DE19531314A1 - Umlaufkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine zur Wandlung von Bewegungsenergie in Druckenergie eines Arbeitsmediums, vorzugsweise eines Gases; auch die umgekehrte Wandlung von Druckenergie in Bewegungsenergie ist möglich. Die Kolbenmaschine zeichnet sich durch eine hohe Effektivität aus, da sich die Kolben in eine stets gleich­ bleibende Richtung bewegen; es treten nicht die Energieverluste auf, die durch das Beschleunigen und Verzögern der Masse des oszillierenden Kolbens beim Hubkolben­ prinzip zu verzeichnen sind.

In der Technik sind Umlaufkolbenpumpen bekannt, bei denen die Förderung darauf beruht, daß entweder durch die umlaufende Drehbewegung eines im Pumpengehäuse befindlichen Verdrängers der saugseitige Gehäuseraum vergrößert und der druckseitige Gehäuseraum verkleinert wird, wie z. B. bei Schlauchpumpen oder Pumpen mit elasti­ schem Drehkolben, oder daß eine einfache Verdrängung ohne Änderung des jeweiligen Förderquerschnittes stattfindet. Solche Pumpen sind z. B. Zahnrad- und Spindelpum­ pen. Darin führen geradverzahnte Stirnräder oder mit Schrägzähnen ausgestattete Spindeln, die von einem Kapselgehäuse am Umfang dicht umschlossen sind, eine Drehbewegung aus; sie wirken dabei gleichzeitig als Verdränger und Abschlußorgan zwischen Saug- und Druckseite. Nachteilig sind hohe Rückstromverluste und die dar­ aus folgende Nutzungsbeschränkung für geringe Drücke.

Bekannt sind weiterhin Umlaufkolbenverdichter, in denen sich Kolben mit etwa gleich­ bleibender Geschwindigkeit in einem Gehäuse drehen. Ausführungsformen sind z. B. Schraubenverdichter mit einer der Spindelpumpe ähnlichen Wirkungsweise und Zellen­ verdichter. Bei letzteren sind in einen Läufer, der exzentrisch im Gehäuse gelagert ist, Schieber eingesetzt, die durch ihre Fliehkraft nach außen gegen die Gehäuseinnen­ wand gedrückt werden; der Arbeitsraum wird durch die Schieber in Kammern geteilt, deren Volumina sich mit der Drehung des Läufers vom Saugraum zum Druckraum hin stetig verkleinern, wodurch eine Verdichtung des Arbeitsmediums stattfindet. Nachteilig sind auch hier die aufgrund von Rückströmverlusten geringen Drücke.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Umlaufkolben­ maschine zu schaffen, bei der die Rückströmverluste auf ein Minimum reduziert sind. Die Maschine soll mit verhältnismäßig geringem Fertigungsaufwand herstellbar sein und betriebssicher arbeiten.

Diese Aufgabe wird für eine Umlaufkolbenmaschine, bei der mehrere Kolben in einem Gehäuse auf einer Kreisbahn aufeinander folgend umlaufen und zwecks Übertragung eines Drehmomentes mit einer Welle verbunden sind, dadurch gelöst, daß die äußere Kontur der Kolben dem Querschnitt des Gehäuseinnenraumes angeglichen ist, wobei die Abmessungen von Gehäusequerschnitt und Kolbenumfang so aufeinander ab­ gestimmt sind, daß die Gehäuseinnenfläche die Kolben gleitend und am gesamten Kolbenumfang dichtend führt.

Jeder Kolben weist zwei Kolbenflächen auf; die erste Kolbenfläche entspricht der Flä­ che, von denen jeder Kolben in Umlaufrichtung begrenzt ist; die zweite Kolbenfläche entspricht der Fläche, von denen jeder Kolben entgegengesetzt zur Umlaufrichtung begrenzt ist. Beide Kolbenflächen sind im wesentlichen senkrecht zur Umlaufrichtung der Kolben ausgerichtet. Jeweils zwischen der rückwärtigen Kolbenfläche eines vor­ auslaufenden Kolbens und der vorderen Kolbenfläche eines nach laufenden Kolbens ist eine Arbeitskammer eingeschlossen, deren Position sich in Abhängigkeit von der Position der Kolben ändert, d. h. die Arbeitskammer wird zwischen den umlaufenden Kolben mitgeführt. Jeder Kolben ist mit Getriebegliedern zur Zwangssteuerung seiner Umlaufbewegung verbunden, wobei die Getriebeglieder so ausgebildet sind, daß sich die Kolben zwar stets in gleichbleibender Umlaufrichtung, jedoch mit ungleichförmiger Geschwindigkeit bewegen, und zwar so, daß die Geschwindigkeitsänderungen bei den aufeinander folgenden Kolben gegensätzlich erfolgen: wird ein Kolben beschleunigt, werden der vorauslaufende und der nachfolgende verzögert. Dadurch vergrößern und verkleinern sich die Rauminhalte der Arbeitskammern zwischen den Kolben alternie­ rend. Die Getriebeglieder sind weiterhin so gestaltet, daß sich der größte Rauminhalt der Arbeitskammern stets an derselben Position der Kreisbahn ausbildet; ebenso gibt es eine Position der Kreisbahn, an der sich die Arbeitskammern mit kleinstem Raumin­ halt ausbilden. Vor der Stelle der Umlaufbahn, an welcher sich mit dem Umlauf der Kolben wiederkehrend eine Arbeitskammer mit größtem Rauminhalt ausbildet, weist das Gehäuse eine Einlaßöffnung zur Zuführung eines Mediums in das Gehäuseinnere auf. Etwa an der Stelle der Umlaufbahn, an welcher sich mit dem Umlauf der Kolben wiederkehrend eine Arbeitskammer mit kleinstem Rauminhalt ausbildet, weist das Gehäuse eine Auslaßöffnung zur Abführung des Mediums aus dem Gehäuseinneren auf.

In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sind zwei umlaufende Kolben vorgesehen; als Getriebeglieder zur Zwangssteuerung der Umlaufbewegung ist für jeden Kolben eine Doppelkurbel vorhanden. Dabei erfolgt die Übertragung des Drehmomentes von der Welle auf den ersten Kolben über eine erste Kurbel und eine erste Koppel und die Übertragung des Drehmomentes von der Welle auf den zweiten Kolben über eine zweite Kurbel und eine zweite Koppel. Die beiden Kurbeln sind um einen Winkel von 180° zueinander versetzt mit der Welle verbunden; die Rotationsachse der Welle und die Mittelachse der Kolbenumlaufbahn sind um eine Exzentrizität e ver­ setzt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Anordnung von Kolben und Gehäuse im Querschnitt

Fig. 2 das Getriebeschema

Fig. 1 zeigt zwei Kolben 1, 2, die in einem Gehäuse 3 auf einer Kreisbahn in der Um­ laufrichtung 4 beweglich angeordnet und zwecks Übertragung eines Drehmomentes über Getriebeglieder mit einer Welle 5 verbunden sind. Die äußere Kontur der Kolben 1, 2 ist dem Querschnitt des Gehäuseinnenraumes angeglichen. Das trifft sowohl zu für den dargestellten Schnitt wie auch für den Schnitt senkrecht zur Zeichenebene, d. h. die Abmessungen des Gehäusequerschnittes und des Kolbenumfanges sind so aufeinan­ der abgestimmt, daß die Gehäuseinnenfläche die Kolben 1, 2 gleitend und am Kolben­ umfang dichtend führt. Die innere Führung 10 kann beweglich angeordnet oder auch, bei entsprechender konstruktiver Gestaltung, feststehender Teil des Gehäuses 3 sein. Jeder der Kolben 1, 2 weist zwei Kolbenflächen auf; dabei entspricht die Kolbenfläche 6.1 der Fläche, von welcher der Kolben 1 in Umlaufrichtung 4 begrenzt ist; die Kolben­ fläche 7.1 entspricht der Fläche, von welcher der Kolben 1 entgegengesetzt zur Umlauf­ richtung 4 begrenzt ist. Das gilt analog für den Kolben 2 mit den Kolbenflächen 6.2 und 7.2. Alle Kolbenflächen im Beispiel sind senkrecht zur Umlaufrichtung 4 ausgerichtet. Der Kolben 1 eilt dem Kolben 2 voraus; zwischen der rückwärtigen Kolbenfläche 7.1 des Kolbens 1 und der vorderen Kolbenfläche 6.2 des nach laufenden Kolbens 2 ist eine Arbeitskammer 8 eingeschlossen, die außer von den beiden Kolbenflächen 7.1 und 6.2 von der Gehäusewandung begrenzt ist. In gleicher Weise ist eine Arbeitskammer 9 zwischen der Kolbenfläche 6.1 des Kolbens 1 und der Kolbenfläche 7.2 des Kolbens 2 ausgebildet. Jeder der beiden Kolben 1, 2 ist über eine Doppelkurbel mit der Welle 5 verbunden. Dabei sind zur Übertragung des Drehmomentes von der Welle 5 auf den Kolben 1 eine Kurbel 11 und eine Koppel 12 und zur Übertragung des Drehmomentes von der Welle 5 auf den Kolben 2 eine Kurbel 13 und eine Koppel 14 vorhanden (vgl. Fig. 2). Die Kurbeln 11 und 13 sind um einen Winkel von 180° gegeneinander versetzt; die Rotationsachse der Welle 5 und die Mittelachse 15 der Kolbenumlaufbahn sind um die Exzentrizität e zueinander versetzt.

Das Gehäuse 3 weist vor der Position der Arbeitskammer mit dem größten Volumen, in der dargestellten Situation ist das die Arbeitskammer 9, eine Einlaßöffnung 16 zur Zuführung eines Mediums in das Gehäuseinnere auf. Etwa an der Stelle der Umlauf­ bahn, an der sich die Arbeitskammer mit kleinstem Rauminhalt ausbildet, in der darge­ stellten Situation ist das die Position der Arbeitskammer 8, weist das Gehäuse eine Auslaßöffnung 17 zur Abführung des Mediums aus dem Gehäuseinneren auf.

Befindet sich die erfindungsgemäße Anordnung in Betrieb, ändern sich während des Umlaufes der Kolben 1, 2 in Abhängigkeit von den Kolbenpositionen die Positionen der Arbeitskammern 8 und 9, d. h. diese werden zwischen den Kolben 1, 2 auf der Umlauf­ bahn mitgeführt. In der in Fig. 1 dargestellten Augenblickssituation weisen die Ar­ beitskammer 8 das kleinstmögliche und die Arbeitskammer 9 das größtmögliche Volu­ men auf. Aufgrund der Gestaltung der Getriebeglieder laufen beide Kolben 1, 2 zwar stets in gleichbleibender Richtung um, jedoch werden sie während des Umlaufens abwechselnd beschleunigt und verzögert. Das erfolgt bei beiden Kolben gegensätzlich, d. h. während Kolben 1 verzögert wird, wird der Kolben 2 beschleunigt und umgekehrt. Dadurch verringern und vergrößern sich die Abstände zwischen den Kolbenflächen 7.1 und 6.2 sowie zwischen den Kolbenflächen 6.1 und 7.2 alternierend. Diese Abstands­ änderung bewirkt ein Vergrößern und Verkleinern der Arbeitskammern 8 und 9. Betrach­ tet man die Darstellung in Fig. 1 als Ausgangssituation, so wird im nun folgenden Bewe­ gungsablauf der Kolben 1 schneller bewegt als der Kolben 2, und zwar so, daß nach Ablauf eines halben Bewegungszyklus die Kolbenfläche 6.1 die Position der Kolben­ fläche 6.2 eingenommen hat und sich die Kolbenfläche 7.2 an der Stelle der Kolben­ fläche 7.1 befindet. Der größte wie auch der kleinste Rauminhalt bilden sich dabei stets an den in Fig. 1 gezeigten Positionen aus.

Überstreicht die sich vergrößernde Arbeitskammer 8 den Bereich der Einlaßöffnung 16, wird aufgrund des Unterdruckes in der Arbeitskammer 8 das Fördermedium durch die Einlaßöffnung 16 in die Arbeitskammer 8 gesaugt. Die Arbeitskammer 8 wird nun weitergeschoben und die Einlaßöffnung 16 durch den Kolben 2 verschlossen. Jetzt verringert sich das Volumen der Arbeitskammer 8 wieder, wobei das darin enthaltene Medium verdichtet wird. Überstreicht die Arbeitskammer 8 die Auslaßöffnung 17, kann sich das Medium entspannen, indem es über die Auslaßöffnung 17 abströmt.

In analoger Weise nimmt die Arbeitskammer 9 einen weiteren Teil des Fördermediums beim Übersteichen der Einlaßöffnung 16 auf und transportiert es bei gleichzeitiger Kompression zur Auslaßöffnung 17, wo es abströmt. Mit zunehmender Umlauffrequenz der Kolben 1, 2 wird eine gleichmäßigere Förderung des Mediums erreicht.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß aufgrund der geringen Rückströmverluste hohe Drücke erreichbar sind. Bedeutend ist, daß sich bei entspre­ chender konstruktiver Ausführung des vorgeschlagenen Prinzips mit der Exzentrizität e während des Betriebes die Rauminhalte der Arbeitskammern 8, 9 variieren lassen und damit der Hubraum beeinflußbar ist. Die Anwendung kann sowohl als Kompressor wie auch als Pneumatik-Motor bzw. mit zusätzlicher Ventilsteuerung auch als Verbrennungs­ motor erfolgen; dann dient die Welle 5, je nachdem, welcher Einsatzfall vorgesehen ist, als Antriebs- oder Abtriebswelle.

Bezugszeichenliste

1, 2 Kolben
3 Gehäuse
4 Umlaufrichtung
5 Welle
6, 7 Kolbenflächen
8, 9 Arbeitskammern
10 innere Führung
11, 13 Kurbeln
12, 14 Koppeln
15 Mittelachse der Kolbenumlaufbahn
16 Einlaßöffnung
17 Auslaßöffnung
e Exzentrizität.

Claims (7)

1. Umlaufkolbenmaschine mit mehreren Kolben, die im Inneren eines feststehenden Gehäuses auf einer Kreisbahn aufeinander folgend um laufen und die zwecks Über­ tragung eines Drehmomentes mit einer Welle verbunden sind, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die Kolben in ihrer äußeren Kontur dem Querschnitt des Gehäuseinnenraumes angeglichen und die Abmessungen von Gehäusequerschnitt und Kolbenumfang so aufeinander abgestimmt sind, daß die Gehäuseinnenfläche die Kolben gleitend und am gesamten Kolbenumfang dichtend führt,
• - daß jeder Kolben zwei Kolbenflächen aufweist, von denen die erste, vordere Kolbenfläche der Fläche entspricht, die den Kolben in Umlaufrichtung begrenzt und die zweite, rückwärtige Kolbenfläche der Fläche entspricht, die den Kolben entge­ gengesetzt zur Umlaufrichtung begrenzt,
• - daß beide Kolbenflächen im wesentlichen senkrecht zur Umlaufrichtung der Kolben ausgerichtet sind,
• - daß jeweils zwischen der rückwärtigen Kolbenfläche eines voraus laufenden und der vorderen Kolbenfläche eines nachfolgenden Kolbens eine Arbeitskammer einge­ schlossen ist, deren Position sich mit der Umlaufposition dieser beiden Kolben ändert,
• - daß jeder Kolben mit Getriebegliedern zur Zwangssteuerung seiner Umlauf­ bewegung verbunden ist,
• - daß die Getriebeglieder so ausgebildet sind, daß sich jeder Kolben zwar stets in gleichbleibender Umlaufrichtung, jedoch mit ungleichförmiger Geschwindigkeit bewegt und die Geschwindigkeitsänderungen bei zwei aufeinander folgenden Kol­ ben stets gegensätzlich sind, wodurch sich der Rauminhalt der Arbeitskammer zwischen diesen Kolben abwechselnd vergrößert und verkleinert, daß die Getriebeglieder weiterhin so ausgebildet sind, daß größter und kleinster Rauminhalt einer Arbeitskammer stets an gleichen Positionen der Kreisbahn zu verzeichnen sind,
• - daß das Gehäuse vor der Stelle der Umlaufbahn, an welcher sich mit dem Umlauf der Kolben wiederkehrend eine Arbeitskammer mit größtem Rauminhalt ausbildet, eine Einlaßöffnung zur Zuführung eines Mediums in das Gehäuseinnere aufweist und
• - daß das Gehäuse etwa an der Stelle der Umlaufbahn, an welcher sich mit dem Umlauf der Kolben wiederkehrend eine Arbeitskammer mit kleinstem Rauminhalt ausbildet, eine Auslaßöffnung zur Abführung des Mediums aus dem Gehäuse­ inneren aufweist.

2. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kol­ ben vorgesehen sind.

3. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zwangssteuerung der Umlaufbewegung für jeden Kolben eine Doppelkurbel vorge­ sehen ist.

4. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Drehmomentes von der Welle (5) auf den ersten Kolben (1) eine erste Kurbel (11) und eine erste Koppel (12) vorhanden sind.

5. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Drehmomentes von der Welle (5) auf den zweiten Kolben (2) eine zweite Kurbel (13) und eine zweite Koppel (14) vorhanden sind.

6. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbel (11) und die Kurbel (13) um einen Winkel von 180° versetzt mit der Welle 5 mechanisch fest verbunden sind.

7. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse der Welle (5) und die Mittelachse (15) der Kolbenumlaufbahn um eine Exzentrizität e versetzt sind.