-
Die
Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine, die innerhalb eines
stationären Gehäuses einen auf einem exzentrisch
angeordneten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagerten Drehkolben
umfasst, wobei der Drehkolben mindestens ein Paar an seinem Umfang
ausgebildeter konvexer und konkaver Kolbenflächen aufweist,
die mit mindestens einem an der Innenfläche des Gehäuses
ausgebildeten zugehörigen Paar konvexer und konkaver Zylinderflächen
mindestens eine an einen Fluideinlass angeschlossene Kammer einschließen,
deren Größe sich bei der weiteren Drehbewegung
zu einer mit einem Ventil versehenen Auslassöffnung hin
stetig verringert.
-
Drehkolbenmaschinen
der eingangs erwähnten Art zum Fördern und Verdichten
eines Fluids, die gleichermaßen auch als Vakuumpumpen oder
Motoren fungieren können, sind beispielsweise aus der
EP 0644981 B1 oder
der
DE 202004008106U1 oder
der
US 2004213691A bekannt.
Bei der Drehbewegung des Kolbens mittels des exzentrisch an der
Kurbelwelle ausgebildeten Kurbelexzenters gleitet die Kolbenfläche
abdichtend entlang der gekrümmtem Gehäuse- bzw.
Zylinderfläche. Die zuvor offene und mit einem von außen
zugeführten Fluid gefüllte Kammer wird während
der Kolbenbewegung immer kleiner und fördert das in der Kammer
befindliche Fluid über ein an dem engsten Kammerbereich
befindliches Ventil nach außen.
-
Eine
so ausgebildete Drehkolbenmaschine ist insofern nachteilig, als
eine Regelung des Fördervolumens nur zentral über
die Drehzahl der mit einem Antriebsmotor verbundenen Kurbelwelle
und/oder über Regel- oder Drosseleinrichtungen erfolgen kann.
Bei einer Havarie, einer Überhitzung oder dgl. können
zudem aufgrund des Reibungskontaktes die Kammerflächen
beschädigt werden. Eine Reparatur oder ein Austausch des
mit den Auslasskanälen und Auslassventilen versehenen Gehäuses
ist – zumal bei Mehrkammergehäusen – mit
einem erheblichen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der
eingangs erwähnten Art anzugeben, die eine vom Antrieb
unabhängige individuelle Regelung des Fördervolumens
und des Druckes sowie eine einfache Anpassung an bestimmte Betriebszustände
und eine einfache Reparatur zulässt.
-
Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 ausgebildeten Drehkolbenmaschine gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei
einer Drehkolbenmaschine der eingangs erwähnten Art besteht
der Grundgedanke der Erfindung darin, dass die die Verdichtungskammer(n)
begrenzende(n) Gehäusefläche(n) jeweils von einem einstellbaren,
um einen Drehpunkt schwenkbaren oder beidseitig verstellbaren Zylindersegment
gebildet werden, so dass die Spaltweite zwischen Gehäuse-
und Kolbenflächen und somit das Kammervolumen verringert
oder vergrößert werden kann und die Drehkolbenmaschine
in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsverhältnissen
und unabhängig von der Drehzahl durch Verstellen eines
oder mehrerer oder aller Zylindersegmente oder aufeinander folgender Zylindersegmente
nacheinander in zeitlichem Abstand gesteuert werden kann. Die Drehkolbenmaschine
kann so mit einer oder mehreren oder allen Kammern in Nulllast,
in Teillast oder in Volllast gefahren werden, um das Fördervolumen
zu regeln oder beispielswei se eine Kühlwirkung zu erzielen
oder eine zu hohe Reibung zwischen den Gehäuse- und Kolbenflächen
mit den daraus resultierenden nachteiligen Folgen zu verhindern.
-
Bei
einer Zwei- oder Mehrkammer-Drehkolbenmaschine mit aufeinander folgenden
Zylindersegmenten ist zwischen den gegenüberliegenden Seiten
benachbarter Endabschnitte ein Fluideinlassschlitz, an den sich
eine Einlassöffnung für die Fluidzuführung
anschließt, ausgebildet.
-
Die
Form des Zylindersegments kann auch so gestaltet sein, dass zwischen
seiner Außenfläche und der Gehäuseinnenwand
ein an die Einlassöffnung angeschlossener Fluideinlasskanal
frei bleibt, um dadurch die Kühlwirkung des zugeführten
Fluids zu nutzen.
-
Gemäß einem
weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung erfolgt der Fluidauslass
aus der Verdichtungskammer in axialer Richtung über eine
stirnseitig am Gehäuse abdichtend angebrachte Lochplatte
mit Auslassöffnungen und eine Ventilplatte mit an dieser
vorgesehenen, den Auslassöffnungen zugeordneten Ventilen,
die bei Erreichen eines bestimmten Druckes des Fluids in den Kammern
selbsttätig öffnen und das aus den Auslassöffnungen
austretende Fluid in einen auf die Ventilplatte aufgesetzten hohlen
Deckel mit zentralem Auslassstutzen leiten.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Zylindersegmente beidseitig
mittels auf diesen angebrachten Dichtungsstreifen oder Dichtleisten
zur Lochplatte und zum Gehäuseboden hin abgedichtet.
-
In
weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Einstellung der Zylindersegmente
mit einem Verstellexzenter, der jeweils in Abhängigkeit
von mittels Messsensoren erfass ten Betriebsparametern mechanisch
oder in Verbindung mit einer Software automatisch betätigt
werden kann.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können der Drehpunkt
und der Verstellexzenter des Zylindersegments auch gegeneinander
ausgetauscht werden, so dass sich unterschiedliche Volumina und Drücke
ergeben.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können an beiden Enden
der Zylindersegmente Verstellexzenter vorgesehen sein. Mit dieser
Verstellvariante können noch andere Druck- und Volumenverhältnisse
in der Kammer eingestellt werden.
-
Die
Drehkolbenmaschine kann als Pumpe oder Verdichter mehrstufig betrieben
werden, indem die einzelnen Kammern aufeinander folgende Stufen mit
jeweils erhöhtem Druckniveau bilden.
-
Die
Fluidein- und -auslässe in bzw. aus dem Kammern können
auch separat geschaltet sein, so dass jede Kammer mit unterschiedlichem
Druckniveau betreibbar ist.
-
Abgesehen
von der durch die variable Spaltweiteneinstellung bedingten vorteilhaften
individuellen und an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbaren
Steuerungsmöglichkeit und Kühlung ist die vorgeschlagene
Drehkolbenmaschine auch kompakt und kostengünstig ausgebildet,
kann auf einfache Art repariert werden und verfügt über
eine lange Lebensdauer.
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
Schnittansicht einer als Pumpe betriebenen, aber auch als Kompressor,
Motor oder Vakuumpumpe einsetzbaren Drehkolbenmaschine mit verstellbar
angeordneten, austauschbaren Zylindersegmenten; und
-
2 eine
Explosionsdarstellung einer Drehkolbenmaschine mit stirnseitig vorgesehenem Fluidauslass.
-
1 zeigt
eine Drehkolbenmaschine, die innerhalb eines kreisförmigen
Gehäuses 1 einen auf einem Kreis bewegten Drehkolben 2 umfasst.
Das als Zylinder dienende Gehäuse 1 weist am Innenumfang – im
vorliegenden Ausführungsbeispiel fünf – konkav
in die Gehäusewand eingeformte Gehäusewandflächen 3 auf,
an die sich jeweils ein etwa halbkreisförmiges, um einen
Drehpunkt 4 verschwenkbares Zylindersegment 5 anschließt.
Das an der Innenseite konkav ausgeformte Zylindersegment 5 ist
an dem um den Drehpunkt 4 gelagerten Ende konvex gerundet
ausgeführt und bildet dort eine konvex geformte Zylindernase 6.
An dem dem Drehpunkt 4 gegenüberliegende – freien – Ende 7 des
jeweiligen Zylindersegments 5 ist ein an eine Einlassöffnung 26 angeschlossener
Fluideinlassschlitz 24 vorgesehen. Die Zylindersegmente 5 bilden
somit eine abwechselnd konkav und konvex geformte Zylinderfläche 13. Die
Lage der Zylindersegmente 5 kann über einen von
außen betätigbaren Verstellexzenter 8 in
Richtung der Pfeile 23 eingestellt werden, so dass das
im Innern des Gehäuses 1 vorhandene, nach außen durch
die Zylindersegmente 5 begrenzte Kammervolumen verkleinert
oder vergrößert wird. Die Einstellung kann mechanisch
oder automatisch erfolgen. An den Zylindersegmenten 5, 5' sind
an den beiden planflächigen, gegenüberliegen Seiten
Dichtungsstreifen 22 angebracht, um die Zylindersegmente 5, 5' gegenüber
der Lochplatte 16 und dem Gehäuseboden abzudichten.
-
Im
Innern des Gehäuses 1 ist an einer zentrisch im
Gehäuse 1 gelagerten, drehbar angetriebenen Kurbelwelle 9 auf
einem an dieser exzentrisch angeordneten Exzenter 10 ein
Drehkolben 2 angebracht, der eine kreisförmige
Bewegung ausführt. An dem Drehkolben 2 sind radial
abstrebende Kolbennasen 12 ausgebildet, die jeweils in
die von den Zylinderflächen 13 der Zylindersegmente 5 gebildeten Räume
ragen und jeweils eine konvex geformte sowie zwei konkav geformte
Kolbenflächen 14 (Kammerinnenflächen)
bilden. Die Zylinder- und Kolbenflächen 13, 14 begrenzen
radial die über seitliche Öffnungen (nicht dargestellt)
im Gehäuses 1 mit einem zu fördernden
Fluid beschickten Kammern 15 (15.1 bis 15.5)
der Drehkolbenmaschine.
-
Gemäß der
in 2 vereinfacht wiedergegebenen Explosionsdarstellung,
in der die im Gehäuse 1 vorgesehenen Zylindersegmente 5 und
auch die Fluidzufuhr in das Gehäuse 1 nicht dargestellt
sind, wird auf der oberen Stirnfläche des Gehäuses 1 zunächst
eine Lochplatte 16, anschließend eine Ventilplatte 17 und
danach ein als Hohlkörper ausgebildeter Deckel 18 befestigt.
In der Lochplatte 16 befinden sich Auslassöffnungen 19,
die durch an der Ventilplatte 17 gehaltene Plattenventile 20 verschlossen sind.
Die Befestigung der Lochplatte 16, der Ventilplatte 17 und
des Deckels 18 erfolgt mittels die Bohrungen 21 durchgreifenden
Passschrauben (nicht dargestellt). Das Gehäuse 1 ist
gegenüber der Lochplatte 16 abgedichtet. Die Breite
der an der engsten Stelle über den Kammern 15 liegenden
Auslassöffnungen 19 in der Lochplatte 16 entspricht
etwa der maximalen Spaltweite der Kammer 15 (= zwei Kurbelwellenradien),
wobei die Auslassöffnungen 19 eine der Längserstreckung
der Kammer entsprechende längliche Form haben.
-
Die
von den Kolbennasen 12 und den Zylindersegmenten 5 gebildeten
Kammern 15 der Drehkolbenmaschine werden – von der
Seite des Gehäuses 1 aus – über
die Einlassöffnungen 26 und den Fluideinlassschlitz 24 (bzw.
den Fluideinlasskanal 25) mit dem zu fördernden
Fluid gefüllt. In der in 1 dargestellten
Kolbenposition sind die Kammern 15.1, 15.2 und 15.3 geschlossen
und während der weiteren Drehbewegung des Drehkolbens 2 wird das
Fluid in diesen Kammern immer weiter gefördert. Im Zustand
des größten Ausschubes aus der Kammer 15.1 öffnet
sich aufgrund des hohen Fluiddruckes das an dieser Stelle angeordnete
Plattenventil 20, so dass das Fluid in den hohlen Deckel 18 abströmen
kann. Zwischenzeitlich werden die – noch nicht geschlossenen – Kammern 15.4 und 15.5 mit
dem zu fördernden Fluid gefüllt. Auf diese Art
wird nacheinander in den folgenden Kammern 15.2 und 15.3 sowie
den sich später schließenden Kammern 15.4 und 15.5 das
Fluid gefördert und in den hohlen Deckel 18 und
von dort über einen Auslassstutzen 11 nach außen
geleitet.
-
In 1 ist
noch eine Variante eines Zylindersegments 5' dargestellt,
das so ausgebildet ist, dass zwischen seiner Außenfläche
und der Gehäusewandfläche 3 ein an eine
Einlassöffnung 26 angeschlossener Fluideinlasskanal 25 gebildet
wird. Diese Ausbildung ist insofern vorteilhaft, als dadurch am Gehäuse 1 und
an den Zylindersegmenten 5' eine hohe Kühlwirkung
erzielt werden kann.
-
Durch
Verstellen der Zylindersegmente 5 kann die Spaltweite der
Kammern 15, das heißt das Kammervolumen verändert
und dadurch das Fördervolumen auch unabhängig
von der Drehzahl der Kurbelwelle 9 beeinflusst und die
Maschine in Nulllast, Teillast oder Volllast gefahren werden, so
dass ein optimaler Betrieb gewährleistet ist. Das heißt
beispielsweise, dass bei der Einstellung einer maximalen Spaltweite
somit trotz sich drehender Kurbelwelle eine Nullförderung
eingestellt werden kann. Das ist beispielsweise beim Anfahren der
Drehkolbenmaschine in kal tem Zustand vorteilhaft. Nach dem Warmfahren
kann die Spaltweite dann mechanisch oder automatisch, beispielsweise
gesteuert über Messsensoren und eine Software, entsprechend dem
gewünschten Betriebszustand eingestellt werden. Mit Messsensoren
für Temperatur, Druck, Spaltweite, Durchflussgeschwindigkeit,
Drehzahl und dgl. können die Betriebsparameter erfasst
werden, so dass die Drehkolbenmaschine immer mit optimalem Wirkungsgrad
und ohne die Gefahr des Festlaufens betrieben werden kann.
-
Bei
einer Havarie können alle Zylindersegmente 5 schlagartig
auf eine maximale Spaltweite eingestellt werden, so dass eine Beschädigung
der Laufflächen (Kammeraußen- und Kammerinnenflächen)
an den Kolbennasen 12 und den Zylindersegmenten 5 vermieden
wird und die Drehkolbenmaschine lastfrei läuft.
-
Es
ist auch möglich, nur ein Zylindersegment 5 oder
nur einige Zylindersegmente zu verstellen, so dass eine oder einige
Kammern 15 mit einer Teil- oder Nullförderung
betrieben werden, um einerseits auf diese Art die Fördermenge
der als Pumpe betriebenen Drehkolbenmaschine einzustellen und andererseits
eine Kühlwirkung mit dem nicht unter Last geförderten
Fluidstrom zu erzielen. Das separate Verstellen der Zylindersegmente 5 und
das damit verbundene Einstellen der Spaltweite und Fördermenge kann
auch im Wechsel für die aufeinander folgenden Verdichterkammern 15 durchgeführt
werden, um durch den zeitlich aufeinander folgenden Kammerbetrieb
mit Nulllast eine kontinuierliche Kühlwirkung zu erreichen.
-
Neben
dem optimalen und variierbaren Betrieb zeichnet sich die oben beschriebene
Drehkolbenpumpe durch eine lange Lebensdauer und geringe Reparaturkosten
aus. Auch in Bezug auf die Abführung des Fluids sowie den
Herstellungs-, Montage und Reparaturaufwand ist die beschriebene Drehkolbenmaschine
gegenüber den bekannten Vorrichtungen dieser Art vorteilhaft,
da das geförderte Fluid aus den Kammern 15 nicht
radial über die Zylinderwand, sondern stirnseitig über
die gemeinsame Ventilplatte 17 und den hohl ausgebildeten
Deckel 18 zentral abgeführt wird. Es werden weniger
Bauteile benötigt und die Pumpe ist kostengünstigere
in der Herstellung und dabei sehr kompakt und platzsparend ausgebildet.
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Drehkolben
- 3
- Gehäusewandfläche
- 4
- Drehpunkt
v. 5
- 5
- Zylindersegment
(5' Zylindersegment)
- 6
- Zylindernase
v. 5
- 7
- freies
Ende v. 5
- 8
- Verstellexzenter
- 9
- Kurbelwelle
- 10
- Exzenter
- 11
- Auslassstutzen
- 12
- Kolbennase
v. 2
- 13
- Zylinderflächen
v. 5
- 14
- Kolbenflächen
- 15
- Kammern
(15.1 bis 15.5)
- 16
- Lochplatte
- 17
- Ventilplatte
- 18
- Deckel
(hohl)
- 19
- Auslassöffnungen
v. 16
- 20
- Plattenventile
- 21
- Bohrungen
- 22
- Dichtungsstreifen
- 23
- Pfeile
- 24
- Fluideinlassschlitz
- 25
- Fluideinlasskanal
zwischen 1 und 5'
- 26
- Einlassöffnung
in 1
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0644981
B1 [0002]
- - DE 202004008106 U1 [0002]
- - US 2004213691 A [0002]