EP0102555B1

EP0102555B1 - Drehkolben-Maschine

Info

Publication number: EP0102555B1
Application number: EP83107898A
Authority: EP
Inventors: Robert C. Groll
Original assignee: Rcs Rotary Compression Systems Sa
Current assignee: Rcs Rotary Compression Systems Sa
Priority date: 1982-08-16
Filing date: 1983-08-10
Publication date: 1987-12-02
Also published as: GB2126282A; EP0102555A1; ATE31200T1; GB8303645D0; GB2126282B; DE3374832D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolben-Maschine mit in einem Gehäuse exzentrisch gelagertem Drehkolben, der auf den Umfang verteilte, in ihm drehbar gelagerte, mit ihren Achsen parallel zur Drehkolbenwelle verlaufende Walzen aufweist, in denen mit der Gehäuseinnenwand zusammenwirkende, auf die Achse des Gehäuses radial ausgerichtet gehaltene Flügel geführt und in ihrem radialen Abstand zur Gehäuseachse durch Stangen fixiert sind, wobei der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben über entsprechenende Lagerschilde und Lager derart im Gehäuse gelagert ist, daß er über seine gesamte Tiefe an einer Stelle die Gehäuseinnenwand gleitend berührt, wobei

a) die die Flügel führenden Walzen über ihre ganze Länge - bis auf radiale Durchbrüche in den Walzen für die die radiale Halterung der Flügel bildenden Stangen - den gleichen Querschnitt aufweisen und sie füllen querschnittsgleich die axiale Tiefe des Gehäuses aus ;
b) die Walzen nehmen die ebenfalls über ihre ganze Länge querschnittsgleichen Flügel in die Walzen nur teilweise durchsetzenden Schlitzen auf ;
c) die Tiefe der die Flügel aufnehmenden Schlitze der Walzen ist mindestens so groß, wie das radiale Höhenmaß der an ihren äußeren Enden dem Krümmungsradius der Gehäuseinnenwand angepaßten Flügel ;
d) jede die Flügel aufnehmende Walze steht mit mindestens einer der radial nach innen gerichteten Stangen in Verbindung, wobei jede Stange mit reichlich Spiel einen radialen Durchbruch des hohlzylindrischen Drehkolbens durchsetzt und an einem zentralen Bolzen angreift, der ortsfest gelagert ist.

Bei derartigen Drehkolben-Maschinen, die verschiedenen Zwecken dienen können, sind Verluste durch Reibung, Verschleiß und Überlastung nicht auszuschließen. Es ist daher verständlich, daß es keinesfalls an Vorschlägen gefehlt hat, um den aufgetretenen Schwierigkeiten Herr zu werden. Das Hauptproblem bei der Verwendung von Drehkolben liegt aber bei der Abdichtung der Flügel.
Eine gattungsgemäße Drehkolben-Maschine ist durch die US-A-2 124 918 bekannt geworden, bei der insbesondere die Flügel nicht so angeordnet sind, daß sie ausgewogen zu arbeiten vermögen. Dies beruht in der Hauptsache darauf, daß die Flügel einseitig gehalten sind, was mit Sicherheit zu einer Unwucht führt, die ungleiche Abnutzungen verursachen und damit die für eine einwandfreie Funktion unerläßliche gute Abdichtung in Frage stellen. Die einseitige Lagerung der Flügel mit ihren Nachteilen erfordert darüber hinaus - wenn die bekannte Drehkolben-Maschine eine noch annehmbare Lebensdauer haben soll - höchste Genauigkeit bei der Herstellung, was wirtschaftlich gesehen nur äußerst bedingt, wenn überhaupt tragbar erscheint.
Bei einer anderen bekannten Bauart gemäß der US-A-3 771 902 ist zwar die einseitige Halterung der Flügel vermieden und durch eine Stangenkonstruktion ersetzt, jedoch fehlen bei dieser Ausführung Walzen, in denen die Flügel geführt sind. Dies zwingt den Konstrukteur, daß die Flügel gewissermaßen spitz auslaufen müssen, was abdichtungstechnisch erhebliche Nachteile mit sich bringt.
Ausgehend von der gattungsgemäßen Drehkolben-Maschine liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Abdichtungsprobleme der Flügel gegenüber der Innenwandung des Gehäuses mit einem geringen und eine hohe Funktionssicherheit verbürgenden Bauaufwand zu lösen. Außerdem ist angestrebt, daß die neue Bauart langlebig, verlustarm und nicht zuletzt vielseitig verwendbar ist, also z. B. dem Entspannen von Gasen, dem Komprimieren von Luft o. dgl., Antriebszwecken usw. dienen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß
der Durchbruch in der Walze als Bohrung ausgebildet ist,
jede Stange längenveränderbar ist,
die Flügel in den Schlitzen der Walzen zusätzlich radial geführt werden, mit Hilfe von, vom Grund der Führungsschlitze der Walzen ausgehenden, spiegelbildlich zu der die Tiefe der Flügel halbierenden Mittelebene vorgesehenen Paßstiften, auf denen sich die Flügel verschieben lassen.
Zunächst ist festzustellen, daß diese Maßnahmen mit einem verhältnismäßig geringen Produktionsaufwand durchführbar sind, so daß keine untragbar hohen Unkosten befürchtet werden müssen. Außerdem ist klar erkennbar, daß durch die vorgeschlagenen Maßnahmen eine vorzügliche Führung der Flügel gegeben ist, so daß Abdichtprobleme nicht auftreten werden. Letzteres nicht zuletzt deshalb, weil durch die zusätzliche Führung der Flügel durch die Paßstifte Kippmomente der Flügel, ungleiche Abnutzung o. dgl. ausgeschlossen sind, was bedeutet, daß die neue Bauart langlebig und verlustarm sein wird. Durch die Längenveränderbarkeit der Stangen können die Reibungsverluste zwischen den Laufflächen der Flügel und der Gehäuseinnenwand in tragbaren Grenzen gehalten werden, d. h., sie lassen sich praktisch auf den Wert Null reduzieren. Außerdem läßt sich die neue Bauart bequem auf besondere Betriebsverhältnisse einstellen, die bei den zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgegenstandes stark unterschiedlich sind.
Eine besondere Ausführungsform ist darin zu sehen, daß der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben leicht in die an sich kreisrund verlaufende Innenwand des Gehäuses eingeschliffen ist. Dadurch ist auch die Linienberührung zwischen Gehäuse und Drehkolben vermieden und durch eine flächige Berührung ersetzt. Das Einschleifen könnte auch durch andere Maßnahmen, z. B. durch Anordnung von Einsätzen ersetzt sein. Daß beim Einschleifen des Drehkolbens in die Gehäuseinnenwand die Krümmungen der Flügel gegenüber der Krümmung des Einschliffes nicht mehr vollkommen exakt sind, hat wegen der Geringfügigkeit keinen schädlichen Einfluß auf die Dichtigkeit im Einschliffbereich.
Wiederum für die Praxis günstig ist es, wenn die Tiefe der die Flügel spielfrei aufnehmenden Schlitze der Walzen mindestens so groß ist, wie das radiale Höhenmaß der Flügel.
Eine günstige Bauart zum radialen Führen der Flügel ergibt sich, wenn jede der die Flügel aufnehmenden Walzen mit mindestens einer radial nach innen gerichteten Stange in Verbindung steht, die mit reichlich Spiel einen radialen Durchbruch des hohlzylindrischen Drehkolbens durchsetzt und an einem zentralen Bolzen angreift, der ortsfest gelagert ist. In diesem Zusammenhang wird ferner vorgeschlagen, daß eine jede Stange mittelbar oder unmittelbar mit dem jeweiligen Flügel in Verbindung steht, wobei Teile der Verbindung teleskopartig ineinandergeschraubt sind.
Um Kippmomente zu vermeiden, wird schließlich vorgeschlagen, daß die Flügel zusätzlich zu der Stangenführung radial geführt sind, mit Hilfe von spiegelbildlich zu der Mittelebene vorgesehenen Paßstiften.
Anhand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehkolben-Maschine und das Wesen der Erfindung offenbart. Es zeigen

Figur 1 eine Drehkolben-Maschine in Seitenansicht, im geöffneten Zustand ;
Figur 2 die gleiche Drehkolben-Maschine im Axialschnitt und
Figur 3 eine aufgebrochene Seitenansicht der Drehkolben-Maschine mit Einzelheiten, insbesondere mit eingeschliffenem Drehkolben.

Worin sich die erfindungsgemäße Drehkolben-Maschine von den bekannten Maschinen unterscheidet, wird durch die Beschreibung der Maschine, deren Wirkungsweise und deren Steuerung verdeutlicht. Gemäß den Figuren 1 und 2 ist der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben 1 mit seiner Welle 2 mit Hilfe von Lagern 3 um eine Achse Z2 drehbar gelagert, und zwar derart, daß seine axiale Stärke die Tiefe des Gehäuses 4 ausfüllt bzw. daß er die zylindrische Innenwand (Lauffläche) 5 des Gehäuses 4 an einer Stelle gleitend berührt.
Der Drehkolben 1 ist in das Gehäuse 4 außerdem so eingepaßt, daß er in jeder Drehrichtung um seine Achse Z2 leicht beweglich ist und seine kreisrunde Mantelfläche die kreisrunde, also zylindrische Innenwand 5 des Gehäuses 4 mit der Achse Z1 bei einer vollen Winkeldrehung ununterbrochen gleitend berührt. Die exzentrische Lage des Drehkolbens 1 im Gehäuse 4 mit der Achse Z1 ist damit verdeutlicht.
Drehbewegliche Walzen 6, deren Längsachsen Z3 parallel zu den Achsen Z1. Z2 verlaufen, sind in dem Drehkolben 1 in geometrischer Regelmäßigkeit vorgesehen ; sie weisen radiale Nuten bzw. Schlitze auf, in welche Flügel 7 mit Gleitsitz eingreifen, deren der Gehäuseinnenwand 5 zugekehrten Flächen der Wandkrümmung angepaßt sind. Wenn ein Flügel 7 den Schlitz der Walze 6 ganz ausfüllt und wenn eine Verbindungslinie zwischen der Walzenachse Z3 und der Gehäuseachse Z1 auch durch die Achse Z2 des Drehkolbens 1 verläuft, dann berührt die gewölbte Fläche des Flügels 7 die Gehäuseinnenwand 5 gleitend.
Eine bzw. mindestens eine entlang der erwähnten Verbindungslinie gerade verlaufende, gfs. mehrteilige und an den jeweiligen Flügel 7 angeschlossene Stange 8 durchsetzt eine Bohrung der Walze 6 und mit reichlich Spiel einen entsprechend geformten Durchbruch 9 des hohlzylindrischen Drehkolbens 1, so daß diese fest mit dem Flügel 7 verbundene Stange 8 um die Drehachse Z3 der Walze 6 genügend schwenkbar ist. Diese Ausführung trifft für jede Walze 6 zu, so daß beim Ausführungsbeispiel acht Stangen 8 in den Drehkolbenhohlraum hineinragen. Diese Stangen 8 sind an einem im Zentrum Z1 des Gehäuses 4 vorgesehenen und mit dem Gehäuse 4 starr verbundenen Stehbolzen 10 angelenkt. Dadurch, daß die Drehkolbenflügel nicht - wie herkömmlich - auf die Drehkolbenachse Z2, sondern auf die Gehäuseachse Z1 zentriert sind, gibt es in der neuen Drehkolben-Maschine nur rotierende Massen ohne Massenverschiebungen und die Flügel 7 bleiben mit der Gehäuseinnenwand 5 immer in gleitender Flächenberührung.
Da die Länge der Stangen 8 verstellbar ausgeführt ist, kann die Reibung zwischen den Laufflächen der Flügel 7 und der Lauffläche der Innenwand 5 des Gehäuses 4 auf Null reduziert werden. Darüber hinaus gibt es keinerlei Abdichtungsschwierigkeiten. Durch die Flächenberührungen werden keine besonderen Anforderungen an den Fachmann für Dichtprobleme gestellt.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Drehkolben-Maschine verdeutlicht das Wesen der Erfindung ; der Verwendungszweck wird dadurch nicht eingeschränkt. Bei der Konstruktion der Maschine muß letztere dem Verwendungszweck angepaßt und mit den dem Zweck entsprechenden zusätzlichen Merkmalen bzw. Teilen versehen werden. Wird diese Drehkolben-Maschine beispielsweise als Vorrichtung zum Betrieb einer Wärmepumpe, einer Klimaanlage o. dgl. benutzt, dann muß sie gemäß der DE-A-3 129 133.3-13 (auf die ausdrücklich Bezug genommen wird) in zweckentsprechender Weise ergänzt, d. h. mit Ein, und Auslaßöffnungen usw. versehen werden, die im allgemeinen nicht in gleicher Weise konstruiert sind, wie bei Maschinen, die z. B. als Entspanner von Gasen verwendet werden. Bei der Ausführung als DrehkolbenMotor wird die Konstruktion wiederum Änderungen erfahren, je nach dem, ob die jeweilige Maschine nach dem Otto- oder Diesel-Verfahren betrieben werden soll.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 unterscheidet sich von dem der vorausgegangenen Figuren dadurch. daß der Drehkolben 1 in die Innenwand 5 des Gehäuses 4 eingeschliffen ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß sich der Drehkolben 1 nicht um die Achse Z2 bewegt, sondern um die Achse Z4. Das Einschleifmaß M ist durch eine gestrichelte Linie 11 verdeutlicht, deren Krümmung mit der Krümmung der Innenwand 5 des Gehäuses 4 identisch ist. Es versteht sich, daß das Einschleifmaß M überdimensioniert eingezeichnet ist und sich in Wirklichkeit in engen Grenzen bewegt.
Um Kippmomente auszuschließen, werden vom Grund der Führungsschlitze 14 der Walzen 6 ausgehende Stifte vorgesehen, auf denen sich der Flügel 7 radial zur Achse Z1 verschieben läßt. Diese nicht eingezeichneten Stifte müssen im gleichen Abstand von einer Ebene vorgesehen werden, welche die Tiefe des Gehäuses 4 halbiert.
Der ganz in den Schlitz 14 der Walze 6 eintauchende Flügel 7, also der mittlere der drei sichtbaren Flügel 7, steht über einen Gewindeansatz 15 mit der Stange 8 in Verbindung, die mit einem Schaft 16 in einer Bohrung 17 der Walze 6 geführt ist. Diese Stange 8 weist außerdem ein spannschloßartiges Zwischenstück 18 auf, so daß der radiale Abstand des jeweiligen Flügels 7 zur Achse Z1 einstellbar ist.
Es versteht sich, daß die Stangen 8 mit ihren inneren Enden irgendwie auf dem Bolzen 10 Platz finden müssen. Ein axiales Hintereinanderreihen, wie in Figur 2 angedeutet, ist nur bei wenigen Flügeln 7 denkbar, da durch den Achsversatz Kippkräfte an den Flügeln nicht auszuschließen sind. Um diesen Schwierigkeiten Herr zu werden, könnte man abgekröpfte Stangen 8 verwenden. Ein weiterer gangbarer Weg ist darin zu sehen, daß man die Stangen 8 mit einem einzigen Sternlager auf dem Bolzen 10 verbindet. Als selbstverständlich ist es auch anzusehen, daß Stangenkonstruktionen gewählt werden müssen, die ohne große Schwierigkeiten eingebaut werden können.

Claims

Drehkolben-Maschine mit in einem Gehäuse (4) exzentrisch gelagertem Drehkolben (1), der auf den Umfang verteilte, in ihm drehbar gelagerte, mit ihren Achsen parallel zur Drehkolbenwelle (2) verlaufende Walzen (6) aufweist, in denen (6) mit der Gehäuseinnenwand (5) zusammenwirkende, auf die Achse (Z1) des Gehäuses (4) radial ausgerichtet gehaltene Flügel (7) geführt und in ihrem radialen Abstand zur Gehäuseachse (Z1) durch Stangen (8) fixiert sind, wobei der kreisrunde, als Hohlzylinder ausgeführte Drehkolben (1) über entsprechende Lagerschilde und Lager (3) derart im Gehäuse (4) gelagert (vgl. 2) ist, daß er über seine gesamte Tiefe an einer Stelle die Gehäuseinnenwand (5) gleitend berührt, wobei
a) die die Flügel (7) führenden Walzen (6) über ihre ganze Länge - bis auf radiale Durchbrüche (17) in den Walzen (6) für die die radiale Halterung der Flügel (7) bildenden Stangen (8) - den gleichen Querschnitt aufweisen und sie füllen querschnittsgleich die axiale Tiefe des Gehäuses (4) aus ;

b) die Walzen (6) nehmen die ebenfalls über ihre ganze Länge querschnittsgleichen Flügel (7) in die Walzen (8) nur teilweise durchsetzenden Schlitzen (14) auf ;

c) die Tiefe der die Flügel (7) aufnehmenden Schlitze (14) der Walzen (6) ist mindestens so groß, wie das radiale Höhenmaß der an ihren äußeren Enden dem Krümmungsradius der Gehäuseinnenwand (5) angepaßten Flügel (7) ;

d) jede die Flügel (7) aufnehmende Walze (6) steht mit mindestens einer der radial nach innen gerichteten Stangen (8) in Verbindung, wobei jede Stange mit reichlich Spiel einen radialen Durchbruch (9) des hohlzylindrischen Drehkolbens (1) durchsetzt und an einem zentralen Bolzen (10) angreift, der ortsfest gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Durchbruch (17) in der Walze (6) als Bohrung ausgebildet ist,

jede Stange (8) längenveränderbar ist,

die Flügel (7) in den Schlitzen (14) der Walzen (6) zusätzlich radial geführt werden, mit Hilfe von, vom Grund der Führungsschlitze (14) der Walzen (6) ausgehenden, spiegelbildlich zu der die Tiefe der Flügel (7) halbierenden Mittelebene vorgesehenen Paßstiften, auf denen sich die Flügel (7) verschieben lassen.