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Die
Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine, die innerhalb eines
stationären
Gehäuses
einen auf einem exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle
gelagerten Drehkolben umfasst, wobei der Drehkolben mindestens ein
Paar an seinem Umfang ausgebildeter konvexer und konkaver Kolbenflächen aufweist,
die mit mindestens einem an der Innenfläche des Gehäuses ausgebildeten zugehörigen Paar
konvexer und konkaver Zylinderflächen
mindestens eine an einen Fluideinlass angeschlossene Kammer einschließen, deren
Größe sich
bei der weiteren Drehbewegung zu einer mit einem Ventil versehenen
Auslassöffnung
hin stetig verringert.
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Drehkolbenmaschinen
der eingangs erwähnten
Art zum Fördern
und Verdichten eines Fluids, die gleichermaßen auch als Vakuumpumpen oder
Motoren fungieren können,
sind beispielsweise aus der
EP
0644981 B1 oder der
DE 20 2004 008 106 U1 oder der
US 2004 213 691 A bekannt.
Bei der Drehbewegung des Kolbens mittels des exzentrisch an der
Kurbelwelle ausgebildeten Kurbelexzenters gleitet die Kolbenfläche abdichtend
entlang der gekrümmtem
Gehäuse- bzw. Zylinderfläche. Die
zuvor offene und mit einem von außen zugeführten Fluid gefüllte Kammer
wird während
der Kolbenbewegung immer kleiner und fördert das in der Kammer befindliche
Fluid über
ein an dem engsten Kammerbereich befindliches Ventil nach außen.
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Eine
so ausgebildete Drehkolbenmaschine ist insofern nachteilig, als
eine Regelung des Fördervolumens
nur zentral über
die Drehzahl der mit einem Antriebsmotor verbundenen Kurbelwelle
und/oder über
Regel- oder Drosseleinrichtungen erfolgen kann. Bei einer Havarie,
einer Überhitzung
oder dgl. können
zudem aufgrund des Reibungskontaktes die Kammerflächen beschädigt werden.
Eine Reparatur oder ein Austausch des mit den Auslasskanälen und Auslassventilen
versehenen Gehäuses
ist – zumal bei
Mehrkammergehäusen – mit einem
erheblichen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der
eingangs erwähnten Art
anzugeben, die eine vom Antrieb unabhängige individuelle Regelung
des Fördervolumens
und des Druckes sowie eine einfache Anpassung an bestimmte Betriebszustände und
eine einfache Reparatur zulässt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Drehkolbenmaschine gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
und zweckmäßige Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einer Drehkolbenmaschine der eingangs erwähnten Art besteht der Grundgedanke
der Erfindung darin, dass die die Verdichtungskammer(n) begrenzende(n)
Gehäusefläche(n) jeweils
von einem einstellbaren, um einen Drehpunkt schwenkbaren oder beidseitig
verstellbaren Zylindersegment gebildet werden, so dass die Spaltweite
zwischen Gehäuse-
und Kolbenflächen
und somit das Kammervolumen verringert oder vergrößert werden
kann und die Drehkolbenmaschine in Abhängigkeit von den jeweiligen
Betriebsverhältnissen
und unabhängig
von der Drehzahl durch Verstellen eines oder mehrerer oder aller
Zylindersegmente oder aufeinander folgender Zylindersegmente nacheinander
in zeitlichem Abstand gesteuert werden kann. Die Drehkolbenmaschine
kann so mit einer oder mehreren oder allen Kammern in Nulllast,
in Teillast oder in Volllast gefahren werden, um das Fördervolumen
zu regeln oder beispielswei se eine Kühlwirkung zu erzielen oder eine
zu hohe Reibung zwischen den Gehäuse-
und Kolbenflächen
mit den daraus resultierenden nachteiligen Folgen zu verhindern.
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Bei
einer Zwei- oder Mehrkammer-Drehkolbenmaschine mit aufeinander folgenden
Zylindersegmenten ist zwischen den gegenüberliegenden Seiten benachbarter
Endabschnitte ein Fluideinlassschlitz, an den sich eine Einlassöffnung für die Fluidzuführung anschließt, ausgebildet.
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Die
Form des Zylindersegments kann auch so gestaltet sein, dass zwischen
seiner Außenfläche und
der Gehäuseinnenwand
ein an die Einlassöffnung
angeschlossener Fluideinlasskanal frei bleibt, um dadurch die Kühlwirkung
des zugeführten
Fluids zu nutzen.
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Gemäß einem
weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung erfolgt der Fluidauslass
aus der Verdichtungskammer in axialer Richtung über eine stirnseitig am Gehäuse abdichtend
angebrachte Lochplatte mit Auslassöffnungen und eine Ventilplatte
mit an dieser vorgesehenen, den Auslassöffnungen zugeordneten Ventilen,
die bei Erreichen eines bestimmten Druckes des Fluids in den Kammern
selbsttätig öffnen und
das aus den Auslassöffnungen
austretende Fluid in einen auf die Ventilplatte aufgesetzten hohlen
Deckel mit zentralem Auslassstutzen leiten.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Zylindersegmente beidseitig
mittels auf diesen angebrachten Dichtungsstreifen oder Dichtleisten
zur Lochplatte und zum Gehäuseboden
hin abgedichtet.
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In
weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Einstellung der Zylindersegmente
mit einem Verstellexzenter, der jeweils in Abhängigkeit von mittels Messsensoren
erfass ten Betriebsparametern mechanisch oder in Verbindung mit einer
Software automatisch betätigt
werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können der Drehpunkt und der
Verstellexzenter des Zylindersegments auch gegeneinander ausgetauscht werden,
so dass sich unterschiedliche Volumina und Drücke ergeben.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können an beiden Enden der Zylindersegmente
Verstellexzenter vorgesehen sein. Mit dieser Verstellvariante können noch
andere Druck- und Volumenverhältnisse
in der Kammer eingestellt werden.
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Die
Drehkolbenmaschine kann als Pumpe oder Verdichter mehrstufig betrieben
werden, indem die einzelnen Kammern aufeinander folgende Stufen mit
jeweils erhöhtem
Druckniveau bilden.
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Die
Fluidein- und -auslässe
in bzw. aus dem Kammern können
auch separat geschaltet sein, so dass jede Kammer mit unterschiedlichem
Druckniveau betreibbar ist.
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Abgesehen
von der durch die variable Spaltweiteneinstellung bedingten vorteilhaften
individuellen und an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbaren
Steuerungsmöglichkeit
und Kühlung
ist die vorgeschlagene Drehkolbenmaschine auch kompakt und kostengünstig ausgebildet,
kann auf einfache Art repariert werden und verfügt über eine lange Lebensdauer.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer als Pumpe betriebenen, aber auch als Kompressor,
Motor oder Vakuumpumpe einsetzbaren Drehkolbenmaschine mit verstellbar
angeordneten, austauschbaren Zylindersegmenten; und
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2 eine
Explosionsdarstellung einer Drehkolbenmaschine mit stirnseitig vorgesehenem Fluidauslass.
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1 zeigt
eine Drehkolbenmaschine, die innerhalb eines kreisförmigen Gehäuses 1 einen
auf einem Kreis bewegten Drehkolben 2 umfasst. Das als
Zylinder dienende Gehäuse 1 weist
am Innenumfang – im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
fünf – konkav
in die Gehäusewand
eingeformte Gehäusewandflächen 3 auf,
an die sich jeweils ein etwa halbkreisförmiges, um einen Drehpunkt 4 verschwenkbares
Zylindersegment 5 anschließt. Das an der Innenseite konkav
ausgeformte Zylindersegment 5 ist an dem um den Drehpunkt 4 gelagerten
Ende konvex gerundet ausgeführt
und bildet dort eine konvex geformte Zylindernase 6. An
dem dem Drehpunkt 4 gegenüberliegende – freien – Ende 7 des
jeweiligen Zylindersegments 5 ist ein an eine Einlassöffnung 26 angeschlossener
Fluideinlassschlitz 24 vorgesehen. Die Zylindersegmente 5 bilden
somit eine abwechselnd konkav und konvex geformte Zylinderfläche 13. Die
Lage der Zylindersegmente 5 kann über einen von außen betätigbaren
Verstellexzenter 8 in Richtung der Pfeile 23 eingestellt
werden, so dass das im Innern des Gehäuses 1 vorhandene,
nach außen durch
die Zylindersegmente 5 begrenzte Kammervolumen verkleinert
oder vergrößert wird.
Die Einstellung kann mechanisch oder automatisch erfolgen. An den
Zylindersegmenten 5, 5' sind an den beiden planflächigen,
gegenüberliegen
Seiten Dichtungsstreifen 22 angebracht, um die Zylindersegmente 5, 5' gegenüber der
Lochplatte 16 und dem Gehäuseboden abzudichten.
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Im
Innern des Gehäuses 1 ist
an einer zentrisch im Gehäuse 1 gelagerten,
drehbar angetriebenen Kurbelwelle 9 auf einem an dieser
exzentrisch angeordneten Exzenter 10 ein Drehkolben 2 angebracht,
der eine kreisförmige
Bewegung ausführt.
An dem Drehkolben 2 sind radial abstrebende Kolbennasen 12 ausgebildet,
die jeweils in die von den Zylinderflächen 13 der Zylindersegmente 5 gebildeten Räume ragen
und jeweils eine konvex geformte sowie zwei konkav geformte Kolbenflächen 14 (Kammerinnenflächen) bilden.
Die Zylinder- und Kolbenflächen 13, 14 begrenzen
radial die über
seitliche Öffnungen
(nicht dargestellt) im Gehäuses 1 mit
einem zu fördernden
Fluid beschickten Kammern 15 (15.1 bis 15.5)
der Drehkolbenmaschine.
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Gemäß der in 2 vereinfacht
wiedergegebenen Explosionsdarstellung, in der die im Gehäuse 1 vorgesehenen
Zylindersegmente 5 und auch die Fluidzufuhr in das Gehäuse 1 nicht
dargestellt sind, wird auf der oberen Stirnfläche des Gehäuses 1 zunächst eine
Lochplatte 16, anschließend eine Ventilplatte 17 und
danach ein als Hohlkörper
ausgebildeter Deckel 18 befestigt. In der Lochplatte 16 befinden sich
Auslassöffnungen 19,
die durch an der Ventilplatte 17 gehaltene Plattenventile 20 verschlossen sind.
Die Befestigung der Lochplatte 16, der Ventilplatte 17 und
des Deckels 18 erfolgt mittels die Bohrungen 21 durchgreifenden
Passschrauben (nicht dargestellt). Das Gehäuse 1 ist gegenüber der
Lochplatte 16 abgedichtet. Die Breite der an der engsten Stelle über den
Kammern 15 liegenden Auslassöffnungen 19 in der
Lochplatte 16 entspricht etwa der maximalen Spaltweite
der Kammer 15 (= zwei Kurbelwellenradien), wobei die Auslassöffnungen 19 eine
der Längserstreckung
der Kammer entsprechende längliche
Form haben.
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Die
von den Kolbennasen 12 und den Zylindersegmenten 5 gebildeten
Kammern 15 der Drehkolbenmaschine werden – von der
Seite des Gehäuses 1 aus – über die
Einlassöffnungen 26 und
den Fluideinlassschlitz 24 (bzw. den Fluideinlasskanal 25)
mit dem zu fördernden
Fluid gefüllt.
In der in 1 dargestellten Kolbenposition
sind die Kammern 15.1, 15.2 und 15.3 geschlossen
und während der
weiteren Drehbewegung des Drehkolbens 2 wird das Fluid
in diesen Kammern immer weiter gefördert. Im Zustand des größten Ausschubes
aus der Kammer 15.1 öffnet
sich aufgrund des hohen Fluiddruckes das an dieser Stelle angeordnete
Plattenventil 20, so dass das Fluid in den hohlen Deckel 18 abströmen kann.
Zwischenzeitlich werden die – noch
nicht geschlossenen – Kammern 15.4 und 15.5 mit
dem zu fördernden
Fluid gefüllt.
Auf diese Art wird nacheinander in den folgenden Kammern 15.2 und 15.3 sowie
den sich später
schließenden
Kammern 15.4 und 15.5 das Fluid gefördert und
in den hohlen Deckel 18 und von dort über einen Auslassstutzen 11 nach
außen
geleitet.
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In 1 ist
noch eine Variante eines Zylindersegments 5' dargestellt, das so ausgebildet
ist, dass zwischen seiner Außenfläche und
der Gehäusewandfläche 3 ein
an eine Einlassöffnung 26 angeschlossener
Fluideinlasskanal 25 gebildet wird. Diese Ausbildung ist
insofern vorteilhaft, als dadurch am Gehäuse 1 und an den Zylindersegmenten 5' eine hohe Kühlwirkung
erzielt werden kann.
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Durch
Verstellen der Zylindersegmente 5 kann die Spaltweite der
Kammern 15, das heißt
das Kammervolumen verändert
und dadurch das Fördervolumen
auch unabhängig
von der Drehzahl der Kurbelwelle 9 beeinflusst und die
Maschine in Nulllast, Teillast oder Volllast gefahren werden, so
dass ein optimaler Betrieb gewährleistet
ist. Das heißt
beispielsweise, dass bei der Einstellung einer maximalen Spaltweite
somit trotz sich drehender Kurbelwelle eine Nullförderung
eingestellt werden kann. Das ist beispielsweise beim Anfahren der
Drehkolbenmaschine in kal tem Zustand vorteilhaft. Nach dem Warmfahren
kann die Spaltweite dann mechanisch oder automatisch, beispielsweise
gesteuert über Messsensoren
und eine Software, entsprechend dem gewünschten Betriebszustand eingestellt
werden. Mit Messsensoren für
Temperatur, Druck, Spaltweite, Durchflussgeschwindigkeit, Drehzahl
und dgl. können
die Betriebsparameter erfasst werden, so dass die Drehkolbenmaschine
immer mit optimalem Wirkungsgrad und ohne die Gefahr des Festlaufens betrieben
werden kann.
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Bei
einer Havarie können
alle Zylindersegmente 5 schlagartig auf eine maximale Spaltweite eingestellt
werden, so dass eine Beschädigung
der Laufflächen
(Kammeraußen-
und Kammerinnenflächen)
an den Kolbennasen 12 und den Zylindersegmenten 5 vermieden
wird und die Drehkolbenmaschine lastfrei läuft.
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Es
ist auch möglich,
nur ein Zylindersegment 5 oder nur einige Zylindersegmente
zu verstellen, so dass eine oder einige Kammern 15 mit
einer Teil- oder Nullförderung
betrieben werden, um einerseits auf diese Art die Fördermenge
der als Pumpe betriebenen Drehkolbenmaschine einzustellen und andererseits
eine Kühlwirkung
mit dem nicht unter Last geförderten
Fluidstrom zu erzielen. Das separate Verstellen der Zylindersegmente 5 und
das damit verbundene Einstellen der Spaltweite und Fördermenge kann
auch im Wechsel für
die aufeinander folgenden Verdichterkammern 15 durchgeführt werden,
um durch den zeitlich aufeinander folgenden Kammerbetrieb mit Nulllast
eine kontinuierliche Kühlwirkung
zu erreichen.
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Neben
dem optimalen und variierbaren Betrieb zeichnet sich die oben beschriebene
Drehkolbenpumpe durch eine lange Lebensdauer und geringe Reparaturkosten
aus. Auch in Bezug auf die Abführung
des Fluids sowie den Herstellungs-, Montage und Reparaturaufwand
ist die beschriebene Drehkolbenmaschine gegenüber den bekannten Vorrichtungen
dieser Art vorteilhaft, da das geförderte Fluid aus den Kammern 15 nicht
radial über
die Zylinderwand, sondern stirnseitig über die gemeinsame Ventilplatte 17 und
den hohl ausgebildeten Deckel 18 zentral abgeführt wird.
Es werden weniger Bauteile benötigt und
die Pumpe ist kostengünstigere
in der Herstellung und dabei sehr kompakt und platzsparend ausgebildet.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Drehkolben
- 3
- Gehäusewandfläche
- 4
- Drehpunkt
v. 5
- 5
- Zylindersegment
(5' Zylindersegment)
- 6
- Zylindernase
v. 5
- 7
- freies
Ende v. 5
- 8
- Verstellexzenter
- 9
- Kurbelwelle
- 10
- Exzenter
- 11
- Auslassstutzen
- 12
- Kolbennase
v. 2
- 13
- Zylinderflächen v. 5
- 14
- Kolbenflächen
- 15
- Kammern
(15.1 bis 15.5)
- 16
- Lochplatte
- 17
- Ventilplatte
- 18
- Deckel
(hohl)
- 19
- Auslassöffnungen
v. 16
- 20
- Plattenventile
- 21
- Bohrungen
- 22
- Dichtungsstreifen
- 23
- Pfeile
- 24
- Fluideinlassschlitz
- 25
- Fluideinlasskanal
zwischen 1 und 5'
- 26
- Einlassöffnung in 1