WO2004088093A1

WO2004088093A1 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: WO2004088093A1
Application number: PCT/CZ2004/000016
Authority: WO
Inventors: Eduard Zelezny
Original assignee: TOLAROVÁ, Simona; Zelezny, Filip
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2004-10-14
Also published as: CA2521036A1; EA007694B1; ES2384077T3; CN100408810C; JP4665897B2; CZ2003926A3; CZ297786B6; SI1616079T1; IL171209A; EP1616079A1; PL1616079T3; EA200501546A1; NO20055059D0; NZ543326A; ZA200508826B; AU2010202225B2; CN1768192A; EP1616079B1; NO338176B1; US7726957B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine, insbesondere Kompressor, Pumpe oder Motor, mit einem Drehkolben durch den Arbeitsräume mit sich änderndem Volumen abgegrenzt werden und bei der sich der Kolben (2) in einem Zylinder (1) mit zwei Seitenwänden und gekrümmtem Mantel befindet, und zwar einerseits drehbar um zwei gemeinsame parallele Rotationsachsen (7, 8) senkrecht zu den Seitenwänden des Zylinders und andererseits verschiebbar in zwei Richtungen senkrecht sowohl zueinander als auch zu den parallelen Rotationsachsen. Der Kolben (2) ist hierbei mit zwei Führungswellen (71, 81) mit parallelen Rotationsachsen versehen, wobei die Führungswellen (71, 81) in Richtung senkrecht zu den Rotationsachsen (7, 8) mit Führungselementen (5, 6), mit Vorteil Gleiter oder Zapfen, versehen sind, auf denen der Kolben (2) mit Hilfe von Gleitelementen (3, 4), mit Vorteil Furchen oder Buchsen, verschiebbar aufgesetzt ist.

Description

DREHKOLBENMASCHINE

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einem Drehkolben, durch den Arbeitsräume mit sich änderndem Volumen abgegrenzt werden (zum Beispiel Kompressor, Pumpe oder Motor) , und bei der sich der Kolben in einem Zylinder mit zwei Seitenwänden und gekrümmtem Mantel befindet, dessen Krümmung die geometrische Stelle der Scheitelpunkte des Kolbens bei dessen Rotationsbewegung darstellt.

Es sind bereits Konstruktionen bekannt, bei denen der Kolben eine einfache Rotationsbewegung ausführt. Der Kolben befindet sich hier exzentrisch in einem ringförmigen Mantel und ist mit ausziehbaren Dichtung_ßn ausgestattet, die sich an die sich ändernde Entfernung zwischen dem Kolben und dem ringförmigen Mantel anpassen und gleichzeitig die sich ändernden Arbeitsräume zwischen Kolben und Zylindermantel abgrenzen. Eine derartige Anordnung erlaubt jedoch keine großen Drücke bzw. Temperaturen, daher sind diese nur als Gebläse einsetzbar. Des Weiteren sind Konstruktionen bekannt, bei denen der Kolben eine zusammengesetzte Rotationsbewegung., d.h. eine Rollbewegung ausführt. Hierbei rollt - vor allem mit Hilfe von Zahnrädern - ein größerer Kreis (zürn Beispiel ein zentrisches Kreisrad einer Innenverzahnung) an einem unbeweglichen kleineren Kreis (zum Beispiel zentrisches Kreisrad einer Außenverzahnung) ab. Die Verhältnisse der Durchmesser beider Kreise bestimmen die Scheitelpunktanzahl ^' des Kolbens, die eine übereinstimmende Kurve beschreiben, sowie die Anzahl der durch den Kolben abgegrenzten Arbeitsräume. Wenn dieses Verhältnis 2:1 beträgt, hat der Kolben zwei Scheitelpunkte und grenzt zwei Arbeitsräume ab, wenn dieses Verhältnis 3:2 beträgt, hat der Kolben drei Scheitelpunkte und grenzt drei Arbeitsräume ab usw. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Mantelkrümmung als geometrische Stelle der Scheitelpunkte des Kolbens angepasst werden kann, damit füllen die ausziehbaren Dichtungen, die in den Scheitelpunkten des Kolbens angeordnet sind, nur..eine..ger.inge und. fast. nveränderliche .Entfernung, zwischen den Scheitelpunkten und dem Mantel aus. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass, wenn mehr als zwei Kolbenscheitelpunkte vorliegen, die Mantelkrümmung eine für den Verbrennungsraum sehr ungünstige Form aufweist, und darüber hinaus das Verhältnis zwischen größtem und kleinstem Volumen des Arbeitsraumes prinzipiell eingeschränkt ist. Daher ist eine derartige Anordnung - wie sich in der Praxis gezeigt hat - nicht geeignet für Verbrennungsmotoren. Eine Anordnung mit zwei Scheitelpunkten kann jedoch einen günstigeren Verbrennungsraum und ein besseres Verhältnis zwischen größtem und kleinstem Arbeitsraum bieten, es ergibt sich jedoch - ebenfalls aus dem Prinzip bedingt - ein ungünstiges Verhältnis der Kolbenfläche, belastet durch den Arbeitsdruck, zum größtmöglichen kritischen Durchmesser der Welle, auf der sich der Kolben befindet. Daher ist eine derartige Anordnung nicht geeignet für Motoren, sondern nur für Gebläse oder Pumpen und Kompressoren mit kleinem Arbeitsdruck.

Die Nachteile des bisherigen Standes der Technik werden durch eine Maschine mit einem im Zylinder gelagerten Drehkolben beseitigt. Diese Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Kolben im Zylinder einerseits drehbar um zwei gemeinsam parallele Achsen, die senkrecht zu den Seitenwänden des Zylinders verlaufen, und andererseits verschiebbar in zwei Richtungen, die sowohl senkrecht gegeneinander als auch zu den parallelen Rotationsachsen verlaufen, gelagert ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Maschine mit zwei Führungswellen mit parallelen Rotationsachsen ausgestattet ist. Hierbei sind die Führungswellen in senkrechter Richtung zu den Rotationsachsen mit Führungselementen (zum Beispiel Zapfen) ausgestattet, auf die in verschiebbarer Weise über Gleitelemente"- (zum Beispiel Buchsen) der Kolben-aufgesetzt^* ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass eine der Führungswellen in der Zylinderwand verschiebbar in Richtung der, durch die Rotationsachsen gelegten Ebene, gelagert ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass sich der Kolben auf einem tragenden Exzenter (verbunden mit einer Tragwelle) befindet, der in mindestens einer Seitenwand des Zylinders parallel zu den Rotationsachsen des Kolbens und zwischen diesen Achsen drehbar gelagert ist. Hierbei ist die Außermittigkeit des tragenden Exzenters gleich der Hälfte der Entfernung zwischen den Rotationsachsen. Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass mindestens eine der Führungswellen als Führungsring konstruiert ist, der in der Seitenwand drehbar gelagert ist, und an seiner dem Kolben zugewandten Frontseite mit Führungseleraenten (zum Beispiel Nasen oder Furchen) ausgestattet ist, auf denen Gleitelemente (zum Beispiel Furchen oder Nasen) aufgesetzt sind, die mit dem Kolben verbunden sind. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Führungsring auf seiner dem Kolben abgewandten Seite mit weiteren unterstützenden Führungselementen versehen ist, die sich senkrecht zu den Führungselementen auf der dem Kolben zugewandten Seite befinden und in denen ein drehbar gelagerter Gleiter auf dem Führungsexzenter angeordnet ist, der wiederum auf der Tragwelle parallel zum tragenden Exzenter aufgesetzt und um 180 Grad gedreht ist. In seinem letzten Merkmal zeichnet sich die Maschine dadurch aus, dass die Räume zwischen den Gleitelementen (zum Beispiel Zapfen oder Nasen) auf der einen Seite und zwischen den Führungselementen (zum Beispiel Buchsen oder Furchen) auf der anderen Seite geschlossen sind und mit Öffnungen- für-- den Eintritt und Austri-tt von Schmiermittel ausgestattet sind.

Die Erfindung ist auf den beigefügten Zeichnungen näher dargestellt, auf denen die Abbildung 1 eine schematische Maschinenkonstruktion nach dieser Erfindung und die Abbildung 2 die Maschinenkonstruktion nach dieser Erfindung im Schnitt zeigen. Die Abbildung 3 zeigt eine andere Ausführung dieser Maschine, wo die Führungswellen als Führungsringe gebildet sind und der Kolben ferner auf dem tragenden mit der Tragwelle verbundenen Exzenter gelagert ist. Weitere Ausführungen sind auf den Abbildungen 4 und 5 schematisch und auf der Abbildung 6 im Schnitt gezeigt.

Nach der Abbildung 1 ist der Kolben 2 im gekrümmten Mantel 1 des Zylinders angeordnet, der Kolben 2 ist mit zueinander senkrecht stehenden Furchen 3, 4 ausgestattet, die die Gleitelemente des Kolbens 2 bilden. Mit diesen Furchen 3, 4 ist der Kolben 2 auf zwei Führungselementen 5, 6 gelagert, die immer mit einer der Wellen 71, 81 fest verbunden sind, deren Achsen 7, 8 parallel verlaufen. Auf der Abbildung 2 wird der Mantel 1 des Zylinders an beiden Seiten durch Seitenwände 11 abgeschlossen, in denen die Wellen 71, 81 drehbar gelagert sind. Die Anordnung der Gleitelemente 3, 4 und der Führungselemente 5, 6 auf den gegenüberliegenden Seiten des Kolbens und auf den Wellen 71, 81 wird auf Bild 4 und Bild 5 dargestellt. Bei der Drehung mit einer der Wellen 71, 81 dreht sich damit auch das fest verbundene Führungselement 5, 6, das dann den Kolben mit Hilfe des betreffenden Gleitelementes 3, 4 (zum Beispiel Furchen) dreht. Der Kolben dreht sich dann mit Hilfe seines zweiten Gleitelementes 4, 3, des zweiten Führungselementes 6, 5 -und der zweiten Welle- 81, -71 auc -um - die zweite Achse 8, 7. Wenn sich die Scheitelpunkte in gleicher Entfernung von der Mitte des Kolbens 2 befinden, beschreiben beide eine übereinstimmende Krümmung des Mantels 1, die dann zusammen mit der Verbindungslinie beider Scheitelpunkte zwei voneinander getrennte Räume bildet. Die parallel laufende Rotationsbewegung des Kolbens 2 um zwei parallele Achsen 7, 8 bewirkt, dass bei der Bewegung entlang des Mantels 1 sich eine gekrümmte Verbindungslinie der Scheitelpunkte des Kolbens 2 von diesem Mantel 1 entfernt, während die andere Verbindungslinie sich diesem Mantel 1 annähert. Bei Drehung der Wellen um 360° und damit des Kolbens um 90° vergrößert sich der Raum zwischen einer Verbindungslinie der Scheitelpunkte des Kolbens 2 und dem Mantel 1 von seinem Minimum auf sein Maximum, während sich der Raum zwischen der zweiten Verbindungslinie von seinem Maximum auf sein Minimum verkleinert. Wenn der Mantel 1 und/oder die Seitenwand 11 des Zylinders auf der einen Seite mit einer Eintrittsöffnung und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Austrittsöffnung für ein flüssiges oder gasförmiges Medium versehen ist, dann beginnt sich dieses Medium durch Drehung von nur einer der Wellen auf der einen Seite in den Raum zwischen Mantel 1 und Kolben 2 anzusaugen und auf der gegenüberliegenden Seite aus diesem Raum zu verdrängen. In diesem Fall arbeitet die Maschine als Pumpe oder Kompressor. Wird auf der einen Seite des Zylinders in den Raum zwischen Mantel 1 und Kolben 2 ein Druckmedium zugeführt, dann entsteht durch seinen Druck auf die durch die Verbindungslinie der Scheitelpunkte und der Breite des Kolbens 1 gegebene Fläche eine Kraft,- die außerhalb der einen Rotationsachse 7 hindurchgeht und somit einen Moment zu dieser Achse hervorruft. Durch diesen Moment drehen sich die Welle 71 und damit auch der Kolben 2 und die zweite Welle 81. Bei der Einrichtung entsprechend der Erfindung kann die Entfernung zwischen den Parallelachsen 7, 8 der Wellen 71, 81 in der Ebene, durch die beide Achsen 7, 8 gehen, kontinuierlich, und dass auch während des Betriebes der Maschine, geändert werden. Es ist offensichtlich, dass die Welle 81, gegen die der Kolben 2 beweglich in senkrechter Richtung auf der Geraden zwischen den Scheitelpunkten gelagert ist, gegenüber der Seitenwand 11 des Zylinders nur mit einem Freiheitsgrad (drehbar) gelagert sein muss, während die zweite Welle 71, gegen die der Kolben 2 beweglich in Richtung seiner Scheitelpunkte gelagert ist, in der Seitenwand 11 mit zwei Freiheitsgraden gelagert sein kann, einerseits drehbar, andererseits verschiebbar in der Ebene beider Achsen 7, 8, siehe dazu die Abbildung 2. Durch Änderung der Entfernung zwischen beiden Achsen 7, 8 kann sich kontinuierlich und während des Betriebes der Maschine sowohl das Verhältnis zwischen dem maximalen und minimalen Raum zwischen der Verbindungslinie der Scheitelpunkte und dem gekrümmten Mantel, und damit auch die Menge des angesaugten oder expandierenden und herausgedrückten Mediums, als auch die Größe des Momentes zur Achse 7 ändern. Bei einer hintereinander geschalteten Konstruktion von mindestens zwei derart angeordneten Maschinen entsprechend der Erfindung (zum Beispiel eine Maschine als Pumpe und die zweite Maschine als Motor für ein gasförmiges oder flüssiges Medium) ändert sich bei Bewegung von mindestens einer Welle 71 gegenüber der Welle 81 kontinuierlich sowohl die Umdrehungszahl als auch das Verhältnis der Momente beider verbundener Maschinen. Bei einer Anordnung, wie im vorherigen Beispiel beschrieben, wird die Welle 71 durch eine Kraft belastet, die durch den Druck auf den Kolben» 2. gegeben ist. Zu deren Entlastung ,wird_ entsprechend eines weiteren Merkmals der Erfindung mindestens eine der Führungswellen 71, 81 als Hohlwelle modifiziert, namentlich als Führungsring 72, 82, der ebenfalls drehbar in der Seitenwand 11 gelagert ist und der ebenfalls mit einem Führungselement 51, 61 ausgestattet ist, das mit dem Gleitelement 31, 41 im Kolben 2 verbunden ist. Der Kolben selbst ist drehbar gelagert (zum Beispiel mit Hilfe eines Lagers) auf dem tragenden Exzenter 10, der sich auf der Tragwelle 91 befindet, die in mindestens einer Seitenwand 11 drehbar gelagert ist. Die Tragwelle .91 geht mindestens durch .einen Führungsring 72, 82, und die Achse liegt in der Ebene der Achsen 7, 8 der Führungsringe 72, 82, und zwar in der Mitte zwischen ihnen. Die Außermittigkeit des tragenden Exzenters 10 ist gleich der halben Entfernung zwischen den Achsen 7, 8. Bei der Rotation des Kolbens 2, der durch die Führungsringe 72, 82 geführt wird, bewegt sich der Mittelpunkt des tragenden Exzenters 10 entlang des übereinsti menden Weges mit dem Mittelpunkt des Kolbens 2. Die Belastung des Kolbens 2 wird dann komplett über den tragenden Exzenter 10 und die Tragwelle 91 übertragen, damit werden die Führungsringe 72, 82 durch den Druck am Kolben nicht belastet. Bei der Ausführung nach der Abbildung 3 können große Drücke auf den Kolben ausgeübt werden, der Führungsring 72 kann jedoch nicht wie die Führungswelle 71 bei der Ausführung auf der Abbildung 2, verschoben werden. Entsprechend der Erfindung können jedoch die Vorteile beider beschriebenen Ausführungen derart kombiniert werden, dass nur ein Führungsring 82 verwendet wird und die Führungswelle 71 belassen wird, die in beiden Seitenwänden 11 gelagert ist und hierbei durch den Führungsring 82 geht. In diesem Fall wird weder die Tragwelle -91 noch- der Exzenter 10 verwendet, die- Belastung des- Kolbens wird jedoch durch die ausreichend dimensionierte und beidseitig gelagerte Welle 71 übertragen. Bei der Ausführung mit tragendem Exzenter 10 und der Tragwelle 91 besteht nach dem Beispiel der .Ausführung ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, dass die Funktion beider Führungsringe derart verbunden wird, dass der Führungsring 72, 82 nur an einer Seite des Kolbens 2 angebracht und nach der Abbildung 6 derart modifiziert ist, dass er neben dem Führungselement 51, 61, das sich auf der dem Kolben zugewandten Seite befindet, darüber hinaus auf der dem Kolben abgewandten Seite noch ein unterstützendes Führungselement 52, 62 besitzt, in dem auf dem Hilfsexzenter 15 ein verschiebbarer Gleiter 14 gelagert ist. Dieser Hilfsexzenter 15 hat die gleiche Außermittigkeit wie der tragende Exzenter 10 und ist fest auf der Tragwelle 91 angeordnet und um 180° gegenüber dem tragenden Exzenter 10 gedreht. Somit können beide Führungsringe an^'' einem der beiden Stellen ihrer Einbringung vereinigt werden. Es ist natürlich o fensichtlich, dass es aus Produktionsgründen günstiger ist, den vereinigten Führungsring an der Stelle des Führungsringes 82 unterzubringen, d.h. in der Art und Weise, dass sein Führungselement 61 im Gleitelement 41 des Kolbens 2 verschiebbar gelagert ist in senkrechter Richtung zur Geraden, die beide Scheitelpunkte des Kolbens 2 verbindet. Alle Maschinen mit sich bewegenden Bestandteilen haben viele Stellen, die geschmiert bzw. gekühlt werden müssen. Bei einer Maschine entsprechend der Erfindung muss jedoch keine eigenständige Pumpeinrichtung eingesetzt werden, denn gemäß eines der Merkmale der Erfindung können die sich ändernden Räume zwischen bestimmten sich zueinander bewegenden Bestandteilen, zum Beispiel zwischen den Gleitelementen 3, 4, 31, 41 bzw. dem Gleiter 14 auf der einen Seite und zwischen den Führungselementen 5, 6, 51, 61, 52, 62 auf der anderen Seite, als Pumpeinrichtungen für Schmiermittel und/oder Kühlmedium verwendet werden mit der Maßgabe, dass diese Räume an den Seiten abgeschlossen sind und mit Eintritts- und Austrittsöffnungen für das angeführte Medium versehen werden. Dadurch entfallen nicht nur die sonst meist teuren und schweren Pumpeinrichtungen, sondern darüber hinaus kann beim Hineinpumpen des Mediums in die Maschine das Schmiermittel und/oder Kühlmedium über die Schmier- und/oder Kühlstelle mit Unterdruck eingeführt werden, damit ist der Verbrauch dieser Medien nur sehr gering.

Die Drehkolbenmaschine nach dieser Erfindung zeigt sowohl nach den Beispielen der Ausführung als auch nach anderen sich aus den Patentansprüchen ergebenden Ausführungen' -im Vergleich mit bisher bekannten Kolbenmaschinen seine Vorteile darin, dass sie gegenüber den Maschinen mit verschiebbarem Kolben kleiner, leichter und vollkommen ausgewogen ist, gegenüber Zahnradmaschinen eine höhere Leistung und geringere Lärmentwicklung aufweist, gegenüber Maschinen mit an Zahnrädern abrollendem Kolben eine geringere Lärmentwicklung, ein besseres Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Größe des Arbeitsraumes sowie einen geringeren Verbrauch an Schmiermitteln aufweist und es besteht keine Abhängigkeit zwischen Durchmesser der Welle und der belasteten Kolbenfläche, was einen Einsatz bei hohen Drücken, (zum Beispiel bei Verbrennungsmotoren) oder bei sehr hohen Drücken (zum Beispiel bei Hydraulikpumpen) ermöglicht.

Claims

Patentansprüche

Drehkolbenmaschine,- insbesondere ein Kompressor, eine Pumpe oder ein Motor, mit einem Drehkolben, durch den Arbeitsräume mit sich änderndem Volumen abgegrenzt werden, wobei der Kolben in einem Zylinder mit zwei Seitenwänden und einem gekrümmten Mantel angeordnet ist g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass der Kolben (2) im Zylinder (1, 11) einerseits drehbar um zwei gemeinsam parallele, senkrecht zu den Seitenwänden (11) des Zylinders liegende Rotationsachsen (7,8) und andererseits verschiebbar in zwei sowohl zueinander als auch zu den parallelen Rotationsachsen (7, 8) senkrechten Richtungen gelagert ist.

2. Drehkolbenmaschine nach dem Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass sie mit zwei Führungswellen (71, 81) mit parallelen Rotationsachsen (7, 8') versehen ist, wobei die Führungswellen (71, 81) in Richtung senkrecht zu den Rotationsachsen (7, 8) mit Führungselementen (5, 6) , mit Vorteil Gleiter oder Zapfen, versehen sind, auf denen der Kolben (2) mit Hilfe von Gleitelementen (3, 4) , mit Vorteil Furchen oder Buchsen, verschiebbar aufgesetzt ist.

3. Drehkolbenmaschine nach dem Anspruch 2, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass eine der Führungswellen (71, 81) in der Seitenwand (11) des Zylinders verschiebbar in Richtung der Ebene gelagert ist, in der die Rotationsachsen (7, 8) liegen.

4. Drehkolbenmaschine nach ^'dem Anspruch 2, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass der Kolben (2) drehbar auf einem tragenden Exzenter (10) gelagert ist, der mit einer Tragwelle (91) verbunden ist, die wiederum drehbar in mindestens einer Seitenwand (11) des Zylinders parallel zu den Rotationsachsen (7, 8) des Kolbens (2) und zwischen diesen Achsen (7, 8) gelagert ist, wobei die Außermittigkeit des tragenden Exzenters (10) gleich der Hälfte der Entfernung zwischen den Rotationsachsen (7, 8) -ist. - - - -

5.^' Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass mindestens eine der Führungswellen (71, 81) als Führungsring (72, 82) gestaltet ist, der drehbar in der Seitenwand (11) gelagert ist und auf seiner dem Kolben (2) zugewandten Frontseite mit einem Führungselement (51, 61) , mit Vorteil Nase oder Furche, versehen ist, auf dem die mit dem Kolben (2) verbundenen Gleitelemente (31, 41) , mit Vorteil Furchen oder Nasen,, aufgesetzt sind.

6. Drehkolbenmaschine nach dem Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass der Führungsring (72, 82) auf seiner dem Kolben (2) abgewandten Frontseite mit weiteren unterstützenden Führungselementen (52, 62) versehen ist, die ^''senkrecht zu den Führungselementen (51, 61) auf der dem Kolben (2) zugewandten Seite angeordnet sind, und auf denen ein auf dem Führungsexzenter (15) gelagerter unterstützender Gleiter (14) gelagert ist, der auf einer Tragwelle (91) parallel zum dem tragenden Exzenter (10) und um 180 Grad zu dem tragenden Exzenter (10) gedreht aufgesetzt ist.

7. Drehkolbenmaschine nach dem Anspruch 2, 5 oder 6, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass die Räume zwischen den Gleitelementen (3, 4, 31, 41) , mit Vorteil Zapfen oder Nasen, bzw. dem unterstützenden Gleiter (14) einerseits und den Führungselementen (5, 6, 51, 61, 52, 62) , mit Vorteil Buchsen oder Furchen, andererseits geschlossen sind und mit Öffnungen für den Eintritt und Austritt von Schmiermittel versehen sind.