DE3903740A1 - Luftkompressor mit wellenfoermiger arbeitsweise - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Luftkompressoren mit Taumelscheiben, die wellenförmig über eine Excenterwelle betätigt werden, so daß ein hoher Wirkungsgrad an komprimierter Luft erreicht wird.

Es ist bekannt, daß eine Vakuumpumpe mit einer Vielzahl von Flügeln, die an einem Rotor befestigt sind, in der Größenordnung von 1 bis 3 kg/cm² benutzt werden kann. Diese Pumpe hat aber einige Nachteile, insbesondere die Erzeugung einer großen Reibungswärme, eine Oberflächen­ abnutzung und Bruch. Dies beruht auf dem großen Reibungs­ weg pro Umdrehung, so daß hohe Drehgeschwindigkeiten praktisch unmöglich sind. Auch haben die bekannten Pumpen nur eine kurze Lebensdauer.

Luftkompressoren mit einer Kurbelwelle und mit einer Kolben-Zylinder-Einheit können über einen Druckbereich von 3kg/cm² benutzt werden. Das Luftvolumen in einem Zylinder wird proportional zum Druck am oberen Umkehrpunkt des Kolbens verringert. Wenn der Kolben nach unten bewegt wird, um Luft in den Zylinder einzusaugen, wird die Luft des Spaltvolumens in das Innere des Zylinders expandiert und Frischluft wird in den Rest des Zylinders eingefüllt. Hier entspricht der Maximaldruck des Kompressors dem Kompressionsverhältnis. Beim Maximaldruck kann der Kom­ pressor diesen nicht in die Energie der komprimierten Luft für eine notwendige Arbeitsleistung umwandeln, so daß ein Antriebsmotor, der den Kompressor betreibt, überladen wird. Dies beruht darauf, daß beim Maximaldruck das Volumen der Luft, das entladen werden kann, gleich Null ist. In diesem Fall ist also der Wirkungsgrad des Kompressors gleich Null.

Da das Volumen der im Zylinder verbleibenden Luft anwächst, um proportional zum Druck zu bleiben, wenn der Druck gleich dem Kompressionsverhältnis des Luftvolumens im Zylinder beim Maximum ist, dann kann Frischluft in den Zylinder nicht eindringen. Der Wirkungsgrad des Kompressors ist jetzt ein Minimum oder ebenfalls gleich Null. Wenn ein Abgabedruck vom Minimum oder Null zum Maximum ansteigt, so ändert sich der Wirkungsgrad vom Maximum zum Minimum, so daß der gesamte Wirkungsgrad 50% nicht übersteigt. Ein Luftvolumen entsprechend dem zu verwendenden Druck bleibt daher im Zylinder, was zu einem Verlust an Wirkungs­ grad führt. Komprimierte Luft wird nur dann abgegeben, wenn sich der Kolben nach oben bewegt und die Entladezeit der komprimierten Luft wird auch beeinflußt, wenn ein Dreh­ winkel der Kurbelwelle kleiner als ein vorgegebener Winkel ist, der gleich 180° minus einem Winkel zum Anheben des Drucks auf Gebrauchsdruck ist. Dies führt zu einem Pulsieren des Drucks. Um das Pulsieren zu vermeiden, müssen mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten vorgesehen werden. Um die Luft konstant zuzuführen, muß ein Speichertank für komprimierte Luft vorgesehen sein. Weil die restliche Luft nicht zirku­ liert, neigt der Kompressor dazu, durch die in ihm er­ zeugte Hitze beschädigt zu werden. Bei diesem bekannten Kompressor sind erhöhte mechanische Verluste unvermeidlich, weil er komplex und aufwendig konstruiert ist und im Betrieb erzeugt er auch einen beträchtlichen Geräusch­ spiegel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Luftkompressor mit wellenförmiger Arbeitsweise vorzu­ schlagen, der eine Taumelscheibe hat, die wellenförmig betätigt wird, um die Luft kontinuierlich zu komprimieren, wobei die Nachteile bekannter Luftkompressoren, wie vor­ stehend erläutert, vermieden werden.

Der erfindungsgemäße Luftkompressor weist zur Lösung dieser Aufgabe eine Taumelscheibe auf, die an konischen Flächen von Seitengehäusen anliegen, und zwar über eine Excenterwelle, die integral mit der Taumelscheibe verbunden sind, und die bezüglich einer Drehwelle geneigt angeordnet sind. Wenn die Drehwelle gedreht wird, so wird die Taumel­ scheibe wellenförmig bewegt, aber gegen die Drehung der Excenterwelle nicht gedreht, so daß Luft gleichzeitig eingesaugt und abgegeben wird. Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß möglich, ohne Geräuscherzeugung zu arbeiten und ohne die Erzeugung von pulsierender abgegebe­ ner Luft. Auch kann der erfindungsgemäße Luftkompressor mit einer hohen Geschwindigkeit und/oder mit einer niedrigen Geschwindigkeit betrieben werden. Es kann ein großes Luftvolumen mittels der Taumelscheibe abgegeben werden. Der erfindungsgemäße Kompressor kann ohne Pulsa­ tionen und Geräuschentwicklung betrieben werden, so daß ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, und zwar im Gegensatz zu herkömmlichen Luftkompressoren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 in einer auseinandergenommenen Perspek­ tivansicht einen Luftkompressor nach der Erfindung;

Fig. 2A einen Längsschnitt des Kompressors nach Fig. 1 in montiertem Zustand;

Fig. 2B einen Querschnitt längs der Linie a-a von Fig. 2A;

Fig. 3A, 3B, 3C Längsschnitte längs der Linie b-b von Fig. 2A zur Erläuterung der Betriebsweise der Taumelscheibe;

Fig. 4 und 5 Ansichten alternativer Ausführungsformen;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Luftabgabe bei herkömmlichen Luftkompressoren und

Fig. 7 ein Diagramm bei einem Luftkompressor nach der Erfindung.

Die Fig. 1, 2A und 2B zeigen einen erfindungsgemäßen Luftkompressor, der ein Hauptgehäuse 5, ein linkes Gehäuse 3 und ein rechtes Gehäuse 4 aufweist. Das linke Gehäuse 3 hat eine konische Oberfläche 6, die eine Lagerbohrung 8 mit einer inneren, konischen Teilfäche 7 ausbildet. Auch das rechte Gehäuse 4, das symmetrisch bezüglich des linken Gehäuses 3 ist, hat eine konische Fläche 6′ und diese hat eine Lagerbohrung 8′ mit einer inneren, kugelförmigen Teilfläche 7′. Das Hauptgehäuse 5 und das linke und das rechte Gehäuse 3, 4 sind miteinander verschraubt, um eine Luftkammer 9 auszubilden. An den konischen Flächen 6, 6′ des linken Gehäuses 3 und des rechten Gehäuses 4 sind konkave Rillen 6 a bzw. 6 a′ vorgesehen. Eine Einlaßöffnung 1 und eine Auslaßöffnung 2 sind an den konkaven Rillen 6 a, 6 a′ ausgebildet. Das Hauptgehäuse 5 hat einen zylin­ drischen Hohlraum 10, in den eine Auskleidung 12 mit einer bandförmigen, kugelförmigen Oberfläche 11 eingesetzt ist. In der Auskleidung 12 ist eine Taumelscheibe 15 vorgesehen, die zwei Lagerdome 14 an beiden Seiten hat. Die Taumel­ scheibe 15 ist mit einem Schlitz 15 a zum Einsetzen einer Teilungsplatte 13 versehen, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird. Die Teilungsplatte oder Kammerplatte 13 ist H-förmig geformt. Sie hat zwei Flügel 13 a, 13 b, die mit rechteckigen Bohrungen 1′′ und 2′′ versehen sind, die der Einlaßöffnung 1 bzw. der Auslaßöffnung 2 gegenüber­ liegen. Die Platte 13 ist in den Schlitz 15 a unter Zwischenanordnung einer Führungsstange 21 angeordnet, die einen Längsschlitz 21 a hat. Die Scheibe 15 ist an einer Excenterwelle 17 drehbar gelagert, und zwar unter Zwischen­ anordnung eines Lagers 18 über eine Wellenbohrung 14 a, die an beiden Lagerdomen 14 ausgebildet sind. Die Excenterwelle 17 erstreckt sich zu einer Drehwelle 16, wobei die Längs­ achse der Excenterwelle 17 mit der Drehwelle 16 einen Winkel einschließt. Wenn die Excenterwelle 17 excentrisch gedreht wird, so bewegt sich daher die Taumelscheibe 15 in Wellenform gegen die konischen Flächen 6, 6′ der Seitengehäuse 3, 4.

Zwei andere Ausführungsformen, mit denen die Drehkraft der Drehwelle zwecks Betätigung in Wellenform geändert werden kann, sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt.

Fig. 4 zeigt, daß die Excenterwelle 17 mit der Taumel­ scheibe 15 integriert ist, so daß diese Ausführungsform als Wasserpumpe benutzt werden kann. Ggf. sind Abdichtungen um die Excenterwelle 17 vorgesehen.

Fig. 5 zeigt, daß die Drehwelle 16, die als zweistufige Taumelwelle ausgebildet ist, mit Rollen 17 a versehen ist, so daß die Taumelscheibe 15, wie vorstehend erläutert, wellenförmig betätigt werden kann. Bei dieser Ausführungs­ form sind Dichtungsringe 19, 19′, die an den inneren Kugel­ flächen 7, 7′ anliegen, vorgesehen und sie werden über Schrauben 26 oder nicht gezeigte Federn justiert. Wenn die Ringe abgenutzt sind, so kann die Luftkammer 9 dadurch luftdicht gehalten werden, daß die Schrauben weiter ange­ zogen werden.

Bezüglich der Kammerplatte 13 sei erwähnt, daß diese vor­ stehend als im Querschnitt H-förmig profiliert beschrieben wurde. Die Platte kann aber auch ein flaches Profil haben.

Fig. 2A zeigt, daß der Neigungswinkel der Taumelscheibe 15 bezogen auf die Vertikalebene der Längsachse der Dreh­ welle zwischen 10° und 15° liegt, vorzugsweise zwischen 12° und 14°.

Ein Lufteinlaß ist bei Pos. 1′ gezeigt, ein Luftauslaß bei Pos. 2′, ein Anschluß für einen Luftreiniger bei Pos. 23 und ein Lagergehäuse für die Drehwelle 16 bei Pos. 25.

Wenn die Drehwelle im Betrieb wie in Fig. 2 gezeigt montiert ist und durch einen Antriebsmotor gedreht wird, so wird die Excenterwelle 17 excentrisch gedreht, so daß dadurch die Taumelscheibe 15 wellenförmig bewegt wird. Die Lagerdome 14 der Taumelscheibe 15 sind an der Excenter­ welle 17 gelagert und gleiten am Lager 18 mit den Lager­ domen 14, die an den inneren, kugelförmigen Teilflächen 7, 7′ der Gehäuse 3, 4 gleiten, ohne aus dem Dichtungs­ bereich der Dichtungsringe 19, 19′ herauszukommen, die in die ringförmigen Rillen 7 a, 7 a′ eingesetzt sind. Die Taumelscheibe 15 wird also nicht gedreht, sondern wellen­ förmig betätigt oder bewegt, und zwar in der Drehrichtung der Excenterwelle mittels der Platte 13. Die kugelformige Fläche 11 der Auskleidung 12 oder des Einsatzes 12 wird von der Taumelscheibe 15 über den Ring 20 berührt, der am Umfang der Taumelscheibe eingesetzt ist, so daß Leckagen von der Luftkammer 9 verhindert werden. Weil die Taumelscheibe 17 an den konischen Flächen 6, 6′ in der Luftkammer entsprechend dem Versatz der Dome 14 anliegen, wird die Taumelscheibe 15 so betätigt, daß sie mittels der Platte zwischen der Einlaßöffnung 1 und der Auslaß­ öffnung 2 hin und her bewegt wird, so daß die Drehrichtung der Taumelscheibe wellenförmig betätigt werden kann.

Das Einsaugen und Ausstoßen der Luft durch die Betätigung der Taumelscheibe 15 ist in den Fig. 3A, 3B und 3C gezeigt. Fig. 3A erläutert, daß der obere Teil der Taumelscheibe 15 den Bereich der Auslaßöffnung 2 kontaktiert, die an der konischen Fläche 6 des rechten Seitengehäuses 4 geformt ist. In diesem Fall berühren beide Seiten der Taumelscheibe 15, die diametral dem erwähten oberen Teil gegenüberliegen, denjenigen Teil, der diametral der Nachbarschaft der Auslaßöffnung 2 des linken Seitengehäuses 3 benachbart ist. Ein Versetzen des Kontakt­ gebietes zwischen der Taumelscheibe 15 und den konischen Flächen der beiden Seitengehäuse 3, 4 bewirkt, daß die durch die Einlaßöffnung 1 eingesaugte Luft von der Luft­ kammer 9 zur Platte 13 gepreßt wird, wo die komprimierte Luft durch die Bohrung 2 ′′ in der Platte 13 zur Aus­ laßöffnung 2 gelangt.

Durch folgende Drehung der Drehwelle 16 und der Excenter­ welle 17 kann die Taumelscheibe 15 vom Zustand nach Fig. 3B zum Zustand nach Fig. 3C versetzt werden, wobei die Lagerdome 14 immer noch an den inneren Teilflächen 7, 7′ der Seitenhäuse 3, 4 anliegen. Jetzt bewegt sich der obere Teil der Taumelscheibe 15 neben der Einlaßöffnung 1 weg von der Einlaßöffnung 1, so daß das Volumen hinter der Einlaßöffnung 1 sich vergrößert. Der Druck nimmt ab und der Druckverlust läßt Frischluft in die Luftkammer 9 durch die Bohrung 1′′ einströmen, die in der Platte 13 geformt ist. Jetzt ist die Luftkammer in eine Einlaßkammer und in eine Auslaßkammer unterteilt, und zwar durch den Kontakt­ bereich der Platte 13 zwischen der Einlaßöffnung 1 und der Auslaßöffnung 2 und der Mitte der Taumelscheibe 15 sowie den Kontaktgebieten der Taumelscheibe 15 und der konischen Flächen 6, 6′ der Seitengehäuse 3, 4. Durch ein Versetzen der Kontaktgebiete zwischen der Taumelscheibe 15 und den konischen Flächen 6, 6′ bewegt sich das Kontaktgebiet der Basis der Platte 13 von der Einlaßöffnung 1 zur Aus­ laßöffnung 2, so daß das Volumen der Luftkammer 9 neben der Auslaßöffnung 2 abnimmt, wodurch die Luft in der Luftkammer 9 durch den Auslaßanschluß 22 abgegeben wird. Wenn die Drehwelle 16 um 180° gedreht wird, so wird die in die Taumelscheibe 15 eingesetzte Führungsstange 21 von der einen Seite der Platte 13 zur anderen Seite bewegt, so daß die Taumelscheibe 15 wellenförmig betätigt wird. Beide Volumen der Einlaßöffnungsseite und der Auslaß­ öffnungsseite wachsen bzw. nehmen alternativ ab, um die Luft einzusaugen bzw. abzugeben.

Wird die Drehwelle 16 um 270° gedreht, so wird der Teil der Taumelscheibe 15 von der Seite der Einlaßöffnung 1 zur Auslaßöffnung 2 versetzt, so daß die vorher angesaugte Luft zur Auslaßöffnung 2 abgegeben wird. Wird die Drehwelle 16 um 360° gedreht, so kehrt die Führungsstange 21 der Taumelscheibe 15 in die in Fig. 3A gezeigte Lage zurück. Die Taumelscheibe 15 bewegt sich also zu beiden Seiten der Platte 13 hin und her, wodurch die komprimierte Luft abgegeben wird. Weil am äußeren Umfang der Taumelscheibe 15 der Ring 20 eingesetzt ist, wodurch die Taumelscheibe 15 die Kugelflächen 11 der Luftkammer 9 luftdicht berühren kann, gibt es kein Leck, so daß die Kräfte an der Einlaß- und Auslaßseite nicht verringert werden. Wenn beim Kom­ pressor eine Flüssigkeit verwendet wird, so können eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung am Hauptgehäuse 5 vorgesehen sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Kompressor wird Luft eingesaugt und die komprimierte Luft wird abgegeben. Dies erfolgt über die wellenförmige Bewegung der Taumelscheibe 15 mittels der Excenterwelle 17, die mit der Drehwelle 16 verbunden ist. Es ist daher möglich, die komprimierte Luft kontinuierlich abzugeben, indem das konstante Luftvolumen der Luftkammer 9 beibehalten bleibt, wie in Fig. 7 gezeigt, ohne daß Lärm erzeugt wird. Dies ist bei hohen oder auch niedrigen Geschwindigkeiten möglich, so daß der erfindungsgemäße Kompressor bei beliebigen Betriebsbedingungen betrieben werden kann. Er zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad komprimierter Luft und durch eine kleine Bauform aus. Der erfindungsgemäße Kompressor kann auch als Wasserpumpe eingesetzt werden. Er ist auch als Hydraulikmotor oder Pneumatikmotor ein­ setzbar.

In den Fig. 6 und 7 ist über dem Drehwinkel die Menge an abgegebener Luft aufgetragen.

Claims (8)

1. Luftkompressor mit wellenförmiger Arbeitsweise, gekennzeichnet durch

• - ein Hauptgehäuse mit einem zylindrischen Hohlraum, in den eine Auskleidung mit einer bandförmigen, kugelförmigen Oberfläche eingesetzt ist,
• - mit einem linken Gehäuse mit einer konischen Oberfläche, die eine Lagerbohrung mit einer inneren Oberfläche in Teilkugelform ausbildet,
• - mit einem symmetrisch zum linken Gehäuse angeordneten rechten Gehäuse mit einer konischen Oberfläche, die eine Lagerbohrung mit einer inneren Oberfläche in Teilkugelform ausbildet, wobei das Hauptgehäuse und das linke und das rechte Gehäuse miteinander verschraubt sind und eine Luftkammer ausbilden,
• - mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, die an konkaven Rillen des linken und des rechten Gehäuses ausgebildet sind,
• - und mit einer Taumelscheibe mit zwei Lagerdornen an beiden Seiten, die in die Auskleidung eingesetzt ist und die an einer Excenterwelle gelagert ist, wobei die Taumelscheibe mit einem Schlitz zum Einsetzen einer Kammerplatte versehen ist, die H-förmig profiliert ist und zwei Flügel hat, die mit rechteckigen Bohrungen geformt sind, die der Einlaßöffnung bzw. der Auslaßöffnung gegenüber liegen.

2. Luftkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Excenterwelle mit der Taumelscheibe integriert ist.

3. Luftkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehwelle vorgesehen ist, die als zwei Stufen der Taumelscheibe ausgebildet ist und die mit Rollen zusammenwirkt, so daß die Taumelscheibe wellenförmig betätigbar ist, wobei Dichtungsringe vorgesehen sind, die an den inneren Teiloberflächen anliegen und die über Schrauben justiert sind.

4. Luftkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerplatte flach ausgebildet ist.

5. Luftkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (alpha) der Taumelscheibe bezüglich der Vertikalebene der Längsachse der Drehwelle zwischen 10° und 15° beträgt.

6. Luftkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor als Vakuumpumpe verwendet wird.

7. Luftkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor als Wasserpumpe verwendet wird.

8. Luftkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor als Hydraulikmotor oder als Pneumatikmotor verwendet wird.