DE29614108U1

DE29614108U1 - Rotationskolbenmaschine bzw. Rotationskolbenpumpe

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Publication number: DE29614108U1
Application number: DE29614108U
Authority: DE
Original assignee: KLIPSTEIN THOMAS DIPL ING
Current assignee: KLIPSTEIN THOMAS DIPL ING
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2006-08-17
Also published as: ATE199031T1; JP2000516322A; EP0918922B1; JP3924325B2; EP0918922A1; DE59702978D1; WO1998007964A1; US6322334B1

Description

Dipl.-Ing. Thomas Klipstein Hamburg

Rotatxonskolbenmaschine bzw. Rotationskolbenpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine oder eine Rotationskolbenpumpe, aufweisend einen Kolben, der sich im Inneren eines Gehäuses bewegt und dabei ein eingeschlossenes Volumen vergrößert und verkleinert.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Rotation" auch so verstanden, daß hierbei hin- und hergehende Bewegungen möglich sind, also keine vollständigen Umdrehungen hintereinander ausgeführt werden, sondern auch hin- und hergehende Schwingbewegungen.

Die nachfolgend beschriebene Rotationskolbenmaschine bzw. pumpe unterscheidet sich von den bekannten Konstruktionen durch Verwendung nur weniger Teile {Kolben und Rotationszylinder) und durch Rotation um das Massenzentrum (ohne Exzentrität). Dies könnte zu guten Wirkungsgraden führen und einfache und damit kostengünstige Konstruktionen erlauben. Wie auch andere Kolbenmaschinen kommt sie ohne Ventile aus.

Kolbenmaschinen basieren im allgemeinen auf dem Wirkungsprinzip, daß ein relativ zu einer Umhüllung

beweglicher Kolben, ein eingeschlossenes Volumen vergrößert bzw. verkleinert. Der Kolben soll dieses Volumen möglichst dicht begrenzen. Nun kann man sich leicht überzeugen, daß eine einfache Rotation eines Kolbens um eine Achse zu rotationssymmetrischen Gebilden führt und keine Volumenänderungen in etwaigen Kammern erzeugt. Ein Kunstgriff ist der Wankelmotor, bei dem durch ein Getriebe eine Oszillation des Kolbens in einer besonderen umhüllenden Form zu einer Volumenänderung in den Kammern führt. Dabei rotiert der Kolben aber nicht um das Massenzentrum!

Gemäß der Erfindung ist nun eine Volumenänderung bei gleichzeitiger Rotation um das Massenzentrum möglich, und zwar

durch gleichzeitige Rotation des Kolbens um zwei Achsen. Dies führt zu nicht rotationssymmetrischen Gebilden und ist die Voraussetzung zur Bildung sich verändernder Kammervolumen.

Durch eine geeignete Wahl der Form des Rotationskolbens, sowie der umhüllenden Form des Gehäuses {"Zylinders").

Durch Finden einer geeigneten Funktion, welche die Rotation beider Achsen verknüpft.

Ausgangsform für den Rotationskolben gemäß der Erfindung ist das von Paul Schatz gefundene Oloid. Das Oloid ist ein Körper, der durch abwickelbare Regelflächen gebildet wird. Man kann ihn sich entstanden denken, wenn man zwei runde Bierdeckel radial bis zur Hälfte einschneidet und zusammensteckt, so daß die Deckel ein Kreuz bilden. Dabei geht die Peripherie des einen Deckels durch den Mittelpunkt des jeweils anderen. Legt man dieses Gebilde auf eine ebene

Platte, z.B. einen Tisch, so berührt jeder der beiden Deckel die Platte in einem Punkt. Dies gilt für jede mögliche Lage der beiden Deckel. Die Verbindungsgerade zwischen den Auflagepunkten ist Mantelgerade des Oloids (vergleiche Abbildungen nach Fig. 1) .

Das Oloid hat neben seiner Ästhetik einige Symmetrieeigenschaften , die hier interessieren. Dreht man das Oloid 90° um seine Längsachse, so nimmt es eine Lage ein, die einer Drehung um 180° um die Hochachse entspricht!

Dreht man das Oloid gleichzeitig um die Längsachse (90°) und um die Hochachse (180°) , so ist das Oloid wieder in seiner Ausgangslage. Beobachtet man dabei die Form der dieser Bewegung Einhüllenden, so entsteht ein nicht rotationssymmetrisches Gebilde, welches durch das Oloid "im Groben" in zwei Kammern geteilt wird. Diese beiden Kammern wandern bei der Rotation mit dem Oloid um die Hochachse und haben nur in der "Grundstellung" die gleiche Größe. Während die eine Kammer expandiert, komprimiert die andere. Das jeweilige Maximum liegt bei 90° um die Hochachse und 45° um die Längsachse. Je volle Umdrehung um die Hochachse des Oloids finden zwei Kompressions- bzw. Expansionszyklen statt.

Die das Oloid umhüllende Form muß so gewählt werden, daß die beiden rotierenden Kammern durch den Kolben getrennt werden. Ferner soll die Rotation des Oloids um die Längsachse durch die Hülle dem Oloid aufgeprägt werden. Dazu vergegenwärtige man sich noch einmal die Form der Hülle, die entsteht , wenn das Oloid 180° um die Hochachse gedreht wird und gleichzeitig 90° um die Längsachse. Ändert sich die Drehrichtung um die Längsachse,so entsteht eine andere Form der Hülle! Durchdenkt man die Situation genauer, so stellt

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man fest, daß bei beibehaltener Drehrichtung um die Längsachse die "erste" 180°-Drehung um die Hochachse eine andere Form der Hülle beschreiben als die "zweiten", d.h. ein Einprägen der Bewegung um die Längsachse ist so nicht möglich. Möglich wird dies, wenn die Drehrichtung der Längsachse jeweils nach 180°-Drehung um die Hochachse umgekehrt wird. Das bedeutet, es findet keine volle Rotation um die Längsachse statt, sondern das Oloid schwingt zwischen 0 und 90° um die Längsachse {vgl. Fig. 2).

Soll die Bedingung, daß die Hülle durch das Oloid jeweils in zwei Kammern getrennt werden soll, zutreffen, so muß mindestens der Schnitt in der Grundstellung durch das Oloid und die Hülle identisch sein. Wird das Oloid in seiner Hülle gedreht, so darf dieser Schnitt nicht verletzt werden. Dies ist aber nicht der Fall {siehe Fig. 3). Die Gestalt der Hülle ist abhängig von der Gestalt des Oloids und der Funktion &bgr; (Fig. 4). Dabei werden Teile der Hülle durch die kreisförmigen Kanten des Oloids und Teile durch die Mantelgeraden erzeugt. Dabei treten Problemzonen um die Hochachse und am spitzen Ende des Schnitts auf. Eine Verkleinerung bzw. Eliminierung der Problemzonen im Bereich der Hochachse erreicht man, indem man die erzeugenden Kreise des Oloids auseinanderzieht (Öffnungswinkel 45°) und zusätzlich das Oloid von einer Kugel um den Mittelpunkt durchdringen läßt (Fig. 3).

Die Kugel und ihre Schale als Teil der Hülle gewährleistet eine Trennung der beiden Kammern im Bereich um die Hochachse. Verbleibt noch der Bereich am spitzen Ende des Schnitts. Wenn hier eine Trennung der Kammern in der Umgebung um die Grundstellung herum erfolgen soll, muß in einem kleinen Bereich eine Identität zwischen der durch Kreiskanten erzeugten Hülle und der durch die Mantelgeraden

erzeugten Hüllenteile bestehen. Für die anderen Teil der Hülle kann gezeigt werden, daß eine hermetische Trennung zwischen den Kammern besteht.

Anders als bei herkömmlichen Maschinen, ist eine mechanische Kopplung an die Drehbewegung des Rotationskolbens nicht einfach möglich. Beim Einsatz der beschriebenen Maschine als Saugpumpe bietet sich z.B. an, den Rotationskolben als Anker einer elektrischen Maschine auszubilden und die Hülle mit einer entsprechenden Wickung zu versehen. Damit hätte man eine Pumpe mit nur einem beweglichen Teil. Außer Reibungsverlusten entstehen keine weiteren Verluste aus z.B. Masseumlenkung, da die Schwingungsenergie für die Schwingung um die Längsachse der Bewegung um die Hochachse entnommen wird und dieser auch wieder zugeführt wird. Der Kolben wird also eine pulsierende Bewegung ausführen.

Eine mechanische Aus- bzw. Einkopplung der Energie ist auch möglich. Es liegen zur Zeit mehrere Lösungen vor, die aber nicht die Eleganz der elektromagnetischen Lösung aufweisen.

Der der Erfindung zugrunde liegende Kolben ist nicht identisch mit der von Paul Schatz gefundenen Form. Er weist aber seine Symmetrieeigenschaften auf. Änderungen bestehen im Abstand der erzeugenden Kreise, in der alternativen Durchdringung mit einer Kugel im Zentrum und einer {geringfügigen) Verformung des Oloidmantels. Weitere Veränderungen sind denkbar, z.B. Ersetzen der Kreise des Oloids durch Ellipsen. Alle diese Veränderungen berühren nicht die Symmetrieeigenschaften.

Ein besonderes Problem bei der Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung besteht in der Übertragung mechanischer Kräfte auf den Kolben bzw. das Oloid. Es besteht nämlich nicht die

Möglichkeit, durch Herausführen einer Achse auf einfache Weise, eine Kraftübertragung zu bewerkstelligen.

Lösungen gemäß der Erfindung:

1. Mechanische Kraftkopplung über die Hochachse: Hierzu wird der Kolben dreiteilig ausgebildet, und zwar so, daß die Durchdringungskugel aus dem Kolben herausgelöst wird. Der Kolben besteht dann aus der Kugel und zwei gleichen Reststücken. Die Kugel kann dann mit eine Hochachse zur Kraftkopplung und mit einer Längsachse zur (beweglichen) Verbindung der beiden Kolbenhälften mit der Kugel versehen werden.

2. Mechanische Kraftkopplung über die Längsachse: Hierzu wird der Kolben mit einer Längsachse versehen, die über die Hülle herausragt. Die Hülle muß zweiteilig (obere und untere Hälfte) ausgeführt werden. Zwischen den Hälften muß eine umlaufende Dichtung ausgebildet werden, die mit einem umlaufenden "Reißverschluß" die Hälften verbindet und gegen Verdrehung schützt. Die Drehung des Kolbens kann mittels einer Klaue auf eine Welle übertragen werden.

3. Elektromotorische Kraftkopplung: Hierzu wird der Kolben als Anker einer elektrischen Maschine ausgebildet. Dies kann durch Einbettung von Eisen oder magnetischem Material erfolgen. Um die Hülle muß ein Stator angebracht sein, dessen Pole so angebracht werden, daß sie in der Ebene der Kreise des Oloids in der jeweiligen Stellung liegen. Mittels einer Kommutator-Logik wird ein rotierendes zweiachsiges magnetisches Feld erzeugt, welches den Kolben mitnimmt.

4. Elektromotorische Kraftkopplung mit aktivem Anker: Unter 3. wurde das Ankerfeld von außen oder über Permanentmagnete

erzeugt. Bei Ausbildung des Ankers mit einem Elektromagneten lassen sich auch aktiv magnetische Felder erzeugen, insbesondere können damit auch Generatoren gebaut werden. Dazu muß die Durchdringungskugel als zwei "Schleifringhälften" ausgebildet werden, um den notwendigen Erregerstrom auf den Anker zu übertragen. Der Aufbau des Stators erfolgt wie unter 3.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt drei Ansichten eines Oloids.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse eines sich im Inneren einer Hülle befindenden Oloids.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, allerdings befindet sich im Zentrum des Oloids eine Kugel.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der sogenannten ß-Funktion in Abhängigkeit vom Winkel &agr;.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Saugpumpeneinrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Hüllte bzw. das Gehäuse nur schematisch zu erkennen ist.

Fig. 6 zeigt eine schaubildliche Teilansicht der Hülle einer Rotationskolbenmaschine für ein Oloid mit einer Kugel.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht der Hülle einer Rotationskolbenmaschine mit einem Oloid ohne Kugel im Zentrum.

• _ 1fl J ·· · ···

Fig. 8 zeigt eine schaubildliche Ansicht eines Rotationskolbens mit einer großen

Durchdringungskugel im Zentrum.

Die Fig. 6 und 7 lassen die innere Ausgestaltung des Gehäuses erkennen, wenn in diesem ein Oloid als Kolben wirksam sein soll. Die Erzeugung eines solchen Gehäuses ist im Zusammenhang mit der Form und der Bewegung des Oloids bereits beschrieben worden.

Der in Fig. 8 gezeigte Rotationskolben mit großer Durchdringungskugel im Zentrum macht deutlich, wie die zweiachsige Bewegung des Oloids realisiert werden kann.

Claims

Schutzansprüche

1. Rotationskolbenmaschine bzw. Rotationskolbenpumpe, aufweisend einen Kolben, der sich im Inneren eines Gehäuses bewegt und dabei ein eingeschlossenes Volumen vergrößert und verkleinert, dadurch gekennzeichnet,

daß der Kolben im wesentlichen als Oloid ausgebildet ist, das um seine Längsachse rotiert,

der Innenraum des Gehäuses Kugelform hat mit einem Durchmesser, der der Längserstreckung des Oloids entspricht und

daß in Querrichtung zur Längsachse diametral gegenüberliegend Einlaß und Auslaß angeordnet sind.

2. Rotationskolbenmaschine bzw. Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit

Telefon Telefax Telex CompuServe Deutsche Bank AG Postbank Telephone Facsimile 5 215145zeusd 100117,1260 Hamburg Hamburg (040)381233 (040)3809288 VAT No. lnternet:100117.1260 Kto.-Nr. 6512131 Kto.-Nr. 852 62202 (040)381234 DE 130492022 @ compuserve.com BLZ 200 700 00 BLZ 200100 20

elektromagnetischen Winklungen ausgestattet ist und das Oloid als Anker einer elektrischen Maschine dient.

3. Rotationskolbenmaschine bzw. Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des Oloids eine Durchdringungskugel angeordnet oder das Oloid im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist.