CN107073846A - 复合成型旋转部件 - Google Patents

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Abstract

本教导通常包括一种复合转子组件，所述复合转子组件包含轴和安装到轴上的转子本体。所述转子本体可以包括芯结构，所述芯结构包括固化的聚合物材料且完全或部分地限定通过相邻的根部部分连接的多个突齿。所述转子本体还可以包括连续地延伸所述芯结构的长度以向所述转子本体提供额外的结构完整性的支撑结构。所述支撑结构可以完全或部分地嵌入在所述芯结构内，并且还可以缠绕在所述芯结构的外部上。在一个实例中，所述芯结构包括环氧树脂，并且所述支撑结构包括碳纤维材料。

Description

复合成型旋转部件
相关申请的交叉引用
本申请于2015年9月25日作为PCT国际专利申请提交，并且要求于2014年9月25日提交的美国专利申请序列号62/055,373的权益，所述美国专利申请的公开内容通过引用全部并入到本文中。
技术领域
本公开涉及可用于旋转设备应用(例如体积膨胀压缩装置、齿轮系、泵和混合装置)中的旋转部件和由旋转部件构成的组件。
背景技术
转子通常用于需要压缩或移动流体的应用中以及期望从流体中去除能量的应用中。在一个实例中，压缩机或增压器利用一对转子来增加进入到内燃机进气口的气流。在另一个实例中，体积流体膨胀器包括一对转子，所述一对转子使工作流体膨胀以在输出轴处产生有用功。在其它应用中，例如在齿轮系、泵和混合装置中，也利用旋转部件。在许多此类应用中，已知提供具有带固体横截面积的单体构造的机加工的或铸造的旋转部件。
典型的根式装置具有围绕相应轴线旋转的两个转子。所述转子包括彼此相互啮合的突齿。转子的旋转被定时，使得转子不会彼此接触。典型的转子由被精加工成所需形状的挤压铝制成。可以在转子上使用可磨耗涂层，以提供转子与其相应的转子壳体之间的紧密公差。
使用铝制造根式转子存在许多问题。例如，铝相对较重，这导致发动机的响应时间和寄生损失减小。另外，与铝转子相关的重量可能存在离合器耐久性的问题。此外，挤出然后精加工铝可能是相当昂贵的工艺。与铝相关的优势包括制造极其精密的零件的能力。另外，铝构造在根式转子的根部提供很大的强度。
发明内容
本教导通常包括一种复合转子组件，所述复合转子组件包含轴和安装到所述轴上的转子本体。所述转子本体可以包括芯结构，所述芯结构包括固化的聚合物材料，其中芯结构可以限定第一长度、轴穿过其延伸的中央开口和远离中央开口延伸的多个突齿。在一方面，所述突齿中的每一个可以通过相邻的根部部分连接并且具有与中央开口的中心相交的纵向轴线。转子本体还可以包括连续地延伸芯结构的长度的支撑结构。支撑结构可以完全或部分地嵌入在芯结构内，并且还可以缠绕在芯结构的外部上。在一方面，支撑结构可以包括多根纤维。
本教导还包括用于制造复合转子组件的方法。一个步骤可以包括提供支撑结构和用于芯结构的一种或多种材料。另一个步骤可以是将支撑结构插入到模具中，而另一个步骤可以是将轴插入到模具中。其它步骤可以包括将用于芯结构的一种或多种材料引入到模具中，并且然后使用于芯结构的一种或多种材料的可固化部分固化。然后，可以从模具中取出复合转子。轴可以设置有将轴与复合转子本体更好地接合的各种表面特征。所述方法还可以包括向转子施加可磨耗涂层并且使转子平衡。
根据本教导可以使用许多材料。例如，可以提供热塑性材料。热塑性材料可以设置在与加强纤维一体形成的螺纹中。热塑性纤维通常在加热过程中熔化。也可以利用热固性材料。在热固性材料的情况下，通常将热固性材料注入到纤维加强纤维中以将它们润湿。以这种方式，纤维形成加强材料的织物类型层。在其它实例中，可以铺设或以其它方式施加短切纤维以向转子提供加强。许多不同的构造也是可能的，只要它们适合于提供适当的根部强度和热稳定性。优选地，变型中的每一个使用净形模制工艺制造，使得在成型之后不需要进一步精加工。
通过以下结合附图对用于实施本教导的最佳模式的详细描述，本教导的以上特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是根据本教导的原理的复合转子本体的第一实例的正视图。
图2是根据本教导的原理的复合转子本体的第二实例的正视图。
图3是根据本教导的原理的复合转子本体的第三实例的正视图。
图4是根据本教导的原理的复合转子本体的第四实例的正视图。
图5是根据本教导的原理的复合转子本体的第五实例的正视图。
图6是根据本教导的原理的复合转子本体的第六实例的正视图。
图7是图1至图6的转子本体可以安装到其上的轴的透视图。
图8是利用图1至图3的转子本体中的任何一个和图7的轴的组装式转子的透视图。
图9是利用图4至图6的转子本体中的任何一个和图7的轴的组装式转子的透视图。
图10是具有流体膨胀器和压缩机的车辆的示意图，其中可以包括图8和图9中所示类型的转子组件。
图11是描述一种用于制造图8和图9的转子的第一方法的流程图。
具体实施方式
将参考附图详细描述各个实例，其中在整个几幅视图中相同的附图标记表示相同的零件和组件。对各个实例的引用并不限制所附权利要求的范围。另外，在本说明书中阐述的任何实例不旨在进行限制，而是仅仅阐述了所附权利要求的许多可能实例中的一些。参考附图，其中在整个几幅附图中相同的附图标记对应于相同或相似的部件。
转子构造
本教导的第一实例包括一种可用于形成图1至图3所示的转子30的复合转子本体100。如图所示，转子本体100可以具有沿着纵向轴线105-1、105-2、105-3、105-4延伸远离中央轴线X到达相应的尖端部分103-1、103-2、103-3、103-4(统称为尖端103)的四个径向隔开的突齿102-1、102-2、102-3、102-4(统称为突齿102)。在图1至图2的实例中，纵向轴线105-1和105-3是同轴的，而纵向轴线105-2和105-4也是同轴的。
如图所示，突齿102以第一间隔角a1等距隔开。在所示的实例中，间隔角a1约为90度，使得轴线105-1/105-3与轴线105-2/105-4正交。尽管示出了四个突齿，但是根据本公开应当理解，可以提供具有相应的间隔角的更少或更多的突齿，例如具有180度的间隔角的两个突齿、如图4至图6所示的具有120度的间隔角的三个突齿(稍后讨论)、具有72度的间隔角的五个突齿，以及具有60度的间隔角的六个突齿。当被模制形成转子30时，转子本体100的中央轴线X可以与轴线X1或转子30同轴。
如图所示，突齿102通过相邻的根部部分104-1、104-2、104-3、104-4(统称为根部部分104)连接在一起。在所示的特定实例中，突齿102可以在最接近尖端103处具有或限定凸形轮廓或周边，并且根部部分104具有或限定凹形轮廓或周边。合起来看，突齿102和根部部分104可以限定转子本体100的外周边106。应当注意到的是，突齿102不限于被限定为凸形，而是可以具有由直线或凹线限定的形状。同样地，根部部分104不限于被限定为凹形，而是可以具有由直线或凸线限定的形状。在一个实例中，突齿102处的转子本体100、200的外周边106被限定为渐开线形状，使得相邻的旋转部件30可以作为协作齿轮运转。
在一个实例中，转子本体100可以形成有用于接收转子轴的中央开口112。可选地，转子本体100可以被模制到轴上，使得中央开口112全部或部分地由转子轴限定。如图所示，中央开口112可以以中央轴线X为中心。
在一方面，转子本体100可以包括支撑结构114和芯结构116。芯结构116可以为转子本体100提供本体100所需体积的大部分，而不会对转子本体100增加过度的质量和旋转惯性。支撑结构114可以为转子本体100提供额外的结构支撑和稳定性，从而为转子本体100提供适当的环向强度和热稳定性。
在一个实例中，支撑结构114可以包括布置成编织、针织、捻绳缝合、捻绳制造或其它类型构造的连续纤维。合适的纤维的非限制性实例是碳纤维(低、中和高模量)、硼纤维、玻璃纤维纤维、芳族聚酰胺纤维(例如)及其组合。也可以使用其它类型的材料，例如金属纤维(例如钢、铝、钛等)。支撑结构114还可以包括不同材料类型或全部相同类型的纤维。
在一方面，支撑结构114可以由多根纤维形成，所述多根纤维可以以多种相应的取向布置以向转子提供适当的环向强度。在一个实例中，所述多根纤维中的每一根可以沿着单个取向轴线延伸以形成单向衬底(即，“0”衬底)。在一个实例中，所述纤维中的一些可以与剩余的纤维正交取向以形成双向衬底(即“0/90”衬底)。纤维也可以沿着三个不同的轴线对准以形成三轴织造(即，“0/+45/-45”衬底)，并且还可以沿着四个不同的轴对准以形成四轴织造(即，“0/+45/-45/90”编织)。在不背离本教导的情况下，许多其它取向是可能的。
支撑结构114中的多根纤维也可以是织造或非织造的(例如短切纤维和单向纤维)。可以用于纤维衬底114的一些类型的织造的非限制性实例是平纹织造、斜纹织造、对角线织造和综缎织造。支撑结构114还可以设置有均匀的纤维分布，或者可以被构造成使得纤维策略性地定位和取向，使得其可以被示出为在高应力区域(例如根部部分104)中加强转子本体100。
在一方面，芯结构116可以完全由单一材料或材料的组合形成。例如，芯结构116可以完全由聚合物热固性或热塑性材料形成。合适的聚合物材料的一个实例是塑料树脂，例如发泡或非发泡环氧树脂。可用于芯材料116的热固性材料的一些实例是乙烯基酯、酚醛和双马来酰亚胺(BMI)材料。可用于聚合物材料的热塑性材料的一些实例是聚酰胺(例如聚邻苯二酰胺)、聚芳基醚酮和尼龙。可以利用提供适当的热稳定性和适当的强度的其它材料。在考虑工作温度的某些应用中，可以选择具有至少与工作温度一样高或高于工作温度的玻璃化转变温度的芯材料116。在一个实例中，芯材料116可以是具有160℃的玻璃化转变温度的环氧树脂。在一个实例中，芯材料116可以分别以织造或非织造的材料(例如热塑性连续纤维或短切纤维)的形式提供。
可选地，芯结构116可以另外包括与支撑结构114一起放置到模具中的预成形插入件。在这种构造中，转子本体100可以通过将材料(例如上述聚合物材料中的任何一种、发泡材料和/或其它低密度材料)注入到模具中以将芯结构116固定到预成形插入件上而最终形成。注入的材料也可以流入到模具中以填充空隙空间，从而使得转子本体100的整体形状由注入的材料限定。预成形插入件可以是任何类型的合适材料，例如发泡聚苯乙烯(EPS)、发泡聚酯(EPE)和发泡聚丙烯(EPP)泡沫。支撑结构114可以是预成形或固化的部件，或者可以被配置为容纳和/或吸收芯结构116的聚合物材料，一旦聚合材料在模具内固化就变得刚性。
进一步应当注意到的是，芯结构116可以形成有延伸转子本体100的长度L的中空部分。在一个实例中，突齿102的中央部分可以是开放的，使得形成中空突齿102。这可以通过利用可移动的预成形插入件(例如泡沫芯)来实现，所述可移动的预成形插入件可在芯结构116部分或完全固化之后取出。可选地，也可以利用限定中空部分的模具。在期望形成中央开口112的地方，可以以相同的方式形成中央开口112。
用于支撑结构114的许多不同构造是可能的，如图1至图3所示。图1示出了其中支撑结构114被布置为围绕中央开口112安置并且延伸转子本体100的长度L的圆柱形内套筒115的构造。在一个实例中，圆柱形套筒115是预制的编织或织造的碳纤维套筒。如图所示，圆柱形内套筒115的尺寸被设计成使得套筒靠近转子本体100的根部部分104。因此，圆柱形套筒115增加了转子本体100在转子本体100的该高应力区域处的强度。如前所述，芯结构116可以包括预成形插入件、注入的聚合物材料或者两者的组合。在一个实例中，转子本体100在圆柱形内套筒115内的体积被设置为预成形插入件，围绕该预成形插入件设置有编织碳纤维套筒，其中圆柱形内套筒115外部的体积是也用于润湿碳纤维套筒的注入的聚合物材料。
图2示出了用于转子本体100的支撑结构114的附加实例，其中支撑结构114包括圆柱形内套筒115和外加强套筒117。圆柱形内套筒115与图1所示的类似，所不同的是图2的套筒115全部延伸到转子本体的根部部分104处。外加强套筒117被设置成转子本体100的外周边106的形状，其可以通过铺设方法利用模具中的原始纤维或者通过使用预成形套筒(例如利用聚合物材料预浸渍(预浸)的套筒)来实现。
在一个实例中，外加强套筒117和圆柱形内套筒115在根部部分104处彼此相邻和接触。在一个实例中，套筒115、117沿着转子本体100的长度L的全部或一部分在根部部分104处固定在一起。将套筒115、117固定在一起的一个方法是通过使用缝合121，缝合121可以利用与用于套筒115、117的材料相同或不同的材料来实现。通过将套筒115、117在根部部分104处固定在一起，在该高应力区域处向转子本体100提供了额外的强度。
在一个实例中，转子本体100在圆柱形内套筒115内的体积被设置为预成形插入件，围绕该预成形插入件设置有编织碳纤维套筒，其中外加强套筒117也是编织碳纤维套筒。在这种构造中，圆柱形内套筒115与外加强套筒117之间的体积可以是用于润湿套筒115、117的注入的聚合材料、发泡材料和/或另一种低密度材料。可选地，套筒115、117之间的大部分体积也可以由预成形插入件形成，其中剩余的空隙空间由注入的聚合物材料、发泡材料和/或其它低密度材料填充。
内套筒115可以由与用于外套筒117不同的材料形成。例如，内套筒115可以由玻璃纤维和环氧树脂形成，而外套筒117可以由碳纤维和环氧树脂形成。碳纤维/环氧树脂外套筒117提供必要的刚度，以解决与偏转相关的问题，所述偏转是高速下出现故障的根本原因。玻璃/纤维环氧树脂内套筒115解决了复合材料与钢轴300之间的热膨胀的差异。例如，如果转子本体100都是碳纤维，则钢轴300将膨胀得更快，从而导致转子本体100的根部区域中的高应力和随后发生的故障。测试已经表明，使用玻璃/纤维内套筒115可以确保转子本体100可以在超过100N-m的扭矩下抵抗在轴300上的滑动(例如，实例转子组件30的实际测试显示出在室温下为103N-m的扭矩滑动和在150摄氏度下为115N-m的扭矩滑动)。扭矩滑动可以被定义为保持力乘以轴的半径除以1000，其中所述保持力是径向力乘以转子本体100的摩擦系数，其中径向力通过分析轴300与转子本体100之间的界面的接触反应来确定。
在一个特定的实施例中，内套筒115由40重量百分比的环氧树脂和60重量百分比的短切玻璃纤维形成，而外套筒117由40重量百分比的环氧树脂和60重量百分比的短切碳纤维形成。套筒115、117可以预成形并且被放置到模具中，其中转子芯材料被注入到围绕套筒115、117的模具中。可选地，可将预成形的芯材料放置在模具中并且可以将用于套筒115和/或117的材料注入到模具中。在一个实例中，套筒玻璃/环氧树脂内套筒115与碳/环氧树脂外套筒117接触。在进一步的改进中，内套筒115可以被设置成具有约4毫米的厚度。织造的玻璃纤维和碳纤维也可用在以上描述的实例中，这可以提供与工作压力比和温度相关的额外性能。然而，使用短切纤维可以降低制造成本。
图3示出了用于支撑结构114的又一种设计。如图所示，提供一种内部加强结构119，其具有芯加强部分119a、端部部分119b和在其间延伸的径向延伸部119c。如图所示，芯加强部分119a嵌入在根部部分104之间的转子本体100的芯区域内，而端部部分119b嵌入在转子本体100的突齿102内。可以沿着根部区域104添加另外的材料层以提供额外的加强。在一个实例中，端部部分119b限定内部体积119d，芯结构材料可以流入所述内部体积119d内。在一个实例中，内部加强结构119的延伸部分119c可以设置有缝合121以提供额外的加强。在一个实例中，内部加强结构119可以预成形并且被装载在模具内。此后，可以将树脂注入到模具中以润湿内部加强结构119的织物并且形成转子本体100的本体。在一个实例中，内部加强结构119最初被设置为圆柱形编织套筒，然后将所述圆柱形编织套筒成形为具有部分119a、119b和119c。所得到的结构允许内部加强结构119嵌入在转子本体100内，使得对整个转子本体100提供加强。
参考图4至图6，示出了复合转子本体200的第二实例。在第一实例100与第二实例200之间存在许多相似之处，并且针对第一实例100的描述因此可应用于第二实例200。在存在类似特征的地方，利用相似的附图标记。然而，第二实例的相应特征用200系列附图标记指定，而不是用于第一实例100的100系列附图标记。转子本体200与转子本体100的不同之处在于转子本体200被示出设置有三个突齿202而不是四个突齿。因此，转子本体200中的突齿之间的间隔角a1可以是120度而不是90度。如从图4至图6还可以看出的，每个单独的突齿202和根部部分204的形状和几何结构可以不同于第一实例中所示。
有利地，与固体金属铝转子相比，复合转子本体100、200(以及因此组装式转子30)的惯性矩或转动惯性可以显著减小。转子本体100、200的这种减小的转动惯性可以具有若干好处。例如，可以示出形成有转子本体100、200的转子、齿轮或其它类型的旋转部件，以更快速地加速并且在互连部件(例如离合器)上引起更少的磨损。另外，复合转子本体100、200具有高的环向强度，在根部区域具有足够的强度，以防止突齿从转子的中央部分脱离。由于在一些应用中转子可以以20,000rpm的速度行进，因此可能需要显著水平的环向强度，这是通过本教导的复合转子来实现的。
参考图7，示出了根据本教导的转子轴300。根据应用，转子轴可以由复合材料、铝或钢(例如低碳热处理钢、不锈钢等)制成。轴300可以延伸穿过复合转子本体的中央开口112、212，并且一旦复合转子本体固定到轴300上，所述轴300能够在转子本体100、200与输入或输出装置之间传递动力。如图所示，转子轴300包括第一端部302和第二端部304。轴300可设置有安装区段306，所述安装区段306用作转子本体100、200的安装位置或者转子本体可模制在其上的位置。
转子轴300还可以设置有可以用于将转子本体100、200固定到转子轴300上的一个或多个固定特征。例如，可以在安装区段306的表面上设置滚花308以增加转子本体100、200的塑料树脂116、216与转子轴300之间的结合。在一些实施例中，支撑结构115、119a、215、219a限定轴300穿过其延伸的中央开口112、212。在一个实例中，支撑结构115、119a、215、219a的尺寸被设计成使得形成支撑结构与轴300之间的压配连接。在所示的实例中，一个或多个表面特征308被设置为安装区段306的表面中的多个纵向凹部，所述多个纵向凹部将转子本体沿径向方向锁定到转子轴300上。表面特征308的实例是滚花、毛刺和花键。可以提供的另一个固定特征是位于安装区段306的一端的阶梯部分312。如图所示，阶梯部分具有比安装区段306大的直径，从而防止转子本体100、200在转子轴上朝向第一端部302纵向滑动。
安装区段306还可以设置有一个或多个周向槽310，注入的聚合物材料116、216可以流动到所述一个或多个周向槽310中，从而将转子本体100、200沿轴向方向锁定到转子轴300上。根据本公开可以认识到的是，可以选择周向槽310的位置以允许转子本体100、200与轴300之间发生热膨胀。合适的位置的一个实例与阶梯部分312相邻。转子轴300还可以设置有可沿着安装区段306的整个长度延伸的花键。
参考图8和图9，示出了分别使用复合转子本体100和200的组装式转子30。参考图8，转子30被设置为直转子。参考图9，转子30被设置为螺旋转子，其具有恒定的螺旋角或变化的螺旋角(例如，旋转偏移的程度沿着转子的长度L增加和/或减小)。应当注意到的是，转子本体100可以被设置为螺旋转子，并且转子本体200也可以被设置为直转子。
转子装配方法1000
参考图11，呈现了根据本公开的系统和方法1000的实例。应当注意到的是，尽管附图以特定顺序示意性地示出了步骤，但是并不意图将所描述的过程限制为以所示顺序执行。相反，可以以重叠的方式、以不同的顺序和/或同时执行所示步骤中的至少一些。而且，图11所示的方法本质上是实例性的，并且在不脱离本文所公开的中心概念的情况下，可以并入或改变其它步骤或步骤的组合。
在步骤1002中，提供了一种根据本教导的支撑结构和用于芯结构的材料。在一个实例中，支撑结构可以是预浸碳纤维。在一个实例中，支撑结构仅被设置为纤维衬底。在一个实例中，芯结构最初被设置为可倾注或可注射的液体聚合物材料。在一个实例中，芯结构被设置为预成形插入件和初始为液体的聚合物材料的组合。
在步骤1004中，将支撑结构放置到模具中。模具可以限定具有直突齿或螺旋突齿的转子本体，或者可以限定用于另一类型的旋转部件的本体，例如用于齿轮的本体。
在步骤1006中，将轴或其它中央部件插入到模具中。在不需要具有其上模制有转子的轴的转子的情况下，可以在芯结构部分或完全地固化之后插入预成形插入件(例如泡沫芯)，并且然后将其取出。可选地，可以在转子完全形成之后插入中空轮毂，通过所述中空轮毂可以插入轴。
在步骤1008中，将芯结构材料引入到模具中。在芯结构材料是初始为液体的聚合物材料(例如环氧树脂)的情况下，步骤1008可以包括将芯结构材料倾倒或注入到模具中，直到期望的模具体积充满芯结构材料。在芯结构材料包括插入件的情况下，步骤1008可以包括首先插入插入件，并且然后将聚合物材料注入到模具中。在需要或期望时，支撑结构、轴或中央部件和/或插入件可以在将聚合物材料引入到模具中之前固定在模具内的适当位置或由模具固定。
在步骤1010中，使用于芯结构的材料固化。此步骤还可以包括添加热量，特别是在利用热塑性材料的情况下。组件可以留在模具内，直到发生完全固化，或者可以在部分固化之后从模具中取出并且移动到向组件施加热量以用于最终固化的烘箱中。在一些应用中，使用净形或近净形模制方法，这意味着在芯结构材料固化之后需要很少或不需要精加工来达到最终的转子形状。在一个实例中，在对于图2和图5的实例利用预浸碳纤维的情况下，完全固化的转子本体100、200的外表面可以是基本上光滑的，从而不需要对表面施加精加工技术。还可以利用注射成型来提供具有光滑外表面的转子本体100、200，所述转子本体100、200单独由芯结构的注入的聚合物材料形成或者由注入的聚合物材料和外加强套筒的组合形成。在一些实例中，可能需要以某种方式修改外表面。例如，可能需要施加可磨耗涂层以使一对相邻的转子30之间的间隙更紧密。
在步骤1012中，可以使转子30平衡。在一个实例中，可以通过从转子本体100、200的一个或多个突齿中去除材料来进行平衡。一种平衡方法是使用钻头以在预定位置去除预选量的材料。
旋转组件应用
上述转子组件30可以用于涉及旋转装置的各种应用中。两个此类应用可以是用于流体膨胀器20和压缩装置21(例如增压器)中，如图10所示。在一个实例中，流体膨胀器20和压缩装置21是体积式装置，其中膨胀器20和压缩装置21内的流体经过转子30进行输送而没有体积变化。图10示出了设置在车辆10中的膨胀器20和增压器21，所述车辆10具有用于沿适当路面移动的车轮12。车辆10包括接收进气17并且在排气装置15中产生高温排气形式的废热的动力装置16。在一个实例中，动力装置16是燃料电池。转子组件30还可以用作齿轮系中的直齿轮或螺旋齿轮(即旋转部件)、用作其它类型的膨胀和压缩装置中的转子、用作泵中的叶轮，以及用作混合装置中的转子。
如图10所示，膨胀器20可以接收来自动力装置排气装置15的热量，并且可以将热量转化为有用功，所述有用功可被输送回动力装置16(通过电气方式和/或通过机械方式)以增加动力装置的整体运行效率。如所配置的，膨胀器20可以包括壳体23，在壳体23内安置有一对转子组件30。具有转子组件30的膨胀器20可以被配置成从排气装置直接或间接地接收来自动力装置16的热量。
在标题为“排气能量回收系统”的专利合作条约(PCT)国际申请号PCT/US2013/078037中公开了直接接收来自动力装置16的排气的流体膨胀器20的一个实例。PCT/US2013/078037通过引用全部并入到本文中。
在标题为“体积式能量恢复装置和系统”专利合作条约(PCT)国际申请公开号WO2013/130774中公开了一种通过有机朗肯循环间接地接收来自动力装置排气装置的热量的流体膨胀器20的一个实例。WO 2013/130774通过引用全部并入到本文中。
仍然参考图10，可以示出设置有壳体25的压缩装置21，在所述壳体25内安置有一对转子组件30。如所配置的，压缩装置可以由动力装置16驱动。如所配置的，压缩装置21可以增加输送到动力装置16的进气17的量。在一个实例中，压缩装置21可以是在标题为“用于根式增压器的优化螺旋角转子(OPTIMIZED HELIX ANGLE ROTORS FOR ROOTS-STYLESUPERCHARGER)”的美国专利7,488,164中所示和所描述类型的根式鼓风机。美国专利7,488,164通过引用全部并入到本文中。
材料选择
在转子30被安置在壳体(例如壳体23和25)中的情况下，根据本公开将认识到的是，对于转子和壳体的材料选择必须给予适当考虑以便维持转子与壳体之间期望的间隙。例如，不当的材料选择可能导致转子在被工作流体(例如发动机排气、乙醇、水、空气等)加热到壳体的内壁中时膨胀，从而损坏转子和壳体。根据本公开将认识到的是，适当地选择具有适当的相对热膨胀系数的材料可导致转子在膨胀状态下不会接触同样膨胀的壳体并且将维持转子与壳体之间的最小间隙以便在更广泛的温度范围内实现最大的效率。而且，由于转子更直接地暴露于工作流体(例如排气或朗肯循环中使用的溶剂)，并且壳体可以将热量辐射到外部，所以转子可以显示为比壳体更大程度地膨胀。通过本实例，用于转子的材料可以具有低于壳体的热膨胀系数的热膨胀系数。
由于复合转子100、200可以设置有具有相对低的热膨胀系数的材料，所以更多的材料可用于壳体23、25，例如镁和铝。在一个实例中，碳纤维转子与铝或壳体结合使用。由于碳纤维具有比铝更低的热膨胀系数，所以壳体和转子都将膨胀，但是在一定程度上，其中每个部件膨胀以实现允许最大效率的间隙。此外，由于纤维取向对转子的生长有影响，所以可以选择纤维取向以进一步最小化间隙从而提高性能和效率。当然，根据所需的性能标准，转子和壳体材料还有许多其它的可能性。
根据本公开还将认识到的是，针对转子30所选择的塑料树脂116、206也可用于具有低温或高温的应用。例如，标准环氧树脂可以限制流体在约-40℃至约150℃之间的流体处理应用中转子30的运转。
虽然已经详细描述了用于实施本教导的许多方面的最佳模式，但是熟悉这些教导所涉及的领域的技术人员将认识到在所附权利要求的范围内的用于实践本教导的各种可选方面。

Claims (29)

1.一种复合转子组件，其包含：
a.轴；以及
b.安装到所述轴上的转子本体，所述转子本体包括：
i.包括固化的聚合物材料的芯结构，所述芯结构限定第一长度、所述轴穿过其延伸的中央开口以及远离所述中央开口延伸的多个突齿，所述突齿中的每一个通过相邻的根部部分连接并且具有与所述中央开口的中心相交的纵向轴线；
ii.支撑结构，其连续地延伸所述芯结构的长度并且至少部分地嵌入在所述芯结构内，所述支撑结构包括多根纤维。
2.根据权利要求1所述的复合转子组件，其中，所述支撑结构的所述多根纤维是碳纤维，并且其中所述芯结构的所述固化的聚合物材料是环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的复合转子组件，其中，所述支撑结构的所述碳纤维采用聚合材料预浸渍。
4.根据权利要求2所述的复合转子组件，其中，所述支撑结构被设置为编织碳纤维套筒。
5.根据权利要求1所述的复合转子组件，其中，所述芯结构另外包括至少一个插入件结构，所述至少一个插入件结构由泡沫材料形成。
6.根据权利要求1所述的复合转子组件，其中，所述支撑结构形成为圆柱形内套筒。
7.根据权利要求6所述的复合转子组件，其中，所述圆柱形内套筒被安置在所述中央开口与所述突齿之间的所述根部部分之间。
8.根据权利要求7所述的复合转子组件，其中，所述支撑结构进一步包括围绕所述芯结构的外周边安置的外加强套筒，所述外周边由所述多个突齿和根部部分限定。
9.根据权利要求8所述的复合转子组件，其中，所述外加强套筒和所述圆柱形内套筒靠近所述芯结构的所述根部部分而固定在一起。
10.根据权利要求9所述的复合转子，其中，所述外加强套筒和所述圆柱形套筒通过缝合固定在一起。
11.根据权利要求1所述的复合转子，其中，所述支撑结构完全嵌入在所述芯结构内。
12.根据权利要求11所述的复合转子，其中，所述支撑结构形成有芯加强部分和远离所述芯加强部分延伸的多个径向延伸部，其中所述芯加强部分位于所述芯结构的所述中央开口与所述根部部分之间，其中每个径向延伸部延伸到所述芯结构的所述多个突齿中的一个中。
13.根据权利要求12所述的复合转子，其中，所述支撑结构被设置为形成到所述芯加强部分和所述径向延伸部中的单个编织套筒。
14.根据权利要求13所述的复合转子，其中，所述支撑结构设置有缝合以限定所述径向延伸部的形状。
15.根据权利要求11所述的复合转子，其中，所述支撑结构进一步包括多个端部部分，其中所述多个端部部分中的每一个与所述径向延伸部中的一个连接。
16.根据权利要求15所述的复合转子，其中，所述多个端部部分中的每一个限定内部体积，所述芯结构的所述固化的聚合物材料存在于所述内部体积中。
17.一种制造复合转子的方法，所述方法包含以下步骤：
a.提供支撑结构和用于芯结构的一种或多种材料；
b.将所述支撑结构插入到模具中；
c.将轴插入到所述模具中；
d.将用于所述芯结构的所述一种或多种材料引入到所述模具中；
e.使所述芯结构的所述一种或多种材料的可固化部分固化；以及
f.从所述模具中取出所述复合转子。
18.根据权利要求17所述的制造复合转子的方法，其中，提供用于芯结构的一种或多种材料的所述步骤包括提供环氧树脂，以及将用于所述芯结构的所述一种或多种材料引入到所述模具中的所述步骤包括将所述环氧树脂注入到所述模具中。
19.根据权利要求18所述的制造复合转子的方法，其中，提供支撑结构的所述步骤包括插入由碳纤维套筒形成的支撑结构。
20.根据权利要求17所述的制造复合转子的方法，其中，所述环氧树脂润湿并与所述碳纤维套筒结合。
21.一种复合转子组件，其包含：
a.轴；以及
b.安装到所述轴上的转子本体，所述转子本体包括：
i.包括固化的聚合物材料的芯结构，所述芯结构限定第一长度、所述轴穿过其延伸的中央开口以及远离所述中央开口延伸的多个突齿，所述突齿中的每一个通过相邻的根部部分连接并且具有与所述中央开口的中心相交的纵向轴线；
ii.支撑结构，其连续地延伸所述芯结构的长度并且至少部分地嵌入在所述芯结构内，所述支撑结构包括：
1.安置在所述中央开口与所述突齿之间的根部部分之间的内套筒；以及
2.围绕所述芯结构的外周边安置的外套筒，所述外周边由所述多个突齿和根部部分限定。
22.根据权利要求21所述的复合转子组件，其中，所述内套筒包括第一多根纤维，并且所述外套筒包括第二多根纤维。
23.根据权利要求22所述的复合转子组件，其中，所述第一多根纤维由与形成所述第二多根纤维的材料不同的材料形成。
24.根据权利要求23所述的复合转子组件，其中，所述第一多根纤维是玻璃纤维，并且所述第二多根纤维是碳纤维。
25.根据权利要求24所述的复合转子组件，其中，所述第一多根纤维和第二多根纤维包括短切纤维。
26.根据权利要求21所述的复合转子组件，其中，所述内套筒由短切玻璃纤维和环氧树脂形成，并且其中所述外套筒由短切碳纤维和环氧树脂形成。
27.根据权利要求26所述的复合转子组件，其中，所述内套筒为大约60重量百分比的短切玻璃纤维和大约40重量百分比的环氧树脂，并且其中所述外套筒为大约60重量百分比的短切玻璃纤维和大约40重量百分比的环氧树脂。
28.根据权利要求21所述的复合转子组件，其中，所述内套筒与所述外套筒接触。
29.根据权利要求28所述的复合转子组件，其中，所述内套筒结合至所述外套筒。
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