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Drehkolben-Maschine
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolben-Maschine mit in einem
Gehäuse exzentrisch gelagertemDrehkolben, der auf den Umfang verteilte, mit der
Gehäuseinnenwand zusammenwirkende Flügel aufweist.
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Bei Maschinen und Apparaten der eingangs erwähnten Art, die verschiedenen
Zwecken dienen können, sind Verluste durch Reibung, Verschleiß und Überlastung nicht
auszuschließen. Es ist daher verständlich, daß es keinesfalls an Vorschlägen gefehlt
hat, um den aufgetretenen Schwierigkeiten Herr zu werden. Das Hauptproblem bei der
Verwendung von Drehkolben liegt aber bei der Abdichtung der Flügel. Dies beruht
vor allem darauf, daß die Flügel mit der Lauffläche im Gehäuse nur gleitende Linienberührung
haben, die den auftretenden Beanspruchungen nicht gewachsen ist. Maßnahmen mit besonderen
Dichtleisten usw.
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sind denkbar, jedoch kostspielig, nicht zuletzt deshalb, weil auch
Dichtleisten einem zu hohen Verschleiß unterliegen.
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Demgegenüber bezweckt die Erfindung eine Drehkolben-Maschine, bei
der die Abdichtprobleme mit einem geringen und eine hohe Funktionssicherheit verbürgenden
Bauaufwand
gelöst werden können. Außerdem ist angestrebt, daß die
neue Bauart langlebig, verlustarm und nicht zuletzt vielseitig verwendbar ist, also
z.B. dem Entspannen von Gasen, dem Komprimieren von Luft od. dgl., Antriebszwecken
usw.
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dienen kann.
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Dieses Ziel wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß im Drehkolben
Walzen drehbar gelagert sind, deren Längsachsen parallel zur Achse der Drehkolbenwelle
verlaufen und diese Walzen die Flügel in Schlitzen spielfrei aufnehmen und die in
ihren Außenbereichen dem Krümmungsradius der Gehäuseinnenwand angepaßten Flügel
außerdem auf die Achse des Gehäuses radial ausgerichtet gehalten sind. Da bei dieser
Bauart die Flügel stets gekrümmt flåchig an der Gehäuseinnenwand anliegen, ergibt
sich zunächst eine vorzügliche Dichtwirkung. Ebenso ist der Verschleiß gesenkt,
da nunmehr im vorteilhaften Gegensatz zur bisherigen Flächenpressung entlang einer
Linie keine hohen Flächenpressungen auftreten; ebenso sind dadurch Verlustarmut
und Langlebigkeit gegeben. Günstig wirkt sich auch aus, daß die bewegten Massen
klein sind, wodurch wiederum die Lebensdauer ansteigt. Wenn man noch bedenkt, daß
die erfinderischen Maßnahmen mit verhältnismäßig einfachen mechanischen Mitteln
erzielt werden, dann wird es klar, daß mit der Erfindung eine echte Entwicklungslücke
geschlossen wird. Der Wichtigkeit wegen sei noch darauf hingewiesen, daß diese Vorteile
in der Hauptsache auf die Lagerung der Flügel in drehbaren Walzen und auf die radiale
Ausrichtung der Flügel auf die Achse des Gehäuses zurückzuführen sind.
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Die Vorteile der radialen Ausrichtung lassen sich noch weiter vertiefen,
wenn alle auf die Achse radial ausgerichtet gehaltenen Flügel in ihrem radialen
Abstand zur GehAuseachse fixiert sind, wobei sich der radiale Ab-
stand
gegebenenfalls verändern 1hat. Auf diese Weise kann nämlich die Reibung zwischen
den Laufflächen der Flügel und der Gehäuseinnenwand in tragbaren Grenzen gehalten
werden. Wenn man den radialen Abstand veränderbar gestaltet, können die Reibungsverluste
praktisch auf Null reduziert werden; außerdem läßt sich die jeweilige Bauart bequem
auf besondere Betriebsverhältnisse einstellen, die bei den zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten
des Erfindungsgegenstandes stark unterschiedlich sind.
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Eine für die Praxis günstige Bauart ist nach der Erfindung darin zu
sehen, daß der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben über entsprechende
Lagerschilde und Lager derart im Gehäuse gelagert ist, daß er über seine gesamte
Tiefe an einer Stelle die Gehäuseinnenwand gleitend berührt. Diese Ausführungsform
empfiehlt sich vor allem dann, wenn vor und hinter einem Flügel keine oder keine
großen Druckunterschiede herrschen. Ist dies nicht der Fall, also z.B. bei Antriebsmaschinen,
dann empfiehlt es sich gemäß der Erfindung, daß der kreisrunde, als Hohlzylinder
ausgeführte Drehkolben leicht in die an sich kreisrund verlaufende Innenwand des
Gehäuses eingeschliffen ist. Dadurch ist auch die Linienberührung zwischen Gehäuse
und Drehkolben vermieden und durch eine flächige Berührung ersetzt. Das Einschleifen
könnte auch durch andere Maßnahmen, z.B. durch Anordnung von Einsätzen ersetzt sein,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Daß beim Einschleifen des Drehkolbens in die Gehäuseinnenwand die
Krümmungen der Flügel gegenüber der Krtmmung des Einschliffes nicht mehr vollkommen
exakt sind, hat wegen der Geringfügigkeit keinen schädlichen Einfluß auf die Dichtigkeit
im Einschliffbereich.
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Wiederum für die Praxis günstig ist es, wenn die Tiefe der die Flügel
spielfrei aufnehmenden Schlitze der Walzen
mindestens so groß ist,
wie das radiale Höhenmaß der Flügel.
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Eine günstige Bauart zum radialen Führen der Flügel wird nach der
Erfindung darin gesehen, daß jede die Flügel aufnehmende Walze mit mindestens einer
radial nach innen gerichteten Stange in Verbindung steht, die mit reichlich Spiel
einen radialen Durchbruch des hohlzylindrischen Drehkolbens durchsetzt und an einem
zentralen Bolzen angreift, der frei fliegend vorgesehen oder ortsfest gelagert ist.
Ob man den Bolzen frei fliegend vorsieht, oder ortsfest lagert, richtet sich nach
der Bauart der jeweiligen Maschine. Bei eingeschliffenem Drehkolben z.B. erscheint
die ortsfeste Lagerung die günstigere Lösung zu sein; allerdings sollten dann die
Flügel in ihrem radialen Abstand nicht fixiert sein. In diesem Zusammenhang wird
nach der Erfindung ferner vorgeschlagen, daß eine jede Stange mittelbar oder unmittelbar
mit dem jeweiligen Flügel in Verbindung steht, wobei Teile der Verbindung teleskopartig
ineinandergeschraubt sind.
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Um Kippmomente zu vermeiden, wird schließlich vorgeschlagen, daß die
Flügel gegebenenfalls zusätzlich zu der Stangenführung radial geführt sind, z.B.
mit Hilfe von spiegelbildlich zu der Mittelebene vorgesehenen Paßstiften.
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Anhand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Drehkolben-Maschine und das Wesen der Erfindung offenbart. Es zeigen: Fig. 1 eine
Drehkolben-Maschine in Seitenansicht im geöffneten Zustand; Fig. 2 die gleiche Drehkolben-Maschine
in Axialschnitt und
Fig. 3 eine aufgebrochene Seitenansicht der
Drehkolben-Maschine mit Einzelheiten, insbesondere mit eingeschliffenem Drehkolben.
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Worin sich die erfindungsgemäße Drehkolben-Maschine von den bekannten
Maschinen unterscheidet, wird durch die Beschreibung der Maschine, deren Wirkungsweise
und deren Steuerung verdeutlicht. Gemäß den Figuren 1 und 2 ist der kreisrunde,
als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben 1 mit seiner Welle 2 mit Hilfe von Lagern
3 um eine Achse Z2 drehbar gelagert, und zwar derart, daß seine axiale Stärke die
Tiefe des Gehäuses 4 ausfüllt bzw. daß er die zylindrische Innenwand (Lauffläche)
5 des Gehäuses 4 an einer Stelle gleitend berührt.
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Der Drehkolben 1 ist in das Gehäuse 4 außerdem so eingepaßt, daß er
in jeder Drehrichtung um seine Achse Z2 leicht beweglich ist und seine kreisrunde
Mantelfläche die kreisrunde, also zylindrische Innenwand 5 des GehAuses 4 mit der
Achse Z1 bei einer vollen Winkeldrehung ununterbrochen gleitend berührt. Die exzentrische
Lage des Drehkolbens 1 im Gehäuse 4 mit der Achse Z1 ist damit verdeutlicht.
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Drehbewegliche Walzen 6, deren Längsachsen Z3 parallel zu den Achsen
Zl, Z2 verlaufen, sind in dem Drehkolben 1 in geometrischer Regelmäßigkeit vorgesehen;
sie weisen radiale Nuten bzw. Schlitze auf, in welche Flügel 7 mit Gleitsitz eingreifen,
deren der Gehäuseinnenwand 5 zugekehrten Flächen der Wandkrümmung angepaßt sind.
Wenn ein Flügel 7 den Schlitz der Walze 6 ganz ausfüllt und wenn eine Verbindungslinie
zwischen der Walzenachse Z3 und der Gehäuseachse Zl auch durch die Achse Z2 des
Drehkolbens 1 verläuft, dann berührt die gewölbte Fläche des Flügels 7 die Gehäuseinnenwand
5 gleitend.
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Eine bzw. mindestens eine entlang der erwähnten Verbindungslinie gerade
verlaufende, gfs. mehrteilige und an den jeweiligen Flügel 7 angeschlossene Stange
8 durchsetzt eine Bohrung der Walze 6 und mit reichlich Spiel einen entsprechend
geformten Durchbruch 9 des hohlzylindrischen Drehkolbens 1, so daß diese fest mit
dem Flügel 7 verbundene Stange 8 um die Drehachse Z3 der Walze 6 genügend schwenkbar
ist. Diese Ausführung trifft für jede Walze 6 zu, so daß beim Ausführungsbeispiel
acht Stangen 8 in den Drehkolbenhohlraum hineinragen. Diese Stangen 8 sind an einem
im Zentrum Z1 des Gehäuses 4 vorgesehenen und mit dem Gehäuse 4 starr verbundenen
Stehbolzen 10 angelenkt. Dadurch, daß die Drehkolbenflügel nicht - wie herkömmlich
- auf die Drehkolbenachse Z2, sondern auf die Gehäuseachse Z1 zentriert sind, gibt
es in der neuen Drehkolben-Maschine nur rotierende Massen ohne Massenverschiebungen
und die Flügel 7 bleiben mit der Gehäuseinnenwand 5 immer in gleitender Flächenberührung.
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Da die Länge der Stangen 8 verstellbar ausgeführt ist, kann die Reibung
zwischen den Laufflächen der Flügel 7 und der Lauffläche der Innenwand 5 des Gehäuses
4 auf Null reduziert werden. Darüber hinaus gibt es kenerlei Abdichtungsschwierigkeiten.
Durch die Flächenberührungen werden keine besonderen Anforderungen an den Fachmann
für Dichtprobleme gestellt.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Drehkolben-Maschine verdeutlicht
das Wesen der Erfindung; der Verwendungszweck wird dadurch nicht eingeschränkt.
Bei der Konstruktion der Maschine muß letztere dem Verwendungszweck angepaßt und
mit den dem Zweck entsprechenden zusätzlichen Merkmalen bzw. Teilen versehen werden.
Wird diese Drehkolben-Maschine beispielsweise als Vorrichtung zum Betrieb einer
Wärmepumpe, einer Klimaanlage od. dgl.
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benutzt, dann muß sie gemäß der Offenlegungsschrift 1BE-OS 31 29 133.3-13
(auf die ausdrücklich Bezug genommen wird) in zweckentsprechender Weise ergänzt,
d.h. mit Ein-und Auslaßöffnungen usw. versehen werden, die im allgemeinen nicht
in gleicher Weise konstruiert sind, wie bei Maschinen, die z.B. als Entspanner von
Gasen verwendet werden. Bei der Ausführung als Drehkolben-Motor wird die Konstruktion
wiederum Änderungen erfahren, je nach dem, ob die jeweilige Maschine nach dem Otto-
oder Diesel-Verfahren betrieben werden soll.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 unterscheidet sich von dem der
vorausgegangenen Figuren dadurch, daß der Drehkolben 1 in die Innenwand 5 des Gehäuses
4 eingeschliffen ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß sich der Drehkolben
1 nicht um die Achse 22 bewegt, sondern um die Achse Z4. Das Einschleifmaß M ist
durch eine gestrichelte Linie 11 verdeutlicht, deren Krümmung mit der Krümmung der
Innenwand 5 des Gehäuses 4 identisch ist.
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Es versteht sich, daß das Einschleifmaß M überdimensioniert eingezeichnet
ist und sich in Wirklichkeit in engen Grenzen bewegt.
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Die eine der die Flügel 7 radial gerichtet haltenden Stangen 8 weist
einen Bund 12 auf, der mit einem Schraubansatz 13 in die dazugehörige Walze 6 eingeschraubt
ist.
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Der Flügel 7 ist demnach hier frei fliegend gelagert.
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Um Kippmomente auszuschließen, könnten hier vom Grund der Führungsschlitze
14 der Walzen 6 ausgehende Stifte vorgesehen sein, auf denen sich der Flügel 7 radial
zur Achse Z1 verschieben läßt. Diese nicht eingezeichneten Stifte müssen im gleichen
Abstand von einer Ebene vorgesehen werden, welche die Tiefe des Gehäuses 4 halbiert.
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Der ganz in den Schlitz 14 der Walze 6 eintauchende
Flügel
7, also der mittlere der drei sichtbaren Flügel 7, steht über einen Gewindeansatz
15 mit der Stange 8 in Verbindung, die mit einem Schaft 16 in einer Bohrung 17 der
Walze 6 geführt ist. Diese Stange 8 weist außerdem ein spannschloßartiges Zwischenstück
18 auf, so daß der radiale Abstand des jeweiligen Flügels 7 zur Achse Z1 einstellbar
ist.
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Es versteht sich, daß die Stangen 8 mit ihren inneren Enden irgendwie
auf dem Bolzen 10 Platz finden müssen.
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Ein axiales Hintereinanderreihen, wie in Fig. 2 angedeutet, ist nur
bei wenigen Flügeln 7 denkbar, da durch den Achsversatz Kippkräfte an den Flügeln
nicht auszuschließen sind. Um diesen Schwierigkeiten Herr zu werden, könnte man
abgekröpfte Stangen 8 verwenden. Ein weiterer gangbarer Weg ist darin zu sehen,
daß man die Stangen 8 mit einem einzigen Sternlager auf dem Bolzen 10 verbindet.
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Im übrigen tritt die Gefahr der Kippmomente nur dann auf, wenn die
Stangen 8 mit den Flügeln 7 fest verbunden sind.
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Als selbstverständlich ist es auch anzusehen, daß Stangenkonstruktionen
gewählt werden müssen, die ohne große Schwierigkeiten eingebaut werden können.