DE10301705B3

DE10301705B3 - Rollenzellenmaschine

Info

Publication number: DE10301705B3
Application number: DE2003101705
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rollenzellenmaschine zur Förderung von Fluiden und Gasen, zum Verdichten von Gasen, zur Anwendung als Hydraulikpumpe, als Hydraulikmotor und als Gasdruckmotor (Druckluftantrieb). Eine Maschine der vorgeschlagenen Art zeichnet sich durch eine geringe Anzahl von Bauteilen aus, die ihrerseits wieder aus einfachen geometrischen Grundformen bestehen. Ferner besitzt eine erfindungsgemäße Maschine die Besonderheit, daß der Schadraum, bzw. das Tot- bzw. das Restvolumen sehr klein, bis hin zu Null, ist. Dabei sitzt ein Rotor (12) von etwa zylindrischer Form drehbar gelagert, exzentrisch in einem Gehäuse (16) mit etwa zylinderförmiger Innenkontur. Der Rotor (12) besitzt am Umfang nutähnliche Vertiefungen, die innen am Grund ausgerundet sind. In diesen Vertiefungen befinden sich Elemente (14) von zylinderähnlicher Form, die bei Rotation des Rotors (12) an der Gehäuseinnenwand abrollen oder gleiten. Die sich dadurch ergebenden volumenvariablen Arbeitsräume (18) sind bei Volumenvergrößerung mit der Einlaßöffnung (22) verbunden, bei Volumenverringerung mit der Auslaßöffnung (24), die sich wie die Einlaßöffnung (22) in einer stirnseitigen Gehäusewand befinden kann.

Description

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 Verdichtungsstufen vorgesehen, 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 und ferner einen verbesserten Wirkungsgrad erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Sachverhalt, daß der Schadraum bei einer Maschine der vorgeschlagenen Art in einer Phasenlage sehr klein, bis hin zu Null wird, trägt dazu bei, daß die Maschine um das normalerweise bei jedem Arbeitszyklus verbleibende Restvolumen kleiner gebaut werden kann und daß vor allem bei der Anwendung im pneumatischen Bereich durch die nun mögliche vollständige Ausschiebung der geförderten Menge des Arbeitsmediums sehr hohe Verdichtungsdrücke erreicht werden können. Der Förderwirkungsgrad und der Grad der erreichbaren Verdichtung sind bei einer Maschine der vorgeschlagenen Art deshalb wesentlich höher als bei bisher bekannten Maschinen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigen
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Rollenzellenmaschine der vorgeschlagenen Art mit den erfindungswesentlichen Bauteilen

(12) Rotor
(14) Rollenelemente
(16) Gehäuse
(18) volumenvariable Arbeitsräume
(20) Rotordrehachse
(22) mögliche Form einer Einlaßöffnung
(24) mögliche Form einer Auslaßöffnung

2 ein Ausführungsbeispiel für die Förderung von Fluiden oder Gasen
3 eine Ausführungsvariante mit "innerer Verdichtung" Dreht sich bei der Anordnung in 1 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 3), sodaß eine "innere Verdichtung" im Arbeitsraum stattfinden kann. Bei Beendigung der Drehphase, die mit einer Volumenveringerung des Arbeitsraumes einhergeht, wird das Arbeitsraumvolumen auf einen minimalen Wert, bis hin zu 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 positiv zum tragen. Ein besonderes Merkmal der vorgeschlagenen Maschinenart besteht darin, daß der Minimalwert des volumenvariablen Arbeitsraumes sehr klein, bis hin zu Null, ist, das heißt, das Arbeitsmedium wird zum Ende eines Arbeitszyklusses 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 1 der innere Aufbau einer erfindungsgemäßen Maschine dargestellt, deren Funktion im vorangehenden bereits erklärt worden ist.
Ein Ausführungsbeispiel für die Förderung von Fluiden oder Gasen ist in 2 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 z. B. bei Förderung von einem Fluid oder z. 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 3 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

Rollenzellenmaschine zur Förderung von Fluiden oder Gasen, zum Verdichten von Gasen, zur Anwendung als Hydraulikpumpe, als Hydraulikmotor oder als Gasdruckmotor (Druckluftantrieb), wobei 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. Die Konturen bzw. Formen der Bauteile sind so gewählt, 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 entsprechender Geometrie beschriebene Gegenkontur zu den in den nutähnlichen Vertiefungen befindlichen Elementen (14) darstellt, sodaß das variable Volumen der einzelnen Arbeitsräume (18) in einer Phasenlage sehr kleine Werte, bis hin zu Null, annimmt.
Rollenzellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zylinderförmigen oder zylinderähnlichen Rotor (12) am Umfang nutähnliche Vertiefungen angebracht sind, die innen am Grund ausgerundet sind und in denen sich zylinderförmige oder zylinderähnliche Elemente (14) befinden, die in den am Zylinderumfang angebrachten Vertiefungen während der Drehphase radial beweglich sind.
Rollenzellenmaschine 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 eine 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.
Rollenzellenmaschine 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 eine 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.
Rollenzellenmaschine 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.
Rollenzellenmaschine 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 3), sodaß mit Beginn der Phase der Arbeitsraumverringerung zunächst eine "innere Verdichtung" stattfinden kann.