[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotationskolbenverdichter bzw. Rotationskolbenpumpe
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Auf dem Gebiet der Rotationskolbenverdichter bzw. Rotationskolbenpumpen gibt es bereits
eine Vielzahl an Veröffentlichungen.
[0003] Aus der
WO2009/024262 A1 sind eine mehrstufige Drehkolbenvakuumpumpe bzw. -verdichter bekannt. Pumpe oder
Verdichter bestehen aus einem Gehäuse und zwei parallel angeordneten, synchronisiert
gegenläufigen Dreheinheiten, die über ein Getriebe miteinander verbunden sind.
[0004] Jede Dreheinheit besteht aus einer Welle und einem mit dieser fest verbundenen Rotor
mit der Funktion eines Drehkolbens. Jeder Drehkolben ist ein Rotationskörper, der
aus zwei oder drei flachen scheibenförmigen, einstückig ausgebildeten Teilscheiben
besteht, wobei zwei ein Paar bildende Teilscheiben ineinandergreifen. Durch Hintereinanderreihung
der einzelnen Teilscheiben jedes Rotors entsteht eine eingängige Schraubenstufung
sowie durch zyldoidenförmige Ausbildung der Verbindungsflächen zwischen Mantelfläche
und Kemfläche jeder Teilscheibe eine in sich geschlossene, dichte Arbeitskammer. Diese
weist saugseitig eine zur Steuerung der Gasfüllung ausgebildete Steueröffnung sowie
druckseitig eine zur Steuerung der Gaskompression ausgebildete Steueröffnung auf.
[0005] Zwei mehrstufige Drehkolben einer Ebene drehen sich in entgegengesetzter Richtung
zueinander im Verhältnis 1:1 mit gleicher Geschwindigkeit. Zwei paarweise ineinandergreifende
Drehkolben bzw. deren Teilscheiben saugen das Fördermedium in mehreren Stufen über
Saugstutzen sowie über eine in einem Gehäuse angeordnete saugseitige Steueröffnung
an und verdrängen es anschließend in die Arbeitskammem. Das Medium wird durch die
jeweiligen Drehkolben beider Rotoren vorverdichtet und in der jeweiligen Förderkammer
endverdichtet. Durch eine druckseitige Steueröffnung wird das Medium mit der gewünschten
Gesamtkompression in einen Druckkanal übergeben.
[0006] Bei dieser Lösung ist von Nachteil, dass während der Rotation der Rotoren starke
einseitige radiale Belastungen auf die Wellen bzw. Lagerungen wirken, die auch auf
die Getriebe übertragen werden. Die Belastungen auf die Rotorwelle entlang der Drehachse
wirken sich nachteilig auf den Betrieb und die Lebensdauer von Pumpe oder Verdichter
aus und begrenzen deren Einsatzmöglichkeiten.
[0007] Ein weiterer Nachteil besteht in dem mechanischen Flächenkontakt zweier ineinandergreifender
Teilscheiben des Drehkolbens. Aufgrund der Reibung werden hohe Anforderungen an das
Material der Drehkolben gestellt. Es besteht Gefahr, dass erhöhter Verschleiß auftritt
mit der Folge von Dichtigkeitsverlusten.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotationskolbenverdichter bzw. eine
Rotationskolbenpumpe zu schaffen, der bzw. die im Betriebszustand geringeren mechanischen
Belastungen ausgesetzt ist und sich durch verbesserte anwendungstechnische Eigenschaften
auszeichnet.
[0009] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis
15.
[0010] Die auf der Welle der Rotoreinheiten befestigte Scheibe ist kreisrund ausgebildet
und besitzt mindestens einen Kolben, wobei ein Kolben aus zwei identischen Kolbenabschnitten
in Form von Ringausschnitten besteht, die splegelsymmetrisch zueinander, jeweils einer
auf jeder Stirnseite der Scheibe, angeordnet sind. Identisch bedeutet hier, dass die
beiden Kolbenabschnitte eines Kolbens in ihrer Geometrie, der Querschnittsform und
In der Masse immer gleich sind. Die spiegelsymmetrisch angeordneten Kolbenabschnitte
überragen die äußere Kante der zugehörigen Scheibe, bezogen auf ihre Bogenmaßlänge,
mit dem gleichen Maß.
[0011] Der Abstand zwischen zwei benachbarten Rotoreinheiten ist so bemessen, dass deren
in einer Ebene liegende Kolben im Betriebszustand in einem gemeinsamen Überschneidungsbereich
berührungslos ineinanderkämmen.
[0012] Die Breite des Überschneidungsbereiches entspricht der Differenz zwischen Außen-
und Innenradius der jeweiligen Kolben, die bei benachbarten Kolben gleich ist.
[0013] Der Überschneidungsbereich befindet sich an den Stellen wo sich die Kreisbahn des
einen Kolbens der einen Rotoreinheit mit der Kreisbahn des Kolbens der benachbarten
Rotoreinheit schneiden. Durch das berührungslose Ineinanderkämmen der benachbarten
Kolben treten im Betriebszustand so gut wie keine Reibungsverluste auf, was von großem
Vorteil ist.
[0014] Das Gehäuse der Pumpe bzw. des Verdichters besteht aus mindestens zwei Gehäusebauteilen
mit einer ringförmigen Zylinderkammer zur Aufnahme der Kolbenabschnitte. Die Zylinderkammer
ist durch einen zwischen zwei benachbarten Gehäusebauteilen angeordneten Zwischenring,
der bis in den Zwischenraum zwischen zwei spiegelsymmetrisch angeordneten Kolbenabschnitten
ragt, unterteilt.
[0015] Durch die Anbindung weiterer einzelner Rotoreinheiten besteht die Möglichkeit, Pumpe
bzw. Verdichter nach Art eines Baukastenprinzips als einstufige oder mehrstufige Ausführung
zu erweitem. Bei einer einstufigen Ausführung erfolgen "Saugen" und "Komprimieren"
mittels mehrerer auf einer Ebene rotierender ineinanderkämmender Kolben. Im Gegensatz
dazu erfolgen bei mehrstufigen Ausführungen die Arbeitsschritte "Saugen" und "Komprimieren"
auf mehreren Ebenen gleichzeitig. Die einstufigen Einheiten sind für Niederdrücke
und die mehrstufigen Einheiten für hohe Drücke vorgesehen.
[0016] Die Basisvariante als einfachste Ausführung besteht aus zwei identischen Rotoreinheiten
mit jeweils einer Scheibe und einem Kolben, wobei die Bogenmaßlänge der beiden Kolben
jeweils 180° beträgt. Im Betriebszustand saugen die Kolben beider Rotoreinheiten abwechselnd
mit ihrer in Saugrichtung zeigenden Seitenfläche das Fördermedium durch eine Einlassöffnung
an und verdichten es mit ihrer anderen, in Kompressionsrichtung zeigenden Seitenfläche
jeweils gegen die Mantelfläche des anderen benachbarten Kolbens, der den Überschneidungsbereich
verschließt. Durch eine Auslassöffnung wird das verdichtete Fördermedium an einen
Druckkanal übergeben.
[0017] Im Betriebszustand wirken während einer vollständigen Umdrehung die beiden Kolben
abwechselnd als Arbeitskolben und Verschlusskolben. Bei allen anderen Ausführungsvarianten
ist dies nicht der Fall, da bei diesen mindestens ein Kolben nur als Verschlusskolben
wirkt und mindestens ein anderer benachbarter Kolben als Arbeitskolben.
[0018] Die Kolbenabschnitte haben die Form eines Ringausschnittes oder die eines Teilringes.
Die beiden schmalen Seitenflächen der Kolbenabschnitte besitzen vorzugsweise eine
rechteckförmige oder quadratische Querschnittsfläche.
[0019] Zwei spiegelsymmetrisch angeordnete Kolbenabschnitte bilden funktionsgemäß eine Kolbenabschnittpaarung
bzw. werden auch als Kolben bezeichnet. Der Außenradius der Kolben ist immer größer
als der Außenradius der zugehörigen Scheibe. Das Maß, um das die beiden ringförmigen
Kolbenabschnitte die zugehörige Scheibe überragen, ist für beide Kolbenabschnitte
gleich und z.B. vom vorgegebenen Volumen des zu komprimierenden Mediums abhängig.
[0020] Die spiegelsymmetrisch angeordneten, identischen Kolbenabschnitte, die die Scheibe
der Rotorwelle in radialer Richtung überragen, führen zur Kompensierung einer einseitigen
radialen Belastung entlang der radialen Achse, bzw. der Achse, die senkrecht zur Drehachse
der Welle des Rotors ausgerichtet ist. Beide Kräfte kompensieren sich auf den Stirnseiten
der jeweiligen Scheibe. Als Stirnseiten werden die Ober- und Unterseite bzw. Vorder-
und Rückseite einer Scheibe bezeichnet.
[0021] Die Belastung auf der Rotorwelle wird somit durch zwei gegeneinander wirkende Kräfte
aufgenommen.
[0022] Dadurch werden im Vergleich zu herkömmlichen Drehkolbensystemen die Rotorwellen wesentlich
geringeren Belastungen ausgesetzt. Somit können kostengünstigere Lager, wie z.B. Zylinderrollenlagsr,
eingesetzt werden, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Lebensdauer.
[0023] Die Welle, die Scheibe und die Kolbenabschnittpaarurig bzw. Kolben haben bei einstufigen
und mehrstufigen Ausführungen eine gemeinsame Drehachse und Radialachse. Außerdem
ist auf jeder Rotoreinheit jeweils ein Zahnrad angeordnet, zur Synchronisierung mindestens
zweier Rotoreinheiten.
[0024] Eine Scheibe mit einer oder mehreren Kolbenabschnittpaarungen stellt immer einen
Baukörper dar, der z.B. durch Gießen hergestellt wird, oder aus mehreren Teilen, die
zu einer Funktionseinheit zusammengefügt werden. Die Scheiben haben ansonsten keine
besondere Funktion.
[0025] Jeder Kolben kann durch eine oder mehrere zusätzlich auf der jeweiligen Scheibe angeordnete
identische Kolbenabschnittpaarungen oder durch die Anordnung von Ausgleichsgewichten
auf der Scheibe ausgewuchtet werden.
[0026] Pumpe oder Verdichter mit zwei Rotoreinheiten mit je einem Kolben, die in einer Ebene
liegen, können im Durchmesser und/oder in der Anzahl an Kolben unterschiedlich ausgeführt
werden. Der Kolben mit dem kleineren Durchmesser wirkt als Verschlusskolben und der
Kolben mit dem größeren Durchmesser als Arbeitskolben. In Analogie zur Funktionsweise
der Kolben werden die Rotoreinheiten auch als Arbeitsrotoreinheit bzw. Verschlussrotoreinheff
bezeichnet und die zugehörigen Scheiben als Arbeitsscheibe bzw. Verschlussseheibe.
[0027] Bei mindestens zwei nicht identischen Rotoreinheiten wirkt eine Rotoreinheit, die
Fördermedium ansaugt und komprimiert als Arbeitsrotoreinheit und eine andere als Verschlussrotoreinheit,
da diese mit der Mantelfläche ihrer Kolben beide Arbeitsberelche, Saugbereich und
Kompressionsbereich, verschließt und wieder freigibt.
[0028] Bei aus zwei Rotoreinheiten bestehenden Ausführungen beträgt die Bogenmaßlänge des
Arbeitskolbens maximal 180° und die Bogenmaßlänge des Verschlusskolbens mindestens
180°.
[0029] Sind mehr als zwei Rotoreinheiten mit jeweils in einer Ebene liegenden Scheiben mit
Kolben vorgesehen, so bildet ein Kolben (Verschlusskolben) immer mindestens zwei gemeinsame
Kämmbereiche mit jeweils einem anderen Kolben (Arbeitskolben).
[0030] Mehrstufige Pumpen bzw. Verdichter können mit im Außendurchmesser unterschiedlich
großen Scheiben und/oder mit einer unterschiedlichen großen Anzahl an Kolben ausgerüstet
sein.
[0031] Die Summe der Kreisbogenlänge zweier ineinanderkämmender Kolben entspricht dem Umfang
eines Kreises mit dem Außenradius des Kolbens, der als Verschlusskolben wirkt, oder
dem einer Bogenmaßlänge von 360°.
[0032] Bei einer mehrstufigen Ausführung ist ein Gehäuse aus mehreren Gehäusebauteilen vorgesehen,
für jede Stufe zwei Gehäusebauteile.
[0033] Das Gehäuse besitzt bei mindestens zwei Rotoreinheiten mindestens eine Saugöffnung
mit Saugkanal zum Ansaugen des Fördermediums und mindestens einen Druckkanal für das
komprimierte Medium. Der Saugkanal sowie der Druckkanal sind mit der ringförmigen
Zylinderkammer der Arbeitsrotoreinheit verbunden, die das Ansaugen und Komprimieren
durchführt. Bei zwei identischen Rotoreinheiten besitzen beide einen gemeinsamen Saug-
und Druckkanal. Bei mindestens drei Rotoreinheiten besitzt jede Arbeitsrotoreinheit
einen eigenen Saug- und einen eigenen Druckkanal.
[0034] Grundsätzlich sind im Gehäuse, im Überschneidungsbereich zweier Kolben, ein Saugkanal
zum Ansaugen von Fördermedium und gegenüberliegend zu diesem ein Druckkanal für komprimiertes
Medium vorgesehen.
[0035] Die ringförmige Zylinderkammer in den Gehäusebauteilen dient zur Aufnahme der Kolbenabschnitte
und wird durch mindestens zwei sich überschneidende kreisförmige verlaufende Nuten
in den Gehäusebauteilen gebildet.
[0036] Aufgrund der gegenläufigen Rotation der Kolben, insbesondere von Arbeits- und Verschlusskolben,
zweier benachbarter Scheiben einer Ebene verändert sich das Raumvolumen in der zugehörigen
kreisrunden Zylinderkammer zwischen zwei benachbarten Kolben.
[0037] Die einstufigen Pumpen bzw. Verdichter sind für Niederdruckbereiche von bis zu ca.
20 bar vorgesehen. Je nach Anzahl der Rotoreinheiten können mehreren Saugkanäle und
Druckkanäle vorhanden sein, wobei mehrere Druckkanäle in einem Druckspeicher zusammengeführt
werden können.
[0038] Mehrstufige Pumpen bzw. Verdichter sind für Hochdruckbereiche von bis zu ca. 500
bar vorgesehen. Die Komprimierung des Fördermediums erfolgt durch Vorverdichtung des
Fördermediums in mindestens einer zusätzlichen Ebene. Die Endkomprimierung findet
in der Haupt- bzw. letzten Ebene statt. Zwischen allen Ebenen sind Verbindungskanäle
im Gehäuse für die Übertragung von vorverdichtetem Fördermedium von einer in die andere
Ebene eingebracht. Bei einer mehrstufigen Ausführung ist von Vorteil, dass mehrere
standardisierte Bauteile einstufiger Ausführungen verwendet werden können.
[0039] Die erfindungsgemäßen Pumpen bzw. Verdichter zeichnen sich durch eine einfache und
kompakte Bauweise aus und ermöglichen einen Betrieb ohne Schmierung.
[0040] Die Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 einen Verdichter mit zwei Rotoreinheiten, als Draufsicht,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 3 die Einzelheit C gemäß Fig. 2 in vergrößerter Darstellung,
Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie B-B In Fig. 2,
Fig. 5 eine zweite Ausführungsvariante eines Verdichters mit zwei Rotoreinheiten,
einem
Verschlusskolben und drei Arbeitskolben, als Querschnittsdarstellung,
Fig. 6 eine dritte Ausführungsvariante eines Verdichters mit drei Rotoreinheiten,
als Querschnittdarsteiiung.
Fig. 7 eine vierte Ausführungsvariante eines Verdichters mit vier Rotoreinheiten,
als Querschnittdarstellung,
Fig. 8 eine fünfte Ausführungsvariante eines Verdichters mit zehn Rotoreinheiten,
als Querschnittdarstellung,
Fig. 9 die Anordnung einer mehrstufigen Ausführung eines Verdichters in vereinfachter
Darstellung.
[0041] In den Figuren 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsvariante eines Verdichters gezeigt,
der aus zwei zentrisch gelagerten und achsparallel zueinander gegenläufig drehbaren
Rotoreinheiten 8, 12 besteht, die identisch ausgebildet und in einem Gehäuse, bestehend
aus zwei Gehäusebauteilen 1, 2, in einer Ebene angeordnet sind.
[0042] Jede Rotoreinheit 8, 12 besteht aus einer Rotorwelle 9, 13 mit jeweils einer drehfest
angeordneten kreisrunden Scheibe 10, 14.
[0043] Auf beiden Stirnseiten jeder Scheibe 10, 14 ist ein ringförmiger Kolbenabschnitt
10b, 14b angeordnet. Die beiden Kolbenabschnitte 10b oder 14b jeweils einer Scheibe
10, 14 sind identisch ausgeführt und spiegelsymmetrisch angeordnet. Dies trifft für
alle erfindungsgemäßen Ausführungen zu. Identisch bedeutet hier, gleiche Geometrie,
Masse und Querschnittform. Die Querschnittsform ist in den gezeigten Beispielen rechteckig.
[0044] Die Kolbenabschnitte 10b, 14b sind so angeordnet, dass diese die zugehörige Scheibe
10, 14 in radialer Richtung gleichmäßig überragen. Demzufolge überragen die Kolbenabschnitte
die äußere Kante der zugehörigen Scheibe, bezogen auf ihre Bogenmaßlänge, mit gleichem
Maß. Der Überstand bzw. das Maß, um das die ringförmigen Kolbenabschnitte die zugehörige
Scheibe überragen, ist z.B. vom vorgegebenen Arbeitsvolumen abhängig.
[0045] In der Fig. 3 sind die im Betriebszustand radial auf die Scheibenmantelfläche wirkenden
Kräfte gezeigt. Die Kraft Fr wird in zwei gleichgroße axiale Kräfte F1 und F2 transformiert
bzw. zerlegt, die in gegenläufiger Richtung wirken, wobei F1 = F2.
[0046] Beide Kräfte kompensieren sich auf der Stirnseite der jeweiligen Scheibe. Die Belastung
auf der Rotorwelle wird somit durch zwei gegeneinander wirkende Kräfte aufgenommen.
Die beiden spiegelsymmetrisch angeordneten Kolbenabschnitte einer Scheibe bilden in
ihrer Funktion jeweils einen Kolben 10a bzw. 14a. Im Betriebszustand übernehmen die
Kolben beider Scheiben während einer Umdrehung (360°) wechselseitig die Funktion als
Arbeitskolben und Verschlusskolben. Dies ist jedoch nur bei der in den Figuren 1 bis
4 gezeigten Ausführungsvariante der Fall.
[0047] Gegenüberliegend zu den Kolbenabschnitten 10b, 14b sind auf jeder Stirnseite der
Scheiben 10, 14 Ausgleichsgewichte 10c, 14c angeordnet (Fig. 2). Jedem Kolbenabschnitt
Ist erforderlichenfalls ein Ausgleichsgewicht zugeordnet, um im Betriebszustand den
erforderlichen Rundlauf zu gewährleisten. Die Scheibe, die zugehörigen Kolbenabschnitte
und die Ausgleichsgewichte bilden eine kompakte Baueinheit.
[0048] Der Abstand zwischen den zwei benachbarten Scheiben 10 und 14 ist so bemessen, dass
deren in einer Ebene liegende Kolben im Betriebszustand in einem gemeinsamen Überschneidungsbereich
berührungslos ineinanderkämmen. Dieser Bereich befindet sich an den Stellen wo sich
die Kreisbahn des einen Kolbens der einen Rotoreinheit mit der Kreisbahn des Kolbens
der benachbarten Rotoreinheit schneidet (Fig. 4). Der Überschneidungsbereich entspricht
der Differenz zwischen Außen- und Innenradius der jeweiligen Kolben, die bei benachbarten
Kolben gleich ist.
[0049] Bei der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführungsvariante beträgt die Bogenmaßlänge
beider benachbarter Kolben jeweils 180°. Wenn die Bogenmaßlänge des Arbeitskolbens
kleiner als 180° ist, so ist die Bogenmaßlänge des Verschlusskolbens um den Differenzbetrag
zu 180° größer als 180°. Dadurch kann das erforderliche Kompressionsvolumen realisiert
werden.
[0050] In beiden Gehäusebauteilen 1, 2 befinden sich in einer Ebene ringförmige Nuten, im
ersten Gehäusebauteil 1 ringförmige Nuten 4a und im zweiten Gehäusebauteil 2 ringförmige
Nuten 4b, die unmittelbar aneinandergrenzen und die Zylinderkammer 4 bilden. Der nutenförmige
Abschnitt 4.1 ist zur Aufnahme des Arbeitskolbens 10a und der nutenförmige Abschnitt
4.2 zur Aufnahme des Verschlusskolbens 14a bestimmt.
[0051] Im Betriebszustand rotieren die ringförmigen Kolbenabschnitte in den Nuten, die in
ihrer Geometrie auf die Querschnittsform der Kolbenabschnitte abgestimmt sind.
[0052] Aus fertigungstechnischen Gründen wird als Querschnittform die Rechteckform bevorzugt.
Geeignet sind jedoch auch andere Querschnittformen, wie z.B. rund oder oval. Nach
der Montage der Gehäusebauteile 1 und 2 (Fig. 2) entsteht durch die beiden ringförmigen
Nuten 4.1 und 4.2 in den Gehäusebauteilen eine gemeinsame umlaufende ringförmige Zylinderkammer
4 als kurvenförmig verlaufende Acht. Wie in Fig. 4 zu sehen, wird die Zylinderkammer
4 durch zwei sich überschneidende kreisförmige verlaufende, spiegelverkehrt angeordnete
Nuten 4a, 4b der benachbarten Gehäusebauteile 1, 2 gebildet.
[0053] Die Gehäusebauteile 1, 2 sind konstruktiv so ausgelegt, dass die auf der Arbeitsscheibe
10 und die auf der Verschlussscheibe 14 angeordneten Ausgleichsgewichte 10c, 14c durch
eine umlaufende Gehäuseinnenwand von den Kolbenabschnitten getrennt sind (Fig. 2).
In den Gehäusebauteilen 1, 2 befinden sich im zusammengebauten Zustand jeweils eine
Saugöffnung 5a, die in einen Saugkanal 5 münden (Fig. 4). Um 180° versetzt ist zu
der Saugöffnung 5a oder den Saugöffnungen in den Gehäusebauteilen 1,2 eine Drucköffnung
6a vorgesehen, die mit einem Druckkanal 6 für das komprimierte Medium in Verbindung
steht. Zwischen den zwei montierten Gehäusebauteilen 1 und 2 ist ein Zwischenring
3 ange-ordnet, der bis unmittelbar an die gegenläufig rotierenden Scheiben einer Ebene
heranreicht und den ringförmigen Zwischenraum zwischen zwei spiegelsymmetrisch angeordneten
Kolbenabschnitten 10b und 14b ausfüllt, unter Berücksichtigung eines ausreichenden
Spiels für eine reibungsfreie Rotation der Scheiben 10 und 14.
[0054] An den freien Enden der aus dem Gehäusebauteil 1 hervorstehenden Wollen 9 und 13
(Fig. 1) ist jeweils ein Zahnrad befestigt, an der Arbeitsrotorwelle 9 das Zahnrad
11 und an der Verschlussrotorwelle 13 das Zahnrad 15. Die zwei Zahnräder 11, 15 greifen
ineinander und bilden ein Getriebe, über das die Drehbewegungen der beiden Wellen
9, 13 synchronisiert werden. Das Zahnradgetriebe ist bei dieser Ausführungsvariante
so ausgelegt, dass sich die Arbeitsrotorwelle 9 zu der Verschlussrotorwelle 13 im
Verhältnis 1:1 dreht. Die beiden Wellen 9, 13 sind in entsprechenden Zylinderrollenlagern
7 der Gehäusebauteile 1, 2 gelagert, wobei für jede Welle zwei Lagerstellen vorgesehen
sind. Die Arbeitsscheibe und Verschlussscheibe sowie die Zahnräder werden beispielsweise
mittels Keilwellenverbindungen auf der jeweiligen Welle befestigt und mittels an sich
bekannter Mittel gegen Verdrehen gesichert.
[0055] Die Arbeitsweise der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführung ist folgende:
Die erforderlichen Verfahrensschritte "Ansaugen" und "verdichten" erfolgen gleichzeitig.
Über ein geeignetes Antriebssystem und das Zahnradgetriebe 11, 15 werden die beiden
Rotorwellen 9 und 13 in entgegengesetzter Richtung in Rotation versetzt. Die Drehrichtungen
sind in den Figuren 1 und 4 durch Pfeile gekennzeichnet.
[0056] Während der Rotation der Rotorwellen 9, 13 wird über den Arbeitskolbens 10a Fördermedium
durch den Saugkanal 5 angesaugt und dieses gegen die Mantelfläche des Kolbens 14a
verdichtet. Gleichzeitig mit dieser Bewegung gelangt der synchron rotierende Verschlusskolben
14a in den Überschneidungsbereich und verschließt diesen mittels seiner Mantelfläche.
Durch die Drehbewegung der Kolben 10a, 14a werden im Bereich der ringförmigen Nuten
4.1 und 4.2 eine Saugkammer S und eine Kompressionskammer K gebildet, die durch die
freien Seitenflächen des einen Kolbens und die Mantelfläche des anderen Kolbens begrenzt
sind, wie in Fig. 4 gezeigt.
[0057] Die Saugseite (Saugkammer S und Saugkanal 5) und die Kompressionsseite (Kompressionskammer
K und Kompressionskanal 6) sind verschlossen bzw. abgetrennt.
[0058] Der Kolben 14a der zweiten Rotoreinheit 12 wirkt als Verschlusskolben.
[0059] Nach einer Drehbewegung von 180° beider Kolben 10a, 14a saugt der Kolben 14a Fördermedium
aus dem Saugkanal 5 in die saugseitig angeordnete ringförmige Nut 4.2 und verdichtet
dabei das Fördermedium in der Kompressionskammer K gegen die Mantelfläche des Kolbens
10a der ersten Rotoreinheit 8.
[0060] Der Kolben 10a der ersten Rotoreinheit trennt bzw. verschließt den saugseitigen und
den kompressionsseitigen Bereich der Zylinderkammer und erfüllt damit die Funktion
eines Verschlusskolbens. Beide Prozesse "Saugen" und "Komprimieren" erfolgen bei jeder
180° Umdrehung der beiden Kolben 10a, 14a gleichzeitig. Damit übernehmen die Kolben
der ersten Rotoreinheit 8 und der zweiten Rotoreinheit 12 während einer vollständigen
Umdrehung abwechselnd nacheinander nach jeder 180° Umdrehung die Funktion als Arbeits-
bzw. Verschlusskolben.
[0061] In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsvariante als Querschnittsdarstellung gezeigt,
in Blickrichtung auf das untere Gehäusebauteil 2. Diese Ausführung unterscheidet sich
von der vorhergehenden Ausführung gemäß Figuren 1 bis 4 dadurch, dass die zwei Rotoreinheiten
22, 25 Scheiben 27, 24 und Kolben 27a, 24a mit unterschiedlichem Durchmesser bzw.
Außenradius besitzen, wobei der Kolben 27a mit dem kleineren Außenradius Verschlusskolben
ist und mit drei Arbeitskolben 24a, 24b, 24c in einer Ebene zusammenwirkt.
[0062] Das Ineinanderkämmen des Verschlusskolbens 27a mit jedem Arbeitskolben 24a, 24b,
24c erfolgt immer nacheinander während einer 360° Umdrehung der Arbeitsrotoreinheit
22. Dem Verschlusskolben 27a sind drei identische Arbeitskolben 24a, 24b, 24c mit
gleicher Bogenmaßlänge zugeordnet, die jeweils um 120° zueinander versetzt sind.
[0063] Nach jeder 120° Umdrehung der Arbeitsrotoreinheit 22 kämmt ein Arbeitskolben 24a,
24b, 24c berührungslos mit dem Verschlusskolben 27a. Die Vorgänge "Saugen" und "Verdichten"
erfolgen gleichzeitig durch die jeweiligen Arbeitskolben. Während der Arbeitskolben
24a Fördermedium ansaugt, verdichtet der Arbeitskolben 24c Fördermedium gegen die
Mantelfläche des Verschlusskolbens 27a. Zwischen den Arbeitskolben 24a und 24b sowie
zwischen den Arbeitskolben 24b und 24c wird Fördermedium ohne zu verdichten in der
Zylinderkammer 4 transportiert. In analoger Weise, wie bei der Ausführung gemäß der
Figuren 1 bis 4, sind auch bei dieser Ausführung Saugöffnung 5a, Saugkanal 5, Druckkanalöffnung
6a und Druckkanal 6 vorgesehen sowie eine Saugkammer S und eine Druckkammer K. Die
Rotoreinheiten 22 und 25 sind in üblicher Bauweise mit Rotorwellen 23 und 26 ausgerüstet.
[0064] Die in Figur 6 gezeigte dritte Ausführung besteht im Unterschied zu der ersten Ausführung
nicht aus zwei sondern aus drei identischen Rotoreinheiten 8, 12, 16 mit jeweils einer
Rotorwelle 9, 13, 17 mit einer kreisrunden Scheibe 10, 14, 18, wobei jede kreisrunde
Scheibe an ihren Stirnseiten jeweils einen ringförmigen Kolbenabschnitt 10b, 14b,
18b aufweist. Die Kolben 10a, 14a und 18a sind analog wie bei der in den Figuren 1
bis 4 gezeigten Ausführung. Bei drei oder mehr in einer Reihe verbundenen Rotoreinheiten
ist die Verschlussrotoreinheit 12 immer zwischen zwei Arbeitsrotoreinheiten 8, 16
angeordnet.
[0065] Der Arbeitskolben 18a der dritten Rotoreinheit 16 bildet wie der Kolben 10a der ersten
Rotoreinheit 8 mit dem benachbarten Kolben 14a der zweiten Rotoreinheit 12 einen Überschneidungsbereich,
wo jeweils zwei benachbarte Kolben zeitversetzt ineinanderkämmen. Die zwischen zwei
Rotoreinheiten 8, 16 mittig angeordnete Rotoreinheit 12 ist infolge ihrer Funktion
immer Verschlussrotoreinheit, da der Verschlusskolben 14a den Saug- bzw. Kompressionsbereich
beider benachbarter Arbeitsrotoreinheiten 8, 16 schließt. Der Verschlusskolben 14a
schließt mit seiner Mantelfläche die Saug- S und Kompressionsbereiche K der Zylinderkammer
(im Abschnitt 4.1) der ersten Arbeitsrotoreinheit 8 und danach die Zylinderkammer
(im Abschnitt 4.3) der zweiten Arbeitsrotoreinheit 16.
[0066] Die erste Arbeitsrotoreinheit 8 und die zweite Arbeitsrotoreinheit 16 haben jeweils
einen eigenen mit der jeweiligen Zylinderkammer 4.1, 4.3 verbundenen Saugkanal 5 mit
jeweiliger Saugöffnung 5a sowie einen eigenen ebenfalls mit der jeweiligen Zylinderkammer
verbundenen Druckkanal 6 mit jeweiliger Druckkanalöffnung 6a. Zur Vereinfachung sind
Saug- und Druckkanäle beider Rotoreinheiten identisch bezeichnet. Die Saugkanäle und
die Druckkanäle der ersten Arbeitsrotoreinheit 8 und der zweiten Arbeitsrotoreinheiten
16 sind um 180° versetzt im Gehäuse angeordnet.
[0067] Aufgrund der Überschneidung der im Durchmesser drei gleichen kreisförmigen Öffnungen
entsteht eine Querschnittsfläche, deren äußere Kontur in ihrer Form drei reihenweise
angeordneter und sich überschneidender Kreise entspricht.
[0068] Der Verschlusskolben 14a der Verschlussrotoreinheit 12 hat immer die Funktion, die
saugseitigen Bereiche sowie die kompressionsseitigen Bereiche der Zylinderkammer 4.1,
4.3 zu verschließen.
[0069] In Betriebszustand saugt der Arbeitskolben 10a aus dem Saugkanal 5 während einer
180° Umdrehung Fördermedium mit der saugseitig gesehenen rechteckförmigen Seitenfläche
des Kolbens durch Drehbewegung in Uhrzeigerrichtung und komprimiert Fördermedium mit
seiner gegenüberliegenden, rechteckförmigen Seitenfläche gegen die Mantelfläche des
Verschlusskolbens 14a.
[0070] Während dieses Vorganges schließt der in Uhrzeigerrichtung rotierende zweite Arbeitskolben
18a mit seiner Mantelfläche den benachbarten Saug- 5 und Druckkanal 6 und damit die
Verbindung zur ringförmigen Zylinderkammer (Abschnitt 4.2). Nach einer Umdrehung von
180° saugt der zweite Arbeitskolben 18a aus seinem Saugkanal 5 Fördermedium mit seiner
saugseitig gesehenen rechteckförmigen Seitenfläche durch seine Drehbewegung und komprimiert
es mit seiner gegenüberliegenden rechteckförmigen Seitenfläche gegen die Mantelfläche
des Verschlusskolbens 14a. Der Verschlusskolben 14a schließt mit seiner Mantelfläche
während einer Drehung um 180° die ringförmige Zylinderkammer (Abschnitt 4.1) der ersten
Arbeitsrotoreinheit 8 und nach einer weiteren Drehung um 180° die ringförmige Zylinderkammer
(Abschnitt 4.3) der zweiten Arbeitsrotoreinheit 16, sodass innerhalb einer vollständiger
Umdrehung um 360° beide Arbeitsrotoreinheiten den Saug- und den Kompressionsvorgang
jeweils um 180° versetzt nacheinander ausführen.
[0071] Um den erforderlichen Rundlauf zu gewährleisten sind an den jeweiligen Scheiben noch
Ausgleichsgewichte 10c, 14c und 18c befestigt.
[0072] Als vierte Ausführungsvariante ist in Fig. 7 eine sternförmige Anbindung von drei
Arbeitsrotoreinheiten 8, 16, 19 um eine zentrisch bzw. mittig angeordnete Verschlussrotoreinheit
12 gezeigt. Dabei ist der Winkel zwischen der Drehachse der Verschlussrotoreinheit
zur Drehachse jeder Arbeitsrotoreinheit von der Anzahl der Arbeitsrotoreinheiten abhängig
und beträgt z.B. bei Anordnung von drei Arbeitsrotoreinheiten 120° und bei Anordnung
von vier Arbeitsrotoreinheiten 90°.
[0073] Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführung kämmt der Verschlusskolben 14a der mittig
angeordneten Verschlussrotoreinheit 12 immer nacheinander mit den jeweiligen Arbeitskolben
10a, 18a, 21 a. Dabei entsteht jeweils ein gleich großer Überschneidungsbereich mit
jedem Arbeitskolben der jeweiligen Arbeitsrotoreinheiten. Auf einer Arbeitsscheibe
können auch mehrere Arbeitskolben angeordnet sein.
[0074] Die Arbeitsrotoreinheiten 8, 16 und 19 sind analog wie die in Fig. 6 gezeigten Einheiten
ausgeführt. Der Verschlusskolben 14a der mittig angeordneten Verschlussrotoreinheit
12 ist im Durchmesser kleiner als die Kolben der Arbeitsrotoreinheiten.
[0075] Gemäß einer fünften Ausführungsvariante (Fig. 8) können auch mehrere Arbeitsrotoreinheiten
und mehrere Verschlussrotoreinheiten achsparallel kreisförmig miteinander verbun-den
werden, dabei ist die Anzahl der Arbeits- und Verschlussrotoreinheiten gleich und
eine Verschlussrotoreinheit muss immer zwischen zwei Arbeitsrotoreinheiten ange-ordnet
sein. Wie in Fig. 8 gezeigt, sind die einzelnen Arbeitsrotoreinheiten mit zwei identischen
Arbeitskolben 10a ausgerüstet, wobei jeder Arbeitskolben 10a eine Bogenmaßlänge von
80° besitzt. Die im Durchmesser kleineren Verschlussrotoreinheiten sind nur mit einem
Verschlusskolben 14a mit einer Bogenmaßlänge von 170° ausgerüstet. Bisher bereits
erwähnte Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
[0076] Das Zusammenwirken zweier ineinanderkämmender benachbarter Kolben ist analog wie
bei den anderen gezeigten Ausführungen. Jede Arbeitsrotoreinheit kann zwei eigene,
versetzt zu einander an der jeweiligen Zylinderkammer angeschlossene Saugkanäle sowie
zwei eigene ebenfalls versetzt zu einander an der Zylinderkammer angeschlossene Druckkanäle
besitzen. Wie in Fig. 8 gezeigt, besitzt jede Arbeitsrotoreinheit jeweils eine Arbeitsscheibe,
auf der jeweils zwei identische Arbeitskolben symmetrisch zueinander angeordnet sind
und jede Verschlussrotoreinheit jeweils eine Verschlussscheibe, auf der jeweils ein
Verschlusskolben angeordnet ist.
[0077] Durch eine Erhöhung der Anzahl an Rotoreinheiten lässt sich eine höhere Leistung
erzielen. Alternativ kann dies auch durch eine mehrstufige Ausführung der Rotoreinheiten
erfolgen wie in Figur 9 vereinfacht dargestellt.
[0078] Hierzu sind zwei Rotoreinheiten mit Kolben ausgerüstet, die in mehrere Arbeitsebenen
angeordnet und miteinander verbunden sind, wobei jede Ebene in verschiedenen Varianten
bzw. Modular beliebig aufgebaut werden kann. Grundsätzlich können für den Aufbau mehrstufiger
Ausführungen alle bisher beschriebenen einstufigen Ausführungen in etagenartiger Bauweise
angewendet werden. Auch in der Funktionsweise bestehen prinzipiell keine Unterschiede.
[0079] Fig. 9 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung zwei Rotoreinheiten 8, 12
mit vier Ebenen bzw. mit vier Stufen. Auf den Rotorwellen sind Arbeits- oder Verschlussschelben
mit Arbeits- oder Verschlusskolben befestigt, die in ihrer Ausführung den bereits
beschriebenen Bauteilen entsprechen. Durch ineinanderkämmende Arbeits- und Verschlusskolben
wird das Fördermedium angesaugt und komprimiert. Der Unterschied zur einstufigen Ausführung
besteht lediglich darin, dass in mindestens einer zusätzlichen Ebene das Fördermedium
durch einen Saugkanal angesaugt und vorkomprimiert wird. Das vorkomprimierte Medium
wird durch einen Verbindungskanal auf eine benachbarte Ebene übergeben, wobei diese
Ebene einen zusätzlichen Saugkanal besitzt. Auf dieser Ebene wird vorverdichtetes
Medium endkomprimiert und über eine Druckleitung in einen Druckbehälter übergeben.
Jeder Verbindungskanal ist dabei mit einem Kühler ausgerüstet.
[0080] Bei mehrstufigen Ausführungen sind in jeder Stufe zwei Gehäusebauteile angeordnet,
die analog wie bei den zuvor bereits erläutert einstufigen Ausführungen aufgebaut
sind.
[0081] Bei allen erfindungsgemäßen Varianten drehen sich die Verschlussrotoreinheiten und
die Arbeitsrotoreinheiten in einem Geschwindigkeitsverhältnis zueinander, das von
der Anzahl an Arbeitskolben abhängig ist. Bei Ausführungen mit mindestens zwei Rotoreinheiten,
wo alle Scheiben mit der gleichen Anzahl an Kolben ausgerüstet sind, beträgt das Geschwindigkeitsverhältnis
von Verschlussrotoreinheit zu Arbeitsrotoreinheit 1:1.
[0082] Bei Ausführungen mit ungleicher Anzahl an Kolben zwei benachbarter Rotoreinheiten
ist das Geschwindigkeitsverhältnis proportional zum Verhältnis der Anzahl an Kolben
der einen Rotoreinheit zur Anzahl an Kolben der anderen Rotoreinheit.
[0083] Bei einstufigen Ausführungen mit mehr als zwei Rotoreinheiten können durch Zusammenfügen
mehrerer Druckkanäle in einem Druckbehälter die Leistungsparameter erhöht werden.
1. Rotatioriskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter mit mindestens zwei in einem
Gehäuse mit Saug- und Drucköffnung zentrisch gelagerten achsparallel angeordneten
Rotoreinheiten, bestehend aus jeweils einer rotierbaren Welle mit mindestens einer
drehfest angeordneten Scheibe, wobei mindestens zwei benachbarte, in einer Ebene liegende
Scheiben synchronisiert gegenläufig drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Scheibe (10, 14, 18, 24, 27) kreisrund ausgebildet ist und mindestens einen
Kolben (10a, 14a, 18a, 21a, 24a, 27a) besitzt, wobei ein Kolben aus zwei identischen
Kolbenabschnitten (10b, 14b, 18b) in Form von Ringausschnitten besteht, die spiegelsymmetrisch
zueinander, jeweils einer auf jeder Stirnseite der Scheibe, angeordnet sind, derart,
dass diese Kolbenabschnitte (10b, 14b, 18b) die äußere Kante der zugehörigen Scheibe,
bezogen auf ihre Bogenmaßlänge, mit dem gleichen Maß überragen und der Abstand zwischen
zwei benachbarten Rotoreinheiten (8, 12, 16, 19, 22, 25) so bemessen ist, dass deren
in einer Ebene liegende Kolben (10a und 14a; bzw. 24a 24b, 24c und 27a; bzw. 10a,
14a und 18a; bzw. 10a, 14a, 18a und 21a) im Betriebszustand in einem gemeinsamen Überschneidungsbereich,
berührungslos ineinanderkämmen, und das Gehäuse aus mindestens zwei Gehäusebauteilen
(1, 2) mit einer ringförmigen Zylinderkammer (4) zur Aufnahme der Kolbenabschnitte
(10b, 14b, 18b) besteht, wobei die Zylinderkammer (4) durch einen zwischen zwei benachbarten
Gehäusebauteilen (1, 2) angeordneten Zwischenring (3), der bis in den Zwischenraum
zwischen zwei spiegelsymmetrisch angeordneten Kolbenabschnitten (10b, 14b, 18b) ragt,
unterteilt ist.
2. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese/r aus zwei identischen Rotoreinheiten (8, 12) mit jeweils einer Scheibe (10,
14) und einem Kolben (10a, 14a) ausgerüstet ist, wobei die Bogenmaßlänge der beiden
Kolben (10, 14a) jeweils 180° beträgt, und im Betriebszustand während einer vollständigen
Umdrehung jeder Kolben (10a, 14a) abwechselnd als Arbeitskolben und Verschlusskolben
wirkt.
3. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese/r aus zwei Rotoreinheiten (22, 25) mit je einer Scheibe (24, 27), die in einer
Ebene liegen, besteht, wobei sich die Kolben (24a, 24b, 24c bzw. 27a) im Außenradius
und/oder in der Anzahl unterscheiden und der Kolben (27a) mit dem kleineren Außenradius
als Verschlusskolben wirkt und der/die Kolben (24a, 24b, 24c bzw. 27a) mit dem größeren
Außenradius als Arbeitskolben.
4. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 2 oder
3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenmaßlänge des Arbeitskolbens (10a, 18a, 21a, 24a) maximal 180° beträgt und
die Bogenmaßlänge des Verschlusskolbens (14a, 27a) mindestens 180°.
5. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass diese/r mit mehr als zwei Rotoreinheiten (8, 12, 16) mit jeweils in einer Ebene liegenden
Scheiben (10, 14, 18) mit Kolben (90a, 14a, 18a) ausgerüstet ist, wobei ein Kolben
(14a), der als Verschlusskolben wirkt immer mindestens zwei gemeinsame Kämmbereiche
bildet, jeweils einen mit einem anderen Kolben (10a, 18a), der als Arbeitskolben wirkt.
6. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese/r mit im Außenradius unterschiedlich großen Kolben (10a, 14a) und/oder mit
einer unterschiedlichen Anzahl an Kolben ausgerüstet ist.
7. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass diese/r mit mindestens zwei Rotoreinheiten (8, 12) ausgerüstet ist, wobei jede Rotoreinheit
mindestens zwei Scheiben aufweist, die in gleichem Abstand zueinander auf der jeweiligen
Rotorwelle angeordnet sind, derart dass die Scheiben benachbarter Rotoreinheiten in
einer Ebene liegen, mindestens eine Rotoreinheit Verschlusskolben besitzt und die
andere Rotoreinheiten Arbeitskolben.
8. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Scheiben mit im Außenradius unterschiedlich großen Kolben und/oder mit einer
unterschiedlichen Anzahl an Kolben ausgerüstet sind.
9. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Kreisbogenlänge zweier ineinanderkämmender Kolben (10a, 14a) dem Umfang
eines Kreises mit dem Außenradius des Kolbens (14a) entspricht, der als Verschlusskolben
wirkt, oder dem einer Bogenmaßlänge von 360°.
10. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1, 2), im Überschneidungsbereich zweier Kolben (10a 14a) ein Saugkanal
(5) zum Ansaugen von Fördermedium und gegenüberliegend zu diesem ein Druckkanal (6)
für komprimiertes Medium vorgesehen sind.
11. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Zylinderkammer (4) zur Aufnahme der Kolbenabschnitte (10b, 14b, 18b)
durch mindestens zwei sich überschneidende kreisförmige verlaufende, spiegelverkehrt
angeordnete Nuten (4a, 4b) in benachbarten Gehäusebauteilen (1, 2) gebildet ist.
12. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund gegenläufiger Rotation der Kolben (10a und 14a) zweier benachbarter Scheiben
(10, 14) einer Ebene das Raumvolumen in der zugehörigen kreisrunden Zylinderkammer
(4) zwischen zwei benachbarten Kolben (10a und 14a) veränderbar ist.
13. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotafionskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung mit mindestens zwei Rotoreinheiten, mit mindestens zwei parallel
zueinander angeordnete Ebenen, die Ebenen durch einen mit einem Kühler ausgerüsteten
Kanal verbunden sind und im Gehäuse (1, 2) mindestens zwei Saugkanäle (5) und ein
Druckkanal (6) angeordnet sind.
14. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass Scheiben (10, 14, 18) mit Ausgleichsgewichten (10c, 14c, 18c) ausgerüstet sind.
15. Rotationskolbenpumpe bzw. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenflächen eines Kolbenabschnittes (10b, 14b, 18b) eine rechteckförmige
oder quadratische Querschnittsfläche aufweisen.