WO2009026883A2

WO2009026883A2 - Verfahren zur umwandlung von druckluftenergie in mechanische energie und druckluftmotor dafür

Info

Publication number: WO2009026883A2
Application number: PCT/DE2008/001334
Authority: WO
Inventors: Felix Arnold
Original assignee: Cor Pumps + Compressors Ag
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2009-03-05
Also published as: CN101970801A; WO2009026883A3; EP2188496B1; ATE502185T1; US8517707B2; DE502008002903D1; ES2360270T3; CN101970801B; EP2188496A2; US20100215531A1; DE102008037903A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Energie und ein Druckluftmotor dafür vorgeschlagen, bei dem der Motor mit an sich schon vorgeschlagenen Stirnverzahnungsrotoren (2, 3) arbeitet, mit denen aufgrund ihrer Lagerung und Ausgestaltung ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt wird.

Description

Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Energie und Druckluftmotor dafür

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie von einem druckluftangetriebenen Luftmotor nach der Gattung des Anspruchs 2, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

Es ist ein Druckluftmotor mit fluidisch betätigbarem Drehantrieb bekannt, bei dem Druckluftenergie in mechanische Drehenergie gewandelt wird, indem ein druckluftbeaufschlagter Schwenkkolben eine hin- und hergehende Schwenkbewegung in eine Drehbewegung einer Abtriebswelle umsetzt, unter Einsatz einer Freilaufkupplung zwischen Schwenkkolben und Abtriebswelle, wobei die Vorteile eines Luftmotors gegenüber einem Elektromotor hervorgehoben sind (DE G 93 20 601). Die bei diesem Druckluftmotor durch Druckluft erzeugte rotative Bewegung ist jedoch nachteiligerweise nicht kontinuierlich sondern entsprechend der Bewegung des Schwenkkolbens und dem Einsatz der Freilaufkupplung je nach Drehwiderstand ungleichmäßig. Ein anderer Nachteil dieses bekannten Schwenkkolbenluftmotors besteht in dem aufwendigen komplizierten Aufbau und der außerdem erforderlichen Freilaufkupplung, bzw. der hiermit verbundenen verhältnismäßig großen Abnutzung der einzelnen Motorteile. Außerdem ist die Herstellung eines solchen Druckluftmotors außerordentlich aufwendig, wodurch er auch entsprechend teuer wird.

Ein anderer bekannter druckluftbetriebener Antriebsmotor (Druckluftmotor) mit allerdings einem umlaufenden, eine Abtriebswelle betätigenden Rotor, weist in Art eines Flügelzellenaggregats durch Federn oder Fliehkraft radial an die Wand gepresste Flügelzellen auf, wie es auch bei Luftverdichtern in vielfältiger Weise bekannt ist (DE OS 31 17 412 Al). Der Nachteil dieser Art von Antrieb besteht darin, dass die Dichtflügel in Richtung des umlaufenden Wellenrotors eine rechtwinkelige Flächenberührung mit der Gehäusewand aufweisen, auf der sie entlang gleiten, mit dem Nachteil, dass es äußerst schwierig ist, hier eine geringe Reibung und entsprechende Dichtheit zu erzielen, ganz abgesehen von den Nachteilen der äußerst hohen Herstellkosten und der Probleme bezüglich Abnutzung aufgrund Abdichtung und Schmierung, was sich natürlich unmittelbar auf die Lebensdauer, bzw. dem abnehmenden Wirkungsgrad des Druckluftmotors bei entsprechender Dauer des Einsatzes auswirkt. Der druckluftbetriebene Antriebsmotor soll dort zudem für Druckluftwerkzeuge, z. B. Schleifer, Verwendung finden, bei denen es bekanntlich weniger auf die tatsächliche Antriebsqualität ankommt, dafür aber auf die Lebensdauer. Bei wieder einem anderen bekannten Druckluftmotor (DE OS 196 13 262 Al) erfolgt der Rotationsantrieb der Abtriebswelle über eine von zwei über ein Rädergetriebe gekoppelten Wellen, welche zwei Drehkolben tragen, die in dem Gehäuse durch Beaufschlagung mit Druckluft gegenläufig in eine Drehbewegung versetzt werden, ähnlich der Umkehrung eines Rootsgebläses in einem Druckluftmotor. Auch hier besteht das Problem vor allem in der Abdichtung, bzw. der Abnutzung und der damit gegebenen Undichtheit nach einer bestimmten Betriebsdauer, da die beiden Drehkolben in radialer Hinsicht jeweils auf Wänden von Zylinderbohrungen bzw. dem Gegenläufer laufen und in axialer Richtung wiederum mit ihren glatten Stirnflächen auf entsprechenden glatten Stirnflächen des Gehäuses laufen, wobei eine nachträgliche Korrektur zur Abdichtung nach Abnutzung oder bei Spaltänderungen durch Temperaturänderungen nicht möglich ist. Zwar sollen Gehäusewand und Drehkolbenbeschichtung elastisch sein, um diesen bekannten Nachteil zu kompensieren, was jedoch mit einem entsprechenden Aufwand verbunden ist. Auch hier ist daran gedacht mit einem solchen Drehkolbenrundlaufmotor eine Werkzeugmaschine, bzw. eine Bohrspindel, anzutreiben. In jedem Fall sind der elastischen Ausgestaltung solcher Drehkolben erhebliche Grenzen gesetzt, da die Drehkolben auf der Gehäusewand reiben und nicht abrollen, was bei einem elastischen Zwischenbereich zu einer starken Bremswirkung, bzw. einem erheblichen Verlust der Drehkräfte, bzw. des Drehmoments an der Abtriebswelle des Druckluftmotors führt.

Ein Hauptproblem von Druckluftmotoren, die die Strömungsenergie der Druckluft in Drehenergie einer Welle umsetzen besteht in der Qualität dieser Umsetzung, nämlich inwieweit die eine Energie in die andere mit möglichst geringen Verlusten umsetzbar ist. Hier wurden vom Fachmann Flügelzellenpumpen bevorzugt, weil sowohl die Reibung als auch die innere Dichtheit der Arbeiträume übersehbar schien und vor allem diese grundsätzlichen für den Wirkungsgrad entscheidenden Merkmale durch Pumpen dieser Art bereits bekannt waren.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie dem erfindungsgemäßen Druckluftmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, stand deshalb eine Voreingenommenheit der Fachwelt entgegen.

Für den Fachmann war es nicht vorstellbar, dass eine Stirnzahnradpumpe als Druckluftmotor dienen könne, da die Druckluft in Art ihres Angriffs auf die Arbeitsflächen des Motors, also insbesondere in den Arbeitsräumen, kompensierend wirken würde, wobei zwar in der Praxis Pneumatikmotoren als Möglichkeit angedeutet wurden (DE 42 41 320 C2), aber in der Praxis wegen der genannten Voreingenommenheit nicht gebaut wurden. Gründen bestanden außerdem darin, dass die bekannten Druckluftmotoren entweder beim Rotationsantrieb Schwankungen aufwiesen oder den erforderlichen Drehmomenten nicht zu genügen schienen. Es ist auch ein anderer Motor auf Drehkolbenbasis beschrieben (US 3,856,440) mit Stirnverzahnung aufweisenden Drehkolben, wobei die Zähne eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweisen, so dass eine Motorwirkung mit Abtriebsaufgabe entstehen könnte. An eine Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie für bestimmte Zwecke ist aber nicht gedacht und auch nicht vorbeschrieben, und aufgrund des häufig Vorhandenseins von Druckluftenergie und vor allem auch bei dem grundsätzlich vorhandenen Bedarf an mechanischer Drehenergie auch nicht nahegelegt. Der Fachmann denkt bei Druckluftmotoren, die eine Umkehrung zu Pumpen und Verdichtern aufweisen, vor allem an rotierende Teile, deren vom Antriebsmedium beaufschlagte Flächen bezüglich der Drehachse eine Hebelwirkung in Drehrichtung aufweisen, wie beispielsweise eine Flügelzelleneinrichtung. Hierbei wird meist nicht beachtet, dass der dem Antriebsflügel folgende, den Arbeitsraum abschließende nächste Flügel eine der Drehrichtung teilweise entgegenwirkende Kraft erzeugt. Diese in Bezug auf die Drehrichtung negative Wirkung besteht auch bei dem erstgenannten Luftmotor (DE G 93 20 601). Obwohl es sich dort nur um relativ geringe Schwankungen bei der erzeugten mechanischen Drehenergie handelt, sind diese Schwankungen bei den heute gegebenen hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Drehqualität bei der Umsetzung in mechanische Drehenergie unvertretbar und nachteilig, besonders im Hochdrehzahlbereich, z. B. für Zahnbehandlungsgeräte.

In jedem Fall wird entgegen der Annahme eines Fachmannes überraschenderweise auch aufgrund der günstigen Verdrehanordnung bei einer solchen Stirnverzahnung und der Gestaltungsfreiheit der Abluftöffnung ein außerordentlich hoher Wirkungsgrad erreicht, d. h. die besonders in manchen Einsatzbereichen angestrebte hohe Drehzahl wird bei der Erfindung überraschend erzielt, wobei vor allem die Verluste der meist nur begrenzt vorhandenen Druckluft auf ein Minimum reduzierbar sind. Gemäß dem Verfahren kann dieses Aggregat zur Umsetzung der mechanischen Drehenergie bei einem Hochdrehzahlgenerator dienen, wie er beispielsweise nicht nur in der Dentaltechnik gebraucht wird und bei dem der Läufer mit dem als Wellenrotor dienenden Drehkolben drehschlüssig gekoppelt ist.

Gemäß einem kennzeichnenden Merkmal des Verfahrens weisen die außer dem Gehäuse den Arbeitsraum begrenzenden Arbeitsflächen des Wellenrotors eine Stirnverzahnung auf, die außer auf dem Wellenrotor auf einem mit den Zähnen desselben zusammenwirkenden und deshalb entsprechend verzahnten Gegenrotor vorgesehen ist, dessen Drehachse zu der des Wellenrotors einen bestimmten Winkel aufweist, aber die gleiche Drehrichtung aufweist, wie der Wellenrotor, wobei die ineinandergreifende Verzahnung als Trochoidenverzahnung ausgebildet ist. Auch diese Vorgabe steht in einem gewissen Widerspruch zu den Annahmen eines Fachmanns, da Arbeitsräume zwischen Stirnzahnrädern als für Motoren kaum geeignet gelten, besonders bei Trochoidenverzahnungen, bei denen ein weiches Abwickeln der Wände der Zahnräder zum Arbeitsraum gewünscht ist.

Dies gilt entsprechend auch für die vorteilhafte Ausgestaltung des Druckluftmotors, bei dem eine Stirnzahnscheibe mit der Abtriebswelle verbunden ist und eine zweite Stirnzahnscheibe unter einem bestimmten Verdrehwinkel zur ersten Stirnzahnscheibe den Arbeitsraum bildend mit dieser kämmt, wobei eines der Teile als Zykloidenteil eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweist und wobei die Zähne des anderen mit diesem kämmend zusammenwirkenden Teil als Steuerteil Zahnkämme aufweist, welche an den Flanken des Zykloidenteils entlang laufen. Wie oben erwähnt ist ein solcher Drehkolbenmotor an sich bekannt (DE OS 42 41 320 Al), wurde allerdings aufgrund der Voreingenommenheit der Fachwelt nie zur Umsetzung in mechanische Drehenergie eingesetzt. Gemäß einem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 2 ist mindestens einer der Rotoren auf einem Wälzlager angeordnet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stützen sich die zur Lagerung des Wellenrotors und /oder des Gegenrotors vorgesehenen Wälzlager im Gehäuse des Motors ab. Besonders bei pneumatisch arbeitenden Aggregaten ist der Leichtlauf wichtig, wobei hier auch die Schmierung der Lagerung ein nicht unerhebliches Problem darstellt, was möglicherweise Mitursache für die Voreingenommenheit der Fachwelt ist.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wälzlager im Gehäuse von einer in Richtung der Drehachse verschraubbaren Stützmutter getragen und axial mit dem Rotor im Gehäuse verstellbar. Hierdurch kann zumindest eine Justierung der Rotoren im Gehäuse bzw. zueinander vorgenommen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Einlasskanal über einen bestimmten Verdrehwinkel verteilt, schmäler aber in Drehrichtung sich erweiternd ausgebildet, entsprechend der zwischen den Rotoren druckseitig gebildeten schmalen Öffnung zum Arbeitsraum hin.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Auslasskanal über einen bestimmten Verdrehwinkel verteilt zum Abbau verhältnismäßig weit ausgebildet entsprechend dem an dieser Stelle zum Auslasskanal weit offenen Arbeitsraum. Der Arbeitsraum kann hier nach außen offen sein, da die der Druckluft eingegebene Energie bereits verbraucht ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist mit einer Variante in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt entlang den Drehachsen I und II eines Druckluftmotors mit Stirnradverzahnung;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Variante des Pumpengehäuses bei gegenüber Fig. 1 um 90° verdrehter Lage;

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Linie III-III in Fig. 2 und in einem etwas verkleinertem Maßstab und

Fig. 4 eine Einsicht in das Gehäuse entsprechend dem Pfeil IV in Fig. 2 in ebenfalls leicht verkleinertem Maßstab.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellten durch Druckluft angetriebenen Motor sind in einem Gehäuse 1 zwei als Drehkolben dienende Rotoren gelagert, nämlich ein Wellenrotor 2 und ein Gegenrotor 3, die mit stirnseitig angeordneten Zähnen 4 und 5 entsprechend ineinander greifen und dabei mit dem Gehäuse 1 Motorarbeitsräume 6 begrenzen. Die Drehachse des Wellenrotors 2 ist mit I bezeichnet, die Drehachse vom Gegenrotor 3 mit II. Die beiden Drehachsen I und II schließen einen Winkel α < 180° ein, so dass beim Rotieren der Rotoren 2 und 3 die Motorarbeitsräume 6 sich entsprechend vergrößern, bzw. verkleinern. Der in Fig. 1 dargestellte Längsschnitt durch den Luftmotor geht durch diese beiden Drehachsen I und II.

Das Gehäuse 1 weist innen zur Aufnahme der Rotoren einen zylindrischen Abschnitt 7 und einen sphärischen Abschnitt 8 auf, wobei Letzterer in einen zylindrischen Abschnitt 9 übergeht zur Aufnahme der Lagerung des Gegenrotors 3 und entsprechend dessen versetzter Mittelachse II. Der Gegenrotor 3 ist auf einem Wälzlager 10 drehgelagert, welches durch einen Stützstopfen 11 eingespannt im zylindrischen Abschnitt 9 des Gehäuses 1 angeordnet ist. Der Stützstopfen 11 ist zur Befestigung des Wälzlagers 10 in das Gehäuse 1 eingeschraubt.

Zwischen den Rotoren ist, um die aufgrund des Winkels α zwischen den Drehachsen I und II sich beim Rotieren ergebenden pendelnden Bewegung zwischen den Rotoren zu ermöglichen, eine kugelige Auflagefläche 12 vorgesehen, die auch gleichzeitig die durch die Stirnzähne 4 und 5 der Rotoren gebildeten Motorarbeitsräume 6 voneinander trennt. Bei den Stirnzähnen 4 und 5 ist eine zykloide Verzahnung vorgesehen mit den bekannten Vorteilen (DE PS 42 41 320 C2). Der das eigentliche Leistungsteil bildende Wellenrotor 2 ist ebenfalls auf einem Wälzlager 13 drehgelagert, welches für sich von einer Stützmutter 14 getragen wird, die einerseits in dem zylindrischen Abschnitt 7 des Gehäuses 1 geführt ist, aber andererseits dort über ein Gewinde 15 in das Gehäuse 1 eingeschraubt ist. Hierdurch ist einerseits ein leichter Drehlauf des Wellenrotors 2 gewährleistet und andererseits eine gewisse Justierbarkeit, auch in Bezug auf den sphärischen Abschnitt 8 bzw. den Gegenrotor 3. Der Wellenrotor 2 weist außerdem eine Kupplungsöffnung 16 auf zur Aufnahme einer nicht dargestellten Drehkupplung, um die Drehbewegung zu übertragen. Am Gehäuse 1 ist ein Flansch 17 angeordnet, um ein anzutreibendes Aggregat entsprechend befestigen zu können. Außerdem ist auf der Rückseite des Gehäuses 1 ein Flansch 18 vorgesehen zum Anschluss für den Drucklufteinlass in einen an dieser Stelle noch kleinen Motorarbeitsraum.

Bei der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Variante des Luftmotors ist das Gehäuse einerseits gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Schnitt um 90° verdreht dargestellt und außerdem über die gesamte Länge zylindrisch ausgebildet. Hierdurch fallen die Drehachsen I und II bei der Darstellung ineinander, was lediglich als Perspektive aber auch in Fig. 4 erkennbar ist. Die denen in Fig. 1 entsprechenden Dinge sind mit der gleichen Bezugszahl wie in Fig. 1 versehen und durch einen Indexstrich unterschieden. Es ist allerdings nur ein Gehäuse als Variante dargestellt, wobei der in Fig. 2 gezeigte Anschnitt dazu dienen soll die Auslassöffnung 19 nach Ausnutzung der Druckluft, d. h. nach deren Entspannung, zu verdeutlichen.

So ist wie in Fig. 3 gezeigt im Gehäuse 1 auf der Druckluftseite eine Anschlussbohrung 20 vorgesehen für den Einlass der Druckluft in den hier nicht dargestellten aber gegenüberliegenden an dieser Stelle kleinen Pumpenarbeitsraum 4. Auf der gegenüberliegenden Seite ist im Gehäuse 1 eine entsprechend große Auslassöffnung 19 vorgesehen, um ein tatsächliches Entspannen der Druckluft zu erzielen. Durch die Erfindung wird erreicht, dass mit einem einfachen trochoidenstirnverzahnten Drehkolben unter Druck zugeführte Luft und durch deren Entspannen ein Wellenrotor angetrieben wird, der wiederum als Motor dient.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlenliste

1 Gehäuse

2 Wellenrotor

3 Gegenrotor

4 Stirnzähne

5 Stirnzähne

6 Motorarbeitsraum

7 zylindrischer Abschnitt

8 sphärischer Abschnitt

9 zylindrischer Abschnitt für 3

10 Wälzlager

11 Stützstopfen

12 Auflagefläche

13 Wälzlager

14 Stützmutter

15 Gewinde

16 Kupplungsöffnung

17 Flansch

18 Flansch Einlassanschluss

19 Auslassöffnung

20 Anschlussbohrung

Variante in Fig. 2 bis 4

I Drehachse von Fig. 2

II Drehachse von Fig. 3 α 4 zwischen I und II

Claims

Ansprüche -

1. Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie unter Einsatz eines druckluftbetriebenen Aggregats,

- mit mindestens einem einen Arbeitsraum (6) begrenzenden, mit seinen Arbeitsflächen sich dort abwälzenden und die Umdrehung einer Abtriebswelle bewirkenden Wellenrotors (2) und

Umsetzung der Umdrehung des Wellenrotors bzw. der Abtriebswelle in mechanische Drehenergie, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat mindestens einen einen Arbeitsraum begrenzenden, mit seinen Arbeitsflächen sich dort abwälzenden und die Umdrehung einer Abtriebswelle bewirkenden Wellenrotor aufweist und dass der Wellenrotor (2) mit einer Stirnverzahnung (4) arbeitet und mit einem mit entsprechenden Zähnen (5) ausgebildeten Gegenrotor (3) zusammenwirkt und dass der Wellenrotor mit einer Stirnverzahnung arbeitet und mit einem mit entsprechenden Zähnen ausgebildeten

Gegenrotor zusammenwirkt, wobei die ineinandergreifende

Verzahnung als Trochoidenverzahnung ausgebildet ist.

2. Druckluftmotor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einem von Druckluft angetriebenen als Drehkolben arbeitenden Wellenrotor (2), mit einem den Wellenrotor (2) aufnehmenden und mit ihm einen Motorarbeitsraum (6) begrenzenden Gehäuse (1), mit einem Einlassanschluss (18) und einem Auslasskanal (19) des Motorarbeitsraums (6) für die Druckluft bzw. entspannte Abluft, wobei der Wellenrotor (2) mit der Antriebswelle eines mechanischen Drehenergie erzeugenden Aggregats gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenrotor (2) zum Motorarbeitsraum (6) hin eine Trochoidenverzahnung aufweist und mit einem in diese Verzahnung eingreifenden, dadurch entsprechend verzahnten und von ihm angetriebenen Gegenrotor (3) zusammenwirkt, wobei aufgrund eines von 180° abweichenden Winkels zwischen den Drehachsen der Rotoren (2, 3) beim Rotieren eine entsprechende Zu- bzw. Abnahme des Volumens des Motorarbeitsraums (6) erfolgt mit entsprechender Entlastung des Luftdrucks und wobei mindestens einer der Rotoren auf einem Wälzlager angeordnet ist.

3. Druckluftmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Wellenrotors (2) über ein Wälzlager (13) erfolgt und dass dieses Wälzlager von einer Stützmutter (14) getragen wird, die am Gehäuse (1) befestigt ist.

4. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenrotor auf einem Wälzlager (10) gelagert ist, welches im Gehäuse (1) angeordnet ist und von einem das Gehäuse verschließenden Stützstopfen (11) getragen wird.

5. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (10, 13) im Gehäuse in Richtung der Drehachse (I, II) einschließlich Rotor axial verstellbar ist.

6. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal in Verdrehrichtung leicht zunehmend ausgebildet ist und in den auf dieser Seite ein noch geringes Volumen aufweisenden Arbeitsraum mündet.

7. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) in eine im Gehäuse (1) angeordnete Auslassöffnung (19) übergeht, die einen die vollständige Entspannung der Druckluft ermöglichenden großen Querschnitt aufweist.