DE60014327T2

DE60014327T2 - Rotierende arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE60014327T2
Application number: DE60014327T
Authority: DE
Inventors: Edward Green
Original assignee: MAPPLE TECHNOLOGY Ltd GUERNSEY; Mapple Technology Ltd
Current assignee: Salmanson Alan Jerusalem Il
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: ES2230055T3; EP1157210A1; US6412454B1; IL128934A; CN1349592A; WO2000053925A1; CA2365339A1; AU759439B2; EP1157210B1; ATE278105T1; IL128934A0; ZA200107782B; MXPA01009164A; AU2317500A; CN1221735C; DE60014327D1; BR0008870A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet rotierender Arbeitsmaschinen und insbesondere eine radiale Verdränger-Arbeitsmaschine zur Verwendung als flüssigkeitsverdrängende Anordnung, und zwar als Pumpe oder Kompressor oder Motor.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Die wie hier in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete Bezeichnung „Arbeitsmaschine" wird insgesamt bezugnehmend auf Pumpen, Kompressoren und Motoren verwendet.
Radiale Arbeitsmaschinen sind seit langem bekannt. Die allgemeine Konfiguration bei radialen Arbeitsmaschinen ist eine gemeinsame Welle und ein oder mehrere radial verschiebbare, zum Durchführen des Pumpens, zum Verdichten der Arbeit oder, im Falle eines Motors, zum Erzeugen von Energie ausgebildete Kolben.
Unter den Vorteilen radialer Arbeitsmaschinen liegt der tatsächliche große Volumenhub der Kolben innerhalb eines relativ kompakten Raumes. Ferner erzeugen radiale Arbeitsmaschinen ein geringeres Geräuschniveau und benötigen weniger Wartung als anders konfigurierte Arbeitsmaschinen.
Viele der bisher bekannten rotierenden Arbeitsmaschinen, insbesondere Pumpen und Kompressoren, umfassen eine exzentrische an einem oder mehreren radial verschiebbaren Kolben eingreifende Welle. Ein Nachteil dieser Anordnung sind sich in der Anordnung entwickelnde unerwünschte Kräfte, die zu einer geringen Leistung der Arbeitsmaschine führen. Noch mehr besteht der Bedarf, wenn exzentrische Anordnungen verwendet werden, ausbalancierende Mittel vorzusehen, um die sich in der Anordnung entwickelnden Kräfte zu reduzieren, die abgesehen von einer Verstärkung der Abnutzung möglicherweise zum Bruch von wesentlichen Komponenten der Maschine führen können.
Ferner weisen Arbeitsmaschinen nach dem Stand der Technik typischerweise einen komplexen Aufbau auf, was sie sowohl nicht kompakt in ihrer Größe, schwer, als auch komplex in ihrem Zusammenbau macht. Zusätzlich ist eine häufige Wartung infolge der großen Abnutzung der Komponenten und der Anforderungen an die Schmierung erforderlich.
Ein weiterer Nachteil beim Stand der Technik ist die Notwendigkeit, geschwindigkeitsreduzierende Mittel zwischen einer Pumpe oder einem Kompressor und einem Motor, der daran die Rotationsbewegung liefert, vorzusehen. Diese Anordnung benötigt offensichtlich mehr Platz, ist schwerer und benötigt mehr Wartung.
Ein beträchtlicher Nachteil beim Stand ist die geringe Effizienz, wobei tatsächlich hohe Rotationsgeschwindigkeiten benötigt werden, um ausreichend Kraft oder Pump- bzw. Kompressionsvolumen zu liefern, hauptsächlich infolge eines kleinen Verhältnisses von Kolbendurchmesser zu Hub.
Ein weiterer Nachteil bei Arbeitsmaschinen nach dem Stand der Technik ist die Notwendigkeit, eine Schmierung vorzusehen, die selbst spezielle Zirkulationsmittel und eine häufige Wartung benötigt, und wobei immer die Möglichkeit besteht, dass Schmiermittel in die zu pumpende oder komp rimierende Flüssigkeit gelangt. Arbeitsmaschinen, bei denen eine Schmierung nötig ist, sind typischerweise nicht geeignet zum Versorgen mit Gasen bei kritischen Anwendungen, wie beispielsweise die Versorgung komprimierter Gase, z.B. Sauerstoff für medizinische Zwecke, oder anderer Gase, z.B. zum Tauchen oder Schweißen oder für andere industrielle Zwecke.
Typischerweise ist eine Arbeitsmaschine für einen bestimmten Zweck, wie beispielsweise als Pumpe, als Kompressor oder Motor aufgebaut, und das Umfunktionieren von einer Funktion zu einer anderen Funktion ist entweder praktisch unmöglich oder benötigt eine Neugestaltung oder Änderung der meisten wichtigen Komponenten der Arbeitsmaschine, was nicht kosteneffektiv ist. Dies ist noch mehr der Fall, wenn eine Arbeitsmaschine vorab zum Betrieb mit festgelegten Parametern wie beispielsweise fester Geschwindigkeit, Verhältnis von Durchmesser zu Hub etc. ausgelegt ist. Diese Parameter sind insbesondere festgelegt und nicht variabel, außer durch beträchtliche Modifikationen an der Arbeitsmaschine.
Hin und wieder ist es erwünscht, die Arbeitskapazität einer Arbeitsmaschine zu erhöhen, d.h. das Volumen der Flüssigkeitsverdrängung im Falle einer Pumpe oder eines Kompressors zu erhöhen, oder mehrere Arbeitsmaschinen zusammenzuschließen, so dass eine mit der anderen zusammen arbeitet. Arbeitsmaschinen nach dem Stand der Technik sind nicht ausgelegt, ein Stapeln ähnlicher solcher Maschinen zueinander mit kompletter Modularität zu ermöglichen.
Das US-Patent Nr. 2,345,125 offenbart eine hydraulische Hochdruckpumpe, in der eine zentrale Welle einen exzentrischen achteckigen aus gehärtetem Stahl hergestellten Schubblock rotiert, an dem eine Vielzahl von bronzenen Kolbenköpfen zum Verschieben eines Kolbenteils in einem Zylinder in gleitendem Kontakt sind.
Das US-Patent Nr. 4,541,781 offenbart eine rotierende Flüssigkeitspumpe, die rotierende, entlang einer kreisförmigen Spur laufende Rollen zum fortlaufenden Niederdrücken einer Vielzahl von Hebelarmen, die wiederum Kolben in der gleichen Anzahl von Pumpen betätigen, umfasst. Bei diesem Patent werden die in der Anordnung sich entwickelnden Zentrifugalkräfte zum Niederdrücken der Rollen gegen die Hebelarme verwendet.
Das US-Patent Nr. 5,547,348 offenbart einen an einem ersten Exzenter angebrachten Rotor mit einer Welle und einem relativ zum ersten Exzenter in seiner Position einstellbaren zweiten Exzenter, und eine Vielzahl von radialen Kolbeneinsätzen, die radial um die Welle angeordnet sind. Dieses Patent offenbart das Stapeln solcher Maschinen, die Übertragung der Rotationsbewegung geschieht jedoch über eine gemeinsame Welle.
Das US-Patent Nr. 5,634,777 offenbart eine Radialkolbenmaschine, bei der ein Rotor mit einem um eine Achse rotierbaren ersten Exzenter und einem in seiner Position relativ zum ersten Exzenter einstellbaren zweiten Exzenter und einer Vielzahl von radial um die Achse angeordneten Kolbeneinsätzen ausgebildet ist. Bei diesem Patent sind gleitende Reibungsschuhe zum Kontaktieren des umlaufenden Exzenters vorgesehen.
Weitere Patente zum Stand der Technik sind 2,789,515, 3,407,707, 3,490,683, 3,871,793, 4,017,220, 5,035,221, 5,281,104, 5,383,770 und 5,547,348.
Das deutsche Patent 1503356 offenbart einen Radialkolbenmotor, bei dem eine Vielzahl innerhalb des Gehäuses mit tels eines Nockens radial verschiebbarer Kolben vorgesehen sind. Die Kolben sind an ihren Enden mit einer Rolle angepasst, um die Reibungskräfte zwischen dem Nocken und den Kolben zu reduzieren. Dieses Patent enthält jedoch keinen Vorschlag für eine Anordnung zum Eliminieren der Reibung zwischen der rotierenden Nockenwelle und den Kolbenteilen.
Das französische Patent 2599804 betrifft einen radialen Verbrennungsmotor, bei dem geeignete Übertragungsmittel für eine abwechselnde Verschiebung der Kolben aufgrund von Rollen, die auf einem Nocken rollen, vorgesehen sind. Die Rollen sind integral mit den Kolben, und der Nocken ist integral mit der Motorwelle. Der in diesem Patent offenbarte Motor neigt zu einer Fehlfunktion, da die Rollen an den Kolben befestigt sind und nicht in rein rollender Einwirkung auf die Betätigungsmitteln sind, und daher über die Betätigungsteile rutschen können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer verbesserten Arbeitsmaschine, die einerseits die Nachteile des Stands der Technik deutlich reduziert oder überwindet und andererseits die Gesamtleistung der Arbeitsmaschine verbessert.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine rotierende Arbeitsmaschine vorgesehen, die umfasst:

ein Gehäuse mit einer kreisförmigen Öffnung und einer Vielzahl von Bohrungen, von denen sich jede entlang einer radialen Achse von einem Mittelpunkt jener Öffnung aus erstreckt;
einen innerhalb der Öffnung des Gehäuses befestigten und innerhalb der Öffnung koaxial drehbaren kugelartigen (nodular) Rotor; wobei der kugelartige (nodular) Rotor eine Vielzahl von gleichmäßig entlang seines Begrenzungskreises verteilten Endpunkten umfasst, wobei die Anzahl an Endpunkten eine ungerade ganze Zahl und geringer als die Anzahl der Bohrungen im Gehäuse ist;
eine Vielzahl von auswechselbaren Zylindermodulen, von denen jeder innerhalb einer entsprechenden Bohrung innerhalb des Gehäuses aufnehmbar befestigt ist;
wobei jedes Zylindermodul einen innerhalb eines Zylinders gleitend beweglichen Kolben, ein kolbenbetätigendes Bauteil, das mit dem entsprechenden Kolben verbunden ist und eine mit dem Zylinderkopf am Distalende des Zylinders verbundene Arbeitseinheit umfasst;
wobei jeder Kolben entlang der radialen Achse zwischen einem oberen Totpunkt (TDC) und einem unteren Totpunkt (BDC) verschiebbar ist, wobei die Kolben im unteren Totpunkt (BDC) vorgespannt sind;
wobei der kugelartige Rotor mit einer radialen Schub reduzierenden Anordnung für den Eingriff an den entsprechenden kolbenbetätigenden Bauteilen eingebaut ist.

Der Term „Arbeitsmaschine", wie in der Beschreibung verwendet, bezeichnet eine zum Verrichten von Arbeit fähige Einheit, z.B. eine Pumpeneinheit, eine Kompressoreinheit oder eine Verbrennungskammer eines Motors.
Wie im folgenden ersichtlich wird, reduziert die erfindungsgemäße rotierende Arbeitsmaschine die Abnutzung ihrer Komponenten deutlich und reduziert folglich die Wartungsanforderungen der Komponenten. Die Arbeitsmaschine schafft eine verbesserte Gesamteffizienz und verwendet einen wirklich kurzen Hub gegenüber einem großem Durchmesser eines Kolbens mit einer revolutionär niedrigen Geschwindigkeit einerseits und andererseits eine wirklich niedrige Lineargeschwindigkeit der Kolben bezogen auf die Zylinderwand.
Die Grundfläche der kolbenbetätigenden Teile kann entweder flach, konvex oder konkav oder von einer komplexen Form, die eine Kombination von flachen und gebogenen Segmenten umfasst, sein. Diese Anordnung ist geeignet zum Festlegen des Aufwärtshubs und des Abwärtshubs (diese Terme bezeichnen die Kompressions-/Ansaugverschiebung der Kolben im Falle einer Pumpe oder eines Kompressors oder die Auslass-/Einlassverschiebung der Kolben im Falle eines Motors). Dies erlaubt auch die Steuerung der Verweilzeit am TDC des Kolbens, einem wichtigen Parameter. Erfindungsgemäß können bei einer einzelnen Arbeitsmaschine verschiedene kolbenbetätigende Teile verwendet werden, wobei deren Grundflächen entweder flach, konkav, konvex oder von komplexer Form wie oben beschrieben sein können.
Der Schließwinkel d des Kolbens am BDC, gemessen in Grad der Rotorrotation, wird mit folgender Formel berechnet. d ≥ (360°/n)*0.125wobei
d der in Grad gemessene Schließwinkel ist; und
n die Anzahl der Endpunkte ist.
Erfindungsgemäß befindet sich der Kolben am TDC, wenn ein entsprechender Endpunkt des kugelartigen Rotors sich entlang der entsprechenden radialen Achse erstreckt; und der Kolben befindet sich an seinem BDC, wenn der entsprechende Endpunkt winkelartig um (180°/n)-d/2 von dieser radialen Achse verschoben ist, wobei:
n die Anzahl der Endpunkte des kugelartigen Rotors ist; und
d der Schließwinkel zwischen benachbarten Zylindern (gemessen in Grad) ist.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der kugelartige Rotor mit einer sich vom Zentrum der Ebene des kugelartigen Rotors und senkrecht zu dieser erstreckenden Welle verbunden und zur Aufnahme und Übermittlung von Rotationsbewegung alternativ zum oder vom kugelartigen Rotor ausgebildet. Der kugelartige Rotor kann jedoch durch eine sich ins Gehäuse erstreckende Welle angetrieben werden, oder der kugelartige Rotor kann im Falle mehrerer aufeinander gestapelter Gehäuse durch zur simultanen Rotation der kugelartigen Rotoren ausgebildeten Kopplungsmittel rotiert werden.
In einem erfindungsgemäßen Aspekt ist die Arbeitsmaschine eine Anordnung, die ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile umfasst, und worin die Rotationsbewegung zum kugelartigen Rotor mit der Folge einer Radialverschiebung der Kolben übermittelt wird, wodurch eine Pumpe oder ein Kompressor ausgebildet wird.
Die Arbeitsmaschine ist nach einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt eine Anordnung, die eine Kraftstoffversorgungsdüse, Zündungs- und Zündzeitpunktanordnungen und Gasaustauschwege umfasst; worin eine radiale Verschiebung der Kolben eine Rotationsbewegung an den kugelartigen Rotor übermittelt, und dadurch ein Radialmotor gebildet wird.
Eine kombinierte Version der voranstehenden Aspekte ist ebenfalls möglich, worin die Arbeitsmaschine aus einigen der Zylindermodule eine ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile umfassende Anordnung ist; und die Arbeitsmaschine der verbleibenden Zylindermodule eine eine Kraftstoffversorgungsdüse, ein Zündteil und Gasaustauschwege umfassende Anordnung ist.
In einer höchst bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der kugelartige Rotor mit einer geschwindigkeitsreduzierenden Anordnung verbunden. Entsprechend einer Anwendung ist die geschwindigkeitsreduzierende Anordnung ein Planetenradgetriebe, wobei das Planetenradgetriebe ein an der Welle befestigtes Sonnenrad, mindestens ein vom Gehäuse drehbar gehaltenes Planetenrad und einen mit dem kugelartigen Rotor verbundenen Zahnkranz umfasst. Entsprechend einer anderen Anwendung ist die geschwindigkeitsreduzierende Anordnung ein Planetenradgetriebe, wobei das Planetenradgetriebe ein an der Welle befestigtes Sonnenrad, mindestens ein am kugelartigen Rotor drehbar befestigtes Planetenrad und einen am Gehäuse befestigten Zahnkranz umfasst.
Das kolbenbetätigende Teil kann integral mit dem Kolben sein oder starr daran befestigt, wobei eine Grundfläche des Kolbenbetätigungsteils zum Einwirken auf die Endpunkte des kugelartigen Rotors ausgebildet ist. Der radiale Abstand zwischen dem Kolben und dem kolbenbetätigenden Teil ist vorzugsweise einstellbar, was die Einstellbarkeit des Spiels des Kolbens im Zylinder zur Folge hat.
Um die Abnutzung der mechanischen Komponenten zu reduzieren und eine gleichmäßige, ruhige und wirksame Funktion der Arbeitsmaschine sicherzustellen, ist eine den radialen Schub reduzierende Anordnung vorgesehen, die in einer Ausführungsform eine an jedem Endpunkt befestigte Rolle ist, wobei jede Rolle drehbar um eine zu einer Rotationsachse des kugelartigen Rotors parallele Achse drehbar ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist die den radialen Schub reduzierende Anordnung eine Rolle, die einen verzahnten, an jeden Endpunkt eingebauten Teil zum Eingreifen an einem verzahnten in der Öffnung des Gehäuses befestigten Ring aufweist, und so die positive Rotation der Rollen entlang ihrer Längsachse übermittelt. Entsprechend dieser Ausführung werden die Rollen kontinuierlich um ihre Achse rotiert und rollen daher weiterhin, wenn sie an der Grundfläche des Kolbenbetätigungsteils eingreifen und eliminieren den radialen Schub.
Für eine verbesserte Effizienz der Arbeitsmaschine sind die Zylindermodule rotationsartig innerhalb ihrer Bohrungen eingeschränkt. Ferner sind Dichtungen an den Kolben vorgesehen und noch bevorzugter sind Aufsetzringe (rider rings) am innerhalb des Zylindermoduls gleitfähigen Kolbenbetätigungsteil vorgesehen.
Entsprechend einer Ausführungsform ist eine Mehrfacharbeitsmaschine vorgesehen, worin die Öffnung im Gehäuse eine Vielzahl von in zwei oder mehreren Ebenen angeordneten Bohrungen umfasst; wobei jede Bohrung sich entlang einer radialen Achse von der Öffnung erstreckt.
Alternativ werden zwei oder mehr Gehäuse koaxial aufeinander in parallelen Ebenen gestapelt, wobei die Rotationsbewegung zwischen den kugelartigen Rotoren benachbarter Gehäuse übertragen wird.
Umfasst die rotierende Arbeitsmaschine mehr als zwei Ebenen von Zylindern, ist es erwünscht, dass die Zentren der Bohrungen in einer Ebene in Bezug auf die Zentren der Bohrungen in einer benachbarten Ebene winkelartig um α° versetzt, wobei a aus der Formel bestimmt wird: α° = (360/N)/p wobei:
α in Grad gemessen wird;
N die Anzahl der Zylinder in jeder Ebene ist; und
P die Anzahl der Ebenen ist.
Sind die Bohrungen winkelartig versetzt, wie oben beschrieben, wird eine kontinuierliche, sequenzielle Pumpen- oder Kompressorwirkung erreicht.
Entsprechend einer anderen Anordnung sind eine oder mehrere Ebenen einer mehrstufigen rotierenden Arbeitsmaschine zum Ausbilden einer Pumpe oder eines Kompressors bestimmt, und eine oder mehrere Ebenen sind zum Ausbilden eines Radialmotors bestimmt. Es kann jedoch auch eine Anordnung vorgesehen sein, bei der einige der Bohrungen ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile umfassen, und die verbleibenden Bohrungen mit einer Kraftstoffversorgungsdüse, Zündungs- und Zündzeitpunktanordnungen und Gasaustauschwegen ausgerüstet sind, wodurch eine Kombination von Radialmotor und Pumpe oder Kompressor ausgebildet wird.
Eine wichtige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine ist, dass der kugelartige Rotor sowohl für die Rotation im wie auch gegen den Uhrzeigersinn ausgebildet ist und kein spezielles Anpassungsverfahren benötigt wird. Entsprechend kann der kugelartige Rotor in jeder Stufe in seiner Richtung oder Rotation umgedreht werden.
Entsprechend einiger bevorzugter Konfigurationen liegt das Krümmungsverhältnis zwischen dem Durchmesser der Öffnung im Gehäuse und einem theoretischen Kugeldurchmesser der konvexen oder konkaven Fläche in der Größenordnung von etwa 1:1 bis etwa 1:4. Mehr bevorzugt weist der Kolben ein Verhältnis von Durchmesser zu Hub von größer oder gleich 5:1 auf, wobei der kugelartige Rotor bei etwa 300 U/min oder weniger rotiert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum Verständnis der Erfindung und zur Darstellung, wie sie in der Praxis ausgeführt werden kann, werden nun einige bevorzugte Ausführungsformen mittels nicht beschränkender Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische ebene Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei die Arbeitsmaschine eine Pumpe oder ein Kompressor ist;
2A und 2B ein Kolbenmodul aus 1 in zwei aufeinanderfolgenden Pump-/Kompressionsschritten;
3 ähnlich 1 die Pumpe / den Kompressor, nachdem der kugelartige Rotor in eine Stellung rotiert ist, in der die Kolben einen einzelnen Hub abgeschlossen haben;
4 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Arbeitsmaschine;
5 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform einer zweifach gestapelten Arbeitsmaschine;
6 eine schematische Draufsicht der in 5 dargestellten Ausführungsform, die den winkelartigen Versatz der Kolbenzentren darstellt;
7 eine erfindungsgemäße bevorzugte Ausführungsform einer dreifach gestapelten Arbeitsmaschine; und
8 eine schematische Draufsicht der Ausführungsform aus 7, die den Versatz der Kolben darstellt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Zunächst richtet sich das Augenmerk auf 1, in der die allgemein mit 20 bezeichnete Arbeitsmaschine dargestellt ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Arbeitsmaschine 20 ein Kompressor oder eine Pumpe. Wie jedoch später ersichtlich wird, kann sie leicht in einen Motor, oder in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in ein Motor- und Pumpen-/Kompressor-Hybrid umgewandelt werden.
Die Arbeitsmaschine 20 weist ein allgemein zylindrisches Gehäuse 22 mit einer zentralen, kreisförmigen Öffnung 24 und einer Vielzahl von Bohrungen 28, die sich radial von der Öffnung 24 zu einer äußeren Fläche 30 des Gehäuses 22 erstrecken, auf, wobei die Bohrungen in die kreisförmige Öffnung 24 vordringen.
Im vorliegenden Beispiel ist das Gehäuse 20 mit acht Bohrungen ausgebildet. Eine andere Anzahl an Bohrungen kann jedoch genauso gewählt werden. Vorzugsweise ist die Anzahl der Bohrungen eine gerade Zahl.
In die Öffnung 24 erstreckt sich eine Welle 36, die mit einem allgemein mit 38 bezeichneten geschwindigkeitsreduzierenden Planetengetriebe verbunden ist, das aus einem an der Welle 36 befestigten Sonnenrad 40 und drei drehbar an der Wand 46 der Öffnung 24 mittels Wellen 48 gehaltenen Planetenrädern 42 besteht. Der Zahnkranz 50 bildet einen integralen Teil des allgemein mit 52 bezeichneten kugelartigen Rotors.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass, während in der vorliegenden Ausführungsform die Planetengetriebe drehbar am Gehäuse gehalten sind, es auch eine andere Ausführungsform geben kann, bei der die Planetengetriebe drehbar am Getriebe des kugelartigen Rotors 52 befestigt sind und der Zahnkranz am Gehäuse befestigt ist.
Der kugelartige Rotor 52 ist ein koaxial in der Öffnung 24 befestigtes und sieben Endpunkte 58 umfassendes heptaedrisch geformtes Teil. Jeder Endpunkt 58 hält drehbar eine zur Rotation in der Öffnung 24 um einen kreisförmigen durch einen die Bohrungen 28 einhüllenden Kreis erzeugten Weg ausgebildete Rolle 60. Die Anordnung ist so ausgebildet, dass, wenn eine Rolle 60 radial mit einer Längsachse einer entsprechenden Bohrung (Bohrung 28a in 1) ausgerichtet ist, sie maximal in diese spezielle Bohrung hineinragt mit der Folge einer maximalen Verschiebung des verbundenen Kolbens, wie später ersichtlich wird. Andererseits ist der Kolben, wenn sich die Rolle 60 nicht in der Umgebung einer Bohrung (vgl. Bohrung 28e in 1) befindet, in seiner tiefsten, nicht-verschobenen Position, wie später erklärt wird. In der folgenden Beschreibung wird diese Position des Kolbens, die dem maximalen Vordringen der Rolle entspricht, als obere Totpunktposition oder TDC-Position bezeichnet und die unterste Stellung des Kolbens wird als untere Totpunktposition oder BDC-Position bezeichnet.
Jede der Bohrungen 28 beherbergt ein allgemein mit 70 bezeichnetes Zylindermodul, das im vorliegenden Beispiel ein Pumpe-/Kompressormodul ist.
Mit weiterem Bezug auch auf die 2A und 2B umfasst das Zylindermodul 70 einen gleitfähig in einem Zylinderhülseneinsatz 74 aufgenommenen Kolben 72 mit geeigneten am Kolben vorgesehenen Dichtringen 76, wie per se bekannt. Es ist jedoch bekannt, dass bei anderen Ausführungsformen Zylinderhülsen entfallen.
Ein Kolbenbetätigungsteil 78 ist starr befestigt am oder integral ausgebildet mit dem Kolben 72 und umfasst eine zum Eingreifen an den Rollen des kugelartigen Rotors ausgebildete Grundfläche 80, wie später beschrieben wird. Um eine gleichmäßige Betätigung zu gewährleisten und den Kolben und das Kolbenbetätigungsteil in der Bohrung 28 ausgerichtet zu halten, ist das Kolbenbetätigungsteil 78 mit Aufsetzringen 84 ausgestattet. In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform kann der lineare Abstand zwischen dem Kolben und dem verbundenen Kolbenbetätigungsteil zur Kontrolle des Zwischenraums des Kolbens vom Kolbenkopf modifiziert sein. Dies kann beispielsweise durch das Vorsehen von Schraubverschlusseingriffen zwischen den beiden Teilen oder ähnlichen Mitteln ausgeführt werden.
Im vorliegenden Beispiel sind die Dichtringe 76 aus PTFE hergestellte selbstschmierende Ringe mit etwa 15% Graphit, wodurch keine Flüssigschmierung benötigt wird. Andere Schmiermittel sind jedoch auch möglich.
Das Kolbenmodul 70 umfasst ferner eine an einem seiner Enden an einer ausgesparten Schulter 87, die integral in der Wand des Kolbenmoduls gelagerte Sprungfeder 86, und an seinem entgegengesetzten Ende drückt die Feder 86 gegen das Kolbenbetätigungsteil 78, so dass der Kolben und das Kolbenbetätigungsteil in der BDC-Position, d.h. in der Position, in der der Kolben radial nach innen vorgespannt ist (vgl. 2A), vorgespannt sind. Das Kolben modul 70 ist leicht mit geeignet vorgesehenen Befestigungsmitteln (nicht dargestellt) in eine Bohrung des Gehäuses einsetzbar und befestigbar, um das Modul im Gehäuse fest zu sichern.
Das Kolbenmodul 70 ist ferner mit einem Einlassventil 90 und einem Auslassventil 92 ausgestattet. 2A zeigt einen Pumpentakt und 2B zeigt einen Kompressionstakt. Es wird darauf hingewiesen, dass in diesen Figuren die Grundfläche 80 des Kolbenbetätigungsteils 78 konvex ist.
Das weitere Augenmerk richtet sich nun auf 1 und 3 zum Verständnis des schrittweisen Betriebs einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine. In 1 befindet sich das in Bohrung 28a dargestellte Kolbenmodul in einer oberen Totpunktposition (TDC-Position), während das Kolbenmodul in Bohrung 28e sich in einer unteren Totpunktposition (BDC-Position) befindet. Unter Berücksichtigung der Rotation des kugelartigen Rotors 52 in einer durch den Pfeil 90 dargestellten Richtung im Uhrzeigersinn sind daher die in den Bohrungen 28b, 28c und 28d aufgenommenen Kolben in aufeinanderfolgenden Einlassverschiebungen, d.h. in Richtung ihrer BDC-Position. Die in den Bohrungen 28f, 28g und 28h aufgenommenen Kolbenmodule sind jedoch in aufeinanderfolgenden Verschiebungen in Richtung ihres oberen Totpunktes, d.h. in einem Auslasstakt.
In 3 ist der kugelartige Rotor 52 nach einer Rotation von 22,5° dargestellt, wobei sich das Kolbenmodul in Bohrung 28a nun in seiner unteren Totpunktposition befindet, wohingegen das Kolbenmodul in Bohrung 28e sich in seiner oberen Totpunktposition befindet. Die in den Bohrungen 28b–28d aufgenommenen Kolbenmodule befinden sich nun in einer Verschiebung in Richtung einer oberen Totpunktposition dargestellt, wohingegen die in den Bohrun gen 28f–28h aufgenommenen Kolbenmodule sich in einer Verschiebung in Richtung der unteren Totpunktposition befinden.
Die Anordnung in der vorliegenden Ausführungsform ist so, dass die Zentren der Bohrungen eines zum anderen um 45° versetzt sind, wohingegen die sieben Endpunkte zueinander um etwa 51,4° beabstandet sind. Durch Änderung der Anzahl der Bohrungen und der Anzahl der Endpunkte werden jedoch die Leistungen der Arbeitsmaschine verändert.
In den in den 1 und 3 dargestellten Ausführungsformen sind die Kolbenbetätigungsteile 78 mit generell flacher Grundfläche 80 dargestellt. Es ist jedoch ersichtlich, dass diese Flächen jedoch auch konkav oder konvex (wie in 2 dargestellt) sein können oder eine komplexe Flächenform, die eine Kombination von flachen und gekrümmten Teilen umfasst, aufweisen können. Auf diese Art ist es möglich, den Kolben in Richtung der BDC-Position bei einem Geschwindigkeitsmuster zu verschieben und in Richtung der TDC-Position bei einem anderen Geschwindigkeitsmuster, und die Verweilzeit in Abhängigkeit der Viskosität einer zu pumpenden oder komprimierenden Flüssigkeit zu verlängern oder zu verkürzen, wie es der Fall sein kann.
Es ist klar, dass, auch wenn die in den Figuren beschriebenen Kolbenmodule sich nur auf Pumpen-/Kompressormodule beziehen, die Arbeitsmaschine auch einen Motor bilden kann. Zu diesem Zweck sind die Kolbenmodule mit einer Kraftstoffversorgungsanordnung, einer Kraftstoffzündung, Taktmitteln, Gasaustauschventilen etc. wie im Stand der Technik bekannt ausgestattet.
Wenn gewünscht, kann auch ein Motor- und Pumpen-/Kompressor-Hybrid entwickelt werden, worin ein Gehäuse mehrere Motorkolbenmodule und mehrere Pumpen-/Kompressorkolbenmodule beherbergt. Dank der Einfachheit der erfindungsgemäßen Anordnung und der ausgeprägten Modularität kann jedoch jedes der Kolbenmodule zu jeder Zeit entweder durch ein Pumpenkolbenmodul, ein Kompressorkolbenmodul oder ein Motorkolbenmodul ersetzt werden. Auf diese Art ist jede Kombination von Kolbenmodulen zulässig und, falls nötig, können auch einige Kolbenmodule völlig eliminiert werden.
In einer erfindungsgemäßen Modifikation kann das geschwindigkeitsreduzierende Planetengetriebe eine unabhängige nicht mit dem Gehäuse verbundene Einheit sein. Auf diese Art wird das Gewicht der Einheit reduziert. Andere bekannte geschwindigkeitsreduzierende Anordnungen sind ebenfalls möglich.
Eine wichtige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine ist die den radialen Schub reduzierende Anordnung, die in den 1 und 3 durch Rollen 60 erreicht wurde. Ein weiteres Augenmerk richtet sich nun auf 4 der Zeichnungen, die eine andere Ausführungsform darstellt. Entsprechend dieser Ausführungsform umfasst die allgemein mit 100 bezeichnete Arbeitsmaschine einen in einer geeigneten Aufnahme 104 im Gehäuse 106 befestigten internen Zahnkranz 102, und der allgemein mit 108 bezeichnete kugelartige Rotor umfasst eine Vielzahl von Zylinderrollen 110, die axial und drehbar zwischen zwei Platten 112 und 114 gehalten werden. Jede Rolle 110 ist mit einem gezahnten Teil 116 ausgebildet, der entweder integral damit oder fest daran befestigt ist.
In der zusammengefügten Position, die aus dem oberen Segment in 5 gestaltet werden kann, greifen die gezahnten Teile 116 der Rollen 110 in den Zahnkranz 102 ein.
Ein geschwindigkeitsreduzierendes Planetengetriebe 120 ist im Gehäuse angebracht und umfasst ein Sonnenrad 122, drei Planetenräder 124, einen Zahnkranz 126, eine obere mit Öffnungen 129 ausgebildete Halteplatte 128 und eine Grundplatte 130, die mit Wellen 132 zur Befestigung der Planetenräder 124 daran versehen ist.
Eine Welle 134 erstreckt sich durch die Grundplatte 130 und greift in das Sonnenrad 122 ein. Die Welle 134 wird von einem Lager 136 gehalten.
Das Gehäuse 106 ist mit einer Vielzahl von Bohrungen 140 versehen, von denen jede mit einem allgemein mit 142 bezeichneten Zylindermodul, das, wie oben beschrieben, sowohl ein Pumpen- und Kompressormodul sein kann, versehen ist.
In der zusammengefügten Position wird die Rotationsbewegung über die Welle 134 übermittelt, und die Geschwindigkeit wird durch die geschwindigkeitsreduzierende Einheit 120 reduziert. Die obere Platte 128 ist mit der Grundplatte 114 des kugelartigen Rotors 108 mittels (nicht dargestellten) sich in Löcher 129 der Platte 128 erstreckende Bolzen verbunden.
Die Rotation der Platte 114 verursacht auch die Rotation der Platte 112 und auch die Rotation der Rollen 110. Das Eingreifen der Rollen 110 in das Getriebe 102 erzeugt jedoch auch eine Rotationsbewegung der Rollen 110 um ihre Halteachsen.
Diese Anordnung stellt sicher, dass, wenn die Rollen an der Grundfläche des Kolbenbetätigungsteils angreifen, radiale Schubkräfte wie auch Reibungskräfte eliminiert oder wesentlich reduziert werden.
In 5 der Zeichnungen ist eine zweifach gestapelte erfindungsgemäße Arbeitsmaschine dargestellt, die zwei Gehäuse 150 und 152, die koaxial aufeinander befestigt sind, umfasst. Jedes der Gehäuse 150 und 152 ist prinzipiell ähnlich der in der Explosionsansicht aus 4 dargestellten Ausführungsform. Es ist jedoch ersichtlich, dass das Gehäuse 150 ohne die geschwindigkeitsreduzierende Anordnung 120 ist. (Nicht dargestellte) von der Platte 114 des oberen Gehäuses 150 vorstehende Bolzen ragen in die Platte 112 des Gehäuses 152, wodurch die Rotationsbewegung zwischen den verbundenen Gehäusen übertragen wird.
In dieser Ausführungsform kann die in 4 dargestellte Welle 134 weggelassen werden, wobei ein Gehäuse, beispielsweise Gehäuse 152, als Motor aufgebaut sein kann, wohingegen das Gehäuse 150 als Pumpe/Kompressor aufgebaut sein kann, wobei die gesamte Arbeitsmaschine unabhängig ist und Rotationsverschiebung zwischen den Gehäusen durch die kugelartigen Rotoranordnungen übertragen wird.
6 ist eine schematische Draufsicht der Ausführungsform aus 5, worin der winkelartige Versatz zwischen den Kolben 154 des Gehäuses 150 und den Kolben 156 des Gehäuses 152 dargestellt wird, der nach folgender Formel berechnet wird: α° = (360/N)/pwobei:
a in Grad gemessen wird;
N die Anzahl der Zylinder in jeder Ebene ist; und
P die Anzahl der Ebenen ist.
Im vorliegenden Beispiel mit N=8 und P=2 ist der Winkel α daher 22,5°.
In der Ausführungsform von 7 ist eine dreifach gestapelte Arbeitsmaschine dargestellt, die drei Gehäuse 160, 162 und 164 umfasst, von denen jedes mit einer jeweiligen Vielzahl von Kolbenmodulen 166, 168 und 170 versehen ist.
Die Anordnung in dieser Ausführungsform ist im wesentlichen ähnlich der Ausführungsform in 5, bezogen auf die Übertragung der Rotationsbewegung und den Versatz der Zentren der Kolben in den drei Lagen.
Diese Anordnung ist insbesondere geeignet, aber nicht beschränkt, für Pumpen-/Kompressorarbeitsmaschinen, worin aufeinanderfolgende Verschiebung der Kolben erreicht wird, was einen gleichmäßigen Betrieb und eine kontinuierliche Kompressions- oder Ansaugkraft sicherstellt. Alternativ können die Gehäuse für einen Tandembetrieb angeordnet sein.
8 stellt den Versatz der Zentren der Kolbenmodule dar, der, basierend auf der in Verbindung mit 6 genannten Formel, einen anderen Winkel α=15° ergibt.
In der Ausführungsform von 7 kann jedes Gehäuse verschiedene Kolbenmodule beherbergen. Als ein Beispiel kann die gestapelte Arbeitsmaschine so aufgebaut sein, dass ein Gehäuse ein Motor ist, ein zweites Gehäuse ein Kompressor und ein drittes Gehäuse eine Pumpe ist. Eine Vielzahl anderer Kombinationen ist jedoch auch möglich.
Zu der oben bereitgestellten Beschreibung sollen einige weitere Klarstellungen und Hervorhebungen hinzugefügt werden. Beispielsweise wird unterstrichen, dass der kugelartige Rotor in einer der erfindungsgemäßen Ausführungsformen in beiden Richtungen drehbar ist, ohne irgendwelche Änderungen an der Anordnung vor dem Ändern der Rotationsrichtung auszuführen. Offensichtlich ist dies auch ein Vorteil bezüglich der Flexibilität bei der Ver bindung der Pumpe/des Kompressors mit dem Ausgang eines Motors.
Ferner sind wie erwähnt keine speziellen Schmiermittel abgesehen von der Verwendung der PTFE-Kolbenringe zur Reibungsreduzierung vorgesehen. Diese Tatsache an sich ist für die Pumpe/den Kompressor für die Verwendung insbesondere mit verschiedenen Gasen, z.B. Sauerstoff für medizinische Zwecke, verschiedenen Gasen zum Sporttauchen, und Gasen für industrielle Prozesse, von Nutzen, aber nicht darauf begrenzt. Typischerweise werden in solchen Fällen die Gase in hohen Reinheitsgraden benötigt. Es sei jedoch erwähnt, dass auch eine Vielzahl anderer Schmierzusammensetzungen wie auch andere Schmiermittel, wie beispielsweise Flüssigölschmierung, verwendet werden können, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ein geschwindigkeitsreduzierendes Planetengetriebe integral in der Arbeitsmaschine vorgesehen war, ist es verständlich, dass ein solcher geschwindigkeitsreduzierender Mechanismus weggelassen werden kann oder als zwischen der Arbeitsmaschine und einem die Rotationsbewegung liefernden Motor unabhängige Anordnung verbindend eingebaut sein kann. Es ist auch verständlich, dass solche geschwindigkeitsreduzierenden Mittel jeden speziellen Aufbau aufweisen können und nicht notwendig auf Planetengetriebe beschränkt sind, auch wenn es verständlich ist, dass geschwindigkeitsreduzierende Planetengetriebe den deutlichen Vorteil der Kompaktheit aufweisen und dadurch geeignet für den Einbau im Gehäuse der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine sind.
Wie bereits oben erwähnt, sind die Zylindermodule vollkommen modular und austauschbar. Dies ist als wesentlicher, Flexibilität schaffender Vorteil zu betrachten, wo bei eine Arbeitsmaschine mit einer Ebene so aufgebaut sein kann, dass einige Zylindermodule zum Ausführen von Pumpvorgängen oder Kompression ausgebildet sind und andere Zylindermodule zum Erzeugen von Rotationsbewegung ausgebildet sind, wodurch die Arbeitsmaschine unabhängig ist.
Es ist auch verständlich, dass die erfindungsgemäße Pumpe / der Kompressor zum gleichzeitigen Pumpen oder Komprimieren verschiedener Medien geeignet ist, wobei einige der Zylindermodule zum Pumpen oder Komprimieren eines Fluids verwendet werden können und andere Zylindermodule zum Pumpen oder Komprimieren eines anderen Mediums oder Fluids dienen kann. Solche Fluide können entweder Flüssigkeiten oder Gase sein, wie der Fachmann zweifellos realisieren wird.
Wie oben dargestellt und beschrieben, können die Arbeitsmaschinen zum Stapeln aufeinander mit zur Übertragung der Rotationsbewegung zwischen den Ebenen der Arbeitsmaschinen vorgesehenen integralen Mitteln aufgebaut sein. Dies wiederum ist ein die Modularität betreffender Vorteil, wobei jede Ebene zum Ausführen einer anderen Art von Arbeit, z.B. Pumpen, Komprimieren oder Arbeit erzeugen (als Motor dienend) aufgebaut sein kann. Alternativ ist verständlich, dass, anstatt mehrere Gehäuse aufeinander zu stapeln, ein einzelnes Gehäuse mit mehreren Ebenen von Bohrungen versehen sein kann, wobei jede Ebene als andere funktionale Einheit dient.
Es ist ferner verständlich, dass das Ausfallen eines oder mehrerer Zylindermodule oder das Auswechseln eines Zylindermoduls nicht den funktionellen Betrieb der verbleibenden Zylinder beeinflusst, von denen jeder unabhängig betrieben werden kann.
Ferner ist die Betonung erwünscht, dass der Aufbau der Arbeitsmaschine nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen für eine Rotationsgeschwindigkeit von etwa 300 U/min ausgelegt ist. Dies ist als großer Vorteil gegenüber Arbeitsmaschinen nach dem Stand der Technik zu betrachten, die typischerweise bei wesentlich höheren Rotationsgeschwindigkeiten betrieben werden, um die gleiche Arbeit zu verrichten, und verbessert daher deutlich die Gesamteffizienz der Arbeitsmaschine.
Durch Verwenden eines extremen Verhältnisses von Kolbendurchmesser zu Hub, typischerweise in der Größenordnung von etwa 5:1, erreicht die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine eine Reduktion der Lineargeschwindigkeit des Kolbens im Zylinder. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, der zur Reduzierung der Reibung, Kranzabnutzung, Zylinderwandabnutzung, geringerer Wärmeerzeugung und geringerer Last auf den Antriebsrädern wie auch einem ruhigeren Betrieb führt.
Diese Verbesserung der Qualität erlaubt die Verwendung von solchen Materialien, die ansonsten nicht bei derartigen Arbeitsmaschinen verwendet werden könnten. Solche Materialien sind beispielsweise Kunststoffverbindungen, Leichtmetalle etc.. Der Vorteil der Verwendung solcher Materialien liegt in der Reduzierung von Reibungskräften und dem Vermeiden der Erscheinung des Ruckgleitens, die Metallkontaktflächen inhärent ist. Diese Anordnung erlaubt auch den Betrieb des Kurzhubkompressors ohne Flüssigschmierung (Öl-frei) und reduziert daher deutlich die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht der Einheit.
Während einige bevorzugte Ausführungsformen in der Beschreibung dargestellt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass dadurch nicht eine Einschränkung der Offenbarung der Erfindung beabsichtigt ist, vielmehr ist beabsichtigt, alle Modifikationen und Anordnungen, die in den wie durch die beigefügten Ansprüche definierten Bereich der vorliegenden Erfindung fallen, abzudecken, mutatis mutandis.

Claims

Rotierende Arbeitsmaschine, die folgende Teile umfasst: ein Gehäuse (22, 106) mit einer kreisförmigen Öffnung (24) und eine Vielzahl von Bohrungen (28), von denen sich jede entlang einer radialen Achse von einem Mittelpunkt jener Öffnung (24) aus erstreckt; einen innerhalb der Öffnung (24) des Gehäuses (22, 106) befestigten und innerhalb der Öffnung (24) koaxial drehbaren kugelartigen (nodular) Rotor (52); wobei der kugelartige (nodular) Rotor (52) eine Vielzahl von gleichmäßig entlang seines Begrenzungskreises verteilten Endpunkten (58) umfasst, wobei die Anzahl an Endpunkten (58) eine ungerade ganze Zahl und geringer als die Anzahl der Bohrungen (28) im Gehäuse (22) ist; eine Vielzahl von auswechselbaren Zylindermodulen (70), von denen jeder innerhalb einer entsprechenden Bohrung (28) innerhalb des Gehäuses (22, 106) aufnehmbar befestigt ist; wobei jedes Zylindermodul (70) einen innerhalb eines Zylinders (74) gleitend beweglichen Kolben (72), ein kolbenbetätigendes Bauteil (78), das mit dem entsprechenden Kolben (72) verbunden ist und eine mit dem Zylinderkopf (88) am Distalende des Zylinders (74) verbundene Arbeitseinheit; wobei jeder Kolben (72) entlang der radialen Achse zwischen einem oberen Totpunkt (TDC) und einem unteren Totpunkt (BDC) verschiebbar ist, wobei die Kolben im unteren Totpunkt (BDC) vorgespannt sind; wobei der kugelartige Rotor (52) mit einer radialen Schub reduzierenden Anordnung für den Eingriff an den entsprechenden kolbenbetätigenden Bauteilen (78) eingebaut ist; wobei die Arbeitsmaschine dadurch gekennzeichnet ist, dass die radialen Schub reduzierende Anordnung eine an jedem Endpunkt (58) eingebaute Rolle (110) ist, in die zur positiven Rotation von einem statischen, mit dem Gehäuse (22,106) verbundenen Ring (102) eingegriffen wird, wodurch jede Rolle (110) an einer unteren Fläche (80) eines Betätigungsbauteils (78) in einem rein rollenden Eingriff eingreift.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei eine Grundfläche (80) der kolbenbetätigenden Teile (78) entweder plan oder konkav oder konvex ist oder eine komplexe Form aufweist, die eine Kombination von flachen und gebogenen Segmenten umfasst.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, wobei der Hubraum und die Haltezeit am TDC des Kolbens (72) durch die Geometrie der Grundfläche des kolbenbetätigenden Bauteils (78) bestimmt werden.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, wobei der Schließwinkel (dwell angle) d des Kolbens (72) am BDC, gemessen in Grad der Rotation des Rotors (52), durch die Formel: d ≥ (360°/n)*0.125berechnet wird, wobei d der in Grad gemessene Schließwinkel ist; und n die Anzahl der Endpunkte ist.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Kolben (72) am TDC ist, wenn ein entsprechender Endpunkt (58) des kugelartigen Rotors (52) sich entlang der entsprechenden radialen Achse erstreckt; und wobei der Kolben am BDC ist, wenn der entsprechende Endpunkt winkelbezogen von dieser radialen Achse um (180°/n)-d/2 verschoben ist, wobei: n die Anzahl der Endpunkte des kugelartigen Rotors ist; und d der Schließwinkel zwischen benachbarten Zylinder, gemessen in Grad.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der kugelartige Rotor (52) mit einem Schaft (36) verbunden ist, der sich vom Zentrum der Ebene des kugelartigen Rotors (52) und senkrecht dazu alternativ zur Aufnahme oder Übertragung von Rotationsbewegung vom oder zum kugelartigen Rotor erstreckt.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Arbeitseinheit (88) ein Bauteil ist, das ein oder mehrere Einlassventile (90) und ein oder mehrere Auslassventile (92) umfasst, und wobei die Drehbewegung zum kugelartigen Rotor (52) bedingt durch radiale Verschiebung der Kolben (72) übertragen wird, und dadurch eine Pumpe oder ein Kompressor gebildet wird.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Arbeitseinheit ein Bauteil ist, das eine Brennstoffversorgungsdüse, eine Zündung und Zündtaktanordnungen und Gasaustauschdurchlässe umfasst; wobei die radiale Verschiebung der Kolben Rotationsbewegung auf den kugelartigen Rotor überträgt, und dadurch ein radialer Motor gebildet wird.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Arbeitseinheit einiger der Zylindermodule ein Bauteil ist, das eines oder mehrere Einlassventile und eines oder mehrere Auslassventile umfasst; und die Arbeitseinheit der restlichen Zylindermodule ein Bauteil ist, das eine Brennstoffversorgungsdüse, ein Zündbauteil und Gasaustauschdurchlässe umfasst.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Bohrungen (28) eine gerade Zahl ist.
Rotierende Arbeitsmaschine (100) nach Anspruch 1, wobei der kugelartige Rotor (108) mit einem geschwindigkeitsre-duzierenden Bauteil (120) verbunden ist.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 11, wobei das geschwindigkeitsreduzierende Bauteil (120) ein Planetenradgetriebe ist, wobei das Planetenradgetriebe ein am Schaft befestigtes Sonnenrad (134), mindestens ein drehbar am Gehäuse befestigtes Planetenrad (124) und ein mit dem kugelartigen Rotor (108) verbundenes Hohlrad (126) umfasst.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 11, wobei das geschwindigkeitsreduzierende Bauteil (120) ein Planetenradgetriebe ist, wobei das Planetenradgetriebe ein am Schaft befestigtes Sonnenrad (134), mindestens ein drehbar am kugelartigen Rotor (108) befestigtes Planetenrad (124) und ein am Gehäuse befestigtes Hohlrad (126) umfasst.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei das kolbenbetätigende Bauteil (78) im Kolben (72) eingebaut oder mit diesem starr verbunden ist, und eine Grundfläche zum Eingreifen der Endpunkte des kugelartigen Rotors aufweist.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der radiale Abstand zwischen dem Kolben (72) und dem kol benbetätigenden Bauteil (78) einstellbar ist, um so die axiale Verschiebung des Kolbens innerhalb des Zylinders einzustellen.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, wobei das Krümmungsverhältnis zwischen dem Durchmesser der Öffnung im Gehäuse (24) und einem theoretischen Kugeldurchmesser der konvexen oder konkaven Fläche (80) im Bereich von 1:1 bis 1:4 liegt.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die den radialen Schub reduzierende Anordnung eine an jedem Endpunkt angebrachte Rolle (60) ist, wobei jede Rolle (60) drehbar um eine zur Rotationsachse (36) des kugelartigen Rotors (52) parallele Achse ist.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die den radialen Schub reduzierende Anordnung eine Rolle (110) ist, die ein an jedem Endpunkt angepasstes Zahnradteil zur Verbindung mit einem Zahnring (102), der innerhalb der Öffnung des Gehäuses (106) befestigt ist, aufweist, so dass die positive Rotation der Rollen (110) um ihre longitudinalen Achsen aufgebracht wird.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Zylindermodule (70:142) in ihren Bohrungen rundum abgegrenzt sind.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei Dichtringe (76) an dem Kolben (72) vorgesehen sind.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei Aufsatzringe (84) am betätigenden Bauteil (78) vorgesehen sind, die in einer Positionierungshülse gleitend bewegbar bezüglich der Bohrung (28) gehaltert sind.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Kolben (72) und das kolbenbetätigende Bauteil (78) verschiedene Durchmesser aufweisen, wobei ein zylindrischer Einsatz als Adapter zwischen dem Durchmesser des Kolbens oder des kolbenbetätigenden Bauteils und dem Durchmesser der Bohrung (28) verwendet wird.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Öffnung innerhalb des Gehäuses eine Vielzahl von Bohrungen umfasst, die in zwei oder mehreren parallelen Ebenen angeordnet sind; wobei sich jede Bohrung entlang einer radialen Achse von jener Öffnung erstreckt.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehr Gehäuse (150;152;160;162;164) koaxial in parallelen Ebenen übereinander gestapelt sind, wobei die Rotationsbewegung zwischen kugelartigen Rotoren benachbarter Gehäuse übertragen wird.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der kugelartige Rotor (52) für Rotation im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn geeignet ist.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Kolben (72) ein Verhältnis von Durchmesser zu Hub von größer oder gleich 5:1 aufweist.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 4, wobei der kugelartige Rotor (52) mit ungefähr 300 U/min oder weniger rotiert.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Mittelpunkte der Bohrungen in einer Ebene in Bezug auf die Mittelpunkte der Bohrungen in einer benachbarten Ebene um α° radial versetzt sind, wobei α erhalten wird aus der Formel: α° = (360/N)/pwobei: α in Grad gemessen wird; N die Anzahl der Zylinder in jeder Ebene ist; und P die Anzahl der Ebenen ist.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 23 oder 24, wobei eine oder mehrere Ebenen bestimmt sind, eine Pumpe oder einen Kompressor zu bilden und eine oder mehrere andere Ebenen bestimmt sind, einen Radialmotor zu bilden.
Rotierende Arbeitsmaschineneinheit, die zwei oder mehrere rotierende Arbeitsmaschinen nach Anspruch 1 enthält, die starr und koaxial zueinander angeordnet sind.
Rotierende Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei einige der Bohrungen ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile umfassen, und die restlichen Bohrungen mit Brennstoffversorgungsdüsen, Zündungs- und Zündtaktanordnungen und Gasaustauschdurchlässen ausgestattet sind, wodurch ein kombinierter Radialmotor und eine Pumpe oder ein Kompressor gebildet werden.