Un dispositivo giratorio (10) de transferencia de energía de fluido,

provisto de cámaras, que comprende: (a) un alojamiento (11) que comprende: (1) una parte cilíndrica (12) que tiene un ánima (18) formada en ella; (2) una placa de extremidad (14) que tiene un paso de entrada y un paso de salida; (b) un rotor exterior (20) con un perfil de engranaje hembra que gira en dicha ánima (18) de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) y que comprende: (1) una parte radial (22); (2) un perfil de engranaje hembra (21) formado en dicha parte radial (22); (3) un primer extremo (24) que cubre dicho perfil de engranaje hembra (21), y (4) un segundo extremo (26) que bordea dicho perfil de engranaje hembra (21); (c) un rotor interior (40) con un perfil de engranaje macho (41) en aplicación operativa con dicho rotor exterior (20); y (d) al menos un rotor seleccionado (20, 40) de entre dicho rotor interior (40) y dicho rotor exterior (20) que tiene un cubo coaxial (28, 42) que se extiende normalmente desde dicho rotor (20, 40) estando montado dicho cubo (28, 42) en dicho alojamiento (11) con un conjunto de apoyo (38, 51) caracterizado porque el conjunto de apoyo comprende un par de apoyos de elemento rodante cargados previamente estableciendo los apoyos el eje rotacional de dicho rotor seleccionado (20, 40), y la posición axial de dicho rotor seleccionado (20, 40) y manteniendo una separación fija de dicho rotor seleccionado (20, 40) con al menos una superficie de dicho alojamiento (11) y dicho otro rotor (20, 40)

Dispositivo de transferencia de energía de fluido.

Antecedentes del invento

El presente invento se refiere a dispositivos de transferencia de energía que funcionan basándose en el principio del desplazamiento de fluido mediante ruedas dentadas trocoidales engranadas y, más particularmente a la reducción de fuerzas de fricción en tales sistemas.

Las bombas y motores de desplazamiento de fluido de engranaje trocoidal son bien conocidos en la técnica. En general, un rotor macho interior lobulado, montado excéntricamente, interactúa con un rotor hembra exterior lobulado correspondiente en una cámara en la que ajustan estrechamente formada en un alojamiento con un ánima cilíndrica y dos placas de extremidad. El rotor interior montado excéntricamente tiene un número establecido de lóbulos o dientes y coopera con un rotor exterior lobulado que lo rodea, es decir, una rueda dentada anular, con un lóbulo o un diente adicional al rotor interior. El rotor exterior está contenido dentro del recinto cilíndrico con un ajuste estrecho.

El rotor interior está, típicamente, asegurado a un árbol de accionamiento y, cuando gira sobre el árbol de accionamiento, avanza en el espacio de un diente por revolución con relación al rotor exterior. El rotor exterior está retenido giratoriamente en un alojamiento, excéntrico respecto al rotor interior, y engrana con el rotor interior en un lado. Cuando los rotores interior y exterior giran desde su punto de engrane, el espacio entre los dientes de los rotores interior y exterior aumenta gradualmente de tamaño en los primeros ciento ochenta grados de rotación del rotor interior creando un espacio en expansión. Durante la última mitad de la revolución del rotor interior, el espacio entre los rotores interior y exterior disminuye de tamaño a medida que los dientes engranan.

Cuando el dispositivo está funcionando como una bomba, el fluido que ha de ser bombeado es extraído desde un puerto de entrada al espacio de expansión como resultado del vacío creado en el espacio como resultado de su expansión. Después de alcanzar un punto de volumen máximo, el espacio entre los rotores interior y exterior comienza a disminuir de volumen. Después de que se haya alcanzado la presión suficiente debido al volumen descendente, el espacio descendente es abierto a un puerto de salida y el fluido forzado desde el dispositivo. Los puertos de entrada y salida están aislados entre sí por el alojamiento y los rotores interior y exterior.

Un problema significativo con tales dispositivos son las pérdidas de eficiencia y el desgaste de ciertas piezas debido a la fricción entre las distintas piezas móviles de la configuración. Tal pérdida de eficiencia puede ser especialmente severa cuando el dispositivo es usado como un motor en vez de como una bomba.

Para eliminar las pérdidas por fricción, diferentes inventores tales como Lusztig (documento US 3.910.732), Kilmer (documento US 3.905.727) y Specht (documento US 4.492.539) han usado apoyos de elementos rodantes. Sin embargo, tales apoyos han sido usados principalmente para controlar las pérdidas por fricción entre el árbol de accionamiento y el alojamiento del dispositivo en lugar del mecanismo interno del propio dispositivo.

Minto y col. (documento US 3.750.393) usa el dispositivo como un motor (motor principal) proporcionando vapor a presión elevada a las cámaras lo que causa su expansión y la rotación asociada del árbol del rotor interior. Al alcanzar la máxima expansión de la cámara, un puerto de escape lleva hacia afuera el vapor expandido. Minto reconoce que la vinculación entre la superficie radial exterior del engranaje exterior giratorio y el recinto cilíndrico de ajuste estrecho debido a diferencias de presión entre las caras interior y exterior del elemento de rotor exterior es un problema. Para obviar el efecto de las fuerzas hidráulicas radiales desequilibradas sobre el rotor exterior, Minto propone el uso de pasos radiales en una de las placas de extremidad que se extienden radialmente hacia afuera desde los puertos de entrada y salida a la superficie cilíndrica interior del recinto cilíndrico. Estos pasos radiales comunican entonces con una ranura longitudinal formada en la superficie interior del recinto cilíndrico.

Con el fin de mejorar la eficiencia a través de la fricción y la reducción del desgaste cuando el dispositivo es usado como una bomba, Dominique y col., (documento US 4.747.744) han hecho modificaciones al dispositivo que reducen o minimizan las fuerzas de fricción. Sin embargo, Dominique también se ha dado cuenta de que uno de los problemas con este tipo de dispositivo es la fuga de derivación entre los puertos de entrada y salida del dispositivo. Es decir, el fluido operativo fluye directamente desde los puertos de entrada al de salida sin entrar en las cámaras de expansión y contracción del dispositivo. Para reducir las fugas por derivación, Dominique fuerza los rotores interior y exterior del dispositivo a contacto íntimo con la placa de extremidad que contiene los puertos de entrada y salida usando varios mecanismos incluyendo resortes, fluidos a presión, campos magnéticos, o protuberancias esféricas. Desgraciadamente esto puede conducir al contacto de los rotores con la placa de extremidad y a esperar pérdidas por fricción elevadas y pérdida de eficiencia. Aunque tales pérdidas no son un factor de diseño fundamental cuando el dispositivo es usado como una bomba, es de mayor relieve cuando se usa el dispositivo como un motor. Tales pérdidas por fricción pueden ser aquí un perjuicio importante para la eficiencia del motor.

Además de pérdidas por fricción, el diseño básico del dispositivo causa el desgaste de los perfiles de engranaje, especialmente en las coronas del lóbulo del engranaje lo que da como resultado una degradación en la capacidad de cierre hermético de cámara a cámara. Para un buen cierre hermético de cámara a cámara, una holgura de perfil de engranaje típica es del orden de 0,05 mm. Para proporcionar un apoyo de apoyo hidrodinámico entre la superficie radial exterior del rotor exterior y la superficie radial interior del alojamiento de contención, se necesita una holgura correspondiente de aproximadamente 0,1-0,2 mm. Durante el funcionamiento, pequeñas excentricidades del eje del rotor exterior ocasionan el contacto de las coronas de los lóbulos de rotor interior y exterior cuando pasan una con relación a la otra dando como resultado el desgaste de las coronas de los lóbulos del engranaje y la degradación de la capacidad de cierre hermético de cámara a cámara.

El documento GB 871.822 se refiere a perfeccionamientos en compresores giratorios o relacionados con ellos. El compresor giratorio del documento GB 871.822 tiene pistones giratorios sobresalientes montando excéntricamente uno en otro, de los que el interior es accionado directamente desde el exterior y en el que preferiblemente el medio de accionamiento gaseoso es conducido hacia dentro o hacia fuera a través de una abertura libre lateralmente entre los pistones. El radio de las coronas de los dientes del pistón interior tiene un radio entre el 1% y el 3% del diámetro del pistón giratorio interior. Los pistones giratorios comprenden cubos coaxiales que se extienden normalmente desde los pistones, estando montados los cubos en un alojamiento con un conjunto de apoyos que comprende un par de apoyos de elementos rodantes.

El documento GB 233.423 se refiere a una bomba giratoria o similar en la que los engranajes, tanto interior como exterior, tienen las superficies de aplicación de los dientes de cada engranaje formadas en curvas epicicloidales e hipocicloidales continuas y completas.

El compresor de rueda dentada del documento DE 547.826 C tiene dos rotores que están dispuestos excéntricamente entre sí y conectados por un engranaje. El compresor de pistón giratorio del documento GB 928.239 tiene pistones giratorios establecidos excéntricamente uno dentro del otro y que engranan entre sí. A partir del documento DE 1.136.576, es conocida una máquina de pistón giratorio con dos ruedas dentadas que giran con aplicación interior, y el documento US 2.753.810 se refiere a una bomba o motor con rotores dentados interior y exterior en relación de engrane excéntrico.

Así es un objeto de este invento proporcionar un dispositivo de engranaje trocoidal de eficiencia mecánica elevada.

Es otro objeto de este invento proporcionar un dispositivo de engranaje trocoidal con pérdidas por fricción mínimas.

Es un objeto...

1. Un dispositivo giratorio (10) de transferencia de energía de fluido, provisto de cámaras, que comprende: (a) un alojamiento (11) que comprende: (1) una parte cilíndrica (12) que tiene un ánima (18) formada en ella; (2) una placa de extremidad (14) que tiene un paso de entrada y un paso de salida; (b) un rotor exterior (20) con un perfil de engranaje hembra que gira en dicha ánima (18) de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) y que comprende: (1) una parte radial (22); (2) un perfil de engranaje hembra (21) formado en dicha parte radial (22); (3) un primer extremo (24) que cubre dicho perfil de engranaje hembra (21), y (4) un segundo extremo (26) que bordea dicho perfil de engranaje hembra (21); (c) un rotor interior (40) con un perfil de engranaje macho (41) en aplicación operativa con dicho rotor exterior (20); y (d) al menos un rotor seleccionado (20, 40) de entre dicho rotor interior (40) y dicho rotor exterior (20) que tiene un cubo coaxial (28, 42) que se extiende normalmente desde dicho rotor (20, 40) estando montado dicho cubo (28, 42) en dicho alojamiento (11) con un conjunto de apoyo (38, 51) caracterizado porque el conjunto de apoyo comprende un par de apoyos de elemento rodante cargados previamente estableciendo los apoyos el eje rotacional de dicho rotor seleccionado (20, 40), y la posición axial de dicho rotor seleccionado (20, 40) y manteniendo una separación fija de dicho rotor seleccionado (20, 40) con al menos una superficie de dicho alojamiento (11) y dicho otro rotor (20, 40).

2. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho rotor seleccionado (20) es dicho rotor exterior (20).

3. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 2, en el que dicha placa de extremidad (14) comprende además un cubo (7) que se extiende desde él, teniendo dicho rotor interior (40) una parte de ánima central por la cual dicho rotor interior (40) está posicionado para rotación alrededor de dicho cubo (7), el eje rotacional de dicho rotor interior (40) definido por dicho cubo (7).

4. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 3, que comprende además un apoyo de elemento rodante posicionado entre dicho cubo (7) y una superficie interior de dicha parte de ánima central de dicho rotor interior (40).

5. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 3, que comprende además un apoyo de elemento rodante situado entre dicha placa de extremidad (14) y dicho rotor interior (40).

6. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 5, en el que dicho apoyo de elemento rodante es un cojinete de empuje.

7. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 5, en el que una separación fija prescrita entre dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) es mantenida por aplicación entre dicho apoyo de elemento rodante y dicha placa de extremidad (14) y con dicho rotor interior (40).

8. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 3, existiendo dicha separación fija entre una superficie interior (9) de un extremo (24, 26) de dicho rotor exterior (20) y una cara de extremidad de dicho cubo (7) que se extiende desde dicha placa de extremidad (14) en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior y dicha separación fija son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

9. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 2, en el que dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) es establecido por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

10. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 9, existiendo dicha separación fija entre una superficie exterior radial de dicha parte radial (22) de dicho rotor exterior (20) y una superficie radial interior de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) en el que dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y dicha separación fija son mantenidos por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

11. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 2, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) es establecida por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

12. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 11, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior y una separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor exterior (20) y dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

13. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 11, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre dicho segundo extremo (26) de dicho rotor exterior (20) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

14. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho rotor seleccionado (40) es dicho rotor interior (40).

15. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 14, en el que dicho eje rotacional de dicho rotor interior (40) es establecido por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

16. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 14, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) es establecida por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

17. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 16, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor interior (40) y una pared interior de dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

18. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 16, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho segundo extremo de dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

19. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que a) dicho rotor seleccionado (20) es dicho rotor exterior (20) siendo dicho cubo coaxial (28) un primer cubo coaxial (28) que se extiende normalmente desde dicho rotor exterior (20) y montado en dicho alojamiento (11) con dicho conjunto de apoyo (38), siendo dicho conjunto de apoyo (38), un primer conjunto de apoyo (38); y b) dicho rotor seleccionado (40) es dicho rotor interior (40) siendo dicho cubo coaxial (42) un segundo cubo coaxial (42) que se extiende normalmente desde dicho rotor interior (40) y montado en dicho alojamiento (11) con dicho conjunto de apoyo (51), siendo dicho conjunto de apoyo (51), un segundo conjunto de apoyo (51).

20. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 19, en el que a) dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) son establecidos por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20); y b) dicho eje rotacional de dicho rotor interior (40) y dicha posición axial de dicho rotor interior (40) son establecidos por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

21. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre una superficie radial exterior de dicha parte radial (22) de dicho rotor exterior (20) y una superficie radial interior de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) son mantenidos por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

22. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) y dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

23. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre dicho segundo extremo (26) de dicho rotor exterior (20) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

24. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor interior (40) y una pared interior de dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

25. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho segundo extremo de dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

26. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que: a) dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y dicha separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor interior (40) y una pared interior de dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40), y dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y dicha separación fija entre dicho segundo extremo de dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40); b) dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre una superficie exterior radial de dicha parte radial (22) de dicho rotor exterior (20) y una superficie radial interior de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20) y c) dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y dicha separación fija entre dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) y dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20), y dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y dicha separación fija entre dicho segundo extremo (26) de dicho rotor exterior (20) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

27. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, que comprende una bomba (200) de condensado integrada accionada desde un árbol de salida (210) de dicho dispositivo (10).

28. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo (10) está herméticamente sellado.

29. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo (10) está acoplado magnéticamente con un árbol rotacional exterior.

30. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, que comprende además un conducto (4, 204) para ventilar el fluido operativo desde una cavidad de alojamiento interno de dicho dispositivo (10).

31. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 30, en el que dicho fluido operativo es ventilado a dicho paso de salida.

32. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 30, con dicho conducto (4, 204) que comprende además una válvula reguladora de presión.