DE2407029A1

DE2407029A1 - Lineare ausgeglichene freikolbenmaschine

Info

Publication number: DE2407029A1
Application number: DE19742407029
Authority: DE
Inventors: Anton Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-14
Publication date: 1974-09-05
Also published as: BE811094A; FR2218469B3; LU69398A1; FR2218469A1; GB1444449A; ZA74715B; ES423188A1; AU6567574A; NL7402114A; BR7401109D0; CA998939A; IL44132A0; JPS5024620A; US3859966A; IT1007654B

Description

Priorität: 16. Februar 1973, USA, Nr. 333 o69

Die Erfindung vermittelt eine neuartige Klasse von Freikolbenmaschinen, bei denen eine erste bewegbare Einheit derart hin- und herbewegbar montiert ist, daß sich ihr Schwerpunkt längs einer inneren Achse bewegt, und in der ferner mindestens zwei Ausgleichsanordnungen einzeln wiederum derart hin- und herbewegbar montiert sind, daß sich ihre jeweiligen Schwerpunkte längs getrennter einzelner Bahnen verschieben, die in Abstand voneinander um die innere Achse verteilt angeordnet sind. Die Ausgleichsanordnungen sind Jeweils über getrennte Synchronisiermechanismen mit der ersten bewegbaren Anordnung verbunden, so daß die Bewegung der Ausgleichsanordnungen längs ihrer Bahnen eine Bev/egungs—Vektorkomponente aufweist, die der Bewegung der ersten Anordnung längs der inneren Achse stets- entgegengerich- -tet ist. Die Maschine umfaßt ferner mindestens einen stationär montierten Arbeitszylinder, und eine der bewegbaren Anordnungen umfaßt einen innerhalb dieses ArbeitsZylinders bewegbaren Arbeit skolbenteil, während mindestens eine der anderen bewegbaren Anordnungen ein bewegbares Element eines Energieverbrauchers

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umfaßt. Ein solcher Energieverbraucher kann teilweise oder vollständig durch Kraftübertragung von dein Arbeitszylinder über den speziellen Synchronisationsmechanismus, der die Anordnungen miteinander verbindet, angetrieben werden. Um ferner den gewünschten Ausgleich zu erzielen, sind die jeweiligen Bahnen der Ausgleichs anordnungen im V/inkel ausgerichtet und um die innere Achse verteilt, wobei Aufbau und Arbeit.sv/eise der jeweiligen Synchronisationsmechanismen derart ausgelegt sind, daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer !«lassen innerhalb der Maschine bei allen Arbeitslagen der Anordnungen an einer im wesentlichen festen Stelle innerhalb der Maschine -bleibt. Zur Vereinfachung der konstruktiven Maßnahmen sind die äußeren Anordnungen vorzugsweise symmetrisch um die innere Achse verteilt.

Es sind Freikolbenmaschinen bekannt, bei denen die Energie von einem geeigneten Arbeitskolben auf das bewegbare Element eines Energieverbrauchers über Verbindungen mit der Maschine übertragen wird. Bei einigen dieser Maschinen wird der gewünschte Ausgleich dadurch erreicht, daß ein Arbeitskolben und ein Energieverbraucher-Element, etwa ein Kompressorkolben, so miteinander verbunden sind, daß sie sich als Einheit bewegen, sowie dadurch, daß eine im wesentlichen identische Einheit geschaffen wird, die sich längs der gleichen Achse wie die erste Einheit, jedoch ständig gegenläufig bewegt. Bei derartigen Maschinen wird ein Element bestimmter Funktion, etwa ein Arbeitskolben, der sich mit der einen Einheit bewegt, jeweils durch ein im wesentlichen identisches Element, etwa einen weiteren ähnlichen Arbeitskolben, der sich mit der anderen Einheit gegenläufig bewegt, ausgeglichen. Der Ausgleich wird also dadurch erzielt, daß zwei Anordnungen gegenläufig bewegbar angeordnet v/erden, die im wesentlichen symmetrisch sind, d.h. im wesentlichen gegenseitige Spiegelbilder zu beiden Seiten einer mittleren Symmetrieachse oder -ebene bilden.

V/ie in den USA-Patentschriften 3 5o1 088 und 3 525 1o2 beschrieben, sind ferner asymmetrische Freikolbenmaschinen entwickelt worden, bei denen zwei gegenläufig bewegbare Gegengewichtsgruppen,

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die aus irgendeinem Grund nicht symmetrisch, sind, so angeordnet sind, daß sie einander ausgleichen.

Es treten jedoch dann Probleme auf, wenn derartige Freikolbenmaschinen nach dem Stand der Technik in Fällen verwendet werden sollen, bei denen es erforderlich oder erwünscht ist, eine der bewegbaren Anordnungen teilweise oder ganz von der anderen zu isolieren. Soll beispielsweise bei einer derartigen Maschine der Energieverbraucher für menschlichen oder tierischen Verbrauch bestimmte Nahrungsmittel bearbeiten, so muß sichergestellt werden, daß das von der Maschine behandelte Nahrungsmittel nicht durch öl oder sonstige Verunreinigungen aus dem Antriebsteil der Maschine verunreinigt wird. Ähnlich kann es zu Kühlzwecken oder bei ähnlichen Verwendungen wichtig sein, einen Energieverbraucher, etwa einen Kompressor oder eine Pumpe für das Kühlmittel, · gegenüber dem Antriebsteil der Maschine oder gegenüber der Atmosphäre oder sonstigen Umgebung abzudichten oder zu isolieren. In jedem Fall ist es zweckmäßig, ein Entweichen von Öl oder sonstigen Verunreinigungen aus dem Antriebsteil einer Freikolbenmaschine zu verhindern.

.Die gewünschte Isolierung derartiger bewegbarer Arbeits- oder ' Energieverbraucher-Elemente gegenüber den zugehörigen Antriebsmaschinenteilen oder der Umgebung ist bei anderen Maschinentypen, etwa umlaufenden Maschinen, früher durch Verwendung geeigneter Drehdichtungen erzielt worden. In Kolbenmaschinen, die mit einer hin- und hergehenden Translation der Arbeitskolben und der angetriebenen Kolben längs der gleichen Achse arbeiten, läßt sich eine gewisse Isolierung durch spezielle Dichtungen oder Packungen längs einer zwischen dem Arbeitskolben und dem angetriebenen Kolben verlaufenden axial bewegbaren Kolbenstange erzielen. Derartige Anordnungen bedingen jedoch eine größere axiale Länge der gesamten faschine una verursachen zusätzliche Kosten für die Dichtungen. Außerdem führen Weg und Geschwindigkeit der Axialbewegung dieser Teile dazu,daß sich die Dichtungen vorzeitig abnützen.

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Freikolbenmaschinen nach der vorliegenden Erfindung können mehrere Arbeitskolbenabschnitte aufweisen, die von einer oder mehreren, vorzugsweise jedoch von nicht allen bewegbaren Anordnungen getragen werden. Solche mehreren Arbeitskolbenabschnitte können so miteinander verbunden sein und derart arbeiten, daß sie gleichzeitige oder parallele Arbeitshübe oder auch aufeinanderfolgend abwechselnde Arbeitshübe zuerst in einer Richtung und dann in der entgegengesetzten Richtung für die beteiligten Anordnungen ergeben.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind zwei oder mehr Ausgleichsanordnungen längs Bahnen bewegbar, die parallel zur inneren Achse der Maschine verlaufen, von dieser durch gleiche radiale Abstände getrennt sind und um die innere Achse gleichwinklig verteilt sind, wobei die Hassen der jeweiligen Ausgleichsanordnungen untereinander gleich sind und der Schwerpunkt der ersten bewegbaren Anordnung sich stets längs der inneren Achse verschiebt. In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung umfaßt die erste bewegbare Anordnung zwei abwechselnd und gegenläufig wirkende Arbeitskolbenabschnitte, die koaxial längs der inneren Achse bewegbar sind, wobei sämtliche Arbeitskolben der Maschine in der ersten bewegbaren Anordnung enthalten sind und zwei Ausgleichsanordnungen derart angeordnet sind, daß ihre parallelen Bewegungsbahnen um 18o° gegeneinander um die innere Achse versetzt sind, und wobei an einer dieser* beiden bewegbaren Ausgleichs anordnungen zwei abwechselnd und gegenläufig v/irkende Kompressorkolbenteile vorgesehen sind, während die andere bewegbare Ausgleichsanordnung im wesentlichen nur als Gegengewichtsmasse arbeitet.

Um die gewünschte Synchronisationswirkung zu erzielen und gleichzeitig den Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer Teile an der rewünschten gemeinsamen Stelle zu halten, umfaßt ein bevorzugter Synchronisationsmechanismus für die jeweilige Ausgleichsanordnung einen Hebel mit einem mittleren Teil, der an dex" Maschine um eine Schwenkachse begrenzt schwenkbar gelagert ist, wobei die

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Achse senkrecht auf der gemeinsamen Ebene steht, die von der Jeweils inneren Bewegungsbahn oder -achse der ersten bewegbaren Anordnung und der Bewegungsbahn der betreffenden äußeren Ausgleichsanordnung bestimmt wird. Die. Schwenkachse ist also zwischen den beiden Anordnungen und zwar Jeweils in Abstand von ihnen angeordnet, wobei die Enden des Hebels in Richtung der Jeweiligen Anordnungen ragen und mit diesen über Jeweilige innere und äußere Verbindungsglieder verbunden sind. Um einen maximalen Ausgleich von Vibrationskomponenten zu erreichen, bilden der Synchronisationshebel und seine Verbindungsglieder eine Z-Form, wie sie in den Zeichnungen gezeigt ist, wobei die inneren und äußeren Verbindungsglieder parallel und in entgegengesetzten Richtungen von den äußeren Enden des Synchronisationshebels zu den entsprechenden bewegbaren Anordnungen verlaufen. Die Länge des Synchronisationshebels ist ferner bezüglich der gewünschten Wege, die die inneren und äußeren Anordnungen bei ihrer Hin- und Herbewegung zurücklegen sollen, so gewählt, daß der Hebel um gleiche Winkel schwingt, die so klein wie praktisch möglich sind und oberhalb und unterhalb einer Bezugslinie liegen, die durch die Schwenkachse des Hebels verläuft und senkrecht auf den Bewegungsbahnen der Anordnungen steht.

Um die gewünschte Trennung der Arbeitsabschnitte von den Energieverbraucher-Elementen zu erreichen, sind sämtliche Arbeitskolbenabschnitte vorzugsweise an einer bewegbaren Anordnung, und zwar der inneren oder ersten Anordnung, untergebracht, die von einem ersten Gehäuseabschnitt umschlossen wird. Die angetriebenen Elemente lassen sich dann an einer oder mehreren der Ausgleichsanordnungen unterbringen, von denen Jede innerhalb eines eigenen äußeren oder zweiten Gehäuseabschnitts untergebracht ist. Diese Gehäuseabschnitte sind durch geeignete Gehäuse- oder Trennwände gegeneinander abgedichtet mit Ausnahme eines begrenzten Bereiches, an dem eine den Hebel eines oynchronisationsmechanismus aufnehmende querlaufende Durchführung vorgesehen ist. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann somit quer zu der begrenzten Durchführung zwischen der ersten

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bewegbaren Anordnung und der betreffenden Ausgleichsanordnung eine elastische dichtende Trennwand vorgesehen werden, die nur von. dem Schwenkarm des zugehörigen Synchronisationsmechanismus durchsetzt wird und nahe der Schwenkachse des Hebels um diesen herum abgedichtet ist. Bei einem derartigen Aufbau können die Verschiebungen und Geschwindigkeiten an den abdichtenden Flächen viel geringer sein als bei herkömmlichen Wellendichtungen oder ähnlichen dichtenden Flächen, die sich mit gleichen Geschwindigkeiten bewegen und gleiche Wege zurücklegen wie die bewegbaren Anordnungen selbst; dadurch werden die gewöhnlichen Schleifbewegungen, durch die derartige herkömmliche Dichtungen abgenützt v/erden, eliminiert und durch eine begrenzte elastische Verbiegung einer abdichtenden Trennwand ersetzt.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäfien linearen, ausgeglichenen Freikolbenmaschine, bei der eine innere hin- und hergehende Arbeitsanordnung einzeln mit zwei äußeren gegenläufig bewegbaren Ausgleichsanordnungen verbunden ist und von diesen ausgeglichen wird, wobei jede der Ausgleichsanordnungen ein bewegbares Element eines Energieverbrauchers umfaßt;

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht einer modifizierten Ausführungsform einer derartigen Maschine, bei der eine mittlere Anordnung mit drei äußeren Ausgleichsanordnungen verbunden ist;

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer Freikolbenmaschine dieses Typs, bei der eine mittlere · Anordnung mit vier sich gegenläufig bewegenden äußeren Ausgleichsanordnungen verounden ist, die gleichwinklig um die Achse der inneren Anordnung verteilt sind;
Fig. 4- eine den Figuren 2 und 3 ähnliche Ansicht einer

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modifizierten Freikolbenmaschine, bei der eine innere bewegbare Anordnung mit vier gegenläufig bewegbaren äußeren Ausgleichsanordnungen verbunden ist, wobei die Ausgleichsanordnungen nicht gleichwinklig um die innere Anordnung verteilt, wohl aber in ausgeglichenen Paaren symmetrisch zur Achse der inneren Ano-rdnung angeordnet sind;

Fig. 5 eine der I¹Ig. 2 ähnliche Darstellung einer abgewandelten Freikolbenmaschine, bei der eine innere beweg-• bare Anordnung mindestens ein Paar von an entgegengesetzten Seiten ihrer Bewegungsach.se angeordnete Kolben umfaßt und von zwei gegenläufig bewegbaren äußeren Ausgleichsanordnungen ausgeglichen wird;

Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche Barstellung einer abgewandelten linearen, ausgeglichenen Freikolbenmaschine, bei der die innere Anordnung eine Arbeits- oder Antriebsanordnung ist, die einzeln mit zwei bewegbaren äußeren Anordnungen verbunden ist, wobei eine der äußeren Anordnungen ein bewegbares Element eines Energieverbrauchers umfaßt, während die andere äußere Anordnung in erster Linie als Teil des Gegengewichts für die jnnere Anordnung dient;

Fig. 7 eine den Figuren 1 und 6 ähnliche Darstellung einer weiteren Variante, bei der Arbeitskolben an beiden äußeren. Ausgleichsanordnungen vorgesehen sind, während die innere bewegbare Anordnung nur eine Ausgleichsfunktion ausübt;

Fig. 8 eine der Fig. 6 ähnliche Darstellung einer be\^rorzugten Freikolbenmaschine, bei der eine innere bewegbare Anordnung zwei koaxial abwechselnd und gegenläufig wirkende Arbeitskolben aufweist und einzeln mit zwei gegenläufig bewegbaren äußeren Ausgleichsanordnungen verbunden ist, wobei eine der Ausgleichsanordnungen ein Paar von abwechselnd und gegenläufig wirkenden Kompressorkolbenteilen umfaßt, während die andere Ausgleichsanordnung nur als Teil einer Gegengewichtsmasse arbeitet;

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.Fig. 9 eine vergrößerte Schnittdarstellung längs der Linie 9-9 der Fig. 8 (wobei der Synchronisationshebel sich jedoch in seiner Mittellage befindet), um Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Kombination aus einem elastischen Dichtungselement und einem Synchronisationshebel zu zeigen; und

Fig. 1o eine Schnittdarstellung längs der Linie I0-I0 der Fig. 9j wobei zur größeren Klarheit Teile weggebrochen sind.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine bevorzugte lineare, ausgeglichene Freikolbenmaschine nach der Erfindung ein Hauptgehäuse 11, das eine hin- und hergehende Translation in Richtung einer inneren Längsachse der Maschine ausführende erste bewegbare Anordnung 12 trägt. In der vorliegenden Ausführungsform umfaßt die erste bewegbare Anordnung einen Arbeitskolbenteil 13, der innerhalb eines stationär an dem Gehäuse 11 montierten Arbeitszylinders 14- hin- und herbewegbar ist. Eine Brennstoff-Einspritzdüse oder Zündkerze 16 sowie geeignete Einlaß- und Auslaßöffnungen dienen in bekannter Weise zur Kompressions- oder Funkenzündung eines geeigneten brennbaren Gemisches innerhalb einer Verbrennungskammer 17, die sich zwischen dem Kolbenteil 13 und dem Kopf des Zylinders 14 befindet.

Der Kolben 13 ist an einer in Längsrichtung bewegbaren Stange 18 befestigt, die im vorliegenden Fall koaxial zu dem Kolben 13 und dem Zylinder 14 verläuft und eine innere Achse oder Bahn der Längsbewegung der ersten bewegbaren Anordnung bildet.

Am unteren Ende der Stange 18 ist ein Verbindungsglied 19 für die im folgenden zu beschreibenden Synchronisationsmechanismen in Verbindung mit einem weiteren Kolbenteil 21 vorgesehen, der längs der/Achse der Stange 18 innerhalb eines unteren Zylinders 22 hin- und herbewegbar ist. Der Abstand zwischen dem Kolbenteil 21 und dem Kopf des Zylinders 22 kann als zweckmäßiger Teil eines Arbeitsabschnittes der Freikolbenmaschine dienen und kann, wie in Fig. 8, eine weitere Verbrennungskammer bilden, die der ersten

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bewegbaren Anordnung 12 während aufeinanderfolgender Arbeitshübe in entgegengesetzter Richtung Energie zuführt. Die zwischen dem Kolbenteil 21 und dem Kopf des Zylinders 22 gebildete Kammer 23 kann andererseits auch als Rückwurf-Kompressorkammer, die die Rückführenergie für die Aufwärtsbewegung der inneren Anordnung 12 erzeugt, oder als Spülkammer dienen, die Luft zur Spülung der Verbrennungskammer 17 erzeugt. Die Kammer 23 kann schließlich als Teil eines Energieverbrauchers, etwa als Kompressionskammer, dienen, in der der Kolben 21 das bewegbare Element eines solchen Enex'gieverbrauchers bildet, um etwa gewünschte Drucke zu erzeugen oder Pumpwirkungen innerhalb der Kammer auszuführen.

Wie beschrieben, umfaßt die erste bewegbare Anordnung 12 mehrere Teile oder Elemente, die im wesentlichen als Einheit die hin- und hergehende Translation dieser Anordnung mit ausführen.

Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Ausgleichsanordnungen vorgesehen, die hin- und hergehende Translationen längs Bahnen ausführen, die außerhalb der inneren Achse der ersten bewegbaren Anordnung 12 verlaufen, in Abstand von dieser angeordnet sind und um die innere Achse verteilt sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei solche Ausgleichsanordnungen vorgesehen, die generell mit 24 bzw. 26 bezeichnet sind. Die Ausgleichsanordnung 24 umfaßt ein bewegbares Element 27 eines Energieverbrauchers, das als Kompressorkolben dargestellt ist, der in einem mit geeigneten Einlaß- und Auslaßöffnungen 29» 31 versehenen Kompressorzylinder 28 arbeitet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt auch die zweite Ausgleichsanordnung 26 ein bewegbares Element eines Energieverbrauchers, das wiederum als ein Kompressorkolben 32 gezeigt ist, der in einem mit einer Einlaßöffnung 34- und einer Auslaßöffnung 36 versehenen Kompressorzylinder 33 arbeitet. Anstelle dieser speziellen Gegengewichts-Elemente können auch sonstige Formen von Energieverbrauchern, etwa Generatoren, Pumpen, oder dergleichen, vorteilhaft · eingesetzt werden. Die Kompressorzylinder 28- und 33 können voneinander unabhängig, -als Teile eines einstufigen Kompressors

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parallelgeschaltet oder für zweistufige Kompression in Reihe geschaltet sein.

,Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jede äußere Ausgleichsanordnung über eine eigene Synchronisationseinrichbung mit der ersten inneren bewegbaren Anordnung 12 verbunden. Die betreffenden Ausgleichsanordnungen sind symmetrisch um die Achse der Stange 18 in einer Weise angeordnet, die von den relativen Massen der in den verschiedenen bewegbaren Anordnungen enthaltenen oder sich mit diesen bewegenden Teile bestimmt ist, wobei die Bewegungsbahnen der Ausgleichsanordnungen und deren Winke1-verteilung um die Achse der Stange 18 so gewählt sind, daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer fassen der Maschine bei allen Arbeitslagen der betreffenden Anordnungen an einer im wesentlichen festen Stelle der Maschine bleibt. In dem vorliegenden speziellen Fall verlaufen die Bewegungsbahnen der äußeren Ausgleichsanordnungen parallel zur inneren' Achse der Stange 18, die Massen der jeweiligen Ausgleichsanordnungen sind untereinander gleich, und ihre Bahnen haben gleiche radiale Abstände von der inneren Achse und sind um diese gleichwinklig, d.h. um 18o° gegeneinander, versetzt.

Die einzelnen Synchronisationsmechanismen sind so aufgebaut und ausgerichtet, daß sie Bewegungen der Ausgleichsanordnungen in Richtungen mit Bewegungsvektorkomponenten erzeugen, die zu der Bewegungsrichtung der inneren Anordnung 12 stets entgegengerichtet sind.

In Fig. 1 ist ein bevorzugter Synchronisationsmechanismus gezeigt, bei dem ein Schwinghebel 37 auf einer Querachse 38 schwenkbar gelagert ist. Die Achse 38 ist an dem Gehäuse 11 befestigt und verläuft in einer Richtung, die senkrecht auf der von der Bewegungsachse der Stange 18 und der Bewegungsachse des Kolbens 27 gebildeten gemeinsamen Achse steht. Die Schwenkachse 38 des Hebels 37 ist somit, wie gezeigt, an einer mittleren Stelle zwischen den Bewegungsbahnen der jeweiligen Anordnungen, die über den Hebel miteinander verbunden sind, angeordnet.

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Der Hebel 37 ist mit seinem äußeren Hebelarm 39 bei 41 an ein Verbindungsglied 42 angelenkt, das seinerseits bei 43 an den Kompressorkolben 27 angelenkt ist. Der andere oder innere Hebelarm des Hebels 37 ist bei 46 an ein anderes Verbindungsglied 47 angelenkt, dessen unteres Ende bei 48 an das Verbindungsglied 19 der ersten bewegbaren Anordnung 12 angelenkt ist. Die Drehachsen sämtlicher Gelenke verlaufen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zueinander.

Ein ähnlicher Synchronisationshebel 49 ist bei 51 schwenkbar gelagert, um die äußere Ausgleichsanordnung 26 mit der ersten Anordnung 12 zu verbinden. Der Hebel 49 ist wiederum mit seinem äußeren Hebelarm an ein Verbindungsglied 53 angelenkt, das seinerseits an den Kompressorkolben 32 angelenkt ist, während der innere Hebelarm des Hebels 49 in ähnlicher Weise an ein Verbin-¹ dungsglied 52 angelenkt ist, das seinerseits an das Verbindungsglied 19 der ersten bewegbaren Anordnung 12 angelenkt ist.

Um den gewünschten Ausgleich zu erzielen und um unausgeglichene seitliche oder Drehkräfte so klein wie möglich zu machen oder zu beseitigen, sind die beiden Synchroni sat ionsmechanisinen in ähnlicher Art aufgebaut und symmetrisch orientiert, so daß die rotierende oder Schwingbewegung eines Elements des einen Synchronisationsmechanismus durch eine entgegengesetzte rotierende oder Schwingbewegung eines entsprechenden Elements des anderen Synchronisationsmechanismus symmetrisch ausgeglichen wird. V/erden erfindungsgemäß mehr als zwei Ausgleichsanordnungen und ebenso viele einzelne Synchronisationseinrichtungen verwendet, so werden diese bezüglich der Achse der Stange 18 symmetrisch derart angeordnet, daß der gewünschte Ausgleichszustand erreicht wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind ferner die jeweiligen Hebelarme der Hebel 37 und 49 gleich, d.h. die Ausgleichsanordnungen bewegen sich längs ihrer Bahnen über die gleichen Gesamtwege wie die innere oder erste bev;egbare Anordnung 12. In gewissen Fällen könnten die Hebelarme auch ungleich sein, um speziellen Konstruktionsanforderungen zu entsprechen, beispielsweise um eine geeignete Kompatibilität zwischen der Geschwindigkeit

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des Arbeitskolbens und der eines Pumpenkorbens oder eines sonstigen Arbeit verrichtenden Elements zu erreichen. Der gewünschte Ausgleich wird in jedem Fall dadurch erzielt, daß die Absolut- betrage des Produktes aus den sich in einer Richtung bewegenden Massen mal den zugehörigen Hubwegen stets gleich ist den Absolutwerten des Produktes aus den sich in der entgegengesetzten Richtung bewegenden Massen mal den zugehörigen Hubwegen.

Ferner brauchen die Bewegungsbahnen der Gegengewichtseinheiten niGht parallel zu der Bewegungsbahn der ersten bewegbaren Anord-.nung 12 zu sein, solange die Winkelausrichtung der verschiedenen Bewegungsbahnen der zwei oder mehreren Ausgleichsanordnungen erfindungsgemäß so angeordnet sind, ferner die längs den verschiedenen Bahnen bewegbaren relativen Massen, ihre geweiligen Hubwege sowie der Aufbau und die Ausrichtung der einzelnen synchronisierenden Verbindungen zwischen derartigen äußeren Anordnungen und der inneren oder ersten bewegbaren Anordnung derart zusammenwirken und aufeinander bezogen sind, daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer Massen der Maschine für alle Arbeitslagen der Maschinenanordnungen an einer festen Stelle in der Maschine gehalten wird. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Schwerpunkt der bewegbaren Teile der ersten Anordnung 12 bezüglich der Achse 18 symmetrisch angeordnet, so daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher Elemente der ersten bewegbaren Anordnung 12 stets irgendwo auf der Achse der Stange 18 liegt. Die verschiedenen Massen der Teile der Ausgleichsanordnungen und Synchronisationsmechanismen sind in diesem Falle in ähnlicher Weise so angeordnet, daß ihr gemeinsamer Schwerpunkt wiederum auf der Achse der Stange 18 liegt, so daß diese Teile die erste bewegbare Anordnung im wesentlichen vollständig ausgleichen. Dieser Zustand ist dadurch definiert, daß der gemeinsame Massenpunkt sämtlicher bewegbarer Massen, die Teil der verschiedenen Anordnungen und Synchronisationsverbindungen der Maschine bilden oder sich mit diesen bewegen, an einer im wesentlichen festen Stelle innerhalb der Maschine bleibt, d.h. im vorliegenden Fall an einer im wesentlichen festen Stelle längs der Achse der Stange 18.

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Die Figuren 2 und 4 zeigen schematische Draufsichten auf abgeänderte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen linearen, ausgeglichenen Freikolbenmaschinen, bei denen die relative Anzahl oder Anordnung der Ausgleichsanordnungen innerhalb der oben genannten Prinzipien verändert ist. So zeigt Fig. 2 eine Variante, bei der eine erste bewegbare Anordnung, die generell mit 71 bezeichnet ist, längs einer Achse 72 in einer Richtung bewegbar ist, die senkrecht auf der gleichen Ebene der Fig. 2 steht. In diesem Fall sind drei Ausgleichsanordnungen 73» 74 und 76 um die Achse 72 gleichwinklig gegeneinander verteilt und weisen von der Achse 72 selbst gleiche radiale Abstände auf· Jede der Ausgleichsanordnungen 73, 74- und 76 ist einzeln längs ihrer eigenen Achse bewegbar, die parallel zu der Achse 72 der ersten bewegbaren Anordnung 71 verläuft. Jede dieser Ausgleichsanordnungen ist ferner einzeln und getrennt mit der ersten bewegbaren Anordnung über entsprechende Synchronisationsgestänge verbunden, die im wesentlichen denen bei der Vorrichtung nach Fig. 1 gleichen. Die Haupthebel 77» 78 und 79 der jeweiligen einzelnen Synchronisationseinrichtungen sind gemäß der Darstellung in Fig. 2 um feste Gelenke 81, 82 und 83 schwenkbar, die in geeigneter Weise am Hauptgehäuse 84 der Maschine befestigt sind. Diese Haupthebel sind über geeignete (nicht gezeigte) Zwischen—Verbindungsglieder an entsprechende Gelenkverbindungen 86, 87 und 88 der jeweiligen Ausgleichsanordnungen sowie an parallele Schwenkachsen 89» 91 und 92 an der ersten bewegbaren Anordnung angeschlossen. Xm vorliegenden Fall sind ebenso wie in den Varianten der Figuren 3» 4 und 5 die Synchronisationshebel an ihren Mittelpunkten gelagert, so daß die relativen Längen der Hin- und Herbewegung der ersten bewegbaren Anordnung und die jeder Ausgleichsanordnung im wesentlichen gleich sind·

Bei der für die Variante nach Fig· 2 gezeigten speziellen Bauform ist die Gesamtmasse jeder Ausgleichsanordnung 73» 74-» 76 ' gleich, einem Drittel der Gesamtmasse der ersten bewegbaren Anordnung 71· Es wäre auch möglich, Synchronisationshebel mit ungleichen Hebelaralängen vorzusehen und die Ausgleichsanordnungen schräg oder in sonstigen relativ symmetrischen Lagen um

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die erste bewegbare Anordnung herum anzuordnen, wobei beispielsweise zwei der drei Ausgleichsanordnungen verhältnismäßig nahe_ beieinander angeordnet sein könnten, während, die dritte Ausgleichsanordnung auf der entgegengesetzten Seite der ersten"bewegbaren Anordnung in einer Winkellage in der Mitte zwischen den erstgenannten zwei Ausgleichsanordnungen lage. In diesem Fall wären die Massen der jeweiligen Ausgleichsanordnungen relativ zueinander derart eingestellt, daß der oben beschriebene Ausgleichszustand erreicht wird, d.h. ein Zustand, bei dem der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer Massen der Vorrichtung bei allen Betriebs zuständen der verschiedenen Anordnungen an einer im wesentlichen festen Stelle innerhalb der Maschine bleibt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, bei der eine erste innere Anordnung 93 einzeln mit vier äußeren bewegbaren Ausgleichsanordnungen °A, 96, 97 und 98 über einzelne Synchronisationshebel 99» "lot, 1o2 bzw. 1o5 verbunden ist. Wiederum sind die verschiedenen Anordnungen bezüglich eines Hauptgehäuses 1o4- einzeln bewegbar, und die einzelnen Bewegungsbahnen der äußeren Ausgleichsanordnungen sowie ihre Hublängen und ihre relativen Massen sind so gewählt, daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer Massen der Maschine in sämtlichen Arbeitszuetänden an einer festen Stelle innerhalb der Haschine liegt· In diesem Fall sind die äu«~ seren Ausgleicheanordnungen gleichwinklig um die Achs· der inn«- ren Anordnung 93 verteilt, d.h. um jeweils 9o° versetzt, die Haupt-Synchronisationshebel haben gleiche Hebelarmlängen, so dad die relativen Hublängen der einzelnen Anordnungen gleich sind, und zur Erzielung des gewünschten Auegleichszustands hat jede der Ausgleichsanordnungen eine Gesamtmasse, die gleich einem Viertel der Masse der inneren bewegbaren Anordnung ist, wobei die Gegengewichtsmassen in gleichen radialen Abständen von der Bewe-, gungsachse der inneren bewegbaren Anordnung 95 entfernt sind.

Fig. 4- zeigt eine'Variante, bei der eine innere bewegbare Anordnung 1o6 längs einer Achse 1o7 relativ zu einem Haschinengehäuse To8 hin- und herbewegbar ist, und wobei die Bewegung

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der ersten Anordnung von vier äußeren Ausgleichsanordnungen 1o9» 111, 112 und 113 ausgeglichen wird. Diese äußeren Ausgleichsanordnungen sind einzeln über getrennte Synchronisationshebel 114, 116, 117 und 118 mit der inneren bewegbaren Anordnung 1o6 derart verbunden, daß die gewünschten Bewegungskomponenten stets gegenläufig zu der Bewegung der inneren Anordnung 1o6 liegen. In diesem Fall sind die vier äußeren Ausgleichsanordnungen bezüglich der Achse 1o7 symmetrisch angeordnet, jedoch nicht gleichwinklig um die Achse 1o7 verteilt. Vielmehr liegen die vier äußern Ausgleichsanordnungen in symmetrischen Paaren, so daß die Anordnungen 1o9 und 111 sich winkelmäßig nahe beieinander befinden und von jeweils diametral gegenüberliegenden Anordnungen 112 und 113 symmetrisch ausgeglichen werden, die auf der entgegengesetzten Seite der Achse 1o7 ebenfalls relativ nahe beieinander liegen. Wiederum sind die Hebelarme der Synchronisationshebel 114, 116, 117 und 118 gleich, so daß die jeweiligen inneren und äußeren Anordnungen längs paralleler Bahnen um jeweils gleiche Abstände in entgegengesetzten Richtungen 'bewegbar sind, um den gewünschten Ausgleichszustand zu erzielen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, bei der die generell mit119 bezeichnete innere Anordnung längs einer inneren Achse 121 bewegbar ist und zwei Kolbenelemente 123 und 124 umfaßt, die mit der ersten bewegbaren Anordnung 119 starr verbunden sind und Teile dieser Anordnung bilden und die symmetrisch derart angeordnet sind, daß der Massenmittelpunkt der ersten Anordnung an einer gewissen Stelle auf der Achse 121 verbleibt, während sämtliche Tqile der ersten Anordnung sich bezüglich des Maschinengehäuses 122 als Einheit bewegen.

In diesem Fall sind die beiden Ausgleichsanordnungen 127 und 128 um 18o° um die Achse 121 verteilt und so gelagert, daß sie sich einzeln längs Bahnen bewegen können, die parallel zu der Achse 121 verlaufen. Jede Ausgleichsanordnung ist einzeln über ein getrenntes Synchronisationselement, etwa einen Synchronisationshebel 129 bzw. 131, mit der inneren bewegbaren Anordnung 119 verbunden, so daß sich die äußeren Anordnungen stets gegenläufig zu

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der Bewegungsrichtung der inneren Anordnung bewegen. Wiederum sind die Synchronisationshebel an festen Drehachsen 132 bzw. 133 um begrenzte Winkel schwenkbar gelagert.

Bei jeder der in Fig. 2 bis 5 gezeigten Anordnungen ist mindestens ein Arbeitskolben an einer der bewegbaren Anordnungen und mindestens ein bewegbares Element eines Energieverbrauchers an einer weiteren bewegbaren Anordnung vorgesehen. Beispielsweise könnten die inneren bewegbaren Anordnungen der Vorrichtungen nach Fig. 2 bis 5 einen Arbeitskolben zum Antrieb der jeweiligen Maschine umfassen, während mindestens eine Ausgleichsanordnung, gegebenenfalls auch alle äußeren Ausgleichsanordnungen, einen bewegbaren Kompressorkolben oder ein sonstiges bewegbares Element eines Ensrgieverbrauchers umfaßt. In alternativer Ausführung kann ein derartiges Energieverbraucher-Element in mindestens einer Ausgleichsanordnung, jedoch in weniger als allen Ausgleichsanordnungen, enthalten sein, während die übrige oder übrigen Au.ygleichsanordnungen lediglich ein Gegengewicht bilden oder eine sonstige Funktion erfüllen könnten, die nicht notwendigerweise als Energieverbraucher einzustufen wäre.

Fig. 6 zeigt eine v/eitere Variante dieses letzteren Typs. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die erste bewegbare Anordnung einen Arbeitskolben 138, der in einem bezüglich eines Gehäuseabschnitts 137 festen stationären Arbeitszylinder 139 hin- und berbewegbar ist. Der Arbeitskolben 138 ist über eine Verbindungsstange 141 mit einem zweiten Kolben 142 verbunden, der sich mit den übrigen Teilen der Anordnung 136 als Einheit bewegt und innerhalb eines zweiten Zylinders 14-3 eine beliebige Arbeitsfunktion erfüllt. Im vorliegenden Fall dient der Zylinder 14-3 vorzugsweise als Rückwurfkammer oder als eine mit dem Arbeitszylinder 139 zusammenwirkende Spülkammer.

Sämtliche Teile dieser ersten Anordnung bewegen sich gemeinsam als Einheit in Richtung der ivlasohinenlangsach.se 14-v, die vorzugsweise eine Symmetrieachse der ersten Anordnung bildet, so daß der Massenmittelpunkt sämtlicher bewegbaren Elemente dieser

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ersten Anordnung stets irgendwo auf der Achse 144 liegt.

In der Vorrichtung nach Fig. 6 sind zwei äußere Ausgleichsanordnungen vorgesehen. Die erste Ausgleichsanordnung 146 umfaßt ein Energieverbraucher-Element, das. als" ein in einem Kompressorzylinder 148 arbeitender Kompressorkolben 147 dargestellt ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kompressorkolben über eine Stange 149 mit einem in Längsrichtung bewegbaren Kreuzkopf 151 verbunden, der in einer Führung 152 gleitet und dadurch die gewünschte Bewegungsbahn dieser Ausgleichsanordnung sicherstellt. Die Anordnung 146 ist für sich mit der ersten inneren bewegbaren Anordnung .156 über einen Synchronisationshebel 155 verbunden, der zur Ausführung begrenzter Schwenkbewegungen an einer festen Achse 154 am Gehäuseabschnitt 157 an einer Stelle angelenkt ist, die sich zwischen der inneren und der äußeren bewegbaren Anordnung befindet und von beiden einen Abstand aufweist. Der Hebel 153 hat im vorliegenden Fall zwei gleiche Hebelarme, von denen einer bei 156 an ein Verbindungsglied 157 angelenkt ist, dessen anderes Ende bei 158 an den Kreuzkopf I5I angelenkt ist. In ähnlicher Weise ist das innere Ende des Hebels 153 bei 159 an ein symmetrisches Verbindungsglied 161 angelenkt, dessen anderes Ende bei 162 an einen Abschnitt 165 angelenkt ist, der an der inneren bewegbaren Anordnung 156 befestigt ist und sich mit dieser als Einheit bewegt. Das soweit beschriebene Synchronisationsgestänge gewährleistet also eine Bewegung der Ausgleichsanordnung 146, deren Hauptkomponentenvektor (im vorliegenden Fall der gesamte Bewegungsvektor) stets gegenläufig zur Bewegung der ersten Anordnung I56 gerichtet ist.

Die zweite Ausgleichsanordnung 164 ist in der Ausführungsform nach Fig. 6 als eine Anordnung dargestellt, die lediglich eine -Ausgleichsfunktion erfüllt und kein bewegbares Element eines ., Energieverbrauchers umfaßt. Im vorliegenden Fall weist die Anordnung 164 eine Stange 166 auf, die an einem Kreuzkopf 167 befestigt ist.-Der Kreuzkopf 16? ist in einer Führung 168 in einem Teil 169 des Gehäuseabschnitts 157 vertikal bewegbar. Das obere Ende der Stange 166 trägt einen weiteren Kreuzkopf I7I» der innerhalb einer Führung 172 bewegbar ist, wobei sich sämtliche

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Teile der Ausgleichsanordnung 164 als Einheit längs einer Bahn "bewegen, die parallel zu der Achse 144 verläuft und von dieser. einen radialen Abstand aufweist, der gleich dem radialen Abstand der Ausgleichsanordnung 146 ist. Die Elemente 166, 167 und 171 'der Ausgleichsanordnung 164 bewegen sich als Einheit, die für" sich über einen getrennten Synchronisationshebel 173 sowie Zwischenglieder 174 und 176 an·den Abschnitt 163 der inneren Anordnung angelenkt sind, um zu erreichen, daß die Anordnung 164 stets eine der Bewegung der inneren Anordnung I36 entgegengerichtete Ausgleichsbewegung ausführt.

In dem vorliegenden Fall und in weiteren Fällen können die äußeren Hebelanne der Synchronisationshebel 153 und 173 in ihrer Länge nicht nur von den inneren Hebelarmen sondern auch voneinander verschieden sein, vorausgesetzt, daß die relativen äußeren Hebelarmlängen und die massen der damit verbundenen äußeren Ausgleichsanordnungen so gewählt sind, daß sie die gewünschte auggleichsbedingung erfüllen, bei der der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer Lassen der gesamten Maschine in allen Betriebs zuständen der verschiedenen Teile an einer im wesentlichen festen Stelle bleibt.

Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, bei der die innere bewegbare Anordnung 181 im wesentlichen ein Gegengewicht bildet, das ähnlich einem Kreuzkopf in einer Führung 182 innerhalb des Hauptgehäuseabschnitts bewegbar ist. Die äußeren Ausgleichsanordnungen I83 und 184 enthalten bei diesem Aufbau jeweils Kolbenelemente. Beispielsweise umfaßt die Anordnung 183 einen Arbeitskolben 186 und einen Kompressorkolben 187, während die Anordnung 184 in ähnlicher Weise einen Arbeitskolben 188 und einen Kompressorkolben 189 umfaßt. In jeder dieser äußeren Anordnungen befindet sich ein vollständiger Freikolbenmaschinenteil, dessen sämtliche Teile sich als Einheit jeweils in einer Richtung bewegen. Die einzelnen bewegbaren äußeren Anordnungen sind über eigene Synchronisationshebel I9I und 192 sowie die oben beschriebenen Zwischenverbindungs-Gestänge mit der inneren bewegbaren Anordnung 181 verbunden, die sich dabei als Gegenge-

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wicht' jeweils in entgegengesetzter Richtung bewegt- und den speziellen Ausgleichszustand für die gesamte Maschine vermittelt. In einer weiteren Ausführungsform könnte die innere bewegbare Anordnung 181 auch einen Pumpenkolben, einen Kompressorkolben oder ein sonstiges Arbeit verrichtendes Element enthalten.

In Fig. 8, 9 und 1o ist eine -weitere Variante der Erfindung beschrieben. In Fig. 8 umfaßt die innere bewegbare Anordnung 221 obere und untere Arbeitskolben 222 und 223, die innerhalb koaxialer oberer bzw. unterer Arbeitszylinder 224, 226 längs einer gemeinsamen Achse bewegbar sind. Die beiden Arbeitskolben 222 und 223 sind über eine Verbindungsstange 227 starr miteinander verbunden, so daß sich die innere Anordnung als Einheit bewegt.

An einer Seite des Hauptgehäuses der inneren Arbeitseinheit ist ein äußerer Gehäuseabschnitt 228 vorgesehen, der eine der äußeren bewegbaren Anordnungen 229 umschließt. Die Anordnung 229 umfaßt obere und untere Kompressorkolben 231 und 232. Der Kolben 231 ist innerhalb eines Kompressorzylinders 233» eier Einlaß- und Auslaßventile 234-, 236 umfaßt, hin- und herbewegbar. Der untere Kompressorkolben 232 arbeitet innerhalb eines eigenen Kompressorzylinders, 237» der ebenfalls entsprechende Einlaß- und Auslaßventile 238, 239 aufweist. Der obere Kompressorkolben 231 ist mit dem unteren Kompressorkolben 232 über eine starre Verbindungsstange 24o verbunden, so daß sich sämtliche Teile dieser äußeren Anordnung als Einheit bewegen. Der Hauptgehäuseabschnitt 241 weist einen herausragenden Flanschbereich 242 zur Aufnahme einer Fläche eines Zwischenglieds 243 auf, das zwischen dem Flanschbereich 242 und einem entsprechenden Flanschabschnitt 244 an dem äußeren Gehäuseabschnitt 228 befestigt ist, wobei zwischen den inneren und äußeren Gehäuseabschnitten sowie dem Zwischenglied 243 entsprechende Trennlinien vorhanden sind. Die jeweiligen Gehäuseabschnitte 241 und 228 trennen somit die inneren und äußeren bewegbaren Anordnungen wirksam voneinander, wobei jedoch zwischen den beiden Gehäuseabschnitten eine Querdurchführung 246 besteht. Durch diese Durchführung 246 ragt ein in Querrichtung verlaufender Hebel 247, der einen Teil der die

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äußere Anordnung mit der inneren Anordnung 221 separat verbindenden Synchronisationseinrichtung bildet und der an mindestens einem der Elemente 242, 243, 24-4 schwenkbar gelagert ist. In dem vorliegenden Fall umfaßt der Hebel 247 gemäß der Detaildarstellung nach Fig.9 ein inneres Ende 248, das ein Lager 249 zur schwenkbaren Verbindung mit einem Glied 251 aufweist. Das andere Ende des Gliedes 251 ist bei 252 mit einem Kreuzstück verbunden, das an der Stange 227 starr befestigt ist.

Der Hebel 247 v/eist einen Haupthebelabschnitt 254 auf, der an seinem anderen Ende ein Gelenklager 256 zur gelenkigen Verbindung eines Gliedes 257 trägt, dessen arideres Ende bei 258 an die äußere bewegbare Anordnung 229 angelenkt ist.

Im vorliegenden Fall wird die Gelenklagerung für den Hebel 247 von zwei schräg vorspringenden Armen 261 und 262 gebildet; diese Arme enden jeweils in Wellenabschriitten 263 und 264, die in Lagern· 266 bzw. 267 schwenkbar gelagert sind. Die Lager sind zwischen den Elementen 242 und 243 derart angebracht, daß die Schwenkachse generell in der Trennebene zwischen diesen Elementen liegt.

Die übrige in Fig. 8 gezeigte äußere bewegbare Anordnung bildet eine Ausgleichsanordnung 268, die gemäß der Darstellung obere und untere Gegengewichte 269 und 271 aufweist. Die Gegengewichte 269 und 271 sind in Führungen 272 und 273 vertikal längs einer äußeren Bahn bewegbar, die im wesentlichen parallel zur Bahn der inneren Verbindungsstange 227 verläuft. Die beiden Gegengewichte 269 und 271 sind über eine Verbindungsstange 274 starr miteinander verbunden, so daß sich die Teile dieser Ausgleichsanordnung als Einheit bewegen.

Die gewünschte Ausgleichsbewegung wird durch einen eigenen Synchronisationshebel 275 vermittelt, der an den Gehäuseabschnitten schwenkbar an einer Achse 276 gelagert ist, die im wesentlichen senkrecht zu der von den Stangen 227 und 274 bestimmten Ebene verläuft. Ähnlich wie bei dem Hebel 247 ist das äußere

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Ende des Hebels 275 über ein Verbindungsglied 277 mit der äußeren bewegbaren Anordnung 268 verbunden, während das innere Ende des Hebels 275 in ähnlicher Weise über ein Verbindungsglied 278 mit dem starren Kreuzstück 253 der mittleren bewegbaren Anordnung verbunden ist. Sämtliche Bewegungen-der inneren Anordnung 221 werden somit stets durch gegenläufige Bewegungen der jeweils äußeren Anordnungen 229 und 268 ausgeglichen. Im vorliegenden Fall umfaßt nur eine der äußeren Anordnungen einen Energieverbraucher bzw. eine Arbeit verrichtende Einheit, während die andere äußere Ausgleichsanordnung lediglich einen Teil der Gegengewichtsfunktion ohne entsprechende Arbeitsfunktion erfüllt. Die Ausfuhrungsform, nach Fig. 8 hat jedoch den besonderen Vorteil, daß die Freikolbenmaschine in beiden Arbeitsrichtungen positive Arbeitshübe ausführt, die in dem speziellen Ausführungsbeispiel längs der gemeinsamen Bewegungsachse der beiden Arbeitskolben der inneren bewegbaren Anordnung erfolgen. Diese Einrichtung ist daher für die Rückkehr-Hübe von der Rückführenergie eines Rückwurf-Kompressors unabhängig, und es ist nicht erforderlich, eine derartige Rückführenergie beim Anlassen der Maschine, beispielsweise während des Übergangs von einem ersten Starthub auf Normalbetrieb, einzustellen.

Darüberhinaus wird Arbeit von einem Energieverbraucher-Element in einer Bewegungsrichtung und von einem weiteren derartigen Element in der entgegengesetzten Richtung verrichtet.Anstelle von zwei einzelnen gegenläufig wirkenden Arbeit verrichtenden Elementen kann auch ein einzelnes doppelt wirkendes'Element, etwa ein Kompressorkolben mit zwei entgegengerichteten Arbeitsflä-· chen, vorgesehen sein. Ist maximale Arbeitsgeschwindigkeit erwünscht, so läßt sich die Anordnung nach Fig. 8 so modifizieren, daß der Kolben 232 und der zugehörige Zylinder· aus der Anordnung -229 entfernt und für das Gegengewicht 271 der Anordnung 268 ersetzt werden und das Gegengewicht 269 weggelassen wird·. In diesem Fall können die Massen der Arbeitskolben 222 und 223 kleiner gemacht werden, so daß das Gesamtgewicht der bewegbaren Teile reduziert, dadurch die Geschwindigkeit und somit die Ausgangsleistung der Maschine erhöht werden. Wie ferner aus einem Ver-

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gleich mit Fig. 6 ersichtlich, ist nur eine geringe Vergrößerung und. Verteuerung erforderlich, um die erhöhte Ausgangsleistung des Maschinentyps nach Fig. 8 zu erzielen, wobei diese Ausgangsleistung bei gleichem Arbeitshub und gleicher Bohrung mehr als' doppelt so groß ist wie die Ausgangsleistung der Maschine nach Fig. 6.

In allen diesen Fällen sind die Hassen derart ausgeglichen, daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbaren Massen der gesamten Einheit in allen Betriebszuständen der jeweiligen Anordnungen an einer im wesentlichen festen Stelle in der Maschine bleibt. Bei der Maschine nach Fig. 8 sind ferner sämtliche Arbeitsfunktionen in dem inneren oder Hauptgehäuseabschnitt als Teil der inneren oder ersten bewegbaren Anordnung vereinigt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es in vielen Fällen zweckmäßig, zwischen den Arbeitsmechanismen der inneren Anordnung und einer oder mehreren äußeren Anordnungen eine zwangsläufige Dichtung oder Trennung vorzusehen. Die vorliegende Erfindung vermittelt eine verbesserte Ausführungsform für eine derartige Dichtung in Verbindung mit einer speziellen Orientierung und gegenseitigen Anordnung der Teile einer Freikolbenmaschine des vorliegenden Typs. Eine solche Dichtungsanordnung ist im linken Teil der Fig. 8 zwischen der inneren Anordnung 221 und der äußeren Anordnung 229 gezeigt, wobei weitere Einzelheiten· eines geeigneten Dichtungselements und seiner Anordnung in Fig. 9 und 1o dargestellt sind. Danach ist ein elastisches Dichtungselement bzw. eine Membran 281 vorgesehen, deren Innenkante dichtend an dem Hebel 247 anliegt und zwar insbesondere an einem.entsprechenden Sitz 282, der an dem Haupthebelabschnitt 254- an einer Stelle angebracht ist, die auf der Achse der von den Wellenabschnitten 263 und 264- vermittelten Schwenkbewegung liegt. Die Außenkante der elastischen Membran 231 ist bei 284 an einem geeigneten Gehäuseabschnitt befestigt; in der Darstellung liegt die Außenkante der Membran 281 zwischen dem Zwischenglied 243 und einem daran durch Schrauben 287 befestigten äußeren

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Halteglied 286.

Der spezielle Aufbau des elastischen Dichtungselements, etwa der Membran 281, kann entsprechend dem jeweils vorliegenden Anwendungsfall variiert werden. Auch die Art der Befestigung der Innen- und Außenkanten eines derartigen Dichtungselements kann abgewandelt werden. In jedem Fall ist gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen einem· Dichtungselement 281 und dem bewegbaren Schwenkhebel des Synchronisationsmechanismus ein dichtender Eingriff in einer Ebene vorhanden, die die Schwenkachse des Hebels entweder schneidet oder nahe an dieser Schwenkachse liegt. Dadurch lassen sich sowohl die räumliche Verschiebung des Dichtungselements als auch das UaB der durch Bewegung des Hebels auf das Element ausgeübten Verbiegung auf ein Minimum reduzieren, und die Lebensdauer des Dichtungselements wird entsprechend erhöht. In der Praxis ist das Dichtungselement an dem Hebel an einer Stelle befestigt, wo die Verschiebungen und Geschwindigkeiten der Dichtungsfläche viel geringer sind als bei jeder herkömmlichen Welle oder bei sonstigen ähnlichen Flächen in Geräten nach dem Stand der Technik, bei denen derartige Dichtungsflächen sich mit gleicher Geschwindigkeit drehen oder längs gleicher Wege in Axialrichtung bewegen wie die Kolben. Die in Fig. 9 und 1o gezeigte spezielle Hebelanordnung, bei der die Arme 261 und 262 Y-förmig zu den Wellenabschnitten 263 und 264-nach außen verlaufen, ermöglicht es in diesem speziellen Fall, die Innenkante des Dichtungselements 281 genau an der Stelle der Schwenkachse de.s Hebels mittels einer Klemmplatte 263 und entsprechenden Schrauben zu verankern. In spezieller Kombination mit der vorliegenden Erfindung wird also eine neuartige und vorteilhafte Dichtungsanordnung vermittelt, bei der eine innere bewegbare Anordnung und eine äußere bewegbare Anordnung sich auf im wesentlichen parallelen Bahnen gegenläufig bewegen und bei der die Bewegung zwischen diesen Anordnungen in der gewünschten Weise mittels eines Schwenkhebels übertragen wird, der im wesentlichen quer von der inneren Anordnung zur äußeren Anordnung verläuft und schwenkbar auf einer Schwenkachse gelagert ist, die im wesentlichen senkrecht auf der durch die Bewegungsbahnen

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der inneren und äußeren Anordnungen bestimmten gemeinsamen Ebene steht. Somit wird das dem Schwenkhebel zugeordnete und nahe an seiner Schwenkachse angebrachte Dichtungselement nur minimaler Verbiegung und Verschiebung -sowohl bezüglich Weg als auch Geschwindigkeit- unterworfen und gestattet eine hermetische Dichtung.

Wie bei den Anordnungen nach Fig» 7 und 8 gezeigt, sind mehrere Ärbeitskolben an einer oder mehreren, jedoch nicht allen, inneren und äußeren bewegbaren Anordnungen angebracht. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist ein Arbeitskolben in jeder der äußeren bewegbaren Anordnungen vorgesehen, während die innere bewegbare Anordnung keinen Arbeitskolben aufweist. Die beiden Arbeitskolben sind so angeordnet, daß sie gleichzeitig Arbeitshübe und zwar in nur einer Bewegungsrichtung der jeweiligen Anordnungen ausführen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist die Freikolbenmaschine mit mehreren Arbeitskolbenabschnitten versehen, die so angeordnet sind, daß sie abwechselnd und nacheinander Arbeitshübe ausführen und somit Antriebsbewegungen der Anordnungen nacheinander in gegenläufigen Richtungen bewirken. Auf diese Art und Weise kann von einem oder mehreren Energieverbrauchern in einer Bewegungsrichtung und von einem oder mehreren Energieverbrauchern in der entgegengesetzten Richtung Arbeit verrichtet v/erden. Diese Art der Anordnung ergibt eine Maschine, bei der die Energieverbraucher- und Energieerzeuger-Funktionen im wesentlichen gleichmäßig abgeglichen sind. Die Maschine ist ferner hinsichtlich ihrer Massen ausgeglichen, so daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer Massen der gesamten Einheit bei allen Arbeitszuständen der jeweiligen Anordnungen an einer im wesentlichen festen Stelle in der Maschine bleibt.

Die Maschine ist ferner hinsichtlich ihrer Massen ausgeglichen, so daß der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer Massen der gesamten Einheit bei allen Arbeitszuständen der jeweiligen Anordnungen an einer im wesentlichen festen Stelle in der Ma-

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schine "bleibt.

Die oben beschriebenen ausgeglichenen, linearen Freikolbenmaschinen dürften erhebliche Vorteile, sowohl hinsichtlich der Konstruktionsfreiheit als auch hinsichtlich einer Minimierung der Herstellungskosten mit sich bringen, wobei die serienweise Herstellung derartiger Maschinen mit standardisierten Einzelelementen, etwa Arbeitskolben, Arbeitszylindern, Synchronisationsgestängen, Kompressorzylindern und -kolben und dergleichen erfolgen kann, die entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendungsfälle in verschiedenen Konfigurationen zusammengebaut werden können.

Derartige Maschinen vermitteln eine Konstruktionsfreiheit, die sich für einen großen Bereich unterschiedlicher Anwendungsfälle und Funktionen eignet, wozu nicht nur Pumpen, Generatoren und Kompressoren allgemein gehören, sondern auch Anwendungsfälle, bei denen mit unterschiedlichen Produkten oder Fluiden, etwa Luft, Kühlgasen oder sonstigen Gasen, gearbeitet wird. Die bevorzugte Kombination einer speziellen Synchronisationshebel-Anordnung mit einem elastischen Dichtungselement, wie sie bei dieser neuartigen Klasse von Freikolbenmaschinen vorgesehen ist, vermittelt eine hermetische Dichtung zwischen den Jeweiligen bewegbaren Anordnungen und ihren Gehäusen, so daß sich die Anforderungen einer gegenseitigen Isolierung irgendweIcher Materialien oder Maschinenteile gegeneinander oder gegenüber der Umgebung erfüllen lassen. Die obige Beschreibung hat einige Möglichkeiten der praktischen Ausführung der Erfindung aufgezeigt, unter" denen sich auch die beste Ausführungsform befinden dürfte. Weitere Varianten und Abänderungen sind möglidh und fallen in den Schutzbereich der Erfindung.

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Claims

P_a_t_e n_t a_ⁿ_s_p__r_ü_c_h_e

M.j Ausgeglichene lineare Freikolbenmaschine, gekennzeichnet durch eine erste bewegbare Anordnung (·11; 71; 93; 1o6; 119; 136; 18o; 221), von der sich sämtliche Teile im wesentlichen als Einheit bewegen und die derart hin- und herbewegbar gelagert ist, daß sich ihr Schwerpunkt in Richtung einer inneren Längsachse (18; 72; 1o7j 121; 144) der Maschine bewegt; mindestens zwei bewegbare Ausgleichsan-. Ordnungen (24, 26; 73, 74, 76; 94, 96, 97» 98; 1o9, 111, 112, 113; 127, 128; 146, 164; 183, 184; 229, 268), bei denen sich im wesentlichen sämtliche Teile jeder Anordnung als Einheit miteinander bewegen und von denen jede einzeln hin- und herbewegbar derart gelagert ist, daß sich ihr jeweiliger Schwerpunkt längs einer eigenen äußeren Bahn bewegt, die von der inneren Achse einen Abstand hat und wobei die Bahnen der Ausgleichsanordnungen um die innere Achse herum verteilt sind; ferner jeweils eine Synchronisationseinrichtung (37» 4-9» 76, 77, 78; 99, 1o1, 1o2, 1o3; 114, 116, 117, 118; 129, 131; 153, 173; 191, 192; 247, 275), die jede bewegbare Ausgleichsanordnung unabhängig mechanisch mit der ersten bewegbaren Anordnung derart verbindet, daß jede Ausgleichsanordnung längs ihrer Bahn eine gleichzeitige synchrone Bewegung in einer Richtung ausführt, so daß eine Vektorkomponente dieser Bewegung stets gegenläufig zu der Bewegung der ersten bewegbaren Anordnung gerichtet ist; ferner mindestens einen an der Maschine stationär angebrachten Arbeitszylinder (14; 224, 226), wobei eine der bewegbaren Anordnungen einen in dem

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Arbeitszylinder hin- und herbewegbar gelagerten Arbeitskolbenabschnitt (13; 138; 186, 188; 222, 223) aufweist, während mindestens eine der übrigen bewegbaren Anordnungen ein bewegbares Element (27, 32; 147; 187, 189; 231, 232) eines Energieverbrauchers umfaßt.

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2. Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen der bewegbaren Ausgleichsanordnungen (24-, 26; ...) im Winkel ausgerichtet und um die innere Achse (18 ...) herum an Stellen verteilt sind, die sich nach den relativen Massen und Hubwegen der jeweiligen Ausgleichsanordnungen sowie der ersten bewegbaren Anordnung (11;. bestimmen, und daß die relative Lage und Ausrichtung der cin-'zelnen Bahnen sowie der Aufbau, die Ausrichtung und Arbeitsweise der Synchronisationseinrichtungen (37» 4-9; ···) sämtliche in den einzelnen bewegbaren Ausgleichsanordnungen enthaltenen, diesen zugeordneten und sich mit ihnen bewegenden Massen hinsichtlich der radialen Abstände und der um die innere Achse verteilten Orte derart einstellen, daß sie den gemeinsamen Schwerpunkt sämtlicher bewegbarer !.lassen der Maschine in sämtlichen möglichen Arbeitszuständen der bewegbaren Anordnungen an einer im wesentlichen festen Stelle in der Maschine halten.
3. Maschine nach Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2, dadurch gekennze ichnet, daß mindestens eine, jedoch nicht alle, der bewegbaren Anordnungen (11; 715 93; 1o6; 119; 136; 183, 184; 221) mit einem Arbeitskolben (1'3; ...) versehen ist.
4. Maschine nach Patentanspruch 1 oder einem der Unteransprüche, dadurch gekennze ichnet, daß mindestens zwei der bewegbaren Anordnungen (183, 184) jeweils mit mindestens einem Arbeitszylinder versehen sind,wobei in diesen Zylindern die Arbeitskolben (186, 188) verschiedener bewegbarer Anord-

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nungen in ihren verschiedenen Bahnen bewegbar sind (Fig. 7)·
5. Maschine nach Patentanspruch 1 oder einem der Unteransprüche 2 und 3> dadurch geken. nz-eichnet, daß der Arbeitszylinder (14-) sowie der Arbeitskolben (13; 138) koaxial zu der inneren Achse (18; ...) angeordnet sind, und daß der Arbeitskolben Teil der ersten bewegbaren Anordnung (11; 71» 93; 1o6; 119; 136) ist und sich in Abhängigkeit von den Arbeitshüben des Arbeitskolbens längs der inneren Achse in einer Richtung bewegt, wobei der Massenmittelpunkt der ersten Anordnung stets auf der inneren Achse liegt.
6. Maschine nach Unteranspruch 5i dadurch gekennzei chn e t, daß die erste bewegbare Anordnung (221) zwei entgegengesetzt wirkende Arbeitskolbenabschnitte (222, 223) umfaßt, die die erste Anordnung bei ihren abwechselnd aufeinanderfolgenden Arbeitshüben längs der inneren Achse in beiden Richtungen bewegen (Fig. 8).
7. Maschine nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzei clin e t, daß die bewegbaren Ausgleichsanordnungen (229) mindestens ein erstes Element (231), das während einer Bewegung der ersten bewegbaren Anordnung (221) in einer Richtung Arbeit verrichtet, und mindestens ein zweites Element (232) umfassen, das bei der Bewegung der ersten bewegbaren Anordnung in der entgegengesetzten Richtung Arbeit verrichtet·(Fig. 8).
8. Maschine n#ch Unteranspruch 5* gekennzeichnet durch zwei Ausgleichs anordnungen (^, 2c; .1'rc, 16A; 183₁ 184·; 229, 268), die längs getrennten. Bahnen bewegbar gelagert sind,

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wobei die beiden Bewegungsbahnen parallel zur inneren Achse (18; 121; 144) verlaufen und um 18o° um die innere Achse' gegeneinander versetzt sind.
9. Maschine nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgleichsanordnungen (24, 26; 127, 128; 185, 184) im wesentlichen gleiche Massen haben und ihre Bewegungsbahnen in gleichen radialen Abständen von der inneren Achse (18; 121) angeordnet sind (Fig. 1, 5i 7).
10. Maschine nach Unteranspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß nur eine (146; 229) der beiden- Ausgleichsanordnungen e-in bev/egbares Element (147; 231, 232) eines Energieverbrauchers enthält, während die andere Ausgleich sanordnunpj (164; 268) nur als Gegengewicht dient (Fig. 6, 8).
11. Maschine nach Unteranspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß nur die erste bewegbare Anordnung (11; 71; 93; 1o6; 119Γ 136; 221) mit einem Arbeitskolben (13; 138; 222, 223) versehen ist.
12. Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Maschine ein zweiter Arbeitszylinder stationär angebracht ist und daß eine der anderen bewegbaren Anordnungen (183»184) einen, in dem zweiten Ar-

,beitözylinder hin- und herbewegbar gelagerten Arbeitskolben (186, 183) aufweist (tig. 7).

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13. Maschine nach Patentanspruch 1 oder einem der Unteransprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Gehäuseabschnitt (241) für die.erste bewegbare Anordnung (221) und
einen zweiten Gehäuseabschnitt (228) für eine dor anderen bewegbaren Anordnungen (229), wobei die beiden Gehäuseabschnitte Wandteile (242., 244) aufweisen, die die bewegbaren Anordnungen voneinander im wesentlichen trennen, jedoch eine begrenzte Querverbindung (246) zwischen ihnen vermitteln, daß die die erste bewegbare Anordnung mit der besagten anderen
bewegbaren Anordnung verbindende Synchronisationseinrichtung einen Hebel (247) umfaßt, der.durch die Verbindung generell quer von der inneren Achse zu der äußeren Bewegungsbahn der ' besagten anderen bewegbaren Anordnung verläuft und an einem (241) der Gehäuseabschnitte eine Schwenklagerung (266, 267) aufweist, die nahe der Verbindungsstelle angeordnet ist und eine Schwenkbewegung des Hebels um eine Schwenkachse (263,
264) gestattet, die im wesentlichen senkrecht auf einer von der inneren Achse und der äußeren Bewegungsbahn bestimmten
Ebene steht, und daß quer zu der Verbindung ein elastisches Dichtungselement (281) verläuft, das die Verbindung abdichtet und an dem Hebel nahe seiner Schwenkachse dichtend anliegt (Fig. 8). -
14. Maschine nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Dichtungselement (281) mit seinen äußeren Kanten an mindestens einem (241) der genannten Gehäuseabschnitte dichtend angeklemmt ist (Fig. 8).

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