EP1005604B1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

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EP1005604B1
EP1005604B1 EP98949923A EP98949923A EP1005604B1 EP 1005604 B1 EP1005604 B1 EP 1005604B1 EP 98949923 A EP98949923 A EP 98949923A EP 98949923 A EP98949923 A EP 98949923A EP 1005604 B1 EP1005604 B1 EP 1005604B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotary piston
piston machine
machine according
shut
unit
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98949923A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1005604A1 (de
Inventor
Felix Arnold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ARNOLD Felix
Original Assignee
Arnold Felix
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arnold Felix filed Critical Arnold Felix
Publication of EP1005604A1 publication Critical patent/EP1005604A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1005604B1 publication Critical patent/EP1005604B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C3/00—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F01C3/06—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F01C3/08—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C3/00—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F01C3/06—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F01C3/08—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C3/085—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing the axes of cooperating members being on the same plane

Definitions

  • the invention relates to a rotary piston machine according to the Genus of the main claim (e.g. WO 93/12325).
  • a rotary lobe machine is known (DE P 42 41 320.6; DE G 92 18 694.7; PCT / DE 92/01025) where all lines forming the running direction transverse to the running direction of cycloid part and control part in their extension by the Intersection of the axes of rotation. So there are restrictions the expansion and compression behavior of the work rooms, connected, which is the adaptation of the lathe different working media and application limits puts.
  • the subject of the invention with the characterizing features of the main claim the advantage that the suction and exhaust behavior of the work rooms through the Phase shift is directed and thus an undesirable Backflow or a mixture of sucked and ejecting working medium is reduced.
  • a further advantageous embodiment of the invention are the working spaces by positive locking between flanks and Tooth combing of the opposing teeth of the parts separated so that the tooth combs of the control part by the Difference in the number of teeth on the flanks of the teeth of the Run along the cycloid part and the backflow of the fluid goes to zero and also the cycloid control part is drivable.
  • control channel for the entry of the working medium on Outside diameter and the control channel for the exit of the Working medium on the inside diameter of the toothing arranged so that in turbine or engine operation, the pulse and Mass forces of the working medium rectified with the Displacement direction of the work area. Moreover the leakage losses are thereby reduced and the Efficiency improved.
  • the working positions of the axes of rotation of the existing parts can be changed independently. It is also according to the invention conceivable that further additional wheel pairs are present, being at least. one of the parts also one on the back Has spur gearing, which in turn with another single or double toothed rotating part cooperates. The prerequisite is that it encloses these rotating parts Housing has a radial seal to these.
  • For the drive and output can be waves or sprockets in a known manner serve, which are connected to the rotating parts, or on these are arranged and with further drive or Interact output device.
  • Cycloid part or control part duplicated and between these duplicate parts with the other part as a ring double-sided forehead trim or cycloid treads arranged, at least according to a further embodiment two working spaces on both sides of the ring are connectable.
  • This control section can vary depending on whether it is a pump or a motor acts, have a drive or output device, or the drive and / or.
  • Downforce can be duplicated Cycloid parts are made.
  • the housing can serve as a stator in which both driven under the appropriate working angle Cycloid parts are stored, between which freely taken pro
  • the control part rotates on the face side with a tooth difference.
  • the radial lateral surface of the parts is spherical, these Parts on a correspondingly spherical inner surface of the Radially sealing housing are guided.
  • This outer or inner radial sealing, spherical workspace wall can be with control or Be connected to the cycloid part and rotate and center with it the parts to each other.
  • Another advantageous embodiment of the invention is its Application as a compressor with speed-independent control, especially by changing the phase shift of the two rotating parts to the channels of the working media. apart from the advantageous great centrifugal stability of the moving Parts and the small dimensions with high machine performance, can the compression ratio by the phase shift stepless control, especially control independent of speed.
  • This makes such a compressor for charging Internal combustion engines are particularly suitable because they have high speeds, especially very different speeds take place, the Mass of the loader should be as small as possible, especially the rotating masses to be driven, and the performance independently must be regulated by the speed.
  • Another advantageous embodiment of the invention is its Application in the hydrostatic field as a pump, motor or Transmission. This also has an extremely favorable effect here Ratio of size to volume sales.
  • the simple one Kinematics, the speed stability of the construction and the very These machines also make large cross-sections of the rinsing channels suitable for highest speeds.
  • the internal flow resistance the machine according to the invention is extremely low.
  • the high dimensional stability of the Parts advantageous. Wear also only affects the kind of as a kind of grinding between the moving parts takes place.
  • the machine is for the highest working pressures suitable.
  • When used as a hydraulic motor the equal advantages, but especially the small ones accelerating masses, the good starting behavior and the high Volumetric efficiency.
  • When used as a hydrostatic The small construction volume has a particularly advantageous effect on the transmission and the compact connectivity of the pump and Hydraulic motor.
  • Another advantageous embodiment of the invention is its Use as an engine or chiller, in particular according to the Stirling principle.
  • they work together assigned working spaces shifted by 90 °.
  • Two rotating cycloid parts in connection with a rotating Control section form pairs of chambers, each by 90 ° Work out of phase with each other.
  • a room becomes warm pressurized, the other cooled, a regenerator is in the Integrated control section.
  • the walls of the cold and hot work rooms are isolated from each other, although they are spatially close.
  • Extremely interpretable ratio of convection area / work space volume is due to the high form rigidity workspace-forming parts possible.
  • One of the rotating parts can be used as a rotor of a linear generator of the sterling motor or a linear motor of the Stirling refrigerator. So it is possible to hermetically seal the machine and for a very high charge pressure with low leakage losses of the To design working gas.
  • the phase shift, the performance of the Stirling engine, is very easy with this design realize.
  • Chiller the amount of heat transported regardless of the Speed can be regulated.
  • the power section 1 On the right side of Figure 1 are the power section 1 and Input or output shaft 2 shown. Not here Shown mounted drive or output shaft 2nd carries the power section 1 at one end.
  • the power section 1 consists of a spherical layer 3, the drive or Output shaft 2 is limited by a flat base 4 while its end face 5 has a spiral cycloid toothing having.
  • the cycloid 6 becomes - in contrast to the conventional Construction of a cycloid - formed by a circle intersection line 7 between spherical surface 8 and base surface 4 is unrolled and the point describing the cycloid 6 this Circle is always on the spherical surface 8.
  • the Cycloid 6 is the guide curve required to produce the gearing.
  • the shut-off part 10 shown on the left side of FIG. 1 has a similar geometry.
  • a shaft 11, which is also mounted in the housing, not shown, carries the spherical-layer-shaped shut-off part 10, which is delimited by a base surface 12 toward the shaft 11 and whose outer contour corresponds to a spherical surface 13.
  • the end face 14 of the shut-off part 10 has a spiral toothing, the number of teeth of which is greater by one than the number of cycloids 6 of the power part 1.
  • the contour of the teeth corresponds to the tangents to the cycloids 6 during the synchronous rotation of the power section 1 and the shut-off section 10.
  • the contour of the teeth can also be chosen so that there is always a certain distance between the cycloid and the teeth of the shut-off section 10. Then the displacement machine changes into a fluid machine. This is advantageous if, for. B. the working medium would be damaged by crushing ind sealing lines 9 or the momentum and inertial forces of the working medium should be used.
  • the axes of rotation of the shut-off part 10 and the power part 1 are at an operating angle 15 to one another. It is of no importance for the invention whether the cycloid toothing is arranged on the end face of the power section 1 as shown here and the corresponding toothing on the shut-off section 10 or vice versa.
  • power section 1 and shut-off section 10 are in their Installation position shown.
  • There are two sealing lines 9 in the Drawing are shown as points of contact, of power section 1 and Shut-off part 10 recognizable.
  • Shut-off part 10, power part 1 and Housing 17 form several, depending on the number of cycloids Working rooms 16, two of which are visible.
  • When through the two arrows indicated direction of rotation of power section 1 and Shut-off part 10 expand the work spaces 16 in the shown section of the rotary movement. Accordingly it will Volume of the work space on the second, not shown Half of the rotation is compressed.
  • the sealing lines 9 wander, depending on Direction of rotation, from outside to inside or vice versa and effect thereby promoting the working medium or driving the Output shaft 2.
  • the control openings not shown in the Housing 17 will meet the process requirements certainly. This is how the pump operation with the direction of flow from the inside outwardly positioned the inlet opening in the housing 17, at which the sealing line 9 is different from the inside diameter of the Replacement of gearing.
  • the external gearing takes the place of the Housing placed on the work space 16 the desired Volume.
  • the performance of the rotary lobe machine can constant speed can be controlled by the shut-off part 10 is moved relative to the power section 1. The remains Axis of rotation of the shut-off part 10 always on a conical surface, the Cone angle corresponds to the working angle 15.
  • FIG. 3 shows a simplified top view of the power section 1 shown.
  • four spiral generating lines 18 which is the construction of the spiral Cycloid toothing should clarify.
  • Generating lines 18 are placed on the highest points of the cycloids.
  • the spiral angle 19 is about 170 ° in the example shown.

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Description

Die Erfindung geht aus von einer Drehkolbenmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs (z.B. WO 93/12325). Bekannt ist eine Drehkolbenmaschine (DE P 42 41 320.6; DE G 92 18 694.7; PCT/DE 92/ 01025) bei denen sämtliche quer zur Laufrichtung die Laufrichtung bildenden Linien von Zykloidenteil und Steuerteil in ihrer Verlängerung durch den Schnittpunkt der Drehachsen gehen. Damit sind Beschränkungen des Expansions- und Kompressionsverhaltens der Arbeitsräume, verbunden, welche der Anpassung der Drehkraftmaschine an verschiedene Arbeitsmedien und Anwendungsbereiche Grenzen setzt.
Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Gegenstand mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs den Vorteil, daß das Ansaug- und Ausstoßverhalten der Arbeitsräume durch die Phasenverschiebung gerichtet wird und somit eine unerwünschte Rückströmung oder ein Vermischen von angesaugtem und auszustoßendem Arbeitsmedium verringert wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Phasenverschiebung vom Innendurchmesser bis zum Außendurchmesser mindestens 360°, so daß mindestens in einer Winkelstellung des ersten oder zweiten Teils der Arbeitsraum von der Umgebung abgeschlossen ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Amplituden der die Lauffläche des Zykloidenteils bildenden Zykloiden voneinander verschieden, so daß ein weiterer Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Verhaltens der Arbeitsräume hinzugewonnen wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Arbeitsräume durch Formschluß zwischen Flanken und Zahnkämmen der einander gegenüberliegenden Zähne der Teile abgetrennt, so daß die Zahnkämme des Steuerteils durch die Differenz der Zähnezahl auf den Flanken der Zähne des Zykloidenteils entlanglaufen und die Rückströmung des Fluids gegen Null geht und außerdem das Steuerteil von den Zykloiden antreibbar ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht kein Formschluß zwischen den die Lauffläche des Zykloidenteils bildenden Zykloiden und dem Steuerteil, so daß die Maschine auf die Impuls- und Massenkräfte des Arbeitsmediums zurückgehende Eigenschaften einer Strömungsmaschine erhält. Außerdem können empfindliche Medien, deren Eigenschaften durch Quetschen beeinträchtigt werden, als Arbeitsmedium eingesetzt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Steuerkanal für den Eintritt des Arbeitsmediums am Außendurchmesser und der Steuerkanal für den Austritt des Arbeitsmediums am Innendurchmesser der Verzahnung angeordnet, so daß im Turbinen- oder Motorbetrieb, die Impuls-und Massenkräfte des Arbeitsmediums gleichgerichtet mit der Verdrängungsrichtung des Arbeitsraums wirken. Außerdem werden dadurch die Leckageverluste verringert und der Wirkungsgrad verbessert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Arbeitslagen der Drehachsen der vorhandenen Teile unabhängig voneinander änderbar. Erfindungsgemäß ist es auch denkbar, daß weitere zusätzliche Radpaarungen vorhanden sind, wobei mindestens. eines der Teile rückseitig ebenfalls eine Stirnverzahnung aufweist, die wiederum mit einem weiteren einfach oder doppelt verzahnten rotierenden Teil zusammenwirkt. Voraussetzung ist, daß jenes diese drehenden Teile umschließende Gehäuse zu diesen eine Radialdichtung aufweist. Für den Antrieb und Abtrieb können in bekannter Weise Wellen oder Zahnkränze dienen, die mit den drehenden Teilen verbunden sind, bzw. auf diesen angeordnet sind und mit weiteren Antriebs- oder Abtriebsvorrichtung zusammenwirken. Durch das Verändern der Arbeitslagen der Drehachsen kann erreicht werden, daß die Volumenänderung beim einem Teil der Drehkolbenmaschine gegenüber dem Anderen verzögert erfolgt, oder vorauseilt, sodaß dadurch durch Verbinden der Arbeitsräume eine Stufenarbeit ermöglicht wird, oder aber eine Mischförderung erfolgen kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Zycloidenteil bzw Steuerteil doppelt vorhanden und zwischen diesen doppelt vorhandenen Teilen das andere Teil als Ring mit beiderseitigem Stirnbesatz bzw. zycloidischen Laufflächen versehen angeordnet, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung mindestens zwei, beiderseits des Rings vorhandene Arbeitsräume miteinander verbindbar sind. Hierdurch ergibt sich beispielsweise eine doppelt wirkende Pumpe bzw. eine Kraftmaschine, bei der zwischen zwei absolut synchron rotierenden Zycloidenteilen eine beidseitig verzahntes Steuerteil angeordnet ist, mit ebenfalls einem Zahn Unterschied zu den doppelt vorhandenen Teilen. Dieses Steuerteil kann je nachdem ob es sich um eine Pumpe oder einen Motor handelt, eine Antriebs bzw.Abtriebseinrichtung aufweisen, bzw. der Antrieb und/oder. Abtrieb kann über die doppelt vorhandenen Zycloidenteile erfolgen. Das Gehäuse kann als Stator dienen, in dem unter entsprechendem Arbeitswinkel beide angetriebene Zycloidenteile gelagert sind, zwischen denen frei mitgenommen pro Stitnseite eine Zahndifferenz aufweisend das Steuerteil rotiert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind deshalb im Gehäuse bzw im Steuerteil für die Zu- oder Abführung der Arbeitsmedien entsprechende gegebenenfalls während des Rotierens gesteuerte Kanäle vorhanden. Hierdurch werden nicht nur zusätzliche Ventile eingespart, sondern es ist eine Spühlung in Fliehrichtung möglich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die radiale Mantelfläche der Teile kugelig ausgebildet, wobei diese Teile auf einer entsprechend kugelig ausgebildeten Innenfläche des Gehäuses radial dichtend geführt sind. Besonders die kugelige Führung ergibt die Möglichkeit der Änderung der Arbeitslage ohne zusätzliche Dichtprobleme. Diese äußere oder innere radial dichtende, kugelige Arbeitsraumwandung kann mit Steuer- oder Zycloidenteil verbunden sein und mit diesem rotieren und zentriert die Teile zueinander.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deren Anwendung als Verdichter mit drehzahlunabhängiger Steuerung, insbesondere durch Änderung der Phasenverschiebung der beiden rotierenden Teile zu den Kanälen der Arbeitsmedien. Abgesehen von der vorteilhaften großen Fliehkraftstabilität der bewegten Teile und den geringen Abmessungen bei hoher Maschinenleistung, läßt sich durch die Phasenverschiebung das Verdichtungsverhältnis stufenlos steuern, insbesondere drehzahlunabhängig steuern. Hierdurch ist ein solcher Verdichter zum Aufladen von Brennkraftmaschinen besonders geeignet, da dort hohe Drehzahlen, vor allem sehr unterschiedliche Drehzahlen stattfinden, wobei die Masse des Laders möglichst klein sein sollte, insbesondere die anzutreibende rotierende Massen, und die Leistung unabhängig von der Drehzahl geregelt werden muß. Auf Grund der Möglichkeit des phasenverschobenen Arbeitens mehrerer Arbeitsraumpaare, sowie der ventillosen und in Strömungsrichtung erfolgenden Steuerung (keine Umkehrung der Strömung) und der sehr guten Dichtqualität der Arbeitsräume können die erfindungsgemäßen Verdichter in Druckbereichen eingesetzt werden, in denen bisher nur Kolbenmaschinen verwendbar waren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deren Anwendung auf dem hydrostatischen Gebiet als Pumpe, Motor oder Getriebe. Auch hier wirkt sich das außerordentlich günstige Verhältnis von Baugröße zu Volumenumsatz aus. Die einfache Kinematik, die Drehzahlfestigkeit der Konstruktion und die sehr großen Querschnitte der Spülkanäle machen diese Maschinen auch für höchste Drehzahlen geeignet. Der innere Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Maschine ist extrem niedrig. Bei der Anwendung als Pumpe wirkt sich die hohe Formsteifigkeit der Teile vorteilhaft aus. Auch der Verschleiß wirkt sich lediglich in der Art aus, als eine Art Einschleifen zwischen den beweglichen Teilen stattfindet. Zudem ist die Maschine für höchste Arbeitsdrücke geeignet. Bei der Anwendung als Hydromotor wirken sich die gleichen Vorteile aus, besonders aber die geringen zu beschleunigenden Massen, das gute Anlaufverhalten und der hohe Volumenwirkungsgrad. Bei der Anwendung als hydrostatisches Getriebe wirkt sich besonders vorteilhaft das geringe Bauvolumen aus und die kompakte Verbindbarkeit von Pumpe und Hydromotor.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deren Anwendung als Kraftmaschine bzw. Kältemaschine, insbesondere nach dem Stirlingprinzip. Bei letzterem arbeiten die einander zugeordneten Arbeitsräume um 90° Phasenverschoben. Zwei rotierenden Zycloidenteile in Verbindung mit einem rotierenden Steuerteil bilden Kammerpaare, die jeweils um 90° Phasenverschoben zueinander arbeiten. Ein Raum wird mit Wärme beaufschlagt, der andere gekühlt, ein Regenerator ist in das Steuerteil integriert. Gemäß der Gestaltung der Erfindung gibt es keine zwischen Heiß- und Kaltbereich wechselnden Teile. Die Wandungen der kalten und der heißen Arbeitsräume sind voneinander isoliert, obwohl sie sich räumlich nahe sind. Ein extrem auslegbare Verhältnis Konvektionsfläche/Arbeitsraumvolumen ist auf Grund der hohen Formsteifigkeit der arbeitsraumbildenden Teile möglich. Eines der rotierenden Teile kann als Läufer eines Lineargenerators des Sterlingmotors oder eines Linearmotors der Stirlingkältemaschine ausgebildet sein. So ist es möglich, die Maschine hermetisch abzuschließen und für einen sehr hohen Ladungsdruck bei geringen Leckageverlusten des Arbeitsgases auszulegen. Die Phasenverschiebung, die die Leistung des Stirlingmotors bestimmt, ist bei dieser Bauform sehr einfach zu realisieren. In jedem Fall kann bei einer derart ausgestalteten Kältemaschine die transportierte Wärmemenge unabhängig von der Drehzahl reguliert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1:
Antriebs- oder Abtriebsteil und Absperrteil in Explosionsdarstellung,
Fig. 2:
Antriebs- oder Abtriebsteil und Absperrteil in zusammengebautem Zustand mit Gehäuse,
Fig. 3:
Draufsicht auf eine Zykloidverzahnung mit 4 Zykloiden und einem Spiralwinkel von ca. 170 ° und
Fig. 4:
Draufsicht auf eine entsprechende Verzahnung des Absperrteils mit 5 Zähnen.
Auf der rechten Seite von Figur 1 sind das Leistungsteil 1 und die Antriebs-oder Abtriebswelle 2 dargestellt. Die im hier nicht dargestellten Gehäuse gelagerte Antriebs- oder Abtriebswelle 2 trägt an ihrem einen Ende das Leistungsteil 1. Das Leistungsteil 1 besteht aus einer Kugelschicht 3, die zur Antriebs- oder Abtriebswelle 2 hin von einer ebenen Grundfläche 4 begrenzt wird während ihre Stirnfläche 5 eine spiralförmige Zykloidverzahnung aufweist. Die Zykloide 6 wird - im Gegensatz zur herkömmlich Konstruktion einer Zykloide - dadurch gebildet, daß ein Kreis auf der Schnittlinie 7 zwischen Kugeloberfläche 8 und Grundfläche 4 abgerollt wird und der die Zykloide 6 beschreibende Punkt dieses Kreises sich stets auf der Kugeloberfläche 8 befindet. Die Zykloide 6 ist die zur Herstellung der Verzahnung erforderliche Leitkurve. Eine gerade Zykloidverzahnung ergibt sich, wenn eine gerade erzeugende Linie um einen festen Punkt auf der Drehachse der Antriebs- oder Abtriebswelle 2 entlang der Leitkurve 6 bewegt wird. Wenn anstelle der geraden erzeugenden Linie eine spiralförmige erzeugende Linie verwendet wird, ergibt sich die erfindungsgemäße spiralförmige Zykloidverzahnung des Leistungsteils.
Das auf der linken Seite von Figur 1 dargestellte Absperrteil 10 weist eine ähnliche Geometrie auf. Eine ebenfalls im nicht dargestellten Gehäuse gelagerte Welle 11 trägt das kugelschichtförmige Absperrteil 10, das zur Welle 11 hin von einer Grundfläche 12 begrenzt wird und deren Außenkontur einer Kugeloberfläche 13 entspricht. Die Stirnfläche 14 des Absperrteils 10 weist eine spiralförmige Verzahnung auf, deren Zähnezahl um eins größer als die Zahl der Zykloiden 6 des Leistungsteils 1 ist. Die Kontur der Zähne entspricht den Tangenten an die Zykloiden 6 während der synchronen Drehung von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10. Die Kontur der Zähne kann auch so gewählt werden, daß stets ein bestimmter Abstand zwischen Zykloide und den Zähnen des Absperrteils 10 vorhanden ist. Dann geht die Verdrängermaschine in eine Strömungsmaschine über. Dies ist vorteilhaft, wenn z. B. das Arbeitsmedium durch Quetschung ind den Dichtlinien 9 beschädigt würde oder die Impuls- und Massenkräfte des Arbeitsmediums genutzt werden sollen.
Die Drehachsen von Absperrteil 10 und Leistungsteil 1 stehen in einem Arbeitswinkel 15 zueinander. Es ist für die Erfindung ohne Bedeutung, ob die Zykloidverzahnung wie hier dargestellt auf der Stirnseite des Leistungsteils 1 angeordnet ist und die entsprechende Verzahnung auf dem Absperrteil 10 oder umgekehrt.
In Figur 2 sind Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 in ihrer Einbaulage dargestellt. Dabei sind zwei Dichtlinien 9, die in der Zeichung als Berührpunkte dargestellt sind, von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 erkennbar. Absperrteil 10, Leistungsteil 1 und Gehäuse 17 bilden, abhängig von der Zahl der Zykloiden mehrere Arbeitsräume 16 aus, von denen zwei sichtbar sind. Bei der durch die zwei Pfeile angedeuteten Drehrichtung von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 expandieren die Arbeitsräume 16 in dem dargestellten Ausschnitt der Drehbewegung. Entsprechend wird das Volumen des Arbeitsraums auf der nicht dargestellten zweiten Hälfte der Drehung komprimiert. Die Dichtlinien 9 wander, je nach Drehrichtung, von außen nach innen oder umgekehrt und bewirken dadurch die Förderung des Arbeitsmediums bzw. den Antrieb der Abtriebswelle 2. Die nicht dargestellten Steueröffnungen im Gehäuse 17 werden entpsrechend den Prozeßanforderungen bestimmt. So wird im Pumpenbetrieb mit Förderrichtung von innen nach außen die Einlaßöffnung im Gehäuse 17 an den Punkt gelegt, an dem die Dichtlinie 9 sich vom Innendurchmesser der Verzahnung ablöst. Die Außenverzahnung wird an die Strelle des Gehäuses gelegtan dem der Arbeitsraum 16 das gewünschte Volumen hat. Die Leistung der Drehkolbenmaschine kann bei konstanter Drehzahl dadurch geregelt werden, daß das Absperrteil 10 relativ zum Leistungsteil 1 bewegt wird. Dabei bleibt die Drehachse des Absperrteils 10 immer auf einer Kegelfläche, deren Kegelwinkel dem Arbeitswinkel 15 entspricht.
In Figur 3 wird eine vereinfachte Draufsicht auf das Leistungsteil 1 gezeigt. Hierbei sind vier spiralförmige erzeugende Linien 18 eingezeichnet, welche die Konstruktion der spiralförmigen Zykloidverzahnung verdeutlichen sollen. Die erzeugenden Linien 18 sind auf die höchsten Punkte der Zykloiden gelegt. Der Spiralwinkel 19 beträgt im gezeigten Beispiel ca 170°.
In Figur 4 sind die entsprechenden erzeugenden Linien 21 des Absperrteils 10 dargestellt. Durch den Vergleich von Figur 3 und Figur 4 ist einerseits der Unterschied in der Zähnezahl zu erkennen und andererseits kann man auch die Wirkung der spiralförmigen Verzahnung nachvollziehen. Im Gegensatz zu einer geraden Zykloidverzahnung kann ein und derselbe Arbeitsraum in seinem inneren und äußeren Bereich gleichzeitig expandieren und komprimieren. Dadurch ergeben sich erhebliche Gestaltungsmöglichkeiten bzgl. des gewünschten volumetrischen Verhaltens des Arbeitsraums. Wenn der von der spiralförmigen erzeugenden Linie eingeschlossene Spiralwinkel 19 größer als 360 ° ist, dann ist jeder Arbeitsraum 16 bei der Drehung von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 zeitweise allseitig abgeschlossen. Rückströmung des Arbeitsmediums und sonstige Rückwirkungen von Auslaß- auf die Einlaßseite oder umgekehrt sind damit ausgeschlossen.
Bezugszahlenliste
1
Leistungsteil
2
Antriebs- oder Abtriebswelle
3
Kugelschicht
4
Grundfläche des Leistungsteils
5
Stirnfläche des Leistungsteils
6
Zykloide
7
Schnittlinie zwischen Kugeloberfläche und Grundfläche
8
Kugeloberfläche
9
Dichtlinie zwischen Leistungsteil und Absperrteil
10
Absperrteil
11
Welle
12
Grundfläche des Absperrteils
13
Kugeloberfläche
14
Stirnfläche des Absperrteils
15
Arbeitswinkel
16
Arbeitsraum
17
Gehäuse
18
Erzeugende Linien des Leistungsteils
19
Spiralwinkel
20
-
21
erzeugende Linien des Absperrteils

Claims (16)

  1. Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter, Turbine oder Motor arbeitet,
    mit einem, einen Innenraum in Form einer Kugelzone aufweisenden Gehäuse (17), das mindestens je eine Eintritts-und eine Austrittsöffnung aufweist,
    mit einem mit einer im Gehäuse (17) gelagerten mit Antriebs- oder Abtriebsvorrichtung versehenen Welle (2) verbundenen Leistungsteil (1), welches aus einer von einer Stirnfläche (5) und einer Grundfläche (4) begrenzten Kugelschicht (3) besteht, deren Mittelpunkt in der Dreh-Achse der Antriebs- oder Abtriebswelle (2) liegt und deren Durchmesser dem Inneraum des Gehäuses (17) entspricht, deren Grundfläche (4) lotrecht zur Dreh-Achse verläuft und deren Stirnfläche (5) gebildet wird durch die Bewegung einer mit einem Punkt der Dreh-Achse verbundenen geraden erzeugenden Linie entlang einer zykloidischen Leitkurve mit mindestens 2 Zykloiden, wobei das Abrollen des zur Konstruktion der Zykloiden erforderlichen Kreises auf der kreisförmigen Schnittlinie (7) von Grundfläche (4) und Kugelschicht (3) erfolgt und der die Zykloide (6) bildende Punkt des Kreises sich auf der Oberfläche der Kugelschicht (3) bewegt,
    mit einem mit einer im Gehäuse (17) gelagerten Welle (11) verbundenen Absperrteil (10), welches aus einer von einer Stirnfläche (14) und einer Grundfläche (13) begrenzten Kugelschicht besteht, deren Mittelpunkt in der Dreh-Achse der Welle (11) liegt und deren Durchmesser dem Inneraum des Gehäuses (17) entspricht, deren Grundfläche (12) lotrecht zur Achse der Welle (11) verläuft und deren Stirnfläche (14) als kämmend mit dem Leistungsteil (1) zusammenwirkende Verzahnung ausgebildet ist, wobei die Differenz der Zahnzahl des Absperrteils (10) und der Zahl der Zykloiden (6) des Leistungsteils (1) eins beträgt, Leistungsteil (1) und Absperrteil (10) sich synchron um die in einem Arbeitswinkel (15) zueinander angeordneten Dreh-Achsen der Antriebs- oder Abtriebswelle (2) und der Welle (11) drehen und sich zwischen den Zykloiden (6) und den Zähnen des Absperrteils (10) Arbeitsräume bilden, die mit jeder Umdrehung ein durch Zykloiden (6), Zahnform und Arbeitswinkel (15) bestimmtes Maxmimum und Minimum erreichen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die die Stirnfläche (5) des Leistungsteils (1) erzeugende Linie in einer durch die Drehachse der Antriebs-oder Abtriebswelle (2) verlaufenden Ebene eine gekrümmte Linie ist.
  2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stirnfläche (5) des Leistungsteils (1) erzeugende Linie eine Spirale ist.
  3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralwinkel größer 360° ist.
  4. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume (16) durch Formschluß zwischen Zykloiden (6) und Zähnen der Absperrteils (10) und des Leistungsteils (1) abgetrennt werden.
  5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den die Lauffläche des Leistungsteils (1) bildenden Zykloiden und dem Absperrteil (10) ein bestimmter Abstand vorhanden ist.
  6. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal für den Eintritt des Arbeitsmediums am Innendurchmesser der Steuerkanal für den Austritt des Arbeitsmediums am Außendurchmesser der Verzahnung angeordnet ist.
  7. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal für den Eintritt des Arbeitsmediums am Außendurchmesser der Steuerkanal für den Austritt des Arbeitsmediums am Innendurchmesser der Verzahnung angeordnet ist.
  8. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitslage der Drehachsen der vorhandenen rotierenden Teile (1, 10) unabhängig voneinander änderbar wird.
  9. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsteil (1) bzw. Absperrteil (10) doppelt vorhanden ist, und zwischen diesen doppelt vorhandenen Teilen das andere Teil (10, 1) als Scheibe mit beiderseitigem Stirnzahnbesatz bzw. zykloidischen Lauflächen versehen angeordnet ist.
  10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der beiderseits der Scheibe (1, 10) vorhandenen Arbeitsräume (16) miteinander verbindbar sind.
  11. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (17) bzw. im Absperrteil (10) für die Zu- oder Abführung der Arbeitsmedien entsprechende Kanäle vorhanden sind.
  12. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeloberflächen (8, 13) und auf der kugelig ausgebildeten Innenfläche des Gehäuses (17) radial dichtend geführt ist.
  13. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung als Verdichter mit drehzahlunabhängiger Steuerung, und insbesondere durch Verschiebung der Arbeitsphasen der beiden rotierenden Teile zu den Kanälen der Arbeitsmedien.
  14. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei von außen angetriebene, im Gehäuse axial gelagerte Leistungsteile (1) und ein dazwischen angeordnetes, beidseitig verzahntes Absperrteil (10) vorhanden sind, und daß die Zahnanordnung auf dem Absperrteil in Drehrichtung auf der einen Seite gegenüber der anderen Seite versetzt ist oder daß auf beiden Seiten unterschiedliche Zahnzahlen vorgesehen sind.
  15. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung auf dem hydrostatischen Gebiet als Pumpe, Motor oder Getriebe.
  16. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung als Kraftmaschine bzw. Kältemaschine, insbesondere nach dem Stirlingprinzip, wobei die einander zugeordneten Arbeitsräume um 90° phasenverschoben zusammenwirken.
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