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(11) | EP 0 201 774 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine |
| (57) Bei einer Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine, wie sie beispielsweise für
die Aufladung von Brennkraftmaschinen geeignet ist, mit mindestens zwei spiralartigen
Förderräumen (4) in einem feststehenden Gehäuse (1, 2) und darin eingreifenden, spiralartigen
Verdrängern (13), die in Bezug auf die Förderräume eine kreisende, verdrehungsfreie
Bewegung ausführen, sind die Verdränger (13) auf einem exzentrisch angetriebenen,
scheibenförmigen Läufer (11) angeordnet. Der Antrieb des Läufers erfolgt über eine
im Gehäuseinnern zentral angeordnete Welle (18). Die zwei Spiralen verlaufen zentralsymmetrisch
zueinander derart, dass ihre ansaugseitigen Enden um die Antriebslager (19) herum
angeordnet sind und diese dabei mit Frischluft kühlen. Die Luft wird aus dem Gehäuseinnern
nach aussen gefördert, wodurch die äusseren, mit Kühlrippen (27) versehenen Gehäuseteile
für eine Wärmeabfuhr während der Verdichtung besorgt sind. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine für kompressible Medien
- mit mindestens zwei in einem feststehenden Gehäuse spiralartig verlaufenden, mehr als 360° umspannenden Förderräumen, die je von einem Einlass zu einem Auslass führen;
- mit einem jedem Förderraum zugeordneten und in diesen eingreifenden, ebenfalls spiralartig verlaufenden und mehr als 360° umspannenden Verdränger, der als bandförmige Leiste auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch angetriebenen scheibenförmigen Läufer angeordnet ist, und der in Bezug auf die Förderräume zur Ausführung einer kreisenden, verdrehungsfreien Bewegung gelagert und geführt ist;
- bei welcher die spiralartigen Förderräume und Verdränger aus jeweils zwei Abschnitten bestehen, wobei sich an das auslasseitige Ende eines ersten, weniger als 360° umspannenden Abschnittes stetig ein zweiter Abschnitt anschliesst, dessen Krümmungsradius wesentlich kleiner ist als der kleinste Krümmungsradius des ersten Abschnittes, so dass der zweite Abschnitt zwischen dem auslasseitigen Ende und dem Zentrum des ersten Abschnittes liegt.
[0002] Eine derartige Verdrängungsmaschine, deren Prinzip aus der DE-26 03 462 C2 bekannt ist, eignet sich für die Aufladung einer Brennkraftmaschine, da sie sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder aus einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden Arbeitsmittels auszeichnet. Während des Betriebes eines derartigen Spiralladers werden entlang des Förderraumes zwischen dem Verdränger und den beiden Umfangswänden des Förderraumes sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich vom Einlass durch den Förderraum hindurch zum Auslass hin bewegen. Hierbei verringert sich ihr Volumen zunehmend bei einer entsprechenden Erhöhung des Arbeitsmitteldruckes.
[0003] Eine Maschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der DE-31 41 525 Al. Bei diesem Verdichter greifen zwei auf einem Läufer angebrachte Verdränger ineinander ein. Die hierzu gehörenden Förderräume in dem feststehenden Gehäuse verlaufen jeweils von einem am äusseren Umfang des Gehäuses vorgesehenen Einlassraum zu einem am inneren Umfang des Gehäuses vorgesehenen Auslassraum, über den das verdichtete Arbeitsmittel abgeführt wird. Im Gehäuseinnern ist ebenfalls die zentral angeordnete Antriebswelle für den Läufer mitsamt eines Teiles der Wellenlagerung und der Läuferlager untergebracht. Diese Teile werden von der heissen, verdichteten Luft umspült und sind somit einer Kühlung nicht zugänglich. Insbesondere ist kein Raum mehr vorhanden zum Unterbringenvon Kühlkammern, wie sie beispielsweise aus der bereits genannten DE-26 03 462 C2 bekannt sind, und die zudem noch mit einem separaten Kühlkreislauf verbunden werden müssen.
[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher eine Wärmeabfuhr während der Verdichtung stattfinden kann.
[0005] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht,
- dass die mindestens zwei spiralartigen Förderräume, ohne einen gemeinsamen Pol aufzuweisen, zentralsymmetrisch zueinander angeordnet sind,
- dass die einlasseitigen Enden der Förderräume um die Antriebslagerung des Läufers herum angeordnet sind.
[0006] Der Vorteil der Erfindung ist zum einen darin zu sehen, dass die Antriebslager nunmehr im Ansaugbereich der Spiralen liegen und somit mit Frischluft gekühlt werden, was eine wichtige Voraussetzung für wartungsfreie oder zumindest wartungsarme Lager ist. Zum andern wird infolge der Spiralenanordnung ein für die Wärmeabfuhr während der Verdichtung günstiger Zugang des Kühlmediums zum heissen Teil der Spiralen erzielt, so dass, falls eine Verwendung als Aufladegerät für Verbrennungsmotoren beabsichtigt ist, auf eine gesonderte Nachkühlung der Ladeluft verzichtet werden kann.
[0009] Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Verdrängungsmaschine in der Ebene der Förderräume
Fig. 2 einen Längsschnitt nach Schnittlinie C-C in Fig. 1
Fig. 3 einen Querschnitt in der Ebene der Läuferscheibe
Fig. 4 einen Längsschnitt nach Schnittlinie D-D in Fig. 3.
[0010] Die in etwa 80 % ihrer natürlichen Grösse dargestellte Maschine ist mit je zwei Förderräumen pro Läuferseite ausgerüstet. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, beispielsweise Luft, ist mit Pfeilen bezeichnet.
[0011] Zur Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die genannte DE-26 03 462 C2 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben.
[0012] Der besseren Uebersicht wegen ist in der Fig. 3 die Schnittfläche des Läufers nicht schraffiert, hingegen sind die nicht geschnittenen spiralartigen Verdränger punktiert dargestellt.
[0013] Das feststehende Gehäuse setzt sich aus dem antriebsseitigen Teilgehäuse 1 und dem luftseitigen Teilgehäuse 2 zusammen, die über mehrere, am Gehäuseumfang angebrachte Flansche 3 miteinander verschraubt sind. In die Gehäuseteile sind die beiden Förderräume 4 nach Art eines spiralförmigen Schlitzes eingearbeitet. Diese Förderräume verlaufen von je einem am äusseren Spiralenende angeordneten Einlass 5 zu einem am inneren Spiralenende angeordneten Auslass 6. Die beiden Einlässe 5 bzw. die Auslässe 6 kommunizieren untereinander auf nicht dargestellte Weise und sind mit je einem am luftseitigen Teilgehäuse 2 angeordneten Lufteintritt 9 resp. Luftaustritt 10 verbunden (Fig. 2).
[0014] Die Förderräume 4 weisen parallele, in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Umfangswände 7, 8 auf, die eine Spirale von mehr als 360° umfassen. Hierbei setzt sich die Spirale aus zwei Abschnitten zusammen, die in Fig. 1 am Beispiel der äusseren Umfangswand 8 der unteren Spirale erläutert sind:
Zunächst ein erster Abschnitt 40' in Form eines Kreisbogens, der weniger als 360° umspannt. Im vorliegenden Fall umspannt dieser erste Kreisbogen mit seinem Zentrum 15 einen Winkel von ca. 240° und beginnt am einlasseitigen Ende des Förderraumes 4. An seinem auslasseitigen Ende schliesst sich stetig ein zweiter Abschnitt 40" ebenfalls in Form eines Kreisbogens mit dem Zentrum 33 an, der hier einen Winkel von ca. 180° umfasst. Der Krümmungsradius des zweiten Abschnittes 40" ist wesentlich kleiner als jener des ersten Abschnittes 40'. Dadurch findet der ganze zweite Abschnitt 40" Platz zwischen dem auslasseitigen Ende des ersten Abschnittes 40' und dessen Zentrum 15.
[0015] Mit 11 ist der scheibenförmige Läufer insgesamt bezeichnet. An beiden Seiten der Scheibe 12 sind spiralförmig verlaufende Verdränger 13 vorgesehen, die als bandförmige Leisten auf der Scheibe angeordnet sind. Diese Verdränger 13 werden zwischen den Umfangswänden 7, 8 der Förderräume 4 gehalten. Ihre Krümmung ist so bemessen, dass sie gleichzeitig die inneren Umfangswände 7 und die äusseren Umfangswände 8 an mehreren Stellen Bl, B2 und B3 nahezu berühren. Hierzu sind die Zentren 14 der beiden Verdränger 13 gegenüber den Zentren 15 der beiden Förderräume 4 exzentrisch versetzt (Fig. l). Es versteht sich, dass die Verdränger 13 die gleiche Geometrie aufweisen müssen wie die Förderräume, d.h. eine aus zwei kreisförmigen Abschnitten 130', 130" bestehende Spirale mit den Zentren 14, 34 bilden, die mehr als 360° umfasst.
[0016] In Bezug auf die Förderräume sind die Verdränger 13 und damit der Läufer 11 zur Ausführung einer kreisenden, verdrehungsfreien Bewegung gelagert und geführt. Hierzu ist der Läufer mittels eines Kugellagers 16 auf einer Exzenterscheibe 17 angeordnet.
[0017] Diese Exzenterscheibe sitzt auf einer Antriebswelle 18, die ihrerseits im feststehenden Gehäuse in Kugellagern 19, 20, 21 und 22 gelagert ist. Nicht gezeigt ist der üblicherweise über eine Keilriemenscheibe erfolgende Antrieb der Welle 18. Zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Läufers 11 entstehenden Massenkräfte sind zwischen den Lagern 19 und 20 resp. 21 und 22 auf der Antriebswelle Gegengewichte 23 angeordnet.
[0018] Während des Betriebes der Maschine stellt sich durch den exzentrischen Antrieb des scheibenförmigen, die Verdränger aufweisenden Läufers eine Kreisbewegung jedes der Punkte der Verdränger ein, wobei diese Kreisbewegung durch die Umfangswände der Förderräume begrenzt ist. Infolge der mehrfachen, abwechselnden Annäherung der Verdränger an die inneren und äusseren Umfangswände ergeben sich auf beiden Seiten der Verdränger sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume 24, die infolge der exzentrischen Bewegung durch die Förderräume in Richtung auf den jeweiligen Auslass 6 vorgeschoben werden. Hierbei verringert sich das Volumen dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels erhöht sich entsprechend. Bei Originalgrösse und der in den Figuren dargestellten Spiralengeometrie und Exzentrizität ist mit Luft als Arbeitsmittel bei einer Antriebswellendrehzahl von 12'500 Umdrehungen pro Minute ein Fördervolumen von ca. 130 Liter pro Sekunde mit einem Druckverhältnis PAustritt zu PEintritt von ca. 1,5 erzielbar.
[0019] Soweit sind Verdrängermaschinen und hierfür geeignete Antriebe bekannt mit der Einschränkung, dass bei allen bisherigen Spiralformen deren erster Abschnitt einen Winkel von ca. 3600 umfasste.
[0020] Gemäss der Erfindung sind nun die beiden Spiralen jeder Scheibenseite resp. jedes Teilgehäuses zentralsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei die Zentren 14, 15 der ersten Spiralenabschnitte 40', 130' nicht mit der Achse 25 der Antriebswelle 18 resp. der Mittelachse 26 des exzentrisch versetzten Läufers 11 zusammenfallen. Lediglich das Symmetriezentrum der Förderräume 4 liegt in der Antriebsachse 25, und demzufolge liegt das Symmetriezentrum der Verdränger 13 in der Exzenterachse 26. Die Spiralen sind nun so angeordnet, dass die einlassseitigen Enden der ersten Spiralenabschnitte 40', 130' um die Antriebslagerung des Läufers herum angeordnet sind. Sie sind so ineinander verschränkt dass sich die. Wellenlager 19 bis 22 rundum im Ansaugbereich befinden und dementsprechend mit Frischluft gekühlt werden. Die Zentren 14, 15 der ersten Spiralenabschnitte 40', 130' befinden sich ca. mittig zwischen Maschinenachse und den Auslässen 6, was eine sehr platzsparende Spiralenkonfiguration zur Folge hat.
[0021] Die Luftförderung erfolgt somit von innen nach aussen, wodurch die anlässlich der Verdichtung erwärmten Maschinenteile einer sehr einfachen Kühlmöglichkeit zugänglich werden. Hierzu sind die äusseren Umfangswände 8 der heissen Spiralenabschnitte durchwegs mit Kühlrippen 27 versehen. Zweckmässigerweise sind die beiden Gehäuseteile 1, 2 über ihren ganzen Umfang mit derartigen Kühlrippen bestückt (Fig. 1).
[0022] Um das angesaugte Arbeitsmittel von den luftseitigen zu den antriebsseitigen Förderräumen zu führen resp. in umgekehrter Richtung abzuführen, ist die Läuferscheibe 12 im Bereich der Einlässe 5 und Auslässe 6 mit Durchbrüchen 28 entsprechender Form versehen (Fig. 3).
[0023] Durch die zentralsymmetrische Spiralenanordnung weist die verdichtete Luft im Austritt 10 durchwegs den gleichen Zustand auf, da es sich immer um ein Gemisch aus einer inneren Arbeitskammer 24' und einer äusseren Arbeitskammer 24" handelt. Die Exzenterscheibe 17 ist nämlich derart auf der Antriebswelle 18 ausgerichtet, dass - wie im Beispiel der Fig. l - in einer bestimmten Stellung die Punkte Bl und B2 (der beiden Verdränger 13 mit den Umfangswänden der Förderräume 4), die Zentren 14, 15 der beiden Spiralen sowie die Achsen 25, 26 von Antriebswelle und Exzenterscheibe auf einer gemeinsamen Linie 29 liegen. Dabei bildet der Verdränger bei der oberen Spirale in Punkt B2 den engsten Spalt mit der äusseren Umfangswand 8, bei der unteren Spirale im Punkt B2 hingegen mit der inneren Umfangswand 7 des Förderraums 4.
[0024] Die zentralsymmetrische Spiralenanordnung bewirkt überdies einen Ausgleich des Kippmomentes, welches beim Betrieb mit einer einzelnen Spirale mit aus dem Zentrum verlegter Antriebslagerung entstünde. Dies hat den Vorteil, dass die zur translatorischen Führung des Läufers 11 erforderliche Einrichtung einfacher Ausbildung sein kann.
[0025] Geführt wird der Läufer mittels vier freilaufender Rollbolzen 30, die über den Umfang der Maschine verteilt sind. Hierbei ist es weder erforderlich, dass sich die Rollbolzen auf einem gleichen Teilkreis befinden noch dass sie gleiche Winkelabstände untereinander aufweisen. Diese Freiheiten erlauben es, die Führungseinrichtung ohne Beeinträchtigung des Spiralenverlaufs platzsparend unterzubringen. Ein Rollbolzen rollt jeweils in einer Bohrung 31 des Läufers und einer darauf abgestimmten, gleich grossen Bohrung 32 in beiden Gehäuseteilen 1, 2. Damit der Rollbolzen jederzeit in gesicherter Anlage ist, ist sein Durchmesser um die Exzentrizität zwischen Exzenterachse 26 und Antriebsachse 25 kleiner zu bemessen als der Durchmesser der Gehäusebohrungen 32. Die in Fig. 3 gezeigte Rollbolzenstellung entspricht der Verdrängerstellung in Fig. 1, bei der der obere Verdränger im Punkt B2 die äussere Umfangswand 8 des Förderraumes 4 fast berührt.
[0026] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das Gezeigte und Beschriebene beschränkt. In Abweichung zur dargestellten Spiralenform, die hier aus zwei Kreisbögen besteht, können selbstverständlich klassische Spiralformen, wie beispielsweise die archimedische Spirale oder sogar Evolventen zur Anwendung gelangen. Es ist lediglich darauf zu achten, dass der Krümmungsradius des zweiten Abschnittes immer wesentlich kleiner ist als jener des ersten Abschnittes.
[0027] Ferner könnte beispielsweise ausserhalb des Gehäuses auf der Antriebswelle ein Lüfter aufgezogen sein, der während des Betriebes die Kühlrippen zwangsbelüftet. Dieser Lüfter könnte ev. auch auf der luftseitigen Gehäuseseite angeordnet sein, wenn beispielsweise die Antriebswelle durch das Teilgehäuse 2 hindurchgeführt würde.
- mit mindestens zwei in einem feststehenden Gehäuse (1, 2) spiralartig verlaufenden, mehr als 360° umspannenden Förderräumen (4), die je von einem Einlass (5) zu einem Auslass (6) führen,
- mit einem jedem Förderraum zugeordneten und in diesen eingreifenden, ebenfalls spiralartig verlaufenden und mehr als 360° umspannenden Verdränger (13), der als bandförmige Leiste auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch angetriebenen scheibenförmigen Läufer (11) angeordnet ist, und der in Bezug auf die Förderräume (4) zur Ausführung einer kreisenden, verdrehungsfreien Bewegung gelagert und geführt ist,
- bei welcher die spiralartigen Förderräume (4) und Verdränger (13) aus jeweils zwei Abschnitten bestehen, wobei sich an das auslasseitige Ende eines ersten, weniger als 360° umspannenden Abschnittes (40', 130') stetig ein zweiter Abschnitt (40", 130") anschliesst, dessen Krümmungsradius wesentlich kleiner ist als der kleinste Krümmungsradius des ersten Abschnittes, so dass der zweite Abschnitt zwischen dem auslasseitigen Ende und dem Zentrum (14, 15) des ersten Abschnittes (40', 130') liegt, dadurch gekennzeichnet,
- dass die mindestens zwei spiralartigen Förderräume (4), ohne einen gemeinsamen Pol aufzuweisen, zentralsymmetrisch zueinander angeordnet sind,
- dass die einlasseitigen Enden der Förderräume (4) um die Antriebslagerung (19, 20, 21, 22) des Läufers (11) herum angeordnet sind.