há selagem intermediária requerida para as selagens lobo-com-lobo entre volume mínimo e máximo, em consequência os “rebaixos” 202 são mostrados em vez de o perfil de lágrima mostrado na Fig. 7. Esta forma de realização pode ser utilizada quando compressão interna não é desejada. Uma vez um líquido seja relativamente incompressível, o dispositivo não operaria corretamente com compressão interna quando bombeando óleo ou água, por exemplo. A Fig. 33 mostra um exemplo de tal rebaixo 202.

[0058] As Figs. 12 - 18 ilustra um exemplo de um dispositivo de conversão de energia de involuta esférica de lobo-único 96, que poderia ser usado para converter energia. Esta forma de realização em uma forma pode ser provida de orifícios traseiros definindo vazios 204. Em uma forma, uma proteção 94 pode ser utilizada. Esta forma de realização tem vantagens úteis, tais como tendo volume recirculado quase zero (ou interstício) no ponto de volume mínimo, como mostrado na Fig. 17, resultando em relação de compressão extremamente elevada se desejado. A Fig. 13 mostra um ponto de volume máximo durante a rotação e as Figs. 14, 15 e 18 mostram pontos de volume intermediário durante a rotação. Os rotores 98/100 desta forma de realização não são necessariamente rotacionalmente equilibrados, porém poderiam facilmente ser equilibrados removendo-se material em torno do diâmetro externo 106 dos rotores, apropriadamente.

[0059] Nesta forma de realização, dois pares de rotores 98/100 e 102/104 são mostrados presos a um único eixo 108 dentro de um alojamento 110, que pode compreender uma parte de esfera 206, similar àquela anteriormente descrita. Os conjuntos de mancal 112 podem ser usados para apropriadamente alinha o eixo e reduzir a fricção entre o eixo e o alojamento.

[0060] Como mostrado, há um ponto 224 de contato substancialmente rolante entre as superfícies axiais dos rotores e um ponto 226 de contato substancialmente deslizante, quando as superfícies radiais dos rotores contatam-se, como mostrado, por exemplo, na Fig. 18.

[0061] As Figuras 13 - 18 mostram uma unidade de rotor compreendendo um primeiro rotor 98 e um segundo rotor 100. O primeiro rotor tem um primeiro eixo geométrico de rotação em torno do eixo 108, com uma curva esférica de encaixe posicionada em um plano esférico, onde a curva de engrenamento do primeiro rotor é definida por uma pluralidade de pontos. Cada ponto tem um vetor derivativo de posição associado, indicando uma direção de tangência para a curva de engrenamento do primeiro rotor. Vetores de movimento relativo em cada ponto ao longo da curva de engrenamento do primeiro rotor, os vetores de movimento relativo definidos como vetores de movimento de cada ponto da curva de engrenamento do primeiro rotor, medidos com respeito a um sistema de coordenadas rigidamente fixadas do segundo rotor 100, onde os vetores de movimento relativo são dependentes das posições rotacionais relativas do primeiro rotor com respeito ao segundo rotor.

[0062] O segundo rotor tem um eixo geométrico de rotação central 108, que é deslocado de colinear para o eixo geométrico do primeiro rotor. O segundo rotor gira em uma velocidade rotacional prescrita com respeito ao primeiro rotor. Além disso, o segundo rotor tem uma segunda superfície de encaixe com um segundo conjunto de curvas esféricas de engrenamento, posicionadas nos planos esféricos do segundo rotor, onde a pluralidade de pontos formando a segunda curva de engrenamento do rotor é medida em um sistema de coordenadas rigidamente fixado no segundo rotor. Cada ponto desta pluralidade de pontos corresponde a uma posição rotacional específica dos dois rotores. Cada ponto criado no local geométrico onde um dos vetores derivados da posição de curva do primeiro rotor é colinear com um dos vetores de movimento relativo de curva do primeiro rotor, onde as primeira e segunda curvas de rotor situam-se em planos esféricos de diâmetros iguais e ainda onde as coordenadas dos vetores derivativos de posição e dos vetores de movimento relativo são os mesmos, definem um ponto de referência e o local destes pontos em qualquer dado plano esférico determina as curvas de engrenamento do segundo rotor em um plano esférico compartilhado pelos dois rotores. Esta construção define uma superfície de lágrima 244 em cada rotor, de modo que o contato entre os rotores na superfície de lágrima tem substancialmente interstício zero, na única forma de realização de lobo destas Figs. Nesta forma de realização, uma superfície de curva involuta 246 conecta a base 248 de uma superfície de lágrima 244 do lobo com a ponta 226 do lobo.

[0063] Em termos mais simples, em uma forma de realização, quando a ponta de um rotor gira em torno de um eixo geométrico que é deslocado de colinear de um eixo geométrico de um rotor oposto, as pontas de lobo do primeiro rotor traça um formato de lágrima no rotor oposto no caso das Figuras 13 - 18, entretanto, dependendo do local da ponta de lobo e formato das pontas de lobo, o formato traçado pode não ser uma gota, porém sem dúvida um formato mais oval ou outro formato que resulte da matemática descrita nos parágrafos anteriores.

[0064] Uma transformação helicoidal poderia ser aplicada às superfícies para criar um dispositivo de fluxo radial, tal como o dispositivo mostrado na Fig. 19 e 19B. Nesta forma de realização, cada rotor 228, 230 gira em torno de um eixo geométrico 232 234, respectivamente, e os eixos geométricos não são colineares, não coplanares e comumente intersectam em um ponto 236. Como com a forma de realização anterior, os rotores contatam- se em pontos móveis 240 e 242, onde o contato no ponto 240 é substancialmente um contato friccional e o contato no ponto 242 é substancialmente um contato rolante.

[0065] São mostradas superfícies deslocadas para longe do plano de bifurcação e ilustram a involuta esférica usada em conjunto com as superfícies ovais, por meio do que metade dos lobos são agora involutos, e as pontas de lobo são formadas usando-se ovais muito finas. As longas pontas ovais finas levam em conta um lobo mais espesso, adicionando resistência extra. As Figs. 20, 21 e 22 mostram lobos tendo orelhas de coelho ovais, planas. Os lobos resultantes são relativamente espessos, como resultado do projeto de orelha de coelho plana.

[0066] As superfícies 208, 210, ilustradas na Fig. 20, poderiam ser usadas para um compressor ou expansor ou outros dispositivos de conversão de energia, com ou sem uma proteção e poderiam ter os lobos com orifícios traseiros também. Entretanto, poder-se-ia também utilizar estas superfícies para formar a geometria das engrenagens de distribuição ou “indexadores” com interstício entre engrenagens controlada. Por exemplo, a forma de realização mostrada na Fig. 20 poderia ser, por exemplo, uma substituição direta para os indexadores mostrados no pedido de patente ‘674, Fig. 13, itens 132 e 158, uma vez que a forma de realização mostrada em uma forma opera em uma relação de velocidade 1:1. Uma transformação helicoidal adicional poderia ser aplicada ao projeto mostrado na Fig. 20, muito semelhante às Figuras 68A - 68C do pedido de patente ‘674, para melhorar a operação de deslocamento suave. Observe-se que um indexador tal como este poderia também servir a um duplo propósito, por exemplo, uma vez que ele provavelmente funcionaria com lubrificação de óleo, ele poderia servir como uma bomba de óleo, ou um dispositivo de conversão de energia secundário.

[0067] Em engrenagem, quando a direção da carga da engrenagem motriz é invertida, interstício entre engrenagens é com frequência descrita como o vão de afastamento que existe entre dois conjuntos de dentes de engrenagem, que devem ficar fechados antes de a força da engrenagem motriz invertida ser experimentada pelo engrenagem motriz. É também referida como interstício. Para engrenagens de distribuição de máquinas que requerem movimento muito preciso, é importante que o interstício entre engrenagens seja mínimo. O interstício entre engrenagens pode ser projetada para um vão de interstício específico, ou utilizar engrenagens divididas e molas, uma interstício entre engrenagens zero com uma pré-carga pode ser conseguida também.

[0068] As Figs. 23 e 24 ilustram engrenagens de distribuição 62/64, que podem ser projetadas para interstício mínimo. Estas engrenagens não são projetadas para absorver significativa carga de empuxo, porém poderia sem dúvida ser para transferência de torque. Nestas duas figuras, as engrenagens de distribuição 62/64 têm diferentes diâmetros de inclinação 70/72, embora o número de dentes 66/68 de cada engrenagem seja igual, o que é contra- intuitivo. Tendo-se o mesmo número de dentes, um dispositivo de conversão de energia com uma relação de velocidade 1:1 pode ser produzido com engrenagens indexadoras, tais como estas. Em um arranjo de indexação de dispositivo de conversão de energia, requerendo relações de velocidade desiguais, tais como os indexadores mostrados nas Figuras 68A - 68D dos pedidos de patente ‘674, um número desigual de dentes de engrenagem pode ser usado para criar a relação de velocidade requerida. Os indexadores (engrenagens de distribuição) que utilizam curvas involutas esféricas, podem operar em relações de velocidade iguais ou não iguais em torno dos eixos 74/76. Os indexadores pode ou não ter controle de interstício de engrenagens. Para estes dispositivo de conversão de energia, o controle de interstício de engrenagem pode não ser necessário durante todo o tempo, uma vez que, frequentemente, o torque é bastante elevado em uma única direção, a pressão do fluido pode manter os vãos de interstício 78 entre os rotores constantes. Ou pode-se imaginar que o torque na extremidade do eixo motriz seria geralmente bastante elevado que, no ponto de interstício mínimo, as engrenagem de distribuição involutas manteriam contato com a engrenagem oposta. Em outra forma de realização, o contato seria feito substancialmente durante todo o tempo, a fim de não causar problemas de desempenho.

[0069] O interstício entre engrenagens é usualmente mitigada pelo uso de um único dente que é bastante largo, de modo que ambos os lados do um dente fiquem em estreita proximidade ou contato com a engrenagem oposta. Na forma de realização da Fig. 24, o interstício de engrenagem é realmente removido diversos dentes entre si, ou preferivelmente o torque transmitindo contato ocorre no(s) ponto(s) 212, 1 ou 2 dentes afastado do(s) ponto(s) de remoção de interstício 214, quando as superfícies do motor 256 e 2568 deslocam-se na direção rotacional 250 em torno dos eixos geométricos 252 e 254. Os dentes provendo remoção de interstício de engrenagem nos pontos 214 controlam ou mitigam a rotação da superfície de rotor 256 em uma direção oposta que é mostrada pela seta 250, em relação á superfície de rotor 258. Tal rotação relativa inversa é definida como interstício entre engrenagens.

[0070] Mais exemplos de indexadores (ou engrenagens de distribuição) utilizando a geometria involuta esférica são mostrados nas Figs. 25 - 29. Estas Figuras mostram diferentes formas de realização de projetos de torque de direção única de engrenagens indexadoras 80/82 com relações de velocidade 1:1, mesmo embora eles tenham diferentes diâmetros de inclinação. Para manter os contatos da engrenagem involuta na relação de velocidade 1;1, os diâmetros do círculo de base 26 de uma engrenagem 80 devem ser os mesmos que o diâmetro de círculo de base usado para gerar a geometria da segunda engrenagem 82. Para relações de velocidade que são diferentes de 1:1, os círculos de base seriam normalmente desiguais e teriam uma relação igual à relação de velocidade requerida.

[0071] A Fig. 26 mostra as superfícies de engrenagem de uma forma de realização de dez lobos com as 12as. engrenagens cônicas 260, 262.

[0072] A Fig. 27 mostra as superfícies de engrenagem de uma forma de realização de onze lobos com 10as. engrenagens involutas 264, 266.

[0073] A Fig. 28 mostra uma forma de realização com rotores 268, 278 tendo doze lobos 272, 274.

[0074] A Fig. 29 mostra as superfícies 276, 278 de uma forma de realização de seis-lobos com lobos mais largos do que aquele mostrado em outras formas de realização.

[0075] As Figs. 4 e 5 ilustram dois rotores interengrenando em torno da inteira circunferência dos rotores 84, 86 entre si com eixos geométricos que (aproximadamente) se intersectam e são deslocados de colineares e giram em uma relação de velocidade 1:1. Se se fosse imaginar uma proteção externa, um esfera interna e orifícios apropriados na frente 216 e traseira 218 do dispositivo, com rotação síncrona, as superfícies involutas esféricas alongadas 220, 222 poderiam ser usadas, por exemplo, para um compressor, ou para um expansor. As superfícies mostradas são criadas pela projeção esfericamente radial das involutas para dentro em direção à origem comum do plano esférico, os rotores não necessitam ser limitados por isto. Por exemplo, pode-se adicionalmente aplicar uma transformação helicoidal, tais como aquelas ilustradas nas Figuras 30 e 31. Nestas duas figuras, as superfície interengrenantes 114 são mostradas como muito finas, porém, em operação elas podem receber alguma espessura razoável.

[0076] Embora uma curva de base circular tenha sido usada acima, outras evolutas conformadas podem ser utilizadas. Por exemplo, um cone de base conformado em amendoim pode ser utilizado, resultando em alguma outra espécie de curva/superfície involuta.

[0077] Embora a presente invenção seja ilustrada por descrição de diversas formas de realização e embora as formas de realização ilustrativas sejam descritas em detalhes, não é intenção dos requerentes restringir ou de qualquer modo limitar o escopo das reivindicações anexas a tais detalhes. Vantagens e modificações adicionais dentro do escopo das reivindicações anexas prontamente serão evidentes para aqueles de conhecimento na técnica. A invenção em seus mais amplos aspectos não é, portanto, limitada aos detalhes específicos, aparelhos e métodos representativos, e exemplos ilustrativos mostrados e descritos. Por conseguinte, desvios podem ser feitos de tais detalhes sem desvio do espírito ou escopo da concepção geral dos requerentes.

Claims

1. Dispositivo de conversão de energia, compreendendo:a. um primeiro rotor (52) e um segundo rotor (54);b. onde os eixos geométricos rotacionais do primeiro rotor (52) e do segundo rotor (54) são deslocados de colineares e intersectantes;c. caracterizado pelo fato de que cada um dos primeiro e segundo rotores (52, 54) compreende:i. pelo menos um lobo (178, 180) tendo um primeiro lado e um segundo lado;ii. em que os primeiros lados dos lobos é uma superfície curvada (184, 186), formada de pelo menos uma curva involuta esféricaiii. em que os primeiros lados dos lobos (178) do primeiro rotor (52) são voltados para os primeiros lados dos lobos (180) do segundo rotor (54); eiv. por meio do que os lobos (178) do primeiro rotor (52) se interengrenam com os lobos (180) do segundo rotor (54), em torno da periferia dos rotores (52, 54).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro lado de cada lobo (178, 180) do primeiro rotor (52) contata o primeiro lado dos lobos associados do segundo rotor (54).

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o segundo lado de cada lobo (178, 180) do primeiro rotor (52) contata o segundo lado dos lobos associados do segundo rotor (54).

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda rebaixos (202) nas segundas superfícies dos lobos (178, 180).

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o rebaixo (202) do lobo tem um formato de lágrima em seção transversal, para manter contato com ou distância da ponta de lobo do rotor (52, 54) oposto.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o rebaixo (202) de cada lobo (178, 180) é um desvio ou precarga de uma forma de lágrima.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro lado de cada lobo (178) do primeiro rotor (52) não contata o primeiro lado dos lobos (180) associados do segundo rotor (54), de modo que um vão de interstício é mantido entre o primeiro lado de cada lobo (178) do primeiro rotor (52) e o primeiro lado dos lobos (180) associados do segundo rotor (54).

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que tanto os primeiros lados como os segundos lados dos lobos (178, 180) consistem de curvas involutas.

9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:a. os rotores (52, 54) em um alojamento tendo um vão prescrito entre um diâmetro externo do primeiro rotor (52) e um diâmetro interno do alojamento (110).b. o alojamento (110) tendo um vão prescrito entre um diâmetro externo do segundo rotor (54) e o diâmetro interno do alojamento (110), ec. um vão variando entre os primeiros lados dos lobos (178) do primeiro rotor (52) e os primeiros lados dos lobos (180) do segundo rotor (54).

10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende:a. uma proteção (40) abrangendo o primeiro rotor (52) e o segundo rotor (54); b. a proteção (40) em contato com os diâmetros externos do primeiro rotor (52) e um vão ou contato de selagem com o segundo rotor (54),c. em que a proteção (40) gira com os primeiro e segundo rotores (54); ed. a proteção (40) posicionada dentro do alojamento (110).

11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:a. uma bola esférica (88), centrada no centro comum da interseção do eixo geométrico de rotação dos primeiro e segundo rotores (52, 54), eb. um vão entre uma superfície esférica interna de pelo menos um rotor (52, 54) e um diâmetro externo da bola (88).

12. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que pelo menos um rotor (52, 54) compreende entrada de fluido e/ou orifícios de saída, que são passados através de uma face do rotor (52, 54).

13. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o número de superfícies derivadas involutas esféricas é uma por lobo (178, 180).

14. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que:a. as curvas involutas esféricas em cada rotor (52, 54) têm um formado helicoidal; eb. onde a forma helicoidal (114)abarca em torno de um rotor próximo de, igual a ou maior do que 360 graus e resulta em uma ação de fluido durante a rotação dos rotores, que é substancialmente na direção axial.

15. Dispositivo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que: a. as curvas involutas abarcam mais do que 360 graus em torno de cada rotor (52, 54), eb. partes dos lobos (178, 180) formam aletas;c. onde ambos os lados das aletas consistem de superfícies involutas; ed. as aletas dos lobos do primeiro rotor (52) encaixam com as aletas dos lobos do segundo rotor (54).

16. Dispositivo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que:a. superfícies de lobo involutas esféricas compreendem uma transformação helicoidal;b. em que as curvas involutas dos respectivos planos esféricos, que constroem as superfícies de lobo, irradiam para fora a partir de um centro comum; ec. onde cada involuta esférica de cada respectivo plano esférico é girada em torno do eixo geométrico de rotor por um valor de rotação.

17. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que:a. cada um dos lobos (178, 180) forma um dente de engrenagem;b. onde um ou mais dentes do primeiro rotor (52) ficam em contato com dentes do segundo rotor (54) em transferência de força, a fim de transferir o torque do primeiro rotor para o segundo rotor, ec. onde dentes separados no primeiro rotor (52) proveem controle de interstício entre engrenagens ed. em que o controle de interstício entre engrenagens e a transferência de torque não ocorrem no mesmo dente de qualquer dos dois rotores (52, 54).

18. Dispositivo de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os dentes de controle de interstício entre engrenagens do primeiro rotor (52) estão em contato com os dentes associados do segundo rotor (54).

19. Dispositivo de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende um número igual de dentes em cada rotor (52, 54).

20. Dispositivo de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:a. uma máquina compreendendo um primeiro componente rotativo e um segundo componente rotativo; eb. em que o primeiro rotor (52) e o segundo rotor (54) são usados como engrenagens de distribuição entre o primeiro componente rotativo e o segundo componente rotativo.

21. Dispositivo de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os dentes de engrenagem são formados com uma transformação helicoidal.

22. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:a. o primeiro rotor (52) tem lobos (178) que irradiam para dentro em direção a um centro comum de um plano esférico; eb. em eu o número de lobos (178) no primeiro rotor (52) é igual ao número de lobos (180) no segundo rotor (54) resultando em uma razão de velocidade 1:1 entre os rotores (52, 54)