EP3943710B1 - Flügelzellenmaschine - Google Patents

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EP3943710B1
EP3943710B1 EP20190896.9A EP20190896A EP3943710B1 EP 3943710 B1 EP3943710 B1 EP 3943710B1 EP 20190896 A EP20190896 A EP 20190896A EP 3943710 B1 EP3943710 B1 EP 3943710B1
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EP
European Patent Office
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vane
rollers
control
machine according
seal
Prior art date
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EP20190896.9A
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English (en)
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EP3943710A1 (de
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Dimitris Ziremidis
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP3943710B1 publication Critical patent/EP3943710B1/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/30Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F04C2/34Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in groups F04C2/08 or F04C2/22 and relative reciprocation between the co-operating members
    • F04C2/344Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in groups F04C2/08 or F04C2/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member
    • F04C2/3446Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in groups F04C2/08 or F04C2/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member the inner and outer member being in contact along more than one line or surface
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C19/00Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
    • F01C19/005Structure and composition of sealing elements such as sealing strips, sealing rings and the like; Coating of these elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01C21/00Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08Rotary pistons
    • F01C21/0809Construction of vanes or vane holders
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    • F01C21/0836Vane tracking; control therefor by mechanical means comprising guiding means, e.g. cams, rollers
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    • F01C21/0881Construction of vanes or vane holders the vanes consisting of two or more parts
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    • F01C21/10Outer members for co-operation with rotary pistons; Casings
    • F01C21/104Stators; Members defining the outer boundaries of the working chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C2230/00Manufacture
    • F04C2230/85Methods for improvement by repair or exchange of parts

Definitions

  • the invention relates to a vane cell machine according to the preamble of claim 1.
  • Such a vane machine is in the DE 10 2017 117 988 A1 described.
  • This has a housing enclosing a chamber with a side wall and two end walls and a rotor arranged in the chamber with a rotor body.
  • the inside of the first end wall has a first groove and the inside of the second end wall has a second groove that is mirror-symmetrical to the first groove.
  • the rotor body has an outer surface from which four slots extend into the rotor body.
  • a wing is movably arranged in each slot, each wing carrying a first cam engaging the first groove and a second cam engaging the second groove, so that a positive control for the wings is formed.
  • the geometry described in this publication has proven to be fundamentally very favorable.
  • the WO 2010/118518 A1 shows a vane machine with a groove control, in which two coaxial rollers are provided per vane and groove, so that one of these rollers interacts exclusively with the radially outer surface of the groove and the other roller exclusively with the radially inner surface of the groove.
  • the patent specification U.S. 98739 relates to a vane machine with one-sided guidance of spaced rollers and with a rigid roller support for one of the rollers, while the second of the spaced rollers is attached directly to the vane.
  • the rollers and the roller carrier are mounted radially below the vanes.
  • the present invention sets itself the task of improving the generic vane cell machine in such a way that its internal friction is reduced and thus its efficiency is improved.
  • the vane machine should be able to be designed in such a way that its geometry at least essentially corresponds to the geometry in the DE 10 2017 117 988 A1 described vane machine corresponds.
  • each control element has a roller carrier on which the rollers of a pair of rollers are rotatably held, with the roller carrier itself being held on the wing body so that it can at least pivot - usually rotatably - about an axis .
  • the axes of all rollers and the axes of all roller carriers are generally parallel to the axis of the rotor body. According to the invention, the axes of the rollers of a pair of rollers are spaced apart and the control rail is located between the two rollers.
  • this allows the radially inner control surface and the radially outer control surface of a control rail to be parallel to one another, so that each control rail has a constant thickness.
  • the distance between the axes of the rollers in a pair of rollers is preferably adjustable so that the control elements can be easily adjusted.
  • each of the vanes has a vane body which carries a seal, the seals preferably being made of a low-friction material, in particular Teflon.
  • the radial end faces of the seals form real faces, not just narrow lines. It is therefore further preferred that the radial end faces each have a width of at least 3 mm, more preferably at least 5 mm.
  • each seal has a seal main body which has a U-shaped cross section such that each seal main body has two side walls and an end wall, the radially outer end region of each wing body extends into the seal main body and the seal main body is movable in the radial direction with respect to the wing body, wherein preferably at least one first elastic member is provided between the gasket main body and the wing body, which radially outwardly presses the gasket main body against the inside of the side wall.
  • the vane cell machine is used as a unidirectional compressed air motor, it can be preferable for at least one opening to extend through a side wall of a main seal body, as a result of which an even better sealing effect can result.
  • each seal also has two axial end pieces, each with an axial end surface.
  • the axial end pieces are preferably predominantly accommodated between the two side walls of the main seal body.
  • the rotor body has at least two wing guides into which the slots extend, and jacket elements in the form of sections of a cylinder jacket extending between the wing guides.
  • the rotor body can be designed to be essentially hollow.
  • each vane guide includes a vane guide body and guide rollers extending into the slots and guiding the respective vane body, with the axes of the guide rollers extending parallel to the axis of the rotor body.
  • the geometry of the vane machine is preferably chosen as it is from the DE 10 2017 117 988 A1 is known. This means that the following configurations are preferred, with all combinations of these configurations being possible:
  • the two main sections of the inside of the sidewall are sections of the inner surface of a hollow cylinder, the radius of which is larger than the radius of the rotor body.
  • Each control rail is inherently symmetrical with respect to the axis of rotation of the rotor body and has no other symmetry.
  • the maximum radius of the control rails related to the axis of rotation of the rotor body corresponds to at least 80%, preferably at least 90% of the radius of the rotor body.
  • the wing bodies are held in the slots without prestressing, in order to further minimize the friction.
  • the forced control is such that when moving through a chamber section, the rear vane body in the direction of movement is transferred to its closed position before the front vane body in the direction of movement is transferred to its open position, so that the vane cell machine acts as a check valve when the rotor is at a standstill.
  • the slots preferably extend radially into the rotor body.
  • the figure 11 shows all components of the vane machine. This has a housing enclosing a chamber and a rotor 38 rotatably held in this chamber.
  • the housing consists of three parts, namely a side wall 12 and two end walls 20, 21.
  • the two end walls 20, 21 each have a bore 21a for the rotor shaft 48. Through the centers of these holes 21a
  • the straight line running defines the geometric axis of the vane machine and the axis of rotation D of the rotor body 40.
  • the inside 14 of the side wall 12 has two main sections 14a, 14b, which in the exemplary embodiment shown (and this is the preferred, geometrically simplest case) are each inner surface sections of a hollow cylinder extending around the geometric axis.
  • the two main sections 14a, 14b are separated from one another by two intermediate sections 14c, 14d.
  • the shape of these intermediate sections 14c, 14d is such that they are closer to the geometric axis than the main sections 14a, 14b.
  • the intermediate sections 14c, 14d are essentially flat. However, this is not mandatory; they could, for example, also be curved inwards or merely have a smaller curvature than the main sections 14a, 14b.
  • Two openings 18a-18d extend through each of the intermediate sections 14c, 14d. These are each offset with respect to the center of the respective intermediate section 14c, 14d.
  • the openings could also extend into the main sections 14a, 14b.
  • the bores preferably run obliquely, namely inclined in the direction of the adjacent main section.
  • the inner side 14 preferably carries a seal 15a, 15b between two bores of an intermediate section or is designed as a seal.
  • connection pieces preferably connect to the openings 18a to 18d (in figure 15 shown in the Figures 11 and 12 not).
  • the rotor 38 has a cylindrical rotor body 40 in which four radial slots 47 extend symmetrically.
  • the diameter of the rotor body 40 essentially corresponds to the distance between the two intermediate sections 14c, 14d of the side wall in such a way that the lateral surface of the rotor body is preferably in contact with the two seals 15a, 15b.
  • a wing 50 to 53 is held radially displaceable. There is no frictional connection between the rotor body 40 and the wings 50 to 53, so that these can move freely in their slots 47, at least in radial directions, as long as the rotor 38 is not installed in the housing.
  • Each wing has a rigid wing body (wing body 54 of first wing 50 is shown in Figs Figures 13 and 14 denoted by the reference numeral 54), from which two cams 60-63 extend in the axial direction, which are located at least in sections outside of the slot 47. Only the second cams 60 to 63 pointing in the direction of the second end wall 21 are shown in the figures.
  • the first cams arranged symmetrically to this point towards the first end wall 20.
  • the cams are rigidly connected to the wing bodies or formed in one piece with them.
  • each wing body (the first wing body 54 is shown) carries a seal 80 . It is further preferred that this seal 80 is connected to the wing body 54 by means of at least one spring (usually several springs) 72, which presses the seal radially outwards.
  • the assembly thus formed is referred to as wings 50-53.
  • the cams 60 - 63 are part of a positive control for the wing body 54.
  • the counterparts to this positive control are formed by grooves in the inner sides of the end walls 20,21. Shown is the groove 30 in the inside 22 of the first end wall 20.
  • the second groove in the inside of the second end wall 21 is mirror-symmetrical to this with respect to a plane which is perpendicular to the geometric axis of the device.
  • the shape of the first groove (and thus also that of the second groove) will now be described with reference to FIG figures 17 and 18 explained in more detail:
  • the groove 30 has a radial outside 30a and a radial inside 30b. Since the vane bodies are positively controlled exclusively by the grooves and the cams, both the radially outer side 30a and the radially inner side 30b contribute to the positive control.
  • the groove is arranged radially as far outward as possible. How to particular the figure 15 takes, the radius corresponds to the radial outside 30a of the groove in the main sections 30, 31 almost the radius of the rotor body 40.
  • the groove 30 has two main sections 31, 32 which are concentric with the main sections 14a, 14b of the inner side 14 of the side wall 12.
  • FIG. The two main sections 31, 32 are connected to one another by the intermediate sections 33, 34 in the region of the intermediate sections 14c, 14d of the inside 14.
  • These intermediate sections 33, 43 have their radially outermost point exactly in the position of the centers of the intermediate sections 14c, 14d of the inner side 14.
  • First legs 33a, 43a and 33b, 43b extend from this point.
  • the first and second legs are not symmetrical to one another.
  • the first legs 33a, 33b are slightly longer than the second legs 33b, 43b.
  • first legs are symmetrical to one another and the second legs are symmetrical to one another, so that the groove 30 is point-symmetrical with respect to the geometric axis D overall.
  • the points at which the legs 33a, 43a, 33b, 43b and the main sections 31, 32 meet are referred to as transition points P1 to P4.
  • the two legs are at a very flat angle to one another, which could also be 0°.
  • the asymmetry just described can also be expressed in angles ( 18 ): If one defines the first straight line G1, which is perpendicular to the axis of rotation D and extends through the centers of the intermediate sections 14c, 14d of the inside 14 of the side wall 12, the second straight line G2, which is perpendicular to the axis of rotation D and extends through the first transition point P1 and the third transition point P3, and the third straight line G3, which is perpendicular to the axis of rotation D and extends through the second transition point P2 and the fourth transition point P4, the result is between the first straight line G1 and the second straight line G2 the first angle of intersection ⁇ and between the first straight line G1 and the third straight line G3 the second angle ⁇ , where the following applies: ⁇ > ⁇ .
  • the difference is 1 to 3 degrees. In the specific embodiment shown, the difference is 2° because ⁇ is 40° and ⁇ is 38°.
  • the function here can be both the motor function and the suction-pump function.
  • the device acts as a motor, ie a fluid (a liquid or a gas) flows through it and thus drives the rotor.
  • the rotor rotates clockwise in the direction of view.
  • the openings 18c and 18b serve as inlets
  • the openings 18a and 18d serve as outlets.
  • these roles are reversed.
  • the first wing 50 is at the 6 o'clock position
  • the second wing 51 is at the 9 o'clock position
  • the third wing 52 is at the 12 o'clock position
  • the third wing 53 is at the 3 o'clock position.
  • the 6 o'clock and 12 o'clock positions correspond to the positions of the smallest distance between the inner side 14 and the axis of rotation D.
  • the outer surface 46 of the rotor body 40 is almost in contact with the inner side 14 of the side wall 12, or it is in contact with the respective seal 15a, 15b, which means the wings are fully in their slots.
  • fluid now flows into part of the first chamber section K1 between the first vane 50 and the second vane 51 and into part of the second chamber section K2 between the third vane 52 and the fourth vane 53.
  • This creates a tangential force on the second and fourth vanes 51, 52, thereby driving the rotor.
  • An ideal pair of forces is formed so that a pure torque acts on the rotor shaft.
  • the forced control described now moves the first wing 50 radially outward ( figure 21 and 22 ) while the second vane 51 remains in its radially outer, closed position.
  • the first vane 50 by overcoming the third transition point P3, reaches its radially outer, closed position, while the second wing 51 has not yet reached its transition point P4, i.e. it is still in the closed position.
  • the first wing thus reaches its radially outer, closed end position before the second wing reaches its transition point P4 and begins to open.
  • the fluid located between these two vanes 50, 51 exerts no or only a relatively small force on the second vane 51, so that when the fourth transition point P4 is exceeded by the positive control while overcoming only a small amount of friction, it slowly moves into the radially inner , open position is transferred.
  • the movement sequence described is, of course, also completely analogous when the device is operated as a pump, so that very low-friction operation and a correspondingly high level of efficiency result here as well.
  • the type of wing control described (“the rear wing in the direction of rotation closes in a chamber section before the front wing begins to open") is also obtained for the opposite direction of rotation despite the slight asymmetry of the groove.
  • the device can therefore work bi-directionally.
  • this vane machine has a housing with a side wall 112 and two end walls 120, 121, a rotor 138 with a rotor body 140 and a plurality of vanes 150, which are held in slots of the rotor body 140 on.
  • each wing 150 has a wing body 154 and a seal 180 held on the wing body.
  • Each wing namely each wing body, carries a control element 160 at each of its axial ends, so that each wing body carries a first and a second control element, which, however, have not been given different reference numbers here.
  • the rotor shaft 148 extends through the rotor body 140 .
  • a sealing disk 125 , 126 is provided between the end walls 120 , 121 and the side wall 112 .
  • the rotor body 140 of this vane machine is essentially hollow, which leads to a significant weight reduction.
  • the rotor body 140 has at least two (preferably three) wing guides 141 and casing elements 145 .
  • the wing guides 141 have the slots for the wings 150 and a skirt member 145 always extends between two slots. Since in the exemplary embodiment shown—and this is also preferred—exactly four wings 150 arranged symmetrically to one another are provided, each casing element 145 is, viewed geometrically, essentially a quarter of a rotationally symmetrical cylinder casing.
  • the wing guides 141 will be discussed in detail later.
  • the side walls of the seals 180 of the wings are in sliding connection with the shell elements 145 and seal the respective chambers together with the Shell elements from, so that the interior of the rotor body 140, as mentioned, can be substantially hollow.
  • the inside 122 has a control rail 130 on.
  • This control rail has a radially outer control surface and a radially inner control surface. These two control surfaces have a constant distance from each other, that is, the control rail has a constant thickness and can be produced, for example, by a sheet metal strip welded on.
  • the control rail 130 extends from the surrounding surface of the inside 122 in the axial direction inwards, i.e. in the direction of the rotor body 140.
  • This control rail 130 also has two main sections 131, 132 and two intermediate sections 133, 134, the intermediate sections being straight here.
  • the figure 3 shows a section of the in figure 2 Shown in an enlarged view.
  • each wing guide 141 is composed of several parts, namely two parts 142a, 142b of a wing guide body and roller cages 144 arranged between these two parts 142a, 142b, in which guide rollers 143 - in the exemplary embodiment shown two pieces each - are arranged .
  • the slots 147 extend (four pieces here) and the guide rollers 143 are arranged in such a way that two guide rollers protrude slightly from both sides into the slot defined by the wing guide body 142, with two guide rollers lying opposite one another. At least three guide rollers must be provided for each slot 147 . Through These guide rollers 143 hold the wings in the slots with very little friction.
  • the Figures 6 to 7 each show a wing 150, which is intended to be accommodated in the rotor body, and the two control elements 160 for this wing.
  • This wing 150 has a wing body 154 which can be made of a rigid material such as steel or aluminum. Since at least a large part of the wing body is always located inside the rotor body 140 and the rotor body, as already mentioned, is sealed towards the inside, the wing body 150 has recesses to save weight.
  • a control element 160 having two rollers 174 extends from both radial ends of the wing body 150 and interacts with a respective control rail 130 in such a way that one roller rolls on the radially outer control surface and the other roller rolls on the radially inner control surface.
  • each control element 160 has a roller carrier 170 which is held on the wing body 154 so as to be rotatable about an axis and which carries the two rollers.
  • the wing body 154 tapers somewhat towards the radial end, but again has an essentially wedge-shaped protuberance 155 within each taper, which will be discussed later.
  • the seal 180 is constructed in three parts here, namely it has a main seal body 181 and two axial end pieces 187 .
  • First springs 191 serve to urge the seal main body 181 and also the end pieces 187 radially outward; second springs 192 serve to push the end pieces 187 axially outwards.
  • the seal main body 181 has an end wall 182 and two side walls 184, 185, so that the gasket main body 181 has a substantially U-shaped cross section and is fitted externally to the wing body 154 in such a manner that the side walls 184, 185 are partially located on the outside of the wing body 154; the main seal body 181 is thus, as it were, turned over onto the wing body 154 . Thereby, the close sealing between the seal main body 181 and the skirt members 145 is achieved.
  • the side walls 184, 185 extend at the axial ends beyond the end wall 182, so that receiving areas for the end pieces 187 are created.
  • a tongue 183 extends from each axial end of the end wall 182 and the end pieces 187 have a groove 189 for receiving this tongue 183, so that the radial position of the axial end pieces with respect to the seal main body is defined.
  • each end piece 187 has a notch 188 matching the protuberance 155 of the wing body. This allows the radial end pieces to move in both the radial direction (along with the seal main body) and the axial direction with respect to the vane body 154 without losing contact therewith.
  • the radially outer surfaces of the seal main body and the axial end pieces are flush with each other.
  • the seal as a whole is pressed radially outwards by the first springs 191 and the end pieces 187 are pressed axially outwards by the second springs 192, and yet a practically complete seal against the inside 114 of the side wall 112 and the insides of the end walls preserved.
  • the seals 180 are made of a low-friction material, such as Teflon in particular.
  • the embodiment shown shows a seal main body 181 which is intended for an air motor driven in only one direction.
  • one of the side walls here the second side wall 185, can have openings 186. These are arranged on the pressure side. Through this opening 186 pressurized air gets inside the seal 180 and "inflates" the seal main body 181 somewhat and additionally presses the seal main body radially and the end pieces 187 axially outwards, which can further improve the seal.
  • these openings 186 are only optional and only suitable for applications in which the vane cell machine is to be used as a unidirectional compressed air motor.
  • the figure 8 shows the interaction of a control element 160 with a control rail 130.
  • the control rail 130 is of course located between the two rollers 174.
  • the roller carrier 170 has a roller carrier main body 171 and two roller carrier end bodies 172 pivotably fastened to this roller carrier main body.
  • the pivoting connection is given here by two physical pivot axes 172a.
  • the precise adjustment of the position of the roller carrier end bodies 172 in relation to the roller carrier main body 171 is carried out using set screws 173.
  • the rollers 174 are rotatably supported on the roller support end bodies 172 via their shafts 175 supported in the bearings 176 so that their position with respect to the roller support main body 171 can be adjusted to some extent.
  • the pivotal connection of the roller carrier main body 171 to the wing body 154 is via the roller carrier bearings 178 and the axle 177 rigidly connected to the wing bodies 154, so that the roller carrier main body 171 can rotate with respect to this axis.
  • the axes of rotation of the rollers, the axes of rotation of the rotary bodies and the main axis extend parallel to each other.
  • the Figures 26a to 26d show an alternative embodiment of the rotor 138, in particular the rotor body.
  • the guide rollers 143 are arranged by means of their shafts directly on the wing guide bodies 142, which are designed in one layer. This simplifies production in particular.
  • the shell elements of the rotor body are not shown.
  • the Figures 27a and 27b show a preferred embodiment of the housing.
  • the end walls 120, 121 are detachably held on the side wall 112 by means of screws so that they can be easily exchanged.
  • the control rails can thus be exchanged in a simple manner, so that the control geometry can be changed by exchanging the control rails with little effort (all other components remain unchanged). This is helpful both for experimental purposes and in series production.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine solche Flügelzellenmaschine ist in der DE 10 2017 117 988 A1 beschrieben. Diese weist ein eine Kammer umschließendes Gehäuse mit einer Seitenwand und zwei Stirnwänden und einen in der Kammer angeordneten Rotor mit einem Rotorkörper auf. Die Innenseite der ersten Stirnwand weist eine erste Nut und die Innenseite der zweiten Stirnwand weist eine zur ersten Nut spiegelsymmetrische zweite Nut auf. Der Rotorkörper hat eine Mantelfläche, von der sich vier Schlitze in den Rotorkörper erstrecken. In jedem Schlitz ist ein Flügel beweglich angeordnet, wobei jeder Flügel eine in die erste Nut eingreifende erste Nocke und eine in die zweite Nut eingreifende zweite Nocke trägt, sodass eine Zwangssteuerung für die Flügel gebildet ist. Die in dieser Druckschrift beschriebene Geometrie hat sich als grundsätzlich sehr günstig erwiesen.
  • Die WO 2010/118518 A1 zeigt eine Flügelzellenmaschine mit einer Nutsteuerung, bei der pro Flügel und Nut zwei koaxiale Rollen vorgesehen sind, sodass eine dieser Rollen ausschließlich mit der radial äußeren Oberfläche der Nut, und die andere Rolle ausschließlich mit der radial innen Oberfläche der Nut interagiert.
  • Aus den Druckschriften GB 440 493 A , GB 2 406 883 A und US 2014/0261295 A1 sind Flügelzellenmaschinen bekannt geworden, deren Flügel mehrteilig ausgebildet sind, wodurch sich verbesserte Dichteigenschaften erzielen lassen.
  • Auch die gattungsbildende US 2009/0223480 A1 beschreibt eine Flügelzellenmaschine mit zwangsgesteuerten Flügeln. Die Zwangssteuerung erfolgt hier mittels Steuerschienen der Innenseiten der Stirnwände und an den Flügeln gehaltenen Rollenpaaren, welche gemeinsam jeweils ein Steuerelement bilden. Hierbei ist eine Rolle mit einer radial inneren Steuerfläche der Steuerschiene und die andere Rolle mit der radial äußeren Steuerfläche der Steuerschiene in Rollkontakt. Die Rollen eines Rollenpaares sind hierbei unmittelbar an den Flügeln gehalten und die Steuerschienen haben eine variable Dicke.
  • Die Patentschrift US 98739 betrifft eine Flügelzellen-Maschine mit einseitiger Führung von beabstandeten Rollen und mit einem starren Rollenträger für eine der Rollen, während die zweite der beabstandeten Rollen direkt am Flügel befestigt ist. Außerdem sind die Rollen und der Rollenträger radial unterhalb der Flügel angebracht.
  • Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die gattungsgemäße Flügelzellenmaschine dahingehend zu verbessern, dass ihre innere Reibung verringert und damit ihr Wirkungsgrad verbessert wird. Insbesondere soll hierbei die Flügelzellenmaschine so ausgebildet werden können, dass ihre Geometrie zumindest im Wesentlichen der Geometrie der in der DE 10 2017 117 988 A1 beschriebenen Flügelzellenmaschine entspricht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Flügelzellenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Demnach sind die Rollen eines Steuerelementes nicht unmittelbar mit dem Flügelkörper verbunden, sondern jedes Steuerelement weist einen Rollenträger auf, an welchem die Rollen eines Rollenpaars drehbar gehalten sind, wobei der Rollenträger selbst um eine Achse zumindest schwenkbar - in der Regel drehbar - am Flügelkörper gehalten ist. Hierdurch kann die Gesamtreibung erheblich reduziert werden und es ergeben sich weitere erhebliche Vorteile. Die Achsen aller Rollen und die Achsen aller Rollenträger sind hierbei in der Regel parallel zur Achse des Rotorkörpers. Erfindungsgemäß weisen die Achsen der Rollen eines Rollenpaars einen Abstand zueinander auf, und die Steuerschiene befindet sich zwischen den beiden Rollen.
  • Insbesondere können hierdurch die radial innere Steuerfläche und die radial äußere Steuerfläche einer Steuerschiene parallel zueinander sein, sodass jede Steuerschiene eine konstante Dicke aufweist. Dies vereinfacht die Herstellung, da die Steuerschienen jeweils aus einem Blechstreifen bestehen können, und trägt weiterhin zu einer geringen Reibung bei. Weiterhin wird es hierdurch leicht möglich, ohne Änderung an anderen Bauteilen unterschiedliche Steuerschienen zu verbauen, um so eine für den jeweiligen Einsatzzweck der Flügelzellenmaschine ideale Steuerung der Flügel zu erzielen.
  • Der Abstand der Achsen der Rollen eines Rollenpaares zueinander ist vorzugsweise einstellbar, wodurch sich die Steuerelemente leicht justieren lassen.
  • Auch bei der erfindungsgemäßen Flügelzellen-Maschine ist es bevorzugt, dass jeder der Flügel einen Flügelkörper aufweist, welcher eine Dichtung trägt, wobei die Dichtungen vorzugsweise aus einem reibungsarmen Material, insbesondere aus Teflon, bestehen. Hierbei ist es bevorzugt, dass die radialen Endflächen der Dichtungen echte Flächen, nicht lediglich schmale Linien, bilden. Es ist deshalb weiter bevorzugt, dass die radialen Endflächen jeweils eine Breite von wenigstens 3 mm, weiter vorzugsweise von wenigstens 5 mm, haben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Dichtung einen Dichtungshauptkörper auf, welcher einen U-förmigen Querschnitt hat, sodass jeder Dichtungshauptkörper zwei Seitenwandungen und eine Stirnwandung aufweist, wobei sich der radial äußere Endbereich jedes Flügelkörpers in den Dichtungshauptkörper hinein erstreckt und wobei der Dichtungshauptkörper in radialer Richtung beweglich bezüglich des Flügelkörpers ist, wobei vorzugsweise zwischen dem Dichtungshauptkörper und dem Flügelkörper wenigstens ein erstes elastisches Element vorgesehen ist, welches den Dichtungshauptkörper radial nach außen gegen die Innenseite der Seitenwand drückt. Hierdurch ist es insbesondre möglich, dass nur die Dichtung mit dem Mantel des Rotorkörpers in Kontakt ist, sodass auch das Innere des Rotorkörpers abgedichtet ist. Dies macht es insbesondere auch möglich, den Rotorkörper im Wesentlichen hohl auszubilden, was zu einer erheblichen Reduzierung seiner Masse führt.
  • Wenn die Flügelzellen-Maschine als unidirektionaler Druckluft-Motor dient, kann es bevorzugt sein, dass sich jeweils durch eine Seitenwandung eines Dichtungshauptkörpers wenigstens eine Durchbrechung erstreckt, wodurch sich eine noch bessere Dichtwirkung ergeben kann.
  • Um auch eine gute Dichtigkeit in axialer Richtung zu erzielen, ist es bevorzugt, dass jede Dichtung weiterhin zwei axiale Endstücke mit jeweils einer axialen Endfläche aufweist. Die axialen Endstücke sind hierbei vorzugsweise überwiegend zwischen den beiden Seitenwandungen des Dichtungshauptkörpers aufgenommen.
  • Weiter vorzugsweise weist der Rotorkörper wenigstens zwei Flügelführungen, in welche sich die Schlitze hineinerstrecken, und sich zwischen den Flügelführungen erstreckende, zylindermantelabschnittsförmige Mantelelemente auf. Hierdurch kann der Rotorköper, wie bereits erwähnt, im Wesentlichen hohl ausgebildet werden.
  • Zur weiteren Reduzierung der Gesamtreibung ist es bevorzugt, dass jede Flügelführung einen Flügelführungskörper und Führungsrollen, welche sich in die Schlitze erstrecken und welche den jeweiligen Flügelkörper führen, aufweist, wobei sich die Achsen der Führungsrollen parallel zur Achse des Rotorkörpers erstrecken.
  • Die Geometrie der Flügelzellenmaschine ist vorzugsweise so gewählt, wie es aus der DE 10 2017 117 988 A1 bekannt ist. Das heißt, dass die folgenden Ausgestaltungen bevorzugt sind, wobei auch alle Kombinationen dieser Ausgestaltungen möglich sind:
    Die beiden Hauptabschnitte der Innenseite der Seitenwand sind Abschnitte der Innenfläche eines Hohlzylinders, dessen Radius größer als der Radius des Rotorkörpers ist.
  • Jede Steuerschiene ist in sich symmetrisch bezüglich der Drehachse des Rotorkörpers und weist keine weitere Symmetrie auf.
  • Der auf die Drehachse des Rotorkörpers bezogene maximale Radius der Steuerschienen entspricht wenigstens 80%, vorzugsweise wenigstens 90% des Radius des Rotorkörpers.
  • Weiterhin ist es auch hier bevorzugt, dass die Flügelkörper vorspannungsfrei in den Schlitzen gehalten sind, ums so die Reibung weiter zu minimieren.
  • Auch hier ist die Zwangssteuerung derart, dass bei Bewegung durch einen Kammerabschnitt der in Bewegungsrichtung hintere Flügelkörper in seine Schließstellung überführt wird, bevor der in Bewegungsrichtung vordere Flügelkörper in seine geöffnete Stellung überführt wird, sodass die Flügelzellenmaschine bei Stillstand des Rotors als Sperrventil wirkt.
  • Als ideal hat sich auch hier herausgestellt, genau vier Schlitze und genau vier Flügelkörper (154) vorzusehen.
  • Auch hier erstrecken sich die Schlitze vorzugsweise radial in den Rotorkörper.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren näher erläutert, wobei zunächst auf den Stand der Technik eingegangen wird.
  • In den Figuren zeigen:
  • Figur 1
    die Flügelzellen-Maschine des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in einer Explosionsdarstellung,
    Figur 1a
    einen Ausschnitt aus dem in Figur 1 Gezeigten,
    Figur 2
    eine Stirnwand, deren Innenseite eine Steuerschiene ausweist,
    Figur 3
    das in Figur 2 Gezeigte in einer vergrößerten Darstellung,
    Figur 4
    eine Flügelführung in einer Explosionsdarstellung,
    Figur 5
    die Flügelführung der Figur 4 in einer nicht explodierten Darstellung,
    Figur 6
    einen Flügel in einer Explosionsdarstellung,
    Figur 6a
    das in Figur 6 Gezeigte aus einem anderen Blickwinkel,
    Figur 7
    den Flügel der Figuren 6 und 6a in einer nicht explodierten Darstellung,
    Figur 8
    eine Stirnwand mit Steuerschiene und ein Steuerelement, welches von der Steuerschiene gesteuert wird,
    Figur 9
    eine Explosionsdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Steuerelementes,
    Figur 10
    das Steuerelement der Figur 9 in einer nicht explodierten Darstellung.
    Figur 11
    eine Explosionsdarstellung einer Flügelzellen-Maschine des Standes der Technik,
    Figur 12
    das in Figur 11 Gezeigte aus einem anderen Blickwinkel,
    Figur 13
    den Rotor aus den Figuren 11 und 12,
    Figur 14
    eine schematische Draufsicht auf einen Flügel,
    Figur 15
    die Seitenwand des Gehäuses der Figuren 11 und 12 mit angeschlossenen Anschlussstutzen,
    Figur 16
    die erste Stirnwand aus den Figuren 11 und 12 in einer vergrößerten Darstellung,
    Figur 17
    die erste Stirnwand aus Figur 16 in einer Draufsicht,
    Figur 18
    eine genaue Darstellung der Nut der ersten Seitenwand der Figur 17,
    Figuren 19 bis 24
    eine Darstellung der Steuerung der Flügelkörper in einer Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene zwischen der Seitenwand und der zweiten Stirnwand verläuft,
    Figur 25
    das in Figur 24 Gezeigte, wobei auch die Position einer Nut eingezeichnet ist,
    Figuren 26a bis 26b
    eine alternative Ausgestaltung des Rotors, wobei die Mantelelemente nicht dargestellt sind, und
    Figuren 27a und 27b
    eine alternative Ausgestaltung des Gehäuses.
  • Im Folgenden wird mit Bezug auf die Figuren 11 bis 25 auf die in der DE 10 2017 117 988 A1 beschriebene Flügelzellen-Maschine eingegangen, auf welcher die erfindungsgemäße Weiterentwicklung beruht.
  • Zunächst wird der Aufbau der Flügelzellen-Maschine mit Bezug auf die Figuren 11 bis 18 erläutert.
  • Die Figur 11 zeigt sämtliche Bestandteile der Flügelzellen-Maschine. Diese weist ein eine Kammer umschließendes Gehäuse und einen in dieser Kammer drehbar gehaltenen Rotor 38 auf.
  • Das Gehäuse besteht aus drei Teilen, nämlich aus einer Seitenwand 12 und zwei Stirnwänden 20, 21. Die beiden Stirnwände 20, 21 weisen jeweils eine Bohrung 21a für die Rotorwelle 48 auf. Die durch die Mitten dieser Bohrungen 21a verlaufende Gerade definiert die geometrische Achse der Flügelzellen-Maschine sowie die Drehachse D des Rotorkörpers 40.
  • Wie man der Figur 11 oder noch besser der Figur 15 entnehmen kann, weist die Innenseite 14 der Seitenwand 12 zwei Hauptabschnitte 14a, 14b auf, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel (und dies ist der bevorzugte, geometrisch einfachste Fall) jeweils Innenflächenabschnitte eines sich um die geometrische Achse erstreckenden Hohlzylinders sind. Die beiden Hauptabschnitte 14a, 14b sind durch zwei Zwischenabschnitte 14c, 14d voneinander getrennt. Die Form dieser Zwischenabschnitte 14c, 14d ist derart, dass diese näher an der geometrischen Achse liegen als die Hauptabschnitte 14a, 14b. Im konkret gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Zwischenabschnitte 14c, 14d im Wesentlichen eben ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend, sie könnten beispielsweise auch nach innen gewölbt ausgebildet sein oder lediglich eine geringere Krümmung als die Hauptabschnitte 14a, 14b haben.
  • Durch jeden der Zwischenabschnitte 14c, 14d erstrecken sich zwei Öffnung 18a - 18d. Diese sind jeweils bezüglich der Mitte des jeweiligen Zwischenabschnittes 14c, 14d versetzt. Die Öffnungen könnten sich auch in die Hauptabschnitte 14a, 14b hinein erstrecken. Die Bohrungen verlaufen vorzugsweise schräg, nämlich in Richtung des benachbarten Hauptabschnittes geneigt. Zwischen zwei Bohrungen eines Zwischenabschnitts trägt die Innenseite 14 vorzugsweise jeweils eine Dichtung 15a, 15b oder ist als Dichtung ausgebildet. An der Außenseite der Seitenwand 12 schließen sich vorzugsweise Anschlussstutzen an die Öffnungen 18a bis 18d an (in Figur 15 dargestellt, in den Figuren 11 und 12 nicht).
  • Der Rotor 38 weist einen zylindrischen Rotorköper 40 auf, in welchen sich symmetrisch vier radiale Schlitze 47 erstrecken. Der Durchmesser des Rotorkörpers 40 entspricht im Wesentlichen dem Abstand der beiden Zwischenabschnitte 14c, 14d der Seitenwand derart, dass die Mantelfläche des Rotorkörpers vorzugsweise in Kontakt zu den beiden Dichtungen 15a, 15b ist. In jedem dieser Schlitze 47 ist ein Flügel 50 bis 53 radialverschieblich gehalten. Es gibt keine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rotorkörper 40 und den Flügeln 50 bis 53, so dass sich diese in ihren Schlitzen 47 zumindest in radialen Richtungen frei bewegen können, so lange der Rotor 38 nicht in das Gehäuse eingebaut ist. Jeder Flügel weist einen starren Flügelkörper (der Flügelkörper 54 des ersten Flügels 50 ist in den Figuren 13 und 14 mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet) auf, von welchem sich in axialer Richtung jeweils zwei Nocken 60-63 erstrecken, welche sich zumindest abschnittsweise außerhalb des Schlitzes 47 befinden. In den Figuren sind nur die in Richtung der zweiten Stirnwand 21 zeigenden zweiten Nocken 60 bis 63 dargestellt. Die hierzu symmetrisch angeordneten ersten Nocken zeigen zur ersten Stirnwand 20. Die Nocken sind starr mit den Flügelkörpern verbunden oder einstückig mit diesen ausgebildet.
  • Wie man insbesondere der schematischen Figur 14 entnehmen kann, ist es bevorzugt, dass jeder Flügelkörper (gezeigt ist der erste Flügelköper 54), eine Dichtung 80 trägt. Hierbei ist es weiter bevorzugt, dass diese Dichtung 80 mittels wenigstens einer Feder (in der Regel mehreren Federn) 72 mit dem Flügelkörper 54 verbunden ist, welche die Dichtung radial nach außen drückt. Die so gebildete Baugruppe wird als Flügel 50-53 bezeichnet.
  • Die Nocken 60 - 63 sind Teil einer Zwangssteuerung für die Flügelkörper 54. Die Gegenstücke zu dieser Zwangssteuerung werden durch Nuten in den Innenseiten der Stirnwände 20, 21 gebildet. Dargestellt ist die Nut 30 in der Innenseite 22 der ersten Stirnwand 20. Die zweite Nut in der Innenseite der zweiten Stirnwand 21 ist hierzu spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene, welche senkrecht zur geometrischen Achse der Vorrichtung ist. Die Form der ersten Nut (und damit auch die der zweiten Nut) wird nun mit Bezug auf die Figuren 17 und 18 näher erläutert:
    Zunächst ist grundsätzlich zu sagen, dass die Nut 30 eine radiale Außenseite 30a und eine radiale Innenseite 30b hat. Da die Flügelkörper ausschließlich durch die Nuten und die Nocken zwangsgesteuert werden, tragen sowohl die radiale Außenseite 30a als auch die radiale Innenseite 30b zur Zwangssteuerung bei.
  • Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Nut radial so weit wie möglich außen angeordnet ist. Wie man insbesondere der Figur 15 entnimmt, entspricht der Radius der radialen Außenseite 30a der Nut in den Hauptabschnitten 30, 31 fast dem Radius des Rotorkörpers 40.
  • Die Nut 30 hat zwei Hauptabschnitte 31, 32, welche konzentrisch bezüglich der Hauptabschnitte 14a, 14b der Innenseite 14 der Seitenwand 12 sind. Die beiden Hauptabschnitte 31, 32 sind durch die Zwischenabschnitte 33, 34 im Bereich der Zwischenabschnitte 14c, 14d der Innenseite 14 miteinander verbunden. Diese Zwischenabschnitte 33, 43 haben ihren radial äußersten Punkt genau in der Position der Mitten der Zwischenabschnitte 14c, 14d der Innenseite 14. Von diesem Punkt erstrecken sich erste Schenkel 33a, 43a bzw. 33b, 43b. Erste und zweite Schenkel sind im gezeigten Ausführungsbeispiel nicht symmetrisch zueinander. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die ersten Schenkel 33a, 33b etwas länger als die zweiten Schenkel 33b, 43b. Jedoch sind die ersten Schenkel zueinander symmetrisch und die zweiten Schenkel sind zueinander symmetrisch, so dass die Nut 30 insgesamt punktsymmetrisch bezüglich der geometrischen Achse D ist. Die Punkte, an welchen die Schenkel 33a, 43a, 33b, 43b und die Hauptabschnitte 31, 32 zusammentreffen, werden als Übergangspunkte P1 bis P4 bezeichnet. Die beiden Schenkel stehen in einem sehr flachen Winkel zueinander, welcher auch 0° betragen könnte.
  • Die eben beschriebene Asymmetrie lässt sich auch in Winkeln ausdrücken (Fig. 18): Definiert man die erste Gerade G1, welche senkrecht auf der Drehachse D steht und sich durch die Mitten der Zwischenabschnitte 14c, 14d der Innenseite 14 der Seitenwand 12 erstreckt, die zweite Gerade G2, welche senkrecht auf der Drehachse D steht und sich durch den ersten Übergangspunkt P1 und den dritten Übergangspunkt P3 erstreckt, und die dritte Gerade G3, welche senkrecht auf der Drehachse D steht und sich durch den zweiten Übergangspunkt P2 und den vierten Übergangspunkt P4 erstreckt, so ergibt sich zwischen der ersten Geraden G1 und der zweiten Geraden G2 der erste Schnittwinkel α und zwischen der ersten Geraden G1 und der dritten Geraden G3 der zweite Winkel β, wobei gilt: α > β. Vorzugsweise beträgt der Unterschied 1 bis 3 Grad. Im konkret gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Unterschied 2°, denn α beträgt 40° und β beträgt 38°.
  • Mit Bezug auf die Figuren 19 bis 24 wird nun die Funktion der Vorrichtung näher beschrieben. Die Funktion kann hierbei sowohl die Motorfunktion als auch die Saug-Pump-Funktion sein. Der sprachlichen Einfachheit halber wird zunächst davon ausgegangen, dass die Vorrichtung als Motor wirkt, also ein Fluid (eine Flüssigkeit oder ein Gas) durch sie durchströmt und somit den Rotor antreibt. Im gezeigten Beispiel dreht sich der Rotor in Blickrichtung im Uhrzeigersinn. Als Einlässe dienen in diesem Fall die Öffnungen 18c und 18b, als Auslässe dienen die Öffnungen 18a und 18d. Im Falle, dass eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn erzeugt werden soll, sind diese Rollen vertauscht.
  • Im (willkürlich gewählten) Ausgangszustand der Figur 19 befindet sich der erste Flügel 50 in der 6-Uhr-Stellung, der zweite 51 Flügel in der 9-Uhr-Stellung, der dritte Flügel 52 in der 12-Uhr-Stellung und der dritte Flügel 53 in der 3-Uhr-Stellung. Die 6- und die 12-Uhr-Stellung entsprechen den Positionen des kleinsten Abstandes der Innenseite 14 zur Drehachse D. Hier liegt die Mantelfläche 46 des Rotorkörpers 40 fast an der Innenseite 14 der Seitenwand 12 an, beziehungsweise liegt sie an der jeweiligen Dichtung 15a, 15b an, was bedeutet, dass sich die Flügel vollständig in ihren Schlitzen befinden. Bei Betrieb des Motors strömt nun Fluid in einen Teil des ersten Kammerabschnitts K1 zwischen dem ersten Flügel 50 und dem zweiten Flügel 51 und in einen Teil des zweiten Kammerabschnitts K2 zwischen dem dritten Flügel 52 und dem vierten Flügel 53. Hierdurch wird einen tangentiale Kraft auf den zweiten und den vierten Flügel 51, 52 ausgeübt, wodurch der Rotor angetrieben wird. Es bildet sich ein ideales Kraftpaar, so dass auf die Rotorwelle ein reines Drehmoment wirkt.
  • Zur sprachlichen Vereinfachung wird im Folgenden ausschließlich Bezug auf den ersten Kammerabschnitt K1 genommen. Der Ablauf im zweiten Kammerabschnitt K2 ist hierzu vollständig analog:
    Durch die beschriebene Zwangssteuerung bewegt sich nun erster Flügel 50 radial nach außen (Figur 21 und 22) während der zweite Flügel 51 in seiner radial äußeren, geschlossenen Stellung verbleibt. Nach Weiterdrehung gelangt der erste Flügel 50 durch Überwindung des dritten Übergangspunktes P3 in seine radial äußere, geschlossene Stellung, während der zweite Flügel 51 seinen Übergangspunkt P4 noch nicht erreicht hat, sich also immer noch in der geschlossenen Stellung befindet. Der erste Flügel erreicht also seine radial äußere, geschlossene Endposition, bevor der zweite Flügel seinen Übergangspunkt P4 erreicht und mit dem Öffnen beginnt. Hierdurch übt das sich zwischen diesen beiden Flügeln 50, 51 befindende Fluid keine oder nur eine relativ geringe Kraft auf den zweiten Flügel 51 auf, so dass dieser bei Überschreiten des vierten Übergangspunktes P4 durch die Zwangssteuerung bei Überwindung einer nur geringen Reibung langsam in die radial innere, geöffnete Stellung überführt wird. Der beschriebene Bewegungsablauf ist natürlich auch bei Betrieb der Vorrichtung als Pumpe vollständig analog, so dass sich auch hier ein sehr reibungsarmer Betrieb und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad ergeben.
  • Die beschriebene Art der Flügelsteuerung ("der in Drehrichtung hintere Flügel in einem Kammerabschnitt schließt, bevor der vordere Flügel anfängt zu öffnen") ergibt sich trotz der geringen Asymmetrie der Nut auch für die entgegengesetzte Drehrichtung. Die Vorrichtung kann also bi-direktional arbeiten.
  • Die beschriebene Geometrie mit α ≠ β ist bevorzugt, insbesondere, wenn die Flügelzellenmaschine unidirektional, beispielsweise als Druckluftmotor, arbeiten soll. Es ist jedoch noch zu erwähnen, dass auch Geometrien mit höherer Geometrie, also mit α = β grundsätzlich möglich sind, welche insbesondere für einen bidirektionalen Betrieb bevorzugt sein können.
  • Mit Bezug auf die Figuren 1 bis 10 wird nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flügelzellen-Maschine im Detail beschrieben. Der Grundaufbau entspricht dem oben Beschriebenen, sodass hierauf grundsätzlich Bezug genommen wird. Der Übersichtlichkeit halber sind die Bauteile der erfindungsgemäßen Flügelzellen-Maschine - soweit möglich und sinnvoll - mit Bezugszeichen versehen, welchen den Bezugszeichen der eben beschriebenen Flügelzellen-Maschine des Standes der Technik entsprechen, jedoch um 100 erhöht sind. Die Grundgeometrie kann genauso gewählt werden, insbesondere auch die Steuergeometrie.
  • Da der Grundaufbau dem eben Beschriebenen entspricht, wird im Weiteren hauptsächlich auf die erfindungswesentlichen Unterschiede eingegangen:
    Wie man der Figur 1 entnimmt, weist auch diese Flügelzellen-Maschine ein Gehäuse mit einer Seitenwand 112 und zwei Stirnwänden 120, 121, einen Rotor 138 mit Rotorkörper 140 und einer Mehrzahl von Flügeln 150, welche in Schlitzen des Rotorkörpers 140 gehalten sind, auf. Auch hier weist jeder Flügel 150 einen Flügelkörper 154 sowie eine am Flügelkörper gehaltene Dichtung 180 auf. Jeder Flügel, nämlich jeder Flügelkörper trägt an jedem seiner axialen Enden ein Steuerelement 160, so dass jeder Flügelkörper ein erstes und ein zweites Steuerelement trägt, welche hier jedoch keine unterschiedlichen Bezugszeichen erhalten haben. Durch den Rotorkörper 140 erstreckt sich die Rotorwelle 148. Zwischen den Stirnwänden 120, 121 und der Seitenwand 112 ist jeweils eine Dichtscheibe 125, 126 vorgesehen.
  • Im Gegensatz zur oben beschriebenen Flügelzellen-Maschine des Standes der Technik ist der Rotorkörper 140 dieser Flügelzellen-Maschine im Wesentlichen hohl ausgebildet, was zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung führt. Hierzu weist der Rotorkörper 140 wenigstens zwei (vorzugsweise drei) Flügelführungen 141 und Mantelelemente 145 auf. Die Flügelführungen 141 weisen die Schlitze für die Flügel 150 auf und ein Mantelelement 145 erstreckt sich immer zwischen zwei Schlitzen. Da im gezeigten Ausführungsbeispiel - und auch dies ist bevorzugt - genau vier symmetrisch zueinander angeordnete Flügel 150 vorgesehen sind, ist jedes Mantelelement 145 geometrisch gesehen im Wesentlichen ein Viertel eines rotationssymmetrischen Zylindermantels. Auf die Flügelführungen 141 wird später noch im Detail eingegangen.
  • Wie man insbesondere der Figur 1a entnehmen kann, stehen die Seitenwandungen der Dichtungen 180 der Flügel mit den Mantelelementen 145 in gleitender Verbindung und dichten die jeweiligen Kammern gemeinsam mit dem Mantelelementen ab, sodass das Innere des Rotorkörpers 140, wie erwähnt, im Wesentlichen hohl ausgebildet sein kann.
  • Mit Blick auf die Figur 2, welche eine Ansicht auf die Innenseite 122 der ersten Stirnwand 120 ist (die zweite Stirnwand ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zur ersten Stirnwand spiegelsymmetrisch ausgebildet), sieht man einen zentralen Unterschied zur oben dargestellten Flügelzellen-Maschine: Statt einer Führungsnut weist die Innenseite 122 eine Steuerschiene 130 auf. Diese Steuerschiene hat eine radial äußere Steuerfläche und eine radial innere Steuerfläche. Diese beiden Steuerflächen haben einen konstanten Abstand voneinander, das heißt, die Steuerschiene hat eine konstante Dicke und kann beispielsweise durch einen angeschweißten Blechstreifen erzeugt sein. Die Steuerschiene 130 erstreckt sich von der umgebenden Fläche der Innenseite 122 in axialer Richtung nach innen, also in Richtung des Rotorkörpers 140. Auch diese Steuerschiene 130 hat zwei Hauptabschnitte 131, 132 und zwei Zwischenabschnitte 133, 134, wobei die Zwischenabschnitte hier gerade ausgeführt sind.
  • Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt des in Figur 2 Gezeigten in einer vergrößerten Darstellung.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Flügelführung 141 im Detail. Wie man der Figur 4 entnimmt, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel jede Flügelführung 141 aus mehreren Teilen zusammengesetzt, nämlich aus zwei Teilen 142a, 142b eines Flügelführungskörpers und zwischen diesen beiden Teilen 142a, 142b angeordneten Rollenkäfigen 144, in welchen jeweils Führungsrollen 143 - im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Stück - angeordnet sind. In den Flügelführungskörper 142 (siehe hierzu auch Figur 5) erstrecken sich die Schlitze 147 (hier vier Stück) und die Führungsrollen 143 sind so angeordnet, dass jeweils von beiden Seiten zwei Führungsrollen etwas in den durch den Flügelführungskörper 142 definierten Schlitz hineinragen, wobei sich jeweils zwei Führungsrollen gegenüber liegen. Für jeden Schlitz 147 müssen wenigstens drei Führungsrollen vorgesehen sein. Durch diese Führungsrollen 143 sind die Flügel sehr reibungsarm in den Schlitzen gehalten.
  • Die Figuren 6 bis 7 zeigen jeweils einen Flügel 150, welcher zur Aufnahme im Rotorkörper vorgesehen ist, sowie die beiden Steuerelemente 160 für diesen Flügel. Dieser Flügel 150 weist einen Flügelkörper 154, welcher aus einem starren Material, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, bestehen kann, auf. Da sich zumindest ein Großteil des Flügelkörpers stets innerhalb des Rotorkörpers 140 befindet und der Rotorkörper, wie dies bereits erwähnt wurde, nach innen abgedichtet ist, weist der Flügelkörper 150 zur Gewichtseinsparung Aussparungen auf. Von beiden radialen Enden des Flügelkörpers 150 erstreckt sich jeweils ein zwei Rollen 174 aufweisendes Steuerelement 160, welches mit jeweils einer Steuerschiene 130 zusammenwirkt, nämlich derart, dass eine Rolle auf der radial äußeren Steuerfläche rollt und die andere Rolle auf der radial inneren Steuerfläche rollt. Auf einen bevorzugten Aufbau eines solchen Steuerelementes 160 wird später noch im Detail eingegangen, wesentlich ist jedoch, dass jedes Steuerelement 160 einen um eine Achse drehbar am Flügelkörper 154 gehaltenen Rollenträger 170 aufweist, welcher die beiden Rollen trägt.
  • An den axialen Enden verjüngt sich der Flügelkörper 154 zum radialen Ende hin etwas, weist innerhalb jeder Verjüngung jedoch wieder eine im wesentlichen keilförmige Ausstülpung 155 auf, auf welche später noch eingegangen wird.
  • Die Dichtung 180 ist hier dreiteilig aufgebaut, sie weist nämlich einen Dichtungshauptkörper 181 und zwei axiale Endstücke 187 auf. Erste Federn 191 dienen dazu, den Dichtungshauptkörper 181 und auch die Endstücke 187 radial nach außen zu drücken; zweite Federn 192 dienen dazu, die Endstücke 187 axial nach außen zu drücken.
  • Wie man insbesondere der Figur 6a entnehmen kann, weist der Dichtungshauptkörper 181 eine Stirnwandung 182 und zwei Seitenwandungen 184, 185 auf, sodass der Dichtungshauptkörper 181 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und außen auf den Flügelkörper 154 derart aufgesetzt ist, dass sich die Seitenwandungen 184, 185 abschnittsweise auf der Außenseite des Flügelkörpers 154 befinden; der Dichtungshauptkörper 181 ist also gleichsam auf den Flügelkörper 154 aufgestülpt. Hierdurch wird die unmittelbare Dichtung zwischen dem Dichtungshauptkörper 181 und den Mantelelementen 145 erreicht.
  • Wie man insbesondere der Figur 6a entnehmen kann, erstrecken sich die Seitenwandungen 184, 185 an den axialen Enden über die Stirnwandung 182 hinaus, sodass Aufnahmebereiche für die Endstücke 187 geschaffen werden. Von den axialen Enden der Stirnwandung 182 erstreckt sich jeweils eine Zunge 183 und die Endstücke 187 weisen eine Nut 189 zur Aufnahme dieser Zunge 183 auf, sodass die radiale Position der axialen Endstücke bezüglich des Dichtungshauptkörpers definiert ist. Weiterhin weist jedes Endstück 187 eine Einkerbung 188 passend zur Ausstülpung 155 des Flügelkörpers auf. Hierdurch können sich die radialen Endstücke sowohl in radialer Richtung (gemeinsam mit dem Dichtungshauptkörper) als auch in axialer Richtung bezüglich des Flügelkörpers 154 bewegen ohne den Kontakt zu ihm zu verlieren. Die radialen Außenflächen des Dichtungshauptkörpers und der axialen Endstücke fluchten zueinander.
  • Durch die beschriebene Geometrie wird die Dichtung als Ganzes durch die ersten Federn 191 radial nach außen gedrückt und die Endstücke 187 werden durch die zweiten Federn 192 axial nach außen gedrückt und dennoch bleibt eine praktisch vollständige Abdichtung gegen die Innenseite 114 der Seitenwand 112 und die Innenseiten der Stirnwände erhalten. Hierbei bestehen die Dichtungen 180 natürlich aus einem reibungsarmen Material, wie insbesondere Teflon.
  • Das gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt einen Dichtungshauptkörper 181, welcher für einen nur in einer Richtung angetriebenen Druckluftmotor vorgesehen ist. In diesem Fall kann eine der Seitenwandungen, hier die zweite Seitenwandung 185, Durchbrechungen 186 aufweisen. Diese sind auf der Druckseite angeordnet. Durch diese Durchbrechung 186 gelangt unter Druck stehende Luft ins Innere der Dichtung 180 und "bläst" den Dichtungshauptkörper 181 etwas auf und drückt zusätzlich den Dichtungshauptkörper radial und die Endstücke 187 axial nach außen, was die Abdichtung nochmals verbessern kann. Diese Durchbrechungen 186 sind jedoch, wie erwähnt, nur optional und nur für Anwendungen geeignet, in welcher die Flügelzellen-Maschine als unidirektionaler Druckluftmotor eigesetzt werden soll.
  • Die Figur 8 zeigt das Zusammenwirken eines Steuerelementes 160 mit einer Steuerschiene 130. Die Steuerschiene 130 befindet sich hierbei natürlich zwischen den beiden Rollen 174.
  • Zum reibungslosen Funktionieren der Flügelzellen-Maschine ist es notwendig, dass die Führung der Steuerelement 160 durch die Steuerschiene 130 präzise, jedoch mit sehr geringer Reibung erfolgt. Hierzu ist es vorgesehen, dass die Position der beiden Rollen 174 bezüglich des Rollenträgers 170 und insbesondere der Abstand der beiden Rollen 174 voneinander einstellbar ist. Hierzu weist der Rollenträger 170 einen Rollenträgerhauptkörper 171 und zwei schwenkbar an diesem Rollenträgerhauptkörper befestigte Rollenträgerendkörper 172 auf. Die schwenkende Verbindung ist hier durch zwei körperliche Schwenkachsen 172a gegeben. Die genaue Einstellung der Position der Rollenträgerendkörper 172 bezüglich des Rollenträgerhauptkörpers 171 erfolgt mittels Stellschrauben 173.
  • Die Rollen 174 sind über ihre in den Lagern 176 gehaltenen Achsen 175 drehbar an den Rollenträgerendkörpern 172 gehalten, sodass ihre Position bezüglich des Rollenträgerhauptkörpers 171 in gewissem Umfang einstellbar ist. Die drehbare Verbindung des Rollenträgerhauptkörpers 171 mit dem Flügelkörper 154 erfolgt über die Lager 178 der Rollenträger und der starr mit den Flügelkörpern 154 verbundenen Achse 177, sodass sich der Rollenträgerhauptkörper 171 bezüglich dieser Achse drehen kann. Die Drehachsen der Rollen, die Drehachsen der Rotationskörper und die Hauptachse erstrecken sich parallel zueinander.
  • Die Figuren 26a bis 26d zeigen eine alternative Ausgestaltung des Rotors 138, insbesondere des Rotorkörpers. In dieser Ausführungsform sind die Führungsrollen 143 mittels ihrer Wellen unmittelbar an den Flügelführungskörpern 142, welche einlagig ausgebildet sind, angeordnet. Dies vereinfacht insbesondere die Herstellung. Die Mantelelemente des Rotorkörpers sind nicht dargestellt.
  • Die Figuren 27a und 27b zeigen eine bevorzugte Ausgestaltung des Gehäuses. Hier sind die Stirnwände 120, 121 über Schrauben lösbar an der Seitenwand 112 gehalten, so dass sie leicht ausgetauscht werden können. Somit können auf einfache Art und Weise die Steuerschienen ausgetauscht werden, so dass sich mit geringem Aufwand (alle anderen Komponenten bleiben unverändert) die Steuergeometrie durch Austausch der Steuerschienen verändern lässt. Dies ist sowohl zu Versuchszwecken als auch in der Serienproduktion hilfreich.
  • Bei der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine ergeben sich unter anderem die folgenden wesentlichen Vorteile:
    • Es gibt Flächenreibung, aber nur zwischen Teflon und Metall.
    • Es gibt Rollenreibung nur zwischen Metall und Metall.
    • Die Steuerschiene kann achsensymmetrisch (bidirektionaler Motorbetrieb) oder punktsymmetrisch (nur eine Drehrichtung möglich) ausgebildet sein.
    • Die Steuerschiene kann an die jeweiligen Motoranforderungen leicht angepasst werden.
    • Es wird ständig ein reibungsarmes Kräftepaar gebildet, welches senkrecht auf den Drehachse wirkt.
    • Der Weg vom Einlass zum Auslass ist immer durch einen geschlossenen Flügel gesperrt.
    • Es gibt keine Totpunkte und ein Leerlauf ist nicht nötig.
    Bezugszeichenliste
  • 12
    Seitenwand
    14
    Innenseite
    14a,b
    Hauptabschnitt
    14c,d
    Zwischenabschnitt
    15a,b
    Dichtung
    16a,b
    Aufnahme für Dichtung
    18a-d
    Öffnung
    20, 21
    Stirnwand
    22
    Innenseite der ersten Stirnwand
    21a
    Bohrung für Rotorwelle
    30
    Nut in der ersten Stirnwand (erste Nut)
    30a
    radiale Außenseite
    30b
    radiale Innenseite
    31, 32
    Hauptabschnitt
    33, 43
    Zwischenabschnitt
    33a, 43a
    erster Schenkel
    33b, 43b
    zweiter Schenkel
    38
    Rotor
    40
    Rotorkörper
    48
    Rotorwelle
    46
    Mantelfläche
    47
    Schlitz
    50-53
    Flügel
    54
    Flügelkörper
    60-63
    Nocken
    80
    Dichtung
    91
    Feder
    112
    Seitenwand
    114
    Innenseite
    115a
    Dichtung
    120, 121
    Stirnwand
    120a, 121a
    Bohrung für Rotorwelle
    122
    Innenseite der ersten Stirnwand
    125, 126
    Dichtscheibe
    130
    Steuerschiene
    131, 132
    Hauptabschnitt
    133, 143
    Zwischenabschnitt
    138
    Rotor
    140
    Rotorkörper
    141
    Flügelführung
    142
    Flügelführungskörper
    142a, 142b
    Teil des Flügelkörpers
    143
    Führungsrolle
    144
    Rollenkäfig
    145
    Mantelelement
    146
    Mantelfläche
    147
    Schlitz
    148
    Rotorwelle
    150
    Flügel
    154
    Flügelkörper
    155
    Ausstülpung
    160
    Steuerelement
    170
    Rollenträger
    171
    Rollenträgerhauptkörper
    172
    Rollenträgerendkörper
    173
    Stellschraube
    174
    Rolle
    175
    Achse der Rolle
    176
    Lager der Rolle am Rollenträgerendkörper
    177
    Achse des Rollenträgers
    178
    Lager der Achse des Rollenträgers
    180
    Dichtung
    181
    Dichtungshauptkörper
    182
    Stirnwandung des Dichtungshauptkörpers
    182a
    radiale Endfläche
    183
    Zunge
    184, 185 184a,
    Seitenwandung des Dichtungshauptkörpers
    185a
    Endabschnitt
    186
    Durchbrechung
    187
    Endstück
    188
    Einkerbung
    189
    Nut
    191
    erste Feder, erstes elastisches Element
    192
    zweite Feder, zweites elastisches Element
    D
    Drehachse
    K1, K2
    Kammerabschnitt
    P1-P4
    Übergangspunkt
    S
    Schwenkachse
    α, β
    Schnittwinkel, Winkel

Claims (15)

  1. Flügelzellen-Maschine mit:
    einem eine Kammer umschließenden Gehäuse mit einer Seitenwand (112),
    einer ersten Stirnwand (120) und einer der ersten Seitenwand (120) gegenüberliegenden zweiten Stirnwand (121), wobei
    die Innenseite (114) der Seitenwand (112) zwei Hauptabschnitte und zwei die Hauptabschnitte voneinander trennende Zwischenabschnitte aufweist,
    die Innenseite (122) der ersten Stirnwand (120) eine erste Steuerschiene (130) und die Innenseite der zweiten Stirnwand (121) eine zur ersten Steuerschiene (130) spiegelsymmetrische zweite Steuerschiene aufweist, welche jeweils eine radial innere Steuerfläche und eine radial äußere Steuerfläche aufweisen,
    einem Rotorkörper (140) mit einer Mantelfläche (146), in welchen sich eine Mehrzahl von Schlitzen (147) erstreckt, in welchen jeweils ein Flügel (150) beweglich angeordnet ist, wobei jeder Flügel (150) ein von der ersten Steuerschiene (130) gesteuertes, ein Rollenpaar aufweisendes erstes Steuerelement (160) und ein von der zweiten Steuerschiene gesteuertes, ein zweites Rollenpaar aufweisendes zweites Steuerelement (160) trägt, sodass die Flügel (150) bei Drehung des Rotorkörpers (40) durch die durch die Steuerschienen (130) und die Steuerelemente (160) gebildete Zwangssteuerung ausschließlich und vollständig gesteuert werden,
    wobei die Kammer vom Rotorkörper (40) in zwei Kammerabschnitte unterteilt wird, wobei der Durchmesser des Rotorkörpers (40) im Wesentlichen dem kürzesten Abstand der beiden Zwischenabschnitte der Innenseite (114) der Seitenwand (112) entspricht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (160) jeweils einen Rollenträger (170) aufweisen, an welchem die Rollen (174) eines Rollenpaars drehbar gehalten sind, wobei der Rollenträger (170) um eine Achse drehbar oder schwenkbar am Flügel (150) gehalten ist, wobei Achsen der Rollen (174) eines Rollenpaars einen Abstand zueinander aufweisen, und wobei sich die Steuerschiene (130) zwischen den beiden Rollen (174) befindet.
  2. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Achsen der Rollen (174) eines Rollenpaares zueinander einstellbar ist.
  3. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die innere Steuerfläche und die äußere Steuerfläche einer Steuerschiene (130) parallel zueinander sind, sodass jede Steuerschiene (130) eine konstante Dicke aufweist.
  4. Flügelzellen-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen aller Rollen (174) und die Achsen aller Rollenträger (170) parallel zur Achse des Rotorkörpers (140) sind.
  5. Flügelzellen-Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Flügel (150) einen Flügelkörper (154) und eine vom Flügelkörper (154) getragene Dichtung (180) aufweist, wobei die Dichtungen (180) vorzugsweise aus einem reibungsarmen Material, insbesondere aus Teflon, bestehen.
  6. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Dichtung (180) einen Dichtungshauptkörper (181) aufweist, welcher einen U-förmigen Querschnitt hat, sodass jeder Dichtungshauptkörper (181) zwei Seitenwandungen (184, 185) und eine Stirnwandung (182) aufweist, wobei sich der radial äußere Endbereich jedes Flügelkörpers (154) in den Dichtungshauptkörper (181) hinein erstreckt und wobei der Dichtungshauptkörper (181) in radialer Richtung beweglich bezüglich des Flügelkörpers (154) ist, wobei vorzugsweise zwischen dem Dichtungshauptkörper (181) und dem Flügelkörper (154) ein erstes elastisches Element (191) vorgesehen ist, welches den Dichtungshauptkörper (181) radial nach außen gegen die Innenseite der Seitenwand drückt.
  7. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeweils durch eine Seitenwandung (185) eines Dichtungshauptkörpers (181) wenigstens eine Durchbrechung (186) erstreckt.
  8. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Dichtung (180) weiterhin zwei axiale Endstücke (187) mit jeweils einer axialen Endfläche aufweist, wobei vorzugsweise jedes Endstück eine Einkerbung (188) aufweist, in welche eine Ausstülpung (155) des Flügelkörpers (154) ragt.
  9. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch 7 und nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Seitenwandungen (184, 185) jedes Dichtungshauptkörpers (181) Endabschnitte aufweisen, welche die Stirnwandung (182) des Dichtungshauptkörpers seitlich überragen,
    dass das jeweilige axiale Endstück (187) zumindest abschnittsweise zwischen zwei Endabschnitten angeordnet ist, und
    dass die radialen Endflächen der beiden Endstücke und die radiale Endfläche einer Dichtung zueinander fluchten, vorzugsweise in einer Ebene liegen.
  10. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes axiale Endstück eine sich axial erstreckende Nut (189) aufweist, in welche eine Zunge (183) des Dichtungshauptkörpers eingreift.
  11. Flügelzellen-Maschine nach Anspruch einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes axiale Endstück (187) mittels wenigstens eines zweiten elastischen Elements (192) in axialer Richtung nach außen gegen die benachbarte Innenseite einer Stirnwand gedrückt wird.
  12. Flügelzellenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (40) wenigstens zwei Flügelführungen (141), in welche sich die Schlitze (147) hineinerstrecken, und sich zwischen den Flügelführungen (141) erstreckende, zylindermantelabschnittsförmige Mantelelemente (145) aufweist.
  13. Flügelzellenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Flügelführung (141) einen Flügelführungskörper (142) und Führungsrollen (143), welche sich in die Schlitze (147) erstrecken, aufweist, wobei sich die Achsen der Führungsrollen parallel zur Hauptachse erstrecken und die Flügel, insbesondere die Flügelkörper, lagern.
  14. Flügelzellenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Flügelführungskörper (142) zwei Flügelführungskörperelemente (142a, 142b) aufweist, zwischen denen die Führungsrollen (143) angeordnet sind.
  15. Flügelzellenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Abschnitte der Stirnwände (120, 121), deren Innenseiten die Steuerschienen (130) aufweisen, austauschbar am übrigen Gehäuse gehalten sind, wobei vorzugsweise im gesamten Stirnwände (120, 121) austauschbar zumindest mittelbar an der Seitenwand (112) gehalten sind.
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