DE3814269A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine bekannte Kolbenmaschine, bei der das Arbeitsmittel durch das Kurbelgehäuse hindurchleitbar ist, wäre z.B. ein 2-Takt- Sternmotor. Ausgangspunkt der Erfindung war es aber nicht, ei­ ne verbesserte Verbrennungskraftmaschine zu schaffen. Es ging vielmehr darum, eine verbesserte Arbeitsmaschine zu schaffen, die auch als Kraftmaschine einsetzbar ist. Ein bekannter Vertreter einer solchen Arbeitsmaschine ist ein Hubkolbenverdichter. Der ist allerdings nicht als Arbeitsmaschine betreibbar, ohne daß umfangreiche konstruktive Änderungen am Gesamtaufbau des Ver­ dichters vorgenommen würden. Weiter wird bei Verdichtern üb­ licherweise mit Ventilsteuerung gearbeitet. Eine Ventilsteue­ rung ist verschleißanfällig und läßt aufgrund der bewegten Mas­ sen nur begrenzte Drehzahlen zu. Weiter haben alle bekannten Arbeitsmaschinen, die mit Ventilsteuerung arbeiten, konstruk­ tionsbedingt einen Schadraum überall dort, wo Ventile oder Ven­ tilplatten den Kolbenarbeitsraum abschließen und stets so ge­ staltet sind, daß sie gleichzeitig als Rückschlagventil wirken. Der Schadraum bedingt einen schlechten Wirkungsgrad, weil in ihm komprimiertes Arbeitsmittel stets im Arbeitsraum zurück­ bleibt, letzterer also nie ganz geleert werden kann. Das er­ gibt selbstverständlich eine Verschlechterung des Wirkungsgra­ des.

Hubkolbenkompressoren, die heutzutage in Kälteanlagen einge­ setzt werden, haben den Nachteil, daß die Gefahr starker Be­ schädigung besteht, wenn im Kältemittelkreislauf Flüssigkeit auftritt, die in den Kompressor gelangt. Üblicherweise entste­ hen durch den Flüssigkeitsschlag Beschädigungen an den Ventil­ platten. Zur Vermeidung dieses Nachteils und weiterer Nachteile ist man bereits dazu übergegangen, Lamellenkompressoren einzu­ setzen, d. h. Kompressoren, die nur nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Die haben aber ebenfalls Nachteile, nämlich hoher Verschleiß an den Lamellen wegen starker Flächenpressung zwischen Lamellen und Gehäuseinnenwand an den Dichtstellen. Weiter wer­ den bereits Taumelscheibenkompressoren eingesetzt, die haben aber den Nachteil, daß in ihnen große Reibungsverluste auftre­ ten, was ebenfalls einen schlechten Wirkungsgrad bedingt.

Alle nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Rotationskolben­ arbeitsmaschinen können auch als Kraftmaschinen betrieben wer­ den. So ist es beispielsweise bekannt, Lamellenkompressoren als Lamellenmotoren laufen zu lassen (z.B. in Pneumatikwerk­ zeugen als Antriebsmotoren). Die Nachteile, die solche Maschi­ nen als Arbeitsmaschinen haben, haben sie aber gleichermaßen auch als Kraftmaschinen. Darüber hinaus haben solche Kraftma­ schinen einen sehr hohen Verbrauch an Arbeitsmittel, also auch von daher einen schlechten Wirkungsgrad.

Schließlich haben bekannte Kolbenmaschinen schlechte Größe/ Leistung-Verhältnisse.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Kolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art bei einfache­ rem Aufbau und kompakterer Baugröße und stark verringertem Arbeitsmittelverbrauch den Wirkungsgrad beträchtlich zu stei­ gern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Kolbenmaschine nach der Erfindung wird das Innere des Kurbelgehäuses als dritter Arbeitsraum herangezogen. Das Ar­ beitsmittel, das in einem der beiden Kolbenarbeitsräume ver­ dichtet oder expandiert worden ist kann daher zusätzlich in dem dritten Arbeitsraum Arbeit verrichten. In dem dritten Ar­ beitsraum entsteht eine oszillierende Arbeitsmittelsäule, die gegen beide Kolbeninnenseiten drückt und an dem Kolben, der mit der einen Arbeitsmittelöffnung verbunden ist, Druck er­ zeugt, der bei herkömmlichen Kolbenmaschinen an dieser Stelle nicht auftritt. Das aus den beiden Pleueln bestehende Pleuel­ system, das sich an seiner Anlenkstelle an dem Kurbelzapfen knickt und streckt, erzeugt die oszillierende Arbeitsmittel­ säule und ermöglicht die erwähnte Ausnutzung des zusätzlichen Druckes.

Wenn die Kolbenmaschine als Kraftmaschine betrieben wird (also z.B. als mit Druckgas betriebener Expansionsmotor) , addiert sich der genannte zusätzliche Druck zu dem im Arbeits­ raum des anderen Kolbens durch Expansion des Arbeitsmittels erzeugten Druck. Wenn die Kolbenmaschine nach der Erfindung als Arbeitsmaschine betrieben wird (also z.B. als Kompressor), wird das im Arbeitsraum des einen Kolbens verdichtete Arbeits­ mittel anschließend in den dritten Arbeitsraum geleitet, wo sein Druck den einen Kolben bei dessen nächstem Verdichtungs­ hub unterstützt und gleichzeitig durch das Strecken des Pleuelsystems den anderen Kolben bei dessen Saughub unter­ stützt, so daß in diesem Fall die zusätzliche Entlastung durch den Druck im dritten Arbeitsraum zur gewünschten Wirkungsgrad­ verbesserung führt.

Die bei der Kolbenmaschine nach der Erfindung eingesetzte Schiebervorrichtung ist dem ersten und zweiten Arbeitsraum nicht direkt zugeordnet, so daß Schadräume in diesen vermie­ den werden. Die Öffnungs- und Schließzeiten sind wesentlich exakter steuerbar als mittels der im Stand der Technik verwen­ deten Rückschlagventile, weil letztere durch Resonanzschwin­ gungen zum Öffnen gebracht werden können.

Der Arbeitsmittelverbrauch ist bei der Kolbenmaschine nach der Erfindung beträchtlich geringer als im Stand der Technik, weil für die gleiche Leistung weniger Arbeitsmittel benötigt wird, da zusätzliche Energie aus dem dritten Arbeitsraum bezogen wird. Da zur Erzeugung derselben Leistung gegenüber dem Stand der Technik weniger Arbeitsmittel benötigt wird, können der erste und der zweite Arbeitsraum entsprechend kleiner gemacht werden. Dadurch ergibt sich eine wesentlich kompaktere Bau­ größe der Kolbenmaschine nach der Erfindung bei gleicher Lei­ stung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegen­ stand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 hat die Schiebervorrichtung einen sehr einfachen Aufbau und gewähr­ leistet trotzdem eine sehr exakte Steuerung. Die Anzahl der Einzelteile ist gering, da nicht nur die Kurbelwelle selbst den Drehschieber bildet, sondern darüber hinaus lediglich der Kurbelzapfen und die beiden Pleuel mit ihren Kolben und Kolbenbolzen als bewegte Teile vorhanden sind.

In der Ausgestaltung nach Anspruch 5 bildet die Kolbenmaschine einen Außenläufer. In dieser Ausgestaltung läuft die Kolbenma­ schine sehr ruhig, weil sie als bewegte Massen lediglich die os­ zillierenden Kolben enthält. Der umlaufende Rotor hat eine große Masse und speichert demgemäß eine große Energie, die den ruhigen Lauf der Kolbenmaschine unterstützt.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 bewirken die verschiebbaren Zylinderlaufbüchsen mit ihrem Kopfteil eine gute und verschleißarme Abdichtung.Sollte der Druck zwischen Kolben und Stator einen bestimmten Wert übersteigen, beispiels­ weise weil beim Komprimieren eine Flüssigkeit vorhanden ist, kann die Zylinderlaufbüchse nach innen ausweichen und somit zur Druckentlastung beitragen. Wenn ein bekannter Hoch­ druckkompressor längere Zeit stillsteht, bildet sich in dem Arbeitsraum des Kolbens, der sich am unteren Totpunkt befindet, erfahrungsgemäß Kondensat. Bei der Inbe­ triebnahme des Hochdruckkompressors hat das fast immer zur Folge, daß die Ventilplatten zu Bruch gehen (bedingt durch den oben erwähnten Flüssigkeitsstoß). Wenn die Kolbenmaschine nach der Erfindung als Hochdruckkompressor eingesetzt wird, ist diese Gefahr beseitigt, weil die Zylinderlaufbüchsen am Anfang beim Hochlauf der Kolbenmaschine noch nicht mit hohem Druck an der Innenwand des Stators anliegen und daher Kondensat ohne weiteres in die dritte Arbeitskammer entwei­ chen lassen, die es mit dem Arbeitsmittel verläßt.

Die in der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 vorge­ sehenen Rückschlagventile sind nur bei manchen Arbeitsmitteln erforderlich, die aufgrund ihrer geringen Dichte zur Leckage neigen. Die Steueröffnungen haben einen Umfangsabstand, der gleich der Bogenlänge des Arbeitsraums am Statorinnen­ umfang ist. Daher wird eine gute Abdichtung durch den Kopf­ teil jeder Zylinderlaufbüchse erzielt, und das Gehäuse braucht keine Dichtfunktion im Bereich außerhalb des Kopfteils zu erfüllen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ist der sichelförmige Zwischenraum als vierter Arbeitsraum vorgese­ hen (unterteilt durch den Kopfteil der Zylinderlaufbüchse). Arbeitsmittel, das in dem ersten oder zweiten Arbeitsraum verdichtet oder zur Expansion gebracht worden ist, wird in dem sichelförmigen Zwischenraum an den tangentialen Arbeits­ flächen für zusätzlichen Druck bzw. Entlastung sorgen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 läßt sich die Dreheinstellung der Kurbelwelle beispielsweise mit­ tels des Kältemitteldruckes in einer Kälteanlage leistungs­ abhängig erzielen. Mit steigendem Arbeitsmitteldruck, der auf die Zahnstange einwirkt, wird die Lage des Kurbelzapfens so verändert, daß beispielsweise die Füllzeit vergrößert wird. Auf diese Weise läßt sich die Förderleistung der als Kältemittelkompressor eingesetzten Kolbenmaschine nach der Erfindung automatisch dem Kältebedarf anpassen.

In der Ausgestaltung der Kolbenmaschine nach Anspruch 14 be­ steht deren Verschleißbereich aus Keramik. Wenn die so ausge­ staltete Kolbenmaschine nach der Erfindung als Kraftmaschine eingesetzt wird, eignet sie sich bestens als Kältemittelkom­ pressor. Sie kommt nämlich ohne Ölschmierung aus.

Die Vorteile der Kolbenmaschine nach der Erfindung, daß diese statt Ventilen mit einer Schie­ bervorrichtung versehen ist und, wie oben dargelegt, keinen Schadraum aufweist, sind weitere Faktoren, die sie für die Verwendung als Kältemittelkompressor bestens geeignet machen. Die Schiebersteuerung weist keine hin- und herbewegten Teile auf, ist daher wesentlich verschleißärmer als Ventile, wegen des fehlenden Schadraums können der erste und der zwei­ te Arbeitsraum immer vollständig entleert werden und außerdem kann das Arbeitsmittel in ihnen immer vollständig verdichtet werden.

Bei der Verwendung der Erfindung nach Anspruch 15 läßt sich eine Kolbenmaschinenbaugruppe beliebiger Zylinderzahl einfach durch Aneinanderreihung gleicher Kolbenmaschinen in einem ge­ meinsamen Gehäuse mit gemeinsamer Kurbelwelle erzielen, ohne daß die einzelnen Kolbenmaschinen an sich modifiziert zu wer­ den brauchen. In dieser Ausgestaltung der Erfindung können ei­ nige der Kolbenmaschinen als Arbeitsmaschinen und die übrigen als Kraftmaschinen betrieben werden oder aber es können alle als Arbeitsmaschinen oder alle als Kraftmaschinen betrieben werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer er­ sten Ausführungsform der Kolbenma­ schine nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Kolben­ maschine nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3a eine Querschnittansicht einer zwei­ ten Ausführungsform der Kolbenma­ schine nach der Erfindung,

Fig. 3b eine Längsschnittansicht der Kol­ benmaschine nach der Linie IIIb- IIIb in Fig. 3a,

Fig. 3c die zweite Ausführungsform der Kol­ benmaschine nach der Erfindung in einer Stellung, in der das Kurbel­ gehäuse gegenüber der Darstellung in Fig. 3a um 90° versetzt ist,

Fig. 4 eine Querschnittansicht einer drit­ ten Ausführungsform der Kolbenma­ schine nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine Kolbenmaschinenbaugruppe, die mehrere Kolbenmaschinen nach Fig. 3 in Reihenanordnung und mit gemein­ samer Kurbelwelle aufweist.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Kolbenmaschine, die als Kompressor (d.h. als Arbeitsmaschine) oder als Expansionsmotor (d.h. als Kraftmaschine) einsetzbar ist, wird im folgenden ausführlich in bezug auf ihren Einsatz als Kompressor beschrie­ ben, woran sich aber jeweils noch eine kurze Darlegung in bezug auf ihren Einsatz als Expansionsmotor anschließt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen im Längs- bzw. Querschnitt eine erste Ausführungsform der Kolbenmaschine, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Sie weist ein Ringgehäuse 12 auf, das durch einen kegelstumpfförmigen Deckel 12 a und einen kreisscheibenförmigen Deckel 12 b verschlossen ist, die mit dem Ringgehäuse an Flanschen 12 c und 12 d dicht verbunden sind. Bei der Verwendung als Kältemittelkompressor wird diese dichte Ver­ bindung vorzugsweise durch Hartlöten oder Schweißen herge­ stellt. Bei Verwendung der Kolbenmaschine als Kompressor für andere Zwecke kann die dichte Verbindung auch mittels Schrau­ ben und O-Ringen (nicht dargestellt) hergestellt werden. Das durch die Deckel 12 a, 12 b verschlossene Ringgehäuse 12 hat le­ diglich zwei Arbeitsmittelöffnungen 14, 16, an die Arbeitsmit­ telleitungen 15 bzw. 17 angeschlossen sind.

Das Ringgehäuse 12 enthält ein Kurbelgehäuse 18, an welchem zwei diametral entgegengesetzte Zylinder 20, 22 angeformt sind. Die Zylinder enthalten jeweils eine Zylinderlaufbüchse 21 bzw. 23. Die beiden Zylinder sind außen jeweils durch eine Platte 24 bzw. 26 verschlossen. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die Platten 24, 26 an dem Kurbelgehäuse 18 mittels Schrauben 28 befestigt. Weiter ist in Fig. 2 zu erkennen, daß das Kurbelgehäuse 18 einen im Querschnitt im wesentlichen zy­ lindrischen inneren Teil aufweist, an welchem oben und unten die beiden Zylinder 20 bzw. 22 angeformt sind. Die äußeren En­ den der Zylinder sind durch bogenförmige Teile des Kurbelge­ häuses miteinander verbunden, die innen durch diametral entge­ gengesetzte Rippen mit dem zylindrischen inneren Teil ein­ stückig verbunden sind,wie es in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 schließt sich an den zuvor be­ schriebenen Teil des Kurbelgehäuses, der sich im wesentlichen innerhalb des Ringgehäuses 12 befindet, nach rechts ein nabenförmi­ ger Teil an, der sich im wesentlichen innerhalb des kegel­ stumpfförmigen Deckels 12 a befindet und am übrigen Kurbelgehäu­ se 18 ebenfalls angeformt ist. In diesem nabenförmigen Teil des Kurbelgehäuses 18 ist eine Kurbelwelle 30 mittels Kugella­ gern 32, 34 drehbar befestigt. Am linken Ende in Fig. 1 trägt die Kurbelwelle 30 einen Kurbelzapfen 36, an dem zwei Pleuel 38, 40 an ihren inneren Enden drehbar angelenkt sind. Zwei in den Zylindern 20, 22 verschiebbar angeordnete Kolben 42, 44 sind mit den äußeren Enden der Pleuel 38, 40 durch Kolbenbol­ zen 46 bzw. 48 drehbar verbunden. Die Pleuel 38, 40 und der Kurbelzapfen 36 sind also Teil eines Kurbeltriebs, der die Kolben 42, 44 mit der Kurbelwelle 30 verbindet. Zwischen der Stirnseite der Kolben 42, 44 und der gegenüberliegenden Platte 24 bzw. 26 ist jeweils ein Arbeitsraum 50 bzw. 52 gebildet, in welchem das Arbeitsmittel im Falle des Kompressors verdichtet und im Falle des Expansionsmotors entspannt wird. Der Raum in dem Kurbelgehäuse 18 zwischen der Kurbelwelle 30 und dem Deckel 12 c sowie zwischen den Innenseiten der Kolben 42, 44 bildet einen dritten Arbeitsraum 54, der mit der Arbeitsmittelleitung 15 verbunden ist.

Bei der Kolbenmaschine nach den Fig. 1 und 2 ist die Kurbelwel­ le 30 als Drehschieber ausgebildet, der den Strom des Arbeits­ mittels innerhalb der Kolbenmaschine 10 zwangssteuert. Zu diesem Zweck weist die Kurbelwelle zwei winkelversetzte Steuerbohrungen 56, 58 auf. Die Steuerbohrung 56 führt von dem dritten Arbeits­ raum 54 zu einem Kanal 60 in der Kurbelgehäusewand, der mit dem Arbeitsraum 50 verbunden ist. Die Steuerbohrung 58 führt von ei­ nem Kanal 62 in der Kurbelgehäusewand, der mit dem Arbeitsraum 52 verbunden ist, zu der Arbeitsmittelöffnung 16. Die gegensei­ tige Winkelversetzung (in Drehrichtung der Kurbelwelle 30) ist dabei so gewählt, daß, wenn die Steuerbohrung 56 den Arbeitsraum 50 mit dem Arbeitsraum 54 verbindet, die Steuerbohrung 58 gleichzeitig oder später den Arbeitsraum 52 mit der Arbeitsmit­ telöffnung 16 verbindet.

Der Kurbelzapfen 36 ist in eine Sackbohrung 37 der Kurbelwelle 30 eingesetzt. Eine diametral gegenüberliegende weitere Sack­ bohrung 39 nimmt ein nicht dargestelltes Auswuchtgewicht auf. Wenn die Drehrichtung der Kolbenmaschine umgekehrt werden soll, wird der Kurbelzapfen 36 in die Sackbohrung 39 und das Aus­ wuchtgewicht in die Sackbohrung 37 eingesetzt. Am rechten Ende trägt die Kurbelwelle 30 einen mit ihr fest verbundenen Eisenkern 64, der Teil einer ansonsten nicht dargestellten und außerhalb des Au­ ßengehäuses 12 vorgesehenen Magnetkupplung ist. Dieser nicht dargestellte Teil der Magnetkupplung sitzt auf einem Kugellager 66 und wird durch einen ebenfalls nicht dargestellten Elektro­ motor od.dgl. angetrieben. Bei erregter Magnetkupplung wird da­ her der Eisenkern 64 mitgenommen und so die Kurbelwelle 30 in Drehung versetzt. Auf diese Weise läßt sich der Kompressor an­ treiben, ohne daß Wellendurchführungen und dgl. erforderlich sind. Sämtliche Teile der Kolbenmaschine 10, die aufeinander gleiten, und allgemein alle Verschleißteile der Kolbenmaschine sind mit Keramik (z.B. Oxidkeramik) beschichtet. Die Kolbenma­ schine bedarf daher keiner Schmierung durch übliche Schmiermit­ tel wie Öl od.dgl.

Bei der Verwendung der Kolbenmaschine nach den Fig. 1 und 2 als Kältemittelkompressor wird das das Arbeitsmittel bildende Käl­ temittel über die Arbeitsmittelleitung 15 angesaugt. Das Kälte­ mittel durchströmt den dritten Arbeitsraum 54, gelangt über die Steuerbohrung 56 und den Kanal 60 in den Arbeitsraum 50 und wird darin verdichtet. Gleichzeitig ist der zweite Arbeitsraum 52 von dem dritten Arbeitsraum 54 wegen der Winkelversetzung der Steuerbohrung 58 getrennt. Die Steuerbohrung 58 ver­ bindet zu diesem Zeitpunkt oder später aber den zweiten Ar­ beitsraum 52 mit der Arbeitsmittelöffnung 16, über die verdich­ tetes Kältemittel austritt. Die Verbindung zwischen der Steuerbohrung 58 und der Arbeitsmittelöffnung 16 besteht dabei über den Innenraum des Außengehäuses 12. Die Kolben 42, 44 sind wie dargestellt über die Pleuel 38 bzw. 40 mit demselben exzen­ trischen Kurbelzapfen 36 verbunden, weshalb sich der eine Kol­ ben am oberen Totpunkt befindet, wenn sich der andere Kolben am unteren Totpunkt befindet, und umgekehrt. Das im Arbeitsraum 50 des Kolbens 42 verdichtete Kältemittel gelangt anschließend in den dritten Arbeitsraum 54, wo der Kältemitteldruck den einen Kolben bei seinem nächsten Verdichtungshub unterstützt und gleichzeitig durch das Strecken des aus den beiden Pleueln 38, 40 bestehen­ den Pleuelsystems den anderen Kolben bei dessen Saughub unter­ stützt.

Wenn die Kolbenmaschine 10 nach den Fig. 1 und 2 als Kraftma­ schine betrieben wird, also als mit Druckgas betriebener Expan­ sionsmotor, gelangt das Druckgas über die Arbeitsmittelleitung 15 in den dritten Arbeitsraum 54, wobei sich der Druck des Druckgases zu dem Druck im Arbeitsraum des anderen Kolbens addiert, der durch Expansion des Druckgases im Arbeitsraum erzeugt wird. Die Kolbenmaschine kann also wahlweise als Kraft- oder als Ar­ beitsmaschine betrieben werden, ohne daß bauliche Modifizierun­ gen erforderlich sind. Bei dem Betrieb als Expansionmotor treibt das Druckgas über die Kolben 42, 44 und die Pleuel 38, 40 die Kurbelwelle 30 an, die über den Eisenkern 64 und den übrigen Teil der nicht dargestellten Magnetkupplung den dann als Generator laufenden Elektromotor (ebenfalls nicht dar­ gestellt) antreibt. Die gleichzeitige Verwendung von solchen Kolbenmaschinen als Arbeitsmaschinen und Kraftmaschinen in ei­ ner Kolbenmaschinenbaugruppe wird weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.

In den Fig. 3a-3c tragen gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 jeweils um 300 erhöhte Bezugszahlen. Die Fig. 3a-3c zeigen eine insgesamt mit 310 bezeichnete zweite Ausführungsform der Kolbenmaschi­ ne, bei der die Schiebervorrichtung zwar ebenfalls ein Drehschieber ist, jedoch der Rotor des Drehschiebers durch das Kurbelge­ häuse 318 gebildet ist, der Stator des Drehschiebers das Ring­ gehäuse 312 ist und die Kurbelwelle 330 feststehend ist. Die Zylinderlaufbüchsen 321 und 323 sind pilzförmig ausgebildet und im Kurbelgehäuse 318 verschiebbar angeordnet. Die Platten 24, 26 der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 sind bei der Ausführungsform nach den Fig. 3a-3c nicht vorhanden.

Die Kopfteile der Zylinderlaufbüchsen 321, 323 haben innen parallele ebene Flächen, mit denen sie sich an benachbarte Schultern des Kurbelgehäuses 318 anlegen können, und außen Zy­ linderflächen, welche die gleiche Krümmung wie die Innenwand des Ringgehäuses 312 haben. Die Zylinderlaufbüchsen 321, 323 sind in ihre Zylinder 320 bzw. 322 mit Gleitsitz eingepaßt, so daß sie sich bei rotierendem Kurbelgehäuse 318 durch Flieh­ kraft an die Innenwand des Ringgehäuses 312 anlegen und die Arbeitsräume 350 bzw. 352 stirnseitig abdichten. Das den Sta­ tor bildende Ringgehäuse 312 ist in ein Außengehäuse 370 ein­ gesetzt und weist, wie dargestellt, zwei bogenförmige Ausneh­ mungen 372, 374 am Innen- bzw. Außenumfang auf. Die Ausnehmung 372 am Innenumfang ist mit dem dritten Arbeitsraum 354 über einen Spalt 380 verbunden, der zwischen einem Abschlußdeckel 381 und dem Kurbelgehäuse 318 gebildet ist. Die Kurbelwelle 330 hat eine Bohrung 356, die über einen neben dem Kugellager 332 vorgesehenen Spalt mit dem Spalt 380 in Verbindung steht. Die Bohrung 356 der Kurbelwelle mündet an der rechten Kurbelwan­ ge über eine Öffnung 356 a direkt in den dritten Arbeitsraum 354. Die bogenförmige Ausnehmung 372 erstreckt sich umfangsmäßig über eine Bogenlänge von ca. 160° und axial von einer Stelle rechts von der Mittelebene des Schnittes in Fig. 3b bis zur Innenseite des Abschlußdeckels 381.

Die bogenförmige Ausnehmung 374 am Außenumfang ist eine äußere Nut, die sich umfangsmäßig über eine Bogenlänge von ca.180° erstreckt und über in dem Ringgehäuse 312 gebildete Steuer­ öffnungen 376 mit der Innenseite des Ringgehäuses 312 in Ver­ bindung steht. Der gegenseitige Umfangsabstand der Steuer­ öffnungen 376 ist größer als die oder gleich der Bogenlänge jedes Arbeitsraums 350, 352. Andererseits ist die Ausnehmung 374 mit der Arbeitsmittelöffnung 316 in dem Außengehäuse 370 über einen als Bohrung ausgebildeten Kanal 360 in Verbindung. Die Steueröffnungen 376 sind mit von innen nach außen aufdrück­ baren Rückschlagventilen 378 versehen.

Auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 3a-3c sind alle aufeinander gleitenden Teile und allgemein alle Verschleißbe­ reiche mit Keramik (z.B. Oxidkeramik) beschichtet oder aus Keramik hergestellt.

Bei der Verwendung der Kolbenmaschine nach den Fig. 3a-3c als Kältemittelkompressor wird das das Arbeitsmittel bildende Käl­ temittel über die in der Kurbelwelle 330 gebildete Bohrung 356 und die Öffnung 356 a in den dritten Arbeitsraum 354 gesaugt. Aus dem dritten Arbeitsraum 354 gelangt dieses Kältemittel über den Spalt 380 und die ringförmige Ausnehmung 372 in den Arbeitsraum 350, in welchem es verdichtet wird. Gleichzeitig ist der zweite Ar­ beitsraum 352 von dem dritten Arbeitsraum 354 wegen der gegen­ seitigen Winkelversetzung der bogenförmigen Ausnehmungen 372, 374 getrennt. Die Ausnehmung 374 verbindet zu diesem Zeitpunkt oder später über eine der Steueröffnungen 376 den zweiten Ar­ beitsraum 352 mit der Arbeitsmittelöffnung 316, über die ver­ dichtetes Kältemittel austritt. Auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 3a-3c sind die Kolben 342, 344 wie dargestellt über die Pleuel 338 bzw. 340 mit demselben exzentrischen Kur­ belzapfen 336 verbunden, weshalb sich der eine Kolben am oberen Totpunkt befindet, wenn sich der andere Kolben am un­ teren Totpunkt befindet, und umgekehrt. Das im Arbeitsraum 350 des Kolbens 342 verdichtete Kältemittel gelangt anschlie­ ßend in den dritten Arbeitsraum 354, wo der Kältemitteldruck den einen Kolben bei seinem nächsten Verdichtungshub unter­ stützt und gleichzeitig durch das Strecken des aus den bei­ den Pleueln 338, 340 bestehenden Pleuelsystems den anderen Kolben bei dessen Saughub unterstützt.

Wenn die Kolbenmaschine 310 nach den Fig. 3a-3c als Kraft­ maschine betrieben wird, arbeitet sie analog der Kolbenmaschi­ ne nach den Fig. 1 und 2, weshalb auf die obige Beschreibung verwiesen wird.

Die in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsform der Kolbenma­ schine, die insgesamt mit 410 bezeichnet ist, hat grundsätzlich im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die zweite Ausführungs­ form nach den Fig. 3a-3c (der Übersichtlichkeit halber ist von den beiden bogenförmigen Ausnehmungen nur die Ausnehmung 474 in Fig. 4 dargestellt worden). Es werden daher nur die wesentlichen Unterschiede beschrieben, wobei gleiche Teile wie in den Fig. 3a-3c jeweils um 100 erhöhte Bezugszahlen tragen.

Das Kurbelgehäuse 418 hat einen kleineren Durchmesser als das Ringgehäuse 412. Die Kurbelwelle 430 ist exzentrisch befestigt, so daß ein sichelförmiger Zwischenraum 480 zwischen dem Ring­ gehäuse 412 (Stator) und dem Kurbelgehäuse 418 (Rotor) gebil­ det ist. Die Kopfteile der Zylinderlaufbüchsen 421, 423 haben Arbeitsflächen A. In der in Fig. 4 dargestellten Stellung des Kurbelgehäuses 418 wird der sichelförmige Zwischenraum 480 durch den Kopf der Zylinderlaufbüchse 423 gerade hälftig ge­ teilt, so daß die eine Arbeitsfläche A die eine Hälfte und die andere Arbeitsfläche A die andere Hälfte des Zwischen­ raums 480 begrenzt.

Das Außengehäuse 470 enthält oben eine Kammer 485, in der ein Rollmembrankolben 486 wie dargestellt befestigt ist. Der Raum oberhalb des Rollmembrankolbens 486 ist ein Druckraum, der bei Verwendung der Kolbenmaschine als Kältekompressor mit Kältemitteldruck beaufschlagt ist. Diesem Druck wirkt eine unter dem Roll­ membrankolben 486 angeordnete Schraubenfeder 487 entgegen. Die Zylinderlaufbüchsen 421 und 423 sind durch Stangen 492, 494 starr miteinander verbunden und im Zylinder 420 somit nur ge­ meinsam verschiebbar. Eine Kolbenstange 488 des Roll­ membrankolbens 486 ist als Zahnstange ausgebildet, die mit einem mit der Kurbelwelle 430 drehfest verbundenen Ritzel 489 kämmt. Die Zahnstange ist durch Beaufschlagung des Rollmembrankol­ bens 486 mit dem Kältemitteldruck in der Kammer 485 betätigbar. Auf diese Weise ist die Kurbelwelle 430 dreheinstellbar.

Die Kolbenmaschine ist in Fig. 4 in der Mittelstellung dar­ gestellt, die für normalen Druck gilt. Wenn der Kältemittel­ druck in der Kammer 485 steigt, wird die Kurbelwelle 430 ver­ dreht und dadurch die Steuerzeit so geändert, daß der Ar­ beitsraum über einem der beiden Kolben 442, 444, in den ein­ gesaugt wird, nicht mehr vollständig gefüllt wird. Dadurch sinkt die Förderleistung entsprechend. Dadurch wiederum wird der Kältemitteldruck in der Kammer 485 geringer, so daß die Kurbelwelle wieder in Richtung ihrer für normalen Druck gel­ tenden (dargestellten) Stellung verdreht wird. Bei gegenüber dieser Stellung in der Kammer 485 sinkendem Druck spielt sich der umgekehrte Vorgang ab.

Bei der Kolbenmaschine nach Fig. 4 dient der sichelförmige Zwischenraum 480 als vierter Arbeitsraum, und zwar jeweils nur einer der beiden Teile des Zwischenraums, die den Arbeits­ flächen A zugewandt sind. Eine Überströmbohrung 490, die in dem Ringgehäuse 412 an der in Fig. 4 dargestellten Stelle ge­ bildet ist, steht über die bogenförmige Ausnehmung 474 am Außenumfang des Ringgehäuses 412 mit dem Arbeitsraum 452 über eine der Steueröffnungen 476 in Verbindung. Wenn die Zylinderlaufbüchse 423 ihre in Fig. 4 gezeigte Stellung er­ reicht hat, gelangt das in dem Arbeitsraum 452 komprimierte Kältemittel auf dem vorstehend beschriebenen Weg in den in Fig. 4 linken Teil des Zwischenraums 480. Das Kurbelgehäuse dreht sich in Fig. 4 in diesem Fall im Gegenuhrzeigersinn. Das komprimierte Kältemittelgas expandiert nun in diesem Teil des Zwischenraums 480 und treibt die Zylinderlaufbüchse 423 durch Beaufschlagung von deren linker Arbeitsfläche A zu­ sätzlich an, bis der Arbeitsraum 452 mit der Arbeitsmittel­ öffnung 416 in Verbindung kommt, die nach außen führt und über die dann der genannte Teil des sichelförmigen Zwischen­ raums 480 entleert wird. Dabei unterstützt der Kopf der Zy­ linderlaufbüchse 421 das Ausschieben des Kältemittels über die Arbeitsmittelöffnung 416.

Fig. 5 zeigt die Verwendung von vier Kolbenmaschinen 510 a- 510 d in einem gemeinsamen Außengehäuse 570 und mit einer ge­ meinsamen Kurbelwelle 530. Die Kurbelwelle 530 besteht aus Segmenten 530 a-530 e, die miteinander verschraubt sind. Zwi­ schen dem Kolbenmaschinenpaar 510 a, 510 b einerseits und dem Kolbenmaschinenpaar 510 c, 510 d andererseits ist eine Magnet­ kupplung 502 angeordnet. Die Kolbenmaschinen 510 a-510 d haben den gleichen Aufbau wie die Kolbenmaschine 310 nach den Fig. 3a- 3c. Das Kolbenmaschinenpaar 510 a, 510 b arbeitet auf die glei­ che Arbeitsmittelöffnung 516. Gleiches gilt für das Kolben­ maschinenpaar 510 c, 510 d. Die Arbeitsmittelöffnung 516 des einen Paares ist mit der des anderen Paares durch eine Über­ strömleitung 504 verbunden, und beide Arbeitsmittelöffnungen 516 sind als das Außengehäuse 570 umfangsmäßig durchsetzende Ringkanäle ausgebildet. Die dritten Arbeitsräume 554 a-554 d der Kolbenmaschinen sind durch eine die Kurbelwelle 530 auf ihrer gesamten Länge durchsetzende Bohrung 556 miteinander verbun­ den. Am linken Ende ist die Bohrung 556 mit der Arbeitsmittel­ öffnung 514 verbunden, am anderen Ende ist sie durch einen Stopfen 505 verschlossen. Die Magnetkupplung 502 hat zwei strichpunktiert angedeutete Trennebenen T 1, T 2. Wenn die Mag­ netkupplung nicht erregt ist, sind das linke und das rechte Kolbenmaschinenpaar unabhängig voneinander betreibbar, und zwar jeweils als Expansionsmotor oder als Kompressor. Wenn das linke Kolbenmaschinenpaar als Expansionsmotor arbeitet, kann das rechte Kolbenmaschinenpaar durch Erregen der Magnet­ kupplung wahlweise zugeschaltet werden. Gleiches gilt, wenn das linke Kolbenmaschinenpaar als Kompressor arbeitet, wobei dann das rechte Kolbenmaschinenpaar als weiterer Kompressor zugeschaltet werden kann. Die Überströmleitung 504 ist mit einer Sammelleitung über einen Anschluß 506 verbunden. Wenn alle Kolbenmaschinen als Kompressor arbeiten, wird Arbeitsmit­ tel über die Arbeitsmittelöffnung 514 angesaugt, und über den Anschluß 506 wird komprimiertes Arbeitsmittel abgeleitet. Wenn alle Kolbenmaschinen als Expansionsmotor arbeiten, wird über den Anschluß 506 Druckgas zugeführt, das dann über die Arbeits­ mittelöffnung 514 austritt.

Wenn das eine Kolbenmaschinenpaar als Expansionsmotor und das andere Kolbenmaschinenpaar als Kompressor betrieben werden soll, wird die Überströmleitung 504 versperrt (z.B. durch einen nicht dargestellten Schieber). Ebenso wird die Bohrung 556 in der Kurbelwelle 530 im Bereich zwischen den beiden Trennebenen T 1 und T 2 versperrt (z.B. durch einen gestrichelt angedeuteten Pfropfen 507). Dann arbeiten beide Kolbenmaschinenpaare auf weiter oben mit Bezug auf die Fig. 3a-3c beschriebene Weise un­ abhängig voneinander.

Wenn z.B. das rechte Kolbenmaschinenpaar 510 c, 510 d als Ar­ beitsmaschine d.h. als Kompressor, betrieben wird, ist neben dem Abschlußdeckel 591 so wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 eine weitere Magnetkupplung (nicht dargestellt) vorge­ sehen, die mit einem Drehantrieb versehen ist und durch den Abschlußdeckel 581 hindurch einen Eisenkern 564 mitnimmt, der mit dem Kurbelgehäuse 518 drehfest verbunden ist. Der Einfach­ heit halber ist in Fig. 5 statt eines gesonderten Eisenkerns 564 wenigstens der rechte Teil des Kurbelgehäuses 518 aus Ei­ sen hergestellt.

Claims (15)

1.Kolbenmaschine mit zwei Kolben (42, 44) mit zwei Zylin­ dern (20, 22), in denen die Kolben (42, 44) hin- und herbe­ wegbar angeordnet und in ihrem ersten bzw. zweiten Arbeits­ raum (50, 52) durch ein Arbeitsmittel beaufschlagbar sind, das über wenigstens zwei Öffnungen (14, 16) zugeführt bzw. abgeleitet wird, und mit einem Kurbelgehäuse (18), durch das das Arbeitsmittel hindurchleitbar ist und in dem ein Kurbel­ trieb (36, 38, 40) angeordnet ist, der über Pleuel (38, 40) und Kurbelzapfen (36) die Kolben (42, 44) mit einer Kurbel­ welle (30) verbindet, dadurch gekennzeich­ net, daß das Innere des Kurbelgehäuses (18) als dritter Arbeitsraum (54) gestaltet ist, daß beide Pleuel (38, 40) an ein und demselben Kurbelzapfen (36) drehbar angelenkt sind und daß eine durch den Kurbeltrieb (36, 38, 40) gesteuerte Schiebervorrichtung vorgesehen ist, die den ersten Arbeits­ raum (50) mit dem dritten Arbeitsraum (54) und gleichzeitig oder später den zweiten Arbeitsraum (52) mit einer der Ar­ beitsmittelöffnungen verbindet, und umgekehrt.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebervorrichtung einen Drehschieber aufweist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (30) selbst den Drehschieber bildet.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drehschieber zwei winkelversetzte Steuer­ bohrungen (56, 58) aufweist, von denen die eine vom dritten Arbeitsraum (54) zu einem ersten Kanal (60) in der Kurbel­ gehäusewand, der mit dem ersten Arbeitsraum (50) verbunden ist, und die andere von einem zweiten Kanal (62) in der Kurbelgehäusewand, der mit dem zweiten Arbeitsraum (52) verbunden ist, zu der einen Arbeitsmittelöffnung führt.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebervorrichtung ein Drehschieber ist, dessen Ro­ tor durch das Kurbelgehäuse (318) gebildet und dessen Sta­ tor ein Ringgehäuse (312) ist, und daß die Kurbelwelle (330) im Betrieb feststehend ist.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch im Kurbelgehäuse (330) verschiebbar angeordnete, den ersten bzw. zweiten Arbeitsraum (350, 352) umschließen­ de Zylinderlaufbüchsen (321, 323), die zur stirnseitigen Ab­ dichtung mit ihrem Kopfteil an der Innenwand des Ringgehäu­ ses (312) anliegen.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (312) in ein Außengehäuse (37 C) eingesetzt ist und zwei bogenförmige Ausnehmungen (372, 374) am Außen­ bzw. Innenumfang aufweist, von denen die am Innenumfang mit dem dritten Arbeitsraum (354) und die am Außenumfang einer­ seits über Steueröffnungen (376) mit der Innenumfangsfläche und andererseits mit der einen Arbeitsmittelöffnung in Ver­ bindung ist.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (376) mit von innen nach außen auf­ drückbaren Rückschlagventilen (378) versehen sind.

9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (43) exzentrisch be­ festigt ist, so daß ein sichelförmiger Zwischenraum (480) zwischen Stator (412) und Rotor (418) gebildet ist, und daß die Kopfteile der Zylinderlaufbüchsen (421, 423) Arbeits­ flächen (A) haben, die in dem sichelförmigen Zwischenraum (480) abwechselnd mit Arbeitsmitteldruck beaufschlagbar sind.

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinderlaufbüchsen (421, 423) starr miteinan­ der verbunden sind.

11. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (330; 430) dreheinstellbar ist.

12. Kolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dreheinstellung der Kurbelwelle (430) eine Zahnstange (488) vorgesehen ist, die mit einem mit der Kurbelwelle (430) drehfest verbundenen Ritzel (489) kämmt.

13. Kolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstange (488) durch Beaufschlagung mit dem Arbeits­ mittel betätigbar ist.

14. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest alle aufeinander gleitenden Tei­ le der Kolbenmaschine (10; 310; 410; 510) mit Keramik be­ schichtet oder aus Keramik hergestellt sind.

15. Verwendung von mehreren Kolbenmaschinen (510 a-510 d) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in einem gemeinsamen Außen­ gehäuse (570) und mit gemeinsamer Kurbelwelle (530).