DE1503452C3 - 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

to 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.

3 4

Um diese Nachteile zu beheben, sind bei der Innenwand des Kolbens 2 zusammenwirkt. Wenn die

Kolbenmaschine die beiden Kolben durch Zwischen- Lage des Kolbens 2 gegenüber dem Kolben 5 von der

glieder beweglich verbunden, die Ausgleichsmassen einem bestimmten, gewünschten Druckunterschied

aufweisen, deren Massenträgheitskräfte zu denen des entsprechenden Lage dieser Kolben 2^ 5 abweicht, gibt

ersten Kolbens und der Flüssigkeit entgegengesetzt 5 der Kolben 2 das Loch 11 frei oder schließt dieses ab.

gerichtet sind. Nach der Freigabe des Lochs 11 kann Flüssigkeit aus

Bei einer günstigen Ausführungsform der Kolbenma- dem Raum 4 zurück in den Flüssigkeitsbehälter strömen,

schine nach der Erfindung ist jede der Ausgleichsmassen so daß der Abstand zwischen den Kolben 5 und 2 kleiner

an einem Hebel befestigt, der mit dem ersten und mit wird. Ist das Loch 11 verschlossen, so pumpt die

dem zweiten Kolben gelenkig verbunden ist, wobei die io Flüssigkeitspumpe, 9 Flüssigkeit in den Raum 4. ein,

Gelenkverbindung mit dem zweiten Kolben zwischen wodurch der Abstand zwischen den Kolben 2 und.5

der Befestigungsstelle der Ausgleichsmasse am Hebel zunimmt. In Betrieb schneidet, die untere Seite des

und der Gelenkverbindung dieses Hebels mit dem Kolbens 2 das Loch 11, so daß dauernd Flüssigkeit aus

ersten Kolben liegt. dem Raum 4 wegfließen kann, die kontinuierlich durch

Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der 15 die Flüssigkeitspumpe 9 ergänzt wird. _: ./

Kolbenmaschine nach der Erfindung hat das Merkmal, Auf den Kolben 2 greifen eine oder mehrere

daß die Federn an den Ausgleichsmassen befestigt sind. Druckfedern 19 an, die dafür sorgen, daß der Druck der

Eine weitere Ausführungsfprm der Kolbenmaschine Flüssigkeit im Raum 4 stets um einen bestimmten Wert

nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß niedriger ist als der Druck im Arbeitsraum 3. Diese

jede der Ausgleichsmassen über ein Kabel und 20 Druckfedern 19 haben eine verhältnismäßig flache

Seilscheiben mit dem ersten und dem zweiten Kolben Kennlinie, so daß bei etwaiger Änderung des Abstandes

verbunden ist. zwischen den Kolben der Druckunterschied sich kaum

Bei einer weiteren Ausführungsform der Kolbenma- ändert. .. _:... ..·,.-■..■ . ., . ;; , _; - -,;■.

schine der Erfindung befinden sich die Ausgleichsmas- Wenn aus irgendeinem Grund mehr Flüssigkeit, aus

sen und die zugehörenden Hebel bzw. Kabel und 25 dem Raum 4 abgeführt wird als durch die Leitung 10

Seilscheiben in der Flüssigkeit zwischen den beiden hereinströmt, sind die Folgen für die Rollmembrane

Kolben. nicht ernstlich. Die Druckfedern 19 werden nur etwas

Aus vorstehendem ergibt es sich, daß die Erfindung zu kürzer, wobei der Abstand zwischen den Kolben 2 und.5

einer äußerst einfacher Konstruktion führt, durch sich etwas verkleinert. Wird zu einem anderen

welche der beeinträchtigende Einfluß der Massenträg- 30 Zeitpunkt etwas mehr Flüssigkeit zugeführt, so erreicht

heitskräfte des ersten kolbenartigen Körpers und der der Abstand.zwischen den Kolben 2 und 5 wieder; den

Flüssigkeit bei jeder Umdrehungszahl behoben wird.. Anfangswert. Diese Vorgänge haben keinen ungünsti-

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher gen Einfluß auf die Rollrnembrane. ■■ ■-■ ., ■_,.·.

erläutert,, die einige Beispiele von Kolbenmaschinen Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist der,

nach der Erfindung darstellt. 35 daß bei hohen Umdrehungszahlen und/oder einem

F i g. 1 zeigt eine bekannte Kolbenmaschine; die kleinen Durchmesser des Kolbens 2 die Massenkräfte

Fig.2, 3 und 4 zeigen vier verschiedene Kolbenma- des Kolbens 2 hinderliche Schwankungen des Druck-

schinen im Schnitt, welchen zum Ausgleichen der Unterschieds an der Rollmembrane 1 hervorrufen. ;.

Massenträgheitskräfte des hydraulisch angetriebenen . Die die Änderungen des Druckunterschieds hervprru-

Kolbens eine mit einem Hebel zusammenwirkende ₄₀ fenden Massenträgheitskräfte sind gleich Μω?Γ sincut.

Ausgleichsmasse vorgesehen ist; die Dabei bezeichnet; M die Masse des Kolbens 2 zuzüglich

F i g. 5 und 6 zeigen eine Kolbenmaschine im Schnitt, der Masse einer Flüssigkeitsmenge, mit einem Volumen

bei der hydraulisch angetriebene Kolben durch ein Kabel das dem durch die Innenseite des Kolbens 2 und die

und eine Anzahl von Seilscheiben mit der Ausgleichs- Berührungsebene A-A der Rollmembrane in der

masse verbunden sind. 45 Mittellage der Kolben 2 und 5 umschlossenen Raum

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Zylinder, in demein entspricht, ω die Winkelgeschwindigkeit der Kurbel, mit

Kolben 2 beweglich ist. Der Kolben 2 begrenzt einen der der Kolben 5 durch die Triebstange 6 yerbunderi ist,

Arbeitsraum 3. Dieser kann z. B. der Kompressionsraum rden Kurbelradius. : > ::,

eines Kompressors oder der Kompressions- oder Die Massenträgheitskräfte rufen einen zusätzlichen

Expansionsraum einer Heißgaskolbenmaschine, sein. 50 Druckunterschied an der Rollmembrane und an dem

Die andere Seite des Kolbens 2 begrenzt einen mit Kolben 2 hervor, der gleich .....: ; ^

Flüssigkeit gefüllten Raum .4, dessen; Flüssigkeit mit ;: iV/cu²/· ^; < i'■·■■:;:■-^;

einem Kolben 5 in Berührung ist, der durch eine -^extra — sin tut >

Triebstange 6 mit einer Kurbel7 verbunden ist, die in .·.';. : :■ ν.-,. ■: ■:.■ ^π'· # ■■"'-. .;,..:

bekannter Weise angetrieben werden kann. Die 55 ■■ ■: ..-.·■■. o:4., - .^! . ■„; /-.-.■.-.■' ■ .■^:;

Abdichtung zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 1 ist. Dabei bezeichnet ; . . ;:

wird durch eine Rollmembran 8 gebildet. An den Raum 1—-. ■

4 schließt sich eine Regelvorrichtung an, durch welche ^ d = 1/—-(^ + *d|) ; .; ^v

der Druckunterschied auf der Rollmembran 8 konstant - ' ? ■;■■<,..■,....:>·■■'■ '

bleibt und ein gewisser Durchfluß von Flüssigkeit durch 60 wobei d\ und di den Durchmesser des Kolbens 2 bzw. 5

den Raum 4 erhalten wird, um zu verhüten, daß die bezeichnen. ■■·.·■' . ν

Menge der gegebenenfalls durch die Rollmembrane Diese Druckschwankungen infolge der Massenträg-

durchdringenden Flüssigkeit zu groß wird. ; . heitskräfte bringen unerwünschte Längenänderungen

^: Diese Regelvorrichtung wird durch eine Flüssigkeits- der Rollmembrane 8 mit sich, die infolgedessen unter

pumpe 9 gebildet, diedurch eine; Leitung !Odern Raum4 .65 Umständen eine kürzere Lebensdauer haben kann.,: >■.·.

Flüssigkeit zuführen kann. Ferner ist die Wand des -Die zusätzlichen· Druckschwänkungen infolge ■+ der

Kolbens 5 mit einem Loch 11 (gegebenenfalls mit ' Trägheit des Kolbens 2 können vollständig und bei jeder

mehreren Löchern) versehen, das mit einem Teil der '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 de.r 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- _fo 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 = 1/3M 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 Fig.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.