EP1362188A1

EP1362188A1 - Drehkolbenmaschine für verdichtbare medien

Info

Publication number: EP1362188A1
Application number: EP02711735A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Becher
Original assignee: Busch SA Atel; Ateliers Busch SA
Current assignee: Busch SA Atel; Ateliers Busch SA
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-11-19
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: DE50204023D1; SK287849B6; CN100422560C; KR20030079989A; PL203773B1; NZ528159A; WO2002066836A1; JP4440543B2; BR0207514A; RS50951B; AU2002231550B2; CZ20032207A3; CN1492971A; CZ304588B6; JP2004520535A; CA2438398A1; CA2438398C; US20040096349A1; US6773243B2; PL368504A1

Description

Drehkolbenmaschine für verdichtbare Medien

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine für verdichtbare Medien, mit wenigstens zwei in einem gemeinsamen Gehäuse gelagerten, dicht eingeschlossenen, miteinander zwangsläufig drehbaren Drehkolben, wobei die Drehkolben eine Mehrzahl paarweise ineinander greifende scheibenförmige Abschnitte, deren Dicke in Richtung der Druckseite abnimmt, aufweisen, wobei jede Scheibe wenigstens eine Mantelfläche und eine Kernfläche aufweist, welche durch entlang Kreisbogen mit Zentrum auf der Achse des jeweiligen Drehkolbens geführten Leitlinien ausgebildet sind und jeweils durch eine Zwischenfläche verbunden sind.

Drehkolben für Vakuumpumpen oder Verdrängerpumpen für Gase werden üblicherweise in Form von Schraubenspindelpaaren hergestellt. Zwecks Verdrängung bzw. Verdichtung weisen diese Schraubenspindeln eine veränderliche Steigung auf. Insbesondere sind Schraubenverdichter für Gase, mit zwei ineinander greifenden Schrauben, deren Steigung sich gegen die Druckseite hin stetig verkleinert, bekannt. Solche Verdichter erlauben zwar hohe Verdichtungsgrade zu erreichen, jedoch ist die Herstellung von Schraubenspindelpaaren mit veränderlicher Steigung technisch schwierig, insbesondere da die Schrauben möglichst spielfrei ineinander greifen sollen, um Druckverluste klein zu halten. Somit ist die Herstellung dieser Art Schraubenverdichter kostspielig.

Anderseits sind sogenannte Roots-Gebläse bekannt, mit zwei ineinander im Eingriff stehenden scheibenförmigen Rotationskolben. Der Luftdurchsatz erfolgt quer zu den Drehachsen der Rotationskolben, so dass sich solche Verdichter für grosse Luftmengen, jedoch nur für kleine Verdichtungsgrade, eignen. Um höhere Verdichtungsgrade zu erreichen, müssen mehrere Verdichtereinheiten dieses Typs hintereinander geschaltet werden, bzw. zu einer mehrstufigen Roots-Pumpe zusammengebaut werden. Um die schwierige Herstellung von Schraubenspindeln mit veränderlicher Steigung zu umgehen, wurde auch schon vorgeschlagen, die Drehkolben als Wendelstufendrehkolben auszubilden.

Die DE-2934065 offenbart solche Wendelstufendrehkolben in einer Drehkolbenmaschine der Eingangs genannten Art . In dieser Maschine weisen die Spindeln eine Pseudo-gewindeartige Nut auf, welche durch stufenförmige, in der Schraubenlinie aufeinander folgende, mit zu den Spindelachsen rechtwinklig stehenden ebenen Begrenzungsflächen versehenen, Aussparungen gebildet ist. In diese Nut greift, in der durch die beiden Spindelachsen bestimmten Ebene, ein entsprechend geformter gewindeartiger Kamm der Gegenspindel ein und schliesst bei jedem Gewindegang ein Nutvolumen ab, so dass bei der Abwälzung der Spindeln der Kamm die Nutvolumina mit verdichtbarem Medium vom Einlauf zum Auslauf verschiebt, wobei die Nutvolumina verändert werden und die gewünschte Druckdifferenz zwischen Einlauf und Auslauf erzielt wird. Die Spindeln weisen im Querschnitt eine halbkreisförmige Kontur mit einem Ausschnitt, der durch die Kernfläche und zwei stufenbildende Zwischenflächen begrenzt ist, auf. Die Sektorenwinkel der äusseren Mantelflächen und inneren Kernflächen haben denselben Wert, nähmlich 180°. Nachteilig ist bei dieser Drehkolbenmaschine die hohe Anzahl der stufenförmigen Begrenzungsflächen, welche notwendig sind, um die Pseudo- gewindeartige Nut auszubilden, deren Herstellung eine hohe Anzahl von späneabhebenden Arbeitsgängen benötigt. Nachteilig ist desweiteren die hohe Präzision der Zwischenflächen, welche notwendig ist, um die Druckverluste von Stufe zu Stufe zu minimisieren.

Eine vereinfachte Bauweise von Wendelstufendrehkolben wird durch die DE-2944714 offenbart. Diese Druckschrift schlägt eine Schichtbauweise der Drehkolben vor, bei der jeder Rotor aus einer Vielzahl von Einzelscheiben besteht, welche im Stirnprofil identisch sind, nähmlich mit Mantelflächen und Kernflächen mit jeweils 180° Sektorenwinkel, wobei jedoch ihre Dicken, bzw. ihre Durchmesser variieren. Die mangelnde Abdichtung zwischen den Drehkolben dieser Konstruktion, welche Gasrückstrom und einen schwachen Verdichtungsgrad bedingt, soll durch hochtourigen Betrieb kompensiert werden, was jedoch thermische und mechanische Probleme, sowie hohe Geräuschentwicklung, mit sich bringt.

Die Druckschrift AT-261792 beschreibt ebenfalls eine Drehkolbenmaschine dieser Art, in der die Wendelstufendrehkolben aus im Stirnschnitt identischen Einzelscheiben bestehen. Jede Scheibe hat zwei sich diametral gegenüber liegende äussere Mantelflächen und zwei sich diametral gegenüber liegende innere Kernflächen, deren Sektorenwinkel alle gleich sind (90°) . Bei dieser Ausgestaltung der Scheiben und dieser versetzten Anordnung im Rotor müssen die Spaltbreiten zwischen gegenüber liegenden Scheiben möglichst gering gehalten werden. Die Mantel- und Kernflächen sind deshalb durch Zwischenflächen verbunden, die als verlängerte Epizykloϊden ausgebildet sind um die Abdichtung zwischen den Scheiben zu bewirken. Folglich müssen sowohl deren Profil wie auch die äussere

Synchronisiereinrichtung der Maschine sehr präzise - und folglich aufwendig - hergestellt werden. Obwohl diese Druckschrift vorsieht, die thermischen Belastungen der Flankenspitzen durch eine abgerundete Form zu vermindern, können diese beim Gasrückfluss nicht vermieden werden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung einer Drehkolbenmaschine mit hohem Verdichtungsgrad, insbesondere einer Vakuumpumpe, in der das Endvakuum besser sein soll als bei Drehschieber, etwa ähnlich demjenigen mehrstufiger Roots-Pumpen. Dabei soll die Herstellung weniger aufwendig sein als diejenige von mehrstufigen Pumpen und ebenfalls weniger aufwendig als diejenige von Schraubenspindelpumpen. Desweiteren soll eine innere Kompression des verdichtbaren Mediums, bzw. Gases, stattfinden, um eine Reduzierung von Energieverbrauch und Betriebstemperatur zu erzielen. Endlich soll die Geräuschentwicklung beim Betrieb möglichst niedrig sein.

Diese Aufgaben werden bei einer Drehkolbenmaschine der Eingangs genannten Art gelöst, indem die Sektorenwinkel der Mantelfläche und der Kernfläche einer jeweiligen Scheibe ungleich sind, die Scheiben unterschiedliche, entlang den Kolbenachsen periodisch wiederkehrende Stirnprofilkonturen aufweisen, und jede Scheibe zu den zwei benachbarten Scheiben des selben Drehkolbens in solcher Weise winkelversetzt ist, dass diese drei Scheiben über einen Abschnitt ihrer Kernflächen eine gemeinsame Leitlinie aufweisen und eine Kammer bilden.

Durch diese Bauweise wird im einzelnen, nicht montierten Drehkolben ein gestufft verlaufender Wendelgang mit horizontalen Zwischenabschnitten zwischen zwei Kammern gebildet, mit variierender Stufenhöhe. Es wird in achsialer Richtung eine Kammersequenz gebildet, mit wahlweise variablem Volumen, d.h. wahlweise variabler innerer Kompression, durch auswählbare Dickenvariation der scheibenförmigen Abschnitte.

Die Verwendung von Sequenzen von scheibenförmigen Abschnitten unterschiedlicher Stirnprofilkonturen erlaubt, bei vorgegebener Kammeranzahl , die Gesamtanzahl der Abschnitte geringer zu halten als bei den Drehkolbenmaschinen mit Wendelstufendrehkolben des Standes der Technik.

Bei geringer Abschnittsanzahl kann jeder Drehkolben einstückig gefertigt werden, was die Formstabilität im Betrieb wesentlich verbessert, und thermisch weniger kritisch ist als ein Stappel Einzelscheiben. Ist die Betriebstemperatur der Drehkolbenmaschine anwendungsbedingt niedrig, so können die Drehkolben ebenfalls aus Sequenzen achsial aufeinander angeordneter einzelner Profilscheiben zusammengesetzt werden, wodurch Herstellkosten eingespart werden. In der folgenden Beschreibung wird das Wort "Scheibe", wenn nicht besonders präzisiert, sowohl für einzelne Profilscheiben als auch für scheibenförmige Abschnitte eines einstückigen Kolbens verwendet .

Die erfindungsgemässe Verdrängermaschine ist berührungslos und konstant drehend. Die Spalten zwischen den zwei miteinander drehenden Drehkolben können in drei Arten aufgegliedert werden:

a. Mantelfläche/Kernfläche von gegenüber liegenden scheibenförmigen Abschnitten: diese linienförmigen Spalten werden durch die Genauigkeit der Fertigung der zylindrischen Flächen der Kolben und der Distanz der beiden Drehachsen bestimmt. Bei gängiger Fertigungstechnologie können geringe Spaltwerte erreicht werden.

b. Stirnfläche/Stirnfläche übereinander liegender scheibenförmiger Abschnitte: auch die Spaltbreiten dieser flachen Spalten können mit modernen Fertigungsmaschinen gering gehalten werden. Die grossen Spaltlängen, längs der Strömungsrichtung zwischen den Drehkolben, bewirken eine gute Abdichtung und folglich ein gutes Endvakuum.

c. Zwischenfläche/Zwischenfläche von gegenüber liegenden Abschnitten, insbesondere Spitze/Konkavflanke : bei der

Erfindungsgemässen Versetzung der scheibenförmigen Abschnitte sind diese Spaltbreiten unkritisch und können im Millimeter- Bereich liegen, was eine grosse Erleichterung in der Fertigung der Zwischenflächen mit sich bringt. Da diese Spaltbreiten ebenfalls das zulässige Winkelspiel zwischen den Drehkolben bestimmen, ist dieses zulässige Winkelspiel sehr gross, so dass die Anforderungen an die Synchronisiereinrichtung der Drehkolbenmaschine herab gesetzt sind und deren Auswahl, bzw. Realisierung erleichtert ist.

Die theoretisch zykloidenförmig gekrümmten Zwischenflächen, i.e. die parallelepipeden Flächen, die jeweils Mantelfläche und Kernfläche, i.e. Aussenzylinder und Kernzylinder, eines scheibenförmigen Profilabschnitts, bei gegenläufigem Drehsinn der Drehkolben, verbinden, erfüllen keine kritische, funktionswesentliche Abdichtfunktion und beschreiben somit eine theoretische Maximalkontur. Eine Profilkontur der Zwischenfläche, die etwas kleiner, bzw. abgeflachter, als diese theoretische Maximalkontur und leichter herstellbar ist, etwa eine hinterschneidungslose und/oder nahezu gerade Kontur, kann deshalb vorgezogen werden, und ist durchaus funktionstüchtig. Hierdurch wird weiter das im Betrieb zulässige Winkelspiel erhöht.

Zweckmässigerweise weisen beide benachbarten Scheiben einer Scheibe mit einer äusseren Mantelfläche, deren Sektorenwinkel grösser als der Sektorenwinkel der Kernfläche ist, äussere Mantelflächen auf, deren Sektorenwinkel kleiner als der Sektorenwinkel der Kernflächen sind.

Zweckmässigerweise ist die Differenz zwischen den Sektorenwinkel der äusseren Mantelfläche und der Kernfläche eines scheibenförmigen Abschnittes gross. Vorzugsweise ist, bei einer Scheibe mit einer kleinen äusseren Mantelfläche, der Sektorenwinkel dieser Mantelfläche kleiner als 90° und besonders bevorzugt, kleiner als 60°. Solch eine Scheibe liegt einer Scheibe des anderen Drehkolbens, mit einem Sektorenwinkel der äusseren Mantelfläche, der entsprechend grösser als 270°, bzw. grösser als 300° ist, gegenüber.

Vorzugsweise sind die Kammern eines jeweiligen Drehkolbens so ausgestaltet, dass die Zwischenflächen einer Scheibe jeweils mit einer Zwischenfläche einer benachbarten Scheibe eine durchgehende Zwischenfläche mit gemeinsamer Leitlinie bilden.

Die Synchronisiereinrichtung der erfindungsgemässen Drehkolbenmaschine kann in solcher Weise ausgewählt werden, dass die beiden aussenachsigen Drehkolben einen gegenläufigen Drehsinn haben. Die äusseren Durchmesser der Drehkolben, die Durchmesser der Kernzylinder und die Übersetzung können dann so ausgewählt werden, dass die Kolben gegeneinander abrollen ohne zu gleiten, wobei die Mantelfläche eines scheibenförmigen Abschnittes auf der Kernfläche des gegenüber liegenden Abschnittes abrollt. Sind die Anzahlen der Mantelflächen und Kernflächen eines scheibenförmigen Abschnittes, jeweils denen des gegenüber liegenden Abschnittes des anderen Drehkolbens gleich, so ist eine Übersetzung von 1:1 zu wählen. Sind jedoch diese Anzahlen verschieden, so ist die Übersetzung dementsprechend auszuwählen.

In anderen Ausführungsformen mit asymetrischer Energieverteilung haben die beiden aussenachsigen Drehkolben den gleichen Drehsinn.

In noch anderen, kompakt gebauten Ausführungsformen sind die beiden Drehkolben innenachsig, d.h. als Aussenrotor und Innenrotor, mit einem zusätzlichen G-Rotor, ausgebildet.

In mehreren Ausgestaltungen der Drehkolben, weisen die scheibenförmigen Abschnitte eines jeweiligen Drehkolbens nur zwei alternierende Stirnschnitt-Profilkonturen auf.

Zudem können die Durchmesser der Mantelzylinder und Kernzylinder aussenachsiger Drehkolben jeweils gleich sein, wobei in einer selben, zur Kolbenachse rechtwinklig stehenden Ebene, der Abschnitt des ersten Kolbens die eine Stirnschnitt- Profilkontur aufweist, während der gegenüber liegende Abschnitt des zweiten Kolbens die andere Stirnschnitt- Profilkontur aufweist.

Die beiden Drehkolben können ebenfalls als Hauptläufer und Nebenläufer, mit unterschiedlichen Durchmesser, und somit unterschiedlichen Wellenleistungen - bis hin zu 100:0 % - ausgestaltet sein, was Vorteile bei der Ausführung der Synchronisiereinrichtung bietet. In manchen solchen Ausgestaltungen der Drehkolben alternieren Sequenzen von Abschnitten mit unterschiedlichen Stirnschnitt-Profilkonturen mit kreisförmigen Sperrscheiben, so dass ein jeweiliger Kolben Abschnitte mit drei oder mehr verschiedenen Profilkonturen aufweist.

Weitere Einselheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen und an Hand der beiliegenden Zeichnungen.

Figur 1 ist eine seitliche Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Drehkolbens, mit 14 übereinander liegenden Scheiben, numeriert von 0 bis 13;

Figur 2 ist eine seitliche Ansicht des entsprechenden zweiten Drehkolbens der ersten Ausführungsform;

Figur 3 ist eine Draufsicht, von der Saugseite, der zusammengesetzten Drehkolben der Figuren 1 und 2, wobei der Abschnitt "0" des Drehkolbens der Figur 2 weggelassen wurde;

Figur 4 ist ein Diagramm Abschnitt/Ablauf , bzw. Drehwinkel, das schematisch das Funktionieren der ersten Ausführungsform zeigt;

Figur 5 ist eine seitliche Ansicht eines Paares Drehkolben mit elf Abschnitten gemäss einer dritten Ausführungsform, mit einem Hauptläufer mit elf Abschnitten, numeriert von 0 bis 10;

Figur 6 ist ein Stirnschnitt durch den Abschnitt 1 der zusammengesetzten Drehkolben der Figur 5;

Figur 7 ist ein Stirnschnitt durch einen Abschnitt 2 der Figur 5; Figur 8 ist ein Diagramm Abschnitt/Drehwinkel, das schematisch das Funktionieren der dritten Ausführungsform zeigt;

Figur 9 ist ein Diagramm Abschnitt/Drehwinkel, das schematisch das Funktionieren einer vierten Ausführungsform zeigt;

Figur 10 ist ein Diagramm Abschnitt/Drehwinkel, das schematisch das Funktionieren einer fünften Ausführungsform zeigt ;

Figur 11 ist eine seitliche Ansicht eines Paares Drehkolben gemäss einer sechsten Ausführungsform, mit 17 Abschnitten, numeriert von 0 bis 16;

Figur 12 ist ein Stirnschnitt durch den Abschnitt 1 der zusammengesetzten Drehkolben der Figur 11;

Figur 13 ist ein Stirnschnitt durch den Abschnitt 2 der zusammengesetzten Drehkolben der Figur 11;

Figur 14 ist ein Stirnschnitt durch den Abschnitt 3 der zusammengesetzten Drehkolben der Figur 11;

Figur 15 ist ein Stirnschnitt durch den Abschnitt 4 der zusammengesetzten Drehkolben der Figur 11;

Figur 16 ist ein Diagramm Abschnitt/Ablauf , bzw. Drehwinkel, das schematisch das Funktionieren der sechsten Ausführungsform zeigt;

Figur 17 ist ein Diagramm Abschnitt/Ablauf, das schematisch die neun ersten Abschnitte einer siebten Ausführungsform und ihr zusammenwirken zeigt;

Figur 18 ist ein Stirnschnitt des Abschnittes 1 des Aussenrotors der Ausführungsform der Figur 17; Figur 19 ist ein Stirnschnitt des Abschnittes 2 des Aussenrotors der Ausführungsform der Figur 17;

Figur 20 ist ein Stirnschnitt des Abschnittes 1 des Innenrotors der Ausführungsform der Figur 17;

Figur 21 ist ein Stirnschnitt des Abschnittes 2 des Innenrotors der Ausführungsform der Figur 17;

Figur 22 ist ein Stirnschnitt des sichelförmigen G- Rotors der Ausführungsform der Figur 17;

Figur 23 ist eine Teilansicht im Achsialschnitt eines Abschnittes des Innenrotors und der ihn umgebenden Teile des Aussenrotors einer achten Ausführungsform.

Gemäss einer durch die Figuren 1 bis 4 veranschaulichten ersten Ausführungsform sind die Drehkolben aussenachsig und parallelachsig in einem (nicht dargestellten) Gehäuse mit zwei zylindrischen Bohrungen, mit externer Synchronisiereinrichtung, gelagert. Die Drehkolben haben einen gegenläufigen Drehsinn. Die Drehkolben weisen 14 scheibenförmige Abschnitte auf, nähmlich zwei Endabschnitte (0, 13) für den Einlass und Auslass des Mediums, und Profilabschnitte (1-12) mit zwei unterschiedlichen, alternierenden Profilkonturen, wobei jeweils ein Abschnitt, der eine äussere Mantelfläche (ml) mit einem kleinen Sektorenwinkel hat, mit einem Abschnitt alterniert, welcher eine Mantelfläche (Ml) mit grossem Sektorenwinkel aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben diese Sektorenwinkel Werte von jeweils etwas kleiner als 36° und etwas kleiner als 144°, so dass ein Winkelspiel erhalten bleibt. Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen die fortschreitend verdrehte Winkelposition von einen Abschnitt zu den nächsten, d.h. 72° von einem Abschnitt zum identischen übernächsten Abschnitt, wobei eine Zwischenfläche (zl) eines Abschnittes jeweils über, bzw. unter, in achsialen Richtung gesehen, einer Zwischenfläche eines benachbarten Abschnittes der anderen Profilkontur angeordnet ist. Dadurch wird jeweils eine Kammer, gebildet, die (siehe Figur 2) durch Teile der Kernflächen (kl¹, Kl') und Zwischenflächen (zl¹) benachbarter Abschnitte umgeben ist, und somit eine achsiale Kammersequenz mit variablen Volumen, wobei die innere Kompression durch Dickenvariation der Profilabschnitte erreicht wird : zur Realisierung der inneren Kompression nimmt, die axiale Ausdehnung der Abschnitte, und somit der Kammern, allmählich vom Einlass zum Auslass ab.

Die zwischen den Drehkolben gebildeten Toträume fallen wenig ins Gewicht, während die grossen Spalttiefen zwischen den Drehkolben ein sehr gutes Endvakuum bewirken. Wie es die Figuren 1 bis 4 zeigen, sind drei Spaltarten zwischen den Drehkolben vorhanden: a. Zylinder/Zylinder; b. Stirnfläche/Stirnfläche; c. Spitze/Konkav-Flanke.

Letztere Spaltart bestimmt das zulässige Winkelspiel und ist unkritisch, d.h. kann im Millimeter-Bereich liegen, was für die Synchronisiereinrichtung viele Realisierungsmöglichkeiten eröffnet. Mit Drehkolben dieser Ausführungsform wird eine Kompressionsrate von 1:4 realisiert, was zu deutlicher Einsparung von Energieverbrauch und Wärmeentwicklung führt . Somit wird, bei vorgegebener Kammeranzahl und Kompression, die Gesamtanzahl der Profilabschnitte minimisiert.

In dem, in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Abschnitte 1 und 2 die selbe Dicke. Vom Abschnitt 2 zum Abschnitt 3 nimmt die Dicke um einen Faktor von zirka 1,4 ab; die Dicken der Abschnitte 3 und 4 sind wiederum gleich, usw. Bei dieser Verteilung der Dicken der Abschnitte, wo zwei aufeinander folgende und gegenüber liegende Abschnitte des einen und des anderen Drehkolben die gleiche Dicke aufweisen, entfällt die Energieverteilung etwa 50:50 % auf jeden Drehkolben. Die Dicke der Abschnitte könnte sich ebenfalls von jedem Abschnitt zum anderen veringern, gemäss einer auswählbaren geometrichen Regel .

deren äussere Mantelfläche (m3) einen kleinen Sektorenwinkel hat. Diese fünf Abschnitte bilden Pumpabschnitte P1-P5. Sie sind durch sechs Abschnitte 0, 2, 4, 6, 8, 10 getrennt und umgeben, welche nur einen kurzwinkligen Kernflächenauschnitt (k3) aufweisen, und jeweils einen Steuerabschnitt S bilden, der das Gas zum nächsten Pumpabschnitt weiterleitet. Beispielsweise kann die Dicke der fünf Pumpabschnitte, von Pl bis P5, von zirka 70 Millimeter jeweils um ein Drittel, bis zu einer Dicke von 13 Millimeter abnehmen, während jeder Steuerabschnitt S eine Dicke von 10 Millimeter aufweist. Die Gesamtlänge des Hauptläufers misst dann zirka 240 Millimeter. In dem Diagramm der Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, wo der Kerndurchmesser des Hauptläufers dem Aussendurchmesser des Nebenläufers gleich ist. Bei einer Übersetzung von 1:1 rollen die Läufer aufeinander ab, ohne dass der eine über den anderen abgleitet. Unter diesen Umständen liegt die Energieverteilung zwischen Haupt- und Nebenläufer bei zirka 75:25 %.

In der, in der Figur 9 dargestellten vierten Ausführungsform sind ebenfalls die Durchmesser des Hauptläufers und des Nebenläufers stark verschieden. Der Hauptläufer weist ebenfalls zwei im Stirnschnitt unterschiedliche, alternierende, der dritten Ausführungsform ähnliche Profilkonturen auf. Der Nebenläufer weist jedoch drei verschiedene Profilkonturen auf, nähmlich in folgender Sequenz : ein Abschnitt 1, der aus einer einfachen Kernscheibe besteht, ein Abschnitt 2, in Form eines Aussenzylinders mit einem geringwinkligen Ausschnitt, ein Abschnitt 3, der wiederum aus einer Kernscheibe besteht, ein Abschnitt 4, der aus einer vollen Aussenzylinderscheibe besteht, und eine Sperrscheibe bildet. Bei dieser Ausgestaltung von Haupt.- und Nebenläufer wird eine Energieverteilung von praktisch 100 % auf den Hauptläufer und 0 % auf den Nebenläufer erreicht.

Figur 10 stellt diagrammhaft eine fünfte Ausführungsform dar. Der Hauptläufer weist zwei alternierende unterschiedliche Stirnprofile auf, wobei jedes zwei gleiche äussere Mantelflächen und zwei gleiche Kernflächen, jeweils diametral entgegengesetzt, aufweist. Die relativen Sektorenwinkelausmasse der Mantel- und Kernflächen variieren von Abschnitt zu Abschnitt wie bei den vorigen Ausführungsformen. Der Nebenläufer weist jeweils nur eine äussere Mantelfläche und eine Kernfläche auf, alternierend gross- und kleinwinklig. Die Synchronisiereinrichtung ist so ausgebildet, dass die Tourenzahl des Nebenläufers die Doppelte der Tourenzahl des Hauptläufers ist. Mit dieser Bauweise wird eine stark asymetrische Energieverteilung erreicht, nähmlich zirka 85 % auf den Hauptläufer und zirka 15 % auf den Nebenläufer.

Die fünf obenstehend beschriebenen Ausführungsformen weisen alle zahlreiche Vorteile auf: bei geringer Abschnittsanzahl kann ein Drehkolben als Monoblock gefertigt werden, was die Formstabilität im Betrieb wesentlich verbessert; die grossen Spaltlängen, längs der Strömung, zwischen den Drehkolben, bewirken eine gute Abdichtung und somit ein gutes Endvakuum; das zulässige grosse Spiel erleichtert die Fertigung und die Montage und den Einsatz der Synchronisiereinrichtung.

In der dritten, der vierten und der fünften Ausführungsform sind die Zwischenflächen des Hauptläufers hinterschneidungslos ausgebildet, was einzelne Arbeitsgänge bei der Fertigung vereinfacht .

In den asymetrischen Ausführungsformen sind Leistungsanteile von treibendem Drehkolben und getriebenem Drehkolben stark unterschiedlich, was zusätzlich bei der Auswahl und Ausführung der Synchronisiereinrichtung Vorteile bietet .

Bei aus einzelnen Profilscheiben zusammengesetzten Drehkolben wird die Anzahl verschiedener Einselteile durch die Verwendung gleicher Steuer- und Sperrscheiben herabgesetzt.

Eine sechste Ausführungsform, deren Drehkolbenpaar in den Figuren 11 bis 15 dargestellt ist, besteht aus einer berührungslosen, parallelachsigen, zwei-achsigen, aussenachsigen, konstant drehenden Verdrängermaschine, mit einem Gehäuse mit zwei zylindrischen Bohrungen und externer Synchronisiereinrichtung, wobei die beiden Drehkolben den gleichen Drehsinn haben.

Die in ihren Durchmessern stark unterschiedlichen Drehkolben sind als Hauptläufer und Nebenläufer ausgebildet. Sowohl der Hauptläufer wie der Nebenläufer weisen mindestens drei verschiedene Profiltypen auf. In dem durch die Figuren 12 bis 15 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen sowohl der Haupt- wie der Nebenläufer vier verschiedene Profiltypen auf, welche Sequenzen von vier verschiedenen scheibenförmigen Abschnittspaaren bilden, nähmlich

einen ersten Abschnitt (Figur 12) , in dem der Hauptläufer eine grosswinklige Mantelfläche (M6) besitzt; der Sektorenwinkel der Kernfläche kann sehr gering gehalten werden oder, wie es die Figur 12 zeigt, kann diese sogar ganz ausgelassen werden, so dass die äussere Mantelfläche dieses Abschnittes nur durch einen sichelförmigen asymetrischen Ausschnitt unterbrochen wird. Dieser Abschnitt dient als erste Steuerscheibe S und liegt einem ersten Abschnitt des Nebenläufers gegenüber, der einfach aus einer Kernzylinderscheibe besteht;

ein zweiter Abschnitt P des Hauptläufers (Figur 13) hat eine Kernfläche (K6) , deren Sektorenwinkel grösser als 180° ist, eine extrem kurze äussere Mantelfläche (m6) und zwei länglich ausgedehnte Zwischenflächen (z6) . Dem gegenüber liegt ein zweiter Abschnitt des Nebenläufers, mit einer äusseren Mantelfläche (M6 ' ) deren Sektorenwinkel grösser als 180° ist, mit einer minimalen Kernfläche (kδ¹) welche auch, wie aus der Figur 13 ersichtlich ist, durch kontinuierliches Ineinanderfliessen der beiden am Kernzylinder tangierenden Zwischenflächen (z6') ganz oder fast ganz verschwinden kann. Dieser Abschnitt bildet die eigentliche Pumpstufe der Sequenz;

der dritte Abschnitt des Hauptläufers (Figur 14) ist in seiner Form identisch mit dem ersten Abschnitt, jedoch plansymetrisch angeordnet, wie aus den Figuren 12 und 14 ersichtlich ist. Dieser Abschnitt dient als zweite Steuerscheibe. Der gegenüber liegende dritte Abschnitt des Nebenläufers ist als einfache Kernzylinderscheibe ausgebildet;

der vierte Abschnitt (Figur 15) des Hauptläufers ist eine einfache Kernscheibe und dient als Kanal K für das verdichtbare Medium. Dem gegenüber liegt ein vierter Abschnitt des Nebenläufers mit einer ununterbrochenen äusseren Mantelfläche, welcher als Sperrscheibe dient.

Die Figur 11 zeigt den vollen Aufbau eines AusführungsbeiSpiels mit 17 scheibenförmigen Abschnitten, nähmlich zwei Endscheiben (E) , 0 und 16; drei volle Sequenzen S-P-S-K, der soeben beschriebenen vier Abschnitte, 1 bis 4, 5 bis 8, 9 bis 12; und eine unvollständige Sequenz, S-P-S, d.h. mit einer ersten Steuerscheibe 13, einer Pumpstufe 14 und einer zweiten Steuerscheibe 15.

Die Steuerscheiben S des Hauptläufers können alle aus dünnen Scheiben bestehen, da sie nur dazu dienen, das Medium von einer Pumpstufe P in den folgenden Kanal K und wiederum in die nächste Pumpstufe überzuleiten. Die Abstufung der achsialen Ausdehnung der Pumpstufen und der Kanalstufen kann zweckbedingt verschiedenen rechnerischen Regeln unterliegen. Die Taffei 1 zeigt beispielhaft zwei Abstufungen, in der die Dicke der dicksten Stufe, nähmlich der Pumpstufe 1, arbiträr mit 1 eingesetzt wurde.

Taffei 1:

Wie aus dem Beispiel 1 ersichtlich ist, veringert sich die Dicke der Stufen progressiv in der Reihenfolge Pl, Kl, P2, K2 , usw, während im Beispiel 2 die Dicken der Pumpstufen einerseits, und der Kanalstufen andererseits abnehmen, jedoch in ihrer Dicke alternieren. Es ergibt sich, beispielsweise, bei einer Dicke Pl = 49 mm und einer Dicke der Steuerscheiben von 8 mm, mit der Abstufung des Beispiels 2, eine Gesamtlänge des Hauptlaufers von zirka 240 mm.

Die Funktionsweise dieser sechsten Ausführungsform ergibt sich aus dem Diagramm der Figur 16. Somit wird eine achsiale Kammersequenz in einer aussenachsigen Verdrängermaschine, mit gleichsinnig drehenden Kolben realisiert. Die Wellenleistungen der Kolben sind stark unterschiedlich, d.h. die Energieverteilung ist extrem asymetrisch, bis zu 100:0 %. Diese Ausführungsform weist folgende Vorteile auf: die hinterschnittfreien Konturen erlauben eine sehr einfache Fertigung; insbesondere ist eine Monoblock-Fertigung leicht durchführbar; das sehr grosse zulässige Spiel ist vorteilhaft für die Fertigung und die Montage; die grossen Spaltlängen längs der Strömung erlauben ein gutes Endvakuum; der gleiche Drehsin und das grosse zulässige Spiel eröffnen zusätzliche Möglichkeiten für die

Synchronisiereinrichtung; in Anbetracht der geringen Leistung des Nebenläufers können sogar Zahnriemen verwendet werden.

In den sechs soeben beschriebenen Ausführungsformen sind beide Drehkolben allgemein zylindrisch ausgebildet, mit parallelen Drehachsen. Die Leitlinien, deren Umführung die Mantelflächen, Kernflächen und Zwischenflächen der scheibenförmigen Abschnitte bilden sind zylindrische Leitlinien, die parallel zu den Drehachsen sind. Der Fachmann wird erkennen, dass, unter Verwendung der erfindungsgemässen Stirnschnittkonturen und Winkelversetzungen der Kolbenabschnitte, die Drehkolben ebenfalls konisch geformt werden können, wobei die Leitlinien, deren Umführung die Umfangsflächen der Scheiben definieren, die Leitlinien eines Kegels sind, so dass die Scheiben an ihrem Umfang kegelförmig sind, und ihre Durchmesser in Richtung der Druckseite allmählich abnehmen. Die Drehachsen der beiden Kolben sind dann nicht parallel, sondern haben einen Schnittpunkt. Bei diesen Ausführungsformen bewirkt die Durchmesservariation eine innere Kompression. Diese Durchmesservariation kann zusätzlich zu der Variation der Dicke der Scheiben oder anstatt der Variation der Dicke der Scheiben verwendet werden.

Die Figuren 17 bis 22 stellen eine siebte Ausführungsform, nähmlich eine berührungslose, parallelachsige, zweiachsige, innenachsige, konstant drehende Verdrängermaschine dar. Die Maschine besitzt einen hohlen Aussenrotor, einen Innenrotor und einen sichelförmigen G- Rotor, der zwischen Aussen- und Innenrotor liegt. Die Rotoren haben den gleichen Drehsinn, wie es die Figur 17 zeigt. Der Aussenrotor (A) und der Innenrotor (I) weisen eine mehrzahl paarweise ineinander greifende scheibenförmige Abschnitte auf, deren Dicke in Richtung der Druckseite abnimmt, wobei jede Scheibe wenigstens eine Mantelfläche und eine Kernfläche aufweist, welche durch entlang Kreisbogen mit Zentrum auf der Achse des jeweiligen Rotors geführten Leitlinien ausgebildet

Stirnflächen, sondern als gewölbte Abschnitte, nähmlich als Kugelschalenabschnitte, ausgebildet sind.

Im Stirnschnitt sind die Profilkonturen von zwei aufeinander folgenden Abschnitten des Aussen- und Innenrotors, denen der Figuren 18 bis 22 ähnlich. Somit wird eine achsiale Kammersequenz in einer innenachsigen, schrägachsigen Maschine, deren Rotoren mit einer Übersetzung von 1:1 drehen, realisiert .

Die Spalten zwischen Stirnflächen zweier übereinander gleitender Abschnitte sind Spalten zwischen zwei Kugelflächen (Ku, Ku'), wie es die Figur 23 darstellt. Die grossen Spaltlängen, längs der Strömungsrichtung, bewirken auch bei dieser Ausführungsform eine gute Abdichtung und ein gutes Endvakuum.

Eine innere Kompression kommt durch die Variation der Rotordurchmesser zustande, und kann durch zusätzliche Variation der Dicken der Profilabschnitte verstärkt oder abgeschwächt, gegebenenfalls örtlich moduliert werden, je nach Anwendung der Verdränger- oder Vakuumpumpe. Diese Bauform ist sehr kompakt, mit wenigen Bauteilen und guter

Wärmeabführungsmöglichkeit. Die Synchronisiereinrichtung kann als einfacher schmiermittelfreier Koppelmechanismus, zB als Kreuzgelenk, im inneren der Verdrängermaschine, bzw. Vakuumpumpe, realisiert werden.

Claims

durch die Leitlinien je eines Aussenzylinders und eines Kernzylinders gebildet sind, und dass die Dicke der scheibenförmigen Abschnitte in Richtung Druckseite abnimmt .

5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtung ausgebildet ist um den beiden Drehkolben einen gegenläufigen Drehsinn zu verleihen.

6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der äusseren Mantelflächen und Kernflächen der beiden Drehkolben jeweils gleich sind.

7. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sektorenwinkel der äusseren Mantelfläche jeder zweiten Scheibe eines Drehkolbens kleiner als 90°, insbesondere kleiner als 60°, ist.

8. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Scheiben in Richtung der Druckseite alle zwei Scheiben um einen konstanten Faktor abnimmt .

9. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehkolben verschiedene Aussendurchmesser aufweisen und dass die Dicke der Abschnitte des Hauptläufers, welche eine äussere Mantelfläche mit geringem Sektorenwinkel aufweisen jeweils grösser ist, als die Dicke der Abschnitte des Hauptläufers mit Mantelflächen mit grossem Sektorenwinkel .

10. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kernfläche des Hauptläufers dem Durchmesser der äusseren Mantelfläche des Nebenläufers gleich ist.

11. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Scheibe des Hauptlaufers jeweils zwei diametral gegenüber liegende Kernflächen und zwei äussere diametral gegenüber liegende Mantelflächen aufweist, und dass die Tourenzahl des Nebenläufers der zweifachen Tourenzahl des Hauptläufers gleich ist.

12. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtung ausgebildet ist um den Drehkolben den gleichen Drehsinn zu verleihen, dass die Drehkolben verschiedene Aussendurchmesser aufweisen und dass die Dicke der Abschnitte des Hauptläufers, welche eine äussere Mantelfläche mit geringem Sektorenwinkel aufweisen jeweils grösser ist, als die Dicke der Abschnitte des Hauptläufers mit Mantelflächen mit grossem Sektorenwinkel.

13. Drehkolbenmaschine gemäss einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sequenzen periodisch wiederkehrender Stirnprofilkonturen nur aus dem Kernzylinder bestehende Scheiben und/oder Sperrscheiben einbegreifen.

14. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch innenachsig gelagerten Drehkolben, nähmlich ein Aussenrotor, ein Innenrotor und ein G-Rotor, wobei der Aussenrotor und der Innenrotor eine mehrzahl paarweise ineinander greifende scheibenförmige Abschnitte aufweisen, deren Dicke und/oder Durchmesser in Richtung der Druckseite abnimmt, wobei jede Scheibe des Aussen- und des Innenrotors wenigstens eine Mantelfläche und eine Kernfläche aufweist, welche durch entlang Kreisbogen mit Zentrum auf der Achse des jeweiligen Rotors geführten Leitlinien ausgebildet sind und jeweils durch eine Zwischenfläche verbunden sind, wobei die Sektorenwinkel der Mantelfläche und der Kernfläche einer jeweiligen Scheibe ungleich sind, die Scheiben unterschiedliche, entlang den Rotorachsen periodisch wiederkehrende Stirnprofilkonturen aufweisen und jede Scheibe zu den zwei benachbarten Scheiben des selben Rotors in solcher Weise winkelversetzt ist, dass diese drei Scheiben über einen Abschnitt eine gemeinsame Leitlinie aufweisen und eine Kammer bilden.

15. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtung ausgebildet ist um den Rotoren den selben Drehsinn, mit einer Übersetzung von 1:1 zu verleihen.

16. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass beide benachbarten Scheiben einer Scheibe mit einer Mantelfläche, deren Sektorenwinkel grösser als der Sektorenwinkel der Kernfläche ist, Mantelflächen aufweisen, deren Sektorenwinkel kleiner als der Sektorenwinkel der Kernflächen sind.

17. Drehkolbenmaschine gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenflächen einer Scheibe jeweils mit einer Zwischenfläche einer benachbarten Scheibe eine durchgehende Zwischenfläche mit gemeinsamer Leitlinie bilden.

18. Drehkolbenmaschine gemäss einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren achsparallel gelagert sind, die genannten Leitlinien Zylinderleitlinien sind und die Dicke der Abschnitte in Richtung Druckseite abnimmt .

19. Drehkolbenmaschine gemäss einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Rotoren schrägachsig angeordnet sind, die genannten Leitlinien Konusleitlinien sind und die Durchmesser der Rotorenabschnitte in Richtung der Druckseite abnehmen, wobei die Abschnitte des Aussenrotors und des Innenrotors, anstatt scheibenförmig, kugelschalenförmig ausgebildet sind.