EP2655802B1 - Zahnradmaschine mit kleinem durchmesser-längenverhältnis - Google Patents

Zahnradmaschine mit kleinem durchmesser-längenverhältnis Download PDF

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EP2655802B1
EP2655802B1 EP11773012.7A EP11773012A EP2655802B1 EP 2655802 B1 EP2655802 B1 EP 2655802B1 EP 11773012 A EP11773012 A EP 11773012A EP 2655802 B1 EP2655802 B1 EP 2655802B1
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EP
European Patent Office
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rotor
toothing
counter
rotation
face
Prior art date
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Active
Application number
EP11773012.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2655802A2 (de
Inventor
Sando Kunath
Oliver Laforsch
Dieter Amesoeder
Ingo Nowitzky
Marian Kacmar
Evgenij Skrynski
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2655802A2 publication Critical patent/EP2655802A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2655802B1 publication Critical patent/EP2655802B1/de
Active 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
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2250/00—Geometry
    • F04C2250/20—Geometry of the rotor
    • F04C2250/201—Geometry of the rotor conical shape

Definitions

  • the present invention relates to a rotary piston machine which operates as a pump, compressor or motor, with a rotor and a counter rotor.
  • Such drive and driven parts run in a common housing, whose interior is spherical.
  • the housing is divided such that the separation plane contains the center of the spherical interior, so that a first housing part with a hemispherical interior with a first center and a second housing part with a hemispherical interior and a second center is formed.
  • special attention is to be paid to the design of the parting surfaces of the two housing parts in such a way that in the assembled state the first and the second center of the spherical interior spaces of the housing parts coincide.
  • a rotary piston engine operating as a pump, compressor or motor has a rotor and a counter rotor, the counter rotor being located opposite the rotor.
  • the rotor has a first end face with a first toothing.
  • the counter rotor has a second end face with a second toothing.
  • the first toothing is formed from at least a first tooth and a first tooth gap.
  • the second toothing is formed from at least one second tooth and a second tooth gap with a second tooth root.
  • the teeth are engaged with each other such that first working spaces are formed by meshing the first teeth of the first teeth and the second teeth of the second teeth, wherein volumes formed by the first working spaces are changed by the meshing of the teeth.
  • the rotor has a first axis of rotation and the counter rotor has a second axis of rotation.
  • the first axis of rotation and the second axis of rotation include a first angle other than 0 °.
  • a second extension of a second generatrix of the second tooth root, the first axis of rotation and the second axis of rotation intersect at a common center point.
  • a second angle enclosed between the second extension and the second axis of rotation is less than 45 °.
  • a distance measured at the outer diameter which forms in the at least one maximally opened working space between a first tooth root of the first tooth space of the first toothing and a second tooth bottom of the second tooth space of the second toothing is less than in the prior art.
  • a sealing the at least one working space relative to the housing surface can be made smaller than in the prior art.
  • the included second angle is less than 30 degrees.
  • the included angle is 22.5 degrees.
  • a third toothing adjoins the first toothing and a fourth toothing adjoins the second toothing, wherein the third toothing comprises at least one third tooth and a third tooth gap is formed, and wherein the fourth toothing of at least a fourth tooth and a fourth tooth gap is formed with a fourth tooth root.
  • the third and fourth teeth are engaged with each other such that second working spaces are formed by meshing the third and fourth teeth, and volumes formed by the second working spaces are changed by the meshing of the teeth.
  • the first toothing of the third toothing and the second toothing of the fourth toothing is spatially separated by a separating web.
  • the number of teeth of the first gear and the third gear must not be equal.
  • the first toothing has a tooth difference with respect to the second toothing and the third toothing with respect to the fourth toothing.
  • the second or the fourth toothing has one tooth more than the first or third toothing.
  • the spatial separation of the first toothing of the third toothing and the second toothing of the fourth toothing can cause a medium to be transported is first supplied to the first work spaces for precompression and then the second work spaces for recompression.
  • a medium to be compressed can be divided into a first and a second volume flow, wherein the first volume flow is supplied to the at least one first working space and the second volume flow to the at least one second working space for compression. This is a multi-flow operation.
  • the volumetric flow leaving the rotary piston engine can be reduced step by step or continuously with respect to the volumetric flow supplied to the rotary piston engine at constant rotational speed of the rotor counter-rotor arrangement.
  • the separating web is fluid-tightly connected to the rotor.
  • the spatial separation of the first toothing of the third toothing and the second toothing of the fourth toothing causes a fluid communication between the pressurized first working spaces and the acted upon with a second pressure second working spaces does not occur, wherein the first pressure of the second Pressure can be different.
  • a connection of the first and second work spaces takes place, if at all, only when the medium compressed by means of the first work spaces is supplied to the second work spaces for further compaction.
  • a fourth extension of a fourth generatrix of the fourth tooth base coincides with the second extension.
  • it is a continuous toothing, which is spatially separated by the separating web or the groove into a first and third or a second and fourth toothing.
  • a fourth extension of a fourth generatrix of the fourth tooth base does not coincide with the second extension.
  • the number of teeth of the first gear may be different from the number of teeth of the third gear and the number of teeth of the second gear on the number of teeth of the fourth gear.
  • the first toothing and the third toothing or the second toothing and the fourth toothing can also have the same number of teeth, but the first and the third toothing or the second and the fourth toothing can be at different angles to one another. It can also be the same angle just be, but then the fourth extension and the second extension will be aligned parallel to each other.
  • the separating web is formed on a third end face of the rotor and engages in a groove and / or recess designed to be complementary to the separating web in the counter-rotor.
  • a the first toothing facing end face of the divider is formed spherical shell around the common center.
  • the separating web is formed concentrically to the first axis of rotation and rotates with the rotor, the separating web immersed in a closed working space deeper into the groove of the counter-rotor than in an open working space. This is to be considered in the design of the groove in the counter rotor.
  • the divider can also be formed in the counter rotor and, accordingly, the groove in the rotor.
  • the separating web of the at least one rotor delimits the working space on the front side on an outer wall of the associated counter-rotor, this region of the outer wall which is in communication with the separating web can be formed as a depression.
  • At least two rotors are connected to each other in an axially and radially non-rotatable manner such that axes of rotation of the rotors coincide with the first axis of rotation.
  • the associated counter-rotors are axially and radially backlash-free rotatably connected to each other, such that axes of rotation of the counter-rotors coincide with the second axis of rotation.
  • the rotors and the counter-rotors can be designed the same, in which case the separating web is arranged in each case on the third end face of the rotors, wherein the individual working spaces are separated from each other in a fluid-tight manner by the dividing webs.
  • the same rotors can be used for a series connection, for example, concentric with the axis of rotation at the third end face of the rotor may be an opening in which a formed on one of the third end face fourth end face of the rotor formed pin can engage.
  • a rotor counter-rotor arrangement of the rotary piston engine is integrated in an electric motor.
  • the electric motor is located in a housing designed as a straight circular cylinder, wherein the rotor counter-rotor arrangement is arranged centrally in the housing.
  • the third end face of the rotor of the rotor counter rotor arrangement is mounted in a fifth end face of a housing surrounding the electric motor.
  • One of the third end face of the rotor opposite fourth end face of the rotor of the rotor counter-rotor assembly is rotatably connected to an external rotor of the electric motor.
  • the fifth end face of the housing may be spherical in shape in order to seal the work spaces of the rotor counter-rotor arrangement facing the fifth end face.
  • the large diameter of the toothing in the direction of the fifth end face and the small diameter of the toothing is assigned to the external rotor.
  • the rotor is pressed in the direction of the fifth end side due to the forces acting on the rotor-counter-rotor arrangement by the medium to be compressed.
  • no axial forces act on the external rotor of the electric motor.
  • the then acting on the counter rotor through the medium to be compressed axial forces are opposite to the axial force acting on the rotor.
  • this axial force acting on the counter rotor is absorbed by a thrust bearing.
  • bearing journals are in the form of straight circular cylinders formed on the third and fourth end face of the rotor, which are arranged concentrically to the first axis of rotation.
  • the counter rotor on its outer wall on at least one bearing seat, which is surrounded by a bearing, which is supported on a housing inner wall of the housing.
  • bearing seats on the outer wall of the counter-rotor By attaching bearing seats on the outer wall of the counter-rotor, it is possible to support the counter-rotor on its length several times.
  • a multiple support along the outer wall of the counter-rotor serve to reduce buckling of a particularly thin-walled counter-rotor in conjunction with high pressures.
  • the outer wall enclosing bearing serves as a stiffener at the same time.
  • the outer wall will have two bearing seats, one of which is a bearing seat for receiving a fixed bearing and the other bearing seat for receiving a floating bearing.
  • the fixed bearing can also be designed to absorb axial forces, so that here also a combined axial-radial bearing can be used.
  • the fifth end face is formed as a spherical surface around the common center and arranged to seal the at least one first working space with respect to a housing.
  • the electric motor is designed as a brushless DC motor.
  • brushless DC motors have a long life, as has been dispensed with wearing brushes. Also, no abrasion takes place within the electric motor, possibly on the one hand in the rotor counter-rotor assembly receiving bearing and the other in the sealing surface designed fifth end face could arrive.
  • the electric motor can also be designed as an asynchronous motor with external rotor.
  • the rotary piston machine is designed instead of a rotor counter-rotor arrangement with a rotor-stator arrangement.
  • the rotor and the counter rotor are made in one piece.
  • FIG. 1 shows a rotor 2 counter rotor 4 arrangement according to the prior art.
  • the rotor 2 has a first end face 6 with a first toothing 8, wherein the first toothing 8 is formed from a first tooth 10 and a first tooth gap 12.
  • the counter rotor 4 has a second end face 16 with a second toothing 18, wherein the second toothing 18 consists of a second tooth 20 and a second tooth gap 22 with one in particular FIG. 2 visible second tooth bottom 24.
  • first working chambers 28 are formed by combing the first teeth 10 of the first toothing 8 and the second teeth 20 of the second toothing 18, wherein volumes formed by the first working chambers 28 are changed by the meshing of the teeth 10, 20.
  • the rotor 2 rotates about a first rotation axis I and the counter rotor 4 rotates about a second rotation axis II.
  • the first rotation axis I and the second rotation axis II include a first angle ⁇ which is not equal to 0 °.
  • a resulting largest opening of the working space is shown as a bold line extending along a first outer contour 34 of the rotor 2 counter-rotor 4 arrangement.
  • FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of the rotor 2 counter rotor 4 arrangement FIG. 1 According to the state of the art.
  • the first axis of rotation I and the second axis of rotation II intersect at a common center M.
  • a ball cap 30 is formed at the end face 16 of the counter-rotor 4.
  • a second outer contour 36 of the ball cap 30 has a first diameter d, which passes through the common center M.
  • complementary formed support surface 32 is formed on the rotor 2 is concentric to the first axis of rotation I to the second outer contour 36 complementary formed support surface 32 is formed.
  • the rotor 2 counter rotor 4 arrangement forms the first outer contour 34 in the form of a hemisphere stub.
  • This first outer contour 34 has a second diameter D, which also extends through the common center M.
  • a tooth length L1 of the first 8 and second toothing 18 is limited by the first 34 and the second outer contour 36.
  • FIG. 3 shows the components of the FIG. 1 , wherein the second angle ⁇ , as in particular in FIG. 4 can be seen, is reduced to 22.5 °. It is clearly visible that the rotor 2 and the counter-rotor 4 is formed elongated with the same volume of the first working space 28 with respect to the rotor 2 counter-rotor 4-arrangement according to the prior art. In addition, a shaping of an outer wall 44 of the counter-rotor 4 as a truncated cone is possible. The rotor 2 can thus be enclosed by the counter rotor 4 at least in wide areas.
  • the spherical cap 30 of the counter-rotor 4 and the support surface 32 corresponding to the spherical cap 30 are made considerably flatter, as can be seen on the second outer contour 36. This is also due to the fact that the common center M is now outside the rotor 2 counter rotor 4 arrangement. Furthermore, it can be seen that a largest opening 14 of the first working space 28 resulting in the area of the first outer contour 34, into which FIGS. 1 and 3 shown in bold, facing the in FIG. 1 State of the art has greatly reduced.
  • FIG. 5 shows an exploded view of the rotor 2 counter rotor rotor assembly 4 according to the invention.
  • a bearing pin 40 is integrally formed on a third end face 38 concentric with the first axis of rotation I.
  • a further bearing pin 40 is formed.
  • On the outer wall 44 of the counter rotor 4 are two bearing seats 46 for Recording of camps, not shown here forms. Due to the change of the second angle ⁇ to 22.5 °, the rotor 2 and the counter rotor 4 have changed their geometric shape, assuming that both the rotor 2 and the counter rotor 4 have assumed the shape of a truncated cone.
  • first 6 and the second end face 16 with their respective toothings 8, 18 are changed from an originally end-side arrangement to a now circumferential arrangement.
  • the first end face 6 now forms an outer circumferential surface of the frustoconical shaped rotor 2 and the second end face 16 forms an inner circumferential surface of the hollow truncated cone shaped counter-rotor 4.
  • the outer and inner lateral surface are still referred to as end face 6, 16.
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through a rotor 2 counter-rotor 4-arrangement according to the invention with a divider 48.
  • This divider 48 spatially separates a subsequent to the first toothing 8 third toothing 52, which is formed by a third tooth 54 and a third tooth gap 56.
  • the divider 48 is formed spherical shell-shaped and connected to the rotor 2 inextricably.
  • a spherical end face 49 facing the third toothing 52 is formed, wherein the spherical end face 49 has a diameter running through the common center M.
  • the divider 48 dips into a complementary groove 50 formed in the counter rotor 4.
  • This groove 50 spatially separates the second toothing 18 from the fourth toothing 58 adjoining this second toothing 18, wherein the fourth toothing 58 is formed from at least one fourth tooth 60 and at least one fourth tooth gap 62. Furthermore, the separating web 48, in cooperation with the groove 50, separates the space formed by at least one first working space 28 from a second working space 66, which is formed by meshing the second teeth 54 and the fourth teeth 60, spatially and fluidtightly.
  • the rotor 2 and the counter rotor 4 are made in one piece and rotationally symmetrical. Also, the number of the first teeth 10 and the number of the third teeth 54 and the number of the second teeth 20 and the number of the fourth teeth 60 are the same.
  • first teeth 10 and third teeth 54 is smaller by one tooth than the number of second teeth 20 and fourth teeth 60, respectively.
  • a fluid to be compressed first becomes the at least one first working space 28 supplied to pre-compact it. Subsequently, the precompressed fluid is supplied to the at least one second working space 66 in order to compress it to its final pressure.
  • a fluid to be compressed can be split into a first and a second volume flow, wherein the first volume flow is supplied to the at least one first working space 28 and the second volume flow to the at least one second working space 66 for compression. This is a multi-flow application.
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through a rotor 2 counter rotor 4 arrangement with two rotors 2 connected in series with associated counter rotors 4.
  • the in FIG. 7 shown rotors 2 differ from the in FIG. 5 shown rotor 2 characterized in that the formed on the third end face 38 bearing pin 40 has been replaced in the present figure by a bearing bore 72.
  • a plurality of rotors 2 can now be connected to one another in a rotationally fixed manner axially and radially free of play along the first axis of rotation I, in that the bearing journal 40 integrally formed on the fourth end face 42 engages in the bore 72 provided for this purpose.
  • the outer wall 44 of the counter-rotor 4 is provided on an end face 69 facing the separating web 48 with a recess 68 designed complementarily to the spherical end face 49, which is designed to be fluid-tight in connection with the end face 49 of the separating web 48.
  • the end face 69 of the counter-rotor 4 is complementary to the spherical end face 49 of the separating web 48 and in connection with the separating web 48, the at least one first working space 28 fluid-tight.
  • the associated counter-rotors 4 are axially and radially backlash-free connected to each other.
  • shown two-stage series circuit can be extended by means of another rotor 2 counter rotor 4-arrays. Such rotor 2 counter-rotor 4 arrangements can then be operated in multiple stages and / or multi-flow.
  • FIG. 8 shows the arrangement FIG. 7 in x-ray view. It can be seen in particular that the series connection of identical rotors 2 is constructed with the associated counter-rotors 4.
  • FIG. 9 shows the in FIG. 5 illustrated rotor 2 counter rotor 4 assembly integrated in an electric motor 70.
  • a rotor 2 counter rotor 4 arrangement for example according to FIG. 7 be used.
  • the formed on the third end face 38 bearing pin 40 is received in a radial bearing 88, which is located in a dome 86, wherein the dome 86 is integrally formed with the housing 73.
  • the integrally formed on the fourth end face 42 bearing pin 40 is received in a combined axial-radial bearing 76.
  • the bearing pin 40 is radially received and the counter rotor 4 is supported with its integrally formed on the outer wall 44 sixth support surface 45 axially on this bearing 76 from.
  • the two bearing seats 46 are each received by a radial bearing 74, wherein the two radial bearings 74 are supported on a Gezzauseinnenwandung 78 of the housing 73.
  • all the axial and radial forces emanating from the fluid to be compressed onto the rotor 2 counter rotor 4 arrangement are introduced into the housing 73 and received by the latter.
  • the third end face 38 opposite fourth end face 42 of the rotor 2 is formed as the support surface 32 which abuts the ball cap 30 of the counter-rotor 4 or is spaced predetermined.
  • the electric motor has an external rotor 84, which is non-rotatably connected to the journal 40 formed on the fourth end face 42.
  • the housing 73 Since the essentially formed as a closed at one end side hollow cylinder housing 73 is easily accessible on its cover 79 a facing end face, all components can be mounted from this page. Subsequently, the housing 73 is closed at the end by means of the lid 79. In particular, the housing 73 may be integrally formed.
  • an inflow opening 90 and an outflow opening 92 are in the FIG. 9 not apparent due to the longitudinal section selected there.
  • a fluid to be compressed flows into opening working spaces 28 of the rotor 2 counter-rotor 4 arrangement of the FIG. 9 a to by a rotation process of the rotor 2 about the first axis of rotation I and the Counter rotor 4 to be compressed about the second axis of rotation II by closing working spaces 28 and the electric motor, respectively the rotary piston engine, to leave via the outflow opening 92.
  • the fluid exerts a force on both the rotor 2 and the counter rotor 4.
  • the force acting on the rotor 2 axial force component pushes the rotor 2 in the direction of a spherical and complementary to the first spherical outer contour 34 of the rotor 2 counter-rotor assembly 4 formed fifth end face 80 of the housing 73.
  • a diameter of the spherical fifth face 80 extends through the common center M.
  • One of the fifth end face 80 facing seventh end face 82 of the counter rotor 4 and the third end face 38 of the rotor 2 together seal the working space 28 relative to a housing interior 98.
  • the force acting on the counter rotor 4 axial force component of the fluid to be compressed pushes the counter rotor 4 in the direction of the axial-radial bearing 76 which receives this Axialkraftanteil.
  • a force acting on the counter rotor 4 radial force component is introduced into the two radial bearings 74 and from there into the housing 73.
  • the two radial bearings 74 may be configured as a fixed-lot storage.
  • FIG. 11 shows the electric motor 70 from the FIG. 9 with the integrated rotor 2 counter rotor 4 arrangement as a 3D representation in the X-ray view.
  • the inflow opening 90 in an inlet control opening 94 and the outflow opening 92 in an outlet control opening 96 open, wherein the inflow opening 90, the outflow opening 92, the inlet control opening 94 and the outlet control opening 96 is shown as dash-dotted line.

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Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter oder Motor arbeitet, mit einem Rotor und einem Gegenrotor.
  • Aus der DE 42 41 320 A1 ist eine Drehkolbenmaschine bekannt, die als Pumpe, Verdichter oder Motor arbeitet. Bei dieser laufen Kämme von Zähnen eines rotierenden Antriebsteils zur Begrenzung von Arbeitsräumen auf einer zykloiden Fläche eines ebenfalls verzahnten Abtriebsteils und treiben dabei dieses Abtriebsteil an. Zwischen den Zähnen von Antriebsteil und Abtriebsteil werden die genannten Arbeitsräume gebildet, die während des Rotierens der Teile für ihre Arbeit vergrößert bzw. verkleinert werden, um die Förderwirkung auf ein gasförmiges oder flüssiges Medium zu erzeugen.
  • Derartige Antriebs- und Abtriebsteile laufen in einem gemeinsamen Gehäuse, dessen Innenraum kugelförmig ausgebildet ist. Zur Montage dieser Teile ist das Gehäuse derart geteilt, dass die Trennungsebene den Mittelpunkt des kugelförmigen Innenraums enthält, so dass ein erstes Gehäuseteil mit einem halbkugelförmigen Innenraum mit einem ersten Mittelpunkt und ein zweites Gehäuseteil mit einem halbkugelförmigen Innenraum und einem zweiten Mittelpunkt entsteht. Dadurch ist ein besonderes Augenmerk auf die Gestaltung der Trennflächen der beiden Gehäuseteile dergestalt zu richten, dass in montiertem Zustand sich der erste und der zweite Mittelpunkt der kugelförmigen Innenräume der Gehäuseteile decken.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es kann ein Bedürfnis bestehen, eine Drehkolbenmaschine anzugeben, bei der das Gehäuse kompakt ausgeführt und einfach herzustellen ist.
  • Dieses Bedürfnis kann durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter oder Motor arbeitet, weist einen Rotor und einen Gegenrotor auf, wobei der Gegenrotor dem Rotor gegenüberliegend angeordnet ist. Der Rotor weist eine erste Stirnfläche mit einer ersten Verzahnung auf. Der Gegenrotor weist eine zweite Stirnfläche mit einer zweiten Verzahnung auf. Die erste Verzahnung ist aus wenigstens einem ersten Zahn und einer ersten Zahnlücke gebildet. Die zweite Verzahnung ist aus zumindest einem zweiten Zahn und einer zweiten Zahnlücke mit einem zweiten Zahngrund gebildet. Die Verzahnungen stehen miteinander derart in Eingriff, dass durch Kämmen der ersten Zähne der ersten Verzahnung und der zweiten Zähne der zweiten Verzahnung erste Arbeitsräume ausgebildet werden, wobei durch die ersten Arbeitsräume gebildete Volumina durch das Kämmen der Zähne verändert werden. Der Rotor weist eine erste Drehachse auf und der Gegenrotor weist eine zweite Drehachse auf. Die erste Drehachse und die zweite Drehachse schließen einen ersten Winkel ein, der ungleich 0° ist. Eine zweite Verlängerung einer zweiten Mantellinie des zweiten Zahngrundes, die erste Drehachse und die zweite Drehachse schneiden sich in einem gemeinsamen Mittelpunkt. Hierbei ist ein zwischen der zweiten Verlängerung und der zweiten Drehachse eingeschlossener zweiter Winkel kleiner als 45°.
  • Unter Zugrundelegung von gleichen Volumina nach dem Stand der Technik und der Erfindung, wobei diese Volumina jeweils durch den wenigstens einen Arbeitsraum gebildet sind, bewirkt eine Verkleinerung des zweiten Winkels von etwa 80°, wie er dem Stand der Technik bekannt ist, auf weniger als 45°, dass ein Außendurchmesser der Verzahnung verkleinert wird. Hierdurch wird eine Reduzierung des Außendurchmessers gegenüber dem Stand der Technik von 50% und mehr erreichbar. Durch den geänderten Außendurchmesser werden in der Regel die Zähne der neuen Rotor-Gegenrotor-Anordnung länger. Hierdurch wird in der Regel auch ein die neuartige Rotor-Gegenrotor-Anordnung aufnehmendes Gehäuse gegenüber dem Stand der Technik länger ausgebildet sein, jedoch wird ein Durchmesser des neuen Gehäuses gegenüber einem Gehäuse nach dem Stand der Technik kleiner ausgeführt sein. Auch wird bei der erfindungsgemäßen Rotor-Gegenrotor-Anordnung ein am Außendurchmesser gemessener Abstand, der sich bei dem wenigstens einen maximal geöffneten Arbeitsraum zwischen einem ersten Zahngrund der ersten Zahnlücke der ersten Verzahnung und einem zweiten Zahngrund der zweiten Zahnlücke der zweiten Verzahnung ausbildet, geringer sein als beim Stand der Technik. Somit kann eine den wenigstens einen Arbeitsraum gegenüber dem Gehäuse abdichtende Fläche kleiner ausgebildet sein als beim Stand der Technik. Zudem ist es nun nicht mehr notwendig, das Gehäuse aus zwei Halbschalen zu fertigen, wie dies im Stand der Technik notwendig ist, sondern das Gehäuse kann einstückig ausgeführt sein. In dieses Gehäuse kann die notwendige dichtende Fläche integriert sein. Bei gleicher Umdrehungszahl der Rotor-Gegenrotor-Anordnung, gemessen bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik und einer Anordnung gemäß der Erfindung, ergibt sich im Vergleich bei der neuartigen Anordnung eine geringere Umfangsgeschwindigkeit der Zähne und damit auch eine geringere Umfangsgeschwindigkeit des zu transportierenden Fluids. Als weiterer Vorteil kann sich ergeben, dass, wenn die Verzahnungen sehr lang ausgeführt sind, bei einem geringen Durchmesser des Gehäuses große Volumina der Arbeitsräume ausgebildet werden können. Zusätzlich kann eine erhöhte Dichtheit zwischen der Rotor-Gegenrotor-Anordnung und dem Gehäuse dadurch erreicht werden, dass ein sich zwischen dem Gehäuse und den Rotoren an der dichtenden Fläche ergebender Spalt durch Bewegen der Rotoren besser verringert wird.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der eingeschlossene zweite Winkel kleiner als 30 Grad.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der eingeschlossene Winkel 22,5 Grad.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung schließt sich an die erste Verzahnung eine dritte Verzahnung und an die zweite Verzahnung eine vierte Verzahnung an, wobei die dritte Verzahnung aus wenigstens einem dritten Zahn und einer dritten Zahnlücke gebildet ist und wobei die vierte Verzahnung aus zumindest einem vierten Zahn und einer vierten Zahnlücke mit einem vierten Zahngrund gebildet ist. Die dritte und die vierte Verzahnung stehen miteinander derart in Eingriff, dass durch Kämmen der dritten und der vierten Zähne zweite Arbeitsräume ausgebildet werden, wobei durch die zweiten Arbeitsräume gebildete Volumina durch das Kämmen der Zähne verändert werden. Hierbei ist die erste Verzahnung von der dritten Verzahnung und die zweite Verzahnung von der vierten Verzahnung durch einen Trennsteg räumlich getrennt.
  • Somit werden also in einer Rotor-Gegenrotor-Anordnung zwei voneinander unabhängige Arbeitsräume gebildet. Somit kann also ein zu transportierendes gasförmiges oder flüssiges Medium sowohl den ersten als auch den zweiten Arbeitsräumen zugeführt werden. Auch muss die Anzahl der Zähne der ersten Verzahnung und der dritten Verzahnung nicht gleich sein. Es können also bei der ersten Verzahnung mehr Zähne als bei der dritten Verzahnung und umgekehrt vorhanden sein. Die erste Verzahnung weist bezüglich der zweiten Verzahnung und die dritte Verzahnung bezüglich der vierten Verzahnung jeweils einen Zahn Unterschied auf. In dem hier vorliegenden Beispiel weist jeweils die zweite bzw. die vierte Verzahnung einen Zahn mehr auf als die erste bzw. dritte Verzahnung auf. Die räumliche Trennung der ersten Verzahnung von der dritten Verzahnung sowie der zweiten Verzahnung von der vierten Verzahnung kann bewirken, dass ein zu transportierendes Medium zuerst den ersten Arbeitsräumen zum Vorverdichten und anschließend den zweiten Arbeitsräumen zum Nachverdichten zugeführt wird. Somit wird ein zu transportierendes Medium mittels zweier Verdichterstufen, also mehrstufig, von einem Anfangsdruck zu einem Enddruck verdichtet. Auch kann ein zu verdichtendes Medium in einen ersten und einen zweiten Volumenstrom aufgeteilt werden, wobei der erste Volumenstrom dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum und der zweiten Volumenstrom dem wenigstens einen zweiten Arbeitsraum zum Verdichten zugeführt wird. Hierbei handelt es sich um einen mehrflutigen Betrieb. Durch ein Anordnen von Ventilen vor oder nach den ersten und/oder zweiten Arbeitsräumen kann durch ein Betätigen dieser Ventile der die Drehkolbenmaschine verlassende Volumenstrom gegenüber dem der Drehkolbenmaschine zugeführten Volumenstrom bei konstanter Drehzahl der Rotor-Gegenrotor-Anordnung stufenweise oder auch stufenlos reduziert werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Trennsteg mit dem Rotor fluiddicht verbunden.
  • Die räumliche Trennung der ersten Verzahnung von der dritten Verzahnung sowie der zweiten Verzahnung von der vierten Verzahnung bewirkt, dass eine Fluidkommunikation zwischen den mit einem Druck beaufschlagten ersten Arbeitsräumen und den mit einem zweiten Druck beaufschlagten zweiten Arbeitsräumen nicht erfolgt, wobei der erste Druck von dem zweiten Druck unterschiedlich sein kann. Eine Verbindung der ersten und zweiten Arbeitsräume findet, wenn überhaupt, nur statt, wenn das mittels der ersten Arbeitsräume verdichtete Medium den zweiten Arbeitsräumen zum weiteren Verdichten gewollt zugeführt wird.
  • In einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung fällt eine vierte Verlängerung einer vierten Mantellinie des vierten Zahngrundes mit der zweiten Verlängerung zusammen. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine durchgehende Verzahnung, die durch den Trennsteg bzw. die Nut in eine erste und dritte bzw. eine zweite und vierte Verzahnung räumlich getrennt wird.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung fällt eine vierte Verlängerung einer vierten Mantellinie des vierten Zahngrundes nicht mit der zweiten Verlängerung zusammen. Somit kann die Anzahl der Zähne der ersten Verzahnung von der Anzahl der Zähne der dritten Verzahnung bzw. die Anzahl der Zähne der zweiten Verzahnung von der Anzahl der Zähne der vierten Verzahnung unterschiedlich sein. Auch kann die erste Verzahnung und die dritte Verzahnung bzw. die zweite Verzahnung und die vierte Verzahnung die gleiche Anzahl an Zähnen aufweisen, wobei jedoch die erste und die dritte Verzahnung bzw. die zweite und die vierte Verzahnung in unterschiedlichen Winkeln zueinander stehen können. Es können auch die eben genannten Winkel gleich sein, jedoch werden dann die vierte Verlängerung und die zweite Verlängerung parallel zueinander ausgerichtet sein.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Trennsteg an einer dritten Stirnfläche des Rotors ausgebildet und greift in eine zu dem Trennsteg komplementär in dem Gegenrotor ausgebildete Nut und/oder Vertiefung. Eine der ersten Verzahnung zugewandte Stirnfläche des Trennstegs ist kugelschalenförmig um den gemeinsamen Mittelpunkt ausgebildet.
  • Durch die zueinander winklige Anordnung der ersten Drehachse des Rotors und der zweiten Drehachse des Gegenrotors verändert sich über den Umfang betrachtet ein Abstand der ersten Verzahnung von der zweiten Verzahnung. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl der Zähne bewegen sich der Rotor und der Gegenrotor mit unterschiedlicher Drehzahl. Wenn der Trennsteg konzentrisch zu der ersten Drehachse ausgebildet ist und mit dem Rotor rotiert, taucht der Trennsteg bei einem geschlossenen Arbeitsraum tiefer in die Nut des Gegenrotors ein als bei einem offenen Arbeitsraum. Dies ist bei der Gestaltung der Nut in dem Gegenrotor zu berücksichtigen. Natürlich kann der Trennsteg auch im Gegenrotor und dementsprechend die Nut im Rotor ausgebildet sein. Insbesondere wenn der Trennsteg des wenigstens einen Rotors stirnseitig an einer Außenwandung des zugehörigen Gegenrotors den Arbeitsraum begrenzt, kann dieser mit dem Trennsteg in Verbindung stehende Bereich der Außenwandung als Vertiefung ausgebildet sein.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind wenigstens zwei Rotoren axial und radial spielfrei drehfest miteinander verbunden, derart, dass Drehachsen der Rotoren mit der ersten Drehachse zusammenfallen. Die zugehörigen Gegenrotoren sind axial und radial spielfrei drehfest miteinander verbunden, derart, dass Drehachsen der Gegenrotoren mit der zweiten Drehachse zusammenfallen.
  • Hierdurch ist es möglich, eine Reihenschaltung von Arbeitsräumen zu erzeugen. Für die einzelnen Stufen können die Rotoren sowie die Gegenrotoren gleich gestaltet sein, wobei hier der Trennsteg jeweils an der dritten Stirnfläche der Rotoren angeordnet ist, wobei durch die Trennstege die einzelnen Arbeitsräume voneinander fluiddicht getrennt sind. Damit beispielsweise gleiche Rotoren für eine Reihenschaltung verwendet werden kann, kann beispielsweise konzentrisch zur Drehachse an der dritten Stirnfläche des Rotors eine Öffnung angebracht sein, in die ein an einer der dritten Stirnfläche gegenüberliegenden vierten Stirnfläche des Rotors ausgeformter Zapfen greifen kann. Die axiale und radiale Spielfreiheit sowohl der Rotoren als auch der Gegenrotoren gewährleistet, dass bei einer Montage der einzelnen Rotoren mit den einzelnen Gegenrotoren die Fluiddichtigkeit zwischen den einzelnen Arbeitsräumen bereits bei der Montage erfolgen kann. Zum Ausgleich möglicher Fertigungstoleranzen und zur Erzeugung der Fluiddichtigkeit kann ein Einschleifvorgang erforderlich sein.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Rotor-Gegenrotor-Anordnung der Drehkolbenmaschine in einem Elektromotor integriert.
  • Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass der Elektromotor sich in einem als gerader Kreiszylinder geformten Gehäuse befindet, wobei mittig in dem Gehäuse die Rotor-Gegenrotor-Anordnung angeordnet ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die dritte Stirnseite des Rotors der Rotor-Gegenrotor-Anordnung in einer fünften Stirnseite eines den Elektromotor umgebenden Gehäuses gelagert. Eine der dritten Stirnseite des Rotors gegenüberliegende vierte Stirnseite des Rotors der Rotor-Gegenrotor-Anordnung ist mit einem Außenläufer des Elektromotors drehfest verbunden. Mittels des Außenläufers des Elektromotors werden der Rotor und damit auch der Gegenrotor angetrieben. Die fünfte Stirnseite des Gehäuses kann kugelförmig ausgebildet sein, um die der fünften Stirnseite zugewandten Arbeitsräume der Rotor-Gegenrotor-Anordnung abzudichten. In vorteilhafter Weise wird demnach der große Durchmesser der Verzahnung in Richtung der fünften Stirnseite und der kleine Durchmesser der Verzahnung dem Außenläufer zugeordnet. Während des Betriebs wird aufgrund der durch das zu verdichtende Medium auf die Rotor-Gegenrotor-Anordnung wirkenden Kräfte der Rotor in Richtung der fünften Stirnseite gedrückt. Somit wirken auf den Außenläufer des Elektromotors keine Axialkräfte. Die dann auf den Gegenrotor durch das zu verdichtende Medium wirkenden Axialkräfte sind entgegengesetzt der Axialkraft, die auf den Rotor wirkt. In der Regel wird diese auf den Gegenrotor wirkende Axialkraft durch ein Axiallager aufgenommen.
  • In einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung sind an der dritten und der vierten Stirnfläche des Rotors Lagerzapfen in Form von geraden Kreiszylindern ausgebildet, die konzentrisch zu der ersten Drehachse angeordnet sind.
  • Diese Lagerzapfen können auf einfache Weise durch Gleit- und/oder Wälzlager aufgenommen werden, wobei sich diese Lager an einer Gehäuseinnenwandung des Gehäuses abstützen können und entsprechend die an der Rotor-Gegenrotor-Anordnung angreifenden Kräfte in das Gehäuse einleiten.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Gegenrotor an seiner Außenwandung wenigstens einen Lagersitz auf, der von einem Lager umgeben ist, welches sich an einer Gehäuseinnenwandung des Gehäuses abstützt.
  • Durch die Anbringung von Lagersitzen an der Außenwandung des Gegenrotors ist es möglich, den Gegenrotor auf seiner Länge auch mehrfach abzustützen. Eine mehrfache Abstützung entlang der Außenwandung des Gegenrotors kann beispielsweise dazu dienen, um ein Ausbeulen eines besonders dünnwandig ausgeführten Gegenrotors in Verbindung mit hohen Drücken zu reduzieren. Hierbei dient das die Außenwandung umschließende Lager gleichzeitig als Versteifung. In der Regel wird die Außenwandung zwei Lagersitze aufweisen, von denen ein Lagersitz zur Aufnahme einer Festlagerung und der andere Lagersitz zur Aufnahme einer Loslagerung dient. Insbesondere die Festlagerung kann auch zur Aufnahme von Axialkräften ausgelegt sein, so dass hier auch ein kombiniertes Axial-Radial-Lager verwendet werden kann.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die fünfte Stirnfläche als kugelförmige Fläche um den gemeinsamen Mittelpunkt ausgebildet und eingerichtet, den wenigstens einen ersten Arbeitsraum gegenüber einem Gehäuse abzudichten.
  • Auf diese Weise gelangt kein zu verdichtendes Fluid aus der Rotor-Gegenrotor-Anordnung in den elektrischen Antrieb.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Elektromotor als ein bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet. Insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren besitzen eine lange Lebensdauer, da auf sich abnutzende Bürsten verzichtet worden ist. Auch findet kein Abrieb innerhalb des Elektromotors statt, der möglicherweise zum einen in die die Rotor-Gegenrotor-Anordnung aufnehmenden Lager und zum anderen in die als Dichtfläche gestaltete fünfte Stirnfläche gelangen könnte. Natürlich kann der Elektromotor auch als ein Asynchronmotor mit Außenläufer ausgebildet sein.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Drehkolbenmaschine anstatt mit einer Rotor-Gegenrotor-Anordnung mit einer Rotor-Stator-Anordnung ausgeführt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Rotor und der Gegenrotor einstückig ausgeführt.
  • Es wird angemerkt, dass Gedanken zu der Erfindung hierin im Zusammenhang mit einer Drehkolbenmaschine mit einem Rotor und einem Gegenrotor beschrieben sind. Einem Fachmann ist hierbei klar, dass die einzelnen beschriebenen Merkmale auf verschiedene Weise miteinander kombiniert werden können, um so auch zu anderen Ausgestaltungen der Erfindung zu gelangen.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1
    zeigt eine Rotor-Gegenrotor-Anordnung nach dem Stand der Technik,
    Figur 2
    zeigt einen Längsschnitt der Rotor-Gegenrotor-Anordnung nach dem Stand der Technik aus Figur 1,
    Figur 3
    zeigt eine erfindungsgemäße Rotor-Gegenrotor-Anordnung,
    Figur 4
    zeigt einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Rotor-Gegenrotor-Anordnung aus Figur 3,
    Figur 5
    zeigt eine Explosionszeichnung der erfindungsgemäßen Rotor-Gegenrotor-Anordnung,
    Figur 6
    zeigt einen Längsschnitt durch eine Rotor-Gegenrotor-Anordnung mit Trennsteg,
    Figur 7
    zeigt einen Längsschnitt durch eine Rotor-Gegenrotor-Anordnung mit zwei in Reihe geschalteten Rotoren mit Gegenrotoren,
    Figur 8
    zeigt die Anordnung aus Figur 7 im Röntgenblick,
    Figur 9
    zeigt einen Längsschnitt eines Elektromotors mit einer integrierten Rotor-Gegenrotor-Anordnung,
    Figur 10
    zeigt eine stirnseitige Ansicht des Elektromotors, und
    Figur 11
    zeigt den Elektromotor in der Ansicht von Figur 10 im Röntgenblick.
    Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
  • An dieser Stelle soll vorausgeschickt werden, dass gleiche Teile in den einzelnen Figuren gleiche Bezugszeichen aufweisen.
  • Figur 1 zeigt eine Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung nach dem Stand der Technik. Hierbei weist der Rotor 2 eine erste Stirnfläche 6 mit einer ersten Verzahnung 8 auf, wobei die erste Verzahnung 8 aus einem ersten Zahn 10 und einer ersten Zahnlücke 12 gebildet ist. Der Gegenrotor 4 weist eine zweite Stirnfläche 16 mit einer zweiten Verzahnung 18 auf, wobei die zweite Verzahnung 18 aus einem zweiten Zahn 20 und einer zweiten Zahnlücke 22 mit einem insbesondere in Figur 2 sichtbaren zweiten Zahngrund 24. Hierbei werden durch Kämmen der ersten Zähne 10 der ersten Verzahnung 8 und der zweiten Zähne 20 der zweiten Verzahnung 18 erste Arbeitsräume 28 ausgebildet, wobei durch die ersten Arbeitsräume 28 gebildete Volumina durch das Kämmen der Zähne 10, 20 verändert werden. Der Rotor 2 rotiert um eine erste Drehachse I und der Gegenrotor 4 rotiert um eine zweite Drehachse II. Die erste Drehachse I und die zweite Drehachse II schließen einen ersten Winkel ϕ ein, der ungleich 0° ist. Weiterhin ist eine sich ergebende größte Öffnung des Arbeitsraumes als ein sich entlang einer ersten Außenkontur 34 der Rotor 2- Gegenrotor 4-Anordnung erstreckender fetter Strich dargestellt.
  • Figur 2 zeigt eine Längsschnittdarstellung der Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung aus Figur 1 nach dem Stand der Technik. Ergänzend zu der Darstellung in Figur 1 ist ersichtlich, dass sich die erste Drehachse I und die zweite Drehachse II in einem gemeinsamen Mittelpunkt M schneiden. An der Stirnfläche 16 des Gegenrotors 4 ist eine Kugelkappe 30 angeformt. Eine zweite Außenkontur 36 der Kugelkappe 30 besitzt einen ersten Durchmesser d, der durch den gemeinsamen Mittelpunkt M verläuft. An dem Rotor 2 ist konzentrisch zu dessen erster Drehachse I eine zu der zweiten Außenkontur 36 komplementär ausgebildete Stützfläche 32 ausgebildet. Die Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung bildet die erste Außenkontur 34 in Form eines Halbkugelstumpfes. Diese erste Außenkontur 34 besitzt einen zweiten Durchmesser D, der ebenfalls durch den gemeinsamen Mittelpunkt M verläuft. Eine Zahnlänge L1 der ersten 8 bzw. zweiten Verzahnung 18 wird begrenzt durch die erste 34 und die zweite Außenkontur 36. Eine zweite Verlängerung 26 einer zweiten Mantellinie, die im zweiten Zahngrund 24 und ebenfalls durch den gemeinsamen Mittelpunkt M verläuft, schließt mit der zweiten Drehachse II des Gegenrotors 4 einen zweiten Winkel β ein, wobei der Winkel β nach dem Stand der Technik etwa 80° beträgt.
  • Figur 3 zeigt die Komponenten der Figur 1, wobei der zweite Winkel β, wie dies insbesondere in Figur 4 ersichtlich ist, auf 22,5° reduziert ist. Deutlich sichtbar ist, dass der Rotor 2 und der Gegenrotor 4 bei gleichem Volumen des ersten Arbeitsraumes 28 gegenüber der Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung gemäß dem Stand der Technik langgestreckter ausgebildet ist. Zudem ist eine Ausformung einer Außenwandung 44 des Gegenrotors 4 als Kegelstumpf möglich. Der Rotor 2 kann somit von dem Gegenrotor 4 zumindest in weiten Bereichen umschlossen werden. Durch die Veränderung des zweiten Winkels β auf 22,5 ergibt sich, wie insbesondere in Figur 4 ersichtlich, eine gegenüber der ersten Zahnlänge L1 verlängerte zweite Zahnlänge L2. Zudem ist die Kugelkappe 30 des Gegenrotors 4 sowie die mit der Kugelkappe 30 korrespondierende Stützfläche 32 erheblich flacher ausgestaltet, wie an der zweiten Außenkontur 36 sichtbar ist. Dies ist auch darauf zurückzuführen, dass der gemeinsame Mittelpunkt M sich nunmehr außerhalb der Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung befindet. Weiterhin ersichtlich ist, dass eine sich im Bereich der ersten Außenkontur 34 ergebende größte Öffnung 14 des ersten Arbeitsraumes 28, in den Figuren 1 und 3 fett dargestellt, sich gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Stand der Technik stark verkleinert hat.
  • Figur 5 zeigt eine Explosionszeichnung der erfindungsgemäßen Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung. Hierbei ist an einer dritten Stirnfläche 38 konzentrisch zu der ersten Drehachse I ein Lagerzapfen 40 angeformt. An einer der dritten Stirnfläche 38 gegenüberliegenden vierten Stirnfläche 42 ist ebenfalls konzentrisch zu der ersten Drehachse I ein weiterer Lagerzapfen 40 angeformt. An der Außenwandung 44 des Gegenrotors 4 sind zwei Lagersitze 46 zur Aufnahme von hier nicht dargestellten Lagern ausbildet. Durch die Änderung des zweiten Winkels β auf 22,5° haben der Rotor 2 und der Gegenrotor 4 ihre geometrische Form dahingehen verändert, als dass sowohl der Rotor 2 als auch der Gegenrotor 4 die Form eines Kegelstumpfes angenommen haben. Hierbei sind die erste 6 und die zweite Stirnfläche 16 mit ihren jeweiligen Verzahnungen 8, 18 von einer ursprünglich stirnseitigen Anordnung zu einer nunmehr umfänglichen Anordnung verändert. Die erste Stirnfläche 6 bildet nunmehr eine äußere Mantelfläche des kegelstumpfförmig gestalteten Rotors 2 und die zweite Stirnfläche 16 bildet eine innere Mantelfläche des hohlkegelstumpfförmig gestalteten Gegenrotors 4. Für die weitere Beschreibung werden die äußere und die innere Mantelfläche nach wie vor als Stirnfläche 6, 16 bezeichnet.
  • Figur 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung mit einem Trennsteg 48. Dieser Trennsteg 48 trennt räumlich eine sich an die erste Verzahnung 8 anschließende dritte Verzahnung 52, die durch einen dritten Zahn 54 und eine dritte Zahnlücke 56 gebildet ist. Der Trennsteg 48 ist kugelschalenförmig ausgebildet und mit dem Rotor 2 unlösbar verbunden. Am Trennsteg 48 ist eine der dritten Verzahnung 52 zugewandte kugelförmige Stirnfläche 49 ausgebildet, wobei die kugelförmige Stirnfläche 49 einen durch den gemeinsamen Mittelpunkt M verlaufenden Durchmesser aufweist. Der Trennsteg 48 taucht in eine komplementär in dem Gegenrotor 4 ausgebildete Nut 50 ein. Diese Nut 50 trennt räumlich die zweite Verzahnung 18 von der sich an diese zweite Verzahnung 18 anschließenden vierten Verzahnung 58, wobei die vierte Verzahnung 58 aus wenigstens einem vierten Zahn 60 und wenigstens einer vierten Zahnlücke 62 gebildet ist. Weiterhin trennt der Trennsteg 48 im Zusammenspiel mit der Nut 50 den durch wenigstens einen ersten Arbeitsraum 28 von einem zweiten Arbeitsraum 66, der durch Kämmen der zweiten Zähne 54 und der vierten Zähne 60 gebildet ist, räumlich und fluiddicht. In dem vorliegenden Beispiel sind der Rotor 2 sowie der Gegenrotor 4 einstückig und rotationssymmetrisch ausgeführt. Auch ist die Anzahl der ersten Zähne 10 und die Anzahl der dritten Zähne 54 sowie die Anzahl der zweiten Zähne 20 und die Anzahl der vierten Zähne 60 gleich. Die Anzahl der ersten Zähne 10 bzw. der dritten Zähne 54 ist um einen Zahn geringer als die Anzahl der zweiten Zähne 20 bzw. der vierten Zähne 60. Ein zu verdichtendes Fluid wird in dieser Anordnung zuerst dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum 28 zugeführt, um es vorzuverdichten. Anschließend wird das vorverdichtete Fluid dem wenigstens einen zweiten Arbeitsraum 66 zugeführt, um es auf seinen Enddruck zu verdichten. Somit erfolgt eine mehrstufige Verdichtung. Auch kann ein zu verdichtendes Fluid in einen ersten und einen zweiten Volumenstrom aufgespalten werden, wobei der erste Volumenstrom dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum 28 und der zweite Volumenstrom dem wenigstens einen zweiten Arbeitsraum 66 zum Verdichten zugeführt wird. Hierbei handelt es sich um eine mehrflutige Anwendung.
  • Figur 7 zeigt einen Längsschnitt durch eine Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung mit zwei in Reihe geschalteten Rotoren 2 mit zugehörigen Gegenrotoren 4. Die in Figur 7 dargestellten Rotoren 2 unterscheiden sich von dem in Figur 5 dargestellten Rotor 2 dadurch, dass der an der dritten Stirnfläche 38 angeformte Lagerzapfen 40 in der hier vorliegenden Figur durch eine Lagerbohrung 72 ersetzt worden ist. Hierdurch lassen sich entlang der ersten Drehachse I nunmehr mehrere Rotoren 2 axial und radial spielfrei drehfest miteinander verbinden, indem der an der vierten Stirnfläche 42 angeformte Lagerzapfen 40 in die hierfür vorgesehene Bohrung 72 eingreift. Um die sich bildenden ersten Arbeitsräume 28 stirnseitig zu begrenzen, ist der aus Figur 6 bereits bekannte Trennsteg 48 einstückig und konzentrisch bezüglich der ersten Drehachse I an der dritten Stirnfläche 38 angeformt, derart, dass die kugelförmige Stirnfläche 49 des Trennstegs 48 der ersten Verzahnung 8 zugewandt ist. Weiterhin ist die Außenwandung 44 des Gegenrotors 4 an einer dem Trennsteg 48 zugewandten Stirnseite 69 mit einer zu der kugelförmigen Stirnfläche 49 komplementär ausgestalteten Vertiefung 68 ausgestattet, die in Verbindung mit der Stirnfläche 49 des Trennstegs 48 fluiddicht gestaltet ist. Es kann auch auf die Vertiefung 68 verzichtet werden, so dass die Stirnseite 69 des Gegenrotors 4 zu der kugelförmigen Stirnfläche 49 des Trennstegs 48 komplementär ausgebildet ist und in Verbindung mit dem Trennsteg 48 den wenigstens einen ersten Arbeitsraum 28 fluiddicht begrenzt. Auch die zugehörigen Gegenrotoren 4 sind axial und radial spielfrei drehfest miteinander verbunden. Die in Figur 7 dargestellte zweistufige Reihenschaltung kann selbstverständlich mittels weiterer Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnungen erweitert werden. Derartige Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnungen können dann mehrstufig und/oder mehrflutig betrieben werden.
  • Figur 8 zeigt die Anordnung aus Figur 7 im Röntgenblick. Hierbei ist insbesondere ersichtlich, dass die Reihenschaltung aus identischen Rotoren 2 mit den zugehörigen Gegenrotoren 4 aufgebaut ist.
  • Figur 9 zeigt die in Figur 5 dargestellte Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung in einem Elektromotor 70 integriert. Natürlich kann auch eine Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung beispielsweise gemäß Figur 7 verwendet werden. Der an der dritten Stirnfläche 38 ausgeformte Lagerzapfen 40 ist in einem Radiallager 88 aufgenommen, welcher sich in einem Dom 86 befindet, wobei der Dom 86 mit dem Gehäuse 73 einstückig ausgebildet ist. Der an der vierten Stirnfläche 42 angeformte Lagerzapfen 40 wird in einem kombinierten Axial-Radiallager 76 aufgenommen. Hierbei wird der Lagerzapfen 40 radial aufgenommen und der Gegenrotor 4 stützt sich mit seiner an der Außenwandung 44 angeformten sechste Stützfläche 45 axial an diesem Lager 76 ab. Die beiden Lagersitze 46 werden je von einem Radiallager 74 aufgenommen, wobei sich die beiden Radiallager 74 an einer Gehäuseinnenwandung 78 des Gehäuses 73 abstützen. Somit werden sämtliche von dem zu verdichtenden Fluid auf die Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung ausgehenden Axial- und Radialkräfte in das Gehäuse 73 eingeleitet und von diesem aufgenommen. Weiterhin ersichtlich ist, dass die der dritten Stirnfläche 38 gegenüberliegende vierte Stirnfläche 42 des Rotors 2 als die Stützfläche 32 ausgebildet ist, welche an der Kugelkappe 30 des Gegenrotors 4 anliegt oder vorbestimmt beabstandet ist. Weiterhin weist der Elektromotor einen Außenläufer 84 auf, der drehfest mit dem an der vierten Stirnfläche 42 ausgeformten Lagerzapfen 40 verbunden ist. Da das im Wesentlichen als ein an einer Stirnseite verschlossener Hohlzylinder ausgeformte Gehäuse 73 an seiner einem Deckel 79 zugewandten Stirnseite gut zugänglich ist, können von dieser Seite alle Komponenten montiert werden. Anschließend wird das Gehäuse 73 stirnseitig mittels des Deckels 79 verschlossen. Insbesondere kann das Gehäuse 73 einstückig ausgeformt sein.
  • Wie in Figur 10 ersichtlich ist, befinden sich in der Nähe des Doms 86 eine Einströmöffnung 90 sowie eine Ausströmöffnung 92. Diese Öffnungen 90, 92 sind in der Figur 9 aufgrund des dort gewählten Längsschnitts nicht ersichtlich. Durch die Einströmöffnung 90 strömt ein zu verdichtendes Fluid in sich öffnende Arbeitsräume 28 der Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung der Figur 9 ein, um durch einen Rotationsvorgang des Rotors 2 um die erste Drehachse I und des Gegenrotors 4 um die zweite Drehachse II durch sich schließende Arbeitsräume 28 verdichtet zu werden und den Elektromotor, respektive die Drehkolbenmaschine, über die Ausströmöffnung 92 zu verlassen. Während des Verdichtungsvorganges übt das Fluid sowohl auf den Rotor 2 als auch auf den Gegenrotor 4 eine Kraft aus. Der auf den Rotor 2 wirkende axiale Kraftanteil drückt den Rotor 2 in Richtung einer kugelförmig und komplementär zu der ersten kugelförmigen Außenkontur 34 der Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung ausgebildeten fünften Stirnseite 80 des Gehäuses 73. Auch ein Durchmesser der kugelförmigen fünften Stirnfläche 80 verläuft durch den gemeinsamen Mittelpunkt M. Eine der fünften Stirnseite 80 zugewandte siebte Stirnfläche 82 des Gegenrotors 4 sowie die dritte Stirnfläche 38 des Rotors 2 dichten gemeinsam den Arbeitsraum 28 gegenüber einem Gehäuseinnenraum 98 ab. Der auf den Gegenrotor 4 wirkende axiale Kraftanteil des zu verdichtenden Fluids drückt den Gegenrotor 4 in Richtung des Axial-Radiallagers 76, der diesen Axialkraftanteil aufnimmt. Ein auf den Gegenrotor 4 wirkender radialer Kraftanteil wird in die beiden Radiallager 74 und von dort in das Gehäuse 73 eingeleitet. Die beiden Radiallager 74 können als eine Fest- Los-Lagerung ausgestaltet sein.
  • Figur 11 zeigt den Elektromotor 70 aus der Figur 9 mit der integrierten Rotor 2-Gegenrotor 4-Anordnung als 3D-Darstellung im Röntgenblick. Hierbei ist ersichtlich, dass die Einströmöffnung 90 in einer Eintrittssteueröffnung 94 und die Ausströmöffnung 92 in einer Austrittssteueröffnung 96 münden, wobei die Einströmöffnung 90, die Ausströmöffnung 92, die Eintrittssteueröffnung 94 und die Austrittssteueröffnung 96 als strich-doppelpunktierte Linie dargestellt ist.

Claims (10)

  1. Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter oder Motor arbeitet,
    - mit einem Rotor (2) und einem Gegenrotor (4), wobei der Gegenrotor (4) dem Rotor (2) gegenüberliegend angeordnet ist,
    - wobei der Rotor (2) eine erste Stirnfläche (6) mit einer ersten Verzahnung (8) aufweist und wobei der Gegenrotor (4) eine zweite Stirnfläche (16) mit einer zweiten Verzahnung (18) aufweist
    - wobei die erste Verzahnung (8) aus wenigstens einem ersten Zahn (10) und einer ersten Zahnlücke (12) gebildet ist und wobei die zweite Verzahnung (18) aus zumindest einem zweiten Zahn (20) und einer zweiten Zahnlücke (22) mit einem zweiten Zahngrund (24) gebildet ist,
    - wobei die Verzahnungen (8, 18) miteinander derart in Eingriff stehen, dass durch Kämmen der ersten Zähne (10) der ersten Verzahnung (8) und der zweiten Zähne (20) der zweiten Verzahnung (18) erste Arbeitsräume (28) ausgebildet werden, wobei durch die ersten Arbeitsräume (28) gebildete Volumina durch das Kämmen der Zähne (10, 20) verändert werden,
    - wobei der Rotor (2) eine erste Drehachse (I) aufweist, wobei der Gegenrotor (4) eine zweite Drehachse (II) aufweist, wobei die erste Drehachse (I) und die zweite Drehachse (II) einen ersten Winkel (ϕ) einschließen, der ungleich 0° ist,
    - wobei eine zweite Verlängerung (26) einer zweiten Mantellinie des zweiten Zahngrundes (24), die erste Drehachse (I) und die zweite Drehachse (II) sich in einem gemeinsamen Mittelpunkt (M) schneiden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - ein zwischen der zweiten Verlängerung (26) und der zweiten Drehachse (II) eingeschlossener zweiter Winkel (β) kleiner als 45° ist.
  2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die erste Verzahnung (8) eine dritte Verzahnung (52) und an die zweite Verzahnung (18) eine vierte Verzahnung (58) anschließt, wobei die dritte Verzahnung (52) aus wenigstens einem dritten Zahn (54) und einer dritten Zahnlücke (56) gebildet ist und wobei die vierte Verzahnung (58) aus zumindest einem vierten Zahn (60) und einer vierten Zahnlücke (62) mit einem vierten Zahngrund gebildet ist, wobei die dritte (52) und die vierte Verzahnung (58) miteinander derart in Eingriff stehen, dass durch Kämmen der dritten (54) und der vierten Zähne (60) zweite Arbeitsräume (66) ausgebildet werden, wobei durch die zweiten Arbeitsräume (66) gebildete Volumina durch das Kämmen der Zähne (54, 60) verändert werden, wobei die erste Verzahnung (8) von der dritten Verzahnung (52) und die zweite Verzahnung (18) von der vierten Verzahnung (58) durch einen Trennsteg (48) räumlich getrennt ist.
  3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennsteg (48) an einer dritten Stirnfläche (38) des Rotors (2) ausgebildet ist und in eine zu dem Trennsteg (48) komplementär in dem Gegenrotor (4) ausgebildete Nut (50) und/oder Vertiefung (68) greift, wobei eine der ersten Verzahnung (8) zugewandte Stirnfläche (49) des Trennstegs (48) kugelschalenförmig um den gemeinsamen Mittelpunkt (M) ausgebildet ist.
  4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rotoren (2) axial und radial spielfrei drehfest miteinander verbunden sind, derart, dass Drehachsen der Rotoren (2) mit der ersten Drehachse (I) zusammenfallen und dass die zugehörigen Gegenrotoren (4) axial und radial spielfrei drehfest miteinander verbunden sind, derart, dass Drehachsen der Gegenrotoren mit der zweiten Drehachse (II) zusammenfallen.
  5. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotor (2)-Gegenrotor (4)-Anordnung in einem Elektromotor (70) integriert ist.
  6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Stirnseite (38) des Rotors (2) der Rotor (2)-Gegenrotor (4)-Anordnung in einer fünften Stirnseite (80) eines den Elektromotor (70) umgebenden Gehäuses (73) gelagert ist und dass eine der dritten Stirnseite (38) des Rotors (2) gegenüberliegende vierte Stirnseite (42) des Rotors (2) der Rotor (2)-Gegenrotor (4)-Anordnung mit einem Außenläufer (84) des Elektromotors (70) drehfest verbunden ist.
  7. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der dritten (38) und der vierten Stirnfläche (42) des Rotors (2) Lagerzapfen (40) in Form von geraden Kreiszylindern ausgebildet sind, die konzentrisch zu der ersten Drehachse (I) angeordnet sind.
  8. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenrotor (4) an seiner Außenwandung (44) wenigstens einen Lagersitz (46) aufweist, der von einem Lager (74) umgeben ist, welches sich an einer Gehäuseinnenwandung (78) eines Gehäuses (73) abstützt.
  9. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Stirnseite (80) als kugelförmige Fläche um den gemeinsamen Mittelpunkt (M) ausgebildet ist und eingerichtet ist, den wenigstens einen ersten Arbeitsraum (28) gegenüber dem Gehäuse (73) abzudichten.
  10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (70) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.
EP11773012.7A 2010-12-20 2011-10-24 Zahnradmaschine mit kleinem durchmesser-längenverhältnis Active EP2655802B1 (de)

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