CN103233782B - 旋塞式旋转压缩膨胀机构 - Google Patents

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Abstract

一种旋塞式旋转压缩膨胀机构，包括定子、转子、凸塞、旋塞；定子中部为基圆孔，基圆孔圆周设有一个以上凸塞；转子为基圆柱；转子中心主轴通过端盖定位于定子基圆孔中心；基圆柱上设有一个以上旋塞槽；旋塞置于旋塞槽中；定子基圆孔与转子基圆柱之间为封闭空腔；凸塞顶部与转子基圆滑动相接；旋塞外圆与定子基圆和旋塞槽滑动相接；凸塞与旋塞将定子基圆孔与转子基圆柱之间的封闭空腔分隔为两个以上相互独立的封闭工作腔；旋塞上设有换位槽。转动换位时，换位槽侧缘后端与凸塞后侧面滑动相接，换位槽侧缘前端与凸塞前侧面滑动相接，将工作气体封闭在换位槽内。本发明可应用于压缩机、膨胀机、内燃发动机、热泵等装置中。

Description

旋塞式旋转压缩膨胀机构
技术领域
本发明涉及一种变容式压缩膨胀机构，具体涉及一种变容式旋转压缩膨胀机构。
背景技术
自往复式压缩机和内燃发动机发明以来，为克服往复式压缩膨胀机构运转震动大、机械效率低、相对体积大的缺点，人们一直不断地寻找用旋转运动代替往复运动的压缩膨胀机构。发明了大量各种样式的装置。 例如：齿轮-齿轮机构、凸凹轮机构、偏心轮或凸轮-滑板机构、偏心轮或凸轮-摆动门机构、滑环-滑板机构、叶轮-旋转门机构、轴向凸凹轮机构、偏心转子-旋轮线型腔机构、涡旋盘运动机构、螺杆啮合机构、环缸-活塞交替转动机构等等。部分机构在输送泵或压缩机等机械中得到广泛应用。但在发动机领域，由于严格的运行条件和恶劣的运行环境限制，众多发明均因为在机构原理、结构布局、受力状态、运动特性等方面，存在某些难以克服的缺点，未能得到应用。例如1825年发明的里弗转子发动机（The Eve rotary engine）的叶轮-旋转门机构，就存在叶轮通过旋转门时，两侧出现导通的问题。1954年，德国汪克尔(Felix Wankel)博士在总结前人研究成果的基础上，改进了偏心转子-旋轮线型腔机构，解决了一些关键技术问题，发明了一种三角转子发动机，经日本马自达公司三十多年的不断研究，成功地实现了量产。该机是至今唯一量产的变容式旋转发动机，实际证明了旋转发动机的体积小巧、运转平稳的优势。但三角转子发动机还存在输出力矩小、压缩比难以增大、运转效率偏低的缺点，仍需进一步研究改进，难以大规模推广。
从上述的简要技术背景来看，变容式压缩膨胀机构的应用从传统的活塞压缩机到最新型的涡旋压缩机和三角转子发动机，技术和方法都在不断地发展和进步，但仍然存在这样那样的不足之处，仍然需要不断地探索新的方法，发展新的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，运转平稳，输出力矩大、机械效率高的单纯旋转运动的旋塞式旋转压缩膨胀机构。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括定子、转子、凸塞、旋塞；定子中部为基圆孔，基圆孔圆周设有一个以上凸塞；转子为基圆柱；转子中心主轴通过端盖定位于定子基圆孔中心；基圆柱上设有一个以上用于定位旋塞的旋塞槽；旋塞置于旋塞槽中；定子基圆孔与转子基圆柱之间为封闭空腔；凸塞顶部与转子基圆滑动相接；旋塞外圆与定子基圆和旋塞槽滑动相接；凸塞与旋塞将定子基圆孔与转子基圆柱之间的封闭空腔分隔为两个以上相互独立的封闭工作腔；旋塞上设有用于在转动相会换位时与凸塞配合密封的换位槽。
所述旋塞与凸塞换位时，换位槽侧缘后端与凸塞后侧面滑动相接，换位槽侧缘前端与凸塞前侧面滑动相接，将工作气体封闭在换位槽内。
所述凸塞的侧面形状为转动相会时换位槽侧缘扫过的轨迹；所述换位槽的侧面形状为转动相会时凸塞顶部侧缘扫过的轨迹。
所述旋塞与凸塞转动相会时，凸塞的顶部完全进入换位槽时，换位槽侧缘后端与凸塞侧缘后端重合，工作气体封闭在换位槽内；当凸塞的顶部开始离开换位槽时，换位槽侧缘前端与凸塞侧缘前端重合。
所述旋塞的直径为定子基圆直径与转子基圆直径之差的1~1.8倍。
所述定子基圆孔的圆周上设有用于防止旋塞导通的过渡塞；所述过渡塞的高度小于凸塞的高度。
所述凸塞为N个；所述过渡塞为M个；所述旋塞与转子的相对转速比为(N+M)：1 ；其中N的最小值为1，M的最小值为0 。
所述定子上固定有内齿轮；所述旋塞上设有与定子内齿轮啮合传动的外齿轮。
所述定子上固定有外齿轮；所述旋塞上的外齿轮通过中间齿轮与定子外齿轮啮合传动。
所述定子基圆孔的内圆周面上设有内齿；所述旋塞的外圆周上设有与定子基圆孔上的内齿啮合传动的外齿，在工作腔内部组成内、外齿轮啮合传动。
所述旋塞槽的中部设有导流槽，导流槽通过导流孔与工作腔相通，实现封闭于换位槽中的高压气体导通到工作腔。
凸塞侧面和换位槽侧面的横截线的基本线形为旋轮线或旋轮线的等距线及修形线。
在隔离进排气的凸塞两侧可以分别设置进气口及排气口。在机构工作过程中，进气-压缩或膨胀-排气同步进行，不需设置进、排气控制阀。
本发明的旋塞传动可以采用齿轮传动机构，也可以采用双曲柄机构传动方式或摩擦传动方式。旋塞的传动机构可以安装在工作腔外部，也可以设计在工作腔内部。
本发明的密封可采用设置密封条（环）密封，也可采用非接触密封及气流壅塞技术密封。旋塞外圆面可通过弹性压垫、高压气体或离心力压迫旋塞贴紧基圆密封。可采用润滑、导热油循环方式通过定子和转子上开设的润滑、冷却通道进行润滑和冷却。
本发明有两个工作过程，即旋塞绕主轴旋转过程和旋塞与凸塞转动相会的换位过程。换位过程的顺序为：当凸塞的顶部完全进入旋塞换位槽时，换位槽侧缘后端与凸塞后侧面的顶缘重合，换位开始。随后换位槽侧缘后端沿着凸塞后侧面滑动。旋塞运动至换位槽侧缘前端与凸塞前侧面的根部接触时，换位槽两边的侧缘均与凸塞两边的侧面接触滑动，工作气体封闭在换位槽内。当凸塞的顶部开始离开换位槽时，换位槽侧缘前端与凸塞前侧面的顶缘重合，换位结束。同理，可以利用凸塞的侧面顶缘与换位槽的侧面配合，形成第二密封线。
本发明的换位形式有两种：机械结构换位和工作气体换位。机械结构换位为凸塞与旋塞在接触过程中交换位置，使转子形成连续旋转，两侧的工作气体始终处于隔离状态，凸塞工作于气体隔离模式；凸塞两侧可设置进气口和排气口，应用于简单的压缩或膨胀模式。工作气体换位形式要求在机械结构换位的同时，在换位槽内实现工作气体由压缩状态转换到膨胀状态的换位；因此需要在换位槽的中下部与凸塞顶部留有间隙，使凸塞两侧导通，工作气体通过换位槽间隙由压缩状态转换到膨胀状态，凸塞工作于气体换位模式；应用于内燃机的工作腔内压缩转膨胀模式。
从本发明的运行方式来看，旋塞通过凸塞时的运动形式与偏心转子-旋轮线型腔机构相似，工作气体封闭于旋轮线型腔中。在旋转压缩膨胀时，具有往复式压缩膨胀机构的固定工作腔的特点，在换位压缩膨胀时，又有三角转子压缩膨胀机构的移动工作腔的特点。本机构将圆弧形固定工作腔和旋转移动工作腔两种工作模式有效的结合在一起，成为一种新的旋转压缩膨胀机构模式。
从结构和受力状态来看，本发明的圆弧形固定工作腔的压缩行程与截面等效直径的比值大，压缩终了的自由容积小，容易实现大的容积压缩比；环形工作腔的有效容积大，空间利用率高；气体压力直接作用于转子，没有中间机构传递，在旋转压缩膨胀过程中的受力力臂基本恒定，因此输出力矩大，机械效率高。
本发明可应用于压缩机、膨胀机、内燃发动机、热泵及流体输送等各种机械装置中。
附图说明
图1是本发明的旋转压缩示意图。
图2是本发明的换位压缩示意图。
图3是旋塞式双缸旋转压缩机构的结构示意图。
图4是旋塞式单缸旋转膨胀机构的结构示意图。
图5是旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构的结构示意图。
图6是旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构的立体示意图。
图7是旋塞式大膨胀比旋转压缩膨胀机构的结构示意图。
图中，1、定子，2、定子基圆，3、转子，4、转子基圆，5、凸塞，6、旋塞，7a、凸塞前侧面，7b、凸塞后侧面，8、换位槽，9a、换位槽侧缘前端，9b、换位槽侧缘后端，10、进气口，11、排气口，12、导流槽，13、侧板，14、过渡塞。
具体实施方式
图1、图2所示为本发明的原理图。图中，定子1中部为基圆孔，基圆孔圆周设有一个以上凸塞5。凸塞5两侧设有进气口10和排气口11。转子3为基圆柱。转子3中心主轴通过端盖定位于定子1基圆孔中心。基圆柱上设有一个以上用于定位旋塞6的旋塞槽，旋塞6置于旋塞槽中。定子基圆孔与转子基圆柱之间为封闭空腔。凸塞5顶部与转子基圆4滑动相接，旋塞6外圆与定子基圆2和旋塞槽滑动相接。凸塞5与旋塞6将定子基圆孔与转子基圆柱之间的封闭空腔分隔为两个以上相互独立的封闭工作腔。旋塞6上设有用于在转动相会换位时与凸塞5配合密封的换位槽8。旋塞6与凸塞5转动相会时，凸塞5的顶部完全进入换位槽时，换位槽侧缘后端9b与凸塞侧缘后端7b重合，工作气体封闭在换位槽内；当凸塞5的顶部开始离开换位槽时，换位槽侧缘前端9a与凸塞侧缘前端7a重合。
实施例1：旋塞式双缸旋转压缩机构。
图3所示为旋塞式双缸旋转压缩机构。图中，使用了由两个凸塞5和两个旋塞6对称布置组成的旋塞式双缸旋转压缩机构；两个凸塞5将环形封闭空间隔离成两个圆弧形工作腔（双缸），凸塞5工作于气体隔离模式，凸塞5两侧设有进气口10和排气口11；侧板固定在转子3基圆柱两端，形成了旋塞式双缸旋转压缩机构主体。转子3带动旋塞6做连续匀速转动，转子3转动与旋塞6反向自转的转速比为1:1（旋塞6与转子3的相对转速比为2：1），转子3旋转一周，每个旋塞压缩2次，共压缩4次。在高压排气口内装有止回活门，机构的容积压缩比≥15:1 。1为定子，2为定子基圆，4为转子基圆，12为导流槽。
旋塞式双缸旋转压缩机构的两个工作腔可设计为一个腔为压缩腔，另一个腔为膨胀腔，同时实现压缩和膨胀两种功能，有效利用膨胀功。该机构可应用于压缩机和热泵。
实施例2：旋塞式单缸旋转膨胀机构。
图4所示为旋塞式单缸旋转膨胀机构。图中，使用了由一个旋塞6、一个凸塞5和一个过渡塞14组成的旋塞式单缸旋转膨胀机构；过渡塞14与转子基圆4之间有足够间隙，不阻塞气道，仅在旋塞6通过时起密封作用；凸塞5工作于气体隔离模式，凸塞5两侧设有进气口10和排气口11；高压进气口端配置配气阀；侧板固定在转子基圆柱两端，形成了旋塞式单缸旋转膨胀机构主体。旋塞6推动转子3做连续匀速转动，转子3转动与旋塞6反向自转的转速比为1:1（旋塞6与转子3的相对转速比为2：1），容积膨胀比≥30:1。1为定子，2为定子基圆，8为换位槽，12导流槽。
旋塞式单缸旋转膨胀机构在低转速下可实现大膨胀比，可代替小型涡轮膨胀机用于动力及制冷等***。
实施例3：旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构。
图5所示为旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构。图6为立体示意图。图中，使用了由两个凸塞5和两个旋塞6对称布置组成的旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构；两个凸塞5将环形封闭空间隔离成一个压缩腔和一个膨胀腔（双缸）；图中左侧凸塞工作于气体隔离模式，凸塞两侧设有进气口10和排气口11；右侧凸塞工作于气体换位模式，膨胀侧可以配置点火装置或喷油装置；侧板13固定在转子3基圆柱两端，组成旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构主体。转子3带动旋塞6做连续匀速转动，转子3转动与旋塞6反向自转的转速比为1:1（旋塞6与转子3的相对转速比为2：1）。该机的容积压缩比≥20:1，可达到压燃内燃机的压燃条件的要求。1为定子，2为定子基圆，4为转子基圆，8为换位槽，12为导流槽。
旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构的特点是结构简单，相对体积小，工作时吸气-压缩与膨胀-排气过程均连续同时进行，运转一周，做功两次。该机构可应用于内燃机。
实施例4：旋塞式大膨胀比旋转压缩膨胀机构。
图7所示为旋塞式大膨胀比旋转压缩膨胀机构。图中，使用了由一个旋塞6和分布夹角120°的两个凸塞5、一个过渡塞14（本身不阻隔气流，用于当旋塞处于导通状态时封闭旋塞）构成的旋塞式双缸旋转压缩膨胀机构；两个凸塞5将环形封闭空间隔离成两个圆弧形工作腔（双缸），膨胀腔的容积是压缩腔的两倍；图中左侧凸塞工作于气体隔离模式，凸塞两侧设有进气口10和排气口11；右上侧凸塞工作于气体换位模式，膨胀侧可以配置点火装置或喷油装置；侧板固定在转子3基圆柱两端，形成了旋塞式大膨胀比双缸旋转压缩膨胀机构主体。转子带动旋塞做连续匀速转动，转子转动与旋塞反向自转的转速比为1:2（旋塞6与转子3的相对转速比为3：1）。该机的容积压缩比≥16:1，容积膨胀比≥30:1，运转一周，做功一次。1为定子，2为定子基圆，4为转子基圆，8为换位槽，12为导流槽。
旋塞式大膨胀比旋转压缩膨胀机构可应用于阿特金森循环（Atkinson cycle）模式内燃机。

Claims (8)

1.一种旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：包括定子（1）、转子（3）、凸塞（5）、旋塞（6）；
定子（1）中部为基圆孔，基圆孔圆周设有一个以上凸塞（5）；
转子（3）为基圆柱；转子（3）中心主轴通过端盖定位于定子（1）基圆孔中心；基圆柱上设有一个以上用于定位旋塞（6）的旋塞槽；旋塞（6）置于旋塞槽中；
定子基圆孔与转子基圆柱之间为封闭空腔；
凸塞（5）顶部与转子基圆（4）滑动相接；旋塞（6）外圆与定子基圆（2）和旋塞槽滑动相接；凸塞（5）与旋塞（6）将定子基圆孔与转子基圆柱之间的封闭空腔分隔为两个以上相互独立的封闭工作腔；
旋塞（6）上设有用于在转动相会换位时与凸塞（5）配合密封的换位槽（8）；所述旋塞（6）与凸塞（5）换位时，换位槽侧缘后端（9b）与凸塞后侧面（7b）滑动相接，换位槽侧缘前端（9a）与凸塞前侧面（7a）滑动相接，将工作气体封闭在换位槽内；所述凸塞（5）的侧面形状为转动相会时换位槽侧缘扫过的轨迹；所述换位槽（8）的侧面形状为转动相会时凸塞（5）顶部侧缘扫过的轨迹。
2.根据权利要求1所述的旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：所述旋塞（6）的直径为定子基圆（2）直径与转子基圆（4）直径之差的1~1.8倍。
3.根据权利要求1所述的旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：所述定子（1）基圆孔的圆周上设有用于防止旋塞（6）导通的过渡塞（14）；所述过渡塞（14）的高度小于凸塞（5）的高度。
4.根据权利要求3所述的旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：所述凸塞（5）为N个；所述过渡塞（14）为M个；所述旋塞（6）与转子（3）的相对转速比为(N+M)：1。
5.根据权利要求1所述的旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：所述定子（1）上固定有内齿轮；所述旋塞（6）上设有与定子内齿轮啮合传动的外齿轮。
6.根据权利要求1所述的旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：所述定子（1）上固定有外齿轮；所述旋塞（6）上的外齿轮通过中间齿轮与定子外齿轮啮合传动。
7.根据权利要求1所述的旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：所述定子（1）基圆孔的内圆周面上设有内齿；所述旋塞（6）的外圆周上设有与定子基圆孔上的内齿啮合传动的外齿。
8.根据权利要求1所述的旋塞式旋转压缩膨胀机构，其特征在于：所述旋塞槽的中部设有导流槽（12）。
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