DE7906528U1

DE7906528U1 - Maschine, insbesondere arbeitsmaschine zum verdichten und foerdern von fluiden aller art

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Publication number: DE7906528U1
Application number: DE19797906528U
Authority: DE
Original assignee: Pa Rentrop Hubbert & Wagner Fahrzeugausstattungen GmbH
Current assignee: Pa Rentrop Hubbert & Wagner Fahrzeugausstattungen GmbH
Priority date: 1979-03-09
Filing date: 1979-03-09
Publication date: 1979-12-13
Also published as: GB2044357A; IT1141849B; DE2909228C2; GB2044357B; JPS5698590A; US4390328A; IT8085529A0; FR2450964A1; SE8001777L; NL8001401A; AT366795B; DE2909228A1; ATA97980A

Description

mein Zeichens 0320 Gm

P. A. Rentrop, Hubbert & Wagner Fahrzeugausstattungen GmbH & Co. KG 3060 Stadthagen

Maschine, insbesondere Arbeitsmaschine zum Verdichten und Fördern von Fluiden aller Art

Die Neuerung bezieht sich auf eine Maschine, insbesondere Arbeitsmaschine zum Verdichten und Fördern von Fluiden aller Art.

Dem Arbeitsprinzip nach besteht Verwandtschaft zu den Rotationskolbenmaschinen mit ihren vielfältigen Bauarten, die sich jedoch zur Hubkolbenmaschine bis heute nur gering durchgesetzt haben. Die Hauptgründe hierfür sind im wesentlichen die folgenden: Problematische Abdichtung, hohe Umfangsgeschwindigkeit an der Abdichtung, mehr oder minder kompli zierte Gehäuse- und Kolbenformen, technisch aufwendiges Kolbennachführgetriebe, hohe Fertigungsgenauigkeit, Wärmeverzugsprobleme, schlechte Wärmeabführung aus dem Kolbeninnenraum, Massen

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ausgleich, Triebwerkschmierung, Verschleißeinfluß auf die kinematische Funktion.

Auf dem Verdichtersektor hat sich lediglich die als Schraubenverdichter bekanntgewordene Ausführung einen beachtlichen Marktanteil verschafft. Speziell gilt dies für die Ausführung mit direkter Ölkühlung im Verdichtungsraum. Im Bereich über 6 bar konnten dem Kolbenverdichter erhebliche Marktanteile genommen werden. Während der Schraubenverdichter selbst sehr kompakt baut, erfordert die Öleinspritzung- und Abscheideanlage einen erheblichen Bau- und Serviceaufwand.

Die ein- und mehrstufige trockenlaufende Schraube zum Fördern von ölfreien Gasen benötigt zur Vermeidung von Flankenkontakt ein genau arbeitendes Getriebe.

Sehr hohe Drehzahlen sind zur Verminderung der Leckverluste in beiden Ausführungen notwendig. Hieraus resultiert eine Wirkungsgradverminderung .

Für kleine Druckverhältnisse und große Volumenströme sowie Vakuumbetrieb kennt man auch das sogenannte Rootsgebläse (geradflankiges Zahnradgebläse), außerdem den als Vielzellenverdichter arbeitenden Rotationskompressor.

Die als Epi- und Hypotrochoidmaschinen bekannt gewordenen Bauarten konnten die hochgestellten Erwartungen nicht erfüllen. Speziell als Verdichter bereitet das Kolbennachführgetriebe und seine Schmierung noch weitgehend ungelöste Probleme. Durch ungünstige Wärmeabführung im Verdichterζentrum und hohe Geschwindigkeiten an den Dichtleisten sowie große Schadraumeinflüsse liegt der adiabatische und mechanische Wirkungsgrad weit unter dem Hubkolbenverdichter.

Schon seit längerer Zeit ist der Rollkolbenverdichter bekannt, der durch einfachen geometrischen Aufbau am besten als Alternative zur Hubkolbenmaschine geeignet schien. Dieses Prinzip zeichnet sich dadurch aus, daß in einem zylindrischen Gehäuse ein kreisrunder starrer Kolben abrollt, dessen Durchmesser bis ca. 10 % kleiner sein kann als der Zylinder-Durchmesser. Durch einen exzentrischen Kurbelantrieb wird der Kolben an die Zylinderwand gepreßt. Zur Erzeugung von Saug- und Druckraum ist neben der Linienabdichtung des Kolbens zum Zylinder ein radial beweglicher Trennschieber angeordnet, der durch Feder- und Förderdruck an den Rollkolben angedrückt wird. Während einer Umdrehung wird einmal angesaugt und ausgeschoben.

Solange der Kolben mit genügender Vorspannung an die Zylinderwand gepreßt wird, rollt der Kolben infolge kleinerem Durchmesser gemäß der Gleichung:

D_K
i = für Ώ_ν = X D„ (K = Kolben-0)

" X - 1 (Z = Zylinder-0)

Dies bedeutet, daß der Kolben bei 10 % kleinerem Durchmesser mit i = (-) 10, also 1/10 von der Drehzahl der Exzenterwelle entgegengesetzt abrollt, natürlich nur solange das Reibmoment zwischen Zylinder und Kolben größer ist als das Lagerreibmoment. Es handelt sich also funktionsmäßig um ein einplanetiges Reibradgetriebe mit Exzenterantrieb. Der Massenausgleich erfolgt mittels Gegengewichte an der Kurbelwelle. An der Abrollstelle erfolgt eine linienförmige Berührung, die bei genügender Anpressung gemäß der Hertzschen Gleichung abflacht.

Infolge der geringen Rollgeschwindigkeit des Kolbens bereitet die Abdichtung Trennschieber - Kolben keine besonderen Schwierigkeiten. Die Hauptprobleme, insbesondere bei Verwendung als Verdichter, treten an der Kontaktstelle zwischen Kolben und Zylinder auf.

Zu geringer Anpreßdruck stört den Abrollvorgang und führt infolge Vergrößerung der Kolbendrehzahl zu Reibverschleiß und Dichtungsfehlern. Durch Unrundwerden wird das System funktionsunfähig. Zu hoher Anpreßdruck vergrößert die Hertzsche Pressung. Nach kurzer Betriebszelt treten Störungen durch Materialermüdung ein. Der Abrollvorgang wird kinematisch empfindlich gestört durch den Zylinderschlitz zur Aufnahme des Trennschiebers. Die Breite des Trennschiebers ist größer als die durch die Hertzsche Pressung verursachte Abflachung, so daß der Kolben an dieser Stelle aus dem Reibschluß kommt. Der Querschnitt zur Aufnahme des Trennschiebers verläuft über die gesamte Kolbenbreite. Das vom Trennschieber ausgeübte Reibmoment ist naturgemäß kleiner als das Lagerreibmoment. Der Kolben kommt an dieser Stelle aus seinem Reibschluß. Die durch Verdichtung verursachten Kräfte wirken der Anpreßkraft entgegen.

Infolge großer Zylinderaußenfläche hat man nach außen eine gute Wärmeabstrahlung. Dies gilt jedoch nicht für den Verdichterinnenraum. Die im Kolben liegende Kurbelwelle und Lagerung erzeugen zusammen mit dem Kolben einen nahezu massiven Materialblock, der durch die Verdichtungswärme und Lagerreibung wesentlich höhere Temperaturen annimmt als der Außenzylinder, der wiederum durch die Aufteilung in Saug- und Druckraum unterschiedlich aufgeheizt und somit thermisch unrund verformt wird. Die hier geschilderten Probleme wachsen naturgemäß mit der Baugröße, wodurch diese Bauart auch infolge der erforderlichen, durch hohe Präzision bedingten Herstellungskosten auf kleinere Baugrößen oder Spezialanwendungen in Wärmepumpen und Klimatechnik beschränkt wird, obwohl man inzwischen durch neue Abrolltechnik, z. B. nach dem Kniehebelprinzip, eine gewisse Verbesserung erreicht hat.

Aufgabe der Neuerung ist es, diese Mangel und Unzuträglichkeiten der herkömmlichen Maschinen dieser Art zu vermeiden, insbesondere eine einwandfreie Abdichtung zwischen den Trennelementen einerseits und dem Kolben andererseits zu gewährleisten und darüber hinaus sicherzustellen, daß der Verschleiß des Kolbens praktisch gleich Null ist.

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Diese Aufgabe wird neuerungsgemäe dadurch gelöst, daß der Kolben als dünnwandiger, elastisch verformbarer Ring ausgebildet ist, welcher von einem zumindest zwei Vorsprünge aufweisenden Drehkörper im Bereich der Vorsprünge gegen die Innenwand des Zylinders mit einer solchen Kraft gedrückt wird, daß bei de? Drehbewegung des Drehkörpers die Bewegung zwischen der Außenfläche des Ringes und der Zylinderinnenwand schlupflos ist.

Zweckmäßig ist der Außendurchmesser- des Ringes im vom Drehkörper unbelasteten Zustand kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders.

Nach einer besonderen Ausführungsform besteht der Drehkörper aus zwei in radialer Richtung zueinander verstellbaren und gegeneinander federnd abgestützten Teilen, wobei der Vorsprung eines jeden Teiles etwa die Form eines Kreisabschnittes aufweist. Vorteilhaft sind zwischen dem Ring und dem Drehkörper Wälzlager angeordnet. Dabei weist der Drehkörper einen Käfig auf, wobei die Vorsprünge von in diesem gelagerten Walzen gebildet sind. Die Walzen können dabei am Umfang glatt durchgehen^ ausgebildet sein und sich gegen ein in der Zylinderachse frei drehbar gelagertes Stützglied anlegen.

Diese Walzen können aber auch Ringnuten aufweisen, wobei die diese begrenzenden bundförmigen Teile der einen Walzen in die Ringnuten der anderen Walzen kammartig eingreifen. Die Walzen sind in radialer Richtung verstellbar.

Durch den neuerungsgemäßen Vorschlag wird eine einwandfreie Abdichtung zwischen den Trennelementen einerseits und dem Kolben andererseits sichergestellt und darüber hinaus Verschleißfreiheit des Kolbens gewährleistet.

Vorteilhaft sind die Trennelemente als im Zylinder gelagerte, unter der Einwirkung einer Rückstellkraft stehende Schwingflügel ausgebildet. Dabei weist ein jeder Schwingflügel eine gewölbte Fläche auf, die sich gegen den dünnwandigen ver-

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formbaren Ring dichtend anlegt.

Weitere Vorteile der Arbeitsmaschine; Funktionssicherheit durch vorausbe-stimmten Anpreßdruck an der Kontaktstelle Zylinder - Kolben; durch selbsttätige vorgegebene Nachstellkraft kein Schlupf zwischen Kolben und Zylinder; thermisch bedingte Verformungen und Abweichungen von der Zylinderform werden selbsttätig ausgeglichen; alle Elemente sind rotationssymmetrisch angeordnet, somit keine freien Massenkräfte; die durch Gas- oder Flüssigkeitsdrücke verursachten Kräfte heben sich gegenseitig auf, so daß meistens keine Zusatzlager zur Wellenführung notwendig sind. Das System ist selbstzentrierend; Saugventile, Druckventile im Niederdruckbereich und bei inkom-! pressiblen Fördermedien und Flüssigkeitsbetrieb; extrem gute Wärmeabführung, da auch die Innenseite des Kolbens gekühlt werden kann; hoher volumetrischer Ausnutzungsgrad, mindestens vier Saug- und Drucktakte bei einer Umdrehung (Zweirollenantrieb); geringe Geschwindigkeiten an den Dichtstellen; geringe Radialbewegung der Trennelemente; geringes Bauvolumen; niedrig^ Herstellungskosten; breiter Verwendungsbereich; hohe Antriebsdrehzahlen; pulsationsarme Förderung; gute Stirnseitenabdichtung, da infolge Zylinder- und Kolbenkühlung kaum Längenunterschiede den Stirnspalt beeinflussen; Geräusch- und Schwingungs-j· armut; selbsttätiges Nachstellen durch Ausbeuleffekt der gegenüberliegenden resultierenden Druckkräfte und durch Fliehkrafteinwirkung der Planetenrollen bei radial beweglicher Anordnung; Verwendbarkeit als Brennkraftmaschine; Eignung für Niederdruck und Hochdruckbereich; einfache, im Ausgangszustand kreisrunde Bauelemente; hoher Wirkungsgrad.

Weitere Merkmale der Maschine gemäß der Neuerung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Einige Ausführungsbeispiele der Neuerung sind nachstehend anhand der Zeichnung noch etwas näher veranschaulicht. In dieser zeigen in rein schematischer Weise:

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Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Abwälzverhältnisse bei der Anordnung nach den Fig. 3 und 4,

Fig. 6 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Druckverhältnisse bei der Anordnung nach Fig. 6,

Fig. 8-11 Schnitte durch eine stark stilisierte besondere Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung in verschiedenen Betriebsstellungen,

Fig. 12 einen Teilschnitt in verkleinertem Maßstab durch die Anordnung nach den Figuren 8-11,

Fig. 13 einen senkrechten Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

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Fig. 14 schematische Darstellungen der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 13»

Fig. 15-17 eine schematische Darstellung einer der Anordnung nach Fig. 13 ähnlichen Anordnung mit lediglich zwei Trennschiebern,

Fig. 18 einen senkrechten Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 19 einen Teilschnitt durch eine weitere praktische Verwirklichungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 20 eine Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 19,

Fig. 21 einen Teilschnitt durch eine besondere Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 22 einen Teilschnitt des elastisch verformbaren Ringes der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 23 einen senkrechten Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

Fig. 24 einen senkrechten Schnitt durch eine weitere praktische Verwirklichungsform der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung,

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Fig. 25 - 33 Teilschnitte in vergrößertem Maßstab

durch verschiedene Ausführungsformen des Trennelementes und dessen Lagerung im Zylinder der Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung.

Zunächst ist ganz allgemein darauf hinzuweisen, daß die Maschine gemäß der Neuerung sowohl als Kraftmaschine als auch als Arbeitsmaschine verwendbar ist, nämlich beispielsweise als Brennkraftmaschine oder aber als Verdichter bzw. Pumpe für Pluidje aller Art.

Mit 1 ist der Zylinder bezeichnet, in welchen bei der dargestellten Ausführungsform zwei Ansaugstutzen 2, 3 sowie zwei Austrittsstutzen 4, 5 einmünden. In der Wandung des Zylinders 1 sind Trennelemente in Form von Schwingflügeln 6, 7 gelagert, die unter der Einwirkung von Rückstellelementen, z. B. Federn stehen, welche bestrebt sind, zusammen mit dem Förderdruck die Schwingflügel 6, 7 gegen einen Kolben 8 zu drücken, der als elastisch verformbarer Ring ausgebildet ist. Diese Trenr elemente haben die gleiche Aufgabe wie die Trennschieber bei Rollkolbenkompressoren, nämlich Saugräume 9, 10 von Druckräumen 11, 12 zu trennen.

Es ist ferner ein Drehkörper mit drei VorSprüngen vorgesehen, welche den Kolben 8 gegen die Wandung des Zylinders 1 mit einer solchen Kraft andrücken, daß bei der Drehbewegung des Drehkörpers die Bewegung zwischen der Außenfläche des Ringes 8 und der Innenwand des Zylinders 1 schlupflos ist, so daß ein schlupfloser Abrollvorgang zu verzeichnen ist. Die hierfür erforderliche Andrückkraft kann genau eingestellt werden.

Der Außendurchmesser des Ringes 8 ist im vom Drehkörper unbelasteten Zustand kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders 1.

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Der Drehkörper weist bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform einen Käfig auf, der aus den beiden flanschförmigen Platten 13, 14 besteht, welche über Stangen, z. B. 15 oder unmittelbar miteinander verbunden sind. An der flanschförmigen Platte 13 ist eine Antriebswelle 16 angebracht, Die Vorsprünge werden von in dem Drehkörper gelagerten Walzen 17 bis 19 gebildet, welche bei der dargestellten Ausführungsform am Umfang glatt durchgehend ausgebildet sind. Diese Walzen 17 bis 19 sind in radialer Richtung verstellbar und legen sich gegen ein frei drehbar gelagertes Stützglied 20 an, das als dünnwandiges Rohr mit etwas größerem Durchmesser als der Innenkreis der Walzen ausgeführt ist. Diese Anordnung ist selbstzentrierend und benötigt keinerlei zusätzliche Lagerung des Drehkörpers, der im vorliegenden Falle als Antrieb benutzt wird Zusätzlich sind Stützrollen 21 bis 23 vorgesehen, welche eine unzulässige Durchbiegung des Kolbens 8 verhindern. Diese Stützrollen 21 bis 23 werden erst unter Last berührt.

Bei der Verwirklichungsform nach den Fig. 3 und 4 besteht der Drehkörper aus zwei in radialer Richtung zueinander verstellbaren und gegeneinander federnd abgestützten Teilen 24, 25, wobei die VorSprünge 24a, 25a im Umriß etwa die Form eines Kreisabschnittes aufweisen. Ferner ist zwischen dem Kolben 8 und dem Drehkörper ein Wälzlager 26 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind als Trennelemente Trennschieber 27, 28 vorgesehen. Der Drehkörper erzeugt die Vorspannung selbst durch selbsttätige Nachstellung mittels Schrauben 29 und Federpaketen 30. Bei geringer Breite genügt es, wenn der Außenring des Wälzlagers 26 unmittelbar abrollt. Es können aber auch mehrere Wälz lager mit Stirnkontakt verwendet werden. Die Anpressung bzw. Nachstellung kann durch Fliehkräfte unterstützt werden. Diese Ausführungsform eignet sich in besonderem Maße als Ölpumpe bzw. Ölmotor.

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Die Fig. 5 der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Abwälzverhältnisse bei der Anordnung nach den Fig. 3 und 4. Die Anordnung ist so getroffen, daß in einem vorgegebenen Winkelbereich ^ ,. ein flächiger Abwälzkontakt zwischen dem Zylinder 1 und dem Kolben 8 hergestellt wird. Hierdurch genügen bereits geringe spezifische Anpreßdrücke, um ein sicheres Abrollen zu gewährleisten. Außerdem wird die durch die Trennschieber 27, 28 verursachte Unterbrechung der Mantelfläche des Zylinders 1 so überrollt, daß kein Schlupf und Klopfen bzw. Rückströmen erfolgen kann. Eine flächige Anlage vermeidet eine Hertz'sehe Pressung, so daß man eine geringe Materialbelastung sowie einen reduzierten Verschleiß erhält.

Die flächige Anlage wird dadurch erreicht, daß man den Drehkörper so ausbildet, daß im Bereich ^ <. dieser und der Zylinder 1 den gemeinsamen Drehpunkt M^ haben. Die Verdichtungsräume entstehen durch Auseinanderdrücken der Radien r_k am besten auf der y - y - Achse, wodurch neue Mittelpunkte M₂ entstehen mit dem kleineren Radius r. . Die Übergangsstellen r_k —ψ r rundet man ab. Natürlich können zwischen ·Ρ und χ.,.χ beliebig andere Kurvenzüge verwendet werden.

Die Fig. 6 der Zeichnung zeigt eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Maschine gemäß der Neuerung. Dort sind lediglich zwei einander gegenüberliegende Walzen 31, 32 vorgesehen, welche die Funktion der Vorsprünge des Drehkörpers übernehmen und den Kolben 8 gegen die Wandung des nicht weiter dargestellten Zylinders andrücken. Diese Walzen 31, 32 sind in zwei einander gegenüberliegenden plattenförmigen Trägern 33 gelagert, die über die Welle 34 in Drehbewegung versetzbar sind. Auch hier weist also der Drehkörper einen entsprechenden Käfig auf. Die Walzen 31, 32 sind dabei auf exzentrisch in den Tragen 33 gelagerten Bolzen 37 geführt, an deren Enden Hebel 35 angebracht sind, welche mittels in die Träger 33 eingesetzten Schrat ben 36 verstellt werden können. Nach Maßgabe der Exzentrizität e kann der Kolben 8 an den Zylinder 1 angepreßt werden. Die Anpressung kann selbstverständlich auch mittels Federn oder über

ein Druckmittel erfolgen.

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Die Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Druckverhältnisse bei der Anordnung nach Pig. 6. Die geschlossenen Pfeile verursachen die Belastung durch die Verdichtung. Die offenen Pfeile sind resultierend« mechanische und dynamische Belastungen. Durch den Saugvorgang erfolgt eine Niveauabsenkung, die nach außen gerichtete Kräfte geringer Größe erzeugt (kleine Pfeile).

Durch Verdichtung treten nach innen gerichtete Kräfte (große Pfeile) auf, die wesentlich größer sind als die Saugkräfte. Da jedoch die Verdichtungszone - auf den Umfang bezogen relativ klein und abhängig vom Verdichtungsverhältnis ist, stützen sich die Kräfte weitgehend auf die Walzen 31, 32 ab.

Die durch offene große Pfeile markierten Kräfte£ntstehen durch die zum Abrollen notwendige Vorspannung. Diese Vorspannung wird dann durch Fliehkräfte unterstützt, wenn die Walzen 31, 32 radial beweglich sind. Die aus Vorspannung V und Fliehkraft C entstehenden Kräfte müssen stets größer und entgegengesetzt sein als die resultierenden Gaskräfte. Man erkennt daß die Kräfte einander gegenüberliegen und durch einen gemeinsamen Drehpunkt hindurchgeführt sind. Bei der Förderung von Flüssigkeiten ist die Belastung des Kolbens 8 infolge der Inkompressibilität größer, so daß Stützrollen anzuordnen sind, welche der Durchbiegung des elastisch verformbaren Kolbens 8 entgegenwirken.

Bei der Verwirklichungsform nach Fig. 12 weisen die Walzen 34, 35 Ringnuten 34a bzw. 35a auf, wobei die diese Nuten 34a bzw. 35a begrenzenden bundförmigen Teile 34b bzw. 35b der einen Walze 34 bzw. 35 in die Ringnuten 34a bzw. 35a der anderen Walze 34 bzw. 35 kammartig eingreifen.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen die in Fig. 12 lediglich im Teilschnitt dargestellte Arbeitsmaschine gemäß der Neuerung in verschiedenen Betriebsstellungen.

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In der Stellung nach Fig. 8 ist der Saugvorgang beendet Die beiden Saugräume 9» 11» welche von der Innenwand des Zylinders 1 und dem als elastisch verformbarer Ring ausgebildete^ Kolben 8 begrenzt werden, haben in dieser Stellung das größte Volumen. Die beiden Saugstutzen 2, 3 werden dabei von dem Kolben 8 überdeckt und die Trennschieber 27, 28 befinden sich in der obersten Totpunktstellung.

Nach einer Drehung des Drehkörpers um etwa 45° im Uhrzeigersinn wird die Stellung in Fig. 9 erreicht. Das Medium wird dabei über die Austrittsstutzen 4, 5 ausgeschoben. Wesentlich ist, daß durch entsprechende Einstellung der Andrückkraft der Kolben 8 an der Innenwand des Zylinders 1 eine einwandfreie Abrollbewegung vollführt, ein Schlupf also auf keinen Fall zu verzeichnen ist.

Nach einer weiteren Drehung des Drehkörpers um etwa 45° sind die Saugkammern 9 und 11 und die Druckkammern 10 und 12 nur halb gefüllt (Fig. 10).

Bei einer weiteren Drehbewegung des Drehkörpers um etwa 45° (Fig. 11) sind der Ansaugvorgang und der Fördervorgang nahezu beendet. Der Kolben hat sich dabei entgegen der Drehbewegung des Drehkörpers im Uhrzeigersinn, um den Betrag s im entgegengesetzten Uhrzeigersinn verschoben.

Die Fig. 13 der Zeichnung zeigt eine der Fig. 1 entsprechende Anordnung, wobei allerdings die Walzen 34 - 36 entsprechend der Anordnung nach Fig. 12 ausgebildet sind, also kammartig ineinandergreifen. Ferner sind insgesamt drei Schwingflügel 6, 7 und 37 als Trennelemente vorgesehen.

Die Fig. 14 zeigt die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 13, wobei allerdings als Trennelemente Trennschieber 27, 28 und 38 verwendet werden. Der Übersichtlichkeit halber ist auf die Darstellung der Walzen 34 - 36 verzichtet worden. Der Einfachheit halber sind die Saugräume mit -. die Druckräume

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hingegen mit + bezeichnet. Die Pfeile über den Ansaugstutzen und Austrittsstutzen geben die Strömungsrichtung des angesaugten bzw. ausgeschobenen Mediums an. Bei einer vollen Umdrehung erhöht sich die Zahl der Arbeitstakte auf neun, wodurch der volumetrische Ausnutzungsgrad erheblich erhöht wird. Beim Ansaugen und Ausstoßen des Mediums werden jedoch Nullphasen durchfahren.

Die Fig. 15-17 zeigen die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 1 der Zeichnung, wobei die im Zusammenhang mit der Fig. 14 gemachten Ausführungen sinngemäß für den vorliegenden Fall gelten. Die Trennelemente in Form von Schwingflügeln sind aber durch Trennschieber ersetzt. Diese Ausführungsform ist zur Vorgleichmäßigung des Ansaug- tmd Ausschubhubes besonders geeignet. Der Übersichtlichkeit halber ist auf die Walzen 17 - 19 verzichtet worden. Bei einer einzigen Umdrehung laufen vier Arbeitstakte ab, wobei die Pfeile über den Ein- und Austrittsöffnungen die Strömungsrichtung angeben.

Die Fig. 18 zeigt einen Teilschnitt durch eine etwa der Anordnung nach Fig. 6 entsprechende Ausbildungsform. Dabei wird der Anpreßdruck von einer dünnwandigen etwas verformten Stützrolle 38 erzeugt. Diese Bauart kann mit kleinstem Kostenaufwand hergestellt werden und arbeitet praktisch verschleißfrei. Die in der Mitte angeordnete Stützrolle 38 kann natürlich auch verzahnt sein und die in diesem Falle ebenfalls verzahnten Walzen 31, 32 antreiben.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 19 und 20 sind die Walzen 31, 32 und 32a als normale Walzen oder Nadellager ausgebildet, die in Längsschlitzen 39 des Trägers 33 radial verschiebbar und über Flächen 40 drehsicher gelagert sind. Durch längsverschiebbare Kegelrollen 41, 42 erfolgt die Anpressung an die Walzen 31, 32 und 32a, wobei eine selbsttätige Nachstellung durch die auftretenden Fliehkräfte unterstützt wird. Mit der Bezugsziffer 43 ist eine Feder bezeichnet, mit welcher die beiden Kegelrollen 41, 42 belastet sind.

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Die Fig. 21 zeigt eine Teildarstellung der stirnseitiger Abdichtung der Maschine gemäß der Neuerung mittels eines ruhenden, längsverschiebbaren Gleitringes 44. Am Zylinder 1 finden sich stirnseitige Flansche angeordnet, in welchen der Gleitring 44 drehfest und mittels Dichtungsring 45 dichtend gelagert ist. Der Kolben 8 liegt in seiner oberen und unteren Totpunktlage an der Stirnseite des Gleitringes 44 an. Der stufenförmig ausgebildete Gleitring 44 wird entsprechend seiner Differenzfläche druckabhängig angedrückt. Der Anpreßdruck wird auch im Stillstand durch Federn 46 aufrechterhalten. Sperrmedien können über Bohrungen 47 zugeleitet werden. Diese Abdichtungsart arbeitet nahezu leckfrei.

Die Fig. 22 der Zeichnung zeigt einen Teilschnitt des die Form eines elastisch verformbaren Ringes aufweisenden Kolbens 8,. Dieser Kolben 8 ist zweckmäßig aus mehreren Schichten 48 bis 50 aufgebaut. Dabei besteht die Außenschicht 50 aus einem Werkstoff mit hohem Reibwert und die Mittelschicht 48 aus einem Werkstoff mit niedrigem Reibwert, während die Innenschicht 49 aus einem verschleißfesten Werkstoff besteht.

Die Fig. 23 der Zeichnung zeigt eine weitere Ausführungs form der Kraftmaschine gemäß der Neuerung. Diese Verwirklichungs form zeigt einen aus der Mitte des Zylinders 1 herausgerückten Kolben 8. Durch die seitliche, große Anlagefläche kann der unver formte Durchmesser des Kolbens 8 um 20 % und mehr kleiner gehalten werden als der Durchmesser des Zylinders 1. Hierdurch entsteht nach dem Verspannen zur Ellipse ein ziemlich großer Raum, der durch ein Trennelement in Form eines Schwingflügels 6 oder einen Trennschieber in einen Saugraum und einen Druckraum aufgeteilt wird. Die elliptische Form des Kolbens 8 wird dabei so gewählt, daß der die Kopfkreise r^ verbindende Kurvenzug R₁ stärker gekrümmt ist als der Innenradius des Zylinders Über herkömmliche, in der Zeichnung nicht weiter dargestellte Kurbeltriebe der Kolbennachführgetriebe wird der Kolben 8 so an die Innenwand des Zylinders 1 gedrückt, daß er einseitig abgeflacht und über einen großen Winkel x^ an Zylinder 1 flächig

anliegt. Die Ellipse wird etwas unsymmetrisch X₁ ^ Xp. Das notwendige Reibmoment zwischen dem Zylinder 1 einerseits und dem Kolben 8 andererseits erfolgt durch Federwirkung des Kolbens 8. Diese Ausführung kann man für große Volumenströme mit kleinem Druckverhältnis vorteilhaft einsetzen.

Die Fig. 24 zeigt eine kinematische Umkehrung der in den vorhergehenden Figuren dargestellten Maschine gemäß der Neuerung. Dabei sind ein innenliegender, ruhender Kolben 1a und der außenliegende Kolben 8 in Form eines elastisch verformbaren Ringes vorgesehen. Zwischen dem Kolben 8 und einem zur Erzeugung der Verdrängerräume entsprechend geformten drehbaren Zylinder 1 sind Wälzrollen 51 vorgesehen, über welche der Kolben 8 an den Kolben 1a gepreßt wird und bei Drehung des Zylinders 1 abrollt. Das Medium strömt dabei in Richtung der Pfeile. Die Trennschieber 52 werden durch eine einfacher Ringfeder unterstützt, die in diese so eingehängt wird, daß durch Anziehen in Achsrichtung die Schieber festgehalten werden können (Leerlaufregelung). Selbstverständlich kann diese Bauart auch mit Schwingflügeln ausgestattet werden. Die Saugkammern sind wieder mit -, die Druckkammern hingegen mit + gekennzeichnet. Saug- und Druckkammern sind durch Stege 53 miteinander verbunden, wodurch die Aufheizung der Saugseite vermindert wird.

Zur Nachstellung ist der Zylinder 1 geschlitzt, wobei die auf diese Weise entstehenden beiden Teile über Federn und Schrauben gegeneinander verstellbar und arretierbar sind.

Die Fig. 25 und 26 zeigen einen Teilausschnitt des Zylinders 1, in welchem der Kolben 8 entgegengesetzt zur Antriebsrichtung (kleiner Bogenpfeil) rollt, wobei der zylindrisch ausgebildete und mit einer keilförmigen Nase versehene Schwingflügel 6 drehbar gelagert ist. Durch den Förderdruck ρ (Pfeile) und gegebenenfalls durch Federkraft oder Zwangssteuerung unterstützt, wird der Schwingflügel 6 an den Kolben 8 angedrückt, wobei ein Verkeilen dadurch vermieden wird, daß die Bewegungsrichtung desselben der Druckrichtung entgegengesetzt ist und der

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Drehradius r^ mindestens 10 % größer ist als

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in keinem Falle senkrecht auf dem Kolben 8 stehen. Für

ein ungestörtes Abrollen ist es zweckmäßig, wenn der Innenradius rT des Schwingflügels 6 mit dem Radius des Zylinders 1 zusammenfällt. Dann hat man optimale Abrollverhältnisse, da der Flächenkontakt nicht durch Schlitze im Zylinder 1 für den Schwingflügel 6 in seiner oberen Totpunktlage gestört wird.

Durch Taschen 54 im Schwingflügel 6 und durch die Lage der Steuerkante X zum Austrittsschlitz 55 kann der Verdichtungsdruck gesteuert werden. In der oberen Totpunktlage kann bei keilförmiger Gestaltung des Schwingflügels ein völliger Abschluß zur Druckseite hin erfolgen. Infolge der geringen Glextgeschwindigkeit arbeitet dieses System verschleißarm, namentlich dann, wenn die seitlichen, zylindrischen Zapfen in selbstschmierenden Lagern in dem seitlichen Abschluß angeordnet sind.

Die Fig. 27 und 28 zeigen eine besonders für Verdichter vorteilhafte Anordnung des Schwingflügels 6, wobei die Fig. 27 die Endlage nach Beendigung des Verdichtungsvorganges und die Fig. 28 die untere Endlage mit größtem Radialabstand Δ r zwischen dem Kolben 8 und dem Zylinder 1 zum Ausdruck bringt. Im Schwingflügel 6 befinden sich Schlitze 56 mit einer dem gewünschten Verdichtungsverhältnis angepaßten Steuerkante 57, mit welcher die Austrittsöffnung 58 übersteuert, um ein Zurückströmen in den Saugraum zu verhindern, was namentlich bei höheren Verdichtungsverhältnissen zu zusätzlichen Verlusten führt. Ein Nachführschieber 59 ist im Zylinder 1 angeordnet, der bei der Bewegung des Schwingflügels 6 in die Offenstellung solange auf dessen Nase aufliegt, bis die Austrittsöffnung 58 übersteuert ist und sich die Rückströmung auf geringe Leckagen beschränkt. Während der Verdichtung wird der Nachführschieber 59 über eine Differenzfläche, welche durch Kanäle 60 mit dem Innenraum des Zylinders 1 in Verbindung steht so weit eingeschoben, daß keine unnötigen Drosselverluste zwischen Schwingflügel 6 einerseits und Zylinder 1 andererseits

auftreten.

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Nach Überrollen der oberen Totpunktlage fällt der Druck auf das Saugniveau. Das geringe Steuerluftvolumen expandiert durch die Kanäle 60. Durch Druck einer Feder 61 wird der Nachführschieber 59 so lange gegen die Nase des Schwingflügels 6 gedrückt, bis sich der Nachführschieber 59 durch Anlage an die Differenzfläche von dem Schwingflügel 6 löst. Die Luft hinter dem Nachführschieber 59 kann über eine Bohrung 62 entweichen. Infolge des geringen Hubes des Schwingflügels 6 und des Nachführschiebers 59 ist mit Verschleiß kaum zu rechnen. Nachdem gegenüber der Ventilanordnung eine große Austrittsfläche realisiert werden kann und außerdem keine Druckerhöhung gegen den Verdichtungsdruck zum Öffnen der Ventile erforderlich ist, werden durch diese Steuerung ein besserer Wirkungsgrad und größere Laufruhe erzielt. Naturgemäß kann der Nachführschieber 59 auch durch Fremdmedien, elektromagnetisch oder in anderer Weise, z. B. über geschlossene Faltenbälge, betätigt werden.

Die Fig. 29 zeigt eine Teilansicht des Zylinders 1 der neuerungsgemäßen Maschine mit dem Einlaßschlitz 63, der aus Gründen besonderer Abrolltechnik nicht durchgehend ausgeführt wird. Es ist ferner ein durch Blattfedern 64 gesteuerter, druckseitiger Austritt A vorgesehen. Auf einer ebenen Fläche am Gehäuse 65 des Zylinders 1 sind die Blattfedern 64 angeordnet, deren Hub durch profilierte Fänger begrenzt wird. Durch eine haubenförmige Abdeckung 66 wird nach außen abgedichtet. Nachdem keine Saugventile notwendig werden, kann die gesamte Druckzylinderbreite zur Ventilanordnung genutzt werden, wodurch die Ventilbelastung gering gehalten werden kann. Zusammen mit der meist ölfreien Verdichtung werden somit hohe Ventilstandzeiten erreicht. Der Schwingflügel 6 kann zur Verbesserung der Abdichtung noch mit einer Dichtungsleiste 67 ausgestattet werden.

Die Fig. 30 zeigt einen hohlen Schwingflügel 68 mit einer zentralen Bohrung 69 in oberer Totpunktlage sowie mit einer zylindrischen Blattfeder 70 und einem Hubbegrenzer 71» der gleichzeitig zur Abstufung dient. Die verdichtete Luft tritt durch die Öffnung 72 ein und längs der Achse nach einer oder nach beiden Seiten aus.

Die Fig. 31 zeigt eine Anordnung nach Fig. 30, jedoch mit einer zusätzlich betätigten Steuerbüchse 73, in welche ein oder mehrere, über den Umfang verteilt angeordnete Steuerschlitze 74 vorgesehen sind. Diese Ausführung ist besonders für ölgeschmierte Verdichter geeignet. Ferner erlaubt diese besondere Verwirklichungsform das Einspritzen von Kühlmittel bzw. Schmiermittel zur unmittelbaren Kühlung des Gases.

Durch eine außerhalb des Verdichtungsraumes angeordnete Nachführsteuerung werden entsprechend dem gewünschten Verdichtungsverhältnis der Schwingflügel 68 und die Steuerbüchse 73 zeitweise mit gleicher Winkelgeschwindigkeit bewegt. Durch Veränderung dieser Geschwindigkeit der Steuerbüchse 73 werden die Steuerschlitze 74 geöffnet und phasenverschoben geschlossen.

Die Bohrung d^ des Schwingflügels 68 ist etwas größer ausgeführt als der Außendurchmesser der Steuerbüchse 73» welche in dem Schwingflügel 68 schwimmend gelagert ist. Bei größeren Abmessungen können Dichtungsleisten die Leckverluste auf ein Minimum herabsetzen. Diese Anordnung ist auch für Kraftmaschinen besonders vorteilhaft. In diesem Falle sind die Stirnseiten der Steuerbüchse 73 abgedeckt, der Innendurchmesser entsprechen! dem Dichtungsverhältnis gewählt, und gleichzeitig Brennraum. Durch Austrittsschlitze expandiert das Gas in dem nach dem Überrollen der oberen Totpunktlage entstehenden Expansionsraum. Man erkennt hier sehr gut die Übereinstimmung des Radius des Zylinders und desjenigen des Schwingflügels.

Die Fig. 32 zeigt die Anordnung eines Trennschiebers 74 für höhere Drücke. Dazu ist der Trennschieber 74 zweiteilig aus|- geführt und mit einer konvex und konkav gekrümmten Dichtleiste 75 versehen, die sich einerseits flächig an den Kolben 8 anlegt und andererseits im Trennschieber 74 eine Schwenkbewegung ausführen kann.

Die Fig. 33 der Zeichnung zeigt eine Ventilanordnung mit Zwangssteuerung. Bei hohen Drehzahlen versagen oft die medium-

gesteuerten Ventile, da deren Eigenfrequenz unterhalb der Kolbenfrequenz liegt. Eine Verstärkung der Federsteifigkeit hat insofern erhebliche Wirkungsgradeinbußen zur Folge, als dann der zum Ventilöffnen notwendige Zylinderdruck erheblich über den Gegendruck ansteigen muß.

Bei der Anordnung nach Fig. 33 wird das dadurch vermieden, daß ein Ventilstößel 77 im Trennschieber 76 angeordnet ist, mit welchem die Ventile im gewünschten Zeitpunkt angehoben werden. Hierdurch kann ohne Nachteile die Eigenfrequenz des Ventiles wesentlich oberhalb der Kolbenfrequenz liegen.

- Schutzansprüche -

Claims

SCHUTZANSPRÜCHE

1. Maschine, insbesondere Arbeitsmaschine zum Verdichten und Fördern von Fluiden aller Art, mit einem Zylinder und einem drehbar gelagerten Kolben, welcher zusammen mit über den Innenumfang des Zylinders verteilten, Druckräume gegen Saugräume abdichtenden Trennelementen, und der Zylinderinnen-wand mit in diese einmündenden Anschlüssen, die Druckräume und Saugräume begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (8) als dünnwandiger, elastisch verformbarer Ring ausgebildet ist, welcher von einem zumindest zwei Vorsprünge aufweisenden Drehkörper im Bereich der Vorsprünge gegen die Innenwand des Zylinders (1) mit einer solchen Kraft gedrückt wird, daß bei der Drehbewegung des Drehkörpers die Bewegung zwischen der Außenfläche des Ringes und der ZyIinderinnenwand schlupflos ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., daß der Außendurchmesser des Kolbens (8) im vom Drehkörper unbelasteten Zustand kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinders (1).

3. Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet ₉ daß der Drehkörper aus zwei in radialer Richtung zueinander verstellbaren und gegeneinander federnd abgestützten Teilen (24, 25) besteht und daß der Vorsprung (24a, 25a) eines Jeden Teiles (24, 25) im Umriß etwa die Form eines Kreisabschnittes aufweist (Fig. 3 und 4).

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Kolben (8) und dem Drehkörper Wälzlager (26) angeordnet sind (Fig. 3 und 4).

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5. Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn-f zeichnet, daß der Drehkörper einen Käfig aufweist, und daß die Vorsprünge von in diesem gelagerten Walzen (z.

B. 17 - 19) gebildet sind.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Walzen (z. B. 17 - 19) am Umfang glatt durchgehend ausgebildet sind.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Walzen (17 - 19) gegen ein in der Achse des Zylinders (1) frei drehbar gelagertes Stützglied (20) anlegen (Fig. 1 und 2).

8. Maschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Walzen (z. B. 34, 35) Ringnuten (34a, 35a) aufweisen, und daß die diese Nuten (34a, 35a) begrenzenden bundförmigen Teile (34b, 35b) der einen Walzen in die Ringnuten (34a, 35a) der anderen Walzen (34, 35) kamm artig eingreifen (Fig. 12).

9. Maschine nach Anspruch 5-8, dadurch gekennzeichnet , daß die Walzen in radialer Richtung verstellbar sind.

10. Maschine nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben (8) aus mehreren Schichten (48 - 50) ausgebildet ist.

11. Maschine nach Anspruch 10, mit dreischichtigem Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (50) aus einem Werkstoff mit hohem Reibwert und die Mittelschicht (48) aus einem Werkstoff mit niedrigem Reibwert besteht, und daß die Innenschicht (49) aus einem verschleißfesten Werkstoff besteht.

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12. Maschine nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennelemente als im Zylinder (1) gelagerte, unter der Einwirkung einer Rückstellkraft stehende Schwingflügel (z. B. 6) ausgebildet sind.

13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß ein jeder Schwingflügel (6) eine gewölbte Fläche (6a) aufweist, die sich gegen den Kolben (8) dichtend anlegt.

14. Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Krümmungsradius dieser gewölbten Fläche dem Krümmungsrauius des Kolbens (8) entspricht.

15. Maschine nach Anspruch 12-14, dadurch gekenn zeichnet , daß ein jeder Schwingflügel (z. B. 6) mit dem in Bewegungsrichtung hinter der Dichtungsstelle liegenden Teil des Kolbens (8) einen spitzen Winkel einschließt.

16. Maschine nach Anspruch 12-15» dadurch gekenn zeichnet , daß in einem jeden Schwingflügel (6) eine Steuerkante (57) aufweisende Aussparungen (56) vorgesehen sind.

17. Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwenkbereich eines jeden Schwing flügeis (6) in der einen Schwenkrichtung von einem federbelasteten Anschlag (59) begrenzt ist.

18. Maschine nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet , daß ein jedes Trennelement (68) eine zentrale Bohrung (69) mit in diese einmündenden Aussparungen (72) aufweist.

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III ■

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19. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß diese Aussparungen (72) über eine Blattfeder (70) steuerbar sind, welcher ein Hubbegrenzer (71) zugeordnet ist.

20. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Bohrung (69) von einer Steuerbüchse (73) umgeben ist, und daß in dem Schwingflügel (68) ein Kanal vorgesehen ist, über welchen das verdichtete Medium über die Aussparungen (72) abführbar ist.

21. Maschine nach Anspruch 1-16, dadurch g e k e η η izeichnet , daß der Trennschieber (74) eine schwenkbare Dichtleiste (75) trägt.

22. Maschine nach Anspruch 1-21, dadurch gekennjzeichnet , daß die Trennschieber (74) oder Trennschwingen Ventilstößel (77) betätigen.

23. Maschine nach Anspruch 1-22, dadurch gekenn zeichnet , daß die Anzahl der Trennelemente unterschiedlich ist von der Anzahl der Vorsprünge.

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