DE19500774A1 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Rotationskolbenmaschine ist je nach Umlauf­ sinn des Rotationskolbens als Kraftmaschine oder als Arbeitsmaschine nutz­ bar und kann beispielsweise als ein sogenannter Spiralkompressor zum Ver­ dichten von kompressiblen Medien eingesetzt werden.

Bei einem solchen Spiralkompressor, wie er beispielsweise in DE 37 31 737 A1 oder in DE 41 16 770 A1 beschrieben wird, bilden der Rotationskolben und der Stator zwei ineinander verschlungene Spiralen, die auf ein gemeinsa­ mes Spiralzentrum zulaufen. Die spiralförmigen Eingriffsflächen des Rota­ tionskolbens und des Stators bilden während jeder Bewegungsphase minde­ stens eine Eingriffslinie mit schmalem Spalt und vorübergehend mindestens zwei Eingriffslinien, so daß zwischen den Eingriffsflächen ein geschlossener Arbeitsraum gebildet wird. Während der kreisenden Bewegung des Rotations­ kolbens verschieben sich die Eingriffslinien längs der Spiralen nach innen, so daß sich auch der Arbeitsraum unter stetiger Volumenverringerung zum Zentrum der Spirale hin verlagert, bis schließlich am Zentrum der Spirale die vorauslaufende Eingriffslinie aufgehoben und das verdichtete Medium aus dem Arbeitsraum in einen Strömungskanal (Abströmkanal) ausgeschoben wird.

Bei herkömmlichen Spiralkompressoren sind der Rotor und der Stator je­ weils als spiralförmige starre Bänder ausgebildet, die in mehrere Windungen um das in der Mitte des Rotationskolbens und des Stators liegende Spiralzen­ trum umlaufen, wobei die Windungen jeder Spirale im wesentlichen gleich­ bleibende radiale Abstände zueinander aufweisen. Als Eingriffsflächen werden sowohl die inneren als auch die äußeren Oberflächen der Bänder genutzt, so daß insgesamt zwei Arbeitskanäle gebildet werden, die auf ein gemeinsames Spiralzentrum zulaufen. Der Strömungskanal geht in Axialrichtung vom Zen­ trum der Spirale ab und ist in einer Seitenwand ausgebildet, die in der Ebene der Spirale verläuft und den Arbeitsraum stirnseitig begrenzt. Da jedoch das Volumen des Arbeitsraumes zum Zentrum der Spirale hin stark abnimmt, ist auch die stirnseitige Begrenzungsfläche des Arbeitsraumes in der Nähe des Zentrums nur sehr klein, so daß für den Strömungskanal nur ein geringer Querschnitt zur Verfügung steht. Der Strömungskanal setzt deshalb der Strö­ mung des verdichteten Mediums einen hohen Widerstand entgegen, wodurch die Leistung und der Wirkungsgrad der Maschine verschlechtert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Rotationskolbenmaschine der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, bei der trotz eines hohen Verdichtungsver­ hältnisses ein großer Querschnitt des Strömungskanals zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine ist jedem Arbeitskanal ein gesondertes Spiralzentrum zugeordnet. Dies hat zur Folge, daß die zwi­ schen den Eingriffsflächen des Rotationskolbens und des Stators stehenblei­ benden Materialbereiche nicht wie bei herkömmlichen Spiralkompressoren die Form von gekrümmten Bändern mit im wesentlichen gleichbleibender Dicke haben, sondern vielmehr in ihrer Querschnittsform einem gekrümm­ ten Horn ähneln, so daß ihre Dicke vom Spiralzentrum aus nach außen be­ trächtlich zunimmt. In diesen Materialbereichen steht deshalb genügend Platz für Aussparungen zur Verfügung, die für den Strömungskanal genutzt werden können. Der Strömungskanal braucht somit nicht oder zumindest nicht nur in den Seitenwänden vorgesehen zu sein, sondern er wird unmit­ telbar durch einen spiralförmig vom Spiralzentrum nach außen führenden Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotationskolben gebildet. Auf diese Weise ist es möglich, dem Strömungskanal einen hinreichend großen Querschnitt zu verleihen und so den Strömungswiderstand nachhaltig zu sen­ ken.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der durch die Ein­ griffsflächen begrenzte Arbeitskanal nur eine relativ geringe Gesamtlänge auf­ weist, so daß das zu komprimierende Medium nur einen kurzen Strömungs­ weg zurücklegen muß und dennoch ein hohes Verdichtungsverhältnis er­ reichbar ist. Auch dies trägt zur Verringerung des Gesamt-Strömungswider­ standes und damit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades bei. Weiterhin bietet bei der erfindungsgemäßen Lösung die relativ massive Gestaltung des Rotationskolbens und des Stators die Möglichkeit, diese Bauteile mit Kühlka­ nälen zu durchsetzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stator als Rahmen ausgebildet, der den Rotationskolben umschließt.

Aufgrund der generell starken Zunahme der Spiralkrümmung und der ent­ sprechend geringen Längen der Arbeitskanäle nimmt die an dem Rotations­ kolben ausgebildete Eingriffsfläche in der Regel nur einen Bruchteil des Ge­ samtumfangs des Rotationskolbens ein. Hieraus ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, am Umfang des Rotationskolbens mehrere Arbeitskanäle vorzu­ sehen, die jeweils spiralförmig auf ein anderes Spiralzentrum zulaufen. Die Eingriffsflächen können dabei so angeordnet sein, daß die Verdichtung des Mediums in den verschiedenen Arbeitskanäle phasenverschoben erfolgt, so daß sowohl der Ausstoß des verdichteten Mediums wie auch das für den An­ trieb des Rotationskolbens erforderliche Drehmoment vergleichsmäßigt wer­ den.

Hinsichtlich der Form der Eingriffsflächen besteht bei der erfindungsgemä­ ßen Konstruktion ein sehr weiter Gestaltungsspielraum. Die Krümmung der spiralförmigen Eingriffsflächen braucht von außen nach innen nicht monoton zuzunehmen. Vielmehr können auch stärker gekrümmte Abschnitte mit schwächer gekrümmten Abschnitten abwechseln, und es ist auch möglich, daß die Eingriffsflächen geradlinige Abschnitte sowie scharfkantige Ab­ winklungen aufweisen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Rota­ tionskolbenmaschine;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilschnitt zur Illustration einer abgewandelten Ausführungsform des Antriebsmechanismus für den Rota­ tionskolben;

Fig. 4 einen Teilschnitt zur Illustration einer möglichen Gestal­ tung des Schmierungssystems;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform des Antriebssystems für den Rotationskolben;

Fig. 6 eine Stirnansicht des Rotationskolbens aus Fig. 1, zur Illustration der Anordnung von Dichtungen;

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6;

Fig. 8 einen Schnitt durch eine Rotationskolbenmaschine ge­ mäß einem anderen Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 einen Schnitt durch eine Rotationskolbenmaschine ge­ mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 einen Teilschnitt durch einen Abströmkanal der Rota­ tionskolbenmaschine analog Fig. 9, entsprechend der Schnittlinie X-X in Fig. 11;

Fig. 11 ein Detail einer Rotationskolbenmaschine ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 9;

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie XII-XII in Fig. 13;

Fig. 13 einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Rotationskolbenmaschine nach Fig. 9;

Fig. 14 bis 16 Schnitte durch Rotationskolbenmaschinen gemäß weite­ ren Ausführungsbeispielen;

Fig. 17 und 18 Schnitte durch Rotationskolbenmaschinen mit Gelenk­ plattensystemen zur Führung des Rotationskolbens und zur Trennung der Hochdruckseite von der Niederdruck­ seite;

Fig. 19 einen Schnitt durch eine Rotationskolbenmaschine ge­ mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 20 einen Schnitt durch eine Rotationskolbenmaschine ge­ mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 21 und 22 Schnitte entsprechend der Linie A-A in Fig. 20, zur Il­ lustration zweier Varianten der Rotationskolbenmaschine nach Fig. 20;

Fig. 23 einen Schnitt durch eine Rotationskolbenmaschine ge­ mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und

Fig. 24 einen Teilschnitt zur Illustration einer Abwandlung der Rotationskolbenmaschine nach Fig. 23.

In der nachfolgenden Beschreibung wird als Beispiel generell davon ausge­ gangen, daß die beschriebenen Rotationskolbenmaschinen als Verdichter be­ trieben werden.

Die in Fig. 1 gezeigte Rotationskolbenmaschine besitzt einen Rotationskol­ ben 10, der im folgenden kurz als Rotor bezeichnet werden soll, und einen Stator 12, der den Rotor 10 rahmenförmig umschließt. Zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 12 werden zwei spiralförmige Arbeitskanäle 16 und 18 gebildet, die am - bezogen auf die Spiralform - äußeren Ende mit einer ge­ meinsamen Einlaßöffnung 20 des Stators verbunden sind, während die inne­ ren Enden mit einer gemeinsamen Auslaßöffnung 22 des Stators in Verbin­ dung stehen.

Der Arbeitskanal 16 wird durch eine spiralförmig-konkave Eingriffsfläche 24 des Stators und eine spiralförmig-konvexe Eingriffsfläche 26 des Rotors be­ grenzt. Der Arbeitskanal 18 wird dagegen begrenzt durch eine spiralförmig- konvexe Eingriffsfläche 28 des Stators und eine spiralförmig-konkave Ein­ griffsfläche 30 des Rotors. Die Eingriffsflächen 24, 26, 28 und 30 besitzen auf ihrer Länge eine ungleichmäßig varilerende Krümmung, doch nimmt die Krümmung generell vom einlaßseitigen Ende zum auslaßseitigen Ende hin so stark zu, daß die Spiralen nicht mehrfach um die Mitte des Rotors 10 umlau­ fen, sondern sich jeweils nur über einen Bruchteil des Umfangs des Rotors erstrecken und sich jeweils auf ein am Rand des Rotors gelegenes Spiralzen­ trum 32 bzw. 34 zusammenziehen. Jedes dieser Spiralzentren 32, 34 ist durch einen spiralförmig von innen nach außen verlaufenden Strömungskanal 36 bzw. 38, im folgenden als Abströmkanal bezeichnet, mit der Auslaßöffnung 22 des Stators verbunden. Die durch die Eingriffsflächen 24-30 und die Ab­ strömkanäle 36 und 38 begrenzten Materialbereiche des Rotors 10 und des Stators 12 haben somit die Querschnittsform von gekrümmten Hörnern, die zu den Spiralzentren 32 und 34 hin spitz auslaufen.

Der Rotor 10 ist mit Gleitringlagern auf zwei Kurbelzapfen 40, 42 gelagert. Jeder der Kurbelzapfen 40, 42 ist exzentrisch an einer zugehörigen Kurbel­ welle 44 bzw. 46 angeordnet, und die beiden Kurbelwellen werden synchron angetrieben, so daß sich der Rotor 10, ohne seine Orientierung relativ zu dem Stator 12 zu ändern, exzentrisch auf einer Kreisbahn bewegt, wie durch Pfeile in Fig. 1 angegeben wird.

In dem in Fig. 1 gezeigten Zustand befindet sich der Rotor 10 am höchsten Punkt seiner Kreisbahn. Die konvexe Eingriffsfläche 26 des Rotors 10 bildet deshalb an ihrem oberen Scheitelpunkt mit der Eingriffsfläche 24 des Sta­ tors eine Eingriffslinie 48, an der Rotor und Stator nur durch einen schmalen Spalt getrennt sind. Eine zweite Eingriffslinie bilden die Eingriffsflächen 24 und 26 am Spiralzentrum 32, so daß in dem Bereich zwischen der Eingriffsli­ nie 48 und dem Spiralzentrum 32 ein Verdichtungsraum 50 mit relativ klei­ nem Volumen begrenzt wird. Wenn sich der Rotor 10 im Uhrzeigersinn in Fig. 1 welterbewegt, so wandert die Eingriffslinie 48 in Richtung auf das Spi­ ralzentrum 32, während die Enden der Eingriffsflächen 24 und 26 am Spi­ ralzentrum 32 auseinandertreten, so daß das in dem Verdichtungsraum 50 enthaltene Medium in den Abströmkanal 36 und weiter zur Auslaßöffnung 22 ausgeschoben wird.

Nach einer 180°-Drehung ist dann bei dem Arbeitskanal 16 der Zustand er­ reicht, der in Fig. 1 bei dem unteren Arbeitskanal 18 erkennbar ist. Hier bildet die konvexe Eingriffsfläche 28 des Stators (die in ihrer Form der Ein­ griffsfläche 26 des Rotors entspricht) an ihrem unteren Scheitel eine Ein­ griffslinie 52 mit der konkaven Eingriffsfläche 30 des Rotors. Die auslaßseiti­ gen Enden der Eingriffsflächen 28 und 30 sind am Spiralzentrum 34 weit auseinandergerückt, so daß ein großer Durchlaßquerschnitt zu dem Abström­ kanal 38 besteht, in den gerade das im vorangegangenen Arbeitstakt verdich­ tete Medium verdrängt wurde.

Die konvexe Eingriffsfläche 28 des Stators besitzt am einlaßseitigen Ende ei­ ne scharfkantige Abwinklung, die in Fig. 1 gerade eine neue Eingriffslinie 54 mit der kreisbogenförmigen Gegenkontur der Eingriffsfläche 30 bildet. Auf diese Weise wird zwischen den Eingriffslinien 54 und 52 ein großvolumi­ ger Saugraum 56 gebildet. Bei der nächsten 180°-Drehung des Rotors wan­ dert die Eingriffslinie 54 an der Eingriffsfläche 30 stromabwärts, und die Eingriffslinie 52 verlagert sich zum ausgangsseitigen Ende der Eingriffsfläche 30, bis schließlich in dem unteren Arbeitskanal der Zustand erreicht ist, der in Fig. 1 für den oberen Arbeitskanal 16 gezeigt ist. Da das Volumen des Saugraumes 56 dabei auf das Volumen des Verdichtungsraumes 50 abnimmt, entspricht das Volumenverhältnis der Saug- und Verdichtungsräume 56, 50 dem Verdichtungsverhältnis.

Die beiden Arbeitskanäle 16 und 18 durchlaufen somit bei jeder vollständi­ gen Kurbelwellendrehung einen Ansaugtakt von 360° und Ausschubtakt von 360° (der in Fig. 1 bei dem Arbeitskanal 16 gerade beginnt) sowie einen Verdichtungstakt von 180° (der in Fig. 1 bei dem Arbeitskanal 18 gerade beginnt). Die beiden Arbeitskanäle arbeiten im Gegentakt, d. h., mit einer Phasenverschiebung von 180°, so daß der Ausstoß von verdichtetem Medium durch den Abströmkanal 36 beginnt, wenn der Ausstoß des verdichteten Me­ diums durch den Abströmkanal 38 abgeschlossen ist, und umgekehrt.

Der in der Nähe der Einlaßöffnung 20 gelegene nasenförmige Bereich des Rotors 10 ist durch Rippen 58 versteift. In ähnlicher Weise sind auch die hornförmigen Bereiche des Rotors 10, die die Abströmkanäle 36 und 38 be­ grenzen, durch Rippen 60 bzw. 62 versteift, ohne daß dadurch der Durchlaß­ querschnitt der Abströmkanäle nennenswert eingeschränkt wird. Entspre­ chende Versteifungsrippen 64 sind innerhalb des Abströmkanals 38 auch an dem Stator 12 vorgesehen. Diese Rippen 64 sind in Axialrichtung gegenüber den Rippen 62 des Rotors versetzt und können deshalb mit letzteren über­ lappen.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind der Rotor 10 und der Stator 12 zwischen parallelen Seltenwänden 66 angeordnet, die die Arbeitskanäle 16 und 18 stirnseitig abschließen. Der Abstand zwischen den Seitenwänden 66 und da­ mit die axiale Länge des Rotors und des Stators können im Hinblick auf die gewünschte Förderleistung nach Bedarf gewählt werden. Da sich die Ab­ strömkanäle 36 und 38 in Axialrichtung über die gesamte Länge des Rotors und des Stators erstrecken, nimmt bei einer Vergrößerung der axialen Ab­ messungen der Strömungsquerschnitt der Abströmkanäle proportional zu dem Volumen der Arbeitskanäle 16 und 18 zu.

Die Kurbelwellen 44 und 46 sind mit Kugellagern 68 in den Seitenwänden 66 gelagert und tragen mitdrehbare Ausgleichsmassen 70, durch die die Un­ wucht des Rotors 10 ausgeglichen wird. Am unteren Ende der Kurbelwellen 46 in Fig. 2 ist außerdem ein Zahnrad 72 zu erkennen, über das die Kurbel­ welle 46 beispielsweise über ein nicht gezeigtes Antriebsritzel synchron mit der (in Fig. 2 nicht erkennbaren) Kurbelwelle 44 angetrieben wird.

Fig. 3 zeigt eine modifizierte Ausführungsform, bei der zum Antrieb des Ro­ tors 10 eine einzige Kurbelwelle 46 ausreicht. Eine Verdrehung des Rotors 10 relativ zu dem Stator 12 wird in diesem Fall durch eine Oldham-Kupplung 74 verhindert.

Die Oldham-Kupplung 74 umfaßt eine an der Seitenwand 66 befestigte Nu­ tenscheibe 76 mit radial verlaufenden Nuten 78, eine am Rotor 10 befestigte Nutenscheibe 80 mit radialen Nuten 82 und einen schwimmend zwischen den Nutenscheiben 76 und 80 um den Kurbelzapfen 40 herum angeordneten Klauenring 84, der auf seinen entgegengesetzten Seiten mit Klauen 86 be­ stückt ist, die in die radialen Nuten 78 und 82 eingreifen. Die Nuten 78 und die zugehörigen Klauen sind in Fig. 3 nur gestrichelt eingezeichnet und sind in der Praxis um 90° verdreht zu den Nuten 82 angeordnet, so daß le­ diglich eine Verdrehung des Rotors 10 relativ zu der Seitenwand 66 verhin­ dert wird, während durch das radiale Spiel der Klauen in den Nuten die ex­ zentrische, kreisende Bewegung des Rotors 10 ermöglicht wird.

Fig. 4 illustriert eine mögliche Gestaltung des Schmierungssystems für das Kurbelwellenlager und das Gleitringlager des Rotors 10 auf dem Kurbelzapfen 40, durch welches der Durchtrittsraum für das zu verdichtende Gas, also die Arbeitskanäle 16 und 18 sowie die Abströmkanäle 36 und 38 praktisch frei von Schmiermittel gehalten werden.

In einem an der Seitenwand 66 befestigen Lagergehäuse 88 ist koaxial zu der Kurbelwelle 46 ein Injektor 90 angeordnet, durch den Schmiermittel in eine Kammer 92 eingeleitet wird. Die Kammer 92 sitzt am freien Ende einer die Kurbelwelle 76 durchdringenden Verlängerung des Kurbelzapfens 40 und steht mit einem axial durch den Kurbelzapfen verlaufenden Kanal 94 in Ver­ bindung. Von diesem Kanal 94 gelangt das Schmiermittel über radiale Boh­ rungen 96 in den Lagerspalt zwischen dem Kurbelzapfen 40 und dem Rotor 10 sowie an die Innenseiten von Dichtungen 98 und 100, die die Kurbelwelle 46 einerseits gegenüber dem Rotor 10 und andererseits gegenüber einem das Kugellager 68 aufnehmenden Lagerschild 102 abdichten. Durch diese Dichtungen 98 und 100 wird das Schmiermittel von dem Spalt zwischen der Kurbelwelle 46 und der Seitenwand 66 sowie dem Spalt zwischen dem Rotor 10 und der Seitenwand 66 ferngehalten. Von dem Lager 98 gelangt das Schmiermittel an das Kugellager 68. Von dort kann es in das Innere des La­ gergehäuses 88 austreten und über einen Schmiermittel-Auslaß 104 abgelei­ tet werden. Durch Umwälzung des Schmiermittels kann so eine wirksame Schmierung und Kühlung des gesamten Lagersystems erreicht werden.

Eine andere mögliche Gestaltung des Lager- und Antriebssystems für den Ro­ tor 10 ist in Fig. 5 dargestellt.

Die Kurbelwelle 46 ist mit Kugellagern 106 in den Seitenwänden 66 gelagert und über schräg angewinkelte Abschnitte 108 mit dem mittig in dem Rotor 10 angeordneten Kurbelzapfen 40 verbunden. Der Rotor 10 ist mit weiteren Kugellagern 110 auf dem Kurbelzapfen 40 gelagert. Die Ausgleichsmasse 70 ist in diesem Fall auf dem Kurbelzapfen 40 befestigt und in einer Kammer 112 im Inneren des Rotors 10 untergebracht. Auf den schräg angewinkelten Abschnitten 108 der Kurbelwelle 46 ist jeweils eine Buchse 114 angeordnet, die an beiden Enden mit einem radial vorspringenden Flansch versehen und auf Kugellagern 116 gelagert ist. Ein die Kurbelwelle 46 umgebender Falten­ balg 118 verbindet die Seitenwand 66 mit der Buchse 114, und ein weiterer Faltenbalg 120 ist so zwischen dem anderen Ende der Buchse 114 und dem inneren Teil des Rotors 10 angeordnet, daß er das Kugellager 110 ein­ schließt. Auf diese Weise ist die Kurbelwelle 46 einschließlich der angewin­ kelten Abschnitte 108 und des Kurbelzapfens 40 auf ganzer Länge fluiddicht eingekapselt, so daß das Schmiermittel zur Schmierung der Lager von den Spalten zwischen dem Rotor 10 und den Seitenwänden 66 ferngehalten wird.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Rotor 10 durch schmale Spalte von den Seitenwänden 66 und (im Bereich der Eingriffslinien) von dem Stator 12 getrennt, so daß keine Reibung zwischen dem Rotor 10 einer­ seits und den Seitenwänden 66 und dem Stator 12 andererseits auftritt. In diesen Bereichen ist somit keine Schmierung erforderlich, so daß der Ver­ dichter beispielsweise zur Erzeugung ölfreier Druckluft eingesetzt werden kann.

Die Spalte an den Stirnflächen des Rotors 10 und im Bereich der Eingriffsli­ nien sind hinsichtlich Länge und Querschnitt so dimensioniert, daß eine Reibberührung mit den feststehenden Teilen zuverlässig ausgeschlossen wird, andererseits jedoch dem zu verdichtenden Medium ein so großer Strö­ mungswiderstand entgegengesetzt wird, daß die Leckverluste minimiert wer­ den.

Wahlweise können die Spalte zwischen den Stirnflächen des Rotors 10 und den Seitenwänden 66 jedoch auch durch reibungsarme Gleitdichtungen ab­ gedichtet werden. Eine mögliche Dichtungsanordnung ist in Fig. 6 und 7 gezeigt.

Gemäß Fig. 6 ist die Stirnfläche des Rotors 10 mit eingefrästen Nuten 122 und 124 versehen, die parallel in geringem Abstand zu den Eingriffsflächen 26 und 30 verlaufen. Die Nuten 122 und 124 sind durch eine weitere Nut 126 miteinander verbunden.

Wie aus Fig. 7 hervorgeht, nehmen die Nuten 122, 124 und 126 jeweils ei­ ne Dichtlippe 128 auf, die zu der gegenüberliegenden Stirnfläche der Seiten­ wand 66 vorspringt. Der Grund der Nuten 122, 124 und 126 ist jeweils durch Bohrungen 130 mit der Hochdruckseite des Verdichters verbunden, so daß die Dichtlippen 128 pneumatisch gegen die Seitenwand 66 vorge­ spannt werden. Durch die gezeigte Anordnung der Nuten 122-126 und der zugehörigen Dichtlippen 128 wird eine wirksame Abdichtung der Saug-Ver­ dichtungsräume 56, 50 in den Arbeitskanälen 16 und 18 und außerdem (durch die Nut 126) eine Trennung zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite erreicht.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Rotationskolbenmaschine, bei der gewissermaßen in Umkehrung des in Fig. 1 gezeigten Prinzips der Rotor 10 als Rahmen ausgebildet ist, der den Stator 12 umgibt. Der Rotor 10 ist sei­ nerseits von einem kastenförmigen Gehäuse 132 umschlossen, das mit einer Einlaßöffnung 134 versehen ist und genügend Spiel für die Umlaufbewegung des Rotors 10 läßt.

Der Rotor 10 ist mit einer Einlaßöffnung 136 versehen, die der Einlaßöffnung 134 des Gehäuses 132 gegenüberliegt. Auf der Auslaßseite ist der Rotor 10 mit einem axial verlaufenden Auslaßkanal 138 versehen, der zu einer in der Seitenwand 66 ausgebildeten Auslaßöffnung 140 führt. Zwar erfolgt bei die­ sem Ausführungsbeispiel die Abfuhr des verdichteten Mediums ähnlich wie beim Stand der Technik in axialer Richtung über die Seitenwände 66, doch können anders als beim Stand der Technik der Auslaßkanal 138 und die Aus­ laßöffnung 140 mit einem ausreichenden Querschnitt versehen sein, da sie nicht unmittelbar an der Position des Spiralzentrums 32 bzw. 34 zu liegen brauchen, sondern mit dem Spiralzentren über die Abströmkanäle 36 und 38 verbunden sind.

Die Gestalt der Eingriffsflächen kann sowohl bei der Ausführungsform nach Fig. 1 als auch bei der Ausführungsform nach Fig. 8 vielfältig abgewandelt werden. Diese Eingriffsflächen können u. a. auch kreisbogenförmige Abschnit­ te, geradlinige Abschnitte und in den konvexen Bereichen auch scharfkantige Abwinklungen aufweisen. Mit einer scharfkantigen Abwinklung in der konve­ xen Eingriffsfläche korrespondiert in der damit zusammenwirkenden konka­ ven Eingriffsfläche in Kreisbogenstück, dessen Krümmungsradius mit dem Exzenterkreis des Rotors übereinstimmt.

Aufgrund dieser Gestaltungsfreiheit bei der Formgebung der Eingriffsflächen ist es möglich, die Eingriffsflächen in ihrer Gesamtheit aus Geradenabschnit­ ten bzw. Polygonzügen und Kreisbogenabschnitten mit unterschiedlichen Ra­ dien zusammenzusetzen, wodurch die maschinelle Bearbeitung wesentlich erleichtert wird. Fig. 9 zeigt ein Beispiel, bei der sämtliche Eingriffsflächen in dieser Weise aus Kreisbogenabschnitten und Geradenstücken zusammen­ gesetzt sind.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 unterscheidet sich weiterhin von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, daß die Gesamtkrümmung der Eingriffsflächen nicht 540° (wie in Fig. 1), sondern 720° beträgt. Unter "Ge­ samtkrümmung" ist in diesem Zusammenhang die Richtungsänderung zu ver­ stehen, die man insgesamt vornehmen muß, wenn eine Eingriffsfläche vom Anfang bis zum Ende durchlaufen wird.

Die größere Gesamtkrümmung in Fig. 9 hat zur Folge, daß in jedem Arbeits­ kanal in jeder Betriebsphase mindestens zwei Eingriffslinien vorhanden sind. So sind beispielsweise bei dem Arbeitskanal 18 in Fig. 9 zwei Eingriffslinien 142 und 144 zu erkennen. In einem Übergangszustand, in dem sich in Fig. 9 gerade der Arbeitskanal 16 befindet, sind sogar drei Eingriffslinien 146, 148 und 150 vorhanden, so daß ein abgeschlossener Saugraum und ein abge­ schlossener Verdichtungsraum gebildet werden. Die Eingriffslinie 150 wird in Fig. 9 gerade aufgehoben, so daß eine Ausschubphase beginnt, während gleichzeitig mit dem Schließen der Eingriffslinie 146 eine neue Verdich­ tungsphase beginnt. Die Phasenverschiebung zwischen den Arbeitskanälen 16 und 18 beträgt jedoch nach wie vor 180°.

Fig. 11 ist eine vergrößerte Darstellung des Spiralzentrums des Arbeitska­ nals 16 in Fig. 9 (in einer anderen Betriebsphase). Die Begrenzungsflächen der Abströmkanäle 36 und 38, die in den zuvor beschriebenen Zeichnungen der Einfachheit halber als Polygonzüge dargestellt waren, haben gemäß Fig. 11 ebenfalls eine glatte Kontur. Fig. 10 und 11 illustrieren außerdem eine Anordnung der versteifenden Rippen 60, bei der gerade noch genügend Spiel für die Bewegung des Rotors 10 besteht. Zweckmäßigerweise ist eine der Rippen 60 unmittelbar angrenzend an die Seitenwand 66 angeordnet, so daß der Spalt zwischen dem Rotor 10 und der Seitenwand 66 verlängert wird und die Leckverluste dementsprechend verringert werden. Die in Fig. 11 gestrichelt eingezeichnete Kontur 152 entspricht der Begrenzung des Ab­ strömkanals 36 im Bereich zwischen den Rippen 60.

Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung des Querschnitts der Abströmka­ näle ist in Fig. 12 und 13 illustriert. Hier kommunizieren die Abströmka­ näle 36 und 38 an den Stirnseiten mit Taschen 154, die in den Seitenwän­ den 66 ausgespart sind. Wahlweise können diese Taschen 154 auch einen Hinterschnitt 156 aufweisen, wie in Fig. 12 und 13 durch doppelpunkt­ strichlierte Linien angedeutet ist. Die Taschen 154 sind außerdem durch Ste­ ge 158 ausgesteift. Gemäß Fig. 13 folgen die Taschen 154 dem spiralförmi­ gen Verlauf der Abströmkanäle 36, 38 und münden in eine in diesem Fall in der Seitenwand 66 ausgesparte Austrittsöffnung 160.

Gemäß Fig. 13 sind auch auf der Einlaßseite Taschen 162 in den Seiten­ wänden ausgebildet, die von einer Einlaßöffnung 164 ausgehen und den Ein­ laßquerschnitt für die Einleitung des Mediums in die Arbeitskanäle 16 und 18 vergrößern.

Fig. 14 zeigt ein Beispiel einer Rotationskolbenmaschine in gestreckter und entsprechend schlanker Bauweise, bei der der Stator 12 in einem Stück mit einem Einlaßrohr 166 und einem Auslaßrohr 168 ausgebildet ist. Die Kurbel­ wellen 44 und 46 mit den zugehörigen Ausgleichsmassen 70 sind hier in dem Einlaßrohr 166 und dem Auslaßrohr 168 angeordnet und durch Laschen 170 mit dem eigentlichen Kern des Rotors 10 verbunden. Zur besseren Ab­ fuhr der Verdichtungswärme ist der der Stator 12 mit Kühlkanälen 172 und mit in die Arbeitskanäle mündenden Düsen 173 für Kühlöl versehen. Der Ro­ tor 10 besitzt senkrecht zu den Kurbelwellen 44, 46 verlaufende Kühlkanäle 174, die sich von der relativ kühlen Einlaßseite bis in die hornförmigen Fort­ sätze erstrecken, die die Abströmkanäle 36, 38 begrenzen. Diese Kühlkanäle 174 können mit einer geringen Menge eines Wärmeübertragungsmediums gefüllt oder als sogenannte Heatpipes ausgebildet sein, so daß eine wirksame Ableitung der Verdichtungswärme zur kühleren Seite des Rotors erreicht wird. Die Arbeitskanäle 16 und 18 arbeiten bei dieser Ausführungsform im Gleichtakt.

Fig. 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem beide Eingriffsflächen 26 und 30 des Rotors 10 konvex und beide Eingriffsflächen 24 und 28 des Stators 12 konkav sind. Die Einlaßbereiche der beiden Arbeitskanäle 16 und 18 lie­ gen einander hier etwa diametral gegenüber, und die beiden Spiralzentren 32 und 34 liegen relativ eng beieinander. Die beiden Abströmkanäle 36 und 38 vereinigen sich deshalb zu einem gemeinsamen Auslaßkanal 176.

Fig. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Stator 12 zwei einander diagonal gegenüberliegende Einlässe 178 und zwei einander ebenfalls diago­ nal gegenüberliegende Auslässe 180 aufweist und der Stator 10 und der Ro­ tor 12 insgesamt vier Arbeitskanäle 182, 184, 186 und 188 bilden. Von je­ dem Einlaß 178 führt ein Arbeitskanal 182 bzw. 186 zu dem gegenüberlie­ genden Auslaß 180 und ein zweiter Arbeitskanal 188 bzw. 184 zu dem auf derselben Seite gelegenen Auslaß 180. Die Arbeitstakte der vier Arbeitska­ näle sind jeweils um 90° phasenverschoben.

Fig. 17 zeigt demgegenüber ein Ausführungsbeispiel mit nur einem einzigen Arbeitskanal. Der Rotor 10 ist nur auf einer einzigen Kurbelwelle 46 gelagert und wird zusätzlich durch ein Gelenkgestänge 192 stabilisiert. Das Gelenkge­ stänge 192 ist mit massiven Gelenkplatten 194 versehen, die eine strö­ mungsmäßige Trennung der Einlaßöffnung 20 von der Auslaßöffnung 22 des Stators bewirken.

Fig. 18 zeigt eine Rotationskolbenmaschine ähnlich Fig. 17, jedoch mit ei­ ner modifizierten Gestaltung des Rotors, des Stators und des Gelenkgestän­ ges 192. Im Unterschied zu Fig. 17 besitzt hier der Rotor 10 eine konkave Eingriffsfläche und der Stator 12 eine konvexe Eingriffsfläche.

Fig. 19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem Einlässe 178 und die Auslässe 180 ähnlich wie in Fig. 16 angeordnet sind. Der Rotor 10 wird beispielsweise durch eine Oldham-Kupplung stabilisiert. Die Gelenkplatten 194 des Gelenkgestänges 192 dienen hier jeweils zur Trennung der auf der­ selben Seite liegenden Ein- und Auslässe. Der Rotor und der Stator bilden zwei punktsymmetrisch zueinander angeordnete Arbeitskanäle 16 und 18.

Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen der Rotor und der Stator jeweils als säulenförmige Körper ausgebildet sind, zeigen Fig. 20 bis 22 zwei Varianten einer Bauweise, bei der der Rotor 10 parallele Sei­ tenwände 196 und der Stator 12 eine hierzu parallele Platte 198 aufweist. Die Seitenwände 196 und die Platte 198 sind mit ineinandergreifenden Pla­ teaus oder Rippen 200 bzw. 202 versehen, an denen die Eingriffsflächen 24, 26, 28 und 30 ausgebildet sind. Fig. 20 zeigt die Rippen 200 des Stators 12 im Schnitt und läßt die mit abgeschrägten Flanken versehenen Rippen 202 des Rotors 10 in der Draufsicht erkennen. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Bei der Variante gemäß Fig. 21 besteht der Stator 12 aus zwei annährend spiegelbildlichen topfförmigen Gehäusen 204, 206, deren Böden die erwähn­ ten Seitenwände 196 bilden und die über umlaufende Flansche 208 mitein­ ander verbunden sind. Der Rotor 10 ist in diesem Fall auf beiden Seiten der Platte 198 mit Rippen 202 bestückt. Bei der Variante nach Fig. 22 ist der Rotor 10 hingegen nur einseitig mit Rippen 202 bestückt, und anstelle des Gehäuses 206 ist lediglich eine flache Seitenwand 210 vorgesehen.

Fig. 23 zeigt wieder eine Ausführungsform, bei der der Rotor und der Stator ähnlich wie in Fig. 1 säulenförmig ausgebildet sind. Die Besonderheit bei diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß zwei Arbeitskanäle 212 und 214 ineinandergeschachtelt sind. Der größere Arbeitskanal 212 besitzt einen weit ausladenden äußeren Spiralarm, der den kleineren Arbeitskanal 214 umgibt. Der kleinere Arbeitskanal 214 besitzt ein kleineres Verdichtungsver­ hältnis und einen kleineren Volumendurchsatz als der Haupt-Arbeitskanal 212 und dient in erster Linie dazu, die Einlaßöffnung 20 von der Auslaßöff­ nung 22 zu trennen. Diese Lösung stellt insofern eine Alternative zu der Ver­ wendung von Gelenkplatten 194 gemäß Fig. 17 dar.

Fig. 24 illustriert den Extremfall, daß der kleinere Arbeitskanal 214 über­ haupt keine spiralförmigen Konturen mehr besitzt und folglich auch keine in­ nere Verdichtungsarbeit leistet, sondern ausschließlich zur Trennung der Einlaß- und Auslaßseite dient.

Claims (11)

1. Rotationskolbenmaschine mit einem zwischen parallelen Seitenwänden (66; 196, 210) ohne Eigendrehung kreisend umlaufenden Rotationskolben (10), der gemeinsam mit einem Stator (12) mindestens einen Arbeitskanal (16, 18; 182, 184, 186, 188; 212, 214) bildet, der durch spiralförmig zu einem Spiralzentrum (32, 34) verlaufende Eingriffsflächen (24, 26, 28, 30) des Stators und des Rotors begrenzt wird, und mit einem von dem Spiralzen­ trum (32, 34) abgehenden Strömungskanal (36, 38), dadurch gekennzeich­ net, daß jedem Arbeitskanal ein gesondertes Spiralzentrum zugeordnet ist und der Strömungskanal (36, 38) durch einen spiralförmig vom Spiralzen­ trum (32, 34) nach außen führenden Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor gebildet wird.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (12) den Rotationskolben (10) rahmenförmig umgibt und daß der Arbeitskanal (16, 18; 182, 184, 186, 188) sich nur über einen Bruchteil des Umfangs des Rotors (10) erstreckt.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskolben (10) den Stator (12) rahmenförmig umgibt und daß der Arbeitskanal (16, 18) sich nur über einen Bruchteil des Umfangs des Sta­ tors (12) erstreckt.

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotationskolben (10) und der Stator (12) mehrere Arbeitskanäle (16, 18; 182, 184, 186, 188; 212, 214) mit jeweils zugehörigen Spiralzentren und Strömungskanälen bilden.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Rotationskolbens (10) eine abwechselnde Folge konvexer und konkaver Eingriffsflächen (26, 30) ausgebildet ist, die jeweils einen Ar­ beitskanal (16, 18; 182, 184, 186, 188) begrenzen, und daß für je zwei be­ nachbarte Arbeitskanäle eine gemeinsame Einlaßöffnung (20; 178) und für je zwei benachbarte Strömungskanäle (36, 38) eine gemeinsame Auslaßöffnung (22; 180) vorgesehen ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskanäle durch konkave und konvexe Eingriffsflächen (24, 28) des Stators (12) begrenzt werden, die jeweils die gleiche Gestalt haben wie die Eingriffsflächen (26, 30) des Rotationskolbens.

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Arbeitskanal (212) ein weit ausladender Haupt-Arbeitskanal ist, der den kleineren zweiten Arbeitskanal (214) umschließt.

8. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gesamtkrümmung jeder Eingriffsfläche (24, 26, 28, 30) zwischen 380° und 720°, vorzugsweise etwa 540° beträgt.

9. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Krümmung der Eingriffsflächen von außen nach innen ungleich­ förmig ändert.

10. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Eingriffsflächen geradlinige Abschnitte und/oder kreisbogenför­ mige Abschnitte aufweisen.

11. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexen Eingriffsflächen insbesondere am Inneren und/oder äuße­ ren Ende des Arbeitskanals scharfkantige Abwinklungen aufweisen.