DE2838607C2

DE2838607C2 - Parallel- und innenachsige Umlaufkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2838607C2
Application number: DE2838607A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: IDRAM ENGINEERING Co EST VADUZ LI
Current assignee: IDRAM ENGINEERING Co EST VADUZ LI
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1978-09-05
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2417010A1; FR2417010B1; DE2838607A1; CH618771A5; GB2014244B; IT7805242A0; IL55639A; GB2014244A; IT1103038B; US4415322A

Description

Die Erfindung betrifft eine parallel- und innenachsige Umlaufkolbenmaschine, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 angegeben ist.

Eine solche Maschine kann beispielsweise als Vakuumpumpe, als volumetrische Pumpe oder als volumetrischer Kompressor eingesetzt werden.

Eine derartige Maschine ist aus der AT-PS 51 823 bekannt.

Bei dieser bekannten Konstruktion werden die Leistungsteile im Betrieb durch die auftretenden Zentrifugalkräfte gegen die Statorinnenwand gedruckt und trennen dadurch die Arbeitskammer^ ab. Diese Ausgestaltung bewirkt jedoch, daß die Leistungsteil beim Passieren des vertiefton Bereiches zwischen Einlaß und Auslaß unter dem Einfluß der Zentrifugalkrälte ebenfalls in die Vertiefung eintauchen, wodurch die Bahn der Leistungsteile außerordentlich kompliziert wird. Plötzliche Richtungsänderungen und Ouerbe schleunigungen führen dazu, daß erhebliche Krüfu· auf die Leistungsteile ausgeübt werden, die zu starkem Verschleiß und hoher Geräuschbildung führen. Es ist daher bei bekannten Umlaufkolbenmaschinen dieser Art nicht möglich, diese schnell zu betreiben. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Umlaufkolbenmaschine der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Bewegungen der Leistungsteile, insbesondere im Bereich der Gehäusemantel-Vertiefung gleichmäßig, also nicht ruckartig erfolgen.

ίο Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Umlaufkolbenmaschine erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß der Rotor teilweise in die Gehäuseman-

tel-Innenwandung eindringt, wird eine vollständige •*Michtung zwischen Einlaß und Auslaß erreicht; denn der Rotor berührt nun die Gehäusemantel-Innenwandung nicht mehr nur längs einer Linie, sondern über einen größeren Bereich, der auch relativ großflächig ausgebildet sein kann.

Eine verbesserte Dichtung läßt sich bei einer Umlaufkolbenmaschine mit konzentrischem Rotationskolben auch dadurch erreichen, daß an der Innenwandung des Gehäuses zwischen Einlaß und Auslaß an die Außenkontur des Umlaufkolbens angepaßte Dichtelemente angeordnet sind. (US-PS 19 95 755). Es ist aber dann notwendig, eine komplizierte Zwangsführung für die Leistungsteile vorzusehen, damit diese nicht gegen die ausgedehnten Dichtelemente stoßen. Auch bei

jo diener Konstruktion durchlaufen die Leistungsteile eine außerordentlich komplizierte Bahnkurve, so daß mit dieser bekannten Konstruktion ebenfalls keine hohen Drehzahlen erreichbar sind.

Vorteilhaft ist es, wenn der Steuermechanismus eine

innere Führungsbahn umfaßt, die in einem Seitenteil angeordnet ist, wobei jedes Leistungsteil mit einem

Hebel drehfest verbunden ist, der einen mit derf inneren Führungsbahn in Anlage befindliche Kopf aufweist. Dieser Mechanismus vermeidet relativ komplizierte

Steuermechanismen, jedoch arbeitet diese Vorrichtung nur dann zufriedenstellend, wenn die von dem Medium auf die Leistungsteile ausgeübte Kraft geringer ist als die Zentrifugalkraft. Denn unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft legt sich der Kopf des Hebels an die Führungsbahn an. In diesem Zusammenhang könnten auch andere Kräfte neben der Zentrifugalkraft wirksam werden; der Hebel könnte beispielsweise mittels elastischer oder magnetischer Kräfte gegen die Führungsbahn gezwungen werden.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß der Steuermechanismus eine weitere, äußere Führungsbahn umfaßt, wobei jedes Leistungsteil mit einem Hebel drehfest verbunden ist, der mil der Führungsfläche in Wirkverbindung steht.

v> Bei dieser Ausführungsform benötigt man die Zentrifu galkrafl nicht mehr, um ein Anlegen der Hcbelköpfe an der ersten Führungsbahn zu gewährleisten.

Besonders vorteilhaft ist es. wenn die innere b/v,. äußere Führungsbahn jeweils in einem der gcgenüber-

M) liegenden Seitenteile angeordnet ist.

Es kann auch · orgesehen sein, daß der Steuermechanismus für jedes Leistungsteil einen drehfest mit der Achse ;les l.eistiingsteils verbundenen Hebel aufweist, wobei an diesem eine Pleuelstange aiigelcnkt ist. die aiii

«■^r> Gehäuse koaxi-il /u diesem drehbar gelagert ist, wie dies an sich aus der DL-OS 2b 26 449 bekannt ist.

Die nacnfolgende Beschreibung bevorzugter Atisfuhriingsformen (ier Erfindung dient im Zusammenhang

mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

Fig.l eine Schnittansicht einer Umlaufkolbenmaschine;

F i g. 2 in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung den Rotor einer Umlaufkolbenmaschine;

F ig. 3 in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung eine andere bevorzugte Ausführungsform der wesentlichen Teile einer Umlaufkolbenmaschine;

F i g. 4 eine Schnittansicht längs Linie A-A in F i g. 5; F i g. 5 eine Schnittansicht längs Linie B-B in Fig. 4; F i g. 6 eine Schnittansicht längs Linie C-C in Fig. 4;

F i g. 7 eine Schnittansicht längs Linie D-D in F i g. 4 und

Fig.8 in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung die wesentlichen Teile einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ähnlich der der F i g. 4.

In Fig.l ist im Schnitt eine Umlaufkolbenmaschine dargestellt, in welcher der Rotor 10 in einer einen Einlaß 26 und einen Auslaß 27 trennenden Bereich Z teilweise in das stationäre Gehäuse 13 (Stator) eingelassen ist. Die in Form von zuriickziehbaren Schaufeln 11 ausgebildeten Leisiungsteiie sind mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Steuermechanismus verbunden.

Der Rotor mit einem Radius Rr ist um eine Strecke e exzentrisch in'. Gehäuse gelagert, das einen Innenradius Rs aufweist. Wenn der Rotor das Gehäuse lediglich berühren würde, erhielte man die Beziehung
0 < Rs - Rr = e.

Im vorliegenden Fa!! gilt jedoch

0 S Rs — Rr < e. zl5 d. h., die beiden Zylinder schneiden sich. Der Bereich Z ist genau die Zone, die zwischen den Schnittpunkten liegt. Längs dieses Bereich·; Zist die innenwand des Gehäuses kreisbogenfönr.ig ausgebildet, und zwar mit einem Durchmesser 2 Rr. Längs dieser Zone kann man ganz oder teilweise einen Abstreifer anordnen, der ebenfalls diesen Durchmesser aufweist. Verschiedene Rotorarten können in dieser Vorrichtung Verwendung finden. In F i g . 2 ist in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung ein Rotor mit zwei Schaufeln dargestellt, die mittels Hebeln und Pleuelstangen gesteuert werden. Die zurückziehbaren Schaufeln 11 sind um die Achse von Wellenstücken 12,12' drehbar gelagert. Diese Drehachsen verlaufen parallel zur Welle 14 des Rotors 10. Das Wellenstück 12' ist langer als das Wellenstück 12.

Der Steuermechanismus für die zurückziehbaren Schaufeln f 1 umfaßt für jede Schaufel eine Pleuelstange 23, die mit i'irem einen L-nde auf einer fest mit einem einen Teil des Gehäuses bildenden Seitenteil verbündenen Welle 16' gelagert ist. Das andere Ende der Pleuelstange 23 ist an einem Gabelhebel 24 angelenkt, der auf dem Wdknstuck 12' der Schaufel 11 aufgekeilt oder in anderer Weise fest mit diesem verbunden ist. Die Aiilenkachse .25, längs weicher die Pleuelstange 23 und der Gabelhebe! 24 verbunden sind, befindet sich im Krümmurigsniiitelpunkt des Endes der Schaufel 11. Dieser Anlenkpimkt beschreibt einen Kreis um die Achse, an weicht·!·· die Pleuelstange drehbar angelenkt ist. Dieser Krois ist ko.tx<ai zum Gehausemantel '.:. ngeordr.it.

Die UmlaiifkotaenmasehiDe arbeitet fo!>^Tt.ndernm L'etv Wenn sich der Rotor 10 dreht, dann wird die Drehbewegung sui die Schaufeln 11 übertragen, d^ren Wt. ller.'S'.ueke l> ihrerseits die mit den Pleueistanger; 23 \erbi.;ndenep Gabelhebel 24 mitnehmen. Infolge de." ίΛ/cntiizität ck·." Achse 16' j;egcnüber der Rotoidchse i.no infolge der i-'t:stimn::eri Länge der Pleuelstange 23.

d. h. infolge der besonderen Position der Anlenkachse 25, werden die Schaufeln 11 um die Achsen der Wellenstücke 12, 12' derart verschwenkt, daß das Ende jeder Schaufel sich tangential an der zylindrischen, konzentrisch zur Achse 16' angeordneten Oberfläche verschiebt, die außer in cem Bereich Z mit der Innenwandung des Gehäuses 13 zusammenfällt. (In F i g. 2 ist das Gehäuse nicht eingezeichnet.)

Wenn sich der Rotor beispielsweise im Falle eines Kompressors in Richtung des in F i g. 1 eingezeichneten Pfeiles Fdreht, dann wird ein bestimmtes Volumen eines Mediums durch den Einlaß 26 angesaugt. Dieses Volumen wird anschließend in dem Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln 11 transportiert und durch den Auslaß 27 wieder ausgestoßen, wodurch der Zyklus beendet wird.

In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform eines Rotors ebenfalls in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung gezeigt. Gleiche Teile tragen gleiche Bezugszeichen wie im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der Steuermechanismus der zurüekziehbaren Schaufeln 11 umfaßt für jede Schaufei einen an dem Wellenstück 12' der Schaufel befestigten Hebel 24. Dieser Hebe! trägt einen Kopf 24a, der mit einer Führungsbahn 18 in Wirkverbindur.g tritt.

Im Betrieb dreht sich der Rotor 10 in Richtung des Pfeiles F. Diese Drehbewegung wird auf die Schaufeln 11 übertragen, deren Wellenstücke 12' ihrerseits den Hebel 24 mitnehmen. Dessen Köpfe 24a legen sich unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft derart an die Führungsbahn 18 an, daß sich das Ende jeder Schaufel 11 tangential längs einer koaxial zur Führungsbahn 18 angeordneten Zylinderfläche bewegi. Wie im Fall des in Fig. 2 dargestellten Rotors fällt diese zylindrische Fläche mit der Innenvandung des Gehäuses zusammen, abgesehen von dem Bereich Z (das Gehäuse ist in F i g. 3 nicht dargestellt).

Die Führungsbahn 18 ist eine ebenfalls koaxial zum Gehäusemantel (selbstverständlich mit Ausnahme des Bereichs Z) angeordnete innere Abwälzbahn Wenn der Kopf 24a eine zylindrische Wirkfläche aufweist, deren Achse parallel zur Achse der Maschine verläuft, dann kann die Führungsbahn 18 zylindrisch sein, und dies wird auch der häufigste Fall sein.

In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 beschreibt die Anlenkstelle Pleuelstange—Hebel einen Kreis um die exzentrische Achse, an welcher das andere Ende der Pleuelstange drehbar gelagert ist. Es handelt sich um eine kinematische bestimmte Bahn.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 existiert auch ein Punkt an dem Hebel 24, nämlich der Kopf 24a, der einen Kreis um die exzentrische Achse beschreibt, so daß sich dieselbe Bahn ergibt; jedoch wird diese bestimmt durch die Kombination eines kinematischen Effektes, nämlich der Zentrifugalkraft, und einer kinematischen Begrenzung, die durch die Führungsbahn 18 gegeben ist. Vorteilhaft ist, daß der Steuermeehanismus einfach aufgebaut ist. l£in solcher Mechanismus kann dann verwendet werden, ν cnn die von dem Medium auf die Schaufeln ausgeübte Kraft kleiner ist als die Zentrifugalkraft.

Ein weiteres Ausfuiuungsbeispiel ist in den F i g . 4 bis 7 dargestellt. Die Besonderheit der speziellen Einbetni'it (/.) des Rotors in das Gehäuse ist deutlich in der Darstellung der F ig.? erkennbar. Im übrigen weist dieses Ausführungsbeispiel einen Steuermeehanismus auf, der zwischen denen der beiden bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt, wcbei die jeweiligen

Vorteile dieser Ausführungsbeispielc in einer neuen und vorteilhaften Lösung kombiniert sind.

Während die F ig. 4 einen Längsschnitt durch die Maschine darstellt, zeigen die F i g. 5 bis 7 verschiedene Querschnitte der Maschine. ^r>

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel tragen entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die Maschine weist einen Rotor 10 mit drei Leistungsteilen 11, 1Γ und H" auf. Für jedes dieser Leistungsteil ist im Rotor eine κι Kammer 220, 220' bzw. 220" vorgesehen. Diese Leistungsteile sind gleich aufgebaut. Daher werden im folgenden entsprechende Elemente dieser Leistungsteile mit den gleichen Bezugszeichen, aber oben versehenen Strichen bezeichnet, so daß es ausreicht, im η folgenden nur ein Leistungsteil zu beschreiben. Wie man insbesondere aus F i g. 5 erkennt, umfaßt das Leistungsteil 11 eine Schaufel 111, deren Rand 110 mit der zylindrischen Innenwandung 50 des Gehäuses 13 zusammenwirkt, mit Ausnahme des Bereichs Z selbstverständlich. Das Leistungsteil 11 umfaßt weiterhin eine Drehachse 212 und ein Element 120, welches die Schaufel 111 mit der Drehachse 212 verbindet. In die Kammer 220 im Rotor kann das Leistungsteil eingeschwenkt werden. y>

Die Achse 112 umfaßt zwei Endstücke 212 und 312. die drehbar in Lagern 219 bzw. 319 gehalten sind. Diese Lager sind in Seitenwänden 19, 20 des Rotors angeordnet, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Das Gehäuse weist Seitenteile 105 und 106 auf. Die in Seitenwand 19 des Rotors ist mittels eines Lagers 17a drehbar in dem Seitenteil 106 des Gehäuses gelagert. In ähnlicher Weise ist die Seitenwand 20 des Rotors über ein Lager \7b drehbar in dem Seitenteil 105 des Gehäuses gelagert. Auf diese Weise ist der Rotor im S5 Gehäuse gehalten. Der Rotor 10 weist eine Welle 14 auf. welche die Bewegungsenergie der Maschine liefert, wenn sie beispielsweise als Kompressor eingesetzt wird.

Die F i g. b und 7 zeigen den .Steuermechanismus der einschwenkbaren Leistungsteiie. Jd

Wie aus den F i g. 4 bis 6 ersichtlich, is! das Rn(Ki ink 312 der Drehachse 112 des Leistunt'steils 11 tesi mn einem Hebel verbunden,der einen aul das LndsuKk 312 aufgesteckten Körper 300 umfaßt. Der Körper wird durch einen Hebel 301 verlängert, der in einem Kopf 305 j5 endet. Dieser Kopt tritt in Wirkverbindung mit der Führungsbahn 332 eines Ringes 331. Der Ring 331 ist konzentrisch zum Gehäusemantel angeordnet und befindet sich in einem äußeren, fest mit dem Seitenteil 105 des Gehäuses verbundenen Kranz 130. in

Diese Anordnung würde ausreichen, die Bewegung der Leistungsteile zu steuern, wenn eine ausreichende Zentrifugalkraft gegeben wäre, die dafür sorgen würde, daß die Leistungsteile immer derart aus ihren Kammern heraustreten, daß der Kopf 305 des Hebels 301 an der Innenfläche 332 anliegt. Dasselbe gilt natürlich auch für die Köpfe 305' und 305".

Wie bereits im Zusammenhang mit dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel erwähnt, hat diese Anordnung den Vorteil des einfachen Aufbaus, da vermieden wird, den Kopf jedes Hebels mit einer Pleuelstange zu verbinden, deren anderes Ende an einer konzentrisch zum Gehäusemantel angeordneten Achse angelenkt ist.

Wenn jedoch die Zentrifugalkraft nicht ausreicht, dann befriedigt diese Konstruktion nicht. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht einen zufriedenstellenden Betrieb auch ohne Zentrifugalkraft und benötigt dazu trotzdem nicht die relativ komplizierte Lösung der Kombination Hebel —Pleuelstange.

Um dies zu erreichen, ist eine Anordnung auf der anderen Seite der Maschine vorgesehen, wie dies aus den F i g. 4 bis 7 ersichtlich ist.

Die Drehachse 112 ist in Form eines Endstückes 212 verlängert. Auf diesen ist ein Körper 200 mit einem Hebel 201 befestigt, der in Form eines Kurbelzapfens 205 endet. Dieser verläuft senkrecht zum Hebel 201 und parallel zur Maschinenachse. Er wirkt mit der äußeren Führungsbahn 232 eines Ringes 231 zusammen. Dieser Ring 231 ist konzentrisch zum Gehäusemantel an einem Deckel 216 gehalten, der mit dem Seitenteil 106 des Stators verbunden ist. Dabei ist der Ring auf einem inneren Vorsprung 230 des Deckels 216 befestigt.

Man erkennt, daß die Anordnung auf der linken Seite der Maschine (Fig.4) der Anordnung auf der rechten Seite ähnlich ist bis auf den Unterschied, daß die Führungsbahn 232 eine Außenfläche eines Ringes ist. während die Führungsbahn 332 die Innenfläche eines Ringes ist.

Diese beiden Anordnungen, die leicht und unabhängig einstellbar sind, ergeben zusammen eine kinematische Führung der oszillierenden Bewegung der Leistungsteile 11,11' und 11", die vollständig durch die Drehung des Rotors im Gehäuse bestimmt ist, obwohl man auf die Kombination Kurbelstange —Hebel verzichten kann. Sobald das Leistungsteil 11 den Bereich Z durchläuft, bewegt sich aer Rand 110 des Leistungsteils 11 längs der Bahn 55. die eine Verlängerung der Innenwandung 50 des Gehäuses ist. Der Rotor selbst tritt aber mit einem vertieften Teil 60 in Wirkverbindung, der praktisch denselben Durchmesser wie der Rotor aufweist,

■^!'i- ■■ man in sehr wirksamer Weise eine Abdichtung ιKt i_n;iutAseite der Maschine gegenüber deren Auslaßseitc erreicht.

In F i g. 8 ist in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung der Rotor eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform ist sehr ähnlich der anhand der F i g. 4 bis 7 beschriebenen, jedoch weist der Rotor zwei Leistungsteile 411 auf anstelle von drei, und die Form der Schaufeln ist verschieden. Es wirken auf der einen Seite die Hebel SOi (rechts in der Darstellung), die einen Kopf 505 tragen, mit einer konzentrisch zum Gehäusemantel angeordneten, zylindrischen inneren Führungsbahn 531 zusammen, während auf der anderen Seite die Hebel 401 (links in der Figur), die Kurbelzapfen 405 tragen, mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten, konzentrisch zum Gehäusemantel angeordneten, zylindrischen Außenfläche zusammenwirken.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Parallel- und innenachsige Umlaufkolbenmaschine mit einem innerhalb eines stationären Gehäuses mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt, bestehend aus einem Gehäusemantei sowie zwei Seitenteilen, exzentrisch angeordneten Rotor, der in seinen achsfernen Bereichen drehschwingbeweglich gelagerte Leistungsteile aufweist, die Arbeitskammern begrenzend mit der Gehäusemantel-Innenwandung in Wirkverbindung stehen, welche im Bereich wischen Einlaß und Auslaß eine der kreisförmigen Kontur des Rotors entsprechende Vertiefung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuermechanismus (23, 24; 18, 24, 24a; 2CO, 201, 205, 232; 300, 301, 305, 332; 401, 405, 501,505,531) derart ausgebildet ist, daß er die Enden der Leistungsteile (II; U'; H"; 111; 4Is) auch im Bereich (Z) der Vertiefung längs einer konzentrisch zur Gehäuseachse verlaufenden Kreisbahn führt.

2. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus eine innere Führungsbahn (18; 332; 531) umfaßt, die in einem Seitenteil angeordnet ist, wobei jedes Leistungsteil (11; II'; 11"; 411) mit einem Hebel (24; 301; 501) drehfest verbunden ist, der einen mit der inneren Führungsbahn (18; 332; 531) in Anlage befindlichen Kopf aufweist.

3. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus eine weitere, äußere Führungsbahn (232) umfaßt, wobei jedes Leistungsteil (11) mit einem Hebe! (201) drehfest verbunden ist, der mit der Führungsfläche in Wirkverbindung steht.

4. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere bzw. äußere Führungsbahn (18; 332; 531; 232) jeweils in einem der gegenüberliegenden Seitenteile angeordnet ist.

5. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus für jedes Leistungsteil (U) einen tirehfest mit der Achse des Leistungsteils (U) verbundenen Hebel (24) aufweist, wobei an diesem eine Pleuelstange (23) angelenkt ist, die am Gehäuse (13) koaxial zu diesem drehbar gelagert ist.