CN1113163C - 旋转活塞机器的改进 - Google Patents

Abstract

一种旋转活塞机器，采用斯特林原理且可作为引擎或热泵运行。两变容单元(1、4)有具有n个凸起的可绕一公共轴线以第一速度转动工作室(3、6)。每一工作室容纳有一个(n+1)侧面的活塞(2、5)，这些活塞可绕一不同的公共轴线以不同的第二速度转动，且与凸起配合以形成膨胀和减小的子工作室。第一和第二速度的比值是(n+1)：n。包括蓄热器的n个导管(10、11)在工作室(3、6)之间形成互连，且由活塞的相对转动打开或关闭，以在单元之间交换流体或蒸汽。可以为一单元，即膨胀单元(1)提供加热，而为另一单元，即压缩单元(4)提供冷却，且导管也可包括加热和冷却装置。

Description

旋转活塞机器的改进

本发明涉及旋转活塞机器。它涉及斯特林原理的采用，涉及在有长短幅圆外旋轮线凸起(epitrochoidal lobes)、经历封闭热力循环过程的工作流体或蒸汽的工作室中运行的多侧面活塞。该机器可用作引擎或热泵。

本发明提供了一种流体或蒸汽旋转活塞机器，它包括两个变容单元，每一单元有一旋转的多凸起长短幅圆外旋轮线的工作室和其中的一多侧面旋转活塞，其中由活塞与相关的工作室的外围形成多个单独的子工作室，活塞侧面的数目(n+1)比长短幅圆外旋轮线的弧的数目(n)多1个，其中两工作室被强制以第一公共速度绕第一有效公共轴线转动，而两活塞被强制以第二公共速度绕第二有效公共轴线转动，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个(n)能经导管在工作室之间连接的双功能端口，且所述每一个导管中有一蓄热器(regenerator)，作为相对转动和端口位置的结果，能使一变容单元执行吸入、膨胀和排放过程，而另一单元执行吸入、压缩和排放过程。

可取的是，工作室将是同轴的，将作为转子。这样简化了结构。但理论上它们可以在不同的轴线上，而且耦合以协调一致的转动。术语“有效”意在包括这种选择。

可以为执行膨胀过程的变容单元提供加热部件，且还可在每一所述蓄热器和执行该膨胀过程的变容单元之间有加热装置。

也可为执行压缩过程的变容单元提供冷却装置，且还可在每一所述蓄热器和执行该压缩过程的变容单元之间有冷却装置。

在优选形式中n＝2，所以有在双凸起的工作室中运行的三侧面活塞。

可以但不是必须被加热的膨胀单元有其端口，该端口的布置使得其中形成的工作室当不与一端口连通时一般容积增加，当所述工作室与一端口连通时一般容积减小。可以但不是必须被冷却的另一单元即压缩单元有其端口，该端口的布置使得其中形成的工作室当不与一端口连通时一般容积减小，当所述工作室与一端口连通时一般容积增加。这样在与端口开口隔离的工作室内发生工作过程，而在一对工作室之间发生工作流体或蒸汽的传输，每一工作室与开向一公共导管的端口连通。如果给流向、流出或容纳在膨胀单元的工作流体或蒸汽实行高级热传递，而从流向、流出或容纳在压缩单元的工作流体或蒸汽实行低级热传递，那么该机器为一引擎，有机械功输出。如果机械功施加到旋转部件上，给膨胀单元的区域实行低级热传递，而从压缩单元的区域发生高级热传递，那么该机器作为一热泵或制冷机。

为了对本发明有更好的理解，现在将通过示例参照附图说明，其中：

图1、2、3、4和5是示出在转动循环过程中的间隔处，一旋转活塞机器的膨胀和压缩单元的相对位置示意图；和

图6是通过该机器的一优选实施例的示意截面图。

膨胀单元1有一容纳在工作室3内的旋转活塞2，而压缩单元4有一容纳在工作室6中的旋转活塞5。每一活塞2和5是扁平的，通常为等边三角形形式，但带有三角形凸边和拱起的边。每一工作室3和6也是扁平的，接近地限制活塞的表面，且为双凸起长短幅圆外旋轮线形式。这样工作室有在其中心以直角相交的主轴和副轴。两单元1和4刚性地连接，从而绕通过它们中心的一公共轴线沿同样的方向以同样的速度转动，工作室3和6的主轴互相成90度。两旋转活塞2和5也刚性地连接，从而绕通过它们中心的一公共轴线沿同样的方向以同样的速度转动，该速度是工作室3和6的转动速度的三分之二。活塞2的拱形侧面2a、2b和2c与另一活塞5的对应侧面5a、5b和5c成180度布置。活塞2和5的侧面与相应工作室3和6的轮廓相配合，在运行中形成不同容积和形状的子工作室3a、3b和3c与6a、6b和6c，如下所述。

膨胀单元1上的端口7和8对角地彼此相对，且在运动的方向(如图1至5中为顺时针方向)上从工作室3的副轴线偏离30度。相当的端口9和10类似地位于压缩单元4上，但沿旋转的相反方向从工作室6的副轴线偏离30度。这样定位确保了在运行过程中，当膨胀单元1的一个子工作室为最大容积时，一端口7或8将开向该子工作室。类似地，当压缩单元4的一个子工作室为最大容积时，一端口9或10刚好关闭该子工作室。膨胀单元端口7通过一互连管11连接到压缩端口9，相对于单元1和4的转动轴线对角地相对，而膨胀单元端口8类似地通过一互连管12连接于压缩单元端口10。这些管的每个都含有蓄热器(未示出)。

运行顺序如下：

在图1中，加热的工作流体或蒸汽充满子工作室3a，该子工作室处在最小容积，且经端口8开向导管12。子工作室3b被隔开且容积在增加。子工作室3c容积在减小，从而经端口7通过导管11排出工作流体或蒸汽。流体或蒸汽在引擎的情况下放出，或在热泵的情况下吸收，导管11内的蓄热器中的热量。冷却的工作流体或蒸汽充满子工作室6a，该子工作室为最大容积，被隔离，且将要开始压缩循环。子工作室6b处于其压缩循环中，容积在减小且被隔离。子工作室6c容积在增加且经端口9开向导管11。因此，它从子工作室3c接收工作流体或蒸汽。端口10由活塞5关闭。

在图2中，活塞2和5已经顺时针转动了30度，工作室3和6转动了45度。子工作室3a容积增加且经端口8从导管12和从子工作室6b接收工作流体或蒸汽，子工作室6b继续减小容积且现在与端口10相通。子工作室3b继续增加容积，其中被隔离的加热的工作流体或蒸汽被膨胀，而工作流体或蒸汽继续经端口7、导管11和端口9从子工作室3c传输到子工作室6c。子工作室6a内的冷却的工作流体或蒸汽保持隔离且随着子工作室的容积的减小而被压缩。

在图3中，活塞已经从其最初位置转动了60度，而工作室转动了90度。子工作室3a继续增加容积，但活塞2关闭了端口8，从而中止了工作流体或蒸汽的进入，于是在该子工作室中开始了膨胀过程。子工作室3b已经达到其最大容积，其中加热的工作流体已经达到了其膨胀过程的尽头，而子工作室3c继续减小容积，工作流体或蒸汽经端口7、导管11和端口9流到压缩单元4。在隔离的子工作室6a中随着其内容积的减小，冷却的工作流体继续被压缩。子工作室6b处在最小容积，且经端口10开向导管12，但工作流体或蒸汽由于端口8的关闭而不再流动。子工作室6c继续增加容积，且继续经端口9从子工作室3c接收工作流体或蒸汽。

在图4中，活塞2和5已经又移动了一个30度，而工作室3和6也又移动了一个45度。子工作室3a被隔离且容积在增加，其中加热的工作流体继续其膨胀过程。现在子工作室3b与端口8相通，因为端口8不被活塞2覆盖，且因为子工作室容积在减小，所以其中的工作流体或蒸汽被强迫进入导管12。子工作室3c继续减小容积，工作流体或蒸汽继续经端口7、导管11和端口9传输到压缩单元4。子工作室6a保持隔离且容积减小，冷却的工作流体或蒸汽继续其压缩过程。现在子工作室6b增加容积，且由于其与端口10相通，所以经导管12从子工作室3b接收工作流体或蒸汽。子工作室6c继续增加容积，工作流体或蒸汽继续从膨胀单元1经端口9和导管11进入。

在图5中，活塞从其原始位置离开了120度，而工作室从其原始位置离开了180度。子工作室3a继续增加容积，其中加热的、隔离的工作流体继续其膨胀过程。子工作室3b继续减小容积，其工作流体或蒸汽经端口8、导管12和端口10流到容积正在增加的子工作室6b。子工作室3c为最小容积，且经端口7开向导管11，但压缩单元活塞5已经关闭了端口9，所以工作流体或蒸汽不再流动。子工作室6a仍然隔离且容积在减小，其中冷却的工作流体处于其压缩过程的尽头。子工作室6b继续接收从膨胀单元1传输来的工作流体或蒸汽。现在子工作室6c由于端口9的关闭而隔离，处于最大容积状态，且其中的工作流体或蒸汽处于其压缩过程的开始状态。现在机器中的位置类似于图1，虽然在前面的图中，不同的工作流体或蒸汽的主体占据了不同的空间。

认为冷却的工作流体的主体在图1的子工作室6a中处于其压缩过程的开始。当单元1和4转动180度而旋转活塞2和5转动120度时，相对的转子转动将是在相反方向上的60度。这样发现在其压缩过程的尽头的子工作室6a中的流体的主体，处于与图1的子工作室6b中的冷却的工作流体或蒸汽的相类似的状态。在又30度的相对转子转动后(相当于图3的位置)，子工作室6a将为最小容积，其中的工作流体或蒸汽的大部分将已经经端口9、导管11和端口7传输到子工作室3c，且在引擎的情况下吸收，或者在热泵的情况下抵制，在其通过导管11的过程中的热量。在这一点，总的相对转子转动是90度，活塞2将已经经过了端口7。膨胀的子工作室3c允许其中的加热的工作流体或蒸汽膨胀，直到已经发生了又60度的相对转子转动(总数为150度)，此时子工作室3c为最大容积。进一步的转动露出了端口8，使得加热的工作流体或蒸汽经导管12排出，其中在引擎的情况下它被冷却，或者在热泵的情况下被加热。然后它经端口10进入子工作室6c，该传输过程发生在又90度的相对转子转动上，那么总数将是240度，此时子工作室3c将为最小容积。现在活塞5覆盖端口10且重复包含这种特定的工作流体或蒸汽的主体的热力循环。

这些过程可以制成在360度相对转子转动上的表格，相当于720度的活塞转动和1080度的工作室转动，如下面的表1所示。

上述封闭的热力循环重复发生，伴随着相位偏移，工作流体或蒸汽的四个主体。在图1中，这些位于在压缩的开始的子工作室6a内，在朝向压缩尽头的子工作室6b，在经历蓄热传递的子工作室3c、6c和导管11中，在经受膨胀的子工作室3b内。子工作室3a内残余的工作流体或蒸汽等待与子工作室6b内的工作流体或蒸汽的主体混合。应当指出的是在两膨胀和压缩单元中的工作过程为相同的持续时间，即60度的相对转子转动。工作流体或蒸汽从压缩单元4到膨胀单元1的蓄热传递总是到一个不同标识的子工作室，即，6a到3c，6b到3a和6c到3b，且为短持续时间，即30度的相对转子转动。工作流体或蒸汽从膨胀单元1到压缩单元4的蓄热传递总是到一个相同标识的子工作室，即3a到6a、3b到6b和3c到6c，且为长持续时间，即90度的相对转子转动。如果单元1和4为同样大小，这不是必要的，那么几何形状确保了后一种传递在恒定的总体积下进行。

任何一种工作流体或蒸汽的主体的蓄热传递总是在两导管11和12之间交替完成。也就是，从一单元经一导管到另一单元的传递总伴随有经另一导管的返回传递。由于在这些传递过程中成对的子工作室，任何一种工作流体或蒸汽的主体将最终经机器内每一子工作室传输，以便迅速地获得工作流体或蒸汽的质量和能量平衡。

后面有工作流体或蒸汽的一种主体的路线可以在720度的相对转子转动上制成表格，相当于1440度的活塞转动和2160度的壳体转动，如下表2所示。在该表中所研究的工作流体或蒸汽的主体是图1的子工作室6a中出现的，处于其压缩过程的开始。可以看出，在经过机器的全部其他子工作室之后，在它返回到子工作室6a之前，经历三个完全的热力循环。在图1中子工作室6b中出现的工作流体或蒸汽的第二种主体，经历其膨胀过程，将沿表2所示的同样的路线，与表2所示的有+360度的相对转子转动的相位移。在图1的子工作室6b中出现的工作流体或蒸汽的第三种主体，朝向其压缩过程的尽头，将沿同样的路线，但有交换的管，从而膨胀单元到压缩单元的传递经导管12进行，同时，通过导管12进行反向传递，与表2所示的有+180度的相对转子转动的相位移。在图1的子工作室3c、6c和导管11中出现的工作流体或蒸汽的第四种主体，经历到压缩单元的蓄热传递，将沿与工作流体或蒸汽的第三种主体同样的路线，但与表2所示的有-180度的相对转子转动的相位移。因此，该机器在整个由1440度的活塞转动，相当于2160度的工作室转动和720度的相对转子转动所限定的时间周期上提供了总共12个热力循环。

应当指出的是，每一个热力循环在由240度的相对转子转动，即480度的活塞转动和720度的工作室转动所限定的期间内发生。无论那个部件，或者成对的活塞2和5或者成对的单元1和4，用作引擎工作输出介质或热泵工作输出介质，该热力循环比那些普通的往复式热引擎和往复式热泵有更长的持续时间。这些必须在输出或输入轴转动的整个360度上进行。上述的旋转机器的这个特征增强了热传递过程，能够达到理论上的理想热力循环。

在图6中，两单元1和4由一在标记14和15处轴颈支承于固定的台座16内的中空轴13刚性连接，活塞2和5由一在标记18和19处轴颈支承于固定的台座16内的公共轴17支撑。端口7、8、9和10在工作室3和6的扁平径向侧面内，在其外围附近，且开向活塞2和5的平面并由该平面封闭。在轴13和17之间的齿轮联轴节20确保了单元1和4沿所述的方式相对于活塞2和5转动。

单元1和4可以被封装或遮罩，以分开它们周围的高低温度区域，每一单元有一较大的有效传热的表面积。这些单元的转动促进接近均匀的温度分布。

除在单元1和4之间保持温度差异之外，可以提供用于导管11和12的附加的加热或冷却装置，例如，采用封闭或遮罩措施来包围导管的端部。在蓄热器和单元1之间还可以有加热装置，而在蓄热器和单元4之间也可以有冷却装置。

为简化起见，图6示出了两个隔离的可转动结构。当然，将有一个与一个或另一个转动结构的连接，以便在引擎的情况下放出功，或在泵的情况下吸收功。轴13和17适于采用。

应当理解的是，虽然已经描述了在双凸起工作室内运行的三侧面活塞的简单实施例，但可以有更精巧的布置，其中在由相当数目的有蓄热器的导管连接的n个凸起工作室中有n+1(n＞2)个侧面的活塞。工作室与活塞的相对转动速度比将是n+1∶n。表1

活塞转动	工作室转动	相对转子转动	压缩室			导管		压缩室
											3a	3b	3c	11	12	6a	6b	6c
			0	0	0	-	膨胀	排出	→蓄热	-									压缩	压缩	吸入
30	45	15									吸入	膨胀	排出	→蓄热	←蓄热	压缩	排出	吸入
			60	90	30	膨胀	膨胀	排出	→蓄热	-									压缩	-	吸入
90	135	45									膨胀	排出	排出	→蓄热	→蓄热	压缩	吸入	吸入
			120	180	60	膨胀	排出	-	-	→蓄热									压缩	吸入	压缩
150	225	75									膨胀	排出	吸入	←蓄热	→蓄热	排出	吸入	压缩
			180	270	90	膨胀	排出	膨胀	-	→蓄热									-	吸入	压缩
210	315	105									排出	排出	膨胀	→蓄热	→蓄热	吸入	吸入	压缩
			240	360	120	排出	-	膨胀	→蓄热	-									吸入	压缩	压缩
270	405	135									排出	吸入	膨胀	→蓄热	←蓄热	吸入	压缩	排出
			300	450	150	排出	膨胀	膨胀	→蓄热	-									吸入	压缩	-
330	495	165									排出	膨胀	排出	→蓄热	→蓄热	吸入	压缩	吸入

用度表示的转动角                   -：停滞的流体或蒸汽流Expan：膨胀过程                    Comp：压缩过程→蓄热：蓄热         从膨胀单元传输到压缩单元→蓄热：蓄热         从压缩单元传输到膨胀单元表1(续)

活塞转动	工作室转动	相对转子转动	压缩室			导管		压缩室
											3a	3b	3c	11	12	6a	6b	6c
			360	540	180	-	膨胀	排出	-	→  蓄热									压缩	压缩	吸入
390	585	195									吸入	膨胀	排出	←  蓄热	→  蓄热	压缩	排出	吸入
			420	630	210	膨胀	膨胀	排出	-	→  蓄热									压缩	-	吸入
450	675	225									膨胀	排出	排出	→  蓄热	→  蓄热	压缩	吸入	吸入
			480	720	240	膨胀	排出	-	→  蓄热	-									压缩	吸入	压缩
510	765	255									膨胀	排出	吸入	→  蓄热	←  蓄热	排出	吸入	压缩
			540	810	270	膨胀	排出	膨胀	→  蓄热	-									-	吸入	压缩
570	855	285									排出	排出	膨胀	→  蓄热	→  蓄热	吸入	吸入	压缩
			600	900	300	排出	-	膨胀	-	→  蓄热									吸入	压缩	压缩
630	945	315									排出	吸入	膨胀	←  蓄热	→  蓄热	吸入	压缩	排出
			660	990	330	排出	膨胀	膨胀	-	→  蓄热									吸入	压缩	-
690	1035	345									排出	膨胀	排出	→  蓄热	→  蓄热	吸入	压缩	吸入
			720	1080	360	-	膨胀	排出	-	→  蓄热									压缩	压缩	吸入

                                表2 数字表示伴随相应工作室转动的活塞转动，用度表示comp：压缩过程                          Regen ：蓄热传递过程                              Expan ：膨胀过程3a，3b，3c：膨胀工作室标识                              6a，6b，6c：压缩工作室标识

Claims (6)

1.一种流体或蒸汽旋转活塞机器，其包括两个变容单元，每一单元有一旋转的多凸起长短幅圆外旋轮线的工作室和其中的一多侧面旋转活塞，由活塞与相关的工作室的外围相配合形成多个单独的子工作室，活塞侧面的数目(n+1)比长短幅圆外旋轮线的弧的数目(n)多1个，其中两工作室被强制以第一公共速度绕第一有效公共轴线转动，而两活塞被强制以第二公共速度绕第二有效公共轴线转动，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个(n)能经导管在工作室之间连接的双功能端口，且所述每一个导管中有一蓄热器，由于相对转动和端口位置的结果，能使一变容单元执行吸入、膨胀和排放过程，而另一单元执行吸入、压缩和排放过程。

2.如权利要求1所述的旋转活塞机器，其特征在于，为执行膨胀过程的变容单元提供加热装置。

3.如权利要求2所述的旋转活塞机器，其特征在于，其还在每一所述蓄热器和执行该膨胀过程的变容单元之间提供加热装置。

4.如权利要求1、2或3所述的旋转活塞机器，其特征在于，为执行该压缩过程的变容单元提供冷却装置。

5.如权利要求4所述的旋转活塞机器，其特征在于，其还在每一所述蓄热器和执行该压缩过程的变容单元之间提供冷却装置。

6.如权利要求1所述的旋转活塞机器，其特征在于，n＝2。

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