DE102018125624A1

DE102018125624A1 - Rotationskolbenmaschine und Verfahren zur Herstellung einer Abdichtung in einer Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: DE102018125624A1
Application number: DE102018125624.8A
Authority: DE
Inventors: Merlin Bungart; Jakob Bombardi
Original assignee: Freefreeze GmbH
Current assignee: Freefreeze GmbH
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-04-16
Also published as: US20220003117A1; EP3867495A1; WO2020078934A1

Abstract

Beschrieben wird eine Rotationskolbenmaschine (1) und ein Verfahren zur Herstellung einer Abdichtung (6) in einer Rotationskolbenmaschine (1). Die Rotationskolbenmaschine (1) verfügt über wenigstens zwei jeweils über einen Steg verbundene Kolbenpaare (2), deren Kolben (3) an entgegengesetzten Enden der Stege (4) angeordnet sind und im Betrieb auf einer zumindest annähernd kreisförmigen Bahn derart in einem Kolbengehäuse (5) umlaufen, dass zwischen den Kolben (3) unterschiedlicher Kolbenpaare (2) während des Umlaufs variierende Arbeitsvolumina (7) eingeschlossen sind und über eine zwischen dem Kolbengehäuse (5) und den Kolben (3) vorgesehenen Abdichtung (6), die eine Fluidströmung zwischen den eingeschlossenen Arbeitsvolumina zumindest erschwert.Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Abdichtung (6) durch einen Spalt (8) zwischen den Kolben (3) und dem Kolbengehäuse (5) gebildet wird und den Spalt (8) zumindest zeitweise begrenzende Oberflächen (9, 10) der Kolben (3) und des Kolbengehäuses (5) unregelmäßig strukturiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschinen mit einer speziellen Abdichtung zwischen den bewegten Kolben und dem Kolbengehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Abdichtung in einer Rotationskolbenmaschine.
Bei Rotationskolbenmaschinen handelt es sich um Kraft- oder Arbeitsmaschinen, bei denen die Teile, die mechanische Arbeit verrichten, Drehbewegungen ausführen. Je nach Bauart einer Rotationskolbenmaschine sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, Energie in Drehbewegung umzuwandeln. Sofern die Energie in Form von hydraulischem oder pneumatischem Druck zur Verfügung steht, ist es möglich, sogenannte Lamellenmotoren einzusetzen. Steht Energie dagegen in chemisch gebundener Form zur Verfügung, insbesondere in Form von gasförmigem oder flüssigem Treibstoff, kann eine Rotationskolbenmaschine als Wärmekraftmaschine ausgeführt werden.
Der wesentliche Unterschied zu Hubkolbenmotoren besteht darin, dass die bewegten Teile, die mechanische Arbeit verrichten, bei einer Rotationskolbenmaschine eine periodische Drehbewegung ausführen. Die Energieumwandlung erfolgt hierbei in unterschiedlichen Taktfolgen, zu denen beispielsweise das Befüllen und Ausblasen während der Drehbewegung der Kolben im Kolbenraum gehören. Generell kommen Rotationskolbenmaschinen in Pumpen, Verdichtern sowie Druckluft- und Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Der Vorteil von Rotationskolbenmaschine besteht darin, dass weniger bewegte Teile als bei Hubkolbenmaschinen vorhanden sind, sodass Rotationskolbenmaschinen über eine vergleichsweise einfache und robuste Bauweise verfügen. Im Übrigen fehlt die bei Hubkolbenmaschinen erforderliche Kraftübertragung über Kurbelwellen.
Eine gattungsgemäße Rotationskolbenmaschine ist aus der EP 3 022 444 B1 bekannt. Die beschriebene Rotationskolbenmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das Verdichtungsverhältnis aufgrund einer besonderen Ansteuerung bedarfsgerecht variiert werden kann. Hierfür sind Getrieberäder oder geeignete Aktuatoren vorgesehen, durch deren Verstellung die Kolbenbewegung während des Betriebs gezielt verändert werden kann.
Ferner ist aus der DE 36 24 842 A1 ist eine Rotationskolbenmaschine bekannt, die ein Gehäuse mit einer im Gehäuse gelagerten Welle aufweist. In einem Ringraum sind Rotationskörper angeordnet, die an den Wänden des Ringraums dichtend anliegen. Jeder Rotationskörper weist vier sich nach außen erstreckende sektorförmige Flügel auf. Die beiden Rotationskörper sind koaxial angeordnet, wobei ihre Flügel ineinandergreifen, sodass jeweils ein Flügel des einen Rotationskörpers zwischen zwei Flügeln des anderen Rotationskörpers angeordnet ist. Auf der Grundlage einer Kurvenbahnsteuerung soll erreicht werden, dass bei Rotation der Antriebswelle beide Rotationskörper Drehungen mit zyklischen Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit und der Abstände zwischen den Flügeln ausführen.
Des Weiteren ist aus der US 6,422,841 B2 eine Rotationskolbenmaschine bekannt, bei der zwei Kolbenpaare versetzt zueinander angeordnet sind, die eine Drehbewegung ausführen. Die Kolben der Kolbenpaare werden mit Hilfe von an eine Antriebswelle gekoppelten Zahnrädern auf einer Kreisbahn im Kolbengehäuse bewegt. Während der Bewegung der Kolben schließen jeweils Kolben verschiedener Kolbenpaare ein sich zyklisch veränderndes Arbeitsvolumen ein.
Ein Nachteil von Rotationskolbenmaschinen gegenüber Hubkolbenmaschinen ist oftmals die Abdichtung der sich drehenden Kolben gegenüber dem Gehäuse. Im Unterschied zu Hubkolbenmaschinen muss eine Abdichtung in unterschiedlichen Ebenen erfolgen. Weiterhin stellt es ein Problem dar, dass es bei Einsatz von Dichtelementen entweder zu nicht unerheblichen Verschleißerscheinungen kommt oder verhältnismäßig starke Reibungsverluste zu einer Leistungsabnahme der Rotationskolbenmaschine führen. Generell führt eine nicht zufriedenstellende Abdichtung in diesem Bereich zu Leckströmen zwischen den benachbarten Arbeitsräumen und dadurch zu Wirkungsgradverlusten der gesamten Maschine.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Rotationskolbenmaschinen sowie den zuvor beschriebenen Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine derartige Maschine anzugeben, die in verschiedenen Leistungsbereichen mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Insbesondere sollen Spaltverluste im Inneren der Rotationskolbenmaschine, die auf Leckströme zwischen benachbarten Arbeitsräumen zurückzuführen sind, minimiert werden. Gleichfalls soll sichergestellt werden, dass die Minimierung von Leckströmen mit technisch einfachen Mitteln realisierbar ist. Mit Hilfe der anzugebenden Rotationskolbenmaschine sollte insbesondere sichergestellt werden, dass beim Betrieb der Maschine in einer für den Betrieb vorgesehenen Betriebsnenndrehzahl auftretende Leckströme besonders gering sind bzw. in diesem Arbeitsbereich der Rotationskolbenmaschine ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Die anzugebenden Rotationskolbenmaschine sollte ferner über eine besondere Betriebssicherheit, Laufruhe und Standfestigkeit der verwendeten Anlagenkomponenten verfügen. Im Weiteren sollte ein Verfahren angegeben werden, mit dem auf vergleichsweise einfache Weise eine Abdichtung zwischen Kolben und Kolbengehäuse realisierbar ist, die einerseits das Auftreten von Leckströmen zwischen Arbeitsräumen zumindest erheblich behindert und andererseits ohne großen konstruktiven Aufwand herstellbar ist. Insbesondere sollten die Fertigungstoleranzen für die Herstellung der übrigen Elemente einer Rotationskolbenmaschine aufgrund des Einsatzes einer derartigen Abdichtung nicht geringer werden.
Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mithilfe einer Rotationskolbenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren, mit dem eine Rotationskolbenmaschine mit einer geeigneten Abdichtung zur Minimierung von inneren Leckströmen hergestellt wird, ist im Anspruch 16 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist eine Rotationskolbenmaschine mit wenigstens zwei jeweils über einen Steg verbundene Kolbenpaare, deren Kolben an entgegengesetzten Enden der Stege angeordnet sind und im Betrieb auf einer zumindest annähernd kreisförmigen Bahn derart in einem Kolbgehäuse umlaufen, dass zwischen den Kolben unterschiedlicher Kolbenpaare während des Umlauf variierende Volumina eingeschlossen sind und mit einer zwischen dem Kolbengehäuse und den Kolben vorgesehenen Abdichtung, die eine Fluidströmung zwischen den eingeschlossenen Volumina zumindest erschwert, derart weitergebildet worden, dass die Abdichtung durch einen Spalt zwischen den Kolben und dem Kolbengehäuse gebildet wird und dass den Spalt zumindest zeitweise begrenzende Oberflächen der Kolben und des Kolbengehäuses unregelmäßig strukturiert sind. Der wesentliche Gedanke der Erfindung beruht hierbei darauf, eine vergleichsweise einfache, im Dauerbetrieb vergleichsweise verschleißarme und trotzdem effektive Abdichtung zwischen den rotierenden Kolben und dem Kolbengehäuse zu realisieren. Auf üblicherweise vorgesehene Dichtelemente, die einem Verschleiß unterliegen, regelmäßig gewechselt werden müssen und zu zusätzlichen Reibungsverlusten führen, wird erfindungsgemäß verzichtet.
Vielmehr wird der Spalt zwischen den bewegten Oberflächen der umlaufenden Kolben und dem Kolbengehäuse derart ausgeführt, dass Leckströme zwischen benachbarten Arbeitsräumen, die von den umlaufenden Kolben unterschiedlicher Kolbenpaare eingeschlossen werden, minimiert werden. Im Bereich der Spalte, die gemeinsam mit den umlaufenden Kolben im Kolbenraum bewegt werden, sind hierbei keine regelmäßigen Strukturen oder Dichtelemente vorgesehen, sondern die Oberflächen der Kolben und/oder des Kolbengehäuses verfügen über eine unregelmäßige Oberflächenstruktur.
Gleichzeitig sind die Spalte derart dimensioniert, dass sich unmittelbar vor Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine den Spalt begrenzende Oberflächen der Kolben sowie des Kolbengehäuses zumindest bereichsweise berühren. Auf vorteilhafte Weise ist diese Oberflächenstruktur unmittelbar bei Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine im Wege eines Einlauf- bzw. Einschleifvorgangs erzeugt worden, wobei die Oberflächen der Kolben zumindest teilweise derart mit der Gehäuseoberfläche in Berührung gekommen sind, dass sich eine geeignete strukturierte Oberfläche, die den Spalt begrenzt, ausgebildet hat. Ein erfindungsgemäß ausgeführte Rotationskolbenmaschine verfügt somit über eine besonders effektive und gleichfalls einfach herstellbare Abdichtung im Bereich des Spalts zwischen den umlaufenden Kolben und dem Kolbengehäuse.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Spalthöhe derart gewählt ist, dass der mittlere senkrechte Abstand zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Kolben und des Kolbengehäuses in einem Bereich von 0,02 mm, in einem optimalen Arbeitsbereich, insbesondere im optimalen Arbeitspunkt, bis 0,15 mm, in einem Betrieb außerhalb des optimalen Arbeitsbereiches, insbesondere unterhalb eines optimalen Arbeitspunktes, liegt. Besonders bevorzugt beträgt die Spalthöhe, also der senkrechte Abstand zwischen der Oberfläche der Kolben sowie der Oberfläche des Kolbengehäuses 0,05 bis 0,08 mm. In einer speziellen Ausführungsform ist die Rotationskolbenmaschine derart ausgeführt, dass die Spalthöhe vor Beginn des Einschleifvorgangs in einem Bereich von 0,01 bis 0,03 mm liegt und die Spalthöhe durch den Einschleifvorgang unmittelbar nach Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine die zuvor genannten Werte annimmt.
Im Übrigen sind gemäß einer speziellen Ausführungsform Mittel vorgesehen, um den Spaltabstand zwischen den Kolben und dem Kolbengehäuse während des Betriebs der Rotationskolbenmaschine zumindest in axialer Richtung, also senkrecht zu einer Ebene, in der sich die Kolben bewegen, bedarfsgerecht anzupassen. Mit einer derartigen Relativbewegung zwischen Kolben und Kolbengehäuse in axialer Richtung lässt sich der Einschleifvorgang steuern oder sofern eine geeignete Sensorik vorgesehen ist sogar regeln.
Gemäß einer speziellen Weiterbildung weisen die Kolben und das Kolbengehäuse zumindest im Bereich der den Spalt begrenzenden Oberfläche unterschiedliche Werkstoffe auf. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass im Bereich der den Spalt begrenzenden Oberfläche die Kolben einen abriebfesteren, insbesondere einen härteren Werkstoff als das Kolbengehäuse aufweisen.
Um eine erhöhte Abriebfestigkeit der Oberfläche der Kolben sicherzustellen ist es ferner denkbar, dass die Oberflächen der Kolben im Bereich des Spaltes, den sie zumindest einseitig begrenzen, über eine geeignete Beschichtung verfügen. Ebenso ist es denkbar, dass die Kolben in diesem Bereich eine geeignete Oxidschicht aufweisen, die sich durch eine besondere Abriebfestigkeit auszeichnet. Beispielsweise könnte ein aus einem Aluminiummaterial gefertigter Kolben elektrolytisch oxidiert bzw. mit dem Eloxal-Verfahren an der Oberfläche behandelt worden sein, sodass die oberste Schicht der Kolben über eine erhöhte Abriebfestigkeit verfügt. In diesem Fall wird auf Aluminium eine Oxidschicht-Schutzschicht durch anodische Oxidation erzeugt. Die Schutzschicht entsteht durch Umwandlung der obersten Metallschicht in eine Oxid- bzw. Hydroxidschicht, wobei eine 5 - 25 µm dünne Schicht, die sich durch eine besonders hohe Abriebfestigkeit auszeichnet gebildet wird.
In einer besonderen Ausführungsform wird für das Kolbengehäuse im Bereich einer Oberfläche, die den Spalt begrenzt, ein vergleichsweise weiches Material, wie etwa Messing, Bronze, Kunststoff oder Gusseisen verwendet. Sofern für das Kolbengehäuse im Bereich einer Oberfläche, die den Spalt zumindest einseitig begrenzt, Bronze verwendet wird, so wird hierunter eine Legierung verstanden, die einen Anteil von mindestens 60 Gew.-% Kupfer aufweist. Grundsätzlich denkbar ist in diesem Zusammenhang die Verwendung einer Aluminiumbronze, einer Bleibronze, einer Manganbronze oder einer Phosphorbronze.
Sofern für das Kolbengehäuse an seiner Oberfläche in diesem Bereich Messing verwendet wird, so handelt es sich um eine Kupferlegierung, die einen Zinkanteil von maximal 40 Gew.-% aufweist. Wird ein Gusseisen an der Oberfläche des Kolbengehäuses verwendet, so handelt es sich um einen Eisenwerkstoff mit einem besonders hohen Kohlenstoffgehalt, nämlich mit einem Anteil, der mehr als zwei Gew.-% beträgt, und sich hierin von den üblichen Stahlwerkstoffen unterscheidet.
Gemäß einer ganz speziellen Weiterbildung wird für das Kolbengehäuse zumindest im Bereich seiner den Spalt begrenzenden Oberfläche ein Rotguss verwendet. Hierbei handelt es sich um eine Legierung auf Kupferbasis, die Kupfer, Zinn, Zink und Blei aufweist. Gemäß der DIN EN1982 sind geeignete Kupfer-Zinn-Zink-Blei-Legierungen mit dem Kurzzeichen CC 490K bis CC 493K gekennzeichnet. Die Werkstoffe verfügen bevorzugt neben einem Anteil von Kupfer von 81 - 90 Gew.-%, über 1,5 - 11 Gew.-%, Zinn, 1 - 9 Gew.-% Zink sowie 1-8 Gew.-% Blei.
Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die den Spalt begrenzenden Oberflächen durch einen Einschleifvorgang strukturiert worden sind, bei dem die gegenüberliegenden Oberflächen der Kolben sowie das Kolbengehäuses wenigstens zeitweise während einer Kreisbewegung der Kolben in Einbaulage im Kolbengehäuse in Kontakt gebracht werden. Auf bevorzugte Weise ist hierbei die Strukturierung der Oberfläche im Bereich des Spaltes bei Betriebsnenndrehzahl unmittelbar bei Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine erzeugt worden. Aufgrund der entsprechend hergestellten Strukturierung an der Oberfläche auf den die Spalte begrenzenden Oberflächen wird eine besonders geeignete Abdichtung realisiert, die besonders für ein Betrieb der Rotationskolbenmaschine bei Betriebsnenndrehzahl geeignet ist. Die Spalte zeichnen sich somit durch ein vergleichsweise geringes Spaltmaß sowie enge Toleranzen aus. Während des Einschleifvorgangs werden im Bereich der Spalte auf den zumindest zeitweise gegenüberliegenden Oberflächen der Kolben und des Kolbengehäuses Oberflächenstrukturen geschaffen, die während der Drehbewegung der Kolben zumindest zeitweise auf einander liegen und so der Spalt im Betrieb der Rotationskolbenmaschine eine minimale Höhe aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Verhältnis einer durchschnittlichen Höhe eines Kolbens in radialer Richtung zu einer Breite des Kolbens in axialer Richtung 2:1. Gemäß einer ganz besonderen Ausführungsform ergibt sich bei einer mittleren Höhe der Kolben in radialer Richtung von 80 mm und einem Außendurchmesser des Kolbenpaares von 200 mm bei einer Drehzahl von 600 U/min eine maximale Spalthöhe für die Spalte zwischen dem Kolben und dem Kolbengehäuse von 0,12 mm.
Bevorzugt werden die Kolbenpaare über ein innenliegendes Planetengetriebe angetrieben. Das Planetengetriebe, das wiederum mit der Antriebswelle in Wirkverbindung steht, befindet sich hierbei in einem Gehäuse, das zumindest teilweise von den Kolben umlaufen wird. Vorteilhaft ist es, wenn die Kolben zumindest mittelbar über eine Pleuelverbindung mit wenigstens einem Umlaufrad des im Inneren der Kolben bzw. zwischen den Kolben eines Kolbenpaares angeordneten Planetengetriebes verbunden sind. Auf diese Weise wird ein besonders platzsparender Antrieb der Kolbenpaare realisiert. Vorzugsweise ist das Getriebe derart im Inneren des Kolbengehäuses angeordnet, dass das Gehäuse des Getriebes teilweise aus dem Kolbengehäuse herausragt und so, die Möglichkeit besteht, das Getriebe vergleichsweise einfach von außen mit einem Kühlmedium, insbesondere mit Kühlluft zu kühlen.
Im Übrigen ist gemäß einer speziellen Weiterbildung vorgesehen, dass die Kolben im Inneren wenigstens einen Hohlraum aufweisen. Ein derartiger Hohlraum hat den Vorteil, dass relativ geringe Massen bewegt werden müssen. Weiterhin ist durch die hohlen Kolben eine einfachere Kühlung der Kolben sowie ein Druckspeicher, z.B. für Zapfluft-unterstütze Dichtungskonzepte realisierbar.
Im Weiteren ist es von Vorteil, wenn die den Kolben in radialer Richtung begrenzende Mantelfläche nicht kontinuierlich gekrümmt ist, sondern wenigstens zwei Flächen aufweist, die einen Winkel einschließen. Vorzugsweise weist die Mantelfläche wenigstens eines Kolbens zwei geneigte Flächen auf, die von in axialer Richtung gegenüberliegend angeordneten Kanten der Kolben zu einer in Bewegungsrichtung der Kolben verlaufenden Mittellinie der Mantelfläche ansteigen. Bevorzugt verfügen beide Kolben eines Kolbenpaares über eine derart ausgeführte Mantelfläche an ihrem äußeren Umfang, sodass eine Strecke, die durch den Rotationsmittelpunkt des Kolbenpaares und zwischen den Mittelpunkten der auf den Mantelflächen in Bewegungsrichtung verlaufende Mittellinien angeordnet ist, einen maximalen Durchmesser eines Kolbenpaares aufweist. Gemäß einer speziellen Weiterbildung ist die Kolbengehäuseoberfläche in einem Bereich, der den Mantelflächen während der Kolbenbewegung gegenüberliegt, ebenso ausgeführt, verfügt somit über ebenfalls geneigte Flächen, sodass eine Spalthöhe zwischen den Mantelflächen der umlaufenden Kolben und der Kolbengehäuseoberfläche zumindest annähernd konstant ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotationkolbenmaschine besteht im Bereich von benachbarten Dichtflächen der Getriebegehäuse und/oder des Kolbengehäuses und eines Getriebegehäuses ein gewisses Spiel. Vorzugsweise werden daher in diesen Bereichen, also zwischen unterschiedlichen Getriebegehäusen und/oder zwischen Getriebegehäuse und Kolbengehäuse Dichtungen verwendet, die ein gewisses Spiel tolerieren, insbesondere ein Spiel von etwa 0,1 mm. Bevorzugt werden hier Labyrinthdichtungen mit kämmenden Labyrinthgängen verwendet.
Im Übrigen betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer wenigstens teilweisen Abdichtung eines Spalts zwischen einem Kolbengehäuse einer Rotationskolbenmaschine und wenigstens einem Kolben der im Betrieb auf einer zumindest annähernd kreisförmigen Bahn im Kolbengehäuse umläuft, bei dem Komponenten der Rotationsmaschine hergestellt und derart montiert werden, dass sich Oberflächen des Kolben und des Kolbengehäuses während des Umlaufs des Kolbens im Kolbengehäuse wenigstens abschnittsweise berühren und bei dem den Spalt begrenzende Oberflächen während eines an eine Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine anschließenden Einschleifvorgangs zumindest bereichsweise strukturiert werden. Gemäß dem erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahren zur Herstellung der Abdichtung zwischen Kolben und Kolbengehäuse ist somit vorgesehen, dass sich die gegenüberliegenden Oberflächen nach ihrer Montage zumindest teilweise berühren und es bei der Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine zu einem Einschleifvorgang zwischen den Kolben und dem Kolbengehäuse kommt.
Sofern auf vorteilhafte Weise die Oberflächen der Kolben über ein abriebfesteres, insbesondere ein härteres Material im Vergleich zu den Oberflächen des Kolbengehäuses verfügen, schleift sich die Oberfläche des Kolbengehäuses zumindest stärker als die Oberfläche der Kolben ab. Auf bevorzugte Weise wird somit eine geeignete Strukturierung der den Spalt begrenzenden Oberflächen erzeugt.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einschleifvorgang zumindest zeitweise bei einer Nennbetriebsdrehzahl der Rotationskolbenmaschine durchgeführt wird. Üblicherweise wird die Rotationskolbenmaschine im Bereich dieser Nennbetriebsdrehzahl betrieben, sodass auf diese Weise eine Abdichtung erzeugt wird, die gerade in diesem Betriebspunkt das Auftreten von Leckströmen zumindest minimiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind darüber hinaus Mittel vorgesehen, die während des Einschleifvorgangs zumindest zeitweise eine Relativbewegung in axialer Richtung zwischen den Kolben und dem Kolbengehäuse erzeugen. In diesem Fall wird der Einschleifvorgang durch die vorgenannten Mittel unterstützt und so auf besondere Weise eine geeignete Strukturierung an der Oberfläche realisiert.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: Ansicht auf ein Kolbengehäuse einer Rotationskolbenmaschinen mit darin drehbar gelagerten Kolben;
2: Perspektivische Ansicht eines Kolbenpaares;
3 Drauf- und Schnittansicht eines Kolbenpaares sowie
4: Schnittansicht einer Rotationskolbenmaschine mit erfindungsgemäß ausgeführter Abdichtung zwischen den drehbar gelagerten Kolben und dem Kolbengehäuse.

1 zeigt ein Kolbengehäuse 5 einer Rotationskolbenmaschine 5 mit darin drehbar gelagerten Kolben 3. Es sind zwei Kolbenpaare 2 vorgesehen, wobei die Kolben 3 jeweils an den Enden von Stegen 4 der Kolbenpaare 2 angeordnet sind. Während des Betriebs der Rotationskolbenmaschine 1 laufen die Kolben 3 derart auf einer Kreisbahn um, dass zwischen den Kolben 3 der unterschiedlichen Kolbenpaare 2 jeweils ein unterschiedliches Volumen 7, ein sogenanntes Arbeitsvolumen, eingeschlossen ist. Auf diese Weise werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vier gleichwertige Arbeitsvolumina realisiert. Beim Betrieb der Rotationskolbenmaschine 1 wechseln sich somit die einzelnen Arbeitspunkte zyklisch ab.
Der Antrieb der Kolben 3 erfolgt hierbei über eine Antriebswelle 15, die über ein Planetengetriebe 11 mit den Kolben 3 bzw. den Kolbenpaaren 2 verbunden ist. Über entsprechende Ein- 16 und Auslässe 17 strömt ein Arbeitsmedium, bevorzugt Luft, in die Arbeitsräume und wird abwechselnd verdichtet und entspannt, wobei sich die Arbeitsvolumina 7 entsprechend verändern. Aufgrund einer zwischenzeitlich durchgeführten Wärmeabführung kann die dargestellte Rotationskolbenmaschinen 1 gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform als Kältemaschine zur Bereitstellung von Kühlluft verwendet werden. Auf vorteilhafte Weise wird in diesem Fall Luft als Arbeits- bzw. Kältemedium verwendet.
Um Leckströme zwischen den benachbarten Arbeitsvolumina 7 zumindest weitgehend zu minimieren, ist zwischen den Oberflächen 9, 10 der Kolben 3 und des Kolbengehäuses 5 eine Abdichtung 6 vorgesehen. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Abdichtung durch einen Spalt 8 realisiert, wobei die den Spalt 8 begrenzenden Oberflächen 9, 10 unregelmäßig strukturiert sind. Die mittlere Spalthöhe, also der senkrechte Abstand zwischen den den Spalt 8 begrenzenden Oberflächen 9, 10 beträgt bei einer Drehbewegung der Kolben mit 600 U/min maximal 0,12 mm.
Die Oberflächen 9, 10 im Bereich der Spalte 8 verfügen über eine Strukturierung, die während eines Einschleifprozesses unmittelbar nach bei Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine 1 erzeugt worden ist. Unmittelbar nach erfolgter Montage der Rotationskolbenmaschine 1, insbesondere der Kolbenpaare 2 im Kolbengehäuse 5, findet dieser Einschleifvorgang und die entsprechende Strukturierung der Oberflächen 9, 10, die den Spalt begrenzen, statt. Zusätzliche Dichtelemente sind hierbei nicht vorgesehen.
2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Kolbenpaar 2, wie es in einer erfindungsgemäß ausgeführten Rotationskolbenmaschine 1 Verwendung findet. In einer derartigen Rotationskolbenmaschine 1 sind zwei dieser Kolbenpaare 2 derart angeordnet, dass die Kolben 3 versetzt zueinander ineinander eingreifen. Bei einer Rotation, also einem Umlauf auf einer Kreisbahn, schließen die Kolben 3 ein in den Arbeitsräumen befindliches variierendes Arbeitsvolumen 6 zwischen sich ein.
Die in radialer Richtung äußeren Begrenzungsflächen 9 der Kolben 3 weisen eine spezielle Form auf. Dies wird in 2 durch die dargestellte Kante sichtbar. Während die Kolben an ihrer äußeren Flanke über einen Radius 18 verfügen, weist die äußere Begrenzungsfläche 9 der Kolben 3 in axialer Richtung von außen zur Mitte 14 jeweils eine leichte Steigung auf. Aufgrund dieser Ausgestaltung der äußeren Begrenzungsflächen bzw. Mantelflächen 9 des Kolben 3 lässt sich ein besonders prozesssicherer Einschleifvorgang der Kolbenoberflächen sowie vor allem der Kolbengehäuseoberflächen realisieren. Eine durch den Einschleifvorgang erreichte Strukturierung der Oberfläche der Kolben und/oder der Kolbenoberfläche lässt sich bevorzugt bei gleichzeitiger Relativbewegung zwischen Kolben und Kolbengehäuse erreichen.
Ergänzend zeigt 3 eine Drauf- sowie eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Kolbenpaares 2. In der Schnittansicht „B - B“ ist abermals deutlich die Gestaltung der in radialer Richtung umfangsseitig außen liegenden Begrenzungsfläche 9 des Kolben 3 zu sehen. Deutlich zu erkennen ist die Neigung der Oberfläche 9 zwischen der Mitte 14 der Oberfläche 9 und den äußeren Kanten. Die äußeren Kanten der Kolben 3 sind wiederum eine Rundung 8 auf. Die beiden Kolben 3 des dargestellten Kolbenpaares 2 sind über einen Steg 4 miteinander verbunden und drehen sich im Betrieb einer Rotationskolbenmaschine 1 gemeinsam. Die Oberflächen 9 der Kolben, die in Einbaulage gemeinsam mit Oberflächen 10 eines Kolbengehäuses 5 einen Spalt 8 begrenzen, sind wiederum auf geeignete Weise strukturiert, wobei die Strukturierung im Wege eines Einschleifvorgangs, bei dem die Oberfläche der Kolben 3 mit der Oberfläche 10 des Kolbengehäuses 5 zumindest bereichsweise in Kontakt gebracht wurde, erzeugt worden ist.
4 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Rotationskolbenmaschinen 1 mit einem Kolbengehäuse 5, in dem zwei Kolbenpaare 2, von denen in dieser Ansicht eines dargestellt ist, drehbar gelagert sind. Der Antrieb der Rotationskolbenmaschine 1, die bevorzugt als Kältemaschine verwendet wird, erfolgt über eine zentral gelagerte Antriebswelle 15. Von der Antriebswelle 15 erfolgt eine Kraft- und Drehmomentübertragung zunächst auf ein Planetengetriebe 11 und daraufhin von diesem auf die Kolbenpaare 2 bzw. die Kolben 3. Die Kolben 3 stehen über eine Pleuelverbindung 12 mit den Umlaufrädern 13 des Planetengetriebes 11 in Wirkverbindung.
Erfindungswesentlich ist die Abdichtung 6 zwischen den Oberflächen 9, 10 der Kolben 3 und des Kolbengehäuses 5. Durch die Abdichtung 6 wird sichergestellt, dass die Leckströme zwischen den einzelnen Arbeitsvolumen 7 minimiert und so der Wirkungsgrad der entsprechend gestalteten Rotationskolbenmaschine 1 maximiert wird. Zwischen den Oberflächen 9 der Kolben 3 und der Oberfläche 10 des Kolbengehäuses ist ein durchgängiger Spalt 8 vorgesehen, der sich während der Drehung der Kolben 3 innerhalb des Kolbengehäuses 5 mit den Kolben bewegt. Die Abdichtung 6 wird durch eine geeignete Dimensionierung des Spaltes 8 sowie Strukturierung der Oberflächen 9, 10 der Kolben 3 sowie des Kolbengehäuses 5 erreicht. Wesentlich ist, dass die Oberfläche 9 der Kolben 3 abriebfester als die der Oberfläche 10 des Kolbengehäuses 5 ausgeführt ist.
Während eines Einschleifvorgangs unmittelbar nach Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine 1 werden die Oberflächen 9, 10, insbesondere die Oberfläche 10 des Kolbengehäuses 5, derart strukturiert, dass Leckströme zwischen den einzelnen Arbeitsvolumen 7 minimiert werden. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kolben 3 aus Aluminium gefertigt, wobei die äußeren Oberflächen 9 im Wege eines Eloxal-Verfahrens mit einer Oxid-Schutzschicht versehen sind. Die Oberfläche 10 des Kolbengehäuses 5 verfügt dagegen über ein Messing, das im Vergleich zur Oberfläche 9 der Kolben 3 weich und nicht derart abriebfest ist, sodass während des Einschleifvorgangs insbesondere in die Oberfläche 10 des Kolbengehäuses 5 eine spezielle Struktur, die komplementär zur Oberflächenstruktur der zumindest zeitweise gegenüberliegenden Oberfläche 9 der bewegten Kolben 3 ist, eingeschliffen wird. Insbesondere die Oberfläche 10 des Kolbengehäuses 5 verfügt daher über eine geeignete Strukturierung, sodass der Spalt 8 zwischen den Kolbenoberflächen 9 und der Gehäuseoberfläche 10 vergleichsweise eng ausgeführt ist.
Bezugszeichenliste

1: Rotationskolbenmaschine
2: Kolbenpaar
3: Kolben
4: Steg
5: Kolbengehäuse
6: Abdichtung
7: Arbeitsvolumen
8: Spalt
9: Kolbenoberfläche
10: Kolbengehäuseoberfläche
11: Planetengetriebe
12: Pleuelverbindung
13: Umlaufrad
14: Mitte der umfangsseitig äußeren Kolbenoberfläche
15: Antriebswelle
16: Einlass
17: Auslass
18: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3022444 B1 [0004]
DE 3624842 A1 [0005]
US 6422841 B2 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN1982 [0015]

Claims

Rotationskolbenmaschine (1) mit wenigstens zwei jeweils über einen Steg verbundene Kolbenpaare (2), deren Kolben (3) an entgegengesetzten Enden der Stege (4) angeordnet sind und im Betrieb auf einer zumindest annähernd kreisförmigen Bahn derart in einem Kolbengehäuse (5) umlaufen, dass zwischen den Kolben (3) unterschiedlicher Kolbenpaare (2) während des Umlaufs variierende Arbeitsvolumina (7) eingeschlossen sind und mit einer zwischen dem Kolbengehäuse (5) und den Kolben (3) vorgesehenen Abdichtung (6), die eine Fluidströmung zwischen den eingeschlossenen Arbeitsvolumina zumindest erschwert, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (6) durch einen Spalt (8) zwischen den Kolben (3) und dem Kolbengehäuse (5) gebildet wird und den Spalt (8) zumindest zeitweise begrenzende Oberflächen (9, 10) der Kolben (3) und des Kolbengehäuses (5) unregelmäßig strukturiert sind.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spalthöhe derart gewählt ist, dass ein mittlerer Abstand zwischen gegenüberliegenden Oberflächen (9, 10) der Kolben (3) und des Kolbengehäuses (5) in einem Bereich von 0,02 und 0,14 mm liegt.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spalthöhe derart gewählt ist, dass ein mittlerer Abstand zwischen gegenüberliegenden Oberflächen (9, 10) der Kolben (3) und des Kolbengehäuses (5) in einem Bereich von 0,05 und 0,08 mm liegt.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spalthöhe derart gewählt ist, dass ein mittlerer Abstand zwischen gegenüberliegenden Oberflächen (9, 10) der Kolben (3) und des Kolbengehäuses (5) bei Nennbetriebsdrehzahl 0,15 mm nicht übersteigt.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (3) und das Kolbengehäuse (5) zumindest im Bereich der den Spalt (8) begrenzenden Oberflächen (9, 10) unterschiedliche Werkstoffe aufweisen.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der den Spalt (8) begrenzenden Oberfläche (9) die Kolben (3) einen härteren Werkstoff als das Kolbengehäuse (5) im Bereich der den Spalt (8) begrenzenden Oberfläche (10) aufweisen.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zeitweise den Spalt (8) begrenzenden Oberflächen (9, 10) der Kolben (3) und/oder des Kolbengehäuses (5) wenigstens abschnittsweise eine Beschichtung aufweisen.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Spalt (8) begrenzenden Oberflächen (9) der Kolben wenigstens abschnittsweise eine oxidische Schutzschicht aufweisen.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbengehäuse (5) zumindest im Bereich der den Spalt (8) begrenzenden Oberfläche (10) einen Kunststoff, eine Kupferlegierung mit einem Zinkanteil, der nicht größer als 40 Gew.-% ist, eine Legierung mit einem Kupferanteil, der größer als 60 Gew.-% oder ein Gusseisen, insbesondere einen Rotguss, aufweist.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Spalt (8) begrenzenden Oberflächen (9, 10) durch einen Einschleifvorgang strukturiert worden sind, bei dem die gegenüberliegenden Oberflächen (9, 10) der Kolben (3) sowie des Kolbengehäuses (5) wenigstens zeitweise während einer Kreisbewegung der Kolben (3) in Einbaulage im Kolbengehäuse (5) in Kontakt gebracht werden.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer durchschnittlichen Höhe eines Kolbens (3) in radialer Richtung zu einer Breite des Kolbens (3) in axialer Richtung 2 : 1 beträgt.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpaare (2) mit einem wenigstens teilweise innenliegenden Planetengetriebe (11) verbunden sind.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpaare (2) zumindest mittelbar über wenigstens eine Pleuelverbindung (12) mit einem Umlaufrad (13) des Planetengetriebes (11) verbunden sind.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (3) im Inneren wenigstens einen Hohlraum aufweisen.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe des Spalts (8) zwischen wenigstens einem der Kolben (3) und dem Kolbengehäuse (5) in axialer Richtung variiert.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Spaltes (8) zwischen dem Kolben (3) und dem Kolbengehäuse (5) in axialer Richtung in einer Mitte (14) der Oberfläche (9) des Kolbens (3) ein Minimum annimmt.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt zwischen zwei Getriebegehäusen und/oder zwischen einem Getriebegehäuse und dem Kolbengehäuse (5) mit wenigstens einer berührenden Dichtung, insbesondere einer Labyrinthdichtung mit kämmenden Labyrinthgängen, abgedichtet wird.
Verfahren zur Herstellung einer wenigstens teilweisen Abdichtung (6) eines Spalts (8) zwischen einem Kolbengehäuse (5) einer Rotationskolbenmaschine (1) und wenigstens einem Kolben (3) der im Betrieb auf einer zumindest annähernd kreisförmigen Bahn im Kolbengehäuse (5) umläuft, bei dem Komponenten der Rotationskolbenmaschine (1) produziert und derart montiert werden, dass sich Oberflächen (9, 10) des Kolbens (3) und des Kolbengehäuses (5) während des Umlaufs des Kolbens (3) im Kolbengehäuse (5) wenigstens abschnittsweise berühren und bei dem den Spalt (8) begrenzende Oberflächen (9, 10) während eines an eine Inbetriebnahme der Rotationskolbenmaschine (1) anschließenden Einschleifvorgangs zumindest bereichsweise strukturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einschleifvorgangs wenigstens zeitweise in axialer Richtung der Rotationskolbenmaschine (1) eine Relativbewegung zwischen Kolben (3) und Kolbengehäuse (5) initiiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschleifvorgang wenigstens zeitweise bei Nennbetriebsdrehzahl der Rotationskolbenmaschine (1) durchgeführt wird.