DE10356373A1

DE10356373A1 - Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE10356373A1
Application number: DE10356373A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr.-Ing. Kuhn; Frank Obrist; Stefan Kröss
Original assignee: Obrist Engineering GmbH
Current assignee: Obrist Engineering GmbH
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-07-07
Also published as: EP1553291A2; US7273004B2; CN1651720A; ATE425358T1; CN1651720B; US20050120984A1; DE502004009129D1; JP4523394B2; EP1553291B1; JP2005163792A; EP1553291A3

Abstract

Die Hubkolbenmaschine (1) hat ringförmig nebeneinander angeordnete, radial gerichtete Kolben-Zylindereinheiten (2, 3). Der Auswärtshub der Kolben (2) wird durch den Exzenter (11) einer gemeinsamen Exzenterwelle (12) gesteuert, während ihr Einwärtshub durch einen den Exzenter (11) mit freiem Abstand umschließenden, seitlich in die Kolben (2) eingreifenden Steuerring (16) gesteuert wird, so dass der Auswärtshub der Kolben (2) den Einwärtshub von diametral gegenüberliegend angeordneten Kolben (2) steuert. Der Schließkörper der Ein- und Auslassventile, von denen eines Bestandteil des jeweiligen Kolbens ist, wird durch den Zentrumsbereich einer Membran gebildet. Auf diese Weise hat die Hubkolbenmaschine (1) eine besonders kompakte Bauweise und einfach herstellbare und einfach zusammenfügbare Komponenten, so dass sie sich besonders als Kompressor einer CO¶2¶-Klimaanlage für den Einbau in den Motorraum eines Fahrzeuges eignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit ringförmig nebeneinander angeordneten, radial gerichteten Kolben-Zylindereinheiten und mit einer zentral durch einen Gehäusekörper eines Maschinengehäuses sich erstreckenden Exzenterwelle, deren Exzenter den Auswärtshub der Kolben steuert.

Hubkolbenmaschinen dieser An sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, wie z.B. die EP 0088677 , die AT 2144796 oder die DE 1 294 813 zeigen. Diesen ist gemeinsam, dass nur der Auswärtshub der Kolben durch einen Exzenter und über ein diesen umschließendes Wälzlager mechanisch gesteuert wird, während der Einwärtshub durch die Kraft einer durch die Hubbewegung verformten Feder erfolgt, so dass sie den Kolben in Kontakt mit dem Aussenring des Wälzagers hält. Eine solche Feder hat u.a. den Nachteil, dass ihre Anordnung die Baugröße der Maschine nachteilig beeinflusst. Für Ihre Anordnung im Zylinderraum wird außerdem ein Raum benötigt, der als Totraum wirkt, indem beim Auswärtshub ein nahezu vollständiger Ausschub des Mediums verhindert wird.

Durch die AT 394892 ist es weiterhin bekannt, die Hubbewegung von ringförmig zueinander angeordneten Kolben allein durch einen Exzenter zu steuern, indem die Kolben über einen an ihrem radial inneren Ende vorgesehenen Kugelkopf in einen den Exzenter umschließenden, ringförmigen Steuerungskörper gelenkig eingreifen. Eine kinematisch vergleichbare Steuerung einer Kolbenbewegung ist durch die CH 258404 bekannt. Solche Kolbensteuerungen haben für die Anordnung der mechanischen Kopplung zwischen dem den Exzenter umschließenden, z.B. ringförmigen Steuerungskörper und dem jeweiligen Kolben einen eine kompakte Bauweise verhindernden Raumbedarf, verbunden mit einer entsprechend aufwändigen Bauweise für die mechanische Kopplung mit dem Steuerungskörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenmaschine der genannten An zu finden, die bei besonders kompakter Bauweise nur verhältnismäßig wenige, einfach herstellbare und einfach montierbare Bauteile benötigt und die darüber hinaus, z.B. bei der Ausfüh rung als Kompressor einer CO₂-Klimaanlage, bei hohen Drücken und durch hohe mögliche Drehgeschwindigkeiten hohe Leistungen ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass der Einwärtshub der Kolben durch einen die Exzenterwelle mit freiem Abstand umschließenden, in die Kolben eingreifenden Steuerring gesteuert wird, so dass der Auswärtshub der Kolben den Einwärtshub von diametral gegenüberliegend angeordneten Kolben steuert. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt:

1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Radialkolbenmaschine,
2 einen die Kolbenachsen einschließenden Radialschnitt entlang der Linie II-II der 1,
3 eine perspektivische Darstellung zweier benachbarter Kolben der Kolbenanordnung entsprechend 2, mit einem in diese Kolben eingreifenden Umfangsbereich des Steuerringes,
4 eine Aufsicht auf eine Ventilmembran von an den Kolben und an den Zylinderköpfen vorgesehenen Rückschlagventilen,
5 eine vergrößerte Darstellung aus dem Bereich V der 1,
6 eine Seitenansicht des Steuerringes der Hubkolbenmaschine nach 1 und 2 und
7 einen vergrößerten Axialschnitt eines der fünf Kolben der Hubkolbenmaschine nach 1 und 2 mit schematischer Darstellung einer rotierenden Zuströmung.
Zur Vereinfachung der Herstellung und Montage der funktionellen Teile der Radialkolbenmaschine 1 sind die beispielsweise fünf und mindestens drei Kolben-Zylindereinheiten 2, 3 ringförmig nebeneinander, in einem gemeinsamen, relativ flachen Gehäusekörper 4 eines Maschinengehäuses 5 angeordnet, für die er fünf radial gerichtete, die Kolben 2 führende Zylinderbohrungen 3 aufweist, die in sein massives Material eingearbeitet sind.
Zur Materialeinsparung ist der Gehäusekörper 4 vorzugsweise sternförmig ausgebildet und hat außen fünf Flanschflächen 6 für die dichte Montage von Auslassventilen 7 und von eine Abströmleitung 8 einschließenden Zylinderköpfen 9.
Zum Zentrum des Gehäusekörpers 4 hin enden die Zylinderbohrungen 3 in einem zentrisch zur Exzenterwelle 12 angeordneten, kreisförmigen Getrieberaum 10, in dem der Exzenter 11 der Exzenterwelle 12 mit einem ihn umschließenden Wälzlager 13 eine Umlaufbewegung ausführt. Der Außenring 14 des z.B. als Nadellager ausgeführten Wälzlagers 13 befindet sich in ständigem Kontakt mit der ihm zugekehrten, inneren Stirnfläche 15 der Kolben 2, so dass die Umlaufbewegung des Exzenters 11 die Kolben 2 aufeinander folgend, radial nach außen schiebt, um ihren Auswärtshub auszuführen.
Für den Antrieb des Einwärtshubs sind die fünf Kolben 2 durch einen polygonförmigen Steuerring 16 miteinander gekoppelt, indem dieser jeweils in eine seitliche Aussparung 17 der Kolben 2 eingreift. Diese Kopplung bewirkt, dass der Steuerring 16 durch den Auswärtshub jedes Kolbens 2 in Reihenfolge entsprechend der Umlaufbewegung des Exzenters 11 nach außen gezogen wird und folglich die diametral gegenüberliegend angeordneten Kolben 2 mitnehmend, diese nach innen zieht, so dass sie ihren Einwärtshub ausführen.
Die Aussparung 17 der Kolben hat die Form eines in Richtung einer Sekante geführten Einschnittes, mit somit zueinander parallelen Flächen, von denen die radial innere eine Kontaktfläche 18 für die innere Steuerfläche 20 des Steuerringes 16 bildet. Die im dargestellten Ausführungsbeispiel fünf inneren Steuerflächen 20 des Steuerringes 16 verlaufen zumindest angenähert geradlinig und dabei gleichgerichtet wie die innere Kontaktfläche 18 der Kolbenaussparung 17 und gehen über ein Ausrundung 22 in die in Umfangsrichtung folgende innere Steuerfläche 20 über, so dass der Steuerring 16 eine polygonförmige innere Kontur hat. Eine geringfügige konvexe Krümmung dieser Steuerflächen 20 in Umfangsrichtung kann von Vorteil sein, um einer Belastung der quer zur Kolbenachse endseitigen Begrenzungskanten 61, 62 der Kontaktflächen 18 entgegen zu wirken.
Da die Aussparung 17 der Kolben 2 somit seitlich offen ist, kann sich der Steuerringes 16 quer durch die Kolben 2 erstrecken und in dieser Richtung relativ zum Kolben ungehindert eine Querbewegung ausführen, die sich durch die phasengleich mit der Umlaufbewegung des Exzenters 11 erfolgende Steuerbewegung ergibt. Dabei gleiten seine inneren Steuerflächen 20 auf der jeweiligen inneren Kontaktfläche 18 der fünf Kolben 2. Außerdem ermöglichen die seitlich offenen Aussparungen 17 der Kolben 2 bei der Montage der Maschine ein einfaches Zusammenfügen der beweglichen Komponenten.
Außen hat der Steuerring 16 fünf kreisbogenförmige Teile 21 einer Zylinderfläche, die jeweils durch eine Ausnehmung 23 des Steuerringes 16 begrenzt sind. Diese fünf Ausnehmungen 23 bilden jeweils eine Zuströmöffnung zu dem durch die Aussparung 17 seitlich geöffneten, zylindrischen Innenraum 24 der Kolben 2. Dabei sind die Ausnehmungen 23 derart angeordnet, dass sie sich entsprechend der Darstellung in 3 über einen seitlichen Teil des jeweiligen Eingriffsbereichs des Steuerringes 16 erstrecken, und die Einströmung in die Kolbenaussparung 17 entsprechend seitlich und dadurch tangential in den zylindrischen Innenraum 24 der Kolben 2 erfolgt.
Die tangentiale Einströmung in Richtung der doppelten Pfeile 25, 26 führt im zylindrischen Innenraum 24 zu einer Spiralströmung 27 mit einer Zentrifugalwirkung, so dass ein in gasförmigem Betriebsmedium enthaltenes Schmiermittel in der Maschine 1 zurückgehalten wird, wie die gegen die zylindrische Innenwand 19 des Kolbens 2 gerichteten Pfeile 26 andeuten. Diese Zentrifugalwirkung wird durch die Abströmung des gasförmigen Mediums durch einen zentralen Innenstutzen 28 des Kolbens 2 unterstützt, dessen zentraler Kanal an der radial äußeren Stirnfläche des Kolbens (2) in einer Ventilöffnung 30 mündet.
An der Stirnfläche der Kolben 2 ist die Membran 33 eines Rückschlagventils 31 mittels ihres Randes 35 z.B. durch Schweißen befestigt. Die Membran 33 hat einen zentralen Schließteil 32 und drei sich von diesem bogenförmig zum Membranrand 35 erstreckende Stegteile 34, so dass die Stegteile 34 Federelemente für die Hubbewegung des Schließteiles 32 bilden.
Radial nach außen sind die Zylinderbohrungen 3 durch einen plattenförmigen Teil 36 des Zylinderkopfes 9 begrenzt, der einen zentralen Ausströmkanal 37 umschließt, an dem außen die Membran 38 eines Rückschlagventils anliegt, die entsprechend der Darstellung in 4 gleich ausgeführt ist, wie die Membran 33 des am Kolben 2 vorgesehenen Rückschlagventils.
Aus den zylindrischen Arbeitsräumen 3 strömt das Arbeitsmedium in Anschlussblöcke 39, die über Verbindungskanäle 40 die Verbindung zu einer das Maschinengehäuse 5 umschließenden Sammelleitung 41 herstellen. Durch diese außen am Gehäusekörper 4 befestigten An schlussblöcke sind die plattenförmigen Teile der Zylinderköpfe 9 unter Vorspannung dicht am Gehäusekörper 4 gehalten.
Die Exzenterwelle 12 ist im Maschinengehäuse 5 bzw. dessen glockenförmigem Gehäusekörper 50 durch zwei Wälzlager 42, 43 gelagert. Eine antriebsseitige Dichtanordnung 44 dichtet den Gehäuseinnenraum 45 axial nach außen ab, während das freie, den Exzenter 11 und ein Ausgleichsgewicht 46 tragende Wellenende 47 in einem Gehäuseraum 48 endet, der durch einen angeflanschten Gehäusedeckel 49 verschlossen ist.
Die Zuströmung des Arbeitsmediums in die Hubkolbenmaschine 1 erfolgt über mindestens einen am glockenförmigen zweiten Gehäuseblock 50 radial angeschlossenen Anschlussstutzen 51. Anschließend durchströmt es entsprechend der Darstellung in 5 in der Gehäuseinnenwand 52 vorgesehene Axialkanäle 53, 54 und trifft auf eine sich mit der Exzenterwelle 11 drehende Prallplatte 55, an der ein Schmiermittelanteil im gasförmigen Betriebsmedium abgeschieden wird. Die Weiterströmung erfolgt durch Umströmung der Prallplatte 55 und über einen Spalt 56 zwischen der Prallplatte und dem Gehäusekörper 50 zu dem zentrisch zur Gehäuse- und Wellenachse 57 angeordneten und kreisförmigen Getrieberaum 10 des Gehäusekörpers 4, in dem der Exzenter 11 umläuft, so dass das Betriebsmedium vom endseitigen Gehäuseraum 48 in der zuvor beschriebenen Weise in die Kolben 2 einströmen kann.
Die Ausbildung der genannten Rückschlagventile für die Zuströmung in die Arbeitszylinder 3 und die Abströmung aus diesen als Membranventil und die Anordnung eines derselben unmittelbar am Kolben 2 ermöglicht besonders geringe radiale Dimensionen bzw. eine besonders kompakte Bauweise der Hubkolbenmaschine 1 und sie kann dennoch mit hohen Drehgeschwindigkeiten ihres Exzenters 11 betrieben werden, so dass hohe Leistungen möglich sind. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine 1 besonders als Kompressor einer CO₂-Klimaanlage für den Einbau in den Motorraum eines Kraftfahrzeuges geeignet. Weiterhin sind die erfindungswesentlichen Komponenten der Maschine so gestaltet, dass sie auf einfache Weise herstellbar und zueinander montierbar sind.
Für ihre einfache Herstellbarkeit bestehen die Kolben 2 aus zwei teleskopartig ineinander geschobenen Teilen und vor ihrer Vereinigung wird an einem dieser Teile, d.h. dem den Kolbenboden 29 aufweisenden Teil, die Ventilmembran 33 befestigt und am anderen Teil die Aussparung 17 durch eine seitliche Einfräsung hergestellt. Beim Zusammenfügen durch eine Presspassung nehmen sie zwischen sich einen Kolbenring 58 auf.
Eine erfindungsgemässe Hubkolbenmaschine 1 ist für hohe Drehgeschwindigkeiten von mehr 10 000 U/min geeignet, so dass die Auswuchtung der Exzenterwelle 12 und der sich mit ihr drehenden Komponenten, u.a. durch das Ausgleichsgewicht 46 und z.B. eine Ausnehmung 60 an der mitumlaufenden Prallplatte 55 von besonderer Bedeutung ist.

Claims

Hubkolbenmaschine mit ringförmig nebeneinander angeordneten, radial gerichteten Kolben-Zylindereinheiten (2, 3) und mit einer zentral durch einen Gehäusekörper (4) eines Maschinengehäuses (5) sich erstreckenden Exzenterwelle (12), deren Exzenter (11) den Auswärtshub der Kolben (2) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Einwärtshub der Kolben (2) durch einen die Exzenterwelle (12) und deren Exzenter (11) mit freiem Abstand umschließenden, in die Kolben (2) eingreifenden Steuerring (16) gesteuert wird, so dass der Auswärtshub der Kolben (2) den Einwärtshub von diametral gegenüberliegend angeordneten Kolben (2) steuert.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerring (16) sich durch eine quer zur Kolbenachse verlaufende Aussparung (17) jedes Kolbens (2) erstreckt und mit einer inneren Steuerfläche (20) mit der radial inneren Begrenzungsfläche (18) der Aussparung (17) jeweils eines Kolbens (2) in steuerndem Gleitkontakt steht.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerring (16) mit jedem Kolben (2) über jeweils eine ebene innere Steuerfläche (20) in Gleitkontakt steht, so dass die für jeden Kolben (2) vorgesehenen Steuerflächen (20) polygonförmig zueinander angeordnet sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (2) als Hohlkörper mit einer zylindrischen Innenwand (19) und einem zentrischen, in eine zentrale Ventilöffnung (3) des Kolbenbodens (29) mündenden Innenstutzen (28) ausgebildet sind, so dass die Aussparung (17) eine seitliche Kolbenöffnung für die Zuströmung eines Betriebsmediums bildet.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerring (16) an seinen in eine Aussparung (17) der Kolben (2) eingreifenden Umfangsbereichen, jeweils eine Ausnehmung (23) aufweist, die eine zur zylindrischen Kolbeninnenwand (19) tangentiale Zuströmverbindung zum inneren Kolbenraum (24) bildet.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kolben (2) jeweils ein Rückschlagventil (31) vorgesehen ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Innenstutzen (28) gebildete zentrale Kolbenkanal an der radial äußeren Stirnfläche des Kolbens (2) mündet und an dieser Stirnfläche die Membran (33) eines Membranventils anliegt, das einen zentralen Schließteil (32) und sich von diesem bogenförmig zu einem Peripheriebereich (35) erstreckende Stegteile (34) aufweist, so dass die Stegteile (34) Federelemente für die Hubbewegung des Schließteiles (32) bilden.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderbohrungen (3) radial nach außen durch einen plattenförmigen Zylinderkopf mit einem zentralen Ausströmkanal verschlossen sind, an dem außen die Membran (38) eines Rückschlagventils anliegt, die gleich ausgeführt ist wie die Membran (33) des am Kolben (2) vorgesehenen Rückschlagventils.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben 2 aus zwei teleskopartig ineinander geschobenen Teilen bestehen, die zwischen sich eine Kolbenring (58) einschließen, wobei an einem dieser Teile der zentrale Innenstutzen (28) und die Ventilmembran (33) vorgesehen ist und im anderen Teil die Aussparung (17) seitlich eingefräst ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Gehäusekörper (4) umschlossener Getrieberaum (10) für die Umlaufbewegung des Exzenters (11) einschließlich seines Außenringes (14) durch eine mit der Exzenterwelle (11) sich drehende Prallplatte (55) von einem die Wellenlager (42, 43) einschließenden Raum eines zweiten Gehäusekörpers (50) getrennt ist, wobei für die Umströmung der Prallplatte (55) zwischen dieser und dem Gehäusekörper (50) ein Spaltraum (56) vorgesehen ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Steuerflächen (20) des Steuerringes (16) geringfügig konvex gekrümmt sind.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (5) aus einem glockenförmigen, zwei Wälzlager (42, 43) für die Exzenterwelle (12) einschliessenden Gehäusekörper (50), einem Gehäusedeckel (49) und einem zwischen diesen eingeschlossenen, die Zylinderbohrungen (3) und einen Getrieberaum (10) für den Umlauf des Exzenters (11) aufweisenden Gehäusekörper (4) besteht.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Grenzbereich zwischen dem Getrieberaum (10) und dem Innenraum des glockenförmigen Gehäusekörpers (50) eine an der Exzenterwelle (11) befestigte Prallplatte (55) vorgesehen ist, deren Umfang mit der Innenwand des glockenförmigen Gehäusekörpers (50) einen Spalt (56) begrenzt, so dass zuströmendes Betriebsmedium die Prallplatte (55) umströmt.