DE1503452B2 - Kolbenmaschine mit mindestens einem * Zylinder, bei dem die Abdichtung des Kolbens durch eine Rollmembran gebildet wird - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem darin axial beweglichen ersten Kolben, die gegenüber dem Arbeitsraum durch mindestens eine Rollmembran abgedichtet sind, deren vom Arbeitsraum abgewendete Seite zusammen mit Wandteilen des Zylinders und ersten Kolbens und eines mit dem Triebwerk fest gekoppelten und mit dem ersten Kolben durch Federn gekoppelten zweiten Kolbens einen mit Flüssigkeit gefüllten Raum einschließt, der mit dem Raum zwischen den beiden Kolben in offener Verbindung steht, und mit einer Einrichtung, durch die an jeder Rollmembran ein je Hub wenigstens annähernd gleichbleibender Druckunterschied aufrechterhalten wird.

Solche Kolbenmaschinen finden z. B. bei Kompressoren, Expansionsmaschinen, Kaltgas-Kühlmaschinen, Heißgasmotoren usw. Verwendung.

Bei derartigen Kolbenmaschinen ist es wesentlich.

daß im Betrieb die Rollmembran vor allem gespannt bleibt, daß weiter die Spannung in der Rollmembran nicht zu groß wird, da sonst ein Bruch eintreten kann. Es hat sich weiter gezeigt, daß die Lebensdauer einer Rollmembran besonders verlängert wird, wenn der Druckunterschied auf der Rollmembran einen nahezu konstanten Wert hat.

Bei aus den französischen Patentschriften 13 26 063 und 13 61849 bekannten Kolbenmaschinen eingangs

ίο erwähnter Art ergeben sich die vorerwähnten, für die Wirkung der Rollmembran sehr günstigen Bedingungen dadurch, daß die Rollmembran auf einer Seite von einer Flüssigkeit abgestützt wird. Die abstützende Flüssigkeit ist in einem Raum untergebracht, der nicht nur von der Rollmembran, sondern auch von steifen Wandteilen der zueinander beweglichen Elemente begrenzt wird, welche steifen Wandteile derart ausgebildet sind, daß lediglich durch die Formgebung dieser Wandteile der Raum während der Bewegung konstant bleibt. Es wird in diesem Raum eine solche Menge Flüssigkeit untergebracht, daß stets ein Druckunterschied auf der Rollmembran vorherrscht.

Diese bekannte Konstruktion hat den Nachteil, daß, wenn sich aus irgendeinem Grunde die Flüssigkeitsmenge in dem Raum unter der Rollmembran ändert oder wenn das Volumen dieses Raumes infolge Maßungenauigkeiten der steifen Wandteile nicht konstant bleibt, der Druckunterschied auf der Rollmembran und somit auch die Spannungen in der Rollmembran sich ändern. Um den geänderten Druckunterschied aufzufangen, ändert sich die Länge der Rollmembran, was die Lebensdauer beeinträchtigt.

In der älteren deutschen Patentschrift 12 31 980 ist eine Kolbenmaschine beschrieben, wobei der vorerwähnte Nachteil dadurch behoben ist, die dem zweiten kolbenartigen Körper zugewendete Seite der Rollmembran auch auf der erwähnten, zwischen den beiden kolbenartigen Körpern vorhandenen Flüssigkeit ruhen zu lassen, wobei an dem ersten kolbenartigen Körper elastische Glieder angreifen, um einen Druckunterschied an diesem Körper beizubehalten. Wenn die Regelvorrichtung für das Konstanthalten des Druckunterschiedes über die Membran nicht hinreichend schnell anspricht oder wenn durch Weglecken mehr oder weniger Flüssigkeit in dem Raum zwischen den zwei kolbenartigen Körpern vorhanden ist als dem gewünschten Druckunterschied auf der Rollmembran entspricht, ändert sich bei dieser Kolbenmaschine nicht die Länge der Rollmembran, sondern es ändert sich der Abstand zwischen den beiden kolbenartigen Körpern. Infolgedessen wird praktisch ohne Längenänderung der Rollmembran der richtige Druckunterschied auf der Rollmembran auch bei sehr schnellen Änderungen der Bedingungen aufrechterhalten. Der zweite kolbenartige Körper und der Zylinder können an der Stelle der miteinander zusammenwirkenden Wandteile stufenartig ausgebildet sein, so daß sich das Volumen des Raumes zwischen den beiden kolbenartigen Körpern nicht zu ändern braucht.

Es hat sich gezeigt, daß bei dieser Vorrichtung die Massenträgheitskräfte des ersten kolbenartigen Körpers eine Rolle spielen. Diese Kräfte rufen Schwankungen des auf der Rollmembran und dem ersten kolbenartigen Körper vorherrschenden Druckunterschiedes hervor. Diese Druckunterschiede wirken sich auf der Rollmembran aus, so daß ihre Länge sich ändert, wodurch die Lebensdauer der Rollmembran beeinträchtigt wird.

Um diese Nachteile zu beheben, sind bei der Kolbenmaschine die beiden Kolben durch Zwischenglieder beweglich verbunden, die Ausgleichsmassen aufweisen, deren Massenträgheitskräfte zu denen des ersten Kolbens und der Flüssigkeit entgegengesetzt gerichtet sind.

Bei einer günstigen Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist jede der Ausgleichsmassen an einem Hebel befestigt, der mit dem ersten und mit dem zweiten Kolben gelenkig verbunden ist, wobei die Gelenkverbindung mit dem zweiten Kolben zwischen der Befestigungsstelle der Ausgleichsmasse am Hebel und der Gelenkverbindung dieses Hebels mit dem ersten Kolben liegt.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung hat das Merkmal, daß die Federn an den Ausgleichsmassen befestigt sind.

Eine weitere Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jede der Ausgleichsmassen über ein Kabel und Seilscheiben mit dem ersten und dem zweiten Kolben verbunden ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Kolbenmaschine der Erfindung befinden sich die Ausgleichsmassen und die zugehörenden Hebel bzw. Kabel und Seilscheiben in der Flüssigkeit zwischen den beiden Kolben.

Aus vorstehendem ergibt es sich, daß die Erfindung zu einer äußerst einfacher Konstruktion führt, durch welche der beeinträchtigende Einfluß der Massenträgheitskräfte des ersten kolbenartigen Körpers und der Flüssigkeit bei jeder Umdrehungszahl behoben wird.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, die einige Beispiele von Kolbenmaschinen nach der Erfindung darstellt.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Kolbenmaschine; die

F i g. 2, 3 und 4 zeigen vier verschiedene Kolbenmaschinen im Schnitt, weichen zum Ausgleichen der Massenträgheitskräfte des hydraulisch angetriebenen Kolbens eine mit einem Hebel zusammenwirkende Ausgleichsmasse vorgesehen ist; die

F i g. 5 und 6 zeigen eine Kolbenmaschine im Schnitt, bei der hydraulisch angetriebene Kolben durch ein Kabel und eine Anzahl von Seilscheiben mit der Ausgleichsmasse verbunden sind.

In F i g. 1 bezeichnet 1 einen Zylinder, in dem ein Kolben 2 beweglich ist. Der Kolben 2 begrenzt einen Arbeitsraum 3. Dieser kann z. B. der Kompressionsraum eines Kompressors oder der Kompressions- oder Expensionsraum einer Heißgaskolbenmaschine sein. Die andere Seite des Kolbens 2 begrenzt einen mit Flüssigkeit gefüllten Raum 4, dessen Flüssigkeit mit einem Kolben 5 in Berührung ist, der durch eine Triebstange 6 mit einer Kurbel 7 verbunden ist, die in bekannter Weise angetrieben werden kann. Die Abdichtung zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 1 wird durch eine Rollmembran 8 gebildet. An den Raum 4 schließt sich eine Regelvorrichtung an, durch welche der Druckunterschied auf der Rollmembran 8 konstant bleibt und ein gewisser Durchfluß von Flüssigkeit durch den Raum 4 erhalten wird, um zu verhüten, daß die Menge der gegebenenfalls durch die Rollmembrane durchdringenden Flüssigkeit zu groß wird.

Diese Regelvorrichtung wird durch eine Flüssigkeitspumpe 9 gebildet, die durch eine Leitung 10 dem Raum 4 Flüssigkeit zuführen kann. Ferner ist die Wand des Kolbens 5 mit einem Loch 11 (gegebenenfalls mit mehreren Löchern) versehen, das mit einem Teil der Innenwand des Kolbens 2 zusammenwirkt. Wenn die Lage des Kolbens 2 gegenüber dem Kolben 5 von der einem bestimmten, gewünschten Druckunterschied entsprechenden Lage dieser Kolben 2, 5 abweicht, gibt der Kolben 2 das Loch 11 frei oder schließt dieses ab. Nach der Freigabe des Lochs 11 kann Flüssigkeit aus dem Raum 4 zurück in den Flüssigkeitsbehälter strömen, so daß der Abstand zwischen den Kolben 5 und 2 kleiner wird. Ist das Loch 11 verschlossen, so pumpt die Flüssigkeitspumpe 9 Flüssigkeit in den Raum 4 ein, wodurch der Abstand zwischen den Kolben 2 und 5 zunimmt. In Betrieb schneidet die untere Seite des Kolbens 2 das Loch 11, so daß dauernd Flüssigkeit aus dem Raum 4 wegfließen kann, die kontinuierlich durch die Flüssigkeitspumpe 9 ergänzt wird.

Auf den Kolben 2 greifen eine oder mehrere Druckfedern 19 an, die dafür sorgen, daß der Druck der Flüssigkeit im Raum 4 stets um einen bestimmten Wert niedriger ist als der Druck im Arbeitsraum 3. Diese Druckfedern 19 haben eine verhältnismäßig flache Kennlinie, so daß bei etwaiger Änderung des Abstandes zwischen den Kolben der Druckunterschied sich kaum ändert.

Wenn aus irgendeinem Grund mehr Flüssigkeit aus dem Raum 4 abgeführt wird als durch die Leitung 10 hereinströmt, sind die Folgen für die Rollmembrane nicht ernstlich. Die Druckfedern 19 werden nur etwas kürzer, wobei der Abstand zwischen den Kolben 2 und 5 sich etwas verkleinert. Wird zu einem anderen Zeitpunkt etwas mehr Flüssigkeit zugeführt, so erreicht der Abstand zwischen den Kolben 2 und 5 wieder den Anfangswert. Diese Vorgänge haben keinen ungünstigen Einfluß auf die Rollmembrane.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist der, daß bei hohen Umdrehungszahlen und/oder einem kleinen Durchmesser des Kolbens 2 die Massenkräfte des Kolbens 2 hinderliche Schwankungen des Druckunterschieds an der Rollmembrane 1 hervorrufen.
Die die Änderungen des Druckunterschieds hervorrufenden Massenträgheitskräfte sind gleich Ma>²r sinwt. Dabei bezeichnet; Mdie Masse des Kolbens 2 zuzüglich der Masse einer Flüssigkeitsmenge, mit einem Volumen das dem durch die Innenseite des Kolbens 2 und die Berührungsebene A-A der Rollmembrane in der Mittellage der Kolben 2 und 5 umschlossenen Raum entspricht, ω die Winkelgeschwindigkeit der Kurbel, mit der der Kolben 5 durch die Triebstange 6 verbunden ist, rden Kurbelradius.

Die Massenträgheitskräfte rufen einen zusätzlichen Druckunterschied an der Rollmembrane und an dem Kolben 2 hervor, der gleich

τ«¹

sin cot

ist. Dabei bezeichnet

wobei d\ und di den Durchmesser des Kolbens 2 bzw. 5 bezeichnen.

Diese Druckschwankungen infolge der Massenträgheitskräfte bringen unerwünschte Längenänderungen der Rollmembrane 8 mit sich, die infolgedessen unter Umständen eine kürzere Lebensdauer haben kann.

Die zusätzlichen Druckschwankungen infolge der Trägheit des Kolbens 2 können vollständig und bei jeder Drehzahl durch die in F i g. 2 angegebene Konstruktion

behoben werden. In dieser Konstruktion sind die Kolben 2 und 5 durch einen Hebel 30 miteinander verbunden. Der Hebel 30 ist mit den Gelenkverbindungen 31 und 32 gelenkig mit den Kolben 2 und 5 verbunden. Am Hebel 30 ist weiter eine Ausgleichsmasse 33 angebracht, das durch eine Feder 34 mit dem Kolben 5 verbunden ist.

Bei Bewegung der Kolben 2 und 5 bewegt sich die Ausgleichsmasse 33 mit der gleichen Geschwindigkeit. Die Trägheitskräfte der Ausgleichsmasse 33 sind in der gleichen Richtung wie die des Kolbens 2 wirksam. Diese Trägheitskräfte werden jedoch durch den Hebel 30 derart auf den Kolben 2 übertragen, daß sie den Trägheitskräften des Kolbens 2 entgegengesetzt sind. Wenn die Abstände a und b zwischen der Ausgleichsmasse 33 und der Gelenkverbindung 32 und zwischen der Gelenkverbindungen 32 und 31 und die Massen m und M der Ausgleichsmasse 33 und des Kolbens 2 zuzüglich der erwähnten Flüssigkeitsmenge eine bestimmte Beziehung zueinander haben, so werden die Massenträgheitskräfte des Kolbens 2 und der erwähnten Flüssigkeitsmenge durch die Massenträgheitskräfte der Ausgleichsmasse 33 gerade kompensiert. Dieser Zustand tritt ein, wenn

Bei passender Wahl von —(d.h. kleiner als 1, was

meistens der Fall ist), kann die Kraft der Feder 34 bedeutend kleiner sein als die der Druckfedern 19 in der Konstruktion nach F i g. 1.

Eine andere Ausführungsform einer Kolbenmaschine ist in Fig.3 dargestellt. Der einzige Unterschied zur Konstruktion nach Fig.2 ist der, daß hier die Rollmembrane 8 die konvexe Seite dem Arbeitsraum 3 zuwendet. Dies bedeutet, daß bei dieser Konstruktion der Flüssigkeitsdruck stets etwas höher sein muß als der Druck im Arbeitsraum 3. Daher ist die Feder 34 bei dieser Konstruktion als Druckfeder ausgebildet.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform ist die Ausgleichsmasse 33 nicht fest mit dem Hebel 30 verbunden, sondern liegt an diesem am Punkt 36 mit einer gewissen Vorspannung. Die aufwärts gerichteten Massenkräfte der Ausgleichsmasse 33 werden direkt auf ., den Hebel 30 und durch diesen auf den Kolben 2 übertragen, so daß in dieser Richtung die Trägheitskräfte des Kolbens 2 und eines Teils der Flüssigkeit weiter kompensiert werden. Die Trägheitskräfte der 33 in der anderen Richtung drücken die Feder 34 zusammen, so daß die Zugkraft geringer und der Druckunterschied am Kolben 2 kleiner wird. Andererseits erhöhen die Trägheitskräfte des Kolbens 2 abzüglich eines Teils der Flüssigkeit den Druck in der Flüssigkeit. Diese zwei Wirkungen heben einander genau auf, so daß der „ Einfluß der Massenkräfte auf den Druckunterschied wieder ausgeglichen ist.

Deutlichkeitshalber zeigen die F i g. 2 bis 4 nur eine Ausgleichsmasse 33 mit dem zugehörenden Hebel 30. Auf Grund der Symmetrie können z. B. zwei Ausgleichs- ^ massen 33 benutzt werden. Die beiden Ausgleichsmassen 33 liegen dann auf je einer Seite der Symmetrieachse auf parallelen Hebeln 30.

F i g. 5 zeigt die Konstruktion einer Kolbenmaschine, in der die Ausgleichsmasse 33 nicht auf einem Hebel angebracht ist, sondern durch Kabel und Seilscheiben mit den Kolben 2 und 5 verbunden ist. An der Stelle 38 ist ein Kabel 39 mit der unteren Seite der Ausgleichsmasse 33 verbunden. Dieses Kabel 39 verläuft von der Stelle 38 zu einer Seilscheibe 40, die auf einer fest mit dem Kolben 5 verbundenen Welle 41 angebracht ist. Von der Seilscheibe 40 erstreckt sich das Kabel 39 zu einer Seilscheibe 42, die auf einer fest mit dem Kolben 2 verbundenen Welle 43 befestigt ist. Die Welle 43 ist in vertikaler Richtung in Schlitzen im oberen Ende des verlängerten Teils des Kolbens 5 hin- und herbewegbar. Dann verläuft das Kabel über die Seilscheiben 43', 44, 45,46 und 48 und ist an der Stelle 49 an der unteren Seite der Ausgleichsmasse 33 befestigt. Es wird einleuchten, daß die Seilscheibeneinrichtung beliebig ausgedehnt oder verringert werden kann. Die Masse m der Ausgleichsmasse 33 und die Masse M des Kolbens 2 zuzüglich der Masse der Flüssigkeit über dem Pegel des oberen Rollmembranpunktes haben bei einer solchen Seilscheibeneinrichtung das Verhältnis gleich dem Übersetzungsverhältnis dieser Einrichtung. Dies bedeutet, daß bei der Konstruktion nach Fig.5 sein muß m = WiM. Weiter greift an der Ausgleichsmasse 33 noch eine Feder 50 an, die dem Kabel 39 eine bestimmte Vorspannung erteilt, so daß der Druck in der Flüssigkeit stets um einen bestimmten Wert höher ist als der Druck im Arbeitsraum 3. Die Rollmembran 8 ist somit mit der konvexen Seite dem Arbeitsraum 3 zugewandt. Wenn Massenträgheitskräfte in der Aufwärtsrichtung auftreten, nimmt infolge der Massenkräfte der Ausgleichsmasse 33 die Spannung des Kabels 39 zu, so daß die Massenkräfte des Kolbens 2 gerade kompensiert werden. Wenn hingegen abwärts gerichtete Trägheitskräfte auftreten, nimmt infolge der Massenkräfte der Ausgleichsmasse 33 die Vorspannung des Kabels 39 ab. Der Einfluß der Trägheitskräfte des Kolbens 2 auf den Druckunterschied an diesem Kolben wird somit gerade ausgeglichen.

F i g. 6 zeigt noch eine Kolbenmaschine, bei der die Massenträgheitskräfte durch eine Ausgleichsmasse 33 ausgeglichen werden, die über Kabel und Seilscheiben mit den Kolben 2 und 5 verbunden ist. Der Unterschied zur Konstruktion nach Fig.5 besteht darin, daß die Rollmembrane 8 hier ihre konkave Seite dem Arbeitsraum 3 zuwendet. Dies bedeutet, daß der Druck der Flüssigkeit stets niedriger sein muß als der Druck im Arbeitsraum 3, so daß auf den Kolben 2 eine dem Arbeitsraum 3 zugerichtete Kraft ausgeübt werden muß. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß die Feder 50 als Zugfeder ausgebildet wird, während die mit dem Kolben 5 fest verbundene Welle 41. über die Ausgleichsmasse 33 angeordnet wird und die mit dem Kolben 2 verbundene Welle 43 unter der Ausgleichsmasse 33 liegt. Die Welle 43 kann sich wieder in axialer Richtung in Schlitzen in dem verlängerten Teil des Kolbens 5 bewegen. Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 6 bedarf nach der Beschreibung von F i g. 5 keiner weiteren Erläuterung. Es sei jedoch noch bemerkt, daß die Welle 43 und die Schlitze außerdem als Anschläge dienen können, um ein zu hohes Aufsteigen des zweiten Kolbens 5 zu verhüten.

Aus vorstehendem zeigt sich, daß durch die Maßnahmen nach der Erfindung in besonders einfacher Weise die Einflüssse der Massenträgheitskräfte bei mit Rollmembranen als Abdichtungen versehenen Vorrichtungen kompensiert werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem darin axial beweglichen ersten Kolben, die gegenüber dem Arbeitsraum durch mindestens eine Rollmembran abgedichtet sind, deren vom Arbeitsraum abgewertete Seite zusammen mit Wandteilen des Zylinders und ersten Kolbens und eines mit dem Triebwerk fest gekoppelten und mit dem ersten Kolben durch Federn gekoppelten zweiten Kolbens einen mit Flüssigkeit gefüllten Raum einschließt, der mit dem Raum zwischen den beiden Kolben in offener Verbindung steht, und mit einer Einrichtung, durch die an jeder Rollmembran ein je Hub wenigstens annähernd gleichbleibender Druckunterschied aufrechterhalten wird, d a durch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben (2,5) ferner durch Zwischenglieder (Teile 30, 39, 40, 42 bis 46, 48) beweglich verbunden sind, die Ausgleichsmassen (33) aufweisen, deren Massenträgheitskräfte zu denen des ersten Kolbens (2) und der Flüssigkeit entgegengesetzt gerichtet sind.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Ausgleichsmassen (33) an einem Hebel (30) befestigt ist, der mit dem ersten (2) und mit dem zweiten (5) Kolben gelenkig verbunden ist, wobei die Gelenkverbindung (32) mit dem zweiten Kolben (5) zwischen der Befestigungsstelle der Ausgleichsmasse (33) am Hebel (30) und der Gelenkverbindung (31) dieses Hebels (30) mit dem ersten Kolben (2) liegt.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (34, 50) an den Ausgleichsmassen (33) befestigt sind.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Ausgleichsmassen (33) über ein Kabel und Seilscheiben (Teile 39, 40, 42 bis 46, 48) mit dem ersten (2) und dem zweiten (5) Kolben verbunden ist.

5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmassen (33) und die zugehörenden Hebel (30) bzw. Kabel und Seilscheiben (Teile 39, 40, 42 bis 46, 48) sich in der Flüssigkeit zwischen den beiden Kolben (2,5) befinden.