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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationskolben-
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maschine mit einem Gehäuse, einem ringkanalförmigen Zylinder, gebildet
aus einer äußeren Zylinderwand in der Form einer mittelpunktssymmetrischen Hohlkugelschicht,
die einen Kolbenträger darstellt, und aus Zylinderseitenwänden und einer Zylinderinnenwand,
sowie mit mindestens einem von der Zyl inderaussenwand nach innen ragenden Kol -ben,
welche Zyl inderabschnitte definieren, mit einem Drehschieber in Form einer mittelpunktssymmetrischen
Kugelschicht mit mindestens einer Durchlaßöffnung für den/ die Kolben, wobei sich
der Symmetriepunkt des Drehschiebers im wesentlichen am Ort des Symmetriepunktes
der Kolbenbahn befindet und die Achse der Kugel schicht senkrecht auf der Achse
der Hohlkugelschicht steht und der Kolbenträger mit dem Drehschieber über Getriebemittel
in Wirkverbindung steht und mit mindestens einer Einlaß- und Auslaßöffnung.
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Bereits in den ersten Jahrzehnten des Dampfmaschinenbaus wurden Rotationskolbenmaschinen
vorgeschlagen, da derartige Maschinen bei der entsprechenden Konstruktionsweise
frei von ungleichförmigen Bewegungen sind, äußerst ruhig laufen und eine kompakte
Bauweise aufweisen.
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Die deutsche Patentschrift Nr. 21 720 zeigt eine Maschine, bei der
ein Kolben in einem ringförmigen Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt rotiert,
wobei der Zylinder durch einen Drehschieber verschlossen werden kann.
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Wenn der Kolben im Verlauf seiner Drehbewegung an den Ort des Drehschiebers
gelangt, so gibt dieser eine Durchtrittsöffnung für den Kolben frei, so daß ein
n-euer Arbeitszyklus beginnen kann. Der Drehschieber und die Kolbenwelle stehen
hierbei über Getriebe in Wirkverbindung, um einen synchronen Lauf sicherzustellen.
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Das gleiche Prinzip wird auch bei Vorrichtungen nach der DE-AS 15
53 050 und der DE-OS 2 304 333 verwendet, wobei bei der ersteren auf einen günstigen
Strömungs-
verlauf durch die entsprechende Anordnuny des Drehschiebers
Wert gelegt wird, die letztere durch mehrere Drehschieber verschiedene Kammern zwecks
Verwendung als Verbrennungsmaschine aufweist.
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Diese Vorrichtungen haben jedoch alle den Nachteil, daß sie genau
doppelt so groß werden, wie eine Maschine, bei welcher der Drehschieber innerhalb
eines Ringzylinders angeordnet ist.
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Eine Maschine mit innenliegendem Drehschieber wird im deutschen Patent
18 28 21 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird in einem feststehenden Zylinder
mit zwei Absperrwiderlagern ein Drehschieber mit zwei Durchlaßöffnungen für die
Absperrwiderlager angeordnet.
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Der Drehschieber wirkt somit in seiner Kreisbahn um die eine Achse
als Kolben, in seiner Kreisbahn um die dazu senkrechte Achse als Drehschieber. Diese
Maschine wurde, obwohl sie äußerst kompakt gebaut ist, nicht für längere Zeit verwendet,
da sie äußerst ungünstige Eigenschaften aufweist. Die Drehbewegung des Drehschiebers
um seine Mittelachse wird nämlich überlagert durch die kippende Drehbewegung des
Drehschiebers um seine Mittelachse. Der letzteren Bewegung widersetzt sich der als
Kreisel wirkende Drehschieber und bringt so hohe Widerstandsmomente hervor, daß
die Maschine bei höheren Drehzahlen zerstört wird.
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Aus dem europäischen Patent Nr. 0021 765 ist eine Rotationskolbenmaschine
bekannt, bei welcher der Drehschieber durch einen zweiten Rotationskolben ersetzt
ist, wobei beide Rotationskolben-Bahnen einander durchsetzen. Beide Rotationskolben
stehen in Wirkverbindung mit einander. Der große Nachteil dieser Maschine liegt
darin, daß die lqirkvarbindung zwischen den beiden Rotationskolben aufgrund der
Bauweise so schwach ausgelegt werden muß, daß praktisch keine Antriebsenergie aufgebracht
werden kann.
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Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Rotationskolbenmaschine
zu entwickeln, die äußerst kompakt ist und auch bei hohen Drehzahlen betrieben werden
kann.
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Die Aufgabe wird mit einer Rotationskolbenmaschine nach dem Hauptanspruch
gelöst, wobei sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen aus den Unteransprüchen
und dem Ausführungsbeispiel nebst Zeichnungen ergeben.
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7ur Verdeutlichung eines Ausführungsbeispiels wird in Figur 1 der
prinzipielle Aufbau eines erfindunsgemäßen Rotationskolbenmaschine, in Figur 2 ein
Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Rotationskolbenmaschine,in Figur
3 ein Querschnitt durch die Maschine nach Figur 2 entlang der Linie I-I, in Figur
4 ein Teil-Längsschnitt durch die Maschine nach Figur 2 entlang der Linie II-II
und in Figur 5 ein Querschnitt entsprechend Figur 3 durch eine Maschine einer anderen
Bauform gezeigt.
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Im folgenden wird anhand der Figuren 2 bis 4 eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäß-en Rotationskolbenmaschine näher erläutert.
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An der Hauptwelle 18, die der Leistungsübertragung dient und die über
Kugellager in der Gehäusescheibe 8 des Gehäuses 7 gelagert ist, sitzt der scheibenförmige
Kolbenträgerflansch 28, der mit dem Kolbenträger 3 verbunden ist. An dem der Gehäusescheibe
8 gegenüberliegenden Ende trägt der Kolbenträger 3 eine Hohlkugelschicht 4. Der
Durchmesser dieser Hohl kugel schicht 4 bzw. deren Innenwände 46 entspricht dem
des Drehschiebers 5. Von der Oberfläche 46 der Hohl kugel schicht 4 ragt nach innen
der Kolben 1. Die Endfläche 10 des Kolbens 1 entspricht dem Oberflächenabschnitt
eines Hohlzylinders.
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Der Arbeitsraum oder Zylinder 2 der Maschine wird durch 4 Flächen
gebildet: Die äußere Zylinderwand 46 wird von der Hohlkugelschicht 4 gebildet, die
innere Zylinderwand 48 von zwei Teilstücken 34 und 36, die in zusammengebautem Zustand
eine zylindrische Außenkontur aufweisen, die innere Zylinderseitenwand 50 von einem
Teil 30 und die äußere Zylinderseitenwand 52 von einem Teil 32.
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Das die innere Zylinderseitenwand 50 bildende Teil 30 sitzt ebenso
auf den Statorteilen 34,36, wie das die äußere Zylinderseitenwand 52 bildende Teil
32 und wird gegen dieses über Schrauben, die durch die Bohrungen 26 ragen, so verspannt,
daß sich die Hohlkugel schicht 4 und der Kolben 1 in dem entstehenden Raum unter
Abdichtung des Zylinderraums 2 bewegen kann.
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Der Stator 34,36, welcher die innere, zylindrische Wand 48 des Arbeitsraumes
2 bildet, nimmt den Drehschieber 5 auf. Hierbei weist der obere Halbzylinder 34
auf seiner Innenfläche eine Ausnehmung 42 zur Aufnahme und Lagerung der Welle 22
des Drehschiebers 5 auf, sowie eine Ausnehmung, die eine Tiefe und Kontur entsprechend
der halben Drehschieberplatte 5 aufweist.
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Das untere Halbzyl inderteil 36 weist neben einer Ausnehmung 42 zur
Aufnahme der Welle 22 des Drehschiebers 5 noch eine Ausnehmung 38 für das mit der
Welle 22 verbundene Kegelrad 13, eine Ausnehmung 40 für das mit der zweiten Steuerwelle
21 verbundene Kegelrad 14 und eine Ausnehmung 44 zur Aufnahme der Welle 21 auf.
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Weiterhin weist der aus den Teilen 34 und 36 gebildete zylindrische
Stator an seinem innenliegenden Ende eine mittige Ausnehmung zur Aufnahme eines
weiteren Wellenlagers auf.
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Das die innere Zylinderseitenwand 50 bildende Teil 30 weist Ausnehmungen
zur Aufnahme der zwei Wellen 20 und 21 mit ihren Zahnrädern 15 und 16 auf. Die Welle
20 ist koaxial zur Hauptwelle 18 im Kolbenträger 28 fest angebracht und überträgt
ein Drehmoment über das auf der Welle 20 sitzende Zahnrad 16 und das auf der Welle
21 sitzende Zahnrad 15 und das Kegelrad 14 auf das Drehschieberkegelrad 13. Dieses
Getriebe ist so bemessen, daß bei jeder vollen Umdrehung der Welle 18 auch der Drehschieber
5 eine volle Umdrehung zurücklegt.
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Der Drehschieber 5 weist die Form einer zentrumssymmetrischen Kugel
schicht auf, und ist durch Ausnehmungen 6, die einander genau gegenüberliegen, durchbrochen.
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Die Funktionsweise der Maschine wird im folgenden anhand der Figuren
1 und 3 beschrieben.
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Wenn sich der Kolben 1 in einer Position, wie in den Figuren gezeigt,
befindet, so dichtet der Drehschieber 5 die Arbeitsräume 2 ab. Bei einer. Drehrichtung
der Maschine im Uhrzeigersinn wird in die hinter dem Kolben 1 liegenden Arbeitsräume
2 durch die Einlässe 9 unter Druck stehendes Medium eingeleitet, so daß der Kolben
ein Moment im Uhrzeigersinn erfährt. Das vor dem Kolben liegende Medium wird durch
die Auslaßöffnungen 11 abgeführt. Wenn die Kolben 1 kurz vor den Auslaßöffnungen
11 stehen, erreicht der Drehschieber eine
Position in der die Kolbendurchlässe
6 den Zylinderraum 2 zu öffnen beginnen. Demzufolge muß nun der Druckeinlaß beispielsweise
durch Ventilvorrichtungen beendet werden.
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Wenn sich nun die Kolben 1 weiterbewegenD so gelangt der obere Kolben
durch den Kolbendurchlaß 6 in den unteren Zylinderraum 2, der unter Kolben 1 durch
den Durchlaß 6 in den oberen Zylinderraum. Während dieser Phase stehen alle Zyl
inderräume 2 in Strömungsverbindung.
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Sobald sich der Kolbenträger 3 mit dem daran befindlichen Kolben 1
weiter bewegt, verschließt der Drehschieber 5 wieder die Zyl inderräume 2 und ein
neuer Arbeitstakt kann beginnen.
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Wie in Figur 5 gezeigt, kann die Steuerung des Einlasses beispielswei<-e
über Oberströmkanäle 54 geschehen, die dann den Einlaß 9 mit dem Einlaßstutzen 56
verbinden, wenn sich der Kolben 1 in einer Position befindet, in welcher der Drehschieber
5 die Zylinderraume 2 abzudichten beginnt. Bei einer Verwendung der Maschine als
Pumpe würde man dann nicht den Einlaß 9, sondern den Auslaß 11 über entsprechende
Oberströmkanäle drehphasenrichtig steuern.
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Bei Verwendung der Maschine als Kompressor können Einspritzöffnungen
24 vorgesehen werden, um die bei den extrem langen Hüben sinnvolle Zylinderkühlung
über Einspritzung von Kühlmittel unter anschlid3ender Kondensatabscheidung zu erzielen.
Auf diese Weise kann der Energiebedarf eines Kompressors minimiert werden.
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Eine derartige Kühlmitteleinspritzung bietet sich natürlich auch bei
der Verwendung einer erfindungsgegemäßen Maschine als Verbrennungsmotor an.
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Die Bauart der erfind4ngsgemäßen Kreiskolbennlaschine erlaubt es,
ohne Zyl inderschmierung, also öl frei zu arbeiten, wodurch hohe Arbe j ts teper:i
tu ren ermöglicht werden. Besonders für hohe Arbeitstemperaturen bietet sich dann
auch die Verwendung nicht oxidischer Keramiken zumindest als Beschichtung all derer
Teile an, die mit den heißen Gasen in Verbindung kommen konnen.
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Will man die Maschine jedoch beispielsweise lediglich als Druckluftmotor,
also bei niedrigen Temperaturen betreiben, so kann eine äußerst kostengünstige Serienfertigung
aus Kunststoffteilen ins Auge gefaßt werden.
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Speziell für maritime Einsätze bietet sich die Fertigung aus korrosionsbeständigen
Werkstoffen, wie Silumin, Kunststoffen oder ähnlichen Materialien an. Dadurch, daß
die Maschine frei von exzentrischen Massen ist, muß zumindest bei niedrigen Drehzahlen
nicht allzusehr auf hohe Festigkeit der Werkstoffe geachtet werden.
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Der Maschinenwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt,
bei der Verwenden von zwei Kolben, zwischen 0,7 und 0,9 und ist insbesondere von
der Dicke der Drehschieberscheibe 5 und den geometrischen Relationen des Zylinderraums
2 abhängig.. Da der Drehschieber 5 lediglich Kippmomente aufzunehmen hat, können
die ihn treibenden Getriebe relativ schwach ausgelegt werden, ohne die maximale
Leistung der ganzen Maschine wesentlich zu begrenzen.
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Durch den äußerst kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Maschine,
durch die extrem langen Kolbenhübe sowie durch die erzielbaren hohen Drehzahlen
(es gibt keine exzentrischen Massen) ist ein außerordentlich günstiges Verhältnis
von Maschinenabmessung zu erzielbarer Leistung möglich. Weiterhin ergibt sich über
einen außerordentlich weiten Drehzahlbereich hinweg ein gleichmäßiger Drehmomentverlauf
der Maschine, was weder
bei Kolbenmaschinen herkömmlicher Bauart,
noch etwa bei Turbinen der Fall ist.
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Die Ein- 9 und/oder Auslässe 11 können, wie in Figur 5 gezeigt, in
den feststehenden Zylinderseitenwänden 30,32 im Stator 34,36 oder dber duch im Kolbenträger
4 bzw.
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der Zylinderaussenwand 46 angeordnet sein. Ebenso sind andere Anordnungen
der Oberströmkanäle 54 mögliche so etwa im Gehäuseteil 32, wobei dann die Einlaß-
9/Auslaßöffnung 11 als gekrümmter Kanal zwischen der Zylinderinnenwand 46 und der
Stirnwand des Kolbenträgers, die der Welle 18 gegenüberliegt, angeordnet ist.
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