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Energiewandler für Umwandlung von Drehkraft in
Gas- oder Flüssigkeitsdruck oder umgekehrt
Die Erfindung betrifft Energiewandler für die Umwandlung einer Drehkraft in einen Gas- oder Flüssig- keitsdruck bzw. umgekehrt, also Druckluftmotore, Kompressoren oder Pumpen, u. zw. Maschinen dieser
Art, bei denen das Gehäuse nach der das Gehäuse durchsetzenden Welle zu offene Druckkammern und in diesen Kammern hin-und hergehende, die Welle antreibende oder von ihr angetriebene Kolben hat und weitere Ventile zur Steuerung der Ein- und Auslässe der Druckkammer.
Die Erfindung bezweckt unter Verwendung an und für sich bekannter Kolben mit rechteckigem Querschnitt, den Zylindern und Kolben eine solche Form zu geben, dass sie nach modernen, arbeitssparen- den Verfahren, vorzugsweise im Strangpressverfahren, herstellbar sind und eine ganze Anzahl sich in der
Leistung unterscheidender Maschinen lediglich durch Änderung der Länge von Zylinder und Kolben her- gestellt werden kann.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäss der vorbeschriebene Energiewandler so ausgebildet, dass das ringförmig ausgebildete Gehäuse von einem bis zum andern Ende durchgehende, nach innen offene und die Druckkammern bildende Nuten mit parallel zur Mittelebene der Nuten liegenden Seitenwänden hat, dass das Gehäuse einschliesslich der Druckkammern an beiden Enden durch Stirnplatten abgeschlossen ist, die die Lager für die Antriebswelle aufnehmen, dass die in den Druckkammern liegenden Arbeitskolben balkenartig ausgebildet sind und ebenfalls von einem bis zum andern Ende des Gehäuses durchgehen und auf an der Welle befestigten Exzentern abgestützt sind, und dass die Exzenter durch auf der Welle sitzende Gegengewichte ausgeglichen sind, die innerhalb der Stirnplatten und innerhalb eines von den Nutenöffnungen gebildeten Kreises liegen.
Ein erfindungsgemäss ausgebildeter Energiewandler gestattet eine sehr einfache und billige Herstellung. Die im Strangpressverfahren erreichbare Genauigkeit ist so gross, dass eine nachträgliche Beartung der Zylinder und Kolben entfällt. Das Strangpressverfahren erfordert anderseits relativ teure Formen, und es ist daher aus wirtschaftlichen Gründen entscheidend, mit nur einer Form eine verhältnismässig grosse Typenreihe beherrschen zu können.
Es leuchtet zudem ein, dass die im Strangpressverfahren herstellbaren grossen Längen leicht in verschieden lange Stücke unterteilt werden können und dass die Kosten für Lagerhaltung auf diese Weise auf ein Minimum zurückgehen. Berücksichtigt man weiter die grosse Kostenersparnis durch Fortfall der Bearbeitung der Zylinder und Kolben, so leuchtet ein, dass Maschinen gemäss der Erfindung in sehr wirtschaftlicher Weise herstellbar sind.
Weitere erfindungsgemässe Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung. Diese gibt zwei verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes wieder, nämlich einen Kompressor und einen Motor.
Fig. l ist ein teilweiser Längsschnitt durch einen Druckluftmotor gemäss der Erfindung. Fig. 2 ist ein Querschnitt. längs der Linie 2-2 der Fig. l und zeigt die Kolben und die Druckkammern von ihren Stirnseiten. Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. l und zeigt die Anordnung der Ventilkammern und der Ventilbetätigung, wobei gewisse Teile der Deutlichkeit halber weggelassen wurden. Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen der Arbeitskolben längs der Linie 4"'4 der Fig. l. Fig. 5 zeigt in grösserem
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Massstab von der Seite eine der Nocken zum Betätigen der Ventile. Fig. 6 zeigt dieselbe Nocke im Aufriss. Fig. 7 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Ventilteile. Der Ventileinsatz erscheint dabei um etwa 900 gedreht gegenüber der in Fig. 3 gezeichneten Stellung.
Fig. 8 zeigt im Längsschnitt eine andere Form des erfindungsgemässen Energiewandlers, nämlich einen Kompressor. Fig. 9 ist ein teilweiser Schnitt längs der Linie 9-9 der Fig. 8. Fig. 10 ist ein Schnitt längs der Linie 10-10 der Fig. 8, gesehen in Richtung der in Fig. 8 eingezeichneten Pfeile. Fig. 11 zeigt in perspektivischer Darstellung einen der Arbeitskolben, der teilweise abgebrochen ist, um die Dichtungsstreifen zu zeigen. Fig. 12 ist ein Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Kompressors, wobei nur eine Hälfte des Kompressors dargestellt ist, und Fig. 13 ein Schnitt nach Linie 13-13 der Fig. 12 in Pfeilrichtung gese- hen.
Die Ausführung des erfindungsgemässen Energiewandlers als Pressluftmotor, die in den Fig. 1-7 dargestellt ist, besteht aus einem langgestreckten zylindrischen Gehäuse 1 mit einem Endstück 2, das als Ventilgehäuse dient, und einem andern Endstück 3 an der gegenüberliegenden Stirnseite. In den Endstücken 2 und 3 befinden sich die Lager 4 und 5 für die Welle 6. Das als Ventilgehäuse ausgebildete Endstück 2 ist von einer becherförmigen Kappe 7 umschlossen, so dass eine in der Mitte liegende Auslasskammer 8 und eine ringförmige Einlasskammer 9 freibleiben. In die Einlasskammer mündet eine Einlassöffnung 10 zum Anschluss an eine Druckluftquelle. An eine Auslassöffnung 11 der Kammer 8 kann eine Auslassleitung angeschlossen werden oder diese Öffnung kann unmittelbar ins Freie münden.
An dem Stirnende des Endstückes 2 befindet sich ein Flansch 12 mit einer Ringdichtung 13, die gegen die Innenwand der Kappe 7 abdichtet und dadurch die Einlasskammer 9 von der Auslasskammer 8 trennt. Der zylindrische Mantel 14 der Kappe 7 ist durch Dichtungen 15 gegen das Ende des Gehäuses 1 abgedichtet.
In dem Innenraum 16 des Gehäuses 1 liegt die Welle 6. Die Druckkammern 17 mit rechteckigem Querschnitt sind gegen den Innenraum 16 offen.
Das Gehäuse 1 mit dem Innenraum 16 und den Druckkammern 17 ist so konstruiert, dass es sich z. B. durch ein Aluminiumstrangpressverfahren und somit in beliebiger Länge herstellen lässt. In jeder der Druckkammern 17 gleitet ein Kolben 18. An der oberen Fläche jedes Druckkolbens ist eine nachgiebige Platte 19 aus Gummi oder einem ähnlichen verformbaren Werkstoff so angebracht, dass sie gegen die Wände der Druckkammer abdichtet.
Wie Fig. 4 zeigt, hat die Abdichtungsplatte 19 an ihrem Umfang eine Nut 20, so dass dünne Dichtungslippen 21 entstehen, die unter Druck nach aussen ausweichen und gegen die Wände der Kammer 17 abdichten. Auch die Kolben 18 können im Strangpressverfahren hergestellt oder in grossen Längen bearbeitet und dann geschnitten werden, je nach der gewählten Länge der Druckkammern. Ebenso können auch die Abdichtungsplatten 19 in jeder gewünschten Länge hergestellt werden.
Die Kolben 18 haben an beiden Enden Ausnehmungen 22, in denen mit Bolzen 23 Rollen 24 gelagprt sind. Diese Rollen 24 laufen auf Exzentern 25, die auf der Welle 6 mit Keilen 26 befestigt sind.
Die Exzenter sind durch Gewichte 251 ausgewuchtet. Die Kolben arbeiten nacheinander über die Exzenter auf die Welle und werden dabei etwa an ihren beiden Enden abgestützt, damit sich die Kolbenkräfte gleichmässig auf die Welle übertragen.
Zum Steuern des Druckmittelflusses zu den verschiedenen Kammern 17 sind in dem Ventilgehäuse 2 radiale Ventilkammern 27 angebracht, die über schräge Durchlässe 28 in Erweiterungen 29 der einzelnen Druckkammern einmünden. Ausserdem mündet in jede Ventilkammer ein Durchlass 30 zu einer Ringkammer 31 des Ventilgehäuses. Diese Ringkammer steht mit der Auslasskammer 8 in Verbindung, wie weiter unten beschrieben wird.
In jeder Ventilkammer 27 befindet sich ein zylindrischer Ventileinsatz 32 mit Ringdichtungen 33, wobei der Ventileinsatz durch Klemmschrauben 34 gegen Verdrehen gesichert ist. Der Ventileinsatz hat eine Durchbrechung, durch die er mit dem Durchlass 28 in Verbindung steht, und besitzt an beiden Seiten konische Ventilsitze 36 und 37 für das Einlassventil 41 und das Auslassventil 38.
Das Auslassventil 38 hat gemäss Fig. 7 einen hohlen Stössel 39 und einen Ventilkegel 40, der vorzugsweise aus Gummi oder einem andern elastischen Werkstoff besteht. Das Einlassventil 41 hat einen Stössel 42, der durch die Bohrung 43 des Auslassventils geht, sowie einen Ventilkegel 44.
Auf die Welle 6 ist ein Exzenter 45 gemäss Fig. 6 aufgekeilt. Dieser steht den Ventilstösseln 39 und 42 gegenüber. Wie Fig. 5 und 6 zeigen, hat der Exzenter 45 für die beiden Stössel getrennte Steuerflächen 47, 48.
Die mittlere Steuerfläche 48 wirkt auf den Stössel 42 der Einlassventile, wogegen die äusseren Steuerflächen 47 auf den Stössel 39 der Auslassventile wirken. Beide Steuerflächen haben gleichartige kreis-
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sich erstreckende Steigung 50 an, die zu einem kreisförmigen Teil 51 überleitet, dessen Durchmesser grösser ist als der des kreisförmigen Teiles 49 und dersich über etwa 1800 erstreckt. Beim Gleiten auf diesem höheren kreisförmigen Teil 51 bleibt das Auslassventil geschlossen.
Der mittlere Teil 48 der Steuerfläche geht mit einer über etwa 300 sich erstreckenden Steigung 53 vom Punkt 52 ab auf einen kreisförmigen Teil über, der im Radius dem erwähnten Teil 51 entspricht und sich etwa über 1300 erstreckt. Solange die Stössel der Einlassventile auf diesem höheren Teil gleiten, werden sie offengehalten. Der höhere Teil des Nockens in der mittleren Steuerfläche 48 endet mit einer Schrägfläche 54, die etwa 50 vor der Schrägfläche 55 liegt, mit welcher der höhere Teil 51 der äusseren Steuerflächen 47 endet. Die Einlassventile beginnen also etwas früher zu schliessen als die Auslassventile wieder geöffnet werden.
Der dargestellte Motor hat fünf Druckkammern mit Arbeitskolben. Die Nockenformen entsprechen dieser Ausführung mit fünf Arbeitskolben, sie können etwas anders gestaltet sein, wenn andere Bedingungen vorliegen, z. B. eine andere Anzahl von Kolben benutzt wird.
Die Luft, die in die innere Ringkammer 31 gelangt, strömt von dort durch den Innenraum 16 an den Exzentern 25 vorbei zu der Ringkammer 31A des andern Endstückes 3. Dadurch werden die Kolben 18 von innen gekühlt. Von der Ringkammer 31A des Endstückes 3 strömt die Abluft durch Bohrungen 131 des Gehäuses und entsprechende Bohrungen 132 des Endstückes zu schrägen Kanälen 133 und in die Aussenkammer 8.
Die Bohrungen 131,132 liegen ringsherum zwischen den Druckkammern 17 und nehmen auch durchgehende Bolzen 134. auf, welche die Endstücke 2 und 3 sowie die Kappe 7 mit dem Gehäuse 1 zusammenhalten.
Geht man von der Stellung des Exzenters 45 und der Welle nach Fig. l und 5 aus, so wird das Einlassventil 41 bei Drehung der Welle im Uhrzeigersinn nach aussen bewegt, wogegen das Auslassventil 38 geschlossen bleibt. Die Druckluft strömt dann durch die Einlassöffnung 10 über das Ventil 41 durch den Ventileinsatz 32 und dann durch den Ventilinnenraum 35 und den Durchlass 28 in die Druckkammer, so dass sie auf die Oberseite des Kolbens 18 wirkt. Hiedurch wird der Kolben nach innen gedrückt und dreht mittels der Rollen 24 die Exzenter 25 auf der Welle 6, wodurch zugleich der Steuernocken 45 gedreht wird.
Dadurch schliesst sich das Einlassventil, indem sein Stössel auf die Schrägfläche 59 des Exzenters gelangt, bevor das Auslassventil geöffnet wird, und die Druckluft kann während einer kurzen Zeit durch Expansion den Kolben antreiben.
Bei weiterer Drehung der Welle und der Exzenter kommt die Schrägfläche 55 für das Auslassventil 38 zur Wirkung und öffnet dieses so, dass die durch die Exzenter 25 bewirkte Rückführung des Kolbens in der Druckkammer ohne Kompression erfolgt.
Dabei wird die Druckluft aus der Kammer durch den Durchlass 28 und an dem Auslassventilkegel 40 vorbei zu dem Durchlass 30 ausgestossen. Sie strömt dann an der Innenseite der Kolben vorbei über die Ringkammer 31A durch mehrere Bohrungen 131 zu den Kanälen 133 und der Auslassöffnung 11.
Die andere Ausführung des erfindungsgemässen Energiewandlers nach den Fig. 8-11 stellt einen Kompressor dar und zeigt deshalb einige abweichende Anordnungen der Ventile und des Antriebes. Auch diese Ausführung hat. ein langgestrecktes zylindrisches Gehäuse 56 mit einem Innenraum 57 und mehrere radial nach innen gerichtete Druckkammern 58, die gegen den Innenraum 57 offen sind. Die Druckkammern 58 sind ebenfalls rechteckig und nehmen die Kolben 59 auf. In dem dargestellten Beispiel liegen je zwei der Kammern 58 einander gegenüber. Die Endstücke 60 und 61 sind an dem Gehäuse mit Schrauben 62 befestigt, die ebenso wie beim vorher beschriebenen Beispiel zwischen den Druckkammern hindurchgehen. Die Wälzlager 63 für die Welle 64 befinden sich in den beiden Endstükken.
Die Endstücke 60 und 61 haben Innenräume 65 zur Aufnahme der Exzenterscheiben 66.. die auf die Welle aufgekeilt sind. Die Exzenterscheiben 66 haben Führungsnuten 67, in denen die Druckbolzen 68 laufen, die drehbar in den Enden der Kolben 59 gelagert sind. Zur Lagerung dieser Druckbolzen 68 haben die Kolben Fortsätze 69.
Durch die Drehung der Welle 64 mit den Nocken 66 werden die Druckbolzen 68 durch die Führungsnuten 67 radial nach innen und aussen paarweise gegeneinander verschoben.
Die Ventilanordnung für den Kompressor ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt und unterscheidet sich
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von der Ventilanordnung des Motors dadurch, dass die Ventile nicht zwangsläufig gesteuert sind. Jede
Druckkammer 58 hat einen Einlassraum 70 und einen Auslassraum 71 in der äusseren Wand des Gehäuses
56 etwa in der Mitte der Druckkammer. Die Einlasskammern sind sämtlich miteinander durch einen ring- förmigen Einlassraum 72 verbunden und die Auslasskammern durch einen ringförmigen Auslassraum 73.
Diese Einlassräume und Auslassräume liegen zwischen der Innenseite eines Ringes 74 und der Aussenseite des Gehäuses 56. Dieser Ring 74 ist durch Ringdichtungen 75 gegen das Gehäuse abgedichtet.
Gegenüber jedem Einlassraum 70 ist ein Ventilgehäuse 76 eingeschraubt. In diesem befindet sich der Stössel 77 eines. Ventils, dessen Kopf 78 nach innen gerichtet ist, so dass er von innen den Einlass- raum 70 abschliesst.
Eine Feder 79 hält das Ventil geschlossen. Wenn nötig, kann der Kolben 59 eine Vertiefung 80 haben, um Platz für den Ventilkopf 78 zu lassen. Das Auslassventil 81 schliesst mit seinem. nach innen gerichteten Kopf den Auslassraum 71 von aussen ab und wird durch eine Feder 82 angedrückt, die sich gegen den Stössel 83 stützt.
Der Ring 74 hat gemäss Fig. 9 Rohranschlüsse 85 und 86 für Einlass und Auslass.
Bei der Drehung der Welle 64 saugen je zwei einander gegenüberliegende Kolben 59 zunächst durch die Einlassventile 78 Luft an. Diese Luft wird bei weiterer Drehung zusammengepresst und durch die Auslassventile 81 ausgestossen. Während also das eine Paar der Kolben Luft ansaugt, komprimiert das andere
Kolbenpaar.. Daher wird die Arbeit dieses Kompressors stets gleichförmig. Die Kompressorleistung kann durch andere Wahl der Länge des Gehäuses 56 geändert werden. Es ist somit möglich, jedes benötigte Druckvolumen in demselben Durchmesser des zylindrischen Gehäuses 56 unterzubringen.
Nach Fig. 11 haben die Kolben 59 an ihrem Umfang Nuten 89, in denen Dichtungsstreifen 88 und 92 liegen, die sich an den Kolbenecken überlappen. Die Dichtungsstreifen 88 und 92 werden durch wellenförmige Flachfedern 90 nach aussen gedrückt, damit ihre Aussenkanten gegen die Wände der Druck- kammern 58 gedrückt werden.
Die Fig. 12 und 13 zeigen, dass ein Kompressor auch in der gleichen Weise wie der in Fig. l dargestellte Motor ausgebildet sein kann, sofern nur entsprechend ausgebildete Ventile vorgesehen werden. In Fig. 11 ist die linke Hälfte des Kompressorgehäuses dargestellt und mit 93 bezeichnet. Sie ist durch eine Stirnplatte 94 abgedeckt, in der das Lager 95 für die Antriebswelle 96 untergebracht ist.
Zwischen der Platte 94 und der Stirnseite 93 sitzt die Abdeckplatte 97 für die Druckkammern 98, die im Gehäuse 93 ausgebildet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel sind sechs Druckkammern 98 vorgesehen, in denen-sich sechs Kolben 99 verschieben. Zum Antrieb der Kolben 99 dienen auf der Welle 60 angebrachte Exzenter 100. Die Kolben-99 stützen sich mit in ihnen gelagerten Rollen 101 auf diesen Exzentern ab. Die Rollen 101 sitzen auf Zapfen 102, die in Stegen 103 der Kolben drehbar sind.
Je zwei gegenüberliegende Lagerzapfen 102 der sechs vorgesehenen Kolben 99 sind durch eine Lasche 104 miteinander gekuppelt.
Von diesen Laschen sind der Deutlichkeit halber in der Ansicht in Fig. 13 nur zwei Laschen dargestellt. Mit diesen Laschen werden also je zwei Kolben paarweise gekuppelt, man erhält so einen Antrieb der Kolben während des Saughubes. Die Anordnung hat gegenüber der in Fig. 8 bzw. Fig. 10 dargestellten den Vorteil, dass die Führungsnuten 67 entfallen und zum Antrieb aller Kolben einfache runde Exzenter verwendet werden können.
In dem Gehäuse 93 sind Öffnungen 105 bzw. 106 angebracht. Sie dienen zur Aufnahme der Saugventile bzw. Druckventile. Alle Saugventile sind durch einen gemeinsamen Ringkanal 107 miteinander verbunden, ebenso alle Druckventile. Der entsprechende Kanal liegt in der nicht dargestellten Hälfte des Kompressors.
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