CH711732B1

CH711732B1 - Device with rotary pistons, in particular for a thermal machine, pump or hydraulic motor.

Info

Publication number: CH711732B1
Application number: CH01615/15A
Authority: CH
Inventors: Habegger Sidney; Pisteur Alain
Original assignee: Habegger Sidney; Pisteur Alain
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2020-10-15
Also published as: CH711732A2

Abstract

L'invention concerne un dispositif à pistons rotatifs, notammement pour une machine thermique, une pompe ou un moteur hydraulique comprenant une pluralité de pistons rotatifs (44a, 44b) de forme essentiellement cylindrique animés chacun d'un mouvement circulaire, les mouvements circulaires étant synchrones et de même amplitude, en sorte que les pistons rotatifs (44a, 44b) ne se déplacent pas l'un relativement à l'autre tandis que chacun tourne autour de son centre de rotation, les pistons étant logés dans un carter (40a, 40b) avec un volume interne (61a, 61b) délimité par une paroi interne (65a, 65b) et étant arrangés en sorte que, lors de leur mouvement circulaire, au moins une partie des pistons (44a, 44b) est internement tangent à la paroi interne (65a, 65b) et un élément central (41a, 41b) est en contact avec les pistons rotatifs, donnant lieu à des chambres de volume variable (80A-80D).The invention relates to a device with rotary pistons, in particular for a thermal machine, a pump or a hydraulic motor comprising a plurality of rotary pistons (44a, 44b) of essentially cylindrical shape each having a circular movement, the circular movements being synchronous. and of the same amplitude, so that the rotating pistons (44a, 44b) do not move relative to each other as each rotates around its center of rotation, the pistons being housed in a housing (40a, 40b ) with an internal volume (61a, 61b) delimited by an internal wall (65a, 65b) and being arranged so that, during their circular movement, at least part of the pistons (44a, 44b) is internally tangent to the wall internal (65a, 65b) and a central element (41a, 41b) is in contact with the rotary pistons, giving rise to variable volume chambers (80A-80D).

Description

Domaine techniqueTechnical area

[0001] La présente invention concerne un dispositif à pistons rotatifs, notamment pour une machine thermique, ou moteur hydraulique. The present invention relates to a rotary piston device, in particular for a thermal machine, or hydraulic motor.

Etat de la techniqueState of the art

[0002] On connaît dans la technique plusieurs exemples de pompes ou machines thermiques ou moteurs hydrauliques à pistons rotatifs qui emploient une pluralité d'éléments rotatifs pour définir des chambres à volume variables. Ces dispositifs sont utilisés pour réaliser des pompes par lesquelles on déplace ou on pressurise un fluide, ou des moteurs hydrauliques générant un mouvement rotatif à partir d'un fluide pressurisé. Several examples of pumps or thermal machines or hydraulic motors with rotary pistons which employ a plurality of rotary elements to define variable volume chambers are known in the art. These devices are used to produce pumps by which a fluid is moved or pressurized, or hydraulic motors generating a rotary movement from a pressurized fluid.

[0003] On connaît aussi des machines thermiques, basées par exemple sur un cycle thermodynamique de Stirling, qui transforment l'énergie thermique liée à la différence en température entre un réservoir froid et un réservoir chaud en énergie mécanique. Ces machines ont d'ordinaire un étage froid et un étage chaud avec des chambres à volume variable, et un fluide qui passe d'un étage à l'autre selon des modalités définies par le cycle thermodynamique choisi en se refroidissant et fournissant un travail mécanique net positif. Bien entendu, ces machines peuvent aussi transformer une énergie mécanique en énergie thermique, comme réfrigérateurs ou pompes à chaleur. Thermal machines are also known, based for example on a thermodynamic Stirling cycle, which transform the thermal energy linked to the difference in temperature between a cold tank and a hot tank into mechanical energy. These machines usually have a cold stage and a hot stage with variable volume chambers, and a fluid which passes from one stage to another according to modalities defined by the thermodynamic cycle chosen by cooling and providing mechanical work. net positive. Of course, these machines can also transform mechanical energy into thermal energy, such as refrigerators or heat pumps.

[0004] Par rapport aux dispositifs à pistons alternatifs, aussi employés dans les mêmes applications, les dispositifs à pistons rotatifs engendrent moins de vibrations et peuvent être équilibrés plus facilement, ce qui permet des régimes de rotation plus élevés et des meilleures efficacité et fiabilité. Compared to reciprocating piston devices, also used in the same applications, rotary piston devices generate less vibration and can be balanced more easily, which allows higher rotational speeds and better efficiency and reliability.

[0005] Les dispositifs à pistons rotatifs ont cependant une construction plus complexe. Plusieurs d'entre eux ont recours à des pistons et des cylindres de forme non développable ou à des pistons dentés dont la fabrication est complexe et coûteuse, surtout lorsque des tolérances très serrées sont recherchées. D'autres dispositifs à pistons rotatifs utilisent des ailettes glissantes pour l'étanchéité, dont les performances à haute température et à haute vitesse sont médiocres. [0005] However, rotary piston devices have a more complex construction. Several of them use pistons and cylinders of non-developable shape or toothed pistons the manufacture of which is complex and expensive, especially when very tight tolerances are required. Other rotary piston devices use sliding vanes for sealing, which perform poorly at high temperature and high speed.

[0006] Les documents WO15038030A1, US2014271308A, US2011259002A, KR101136795B décrivent, entre-autres, des dispositifs avec un ou plusieurs pistons rotatifs. [0006] Documents WO15038030A1, US2014271308A, US2011259002A, KR101136795B describe, inter alia, devices with one or more rotary pistons.

Bref résumé de l'inventionBrief summary of the invention

[0007] Un but de la présente invention est de proposer un dispositif à pistons rotatifs exempt des limitations des dispositifs connus. Notamment l'invention propose un dispositif à pistons rotatifs qui est plus simple des dispositifs similaires connus dans la technique. An object of the present invention is to provide a rotary piston device free from the limitations of known devices. In particular, the invention proposes a device with rotary pistons which is simpler than similar devices known in the art.

[0008] Selon l'invention, ces buts sont atteints au moyen de l'objet défini dans les revendications annexées. [0008] According to the invention, these aims are achieved by means of the object defined in the appended claims.

Brève description des figuresBrief description of the figures

[0009] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles : <tb><SEP>• La figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation de l'invention avec deux étages de compression/expansion, en vue explosée. <tb><SEP>• La figure 2 illustre le mode de réalisation de l'invention assemblé, avec les rouages servant à animer de mouvement synchrone les pistons rotatifs. <tb><SEP>• Les figures 3a à 3c illustrent de façon simplifiée et en plan le fonctionnement de deux variantes de l'invention, respectivement avec quatre et deux pistons rotatifs.[0009] Examples of implementation of the invention are indicated in the description illustrated by the appended figures in which: <tb> <SEP> • Figure 1 schematically illustrates an embodiment of the invention with two compression / expansion stages, in exploded view. <tb> <SEP> • FIG. 2 illustrates the embodiment of the invention assembled, with the cogs serving to animate the rotary pistons with synchronous movement. <tb> <SEP> • Figures 3a to 3c illustrate in a simplified manner and in plan the operation of two variants of the invention, respectively with four and two rotary pistons.

Exemple(s) de mode de réalisation de l'inventionExample (s) of embodiment of the invention

[0010] L'invention sera maintenant décrite en détail avec référence au mode de réalisation illustré par la figure 1 qui est une machine thermique avec deux étages superposés, un destiné à être en contact avec un réservoir froid, et l'autre destiné à être en contact thermique avec un réservoir chaud. Il faut comprendre toutefois, que l'invention inclut également des réalisations à un seul étage, par exemple des pompes ou des moteurs hydrauliques. Par ailleurs, comme on le verra bien par la suite, les cylindres de l'invention sont mus par des arbres d'entrainement parallèles qui tournent tous à la même vitesse, en sorte qu'on peut facilement réaliser des machines avec deux ou n'importe quel nombre d'étages. The invention will now be described in detail with reference to the embodiment illustrated in Figure 1 which is a thermal machine with two superimposed stages, one intended to be in contact with a cold tank, and the other intended to be in thermal contact with a hot tank. It should be understood, however, that the invention also includes single-stage embodiments, for example hydraulic pumps or motors. Moreover, as will be clearly seen later, the cylinders of the invention are driven by parallel drive shafts which all rotate at the same speed, so that machines can easily be produced with two or n ' any number of floors.

[0011] La machine thermique de cette variante comporte en chaque étage quatre pistons rotatifs 44a, 44b de forme essentiellement cylindrique animés chacun d'un mouvement circulaire. Le mouvement des pistons rotatifs est obtenu par des arbres d'entraînement avec des sections excentriques qui traversent les ouvertures 33a, 53a de la plaque de montage inférieure 30 respectivement de la plaque de montage supérieure 50. Les arbres d'entrainement ne sont pas représentés sur la figure 1 par simplicité. La figure 3a montre la section des arbres 70 et les sections excentriques 73. The thermal machine of this variant comprises in each stage four rotary pistons 44a, 44b of essentially cylindrical shape each animated in a circular movement. The movement of the rotary pistons is obtained by drive shafts with eccentric sections which pass through the openings 33a, 53a of the lower mounting plate 30 respectively of the upper mounting plate 50. The drive shafts are not shown in Figure 1 for simplicity. Figure 3a shows the section of the shafts 70 and the eccentric sections 73.

[0012] Les arbres d'entraînement tournant à la même vitesse, les mouvements circulaires des pistons rotatifs sont coplanaires, synchrones et de même amplitude, en sorte qu'ils ne se déplacent pas l'un relativement à l'autre tandis que chacun tourne autour de son centre de rotation. L'invention inclut aussi d'autres solutions d'entraînement. The drive shafts rotating at the same speed, the circular movements of the rotary pistons are coplanar, synchronous and of the same amplitude, so that they do not move relative to each other while each is rotating around its center of rotation. The invention also includes other training solutions.

[0013] Les pistons rotatifs 44a du premier étage sont logés dans un carter 40a avec un volume interne 61a délimité par une paroi 65a. La forme de la paroi est déterminée en sorte que, lors de leurs mouvements circulaires, au moins une partie des pistons 44a est internement tangent à la paroi 65a donnant lieu à des chambres de volume variable 80a. Il en va de même pour les pistons rotatifs du second étage 44b. Puisque les pistons ont une forme circulaire et que leur mouvement est aussi circulaire, la condition de tangence requiert que la paroi interne soit taillée selon des arcs de cercles concentriques aux centres de rotation des pistons. Ceci est un avantage de l'invention par rapport à d'autres systèmes de la technique qui nécessitent de formes complexes, comme par exemple des développantes de cycloïdes. The rotary pistons 44a of the first stage are housed in a housing 40a with an internal volume 61a delimited by a wall 65a. The shape of the wall is determined so that, during their circular movements, at least part of the pistons 44a is internally tangent to the wall 65a giving rise to chambers of variable volume 80a. The same goes for the rotary pistons of the second stage 44b. Since the pistons are circular in shape and their movement is also circular, the tangency condition requires that the inner wall be cut in arcs of circles concentric with the centers of rotation of the pistons. This is an advantage of the invention over other systems of the art which require complex shapes, such as, for example, involutes of cycloids.

[0014] Un autre avantage de l'invention est que le contact entre les pistons 44 et la paroi interne 65 est roulant, en sorte que les pistons peuvent être couplé aux manivelles 73 par des paliers ou par des roulements 78 (visibles sur la figure 3a) de manière à minimiser les frottements. Another advantage of the invention is that the contact between the pistons 44 and the inner wall 65 is rolling, so that the pistons can be coupled to the cranks 73 by bearings or by bearings 78 (visible in the figure 3a) so as to minimize friction.

[0015] Dans la variante préférée de l'invention illustrée sur les figures 1 et 2, les centres de rotation des pistons 44a-b sont espacés d'une distance supérieure au diamètre des pistons eux-mêmes en sorte que ces derniers ne se touchent pas entre eux. L'espace entre le pistons est rempli par un élément de remplissage 41a-b qui délimite, avec les contacts tangents entre les pistons et le carter, quatre chambre de volume variable 80a-d (ou un nombre de chambres égale au nombre de pistons si celui-ci est différent de quatre). In the preferred variant of the invention illustrated in Figures 1 and 2, the centers of rotation of the pistons 44a-b are spaced a distance greater than the diameter of the pistons themselves so that the latter do not touch not between them. The space between the pistons is filled by a filler element 41a-b which defines, with the tangent contacts between the pistons and the crankcase, four chambers of variable volume 80a-d (or a number of chambers equal to the number of pistons if this one is different from four).

[0016] Le dispositif de l'invention n'est pas limité à des solutions avec quatre pistons. La figure 3b montre par exemple une variante avec deux pistons. La figure 3c illustre à titre d'exemple, une réalisation à trois pistons. Les éléments identiques ou fonctionnellement équivalents sont identifiés par les mêmes signes de référence dans les figures. [0016] The device of the invention is not limited to solutions with four pistons. FIG. 3b shows for example a variant with two pistons. FIG. 3c illustrates, by way of example, an embodiment with three pistons. Identical or functionally equivalent elements are identified by the same reference signs in the figures.

[0017] Dans la variante de la figure 3c, .l'élément central 41 est un rouleau tangent aux pistons rotatifs 44 mais, une machine à trois pistons pourrait aussi être réalisée, comme les variantes des figures précédentes, avec l'élément central 41 de forme telle à épouser le rayon de courbure des pistons 44 et qui glisse sur ceux-ci. Pour n'importe quel nombre de piston, en effet, le dispositif selon l'invention peut être réalisé soit avec un élément central roulant, de section circulaire, ou avec un élément central frottant, avec des arcs concaves épousant le rayon des pistons. In the variant of Figure 3c, the central element 41 is a tangent roller to the rotary pistons 44, but a three-piston machine could also be produced, like the variants of the previous figures, with the central element 41 of such shape as to match the radius of curvature of the pistons 44 and which slides on them. For any number of piston, in fact, the device according to the invention can be produced either with a rolling central element, of circular section, or with a rubbing central element, with concave arcs matching the radius of the pistons.

[0018] Dans tous les cas, les chambres à volumes variables sont délimités par les pistons rotatifs 44, la paroi interne du carter 40 et par l'élément central 41. Les réalisations avec un élément central roulant à section circulaire, comme la figure 3c, présentent moins de frottements, tandis que celles avec un élément central glissant permettent de réduire les volumes morts. In all cases, the variable volume chambers are delimited by the rotary pistons 44, the internal wall of the housing 40 and by the central element 41. The embodiments with a central rolling element of circular section, as in FIG. 3c , have less friction, while those with a sliding central element reduce dead volumes.

[0019] L'invention peut être appliquée à la réalisation de pompes ou moteurs hydrauliques à un ou plusieurs étages. La variante illustrée sur la figure 2 est une machine à deux étages superposés dans laquelle les étages sont actionnés par quatre arbres de transmission parallèles entraînés par les roues 24 lesquelles sont à leur tour entraînés par la roue menant centrale 21. Les étages sont écartés en sorte qu'on peut établir une différence de température entre eux, et relier les chambres variables par les conduits 47 a-b de manière à réaliser un moteur thermique, par exemple à cycle Stirling. Avantageusement, les mouvements des étages sont décalés de 90° car ceci est le déphasage idéal entre le piston chaud et le piston froid d'un moteur Stirling. On peut évidemment obtenir par la même structure une unité réfrigérante ou une pompe à chaleur. The invention can be applied to the production of hydraulic pumps or motors with one or more stages. The variant illustrated in Figure 2 is a machine with two superimposed stages in which the stages are actuated by four parallel transmission shafts driven by the wheels 24 which are in turn driven by the central driving wheel 21. The stages are spaced apart in such a way. that it is possible to establish a temperature difference between them, and to connect the variable chambers by the conduits 47 ab so as to produce a heat engine, for example with a Stirling cycle. Advantageously, the movements of the stages are offset by 90 ° because this is the ideal phase shift between the hot piston and the cold piston of a Stirling engine. It is obviously possible to obtain a refrigerating unit or a heat pump by the same structure.

[0020] D'autres variantes, non illustrées, incluent des machines thermiques à un seul étage, dans lesquelles on exploite une différence de température entre les chambres variables d'un unique étage coplanaire, et des moteurs à combustion interne. [0020] Other variants, not illustrated, include thermal machines with a single stage, in which a temperature difference is exploited between the variable chambers of a single coplanar stage, and internal combustion engines.

Signes de référence employés sur les figuresReference signs used in figures

[0021] 21 roue menante 24 roue menée 27 arbre de transmission 30 a-b plaque de support inférieure 33 a-b ouvertures de passage de l'arbre de transmission 40 a-b carter 41 a-b élément central, remplissage 44 a-b piston rotatif, rouleau 47 a-b conduits 50 a-b plaque de support supérieure 53 a-b ouvertures de passage de l'arbre de transmission 61 a-b volume interne 65 a-b paroi interne du carter 70 arbre d'entraînement 71 centre de rotation 73 section excentrique, manivelle 78 roulement 80 a-d chambres de volume variable 21 driving wheel 24 driven wheel 27 transmission shaft 30 ab lower support plate 33 ab transmission shaft passage openings 40 ab casing 41 ab central element, filling 44 ab rotary piston, roller 47 ab ducts 50 ab upper support plate 53 ab drive shaft passage openings 61 ab internal volume 65 ab internal housing wall 70 drive shaft 71 center of rotation 73 eccentric section, crank 78 bearing 80 ad variable volume chambers

Claims

1. Device with rotary pistons, in particular for a thermal machine, pump or hydraulic motor, comprising a plurality of rotary pistons (44a, 44b) of essentially cylindrical shape each animated by a circular movement, the circular movements being synchronous and of the same amplitude , so that the rotating pistons (44a, 44b) do not move relative to each other as each rotates around its center of rotation, the pistons being housed in a housing (40a, 40b) with a volume internal (61a, 61b) delimited by an internal wall (65a, 65b) and being arranged so that, during their circular movement, at least part of the pistons (44a, 44b) is internally tangent to the internal wall (65a, 65b), and a central element (41, 41a, 41b) is in contact with the rotary pistons giving rise to chambers of variable volume (80a-80d).

2. Device with rotary pistons according to the preceding claim comprising four coplanar rotary pistons.

3. Device with rotary pistons according to one of the preceding claims, in which the rotary pistons are mounted on bearings.

4. Device with rotary pistons according to one of the preceding claims, which comprises a tangent contact between a pair of rotary pistons, and a contact between the rotary pistons and the central element (41, 41a, 41b) in contact with several pistons. rotary.

5. Device with rotary pistons according to one of the preceding claims, in which the central element is a roller with a circular section which rolls without rubbing on the rotary pistons.

6. Device with rotary pistons according to one of the preceding claims, in which the central element comprises concave arcs matching the radius of the rotary pistons.