DE2017646A1 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

• "Rotationskolbenmaschine".
• Die Erfindung betrifft sine Rotationskolbenmaschine mit in einem Ringraum gleichachsig umlaufenden und relativ zueinander bewegbaren Kolben, die über gleichachsig gelagerte, gegeneinander verdrehbare Elemente zwangsgeführt sind, welche ihrerseits radial verschiebbar mit einem Steuerteil verbunden sind, das exzentrisch zur Achse der Führuugselemente drehbar gelagert ist, und die innerhalb des Ringraumes volumenveränderliche, über Steueröffnungen mit Arbeitsmedium versorgte Arbeitsräume begrenzenzen und über an ihnen vorgesehene Dichtelemente von einander trennen, nach Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 19 36 301.0).
• Eine Rotationskolbenmaschine dieser Art in ihrem Aufbau noch einfacher zu machen und inJtbesondere in Hinblick auf die Durchführung und Steuerung deß Austausches des Arbeitsmediumes noch zu verbessern, liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde.
• Erfindungsgsmäß wird dies dadurch erreicht, daß die Steueröffnungen im Umfang des Ringraumes vorgesehen sind und von den Dichtelementen IIberteuert werden. Durch eine derartige Anordnung der Steueröffnungen bzw. der Ein und Aualaßkanäle ftlr das Arbeitsmediinii werden sowohl im Hinblick auf die Fertigung als auch im Hinblick auf die Durchführung des Arbeitsprozesses besonders günstige Verhältnisse erreicht, da Stausröffnungen bei dieser Anordnung besonders leicht und praktisch ohne Mehrarbeit vorgesehen erden können und da weiter die Übersteuerung der Steueröffnungen durch die am Kolben vorgesehenen liohtelemente auch zu besonders einfachen Steuerverhältnissen führt.
• In Ausgestaltung. der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, wenn die eine Dicht-Grenze bildenden, einem Kolben zugeordneten Dichtelemente durch wenigstens einen Kolbenring gebildet sind. Zweckmäßigerweise wird eine iichtgrenze durch zwei Kolbenringe gebildet, die einander benachbart angeordnet sind, wobei die Breite der Dichtgrenze vorsugsweise etwa der in Umlaufrichtung des Kolbens gemessenen Breite der Steueröffnungen entspricht.
• Im Rahmsn der Erfindung ist es weiter von Vorteil, wenn bezogen auf die Längsrichtung eines Kolbens, dessen Dichtgrenze etwa im mittleren Kolbenbereich liegt und wenn weiter der Kolben außerhalb des Bereiches seiner Dichtgrenze in seinem Umfang gegenüber dem Umfang des Ringraumes im Durchmesser abgesetzt ist, da so nicht nur besonders günstige Reibverbältnisse zu erreichen sind, sondern ohne zusätzlichen Aufwand und bei gleichbleibender Lage der Steueröffnungen auch Einfluß darauf genommen werden kann, bei welchem Umlaufwinkel der Kolben die Steueröffnungen voll freigegeben werden und Über einen entsprechend großen Querschnitt mit dem Jeweiligen Arbeitsraum verbunden sind.
• Zu diesem Zweck kann es, z.B. bei Verwendung der Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung als Pumpe auch zweckmäßig sein, im Kolben zusätzliche, in Längsrichtung des Kolbens verlaufende Nuten, Aussparungen oder dergl. vorzusehen, die sich zwischen der Dichtegrenze und einem der Stirnenden des Kolbens erstrecken, und die beim Umlauf des Kolbens im Überdecknugsbereich mit wenigstens einer der Steueröffnungen liegeu.
• Bei Rotationskclbenmaschinen der erfindungsgemäßen Art, bei der zwei Kolben vorgesehen sind, ergibt sich eine bescnders vorteilhafte Ausführung, wenn in der Stellung der Kolben, in der diese kompressionsseitig zumindest annähernd ihre maximale Annäherung erreicht haben, die Dichtgrenzen und die Steueröffnungen in gleichen Radialebenen liegen.
• Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Einzelheiten näher erläutert, wobei die Zeichnungeu ein Ausführungsbeispiel mit den für die Erfindung wesentlichen Teilen zeigen.
• Diese Teile werden in der Beschreibung nur teilweise noch eingehend beschrieben, da die Zeichnung teilweise allein schon das Erfindungswesentliche Klar erkennen läßt. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer geöffneten Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung, die hier als Verdichter ausgebildet ist; Fig. 2 eine vollständige Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung in einem Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1,und Fit 3 bis 8 die Maschine gemäß Fig. 1 und 2 in verschiedenen Arbeitsstellungen in einer stark schematisierten Darstellung.
• Die in den Figuren dangestellte, als Verdichter arbeitende Rotationskolbeamaschiue weist einen Ringraum 1 auf, in dem zwei gleichsinnig umlaufends und geneneinander beweghare Kolben 2, 3 angeordnet sind. Jeder der Kolben 2, 3, die in Fig. 1 in ainer."Totlage" dergestellt sind, und die entsprechend dem Querschnitt des Ringraumez 1 Kreisquerschnitt aufweisen, begrenzt zusammen mit dem ihm gegenüberliegenden Kolben zwei Arbeitsräume, die über an dem Kolben vorgesehene, im Ausfübrungsbeispiel als Kolbenringe 4 ausgebildete Dichtelemente, die eine Dichtgrenze 4' bilden, voneinander abgetrennt sind. Die als Kolbenringe 4 ausgebildeten Diehtelemente, von denen im Ausführungsbeispiel je zwei eine Dichtgrenze 4' bilden, sind in der dargestellten Ausführungsform im mittleren Bereich des langgestreckten, enteprechend der Ringform gekrümmten Kolbens vorgesehen. Bei der erfindungsgemäßeu Ausgestaltung kann der Kolben über seine gesamte länge im Durchmesser soweit gegenüber dem Durchmesser des Ringraumes reduziert sein, daß zwischen dem Kolben 2 bzw. 3 und der Wand des Ringreumes keine unmittelbare Berührung stattfindet. Abgesehen von dieser Ausgestaltung, die zunächst dazu dient, die Reibung in der Maschine so klein wie möglich zu halten, kann der Kolben im übrigen weitgehend lediglich in Abhängigkeit von konstruktiven Erwägungen gestaltet sein, bei denen eine ausreichende Kolbenfestigkeit und ein möglichst geringes Kolbengewicht im Vordergrund stehen.
• Bei einer Ausführungsform wie der hier dargestellten, bei der die Ein- und Auslaßkanäle 22a und 22b unmittelber in den Ringraum 1 einmünden, und zwar in einem Bereich, in dem sie von den Dichtgrenzen 4' übersteuert werden, und bei der somit die Mündungen von Einlaßkanal 22a und Auslaßkanal 22b Steueröffnungen 23' bilden, die von den die Dichtgrenzen 4' bildenden Dichtslementen 4 übersteuert werden, kann der Absetzung des Kolbens im Durchmesser gegenüber dem des Ringraumes 1 auch noch dahingehend Bedeutung zukommen, daß auf diese Weise der Ab- bzw. Zufluß des Arbeitsmediums von bzw.
• zu den Kanälen 22a, 22b sichergestellt wird. Zu diesem Zweck kann es, über das in den Zeichnungen Dargestellte hinausgehend, insbesondere bei Verwendung der dargestellten Masehine als Flüssigkeitspumpe, auch zwsckmäßig sein, im Kolben 2 bzw. 3 gegen die Dichtgrenze 4' zu von zumindest einer Kolbenstirnseite aus, einen Kanal verlaufen zu lassen, der beispielsweise durch eine Ausbuchtung im Kolben gebildet ist und der in einem Bereich des Kolbens angeordnet ist, der beim Umlauf des Kolbens an den Steueröffnungen 23' entlanggeführt wird. Abweichend von dem in der Ausführungsform Dargestellten ist as selbstverständlich auch möglich, die Ein- und Auslaßkanäle, bzw. deren Steueröffnungen bezogen auf eine Quermittelebene der Maschine, gegeneinander versetzt anzuordnen, so daß für den Ein- bzw. Auslaß im Kolben getrennte Kanäle vorgesehen werden können, die entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen auch unterschiedlich bemessen werden können.
• Die Reibung zwischen dem Kolben und der Wand des Ringraumes wird dadurch bei der erfindungsgemäßen Lösung auf ein Minimum beachränkt, daß die Kolben 2, 3 über Führungselemente 5 zwangsgeführt sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Führungselemente 5 gleichachsig zum Ringraum 1 auf der Maschinenwelle 6 gelagert. Jedes der Führungselemente 5 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Arm 7, der an eine auf der Welle 6 sitzende Ringbuchse 8 anschließt. Das aus dem Arm 7 und der Ringbuchse 8 bestehende Führungselement5 eines der Kolben, hier des Kolbens 2, ist drehfest mit der Welle 6 verbunden, und zwar im Ausführungsbeispiel über die angedeutete Nutfederverbindung 9. Die Führungselemente 5 sind erfindungsgemäß über ein Stenerteil 10 zwangsgeführt, das vorzugsweise aus einem Ringkörper, und zwar insbesondere einer Buchse besteht, die Ausnehmungen 11 zur Durchführung der Arme 7 der Fübrungselemente 5 aufweist. Das Steuerteil 10 ist exzentrisch zur Welle 6 angeordnet, was insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist.
• Die Verbindung zwischen den Armen 7 der Führungselemente 5, die mit dem Steuerteil 10 und den Kolben 2 bzw. 3 umlaufen, und den Kolben 2 bzw. 3 erfolgt über Ringteile 12, 13, die, wie die Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 erkennen läßt, vorzugsweise winkelförmig ausgebildet sind und einen radial nach außen sich erstreckenden Schenkel 12a bzw. 13a sowie sinen axial sich erstreckenden Schenkel 12b bzw. 13b aufweisen. Die radial nach außen ragenden Schenkel 12a bzw.
• 13a der Ringteile 12, 13 liegen in einem Ringspalt 14 und bilden mit ihren radial äußeren Stirnseiten einen Teil der Wandung des Ringraumes 1. Der Ringspalt 14 ist seitlich durch Ringbunde 15, 16 begrenzt, die jeweils einer der den Ringraum 1 im wesentlichen bildenden Ringhalbschalen 17, 18 zugeordnet sind, Die einander zugewandten, den Ringspalt 14 im wesentlichen begrenzenden Ringkanten 19 der Ringbunde 15, 16 sind zumindest in ihrem radial inneren Bereich abgeschrägt und es ist in dem durch die Abschrägung entstandenen, im wesentlichen dreiecksförmigen Ringraum jeweils ein dreiecksförmiger Dichtring 20 eingesetzt.
• Zwischen den radial nach außen verlaufenden Schenkeln 12a, 15a der Ringteile 12, 13 ist ein weiterer Dichtring 21 vorgesehen, der in korrespondieranden Nuten der Ringteile 12, 13 angeordnet ist.
• In die axial sich erstreckenden Schenkel 12b, 13b der Ringteile 12, 13 greifen die Arme 7 der Führungselemente 5 ein, wie dies hier für den Ringteil 12 dargestellt ist. Diese Arme 7 sind gleichzeitig schwenkbar und in radialer Richtung verschiebbar in dem Steuerteil 10 geführt, was im Ausführungsbeispiel durch ein Kugelgelenk 24 erreicht wird.
• Statt eines derartigen Kugelgelenkes Können selbstverständlich aber auch andere Führungen vorgesehen sein. Die tragende Verbindung der Kolben 2, 3 mit den Ringteilen 12, 13 erfolgt, was Fig. 1 schematisch sichtbar macht, über Stiftverbindungen 25, deren Stifte 26 einerseits in den radial nach außen sich erstreckenden Schenkelu 12a, 13a der Ringteile 12, 13 und anderereits in den Körper des Kolbens 2 bzw. 3 eingreifen.
• Der Ein- bsw. Auslaßkanal 22a bzw. 22b mit der jeweils zugehörigen Steueröffnung 23' ist im Ausführungsbeispiel so gelegt, daß die Steueröffnungen 23' bei kompressionsseitig minimalem bzw. saugseitig maximalem Volumen im Übersteuerungsbereich der an den Kolben 2, 3 vorgesehenen Dichtgrenzen 41 liegen Die Breite der durch die beiden mit geringem Abstand nebeneinander liegenden Kolbenringe 4 gebildeten Dichtegrenzen 4' ist des so groß, daß die Steueröffnungen 23' völlig überdeckt sind.
• Die den Ringraum 1 im wesentlichen begreuz-enden Ringhalbschalen 17, 18 sind im Ausführungsbeispiel über Gehäusedeckel 27, 28 fixiert und zentriert, die gleichzeitig die Lagerung des Steuer teiles 10 und der Welle 6 aufnehmen und die über Zentrierbunde 29, 30 gegenüber den Ringbunden 15, 16 festgelegt sind und sich auf diesen abstützen. Die Gehäusedeckel 27, 28 weisen zentrale Ausnehmungen 31, 32 auf, in denen die Lager 33 für die Welle 6 angeordnet sind. Als Lager sind hier Schrägrollenlager vorgesehen, so daß über die Welle die Gehäusedeckel 27, 28 axial gegeneinander zu verspannen sind. Die Ausnehmungen 31, 32 sind nach außen him über weitere Deckel 34 abschließbar. In den Gehäusedeckeln 27, 28 sind innenseitig feruer Ausnehmungen 35, 36 vorgesehen, die Kreisquerschnitt aufweisen und in denen das als Buchse ausgebildete Steuerteil 10 gefübrt ist.
• Wie Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 2 erkennen läßt, liegt bei der dargestellten Ausfüghrungsform die Verbindungslinie der Mittelpunkte 37 der Kugelgelenke 24, also der Führungen für die Arme 7 der Führungselemente 5 in dem Steuerteil 10 so, daß sie die Achse 38 des Steuerteiles 10 schneidet.
• Bei einer derartigen Anordnung ergeben sich, da die Führungselemente 5 symmetrisch zu einer Ebene liegen, die die Achse der Weile 6 und die Achse des Steuerteiles 10 enthält, uach 180°-Wellendrehung jeweils wieder entsprechende Kolbenlagen, so daß sich auf eine volle Wellenumdrehung jeweils zwei gleiche Arbeitstakte ergeben. Dies lassen auch die Fig. 3 und 8 erkennen.
• Die den Ringraum 1 im wesentlichen begrenzenden Ringhalbschalen können außenseitig mit radialen Kühlrippen versehen sein. Entsprechend dem bei einer derartigen Rotationskolbenmaschine über deren Umfang unterschiedlichen Wärmeanfall können die Rippen, die gleichzeitig eine Aussteifung der Ringhalbschalen bilden können, unterschiedlich dicht angeordnet und auch unterschiedlich boch ausgebildet sein.
• Die anhand des Ausführungsbeispieles dargestellte Grundkonzeption siner Maschine gemäß der Erfindung ermöglicht unter entsprechenden Anpassungen und unter Beibehaltung der prinzipiellen Merkmale sowchl eine Verwendung als Pumpe, Vakuumpumpe, ale auch Motor, und sie macht insbesondere auch einen vielseitigen Einsatz möglich. So kann beispielsweise eine derartige Maschine bei entsprechender Ausgestaltung auch sowchl als Verdichter, wie als Pumpe oder Vakuumpumpe singesetzt werden. Ein derartig vielseitiger Einsatz ist insbesondere für Katastrophenfälle von Bedeutung.
• Die Figuren 3 bis 8 zeigen verschiedene Betrisbsstellungen der Maschine gemäß Figuren 1 und 2. Ausgehend von der Ausgangsstellung gemäß Fig. 3 verringert sich, wie die Figuren erkennen lassen, der mit V bezeichnete, zwischen den Kolben 2 und 3 liegende Arbeitsraum, bis die maximale Verdichtung für diesen Arbeitsraum bei einer Stellung der Kolben gemäß Fig. 7 erreicht ist. Die Figuren 5, 4 und 6 zeigen, wie zwischen-zeitlich der init S bezeichnete Arbeitsraum stets.
• größer wird, bis er seine Maximalgröße in Fig. 7 erreicht bat. In der Darstellung gemäß Fig. 5 sind die Arbeitsräume S und V gleich groß Entsprechend der angezeigten Umlaufrichtung stellen die Arbeitsräume, wenn sie jeweils die mit S bezeichneten Lagen einnehmen, einen Saugraum, und wenn sie die mit V bezeichneten Lagen einnehmen, einen Verdichtungsraum dar Die Verschiebung der Kolben gegeneinander bei gleicher Umlaufrichtung ergibt sich durch die verschiedenen Winkellegen der Führungselemente 5 gegen er dem Steuerteil 10 bei gleichzeitiger Veränderung des Radius, d.h. des Abstandes, den der Mittelpunkt 37 einer als Kugelgelenk 24 ausgebildeten Führung von der Achse der Welle 6 aufweist.

Claims (11)

A n s p r ü c h e

1. Rotationskolbenmaschine mit in einem Ringraum gleichachsig umlaufenden und relativ zueinender bewegbaren Kolben, die über gleichachsig gelagerte, gegeneinander verdrehbare Elemente zwangsgeführt sind, welche ihrerseits radial verschiebbar mit einem Steuerteil verbunden sind, das exzentrisch zur Achse der Führungselemente drehbar gelagert ist, und die innerhalb des Ringraumes volumenveränderliche, über Steueröffnungen mit Arbeitsmedium versorgte Arbeitsräume begrenzen und über an ihnen vorgesehene Dichtelemente voneinander trennen, nach Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 19 36 301.

0) dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (23') im Umfang des Ringraumes (1) vorgesehen und von den Dichtelementen (4) übersteuert sind.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umaufrichtung der Kolben (2, 3) gemessene Breite der Steueröffnungen (23'> eta der Breite der an jedem der Kolben (2, 3) vorgesehenen, eine Dichtgrenze (4') bildenden Dichtelemente (4) entspricht.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umlaufrichtung der Kolben (2, 3) gemessene Breite der Steueröffnungen (23') kleiner als die Breite einer Dichtgrenze (4') ist.

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einem Kolben (2 bzw. 3) zugehörige Dichtgrenze durch wenigstens einen Kolbenring als Dichtelement (4) gebildet ist.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Kolben (2 bzw. 3) zugehörige Dichtgrenze (4') durch zwei benachbart angeordnete Kolbenringe (4) gebildet ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Längsrichtung eines Kolbens (2 bzw. 3) dessen Dichtgrenze (4') im mittleren Bereich liegt.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2 bzw. 3) im Bereich zwischen der Dichtgrenze (4') und wenigstens einer seiner Stirnflächen zumindest teilweise im Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des Ringraumes abgesetzt ist.

8. Rotationskolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben im Bereich zwischen der Dichtgrenze (4') und wenigstens einer seiner Stirnflächen über den ganzen Umfang im Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des Ringraumes abgesetzt ist.

9. Rotationskolbenmaschine nach einem oder mebreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Umfang des Kolbens im Bereich zwischen wenigstens einer seiner Stirnflächen und der Dicht-grenze (4') eine in Längsrichtung des Kolbens (2 bzw. 3) verlaufende Nut vorgesehen ist, die bei Umlauf des Kolbens im Überdeckungsbereieh mit wenigstens einer der Steueröffnungen (23') liegt.

10. Rotationskelbenmaschine, bei der zwei Kolben vorgesehen sind, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekeunzeichnet, daß in einer Stellung der Kolben (2, 3), in der diese kompressionsseitig ihre maximale Annäherung erreicht haben, die Dichigrenzen (4') und die Steueröffnungen (23') in gleichen Redialebenen liegen.

11. Roteationskolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stellung, in der die Kolben (2, 3), kompressionsseitig ihre maximale Annäherung erreicht haben, wenigstens eine der Dichtgrenzen (4') der Kolben (2,3) die jeweilige Steueröffnung (23') überdeckt.