MXPA01009164A - Unidad de potencia rotatoria. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una unidad de potencia rotatoria (10), que comprende un alojamiento (22) que tiene una abertura circular (24) y una pluralidad de los orificios (28) que se extiende a lo largo de un eje radial desde un centro de la abertura (24) un rotor nodular (52) montado dentro de la abertura (24) del alojamiento (22) y rotatorio coaxialmente dentro de la abertura (24). El rotor nodular (52) comprende una pluralidad de nodos (58) distribuidos igualmente a lo largo del círculo de unión de los mismos y el número de nodos (58) es un número entero impar menor que el número de orificios (28) en el alojamiento (22). Una pluralidad de módulos cilindros reemplazables (70) se pueden recibir de manera fija dentro de un orificio respectivo (28) dentro del alojamiento (22). Cada módulo cilíndrico (70) comprende unémbolo (72) deslizable dentro de un cilindro (74), un elemento de accionamiento del pistón (78) asociado con cada pistón (72) y una unidad de trabajo asociada con una cabeza de cilindro (88) en un extremo alejado del cilindro (74). Cada pistón (72) es desplazable a lo largo del eje radial entre un Punto Muerto Superior (TDC) y un Punto Muerto Inferior (BDC), el pistón (72) es desviado hacia el BDC. El rotor nodular (52) estáequipado con un dispositivo reductor del empuje radial (60) para acoplamiento con los elementos de accionamiento pistón( 78) respectiv

Description

UNIDAD DE POTENCIA ROTATORIA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere al campo de las unidades de potencia rotatorias y en particular está relacionada con una unidad de potencia de desplazamiento positivo, radial, adecuada para su uso como un dispositivo de desplazamiento del fluido, especialmente una bomba o un compresor, o como un motor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Y ARTE PREVIO El término "unidad de potencia" como se utiliza aquí en la especificación y las reivindicaciones, es utilizado para referirse colectivamente a bombas, compresores y motores. Las unidades de potencia radial ya se conocen desde hace tiempo. La configuración general con las unidades de potencia radial es un eje común y uno o más pistones desplazables radialmente, adaptados para efectuar el trabajo de bombeo o compresión o para generar trabajo en el caso de un motor. Entre las ventajas de las unidades de potencia radial están la carrera o recorrido de volumen esencialmente grande de los pistones dentro de un espacio relativamente Ref .132951 compacto. Además, las unidades de potencia radial generan típicamente un nivel de ruido bajo y requieren menos mantenimiento que las unidades de potencia configuradas de otra manera. Muchas de las unidades de potencia rotatoria conocidas hasta nuestros días, en particular las bombas y los compresores, comprenden un eje excéntrico que se puede acoplar con uno o más pistones desplazables radialmente. Una desventaja de este arreglo es que el desarrollo de las fuerzas indeseables en el sistema, conduce a un funcionamiento bajo o reducido de la unidad de potencia. Todavía adicionalmente, en donde se utilizan montajes excéntricos, existe la necesidad de proveer algún medio de compensación o equilibrio para reducir las fuerzas que se desarrollan en el sistema, lo cual aparte de incrementar el desgaste del sistema, podrían conducir eventualmente a la ruptura de los componentes esenciales de la unidad. Además, las unidades de potencia del arte previo son típicamente de estructura compleja haciéndolas tanto de tamaño no compacto, pesadas, como también complejas en su montaje. Además, se requiere mantenimiento constante debido al desgaste intenso de los componentes y a los requerimientos de lubricación. Todavía una desventaja del arte previo es la necesidad de proporcionar algún medio reductor de la velocidad, intermedio entre una bomba o el compresor y un motor que suministra el movimiento rotatorio al mismo. Este arreglo requiere obviamente más espacio, es más pesado y requiere más mantenimiento. Una desventaja considerable del arte previo es la eficiencia reducida en donde se requiere una velocidad rotatoria esencialmente elevada para suministrar una potencia o un volumen de bombeo/compresión suficientes, esto debido principalmente a una relación pequeña del diámetro del pistón contra la carrera del mismo. Otra desventaja de las unidades de potencia del arte previo es la necesidad de proveer una lubricación, lo cual por si mismo requiere medios de circulación apropiados, la provisión de servicio frecuente y siempre existe una posibilidad de que el lubricante se introduzca al fluido que es bombeado o comprimido. Las unidades de potencia en las cuales tal lubricación es requerida, son típicamente no adecuadas para el suministro de gases para aplicaciones críticas tales como el suministro de los gases comprimidos, por ejemplo el oxígeno para propósitos médicos, u otros gases, por ejemplo para propósitos de sumergimiento o soldadura o para otros propósitos industriales. Típicamente, una unidad de potencia está diseñada para un propósito particular tal como una bomba, un compresor o un motor y convertirla de una función a otra función es ya sea prácticamente imposible o, requiere el rediseño y el cambio de la mayoría de los componentes esenciales de la unidad de potencia, haciéndola ineficaz en cuanto al costo. Todavía de manera adicional, una unidad de potencia está prediseñada para operar con parámetros fijos tales como una velocidad fija, una relación del diámetro con respecto a la carrera, fija, etc. Estos parámetros son particularmente fijos y no son variables, a menos que se realicen algunas modificaciones considerables en la unidad de potencia. A veces, es deseable incrementar una capacidad de trabajo de una unidad de potencia, es decir incrementar su volumen de desplazamiento del fluido en el caso de una bomba o compresor, o incorporar varias unidades de potencia para operar en conjunción entre sí. Las unidades de potencia del arte previo no están diseñadas para permitir el apilamiento de tales unidades similares entre sí para complementar la formación de módulos. La Patente U.S. No. 2,345, 125 describe una bomba hidráulica de alta presión en la cual un eje central hace girar un pivote de empuje octagonal excéntrico hecho de acero templado, contra el cual una pluralidad de cabezas de pistón de faldilla de bronce están en contacto deslizante para el desplazamiento de un elemento de pistón dentro de un cilindro .

La Patente U.S. No. 4,541,781 describe una bomba para fluido rotatoria que comprende rodillos rotatorios que realizan un recorrido a lo largo de una ruta circular para oprimir sucesivamente una pluralidad de brazos de palanca los cuales a su vez operan pistones en un número semejante de bombas. En esta patente las fuerzas centrifugas que se desarrollan en el sistema spn utilizadas para oprimir los rodillos contra los brazos de palanca. La Patente U.S. No. 5,547, 348 describe un rotor equipado con una excéntrica primaria que puede girar con un eje y una excéntrica secundaria ajustable en su posición con relación a la excéntrica primaria y una pluralidad de cartuchos de pistones radiales están colocados radialmente alrededor del eje. Esta patente describe el apilamiento de tales unidades, sin embargo, la transferencia del movimiento rotatorio entre las unidades apiladas es por un eje común. La patente U.S. No. 5,634,777 describe una máquina de pistón radial en donde un rotor está formado con una excéntrica primaria que se puede hacer girar alrededor de un eje y una excéntrica secundaria que se puede ajustar en su posición con relación a la excéntrica primaria y una pluralidad de cartuchos de pistón colocados radialmente alrededor del eje. En esta patente se proveen zapatas contra la fricción deslizante para que hagan contacto con la excéntrica rotatoria.

Otras patentes del arte previo son 2,789,515, 3,407,707, 3,490,683, 3,871,793, 4,017,220, 5,035,221, 5,281,104, 5,383,770 y 5,547,348. Es un objeto de la presente invención proporcionar una unidad de potencia mejorada la cual, por otra parte, reduzca significativamente o supere las desventajas de las unidades de potencia del arte previo y, por otra parte, mejore los funcionamientos totales de la unidad de potencia.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con la presente invención se proporciona una unidad de potencia rotatoria, que comprende: un alojamiento que tiene una abertura circular y una pluralidad de orificios, cada uno que se extiende a lo largo de un eje radial desde un punto de la abertura; un rotor nodular montado dentro de la abertura del alojamiento y rotatorio coaxialmente dentro de la abertura; el rotor nodular comprende una pluralidad de nodos distribuidos igualmente a lo largo del circulo de unión del mismo, el número de nodos es un número entero impar menor que el número de orificios en el alojamiento; una pluralidad de módulos cilindricos reemplazables, cada uno que se puede recibir de manera fija dentro de un orificio respectivo dentro del alojamiento; cada módulo cilindrico comprende un pistón que se puede hacer deslizar dentro de un cilindro, un elemento de accionamiento del pistón asociado con cada pistón y una unidad de trabajo asociada con una cabeza cilindrica en un extremo alejado del cilindro; cada pistón se puede desplazar a lo largo del eje radial entre un Punto Muerto Superior (TDC) y un Punto Muerto Inferior (BDC) , los pistones son desviados hacia el BDC; y en donde el rotor nodular está equipado con un dispositivo reductor del empuje radial para el acoplamiento con los elementos de accionamiento del pistón respectivos. El término "unidad de trabajo" como se utiliza en la especificación, denota una unidad competente para efectuar un trabajo, por ejemplo una unidad de bombeo, una unidad de compresión o una cámara de combustión de un motor. Como llegará a ser evidente aquí posteriormente, la unidad de potencia rotatoria de acuerdo con la presente invención reduce significativamente el desgaste de sus componentes y en consecuencia reduce los requerimientos de mantenimiento de los componentes. La unidad de potencia proporciona una eficiencia total mejorada y utiliza una carrera esencialmente corta contra un pistón de diámetro grande con una velocidad baja de revoluciones por una parte y, por otra parte, una velocidad lineal esencialmente baja de los pistones con respecto a la pared cilindrica.

La superficie inferior de los accionadores del pistón puede ser ya sea plana, cóncava o convexa, o puede ser de una forma compleja que comprende una combinación de segmentos planos y arqueados. Este arreglo es adecuado para definir la carrera ascendente y la carrera descendente (estos términos denotan el desplazamiento de compresión/succión de los pistones en el caso de una bomba o compresor o, el desplazamiento de admisión/descarga del pistón en el caso de un motor) . Esto también permite el control del tiempo de residencia en el TDC del pistón el cual es un parámetro importante. De acuerdo con la presente invención, dentro de una unidad de potencia única, se pueden utilizar diferentes accionadores de pistón en donde sus superficies inferiores son ya sea planas, cóncavas, convexas o de una forma compleja como anteriormente. El ángulo de leva d del pistón en el BDC, medido en grados de rotación del rotor, es calculado por la fórmula: d (360°/n)*0.125 en donde : d es el ángulo de leva medido en grados; y n es el número de nodos. De acuerdo con la presente invención, el pistón está en el TDC cuando un nodo correspondiente del rotor nodular se extiende a lo largo del eje radial respectivo; y nodular se extiende a lo largo del eje radial respectivo; y el pistón está en su BDC cuando el nodo respectivo es desplazado angularmente en (180°/n) -d/2 desde el eje radial; en donde : n- es el número de nodos del rotor nodular; y d- es el ángulo de leva entre los cilindros cercanos (medidos en grados) . De acuerdo con una modalidad de la presente invención, el rotor nodular está asociado con un eje gue se extiende desde el punto de, y de manera perpendicular al plano del rotor nodular y adaptado para recibir o impartir un movimiento rotatorio a, o desde, el rotor nodular, alternativamente. Sin embargo, el rotor nodular puede ser impulsado o accionado por un eje que se extiende hacia el alojamiento o, en el caso de varios alojamientos apilados uno sobre la parte superior del otro, el rotor nodular puede ser girado por los medios de acoplamiento adaptados para la rotación simultánea de los rotores nodulares. De acuerdo con un aspecto de la invención, la unidad de trabajo es un montaje que comprende una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape, y en donde el movimiento rotario es impartido al rotor nodular abarcando el desplazamiento radial del pistón, por lo cual se constituye una bomba o compresor.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención la unidad de trabajo es un montaje que comprende una boquilla para el suministro de combustible, dispositivos para el encendido y para la sincronización del encendido, y conductos para el intercambio de gases; en donde el desplazamiento radial de los pistones imparte un movimiento rotatorio al rotor nodular, por lo cual se establece un motor radial . También puede existir una versión combinada de los aspectos anteriores, en donde la unidad de trabajo de algunos de los módulos cilindricos es un monta e comprende una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape; y la unidad de trabajo de los módulos cilindricos restantes es un montaje que comprende una boquilla para el suministro de combustible, un elemento de encendido y conductos para el intercambio de gases. De acuerdo con una modalidad más preferida, el rotor nodular está asociado con un montaje reductor de -la velocidad. De ¦ acuerdo con una aplicación, el montaje reductor de la velocidad es un tren de engranajes planetarios, el tren de engranes planetarios comprende un piñón estriado fijado al eje, al menos un engranaje satélite soportado rotatoriamente por el alojamiento, y un engranaje anular asociado con el rotor nodular. De acuerdo con una aplicación diferente, el montaje reductor de la velocidad es un tren de engranajes planetarios, el tren de engranajes planetarios comprende un piñón estriado fijado al eje, al menos un engranaje satélite fijado giratoriamente al rotor nodular, y un engranaje anular fijado al alojamiento. El elemento de accionamiento del pistón puede ser integral con o estar fijado de manera rígida al pistón, con una superficie inferior del elemento de accionamiento del pistón adaptado para el acoplamiento con los nodos del rotor nodular. La distancia radial entre el pistón y el accionador del pistón es preferentemente ajustable, por lo cual comprende el ajuste del espaciado del pistón dentro del cilindro . Para reducir el desgaste de los componentes mecánicos, para asegurar un funcionamiento suave, silencioso y eficiente de la unidad de potencia, se proporciona un dispositivo reductor del empuje radial el cual de acuerdo con una modalidad es un rodillo equipado en cada nodo, cada rodillo se puede hacer girar alrededor de un eje paralelo a un eje de rotación del rotor nodular. De acuerdo con una modalidad preferida, el dispositivo reductor del empuje radial es un rodillo que tiene una porción dentada equipada sobre cada nodo para el acoplamiento con un anillo dentado fijado dentro de la abertura del alojamiento, impartiendo así a los rodillos una rotación positiva alrededor de su eje longitudinal. De acuerdo con esta modalidad, los rodillos se hacen girar continuamente alrededor de su eje y por consiguiente cuando los mismos acoplan la superficie inferior del elemento de accionamiento del pistón, continúan girando, por lo cual eliminan el empuje radial. Para una eficiencia mejorada de la unidad de potencia, los módulos cilindricos son retenidos rotatoriamente dentro de sus orificios. Además, los anillos de sellado son provistos sobre los pistones y todavía de manera preferente, se proveen aros de soporte sobre el elemento accionador que se pueden deslizar dentro del módulo cilindrico . De acuerdo con una modalidad, se proporciona una unidad de potencia múltiple en donde la abertura dentro del alojamiento comprende una pluralidad de orificios distribuidos en dos o más planos paralelos; cada orificio se extiende a lo largo de un eje radial desde la abertura. Alternativamente, dos o más alojamientos están apilados coaxialmente uno sobre la parte superior del otro en planos paralelos, por lo cual el movimiento rotatorio es transferido entre los rotores nodulares de los alojamientos cercanos . En donde la unidad de potencia rotatoria comprenda más de dos planos de cilindros, se desea entonces que los centros de los orificios en un plano estén descentrados angularmente con respecto a los centros de los orificios en un plano cercano en a°, en donde a es derivado de la fórmula : en donde : a está medido en grados; N es el número de cilindros en cada plano; y P es el número de planos. Cuando los orificios están descentrados angularmente, como se mencionó anteriormente, se obtiene entonces un efecto de bombeo o compresión subsiguiente, continuo . De acuerdo con un arreglo diferente, uno o más planos de una unidad de potencia rotatoria de etapas múltiples están destinados a la constitución de una bomba o compresor, y uno o más de otros planos están destinados a la constitución de un motor radial. Sin embargo, también se puede proporcionar un dispositivo en donde algunos de los orificios comprenden una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape, y los orificios restantes están equipados con una boquilla para el suministro del combustible, dispositivos de encendido y de sincronización del encendido, y conductos para el intercambio de gases, por lo cual se constituye un motor radial y una bomba o compresor combinados. Un carácter importante de la unidad de potencia de acuerdo con la presente invención es que el rotor nodular está adaptado para la rotación tanto en el sentido de las manecillas del reloj como en el sentido inverso de las manecillas del reloj y no se requiere ningún procedimiento de adaptación particular. En consecuencia, en cualquier etapa el rotor nodular puede ser invertido en la dirección o rotación. De acuerdo con algunas configuraciones preferidas, la relación de curvatura entre el diámetro de la abertura en el alojamiento y un diámetro esférico teórico de la superficie convexa o cóncava es del orden de aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente 1:4. Todavía preferentemente' el pistón tiene una relación del diámetro con respecto a la carrera que es mayor que o igual a aproximadamente 5:1 y en donde el rotor nodular se hace girar a aproximadamente 300 RPM, o menos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para entender la invención y para observar como se puede llevar a cabo en la práctica, se describirán ahora algunas modalidades preferidas, solamente a manera de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos que se anexan, en los cuales: la Figura 1 es una vista plana, esquemática, de una unidad de potencia de acuerdo con una primera modalidad de la invención, la unidad de potencia es una bomba o compresor; las Figuras 2A y 2B ilustran un módulo del pistón observado en la Figura 1, en dos pasos de bombeo/compresión consecutivos ; la Figura 3 es similar a la Figura 1 que ilustra la bomba/compresor después que el rotor nodular se ha hecho girar hacia una posición en la cual los pistones han complementado una sola carrera; la Figura 4 es una vista en perspectiva, despiezada, de una unidad de potencia, de acuerdo con una segunda modalidad preferida de la presente invención; la Figura 5 es una vista en perspectiva de una unidad de potencia de la modalidad preferida apilada doblemente, de acuerdo con la presente invención; la Figura 6 es una vista superior esquemática de la modalidad observada en la Figura 5, que ilustra el descentramiento angular de los centros del pistón; la Figura 7 ilustra una unidad de potencia apilada triplemente de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención; y la Figura 8 es una representación esquemática superior de la modalidad observada en la Figura 7, que ilustra el descentramiento de los pistones.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Se dirige primero la atención a la Figura 1 de los dibujos en la cual la unidad de potencia designada generalmente como 20 es ilustrada. En el presente ejemplo, la unidad de potencia 20 es una bomba o compresor. Sin embargo, como llegará a ser evidente aquí posteriormente, la misma puede ser convertida fácilmente en un motor o, de acuerdo con una modalidad de la invención puede ser un híbrido de motor y bomba/compresor. La unidad de potencia 20 tiene un alojamiento 22 generalmente cilindrico formado con una abertura circular 24 central y una pluralidad de orificios 28, que se extienden radialmente entre la abertura 24 hasta una superficie externa 30 del alojamiento 22, los orificios penetran en la abertura circular 24. En el presente ejemplo, el alojamiento 20 está formado con ocho orificios. Sin embargo, también se puede elegir un número diferente de orificios. Preferentemente, el número de orificios es un número par. Extendiéndose dentro de la abertura 24 está un eje 36 asociado con un tren de engranajes planetarios reductores de la velocidad designado generalmente 38 y que consiste de un piñón estriado 40 fijado al eje 36, tres engranajes satélite 42 soportados rotatoriamente a la pared 46 de la abertura 24 por medio de los ejes 48. El engranaje anular 50 constituye una porción integral de un rotor nodular designado generalmente 52. El artesano apreciará que aunque en la presente modalidad los engranajes satélite están soportados rotatoriamente en el alojamiento, puede existir una modalidad diferente en la cual los engranajes satélite están fijados rotatoriamente a los engranajes del rotor nodular 52 y el engranaje anular está fijado al alojamiento. El rotor nodular 52 es un elemento con forma de heptaedro montado dentro de la abertura 24 y que comprende siete nodos 58. Cada nodo 58 soporta rotatoriamente un rodillo 60 adaptado para girar dentro de la abertura 24 alrededor de una ruta circular generada por un circulo de unión de los orificios 28. El dispositivo es tal que cuando un rodillo 60 está alineado radialmente con un eje longitudinal de un orificio respectivo (orificio 28a en la Figura 1), penetra hasta una distancia máxima dentro de este orificio especifico, abarcando el desplazamiento máximo del pistón asociado como llegará a ser evidente aquí posteriormente. Por otra parte, cuando el rodillo 60 no está en las proximidades de un orificio (véase el orificio 28e en la Figura 1) entonces el pistón está en su posición no desplazada, más inferior, como será explicado aquí posteriormente . Cada uno de los orificios 28 acomoda un módulo cilindrico designado generalmente 70 el cual en el presente ejemplo es un módulo de bomba/compresor . Con referencia adicional que se hace también a las Figuras 2A y 2B, el módulo cilindrico 70 comprende un pistón 72 recibido deslizablemente dentro un inserto de manguito cilindrico 74 con anillos de sellado adecuados 76 provistos sobre el pistón, como se sabe per se. Sin embargo, se debe señalar que para las otras modalidades, los manguitos cilindricos son omitidos. Un elemento de accionamiento 78 del pistón está fijado de manera rígida o formado integralmente con el pistón 72 y comprende una superficie inferior 80, adaptada para el acoplamiento con los nodos del rotor nodular, como será explicado aquí posteriormente. Para proporcionar una operación suave y para mantener el pistón y el accionador del pistón alineados dentro del orificio 28, el accionador 78 del pistón está equipado con aros de soporte 84. Por una modalidad diferente (no ilustrada) la distancia lineal entre el pistón y el elemento de accionamiento del pistón asociado puede ser alterada controlando el espaciado del pistón de la cabeza del pistón. Esto podría ser efectuado, por ejemplo, proporcionando engranajes de acoplamiento con tornillos entre los dos elementos o por otros medios. En el presente ejemplo, los anillos de sellado 76 son anillos autolubricantes hechos de PTFE que comprenden aproximadamente 15% de grafito, por lo cual no se requiere una lubricación con liquido. Sin embargo, también son posibles otros medios de lubricación. El módulo 70 del pistón comprende además una muelle en espiral 86 apoyado en un extremo del mismo contra una saliente rebajada 87 formada integralmente dentro de la pared del módulo del pistón y en un extremo opuesto del mismo, el resorte 86 se apoya contra el accionador 78 del pistón, desviando asi al pistón y al elemento de accionamiento del pistón hacia una posición del BDC, es decir la posición en la cual el pistón es desviado radialmente hacia adentro (véase la Figura 2A) . El módulo 70 del pistón es fácilmente insertable y se fija dentro de un orificio del alojamiento, con los medios de fijación adecuados provistos (no mostrados) , para asegurar de manera fija el módulo dentro del alojamiento. El módulo 70 del pistón está equipado adicionalmente con una válvula de entrada 90 y una válvula de salida 92. La Figura 2A ilustra una carrera o recorrido de bombeo y la Figura 2B ilustra una carrera o recorrido de compresión. Se señaló que en estas Figuras la superficie inferior del elemento de accionamiento del pistón es convexa. Se dirige ahora una atención adicional a las Figuras 1 y 3 para el entendimiento de la operación secuencial de una unidad de potencia de acuerdo con la presente invención. En la Figura 1, el módulo del pistón observado en el orificio 28a está en un punto muerto superior (TDC) mientras que el módulo del pistón en el orificio 28e está en el punto muerto inferior (BDC) . Considerando que el rotor nodular 52 está girando ahora en una dirección en el sentido de las manecillas del reloj representada por la flecha 90, por consiguiente los pistones recibidos dentro de los orificios 28b, 28c y 28d están en desplazamientos de entrada consecutivos, es decir hacia su posición de BDC. Sin embargo, los módulos del pistón recibidos dentro de los orificios 28f, 28g y 28h están representados en los desplazamientos consecutivos hacia su punto muerto superior, es decir una carrera de salida o escape . En la Figura 3, el rotor nodular 52 es ilustrado después de girar 22.5°, en donde el módulo del pistón dentro del orificio 28a está ahora en su posición del punto muerto inferior mientras que el módulo del pistón en el orificio 28e está en su punto muerto superior. Estos módulos del pistón dentro de los orificios 28b - 28d son ilustrados ahora en su desplazamiento hacia un punto muerto superior mientras que los módulos del pistón recibidos dentro de los orificios "28f - 28h están en desplazamiento hacia el punto muerto inferior. El arreglo en la presente modalidad es tal que los centros de los orificios están descentrados de los otros en 45° mientras que los siete nodos están espaciados entre si en aproximadamente 51.4°. Sin embargo, cambiando el número de los orificios y el número de los nodos, se cambian los funcionamientos de la unidad de potencia. En las modalidades mostradas en las Figuras precedentes, los elementos accionadores del pistón 78 son ilustrados con las superficies inferiores esencialmente planas 80. Sin embargo, se apreciará que estas superficies también pueden ser cóncavas o convexas (como se ilustró en la Figura 2) o pueden tener una forma superficial compleja que comprende una combinación de segmentos planos y arqueados. De esta manera, es posible desplazar el pistón hacia el BDC en un patrón de velocidad y hacia el TDC en otro patrón de velocidad, y prolongar o reducir el tiempo de residencia, dependiendo de la viscosidad de un fluido que es bombeado o comprimido, dependiendo del caso que se pueda tratar . También se apreciará que aunque los módulos del pistón descritos en las Figuras se refieren solamente a los módulos de bombeo/compresión, la unidad de potencia también puede constituir un motor. Para este propósito los módulos del pistón están equipados con un sistema de suministro de combustible, medios de sincronización y encendido del combustible, válvulas para el intercambio de los gases, etc., como se sabe en el arte. Si se desea, un híbrido de motor y bomba/compresor puede ser diseñado, en donde un alojamiento acomoda varios módulos de pistones del motor y varios módulos de pistones de la bomba/compresor . Sin embargo, debido a la simplicidad del dispositivo de acuerdo con la invención, y a la capacidad extrema de formar módulos, cada uno de los módulos del pistón puede ser reemplazado en cualquier instante con ya sea un modulo del pistón de bombeo, un módulo del pistón de compresión o un módulo del pistón del motor. De esta manera, cualquier combinación de módulos del pistón es aceptable y si se requiere, algunos módulos del pistón también pueden ser eliminados conjuntamente. De acuerdo con las modificaciones de la invención, el tren de engranajes planetarios reductores de la velocidad puede ser una unidad independiente no asociada dentro del alojamiento. De esta manera el peso de la unidad es reducido. Son posibles otros dispositivos reductores de la velocidad, como ya es conocido.

Una característica . importante de la unidad de potencia de acuerdo con la presente invención es el dispositivo reductor del empuje radial el cual en la modalidad de las Figuras 1 y 3 fue obtenido por los rodillos 60. Se dirige ahora una atención adicional a la Figura 4 de los dibujos, que ilustra una modalidad diferente. De acuerdo con esta modalidad, la unidad de potencia designada generalmente 100 comprende un anillo dentado internamente 102 asegurado dentro de un rebajo adecuado 104 en el alojamiento 106 y el rotor nodular, designado generalmente 108 comprende una pluralidad de rodillos cilindricos 110 soportados axial y rotatoriamente entre dos placas 112 y 114. Cada rodillo 110 está formado con una porción dentada 116 la cual es ya sea integral con o está unida de manera fija a la misma. En la posición ensamblada, la cual puede ser configurada fuera del segmento superior en la Figura 5, las porciones dentadas 116 de los rodillos 110 son acopladas dentro del anillo dentado 102. Un tren de engranajes planetarios reductores de la velocidad 120 está equipado dentro del alojamiento y comprende un piñón estriado 122, tres engranajes satélites 124, un anillo dentado 126, una placa de soporte superior 128 formada con las aberturas 129 y una placa inferior 130 equipada con los ejes 132 para el montaje sobre la misma de los engranajes satélites 124. Un eje 134 se extiende a través de la placa inferior 130 y se acopla con el piñón estriado 122. El eje 134 está soportado por un cojinete 136. El alojamiento 106 está formado con una pluralidad de orificios 140 cada uno equipado con un módulo cilindrico designado generalmente como 142 el cual, como se explicó aquí anteriormente, puede ser ya sea un módulo de bombeo/compresión. En la posición ensamblada, el movimiento rotatorio es impartido por medio del eje 134 y la velocidad es reducida por el montaje reductor de la velocidad 120. La placa superior 128 está acoplada con la placa inferior 114 del rotor nodular 108 por medio de pernos (no mostrados) que se extienden dentro de los orificios 129 de la placa 128. La rotación de la placa 114 abarca también la rotación de la placa 112 y también la rotación de los rodillos 110. Sin embargo, el acoplamiento de los rodillos 110 dentro del engranaje 102 genera el movimiento rotatorio de los rodillos 110 también alrededor de su eje de soporte. Este arreglo asegura que cuando los rodillos se acoplen con la superficie inferior del elemento de accionamiento del pistón, las fuerzas de empuje radial sean eliminadas o reducidas esencialmente asi como las fuerzas de fricción. Refiriéndose ahora a la Figura 5 de los dibujos allí se ilustra una unidad de potencia apilada doblemente de acuerdo con la presente invención que comprende dos alojamientos 150 y 152 montados coaxialmente uno sobre la parte superior del otro. Cada uno de los alojamientos 150 y 152 es principalmente similar a la modalidad mostrada en la vista despiezada de la Figura 4. Sin embargo, se apreciará que el alojamiento 150 está desprovisto del montaje reductor de la velocidad 120. Los vástagos (no mostrados) que se proyectan desde la placa 114 del alojamiento superior 150 se proyectan hacia la placa 112 del alojamiento 152 por lo cual el movimiento rotatorio es transferido entre los alojamientos asociados. En esta modalidad, el eje 134 observado en la Figura 4 puede ser eliminado en donde un alojamiento, por ejemplo el alojamiento 152, puede ser diseñado como un motor mientras que el alojamiento 150 puede ser diseñado como una bomba/compresor, la unidad de potencia completa está autocontenida, con el desplazamiento rotatorio entre los alojamientos que es transferido por los montajes del rotor nodular . La Figura 6 es una vista superior esquemática de la modalidad mostrada en la Figura 5, en donde se muestra que el descentramiento angular entre los pistones 154 del alojamiento 150 y los pistones 156 del alojamiento 152 es calculado por la fórmula a°=(360/N) /p en donde : a es medida en grados; N es el número de cilindros en cada plano; y P es el número de planos. En el presente ejemplo, N = 8 y P = 2 y el ángulo a es por consiguiente = 22.5°. En la modalidad de la Figura 7 se ilustra una unidad de potencia apilada triplemente que comprende tres alojamientos 160, 162 y 164, cada uno equipado con una pluralidad de módulos de pistones 166, 168 y 170, respectivamente . La disposición en esta modalidad es esencialmente similar a la modalidad de la Figura 5 por lo que se refiere a la transferencia del movimiento rotatorio y con respecto al descentramiento de los centros de los pistones en las tres capas. Esta disposición es adecuada en particular, pero no está limitada con respecto a, las unidades de potencia de bombeo/compresión en donde el desplazamiento sucesivo de los pistones es obtenido, asegurando una operación suave y una fuerza de compresión o succión continua. Alternativamente, los alojamientos pueden ser dispuestos para que operen en serie . La Figura 8 ilustra la posición de descentramiento radial de los centros de los módulos de pistones la cual, basada en la fórmula referida con relación a la Figura 6, produce un ángulo diferente a = 15° . En la modalidad de la Figura 7, cada uno de los alojamientos puede acomodar diferentes módulos del pistón. Como un ejemplo, la unidad de potencia apilada puede ser diseñada de modo que un alojamiento sea un motor, un segundo alojamiento sea un compresor y un tercer alojamiento sea una bomba. Sin embargo, también es posible una variedad de otras combinaciones . Habiéndose provisto la descripción anterior, van a ser agregadas algunas aclaraciones y particularidades adicionales. Por ejemplo, se puntualiza que el rotor nodular de acuerdo con cualquiera de las modalidades anteriores es rotatorio en ambas direcciones sin tener que efectuar ningún cambio en el montaje previo al cambio de dirección de la rotación. Obviamente, esto es una ventaja también en cuanto a la flexibilidad de la conexión de la bomba/compresor a una salida de un motor. Además, como se señaló, ningún medio de lubricación particular es provisto aparte del uso de anillos para pistón de PTFE para reducir la fricción. Este evento por si mismo, avala a la bomba/compresor para su uso en particular, pero no restringido al mismo, con diferentes gases, por ejemplo oxigeno para el suministro médico, diferentes gases para trajes de bucear, y gases para procesos industriales. Típicamente, en tales casos, los gases comprimidos son requeridos con altos grados de purificación. Sin embargo, todavía se señalará que una variedad de otros compuestos lubricantes pueden ser utilizados así como otros medios lubricantes, tales como la lubricación con aceite líquido, como se sabe en el arte. Aunque en las modalidades descritas aquí anteriormente, un engranaje planetario reductor de la velocidad fue provisto integralmente dentro de la unidad de potencia, se va a entender que tal mecanismo reductor de la velocidad puede ser eliminado o puede ser incorporado como un montaje independiente enlazado entre la unidad de potencia y un motor que proporciona el movimiento rotatorio. También se apreciará que tal medio reductor de la velocidad puede ser de cualquier diseño particular y no necesariamente está restringido a los engranajes planetarios aunque, se entenderá que los engranajes planetarios reductores de la velocidad tienen la ventaja significativa de que son compactos y por consiguiente adecuados para la incorporación dentro del alojamiento de la unidad de potencia de la presente invención.

Como ya se mencionó anteriormente, los módulos cilindricos son completamente modulares e intercambiables. Esto se considera como una ventaja significativa que proporciona flexibilidad en donde una sola unidad de potencia plana puede ser diseñada con algunos módulos cilindricos adaptados para efectuar el bombeo o la compresión y otros módulos cilindricos adaptados para generar el movimiento rotatorio, por lo cual la unidad de potencia está autocontenida . También se apreciará que la bomba/compresor de acuerdo con la presente invención es adecuada para bombear o comprimir simultáneamente diferentes medios en donde algunos de los módulos cilindricos pueden ser utilizados para bombear o comprimir un primer tipo de fluido y otros módulos del pistón pueden servir para bombear o comprimir otros medios de fluido. Tales fluidos pueden ser ya sea líquidos o gases, como el artesano indudablemente lo comprenderá. Como se ilustró y se describió anteriormente, las unidades de potencia pueden ser diseñadas para el apilamiento una sobre la parte superior de la otra con medios integrales provistos para la transferencia del movimiento rotatorio entre los niveles de las unidades de potencia. Esto nuevamente, es una ventaja en cuanto a lo que se refiere a la capacidad para formar módulos, en donde cada plano puede ser diseñado para efectuar un tipo de trabajo diferente, es decir, para bombeo, compresión o generar trabajo (servir como un motor) . Alternativamente, se apreciará que en lugar de estar apilando varios alojamientos uno sobre la parte superior del otro, puede existir un solo alojamiento provisto con varios planos de orificios, cada plano que sirve como una unidad funcional diferente. Se apreciará adicionalmente que la falla de uno o más módulos cilindrico o la remoción de un módulo cilindrico no tiene influencia en la operación funcional de los módulos cilindros restantes, cada uno de los cuales es operable independientemente . Es un deseo adicional enfatizar que la estructura de la unidad de potencia de acuerdo con cualquiera de las modalidades descritas anteriormente está diseñada para tener una velocidad rotatoria de aproximadamente 300 RPM. Esto se considera como una gran ventaja sobre las unidades de potencia del arte previo las cuales típicamente operan a una velocidad rotatoria significativamente más elevada para suministrar el mismo trabajo, mejorando significativamente así la eficiencia total de la unidad de potencia. Utilizando una relación extrema del diámetro del pistón con respecto a la carrera, típicamente del orden de más de aproximadamente 5:1, la unidad de potencia de acuerdo con la presente invención logra reducir la velocidad lineal del pistón dentro del cilindro. Esto es una ventaja significativa que conduce a la reducción de la fricción, el desgaste de los anillos, el desgaste de la pared cilindrica, menor generación de calor y una carga reducida sobre el tren impulsor, asi como una operación más silenciosa. Estas cualidades mejoradas permiten el uso de tales materiales los cuales de otra manera podrían no ser utilizados en tales unidades de potencia. Tales materiales son, por ejemplo, plásticos compuestos, metales ligeros, etc. La ventaja de utilizar tales metales radica en la reducción de las pérdidas por fricción entre los anillos del pistón y las paredes cilindricas y la eliminación del fenómeno de pegadura/deslizamiento, el cual es inherente en las superficies de contacto metálicas. Este arreglo también permite que el compresor de carrera corta opere sin lubricación de líquido (libre de aceite) y por consiguiente se reduce significativamente el tamaño y el peso total de la unidad. Aunque algunas modalidades preferidas han sido mostradas y descritas en la especificación, se entenderá por el artesano que no se pretende limitar la descripción de la invención por la presente, sino que en lugar de esto se propone cubrir la totalidad de las modificaciones y arreglos o disposiciones que se considere que están dentro del alcance y espíritu de la presente invención como se definen en las reivindicaciones anexas, mutatis mutandis .

Se hace constar que con relación a esta fecha, mejor método conocido por la solicitante para llevar a práctica la citada invención, es el convencional para manufactura de los objetos o productos a que la misma refiere.

Claims (31)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : i. Una unidad de potencia rotatoria, que comprende : un alojamiento que tiene una abertura circular y una pluralidad de orificios, cada uno se extiende a lo largo de un eje radial desde un centro de la abertura; un rotor nodular montado dentro de la abertura del alojamiento y rotatorio coaxialmente dentro de la abertura; el rotor nodular comprende una pluralidad de nodos distribuidos uniformemente a lo largo del círculo de unión de los mismos, el número de nodos es un número entero impar menor que el número de orificios en el alojamiento; una pluralidad de módulos cilindricos reemplazables, cada uno que se puede recibir de manera fija dentro de un orificio respectivo dentro del aloj amiente- cada módulo cilindrico comprende un pistón deslizable dentro de un cilindro, un elemento de accionamiento del pistón asociado con cada pistón y una unidad de trabajo asociada con una cabeza del cilindro en un extremo alejado del cilindro; cada pistón se puede desplazar a lo largo del eje radial entre uri Punto Muerto Superior (TDC) y un Punto Muerto Inferior (BDC) , los pistones son desviados hacia el BDC; la unidad de potencia está caracterizada porque el rotor nodular está equipado con un dispositivo reductor del empuje radial para el acoplamiento con los elementos de accionamiento del pistón respectivos; el dispositivo de reducción del empuje radial es un rodillo equipado en cada nodo, que es acoplado para la rotación positiva por un anillo estático asociado con el alojamiento, por lo cual cada rodillo acopla una superficie inferior de un elemento de accionamiento en un acoplamiento rotatorio puro.
2. 2. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque una superficie inferior de los accionadores del pistón es ya sea plana o cóncava o convexa o tiene una forma compleja que comprende una combinación de los segmentos planos y arqueados .
3. 3. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque los desplazamientos de la carrera y los tiempos de residencia en el TDC del pistón son determinados por la geometría de la superficie inferior del accionador del pistón.
4. 4. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque el ángulo de leva d del pistón en el BDC, medido en grados de rotación del rotor, es calculado por la fórmula: d>(360°/n) *0.125 en donde : d es el ángulo de leva medido en grados; y n es el número de nodos.
5. 5. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el pistón está en el TDC cuando un nodo correspondiente del rotor nodular se extiende a lo largo del eje radial respectivo; y el pistón está en su BDC cuando el nodo respectivo es desplazado angularmente en (180°/n) -d/2 desde el eje radial; en donde : n- es el número de nodos del rotor nodular; y d- es el ángulo de leva entre los cilindros cercanos (medido en grados) .
6. 6. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el rotor nodular está asociado con un eje que se extiende desde el centro de, y perpendicular a, el plano del rotor nodular y adaptado para recibir o impartir un movimiento rotatorio a o desde el rotor nodular, alternativamente.
7. 7. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la unidad de trabajo es un montaje que comprende una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape, y en donde el movimiento rotatorio es impartido al rotor nodular abarcando el desplazamiento radial del pistón, por lo cual se constituye una bomba o compresor.
8. 8. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la unidad de trabajo es un montaje que comprende una boquilla de suministro del combustible, dispositivos de encendido y de sincronización del encendido, y conductos para el intercambio de gases; en donde el desplazamiento radial de los pistones imparte un movimiento rotatorio al rotor nodular, por lo cual se constituye un motor radial.
9. 9. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la unidad de trabajo de algunos de los módulos cilindricos es un montaje que comprende una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape; y la unidad de trabajo de los módulos cilindricos restantes es un montaje que comprende una boquilla para el suministro de combustible, un elemento de encendido y conductos para el intercambio de los gases.
10. 10. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el número de orificios es un número par.
11. 11. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el rotor nodular está asociado con un montaje reductor de la velocidad.
12. 12. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque el montaje reductor de la velocidad es un tren de engranajes planetarios, el tren de engranajes planetarios comprende un piñón estriado fijado al eje, al menos un engranaje satélite soportado rotatoriamente por el alojamiento, y un engranaje anular asociado con el rotor nodular.
13. 13. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque el montaje reductor de la velocidad es un tren de engranajes planetarios, el tren de engranajes planetarios comprende un piñón estriado fijado al eje, al menos un engranaje satélite fijado rotatoriamente al rotor nodular, y un engranaje anular fijado al alojamiento.
14. 14. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el elemento de accionamiento del pistón es integral con, o está fijado de manera rígida al pistón, y tiene una superficie inferior para el acoplamiento con los nodos del rotor nodular.
15. 15. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la distancia radial entre el pistón y el accionador del pistón es ajustable, ajustando asi el desplazamiento axial del pistón dentro del cilindro.
16. 16. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el radio de curvatura entre el diámetro de la abertura en el alojamiento y un diámetro esférico teórico de la superficie cóncava o convexa es del orden de aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente 1:4.
17. 17. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el dispositivo reductor del empuje radial es un rodillo equipado en cada nodo, cada rodillo es rotatorio alrededor de un eje paralelo a un eje de rotación del rotor nodular.
18. 18. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el dispositivo reductor del empuje radial es un rodillo que tiene una porción dentada equipada en cada nodo para el acoplamiento con un anillo dentado fijado dentro de la abertura del alojamiento, impartiendo asi a los rodillos una rotación positiva alrededor de su eje longitudinal. abertura del alojamiento, impartiendo asi a los rodillos una rotación positiva alrededor de su eje longitudinal.
19. 19. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los módulos cilindricos están restringidos rotatoriamente dentro de sus orificios.
20. 20. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque se proveen anillos de sellado sobre el pistón.
21. 21. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los aros de soporte son provistos sobre el elemento de accionamiento deslizable dentro de un manguito de colocación fijado con respecto al orificio.
22. 22. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el pistón y el elemento de accionamiento del pistón tienen diferentes diámetros, por lo cual un inserto cilindrico es utilizado como un adaptador entre el diámetro del pistón o el elemento de accionamiento del pistón y el diámetro del orificio.
23. 23. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la abertura dentro del alojamiento comprende una pluralidad de orificios distribuidos en dos o más planos paralelos; cada orificio se extiende a lo largo de un eje radial desde la abertura.
24. 24. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque dos o más alojamientos son apilados coaxialmente uno sobre la parte superior del otro en planos paralelos, por lo cual el movimiento rotatorio es transferido entre los rotores nodulares de los alojamientos cercanos.
25. 25. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el rotor nodular está adaptado para la rotación tanto en el sentido de las manecillas del reloj como en el sentido inverso de las manecillas del reloj.
26. 26. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el pistón tiene una relación del diámetro con respecto a la carrera que es mayor que o igual a aproximadamente 5:1.
27. 27. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque el rotor nodular es girado a aproximadamente 300 RPM, o menos.
28. 28. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 23 o 24, caracterizada porque los centros de los orificios en un plano están descentrados radialmente con respecto a los centros de los orificios en un plano cercano en cc°, en donde a es derivado de la fórmula: <X°=(360/N)/p en donde : a es medido en grados; N es el número de cilindros en cada plano; y P es el número de planos.
29. 29. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con las reivindicaciones 23 o 24, caracterizada porque uno o más planos están destinados a la constitución de una bomba o compresor y uno o más planos están destinados a la constitución de un motor radial.
30. 30. Un montaje de potencia rotatoria, caracterizado porque comprende dos o más unidades de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, unidas de manera coaxial y fija entre si.
31. 31. Una unidad de potencia rotatoria de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque algunos de los orificios comprenden una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape, y los orificios restantes son equipados con una boquilla para el suministro de combustible, y dispositivos de encendido y de sincronización del encendido, y conductos para el intercambio de los gases, por lo cual se constituye una combinación de motor radial y bomba o compresor. RESUMEN DE LA INVENCION La presente invención se refiere a una unidad de potencia rotatoria (10), que comprende un alojamiento (22) que tiene una abertura circular (24) y una pluralidad de los orificios (28) que se extiende a lo largo de un eje radial desde un centro de la abertura (24), un rotor nodular (52) montado dentro de la abertura (24) del alojamiento (22) y rotatorio coaxialmente dentro de la abertura (24) . El rotor nodular (52) comprende una pluralidad de nodos (58) distribuidos igualmente a lo largo del circulo de unión de los mismos y el número de nodos (58) es un número entero impar menor que el número de orificios (28) en el alojamiento (22) . Una pluralidad de módulos cilindros reemplazables (70) se pueden recibir de manera fija dentro de un orificio respectivo (28) dentro del alojamiento (22) . Cada módulo cilindrico (70) comprende un émbolo (72) deslizable dentro de un cilindro (74), un elemento de accionamiento del pistón (78) asociado con cada pistón (72) y una unidad de trabajo asociada con una cabeza de cilindro (88) en un extremo alejado del cilindro (74) . Cada pistón (72) es desplazable a lo largo del eje radial entre un Punto Muerto Superior (TDC) y un Punto Muerto Inferior (BDC) , el pistón (72) es desviado hacia el BDC. El rotor nodular (52) está equipado con un dispositivo reductor del empuje radial (60) para el acoplamiento con los elementos de accionamiento del pistón (78) respectivos.