DE68905141T2 - Kolbenmaschine. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
• Eine bekannte Kolbenmaschine, bei der das Arbeitsmittel durch das Kurbelgehäuse hindurchleitbar ist, wäre z.B. ein 2-Takt-Sternmotor. Ausgangspunkt der Erfindung war es aber nicht, eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine zu schaffen. Es ging vielmehr darum, eine verbesserte Arbeitsmaschine zu schaffen, die auch als Kraftmaschine einsetzbar ist. Ein bekannter Vertreter einer solchen Arbeitsmaschine ist ein Hubkolbenverdichter. Dieser kann jedoch nicht als Arbeitsmaschine betrieben werden, ohne daß umfangreiche konstruktive Änderungen am Gesamtaufbau des Verdichters vorgenommen würden. Weiter arbeiten alle bekannten Verdichter üblicherweise mit Ventilsteuerung. Eine Ventilsteuerting jedoch ist verschleißanfällig und läßt aufgrund der bewegten Massen nur begrenzte Drehzahlen zu. Weiter haben alle bekannten Arbeitsmaschinen, die mit Ventilsteuerung arbeiten, einen konstruktionsbedingten Schadraum überall dort, wo Ventile oder Ventilplatten den Kolbenarbeitsraum abschließen, und sind stets so gestaltet, daß sie gleichzeitig als Rückschlagventil wirken. Der Schadraum bedingt einen schlechten Wirkungsgrad, weil in ihm verdichtetes Arbeitsmittel stets im Arbeitsraum zurückbleibt, letzterer also niemals ganz geleert werden kann. Das ergibt selbstverständlich eine Verschlechterung des Wirkungsgrades.
• Hubkolbenkompressoren, die heutzutage in Kälteanlagen eingesetzt werden, haben den Nachteil, daß die Gefahr starker Beschädigung besteht, wenn im Kältemittelkreislauf Flüssigkeit auftritt, die in den Kompressor gelangt. Üblicherweise entstehen durch den Flüssigkeitsschlag Beschädigungen an den Ventilplatten. Zur Vermeidung dieses Nachteils und weiterer Nachteile ist man bereits dazu übergegangen, Lamellenkompressoren einzusetzen, d.h. Kompressoren, die nur nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Jedoch weisen auch diese Kompressoren Nachteile auf, nämlich hoher Verschleiß an den Lamellen wegen starker Flächenpressung zwischen Lamellen und Gehäuseinnenwand an den Dichtstellen. Weiter werden bereits Taumelscheibenkompressoren eingesetzt, diese haben jedoch den Nachteil großer innerer Reibungsverluste, was ebenfalls zu einem schlechten Wirkungsgrad führt.
• Alle nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Rotationskolbenarbeitsmaschinen können auch als Kraftmaschinen eingesetzt werden. Bekannt ist beispielsweise der Einsatz von Lamellenkompressoren als Lamellenmotoren (z.B. in Pneumatikwerkzeugen als Antriebsmotoren). Die Nachteile, die solche Maschinen als Arbeitsmaschinen haben, bleiben jedoch gleichermaßen bestehen auch bei deren Nutzung als Kraftmaschinen. Darüber hinaus haben solche Kraftmaschinen einen sehr hohen Verbrauch an Arbeitsmittel, was auch einen schlechten Wirkungsgrad bedingt.
• Schließlich haben bekannte Kolbenmaschinen schlechte Größe/Leistung-Verhältnisse.
• EP-A-0 257 122 beschreibt den Stand der Technik, der den Oberbegriff des Patentanspruches 1 darstellt. Sie bezieht sich auf einen Fluidmotor, bei dem die Hinundherbewegung eines Kolbens in einem Zylinder in Umdrehung mittels einer Kurbelwelle umgewandelt wird. Ein solcher Fluidmotor enthält zwei Kolben und zwei jeweils damit verbundene Arbeitsräume. Infolgedessen ist der Wirkungsgrad eines solchen Fluidmotors vergleichbar mit dem anderer bekannter Kraftmaschinen, wie vorgenannt.
• US-A-2 366 185 bezieht sich auf einen Verdichter mit zwei Hubkolben, die in zwei Zylindern angeordnet sind. Das Kurbelgehäuse zwischen den Zylindern ist der einzige Arbeitsraum des Kompressors, da die Räume auf den gegenüberliegenden Seiten der Kolben nur der Aufnahme des zu komprimierenden Arbeitsmittels dienen. Ein solcher Verdichter kann nicht als Kraftmaschine eingesetzt werden. Sein Wirkungsgrad kann sich also nur in der Größenordnung wie bei den vorgenannten Kompressoren nach dem Stand der Technik bewegen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Kolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art bei einfacherem Aufbau und kompakterer Baugröße und stark verringertem Arbeitsmittelverbrauch den Wirkungsgrad beträchtlich zu steigern.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Bei der Kolbenmaschine nach der Erfindung strömt das Arbeitsmittel mit hohem Druck durch das Kurbelgehäuse, das somit als dritter Arbeitsraum herangezogen wird. Das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel kann also zusätzlich in dem dritten Arbeitsraum Arbeit verrichten. In dem dritten Arbeitsraum bildet sich eine oszillierende Arbeitsmittelsäule, die gegen beide Kolbeninnenseiten drückt und somit einen Druck erzeugt, der bei herkömmlichen Kolbenmaschinen an dieser Stelle nicht auftritt. Das aus den beiden Pleueln bestehende Pleuelsystem, das sich an seiner Anlenkstelle an dem Kurbelzapfen knickt und streckt, erzeugt die oszillierende Arbeitsmittelsäule und ermöglicht die erwähnte Ausnutzung des zusätzlichen Druckes.
• Wenn die Kolbenmaschine als Kraftmaschine eingesetzt wird (z.B. als mit Druckgas betriebener Expansionsmotor), addiert sich der genannte zusätzliche Druck zu dem Druck, der im Arbeitsraum eines der Kolben durch Expansion des Arbeitsmittels erzeugt wird. Wenn die Kolbenmaschine nach der Erfindung als Arbeitsmaschine betrieben wird (z.B. als Verdichter), wird das im Arbeitsraum eines der Kolben verdichtete Arbeitsmittel anschließend in den dritten Arbeitsraum geleitet, wo sein Druck den anderen Kolben bei dessen Verdichtungshub unterstützt und gleichzeitig durch das Strecken des Pleuelsystems den einen Kolben bei dessen Saughub unterstützt so daß in diesem Fall die zusätzliche Entlastung durch den Druck im dritten Arbeitsraum zur gewünschten Wirkungsgradverbesserung führt.
• Der bei der Kolbenmaschine nach der Erfindung eingesetzte Schieber ist dem ersten und zweiten Arbeitsraum nicht direkt zugeordnet, so daß Schadräume in diesen vermieden werden. Die Öffnungs- und Schließzeiten sind wesentlich exakter steuerbar als mittels der im Stand der Technik verwendeten Rückschlagventile, weil letztere durch Resonanzschwingungen zum Öffnen gebracht werden können.
• Der Arbeitsmittelverbrauch ist bei der Kolbenmaschine nach der Erfindung beträchtlich geringer als im Stand der Technik, weil für die gleiche Leistung weniger Arbeitsmittel benötigt wird, da zusätzliche Energie aus dem dritten Arbeitsraum bezogen wird. Da zur Erzeugung derselben Leistung gegenüber dem Stand der Technik weniger Arbeitsmittel benötigt wird, können der erste und zweite Arbeitsraum entsprechend kleiner gestaltet werden. Daraus ergibt sich eine wesentlich kompäktere Baugröße der Kolbenmaschine nach der Erfindung bei gleicher Leistung.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kolbenmaschine nach der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
• In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 hat der Schieber einen sehr einfachen Aufbau und gewährleistet trotzdem eine sehr exakte Steuerung. Die Anzahl der Einzelteile ist gering, da nicht nur die Kurbelwelle selbst den Drehschieber bildet, sondern darüber hinaus lediglich der Kurbelzapfen und die beiden Pleuel mit ihren Kolben und Kolbenbolzen als bewegte Teile vorhanden sind.
• In der Ausgestaltung nach Anspruch 5 bildet die Kolbenmaschine einen Außenläufer. In dieser Funktion läuft die Kolbenmaschine sehr ruhig, weil sie als bewegte Massen lediglich die oszillierenden Kolben enthält. Der umlaufende Rotor hat eine große Masse und speichert demgemäß eine große Energie, die den ruhigen Lauf der Kolbenmaschine unterstützt.
• In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 bewirken die verschiebbaren Zylinderlaufbüchsen mit Ihrem Kopfteil eine gute und verschleißarme Abdichtung. Sollte der Druck zwischen Kolben und Stator einen bestimmten Wert übersteigen, beispielsweise weil beim Komprimieren eine Flüssigkeit vorhanden ist, kann die Zylinderlaufbüchse nach innen ausweichen und somit zur Druckentlastung beitragen. Wenn ein bekannter Hochdruckkompressor längere Zeit stillsteht, bildet sich in dem Arbeitsraum des Kolbens, der sich am unteren Totpunkt befindet, erfahrungsgemäß Kondensat. Bei der Inbetriebnahme des Hochdruckkompressors hat das fast immer zur Folge, daß die Ventilplatten zu Bruch gehen (bedingt durch den oben erwähnten Flüssigkeitsstoßes). Wenn die Kolbenmaschine nach der Erfindung als Hochdruckkompressor eingesetzt wird, ist diese Gefahr beseitigt, weil die Zylinderlaufbüchsen am Anfang beim Hochlauf der Kolbenmaschine noch nicht mit hohem Druck an der Innenwand des Stators anliegen und daher Kondensat ohne weiteres in den dritten Arbeitsraum entweichen lassen, den es mit dem Arbeitsmittel verläßt.
• Die in der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 vorgesehenen Rückschlagventile sind nur bei manchen Arbeitsmitteln erforderlich, die aufgrund ihrer geringen Dichte zur Leckage neigen. Die Steueröffnungen haben einen Umfangsabstand, der gleich der Bogenlänge des Arbeitsraumes am Statorinnenumfang ist. Dadurch wird eine gute Abdichtung durch den Kopfteil jeder Zylinderlaufbüchse erzielt, und das Gehäuse braucht keine Dichtfunktion im Bereich außerhalb des Kopfteils zu erfüllen.
• In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ist der sichelförmige Zwischenraum als vierter Arbeitsraum vorgesehen (unterteilt durch den Kopfteil der Zylinderlaufbüchse). Arbeitsmittel, das im ersten oder zweiten Arbeitsraum verdichtet oder zur Expansion gebracht worden ist, wird in dem sichelförmigen Zwischenraum an den tangentialen Arbeitsflächen für zusätzlichen Druck bzw. Entlastung sorgen.
• In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 läßt sich die Dreheinstellung der Kurbelwelle beispielsweise mittels des Kältemitteldruckes in einer Kälteanlage leistungsabhängig erzielen. Mit steigendem Arbeitsmitteldruck, der auf die Zahnstange einwirkt, kann die Lage des Kurbelzapfens so geändert werden, daß beispielsweise die Füllzeit vergrößert wird. Auf diese Weise läßt sich die Förderleistung der als Kältemittelkompressor eingesetzten Kolben maschine nach der Erfindung automatisch dem Kältebedarf anpassen.
• In der Ausgestaltung der Kolbenmaschine nach Anspruch 14 besteht deren Verschleißbereich aus Keramik. Wenn die so ausgestaltete Kolbenmaschine nach der Erfindung als Kraftmaschine eingesetzt wird, eignet sie sich bestens als Kältemittelkompressor. Sie kommt nämlich ohne Ölschmierung aus. Die Vorteile der Kolbenmaschine nach der Erfindung, daß diese statt mit Ventilen mit einer Schiebervorrichtung versehen ist und, wie oben dargelegt, keinen Schadraum aufweist, sind weitere Faktoren, die sie für die Verwendung als Kältemittelkompressor bestens geeignet machen. Die Schiebersteuerung weist keine hin- und herbewegten Teile auf und ist daher wesentlich verschleißärmer als Ventile, wegen des fehlenden Schadraums können der erste und der zweite Arbeitsraum immer vollständig entleert werden und außerdem kann das Arbeitsmittel in ihnen immer vollständig verdichtet werden kann.
• Bei der Verwendung der Erfindung nach Anspruch 15 läßt sich eine Kolbenmaschinenbaugruppe beliebiger Zylinderzahl einfach durch Aneinanderreihung gleicher Kolbenmaschinen in einem gemeinsamen Gehäuse mit gemeinsamer Kurbelwelle erzielen, ohne daß die einzelnen Kolbenmaschinen an sich modifiziert zu werden brauchen. In dieser Ausgestaltung der Erfindung können einige der Kolbenmaschinen als Arbeitsmaschinen und die übrigen als Kraftmaschinen betrieben werden oder aber es können alle als Arbeitsmaschinen oder alle als Kraftmaschinen betrieben werden.
• Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
• Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung,
• Fig. 2 eine Querschnittansicht der Kolbenmaschine nach der Linie II-II in Fig. 1,
• Fig. 3a eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung,
• Fig. 3b eine Längsschnittansicht der Kolbenmaschine nach der Linie IIIb-IIIb in Fig. 3a,
• Fig. 3c die zweite Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung in einer Stellung, in der das Kurbelgehäuse gegenüber der Darstellung in Fig. 3a um 90º versetzt ist,
• Fig. 4 eine Querschnittansicht einer dritten Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung, und
• Fig. 5 eine Kolbenmaschinenbaugruppe, die mehrere Kolbenmaschinen nach Fig. 3 in Reihenanordnung und mit gemeinsamer Kurbelwelle aufweist.
• Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Kolbenmaschine, die als Kompressor (d.h. als Arbeitsmaschine) oder als Expansionsmotor (d.h. als Kraftmaschine) einsetzbar ist, wird im folgenden ausführlich in bezug auf ihren Einsatz als Kompressor beschrieben, woran sich aber jeweils noch eine kurze Darlegung in bezug auf ihren Einsatz als Expansionsmotor anschließt.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen im Längs- und Querschnitt eine erste Ausführungsform der Kolbenmaschine, die in Ihrer Gesamtheit mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Sie weist ein Ringgehäuse 12 auf, das durch einen kegelstumpfförmigen Deckel 12a und einen kreisscheibenförmigen Deckel 12b verschlossen wird, die mit dem Ringgehäuse an Flanschen 12c und 12d dicht verbunden sind. Bei der Verwendung als Kältemittelkompressor wird diese dichte Verbindung vorzugsweise durch Hartlöten oder Schweißen hergestellt. Bei Verwendung der Kolbenmaschine als Kompressor für andere Zwecke kann die dichte Verbindung anch durch Schrauben und O-Ringe (nicht dargestellt) hergestellt werden. Das durch Deckel 12a, 12b verschlossene Ringgehäuse 12 hat lediglich zwei Arbeitsmittelöffnungen 14, 16, die an die Arbeitsmittelleitungen 15 bzw. 17 angeschlossen sind.
• Das Ringgehäuse 12 enthält ein Kurbelgehäuse 18, an welchem zwei diametral entgegengesetzte Zylinder 20, 22 an geformt sind. Die Zylinder enthalten jeweils eine Zylinderlaufbüchse 21 bzw. 23. Die beiden Zylinder sind außen jeweils durch eine Platte 24 bzw. 26 verschlossen. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die Platten 24, 26 an dem Kurbelgehäuse 18 mittels Schrauben 28 befestigt. Weiter ist in Fig. 2 zu erkennen, daß das Kurbelgehäuse 18 einen im Querschnitt im wesentlichen zylindrischen inneren Teil aufweist, an welchem oben und unten die beiden Zylinder 20 bzw. 22 angeformt sind. Die äußeren Enden der Zylinder sind durch bogenförmige Teile des Kurbelgehäuses miteinander verbunden, die innen durch diametral entgegensetzte Rippen mit dem zylindrischen inneren Teil einstückig verbunden sind, wie es in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist.
• Gemäß der Darstellung in Fig. 1 schließt sich an den zuvor beschriebenen Teil des Kurbelgehäuses, der sich im wesentlichen innerhalb des Ringgehäuses 12 befindet, nach rechts ein nabenförmiger Teil an, der sich im wesentlichen innerhalb des kegelstumpfförmigen Deckels 12a befindet und an dem übrigen Kurbelgehäuse 18 ebenfalls angeformt ist. In diesem nabenförmigen Teil des Kurbelgehäuses 18 ist eine Kurbelwelle 30 mittels Kugellagern 32, 34 drehbar befestigt. Am linken Ende in Fig. 1 trägt die Kurbelwelle 30 einen Kurbelzapfen 36, an dem zwei Pleuel 38, 40 an ihren inneren Enden drehbar angelenkt sind. Zwei in den Zylindern 20, 22 verschiebbar angeordnete Kolben 42, 44 sind mit den äußeren Enden der Pleuel 38, 40 durch Kolbenbolzen 46 bzw. 48 drehbar verbunden. Die Kurbelzapfen- und Pleuelanordnung 36, 38, 40 verbindet die Kolben 42, 44 mit der Kurbelwelle 30. Zwischen jeder Stirnseite der Kolben 42, 44 und jeder gegenüberliegenden Platte 24 bzw. 26 ist jeweils ein Arbeitsraum 50 und 52 gebildet, in welchem das Arbeitsmittel im Falle des Kompressors verdichtet und im Falle des Expansionsmotors entspannt wird. Der Raum in dem Kurbelgehäuse 18 zwischen der Kurbelwelle 30 und dem Deckel 12b sowie zwischen den Innenseiten der Kolben 42, 44 bildet einen dritten Arbeitsraum 54, der mit der Arbeitsmittelleitung 15 verbunden ist.
• Bei der Kolbenmaschine nach den Fig. 1 und 2 ist die Kurbelwelle 30 als Drehschieber ausgeführt, der den Strom des Arbeitsmittels innerhalb der Kolbenmaschine 10 zwangssteuert. Zu diesem Zweck weist die Kurbelwelle zwei winkelversetzte Steuerbohrungen 56, 58 auf. Die Steuerbohrung 56 führt von dem dritten Arbeitsraum 54 zu einem Kanal 60 in der Kurbelgehäusewand, der mit dem Arbeitsraum 50 verbunden ist. Die Steuerbohrung 58 führt von einem Kanal 62 in der Kurbelgehäusewand, der mit dem Arbeitsraum 52 verbunden ist, zu der Arbeitsmittelöffnung 16. Die gegenseitige Winkelversetzung (in Drehrichtung der Kurbelwelle 30) ist dabei so gewählt, daß wenn die Steuerbohrung 56 den Arbeitsraum 50 mit dem Arbeitsraum 54 verbindet, die Steuerbohrung 58 gleichzeitig oder später den Arbeitsraum 52 mit der Arbeitsmittelöffnung 16 verbindet. Die Verbindung zwischen der Steuerbohrung 58 und der Arbeitsmittelöffnung 16 besteht dabei über den Innenraum des Ringgehäuses 12.
• Der Kurbelzapfen 36 ist in eine Sackbohrung 37 der Kurbelwelle 30 eingesetzt. Eine diametral gegenüberliegende weitere Sackbohrung 39 nimmt ein nicht dargestelltes Auswuchtgewicht auf. Wenn die Drehrichtung der Kolbenmaschine umgekehrt werden soll, wird der Kurbelzapfen 36 in die Sackbohrung 39 und das Auswuchtgewicht in die Sackbohrung 37 eingesetzt. Die Kurbelwelle 30 hat an ihrem rechten Ende einen mit ihr fest verbundenen Eisenkern 64, der Teil einer ansonsten nicht weiter dargestellten und außerhalb des Ringgehäuses 12 vorgesehenen Magnetkupplung ist. Dieser nicht dargestellte Teil der Magnetkupplung sitzt auf einem Kugellager 66 und wird durch einen ebenfalls nicht dargestellten Elektromotor oder dgl. angetrieben. Bei erregter Magnetkupplung wird infolgedessen der Eisenkern 64 mitgenommen und so die Kurbelwelle 30 in Drehung versetzt. Auf diese Weise läßt sich der Kompressor antreiben, ohne daß Wellendurchführungen und dgl. erforderlich sind. Sämtliche aufeinander gleitende Teile der Kolbenmaschine und allgemein alle Verschleißteile der Kolbenmaschine sind mit Keramik (z.B. Oxidkeramik) beschichtet. Die Kolbenmaschine bedarf daher keiner Schmierung durch übliche Schmiermittel wie Öl oder dgl.
• Bei der Verwendung der Kolbenmaschine nach den Fig. 1 und 2 als Kältemittelverdichter wird das Kältemittel, das in diesem Fall das Arbeitsmittel darstellt, über die Arbeitsmittelleitung 17 angesaugt. Das Kältemittel gelangt über Steuerbohrung (58) und Kanal (60, 62) in einen Arbeitsraum (50, 52) und wird darin verdichtet. Nach der Verdichtung gelangt das Kältemittel über eine Steuerbohrung (56) in den dritten Arbeitsraum 54, wo der Kältemitteldruck den einen Kolben bei seinem nächsten Verdichtungshub unterstützt und gleichzeitig durch das Strecken des aus den beiden Pleueln 38, 40 bestehenden Pleuelsystems den anderen Kolben bei dessen Saughub unterstützt, und von dort zu der Arbeitsmittelöffnung 14, über die das verdichtete Kältemittel austritt. Die Kolben 42, 44 sind, wie dargestellt, über die Pleuel 38 bzw. 40 mit demselben exzentrischen Kurbelzapfen 36 verbunden, was dazu führt, daß sich der eine Kolben am oberen Totpunkt befindet, wenn sich der andere Kolben am unteren Totpunkt befindet, und umgekehrt.
• Wenn die Kolbenmaschine 10 nach den Fig. 1 und 2 als Kraftmaschine betrieben wird, also als mit Druckgas betriebener Expansionsmotor, gelangt das Druckgas über die Arbeitsmittelleitung 15 in den dritten Arbeitsraum 54. Die Kolbenmaschine kann also wahlweise als Kraft- oder Arbeitsmaschine eingesetzt werden, ohne daß bauliche Änderungen erforderlich sind. Bei dem Betrieb als Expansionsmotor treibt das Druckgas über die Kolben 42, 44 und die Pleuel 38, 40 die Kurbelwelle 30 an, die über den Eisenkern 64 und den übrigen Teil der nicht dargestellten Magnetkupplung den dann als Generator laufenden Elektromotor (ebenfalls nicht dargestellt) antreibt. Die gleichzeitige Verwendung von solchen Kolbenmaschinen als Arbeitsmaschinen und Kraftmaschinen in einer Kolbenmaschinenbaugruppe wird weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.
• In den Figuren 3a-3c tragen gleiche Teile wie in den Figuren 1 und 2 jeweils um 300 erhöhte Bezugszahlen. Die Fig. 3a - 3c zeigen eine insgesamt mit 310 bezeichnete zweite Ausführungsform der Kolbenmaschine, bei der die Schiebervorrichtung zwar ebenfalls ein Drehschieber ist, jedoch der Rotor des Drehschiebers durch das Kurbelgehäuse 318 gebildet ist, der Stator des Drehschiebers das Ringgehäuse 312 ist und die Kurbelwelle 330 feststehend ist. Die Zylinderlaufbüchsen 321 und 323 sind pilzförmig ausgebildet und im Kurbelgehäuse 318 verschiebbar angeordnet. Die Platten 24, 26 der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3a - 3c nicht vorhanden.
• Die Kopfteile der Zylinderlaufbüchsen 321, 323 haben innen parallele ebene Flächen, mit denen sie sich an benachbarte Schultern des Kurbelgehäuses 318 anlegen können, und außen Zylinderflächen, welche die gleiche Krümmung wie die Innenwand des Ringgehäuses 312 haben. Die Zylinderlaufbüchsen 321, 323 sind in ihre Zylinder 320 bzw. 322 mit Gleitsitz eingepaßt, so daß sie sich bei rotierendem Kurbelgehäuse 318 durch Fliehkraft an die Innenwand des Ringgehäuses 312 anlegen und die Arbeitsräume 350 bzw. 352 stirnseitig abdichten. Das den Stator bildende Ringgehäuse 312 ist in ein Außengehäuse 370 eingesetzt und weist, wie dargestellt, zwei bogenförmige Ausnehmungen 372, 374 am Innen- bzw. Außenumfang auf. Die Ausnehmung 372 am Innenumfang ist mit dem dritten Arbeitsraum 354 über einen Spalt 380 verbunden, der zwischen einem Abschlußdeckel 381 und dem Kurbelgehäuse 318 gebildet ist. Die Kurbelwelle 330 hat eine Bohrung 356, die über einen neben dem Kugellager 332 vorgesehenen Spalt mit dem Spalt 380 in Verbindung steht. Die Bohrung 356 der Kurbelwelle mündet an der rechten Kurbelwange über eine Öffnung 356a direkt in den dritten Arbeitsraum 354. Die bogenförmige Ausnehmung 372 erstreckt sich umfangsmäßig über eine Bogenlänge von ca. 160º und axial von einer Stelle rechts von der Mittelebene des Schnittes in Fig. 3b bis zur Innenseite des Abschlußdeckels 381.
• Die bogenförmige Ausnehmung 374 am Außenumfang ist eine äußere Nut, die sich umfangsmäßig über eine Bogenlänge von ca. 180º erstreckt und über in dem Ringgehäuse 312 gebildete Steueröffnungen 376 mit der Innenseite des Ringgehäuses 312 in Verbindung steht. Der gegenseitige Umfangsabstand der Steueröffnungen 376 ist größer als die oder gleich mit der Bogenlänge jedes Arbeitsraumes 350, 352. Andererseits steht die Ausnehmung 374 mit der Arbeitsmittelöffnung 316 in dem Außengehäuse 370 über einen als Bohrung ausgebildeten Kanal in Verbindung. Die Steueröffnungen 376 sind mit von innen nach außen aufdrückbaren Rückschlagventilen 378 versehen.
• Auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 3a - 3c sind alle aufeinander gleitenden Teile und allgemein alle Verschleißbereiche mit Keramik (z.B. Oxidkeramik) beschichtet oder aus Keramik hergestellt.
• Bei der Verwendung der Kolbenmaschine nach den Fig. 3a - 3c als Kältemittelkompressor wird das das Arbeitsmittel bildende Kältemittel durch die Arbeitsmittelöffnung 316 in den Arbeitsraum 350 gesaugt, wo es verdichtet wird. Gleichzeitig wird der zweite Arbeitsraum 352 mit dem dritten Arbeitsraum 354 durch die gegenseitige Winkelversetzung der bogenförmigen Ausnehmungen 372, 374 verbunden. Später verbindet die Ausnehmung 374 über eine der Steueröffnungen 376 den zweiten Arbeitsraum 352 mit der Arbeitsmittelöffnung 316, durch die das Kältemittel eindringt. Auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 3a sind die Kolben 342, 344, wie dargestellt, über die Pleuel 338 bzw. 340 mit demselben exzentrischen Kurbelzapfen 336 verbunden, weshalb sich der eine Kolben am oberen Totpunkt befindet, wenn sich der andere Kolben am unteren Totpunkt befindet, und umgekehrt. Das im Arbeitsraum 350 des Kolbens 342 verdichtete Kältemittel gelangt anschließend in den dritten Arbeitsraum 354, wo der Kältemitteldruck den einen Kolben bei seinem nächsten Verdichtungshub unterstützt und gleichzeitig durch das Strecken des aus den beiden Pleueln 338, 340 bestehenden Pleuelsystems den anderen Kolben bei dessen Saughub unterstützt.
• Wenn die Kolbenmaschine 310 nach den Fig. 3a - 3c als Kraftmaschine betrieben wird, arbeitet sie analog der Kolbenmaschine nach Fig. 1 und 2, weshalb auf die obige Beschreibung verwiesen wird.
• Die in Fig. 4 dargestellte und insgesamt mit 410 bezeichnete dritte Ausführungsform der Kolbenmaschine hat grundsätzlich im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 3a - 3c (der Übersichtlichkeit halber ist von den beiden bogenförmigen Ausnehmungen nur die Ausnehmung 474 in Fig. 4 dargestellt worden). Es werden daher nur die wesentlichen Unterschiede beschrieben, wobei gleiche Teile wie in Fig. den 3a- 3c jeweils um 100 erhöhte Bezugszahlen tragen.
• Das Kurbelgehäuse 418 hat einen kleineren Durchmesser als das Ringgehäuse 412. Die Kurbelwelle 430 ist exzentrisch befestigt, so daß ein sichelförmiger Zwischenraum 480 zwischen dem Ringgehäuse 412 (Stator) und dem Kurbelgehäuse 418 (Rotor) gebildet ist. Die Kopfteile der Zylinderlaufbüchsen 421, 423 haben Arbeitsflächen A. In der in Fig. 4 dargestellten Stellung des Kurbelgehäuses 418 wird der sichelförmige Zwischenraum 480 durch den Kopf der Zylinderlaufbüchse 423 gerade hälftig geteilt, so daß die eine Arbeitsfläche A die eine Hälfte und die andere Arbeitsfläche A die andere Hälfte des Zwischenraumes 480 begrenzt.
• Das Außengehäuse 470 enthält oben eine Kammer 485, in der ein Rollmembrankolben 486, wie dargestellt, befestigt ist. Der Raum oberhalb des Rollmembrankolbens 486 ist ein Druckraum, der bei Verwendung der Kolbenmaschine als Kältekompressor mit Kältemitteldruck beaufschlagt ist. Diesem Druck wirkt eine unter dem Rollmembrankolben 486 angebrachte Schraubenfeder 487 entgegen. Die Zylinderlaufbüchsen 421 und 423 sind mittels Stangen 492, 494 starr miteinander verbunden und somit im Zylinder 420 nur gemeinsam verschiebbar. Eine Kolbenstange 488 des Rollmembrankolbens 486 ist als Zahnstange ausgebildet, die mit einem mit der Kurbelwelle 430 drehfest verbundenen Ritzel 489 kämmt. Die Zahnstange ist durch Beaufschlagung des Rollmembrankolbens 486 mit dem Kältemitteldruck in der Kammer 485 betätigbar. Auf diese Weise ist die Kurbelwelle 430 dreheinstellbar.
• Die Kolbenmaschine ist in Fig. 4 in der Mittelstellung dargestellt, die für normalen Druck gilt. Wenn der Kältemitteldruck in der Kammer 485 steigt, wird die Kurbelwelle 430 verdreht und dadurch die Steuerzeit so geändert, daß der Arbeitsraum über einem der beiden Kolben 442, 444, in den eingesaugt wird, nicht mehr vollständig gefüllt wird. Dadurch sinkt die Förderleistung entsprechend. Dadurch wiederum wird der Kältemitteldruck in der Kammer 485 geringer, so daß die Kurbelwelle wieder in Richtung ihrer für normalen Druck geltenden (dargestellten) Stellung verdreht wird. Bei gegenüber dieser Stellung der Kurbelwelle in der Kammer 485 sinkendem Druck spielt sich der umgekehrte Vorgang ab.
• Bei der Kolbenmaschine gemäß Fig. 4 dient der sichelförmige Zwischenraum 480 als vierter Arbeitsraum, und zwar jeweils nur einer der beiden Teile des Zwischenraums, die den Arbeitsflächen A zugewandt ist. Eine Überströmbohrung 490, die in dem Ringgehäuse 412 an der in Fig. 4 angezeigten Stelle gebildet ist, steht über die bogenförmige Ausnehmung 474 am Außenumfang des Ringgehäuses 412 mit dem Arbeitsraum 452 über eine der Steueröffnungen 476 in Verbindung. Wenn die Zylinderlaufbüchse 423 ihre in Fig. 4 gezeigte Stellung erreicht hat, gelangt das in dem Arbeitsraum 452 komprimierte Kältemittel auf dem vorstehend beschriebenen Weg in den in Fig. 4 linken Teil des Zwischenraums 480. Das Kurbelgehäuse dreht sich in Fig. 4 in diesem Fall im Gegenuhrzeigersinn. Das komprimierte Kältemittelgas expandiert nun in diesem Teil des Zwischenraums 480 und treibt die Zylinderlaufbüchse 423 durch Beaufschlagung von deren linker Arbeitsfläche A zusätzlich an, bis der Arbeitsraum 452 mit der Arbeitsmittelöffnung 416 in Verbindung kommt, die nach außen führt und über die dann der genannte Teil des sichelförmigen Zwischenraums 480 entleert wird. Dabei unterstützt der Kopf der Zylinderlaufbüchse 421 das Ausstoßen des Kältemittels über die Arbeitsmittelöffnung 416.
• Fig. 5 zeigt die Verwendung von vier Kolbenmaschinen 510a - 510d in einem gemeinsamen Außengehäuse 570 und mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 530. Die Kurbelwelle 530 besteht aus den Segmenten 530a-530e, die miteinander verschraubt sind. Zwischen dem Kolbenmaschinenpaar 510a, 510b einerseits und dem Kolbenmaschinenpaar 510c, 510d andererseits ist eine Magnetkupplung 502 angeordnet. Die Kolbenmaschinen 510a - 510d haben den gleichen Aufbau wie die Kolbenmaschine 310 nach den Fig. 3a-3c. Das Kolbenmaschinenpaar 510a, 510b wirkt auf die gleiche Arbeitsmittelöffnung 514. Gleiches gilt für das Kolbenmaschinenpaar 510c, 510d. Die Arbeitsmittelöffnung 516 des einen Paares ist mit der des anderen Paares durch eine Überströmleitung 504 verbunden, und beide Arbeitsmittelöffnungen 516 sind als das Außengehäuse 570 umfangsmäßig durchsetzende Ringkanäle ausgebildet. Die dritten Arbeitsräume 554a-554d der Kolbenmaschinen sind durch eine die Kurbelwelle 530 auf ihrer gesamten Länge durchsetzende Bohrung 556 miteinander verbunden. Am linken Ende ist die Bohrung 556 mit der Arbeitsmittelöffnung 514 verbunden, am anderen Ende ist sie durch einen Stopfen 505 verschlossen. Die Magnetkupplung 502 hat zwei strichpunktiert angedeutete Trennebenen T1, T2. Wenn die Magnetkupplung nicht erregt ist, sind das linke und das rechte Kolbenmaschinenpaar unabhängig voneinander betreibbar, und zwar jeweils als Expansionsmotor oder als Kompressor. Wenn das linke Kolbenmaschinenpaar als Expansionsmotor arbeitet, kann das rechte Kolbenmaschinenpaar durch Erregen der Magnetkupplung wahlweise zugeschaltet werden. Gleiches gilt, wenn das linke Kolbenmaschinenpaar als Kompressor arbeitet, wobei dann das rechte Kolbenmaschinenpaar als weiterer Kompressor zugeschaltet werden kann. Die Überströmleitung 504 ist mit einer Sammelleitung über einen Anschluß 506 verbunden. Wenn alle Kolbenmaschinen als Kompressor arbeiten, wird Arbeitsmittel über die Arbeitsmittelöffnung 516 angesaugt. Wenn alle Kolbenmaschinen als Expansionsmotor arbeiten, wird expandiertes Gas durch den Anschluß 506 ausgeführt.
• Wenn das eine Kolbenmaschinenpaar als Expansionsmotor und das andere Kolbenmaschinenpaar als Kompressor betrieben werden soll, wird die Überströmleitung 504 versperrt (z.B. durch einen nicht dargestellten Schieber). Ebenso wird die Bohrung 556 in der Kurbelwelle 530 im Bereich zwischen den beiden Trennebenen T1 und T2 versperrt (z.B. durch einen gestrichelt angedeuteten Pfropfen 507). Dann arbeiten beide Kolbenmaschinenpaare auf der weiter oben mit Bezug auf die Fig. 3a - 3c beschriebenen Weise unabhängig voneinander
• Wenn z.B. das rechte Kolbenmaschinenpaar 510c, 510d als Arbeitsmaschine, d.h. als Kompressor, betrieben wird, ist neben dem Abschlußdeckel 591 so wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 eine weitere Magnetkupplung (nicht dargestellt) vorgesehen, die mit einem Drehantrieb versehen ist und durch den Abschlußdeckel 581 hindurch einen Eisenkern 564 mitnimmt, der mit dem Kurbelgehäuse 518 drehfest verbunden ist. Der Einfachheit halber ist in Fig. 5 statt eines gesonderten Eisenkerns 564 wenigstens der rechte Teil des Kurbelgehäuses 518 aus Eisen hergestellt.

Claims (15)

1. Kolbenmaschine beinhaltend;

- zwei Kolben (42, 44), die über Pleuel (38, 40) mit einem einzelnen exzentrischen Kurbelzapfen (36) einer mittig angeordneten Kurbelwelle (30) verbunden sind,

- Bilden eines ersten und zweiten Arbeitsraums (50, 52) in zwei Zylindern (20, 22), die 180º entfernt voneinander angeordnet sind, so daß, wenn ein Kolben im oberen Totpunkt ist, der andere im unteren Totpunkt ist,

- wobei die Kurbelzapfen- und Pleuelanordnung (36, 38, 40) in einem Kurbelgehäuse (18) angeordnet ist,

- wobei die Maschine weiter einen Schieber und Steuerdurchlässe aufweist, über die Arbeitsmittel in den und aus dem ersten und zweiten Arbeitsraum (50. 52) geleitet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Schieber und die Steuerdurchlässe so angeordnet sind, daß Hochdruckarbeitsmittel durch das Kurbelgehäuse (18) hindurchgeht,

- welches aufgrund des Druckes des Arbeitsmittels, das auf die Unterseite der Kolben (42, 44) wirkt, als ein dritter Arbeitsraum (54) wirkt.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber einen Drehschieber aufweist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (30) selbst den Drehschieber bildet.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber zwei winkelversetzte Steuerbohrungen (56, 58) als die Steuerdurchlässe aufweist, von denen die eine vom dritten Arbeitsraum (54) zu einem ersten Kanal (60) in der Kurbelgehäusewand, der mit dem ersten Arbeitsraum (50) verbunden ist, und die andere von einem zweiten Kanal (62) in der Kurbelgehäusewand, der init dem zweiten Arbeitsraum (52) verbunden ist, zu einer Arbeitsmittelöffnung führt.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber ein Drehschieber ist, dessen Rotor durch das Kurbelgehäuse (318) gebildet und dessen Stator ein Ringgehäuse (312) ist, und daß die Kurbelwelle (330) im Betrieb feststehend ist.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch im Kurbelgehäuse (330) verschiebbar angeordnete, den ersten bzw. zweiten Arbeitsraum (350, 352) umschließende Zylinderlaufbüchsen (321, 323), die zur stirnseitigen Abdichtung mit ihrem Kopfteil an der Innenwand des Ringgehäuses (312) anliegen.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (312) in ein Außengehäuse (370) eingesetzt ist und zwei bogenförmige Ausnehmungen (372, 374) am Außen- bzw. Innenumfang aufweist, von denen die am Innenumfang mit dem dritten Arbeitsraum (354) und die am Außenumfang einerseits über Steueröffnungen (376) mit der Innenumfangsfläche und andererseits mit einer Arbeitsmittelöffnung in Verbindung ist.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (376) mit von innen nach außen aufdrückbaren Rückschlagventilen (378) versehen sind.

9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (43) exzentrisch befestigt ist, so daß ein sichelförmiger Zwischenraum (480) zwischen Stator (412) und Rotor (418) gebildet ist, und daß die Kopfteile der Zylinderlaufbüchsen (421, 423) Arbeitsflächen (A) haben, die in dem sichelförmigen Zwischenraum (480) abwechselnd mit Arbeitsmitteldruck beaufschlagbar sind.

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinderlaufbüchsen (421, 423) starr miteinander verbunden sind.

11. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (330; 430) dreheinstellbar ist.

12. Kolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dreheinstellung der Kurbelwelle (430) eine Zahnstange (488) vorgesehen ist, die mit einem mit der Kurbelwelle (430) drehfest verbundenen Ritzel (489) kämmt.

13. Kolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstange (488) durch Beaufschlagung mit dem Arbeitsmittel betätigbar ist.

14. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest alle aufeinander gleitenden Teile der Kolbenmaschine (10; 310; 410; 510) mit Keramik beschichtet oder aus Keramik hergestellt sind.

15. Verwendung von mehreren Kolbenmaschinen (510a-510d) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in einem gemeinsamen Außengehäuse (570) und mit gemeinsamer Kurbelwelle (530).