用于增压器和膨胀机的增材制造转子的制作方法

本申请作为pct国际专利申请于2017年2月24日提交，并要求2016年2月25日提交的美国专利申请序列号62/299,844的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

本申请涉及增材制造的旋转部件，例如用于增压器和膨胀器的罗茨型转子。

背景技术

存在用于增压器和膨胀器的罗茨型转子的各种实例。在一些应用中，流体温度需要使用能够承受高温的转子的材料。然而，与由不需要承受高温的材料制造的转子相比，这种材料的使用通常导致具有相对高的转动惯量的转子。

技术实现要素：

由于具有旋转部件(例如容积式转子或罗茨型转子)的设备的新应用，例如whr(废热回收)、orc(有机朗肯循环)和涡轮增压器进料增压器入口的复合增压，需要更高温度的材料，因此需要较低的惯性来改善瞬态响应，并且正在研究不同的热膨胀系数以最大化设备效率。能够在更高温度下执行的材料通常具有更高的密度，因此我们需要成本不是过高的轻质转子的解决方案。

本公开中详述的教导集中于用于产生旋转部件例如转子的金属增材制造的方法。通过使用增材技术，以前的实心转子可以在高温材料中开发并挖空以减小惯性。除了空心转子之外，增材方法还允许形成网格结构，这可以允许更薄壁的结构，从而进一步减小惯性。本发明还涵盖直接打印在轴上的空心或实心转子。本发明中涵盖的另一种可能性是以多种材料打印和在涂层上打印，从而避免转子的任何后处理。涂层也可以是与转子相同的材料，其中涂层以比转子应用更高的孔隙率施加，从而产生较低密度的外涂层。转子的各个部分可以设置有不同的材料密度，以解决特定位置处的不同应力，从而进一步减小转子的惯性。

另外的目的和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过实践本文提出的教导来知晓。借助于所附权利要求中具体指出的元件和组合，也将实现和获得目的和优点。应该理解，前面的一般性描述和下面的详细描述都只是示例性和说明性的，并不是对要求保护的发明的限制。

附图说明

图1是安装在轴上的通过增材制造工艺形成的空心钢转子的示意性透视图，其是根据本发明的一个方面的实例。

图2是图1中所示的转子的示意性透视图，其中未示出转子的外涂层。

图3是从轴上移除的图1中所示的转子的示意性透视图。

图4是图1中所示的转子的示意性端视图。

图5是图1中所示的转子的示意性端视图。

图6是图1中所示的转子的示意性侧视图。

图7是图6中所示的转子的示意性横截面侧视图。

图8是图1中所示的转子处于预完成状态的示意性透视图，并示出了优选的制造方法。

图9是图8中所示的预完成转子的示意性侧视图。

图10是图8中所示的预完成转子的端部的剖视图。

图11是图10中所示的转子的凸起的示意性横截面侧视图。

图12是通过增材制造方法形成的薄壁空心钢转子的示意性透视图，其是根据本发明的方面的实例。

图13是通过增材制造工艺形成的具有内部网格结构的薄壁转子的示意性透视图，其是根据本发明的方面的实例。

图14是通过增材制造工艺形成的薄壁转子的示意性透视图，其中转子直接打印在轴上，这是根据本发明的方面的实例。

图15是可与图12至14中所示的转子一起使用的打印网格结构的示意性透视图。

图16是实例薄壁转子的示意性横截面图，示出了最大转子尺寸。

图17是图19中所示的薄壁转子的示意性横截面图，示出了壁厚。

图18是具有流体膨胀器和压缩机的车辆的示意图，其中可以包括图1和12至14所示类型的转子组件。

图19是膨胀机的示意性侧视图，其中可以使用图1和12至14中所示的任何转子。

图20是图19中所示的膨胀器的示意性透视图。

具体实施方式

现在将详细参考在附图中示出的实例。只要有可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。诸如“左”和“右”的方向参考是为了便于参考附图。

转子设计

参考图1-9，示出了转子100，其通过3d打印或增材制造工艺生产，使得产生净形(netshape)或近净形转子。用于制造转子100的具体增材制造方法可以是本领域已知的各种方法中的任何一种，例如选择性激光烧结、选择性激光熔化、立体光刻、同轴粉末进料以及送丝和熔融沉积成型。使用激光或电子束熔化的粉末基沉积方法(粉末床或粉末进料)是有用的。可以使用各种材料来形成转子，例如钢(例如316l不锈钢)或铝(例如1060系列铝)。在一种方法中，转子100形成为从基端开始并持续直到转子完全形成在相对端的层。利用增材制造工艺形成转子100的优点在于，转子100可以形成有内部空腔或空隙，使得转子是中空的，具有减小的质量和转动惯量。这种结构允许转子100制造成相同的尺寸和形状，但材料减少，因此相对于由相同材料制成的实心转子提高了性能。这种结构还允许形成由不锈钢形成的空心转子100，其具有与类似尺寸的实心铝转子相同或更小的旋转质量。因此，与实心铝转子相比，转子100可以通过增材制造工艺形成，其具有改进的性能特征并且也适用于更高温度的应用。在一些变型中，在转子100完全由第一材料形成之后，空腔或空隙填充有第二种不同的材料，例如环氧树脂。在填充材料具有比形成转子100的材料更低的密度的情况下，与仅由第一材料形成的实心转子相比，可以实现具有减小的质量和转动惯量的实心转子100。

如所示，转子100从第一端108延伸到第二端110。第一端面112设置在第一端108处，而第二端面114设置在第二端110处。多个扭曲或螺旋布置的凸起102在第一和第二端面112、114之间延伸。凸起102可以替代地设置为直凸起，并且可以以不同于三个凸起的数量提供，例如，可以提供四个凸起。如在图3、6和7中最容易看到的，每个凸起102设置有内部空腔120，内部空腔120在第一和第二端面112、114之间延伸大部分长度。如所示，内部空腔在第一端120a和第二端120b之间延伸。每个凸起102的内部空腔120导致凸起102具有壁102a，壁102a的壁厚t102a可以是恒定的或变化的。在一个实例中，凸起102的壁厚t102a在凸起120的内根部附近比在凸起120的外尖端部分处更大。

在一个方面，转子凸起102围绕中心孔104布置，轴38、40可以通过中心孔104延伸。图1和2示出了安装在轴38、40上的转子100，而图3至图8示出了从轴38、40移除的转子100的视图。中心孔104由也是中空的管状部分106限定。在一个实例中，管状部分106在内壁102b处设置有约3mm的最小壁厚。在所示的实施例中，管状部分106包括台阶部分106a，用于接收轴38、40的肩部38a、40a。管状部分106还可以设置有第二和第三台阶部分106b、106c，如图7所示，用于进一步接合轴38、40的附加肩部。管状部分106可以通过增材制造工艺完全形成，或者可以首先用增材制造工艺形成，然后最终通过机加工步骤形成，例如通过钻孔步骤。管状部分106可以被压到轴38、40上，或者当形成为中空管时可以用作轴本身，其中附加材料延伸超过第一和第二面112、114。或者，管状部分106可以替代地形成为实心轴，使得轴38、40是转子100的整体形成的部分。整体形成的轴38、40可以延伸通过转子的整个长度，或者可以形成为使得仅存在从转子的端部延伸的短柱。

当制造转子100时，增材制造过程在第二端110处开始并且继续以在第一端108处完成。在一个实例中，首先形成基座122，如图8和9所示。在一个实例中，基座122是圆柱形的并且形成为约10mm(毫米)的厚度。基座122用于在转子100完全成形之后加工和/或涂覆转子的时候保持住打印转子100。在完成这些步骤之后，可以从转子的其余部分切掉或加工基座122，以形成转子的最终端面110。圆柱形基座122的面向第一端面108的端部将形成转子100的第二端面110。在一个实例中，基座122和端面110可以设置有铰孔124，以允许在增材制造过程期间去除被捕获在空腔120内或落入空腔120中的粉末。在一个实例中，铰孔124的直径约为5mm。在转子100完全形成之后，可以用与转子100或表面涂层c1匹配的材料填充铰孔。铰孔124也可以保持打开。在后续加工转子100期间，铰孔124可用作定位或安装特征部。在一种替代方案中，转子100打印在预成形轴38、40上。

当添加材料以将转子110从基座122向上并朝向端面108构建时，端面108本身可以形成为整体自支撑帽。这可以通过从转子100的外壁102a或根部/内部102b逐渐构建材料(其可以称为桥接部分102c)到每个空腔120中来实现。材料也可以从内壁102a和外壁102b构建。参见图10和11，可以看出，桥接部分102c可以相对于壁120a、120b(和转子100的纵向轴线)以角度α1构建，并添加材料直到空腔120完全闭合并且形成端盖。角度α1可以在30到60度之间，并且优选地是大约45度。此时，每个空腔120具有靠近端面108的锥形端部，并且除了铰孔124之外完全封闭。在所示的实例中，端面108和110具有在封闭空腔120外的约3mm的壁厚。一旦过程完成，转子100形成为整体结构，在凸起内具有内部空腔。在另一种设计中，转子100的形成没有限定端面108、110的端盖，并且在转子打印之后，单独的端盖被连接到转子100上。

在一个实例中，转子100可以在转子100的不同部分处由不同材料形成。参见图9，可以通过以打印顺序添加第一和第二材料来打印转子，其中打印第一材料以形成转子的第一端部102d，打印第二不同材料以形成中间部分102e，再次打印第一材料以形成第二端部102f。部分102d、102e、102f示意性地示出为由图9中的虚线分开。第一和第二材料可以是能够通过增材制造工艺结合在一起的任何材料。在其他实例中，转子100的最靠近中心孔104的部分(例如，凸起的根部)用第一材料打印，并且转子100的外部部分(例如，凸起的尖端部分)打印有第二材料。

图1所示的转子100设有外涂层或层c1，例如由环氧树脂和石墨混合物形成的可磨耗涂层。该涂层可以通过打印/增材制造施加，或者可以通过另一种方法施加，例如静电喷涂。将涂层打印到转子上将消除对传统涂覆工艺的需要，从而减少整个生产过程中的至少两个步骤：精加工操作和涂覆操作。这样的步骤可以代表生产转子所需的资产机器的显着减少。在一个实例中，可以使用与基础转子材料相同的材料打印涂层。这将以与多孔涂覆的髋部类似的方式完成，在打印转子基底之后，外部涂层将以稀疏的矩阵打印，留下多孔涂层。有人担心类似的材料会导致磨损，这导致下一种多材料选择。涂层可以用更柔软或更耐磨的材料打印。这可以通过使用多材料打印方法来实现。可以使用粉末床技术或同轴粉末进料以在单个块中一起打印不同的材料。

图2示出了没有涂层c1的转子100，其中可以看到提供了销p1。销p1延伸穿过转子100并进入轴38、40，并确保转子100不能相对于轴38、40旋转。在组装期间，转子100可以压装到轴38、40上，直到台阶部分106a、106b和/或106c完全位于轴38、40的肩部上(例如38a、40a)。一旦就位，就可以穿过转子100和轴38、40钻出孔，并且销可以压装到孔中。在一个实例中，转子100在安装到轴38、40上之前或之后在端面112、114和凸起102处提供有表面加工，但是优选在插入销p1之前进行这种加工。在一个实例中，该加工步骤以3mm(毫米)的加工余量进行，并且为了涂覆目的添加额外的约5mm。在插入销p1之后，可以施加层或涂层c1，然后可以进行最后的加工步骤。如上所述，涂层c1可以打印到转子外表面上，而不是进行机加工和涂覆步骤。

参考图12，示出了通过3d打印或增材制造工艺生产的替代设计转子200。如图所示，转子200包括多个中空的凸起202并限定内部空腔220。凸起202围绕中心孔204布置。中心孔204由也是中空的管状部分206限定。管状部分206可以压在轴上或者可以用作轴本身。或者，管状部分206可以是实心轴。由金属板或增材制造工艺形成的单独的端盖可以附接到转子200的端部。与转子100一样，转子200具有空心凸起102，因此与由相同材料形成的实心转子相比具有较小的转动惯量。在给定的壁厚下，中空316l不锈钢转子200将具有比实心1060铝制实心转子更小的惯性。图16和17示出了薄壁空心转子凸起202的实例，其中壁厚t202a小于转子的最大宽度w202的15％(即3mm/20.55mm＝14.5％)。质量性质分析表明，不锈钢空心转子200的质量小于类似形状的实心铝转子(例如，转子200为约252克，实心铝转子为约285克)。相同的分析表明，不锈钢空心转子200可以具有比实心铝转子更低的主惯性矩。在一个实例中，凸起的中空部分可以填充有第二材料，例如树脂和/或泡沫材料。这些特性也完全适用于转子100。

参考图13，示出了通过3d打印或增材制造工艺生产的转子300。转子300类似于转子100和200，但是也设置有3d打印或增材制造的支撑网格结构308。该网格结构可以集成到任何公开的转子设计(例如转子100、200、400)中。内部网格结构308可以允许使用甚至更薄壁的转子。内部网格结构308还可以提供矩阵，通过该矩阵可以用泡沫或聚合物填充转子以降低噪声。在设计合适的网格结构时的考虑因素是：打印取向、要打印的某些网格结构设计的能力、以及网格本身的最小厚度以确保其可打印。用于打印网格结构308的一种合适的网格结构设计在图15中示出。网格结构有利于为转子提供结构完整性，同时提供具有比实心材料更低密度的内部结构。在一个方面，网格结构可以被称为低密度结构，意味着结构的密度低于完全实心填充结构的密度。

参考图14，示出了转子400，其也通过3d打印或增材制造工艺生产。图14的转子400包括轴406，轴406也与转子凸起402同时打印。在中空或网格结构转子直接打印到轴406上的情况下，可以减少达到最终部件的总时间。直接打印到轴406上将消除完成加工孔并压到轴上的需要。如果轴406集成到转子中，则可以使轴中空，或者仅在转子的端部处打印到部分轴上，如图4所示。该设计的这种特征可以完全集成到其他公开的转子设计(例如转子100、200、300)中。

旋转组件应用

上述转子100、200、300、400(统称为转子组件30)可用于涉及旋转装置的各种应用中。两种这样的应用可以用于流体膨胀器20和压缩设备21(例如增压器)，如图18所示。在一个实例中，流体膨胀器20和压缩设备21是容积设备，其中膨胀器20和压缩设备21内的流体在没有体积变化的情况下被传输通过转子30。图18示出了膨胀器20和增压器21设置在车辆10中，车辆10具有用于沿适当的路面移动的轮子12。车辆10包括动力装置16，动力装置16接收进气17并在排气15中产生高温废气形式的废热。在一个实例中，动力装置16是燃料电池。转子组件30、430还可以用作齿轮系中的直齿轮或斜齿轮(即旋转部件)、作为传动齿轮、作为其他类型的膨胀和压缩设备中的转子、作为泵中的叶轮、和作为混合设备中的转子。

如图18所示，膨胀器20可以从动力装置排气15接收热量并且可以将热量转换成有用的功，其可以被(电气和/或机械地)输送回动力装置16以提高动力装置的整体运行效率。如所配置的，膨胀器20可包括壳体22，一对转子组件30、32设置在壳体22内。具有转子组件30、32的膨胀器20可构造成直接或间接地从排气接收来自动力装置16的热量。

在名称为排气能量回收系统(exhaustgasenergyrecoverysystem)的专利合作条约(pct)国际申请号pct/us2013/078037中公开了直接接收来自动力装置16的废气的流体膨胀器20的一个实例。将pct/us2013/078037通过引用整体并入本文。

在名称为容积式能量回收设备和系统(volumetricenergyrecoverydeviceandsystems)的专利合作条约(pct)国际申请公开号wo2013/130774中公开了通过有机朗肯循环间接接收来自动力装置废气的热量的流体膨胀器20的一个实例。将wo2013/130774通过引用整体并入本文。

仍然参考图18，压缩设备21可以示出为设置有壳体25，在壳体25内设置有一对转子组件30、32。如所配置的，压缩设备可由动力装置16驱动。如所配置的，压缩设备21可以增加输送到动力装置16的进气17的量。在一个实例中，压缩设备21可以是名称为用于罗茨型增压器的优化螺旋角转子(optimizedhelixanglerotorsforroots-stylesupercharger)的美国专利7,488,164中所示和所述类型的罗茨型鼓风机或增压器。将美国专利7,488,164的全部内容通过引用并入本文。在专利合作条约(pct)国际公开号wo2013/148205中提供了另外的实例，其全部内容通过引用并入本文。

参考图19和20，示出了废热回收设备或膨胀器20的其他方面。虽然在本小节及以上讨论了膨胀器20的一些细节，但是在专利合作条约(pct)国际公布号wo2014/144701和美国专利申请公开us2014/0260245中可以找到其他结构和操作方面，其全部内容通过引用并入本文。

通常，容积式能量回收设备或膨胀器20依赖于工作流体的动能和静压来旋转输出轴38。膨胀器20可以是能量回收设备20，其中工作流体12-1是来自发动机的直接发动机排气。在这种情况下，设备20可以被称为膨胀器或膨胀器，如以下段落中所示。

继续参考图19和20，可以看出膨胀器20具有壳体22，壳体22具有流体入口24和流体出口26，工作流体12-1通过它们经历压力下降以将能量传递到输出轴38。输出轴38由同步连接的第一和第二交错的反向旋转转子30、32驱动，转子30、32设置在壳体22的空腔28中。每个转子30、32具有沿转子30、32的长度扭曲或螺旋设置的凸起。在转子30、32旋转时，凸起至少部分地密封工作流体12-1与壳体的内侧，此时工作流体12-1的膨胀仅发生到表示系统效率低下的泄漏所允许的程度。与在流体被密封时改变工作流体体积的一些膨胀器相反，随着工作流体12-1横穿转子30、32的长度，在凸起和设备20的壳体22的内侧之间限定的体积是恒定的。因此，膨胀器20可以被称为“容积设备”，因为密封或部分密封的工作流体体积不会改变。

膨胀器20包括壳体22。如图19所示，壳体22包括入口端口24，入口端口24构造成允许相对高压的工作流体12-1。壳体22还包括出口端口26。

如图20中另外所示，每个转子30、32在转子30的情况下具有四个凸起30-1、30-2、30-3和30-4，并且在转子32的情况下为32-1、32-2、32-3和32-4。尽管针对每个转子30和32示出了四个凸起，但是两个转子中的每一个可以具有等于或大于2的任何数量的凸起，只要两个转子的凸起数量相同。例如，图1和12所示的转子各有三个凸起。当转子30的一个凸起例如凸起30-1相对于入口端口24引导时，转子32的凸起例如凸起30-2相对于入口端口24并因此相对于高压工作流体12-1的流尾随。

如图所示，第一和第二转子30和32固定到相应的转子轴，第一转子固定到输出轴38，第二转子固定到轴40。每个转子轴38、40安装成分别绕轴线x1、x2在一组轴承(未示出)上旋转。应注意，轴x1和x2通常彼此平行。第一和第二转子30和32交错并连续啮合，以便彼此一体旋转。重新参考图19，膨胀器20还包括啮合的正时齿轮42和44，其中正时齿轮42固定成与转子30一起旋转，而正时齿轮44固定成与转子32一起旋转。正时齿轮42、44构造成保持转子30、32的指定位置并防止在膨胀器20的操作期间转子之间的接触。

当工作流体从相对高压的工作流体12-1膨胀到相对低压的工作流体12-2时，输出轴38被工作流体12旋转。如在图19和20中可以另外看到的，输出轴38延伸超出壳体22的边界。因此，输出轴38构造成在工作流体12的膨胀期间捕获由膨胀器20产生的功或功率，该工作流体12的膨胀在入口端口24和出口端口26之间的转子空腔28中发生，并且转移这样的功作为来自膨胀器20的输出扭矩。尽管输出轴38示出为可操作地连接到第一转子30，但是替代地，输出轴38可操作地连接到第二转子32。在一个方面，当由电动机/发电机70驱动时，膨胀器20也可以作为高容积效率的正排量泵运行。

考虑到本文给出的实例和教导的说明和实践，其他实现对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和实施例仅意图被认为是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求指示。