DE19509913A1 - Umlaufkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine zur Wandlung von Be­ wegungsenergie in Druckenergie eines Arbeitsmediums, vorzugs­ weise eines Gases, oder umgekehrt zur Wandlung der Druckenergie in Bewegungsenergie. Diese als Verdichter wie auch als Motor nutzbare Kolbenmaschine zeichnet sich durch eine hohe Effekti­ vität aus, da sich der Kolben in eine stets gleichbleibende Richtung bewegt. Es treten z. B. nicht die Energieverluste für das Beschleunigen und Verzögern der Masse des oszillierenden Kolbens beim Hubkolbenprinzip auf. Außerdem wird in der erfin­ dungsgemäßen Maschine der Kolben nicht durch Gleitreibung an der Zylinderwandung gebremst.

In der Technik sind Umlaufkolbenpumpen bekannt, bei denen die Förderung darauf beruht, daß entweder durch die umlaufende Drehbewegung eines im Pumpengehäuse befindlichen Verdrängers der saugseitige Gehäuseraum vergrößert und der druckseitige Ge­ häuseraum verkleinert wird, wie z. B. bei Schlauchpumpen oder Pumpen mit elastischem Drehkolben, oder daß eine einfache Ver­ drängung ohne Änderung des jeweiligen Förderquerschnittes stattfindet. Solche Pumpen sind z. B. Zahnrad- und Spindelpum­ pen. Darin führen geradverzahnte Stirnräder oder mit Schrägzäh­ nen ausgestattete Spindeln, die von einem Kapselgehäuse am Um­ fang dicht umschlossen sind, eine Drehbewegung aus; sie wirken dabei gleichzeitig als Verdränger und Abschlußorgan zwischen Saug- und Druckseite. Nachteilig sind hohe Rückstromverluste und die daraus folgende Nutzungsbeschränkung für geringe Drüc­ ke.

Bekannt sind weiterhin Umlaufkolbenverdichter, in denen sich Kolben mit etwa gleichbleibender Geschwindigkeit in einem Ge­ häuse drehen. Ausführungsformen sind z. B. Schraubenverdichter mit einer der Spindelpumpe ähnlichen Wirkungsweise und Zellen­ verdichter. Bei letzteren sind in einen Läufer, der exzentrisch im Gehäuse gelagert ist, Schieber eingesetzt, die durch ihre Fliehkraft nach außen gegen die Gehäuseinnenwand gedrückt wer­ den; der Arbeitsraum wird durch die Schieber in Kammern ge­ teilt, deren Volumina sich mit der Drehung des Läufers vom Saugraum zum Druckraum hin stetig verkleinern, wodurch eine Verdichtung des Arbeitsmediums stattfindet. Nachteilig sind auch hier die aufgrund der Rückströmverluste nur geringen Drüc­ ke und der hohe Verschleiß an den dichtenden Flächen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Umlaufkolbenmaschine zu schaffen, bei der die Rückström­ verluste auf ein Minimum reduziert sind und bei der ein Ver­ schleiß durch dichtende Flächen weitestgehend ausgeschlossen wird. Die Maschine soll mit verhältnismäßig geringem Ferti­ gungsaufwand herstellbar sein und betriebssicher arbeiten.

Diese Aufgabe wird für eine Umlaufkolbenmaschine mit mindestens einem Kolben, der sich in einem Gehäuse auf einer Kreisbahn be­ wegt und der zwecks Übertragung eines Drehmomentes mit einer Welle verbunden ist, dadurch gelöst, daß als Kolben mindestens eine auf der Kreisbahn geführte Scheibe vorgesehen ist. Die beiden sich parallel gegenüberliegende Flächen der Scheibe, im folgenden als Kolbenscheibe bezeichnet, stellen zwei Kolbenflä­ chen dar, die im wesentlichen senkrecht zur Umlaufrichtung der Kolbenscheibe ausgerichtet sind. Die Kolbenscheibe ist zwecks Führung auf ihrer Kreisbahn und zwecks Übertragung des Drehmo­ mentes mit Hilfe eines gleichfalls umlaufenden Halteelementes mechanisch starr mit der Welle verbunden. Die Kreisbahnen der Kolbenscheibe und des Halteelementes sind allseitig vom Gehäuse so umschlossen, daß der Abstand zwischen der umlaufenden Kol­ benscheibe und der umschließenden Gehäuseinnenfläche minimal ist, ohne daß jedoch eine Berührung zwischen Kolbenscheibe und Gehäuse erfolgt. In Umlaufrichtung der Kolbenscheibe ist im Verlaufe der Kreisbahn mindestens ein beweglicher Schieber vor­ handen, der den Kreisbahnquerschnitt absperren oder freigeben kann; die Bewegung des Schiebers ist über Getriebeglieder steu­ erbar. Infolge der Steuerung des Schiebers ist der Querschnitt der Kreisbahn nur kurzzeitig für den Durchgang der Kolben­ scheibe geöffnet. Das Gehäuse weist in Umlaufrichtung der Kol­ benscheibe hinter dem Schieber, jedoch in dessen Nähe, eine Einlaßöffnung zur Zuführung eines gasförmigen Arbeitsmediums in das Gehäuseinnere und in Umlaufrichtung der Kolbenscheibe vor dem Schieber, ebenfalls in dessen Nähe, eine Auslaßöffnung zur Abführung des gasförmigen Arbeitsmediums aus dem Gehäuseinneren auf.

Die Kolbenscheibe kann kreisrund ausgeführt sein; die Gehäus­ einnenfläche sollte dann die Form eines Torus haben. Als Halte­ element kann eine Kreisscheibe vorgesehen sein, an deren Peri­ pherie mindestens eine Kolbenscheibe angeordnet ist; die Kreis­ scheibe sollte in ihrem Zentrum starr mit der Welle verbunden sein. Unter Umständen ist es günstig, zwei Kolbenscheiben vor­ zusehen und diametral am Umfang der Kreisscheibe anzuordnen.

Der Schieber kann als Drehschieber ausgebildet sein. Die Ge­ triebeglieder zur Steuerung des Schiebers sollten so gestaltet sein, daß ein Zwangslauf zwischen dem Umlauf der Kolbenscheibe und der Schieberbewegung gewährleistet ist; als Getriebeglieder können Schubstangentrieb oder Kardangelenke, gegebenenfalls auch eine Kombination aus beiden vorgesehen sein.

Eine günstige Ausführungsform kann zwei Drehschieber vorsehen, die sich diametral in der Kreisbahn gegenüberstehen. Die Anzahl der Ein- und Auslaßöffnungen sollte mit der Anzahl der Dreh­ schieber identisch sein.

Die Kolbenscheibe kann um einen geringen Betrag zu ihrer Um­ laufachse schräggestellt sein, so daß ein optimaler Durchgang der Kolbenscheibe durch die Freigabeöffnung im Drehschieber ge­ währleistet ist. In analoger Weise kann die Freigabeöffnung des Drehschiebers für die Kolbenscheibe schräg angeschnittene Rän­ der aufweisen. Denkbar ist auch, daß der Drehschieber nicht ex­ akt senkrecht zur Bahn der Kolbenscheibe läuft, sondern leicht in Richtung der Kolbenscheibe mitdreht.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel, dem eine Bauform mit zwei kreisrunden Kolbenscheiben zugrunde liegt, erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung in einem Schnitt in der Umlaufebene der Kolbenscheiben

Fig. 2 die Prinzipdarstellung im Schnitt senkrecht zur Umlaufebene der Kolbenscheiben

Fig. 3 eine Gestaltungsvariante von Drehschieber und Kolbenscheibe.

In Fig. 1 sind zwei auf einer Kreisbahn 1 geführte kreisrunde Kolbenscheiben 2 vorgesehen; die Umlaufrichtung der Kolben­ scheiben 2 ist durch Richtungspfeil 3 gekennzeichnet. Die bei­ den sich gegenüberliegenden Flächen 4, 5 jeder Kolbenscheibe 2 dienen als Kolbenflächen; sie sind senkrecht zur Umlaufrichtung der Kolbenscheiben 2 ausgerichtet. Die Kolbenscheiben 2 sind zwecks Führung auf der Kreisbahn 1 über ein gleichfalls umlau­ fendes Halteelement 6 mechanisch starr mit einer Welle 7 ver­ bunden. Das Halteelement 6 hat die Form einer Kreisscheibe, an der die Kolbenscheiben 2 diametral angeordnet sind. Die Kreis­ bahnen der Kolbenscheiben 2 und des Halteelementes 6 sind all­ seitig von einem Gehäuse 8 so umschlossen, daß der Abstand zwi­ schen den umlaufenden Kolbenscheiben 2 und der umschließenden Gehäuseinnenfläche minimal ist, ohne daß jedoch eine Berührung zwischen Kolbenscheiben 2 und Gehäuse 8 möglich ist; die Gehäu­ seinnenfläche hat die geometrische Form eines Torus. In Umlauf­ richtung der Kolbenscheiben 2 ist in der Kreisbahn 1 ein Dreh­ schieber 9 vorhanden, der den Kreisbahnquerschnitt absperren oder mit seiner Öffnung 10 (Fig. 2) freigeben kann. Der Dreh­ schieber 9 ist auf einer Welle 11 fest angeordnet; die Welle 11 ist über Getriebeglieder, die in der Zeichnung nicht darge­ stellt sind, mit der Welle 7, welche das Halteelement 6 und die Kolbenscheiben 2 trägt, gekoppelt. Die Getriebeglieder können nach dem Stand der Technik auf vielfältige Weise ausgeführt sein, z. B. als Kardanwelle mit entsprechender Anzahl von Gelen­ ken oder einem Kegelradgetriebe; empfohlen wird aus Gründen der Präzision und der Verschleißfestigkeit auch eine Kombination mittels Kardanwellen und Schubstangen, wobei die konstruktive Auslegung der Getriebeglieder für das dargelegte Beispiel so erfolgen sollte, daß eine Umdrehung der Welle 7 genau zwei Um­ drehungen der Welle 11 zur Folge hat. Die Umlaufrichtung des Drehschiebers ist durch Richtungspfeil 12 gekennzeichnet. Die Umlaufphasen der Kolbenscheiben 2 und der Öffnung 10 des Dreh­ schiebers 9 und ihre Abmessungen sind so aufeinander abge­ stimmt, daß der Querschnitt der Kreisbahn 1 jeweils nur kurz­ zeitig für den Durchgang der Kolbenscheiben 2 freigegeben ist.

In Umlaufrichtung der Kolbenscheiben 2 hinter dem Drehschieber 9 weist das Gehäuse 8 eine Einlaßöffnung 13 zur Zuführung eines gasförmigen Arbeitsmediums in das Gehäuseinnere auf. In Umlauf­ richtung der Kolbenscheiben 2 vor dem Drehschieber 9 ist eine Auslaßöffnung 14 zur Abführung des gasförmigen Arbeitsmediums aus dem Gehäuseinneren nach außen vorgesehen. Die Einlaßöffnung 13 und die Auslaßöffnung 14 befinden sich in der Nähe des Dreh­ schiebers 9.

Soll die erfindungsgemäße Anordnung als Verdichter genutzt wer­ den, ist die Welle 7 mit der Abtriebswelle eines Motors zu kop­ peln und in Drehung zu versetzen. Die Drehbewegung wird über das Halteelement 6 auf die Kolbenscheiben 2 übertragen, die hierdurch entsprechend Richtungspfeil 3 auf der Kreisbahn 1 um­ laufen. Zugleich wird über die Getriebeglieder der Drehschieber 9 in Rotation versetzt. Hat eine der Kolbenscheiben 2 die Posi­ tion des Drehschiebers 9 passiert, vergrößert sich mit fort­ schreitender Umlaufbewegung das Volumen des Gehäuseinneren zwi­ schen Drehschieber 9 und der Saugseite 5 dieser Kolbenscheibe 2. Da der Kreisbahnquerschnitt durch den Drehschieber 9 ge­ sperrt ist, entsteht in diesem Abschnitt des Gehäuseinneren ein Unterdruck, wodurch das gasförmige Arbeitsmedium durch die Ein­ laßöffnung 13 in das Gehäuseinnere gesaugt wird. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis die nachlaufende zweite Kolbenscheibe 2 die Position des Drehschiebers 9 und die Einlaßöffnung 13 pas­ siert hat. Das eingeströmte Gas ist jetzt zwischen der Saug­ seite 5 der voraus laufenden Kolbenscheibe 2 und der Druckseite 4 der nachlaufenden Kolbenscheibe 2 eingeschlossen und wird durch das Gehäuseinnere geschoben, bis die voraus laufende Kol­ benscheibe 2 die Position des Drehschiebers 9 passiert hat. Die Passage erfolgt durch die Öffnung 10 des Drehschiebers 9 hin­ durch, welche den Kreisbahnquerschnitt nur zu diesem Zweck und für diese kurze Zeit freigibt. Jetzt verringert sich das Volu­ men des Gehäuseinneren zwischen der Druckseite 4 der nachlau­ fenden Kolbenscheibe 2 und der Position des Drehschiebers 9, wodurch das eingeschlossene Gas verdichtet und durch die Aus­ laßöffnung 14 hindurch aus dem Gehäuseinneren verdrängt wird. Während dessen ist zwischen der Saugseite 5 der voraus laufenden Kolbenscheibe 2 und dem Drehschieber 9 wieder Gas angesaugt worden, das nach der Passage der nachlaufenden Kolbenscheibe 2 in analoger Weise weiter- und ausgeschoben wird. Der beschrie­ bene Ablauf setzt sich fort, solange die Welle 7 angetrieben wird.

Um die erfindungsgemäße Lösung als Gasmotor zu betreiben, ist durch die Einlaßöffnung 13 in das Gehäuseinnere ein unter Druck stehendes Gas einzuleiten. Das Gas entspannt sich, indem es die Kolbenscheibe 2, die gerade die Einlaßöffnung 13 passiert hat, in Richtung des Pfeiles 3 auf der Kreisbahn 1 in Bewegung ver­ setzt und dabei das Volumen zwischen Drehschieber 9 und dieser Kolbenscheibe 2 solange vergrößert, bis die nachlaufende Kol­ benscheibe 2 die Einlaßöffnung 13 passiert hat; jetzt wird diese in gleicher Weise auf der Kreisbahn 1 bewegt, während das entspannte Gas zwischen beiden Kolbenscheiben 2 weitergeschoben wird, bis die vorlaufende Kolbenscheibe 2 die Auslaßöffnung 14 passiert und freigegeben hat, durch die das entspannte Gas von der nachlaufenden Kolbenscheibe 2 nach außen geschoben wird. Der Ablauf setzt sich fort, solange durch die Einlaßöffnung ge­ spanntes Gas zugeführt wird. Dabei wird die Bewegung der umlau­ fenden Kolbenscheiben 2 über das Halteelement 6 auf die Welle 7 übertragen, von der ein Drehmoment abgenommen werden kann.

Selbstverständlich sind abweichend von der Darstellung im Bei­ spiel verschiedenartige konstruktive Ausführungsformen denkbar. So können der Drehschieber 9 und die Lagerstellen für die Welle 11 ebenfalls in das Gehäuse 8 einbezogen werden. Auch die Kol­ benscheiben 2 können in ihrer äußeren geometrischen Kontur und hinsichtlich ihrer Dicke variieren. Eine Möglichkeit, den Durchlaß der Kolbenscheiben 2 durch die Drehschieberöffnung günstiger zu gestalten, zeigt Fig. 3.

Bezugszeichenliste

1 Kreisbahn
2 Kolbenscheiben
3 Richtungspfeil (Umlaufrichtung Kolbenscheiben)
4 Kolbenfläche (Druckseite)
5 Kolbenfläche (Saugseite)
6 Halteelement
7 Welle (für Halteelement und Kolbenscheiben)
8 Gehäuse
9 Drehschieber
10 Öffnung
11 Welle (mit Drehschieber)
12 Richtungspfeil (Rotationsrichtung Drehschieber)
13 Einlaßöffnung
14 Auslaßöffnung

Claims (11)

1. Umlaufkolbenmaschine mit mindestens einem Kolben, der sich in einem Gehäuse auf einer Kreisbahn bewegt und der zwecks Übertragung eines Drehmomentes mit einer Welle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß als Kolben mindestens eine auf der Kreisbahn geführte Scheibe vorgesehen ist, deren sich gegenüberliegende Flächen die Kolbenflächen darstellen,
• - daß die Kolbenflächen im wesentlichen senkrecht zur Umlauf­ richtung der Kolbenscheibe ausgerichtet sind,
• - daß die Kolbenscheibe zwecks Führung auf ihrer Kreisbahn und zwecks Übertragung des Drehmomentes über ein ebenfalls um­ laufendes Halteelement mechanisch starr mit der Welle ver­ bunden ist,
• - daß die Kreisbahnen der Kolbenscheibe und des Halteelementes allseitig vom Gehäuse so umschlossen sind, daß der Abstand zwischen der umlaufenden Kolbenscheibe und der umschließen­ den Gehäuseinnenfläche zwar auf ein Minimum beschränkt, eine Berührung zwischen Kolbenscheibe und Gehäuse jedoch ausge­ schlossen ist,
• - daß in Umlaufrichtung der Kolbenscheibe im Verlaufe der Kreisbahn mindestens ein beweglicher Schieber zur wahlweisen Absperrung oder Freigabe des Kreisbahnquerschnittes vorgese­ hen ist,
• - daß die Bewegung des Schiebers über Getriebeglieder steuer­ bar ist,
• - daß infolge der Steuerung des Schiebers der Querschnitt der Kreisbahn nur kurzzeitig für den Durchgang der Kolbenscheibe geöffnet ist,
• - daß im Gehäuse in Umlaufrichtung der Kolbenscheibe hinter dem Schieber, jedoch in dessen Nähe, eine Einlaßöffnung zur Zuführung eines gasförmigen Mediums in das Gehäuseinnere vorhanden ist und
• - daß das Gehäuse in Umlaufrichtung der Kolbenscheibe vor dem Schieber, ebenfalls in dessen Nähe, eine Auslaßöffnung zur Abführung des gasförmigen Mediums aus dem Gehäuseinneren aufweist.

2. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolbenscheibe kreisrund ausgeführt ist und die Gehäuseinnenfläche die Form eines Torus hat.

3. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Halteelement eine Kreisscheibe vorgesehen ist, an deren Peripherie mindestens eine Kolbenscheibe ange­ ordnet und die in ihrem Zentrum mit der Welle fest verbunden ist.

4. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei Kolbenscheiben vorgesehen und diame­ tral am Umfang der Kreisscheibe angeordnet sind.

5. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schieber als Drehschieber ausgebildet ist.

6. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Getriebeglieder zur Steuerung des Dreh­ schiebers so ausgebildet sind, daß ein Zwangs lauf zwischen dem Umlauf der Kolbenscheiben und der Schieberbewegung gege­ ben ist.

7. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Getriebeglieder eine Kombination aus Schubstangentrieb und Kardangelenken vorgesehen ist.

8. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Drehschieber vorgesehen sind, die sich im we­ sentlichen diametral in der Kreisbahn gegenüberstehen.

9. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Ein- und Auslaßöffnungen in einer Anzahl vor­ gesehen sind, die mit der Anzahl der Drehschieber identisch ist.

10. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenscheibe um einen geringen Betrag zur ihrer Umlaufachse schräggestellt ist.

11. Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drehschieber eine Freigabeöffnung für die Kolbenscheibe mit schräg angeschnittenen Rändern aufweist.