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Rotationskolbengerät zur Verwendung als Pumpe, Verdichter, Druckluft- und Verbrennungsmotor.
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Bei bekannten Pumpen, Verdichtern, Druckluft- und Verbrennungsmotoren mit rotierenden Kolben werden durch komplizierte Gehäuse- und Kolbenformen sowie Dichtungsprobleme die Herstellung und Wartung aufwendig. Beispielsweise sind bei den bekannten Roots-Gebläsen die Gehäuse und Kolben sehr speziell geformt, so dass an den Berührungslinien von Kolben und Gehäuse Dichtprobleme entstehen. Die sogenannten Drehkolbengebläse haben ebenfalls Dichtungsprobleme und überdies auch eine aufwändige Kolbensteuerung. Das neue Gerät soll die eingangs genannten, zahlreichen Verwendungen bei besserer Funktion und einfacherer Herstellung ermöglichen.
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Bei dem neuen Rotationskolbengerät (Zeichnung 1) sind nach Anspruch 1 in einem torusförmigen, konzentrischen Ringgehäuse konstanten Querschnittes mindestens zwei geführte und wandschlüssige Kolben gegeneinander und im Ringgehäuse beweglich. Die zylindrische Gehäusewand G umschließt die Kolben K1 und K2. Öffnungen Ö in der Gehäusewand dienen dem Austausch von Betriebsmedien (Anspruch 2). Solche Öffnungen werden bedarfsweise auch in den Deckeln und Seitenwänden angebracht. Die Kolbenformen sind dabei in einer bevorzugten Ausführungsform so gestaltet, dass sie verschränkt ineinander gesteckt werden (Anspruch 5). Zeichnung 2 zeigt einen solchen Kolben Ko, wobei sein Achsstummel A2 durch den seitlichen Gehäusedeckel De ragt. In dem Gehäusedeckel sind Rillen Ri für die Aufnahme von Dichtungen angebracht.
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Zeichnung 3 zeigt in einer Art Explosionszeichnung einen Einblick in ein aufgeschnittenes Gehäuse mit den zwei Kolben, die von zwei aneinander stoßenden Achsteilen gehalten werden. Die Bauteile sind einzeln durch Beschriftung kenntlich gemacht. Zeichnung 3 zeigt, dass die Kolben verschränkt zusammengesteckt werden und eigene Achsen A1 und A2 haben, die bei dieser Ausführung durch die Deckel De des Gehäuses G gesteckt werden (Ansprüche 4 und 5). Die Pfeile Pf erläutern das erforderliche Zusammenschieben der Bauteile für ein geschlossenes Gerät. Die zylindrische, innere Achse Ze des einen Kolben dient jeweils dem anderen Kolben als Dichtfläche. K1 und K2 bezeichnen die Kolbenpaare, die auf getrennten Achsabschnitten der geteilten Achsen befestigt sind. Eine Dichtung Di verhindert ein Ausströmen von Medium durch die Spalte der Achsbohrung.
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Als Kolbenformen sind vorwiegend keilförmige Sektionen mit rechteckigen oder runden Querschnitten im Einsatz, weil diese in der Herstellung und Wirkung Vorteile aufweisen (siehe Zeichnungen 1, 2, 3, 4, 10 und 11). Durch die großen Berührungsflächen mit den Wänden und Achsen erfolgt eine gute Abdichtung der Kammern gegeneinander und nach außen. Die Kolbenaußenflächen werden zur Verbesserung der Abdichtung mit Rillen, Eindellungen und eingelegten Dichtleisten versehen (Anspruch 7).
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Die Querschnittsform des ringförmigen Gehäuses ist frei wählbar, jedoch sind aus Fertigungsgründen rechteckige (Zeichnung 1) oder kreisrunde Formen (Zeichnung 4) bevorzugt. Auch die Zahl der Kolben ist nicht festgelegt. Aus Gründen der Optimierung des Aufwandes werden jedoch in den meisten Anwendungen zwei Doppelkolben eingesetzt (Zeichnungen 1, 10 und 11).
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Die bereits erwähnten runden Kolbenquerschnitte sind zusammen mit dem entsprechenden Gehäusequerschnitt in Zeichnung 4 dargestellt. Die in Umfangsrichtung vorzugsweise keilförmige Kolbenaußenfläche K ist hier in Aufsicht im torusförmigen Gehäus G gezeigt, welches durch einen Flansch Fl zusammengehalten wird. Die Achhälfte A, an welcher der Kolben K befestigt ist, ist durch das Achslager AL1 in das Gehäuse G eingeführt. Eine zweite Kolbenachse wird durch das Achslager AL2 eingeführt.
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Die Kolben schließen jeweils zwischen sich, vorwiegend durch Führungselemente und Druckkräfte angetrieben, veränderte Volumina ein. Ein äußeres Getriebe erzeugt zusammen mit einem Motor-Generator über Achsen und Führungselemente die Pendeldrehung der Kolben (Zeichnungen 5 bis 8). In Zeichnung 5 sind verschiedene Ausführungsformen der Art der äußeren Getriebe gezeigt. Wesentlich ist, dass durch nicht runde Zahnräder Z1 und Z2 und Zahnriemen Za auf eine äußere mit dem Gehäuse verbundene Koppel-Achse Ag die Drehung der inneren Achsen A übertragen wird. Auch eine Führung der Kolbenachsen über einen exzentrischen Führungsring Fü wird angewendet. Dabei sind Schiebehülsen Hü auf Achshebeln im Einsatz. Dadurch werden die Kolben Ko zwangsweise in eine pendelnde Drehbewegung versetzt (siehe Zeichnungen 10 und 11).
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Zeichnung 6 zeigt Ausführungsformen, bei denen die Koppelachse Ag über Ketten Ke und Zahnriemen Za angetrieben wird. Die aus dem Gehäusedeckel austretenden Achsstummel A1 und A2 sind so verbunden. Die Kettenräder Kr1 und Kr2 und die Zahnscheiben Zr1 und Zr2 garantieren eine schlupffreie Kopplung. Mit eine Kettenspanner Sp wird die Spannung der Ketten aber auch eine Winkelverstellung möglich.
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Besonders deutlich ist diese Kopplung der Kolbendrehung in den Zeichnungen 7 und 8 dargestellt. Zeichnung 7 zeigt im oberen Teil eine Ausführungsform bei der die beiden aus dem Gehäuse G herausstehenden Achsstummel mit zwei Motor-Generatoren Mo1 und Mo2 gekoppelt sind, welche, elektronisch gesteuert, für die Pendeldrehung der Kolben sorgen. Die Öffnungen Ö dienen der Zu- und Abfuhr des Betriebsmediums (Siehe auch Zeichnungen 10 und 11). Im unteren Teil von Zeichnung 7 ist ein Zahnriemenantrieb der Geräteachsen über zwei zahnriemen Za1 und Za2 gezeigt. Über die in unterschiedlichen Winkelstellungen gezeigten ovalen Zahnriemenscheiben Zr 1–4 wird durch die gleichförmige Drehung des Motor-Generators Mo eine Pendeldrehung der Kolbenachsen in Gehäuse G erzwungen. Die Winkelvariarionen werden durch die Exzentrizität der Zahnriemenscheiben und Kettenräder eingestellt- In Zeichnung 8 ist eine Antriebsvariante gezeigt, bei der die beiden Kolbenachsen auf einer Seite aus dem Deckel des Gehäuses G geführt sind, indem für den hinteren Kolben Ko2 eine Hohlachse verwendet wird. Dadurch kann das Gerät im Ganzen kompakter und wirtschaftlicher gebaut werden. Der Zahnriemenantrieb Ra läuft über die ovalen Riemenscheiben auf der Achse des Motor-Generators Mo und den Achsen des Gehäuses G (Ansprüche 5 und 6).
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In dem Gehäuse sind Öffnungen Ö zum Ein- und Austreten von Medium vorhanden. Diese Öffnungen sind so angeordnet, dass sie vorzugsweise von den Kolben abgedeckt und verschlossen werden, wenn keine Zu- oder Ausströmung erfolgen soll. Dadurch benötigt das Rotationskolbengerät in der Regel keine Ventile, wenn die Kolben durch Form und Bewegungsablauf die Öffnungen passend öffnen und verschließen (Anspruch 2).
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Das Gerät hat in einer Ausführung mit zwei Doppelkolben K1 und K2 (siehe Zeichnung 10) vier variable, rotierende, veränderliche Volumina, die zum Pumpen und Verdichten dienen können. Dazu werden im Gehäuse je zwei Ein- und Auslassöffnungen angebracht (in Zeichnung 10 bezeichnet mit E und A). So entstehen zwei parallele Volumenvariationen. Diese können als Pumpe parallel geschaltet oder als Verdichter auch hintereinander geschaltet werden. Im unteren Teil von Zeichnung 10 ist eine Leitung L gezeigt, welche die Auslässe zwei Verdichterkammern über einen Zwischenkühler ZK verbindet. Damit entsteht ein zweistufiger Kompressor in einem Gehäuse.
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Bei Zuführung von Druckgas kann das Gerät auch als Motor fungieren (Anspruch 10). Wird in dem Gerät nach Zeichnung 10 unten bei E Druckgas oder Dampf eingeleitet, so wird das Gerät mit Hilfe der Umwegleitung L als Motor-Generator mit zweistufiger Expansion einsetzbar. Das Gerät nach Zeichnung 10 oben kann natürlich auch als parallele Doppel-Expansions-Maschine betrieben werden. Außerdem ist ein Gerät nach Zeichnung 11 bei entsprechender Gestaltung der Ein- und Auslassöffnungen als Flüssigkeitsturbine laufen.
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Bei inneren Verbrennungsvorgängen können alle vier Takte eines üblichen Verbrennungsmotors bei einer kompletten Umdrehung des Kolbensystems nach Zeichnung 12 absolviert werden (Anspruch 10). Dabei sind die Ein- und Auslassöffnungen dicht nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Eine Zündhilfe ist an der geeigneten Stelle X gegenüber angebracht. Der Expansionstakt und der Ausstoßtakt verlaufen auf einer Seite bis zum Auslass A. Auf der anderen Halbseite erfolgt von E bis X das Ansaugen und die Verdichtung. Durch Aushöhlen der Kolbenflächen werden auch besondere Brennraumformen geschaffen. Da die Kolben durch die Führungselemente ohne Wandberührung laufen und mit Labyrinthdichtungen gearbeitet wird, wird vorzugsweise auf Ölschmierung und Abdichtung verzichtet (Anspruch 7).
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Um die Pendeldrehung der Kolben zur Variation der Zwischenräume zu erzeugen sind außerhalb des Gehäuses besondere Getriebe, Motoren und Antriebe vorgesehen (Ansprüche 5 und 6). Die Zeichnungen 5 bis 9 zeigen verschieden Möglichkeiten. Diese Getriebe sind zwischen gleichförmig drehenden Motor-Generatoren und Kolbenachsen eingeschaltet. Alle Ausführungsformen der mechanischen Getriebe machen Gebrauch von gegeneinander verschränkten, eine ungleichförmige Drehung erzeugenden Übertragungsmechanismen. Ein Spanner für eine von zwei Antriebsketten, gezeigt im unteren Teil von Zeichnung 6, ermöglicht neben der Kettenspannung auch die Verstellung der Phasenlage der Kolben zueinander. Auch eine Verdrehung der Getrieberäder wird zur Veränderung der Phasenlage eingesetzt. Dies kann für bestimmte Anwendungen, wie etwa in Verbrennungsmotoren wichtig sein. Zeichnung 7 zeigt in zwei Beispielen das Zusammenwirken von Antrieb und Gerät. Oben ist ein Gerät mit zwei Motoren gezeigt, welche durch geeignete Steuerung selbst für die Pendelbewegung sorgen. Im unteren Teil der Zeichnung 7 ist ein doppelseitiger Antrieb mit zwei die Pendelbewegung erzeugenden Riemenantrieben dargestellt. Der gezeigte Motor führt hier eine gleichförmige Drehung aus.
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In den Zeichnungen 7 und 9 sind Ausführung gezeigt, bei der die Kolben keine mechanische Verbindung miteinander haben, sondern von Aktuatoren, wie etwa Schrittmotoren, geführt werden. Die Regelung der Kolbenbewegung erfolgt dabei durch eine elektronische Steuerung.
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Zur Kühlung des Gerätes werden bei Bedarf die Außenseiten des Gehäuses mit Kühlrippen oder Hohlräumen zur Flüssigkeitskühlung ausgeführt. Durch stärker ausgeführte Hohlachsen werden auch die Kolben bei Bedarf gekühlt.
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Durch die großen Kontaktflächen der Kolben mit den begrenzenden Wänden sind keine Dichtungsprobleme vorhanden. Dennoch werden in speziellen Ausführungen bei den Kolben quer zur Leckströmung dünne Spalte als sogenannte Labyrinth-Dichtung angebracht. In solche Spalten werden bei extremen Anforderungen, ähnlich wie Kolbenringe, auch Dichtleisten eingelegt.
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Die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten und Bauformen lassen das Gerät bei zahlreichen Anwendungen interessant erscheinen. Diese sind in Kompressoren und Vakuumpumpen, in Druck- und Saugpumpen. Turbinen und nicht zuletzt in Verbrennungsmotoren zu sehen. Ein besonderer Vorteil des Rotationskolbengerätes ist die verhältnismäßig große Masse der Kolben, wodurch eine gleichmäßige Drehung entsteht, und Schwungmassen vermieden werden. Auch der reibungsarme Betrieb durch die zwangsweise Kolbenführung und die Verstellmöglichkeiten der Kolbenbewegung während des laufenden Betriebes sind große Vorteile gegenüber bekannten Geräten.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Achse
- A1, A2
- Achsen
- Ag
- Getriebe-Achse
- AL1, AL2
- Achslager
- An
- Anker
- AÖ
- Auslassöffnung
- De
- Deckel
- Di
- Dichtung
- E
- Einlassöffnung
- Fe
- Feld
- Fl
- Flansch
- Fü
- Fuhrungsrille
- G
- Gehäuse
- Hü
- Hülse
- K1 bis K4
- Kolben
- Ke
- Kette
- Ko (1, 2)
- Kolben
- Kr1, Kr2
- Kettenräder
- L
- Leitung
- Mo (1, 2)
- Motor-Generator
- Ö
- Gehäuse – Öffnung
- Pf
- Pfeil
- Ra
- Riemenantrieb
- Ri
- Führungsrille
- Sp
- Spanner
- X
- Zündhilfe
- Za (1, 2)
- Zahnriemen
- ZK
- Zwischenkühler
- Zr1, Zr2
- Zahnriemenscheiben
