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Vorrichtung mit umlaufendem Verdränger Die Erfindung bezieht sich
auf Vorrichtungen mit umlaufendem Verdränger. Solche Vorrichtungen können in verschiedenster
Weise zur Benutzung als Pumpe, Kompressor oder Rotor angepaßt werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit umlaufendem Verdränger
vorgeschlagen, die folgende Merkmale aufweist: Einen Rotor, der um eine Achse drehbar
gestützt ist und eine Oberfläche besitzt, die im Querschnitt in Ebenen rechtwinklig
zu dieser Achse kreisförmig um diese Achse ist, wobei der Rotor wenigstens eine
Radialbohrung hat, die mit dieser Oberfläche in VerbindunS stneh,tA A e
einen
innerhalb der Bohrung verschiebbar sitzenden Kolben, der in einem konstanten Abstand
von einer Achse gehalten ist, die parallel zur Drehachse des Rotors, jedoch gegenüber
dieser versetzt ist und einen Leitungskörper mit einer nach innen weisenden Oberfläche,
die dicht rund um die Rotoroberfläche liegt, wobei der Rotor innerhalb dieses Körpers
drehbar ist und letztere in seiner nach innen weisenden Oberfläche Einlaß- und Auslaßöffnungen
aufweist, die wenigstens zwei Kanäle besitzen, welche ihrerseits mit der Bohrung
in Verbindung stehen, wenn der Rotor umläuft.
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Der Rotor hat vorzugsweise mehrere Radialbohrungen, die eine gemeinsame
Rotationsebene haben und jeweils einen Kolben besitzen, der in einem konstanten
Abstand von einer gemeinsamen Achse gehalten wird, so daß jede Bohrung wiederum
mit den Ein-und Auslaßöffnungen in Verbindung steht. Es wird eine ungerade Zahl
von Bohrungen bevorzugt und insbesondere eine Anzahl von wenigstens drei Bohrungen;
jedoch sollten nicht mehr als 15 Bohrungen in einer Ebene vorliegen, da sich daraus
erhebliche konstruktive Erschwernisse ergeben. Vorteilhafte Mengen von Bohrungen
sind fünf, sieben und neun. Die Bohrungen können in mehr als einer Ebene orthogonal
zur Drehachse angeordnet werden; dies ist insbesondere vorteilhaft, wo eine große
Anzahl von Bohrungen verwendet wird.
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Die Mündung jeder Bohrung, d.h. das offene äussere ende der Bohrung
hat vorzugsweise im wesentlichen dieselbe Weite wie der Rest der Bohrung, um niedrigen
Strömungswiderstand für Gas oder
Flüssigkeit zwischen der Öffnung
und der Bohrung zu erhalten.
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Ferner ist vorteilhaft die Weite der Kanäle im wesentlichen dieselbe
wie diejenige der Mündung der Bohrungen, und zwar aus demselben Grund.
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Der Leitungskörper hat vorzugsweise nur zwei nach innen weisende
coplanare Kanäle, während der mit den Kanälen coplanare Rest der nach einwärts gerichteten
Körperoberfläche dicht um den Rotor paßt; um zwei Wände zu bilden, die die Kanäle
trennen-.
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Die spezielle Auslegung des Körpers hängt jedoch in weitem Umfang
von der Kompressibilität des durch die Vorrichtung fließenden Strömungsmittels ab.
Für unkompressible Flüssigkeiten sollte jegliche Tendenz zur Komprimierung dieser
Flüssigkeiten auf ein Minimum reduziert werden, indem lediglich kurze Wände zwischen
den unteren und oberen Totpunkt-Zentrumslagen vorgesehen werden.
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Bei Kompressoren und ebenfalls vorzugsweise bei Gas (z.B. Luft oder
Dampf) betätigten Motoren ist die Wand neben dem unteren Totpunktzentrum allgemein
länger und in Richtung auf die öffnung verlängert, die mit dem Gas unterhohem Druck
beaufschlagt wird.
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Der bevorzugte Leitungskörper für unkompressible Materialien hat
daher an diametral gegenüberliegenden Seiten zwei Wände, die so angeordnet sind,
daß sie mit den Bohrungen fluchten, deren Kolben am unteren bzw. oberen Totpunktzentrum
liegen.
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Beide Wände sollten so kurz wie möglich sein und eine Abdichtung zwischen
den beiden Kanälen herstellen, selbst wenn sie
mit einer der Bohrungen
fluchten. Für die Handhabung von unkompressiblen Materialien haben beide Wände oder
Trennwände vorzugsweise eine Breite, die dem 1,5- bis 2-fachen des Durchmessers
der Mündung der Bohrungen entspricht; selbstverständiich müssen sie nicht notwendlg
identisch sein.
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Mit Bezug auf einen Kompressor oder einenotor, der unter Verwendung
eines kompressiblen Fluids betätigbar ist, ist der bevorzugte Leitungskörper so,
daß die Kanäle unterschiedliche Länge-haben, wobei der mit dem unter hohem Druck
stehenden Fluid beaufschlagte Kanal kürzer als der mit dem unter niederigem Druck
stehenden Fluid heaufschlagte Kanal ist. Eine der Trennwände ist so angeordnet,
daß sie wenigstens einen Teil der Mündung der Bohrung an ihrem oberen Totpunktzentrum
überlappt,wobei diese Trennwand so kurz wie möglich ist und dabei eine Dichtung
zwischen den beiden Kanälen herstellt, selbst wenn eine Fluchtung mit einer der
Bohrungen besteht; vorzugsweise hat daher die Wand eine Breite, die dem 1,5- bis
2-fachen des Durchmessers der Bohrungsmündung entspricht. Die andere Trennwand liegt
so, daß sie wenigstens einen Teil der Bohrungsmündung an ihrem unterenTotpunktzentrum
überlappt, wobei die Trennwand vorzugsweise in Richtung des Kanals verlängert ist,
der mit dem Gas unter hohem Druck beaufschlagt wird, wodurch die Länge des Kanals
um einen äquivalenten Betrag vermindert wird. Hat beispielsweise bei einem gasbetriebenen
Motor ein Leitungskörper zwei kurze Trennwände in der für unkompressible Flüssigkeiten
beschriebenen Weise, könnte mehr Nutzleistung aus einer gegebenen Motorabmessung
erhalten werden, jedoch geht dies auf Kosten des
Wirkungsgrads.
Es kann jedoch der Wirkungsgrad dadurch verbessert werden, daß man die Bohrung früh
mit Hilfe einer verlängert ten Trennwand schließt, so daß eine Gasmenge in der Bohrung
eingefangen wird und sich ausdehnt, wenn sich der Kolben in-Richtung auf sein unteres
Totpunktzentrum bewegt. Da der Druck des Gases innerhalb der Bohrung bei deren öffnen
in die Niederdruck-Öffnung dann mehr derselbe wie der Druck des Gases in der Öffnung
ist, können Geräusche und Schwingungen in der Abführung reduziert werden.
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Die innere Oberfläche des LeLtunqskbrperx und entsprechend die äussere
Oberfläche des Rotors haben vorzugsweise æylindriw sche Gestalt. Es wird daher bevorzugt,
daß die Krone des Kolbens in gleicher Weise geformt wird, so daß sie derselben zylindrischen
Kontur folgt. Ferner wird bevorzugt, daß der Hub der Kolben so gewählt wird, daß
beim oberen Todpunktzentrum die Krone des Kolbens die zylindrische Oberfläche des
Rotors fortsetzt.
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Auf diese Weise kann das Totvolumen am Ende der Bohrung nahezu auf
Null reduziert werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht durch einen Kompressor; Fig.
2 ist ein Schnitt durch den Kompressor entlang der Linie A-A in Fig. 1.
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Eine Ringleitung 1 bildet des äussersten Teil clor \7ort richtung
und ist an einer Gr-undplatte (nicht gezeigt) befestigt
und bleibt
während des Einsatzes der Vorrichtung stationär.
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Die innere zylindrische Oberfläche 2 der Leitung ist poliert und ist
ununterbrochen oder kontinuierlich mit Ausnahme von zwei Kanälen 3, 4 mit parallelen
Seiten und konstanter Tiefe, die in einer Ebene rechtwinklig zur Achse der Leitung
liegen, Die beiden Kanäle haben unterschiedliche Länge, wobei der kürzere Kanal
3 mit dem Gas bei hohen Druck beaufschlagt wird und an eine AuslaSleitung 5 angeschlossen
ist, während der längere Kanal 4 mit dem Gas bei Niederdruck beaufschlagt wird und
an eine Einlaßleitung 6 angeschlossen ist, Innerhalb der Leitung oder des Leitungskörpers
1 befindet sich ein Rotor lo, der in Lagern 11 (siehe Fig. 2) drehbar gelagert ist,
wobei der ringförmige Rotor und der ringförmige Leitungskörper eine gemeinsame Längsachse
12 haben, um die der Rotor drehbar ist. Der Rotor hat fünf Radialbohrungen 13, die
im gleichen Abstand stehen und in der Ebene der Leitungskörperkanäle 3, 4 liegen,
wobei der Durchmesser der Bohrungen gleich der Weite oder Breite der Kanäle ist.
Der Rotor ist an einem Ende mit einer Verlängerung 14 versehen und trägt dort einen
Antriebsgurt 15 von einem Antriebsmotor (nicht qezeigt). Durch das Mitteilloch des
ringförmigen Rotors erstreckt sich eine stationäre Welle 21, die parallel zur gemeinsamen
Achse 12 von Rotor und Leitungskörper liegt, dieser gegenüber jedoch versetzt ist.
Ein Ende der Welle ist in eimr Endplatte 17 gelagert, die mit Hilfe von Bolzen (nicht
gezeigt) an dem Leitungskörper 1 befestigt ist. Das andere Ende der Welle sitzt
in einer
zweiten Endplatte 18, die sich von der Grundplatte nach
oben erstreckt.
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Es sind fünf Kolben 22 vorgesehen, die jweils verschiebbar in einer
separaten Bohrung 13 des Rotors sitzen. Die Krone 23 jedes Kolbens ist zylindrisch
gekrümmt und paßt sich der Form der äusseren Oberfläche des Rotors an. Jeder Kolben
22 ist durch eine Verbindungsstange 24 an die Welle angeschlossen, wobei übliche
Mittel verwendet werden, um die Enden der Stange zu sichern. Somit ist jede Kolbenstange
an einem Ende mit Hilfe eines Stiftzapfens 25 an einen Kolben angeschlossen, während
das andere Ende einen gekrümmten Fuß 26 hat, der mit einer Buchse 27 in Arbeitsberührung
steht, die drehbar auf der Welle 21 sitzt. Der Fuß wird mit Hilfe von zwei Ringen
28 an der Buchse festgehalten, die den Fuß übergreifen, und zwar jeweils ein Ring
auf jeder Seite der Verhindungsstange, wobei die beiden Ringe miteinander durch
Bolzen verbunden sind, um sie am Ort festzuhalten. Der Fuß ist mit genügendem Bewegungsspiel
versehen, so daß er ein wenig unabhängig vorn anderen Fuß um die Buchse verschiebbar
ist; diese Bewegung ist notwendig wegen der seitlichen Versetzung der Buchse von
der Drehachse des Rotors. Die Länge der Verbindungsstangen 24 und die seitliche
Versetzung der Welle 21 von der Achse 12 des Rotors sind so gewählt, daß dann, wenn
sich die Kolben am weitesten nach aussen bewegt haben, d.h. sich in ihrem oberen
To punktzentrum befinden, die gekrümmte Krone des Kolbens mit der Oberfläche des
Motors fluchtet. Auf diese Weise ist das in der Bohrung am Ende jedes Zyklus enthaltene
Gas praktisch Null.
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Die kontinuierliche Oberfläche des Leitungskörpers liefert Trennwände
zwischen den Kanälen, wobei die kürzere Trennwand 31 auf der Linie liegt, die die
Drehachse des Rotors und die Welle 21 verbindet, so daß die Mündung jeder Bohrung
vollständig geschlossen wird, wenn der Kolben sein oberes Totpunktzentrum erreicht.
Die Länge der Trennwand 31 beträgt etwa das 1,5-fache des Bohrungsdurchmessers und
erstreckt sich nach beiden Seiten über die Mündung der Bohrung hinaus underhöht
die Dichtung. Die längere Trennwand 32 beginnt zwar diametral gegenüber der kürzeren
Trennwand 31, um die Bohrung zu schließen, deren Kolben sich im unteren Totpunktzentrum
befindet, ist jedoch um den Leitungskörper um einen Winkel von 11 /2 zuzüglich 0,5
Bohrungsdurchmesser verlängert.
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Somit wird die Bohrungsmündung über einen Winkel von >/2 verschlossen,
wobei an jedem Ende der Trennwand 0,25 Bohrungsdurchmesser die Dichtung liefern.
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Zur Betätigung des Kompressors wird der Rotor durchtden Antriebsmotor
über den Antriebsgurt 15 im Uhrzeigersinn mit Bezug auf die Fig. 1 gedreht. Die
Kolben werden mit dem Motor herumgetragen, da sie jedoch an die festliegende Welle
angeschlossen sind, beschreiben sie einen Kreisbogen um diese Welle, der gegenüber
von jeglichem Teil des Motors beschriebenen Kreisbogen versetzt ist. Bei jedem Umlauf
des Rotors gleitet jeder Kolben in der zugehörigen Bohrung, wobei der llub in jeder
Richtunq gleich dem zweifachen der Versetzung der Welle gegenüber der Drehachse
des Rotors ist. Wenn jede Bohrung entlang dem Niederdruckeinlaßkanal 4 läuft, wird
der Kolben von dem Kanal wegbewegt bis er sein unteres Totpunktzentrum bei Ankunft
am Ende
des Kanals erreicht, so daß die Bohrung dadurch mit der
maximalen Gasmenge unter Einlaßdruck gefülit wird. Passiert die Bohrung die die
beiden Kanäle trennende längere Trennwand 32, bewegt sich der Kolben nach aussen
und komprimiert das in der Bohrung enthaltene Gas, wobei die Mündung am Aussenende
der Bohrung durch die Trennwand verschlossen wird. Das Gas wird anschließend in
den kürzeren Kanal 3 ausgestossen, bis der Kolben sein oberes Totpunktzentrum beim
Passieren der kürzeren Trennwand 31 erreicht, die den Hochdruckkanal von dem Niederdruckkanal
trennt.
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Die Wege der Kolben und Bohrungen sind überlappende Kreise, die relative
Hin- und Herbewegung zwischen diesen Teilen bewirken, ohne daß einer der Teile eine
Schwingbewegung ausftirt.
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Bei geeigneter Schmierung können daher Vorrichtungen der beschriebenen
Art mit sehr hohen Geschwindigkeiten, d.h. lo.ooo upm gedreht werden, wobei eine
Drehzahl von 3.000 upm allgemein zweckmäßig ist, dä dies Drehzahl die maximale Geschwindigkeit
eines Kurzschlußläufermotors ist, der eine geeignete Zieheihrichtung bildet.
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Die vorgenannte Vorrichtung kann auch im umgekehrten Sin8 t z.B.
als ein Druckiuftmotor arbeiten. In diesem Fall ist die Arbeitsweise der Eihiaß-
und Auslaßkanäle umgekehrt, so dab der kürzere Kanal der mit dem Hochdruckgas beaufschlagte
wird, während der längere Kanal derjenige bleibt, der däs Abgas bei niedrigerem
Druck enthält.
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Bei einigen Anwendungen wird es bevorzugt, eine variable
Versetzung
bei fortlaufendem Umlauf des Motors zu haben.- Ist beispielsweise ein Kompressor
an einen Motor mit konstanter Geschwindigkeit angeschlossen, ist es insbesondere
vorteilhaft, wenn anfänglich die Kompressionsrate erhöht und anschließend vermindert
werden kann, wenn der erwünschte Druck erreicht ist.
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Dies läßt sich bei der vorliegenden Vorrichtung dadurch erreihohen,
daß man die Lage der Welle 21 gegenüber der Umlaufachse 12 des Rotors verstellt,
wodurch der Hub verändert wird. Alle Änderungen'der Lage der Welle erfolgen vorzugsweise
entlang einer geraden Linie, um die Lage der Leitungskörperkanäle gegenüber dem
Kolbenhub beizubehalten und es sollte jegliche Abweichung von der geraden Linie
normalerweise nur gering sein. Die Verringerung der Versetzung der Welle vermindert
jedoch den Wirkungsgrad. Die dargestellte Anordnung für das Verbinden der Füße der
Verbindungsstangen mit der Welle ist eine von vielen anwendbaren Anordnungen. Jede
bekannteWeise kann angewendet werden, solange eine Kompensation für die Exzentrizität
der beiden Drehachsen herbeigeführt wird. So kann beispielsweise eine Stiftverbindung
angewendet werden, bei der eine der Verbindungsstangen starr an eine Buchse angeschlossen
ist, während die restlichen Verbindungsstangen drehbar angekuppelt sind. In gleicher
Weise kann eine drehbare Welle verwendet werden, an deren Enden Lager vorgesehen
sind.
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Der in den Zeichnungen dargestellte Kompressor verwendet einen Staionären
-T;eitungskörper, der an eine Grundplatte angeschraubt ist; diese Anordnung dient
der Einfachheit der Konstruktion. Es ist doch für den Leltungskdrber nicht wesentlich,
daß er stationär ist; sofern es zweckmäßig erscheint, den Leitungskörper
in
einer bestimmten Geschwindigkeit zu drehen, die zur Umlaufgeschwindigkeit des Rotors
in einfacher numerischer Beziehung steht, die allgemein ein mehrfaches oder ein
Bruchteil durch 2 oder 3 sein kann. Liegen beispielsweise Vorrichtungen vor, die
einen stationären Leitungskörper haben und zwei Kolbenhübe pro Rotorumlauf besitzen,
so führt die Drehung des Leitungskörpers mit der halben Geschwindigkeit des Rotors
zu vier Hüben für jede Umdrehung des Rotors gegenüber dem Leitungskörper. Bei solchen
Systemen werden im allgemeinen unterschiedliche Kanallängen benötigt; je größer
die Zahl der Hübe pro Relativdrehung ist, desto kürzer ist die erforderliche Kanallänge.
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Die Anzahl der Kolbenhübe pro Umlauf des Rotors gegenüber dem Leitungskörper
kann auch durch Drehen der Welle um die Dreachse des Rotors mit einer Rate erreicht
werden, die zu derjenigen des Motors in einfacher numerischer Beziehung steht. Jedoch
führt die Drehung der Welle in dieser Weise zu einem Ungleichgewicht der sich bewegenden
Teile, so daß die Kolben nicht mehr einen kreisförnigen Weg beschreiben, so daß
die Vorteile, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit umlaufendem Verdränger gegenüber
einer'solchen mit hin- und hergehenden Kolben hat, zum größten Teil verloren werden.
Demzufolge wird es bevorzugt, daß die Welle stationär bleibt.
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Es kann im allgemeinen für die meisten Zwecke ausreichen, daß man
sich auf den dichten Sitz zwischen dem Rotor und dem ringförmigen Leitungskörper
mit Bezug auf die Abdichtung zwischen der Hochdruck- und der Niedrdruckseite und
zwischen den Kanälen des
Leitungskörpers und der Umgebung verläßt.
Diese Dichtungen können jedoch im Bedarfsfall für die Verwendung geigneter zusätzlicher
Dichtungseinrichtungen verbessert werden. So können z.B.
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Rippendichtungen oder Ringdichtungen vorgesehen werden. Schraubdichtungen
können sich dadurch eignen, daß sie bis zu einem gewissen Grad eine Kühlung bei
hohen Geschwindigkeiten liefern.
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Es ist eine einstufige Vorrichtung dargestellt; selbstverständlich
eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Schwierigkeit für die Bildung
von mehrstufigen Einheiten, indem man eine Anzahl solcher Einheiten nacheinander
anwendet. So kann beispielsweise ein zweistufiger Kompressor dadurch gebildet werden,
daß man zwischen zwei Niederdruckeinheiten der ersten Stufe eine Hochdruckeinheit
der zweiten Stufe anordnet und einen gemeinsamen Rotor verwendet sowie einen gemeinsamen
Leitungskörper, der in seiner Innenoberfläche parallele Kanäle besitzt. So wird
das Druckdifferential zwischen dem endgültigen Hochdruck und der Umgebung stufenweise
durch die Zwischenschaltung der Einheiten der ersten Stufe vermindert, so daß das
Abdichten erleichtert wird. Zwischen den Stufen wird vorteilhaft das Gas'aus dem
Leitungskörper herausgeführt und durch einen Wärmetauscher geleitet, um eine Zwischenkühlung
zu- erreichen.
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Die Erfindung liefert somit umlaufende Vorrichtungen mit Zwangsverdrängung,
die zur Verwendung als Pumpe, Kompressor oder Motor oder dgl. angepaßt werden können
und die einen Rotor mit einer oder mehreren Radialbohrungen besitzen, von denen
jede einen Kolben hat, der an eine Welle angeschlossen ist, die gegenüber der Umlaufachse
des Rotors seitlich
versetzt ist. Ein Leitungskörper faßt dicht
um den Rotor und hat in der Ebene der Bohrungen Einlaß- und Auslaßöffnungen 5, wobei
die Bohrungen mit jeder der Öffnungen beim Umlauf des Rotors in Verbindung kommen.