專利名稱：使用擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)活塞的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及活塞工作設(shè)備，尤其是涉及馬達(dá)、膨脹機(jī)、壓縮機(jī)和帶有旋轉(zhuǎn)汽缸的液壓裝置。
對于汽車使用來講，渦輪機(jī)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間太慢，汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)不受歡迎，所以，盡管效率低，汽油和柴油馬達(dá)仍已成為汽車工業(yè)中的支柱?？紤]到在這些馬達(dá)中的燃燒溫度，其理論效率(Carnot效率)為百分之七十以上。今天的汽車馬達(dá)的效率通常是百分之二十五。低效率的一個(gè)主要的原因是由于活塞貼著汽缸壁的滑動(dòng)摩擦引起的較高能量損失。這種損失轉(zhuǎn)化為熱能，由環(huán)繞發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸壁的冷卻水帶走。
自從早期的蒸汽動(dòng)力設(shè)備以來，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)揮作用。標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)燃機(jī)到處都是。內(nèi)燃機(jī)的變化是汪克爾馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，比如在美國專利US3741684中描述的發(fā)動(dòng)機(jī)。美國專利US5813372中描述了一種旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中因?yàn)榛钊唤佑|汽缸壁，所以內(nèi)部摩擦得以減小。只有活塞環(huán)接觸汽缸壁。汽缸和活塞繞著一軸旋轉(zhuǎn)，并且依靠一滑閥裝置來打開進(jìn)口和出口汽門。該裝置的困難是經(jīng)過閥門的頭部的較大滑動(dòng)表面產(chǎn)生較大的摩擦量。
美國專利US5803041描述了一種旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中直線的活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成為汽缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
美國專利US5138944描述了一種旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中長方形的活塞在一環(huán)形空腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)活塞沿著一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在活塞的每一轉(zhuǎn)期間，封閉環(huán)形空腔的門打開一次，從而允許活塞通過?；钊ㄟ^從該空腔的圓柱形內(nèi)壁上穿過的一圓盤，連接到中心軸上。這一裝置的問題是因?yàn)槠淇吭谄妆谏夏Σ?，所以環(huán)繞旋轉(zhuǎn)活塞總是發(fā)生較大的滑動(dòng)摩擦。另外的摩擦發(fā)生在圓盤穿透汽缸壁的地方。
美國專利US4938668畫出了一種旋轉(zhuǎn)活塞設(shè)計(jì)，其中兩組旋轉(zhuǎn)活塞在一起擺動(dòng)，并且隨著兩組活塞繞著一公用軸旋轉(zhuǎn)，分開形成容積改變的空腔。一凸輪系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)軸的推力裝置。活塞貼著設(shè)在進(jìn)口和出口汽門的端板滑動(dòng)。因?yàn)樾D(zhuǎn)活塞貼著外面的汽缸和汽門所在的端板而摩擦，所以該裝置也有較大的滑動(dòng)摩擦。
美國專利US4002033是一旋轉(zhuǎn)式置換裝置，其具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)隔板密封轉(zhuǎn)子，其貼著主旋轉(zhuǎn)活塞旋轉(zhuǎn)。然而，因?yàn)楸砻嫠俣炔煌栽诿芊廪D(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)活塞之間有一微小的間隙。它們以相同的角速度旋轉(zhuǎn)，但是因?yàn)樗鼈兊闹睆讲煌?，所以鄰近的表面速度就不同。旋轉(zhuǎn)活塞不接觸汽缸壁，從而消除了滑動(dòng)摩擦。但是這便于過分的泄漏。為了減少泄漏，在活塞壁內(nèi)形成凹槽，從而在氣流中產(chǎn)生紊流。但是泄漏依然是該設(shè)計(jì)的一個(gè)問題。
美國專利US4099448示出了具有繞著軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)齒輪的旋轉(zhuǎn)葉片，該軸使葉片保持同步。在該設(shè)計(jì)中滑動(dòng)摩擦是明顯的，因?yàn)槿~片的外部頂點(diǎn)具有在汽缸壁上滑動(dòng)的密封件。
美國專利US3282513描述一種具有旋轉(zhuǎn)葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)，該葉片在其末端設(shè)有滑動(dòng)密封件，其在汽缸壁上滑動(dòng)。潤滑油必須從中心旋轉(zhuǎn)軸供應(yīng)給密封件。該裝置具有和我們的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)共同的一些特征，但是我們的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)具有安裝在汽缸壁內(nèi)的密封件，而不是安裝在旋轉(zhuǎn)活塞內(nèi)，并且潤滑油能夠從汽缸的外面供應(yīng)，而不是通過軸和活塞。
美國專利US2359819是一泵，它在汽缸壁處設(shè)有滑動(dòng)密封件。相似地，美國專利US5228414、3315648、3181513、2989040、2786455、1010583和526127描述了具有旋轉(zhuǎn)件的設(shè)計(jì)，該旋轉(zhuǎn)件具有在汽缸壁上滑動(dòng)的密封件。
因?yàn)橄挠土坎⑶矣捎跍厥覛怏w會(huì)污染大氣，所以今天的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)被更有效的動(dòng)力裝置取代經(jīng)歷了過去較長的時(shí)間。按照本發(fā)明，提供了一種新的流體驅(qū)替機(jī)械，其被稱作“MECH”(馬達(dá)、膨脹機(jī)、壓縮機(jī)或者液壓裝置的英文單詞的詞頭)，以及適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，它們能夠用作內(nèi)燃機(jī)、膨脹機(jī)(渦輪機(jī)的同義詞)、壓縮機(jī)、液壓馬達(dá)或者泵。所述的MECH包含滾動(dòng)摩擦，并非滑動(dòng)摩擦。
在隨后的說明書部分中將提出本發(fā)明的另外的目的、好處和新的特征，并且依靠后面的檢驗(yàn)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說該部分將變得明白，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)踐可以學(xué)會(huì)。通過在所附的權(quán)利要求書中特別指出的裝置和結(jié)合，可以認(rèn)識和獲得本發(fā)明的目的和好處。
圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的端視圖，畫出了用于將擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲軸。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的徑向剖面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的膨脹機(jī)的徑向剖面圖。
圖5是一放大圖，特別描繪出了用于圖4中的膨脹機(jī)的排氣閥裝置。
圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的壓縮機(jī)的徑向剖面圖。
圖7是用在本發(fā)明的變化實(shí)施例中的單個(gè)旋轉(zhuǎn)活塞的徑向剖面圖。
圖8是用于本發(fā)明的四活塞結(jié)構(gòu)的曲軸設(shè)計(jì)的徑向剖面圖。
圖9是本發(fā)明的四活塞結(jié)構(gòu)的徑向剖面圖。
對于相同容積的發(fā)動(dòng)機(jī)來講，本發(fā)明所述的MECH具有四倍于普通汽油馬達(dá)的位移，其傳送出四倍的動(dòng)力。但是由于所述MECH具有較低的摩擦損耗，MECH發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)具有相同尺寸的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的五倍的動(dòng)力。相反的，MECH發(fā)動(dòng)機(jī)重約相同動(dòng)力汽油發(fā)動(dòng)機(jī)重量的五分之一。
所述的MECH發(fā)動(dòng)機(jī)被用作小汽車或者卡車的動(dòng)力裝置，或者用作混合汽車的動(dòng)力源。所述的MECH發(fā)動(dòng)機(jī)也可以用來制造割草機(jī)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)發(fā)電機(jī)。較輕的重量使它們對于鏈鋸或者其他手持電動(dòng)工具具有吸引力。較大MECH的柴油或者汽油發(fā)動(dòng)機(jī)能夠用在發(fā)電廠。家庭或者商場自發(fā)電系統(tǒng)可以使用小型MECH發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造。
已知滾動(dòng)摩擦大大小于滑動(dòng)摩擦?；钊谄變?nèi)的滑動(dòng)具有極高的摩擦損失。在本發(fā)明中，滾動(dòng)摩擦包含在兩旋轉(zhuǎn)活塞在一起滾動(dòng)時(shí)，而不是沿著它們的縱軸滑動(dòng)的時(shí)候。大多數(shù)的人們將單詞“活塞”和在汽缸內(nèi)軸向滑動(dòng)的圓柱形物體聯(lián)系起來。在本發(fā)明中，“旋轉(zhuǎn)的活塞”被定義為以旋轉(zhuǎn)的方式繞著軸線擺動(dòng)的一部分圓柱體。其不能軸向地直線運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)活塞實(shí)際上在汽缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)，與活塞和汽缸繞著某一外部軸線旋轉(zhuǎn)的“旋轉(zhuǎn)活塞”(在某些現(xiàn)有技術(shù)中描述的)形成對比。


圖1畫出了一種所述MECH的四沖程內(nèi)燃機(jī)的原理。在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體1內(nèi)，旋轉(zhuǎn)活塞2和3以擺動(dòng)的形式繞著在汽缸4和5內(nèi)的軸6和7旋轉(zhuǎn)，并且在接觸點(diǎn)15(實(shí)際上是一條“接觸線”)滾動(dòng)在一起。該滾動(dòng)接觸點(diǎn)形成軸向滾動(dòng)接觸密封，從而防止氣體通過下腔26和27與上腔24和25之間。該滾動(dòng)密封具有大大小于滑動(dòng)密封的摩擦。應(yīng)注意，在上腔24中的壓力和上腔25中的壓力基本一樣，在下腔26中的壓力和下腔27中的壓力基本一樣。所以氣體幾乎沒有流過間隙22的傾向。從而可以看出，軸6、7和汽缸軸同軸，并且活塞繞著由汽缸軸確定的旋轉(zhuǎn)軸偏心地樞轉(zhuǎn)，實(shí)際上同軸地樞轉(zhuǎn)。
在本說明書和權(quán)利要求中，“偏心的”是指具有其旋轉(zhuǎn)軸的活塞——或者更具體是指該應(yīng)用，它的樞轉(zhuǎn)軸——和其重心偏移，以便能夠施加往復(fù)移動(dòng)。通常在本發(fā)明中，活塞樞轉(zhuǎn)軸平行并偏離穿過其重心延伸的活塞的縱軸。這樣，關(guān)于活塞“偏心地”樞轉(zhuǎn)，盡管活塞的重心沿著與樞軸同心的圓弧來回變化，但是其大部分的質(zhì)量總是偏離樞軸。
在圖1中畫出的旋轉(zhuǎn)的圓柱體是半圓柱形，也就是說，從一面到另一面的角度是180°。為了適合不同的應(yīng)用場合，該角度可以改變，然而，對于一些應(yīng)用場合最好是180°，在圖中示出的半圓柱形是為了作為例子，但并非為了限制。楔塊8和9也能夠有角度改變，以用于不同的用途。在旋轉(zhuǎn)活塞2、3和汽缸壁之間的間隙22應(yīng)該足夠大，以便旋轉(zhuǎn)活塞不摩擦該壁。間隙22應(yīng)該足夠大，從而防止導(dǎo)致碳?xì)浠衔锷l(fā)的燃燒的熄滅。
端板(圖1中未示出)覆蓋旋轉(zhuǎn)活塞2、3的端部，并且固定到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體1上?；瑒?dòng)摩擦發(fā)生在旋轉(zhuǎn)活塞的端部和端板之間，但是由于旋轉(zhuǎn)活塞2、3相對它們的直徑能夠被制造得很長，所以這種摩擦相對較小。例如，汽缸的直徑可以是四英寸，而其長度可以是兩英尺或三英尺。在端板的凹槽內(nèi)的徑向端部密封件20，通過消除活塞緊緊壓靠在端板上的要求，能夠進(jìn)一步減小這種滑動(dòng)摩擦。這些密封件20和在普通馬達(dá)中的活塞環(huán)類似。端部密封件20是“U”形的，其底部末端鄰接，相反的端部壓靠著軸6和7，油被噴射在端部密封件之間。在端板凹槽中的彈簧(未示出)將密封件22偏壓在旋轉(zhuǎn)活塞的端部。
在操作中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)活塞3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，活塞2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且在上腔24和25中的燃油空氣混合物被壓縮。當(dāng)完成壓縮時(shí)，火花塞(未示出)點(diǎn)火并引爆燃油空氣混合物。爆發(fā)的壓力和旋轉(zhuǎn)活塞2、3的旋轉(zhuǎn)方向換向。反向旋轉(zhuǎn)的活塞壓縮在下腔26和27中的燃油空氣混合物，之后在腔26和27中的引爆又使旋轉(zhuǎn)活塞2、3的方向換向。由凸輪(未示出)驅(qū)動(dòng)的閥桿11打開上閥10，允許氣體從上腔24和25經(jīng)過上部管道12并通過閥10排放出去。(在本說明書中，使用“上”和“下”表示附圖的上下部分，并非必須是MECH實(shí)體的上下部分)。如果活塞非常長，多于一個(gè)的進(jìn)氣閥、排氣閥和火花塞是有利的。用作內(nèi)燃機(jī)的本發(fā)明的所有實(shí)施例可以任選地具有在每一腔內(nèi)的多個(gè)火花塞、多個(gè)進(jìn)氣閥和多個(gè)排氣閥的特征。
在下一循環(huán)中，桿14打開下閥13，從而允許排放的氣體從下腔26和27經(jīng)下部管道12’排出，而新的燃油空氣混合物經(jīng)過進(jìn)口閥被吸入上腔24和25。這些進(jìn)氣閥直接位于排氣閥10(進(jìn)一步地進(jìn)入紙里)的后面，因此沒有畫出來。相似的進(jìn)氣閥位于下閥13的后面。該循環(huán)重復(fù)進(jìn)行。
圖2畫出了端板50和位于端板上的機(jī)構(gòu)。該端板固定到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體1的端部，并且緊鄰旋轉(zhuǎn)活塞2、3的端部。圖1中的軸6和7穿過端板50延伸，并且連接到齒輪60和61上。這些齒輪在其圓周上具有齒輪齒，它們相互嚙合，從而將齒輪60和61保持在正確的相互位置上。齒輪嚙合的目的是防止旋轉(zhuǎn)活塞2、3一起滾動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)。這些齒也從齒輪60和61傳遞能量，以便使該能量傳遞到曲軸桿51，該曲軸桿通過軸52可樞轉(zhuǎn)地安裝到齒輪61上。然后曲軸桿51通過軸53驅(qū)動(dòng)飛輪54。(53和曲軸桿51的端部假想線表示從觀察者一側(cè)看，這些部分位于飛輪54的下面)。曲軸55連接飛輪54，并將能量從發(fā)動(dòng)機(jī)傳送到外部。曲軸55穿過發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(未示出)設(shè)置，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體位于圖2的觀察者一側(cè)。
油泵由活塞75(彎曲的桿)和彎曲的腔76構(gòu)成。活塞75連接到一個(gè)齒輪上，當(dāng)齒輪擺動(dòng)時(shí)，活塞75進(jìn)入腔76中，并且迫使油(保持在齒輪所在的殼體內(nèi))流過單向閥78。油被以管子送往需要的各處。單向閥77允許油流入腔76。
在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體1的相對端的端板可以具有相似的齒輪機(jī)構(gòu)，但是并非必須。端板為軸6、7和端部密封件20提供支撐。發(fā)動(dòng)機(jī)需要一起動(dòng)器、進(jìn)入和排出支管、點(diǎn)火線、定時(shí)鏈、閥凸輪和其他對于汽油馬達(dá)或柴油馬達(dá)通用的零件。為了清楚起見，這些零件沒有增加到附圖中，流過發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體1中的管道的水能夠冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)。這些管道沒有畫出，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠增加它們。
該MECH發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要的好處是汽缸壁和旋轉(zhuǎn)活塞能夠承受很高的溫度，因?yàn)樾D(zhuǎn)活塞不接觸汽缸壁并且不需要潤滑。如果表面非常熱，從燃燒的氣體到表面的熱損失將變小。從而提供更大的燃料經(jīng)濟(jì)性。在普通的內(nèi)燃機(jī)中，燃料能量的大部分損失到汽缸壁上，并且通過冷卻水被帶走到散熱器。在所述MECH中，因?yàn)樵诖诉M(jìn)行潤滑，所以端板將需要冷卻。在壁內(nèi)的內(nèi)部氣體能夠提供在汽缸壁和端板之間的隔離。來自氣體的熱量損失到端板上，但是如果汽缸相對直徑較長，那么該損失相對較小。
在圖3中，畫出了兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著旋轉(zhuǎn)活塞102逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)活塞103順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，燃油空氣混合物通過在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體100內(nèi)的管子106和116被吸入，通過簧片閥117(或者另外類型的單向閥)進(jìn)入下腔126和127。在上腔124和125中的燃油空氣混合物被壓縮，在壓縮完成時(shí)，火花塞(未示出)點(diǎn)火，該爆炸迫使旋轉(zhuǎn)活塞102、103換向?；善y117關(guān)閉并且在下腔126和127中的氣體被壓縮。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)活塞接近一循環(huán)的結(jié)束時(shí)，它們在點(diǎn)122接觸軸111的端部，這些點(diǎn)在活塞的表面被挖出，能夠提供接近正常的接觸。這迫使閥110打開，允許氣體從上腔124和125排放，通過管子115出去。在上腔124和125中壓力的減小允許在下腔126和127中的壓縮氣體穿過內(nèi)部的管道120，通過簧片閥121(或者另外類型的單向閥)進(jìn)入上腔124和125。通過在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體內(nèi)100內(nèi)確定的汽缸的一端設(shè)置閥121和另一端設(shè)置排氣閥110，流入閥121內(nèi)的氣體勢必會(huì)清除排放的氣體，并且用新鮮的燃油空氣混合物充滿上腔124和125。這樣，管道120和閥121最好位于靠近汽缸周邊的楔塊108內(nèi)(在圖中的排氣閥110后面)，但是為了表示的清楚起見，在楔塊108的最窄部分畫出了它們，仿佛管道120和閥121在汽缸的同一端部。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)活塞102、103又換向時(shí)，彈簧112使閥110關(guān)閉，從而困在上腔124和125中的氣體將重新被壓縮。循環(huán)得以往復(fù)。
兩沖程循環(huán)MECH發(fā)動(dòng)機(jī)和四沖程循環(huán)MECH發(fā)動(dòng)機(jī)在其他方面相似。也就是說，其在一個(gè)端板上具有和圖2的機(jī)構(gòu)相似的機(jī)構(gòu)，它具有如圖1中示出的端部密封件20，但在圖3中沒有示出。滾動(dòng)接觸點(diǎn)15提供密封，從而防止氣體從高壓腔流到低壓腔。
當(dāng)高壓氣體(諸如蒸汽、空氣、制冷劑蒸汽等)得以應(yīng)用時(shí)，膨脹機(jī)能夠?qū)碜詺怏w膨脹產(chǎn)生的能量抽出，以達(dá)到低壓。渦輪機(jī)通常被認(rèn)為是在蒸汽動(dòng)力裝置中的膨脹機(jī)。具有合適結(jié)構(gòu)的所述MECH裝置也用作膨脹機(jī)。
工業(yè)上已經(jīng)采用旋轉(zhuǎn)葉片、擺線、齒輪馬達(dá)和螺桿膨脹機(jī)，用于各種不同的用途。這些設(shè)備一般具有較高的內(nèi)部摩擦和過分的泄漏。這導(dǎo)致較低的容積效率。所述MECH膨脹機(jī)具有低的內(nèi)部摩擦和更低的泄漏。
制造MECH膨脹機(jī)比渦輪機(jī)需要更低的費(fèi)用，并且能夠使用蒸汽、壓縮空氣和低沸點(diǎn)的液體。相似的構(gòu)造能夠用作液壓馬達(dá)。對于諸如驅(qū)動(dòng)灌溉泵或者其他泵的用途，該MECH膨脹機(jī)能夠直接地連接到MECH泵上，而沒有設(shè)置發(fā)電機(jī)和電動(dòng)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)泵。當(dāng)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)帶動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)帶動(dòng)泵，這一系列設(shè)備的低效率被乘在一起。
圖4畫出了所述的MECH膨脹機(jī)。蒸汽、空氣、或者其他高壓氣體進(jìn)入進(jìn)口管216，經(jīng)過閥組件220，流進(jìn)下腔226和227。當(dāng)閥214打開時(shí)，以相反的方向繞著軸206、207驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)活塞202和203。當(dāng)活塞202、203接近其沖程的末端時(shí)，閥移動(dòng)桿222撞擊閥213，并且迫使閥214關(guān)閉，閥213打開。然后，高壓氣體通過進(jìn)口管116進(jìn)入上腔224、225，并且使旋轉(zhuǎn)活塞202、203的旋轉(zhuǎn)方向換向。閥組件220位于楔塊209中，楔塊209將上腔224、225和下腔226、227分開。高壓氣體趨于將閥211保持在一個(gè)位置，旋轉(zhuǎn)活塞202、203將它們移動(dòng)到別的位置。
圖5畫出了排氣閥組件230，其位于圖4中的閥組件220的后面。當(dāng)高壓氣體正在進(jìn)入下腔227時(shí)，氣體從上腔225經(jīng)排氣閥組件230、通過閥233進(jìn)入排出管236。類似閥移動(dòng)桿222(圖4)的移動(dòng)桿撞擊在每一沖程末端的排氣閥231，從而通過桿231交替地打開或者關(guān)閉閥233和234。
所述MECH膨脹機(jī)具有類似于圖2中所示的端部組件，還具有和MECH的內(nèi)燃機(jī)類似的其他件。
圖4所示的MECH膨脹機(jī)也能夠用作液壓馬達(dá)。對于與此類似的膨脹機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，具有當(dāng)供給的高壓氣體關(guān)閉時(shí)，活塞或者閥可以停在這樣一個(gè)位置的可能性，即當(dāng)壓力又被打開時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將不會(huì)起動(dòng)。在此需要一起動(dòng)器。
用于膨脹機(jī)的另一閥裝置具有一曲軸驅(qū)動(dòng)的凸輪，該凸輪能夠打開彈簧加壓閥。這種方法允許在活塞到達(dá)其沖程的末端之前進(jìn)口閥關(guān)閉，從而允許氣體的絕熱膨脹，以便獲得更好的效率。
中國、印度和其他發(fā)展中國家的人民日益尋找空調(diào)的好處。工廠不能滿足這種需要。一個(gè)主要的問題是這些國家的動(dòng)力電網(wǎng)和電廠沒有能力為所有新的空調(diào)提供必要的能源。甚至在美國，在加利福尼亞和紐約的熱天，也已經(jīng)發(fā)生能源管制。一種更加有效的空調(diào)會(huì)減輕這些問題。
制冷壓縮機(jī)是電冰箱和空調(diào)內(nèi)的主要能量消耗者?；钊麎嚎s機(jī)具有高的內(nèi)部摩擦。渦卷式、旋轉(zhuǎn)葉片式和螺桿式壓縮機(jī)具有高的摩擦和過度的泄漏。本發(fā)明的MECH壓縮機(jī)將會(huì)解決這些困難。能夠制造用于冰箱的小的、緊湊的MECH壓縮機(jī)，同時(shí)能夠生產(chǎn)用于大空調(diào)的大的裝置。
圖6是MECH壓縮機(jī)的示意圖。旋轉(zhuǎn)活塞被畫作具有從一面到另一面的角度為大約90°的四分之一圓柱體，在前面的圖中，從一面到另一面的角度是180°或者別的角度，但是在圖6中是90°，從而證明用于MECH幾何尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)的柔性。
在汽缸體300中，旋轉(zhuǎn)活塞302交替地壓縮腔324和326中氣體，而旋轉(zhuǎn)活塞303交替地壓縮在腔325和327中的氣體。當(dāng)一特定的活塞面下降時(shí)，氣體經(jīng)管子313通過簧片閥(或者其它類型的單向閥)被抽進(jìn)相應(yīng)的腔內(nèi)。當(dāng)氣體被壓縮時(shí)，閥310關(guān)閉，氣體通過閥311經(jīng)管子312被強(qiáng)制排出。
在端板上的齒輪機(jī)構(gòu)和圖2中示出的齒輪機(jī)構(gòu)相似，但是如果旋轉(zhuǎn)活塞302、303僅僅是四分之一圓柱體，齒輪60和61不能只是半個(gè)輪子(即180°)，并且曲軸的沖程長度將會(huì)減小。在該情況下，能量被輸給曲軸，曲軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)活塞，從而壓縮氣體。
該設(shè)計(jì)也用作流體泵。對于流體來講，間隙322不能特別小，特別小將會(huì)阻止活塞運(yùn)動(dòng)不能較大。進(jìn)口管和排出管能夠制造得較大。
對于壓縮機(jī)和流體泵來講，一種MECH馬達(dá)或者膨脹機(jī)能夠用來直接驅(qū)動(dòng)MECH壓縮機(jī)或者泵。例如，如果一膨脹機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，圖4的軸206和207延伸進(jìn)入壓縮機(jī)，成為圖6的軸306和307。曲軸桿和曲軸不再需要。
圖7畫出了用作馬達(dá)、膨脹機(jī)或者壓縮機(jī)的一種MECH的單一活塞的實(shí)施例。它不再有兩個(gè)一起滾動(dòng)的活塞，而是在汽缸體400內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞403具有密封件433，以便防止氣體從一個(gè)腔460流到另一腔462中去。這些密封件和小汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞環(huán)相似，但它是直的。密封件433在槽434中自由滑動(dòng)，并被蛇形條簧435強(qiáng)迫徑向向里壓靠著旋轉(zhuǎn)活塞。油能夠噴射到兩密封件之間，以便于潤滑。這些密封件433的末端設(shè)置在密封件444的末端附近，密封件444在端板(未示出)內(nèi)的槽中。這種設(shè)計(jì)沒有采用滾動(dòng)摩擦的好處，但是提供了一種高能量密度的緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)。
在楔塊409的槽431中的相似的密封件430和431防止通過軸407的泄漏。蛇形彈簧432將密封件壓靠在軸上。在該圖中沒有畫出閥，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)可以應(yīng)用于不同的MECH結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)能夠用于在單一汽缸體內(nèi)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)活塞上，但是每個(gè)旋轉(zhuǎn)活塞和它的汽缸將被和其它的旋轉(zhuǎn)活塞和汽缸分開。
配重可以被附加到圖2中的齒輪60和61(和其他實(shí)施例中它們的相對的部分)上，從而減小由于旋轉(zhuǎn)活塞的運(yùn)動(dòng)引發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。制成中空的能夠使活塞變得更輕。如果馬達(dá)是四缸設(shè)計(jì)(通過將兩缸設(shè)計(jì)加倍并且肩并肩地連接而構(gòu)成)，具有相位錯(cuò)開180°的旋轉(zhuǎn)活塞的設(shè)置，將會(huì)消除振動(dòng)，并且也不再需要配重。如圖8中所示，通過使所有四個(gè)旋轉(zhuǎn)活塞驅(qū)動(dòng)唯一的一個(gè)飛輪能夠?qū)崿F(xiàn)。在這種情況下，上活塞與下活塞的相位差不是精確的180°，但是接近180°。另外一種方法是具有兩個(gè)飛輪和曲軸，并且兩個(gè)飛輪在其圓周上具有彼此相互嚙合的齒輪齒。這樣提供一運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的馬達(dá)。
在圖9中畫出了能夠消除振動(dòng)的另一幾何形狀，圖9是穿過旋轉(zhuǎn)活塞和發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的剖面。四個(gè)旋轉(zhuǎn)活塞501、502、503、504安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體500中。在該設(shè)計(jì)的一個(gè)端板上，所有四個(gè)齒輪(未示出)嚙合，以便保持旋轉(zhuǎn)活塞正確的對準(zhǔn)。應(yīng)注意，當(dāng)下活塞的質(zhì)量中心向上移動(dòng)時(shí)，上活塞的質(zhì)量中心向下移動(dòng)。
在接觸點(diǎn)515左右活塞滾動(dòng)在一起。在該循環(huán)的一部分過程中，上下活塞在接觸點(diǎn)516滾動(dòng)在一起。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的固有的功能，實(shí)際上活塞不必在點(diǎn)516接觸，但是因?yàn)樗兴膫€(gè)齒輪必須嚙合，所以活塞將在此接觸。主體520占據(jù)活塞之間的空間，從而防止未用的氣體占據(jù)該空間。通過連接到端板上將該主體固定到位。它能夠包含用于冷卻水的管道。這些減小振動(dòng)的方法應(yīng)用到所有形式的MECH上。
已經(jīng)給出的本發(fā)明的前述說明，是為了解釋和說明的目的，并非是徹底的說明或者為了將本發(fā)明限制到所公開的準(zhǔn)確的形式，顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)進(jìn)行的各種改進(jìn)和變化是可能的。選擇和描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理以及其實(shí)際應(yīng)用，從而能夠使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員最好地使用本發(fā)明的各種實(shí)施形式以及用于預(yù)期的特殊用途的各種改進(jìn)。本發(fā)明的保護(hù)范圍勢必由在此所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種利用能量的裝置，包括由至少一個(gè)軸向汽缸確定的汽缸體；樞轉(zhuǎn)地設(shè)置在每個(gè)所述的汽缸內(nèi)的活塞，所述的活塞繞著汽缸軸偏心地循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)；一擺動(dòng)壓縮容積和擺動(dòng)膨脹容積，所述的容積由所述汽缸和活塞確定；用于在活塞旋轉(zhuǎn)的每一半循環(huán)結(jié)束時(shí)，交替關(guān)閉和打開所述壓縮容積以及交替關(guān)閉和打開所述膨脹容積的閥，其特征在于，在旋轉(zhuǎn)的每一半循環(huán)處，繞著所述軸旋轉(zhuǎn)的所述活塞的旋轉(zhuǎn)方向換向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其包括一活塞和一汽缸，并且還包括至少一個(gè)軸向密封件，用來將所述的壓縮容積和膨脹容積分開。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，還包括設(shè)置在所述活塞上的一齒輪；以及連接所述齒輪的曲軸，用來在擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間進(jìn)行傳動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括和第二汽缸平行的第一汽缸，所述的汽缸徑向相交叉，從而在沿著它們各自的長度方向之間提供一通道；以及和第二活塞平行的第一活塞，所述的活塞沿著滾動(dòng)接觸的公共的軸線相互接觸；其特征在于，所述的活塞具有相反的旋轉(zhuǎn)角度方向，并且所述的公共接觸線確定一滾動(dòng)密封，實(shí)際上將所述的壓縮容積與所述的膨脹容積隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，還包括固定在從所述第一活塞延伸的第一軸向軸上的第一齒輪，以及固定在從所述第二活塞延伸的第二軸向軸上的第二齒輪，其特征在于，所述的第一和第二齒輪具有相互嚙合的齒，從而保持所述活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，還包括一潤滑油泵，可操作地和所述的第一齒輪連接，從而活塞迫使油流出腔體。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、4或5所述的裝置，其特征在于，所述的活塞和汽缸構(gòu)成四沖程循環(huán)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2、4或5所述的裝置，其特征在于，所述的活塞和汽缸構(gòu)成兩沖程循環(huán)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、4或5所述的裝置，其特征在于，所述的活塞、汽缸和閥構(gòu)成一具有高壓進(jìn)口和低壓出口的膨脹機(jī)裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述的活塞、汽缸和閥構(gòu)成一具有用于高壓液力流體的高壓進(jìn)口汽門和低壓流體出口的液壓馬達(dá)。
11.根據(jù)權(quán)利要求2、4或5所述的裝置，其特征在于，所述的活塞、汽缸和閥構(gòu)成一具有低壓進(jìn)口和高壓出口的壓縮機(jī)裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述的活塞、汽缸和閥構(gòu)成一具有用于低壓液力流體的低壓進(jìn)口汽門和高壓流體出口的液壓泵。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，還包括連接到所述齒輪上的曲軸，用來在擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間進(jìn)行傳動(dòng)。
14.一種用于燃燒、壓縮或者膨脹流體的裝置，其包括確定至少一對平行汽缸的汽缸體，所述的成對汽缸包括第一汽缸和第二汽缸，所述的汽缸徑向交叉，從而確定在沿著它們各自長度的方向之間的通道；至少一對活塞，所述活塞中的第一活塞樞轉(zhuǎn)地設(shè)置在所述的第一缸體內(nèi)，所述活塞中的第二活塞樞轉(zhuǎn)地設(shè)置在所述的第二缸體內(nèi)，每個(gè)活塞繞著對應(yīng)的汽缸軸偏心地循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的活塞沿著滾動(dòng)接觸的公共軸線相互接觸；第一擺動(dòng)壓縮容積和第一擺動(dòng)膨脹容積，所述的第一容積由所述的第一汽缸和第一活塞確定；第二擺動(dòng)壓縮容積和第二擺動(dòng)膨脹容積，所述的第二容積由所述的第二汽缸和第二活塞確定；用于在所述活塞旋轉(zhuǎn)的每一半循環(huán)結(jié)束時(shí)，交替關(guān)閉和打開所述壓縮容積以及交替關(guān)閉和打開所述膨脹容積的閥；其特征在于，在其旋轉(zhuǎn)的每一半循環(huán)處，繞著所述軸旋轉(zhuǎn)的每一個(gè)所述活塞的旋轉(zhuǎn)方向改變；其中所述的活塞繞著平行軸旋轉(zhuǎn)，所述的活塞具有相反的旋轉(zhuǎn)角度方向，并且在所述活塞之間的所述的公共接觸線確定一滾動(dòng)密封，實(shí)際上將所述的壓縮容積和所述的膨脹容積隔離。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，還包括齒輪，至少一個(gè)所述的齒輪可操作地與每個(gè)所述的活塞連接，所述的齒輪在它們各自的圓周上具有相互嚙合的齒；可樞轉(zhuǎn)地安裝到一個(gè)所述的齒輪上的曲軸桿；一飛輪，其由所述的曲軸桿經(jīng)一樞軸驅(qū)動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，還包括固定在從所述第一活塞延伸的第一軸向軸上的第一齒輪，以及固定在從所述第二活塞延伸的第二軸向軸上的第二齒輪，其特征在于，所述的第一和第二齒輪具有相互嚙合的齒，從而保持所述活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，還包括一潤滑油泵，可操作地和所述的第一齒輪連接，從而活塞迫使油流出腔體。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其包括多對汽缸和多對活塞。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述的裝置包括液壓泵。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述的裝置包括壓縮機(jī)。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述的裝置包括液壓馬達(dá)。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述的裝置包括膨脹機(jī)。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，還包括覆蓋所述活塞的端部的端板；在所述活塞和所述端板之間的徑向端部密封件。
全文摘要
由擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)活塞(2，3)形成的馬達(dá)、膨脹機(jī)、壓縮機(jī)、或者液壓裝置，該裝置包括具有旋轉(zhuǎn)軸的汽缸(4，5)和端面，并且確定擺動(dòng)壓縮容積(24，25)和膨脹容積(26，27)。一軸向密封件(15)將壓縮容積(24，25)和膨脹容積(26，27)分開，徑向密封件(20)密封活塞的端面。在活塞的每一次擺動(dòng)中，閥(10，13)控制關(guān)閉壓縮容積和打開膨脹容積。本發(fā)明提供在活塞的壓縮循環(huán)的結(jié)束時(shí)使活塞圓柱體的旋轉(zhuǎn)反向的裝置?？梢蕴峁┮粋€(gè)或多個(gè)沿著軸向表面和其他活塞接觸的活塞，從而形成能夠減小摩擦能量損失的帶有滾動(dòng)接觸的軸向密封表面。
文檔編號F02B53/00GK1402812SQ00816607
公開日2003年3月12日 申請日期2000年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月1日
發(fā)明者梅爾文·L·普魯伊特, 萊斯莉·G·斯皮爾, 斯坦利·D·普魯伊特 申請人:梅爾文·L·普魯伊特