DE20300753U1

DE20300753U1 - Rolling axial machine has cylindrical rotor eccentrically located in cylindrical housing and with slot-like recesses on circumference with rounded base and in which locate one or more elements of cylindrical base geometry

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Publication number: DE20300753U1
Application number: DE20300753U
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Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2013-01-18

Abstract

The rolling axial machine has a cylindrical rotor (12) eccentrically located in a housing (16) with a cylindrical internal contour. The rotor has slot-like recesses on its circumference which are rounded in their base and in which locate one or more elements (14) of cylindrical base geometry. When the rotor rotates the latter elements form volume-variable working chambers as the elements roll or slide over the inner wall of the housing.

Description

RollenaxialmaschineRoller axial machine

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).The invention relates to the field of machines for conveying fluids and gases, for compressing gases, for use as hydraulic motors, as hydraulic pumps and as gas pressure motors (compressed air drives).

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.Of the known machines, Roots compressors, for example, have high demands on manufacturing precision in order to ensure contact-free movement of the compressing parts, together with the gear pair required for the phase position and the tolerances required for function and production. This type of compressor also involves a high level of manufacturing effort due to the required geometric shape of the compressor elements. Furthermore, this type of positive displacement charger, in which no "internal compression" is possible, requires a high level of compression work.

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.Vane cell compressors offer the possibility of "internal compression" to a certain degree, but require a relatively complex geometry of the individual components. A lubrication system is required for reciprocating piston compressors. In addition, this type of compressor has rotating and oscillating mass components, so that it is often not possible to create a machine that is free of first and second order inertia forces and free of first and second order inertia moments without appropriate measures. On the other hand, the achievable compression ratio is limited by the dead space present in this type of design. In order to achieve high compression of gases, several compression stages are often provided in machines of this type, which requires major concessions in terms of the required installation space and compactness. In the field of hydraulic pumps, designs are particularly well known that are based on the reciprocating piston principle, the vane cell principle or the gear pump principle, similar to screw compressors.

Alle diese weisen jedoch einen relativ komplexen Aufbau mit oft relativ vielen unterschiedlichen Bauteilen von zum Teil aufwendiger Geometrie auf.However, all of these have a relatively complex structure with often a relatively large number of different components, some of which have complex geometries.

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.The invention is based on the object of creating a machine for conveying liquids and gases, for compressing gases, for possible use as a hydraulic pump and/or as a hydraulic motor and for use as a compressed gas motor (compressed air drive), which is characterized in its construction by a small number of components of simple geometric shape.

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.This object is achieved according to the invention in that a machine is provided which has a rotor (12) which is rotatably mounted eccentrically in a housing (16) with a cylindrical or cylinder-like inner contour. The rotor (12) has groove-like depressions on the circumference which are rounded at the base. In each of these depressions there is an element (14) with a cylindrical or cylinder-like geometry. The housing (16) is delimited on both front sides by a plane which is each perpendicular to the axis of rotation (20) of the rotor (12). The volume-variable working spaces (18) of this machine are each delimited by a surface area of the groove-like depressions, a peripheral surface area of the elements located in the depressions and a surface area of the respective front-side planes. In one or both of these levels, one or more inlet openings (22, the dashed line 22 describes a possible shape of the inlet opening) are provided, which allow an inflow or flow to these working spaces during the phase of increasing the working space. In one or both of these levels, one or more outlet openings (24, the dashed line 24 describes a possible shape of the outlet opening) are provided, which allow an outflow or flow away from these working spaces during the phase of reducing the working space.

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.If, in the arrangement in Fig. 2, the rotor (12) rotates clockwise (right rotation), then, starting with the phase position in which a working chamber has a minimum volume, an increase in volume will be seen with progressive clockwise rotation, reaching its maximum at a phase position 180° later. During this rotation phase of the volume increase, a working medium (gas or fluid) can flow in or stream in through the inlet openings in one or both front housing walls. When the rotation phase of the volume increase of the working chamber ends, the connection between the inlet channel and the working chamber is also ended. When the rotation phase begins, which is accompanied by a reduction in the volume of the working chamber, the working chamber is connected to the outlet opening or openings, so that the working medium can flow out or stream out of the working chamber. If a gas is intended as the working medium, the connection of the working chamber to the outlet opening(s) can only take place when the volume reduction of the working chamber is already advanced (see Fig. 6), so that an "internal compression" can take place in the working chamber. When the rotation phase, which is accompanied by a reduction in the volume of the working chamber, ends, the volume of the working chamber is reduced to a value of zero and the connection to the outlet channel is terminated, i.e. the working medium is completely expelled. When the rotation phase with the reduction in the volume of the working chamber in question ends, the rotation phase of the space enlargement begins again, which also results in the connection of the working chamber to the inlet opening(s) again.

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.A machine of the proposed type is characterized by a simple structure and requires a small number of machine-specific components. The number of different component shapes is also small. Furthermore, the individual component shapes are constructed from relatively simple basic geometric shapes. All of this helps to keep the manufacturing and production costs low. Furthermore, the proposed machine type has no oscillating components, it only has rotating components, which means that no free mass forces of the first and second order and no free mass moments of the first and second order occur. A further advantage of the invention is the small space requirement and the compact installation space (box dimensions), which is not lost even when several stages are arranged (e.g. for compressing gas). The possibility of setting the phase position for the start of the outlet opening to a rotation angle mark that follows later than the start of the work space volume reduction offers the possibility of "internal compression", which can reduce the compression work required. The large inlet and outlet cross-sections possible in relation to the working chamber volume ensure low flow losses, which is particularly important at higher speeds. A special feature of the proposed machine type is that the minimum value of the volume-variable working chamber is virtually zero, i.e. the working medium is virtually completely expelled towards the end of a working cycle, so that a large backflow rate or a large back expansion cannot occur, for example, when compressing gas.

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.In the accompanying drawings, Fig. 2 shows the internal structure of the machine according to the invention, the function of which has already been explained above. An exemplary embodiment for the conveyance of fluids or gases is shown in Fig. 4. When looking into the upper housing opening, which represents the inlet opening when the rotor rotates clockwise, the rotor with the recesses and the elements located therein can be seen. The lower housing opening represents the outlet opening, which is connected to the working chamber at the beginning of the reduction in the working chamber volume (e.g. when conveying a fluid or when used as a hydraulic pump or motor), so that no compression processes can take place in the closed working chamber.

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.In contrast, Fig. 6 shows a variant in which the connection of the outlet opening to the working chamber is only established at a rotational angle position that follows later than the beginning of the reduction in the working chamber volume, which results in an "internal compression" of the working medium in the working chamber.

Claims

1. Roller axial machine for conveying fluids or gases, for compressing gases, for use as a hydraulic pump, as a hydraulic motor or as a gas pressure motor (compressed air drive), characterized in that a rotor ( 12 ) with a cylindrical or cylinder-like basic shape is rotatably mounted, eccentrically in a housing ( 16 ) with a cylindrical or cylinder-like inner contour, the rotor ( 12 ) having groove-like depressions on the circumference, which are rounded on the inside at the base and in each of which one or more elements ( 14 ) of a cylindrical or cylinder-like basic geometry are located, which, when the rotor ( 12 ) rotates, together with the spatial limitation of the (inner) wall surfaces of the groove-like depressions and the geometric planes which are perpendicular to the rotor rotation axis on both end faces, form volume-variable working spaces ( 18 ) when, when the rotor ( 12 ) rotates, the elements (14) located in the depressions on the circumference ( 14 ) roll or slide along the inner wall of the housing.

2. Roller axial machine according to claim 1, characterized in that in a cylindrical or cylinder-like rotor ( 12 ) (on the curved circumferential surface along the cylinder axis) groove-like depressions are provided on the circumference, which are rounded on the inside at the base and in which cylindrical or cylinder-like elements ( 14 ) are located, which can move in the depressions provided on the cylinder circumference during the rotation phase towards and away from the rotor rotation axis ( 20 ) (radially).

3. Roller axial machine according to claim 1, characterized in that the housing ( 16 ) in which the rotor ( 12 ) with the elements ( 14 ) located in the circumferential recesses is located is provided on one or both end faces with one or more openings (22, the dashed line 22 describes a possible shape for the inlet openings) which allow an inflow or inflow to this working space ( 18 ) during the rotation phase in which there is an increase in space for the volume-variable working space ( 18 ).

4. Roller axial machine according to claim 1, characterized in that the housing ( 16 ) in which the rotor ( 12 ) with the elements ( 14 ) located in the circumferential recesses is located is provided on one or both end faces with one or more openings (24, the dashed line 24 describes a possible shape for the outlet openings) which allow an outflow or an outflow from this working space ( 18 ) during the rotation phase in which a reduction in space occurs for the volume-variable working space ( 18 ).

5. Roller axial machine according to claim 1, characterized in that a working space ( 18 ) is formed between the axis of rotation ( 20 ) of the rotor ( 12 ) and the element delimiting this space and located in the groove-like recess of the rotor.

6. Roller axial machine according to claim 1, characterized in that in the phase position in which a minimum is obtained for the working space ( 18 ), when viewed in a plane perpendicular to the rotor rotation axis ( 20 ), apart from tolerances which are necessary for production and function, the contour of the rounded recess base represents a counter contour described with approximately the same geometry to the elements ( 14 ) located in the groove-like recesses.

7. Roller axial machine according to claim 1, characterized in that the variable volume of the individual working spaces ( 18 ), apart from functional and manufacturing tolerances, i.e. from a purely geometrical point of view, assumes the value zero in one phase position.

8. Roller axial machine according to claim 1, characterized in that in a machine variant in which a gas is provided as the working medium, the individual working spaces ( 18 ) are not connected to one or more front-side outflow openings at the beginning of the phase with space reduction, but only at a different (later following) angle of rotation position (see Fig. 6), so that at the beginning of the phase of the working space reduction an "internal compression" can initially take place.