EP0918922B1

EP0918922B1 - Rotationskolbeneinrichtung

Info

Publication number: EP0918922B1
Application number: EP97937571A
Authority: EP
Inventors: Thomas Klipstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2001-01-31
Anticipated expiration: 2017-08-13
Also published as: EP0918922A1; WO1998007964A1; DE29614108U1; US6322334B1; JP3924325B2; JP2000516322A; ATE199031T1; DE59702978D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbeneinrichtung, -maschine oder -pumpe, aufweisend einen Kolben, der sich im Innenraum eines Gehäuses bewegt und dabei eingeschlossene Räume vergrößert und verkleinert (Meyers Grosses Taschenlexikon, 5 Auflage 1995, Band 19, Seite 7) Es ist eine Wälzkolbenmaschine mit einer diskusartigen Kolbenscheibe bekannt (DE 588 285 C).

Bei der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Rotation" auch so verstanden, daß hierbei hin- und hergehende Schwenkbewegungen möglich sind, also keine vollständigen Umdrehungen hintereinander ausgeführt werden, sondern z.B. auch hin- und hergehende Schwingbewegungen.

Die nachfolgend beschriebene Rotationskolbeneinrichtung unterscheidet sich von den bekannten Konstruktionen durch Verwendung nur weniger Teile (Kolben und Rotationszylinder) und durch Rotation um das Massenzentrum (ohne Exzentrität). Dies führt zu guten Wirkungsgraden und erlaubt einfache und damit kostengünstige Konstruktionen. Wie auch andere Kolbenmaschinen kommt sie ohne Ventile aus.

Kolbenmaschinen basieren im allgemeinen auf dem Wirkungsprinzip, daß ein relativ zu einer Umhüllung beweglicher Kolben, ein eingeschlossenes Volumen vergrößert bzw. verkleinert. Der Kolben soll dieses Volumen möglichst dicht begrenzen. Nun kann man sich leicht überzeugen, daß eine einfache Rotation eines Kolbens um eine Achse zu rotationssymmetrischen Gebilden führt und keine Volumenänderungen in etwaigen Kammern erzeugt. Ein Kunstgriff ist der Wankelmotor, bei dem durch ein Getriebe eine Oszillation des Kolbens in einer besonderen umhüllenden Form zu einer Volumenänderung in den Kammern führt. Dabei rotiert der Kolben aber nicht um das Massenzentrum!

Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche charakterisiert.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist nun eine Volumenänderung bei gleichzeitiger Rotation um das Massenzentrum möglich, und zwar

durch gleichzeitige Rotation des Kolbens um zwei Achsen. Dies führt zu nicht rotationssymmetrischen Gebilden und ist die Voraussetzung zur Bildung sich verändernder Kammervolumina.
durch eine geeignete Wahl der Form des Rotationskolbens, sowie der umhüllenden Form des Gehäuses ("Zylinders") und
durch Finden einer geeigneten Funktion, welche die Rotation beider Achsen verknüpft.

Ausgangsform für eine bevorzugte Ausführungsform des Rotationskolbens gemäß der Erfindung ist das von Paul Schatz gefundene Oloid (CH 500 000 C). Das Oloid ist ein Körper, der durch abwickelbare Regelflächen gebildet wird. Man kann ihn sich entstanden denken, wenn man zwei runde Bierdeckel radial bis zur Hälfte einschneidet und zusammensteckt, so daß die Deckel ein Kreuz bilden. Dabei geht die Peripherie des einen Deckels durch den Mittelpunkt des jeweils anderen. Legt man dieses Gebilde auf eine ebene Platte, z.B. einen Tisch, so berührt jeder der beiden Deckel die Platte in einem Punkt. Dies gilt für jede mögliche Lage der beiden Deckel. Die Verbindungsgerade zwischen den Auflagepunkten ist Mantelgerade des Oloids (vergleiche Abbildungen nach Fig. 1).

Das Oloid hat neben seiner Ästhetik einige Symmetrieeigenschaften , die hier interessieren. Dreht man das Oloid 90° um seine Längsachse, so nimmt es eine Lage ein, die einer Drehung um 180° um die Hochachse entspricht!

Dreht man das Oloid gleichzeitig um die Längsachse (90°) und um die Hochachse (180°), so ist das Oloid wieder in seiner Ausgangslage. Beobachtet man dabei die Form der Einhüllenden dieser Bewegung, so entsteht ein nicht rotationssymmetrisches Gebilde, welches durch das Oloid "im Groben" in zwei Kammern geteilt wird. Diese beiden Kammern wandern bei der Rotation mit dem Oloid um die Hochachse und haben nur in der "Grundstellung" die gleiche Größe. Während die eine Kammer expandiert, komprimiert die andere. Das jeweilige Maximum liegt bei 90° um die Hochachse und 45° um die Längsachse. Je volle Umdrehung um die Hochachse des Oloids finden zwei Kompressions- bzw. Expansionszyklen statt.

Die das Oloid umhüllende Form muß so gewählt werden, daß die beiden rotierenden Kammern durch den Kolben getrennt werden. Ferner soll die Rotation des Oloids um die Längsachse durch die Hülle dem Oloid aufgeprägt werden. Dazu vergegenwärtige man sich noch einmal die Form der Hülle, die entsteht, wenn das Oloid um 180° um die Hochachse gedreht wird und gleichzeitig um 90° um die Längsachse. Ändert sich die Drehrichtung um die Längsachse, so entsteht eine andere Form der Hülle! Durchdenkt man die Situation genauer, so stellt man fest, daß bei beibehaltener Drehrichtung um die Längsachse die "erste" 180°-Drehung um die Hochachse eine andere Form der Hülle beschreiben als die "zweiten", d.h. ein Einprägen der Bewegung um die Längsachse ist so nicht möglich. Möglich wird dies, wenn die Drehrichtung der Längsachse jeweils nach 180°-Drehung um die Hochachse umgekehrt wird. Das bedeutet, es findet keine volle Rotation um die Längsachse statt, sondern das Oloid schwingt zwischen 0 und 90° um die Längsachse (vgl. Fig. 2).

Soll die Bedingung, daß die Hülle durch das Oloid jeweils in zwei Kammern getrennt werden soll, zutreffen, so muß mindestens der Schnitt in der Grundstellung durch das Oloid und die Hülle identisch sein. Wird das Oloid in seiner Hülle gedreht, so darf dieser Schnitt nicht verletzt werden. Dies ist aber nicht der Fall (siehe Fig. 3). Die Gestalt der Hülle ist abhängig von der Gestalt des Oloids und der Funktion β (Fig. 4). Dabei werden Teile der Hülle durch die kreisförmigen Kanten des Oloids und Teile durch die Mantelgeraden erzeugt. Dabei treten Problemzonen um die Hochachse und am spitzen Ende des Schnitts auf. Eine Verkleinerung bzw. Eliminierung der Problemzonen im Bereich der Hochachse erreicht man, indem man die erzeugenden Kreise des Oloids auseinanderzieht (Öffnungswinkel 45°) und zusätzlich das Oloid von einer Kugel um den Mittelpunkt durchdringen läßt (Fig. 3).

Die Kugel und ihre Schale als Teil der Hülle gewährleistet eine Trennung der beiden Kammern im Bereich um die Hochachse. Verbleibt noch der Bereich am spitzen Ende des Schnitts. Wenn hier eine Trennung der Kammern in der Umgebung um die Grundstellung herum erfolgen soll, muß in einem kleinen Bereich eine Identität zwischen der durch Kreiskanten erzeugten Hülle und der durch die Mantelgeraden erzeugten Hüllenteile bestehen. Für die anderen Teil der Hülle kann gezeigt werden, daß eine hermetische Trennung zwischen den Kammern besteht.

Anders als bei herkömmlichen Maschinen, ist eine mechanische Kopplung an die Drehbewegung des Rotationskolbens nicht einfach möglich. Beim Einsatz der beschriebenen Maschine als Saugpumpe bietet sich z.B. an, den Rotationskolben als Anker einer elektrischen Maschine auszubilden und die Hülle mit einer entsprechenden Wicklung zu versehen. Damit hätte man eine Pumpe mit nur einem beweglichen Teil. Außer Reibungsverlusten entstehen keine weiteren Verluste aus z.B. Masseumlenkung, da die Schwingungsenergie für die Schwingung um die Längsachse der Bewegung um die Hochachse entnommen wird und dieser auch wieder zugeführt wird. Der Kolben wird also eine pulsierende Bewegung ausführen.

Der der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zugrunde liegende Kolben ist nicht identisch mit der von Paul Schatz gefundenen Form. Er weist aber seine Symmetrieeigenschaften auf. Änderungen bestehen im Abstand der erzeugenden Kreise, in der alternativen Durchdringung mit einer Kugel im Zentrum und einer (geringfügigen) Verformung des Oloidmantels. Weitere Veränderungen sind denkbar, z.B. Ersetzen der Kreise des Oloids durch Ellipsen. Alle diese Veränderungen berühren nicht die Symmetrieeigenschaften.

Ein besonderes Problem bei der Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung besteht in der Übertragung mechanischer Kräfte auf den Kolben bzw. das Oloid. Es besteht nämlich nicht die Möglichkeit, durch Herausführen einer Achse auf einfache Weise, eine Kraftübertragung zu bewerkstelligen.

Lösungen gemäß der Erfindung:

1. Mechanische Kraftkopplung über die Hochachse: Hierzu wird der Kolben dreiteilig ausgebildet, und zwar so, daß die Durchdringungskugel aus dem Kolben herausgelöst wird. Der Kolben besteht dann aus der Kugel und zwei gleichen Reststücken. Die Kugel kann dann mit eine Hochachse zur Kraftkopplung und mit einer Längsachse zur (beweglichen) Verbindung der beiden Kolbenhälften mit der Kugel versehen werden.

2. Mechanische Kraftkopplung über die Längsachse: Hierzu wird der Kolben mit einer Längsachse versehen, die über die Hülle herausragt. Die Hülle muß zweiteilig (obere und untere Hälfte) ausgeführt werden. Zwischen den Hälften muß eine umlaufende Dichtung ausgebildet werden, die mit einem umlaufenden "Reißverschluß" die Hälften verbindet und gegen Verdrehung schützt. Die Drehung des Kolbens kann mittels einer Klaue auf eine Welle übertragen werden.

3. Elektromotorische Kraftkopplung: Hierzu wird der Kolben als Anker einer elektrischen Maschine ausgebildet. Dies kann durch Einbettung von Eisen oder magnetischem Material erfolgen. Um die Hülle muß ein Stator angebracht sein, dessen Pole so angebracht werden, daß sie in der Ebene der Kreise des Oloids in der jeweiligen Stellung liegen. Mittels einer Kommutator-Logik wird ein rotierendes zweiachsiges magnetisches Feld erzeugt, welches den Kolben mitnimmt.

4. Elektromotorische Kraftkopplung mit aktivem Anker: Unter 3. wurde das Ankerfeld von außen oder über Permanentmagnete erzeugt. Bei Ausbildung des Ankers mit einem Elektromagneten lassen sich auch aktiv magnetische Felder erzeugen, insbesondere können damit auch Generatoren gebaut werden. Dazu muß die Durchdringungskugel in der Form von zwei "Schleifringhälften" ausgebildet werden, um den notwendigen Erregerstrom auf den Anker zu übertragen. Der Aufbau des Stators erfolgt wie unter 3.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.

Fig. 1: zeigt drei Ansichten eines Oloids.
Fig. 2: zeigt die Verhältnisse eines sich im Inneren einer Hülle befindenden Oloids.
Fig. 3: zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, allerdings befindet sich im Zentrum des Oloids eine Kugel.
Fig. 4: zeigt eine graphische Darstellung der sogenannten β-Funktion in Abhängigkeit vom Winkel a.
Fig. 5: zeigt eine Draufsicht auf eine Saugpumpeneinrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Hülle bzw. das Gehäuse nur schematisch zu erkennen ist.
Fig. 6: zeigt eine schaubildliche Teilansicht der Hülle einer Rotationskolbenmaschine für ein Oloid mit einer Kugel.
Fig. 7: zeigt eine Draufsicht der Hülle einer Rotationskolbenmaschine mit einem Oloid ohne Kugel im Zentrum.
Fig. 8: zeigt eine schaubildliche Ansicht eines Rotationskolbens mit einer großen Durchdringungskugel im Zentrum.
Fig. 9: zeigt eine schaubildliche Ansicht der unteren Hüllfläche einer Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung mit einem Oloid mit Kugel.
Fig. 10: zeigt das zugehörige Oloid, eingesetzt in die Hüllfläche nach Fig. 9.
Fig. 11: zeigt eine Draufsicht auf eine Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung mit in einem Ring zapfengelagerten Oloid, wobei die obere Gehäusehälfte entfernt worden ist.
Fig. 12 bis 14: zeigen Ansichten eines Kolbens für eine Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung, und zwar in Ansichten von obenher und aus zwei seitlichen Richtungen.

Die Fig. 6 und 7 lassen die innere Ausgestaltung des Gehäuses erkennen, wenn in diesem ein Oloid als Kolben wirksam sein soll. Die Erzeugung eines solchen Gehäuses ist im Zusammenhang mit der Form und der Bewegung des Oloids bereits beschrieben worden.

Der in Fig. 8 gezeigte Rotationskolben mit großer Durchdringungskugel im Zentrum macht deutlich, wie die zweiachsige Bewegung des Oloids realisiert werden kann.

Es folgen nunmehr einige Einzelheiten zur Konstruktion einer Ausführungsform einer Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung.

Grundlage der Konstruktion ist zum einen die besondere Geometrie des Kolbens mit seinen besonderen Symmetrieeigenschaften. Legt man den Kolben mit seiner Längsachse auf die X-Achse und mit seiner Hochachse auf die Y-Achse, so sind die XY-Ebene und die XZ-Ebene Symmetrieebenen, nicht jedoch die YZ-Ebene. Die YZ-Ebene wird zur Symmetrieebene, wenn eine Kolbenhälfte um 90° um die Längsachse gedreht wird!

Zum Anderen läßt sich durch Rotation des Kolbens um die Hochachse und die Längsachse eine geschlossene Hüllfläche erzeugen, welche den "Zylinderraum" oder die Hülle der Rotationskolbenmaschine bildet.

Genaugenommen findet eine volle Rotation nur um die Hochachse statt, während der Kolben nur um 90° um die Längsachse schwingt. Die Hülle wird durch den Kolben in zwei Kammern geteilt, die mit dem Kolben um das Zentrum rotieren und sich dabei in ihren Volumen ändern.

Je halbe Drehung um die Hochachse findet ein Verdichtungs- und ein -Saugzyklus statt.

Die Fig. 9 zeigt die obere bzw. die untere Hüllfläche der Rotationskolbenmaschine (unten mit Innenkugel). Durch das Anbringen von Ein- und Auslaßöffnungen (gegenüberliegend) läßt sich die Anordnung entweder zum Fördern (Pumpen) oder auch zur Energiegewinnung verwenden. Die Ein- und Auslaßöffnungen lassen sich so formen, daß eine geringe Überlappung von Ein- und Auslaß erreicht werden kann. Die Anordnung benötigt keine Ventile!

In allen Fällen der Anwendung der Maschine muß die Rotation des Kolbens nach außen gekoppelt werden, so wie dies beispielsweise durch die Fig. 11 gezeigten Einrichtungen geschehen kann:

Der Kolben 12 ist im Inneren von zwei Gehäusehälften 10 um seine beiden Achsen drehbar gelagert.

In der Trennungsebene zwischen Gehäuseober- und Unterseite ist ein gelagerter Laufkranz 11 angebracht, welcher mit der Längsachse des Rotationskolbens 12 fest verbunden ist. Der Rotationskolben 12 ist um die Längsachse im Zapfen 15 gelagert und kann der Hülle frei folgen. Der Laufkranz ist außen mit einem Tellerrad versehen, welches über ein im Gehäuse angebrachtes Kegelrad 13 die Bewegung des Kolbens nach außen überträgt.

Mit 16 und 17 sind Einlaß und Auslaß für ein Medium bezeichnet, um durch dieses den Kolben 12 bzw. das Kegelrad 13 anzutreiben.

Bei einer verallgemeinerten Rotationskolbeneinrichtung gemäß der Erfindung ist der Kolben im wesentlichen aus zwei zueinander beabstandeten und eine gemeinsame Oberfläche aufweisenden geometrischen Flächenelementen oder geometrischen Körpern gebildet. Es kann sich hierbei um Ellipsen oder andere Formen, aber ebensogut auch um Zylinder oder Quader handeln, die man um eine, zwei oder drei Achsen rotieren lassen kann. Der durch die Schalen gebildete Innenraum des Gehäuses hat im wesentlichen eine von der Kugelform hergeleitete Form die durch Rotation (einachsig, zweiachsig oder mehrachsig) des so gebildeten Kolbens entstanden ist, wobei im wesentlichen im Äquatorialebenenbereich einander diametral gegenüberliegend und senkrecht zur und distal von der Symmetrieebene des Innenraums mindestens jeweils ein Fluideinlaß und -auslaß angeordnet ist.

Zu den weiteren Ausgestaltungen der Erfindung gehören: Mehrstufige Rotationskolbenmaschinen.

Aufgrund der besonderen Geometrie ist das Verdichtungsverhältnis nur in engen Grenzen veränderbar. Zum Erreichen höherer Verdichtungsverhältnisse oder Expansion über einen größeren Bereich kann es notwendig sein, mehrere Kolben unterschiedlicher Größe hintereinander zu schalten. Hier bietet sich die Bauart mit Kugel im Zentrum und gemeinsamer Antriebswelle an. Die Ein- und Auslaßöffnungen lassen sich einander gegenüberliegend in den Hüllen anbringen, so daß kurze Wege zwischen den Stufen und sehr kompakte Maschinen realisierbar sind.

Mehrflügelige Rotationskolbenmaschinen

Die Bauart mit Kugel im Zentrum erlaubt es auch, mehr als zwei Seitenflügel an der Kugel anzubringen (Ventilator-Anordnung), die der Hülle bei der Rotation um die Längsachsen folgen.

Die Rotationskolbenmachine als Verbrennungskraftmaschine

Aufgrund des vergleichsweise geringen Verdichtungsverhältnisses und der Tatsache, daß die Rotationskolbenmaschine gleichzeitig verdichtet und ansaugt (je Umdrehung um die Hochachse zwei Zyklen), bietet sich eine Anordnung an, wie sie bei Gasturbinen angewendet wird. Eine Ansaug- und Verdichterstufe (ev. mehrstufig) füllt eine Brennkammer, in der eine kontinuierliche Verbrennung stattfindet. Das expandierende Gas treibt eine (ev. mehrstufige) Expansionsstufe. Auch hier ließen sich die einzelnen Stufen linear auf einer Welle anordnen mit gegenüberliegenden Ein- und Auslassen. Die Brennkammer ließe sich wie bei herkömmlichen Turbinen zwischen Verdichter- und Expansionsstufe plazieren.

Durch das Wegfallen von Pleuel und Kurbelwelle wird die Konstruktion gegenüber herkömmlichen Konstruktionen einfacher, wesentlich kompakter und leichter und da die Rotation um das Massezentrum stattfindet, ist mit ruhigem Lauf und guten Wirkungsgeraden bei den Rotationskolbenenrichtungen gemäß der Erfindung zu rechnen.

Claims

Rotationskolbeneinrichtung, -maschine bzw. -pumpe, aufweisend einen Kolben, der sich im Innenraum eines Gehäuses bewegt und dabei eingeschlossene Räume vergrößert und verkleinert, wobei

der Kolben im wesentlichen aus zwei zueinander beabstandeten und eine gemeinsame Oberfläche aufweisenden geometrischen Flächenelementen oder geometrischen Körpern durch Rotation um eine, zwei oder drei Achsen gebildet ist,

der Innenraum aus zwei Schalen gebildet ist, die an ihren Äquatorialebenen abgedichtet zusammengesetzt sind,

der durch die Schalen gebildete Innenraum des Gehäuses im wesentlichen eine von der Kugelform hergeleitete, durch einachsige, zweiachsige oder mehrachsige Rotation des Kolbens gebildete Hüllfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet,

dass der aus den geometrischen Flächenelementen oder Körpern gebildete Kolben im wesentlichen als Oloid ausgebildet ist, das um seine Achsen rotiert und

dass im wesentlichen im Äquatorialebenenbereich einander diametral gegenüberliegend und senkrecht zur und distal von der Symmetrieebene des Innenraums mindestens jeweils ein Fluideinlaß und -auslaß angeordnet ist.
Rotationskolbeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit elektromagnetischen Wicklungen ausgestattet ist und das Oloid oder die mit diesem verbundenen Teile, wie Durchdringungskugel oder Ring, als Anker einer elektrischen Maschine dienen.
Rotationskolbeneinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des Oloids eine sich über das Oloid hinauserstreckende Durchdringungskugel angeordnet ist bzw. das Oloid in diesem Bereich im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist und in den Polbereichen auf einer gemeinsamen Achse jeweils ein Zapfen drehbar in den Gehäusehälften gelagert ist.
Rotationskolbeneinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Oloid in einem Ring um die Oloid-Langsachse drehbar gelagert ist, der Ring im Äquatorialebenenbereich zwischen den mit Aussparungen für den Ring ausgebildeten Schalen angeordnet ist und dass der Ring relativ zu den beiden Schalen um seine Achse drehbar antreibbar ist.