EP0326101A2

EP0326101A2 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: EP0326101A2
Application number: EP89101265A
Authority: EP
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. Hofmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-01-26
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1989-08-02
Also published as: DE3802226A1; EP0326101A3

Abstract

Bei einer Drehkolbenmaschine für gasförmige Arbeitsmedien, miteinem in einem Gehäuse drehbar gelagerten, hohlzylindrischen Käfigrotor, der über den Umfang verteilt angeordnete Durchbrechungen mit dazwischenliegenden, stegförmigen Zähnen aufweist, mit einem innerhalb des Käfigrotors im Gehäuse drehbar gelagerten Kämmrotor, dessen Durchmesser kleiner ist als der des Käfigrotors und der wenigstens eine Ausnehmung für den Eingriff mit einem der Zähne des Käfigrotors auf dem Umfang aufweist, wobei der Außendurchmesser des Kämmrotors den Außendurchmesser des Käfigrotors tangiert, mit einem den Raum zwischen Außenumfang des Kämmrotors und Innenumfang des Käfigrotors ausfüllenden Gehäuseteil, und mit Ein- und Auslaßöffnungen in dem den Außenumfang des Käfigrotors umschließenden Gehäuse, wobei wenigstens eine dieser Öffnungen sich lediglich über einen Teil der in Achsrichtung verlaufenden Durchbrechungen erstreckt, wird zur Verbesserung der Abdichtung im Eingriffsbereich und des Wirkungsgrades jeweils am ein- bzw. austrittsseitigen Ende der Durchbrechungen (4) am Käfigrotor (1) eine abgesetzte Erweiterung (5) der Durchbrechung (4) vorgesehen und am Eingriffsabschnitt des Kämmrotors (6) ein entsprechend geformter Ansatz (11) ausgebildet, der mit der Erweiterung (5) in Eingriff tritt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Drehkolbenmaschine dieser Art ist an sich bekannt, wobei die Durchbrechungen des Käfigrotors sich schraubenlinienförmig längs der Rotorachse erstrecken und die dazwischen angeordneten stegförmigen Zähne, wie auch die Eingriffsabschnitte des Kämmrotors, entsprechend schraubenlinienförmig ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich bei der Drehung der beiden Rotoren relativ zueinander am Eingriffsende eine spitzwinklig zulaufende Kante am Eingriffsabschnitt des Kämmrotors, die in die sich spitzwinklig verengende Ecke der Durchbrechung eingreift. Die Abdichtung zwischen den relativ zueinander gleitenden Flächen in diesem Eingriffsbereich ist nur bedingt erzielbar, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine leidet. Wenn bei dieser bekannten Drehkolbenmaschine das Druckverhältnis vergrößert werden soll, so ergibt sich bei gleichem Volumen ein größerer Umschlingungswinkel, wodurch das Eingriffsende noch spitzwinkliger und der zugeordnete Zahn sehr dünn wird. Hierdurch ergeben sich Beschränkungen bei der Auslegung des Druckverhältnisses.
Es ist ein erheblicher Bedarf für eine wirtschaftlich arbeitende Expansionsmaschine vorhanden, mittels der in dezentralen Anlagen die auf vielen Gebieten, insbesondere im Niedertemperaturbereich bis 250°C anfallende Abwärme, die bislang weitgehend ungenutzt bleibt, oder die durch Solaranlagen, Biomasse und dgl. erzeugte Wärme, in mechanische Energie umgewandelt werden kann, die dann wiederum z.B. zum direkten Pumpen- und Verdichterantrieb sowie zur Verstromung eingesetzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht und die Drehkolbenmaschine wirtschaftlich als Expansionsmaschine zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie, insbesondere zur Energierückgewinnung aus Abwärme, eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Erweiterung der Durchbrechung an derem ein- bzw. auslaßseitigen Ende kann der kritische Eingriffsbereich so gestaltet werden, daß sich eine Verbesserung der Abdichtung und damit des Wirkungsgrades ergibt. Zudem kann durch diese Ausgestaltung das Druckverhältnis frei gewählt werden, ohne daß sich Schwierigkeiten bei der konstruktiven Auslegung der Drehkolbenmaschine ergeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung und in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung einen Käfigrotor mit längs der Achse gerade verlaufenden Durchbrechungen bzw. Zähnen,
Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen Kämmrotor für einen Käfigrotor nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Drehkolben maschine mit den Rotoren nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Drehkolbenmaschine,
Fig. 5 in einer Ansicht entsprechend Fig. 1 einen schräg verzahnten Käfigrotor,
Fig. 6 in einer Ansicht entsprechend Fig. 2 einen Kämmrotor mit schräg verlaufender Ausnehmung,
Fig. 7 im Querschnitt eine Expansionsmaschine mit regelbarem Druckverhältnis,
Fig. 8 einen Querschnitt mit schematischem Kreislauf einer Heißgasmaschine mit getrennt regelbarem Druckverhältnis für den Verdichtungs- und Expansionstakt, und
Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Abwicklung des Einund Auslaßbereichs der Heißgasmaschine nach Fig. 8 und
Fig. 10 zwei Ausführungsformen einer Dichtkante am Kämmrotor.

Fig. 1 zeigt einen Käfigrotor 1 mit einem topfförmigen bzw. hohlzylindrischen Rotorkörper, an dem eine Welle 2 befestigt ist. Auf der offenen Stirnseite des Käfigrotors 1 sind über den Umfang verteilt zwei Klauen bzw. Zähne 3 ausgebildet, die sich gerade längs der Achse des Käfigrotors erstrecken und zwischen sich zwei Durchbrechungen 4 freilassen, die in der Abwicklung etwa rechteckig sind. An der Übergangsstelle zwischen einer Druchbrechung 4 und einem in Achsrichtung verlaufenden Zahn 3 ist eine abgesetzte Erweiterung 5 der Durchbrechung 4 ausgebildet, die in der Abwicklung ebenfalls rechteckig ist, eine gewisse Tiefe in Achsrichtung aufweist und sich in Umfangsrichtung über einen Teilabschnitt der Durchbrechung 4 erstreckt.
Fig. 2 zeigt einen Kämmrotor 6, der mit seiner Welle 7 außermittig zum Käfigrotor 1 gelagert ist, wie Fig. 3 und 4 zeigen. Der Kämmrotor nach Fig. 2 besteht aus einem vollzylindrischen Körper mit einer Ausnehmung 8 auf dem Umfang, die sich über die axiale Länge des Rotors erstreckt und für den Eingriff mit einem der Zähne 3 des Käfigrotors ausgebildet ist. Die auf dem Umfang des Zylinderkörpers des Kämmrotors 6 liegenden Kanten 9 der Ausnehmung 8 bewegen sich während des Eingriffs längs der radial nach innen verlaufenden Seitenflanken 10 der Zähne 3 und bilden dabei eine Dichtkante. Auf einer Stirnseite des Zylinderkörpers des Kämmrotors 6 ist angrenzend an eine Dichtkante 9 ein in der Abwicklung rechteckiger Ansatz 11 ausgebildet, der in die Erweiterung 5 am Käfigrotor 1 eingreift, wobei die Darstellung in den Fig. 1 und 2 nicht maßstäblich ist. Die Seitenflächen der Ausnehmung 8 bilden zwischen Kante 9 und radial innen liegender Umfangslinie eine Perizykloide, die sich durch die radial innen und außen liegenden Kanten der Seitenflanken 10 eines Zahnes 3 ergibt, die während des Eingriffs und der Relativverdrehung der beiden Rotoren zueinander in den Zylinderkörper des Kämmrotors eintauchen. In entsprechender Weise weist der Ansatz 11 am Kämmrotor 6 auf seinen beiden Seitenflanken eine Perizykloide auf, einerseits entsprechend dem Eingriff mit der Seitenflanke 10 eines Zahnes 3 und andererseits entsprechend dem Eingriff mit der radial verlaufenden Seitenfläche 12 der Erweiterung 5.
Fig. 3 zeigt die beiden miteinander in Eingriff stehenden Rotoren in einem hohlzylindrischen Gehäuseteil 13, das den Außenumfang des Käfigrotors 1 umschließt, wobei die beiden Rotoren derart miteinander in Eingriff stehen, daß die Außendurchmesser der beiden Rotoren einander tangieren. Längs dieser Berührungslinie der beiden Außendurchmesser verläuft eine Trennwand 14 zwischen einer Einlaßöffnung 15 und eine Auslaßöffnung 16 am Gehäuseteil 13. In dem Raum zwischen den beiden Rotoren 1,6 ist ein im Querschnitt sichelförmiges Gehäuseteil 17 vorgesehen, das sich über einen Abschnitt des Außenumfangs des Kämmrotors 6 und über den Großteil des Innenumfangs des Käfigrotors 1 erstreckt. Dieses innenliegende Gehäuseteil 17 kann mit einem durch gestrichelte Linien angedeuteten Hohlraum 18 versehen sein, der als Reservoir für ein Schmiermittel dienen kann, wie Fig. 7 und 8 zeigen.
Fig. 4 zeigt eine Entlastungsbohrung 19 durch das Gehäusetail 17 zwischen dem Bereich des Kämmrotors und einer Durchbrechung 4 des Käfigrotors, die an dieser Stelle ein konstantes Volumen hat. Die Welle 2 des Käfigrotors 1 ist über ein Wälzlager 20 in einer Gehäuseplatte 21 gelagert, wobei beiderseits des Wälzlagers 20 Dichtringe 22 vorgesehen sind. Das Lager 20 wird durch einen Ring 23 an der Gehäuseplatte 21 festgelegt, der mittels nicht dargestellter Schrauben befestigt ist, wie auch die Gehäuseteile 13,21 durch Schrauben miteinander verbunden sind. Auf einem auf der Innenseite des Käfigrotors 1 vorstehenden Wellenzapfen 24 ist ein Zahnrad 25 befestigt, das mit einem innen verzahnten Ring 26 in Eingriff steht, der im innenliegenden Gehäuseteil 17 verdrehbar gelagert ist, wobei der Ring 26 in einer Ausnehmung des Gehäuseteils 17 gleiten oder durch ein Nadellager gelagert sein kann. Dieser innen verzahnte Ring 26 steht mit einem Zahnrad 27 auf der Welle 7 des Kämmrotors 6 in Eingriff. Die beiden Zahnräder 25 und 27 an den beiden Rotoren stehen nicht miteinander in Eingriff. Mit 48 ist ein Lager am innenliegenden Ende des Wellenzapfens 24 bzeichnet, durch welches dieser auch im Gehäuseteil 17 gelagert ist. Der Kämmrotor 6 ist durch Lager 28 im innenliegenden Gehäuseteil 17 und in einer stirnseitigen Gehäuseplatte 29 verdrehbar gelagert, die über Schrauben 30 mit dem innenliegenden Gehäuseteil 17 und dem Gehäuseteil 13 fest verbunden ist. Mit 31 sind Dichtungsringe auf der Innenseite der Lager des Kämmrotors bezeichnet. 32 ist eine Anstellfeder zur stirnseitigen Beaufschlagung des Kämmrotors, die sich an der Gehäuseplatte 29 abstützt. Mit 33 ist eine durch nicht dargestellte Schrauben mit dem Gehäuseteil 17 fest verbundene Gehäusescheibe bezeichnet, die einen Dichtring 22 hält.
Die Drehkolbenmaschine nach den Fig. 3 und 4 kann beispielsweise als Verdichter arbeiten, wobei die Welle 2 des Käfigrotors 1 beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben wird. Über das Zahnrad 25 wird der innen verzahnte Ring 26 in Drehung versetzt, der das Zahnrad 27 am Kämmrotor dreht, so daß der Kämmrotor synchron mit dem Käfigrotor umläuft. Die Zahnräder 25,27 haben ein Zähnezahlverhältnis 2 : 1.
Bei der in Fig. 3 wiedergegebenen Eingriffsstellung taucht der Ansatz 11 am Kämmrotor 6 in die Erweiterung 5 des Käfigrotors ein, während sich der vollzylindrische Teil noch teilweise in der Durchbrechung befindet und die Ausnehmung 8 noch nicht mit dem Zahn 3 in Eingriff steht. Bei der durch Pfeile wiedergegebenen Drehrichtung der beiden Rotoren gelangt die bei 15 einströmende Luft zunächst in den Hohlraum, der durch eine Durchbrechung 4 gebildet wird, begrenzt durch die umgebenenden Gehäuseteile sowie die Umfangsfläche des Kämmrotors. Die Luft wird über den Umfang des Innengehäuses 17 befördert, worauf unmittelbar im Anschluß an die in Fig. 3 wiedergegebene Stellung der rechte Zahn 3′ des Käfigrotors mit der Ausnehmung 8 des Kämmrotors in Eingriff tritt. Hierauf beginnt der Zylinderkörper des Kämmrotors 6 in die Durchbrechung 4′ des Käfigrotors einzutauchen und den Hohlraum der von Gehäuseteilen umschlossenen Durchbrechung 4′ zu verkleinern, bis die in Fig. 3 wiedergegebene Stellung erreicht wird, in der die komprimierte Luft in der Erweiterung 5 des Käfigrotors durch den Ansatz 11 in die Austrittsöffnung 16 befördert wird, die im Querschnitt im wesentlichen dem der Erweiterung 5 bzw. des Ansatzes 11 entspricht. Während der Käfigrotor 1 einmal umläuft, dreht sich der Kämmrotor 6 zweimal, wobei der Ansatz 11 jeweils in die Erweiterung 5 der beiden Durchbrechungen 4 und 4′ eingreift. Die Austrittsöffnung 16 wird durch den Außenumfang des Käfigrotors 1 so lange verschlossen gehalten, bis das vorgesehene Druckverhältnis erreicht ist, worauf sich die Erweiterung 5 mit der Austrittsöffnung 16 überschneidet und diese freigibt, wie auch Fig. 9 zeigt. Der Verdichtungsraum wird dabei durch die Berührungslinie zwischen Außenumfang des Kämmrotors 6 und Innenumfang des Gehäuseteils 13 begrenzt.
Im Bereich dieser Berührungslinie kann in der Trennwand 14 zwischen Ein- und Auslaßöffnung eine federbeaufschlagte Dichtleiste 31 vorgesehen werden, die zur Vermeidung von Flüssigkeitsschlägen im Falle eines mit Flüssigkeitseinspritzung arbeitenden Verdichters so breit ausgelegt werden kann, daß sie als Überströmventil von der Druck- zur Saugseite wirken kann. In Fig. 3 ist diese Dichtleiste 31 durch gestrichelte Linien angedeutet.
Es wäre auch möglich, den Käfigrotor mit vier über den Umfang verteilten Zähnen 3 zu versehen und den Kämmrotor 6 mit zwei diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen 8, wobei in diesem Falle zwei diametral gegenüberliegende Ansätze 11 vorgesehen wären, um in die Erweiterung 5 jeder Durchbrechung einzugreifen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 werden zur Minimierung der Dichtspalte nur zwei Zähne 3 am Käfigrotor 1 in Verbindung mit einer Ausnehmung 8 am Kämmrotor 6 vorgesehen. Zur Auswuchtung des Kämmrotors 6 sind in dem vollzylindrischen Abschnitt durch gestrichelte Linien angedeutete Bohrungen bzw. Hohlräume 32 vorgesehen.
Zur Abdichtung im Bereich der Dichtspalte kann ein Labyrinth von beispielsweise 1 mm vorgesehen werden, wobei in Fig. 3 an den Stirnseiten der Zähne 3 ein radial verlaufendes Labyrinth 33 dargestellt ist. Auf der durchgehenden Außenumfangsfläche des Käfigrotors kann ein Rückfördergewinde als Dichtung ausgebildet sein, das aber im Bereich der Auslaßöffnung 16 bzw. auf der die Erweiterung 5 einschließenden Ringfläche des Außenumfangs nicht ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, über den Umfang verlaufende Dichtleisten vorzusehen, wie bei 34 in Fig. 4 angedeutet. Entsprechende Dichtmittel, schraubenlinienförmig verlaufendes Labyrinth oder Dichtleisten 34 werden auch auf dem Innenumfang des Käfigrotors 1 zur Abdichtung genenüber dem innenliegenden Gehäuseteil 17 vorgesehen.
Auf der Innen- und Außenseite der Zähne 3 wird zur Abdichtung ebenfalls ein in Achsrichtung verlaufendes Labyrinth ausgebildet, wie in fig. 4 durch gestrichelte Linien bei 40 angedeutet ist, wobei dieses Labyrinth ebenfalls nicht im Bereich der Erweiterung 5 ausgebildet ist, um einen Leckstrom zu vermeiden.
Anstelle eines stirnseitigen Labyrinths und eines Labyrinths auf der Außenumfangsfläche eines Zahnes 3 kann auch eine Dichtleiste in die Zähne 3 eingesetzt werden, die die Form eines rechtwinkligen Dreiecks hat und in eine in Achsrichtung verlaufende Nut eines Zahnes derart eingesetzt ist, daß die Dichtflächen dieser Dichtleiste mit dem Außenumfang und der Stirnseite fluchten, während die schräg zur Achsrichtung verlaufende Seite der Dichtleiste am Nutboden durch Federn abgestützt ist. Die Federn drücken dabei diese dreieckförmige Dichtleiste sowohl auf dem Innenumfang des Gehäuseteils 13 als auch an der Gehäuseplatte 29 an.
Fig. 5 und 6 zeigen jeweils einen Käfigrotor 1 und einen Kämmrotor 6 mit Schrägverzahnung, wobei am Käfigrotor 1 sowohl die Zähne 3 wie auch die Ausnehmungen 4 schräg bzw. schraubenlinienförmig zur Achse des Rotors verlaufen. In entsprechender Weise ist die Ausnehmung 8 am Käfigrotor 6 schräg zur Rotorachse verlaufend ausgebildet. Die Erweiterung 5 am Käfigrotor ist rechteckig ausgebildet, wie auch der Ansatz 11 am Kämmrotor.
Es ist auch eine Kombination von schräg verlaufender und parallel zur Achse verlaufender Zahnflanke möglich, wobei eine Zahnflanke 10 entsprechend Fig. 5 schräg und die gegenüberliegende Zahnflanke am gleichen Zahn 3 entsprechend Fig. 1 parallel zur Achse verläuft.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Käfigrotor 1 mit den beiden in Achsrichtung vorstehenden Zähnen 3 klauenförmig ausgebildet. Es ist aber auch möglich, an den freiliegenden Stirnseiten der Zähne 3 einen die Zähne 3 verbindenden Ringkörper zu befestigen, so daß sich ein mehr hohlzylindrischer Aufbau des Käfigrotors mit offener Stirnseite und allseitig umschlossenen Durchbrechungen 4 auf der Umfangsfläche ergibt, wie dies auch Fig. 9 zeigt.
Fig. 4 zeigt eine längs der Welle 7 des Kämmrotors verlaufende Bohrung 35, die für die Ölführung bzw. Schmierung der Zahnräder 27,25 vorgesehen ist. Entsprechende Ölleitungen 36 für die Lagerschmierung sind in der Gehäuseplatte 29 angedeutet.
Bei 39 sind in Fig. 3 und 4 Kühlrippen auf dem Außenumfang des Gehäuses angedeutet.
Fig. 10a zeigt in schematischer Darstellung die Ausgestaltung einer Dichtleiste längs der Dichtkante 9 an der Ausnehmung 8 des Kämmrotors. Zur Ausbildung der Dichtkante 9 ist in den Kämmrotor 6 eine Blattfeder 38 schräg zur Durchmesserlinie eingesetzt, wobei die der Umfangslinie entsprechend abgeschrägte freiliegende Stirnseite der Blattfeder 38 die Dichtkante bildet. Diese Blattfeder 38 ist so angesetzt, daß sie in einer Schwenkrichtung radial nach außen auf der ganzen Fläche durch den Rotorkörper abgestützt wird, während ein Teilabschnitt auf der Innenseite der Blattfeder 38 freiliegt, so daß der äußere Abschnitt der Blattfeder etwas nach innen ausweichen kann, wenn an der Dichtkante eine radial bzw. nach innen gerichtet Kraft angreift. Dabei kann von der Axialbohrung 35 der Kämmrotorwelle 7 ein Kanal auf die außen liegende Seite der Blattfeder 38 führen durch die beispielsweise Öl unter Druck zur besseren Abdichtung und Schmierung auf die Außenseite der Blattfeder geleitet werden kann.
Es ist auch möglich, die Dichtkante 9 als schmalen Vorsprung des Zylinderkörpers des Kämmrotors 6 auszubilden, wobei dieser schmale Vorsprung etwas federnd elastisch ist, um entsprechend der elastischen Vorderkante der Blattfeder 38 eine gute Dichtwirdkung zu gewährleisten, wie Fig. 10b zeigt.
Bei der Ausgestaltung nach Fig. 10a ist es auch möglich, unter druck stehendes Öl von der Bohrung 35 auf die radial innenliegende Seite der Blattfeder 38 zu leiten, so daß deren äußeres Ende zur besseren Abdichtung nach außen gedrückt wird. Es ist auch möglich, die Blattfeder 38 aus einem anderen Werkstoff als den Kämmrotor 6 zu fertigen, so daß sich durch eine unterschiedliche Temperaturdehnung eine Verbesserung der Abdichtung ergibt. Entsprechend ist es auch möglich, anstelle des Vorsprungs in Fig. 10b ein längs des Umfangs verlaufendes Einsatzteil aus einem anderen Werktstoff vorzusehen, wie durch gestrichelte Linien angedeutet.
Fig. 7 zeigt in einem Querschnitt eine Expansionsmaschine mit regelbarem Druckverhältnis, wobei der Aufbau von Käfig- und Kämmrotor, sowie des Gehäuses, im wesentlichen dem nach den Fig. 3 und 4 entspricht und für gleiche bzw. entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.
In einer Ausbuchtung 41 auf dem Innenumfang des Gehäuses 13 ist ein Ritzel 42 drehbar gelagert, das durch eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung von außen verstellbar ist und mit dem verzahnten Abschnitt eines bandförmigen Schiebers 43 in Eingriff steht, der in einer Nut auf dem Innenumfang des Gehäuseteils 13 geführt ist, wie der Teilschnitt A-A zeigt. Dieser Schieber 43 schließt mit der Innenumfangsfläche des Gehäuseteils 13 ab. Durch Verdrehen des Ritzels 42 kann der Schieber 43 in eine Stellung gebracht werde, in der die Entrittsöffnung 15 teilweise abgedeckt wird, wie Fig. 7 zeigt. Entsprechend der Einstellstellung des Schiebers 43 kann das Druckverhältnis eingestellt werden, wenn die Drehkolbenmaschine als Expansionsmaschine arbeitet, wobei warmes Gas bei 15 zuströmt und nach Expansion in der größer werdenden Durchbrechung 4 an der Austrittsöffnung 16 wieder austritt, wobei der im Bereich der Austrittsöffnung 16 in die Erweiterung 5′ eindringende Ansatz 11 das Gas ausstößt. Durch den Schieber 43 kann die Füllmenge bzw. das Druckverhältnis stufenlos eingestellt und die Füllmenge bis auf Null reduziert werden, indem der Schieber 43 die Eintrittsöffnung 15 vollständig abdeckt.
Fig. 8 zeigt eine Heißgasmaschine mit zwei Einstelleinrichtungen, eine fßr die Füllmenge auf der Expansionsseite und eine für das Druckverhältnis auf der Verdichtungsseite, wobei die entsprechenden Schieber mit 43 und 43′ bezeichnet sind. Entsprechend sind zwei Ritzel 42 im Gehäuse vorgesehen. Bei dieser Heißgasmaschine sind auf dem Umfang des Käfigrotors vier Zähne 3 ausgebildet, während der Kämmrotor mit diametral gengenüberliegenden Ausnehmungen 8 und Ansätzen 11 versehen ist. Bei dieser Ausgestaltung sind die Stirnseiten der Zähne 3 durch einen Ring 44 miteinander verbunden, wie aus der Ansicht einer Abwicklung des Außenumfangs des Käfigrotors in Fig. 9 ersichtlich ist. Dabei ist auch an diesem Ring 44 angrenzend an die Durchbrechung 4 eine Erweiterung 5 in Rechteckform ausgebildet.
Fig. 8 zeigt schematisch einen Kreislauf mit einem Wärmetauscher 45 zum Zuführen von Wärme Q und einen Wärmetauscher 46 zum Kühlen des Arbeitsmediums, wobei mit 47 ein Vorratstank und Ölabscheider bezeichnet ist. Vom Tank bzw. Abscheider 47 führt eine Einspritzleitung 49 zu verschiedenen Einspritzstellen auf dem Umfang des Käfigrotors 1. Es kann eine niedrig siedende Einspritzflüssigkeit, wie z.B. Wasser, vorgesehen werden. Die niedrig siedende Einspritzflüssigkeit wird im Kühler 46 kondensiert und danach im Tank abgeschieden. Der Verdichtungsdruck an der Austrittsöffnung 16 liegt am Vorratstank 47 an und fördert die Kühlflüssigkeit an die auf dem Umfang des Gehäuses vorgesehenen Einspritzdüsen, wie schematisch durch Leitungsabschnitte 49′ dargestellt ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ergibt sich ein einfacher Aufbau ohne hohen Aufwand für die Flüssigkeitsabscheidung.
Für die Gehäuseteile kann keramischer Werkstoff verwendet werden, um das zulässige Spiel zu vermindern und eine hohe thermische Isolation zu erzielen. Ebenso können die Rotoren aus keramischem Material gefertigt werden. Bei Verwendung von Wasser für die Einspritzung können aus Metall bestehende Bauteile mit einer Korrosionsschutzschicht versehen werden.
Als Heißgas kommen neben Luft auch Gase mit größerer Dichte in Frage, die zusätzlich den Vorteil einer besseren Dichtwirkung mit sich bringen.
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf die Abwicklung eines Käfigrotors im Bereich der Ein- und Auslaßöffnungen 15,16, die auf der Umfangslinie der Erweiterungen 5 an den Durchbrechungen 4 des Käfigrotors 1 angeordnet sind und im Querschnitt im wesentlichen diesen Erweiterungen entsprechen. Fig. 9 entspricht einer Ansicht des Ein- und Auslaßbereichs der Heißgasmaschine nach Fig. 8, wobei eine Schrägverzahnung vorgesehen ist.
Während bei der Ausführungsform nach Fig. 9 Ein- und Auslaßöffnungen 15, 16 im Querschnitt etwa dem der Erweiterungen 5 entsprechen, wird bei einer Ausgestaltung der Drehkolbenmaschine als Verdichter nur die Austrittsöffnung entsprechend der Erweiterung 5 gestaltet, während die Ansaugöffnung groß ausgelegt ist und sich beispielsweise über einen Teil des Umfangs und/oder die Länge des Kämmrotors erstrecken kann. In entsprechender Weise wird bei einer Heißgasmaschine der Auslaß größer ausgelegt als der Querschnitt der Erweiterung 5.
Bei der beschriebenen Drehkolbenmaschine wirkt die Masse des Käfigrotors 1 als Schwungmasse. Es ist aber auch möglich, das innenliegende Gehäuseteil 17 zusammen mit dem relativ dazu verdrehbaren Kämmrotor 6 umlaufen zu lassen und dafür den Käfigrotor 1 stationär anzuordnen. In einem solchen Falle würden an diametral gegenüberliegenden Stellen Ein- und Auslaßöffnungen vorgesehen werden.
Anstelle eines Ritzels 42 kann auch eine Zahnstange zum Verstellen des Schiebers 43 vorgesehen werden, wobei diese nicht dargestellte Zahnstange etwa tangential zu dem gekrümmten Schieber verläuft.
Bei der beschriebenen Drehkolbenmaschine kann auf der dem Kämmrotor 6 gegenüberliegenden Fläche des innenliegenden Gehäuseteiles 17 ein parallel oder schräg zur Achse verlaufendes Labyrinth vorgesehen sein.
Es ist auch möglich, die Achse 7 des Kämmrotors 6 aus dem Gehäuse herauszuführen, so daß diese Achse 7 für Antriebs- und Steuerzwecke verwendet werden kann.
Es ist zweckmäßig, die Rotore aus einzelnen Teilen zusammenzusetzen, beispielsweise die Zähne 3 am Käfigrotor 1 mittels einer Schraubverbindung oder dgl. an einem entsprechenden Zylinderkörper zu befestigen. Insbesondere ist es zweckmäßig, den Ansatz 11 am Kämmrotor 6 aus einem einzelnen Teil auszubilden und mit dem Zylinderkörper des Kämmrotors zu verbinden.
Anstelle des in den Fig. 7 und 8 vorgesehenen Schiebers 43 auf dem Umfang des Käfigrotors kann auch stirnseitig ein Schieber an den Rotoren vorgesehen werden, beispielsweise in der Form einer Scheibe auf der Stirnseite der Rotoren, welche die Schieberfunktion ausführt. Auf diese Weise ergeben sich Vorteile für die Fertigung, beispielsweise für das Ansetzen eines Luftfilters auf der Stirnseite der Rotoren.
Um eine Wärmeausdehnung des Käfigrotors 1 zu verhindern, kann es zweckmäßig sein, zwischen Welle 2 und Ringkörper des Käfigrotors 1 einen Werkstoff ohne oder mit nur geringer Wärmedehnung einzusetzen, beispielsweise ein Bauteil aus Keramik, das die Verbindung zwischen Ringkörper des Käfigrotors 1 und Welle 2 herstellt. Der Ringkörper des Käfigrotors kann auf eine solche Keramikscheibe aufgeschrumpft werden. Nach einer anderen Ausgestaltung kann eine derartige mit der Welle 2 verbundene Keramikscheibe auf dem Außenumfang Ausnehmungen zur Aufnahme gesonderter Zähne 3 aufweisen, wobei über den Umfang dieser Anordnung ein Spannring zum Festlegen der Zähne 3 in den Ausnehmungen der Keramikscheibe verläuft.
Nach einer weiteren Abwandlung kann im Bereich des Getriebes 24,26,27 auch ein Zahnriemen für die Koppelung der Drehbewegung der einzelnen Bauteile Verwendung finden.

Claims

1. Drehkolbenmaschine für gasförmige Arbeitsmedien, mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten, hohlzylindrischen Käfigrotor, der über den Umfang verteilt angeordnete Durchbrechungen mit dazwischenliegenden, stegförmigen Zähnen aufweist, mit einem innerhalb des Käfigrotors im Gehäuse drehbar gelagerten Kämmrotor, dessen Durchmesser kleiner ist als der des Käfigrotors und der wenigstens eine Ausnehmung für den Eingriff mit einem der Zähne des Käfigrotors auf dem Umfang aufweist,
wobei der Außendurchmesser des Kämmrotors den Außendurchmesser des Käfigrotors tangiert, mit einem den Raum zwischen Außenumfang des Kämmrotors und Innenumfang des Käfigrotors ausfüllenden Gehäuseteil, und
mit Ein- und Auslaßöffnungen in dem den Außenumfang des Käfigrotors umschließenden Gehäuse, wobei wenigstens eine dieser Öffnungen sich lediglich über einen Teil der in Achsrichtung verlaufenden Durchbrechungen erstreckt,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils am ein- bzw. austrittsseitigen Ende der Durchbrechungen (4) am Käfigrotor (1) eine abgesetzte Erweiterung (5) der Durchbrechung (4) vorgesehen und am Eingriffsabschnitt des Kämmrotors (6) ein entsprechend geformter Ansatz (11) ausgebildet ist, der mit der Erweiterung (5) in Eingriff tritt.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erweiterung (5) und der Ansatz (11) in der Abwicklung rechteckig ausgebildet sind.

3. Drehkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Käfigrotor (1) in Achsrichtung vorstehende, klauenförmige Zähne (3) aufweist.

4. Drehkolbenmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ein- und/oder Auslaßöffnung (15,16) im Bereich der Erweiterungen (5) des Käfigrotors (1) angeordnet sind und einen Querschnitt haben, der dem dieser Erweiterungen (5) etwa entspricht.

5. Drehkolbenmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Außenumfangsfläche des Käfigrotors (1) sowie an der Stirn- und Innenseite der Zähne (3) Labyrinthdichtungen ausgebildet sind, wobei die Umfangsfläche im Bereich der Erweiterungen (5) frei von Labyrinthdichtungen ist.

6. Drehkolbenmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Käfigrotor (1) zwei Zähne (3) vorgesehen sind und der Kämmrotor (6) eine einzelne Ausnehmung (8) aufweist.

7. Drehkolbenmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Innenumfang des Gehäuses ein Schieber (43) vorgesehen ist, mittels dem die Ein- und/oder Austrittsöffnung (15,16) abdeckbar ist.

8. Drehkolbenmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ansatz (11) am Kämmrotor (6) als gesondertes Teil ausgebildet und mit dem Kämmrotor (6) fest verbunden ist.