Drehkolben-Maschine

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolben-Maschine mit in einem Gehäuse (4) exzentrisch gelagertem Drehkolben (1), der auf den Umfang verteilte, mit der Gehäuseinnenwand (5) zusammenwirkende Flügel (7) aufweist. Bei einer solchen Maschine ist angestrebt, daß mit einem geringen Bauaufwand die Abdichtprobleme gelöst werden und eine Funktionssicherheit erzielt wird. Außerdem soll die Drehkolben-Maschine vielseitig verwendbar sein. Dies wird dadurch erreicht, daß im Drehkolben (1) Walzen (6) drehbar gelagert sind, deren Längsachsen parallel zur Achse (Z2 oder Z4) der Drehkolbenwelle (2) verlaufen und diese Walzen (6) die Flügel (7) in Schlitzen (14) spielfrei aufnehmen und die in ihren Außenbereichen dem Krümmungsradius der Gehäuseinnenwand (5) angepaßten Flügel (7) außerdem auf die Achse (Z1) des Gehäuses (4) radial ausgerichtet gehalten sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolben-Maschine mit in einem Gehäuse exzentrisch gelagertem Drehkolben, der auf den Umfang verteilte, mit der Gehäuseinnenwand zusammenwirkende Flügel aufweist.

[0002] Bei Maschinen und Apparaten der eingangs erwähnten Art, die verschiedenen Zwecken dienen können, sind Verluste durch Reibung, Verschleiß und Überlastung nicht auszuschließen. Es ist daher verständlich, daß es keinesfalls an Vorschlägen gefehlt hat, um den aufgetretenen Schwierigkeiten Herr zu werden. Das Hauptproblem bei der Verwendung von Drehkolben liegt aber bei der Abdichtung der Flügel. Dies beruht vor allem darauf, daß die Flügel mit der Lauffläche im Gehäuse nur gleitende Linienberührung haben, die den auftretenden Beanspruchungen nicht gewachsen ist. Maßnahmen mit besonderen Dichtleisten usw. sind denkbar, jedoch kostspielig, nicht zuletzt deshalb, weil auch Dichtleisten einem zu hohen Verschleiß unterliegen.

[0003] Demgegenüber bezweckt die Erfindung eine Drehkolben-Maschine, bei der die Abdichtprobleme mit einem geringen und eine hohe Funktionssicherheit verbürgenden Bauaufwand gelöst werden können. Außerdem ist angestrebt, daß die neue Bauart langlebig, verlustarm und nicht zuletzt vielseitig verwendbar ist, also z.B. dem Entspannen von Gasen, dem Komprimieren von Luft od. dgl., Antriebszwecken usw. dienen kann.

[0004] Dieses Ziel wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß im Drehkolben Walzen drehbar gelagert sind, deren Längsachsen parallel zur Achse der Drehkolbenwelle verlaufen und diese Walzen die Flügel in Schlitzen spielfrei aufnehmen und die in ihren Außenbereichen dem Krümmungsradius der Gehäuseinnenwand angepaßten Flügel außerdem auf die Achse des Gehäuses radial ausgerichtet gehalten sind. Da bei dieser Bauart die Flügel stets gekrümmt flächig an der Gehäuseinnenwand anliegen, ergibt sich zunächst eine vorzügliche Dichtwirkung. Ebenso ist der Verschleiß gesenkt, da nunmehr im vorteilhaften Gegensatz zur bisherigen Flächenpressung entlang einer Linie keine hohen Flächenpressungen auftreten; ebenso sind dadurch Verlustarmut und Langlebigkeit gegeben. Günstig wirkt sich auch aus, daß die bewegten Massen klein sind, wodurch wiederum die Lebensdauer ansteigt. Wenn man noch bedenkt, daß die erfinderischen Maßnahmen mit verhältnismäßig einfachen mechanischen Mitteln erzielt werden, dann wird es klar, daß mit der Erfindung eine echte Entwicklungslücke geschlossen wird. Der Wichtigkeit wegen sei noch darauf hingewiesen, daß diese Vorteile in der Hauptsache auf die Lagerung der Flügel in drehbaren Walzen und auf die radiale Ausrichtung der Flügel auf die Achse des Gehäuses zurückzuführen sind.

[0005] Die Vorteile der radialen Ausrichtung lassen sich noch weiter vertiefen, wenn alle auf die Achse radial ausgerichtet gehaltenen Flügel in ihrem radialen Abstand zur Gehäuseachse fixiert sind, wobei sich der radiale Abstand gegebenenfalls verändern läßt. Auf diese Weise " kann nämlich die Reibung zwischen den Laufflächen der Flügel und der Gehäuseinnenwand in tragbaren Grenzen gehalten werden. Wenn man den radialen Abstand veränderbar gestaltet, können die Reibungsverluste praktisch auf Null reduziert werden; außerdem läßt sich die jeweilige Bauart bequem auf besondere Betriebsverhältnisse einstellen, die bei den zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgegenstandes stark unterschiedlich sind.

[0006] Eine für die Praxis günstige Bauart ist nach der Erfindung darin zu sehen, daß der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben über entsprechende Lagerschilde und Lager derart im Gehäuse gelagert ist, daß er über seine gesamte Tiefe an einer Stelle die Gehäuseinnenwand gleitend berührt. Diese Ausführungsform empfiehlt sich vor allem dann, wenn vor und hinter einem Flügel keine oder keine großen Druckunterschiede herrschen. Ist dies nicht der Fall, also z.B. bei Antriebsmaechinen, dann empfiehlt es sich gemäß der Erfindung, daß der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben leicht in die an sich kreisrund verlaufende Innenwand des Gehäuses eingeschliffen ist.

[0007] Dadurch ist auch die Linienberührung zwischen Gehäuse und Drehkolben vermieden und durch eine flächige Berührung ersetzt. Das Einschleifen könnte auch durch andere Maßnahmen, z.B. durch Anordnung von Einsätzen ersetzt sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Daß beim Einschleifen des Drehkolbens in die Gehäuseinnenwand die Krümmungen der Flügel gegenüber der Krümmung des Einschliffes nicht mehr vollkommen exakt sind, hat wegen der Geringfügigkeit keinen schädlichen Einfluß auf die Dichtigkeit im Einschliffbereich.

[0008] Wiederum für die Praxis günstig ist es, wenn die Tiefe der die Flügel spielfrei aufnehmenden Schlitze der Walzen mindestens so groß ist, wie das radiale Höhenmaß der Flügel.

[0009] Eine günstige Bauart zum radialen Führen der Flügel wird nach der Erfindung darin gesehen, daß jede die Flügel aufnehmende Walze mit mindestens einer radial nach innen gerichteten Stange in Verbindung steht, die mit reichlich Spiel einen radialen Durchbruch des hohlzylindrischen Drehkolbens durchsetzt und an einem zentralen Bolzen angreift, der frei fliegend vorgesehen oder ortsfest gelagert ist. Ob man den Bolzen frei fliegend vorsieht, oder ortsfest lagert, richtet sich nach der Bauart der jeweiligen Maschine. Bei eingeschliffenem Drehkolben z.B. erscheint die ortsfeste Lagerung die günstigere Lösung zu sein; allerdings sollten dann die Flügel in ihrem radialen Abstand nicht fixiert sein. In diesem Zusammenhang wird nach der Erfindung ferner vorgeschlagen, daß eine jede Stange mittelbar oder unmittelbar mit dem jeweiligen Flügel in Verbindung steht, wobei Teile der Verbindung teleskopartig ineinandergeschraubt sind.

[0010] Um Kippmomente zu vermeiden, wird schließlich vorgeschlagen, daß die Flügel gegebenenfalls zusätzlich zu der Stangenführung radial geführt sind, z.B. mit Hilfe von spiegelbildlich zu der Mittelebene vorgesehenen Paßstiften.

[0011] Anhand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehkolben-Maschine und das Wesen der Erfindung offenbart. Es zeigen

Figur 1 eine Drehkolben-Maschine in Seitenansicht im geöffneten Zustand;

Figur 2 die gleiche Drehkolben-Maschine im Axialschnitt und

Figur 3 eine aufgebrochene Seitenansicht der Drehkolben-Maschine mit Einzelheiten, insbesondere mit eingeschliffenem Drehkolben.

[0012] Worin sich die erfindungsgemäße Drehkolben-Maschine von den bekannten Maschinen unterscheidet, wird durch die Beschreibung der Maschine, deren Wirkungsweise und deren Steuerung verdeutlicht. Gemäß den Figuren 1 und 2 ist der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben 1 mit seiner Welle 2 mit Hilfe von Lagern 3 um eine Achse Z2 drehbar gelagert, und zwar derart, daß seine axiale Stärke die Tiefe des Gehäuses 4 ausfüllt bzw. daß er die zylindrische Innenwand (Lauffläche) 5 des Gehäuses 4 an einer Stelle gleitend berührt.

[0013] Der Drehkolben 1 ist in das Gehäuse 4 außerdem so eingepaßt, daß er in jeder Drehrichtung um seine Achse Z2 leicht beweglich ist und seine kreisrunde Mantelfläche die kreisrunde, also zylindrische Innenwand 5 des Gehäuses 4 mit der Achse Z1 bei einer vollen Winkeldrehung ununterbrochen gleitend berührt. Die exzentrische Lage des Drehkolbens 1 im Gehäuse 4 mit der Achse Z1 ist damit verdeutlicht.

[0014] Drehbewegliche Walzen 6, deren Längsachsen Z3 parallel zu den Achsen Z1, Z2 verlaufen, sind in dem Drehkolben 1 in geometrischer Regelmäßigkeit vorgesehen; sie weisen radiale Nuten bzw. Schlitze auf, in welche Flügel 7 mit Gleitsitz eingreifen, deren der Gehäuseinnenwand 5 zugekehrten Flächen der Wandkrümmung angepaßt sind. Wenn ein Flügel 7 den Schlitz der Walze 6 ganz ausfüllt und wenn eine Verbindungslinie zwischen der Walzenachse Z3 und der Gehäuseachse Z1 auch durch die Achse Z2 des Drehkolbens 1 verläuft, dann berührt die gewölbte Fläche des Flügels 7 die Gehäuseinnenwand 5 gleitend.

[0015] Eine bzw. mindestens eine entlang der erwähnten Verbindungslinie gerade verlaufende, gfs. mehrteilige und an den jeweiligen Flügel 7 angeschlossene Stange 8 durchsetzt eine Bohrung der Walze 6 und mit reichlich Spiel einen entsprechend geformten Durchbruch 9 des hohlzylindrischen Drehkolbens 1, so daß diese fest mit dem Flügel 7 verbundene Stange 8 um die Drehachse Z3 der Walze 6 genügend schwenkbar ist. Diese Ausführung trifft für jede Walze 6 zu, so daß beim Ausführungsbeispiel acht Stangen 8 in den Drehkolbenhohlraum hineinragen.

[0016] Diese Stangen 8 sind an einem im Zentrum Z1 des Gehäuses 4 vorgesehenen und mit dem Gehäuse 4 starr verbundenen Stehbolzen 10 angelenkt. Dadurch, daß die Drehkolbenflügel nicht - wie herkömmlich - auf die Drehkolbenachse Z2, sondern auf die Gehäuseachse Z1 zentriert sind, gibt es in der neuen Drehkolben-Maschine nur rotierende Massen ohne Massenverschiebungen und die Flügel 7 bleiben mit der Gehäuseinnenwand 5 immer in gleitender Flächenberührung.

[0017] Da die Länge der Stangen 8 verstellbar ausgeführt ist, kann die Reibung zwischen den Laufflächen der Flügel 7 und der Lauffläche der Innenwand 5 des Gehäuses 4 auf Null reduziert werden. Darüber hinaus gibt es keinerlei Abdichtungsschwierigkeiten. Durch die Flächenberührungen werden keine besonderen Anforderungen an den Fachmann für Dichtprobleme gestellt.

[0018] Das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Drehkolben-Maschine verdeutlicht das Wesen der Erfindung; der Verwendungszweck wird dadurch nicht eingeshränkt. Bei der Konstruktion der Maschine muß letztere dem Verwendungszweck angepaßt und mit den dem Zweck entsprechenden zusätzlichen Merkmalen bzw. Teilen versehen werden. Wird diese Drehkolben-Maschine beispielsweise als Vorrichtung zum Betrieb einer Wärmepumpe, einer Klimaanlage od. dgl. benutzt, dann muß sie gemäß der Offenlegungsschrift DE-OS 31 29 133.3-13 (auf die ausdrücklich Bezug genommen wird) in zweckentsprechender Weise ergänzt, d.h. mit Ein- und Auslaßöffnungen usw. versehen werden, die im allgemeinen nicht in gleicher Weise konstruiert sind, wie bei Maschinen, die z.B. als Entspanner von Gasen verwendet werden. Bei der Ausführung als Drehkolben-Motor wird die Konstruktion wiederum Änderungen erfahren, je nach dem, ob die jeweilige Maschine nach dem Otto- oder Diesel-Verfahren betrieben werden soll.

[0019] Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 unterscheidet sich von dem der vorausgegangenen Figuren dadurch, daß der Drehkolben 1 in die Innenwand 5 des Gehäuses 4 eingeschliffen ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß sich der Drehkolben 1 nicht um die Achse Z2 bewegt, sondern um die Achse Z4. Das Einschleifmaß M ist durch eine gestrichelte Linie 11 verdeutlicht, deren Krümmung mit der Krümmung der Innenwand 5 des Gehäuses 4 identisch ist. Es versteht sich, daß das Einschleifmaß M überdimensioniert eingezeichnet ist und sich in Wirklichkeit in engen Grenzen bewegt.

[0020] Die eine der die Flügel 7 radial gerichtet haltenden Stangen 8 weist einen Bund 12 auf, der mit einem Schraubansatz 13 in die dazugehörige Walze 6 eingeschraubt ist. Der Flügel 7 ist demnach hier frei fliegend gelagert. Um Kippmomente auszuschließen, könnten hier vom Grund der Führungsschlitze 14 der Walzen 6 ausgehende Stifte vorgesehen sein, auf denen sich der Flügel 7 radial zur Achse Z1 verschieben läßt. Diese nicht eingezeichneten Stifte müssen im gleichen Abstand von einer Ebene vorgesehen werden, welche die Tiefe des Gehäuses 4-halbiert.

[0021] Der ganz in den Schlitz 14 der Walze 6 eintauchende Flügel 7, also der mittlere der drei sichtbaren Flügel 7, steht über einen Gewindeansatz 15 mit der Stange 8 in Verbindung, die mit einem Schaft 16 in einer Bohrung 17 der Walze 6 geführt ist. Diese Stange 8 weist außerdem ein spannschloßartiges Zwischenstück 18 auf, so daß der radiale Abstand des jeweiligen Flügels 7 zur Achse Z1 einstellbar ist.

[0022] Es versteht sich, daß die Stangen 8 mit ihren inneren Enden irgendwie'auf dem Bolzen 10 Platz finden müssen. Ein axiales Hintereinanderreihen, wie in Figur 2 angedeutet, ist nur bei wenigen Flügeln 7 denkbar, da durch den Achsversatz Kippkräfte an den Flügeln nicht auszuschließen sind. Um diesen Schwierigkeiten Herr zu werden, könnte man abgekröpfte Stangen 8 verwenden. Ein weiterer gangbarer Weg ist darin zu sehen, daß man die Stangen 8 mit einem einzigen Sternlager auf dem Bolzen 10 verbindet. Im übrigen tritt die Gefahr der Kippmomente nur dann auf, wenn die Stangen 8 mit den Flügeln 7 fest verbunden sind. Als selbstverständlich ist es auch anzusehen, daß Stangenkonstruktionen gewählt werden müssen, die ohne große Schwierigkeiten eingebaut werden können.

Ansprüche

1. Drehkolben-Maschine mit in einem Gehäuse (4) exzentrisch gelagertem Drehkolben (1), der auf den Umfang verteilte, mit der Gehäuseinnenwand (5) zusammenwirkende Flügel (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Drehkolben (1) Walzen (6) drehbar gelagert sind, deren Längsachsen parallel zur Achse (Z2 oder Z4) der Drehkolbenwelle (2) verlaufen und diese Walzen (6) die Flügel (7) in Schlitzen (14) spielfrei aufnehmen und die in ihren Außenbereichen dem Krümmungsradius der Gehäuseinnenwand (5) angepaßten Flügel (7) außerdem auf die Achse (Z1) des Gehäuses (4) radial ausgerichtet gehalten sind.

2. Drehkolben-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle auf die Achse (Z1) radial ausgerichtet gehaltenen Flügel (7) in ihrem radialen Abstand zur Gehäuseachse (Z1) fixiert sind, wobei sich der radiale Abstand gegebenenfalls verändern läßt (vgl. 18).

3. Drehkolben-Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben (1) über entsprechende Lagerschilde und Lager (3) derart im Gehäuse (4) gelagert (vgl. 2) ist, daß er über seine gesamte Tiefe an einer Stelle die Gehäuseinnenwand (5) gleitend berührt.

4. Drehkolben-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben (1) leicht in die an sich kreisrund verlaufende Innenwand (5) des Gehäuses (4) eingeschliffen ist (vgl. 11, M).

5. Drehkolben-Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der die Flügel (7) spielfrei aufnehmenden Schlitze (14) der Walzen (6) mindestens so groß ist, wie das radiale Höhenmaß der Flügel (7).

6. Drehkolben-Maschine nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede die Flügel (7) aufnehmende Walze (6) mit mindestens einer radial nach innen gerichteten Stange (8) in Verbindung steht, die mit reichlich Spiel einen radialen Durchbruch (9) des hohlzylindrischen Drehkolbens (1) durchsetzt und an einem zentralen Bolzen (10) angreift, der frei fliegend vorgesehen oder ortsfest gelagert ist.

7. Drehkolben-Maschine nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede Stange (8) mittelbar oder unmittelbar mit dem jeweiligen Flügel (7) in Verbindung steht, wobei Teile der Verbindung teleskopartig (vgl. 18) ineinandergeschraubt sind.

8. Drehkolben-Maschine nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (7) gegebenenfalls zusätzlich zu der Stangenführung (vgl. 8) radial geführt sind, z.B. mit Hilfe von spiegelbildlich zu der Mittelebene vorgesehenen Paßstiften.

Zeichnung