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Die
Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine, die als Pumpe oder als
Arbeitsmaschine Anwendung finden kann.
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Als
Stand der Technik für die vorliegende Erfindung kann die
Fluid-Maschine gemäß des
US-Patentes 7,351,047 B2 angesehen
werden. In dieser Maschine erfolgt eine Relativbewegung zwischen
einem Kegel, der eine Abteilungsplatte aufnimmt, und einer demgegenüber
angeordneten Dichtfläche. Problematisch bei der hier dargestellten
Ausführungsform ist unter anderem, dass diese nur in einer
relativ aufwendigen und damit kostenintensiven Konstruktion zur
Verfügung gestellt werden kann. Außerdem sind
aufgrund einer Vielzahl zueinander beweglicher Teile erhöhte
Reibkräfte zu überwinden. Dies gilt insbesondere
in Bezug auf rotierende Taumelscheiben sowie umlaufende Ein- und
Auslassöffnungen. Aufgrund dessen besteht ebenfalls die
Gefahr von Leckagen. Außerdem dürften sich bei
der dargestellten Konstruktion Dichtungsprobleme einstellen.
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Vorteil
derartiger Rotationsmaschinen ist neben der Gelenklosigkeit sowie
des Schmierstoff freien Laufs ein geringes Bauvolumen, Möglichkeit
der Anordnung von schwimmenden Lagern und damit geringerer Verschleiß,
eine im Grundprinzip einfache und damit kostengünstige
Konstruktion sowie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rotationsmaschine
und mit der Rotationsmaschine durchführbare Verfahren zur
Verfügung zu stellen, wobei die Rotationsmaschine bei geringem Volumen
und einfachem Aufbau im Betrieb einen hohen Wirkungsgrad mit geringem
Wartungsaufwand kombinieren soll.
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Die
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannte Rotationsmaschine
sowie durch das in Anspruch 11 genannte Verfahren zur Erzeugung
eines Drehmomentes, durch das in Anspruch 12 genannte Verfahren
zum Pumpen eines Fluides sowie durch die in den Ansprüchen
13 bis 15 genannten Verwendungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
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Erfindungsgemäß wird
eine Rotationsmaschine beschrieben, umfassend einen ersten Kegel und
ein den Kegel zumindest teilweise umgebendes Gehäuse zur
wenigstens teilweisen Begrenzung eines Fluidraumes konstanter Größe,
wobei im Gehäuse ein Schieber um wenigstens eine Rotationsachse drehbar
angeordnet ist und diese Rotationsachse in wenigstens einem Punkt
eine Kegelachse schneidet, die durch die Spitze des ersten Kegels
führt und dabei senkrecht auf dessen Grundfläche
steht. Der Schieber unterteilt den Fluidraum in Kammern, vorzugsweise
zwei Kammern, so dass die Größe einer jeweiligen
Kammer von der Winkelposition des Schiebers abhängig ist.
Der Schieber ist mit einer Einrichtung zur Übertragung
eines Drehmomentes verbunden. Erfindungsgemäß umfasst
die Rotationsmaschine einen zweiten Kegel, wobei die Grundflächen
der beiden Kegel im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnet
sind und der zweite Kegel ebenfalls zumindest teilweise vom Gehäuse
umgeben ist und somit zwei Räume konstanter Größe
gebildet sind, wobei die Kegelachse, die in wenigstens einem Punkt
von der Rotationsachse des Schiebers geschnitten wird, durch die
Spitzen der beiden Kegel führt und der Schieber jeden der
beiden Räume jeweils in Kammern unterteilt. Die Größe
einer jeweiligen Kammer ist dabei in Abhängigkeit von der
Winkelposition des Schiebers veränderbar. Das heißt, dass
die beiden Kammern eines Raumes zusammen immer nur genauso groß sind
wie dieser Raum, abzüglich des Volumens des die Kammern
trennenden Gliedes, wie zum Beispiel des Schiebers. Es ist hierbei
zu unterscheiden zwischen dem Fluidraum, der durch den Hohlraum
des Gehäuses gebildet wird, sowie den durch Abteilen dieses
Fluidraumes entstehenden Räumen konstanter Größe,
die wiederum durch Abteilung durch den Schieber in vorzugsweise zwei
Kammern unterteilt werden, wobei die Kammergrößen
von der Winkelposition des Schiebers abhängig sind.
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Der
Schieber ist mit einer Einrichtung zur Übertragung eines
Drehmomentes verbunden, nämlich zum Beispiel direkt dadurch,
dass er einen Zapfen aufweist, an dem bei Drehung des Schiebers
das Drehmoment abgenommen werden kann, oder auch indirekt, indem
der Schieber formschlüssig mit wenigstens einem der Kegel
zusammenwirkt und somit ein Drehmoment auf den Kegel überträgt,
wobei dieses Drehmoment vom Kegel abgegriffen werden kann oder auch
der Kegel mit einem solchen Drehmoment beaufschlagt werden kann
zur Übertragung des Drehmomentes auf den Schieber im Pumpbetrieb.
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Die
Kammern, die durch die Raumaufteilung durch den Schieber entstanden
sind, sind durch zumindest jeweils ein Kegelmantelsegment, das Gehäuse
und den Schieber begrenzt. Zur Realisierung des Betriebes der Rotationsmaschine
sind am Gehäuse und/oder an wenigstens einem der Kegel
wenigstens ein Ein- und/oder Auslass angeordnet zur Speisung und/oder
Abführung eines Fluides in beziehungsweise aus den Kammern.
Die beiden Räume konstanter Größe sind
durch zumindest die Mantelflächen der beiden Kegel und
das Gehäuse ausgebildet beziehungsweise begrenzt. Im Betrieb
der Rotationsmaschine wird an jeder Mantelfläche der Kegel eine
Dichtungswirkung entlang einer Dichtungslinie erzeugt, wobei die
Dichtungslinien in einer geraden Ebene angeordnet sind, die senkrecht
auf den Kegelgrundflächen steht und durch die Kegelspitzen
verläuft, wobei die Projektierung der Position einer ersten
Dichtungslinie auf einer ersten Mantelfläche auf eine Ebene
einer Kegelgrundfläche bei einer Drehung um 180° um
die Achse, die durch die Kegelspitzen führt, die Projektion
der Position einer zweiten Dichtungslinie auf einer zweiten Mantelfläche
ergibt. Die Dichtungslinie wird realisiert durch die Anlage eines
Dich tungselementes auf der jeweiligen Mantelfläche entlang
der Berührungslinie. Die Kegel können relativ
zu dem sie wenigstens teilweise umgebenden feststehenden Gehäuse
drehbar sein. Im Gehäuse und ebenfalls relativ zum Gehäuse
um eine Achse drehbar, die in einem Punkt durch die Drehachse die Kegel
verläuft, ist der Schieber angeordnet zur Unterteilung
des von einer Mantelfläche, Gehäuse und Dichtelement
gebildeten Raumes in zwei Kammern. Das Dichtelement kann dabei ein
gesondertes Bauelement sein oder Bestandteil des Gehäuses.
Die gebildeten Kammern verringern sich bei Drehung des Schiebers
in ihrem Volumen oder vergrößern sich. Die verwendeten
Kegel haben vorzugsweise gleich große Radien und Höhen.
Unter der Dichtungslinie wird ein theoretisch sehr dünner
Bereich verstanden, der gegebenenfalls auch bei entsprechend geringer Kegelhöhe
in der Praxis ein Streifen sein kann. Statt geometrisch exakter
Kegel können auch Kegelstümpfe verwendet werden,
dass heißt, Kegel mit einer Abflachung im Spitzenbereich.
Als Kegelspitzen wird in diesem Fall dann der Punkt bezeichnet,
der die ideelle Spitze des Kegelstumpfes bei Weiterführung
dessen Mantelfläche bilden würde. Die Drehbewegung
des Schiebers muss im Betrieb der Rotationsmaschine nicht lediglich
um eine Rotationsachse erfolgen, sondern es kann je nach Ausführungsform der
Erfindung sein, dass der Schieber eine Taumelbewegung und somit
rotatorische Bewegungen um mehrere Achsen vollführt.
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Die
erfindungsgemäße Rotationsmaschine kann als Arbeitsmaschine
oder als Pumpe eingesetzt werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kegelgrundflächen
einander zugewandt sind und beide Kegel zusammen einen Doppelkegel
ausbilden, wobei das Gehäuse im Wesentlichen die Form eines
Hohlzylinders aufweist und beide Kegel zumindest teilweise umgibt,
wobei der Schieber in einem Schlitz in den Kegeln geführt
ist, sodass die Rotationsachse des Schiebers bei seiner Drehbewegung
eine Taumelbewegung vollführt, und wobei der durch das
Gehäuse gebildete Fluidraum durch den Doppelkegel in die
zwei Räume konstanter Größe geteilt ist
und die Rotationsmaschine derart ausgestaltet ist, dass ein Drehmoment
vom Kegel auf den Schieber oder umgekehrt übertragbar ist.
Das heißt, dass in dieser Ausführungsform die
Kegelspitzen voneinander weg weisen. Der erwähnte Doppelkegel
kann auch derart ausgestaltet sein, dass er eine zylindrische Zwischenschicht
zwischen den Kegeln aufweist. Der Kegelrand beziehungsweise die Umfangslinie
des Doppelkegels dichtet gegenüber dem Gehäuse
ab. Beide Kegel sollen dabei die gleiche Grundfläche haben.
Als Gehäuseform soll eine Hohlzylinderform verwendet werden,
wobei diese gegebenenfalls mit geringfügig konkaven Wölbungen
in der Zylinderinnenmantelfläche versehen sein kann. Zum
Betrieb der Rotationsmaschine ist wenigstens ein Ein- und ein Auslass
am Gehäuse vorzusehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotationsmaschine
derart ausgestaltet, dass die Mantelflächen der Kegel am
Gehäuse anliegen und dort jeweils eine Dichtlinie ausbilden,
sodass bei Drehung der Kegel eine Relativbewegung zwischen einer
Kegelmantelfläche und der jeweiligen durch das Gehäuse
ausgebildeten Fläche, an der die Mantelfläche
anliegt, ausgeführt wird, wobei die Hohlzylinderform des
Gehäuses geschlossen ist und das Gehäuse beide
Kegel vollständig umgibt. Das Anliegen der Mantelflächen
der Kegel am Gehäuse soll entweder derart erfolgen, dass
die Mantelfläche auf der Gehäusewand reibt, oder
dass ein nur minimaler Abstand zwischen der Mantelfläche
und dem Gehäuse besteht, der im Wesentlichen aber fluiddicht
ausgeführt ist. Der erwähnte Ein- und Auslass
kann am Gehäuse angeordnet sein, wobei hierfür
die Hohlzylindermantelfläche oder eine der Hohlzylindergrundflächen
in Frage kommt.
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In
einer Alternative zur letztgenannten Ausführungsform kann
die Rotationsmaschine auch derart ausgestaltet sein, dass die Mantelflächen
der Kegel an jeweils einem drehbar angeordneten Gehäusedeckel
anliegen und dort jeweils eine Dichtlinie ausbilden, sodass bei
Drehung der Kegel aufgrund der Berührung zwischen einer
Kegelmantelfläche und dem jeweiligen Gehäusedeckel
ebenfalls eine Drehung des Gehäusedeckels erfolgt, wobei
die Hohlzylinderform des Gehäuses an den Grundflächen
offen ist und das Gehäuse beide Kegel nur teilweise umgibt,
nämlich nur im Projektionsbereich des rotierenden Umfangs
des Doppelkegels. Dabei kann die Drehung des Kegels die Drehung
des Gehäusedeckels veranlassen oder umgekehrt. Die Berührung beziehungsweise
die Anlage des Kegels am Gehäusedeckel kann eine Roll-
und Haftreibung zwischen dem Gehäusedeckel und dem Kegel
bewirken. Gehäusedeckel und Kegel können auch
zum Zwecke eines Formschlusses profiliert sein. Ebenso kann der Schieber
fest mit einem oder beiden Gehäusedeckeln verbunden sein
und so die Ein- oder Ausleitung von Drehmomenten über die
Verbindung von Schieber und Gehäusedeckel erfolgen. Das
Dichtelemente wird mittels eines Schlitzes, in dem der Schieber läuft,
mitgeführt. Ein- und Auslässe können
am Gehäuse angeordnet sein, in dieser Ausführungsform an
der Hohlzylindermantelfläche und/oder mit umlaufend am
Deckel.
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In
einer weiteren grundsätzlichen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Rotationsmaschine ist vorgesehen,
dass die Kegelgrundflächen zueinander beabstandet angeordnet
sind und die Kegelspitzen zueinander weisen, wobei der Fluidraum des
Gehäuses durch ein Dichtelement in zwei Räume
konstanter Größe unterteilt ist und die Kegelmantelflächen
an jeweils einer Seite des Dichtelementes anliegen und dort jeweils
eine Dichtlinie ausbilden, wobei das Gehäuse im Wesentlichen
die Form eines offenen Hohlzylinders aufweist und beide Kegel zumindest
teilweise umgibt und eine Randzone des Dichtelementes fluiddicht
mit dem Gehäuse in Verbindung gebracht ist. Das Dichtelement
ist dabei vorzugsweise eine runde Scheibe oder ein Doppelkegel. Dieser
besteht im Wesentlichen aus zwei stumpfen, identischen Kegeln welche
entlang ihrer Grundflächen mit oder ohne Hilfselemente
zusammengefügt sind. Ein jeder der Räume ist durch
den Schie ber in Kammern unterteilt, wobei die Kammern durch zumindest
jeweils ein Kegelmantelsegment, das Gehäuse, das Dichtelement
und den Schieber gebildet sind. Das Gehäuse kann an seiner
Innenwandung gegebenenfalls mit einer geringfügigen konkaven Wölbung
ausgeführt sein. In dieser Ausführungsform vollführt
der Schieber keine Taumelbewegung, sondern lediglich eine Rotationsbewegung
um eine Achse. Ein- beziehungsweise Auslässe können
im Gehäuse oder auch in einem oder beiden Kegeln angeordnet
sein.
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In
einer besonderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist
vorgesehen, dass die Kegel, das Dichtelement und der Schieber drehbar
angeordnet sind, wobei der Schieber in einem Schlitz in den Kegeln
geführt ist und die Rotationsmaschine derart ausgestaltet
ist, dass ein Drehmoment vom Kegel auf den Schieber oder umgekehrt übertragbar
ist. Dass die Kegel und das Dichtelement rotierbar sind, bedeutet,
dass auch die Kegel in Bezug zum Dichtelement rotieren können.
Ein- beziehungsweise Auslässe können im Gehäuse
oder in einem der Kegel angeordnet werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass
die Kegel in Bezug zum Gehäuse fixiert sind und das Dichtelement
und der Schieber drehbar angeordnet sind, wobei der Schieber mittels einer
Bohrung-Zapfen-Verbindung in den Kegeln geführt ist. Das
heißt, dass der Schieber nicht in einem Schlitz in den
Kegeln geführt ist, sondern mit einer Bohrung-Zapfen-Verbindung
in den Kegeln, wobei zum Beispiel eine Bohrung in einem Kegel angeordnet
sein kann und ein Zapfen an dem Schieber, der drehbar in der Bohrung
steckt, oder auch umgekehrt. Das Drehmoment wird dabei nicht von
dem Kegel auf den Schieber oder umgekehrt übertragen, sondern über
den Zapfen, der aus dem Kegel herausragt, oder über das
Dichtelement, welches aus dem Gehäuse herausragt. Durch
die Fixierung der Kegel in Bezug zum Gehäuse erfolgt eine
Relativbewegung zwischen der Mantelfläche der Kegel und
der Dichtelementfläche, an der der Mantel anliegt. Ein- beziehungsweise
Auslässe können im Gehäuse oder in den
Kegeln angeordnet sein.
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Bei
der Ausführungsform der Rotationsmaschine, bei der die
Grundflächen der Kegel einander zugewandt sind beziehungsweise
identisch sind und die Kegelspitzen voneinander weg weisen, kann
vorgesehen sein, dass die Rotationsmaschine wenigstens ein mit einem
Ein- oder einem Auslass strömungstechnisch verbundenes
Langloch im Gehäuse an der dem durch das Gehäuse
ausgebildeten Hohlraum zugewandten Gehäusewand in Richtung
im Wesentlichen der Drehbewegung des Schiebers aufweist zur zumindest
zeitweiligen gleichzeitigen Bespeisung oder Entleerung von vom Schieber
getrennter Kammern mit Fluid.
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Dieser
Typ von Rotationsmaschine kann auch dadurch weitergehend ausgestaltet
sein, dass er wenigstens ein durch den Doppelkegel oder den Schieber
führendes Durchgangsloch zum Zweck der Realisierung von
kommunizierenden, durch die Kegel geschaffenen Räumen im
Gehäuse aufweist. Dieses Durchgangsloch schafft die Möglichkeit
des Überströmens von zum Beispiel einem unteren Raum
in den oberen Raum und umgekehrt.
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In
besonderer Ausgestaltung des generellen Erfindungsgedankens ist
vorgesehen, dass zumindest eines der rotierenden Elemente als Rotor
und das Gehäuse in entsprechender Weise als Stator einer
energieumwandelnden Einrichtung zur Realisierung eines Generators
oder eines Elektromotors ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist
dabei nicht nur einer der Kegel als Rotor oder Stator ausgebildet,
sondern beide im Gehäuse aufgenommenen Kegel. Eine solche
Rotationsmaschine kann bei Fluidbeaufschlagung als Arbeitsmaschine
zur Stromerzeugung verwendet werden oder auch beim Betrieb als Pumpe als
Elektromotor zum Pumpenantrieb verwendet werden.
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Die
Erfindung ergänzend wird eine Doppelrotationsmaschine,
mit einer Mehrzahl, insbesondere zwei, mechanisch miteinander gekoppelten
erfindungsgemäßen Rotationsmaschinen zur Verfügung gestellt,
wobei einer der Kegel einer Rotationsmaschine im Wesentlichen fluiddicht
an einem der Kegel einer anderen Rotationsmaschine angeordnet ist. Diese
besondere Ausführungsform bezieht sich insbesondere und
bevorzugt auf die Rotationsmaschine, deren Kegel eine gemeinsame
Grundfläche haben und damit zusammen einen Doppelkegel
ausbilden. Dabei ist vorgesehen, dass an der Verbindungsstelle der
beiden Rotationsmaschinen kein Gehäusedeckel angeordnet
ist, so dass die Kegel aneinander anliegen können oder
zumindest so dicht aneinander positioniert sind, dass die Linie
ihrer Berührung im Wesentlichen fluiddicht ausgeführt
ist. Bevorzugt bilden die Mittelachsen der beiden miteinander verbundenen
Rotationsmaschinen-Gehäuse, die die Kegel im Wesentlichen
umschließen, eine Gerade.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verfahren
zur Erzeugung eines Drehmomentes mittels der erfindungsgemäßen
Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, wobei über
einen Einlass an der Rotationsmaschine ein Fluid druckbeaufschlagt
in beide Räume konstanter Größe gegeben
wird, wodurch eine Kraft auf den Schieber ausgeübt wird,
sodass dieser in Drehung versetzt wird und das dadurch erzeugte
Drehmoment vom Schieber zur Verfügung gestellt wird. Dabei
wird das Drehmoment vom Schieber in beziehungsweise auf den Kegel übertragen
und das Drehmoment vom sich drehenden Kegel abgenommen. In alternativer
Ausgestaltung, bei der der Schieber selbst einen Zapfen aufweist,
kann das Drehmoment auch direkt von dem sich drehenden Zapfen abgenommen
werden. Das zur Herstellung des Drehmomentes genutzte Fluid wird über
den Auslass wieder aus der Rotationsmaschine herausgefördert.
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Außerdem
wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren
zum Pumpen eines Fluides mittels der erfindungsgemä ßen
Rotationsmaschine gelöst, wobei in den Schieber ein Drehmoment
eingeleitet wird, welches zur Vergrößerung von
zwei in den Räumen konstanter Größe geschaffener
Kammern und gleichzeitig zur Verkleinerung von zwei weiteren in
den Räumen konstanter Größe geschaffener
Kammern durch eine Drehbewegung des Schiebers in den Räumen
konstanter Größe führt, wobei an einem
jeden der Räume konstanter Größe wenigstens
ein Einlass und ein Auslass angeordnet ist und durch die Kammervergrößerung
Fluid aus dem Einlass in eine Kammer eingesogen wird und bei Verkleinerung
dieser Kammer das Fluid über den Auslass ausgestoßen
wird. Das heißt, dass das erfindungsgemäße
Verfahren in zwei Räumen gleichzeitig stattfindet.
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Weiterhin
kann im Kombinationsbetrieb der eine Raum konstanter Größe
als Kraftmaschine und gleichzeitig der andere als Arbeitsmaschine
wirken.
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Ergänzt
wird die vorliegende Erfindung durch die erfindungsgemäße
Verwendung der erfindungsgemäßen Rotationsmaschine
als Einrichtung zur Erzeugung eines Drehmomentes oder als Einrichtung zum
Pumpen eines Fluides. Außerdem betrifft eine erfindungsgemäße
Verwendung der Rotationsmaschine deren Einsatz zur Erzeugung von
elektrischer Energie im Generatorbetrieb oder zur Erzeugung von mechanischer
Energie im Motorbetrieb.
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Zur
Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden Bezug auf die
einzelnen Zeichnungen genommen.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Rotationsmaschine in einer
Schnittdarstellung in Ansicht von der Seite.
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In
den 1.1 bis 1.3 ist
das Unterteil der Rotationsmaschine dargestellt im Zusammenhang
mit Definitionen bestimmter Maschinenelemente beziehungsweise Positionen
der Elemente.
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In
den 1.1.1 bis 1.1.12 sind
verschiedene Phasen des Betriebes der erfindungsgemäßen
Maschine zum Pumpen eines Fluides schematisch dargestellt.
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In
den 1.2.1 bis 1.2.12 sind
verschiedene Phasen des Betriebes der erfindungsgemäßen
Maschine im Pumpbetrieb dargestellt, wobei die Maschine ein Langloch
beziehungsweise eine Nut im Gehäuseunterteil aufweist.
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In
den 1.3.1 bis 1.3.12 sind
verschiedene Phasen des Betriebes der erfindungsgemäßen
Maschine im Pumpbetrieb dargestellt, wobei an dem umlaufenden Schieber
Durchgangslöcher angeordnet sind.
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In 2 ist
die erfindungsgemäße Maschine in Explosionsdarstellung
gezeigt.
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In
den 2.1, 2.2 und 2.3 ist das Unterteil der erfindungsgemäßen
Maschine mit darin angeordnetem Doppelkegel in Schnittansicht von
der Seite gezeigt.
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In 2.3 ist eine Draufsicht auf das Unterteil mit
Doppelkegel dargestellt.
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In
den 3.1 bis 3.4 ist
das Gehäuseoberteil in verschiedenen Ansichten dargestellt.
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In
den 4.1 bis 4.4 ist
das Gehäuseunterteil in verschiedenen Ansichten dargestellt.
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In
den 5.1 bis 5.3 ist
der Doppelkegel in verschiedenen Ansichten dargestellt.
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In
den 6.1 bis 6.4 ist
der Schieber in unterschiedlichen Perspektiven dargestellt.
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In 7 ist
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Rotationsmaschine mit Verwendung eines Dichtelementes in einem geschlossenen
Gehäuse dargestellt.
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In 8 ist
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Rotationsmaschine bei Verwendung eines Dichtelementes in einem offenen
Gehäuse dargestellt.
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In 9 ist
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Rotationsmaschine mit nichtparallelen Gehäusegrundflächen
dargestellt.
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Durch
die in den Figuren dargestellten Pfeile wird die jeweils anzunehmende
Drehrichtung des Schiebers verdeutlicht.
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Es
wird zunächst Bezug genommen auf 1. Das Gehäuse
der Rotationsmaschine umfasst eine obere Gehäusehälfte 10 und
eine untere Gehäusehälfte 20, die aneinander
anliegen und somit den dargestellten Hohlraum im Inneren bilden.
In diesem Hohlraum befindet sich ein Doppelkegel, der stumpf ausgeführt
sein kann und der aus einem oberen Kegel 30 und einem unteren
Kegel 40 zusammengesetzt ist. An dem oberen Kegel 30 und
dem unteren Kegel 40 angeschlossen sind Zapfen, die in
komplementär ausgearbeiteten Löchern in den Gehäusehälften 10 und 20 stecken.
Der Doppelkegel ist radial geschlitzt. Die Zapfen verbinden die
durch Schlitzung entstehenden Hälften des Doppelkegels.
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Die
Längsachse der Zapfen stellt damit die Drehachse bzw. Rotationsachse
des Doppelkegels dar. Das heißt, dass der Doppelkegel in
dem Hohlraum, der durch die beiden Gehäusehälften 10 und 20 gebildet
wird, drehbar ist. Wie dargestellt, weicht dabei die Rotationsachse
des Doppelkegels von einer Längsachse des Hohlraums ab,
so dass der obere Kegel 30 sowie der untere Kegel 40 an
je einer Berührungslinie die obere Gehäusehälfte 10 beziehungsweise
die untere Gehäusehälfte 20 kontaktieren.
Diese Berührungslinien sind die obere Dichtlinie 31 sowie
die untere Dichtlinie 41. Das heißt, dass bei Rotation
des Doppelkegels die Dichtlinien 31 und 41 in
Bezug auf die jeweiligen Gehäusehälften 30 und 40 an
derselben Position an den Gehäusehälften verbleiben.
Durch die Rotation des Doppelkegels kontaktiert je Zeiteinheit allerdings
immer ein anderer ideell dünner Streifen beziehungsweise
Linie, der oder die radial auf der Kegelfläche verläuft,
das jeweilige Gehäuseteil.
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Am
Gehäuseoberteil 10 befindet sich, wie dargestellt,
ein Auslass 70 und am Gehäuseunterteil 20 ein
Einlass 60. Vorgreifend auf die 3.1 und 4.1 sei allerdings erwähnt, dass sich
in der oberen Gehäusehälfte 10 sowie
in der unteren Gehäusehälfte 20 für
gewöhnlich jeweils ein Einlass 60 und ein Auslass 70 befinden.
Nur in bestimmten, weiter unten genauer bezeichneten Ausführungsformen kann
auch z. B. ein Auslass weggelassen sein. In dem Doppelkegel verschieblich
angeordnet befindet sich ein Schieber 50, der, wie in 1 dargestellt, eine
erste Schieberhälfte 51 und eine zweite Schieberhälfte 52 aufweist.
Dabei ist vorzugsweise dieser Schieber 50 eine im Wesentlichen
glatte, ebene Platte, die im Bezug zum Doppelkegel bei dessen Drehbewegung
eine Kipp- oder Taumelbewegung ausführt.
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Gegenüber
dem Gehäuse vollführt der Schieber ebenfalls Kippbewegungen.
Die am Schieber angebrachten Formen und Radien dienen dem Ausgleich
der durch diese Bewegungen entstehenden eventuellen Undichtigkeiten.
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Durch
die Rotation des Doppelkegels und des daran geführten Schiebers
bilden sich periodisch vergrößernde und verkleinernde
Kammern.
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Wie
in 1 dargestellt, ist an dem oberen Kegel 30 ein
An- beziehungsweise Abtriebszapfen 80 angeordnet, der bei
Pumpbetrieb zur Einleitung eines Drehmomentes und bei Antriebsmaschinenbetrieb
zur Abnahme eines Drehmomentes dient.
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Der
Schieber 50, der im Wesentlichen wie in 6.1 bis 6.4 ausgestaltet
ist, ist in dem Schlitz im Doppelkegel, wie in 5.1 bis 5.3 dargestellt,
frei beweglich. Er wird bei Drehbewegung des Doppelkegels durch
die Innenwandung der Gehäusehälften 10 und 20 geführt.
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Bei
Rotation des Doppelkegels mit darin aufgenommenem Schieber rotiert
somit der Schieber ebenfalls im durch die Gehäusehälften 10 und 20 gebildeten
Hohlraum und bildet damit über dem oberen Kegel 30 eine
Zweiteilung des dort vorhandenen Raumes und unter dem Kegel 40 ebenfalls
eine Zweiteilung des unter diesem Kegel 40 angeordneten
Raumes in zwei Kammern. Das heißt, dass eine Relativbewegung
zwischen Schieber und Gehäuse stattfindet, wobei die Dichtung
zwischen Schieber und Gehäuse durch eine hohe Passgenauigkeit
des Schiebers im Bezug zum Gehäusequerschnitt und durch
gewählte Viskositäten beziehungsweise Strömungsrichtungen
und/oder Strömungsgeschwindigkeiten realisiert wird. In 6.4 ist mit dem Pfeil die Drehrichtung des Schiebers
in Ansicht von oben dargestellt.
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Die
Innenwandung der Gehäusehälften ist vorteilhafterweise
gemäß einer Hohlkugelschicht ausgebildet, das
heißt, dass der durch die Gehäusehälften 10 und 20 gebildete
Hohlraum im Wesentlichen als Hohlkugelschicht mit gleichgroßen
Grundflächen ausgeformt ist, um die Berührung
des Randes der aneinander liegenden Kegelgrundflächen, der
schräg in diesem Hohlraum rotiert, zu gewährleisten.
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Die
Mantelfläche des durch die Gehäusehälften
gebildeten Innenhohlraums weisen vorteilhafterweise eine leicht
konkave Wölbung auf, die in Zusammenwirkung mit leicht
konvexen Wölbungen an der Kante, an der der obere Kegel 30 mit
dem unterem Kegel 40 verbunden ist, eine bessere Dichtwirkung
ausbildet.
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Der
im Zentrum des Doppelkegels angedeutete Punkt befindet sich stets
ebenfalls im Zentrum des durch die obere Gehäusehälfte 10 und
untere Gehäusehälfte 20 gebildeten Hohlraumes.
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Wie
insbesondere den 3.1 und 4.1 entnehmbar
ist, sind der Einlass 60 und der Auslass 70 im
Wesentlichen als Bohrungen ausgeführt, die ein Innengewinde
aufweisen. 3.1 zeigt das Gehäuseoberteil
von unten und 4.1 zeigt das Gehäuseunterteil
von oben. Am Einlass 60 ist, wie dargestellt, ein Langloch
beziehungsweise eine Nut 61 angeordnet, mittels derer eine
Strömung vom Einlass durch das Langloch in den durch die
Gehäusehälften 10 und 20 gebildeten
Hohlraum realisierbar ist.
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3.2 zeigt das Gehäuseoberteil von oben und 4.2 zeigt das Gehäuseunterteil von unten.
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Wie
in 5.1 und 5.3 punktiert
angedeutet, können in den beiden Kegelhälften
in der Nähe des Spaltes für den Schieber in punktsymmetrischer
Anordnung mehrere Durchgangslöcher 90 angeordnet
sein.
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Die
Funktion beziehungsweise Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Rotationsmaschine wird im Folgenden anhand der 1.1 bis 2.3 erläutert.
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In
den 1.1 bis 1.3 sind
die vier Quadranten dargestellt, die ein Schieber während
einer Umdrehung durchläuft. Er startet dabei bei einer
Position 0° und durchläuft die Positionen 90°,
180°, 270° und 360°, die seiner Ausgangsposition
entspricht.
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Der
erste Quadrant befindet sich im Bereich von Q° bis 90°,
der zweite von 90° bis 180°, der dritte im Bereich
von 180° bis 270° und der vierte Quadrant im Bereich
von 270° bis 0°.
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In
einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Maschine ist der Doppelkegel ohne Zapfen ausgeführt. Die
Einleitung oder Abnahme eines Drehmomentes am Kegel kann bei dieser Variante
direkt am Schieber über geeignete mechanische Einrichtungen
wie z. B. Getriebe erfolgen.
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Insbesondere
in dieser Ausgestaltung können die durch den Schieber-Schlitz
getrennten Doppelkegelhälften voneinander mechanisch getrennt
in dem durch die Gehäusehälften gebildeten Hohlraum angeordnet
sein, wobei sie aufgrund ihrer Form und der Form des zwischen ihnen
gelagerten Schiebers einem Zwanglauf im durch die Gehäusehälften
gebildeten Hohlraum unterliegen. Ebenso können die durch
den Schlitz getrennten Doppelkegelhälften im Bereich des
Schlitzes zentrumsnah miteinander verbunden sein. Der Schieber muss
dann in diesem Bereich eine Aussparung aufweisen.
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Neben
den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist des Weiteren
die Variante ausführbar, bei der am Doppelkegel lediglich
ein Zapfen angeordnet ist, nämlich an einem der beiden
Kegel.
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Es
wird die Funktionsweise der erstbeschriebenen Ausführungsform
zunächst anhand der Bewegung des unteren Kegels 40 in
der unteren Gehäusehälfte 20 in Ansicht
von oben erläutert.
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Es
ist ersichtlich, dass sich in der Ausgangsposition (0°)
der Schieber in einer derartigen Position befindet, dass er sich
mit der Dichtlinie zwischen unterem Kegel 40 und der unteren
Gehäusehälfte 20 deckt. Das heißt,
dass die erste Schieberhälfte, entlang der Dichtlinie zwischen
unterem Kegel 40 und unterer Gehäusehälfte 20 verläuft
und somit zwischen dem Einlass 60 und dem Auslass 70 angeordnet
ist. Die Drehbewegung des Doppelkegels erfolgt, wie mit dem eingezeichneten
Pfeil dargestellt, im Uhrzeigersinn.
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In 1.2 ist zusätzlich ein Langloch (Nut) 61 dargestellt.
In 1.3 sind, wie dargestellt, am Schieber 50 an
der ersten Schieberhälfte 51 ein erstes Durchgangsloch 90 und
an der zweiten Schieberhälfte 52 ein zweites Durchgangsloch 90 angeordnet.
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Im
Folgenden wird der Pumpbetrieb anhand der 1.1 bis 1.12 erläutert. Zur Definition
der dargestellten Bauelemente wird auf 1.1 verwiesen.
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In
den 1.1.1 bis 1.1.4 ist
die erfindungsgemäße Rotationsmaschine vorerst
nur mit einem Fluid beaufschlagt dargestellt.
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Zum
Zweck des Pumpbetriebes wird in den An- beziehungsweise Abtriebszapfen 80,
wie insbesondere in 1 dargestellt, ein Drehmoment
eingeleitet.
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Bei
nun erfolgender geringfügiger Drehbewegung des Doppelkegels
mit darin angeordnetem Schieber überstreicht der Schieber 50 den
Einlass 60, so dass aufgrund des Unterdruckes, der in der dadurch
entstandenen Kammer zwischen erster Schieberhälfte 51,
unterer Dichtlinie 41, Unterseite des unteren Kegels 40 und
unterer Gehäusehälfte 20 entsteht, ein
Ansaugen von Fluid aus dem Einlass 60 bewirkt wird. Die
Drehbewegung des Schiebers erfolgt weiter durch die Positionen wie
in 1.1.2 bis 1.1.4 dargestellt.
Gemäß 1.1.5 wird,
nach dem die erste Schieberhälfte 51 die Position
180° passiert hat, die zweite Schieberhälfte 52 den
Einlass 60 passieren, so dass ein hier als zweites Fluid
benanntes Fluid wie bereits in Bezug zu 1.1.1 in eine
neu geschaffene, sich ebenfalls erweiternde Kammer einströmen
kann.
-
Bei
weiterer Drehung befindet sich die erste Schieberhälfte 51 in
der Position 270° und die zweite Schieberhälfte 52 in
der Position 90°. Es sei hierzu bemerkt, dass die Kammer,
in dem sich das erste Fluid befindet, in dieser Schieber-Position
eine maximale Größe hat. Das heißt, dass
das Volumen für das erste Fluid ein Maximum erreicht hat,
da dem ersten Fluid der komplette Raum unter dem zweiten Kegel 40 im
zweiten und dritten Quadranten zur Verfügung steht.
-
Bei
weiterer Drehung des Schiebers gemäß 1.1.7 und 1.1.8 verringert
sich ab jetzt die Größe der Kammer für
das erste Fluid und die Kammer für das zweite Fluid vergrößert
sich. Nachdem die erste Schieberhälfte 51 wieder
die 0°-Position erreicht hat, überstreicht sie
bei weiterer Drehung gemäß 1.1.9 erneut
den Einlass 60, wodurch das Einströmen beziehungsweise
das Ansaugen eines dritten Fluides, gepunktet dargestellt, ermöglicht wird.
Die Kammer für das erste Fluid verkleinert sich weiterhin,
da ihr Volumen durch die untere Dichtlinie 41 und die zweite
Schieberhälfte 52 begrenzt wird, die sich der
unteren Dichtlinie 41 nähert. Es kommt somit gemäß 1.1.10 bis 1.1.12 zum
Auspumpen des ersten Fluides aus dem Auslass 70. Wie in 1.1.10 dargestellt, befindet sich jetzt das zweite
Fluid in einem Maximalvolumen. Die Kammer für das dritte
Fluid vergrößert sich. Die Kammer für
das erste Fluid verkleinert sich gemäß 1.1.11. und 1.1.12 gegen
0. Somit lässt sich ein Fluid, wie anhand des ersten Fluides
beschrieben, durch die erfindungsgemäße Maschine
pumpen. Das zweite und das dritte Fluid werden, wie oben zum ersten
Fluid beschrieben, ebenfalls abgepumpt.
-
Selbstverständlich
müssen dabei nicht drei unterschiedliche Fluide zum Betrieb
der Maschine eingesetzt werden, sondern es kann sich dabei um lediglich
ein Fluid handeln, welches ein Gas oder eine Flüssigkeit
sein kann.
-
Ein
Arbeitsmaschinenbetrieb erfolgt wie der beschriebene Pumpbetrieb,
wobei statt des aufgrund der Vergrößerung von
Volumen geschaffenen Unterdruckes in den Gehäusehohlräumen
am Einlass 60 ein Überdruck anliegt, der zu einer
Drehbewegung des Schiebers und damit des Doppelkegels führt,
so dass sich ein Moment am An- beziehungsweise Abtriebszapfen 80 abgreifen
lässt. Auch beim Arbeitsmaschinenbetrieb müssen
nicht drei unterschiedliche Fluide zum Betrieb der Maschine eingesetzt
werden, sondern es kann sich dabei um lediglich ein Fluid handeln,
welches ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann.
-
Wie
erwähnt, wurde die Funktionsweise der Maschine anhand des
unteren Kegels 40 sowie der unteren Gehäusehälfte 20 beschrieben.
Da punktsymmetrisch an dem Doppelkegel ebenfalls eine obere Gehäusehälfte 10 und
ein oberer Kegel 30 angeordnet ist, in dem ebenfalls punktsymmetrisch
ein Einlass 60 und Auslass 70 angeordnet sind,
können die beschriebenen Vorgänge ebenfalls und
zeitgleich in dem oberen Teilbereich der erfindungsgemäßen Maschine
stattfinden.
-
Das
heißt, dass mittels der erfindungsgemäßen
Rotationsmaschine bei einer Drehung gleichzeitig zwei Pump- beziehungsweise
Arbeitsvorgänge erfolgen können. Dies erhöht
wesentlich den Gesamtwirkungsgrad der Maschine, da wegen der Doppelwirkung
erheblich mehr Pump- beziehungsweise Arbeitsleistung bei einfachen
Reibverlusten realisiert werden können.
-
Die
Erfindung ist vorteilhaft durch ein Langloch beziehungsweise eine
Nut 61, die am Einlass 60 angeschlossen ist, wie
in 1.2 dargestellt, ausgestaltet.
-
Im
Folgenden wird der Betrieb der Maschine mit Nut 61 anhand
der 1.2.1 bis 1.2.12 erläutert,
wobei zunächst Bezug genommen wird auf die Funktionsweise
der Maschine als Pumpe. Zur Erläuterung der Bezugszeichen
wird auf 1.2 verwiesen.
-
Bei
Beginn der Drehbewegung des Schiebers überstreicht die
erste Schieberhälfte 51 in herkömmlicher
Weise den Einlass 60, so dass ein erstes Fluid durch den
Einlass 60 und die Nut 61 in die sich ausbildende
Kammer einströmt. Der Vorteil der Nut 61 stellt
sich dann ein, wenn die erste Schieberhälfte 51 von
der Position 180° in die Position 270° gemäß 1.2.6 übergeht. In dieser Situation überstreicht die
zweite Schieberhälfte 52 den Einlass 60 und
die daran angeschlossene Nut 61. In dieser Situation strömt
Fluid, welches zur Erläuterung hierbei als zweites Fluid
bezeich net wird, in den durch die zweite Schieberhälfte 52,
die untere Dichtlinie 41, den unteren Kegel 40 und
die untere Gehäusehälfte 20 gebildete
Kammer. Durch die Nut 61 gelangt allerdings auch weiterhin
Fluid aus dem Einlass 60 in die für das erste
Fluid geschaffene Kammer, da diese bei der in 1.2.6 dargestellten Position und weiterer Drehung
des Schiebers 50 sich immer noch vergrößert, bis
er eine Position gemäß 1.2.8 erreicht.
Das heißt, dass im Gegensatz zu der Ausgestaltung ohne Nut 61 bei
einem Durchgang der zweiten Schieberhälfte 52 durch
den ersten Quadranten die Kammer für das erste Fluid nicht
von der Fluidzufuhr entkoppelt ist, sondern weiterhin durch die
Nut 61 mit dem Einlass 60 verbunden ist und somit
diese Kammer weiterhin mit Fluid beschickt werden kann. Dies bewirkt
eine Erhöhung des Wirkungsgrades beim Pumpbetrieb, da die
Unterdruckverhältnisse in der Kammer für das erste
Fluid auch noch in Drehpositionen des Schiebers beziehungsweise
des Doppelkegels ausgenutzt werden können, bei denen in
einfacher Ausgestaltung gemäß 1.1 kein Ansaugen von Fluid mehr stattfinden würde.
Das Ausstoßen der angesogenen Fluide erfolgt entsprechend
der im Bezug auf 1.1 erläuterten Verfahrensweise.
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Da
gemäß 1.2.8 bei
Stellung des Schiebers 50 zwischen 90° und 270° die
Kammer für das erste Fluid ein Maximum aufweist und bei
weiterer Drehung des Schiebers im Volumen verringert wird, reicht
eine Führung des Langlochs beziehungsweise der Nut 61 lediglich
im ersten Quadranten, also bis zur Position von 90°, aus.
Das heißt, dass das Langloch beziehungsweise die Nut 61 bei
einer Drehbewegung einer Schieberhälfte im ersten Quadranten die
sich im ersten Quadranten ausbildenden Kammern beide mit Fluid versorgt,
da bei der Drehbewegung beide Kammern vergrößert
werden. Somit dient das Langloch beziehungsweise die Nut 61 der
Maximierung beziehungsweise Optimierung des Ansaugvolumens.
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Eine
vorteilhafte Wirkung hat das Langloch beziehungsweise die Nut ebenfalls
beim Betrieb der erfindungsgemäßen Maschine als
Arbeitsmaschine. Die Wirkung stellt sich dabei insbesondere auch
in der Position des Schiebers ein, in dem eine Schieberhälfte
gemäß 1.2.6 oder 1.2.7 angeordnet ist. Das unter Überdruck
stehende Fluid im Einlass 60 strömt dabei durch
den Einlass 60 in die durch die zweite Schieberhälfte 52,
die untere Dichtlinie 41, den unteren Kegel 30 sowie
die untere Gehäusehälfte 20 gebildete
Kammer. Aufgrund des Überdruckes wird der Schieber in Richtung
des Uhrzeigersinnes gedreht, wobei er den Doppelkegel mitnimmt und demzufolge
ein Moment am Doppelkegel beziehungsweise am An- beziehungsweise
Abtriebszapfen 80 abgegriffen werden kann. Durch die Nut 61 strömt
allerdings auch Fluid in die für das erste Fluid vorgesehene
Kammer auf der anderen Seite der zweiten Schieberhälfte 52.
Es stellt sich dabei aber kein Kräftegleichgewicht heraus,
welches zu einem Stillstand des Doppelkegels führen könnte,
da die Druckerhöhung in der Kammer für das erste
Fluid ebenfalls auch auf die dem ersten Fluid zugewandte erste Schieberhälfte 51 wirkt,
so dass diese in Drehbewegung gehalten wird. Dieser Zustand setzt
sich fort, bis eine Schieberposition gemäß 1.2.8 erreicht ist, bei der die zweite Schieberhälfte 52 nicht mehr
die Nut 61 überlagert. In dieser Position wird durch
das zweite einströmende Fluid lediglich die zweite Schieberhälfte 52 mit
dem Fluid beaufschlagt und somit die weitere Drehbewegung des Schiebers und
damit des Doppelkegels veranlasst. Das heißt, dass die
Nut 61 der Maximierung beziehungsweise Optimierung des
Arbeitsvolumens der erfindungsgemäßen Maschine
dient.
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In
einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das
Langloch bzw. die Nut auch am Auslass 70 angeordnet sein.
Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn sich die erste Schieberhälfte
in der Position 270° und die zweite Schieberhälfte
in 90° befindet. Die untere Kammer hat in dieser Schieber-Position
ein maximales Volumen erreicht. Bei weiterer Drehung aus dieser
Position heraus verringert sich diese Kammer wieder, d. h., der
Druck in der Kammer steigt an und somit wirkt eine Kraft entgegen der
Drehrichtung des zu erzeugenden oder erzeugten Drehmomentes, was
sich in Bezug auf den Wirkungsgrad ungünstig auswirkt.
Das am Abfluss angeordnete Langloch bzw. Nut sorgt bereits beim
Eintreten der ersten Schieberhälfte in den 4. Quadranten dafür,
dass Fluid leicht abgefördert werden kann und keinen Gegendruck
erzeugt.
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Des
Weiteren ist die erfindungsgemäße Rotationsmaschine
vorteilhaft durch Durchgangslöcher ausgestaltet, wobei
diese Durchgangslöcher 90 wie in 1.3 angedeutet angeordnet sein können.
Das heißt, dass diese Durchgangslöcher 90 im
oberen und unteren Kegel 30, 40 angeordnet sein
können, in der Nähe des Schiebers 50 oder
dass sie im Schieber 50 selbst angeordnet sein können.
Wichtig dabei ist, dass das in der Nähe der ersten Schieberhälfte 51 angeordnete
Durchgangsloch bei der Schieber-Position 0° zum Auslass 70 hin
angeordnet ist und das an der zweiten Schieberhälfte 52 angeordnete
Durchgangsloch auf der Seite des Einlasses 60 angeordnet ist.
Durch die Durchgangslöcher können die über
und unter dem Doppelkegel und durch die Gehäusehälften 10 und 20 ausgebildeten
Räume miteinander kommunizieren. Das heißt, dass
hier in dieser Ausgestaltung nicht mehr eine Verbindung von sich
z. B. unter dem unteren Kegel 40 ausbildenden Kammern realisiert
wird, sondern die sich bei Draufsicht deckungsgleich über
dem oberen Kegel 30 und unter dem unteren Kegel 40 sich
ergebenden Kammern miteinander verbunden werden können.
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Zur
Erläuterung wird Bezug genommen auf die 1.3.1 bis 1.3.12.
Es wird dabei die erfindungsgemäße Rotationsmaschine
im Pumpbetrieb erläutert. Zu beachten ist dabei, dass die
Ein- und Auslässe 60 und 70 punktsymmetrisch
(in Bezug auf das Zentrum, wie in 1 dargestellt)
angeordnet sind. Das heißt, dass die im Bezug zu den 1.3.1 bis 1.3.12 dargestellten
Vorgänge im unteren Bereich, also zwischen dem unteren
Kegel 40 und der unteren Gehäusehälfte 20,
ebenso über dem oberen Kegel 30 und der oberen
Gehäusehälfte 10 realisiert werden.
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Bei
einer Bewegung gemäß 1.3.1 verfährt
die erste Schieberhälfte 51 von der unteren Dichtlinie 41 in
Richtung des Uhrzeigersinnes. Dabei bewegt sich die zweite Schieberhälfte 52 von
der oberen Dichtlinie 31 weg ebenfalls im Uhrzeigersinn. Zum
Verständnis der weiteren Beschreibung der Funktionsweise
wird empfohlen, neben den 1.3.1 auch
die 1 und die 2.1 bis 2.3 zu betrachten.
-
Die
Durchgangslöcher sind im Doppelkegel immer in Bezug auf
den Schieber 50 auf der Saugseite angeordnet. Wie bereits
im Bezug auf die einfache Ausgestaltung der Erfindung beschrieben,
bildet sich bei Bewegung des Schiebers 50 ein Unterdruck
in der durch die erste Schieberhälfte 51, die
untere Dichtlinie 41 und den unteren Kegel 40 sowie
die untere Gehäusehälfte 10 ausgebildeten
Kammer aus, da sich diese vergrößert. Dasselbe
betrifft die Ausbildung einer Kammer in der oberen Gehäusehälfte
im vierten Quadranten bei der Bewegung der zweiten Schieberhälfte 52 von
der Position 180° zu 270°, da sich die dort geschaffene
Kammer zwischen der zweiten Schieberhälfte 52,
der oberen Dichtlinie 31, dem oberen Kegel 30 sowie
der oberen Gehäusehälfte 10 ebenfalls
vergrößert. Das heißt, dass sich die
Kammer unter dem unteren Kegel 40 sowie die Kammer über
oberen Kegel 30, die an jeweils einem Einlass 60 angeschlossen
ist, vergrößert und somit aufgrund des damit entstehenden
Unterdruckes eine Fluidförderung in diese Kammer bewirkt
wird. Dabei wird allerdings nicht nur über dem oberen Kegel 30 die
Kammer vergrößert, die sich zwischen oberen Dichtlinie 31 und
der zweiten Schieberhälfte 52 befindet, sondern
ebenfalls auch die Kammer, die durch die zweite Schieberhälfte 52 und
die erste Schieberhälfte 51 im dritten, vier ten
und ersten Quadranten oberhalb des oberen Kegels 30 ausgebildet
wird. Das heißt, dass auch in dieser Kammer ein Unterdruck während
der Bewegung der ersten Schieberhälfte 51 im ersten
Quadranten gemäß 1.3.1 und 1.3.2 entsteht. Dieser Unterdruck wird ausgenutzt,
um durch das Durchgangsloch 90 Volumen aus der Kammer unter
dem unteren Kegel 40 in die Kammer über dem oberen
Kegel 30 zu befördern. Bei anschließender
Weiterdrehung des Schiebers 50, von der Position der ersten
Schieberhälfte 51 von 90° in 180° gemäß 1.3.3 und 1.3.4,
verkleinert sich wiederum die Kammer über dem oberen Kegel 30,
die durch die obere Gehäusehälfte 10,
den oberen Kegel 30, der ersten Schieberhälfte 51 und
der zweiten Schieberhälfte 52 begrenzt ist, und
die sich somit gemäß 1.3.4 über
den ersten und zweiten Quadranten erstreckt. Durch die Verkleinerung
dieser Kammer entsteht in dieser Kammer ein Überdruck.
In der genannten Stellung, in der sich der erste Schieberabschnitt 51 in
der Position 180° befindet, hat allerdings die unter dem
unteren Kegel 40 gebildete Kammer in dem ersten und zweiten
Quadranten noch nicht ihre Maximalgröße erreicht,
sondern das Volumen vergrößert sich immer noch.
Das heißt, dass in dieser Kammer unter dem unteren Kegel 40 weiterhin
ein Unterdruck herrscht. Durch das Durchgangsloch wird es ermöglicht,
dass das in der genannten Kammer über dem oberen Kegel 30 angeordnete
Fluid aufgrund des in dieser Kammer herrschenden Überdruckes
und dem in der unteren Kammer herrschenden Unterdruckes wieder in
die untere Kammer zurückgeführt wird. Es lässt
sich somit je Drehung des Doppelkegels beziehungsweise des Schiebers
insgesamt mehr Fluid ansaugen, als es mit einer einfachen Ausgestaltung
gemäß 1.1 möglich
wäre. Bei Anordnung eines Auslasses an der oberen Gehäusehälfte 10,
wie insbesondere in 3.2 dargestellt, kann das in
der Kammer im ersten und zweiten Quadranten über dem oberen
Kegel 30 befindliche Fluid statt durch das Durchgangsloch in
die untere Kammer auch durch den Auslass 70 herausbefördert
werden. 3.2 zeigt dabei das Gehäuseoberteil
von oben. Auch in dieser Ausgestal tung lässt sich somit
je Drehung des Doppelkegels beziehungsweise des Schiebers mehr Fluid
transportieren als es in der einfachen Variante gemäß 1.1 möglich wäre.
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Es
lässt sich somit aufgrund der Anordnung des Durchgangsloches 90 selbst
bei Anordnung nur eines Auslasses je Drehung mehr Fluid fördern,
als Volumen durch den an nur einem Kegel anliegenden Hohlraum zur
Verfügung gestellt wird. Somit dienen die Durchgangslöcher
der Nutzung von Druckverhältnissen in einer Kammer zur
Kommunikation und Befüllung oder Leerung der jeweils anderen
Kammer.
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Zu
beachten ist, dass bei der Ausgestaltung der Erfindung mit den Durchgangslöchern
nicht unbedingt zwei Einlässe, das heißt jeweils
ein Einlass an einer Gehäusehälfte, angeordnet
sein müssen. Somit muss also nicht unbedingt eine punktsymmetrische
Verteilung der Ein- und Auslässe vorgesehen sein.
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In
den 2.1 bis 2.3 ist
ersichtlich, wie sich die Kammern über und unter den beiden
Kegeln ausbilden. Die Dichtfläche bzw. Dichtlinie ist hier
vereinfacht als Begrenzungslinie der Kammern mit der strichpunktierten
Linie angedeutet. In 2.1 berührt der untere
Kegel 40 an der unteren Dichtlinie 41 die untere
Gehäusehälfte 20.
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Es
ist deutlich ersichtlich, dass sich der unter dem unteren Kegel 40 ausbildende
Raum diagonal in dem durch die Gehäusehälften 10 und 20 ausgebildeten
Hohlraum ausgerichtet befindet. Komplementär dazu befindet
sich der Raum über dem oberen Kegel 30 ebenfalls
diagonal im Gesamt-, durch die obere und untere Gehäusehälfte 10 und 20 geschaffenen
Hohlraum. Wenn der Schieber 50 allerdings wie in 2.3 dargestellt, angeordnet ist, wird somit der
unter dem unteren Kegel 40 angeordnete Raum durch den Schieber 50 zweigeteilt,
so dass sich die eine Hälfte des Raums im ersten und zweiten
Quadranten befindet und die zweite Hälfte des Raums im dritten
und vierten Quadranten. 2.1 entspricht hierbei
dem Schnitt B-B der 2.1. Bei einer Drehung des Schiebers 50 im
Uhrzeigersinn ergibt sich eine entsprechende Verringerung beziehungsweise Vergrößerung
der an dem Kegel befindlichen Kammern.
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Die
in der erfindungsgemäßen Rotationsmaschine auftretende
Reibung sowie die angewandten Systemdrücke sind anwendungsspezifisch
und können konstruktionsmäßig durch ihre
Art, Lage, Form, Anzahl der Ein- und Auslassöffnungen,
ihren Größenverhältnissen, den eingebrachten
oder abzunehmenden Drehzahlen, Anzahl und Position sowie Größe
der Überströmkanäle und gegebenenfalls
Kaskadierung mehrerer Maschinen (In-Reiheschaltung mehrerer Maschinen
durch Anschluss aneinander) dem jeweiligen Zweck beziehungsweise
den herrschenden Einsatzparametern angepasst werden. Die Erfindung
ist dabei nicht auf die in 1 dargestellte Ausführungsform
festgelegt, in dem die Rotationsachse der Doppelkegel im Wesentlichen
senkrecht zur Außenfläche der Gehäusehälften
verläuft und sich somit ein schräg im Inneren
der Gehäusehälften befindlicher Raum ausbildet,
sondern es kann dagegen auch vorgesehen sein, dass die Drehachse
der Doppelkegel schräg zu den Außenflächen
der Gehäusehälften verläuft, so dass
sich ein in Bezug auf die Gehäuseaußenflächen
parallel ausbildender Innen-Raum herausstellt.
-
Fertigungsbedingt
sollte der Schlitz im Doppelkegel bis in die jeweiligen Zapfen hineinragen. Dies
dient außerdem der ungehinderten Bewegung des darin aufzunehmenden
Schiebers, der bei seiner Bewegung mit möglichst geringem
Abstand zu der unteren Gehäusehälfte und der oberen
Gehäusehälfte sowie zur Mantelfläche
des zwischen den Gehäusehälften ausgebildeten
Hohlraumes geführt werden soll. Eine Berührung
des Schiebers mit den Gehäusehälften soll dabei
nicht ausgeschlossen werden und kann gegebenenfalls sogar zu Zwecken
der Dichtung gefordert sein. Nick- und Schwenkbewegungen des Schiebers
sind wegen der verwendeten kleinen Neigungs winkel von circa 6° zwischen
der Längsachse des durch das Gehäuseoberteil und
-unterteil ausgebildeten Hohlraumes und der Rotationsachse des Doppelkegels
zu vernachlässigen. Der Einlass 60 sowie auch
der Auslass 70 kann jeweils als Schlauchnippel ausgebildet
sein.
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Die
Lagerung der Zapfen an den Kegeln 30 und 40 erfolgt
vorteilhafterweise in den Gehäusehälften 10 und 20 mittels
Gleitlagerungen, die aber gegebenenfalls auch durch Kugellager mit
oder ohne Dichtring ersetzt werden können. Die Zapfen können dabei
gerade oder gekröpft ausgebildet sein. Aus Fertigungsgründen
bietet es sich an, einen Zapfen geschlitzt auszuführen.
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Zur
Realisierung eines Pumpbetriebes mittels des erfindungsgemäßen
Rotationsmotors kann an einen Zapfen, bevorzugt an den An- beziehungsweise
Abtriebszapfen 80 ein Elektromotor oder auch ein anderer
rotatorischer Antrieb, wie z. B. ein Verbrennungsmotor, ein Getriebe,
eine Wind- oder Wasserkraftturbine oder auch ein manueller Antrieb,
wie z. B. eine Kurbel, angeschlossen werden.
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Die
erfindungsgemäße Rotationsmaschine kann allerdings
auch als Verdichter arbeiten, wobei sie auf der einen Seite mit
z. B. Druckluft oder unter Druck stehendem Wasser oder einem anderen
Fluid beaufschlagt wird, während dessen die andere Hälfte beziehungsweise
die andere Seite der Rotationsmaschine als Pumpe oder Verdichter
arbeitet.
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Auch
lässt sich die erfindungsgemäße Rotationsmaschine
als Arbeitsmaschine einsetzen, in dem ein unter Überdruck
stehendes Fluid in die Rotationsmaschine in beschriebener Weise
eingeleitet wird und ein Abtriebsmoment am An- beziehungsweise Abtriebszapfen 80 abgegriffen
wird.
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Vorteile
der vorliegenden Erfindung sind ein kontinuierlicher und gleichförmiger
Druckaufbau, Schmierstofffreiheit, geringe Geräuschemission,
ein geringes Bauvolumen und aufgrund einer einfachen Konstruktion
geringe Herstellungs- und Wartungskosten.
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In
den 7 und 8 ist eine Rotationsmaschine
mit verändertem konstruktiven Aufbau dargestellt, der allerdings
das selbe erfindungsgemäße Wirkprinzip zugrunde
liegt. Merkmal dieser Ausführungsform ist, dass der obere
Kegel 30 und der untere Kegel 40 nicht an der
jeweiligen Kegelgrundfläche miteinander verbunden sind,
sondern dass die Kegelgrundflächen voneinander beabstandet
sind, sodass die Kegelspitzen zueinander weisen. Der durch das Gehäuse 1 realisierte
Fluidraum wird in dieser Ausführungsform durch ein Dichtelement 100 in
zwei Räume konstanter Größe aufgeteilt.
Das Dichtelement kann als Scheibenform oder Doppelkegelform gestaltet
sein. Ein- beziehungsweise Auslässe sollten hier vorteilhafterweise
in der Hohlzylindermantelfläche des umgebenden Gehäuses 1 angeordnet sein.
Ein- beziehungsweise Auslässe können dann in den
Gehäusedeckeln 2 angeordnet sein, wenn durch die
Rotationsmaschine das Umgebungsmedium als Arbeitsfluid benutzt wird
oder die Entlassung des Arbeitsfluids in die Umgebung ohne Bedeutung
ist, da in diesem Falle die dort platzierten Ein- beziehungsweise
Auslässe rotieren können, ohne dass es die Funktionsfähigkeit
der Rotationsmaschine beeinträchtigt.
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Die
spezielle Ausführungsform gemäß 7 ist
derart ausgestaltet, dass das Gehäuse 1 die Kegel 30, 40 und
das Dichtelement 100 im Wesentlichen vollständig
umschließt. Im Betrieb der Rotationsmaschine rotieren der
obere Kegel 30, der untere Kegel 40, das Dichtelement 100 sowie
der in den Kegel 30, 40 in einem Schlitz aufgenommene
Schieber 50. Die Wirkungsweise entspricht der zu den bisherigen
Rotationsmaschinenarten beschriebenen Arbeitsweise. Dadurch, dass
sich das Dichtelement 100 und der Schieber 50 gleichzeitig
drehen, kann der Schieber den kompletten hohlzylinderförmig
ausgestalteten Fluidraum im Gehäuse 1 rotierend
durchfah ren. Das Dichtelement 100 kann dabei wie dargestellt
in einer Führung 3 geführt sein. Ein-
beziehungsweise Auslässe, die in 7 nicht
dargestellt sind, sind am Hohlzylindermantel des Gehäuses 1 anzuordnen. Ein
erzeugtes beziehungsweise aufgebrachtes Drehmoment kann am Zapfen 80 am
oberen Kegel 30 aufgebracht beziehungsweise abgenommen
werden. In dieser Ausführungsform dient der Schieber nicht
nur zur Aufteilung der Räume mit konstanter Größe
in zwei einzelne Kammern, sondern ebenfalls der Mitnahme des unteren
Kegels 40 bei Bewegung des oberen Kegels 30.
-
Eine
weitere Ausführungsform mit demselben Wirkprinzip wie des
Gegenstandes, der in 7 dargestellt ist, ist in 8 gezeigt.
Im Gegensatz zu der in 7 gezeigten Ausführungsform
weist diese Rotationsmaschine ein Gehäuse 1 auf,
welches im Wesentlichen die Form eines offenen Hohlzylinders hat.
Das heißt, dass der obere Kegel 30 und der untere
Kegel 40 an ihren Kegelgrundflächen nicht vom Gehäuse 1 umschlossen
sind.
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Zwecks
Abnahme eines Drehmomentes oder Beaufschlagung mit einem Drehmoment
kann in dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Dichtelement 100 gemäß der
gestrichelt dargestellten Variante durch das Gehäuse 1 hindurch
vergrößert ist und am Umfang eine Verzahnung 101 aufweist.
Diese Verzahnung 101 dient dazu, das Dichtelement 100 mit
einem Drehmoment zu beaufschlagen oder ein in der Rotationsmaschine
erzeugtes Drehmoment von dieser abzuleiten. Aufgrund einer festen
Verbindung des Schiebers 50 mit dem Dichtelement 100 wird
somit ein in der Rotationsmaschine erzeugtes Drehmoment über
den Schieber 50 in das Dichtelement 100 eingeleitet
und von diesem zur Verfügung gestellt. Umgekehrt lässt
sich ein Drehmoment in die Verzahnung 101 und somit in
das Dichtelement einleiten, wobei es von diesem form- und/oder kraftschlüssig
auf den Schieber 50 übertragen werden kann und
somit ein Pumpbetrieb durch die Rotationsmaschine realisiert werden
kann.
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9 zeigt
eine weitere spezielle Ausführungsform mit nichtparalleler
Anordnung der Gehäusegrundflächen. Die Gehäusegrundflächen
bilden dabei vorteilhafterweise mit dem Doppelkegel einen gemeinsamen
Winkel. Die Dichtlinien 31 und 41 der Kegel 30 und 31 widerspiegeln
diesen Winkel und sind hierbei nicht mehr um 180° versetzt.
Vorteil dieser Ausführungsform ist die Möglichkeit,
die Kippmomente auf die Kegel zu minimieren. Bei entsprechender
Anordnung der Schieber 50 können in den Räumen
konstanter Größe ähnliche Druckverhältnisse wirken,
so dass die dadurch hervorgerufenen Kräfte auf die Kegel
jeweils entgegengesetzt und gleich groß sind und sich somit
in ihrer Wirkung aufheben.
-
Die
Schieber 50 können über spezielle Formgebung,
durch Druckkräfte des Fluids, über Fliehkräfte
oder spezielle Konstruktionselemente zum Zweck der Dichtung an die
Gehäusewandungen angelegt und bei Verschleiß auch
nachgeführt werden.
-
In
Schlitzen der Kegel 30, 40 und der Zwischenschicht 102 werden
die Schieber 50 geführt.
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Ein-
beziehungsweise Auslässe, die in 9 nicht
dargestellt sind, können dem Einsatzweck entsprechend beliebig
angeordnet werden.
-
Der
Doppelkegel kann aus einzelnen Kegeln hergestellt sein, wobei sich
zwischen diesen Kegeln eine Zwischenschicht befinden kann, die an
ihrem Rand eine konvexe Ausgestaltung aufweist, um mit der konkaven
Ausgestaltung des durch die Gehäusehälften ausgebildeten
Hohlraumes eine verbesserte Dichtwirkung herbeizuführen.
-
Die
Zwischenschicht vereinigt dabei Verbindungsfunktion, Dichtfunktion
zum Gehäuse und Schieber sowie Anpressfunktion der Kegel
an das Gehäuse und zugleich Ausgleich von Fertigungs- und
Montagefehlern aber auch als Überlastsicherung z. B. beim
Eindringen von Fremdkörpern.
-
Die
Höhe der Zwischenschicht/Kugelschicht kann zur Optimierung
der Raumausnutzung und der Flächenabdichtung für
die jeweilige Anwendung variieren.
-
Die
Zwischenschicht/Kugelschicht muss nicht notwendig vorhanden sein.
-
Die
Doppelkegel können dabei hohl ausgestaltet sein, um Reibung
mit dem Schieber bei dessen Relativbewegung im Bezug zu den Kegeln
zu minimieren, sowie aus Gewichtsgründen und zur Trägheitsmomentverminderung.
-
Durch
das Zusammenfügen des Doppelkegels aus zwei Hälften
ergibt sich gleichzeitig eine Vereinfachung der Fertigung.
-
Im
Antriebsmaschinenbetrieb muss der Einlass nicht unbedingt ein Langloch
aufweisen, das heißt, dass die erfindungsgemäße
Rotationsmaschine entweder ohne Langloch ausgestaltet ist oder eine Einrichtung
aufweist, mittels derer das Langloch verschließbar ist.
Dies lässt sich z. B. durch eine translatorische Einrichtung
bewirken, die die Ausfüllung des Langloches beziehungsweise
der Nut 61 mit einem formmäßig komplementär
ausgestalteten Bauelement realisiert. Bei Anordnung der Durchgangslöcher
im Doppelkegel oder im Schieber kann auch vorgesehen sein, dass
einer der Einlässe geschlossen beziehungsweise nicht vorhanden
ist.
-
In
besonderer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass statt eines
Schiebers mehrere, jeweils durch das Zentrum des Doppelkegels verlaufende Schieber
angeordnet sind.
-
Die
Erfindung wurde anhand des Doppelkegels erläutert, wobei
allerdings auch eine Ausgestaltung mit lediglich einem Kegel, bevorzugt
unter Hinzunahme des Langloches beziehungsweise der Nut 61,
vom Grundgedanken der Erfindung erfasst ist.
-
Die
Erfindung kann dahingehend ausgestaltet sein, dass die Rotationsmaschine
an den Flächen beziehungsweise Kanten, die mit weiteren
Flächen oder Kanten anderer Bauteile zum Zweck der Dichtung
in Eingriff gelangen oder sich diesen bis auf einen minimalen Abstand
nähern, Dichtungselemente aufweist.
-
Zwischen
den Gehäusehälften 10 und 20 können
Dichtungen mit gleichzeitiger Funktion als Dehnungsfuge zum Ausgleich
von Toleranzen bei Fertigung und Montage eingesetzt werden. Als Überlastschutz
können die Gehäusehälften dann auch mittels
Federkraft verbunden und zusammengehalten werden.
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Gehäusedeckel
- 3
- Führung
- 10
- obere
Gehäusehälfte
- 20
- untere
Gehäusehälfte
- 30
- oberer
Kegel
- 31
- obere
Dichtlinie
- 40
- unterer
Kegel
- 41
- untere
Dichtlinie
- 50
- Schieber
- 51
- erste
Schieberhälfte
- 52
- zweite
Schieberhälfte
- 60
- Einlass
- 61
- Nut/Langloch
- 70
- Auslass
- 80
- An-
bzw. Abtriebszapfen
- 90
- Durchgangsloch
- 100
- Dichtelement
- 101
- Verzahnung
- 102
- Zwischenschicht
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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