DE20300753U1 - Rollenaxialpumpe zum Fördern von Fluiden oder Gasen, zum Verdichten von G., als Hydraulikpumpe, -motor, als Gasdruckmotor - Google Patents

Description

Rollenaxialmaschine

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Maschinen zur Förderung von Fluiden und Gasen, zum Verdichten von Gasen, zur Anwendung als Hydraulikmotor, als Hydraulikpumpe und als Gasdruckmotor (Druckluftantrieb).

Von bekannten Maschinen weisen z. B. Roots-Verdichter hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit auf, um zusammen mit dem für die Phasenlage erforderlichen Zahnradpaar und den für die Funktion und Fertigung erforderlichen Toleranzen einen berührungsfreien Bewegungsablauf der verdichtenden Teile zu gewährleisten. Auch ist diese Art von Verdichtern wegen der erforderlichen geometrischen Form der Verdichterelemente mit hohem Fertigungsaufwand verbunden. Ferner ist bei dieser Verdrängerladerart, bei der keine "innere Verdichtung" möglich ist, eine hohe Verdichterarbeit erforderlich.

Flügelzellenlader bieten die Möglichkeit der "inneren Verdichtung" bis zu einem gewissen Grad, erfordern jedoch eine relativ komplexe Geometrie der einzelnen Bauteile. Bei Hubkolbenverdichtern ist ein Schmierungssystem erforderlich. Außerdem weist diese Verdichterart rotierende und oszillierende Massenanteile auf, sodaß es oft ohne entsprechende Maßnahmen nicht möglich ist, eine Maschine darzustellen, die frei von Massenkräften erster und zweiter Ordnung und frei von Massenmomenten erster und zweiter Ordnung ist. Zum anderen ist durch den bei dieser Bauart vorhandenen Schadraum das erreichbare Verdichtungsverhältnis begrenzt. Um hohe Verdichtung von Gasen zu erreichen, werden bei Maschinen dieser Art oft mehrere Verdichtungsstufenvorgesehen, was große Zugeständnisse an den benötigten Bauraum und an die Kompaktheit erfordert. Im Bereich der Hydropumpen sind insbesondere Bauarten bekannt, die auf den Hubkolbenprinzip beruhen, auf dem Flügelzellenprinzip oder auf dem Zahnradpumpenprinzip, ähnlich den Schraubenverdichtern.

Alle diese weisen jedoch einen relativ komplexen Aufbau mit oft relativ vielen unterschiedlichen Bauteilen von zum Teil aufwendiger Geometrie auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zum Fördern von Flüssigkeiten und Gasen, zum Verdichten von Gasen, zum möglichen Einsatz als Hydraulikpumpe und/ oder als Hydraulikmotor und zur Anwendung als Druckgasmotor (Druckluftantrieb) zu schaffen, die im Aufbau mit einer geringen Anzahl von Bauteilen von einfacher geometrischer Form gekennzeichnet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Maschine dargestellt wird, die einen Rotor (12) besitzt, der sich drehbar gelagert exzentrsich in einem Gehäuse (16) mit zylinderförmiger oder zylinderähnlicher Innenkontur befindet. Der Rotor (12) weist am Umfang nutähnliche Vertiefungen auf, die innen am Grund ausgerundet sind. In diesen Vertiefungen befindet sich je ein Element (14) von zylinderförmiger oder zylinderähnlicher Geometrie. Das Gehäuse (16) ist auf beiden Stirnseiten von je einer Ebene begrenzt, die jeweils senkrecht zu der Rotationsachse (20) des Rotors (12) liegen. Die volumenvariablen Arbeitsräume (18) dieser Maschine werden jeweils von einem Flächenanteil der nutartigen Vertiefungen, einem Umfangsflachenantexl der sich in den Vertiefungen befindlichen Elemente und einem Flächenanteil der jeweils stirnseitigen Ebenen begrenzt. In einer oder beiden dieser Ebenen sind je eine oder mehrere Einlaßöffnungen (22, die strichlierte Linie 22 beschreibt eine mögliche Form der Einlaßöffnung) angebracht, die während der Phase der Arbeitsraumvergrößerung einen Zufluß oder Zustrom zu diesen Arbeitsräumen ermöglichen. Auch sind in einer oder beiden dieser Ebenen jeweils eine oder mehrere Auslaßöffnungen (24, die strichlierte Linie 24 beschreibt eine mögliche Form der Auslaßöffnung) angebracht, die während der Phase der Arbeitsraumverringerung einen Abfluß oder ein Abströmen von diesen Arbeitsräumen ermöglichen.

Dreht sich bei der Anordnung in Fig. 2 der Rotor (12) im Uhrzeigersinn (Rechtsdrehung), so wird sich, beginnend mit der Betrachtung der Phasenlage, in der ein Arbeitsraum ein Volumenminimum hat, mit fortschreitender Rechtsdrehung eine Volumenvergrößerung zeigen, die bei einer um 180° später folgenden Phasenlage ihr Maximum erreicht. Während dieser Drehphase der Volumervergrößerung kann durch die in einer oder beiden stirnseitigen Gehäusewänden angebrachten Einlaßöffnungen ein Arbeitsmedium (Gas oder Fluid) zufließen oder zuströmen. Mit Beendigung der Drehphase der Volumenvergrößerung des Arbeitsraumes wird auch die Verbindung des Einlaßkanals mit den Arbeitsraum beendet . Mit beginnender Drehphase die mit einer Volumenverringerung des Arbeitsraumes einhergeht, wird der Arbeitsraum mit der oder den Auslaßöffnungen verbunden, sodaß hierdurch ein Abfließen oder Abströmen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum erfolgen kann. Ist als Arbeitsmedium ein Gas vorgesehen, so kann die Verbindung des Arbeitsraumes zu der oder den Auslaßöffnungen auch erst bei bereits fortgeschrittener Volumenverringerung des Arbeitsraumes erfolgen (siehe hierzu Fig. 6), sodaß eine "innere Verdichtung" im Arbeitsraum stattfinden kann. Bei Beendigung der Drehphase, die mit einer Volumenveringerung des Arbeitsraumes einhergeht, wird das Arbeitsraumvolumen quasi auf den Wert Null zurückgefahren und die Verbindung zum Auslaßkanal beendet, das heißt, das Arbeitsmedium wird hierbei vollständig ausgeschoben. Mit Beendigung der Drehphase mit der Volumenveringerung des betrachteten Arbeitsraumes beginnt nun wieder die Drehphase der Raumvergrösserung, womit sich auch wieder die Verbindung des Arbeitsraumes mit der oder den Einlaßöffnungen ergibt.

Eine Maschine der vorgeschlagenen Art zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus und erfordert eine geringe Anzahl von maschinenspezifischen Bauteilen. Auch ist die Anzahl der unterschiedlichen Bauteilformen gering. Ferner sind die einzelnen Bauteilformen aus relativ einfachen Grundgeometrieformen aufgebaut. All dies trägt dazu bei, die Fertigungs- und Herstellungskosten gering zu halten. Desweiteren weist die vorgeschlagene Maschinenart keine oszillierenden Bauteile auf, sie besitzt nur rotierende Bauteile, woraus sich ergibt, das keine freien Massenkräfte erster und zweiter Ordnung und auch keine freien Massenmomente erster und zweiter Ordnung auftreten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht im geringen Raumbedarf und im kompakten Bauraum (Kistenmaße), der auch bei Anordnung mehrerer Stufen (z. B. zum Verdichten von Gas) nicht verloren geht. Die Möglichkeit, die Phasenlage für Auslaßöffnungsbeginn auf eine zeitlich später folgende Drehwinkelmarke zu legen als der Beginn der Arbeitsraumvolumenverringerung, bietet die Möglichkeit der "inneren Verdichtung", womit die aufzuwendende Verdichtungsarbeit reduziert werden kann. Die im Bezug auf das Arbeitsraumvolumen möglichen großen Ein- und Ausströmquerschnitte gewährleisten geringe Strömungsverluste, dies kommt besonders bei höheren Drehzahlen zum tragen. Ein besonderes Merkmal der vorgeschlagenen Maschinenart besteht darin, daß der Minimalwert des volumenvariablen Arbeitsraumes quasi Null ist, das heißt, das Arbeitmedium wird zum Ende eines Arbeit szyklusses hin quasi vollständig ausgeschoben, somit kann es zum Beispiel beim Verdichten von Gas nicht zu einer großen Rückströmrate bzw. zu einer großen Rückexpansion kommen.

In den beigefügten Zeichnungen ist in Fig. 2 der innere Aufbau der erfindungsgemäßen Maschine dargestellt, deren Funktion im vorangehenden bereits erklärt worden ist. Ein Ausführungsbeispiel für die Förderung von Fluiden oder Gasen ist in Fig. 4 abgebildet. Hierbei ist bei Blick in die obere Gehäuseöffnung, die bei Rechtsdrehung des Rotors die Einlaßöffnung darstellt, der Rotor mit den Vertiefungen und den darin befindlichen Elementen zu sehen. Die untere Gehäuseöffnung stellt die Auslaßöffnung dar, diese wird &zgr;. B. bei Förderung von einem Fluid oder &zgr;. B. bei einer Anwendung als Hydraulikpumpe oder -motor zu Beginn der Arbeitsraumvolumenverringerung mit dem Arbeitsraum verbunden, sodaß keine Kompressionsvorgänge im abgeschlossenem Arbeitsraum stattfinden können.

Dagegen ist in Fig. 6 eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der die Verbindung der Auslaßöffnung zum Arbeitsraum erst zu einer zeitlich später folgenden Drehwinkellage hergestellt wird als die beginnende Arbeitsraumvolumenverringerung, wodurch sich für das Arbeitsmedium im Arbeitsraum eine "innere Verdichtung" ergibt.

Claims (8)

1. Rollenaxialmaschine zur Förderung von Fluiden oder Gasen, zum Verdichten von Gasen, zur Anwendung als Hydraulikpumpe, als Hydraulikmotor oder als Gasdruckmotor (Druckluftantrieb) dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (12) mit zylinderförmiger oder zylinderähnlicher Grundform sich drehbar gelagert, exzentrisch in einen Gehäuse (16) mit zylinderförmiger oder zylinderähnlicher Innenkontur befindet, wobei der Rotor (12) am Umfang nutähnliche Vertiefungen besitzt, die innen am Grund ausgerundet sind und in denen sich je ein oder mehrere Elemente (14) von zylinderförmiger oder zylinderähnlicher Grundgeometrie befinden, die bei Rotation des Rotors (12) zusammen mit der räumlichen Begrenzung der (inneren) Wandflächen der nutartigen Vertiefungen und den geometrischen Ebenen, die auf beiden Stirnseiten senkrecht zur Rotordrehachse stehen, volumenvariable Arbeitsräume (18) bilden, wenn bei Rotation des Rotors (12) die sich in den am Umfang angebrachten Vertiefungen befindlichen Elemente (14) an der Gehäuseinnenwand abrollen oder gleiten.

2. Rollenaxialmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zylinderförmigen oder zylinderähnlichen Rotor (12) (auf der gekrümmten Umfangsfläche längs zur Zylinderachse) am Umfang nutähnliche Vertiefungen angebracht sind, die innen am Grund ausgerundet sind und in denen sich zylinderförmige oder zylinderähnliche Elemente (14) befinden, die sich in den am Zylinderumfang angebrachten Vertiefungen während der Drehphase zur Rotordrehachse (20) (radial) hin und davon wegbewegen können.

3. Rollenaxialmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16), in dem sich der Rotor (12) mit den in den Umfangsvertiefungen befindlichen Elementen (14) befindet, an einer oder beiden stirnseitigen Abschlußflächen mit einer oder mehreren Öffnungen (22, die gestrichelte Linie 22 beschreibt ein mögliche Form für die Einlaßöffnungen) versehen ist, die während der Drehphase, in der sich jeweils für den volumenvariablen Arbeitsraum (18) eine Raumvergrößerung ergibt, einen Zufluß oder Zustrom zu diesem Arbeitsraum (18) ermöglichen.

4. Rollenaxialmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16), in dem sich der Rotor (12) mit den in den Umfangsvertiefungen befindlichen Elementen (14) befindet, an einer oder beiden stirnseitigen Abschlußflächen mit einer oder mehreren Öffnungen (24, die gestrichelte Linie 24 beschreibt ein mögliche Form für die Auslaßöffnungen) versehen ist, die während der Drehphase, in der sich jeweils für den volumenvariablen Arbeitsraum (18) eine Raumverringerung ergibt, einen Abfluß oder ein Abströmen aus diesem Arbeitsraum (18) ermöglichen.

5. Rollenaxialmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich je ein Arbeitsraum (18) zwischen der Rotationsachse (20) des Rotors (12) und den diesen Raum begrenzenden, sich in der nutartigen Aussparung des Rotors befindenden Elements ergibt.

6. Rollenaxialmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Phasenlage, in der sich jeweils für den Arbeitsraum (18) ein Minimum ergibt, bei einer Betrachtung in einer zur Rotordrehachse (20) senkrechten Ebene, abgesehen von Toleranzen, die für die Fertigung und die Funktion erforderlich sind, die Kontur des ausgerundeten Vertiefungsgrundes eine mit etwa gleicher Geometrie beschriebene Gegenkontur zu den in den nutähnlichen Vertiefungen befindlichen Elementen (14) darstellt.

7. Rollenaxialmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Volumen der einzelnen Arbeitsräume (18), abgesehen von funktions- und fertigungsbedingten Toleranzen, also bei rein geometrischer Betrachtung, in einer Phasenlage den Wert Null annimmt.

8. Rollenaxialmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Maschinenvariante, bei der als Arbeitsmedium ein Gas vorgesehen ist, die einzelnen Arbeitsräume (18) jeweils nicht bereits zu Beginn der Phase mit Raumverringerung mit einer oder mehreren stirnseitigen Ausströmöffnungen in Verbindung sind, sondern erst bei einer anderen (zeitlich später folgenden) Drehwinkellage (siehe hierzu Fig. 6), sodaß mit Beginn der Phase der Arbeitsraumverringerung zunächst eine "Innere Verdichtung" stattfinden kann.