TWI672432B - 具旋轉活塞之缸體裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種具旋轉活塞之缸體裝置(1)，包括有一轉子(2)、一定子以及一閘門片(3)，該轉子包括一由該轉子延伸至一汽缸空間之活塞，該轉子及該定子係共同定義出該汽缸空間；該閘門片係通過該汽缸空間並於其內形成一隔板，該閘門片包括一溝槽(3a)，其准許該活塞之通道通過；該閘門片包括一圓周表面(30)，其與該轉子表面排列形成一密封，該圓周表面定義出一輪廓，其與該轉子表面形成至少一封閉運行線(13b)，且該至少一封閉運行線係由一轉子平面(13)距離一偏移量，該轉子平面座落在該轉子之徑向上並包括該轉子之轉軸。

Description

具旋轉活塞之缸體裝置

本發明係關於一種具旋轉活塞之缸體裝置。

具旋轉活塞之缸體裝置可採取內燃機、或如增壓器或液體泵浦之壓縮機、或如蒸汽引擎或渦輪替代品，以及正排量式裝置之形式。

具旋轉活塞之缸體裝置包括有一轉子及一定子，定子至少可部分地定義出環形腔室/汽缸空間，轉子可能以環狀之形式呈現，轉子包括有至少一由轉子延伸至汽缸空間之活塞，使用時至少一活塞係環繞相對於定子之旋轉中之轉子之環形汽缸空間，該轉子相對於定子係被封閉住的，且該裝置更包括汽缸空間閘門件，其能夠相對於定子移動至一閉合位置及一開啟位置，在閉合位置中閘門件分隔環形汽缸空間；在開啟位置中閘門件允許有至少一活塞之通道，該汽缸空間閘門件包括有一閘門片。

發明人緣因於此，對於該裝置已制定一種改善後之密封配置方式。

根據本發明所提出之具旋轉活塞之缸體裝置，包括有一轉子、一定子以及一閘門片，該轉子包括一由該轉子延伸至一汽缸空間之活塞，該轉子及該定子係共同定義出該汽缸空間；該閘門片係通過該汽缸空間並於其內形成一隔板，該閘門片包括一溝槽，其准許該刃部之通道通過；該閘門片包括一圓周表面，其與該轉子表面排列形成一密封，該圓周表面定義出一輪廓，其與該轉子表面形成至少一封閉運行線，且該至少一封閉運行線係由一轉子平面距離一偏移量，該轉子平面座落在該轉子之徑向上並包括該轉子之轉軸。該圓周表面可視為延伸於閘門片周圍之最外層表面。

本文所使用「活塞」之一詞係為最廣泛之涵義，本內容承認包括一可相對汽缸壁移動之隔板，且該隔板在相對移動之方向上無需具有實質厚度，但可以刃部之形式呈現。該隔板可具有實質厚度或可為中空形式。該閘門片可呈現為一隔板，其實質朝該汽缸空間之徑向上延伸。

本文所使用之密封一詞包括有一設置結構，其用以減少餘隙、使滲漏最小化，但無需在密封間防止液體傳輸。封閉運行線/區域係關於一在閘門片及轉子之封閉介面中之區域。

儘管在理論上閘門件可能會往復作動，而特別當有高速需求時，該閘門件偏好用以避免使用往復作動元件。且該閘門件偏好為至少一旋轉閘門片，其具有至少一孔徑。該孔徑在閘門件開啟狀態下係實質上設置位於具有該環形汽缸空間之圓周延伸性之內徑之定位器上，藉以准許至少一活塞之通道通過該閘門片。

該閘門片之至少一孔徑係提供在閘門片之實質徑向上。

較佳地，該轉子之轉軸係非平行於該閘門片之轉軸。最佳地，該轉子之轉軸係實質垂直於該閘門片之轉軸。

較佳地，該活塞係成形為可在移動的閘門件內通過一孔徑而不受阻礙，於該孔徑通過該環形汽缸時。該活塞具有較佳地外形，以至於在活塞及在閘門件之孔徑間具有最小餘隙，並使得當活塞通過一孔徑時形成一密封。一密封可能位在一前端或末端表面或活塞邊緣處。在有一壓縮機的情況下，一密封可位在一前端表面；在有一膨脹機的情況下，一密封可位在一末端表面。

轉子係偏好由定子提供旋轉時之支撐而非倚靠活塞與汽缸壁間之配合至轉子及定子之相對位置。一具旋轉活塞之缸體裝置係有別於傳統往復作動之活塞裝置，在該裝置中該活塞係藉由一相匹配之活塞環保持與該汽缸同軸，其中該活塞環可造成相對高之摩擦力。

在該轉子及該閘門片之該圓周表面間之該密封係較佳地提供為了其間之密封間隙，用以減少液體傳輸。

該轉子可藉由承載於定子之匹配之軸承件提供旋轉時之支撐。

較佳地，該定子包括至少一入口端及至少一出口端。

較佳地，至少一該等出入口端係實質與該閘門件相鄰。

較佳地，該轉子之角速度與該閘門片之角速度之比值係為1：1，儘管其他比值仍具可能性。

該轉子可包括一(環形)凹部表面，其與該定子定義部分該汽缸空間。該轉子可包括一中央孔徑，其允許一轉動傳輸在該閘門片與該轉子間通過。

該閘門片可設置延伸至該汽缸空間，在該汽缸空間之一區域。

該閘門片可具有一中平面，其可視為一延伸於該閘門片之高度/深度中點之平面。

該裝置可包括一或多個技術特徵於下述之說明書及/或揭示於圖式中。

1‧‧‧具旋轉活塞之缸體裝置

13,23,3,43,53,63,103,203,303,403,503,603,703,2003‧‧‧閘門片

13b,23b,33b,43b,53b,63b‧‧‧封閉運行線

2,2002‧‧‧轉子

2005‧‧‧活塞

2a‧‧‧轉子表面

3a,2006‧‧‧溝槽

30‧‧‧圓周表面

403a‧‧‧凹槽

5‧‧‧刃部

A,B‧‧‧基準面

C‧‧‧轉軸

D‧‧‧中央平面

R1,R2‧‧‧半徑部分

圖1係本發明之具旋轉活塞之缸體裝置之立體圖。

圖2係本發明圖1之具旋轉活塞之缸體裝置不同平面及轉子轉軸之立體圖。

圖2a係本發明之較佳方式之轉子徑向剖面之示意圖。

圖3及圖4係本發明包括一偏移封閉運行線之具旋轉活塞之缸體裝置之前視圖及立體圖。

圖5係本發明包括一偏移封閉運行線之另一實施例之具旋轉活塞之缸體裝置之前視圖。

圖6及圖7係分別為本發明包括二偏移封閉運行線之具旋轉活塞之缸體裝置之前視圖及立體圖。

圖8係本發明包括二偏移封閉運行線之具旋轉活塞之缸體裝置之前視圖，其中，該閘門片係由該轉子之徑向平面中偏移。

圖9係本發明包括一偏移封閉運行線之具旋轉活塞之缸體裝置之前視圖，其中，該閘門片及封閉運行線皆由該轉子之徑向平面中偏移。

圖10及圖11係分別為本發明具旋轉活塞之缸體裝置之側視圖及前視圖，其中，該閘門片係斜向該轉子之徑向平面。

圖12a及圖12b係本發明介於該閘門片及該具旋轉活塞之缸體裝置之不同餘隙之細部示意圖。

圖13a至圖13d係本發明不同閘門片表面形狀之剖視圖。

圖14係本發明具旋轉活塞之缸體裝置之圓周表面之輪廓剖視圖，該圖式揭露出不同的半徑部分。

圖15a至圖15c係本發明在不同位置與不同閘門片相對於轉子之中央平面之表面幾何形狀之剖視圖。

圖16係本發明第二實施例之具旋轉活塞之缸體裝置之立體圖。

圖17A及17B係本發明圖16之具旋轉活塞之缸體裝置之轉子及閘門片之立體圖。

請參閱圖1，其揭示一種具旋轉活塞之缸體裝置1，包括一轉子2、一定子(圖未示)以及一閘門片3。定子包括有保持對應轉子之構造，以及一面向轉子表面2a之定子內表面，共同定義出一汽缸空間。定子可更包括一位於轉子另一側之第二部分，而該等定子區域有效地圍繞住轉子並與該轉子構成一整體，並從內表面2a延伸出一刃部5。閘門片3具有一溝槽3a，其尺寸及形狀可容許該刃部5通過。閘門片3係嚙合轉子來轉動，並利用一傳動總成確保轉子係與閘門片3同步。

使用該項裝置，閘門片之圓周表面30朝向轉子之內表面2a，用以在其中提供一密封，使得閘門片於汽缸空間內用作為一隔板得以實現，在以下之實施例中，閘門片之位置及圓周表面之形狀將被揭露。

在以下較佳實施例中，我們對於封閉運行線提供了幾何上較佳地設置方式。「封閉運行線」包括參考在閘門片上之一組(實質上相連)點集合，其在轉子及閘門片間提供一實質最小餘隙，在下述之實施例中將會闡釋幾種旋轉缸體裝置幾何形狀之結構組態，且依據本發明之基本原則所提出之各種態樣其皆具有可行性。

轉子內表面2a之幾何形狀係受制於旋轉閘門片之弧形圓周表面。因為閘門片(較佳地)僅穿過(環狀)汽缸之單側，閘門片及轉子之軸心基本上不會相交。且因閘門片會有厚度，其無法沿著整體之外表面形成一單一尺寸之封閉餘隙，這也造就了該型態之機械結構之偏移軸線及腔體幾何，且該成效分別如圖12a及圖12b所示。該二圖式係為了易於理解而稍有誇大之處，在該閘門片之徑向剖面中係具有一單一中央封閉運行線。圖12a揭示出在圖1內徑之該餘隙；而圖12b揭示出在圖1外徑之該餘隙。在外部位置中，轉子之曲率半徑相對於閘門片來的小，且該閘門片之外表面因此可緊密匹配轉子之曲率；在內部位置中，轉子之曲率半徑相對於閘門片來的大，係指導入及導出之餘隙較大，即便閘門片之曲率係保持不變。該封閉運行線之餘隙也同樣保持不變，且在圖示顯示之位置間實質保持固定。該等圖示僅顯示出特定實施例之餘隙，但其具有相同特性因此可適用於其他實施例中。

對於所屬領域中具有通常知識者，設計閘門片及轉子之表面幾何形狀之解決方式係定義出一與轉子之中央平面重合之基準面，且定義出封閉運行線之圓弧曲線係完全包含在該基準面內。轉子2之中央平面可更視為一徑向平面，其與轉子之軸線重合。圖2所揭示之參考圖，其揭示該等基準面A,B以及轉子之轉軸C。圓弧曲線係為閘門片之部分圓周，透過沿轉子軸線旋轉該曲線而形 成一表面，用以定義轉子之內輪廓。閘門片之外表面係藉由減少或降低閘門片之圓周表面及轉子之內表面間之間隙建立出一輪廓，並同時避免上述二者有任何接觸產生。

利用轉子之內表面2a如一切割表面般沿閘門片之轉軸旋轉，係為一種顯而易見地定義輪廓的方法。該方法對於上述裝置組態提供了一最佳表面，但其也較困難去製作及檢測。因此，我們偏向於以閘門片之圓周表面粗估代替最佳表面，其可用數學方是描繪出一個或一組簡單曲線或半徑。

製作該幾何輪廓之其他方法將被理解，且對於該等實施例之描述可藉由任一實質相同之幾何方式所實現。

如圖1所示之實施例，在基準面B上一閘門片設置於該轉子之中央處，使得該閘門片之中央平面D(如圖1所示)重合該轉子之轉軸及其徑向平面。閘門片之中央平面通過圓周表面之中點(相對於各別圓周表面的厚度/高度)。在此構造下，運用尖端技術之解決方式係在該閘門片之中央平面或中平面設置一封閉運行線，所以可藉由一以閘門片軸線為中心之單一半徑曲線來定義出一轉子內表面。該閘門片之中平面可定義為一通過該閘門片且位於閘門片之圓周平面之深度/高度中點(或其部分)之平面，且對於部分圓周所延伸之該表面。如果圓周表面係為可變高度/深度，該平面係位於該表面之主要部分之實質中點。上述之簡單幾何係有利於製作及檢測，相對地，在後述之實施例中，封閉運行線係由該(中央)平面距離一偏移量。

請參閱圖2a，係為一實施例之一由轉子徑向平面偏移之封閉運行線，如圖所示，該轉子之理想徑向剖面圖係實質為一橢圓。然而為了方便製作，故該圖形可粗估為一較大直徑之圓弧(單一半徑)且該軸線係由封閉運行線距離 一偏移量。在多種結構下，此粗估之誤差是極低的，並在製造及檢測上允許有較容易之刀具路徑之規格。

請參閱圖3及圖4，係揭示一設置於中央之閘門片13，但其圓周表面具有一由圖2基準面B偏移之封閉運行線13b所定義之輪廓，但該閘門片之中央平面係與基準面B重合。

圖5係揭示一實施例，其中該封閉運行線係位於閘門片33厚度之中央處，但閘門片之中央平面係由該基準面B距離一偏移量。

接著參閱圖6及圖7，係揭示一包含有閘門片23之具旋轉活塞之缸體裝置，其該圓周表面具有二相間隔之封閉運行線23b。該二封閉運行線23b間距有一間隔並對應該閘門片之中央平面，且該中央平面係重合基準面B。據此，每一封閉運行線23b係對稱於該基準面B距離一偏移量。儘管此解決方式增加了定義閘門片表面之複雜度，但該對稱結構允許二封閉運行線在轉子徑向平面之任一側呈現其對稱性。因為該閘門片-轉子之封閉間隙對於大多數之沖程代表了一滲漏路徑，故具有二封閉運行線可顯著提升旋轉汽缸之封閉性。

圖8係揭示一包括閘門片43之具旋轉活塞之缸體裝置，其包括二封閉運行線43b，該等封閉運行線係對稱設置於基準面B之兩側，且該閘門片之中央平面由基準面B距離一偏移量。

圖9係揭示一閘門片53之中央平面係由基準面B距離一偏移量之實施例，且其封閉運行線53b係由該閘門片之中央平面距離一偏移量。在此結構下，閘門片係偏移超出該轉子平面，以至於無法與轉子平面B相交或重疊，且封閉運行線會有較大之偏移量。在此情況下，是不可能提供超過一條封閉運行線，而由閘門片之中央平面偏移設置之單一封閉運行線係有效益的，該效益係關於 閘門片之圓周表面部分，該封閉運行線之兩側，假若封閉運行線係由閘門片之中央平面距離一偏移量且距轉子轉軸較遠，將使上述部分實質上更為靠近轉子表面。當這些表面(如圓周表面或轉子表面)更加接近時，由該間隙所造成之滲漏將被抑止，且即便對於封閉運行線之餘隙(在圓周表面及轉子間)係為不變的。我們可以瞭解到封閉運行線由閘門片之中央平面產生之具體偏移量係依據特定裝置結構而有所變化。其他因素像是使用上之密封磨耗、公差累積以及變形量皆具有其影響力。

圖10及圖11係揭示一種具旋轉活塞之缸體裝置，其閘門片63非垂直於轉子之法平面，且具有一封閉運行線63b，使得該封閉運行線在圖中所示之方向距離一偏移量。此傾斜結構可以增進該裝置之密封效果，此方式減少了裝置介面數量並增進裝置效率。由閘門片之中央平面遠離一偏移量實質地降低了在不同表面間任一側之封閉線及轉子內表面之距離，並藉此增進其密封性。

在上述實施例中，該閘門片之中央平面係由該轉子平面距離/或旋轉一偏移量，其可對於連接閘門片至轉子之傳輸總成增進封閉性/益處。

請參閱圖13a至13d、圖14及圖15a至圖15c，其揭示關於閘門片圓周表面之形狀/幾何之不同的實施例。如圖14所示，其揭示一具有二封閉運行線之閘門片，如圖可揭示圓周表面包括有一系列之三段半徑部分R1及R2。R1係為一中間段部分，其兩側係為R2部分。儘管上述方式係藉由參考各別半徑及弧形範圍之數學定義方式，該等部分係為相接且可視為最佳之表面輪廓。一封閉運行線係在中間段半徑部分R1之各端部所形成，位在最靠近轉子表面之區域。如圖可清楚的看出半徑部分R1係大於半徑部分R2。具有三種(或多種)單一半徑之 曲線可提供製造及檢測上相當大的好處，理想曲線之粗估方式有助於一系列單一半徑簡化其檢測程序。

如圖13a所示，一閘門片103具有一方形輪廓，導致其具有兩條封閉運行線。如圖13b所示，一閘門片203之圓周表面具有一平滑輪廓，並提供半徑肩部。如圖13c所示，一閘門片303之該圓周表片包括有凹部及半徑肩部。如圖13d所示，一閘門片403係基於該閘門片103之圓周表面之幾何形狀，具有複數凹槽403a，其可視為一直線(如剖視圖中所示)幾何形狀，其具有複數凹槽。

圖15a揭示一閘門片503，其具有一半徑面，且其提供一單一封閉運行線，該封閉運行線並沒有從中央平面距離一偏移量，並可參考圖15b及圖15c所揭示之偏移範圍之對照圖。圖15b揭示一具有非對稱弧形表面之閘門片603，其中該閘門片及封閉運行線皆由中央轉子平面13距離一偏移量。圖15c揭示一同類型之設置方式，然而該閘門片703之弧形幾何面有別於該閘門片603，因此封閉運行線係位於不同位置。

如圖16所示之參考圖，其揭示一具旋轉活塞之缸體裝置之另一類型，該裝置之一轉子2002包括有一活塞2005，其中活塞通過一位於該閘門片2003之溝槽2006，一定子結構為了圖面明確並未繪製於圖示中，如圖17所示，放大其結構特徵，該閘門片之圓周表面一般係為凹面形狀，因此在轉子表面具有二封閉運行線。該二封閉運行線係位於該閘門片之中央平面之周圍，在此實施例中，該閘門片係位於轉子徑向平面之中央，且二封閉運行線如上所述係位於中央平面之周圍。二視角皆為閘門片之徑向區域，在轉子之內徑中，從該閘門片所視之該轉子之曲率係為極小的，故其決定了閘門片外表面之中央部分之曲率。在轉子之外徑中，從該閘門片所視之該轉子之曲率係為極大的，故其決定 了閘門片外表面之外部之曲率。從上述兩種極端的例子中可看出，閘門片之曲率及轉子表面並不匹配，但位於封閉運行線之餘隙將會實質固定且為極小的。因此可顯而易見封閉運行線之偏移原則係同樣適用於其他類型之具旋轉活塞之缸體裝置。

Claims (17)

1. 一種具旋轉活塞之缸體裝置，包括有一轉子、一定子以及一閘門片，該轉子包括一由該轉子延伸至一汽缸空間之活塞，該轉子及該定子係共同定義出該汽缸空間；該閘門片係通過該汽缸空間並於其內形成一隔板，該閘門片包括一溝槽，其准許該活塞之通道通過；該閘門片包括一圓周表面，其與該轉子內表面排列定義出一封閉間隙，該圓周表面定義出一輪廓，其與該轉子表面形成至少一封閉運行線，且該至少一封閉運行線係由一轉子平面距離一偏移量，該轉子平面座落在該轉子之徑向上並包括該轉子之轉軸，其中，該封閉間隙對於大多數之該活塞之沖程代表了一滲漏路徑。
2. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片位在一實質平行於該轉子平面之平面。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片係實質位於該轉子平面之中央處。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片係由該轉子平面距離一偏移量。
5. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片並未與該轉子平面相交，且較佳地未與一平行轉子徑向平面相交。
6. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片係相對該轉子平面傾斜，且較佳地未垂直於一轉子之法平面。
7. 如申請專利範圍第1項之之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片包括一圓周表面，其定義出二相隔之封閉運行線。
8. 如申請專利範圍第7項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該二封閉運行線係分隔在該閘門片之厚度方向上。
9. 如申請專利範圍第7項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該二封閉運行線係實質對稱於該轉子表面。
10. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片在該轉子上提供二分隔之封閉運行線，且該閘門片之中平面係由該轉子之該徑向平面距離一偏移量。
11. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該圓周表面在該閘門片徑向上之剖面輪廓會隨著不同的圓周位置而改變。
12. 如申請專利範圍第11項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，在不同圓周位置之輪廓改變量，係使得在一圓周位置上之圓周表面與其他圓周位置相比之較凸出處係更靠近該轉子表面。
13. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該圓周表面在該閘門片徑向上之剖面輪廓包括複數相接之半徑部分。
14. 如申請專利範圍第13項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該圓周表面包括一中間段半徑部分，其位於二外部半徑部分之間，且該中間段部分相較外部部分具有較大的半徑。
15. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片之該圓周表面包括下述至少一輪廓：複數半徑部分、一凹部輪廓、一方形輪廓以及一包括複數凹槽之輪廓。
16. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片之封閉運行線係被設置，使得該閘門片之該中平面係介於該封閉運行線及該轉子平面之間。
17. 如申請專利範圍第1項之具旋轉活塞之缸體裝置，其中，該閘門片係在單一區域之汽缸空間分隔該汽缸空間。