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Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine
für kompressible Medien, mit mindestens einem durch spiralförmige, sich von einer
Seitenwand axial erstreckende Umfangswände begrenzten und mehr als 3600 umspannenden
Förderraum, der von einem Einlass zu einem Auslass führt, und mit einem in den Förderraum
ragenden, spiralförmigen und mehr als 3600 umspannenden Verdrängungskörper, der
in bezug auf den Förderraum zur Ausführung einer kreisenden verdrehungsfreien Bewegung
gelagert ist und dessen Zentrum gegenüber dem Zentrum der Umfangswände exzentrisch
so versetzt ist, dass der Verdrängungskörper stets sowohl die aussenliegende als
auch die innenliegende Umfangswand des Förderraums an je mindestens einer fortschreitenden
Berührungsstelle berührt, wobei die an die Seitenwand angrenzenden Stirnseiten des
Verdrängungskörpers mit einer Nut versehen sind, in der ein aus elastischem und
gleitfähigem Material bestehender Dichtstreifen einliegt, und wobei zwischen Nutengrund
und der Unterseite des Dichtstreifens eine
metallische Feder angeordnet
ist.
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Eine Rotationskolbenmaschine, deren Prinzip aus der DE-C3 26 03 462
bekannt ist, eignet sich für die Aufladung einer Brennkraftmaschine, da sie sich
durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder aus
einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden Arbeitsmittels auszeichnet. Während des
Betriebes eines derartigen Aufladegerätes werden entlang des Förderraumes zwischen
dem Verdränger und den beiden Umfangswänden des Förderraumes mehrere sichelförmige
Arbeitsräume eingeschlossen, die sich vom Einlass durch den Förderraum hindurch
zum Auslass hin bewegen. Hierbei verringert sich ihr Volumen zunehmend bei einer
entsprechenden Erhöhung des Arbeitsmitteldruckes. Die Dichtung zwischen den Arbeitsräumen
oberhalb und unterhalb des Verdrängers ist hierbei von massgebender Bedeutung.
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Eine Verdrängerarbeitsmaschine der eingangs genannten Art ist bekannt
aus der Deutschen Offenlegungsschrift Nr. 26 12 344. Um eine effektive radiale Abdichtung
zwischen den Stirnflächen des Verdrängers und den Seiten wänden des Förderraumes
zu erzielen, ist eine wirksame axiale Berührung zwischen den beiden Elementen vorzunehmen.
Hierzu wird der Verdränger an seiner Stirnseite mit einer Nut versehen, die Sitz
ist für einen darin einliegenden Dichtstreifen. Dieser Dichtstreifen besteht aus
einem elastischen, gleitfähigen Material und ist so bemessen, dass er innerhalb
der Nut axial und geringfügig radial bewegbar ist. Er ist unterlegt von einem kraftausübenden
Federelement, welches ein metallisches Federband mit U-förmigem Querschnitt ist.
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Bei kleinen Spiralladern ist man jedoch in der Gestaltung der Nut
begrenzt. Hat beispielsweise der Verdränger
nur eine Gesamtdicke
von 4 mm, so kann die Nutbreite höchstens 2 mm betragen. Die genannte Ausführung
ist in diesem Fall mit zwei Mängeln behaftet: Zum einen muss das Federelement, soll
es sich über die ganze Nut- resp. Dichtlänge erstrecken, mechanisch vorgebogen werden,
um sich dem spiralförmigen Verlauf der Nut anzupassen; Zum andern ist der erzielbare
Federweg ausserordentlich gering, wie dies im übrigen die Fig. 8 der genannten Druckschrift
erkennen lässt; dies wirkt sich aufgrund der Federcharakteristik ungünstig auf die
Konstanz des Anpressdruckes aus.
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Aus dieser gleichen Druckschrift ist bekannt, grössere Federwege durch
die Anwendung von Schraubenfedern zu erzielen, von denen eine gewisse Anzahl gleichmässig
über die Dichtlänge verteilt in entsprechenden Bohrungen in der Nut einsitzen (Fig.
5, 6 der DE-OS 26 12 344).
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Diese Lösung verteuert indessen die Herstellung des Verdrängers und
erschwert den Zusammenbau des Ladegerätes nicht unwesentlich.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine
der eingangs genannten Art ein Federelement mit sehr flacher Federcharakteristik
zu schaffen, welches darüber hinaus eine einfache Handhabung gestattet.
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Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die vorzugsweise
aus Federdraht geformte Feder sich im wesentlichen über die ganze Länge der Nut
erstreckt und aus einer Vielzahl von aneinandergereihten Rechteckelementen besteht,
wobei ein Federende jeweils quer am ebenen Nutengrund aufliegt und das freie Federende,
welches
um die wirksame Federlänge L in Nutlängsrichtung versetzt
ist, quer an nahezu der ganzen Breite des Dichtstreifens angreift.
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Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass das
einfach herstellbare Federelement in der vorgesehenen Biegeebene jedem beliebigen
Krümmungsradius folgen kann, und dass je nach Erfordernis die ausgeübte Kraft und
damit die Anzahl der Druckpunkte auf den Dichtstreifen durch die Wahl der Teilung
der Rechteckelemente und/oder der Drahtstärke festgelegt werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch den Rotationskolbenverdichter
mit stirnseitiger Ansicht des Verdrängungskörpers, Fig. 2 einen etwas vergrösserten
Teilschnitt durch die Ebene A-A in Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht des in der Nut
einliegenden Federelementes, Fig. 4 einen Querschnitt durch die Nut mit Ansichten
der einliegenden Feder und des Dichtstreifens.
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In der Zeichnung sind alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen
Teile wie beispielsweise der Antrieb, die Lagerung und die Führung des Läufers,
die Zu- und Abströmung des Arbeitsmediums fortgelassen.
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Die gezeigte Maschine ist der Einfachheit halber mit nur einem Förderraum
6 und nur einem Verdränger 1 dargestellt. Es versteht sich indessen, dass der Verdränger
in der gleichen Ebene ein ganzes System von Spiralen aufweisen kann, die beispielsweise
jede von einem eigenen Einlass 2 in einen gemeinsamen Auslass 3 fördern können.
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Zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche nicht
Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die genannte DE-C3 26 03 462 verwiesen. Nachstehend
wird nur der für das Verständnis der Erfindung notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf
kurz beschrieben.
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Mit 1 ist der scheibenförmige Verdränger insgesamt bezeichnet. An
beiden Seiten der Scheibe 4 sind spiralförmig verlaufende Verdrängungskörper 5 angeordnet.
Diese greifen in einen Förderraum 6 des feststehenden Gehäuses 7 ein.
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Der Förderraum 6 ist nach Art eines spiralförmigen Schlitzes beispielsweise
in das Gehäuse 7 eingearbeitet. Er verläuft von einem am äusseren Umfang der Spirale
im Gehäuse angeordneten Einlass 2 zu einem im Gehäuseinneren angeordneten Auslass
3. Er weist im wesentlichen parallele, im gleichbleibenden Abstand zueinander angeordnete
Umfangswände 8, 9 auf, die wie der Verdrängungskörper eine Spirale von mehr als
3600 umfassen. Zwischen diesen Umfangswänden 8, 9 wird der Verdrängungskörper 5
gehalten.
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Dessen Krümmung ist so bemessen, dass er die inneren und äusseren
Umfangswände an mehreren Stellen berührt.
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Hierzu ist das Zentrum 10 des Verdrängungskörpers 5 gegenüber dem
Zentrum 11 des Förderraums 6 exzentrisch versetzt.
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Während des Betriebes der Maschine stellt sich durch den exzentrischen
Antrieb des scheibenförmigen, den Verdrängungskörper 5 aufweisenden Läufers eine
Kreisbe-
wegung jedes der Punkte des Verdrängerkörpers ein, wobei
diese Kreisbewegung durch die Umfangswände des Förderraumes begrenzt ist. Infolge
der mehrfachen, abwechselnden Annäherung des Verdrängerkörpers an die inneren und
äusseren Umfangswände ergeben sich auf beiden Seiten des Verdrängerkörpers sichelförmige,
das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume 12, die durch den exzentrischen Antrieb
des Verdrängerkörpers durch den Förderraum in Richtung auf den Auslass vorgeschoben
werden.
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Hierbei verringert sich das Volumen dieser Arbeitsräume und der Druck
des Arbeitsmittels erhöht sich entsprechend.
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Zur Abdichtung der planen Dichtungsebenen zwischen den Stirnflächen
des Verdrängungskörpers 5 und den dazu parallel verlaufenden Seitenflächen 20 des
Förderraumes 6 sind nun die Verdrängungskörper stirnseitig mit einer umlaufenden
Nut 13 versehen, in der ein elastischer und aus gleitfähigem Material bestehender
Dichtstreifen 14 einliegt.
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Aus der Fig. 2 ist erkennbar, dass diese Nut 13 Rechteckform aufweist
und den ebenfalls rechteckigen Dichtstreifen 14 aufnimmt. Als Beispiel für eine
tatsächliche Ausführung beträgt der Querschnitt des Dichtstreifens etwa 1,5 x 2,5
mm bei einer Nutbreite von ca. 2 mm.
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Dadurch ist bei parallelen Wandungen sowohl eine axiale (nach aussen)
als auch eine geringfügig radiale Verschieblichkeit des Dichtstreifens gewährleistet.
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Soll der Dichtstreifen bei Normalbetrieb etwa 0,2 mm über die Kante
der Stirnfläche hinausragen, so ergibt sich die entsprechende Nuttiefe aus der in
der Nut verbleibenden Dichtstreifenhöhe zuzüglich des für das kraftausübende Federelement
erforderlichen Platzbedarfs.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen die Konfiguration dieser Feder 15 und ihre
Anordnung in der Nut.
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Es handelt sich um eine metallische Feder, vorzugsweise aus Federdraht
mit kreisförmigem Drahtquerschnitt. Der Drahtdurchmesser kann mit 0,2 mm gewählt
werden, was die Verformbarkeit günstig beeinflusst. Die Feder ist aus einem Draht
einstückig gefertigt und erstreckt sich über die ganze Nutlänge. Sie besteht aus
einer Vielzahl von aneinandergereihten Rechteckelementen, wobei jedes Element zwei
schräg verlaufende Längsstäbe 15a, 15b und als Federenden zwei am Nutengrund resp.
an der Unterseite des Dichtstreifens 14 anliegende Querstäbe 15c resp. 15d aufweist.
Hierbei gelten die Querstäbe 15d jeweils als freies Federende.
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Grundsätzlich könnte auch eine gewundene Drehfeder zur Anwendung gelangen,
welche ursprünglich einen zylindrischen Rotationskörper bildet, der dann derart
auseinandergezogen wird, dass die Federwindungen in einer zur Achse des Rotationskörpers
schrägen Ebene verlaufen. Allerdings würde die Feder dann jeweils nur in einem Punkt
an den entsprechenden Flächen aufliegen.
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Die vorliegende Rechteckfeder ist so konzipiert, dass die quer zur
Nut gerichteten Stäbe 15c resp. 15d über nahezu die volle Nutbreite resp. Dichtstreifenbreite
aufliegen und tragen können. Es ist unschwer zu erkennen, dass man bei gegebener
Gesamtfederhöhe H mit der Wahl der Teilung T und der wirksamen Elementenlänge L
ein einfaches Mittel in der Hand hat, um die erforderliche Federkraft einzustellen.
Je steiler der schräge Stab 15a verläuft, d.h. je kleiner die wirksame Länge L ist,
um so progressiver wird beim Zusammendrücken die aufgewandte Kraft.
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Indessen ist zu beachten, dass während des Betriebes im Prinzip keine
Verformung und damit keine Aenderung der Federbelastung auftritt. Dennoch ist die
erfindungsgemässe Feder auch bei grösserem Abrieb des Dichtstreifens 14 besonders
wirkungsvoll, da sie - ausgehend vom zusammengedrückten Zustand, bei der sie infolge
des teilweisen Ueberlappens eine Höhe von zweimal dem Drahtdurchmesser innehat -
in der Lage ist, sich bei annähernd gleicher Federkraft bis zur vollen Höhe H zu
entspannen.
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Von besonderem Vorteil ist die aus Fig. 3 ersichtliche Eigenschaft,
dass die zunächst gerade Feder mühelos jeder beliebigen Krümmung folgen kann. Je
grösser die Federteilung T gewählt wird, d.h. je länger der Stab 15b ist, um so
einfacher ist die Feder hinsichtlich Biegung zu handhaben. Hierbei ist es völlig
unerheblich, ob sich der Stab 15b an der inneren oder der äusseren Nutwandung, die
beide unterschiedliche Radien aufweisen, befindet.
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Selbstverständlich ist es durchaus möglich, innerhalb einer spiralförmigen
Nut eine Feder mit unterschiedlicher Teilung T anzuwenden. Eine kleinere Teilung
als beim Einlass 2, wo die Dichtigkeitsanforderungen gering sind, könnte beispielsweise
in der Zone des Auslasses 3 angebracht sein, da dort höhere Arbeitsdrücke im Förderraum
6 herrschen und eine stärkere Anpressung des Dichtstreifens 14 an die Seitenwand
20 möglicherweise erwünscht ist.
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Aus Fig. 2 ist ebenfalls erkennbar, dass nicht nur die Stirnflächen
des Verdrängungskörpers 5 gemäss der Erfindung abgedichtet werden, sondern dass
die Dichtungsart auch zur Anwendung gelangen kann bei den aneinandergrenzenden Flächen
der die Kreisbewegung ausübenden Scheibe 4 und der stehenden Rippe des Gehäuses
7.