DE2351990B2 - Rotationskolben-expansionsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Expansionsmaschine mit einem stationären Gehäuse und einem in diesem auf einer Exzenterwelle exzentrisch gelagerten, beweglichen Verdrängerkolben, der in Wirkverbindung steht mit mindestens einer zwischen ihm und dem Gehäuse befindlichen elastisch verformbaren Druckzelle, welche über einen Stutzen von Druckmittel periodisch beaufschlagbar ist.

Aus der DT-OS 14 53 668 sind derartige Expansionsmaschinen bekannt, wobei deren Expansionskammern auf den Stützflächen geführt sind und bei welchen, bedingt durch ihre Bauart, im Betrieb infolge der Relativbewegung von Kammerflächenteilen, insbesondere von Randteilen, nicht nur wesentliche Reibungsverluste auftreten, sondern zudem starke Zugspannungen mit Spannungsspitzen in den Randbereichen der Kammer, was eine wesentlich verkürzte Lebensdauer solcher Expansionskammern zur Folge hat.

Aus der US-PS 29 88 003 ist eine Pumpe bekannt geworden, bei der schlauchförmige Druckzellen durch einen exzentrisch in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Exzenterantrieb beaufschlagt werden. Diese schlauchförmigen Druckzellen bewegen sich planetenartig um den Exzenter. Auch hier treten erhebliche Reibungsverluste auf. Zudem sind weitere Rollkörper angeordnet, die eine übermäßige Beanspruchung der Randteile der Druckzellen verhindern sollen. Diese Konstruktion ist relativ aufwendig und arbeitet mit erheblichen Verlusten.

Aus der FR-PS 11 95 011 ist eine exzenterbetriebene Schlauchpumpe bekannt. Auch hier ist nur ein relativ <\s geringer volumetrischer Wirkungsgrad erzielbar. Zudem treten erhebliche Reibungsverluste auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolben-Expansionsmaschine zu schaffen, die einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad bei geringen Reibungsverlusten ermöglicht Zudem soll die Maschine einfach im Aufbau, betriebssicher und umweltfreundlich sein und ein geringes Leistungsgewicht aufweisen.

Erfindungsgemäß ist die Rotationskolben-Expansionsmaschine so ausgebildet, daß die Druckzelle nur im Bereich des Stutzens befestigt und ansonsten allseitig frei deformierbar ist

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in deE Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet Eine solche Maschine kann mit geringem Aufwand hergestellt werden. Es ist charakteristisch für sie, daß der volumetrische Wirkungsgrad sehr hoch liegt und äußerst geringe Reibungsverluste auftreten.

Die unmittelbar mit den Walkzellen wirkverbundenen Andruckplatten verhüten ein Schleifen der Walkzellen auf der anliegenden Fläche und setzen so die Reibkräfte herab und — dies ist wesentlich — bilden auf kleinem Raum sehr große Auflageflächen (hydraulisch aktive Flächen) für die Druckzellen.

Zur freien Deformierung der Druckzellen ist es notwendig, daß jede Druckzelle ausschließlich in einem bezüglich ihrer Auflageflächen kleinen Bereich, nämlich durch den Arbeitsmediumstutzen, mit einem der Träger der Auflageflächen wirkverbunden ist. In diesem Sinne kann der Stutzen als Einpreßstutzen ausgebildet sein. Ein einfacher Aufbau der Expansionsmaschine ist vorhanden, wenn das Gehäuse der Expansionsmaschine aus Segmentteilen mit Spannprofilen besteht. Sehr wesentlich ist ebenfalls, daß die Antriebsvorrichtung mit zwei auf die Exzenterwelle alternativ wirkenden Druckzellen ausgerüstet sein kann. Eine derartige Expansionsmaschine isit nicht nur einfach im Aufbau, sondern arbeitet mit hohem Wirkungsgrad und ist praktisch nicht störanfällig.

Bei gewissen Antriebsvorrichtungen dieser Art ist es unbedingt nötig, zwischen dem Verdrängerkolben und dem Gehäuse Kupplungsmittel anzuordnen, um eine Drehwinkeländerung 2:wischen Rotor und Gehäuse zu verhüten und damit ein sicheres Arbeiten der Antriebsvorrichtung zu gewährleisten. Als derariige Kupplungsmittel kann beispielsweise eine Führung im Gehäuse dienen, welche der Aufnahme eines sich vorzugsweise radial erstreckenden Armes des Rotors dient, oder es kann eine entsprechende Zapfenkupplung mit einer Zwischenscheibe, wie solche allgemein bekannt sind, Verwendung finden.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschließend anhand von Figuren in schematischer Darstellung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt einer Expansionsmaschine mit Expansionszellen gemäß Schnittlinie H-II der Fig. 2,

Fig.2 einen Längsschnitt der Expansionsmaschine gemäß F i g. 1, nach Schnittlinie I-I,

F i g. 3 einen Querschnitt der Expansionsmaschine mil drei Expansionszellen, die über Platten auf eine Exzenterwelle wirken,

Fig.4 einen Längsschnitt der Expansionsmaschine gemäß Schnittlinie III-III der F i g. 3,

F i g. 5 einen Querschnitt der Expansionsmaschine mii alternativ wirkenden Expansionszellen,

F i g. 6 einen Querschnitt der Expansionsmaschine mii alternativ wirkenden Expansionszellen in anderei Ausführungsform.

F i g. 1 zeigt den Querschnitt einer Expansionsmaschi ne mit einem Gehäuse 1, mit einer einen Exzenter ί

aufweisenden Exzenterwelle 3, mit einem auf dem Exzenter 2 gelagerten hohlzylindrischen Walzenrotor als Verdrängerkolben 4, dessen Längsachse mit Aa bezeichnet ist sowie mit aus gummi- oder kunststoff elastischem Werkstoff gefertigten Druckzeilen 5,6,7.

Diese Druckzeilen arbeiten derart frei, daß der Randteil der Membranen der Druckzellen frei abrollen oder walken kann, so daß eine praktisch reibungs- und zusatzspannungsfreie Bewegung des Zellenrandbereiches entsteht. Jede dieser Druckzellen 5,6,7 ist mittels Stutzen 8 mit dem Walzenrotor als Verdrängerkolben 4 und mit radialen Bohrungen 9 im Walzenrotor verbunden. Der Exzenter 2 enthält Kanäle 10 und 11 für die Zu- und Ableitung des Druckmediums.

In F i g. 2 sind Gehäuse-Deckel 57,58, der Exzenter 2 mit einem Gegengewicht 60, dem Walzenrotor als Verdrängerkolben 4 mit seinen Lagern 62,63 ersichtlich. Am Kolben 4 berindet sich die Druckzelle 5 in neutraler Funktionslage. Sie ist mit dem Virdrängerkolben 4 durch die eingepreßten Stutzen 8 verbunden, wobei der eine in der radialen Bohrung 9 steckt. Die F i g. 1 und 2 stellen ein Beispiel eines nicht reversierbaren Antriebes, z. B. für Druckluftspeisung, dar. Bei diesem wird das Druckmedium über einen Anschluß 68 und die Bohrung 11 einem Ssgmentausschnitt 70 und dadurch der Druckzelle 7 zugeführt. Durch den anderen rückseitigen Segmentausschnitt wird dagegen die Druckzelle 6 über die Bohrung 10 in den Innenraum des Verdrängerkolbens 4 entlüftet, von wo die Entlüftung über Bohrungen 72, 73 ins Freie erfolgt Diese Entlüftungsart kann das Auspuffgeräusch auf ein kaum hörbares Minimum reduzieren. Bei einer reversierbaren Ausführung desselben Antriebes wird auch der Auslaßkanal in die Welle verlegt.

Sofern also die Kanäle 10, 11 umsteuerbar an die Speiseleitung angeschlossen sind, ist der Antrieb reversierbar. Zur Rechtsdrehung der Exzenterwelle 3 wird der Kanal 11 unter Druck gesetzt, worauf die Druckzelle 7 sich in radialer Richtung zu erweitern sucht. Die Größe der auf den Verdrängerkolben 4 wirkenden Radialkraft 12 hängt von der hydraulisch-aktiven Fläche 13 der Druckzelle sowie vom Überdruck des Druckmediums ab. Das entwickelte Drehmoment ist das Produkt dieser Radialkraft 12 und des momentanen Abstandes 14 des Kraftvektors von der Achse der Exzenterwelle 3. In der gezeichneten momentanen Funktionslage befindet sich die Druckzelle 5 in neutraler Lage und die Druckzelle 6 wird über den Kanal 10 entlastet. Der Drehsinn der Exzenterwelle 3 entspricht in diesem Falle dem Pfeil 15. Während der Drehung der Exzenterwelle 3 werden die Druckzellen in der Reihenfolge 7, 5, 6 unter Druck gesetzt. Der Drehmomentverlauf erfolgt nach einem Drehphasen-Sinuscharakter, mit dem Merkmal, daß durch die Veränderung der hydraulisch-aktiven Druckzellenfläche während des Umlaufes eine steilere Anstiegsflanke und eine abgeflachte Abstiegsflanke entsteht.

Die gegensinnige Drehung der Exzenterwelle 3 erfolgt durch Umsteuerung der Kanäle 10 und 11, wodurch im Bild die Druckzelle 6 unter Druck gesetzt wird und die Reihenfolge der Druckzuführung in d'·■· Zellen 6,5,7 erfolgt.

Bei dem Motor nach Fig. 1 und 2 sind die Stützflächen der Druckzelle nicht parallel, wodurch nebst radial wirkenden Kräften ebenfalls am Gehäuse und Kolben gegensinnig wirkende Ί angemialkräfte entstehen. Um dadurch eine relative Verdrehung des Verdrängerkolbens gegenüber dem Gehäuse zu verhiii-

dem, bedarf es zusätii.cher Mittel.

F i g. 3 zeigt den Querschnitt einer Expansionsmaschine, bei der die elastischen Druckzellen 16,17 und 18 aus Kunststoff-Folie über schwenkbar gelagerte Platten 19, 20,21 über Exzenterlager 22 auf eine Exzenterwelle 23 mit dem Exzenter 24 wirken. Der Hohlzylinder 56 bildet den Verdrängerkolben. Die segmentartigen Gehäuseteile 25,26,27 sind durch Spannstreifen oder Klammern 31,32,33 zusammengehalten und enthalten Steuerkanäle 28, 29, 30. Die Lagerungen der Platten 19, 20, 21 befinden sich in Lagerdeckeln 76 und 84 (F i g. 4). Die Verbindungen der Kanäle 28—30 mit den Druckzellen erfolgt mittels eingepreßter Stutzen 34. Das Steueror gan (nicht dargestellt) bewirkt, daß zum Drehen der Welle 23 in Pfeilrichtung 35 die Druckzellen in der Reihenfolge 16, 17, 18 angesteuert werden. Die gegensinnige Drehung wird durch die Ansteuerung nach Zellen-Reihenfolge 18,17,16 erreicht.

F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt des Antriebes nach F i g. 3. Am bzw. im Gehäuseteil 26 mit dem Steuerkanal 29 ist der Deckel 76 mit den Steuerkanälen 77, sowie die Exzenterwelle 23 mit dem Exzenter 24, dem Steuerschieberteil 79 und der in neutraler Funktionslage befindlichen Druckzelle 17 mit den Anschluß- und Befestigungsstutzen 34 und zudem der Deckel 84 vorgesehen. Die Druckzelle 17 wirkt über die Andruckplatte 19 auf die Exzenterlager 22. Die Lagerungen 87, 88 der Platte 21 sind ebenfalls ersichtlich, ebenso das Gegengewicht 81 der Exzenterwelle 23 zum Massenausgleich des Exzenters 24.

F i g. 5 stellt eine Expansionsmaschine im Querschnitt dar, mit einem Gehäusemantel 36, einem als Rotorwalze ausgebildeten Verdrängerkolben 37, elastischen Druckzellen 38, 39 mit Anschlußstutzen 40, 41 sowie einer Exzenterwelle 42. Der Antrieb steht in F i g. 5 in der neutralen Mittellage. Die Steuerung kann beispielsweise mit einem 4-Wege-Ventil erfolgen. Zur Auslösung einer Schwenkbewegung in Pfeilrichtung 43 wird der Anschluß über den Stutzen 40 mit der Druckleitung und über den Stutzen 41 mit der Ablaufleitung hergestellt. Nach der Umsteuerung beider Anschlüsse erfolgt eine Schwenkung der Welle 42 in Pfeilrichtung 44. Der Verdrängerkolben 37 führt bei der Schwenkung keine Drehung sondern eine Planetenbewegung ohne Eigenrotation aus. Der maximal mögliche Schwenkwinkel 45 solcher Antriebe liegt bei etwa 160°.

F i g. 6 zeigt den Querschnitt einer Expansionsmaschine mit einem Gehäuse 46, Druckzeilen 47, 48 mit Anschlußstutzen 49, 50, Andruckplatten 51, 52, einer Exzenterwelle 54 mit einem Exzenter 53 und einem Exzenterlager 55. Der Hoh'zylinder 56 bildet den Verdrängerkolben.

Der Aufbau dieses Antriebes ist mit dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Antrieb verwandt, wobei die Funktionsart der Steuerung im Sinne der Ausführung gemäß den F i g. 3 und 4 vergleichbar ist.

Die dargestellten und beschriebenen Antriebe haben folgende Vorteile:

a) Die annähernd radial wirkende Krafterzeugung erfolgt durch elastische Druckzellen.

b) Die Möglichkeit zur Bildung von großen hydraulisch-aktiven l-'lächen bei kleinen Bauvolumen ist durch die Verwendung aufblasbarer Zellen gege bcn, z. B ;uis gummielastischem oder kunststoffelasüschcni Material.

c) Die Volumenänderung der Druckzellen erfolgt durch Walken der Zellenwand, also ohne jegliche Gleitreibung.

d) Es erfolgt ein außerordentlich geräuscharmer Lauf, insbesondere bei den Ausführungen mit Walzenrotor.

e) Eine Schmierfähigkeit des Druckmediums ist nicht erforderlich.

f) Geringe Herstellungskosten, insbesondere durch die Möglichkeit, die Druckzellen aus Folien durch Schweißen, Kleben oder Vulkanisieren herzustellen.

Eine gegenüber bekannten Antrieben wesentliche Erweiterung der Anwendungsgebiete ist jedoch zu erwarten durch die zwei neuen Eigenschaften dieser Antriebe:

— keine Schmierung durch das Druckmedium erforderlich,

— rationelle Möglichkeit zur Bildung großer aktiver Flächen.

Die eine Eigenschaft ermöglicht die Anwendung jeglicher nichtagressiver Druckmedien als Energieträger, wie nichtaufbereitete Druckluft, Leitungswasser u. a. mit umweltfreundlichem Charakter. Durch diese Eigenschaften und mit dem zusätzlichen Merkmal geringen Leistungsgewichtes der Antriebe eröffnen sich neue Möglichkeiten auch im Fahrzeug-, Schiffs- und Flugzeugbau. Eine weitere Anwendung der Antriebe besteht gemäß den Ausführungen nach den F i g. 1 bis 4 als Schritt- und Stellmotoren.

Die Expansionsmaschinen der Fi g. 1 bis 4 sind mit je drei Druckzellen abgebildet, da dies die minimale Zellenzahl darstellt, um eine kontinuierliche Drehung zu erzeugen. Um eine höhere Gleichmäßigkeit des Drehmomentes zu erreichen, kann eine größere 2'ahl von Druckzellen vorgesehen werden.

Die Antriebe nach den Fig. 1 bis 4 sind als Ausführungsbeispiele mit Drehschiebersteuerung dargestellt. Selbstverständlich können andere Steuerungsarten angewendet werden.

Bei der Anwendung der dargestellten Expansionsmaschinen als Schrittmotoren werden bei den Ausführungen nach den F i g. 1 und 2 die Druckzellen mit dem Gehäusemantel verbunden. Die Drehschiebersteuerung entfällt und wird durch eine externe Steuerung erset/.t.

Für Antriebe mit äußerer Rückhol- oder Rückstellkraft, ζ. B. durch eine Feder, genügt eine Druckzelle; ansonst werden mindestens zwei benötigt.

Es ist grundsätzlich auch möglich, die Druckzelle(n) bzw. Andruckplaiten direkt auf den Exzenter ohne Zwischenschaltung eines auf dem Exzenter drehgelagerten Hohlzylinders wirken zu lassen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rotationskolben-Expansionsmaschine mit einem stationären Gehäuse und einem in diesem auf einer Exzenterwelle exzentrisch gelagerten, beweglichen Verdrängerkolben, der in Wirkverbindung steht mit mindestens einer zwischen ihm und dem Gehäuse befindlichen elastisch verformbaren Druckzelle, welche über einen Stutzen von Druckmittel periodisch beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckzelle (5, 6, 7, 16,17,18,38,39,47,48) nur im Bereich des Stutzens (8,34,40,41,49,50) befestigt und ansonsten allseitig frei deformierbar ist

2. Rotationskolben-Expansionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (37, 56) mit der Druckzelle (38, 4?) entgegen einer Rückstellkraft in Wirkverbindung steht

3. Rotationskolben-Expansionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (56) mit zwei gegenüberliegenden Druckzellen (47, 48) mittels schwenkbarer Platten (51,52) in Wirkverbindung steht.

4. Rotationskolben-Expansionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (4) mit drei gleichmäßig über seinen Umfang verteilten Druckzellen (5, 6, 7) direkt in Verbindung steht.