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Als Motor, Pumpe, Kupplung od. dgl. verwendbare Maschine mit kreisenden Kolben bzw. volumetrische Kraftmaschine oder Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine als Motor, Pumpe, Kupplung od. dgl. verwendbare Maschine mit kreisenden Kolben bzw. eine volumetrische Kraftmaschine oder Vorrichtung mit einem durch koaxial angeordnete zylindrische Körper, die relativ gegeneinander drehbar sind, gebildeten Ringraum, der durch an einem Zylinderkörper befindliche Trennwände und durch am andem Zylinderkörper angebrachte, um ihre eigene Achse angetriebene und dabei um die Maschinenachse kreisende Drehkolben unterteilt ist, die eine seitliche Aushöhlung aufweisen, mit der sie die Trennwände überrollen, wobei in den Räumen zwischen den Trennwänden und den kreisenden Kolben, den Arbeitsräumen, das Arbeitsmedium,
beispielsweise eine Druckflüssigkeit oder aber gespannte Gase oder Dämpfe, wirksam ist.
Bei diesen Maschinen oder Vorrichtungen sind besondere Massnahmen erforderlich, um die gegenseitige Abdichtung zweier benachbarter Arbeitsräume während des Überrollens der kreisenden Kolben über die Trennwände aufrecht zu erhalten. Es ist hiebei zu beachten, dass die einander zugekehrten Stellen zweier benachbarter Arbeitsräume unterschiedliche Druckverhältnisse aufweisen, da der eine Arbeitsraum an den Einlass, der andere an den Auslass für das Arbeitsmedium angeschlossen ist. Eine schlechte Abdichtung an der Begrenzung der beiden Arbeitsräume würde erhebliche Verluste des Arbeitsmediums zur Folge haben.
Um eine gute Abdichtung an den betreffenden Stellen auch während des Überrollens zu sichern, hat man verschiedene Massnahmen vorgeschlagen. Eine Lösung sieht z. B. vor, die Trennwände mit epizycloidalen Flanken auszubilden, die mit entsprechend ausgebildeten Wandungen der Aushöhlung der kreisenden Kolben zusammenwirken und mit diesen wandernde Dichtstellen bilden.
Bei einer andern Lösung ist vorgesehen, die radiale Höhe der Trennwand veränderlich zu machen, um die Einstellung der dichtenden Kante der Trennwand der Aushöhlung der kreisenden Kolben, mit der sie während des Überrollens zusammenwirkt, anzupassen.
Schon diese beiden Lösungsbeispiele zeigen, dass zum Zwecke der Dichtung besondere, die praktische Ausführung erschwerende Massnahmen getroffen werden müssen. Diese vermeidet die Anordnung nach der Erfindung.
Das Kennzeichen der erfindungsgemässen Ausführungsform besteht darin, dass die kreisenden Kolben als hohlzylindrische Rotationskörper (Kolbenrohre) mit in ihren Hohlraum führenden Durchtrittsöffnungen für die Trennwände ausgebildet sind, und dass für jeden Rotationskörper in dem diesen aufnehmenden Zylinderkörper eine tunnelartige, sich formschlüssig an die Aussen- und Innenseite des Kolbens anpassende, beiderseits in die Arbeitsräume mündende Aussparung vorgesehen ist, die im Betrieb von der Kolbenrohrwand durchlaufen und von dieser gegen den Durchtritt des Arbeitsmediums gesperrt wird, und dass die Gleitflächen der Trennwände in Umfangsrichtung breiter sind als die Mündungen der Aussparungen.
Um die Reibung zwischen der Rohrwand und der Tunnelwand herabzusetzen, ist es vorteilhaft, in der tunnelartigenAussparung auf der Innenseite und/oder auf der Aussenseite der hohlzylindrischen kreisenden Kolben die Reibungsflächen verringernde Ausweitungen vorzusehen.
Es empfiehlt sich ferner, angrenzend an die tunnelförmigen Aussparungen zumindest einen Raum für ein Druckmedium anzuordnen, das den von dem Arbeitsmedium bewirkten Lagerdruck des kreisenden Kolbens ausgleicht oder verringert. Solche Druckräume können in dem dem Arbeitsraume gegenüberliegenden
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vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigt : Fig. l einen unterbrochenen Radialschnitt nach der Linie b-b in Fig. 2 durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Maschine oder Vorrichtung, Fig. 2 einen unterbrochenen Axialschnitt nach der Linie a-a in Fig. 1, Fig. 3 einen Fig. 2 entsprechenden Axialschnitt mit abweichender Ausbildung der oberen Lagerstelle und Fig. 4 einen Fig. l erlsprechenden Radialschnitt mit abweichen- der Ausbildung von Einzelheiten.
1 ist der äussere der koaxial angeordneten zylindrischen Körper der Maschine, der die Trennwände 2 trägt. In dem inneren Zylinderkörper 3 sind die kreisenden und um ihre Achse drehbaren Kolben gelagert.
Umgekehrt könnte jedoch auch der innere Zylinderkörper die Trennwände und der äussere die drehbaren Kolben aufweisen. Die Zylinderkörper l und 3 sind relativ gegeneinander drehbar, und es ist für die Erfindung ohne Bedeutung, welcher von beiden drehbar oder fest verlagert ist. Auchkönnen bei Anwendung der erfindungsgemässen Maschine bzw. Vorrichtung als Kupplung beide Zylinder drehbar sein.
Die Zylinderkörper 1 und 3 bilden einen Ringraum miteinander, der durch die Trennwände 2 in mehrere Arbeitsräume 6 mit je einer Einlassöffnung E und einer Auslassöffnung A für das Arbeitsmedium unterteilt ist. Die Breite 7 dieser Arbeitsräume 6 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Das Arbeitsmedium ist zwischen den Trennwänden 2 und den Kolben 4 wirksam. Die Kolben 4 sind als hohlzylindrische Rotationskörper ausgebildet mit Durchtrittsöffnungen 8 in der Rohrwand. Sie werden so angetrieben, dass die Trennwände 2, wenn sie von den kreisenden Kolben überrollt werden, zwangsläufig durch die Öffnungen 8 in das Innere 5 der Kolbenrohre eindringen.
Der Zylinderkörper 3 hat für die Aufnahme jedes Kolbenrohres 4 eine tunnelartige Aussparung 11, die an den Stellen 9 beiderseits in die Arbeitsräume 6 mündet. Die Aussparung 11 ist bei dem in Fig. 1 unten dargestellten Kolben 4 der inneren und äusseren Kolbenwand ganz formschlüssig angepasst. Bei dem Kolben in Fig. 1 oben hingegen ist die Aussparung 11 auf der Innenseite und auf der Aussenseite des Kolbenrohres so ausgeweitet, dass die Aussparung 11 dem Kolbenrohr nur an den Stellen 10 formschlüssig angepasst ist.
Hiedurch werden die Reibungsflächen zwischen dem Kolbenrohr und der Wand der Aussparung 11 verkleinert und die Reibungskräfte zwischen diesen Flächen verringert.
Die Wandung der tunnelartige Aussparung 11 kann zugleich, soweitsie sich formschlüssig der Rohrwand anpasst (Stellen 10 bei dem oberen Kolben, Bereich 12 bei dem unteren Kolben der Fig. 1), das Lager oder ein zusätzliches Lager des Kolbens sein.
Der rohrförmige Kolben füllt die Aussparung 11 ganz oder teilweise aus und sperrt diese gegen den Durchtritt des Arbeitsmediums ab. Es ist jedoch möglich, die Fugen zwischen dem Kolbenrohr und den Wandungen der tunnelartigen Aussparung noch mittels besonderer, in der Zeichnung nicht dargestellter Dichtungseinrichtungen abzudichten. Als solche könnten z. B. Gummi-, Buna-, Bronze-, Kohle-Gleitdichtungen od. dgl. verwendet werden, und diese könnten auch auswechselbar eingesetzt sein.
Die auf dem inneren Ringkörper 3 gleitende Fläche 2a der Trennwand 2 ist in Umfangsrichtung breiter als die Mündungen 9 der Aussparungen 11. Dadurch werden zwei benachbarte Arbeitsräume 6 auch während der gesamten Dauer des Uberrollvorganges durch abdichtende Einwirkung der Gleitfläche 2a aut deIl Ringkörper 3 gegeneinander abgedichtet wie in den andern Stellungen der kreisenden Kolben.
Für die Wirkung der erfindungsgemässen Maschine kommt es in besonderem Masse auf die gute und sichere Abdichtung zwischen der Gleitfläche 2a der Trennwand 2 und deren Gegenzylinder 3 an. Diese Abdichtung kann noch verbessert werden, wenn die Trennwände 2 sich elastisch auf dem Gegenzylinder 3 abstützen. Dies kann z. B. in der Weise erfolgen, dass die Trennwand 2 ganz oder teilweise aus elastischem Material gebildet wird oder dass sie elastisch an dem sie tragenden Zylinuer gelagert istoder durch beide Massnahmen zugleich.
In der Regel wird es zweckmässig sein, die Kolben 4 in den ausserhalb der Arbeitsräume liegenden Abschnitten 13, an denen sie volle Ringform haben, zu lagern. In Fig. 2 unten ist diese Lagerung als Innenlagerung mit der Lagerstelle 15 ausgebildet. Sie könnte naturgemäss aber auch als Aussenlagerung ausgebildet sein. In Fig. 2 oben ist der ausserhalb des Arbeitsraumes liegende Kolbenabschnitt 13 vollzylindrisch ausgebildet und an der Stelle 14 gelagert. 16 ist ein an den vollzylindrischen Teil anschliessender Zapfen, der das Zahnrad oder Ritzel 17 trägt. Dieses ist in Eingriff mit dem an dem Zylinderkörper 1 angesetzten Zahnkranz 18.
Bei Umlauf des Zylinders 3 rollt das Zahnrad 17 an dem Zahnkranz 18 ab und bewegt die Kolben 4 zwangsläufig so, dass dieDurchtrittsöffnungen 8 der Kolbenrohre beim Überrollen der Trennwände 2 stets die richtige Einstellung haben.
Fig. 3 zeigt eine von Fig. 2 abweichende Ausbildung der oberen Lagerstelle. Dabei ist der Rohrkolben
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auch an der Stelle 14 ringzylindrisch ausgebildet, und das Ritzel 17 ist mit dem Rohrkolben unmittelbar ver- bunden oder in diesen eingearbeitet.
Sowohl bei der Ausführung nach der Fig. 2 als auch bei derjenigen nach Fig. 3 Ist es möglich, die un- tere Lagerung 13/15 fortzulassen unddie Kolben 4 einseitig, u. zw. vorzugsweise an ihren Antriebsseite, zu lagern.
Während beider Ausführung nach Fig. 2 das in das Innere des Kolbenrohres 4 eingreifende Stück 3b des
Zylinders 3 nur einseitig, nämlich auf der Unterseite, mit dem eigentlichen Zylinder 3 verbunden ist, zeigt Fig. 3, dass das Stück 3b (unter Ausbildung des Rohrkolbens an der Stelle 14 als Ringzylinder) auch auf der Oberseite kraftschlüssig mit dem Träger 3 verbunden sein kann, u. zw. mittels der Scheibe 19.
Fig. 4 veranschaulicht an Hand eines Ausführungsbeispiels den weiteren erfindungsgemässen Vorschlag, den von dem Arbeitsmedium erzeugten Lagerdruck des Kolbens auszugleichen oder wenigstens zu verrin- gern. Wenn auf der Fläche 20 des Kolbens 4 der Druck des Arbeitsmediums lastet, so kann, um diesen aus- zugleichen, auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Kolbens 4, angrenzend an die tunnelförmige
Aussparung 11, der Raum 21 für ein Druckmedium vorgesehen werden. Dieser Raum kann so bemessen sein, dass der Ausgleich bei einem dem Druck des Arbeitsmittels entsprechenden spezifischen Druck erreicht wird ; in diesem Falle wäre es möglich, das Arbeitsmedium selbst zum Druckausgleich zu benutzen.
Wird die wirksame Fläche des Druckraumes 21 jedoch kleiner gehalten, so muss das ausgleichende Druckmedium einen höheren spezifischen Druck als das Arbeitsmedium haben, im umgekehrten Falle einen niedrigeren. Anderseits ist es aber auch denkbar, einen oder auch mehrere Druckräume an den Stellen 13 des Rohrkolbens, an denen dieser über den ganzen Umfang geschlossen ist, anzuordnen. Dadurch wird man bezüglich des Lagerdruckes des Rohrkolbens von der Durchtrittsöffnung 8 im Kolbenrohr unabhängig. Auch können diese Druckräume, den Erfordernissen angepasst, an jeder Umfangsstelle angeordnet sein.
Die Ausbildung der kreisenden Kolben als zylindrische Rohre, insbesondere auch deren Schlitzung durch die Durchtrittsöffnungen 8 vermittelt diesen eine verhältnismässig starke Eigen-Elastizität. Dies ist vorteilhaft für das dichte Anliegen der Kolben bei ihrem Abrollen auf der Innenwand des Zylinders l, da sie mit einer entsprechenden Pressung an diese angedrückt werden können und dabei infolge elastischer Abplattung Flächenberührung (statt Linienberührung) aufweisen.
Für Fälle, in denen die dadurch bewirkte elastische Anlage der Kolben an der Zylinderwandung noch nicht ausreicht, schlägt die Erfindung vor, auf dieser Zylinderfläche eine Schicht aus schmiegsamem Material anzuordnen. Diese Massnahme ist besonders zweckmässig in Fällen, in denen der Druckraum des Arbeitsmediums, in Bewegungsrichtung gesehen, vor dem Kolben liegt (wenn die Maschine also als Pumpe oder Kompressor arbeitet). Dann presst nämlich der Druck des Arbeitsmediums das schmiegsame Material vor dem Kolben zusammen, wodurch der Bewegungswiderstand für den Kolben verringert wird. In dem hinter dem Kolben befindlichen drucklosen Bereich nimmt hingegen das elastisch nachgiebige Material sein natürliches Volumen wieder an. Dadurch ergibt sich ein besonders dichtes Anliegen der kreisenden Kolben an ihrer Rollbahn.
Es ist auch möglich, das schmiegsame Material auswechselbar auf dem Zylinderkörper 1 zu befestigen oder es zum Ausgleich von Abnutzungen auf entsprechend dem Abstand zwischen den Trennwänden bemessenen Zylindersegmenten zu befestigen, die radial nachstellbar sind.
Der erstrebten Wirkung, dem dichten Anliegen der Kolben an der Zylinderwandung dient auch der Vorschlag der Erfindung, auf den Arbeitsflächen der kreisenden Kolben aussenseitig eine Schicht ausschmiegsamem Material aufzubringen.
In Fig. 1 ist die Teilung der kreisenden Kolben 4 im Zylinderkörper 3 kleiner als die Teilung der Trennwände 2, d. h. es sind insgesamt mehr Kolben als Trennwände vorhanden. Wenn auch jede andere Zuordnung der Kolben zu den Trennwänden für die nach der Erfindung ausgebildete Maschine oder Vorrichtung denkbar ist, so ist doch die Anordnung, bei der die Teilung der Kolben kleiner als die der Trennwände ist, besonders vorteilhaft. Würde man z. B. die beiden Teilungen gleich machen, so würden stets alle Kolben gleichzeitig eine Trennwand überrollen, was eine Arbeitsweise mit hohem Ungleichförmigkeitsgrad zur Folge hätte.
Würde die Zahl der kreisenden Kolben (bei der Ausbildung der Maschine, wie sie im übrigen in Fig. 1 dargestellt ist) hingegen kleiner als die Zahl der Trennwände gewählt, so wären nicht alle Arbeitsräume der Maschine ständig wirksam.
Die erfindungsgemäss ausgebildete volumetrische Kraftmaschine oder Vorrichtung ist wegen ihrer gegenüber den bekannten Anordnungen vereinfachten Dichtung ausserordentlich vielseitig verwendbar. Sie kann als Motor, Pumpe, Bremse oder Kupplung für flüssige oder gasförmige Arbeitsmedien betrieben werden. Die einfache Gestaltung der Dichtung macht sie auch besonders geeignet für den Betrieb mit sehr hohen Drücken. Hiefür wird man auch der Ausbildung der Dichtungen an den Stirnseiten der Trennwände
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und der Dichtungen zwischen den relativ gegeneinander drehbaren zylindrischen Körpern besonders Beachtung schenken.
In der Verbindung je einer als Pumpe und als Motor arbeitenden Maschine können erfindungsgemäss Kraftmaschinen vorteilhaft als Kraft- Übertragungseinrichtungen, als Getriebe oder als Drehmomentwandler verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Als Motor, Pumpe, Kupplung od. dgl. verwendbare Maschine mit kreisenden Kolben bzw. volumetrische Kraftmaschine oder. Vorrichtung mit einem durch koaxial angeordnete zylindrische Körper, die relativ gegeneinander drehbar sind, gebildeten Ringraum, der durch mit einem Zylinderkörper verbundene Trennwände und durch am andern Zylinderkörper angebrachte, um ihre eigene Achse angetriebene und dabei um die Maschinenachse kreisende Kolben unterteilt ist, die eine seitliche Aushöhlung aufweisen, mit der sie die Trennwände überrollen, wobei in den Räumen zwischen den Trennwänden und den kreisenden Kolben (den Arbeitsräumen) das Arbeitsmedium wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisenden Kolben (4) als hohlzylindrischeRotationskörper' (Kolbenrohre) mit in ihren Hohlraum führenden Durchtrittsöffnungen (8)
für die Trennwände (2) ausgebildet sind und dass für jeden Kolben in dem diesen aufnehmenden Zylinderkörper (3) eine tunnelartige, sich formschlüssig an die Aussen- und Innenseite der Kolbenwand anpassende, beiderseits in die Arbeitsräume (6) mündende Aussparung (11) vorgesehen ist, die im Betriebe von der Kolbenwand durchlaufen und von dieser gegen den Durchtritt des Arbeitsmediums gesperrt wird, und dass die Gleitflächen (2a) der Trennwände (2) in Umfangsrichtung breiter sind als die Miindungen (9) der Aussparungen (11).