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Drehkolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine,
bei der sich ein innerer Kolben und ein umschließender Kolben oder Körper nach dem
Prinzip der Hypozykloide ineinander abwälzen oder bewegen, wobei der Durchmesser
des inneren Rollkreises sich zu dem des äußeren Rollkreises wie i : 2 verhält.
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Die bisher in Anwendung befindlichen Drehkolben-oder Kapselmaschinen
besitzen mehr oder minder komplizierte Abwälzkörper und arbeiten im allgemeinen
als einfache Verdrängermaschinen ohne Verringerung oder Erweiterung eines geschlossenen
Arbeitsraumes. Als Verdrängermaschinen sind sie meistens im Aufbau einfach, weisen
aber schwierige Kolbenformen auf oder besitzen nicht an dem Arbeitsvorgang beteiligte
schädliche Räume mit Rückförderung oder Rückexpansion. Die bisher bekannten ölfrei
und trocken fördernden Drehkolbenverdichter oder Expansionsmaschinen besitzen entweder
komplizierte Kolbenformen oder schwierige Antriebe. Vielfach sind unangenehme Verschleißteile
vorhanden.
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Erfindungsgemäß wandert der Mittelpunkt des inneren Kolbens auf der
diesen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des umschließenden Kolbens oder Körpers verbindenden
Geraden, und der innere Kolben, der fest mit der mit dem Mittelpunkt umlaufenden
Welle verbunden ist, hat einen kreisrunden Querschnitt, und bei einer beweglichen
Lagerung des inneren Kolbens auf der mit dem Mittelpunkt umlaufenden Welle ist dieser
Kolben am umschließenden Körper geführt. Die Maschinen gemäß der Erfindung haben
eine einfache Kolbenform, einfache Antriebe und wenig Verschleißteile. Sie weisen
Kolbenmaschinencharakteristik auf, besitzen aber keine hin- und hergehenden Massen.
Alle Bewegungen sind in kreisende aufgelöst. Sie können als reine Verdrängermaschinen
mit konstantem oder sich verringerndem und erweiterndem abgeschlossenem Arbeitsraum
und in Erweiterung als reine Kolbenmaschinen eingesetzt werden. Die Kolben können
nach Zweckmäßigkeit trocken oder geschmiert arbeiten.
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In Abb. i ist eine erste Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
in drei verschiedenen Bewegungslagen a), b) und c) dargestellt. Die Rollkreismittelpunkte
C und D bleiben auf ihren Plätzen, und die Rollkreise drehen sich um dies-, im Verhältnis
2 : i, innen zu außen gesehen. Auf dem Rollkreis A befindet sich um den Punkt E
ein kreisrunder Körper F, welcher wie der Punkt E die Hypozykloide beschreibt. Das
Arbeitsmittel tritt axial oder radial durch Schlitze oder Ventile ein und aus. Die
Steuerung kann so vorgenommen «erden, daß ein Verdichten oder Ausdehnen oder reines
Verdrängen entsteht.
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Die Abb.2 zeigt dasselbe Grundprinzip, aber mit stillstehendem Rollkreis
B und umlaufendem Rollkreis A. Der Rollkreispunkt E mit dem kreisrunden Körper F
bewegt sich bei zwei Rollkreisumdrehungen einmal hin und her. Es sind keine hin-
und hergehenden Massen vorhanden, wenn eine Auswuchtung um C erfolgt. Das Arbeitsmittel
tritt axial oder radial durch Schlitze oder Ventile ein und aus. Die Steuerung kann
so vorgenommen werden, daß ein Verdichten oder Ausdehnen oder reines Verdrängen
entsteht.
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Die Abb. 3 unterscheidet sich von Abb. i dadurch, daß der Punkt E
als Lager ausgeführt ist und der umgebende Körper keine kreisrunde Form zu haben
braucht, sondern geführt wird von dem Außenkörper G. Es sind auch hier keine hin-
und hergehenden Massen vorhanden.
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Alle Bewegungen folgen streng der Hypozykloide, so daß stets allseitig
geschlossene Dichtlinien vorhanden sind. Die sich aufeinander abwälzenden Körper
F und G gemäß Abb. i und 2 können auch schraubenförmig verwunden sein so, daß die
Höhe der Steigung des Innenkörpers F sich zur Steigung des Außenkörpers G wie i
: 2 verhält, so daß also zwei Steigungen des Innenkörpers auf eine Steigung des
Außenkörpers kommt; jeder Querschnitt zeigt dabei den kreisrunden Innenkörper und
den Schlitz des Außenkörpers entsprechend Abb. i und z. Beide Körper sind gleichsinnig
verdreht. Die Steigungen können sich unter Wahrung des Steigungsverhältnisses verengen
oder erweitern. Das Arbeitsmittel tritt axial oder radial durch Schlitze oder Ventile
ein und aus. Die Steuerung kann so vorgenommen werden, daß ein Verdichten oder Ausdehnen
oder reines Verdrängen entsteht.
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Abb. 4 zeigt, und zwar in Abb. 4a in einem Schnitt nach Linie M-N
der Abb. 4b, in Abb. 4b in einem Schnitt nach Linie A-B der Abb. 4a als Ausführungsbeispiel
für das Prinzip gemäß Abb. i eine Kreisprofildrehkolbenmaschine mit einer vorgelagerten
Antriebswelle, welche den Arbeitskolben F und den Steuerkolben G über deren Wellen
antreibt und führt. Die Kolben berühren sich selbst nicht und arbeiten
gegeneinander
und dem Zylinder gegenüber mit geringsten Spielen. Der Arbeitsraum wird nicht geschmiert.
Der Inhalt der Kammer H wird im Laufe einer Umdrehung des Steuerkolbens G über seitliche
Schlitze zweimal gefüllt und entleert, dieser hat keine Kraft zu übertragen. Die
Kolben sind fliegend auf ihren Wellen angeordnet. Die Maschine ist hauptsächlich
zum Verdichten von gasförmigen ,Mitteln geeignet. Der kreisrunde Arbeitskolben F
ist exzentrisch um den Betrag C-E auf der in C befindlichen Kolbenwelle befestigt.
Durch Materialverlagerung soll der Kolben ausgewuchtet sein. Der Steuerkolben G
ist auf der in D befindlichen Welle zentrisch befestigt und umschließt mit seinem
ovalen Arbeitsraum H den Arbeitskolben. Der Arbeitshub entspricht der vierfachen
Exzentrizität C-E. Das Arbeitsmittel gelangt seitlich in die Arbeitskammer H über
entsprechend geformte Aussparungen und ebenso nach Erreichung des gewünschten Enddruckes
zur Auslaßseite, nachdem die Steuerkanten überfahren sind und damit der Weg zur
Druckseite freigegeben wird. Der Verdichtungsdruck dürfte bei i bis 2 atü liegen.
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Abb. 5 zeigt, und zwar in Abb. 5 a in einem Längsschnitt und in Abb.
5 b in einem Querschnitt als weiteres Ausführungsbeispiel für das Prinzip gemäß
Abb. i eine Kreisprofildrehkolbenpumpe für selbstschmierende Mittel mit um i8o°
versetzten Zwillingskolben F und um 9o° versetzten Kammern H im Steuerkolben G.
Der Steuerkolben wird direkt von dem Arbeitskolben angetrieben. Die Förderung erfolgt
sehr gleichmäßig, weil die sinuskurvenförmigen Förderungen der Einzelkolben um i8o°
gegeneinander versetzt sind. Der Steuerkolben wird durch richtige Wahl der Ein-
und Auslaßschlitze sowie der Spiele fast druckentlastet. Der Zwillingskolben F mit
kreisrunder zentrischer Mittelscheibe zum Trennen der Förderkammern läuft mit seiner
Welle um C. Der Steuerkolben läuft um D als Mittelpunkt in zwei Lagern, welche sich
auf das Außengehäuse stützen. Das Fördermittel tritt durch Schlitze des Steuerkolbens
in die Förderkammern ein und aus.
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Abb. 6 zeigt, und zwar in Abb. 6 a in einem Längsschnitt, in Abb.6b
in einem Querschnitt nach Linie A-B und in Abb. 6 c in einem Querschnitt nach Linie
M-N der Abb. 6a als Ausführungsbeispiel für das Prinzip gemäß Abb. 2 einen ventilgesteuerten
Kreisprofildrehkolbenverdichter mit umlaufender Kolbenwelle C, welche von der Antriebswelle
D aufgenommen wird. Die Antriebswelle dreht sich zur Kolbenwelle im Verhältnis i
: 2. Die Kolbenwelle wird über das Ritzel K angetrieben, welches in das stillstehende
Innenzahnrad L eingreift. Der Kolben bewegt sich hin und her in dem stillstehenden
Arbeitsraum. Hin- und hergehende Massen sind nicht vorhanden, wenn der Kolben um
seine Welle ausgewuchtet wird. Der kreisrunde, exzentrisch um den Betrag C-E auf
der Arbeitswelle befestigte Kolben F ist fliegend angeordnet. Der Kolben soll um
C ausgewuchtet sein. Der ÖI-spritzring O soll gleichzeitig als Ausgleichsgewicht
für die in C angreifende Kolbenmasse ausgebildet sein. Der Arbeitskolben F läuft
mit geringsten Spielen ohne Berührung im Arbeitsraum H. Durch die annähernd quadratische
Form des Arbeitsraumquerschnittes sind kürzeste Dichtlinien gegeben. Das Arbeitsmittel
wird über Ventile oben und unten in den Arbeitsraum ein-und ausgelassen. Der Arbeitshub
beträgt das Vierfache der Exzentrizität.
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Abb. 7 zeigt, und zwar in Abb. 7 a in einem Längsschnitt und in Abb.
7b in einem Querschnitt als Ausführungsbeispiel für das Prinzip gemäß Abb. i einen
zweistufigen Kreisprofildrehkolbenverdichter mit Drillingskolben F, welche um 12o°
gegeneinander versetzt sind. Der Steuerkolben G wird möglichst direkt vom Arbeitskolben
F angetrieben, was wahrscheinlich ohne Ölschmierung möglich ist, da der Steuerkolben
nur leer ohne jede Kraftübertragung mitläuft und dauernd ein günstiger Eingriff
durch die drei um i2o° versetzten Arbeitskolben gewährleistet ist. Die zwei seitlichen
Kolben bilden die erste Stufe und fördern über einen Zwischenkühler zu dem mittleren
Kolben der zweiten Stufe. Das Fördermittel tritt durch den Steuerkolben in die Ein-
bzw. Auslaßkanäle. Die Kolbendurchmesser sind so festzulegen, daß die Förderkammern
in jeder Kolbenstellung keine Verbindung zueinander haben. Die drei fest miteinander
verbundenen Kolben sind mit ihren Mittelpunkten im gleichen exzentrischen Abstand
C-D auf der gemeinsamen um C laufenden Arbeitswelle angeordnet. Der Steuerkolben,
welcher die Arbeitsräume bildet, läuft um D als Mittelpunkt und ist durch zwei Lager
direkt abgestützt. Entsprechend angeordnete Schleifringpackungen sollen ein ölfreies
Arbeiten ermöglichen.
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Abb. 8 zeigt, und zwar in Abb. 8 a in einem Längsschnitt und in Abb.
8b in einem Querschnitt als Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 3 eine Verbrennungsmotorkonstruktion,
bei welcher die Pleuelstangen eingespart werden und vier Kolben als zwei Doppelkolben
direkt auf die Kurbelwelle wirken. Es handelt sich auch hier um Drehkolben, welche
im Zylindergehäuse G geführt und mit diesem umlaufen. Das Zylindergehäuse dreht
sich zur Kurbelwelle C im Verhältnis i : 2. Die Drehung des Zylindergehäuses soll
möglichst durch direkte Kraftübertragung von den Kolben her erfolgen. Es sind dabei
nur reine Laufwiderstände bzw. Beschleunigungs- oder Verzögerungskräfte des Zylindergehäuses
zu übertragen. Der Motor besitzt keine hin- und hergehenden Massen und durch die
dauernde Geradführung der Kolben keine Arbeitskräfte, welche radial auf die Zylinder
wirken. Es müßte demnach mit geringster Schmierung bzw. ohne diese auszukommen sein.
Füllung und Auslaß wird durch Schlitze gesteuert. Die Arbeitswelle ist mit zwei
exzentrischen Lagersitzen, Exzentrizität C-E, versehen zur Aufnahme der Kolbenlager.
Das Zylindergehäuse G stützt sich auf Nadellager und läuft um D im Abstande der
Exzentrizität C-E von C. Der Arbeitshub der Kolben beträgt bei einer halben Gehäuseumdrehung
das Vierfache der Exzentrizität. Das Verbrennungsgemisch wird geitlich über Schlitze
in die Arbeitsräume eingepreßt und spült gleichzeitig den Rest der verbrannten Gase
in die Auslaßschlitze gemäß dem bekannten Zweitaktverfahren. Bei dem einen Arbeitszylinder
befindet sich der Einlaß links und der Auslaß rechts und bei dem anderen Zylinder
in umgekehrter Anordnung. Der Arbeitshub beginnt jeweils nach Überschreiten der
untersten Kolbenstellung.
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Die im vorhergehenden beschriebenen Drehkolbenmaschinen besitzen in
ihrer Arbeitsweise, wie schon anfangs festgestellt, Kolbentnaschinencharakteristik
und stellen in ihrer Ausführungsform Drehkolbenmaschinen dar. Damit steht dieser
Maschinentyp zwischen den bisherigen Formen. Wegen der ausgeglichenen Kolbenbewegung
sind relativ hohe Drehzahlen möglich. Strömungstechnisch, füllungsmäßig und füllungszeitlich
sind ebenfalls gute Ausführungen mÖglich. Es ist deshalb zu erwarten, daß das Anwendungsgebiet
im allgemeinen zwischen den reinen Kapselmaschinen oder den Kolbenmaschinen und
den Strömungsmaschinen liegen wird.