DE2830349A1 - Volumetrische maschine mit kugelfoermigem arbeitsraum - Google Patents

Description

P.5332 Stph

Maschinenfabrik Burckhardt AG

Volumetrische Maschine mit kugelförmigem Arbeitsraum

Die Erfindung betrifft eine volumetrische Maschine mit kugelförmigem Arbeitsraum und zwei darin rotierenden Verdrängern.

Bei einer bekannten Maschine dieser Art besteht der eine Verdränger aus einem halbkugeligen Körper, in dessen Kalbierungsflache eine spiralähnliche, von innen nach aussen verlaufende Verzahnung eingearbeitet ist. Die Tiefe dieser Verzahnung nimmt nach aussen hin zu, wobei alle Zahnspitzen auf einer Kegelfläche liegen, deren Kegelspitze einen stumpfen Winkel bildet. Der zweite Verdränger hat die Form eines Kugelsektors und trägt auf seiner Kegelfläche eine zur Verzahnung des ersten Verdrängers passende Verzahnung. Im Betrieb der Maschine wirken die beiden Verzahnungen so zusammen, dass zwischen ihnen sich abwechselnd verkleinernde und vergrös— sernde Räume entstehen, so dass die Maschine als Kraftmaschine, z.B. Motor, oder als Arbeitsmaschine, z.B. Pumpe oder Verdichter, betrieben werden kann. Die bekannte Maschine ist sehr kostspielig, da die Herstellung der nur aus räumlich gewölbten Zahnflanken bestehenden Verzahnungen sehr exakt erfolgen muss, wenn die Maschine funktionsfähig sein soll. Bei nur ungenauer Herstellung der Zahnflächen werden die Dichtspalte zwischen den zusammenwirkenden Zahnflächen und damit die Leckverluste der Maschine zu gross.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Maschine der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass ihre Fertigung wesentlich einfacher und eine gute Funktionssicherheit gewährleistet ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der erste Verdränger eine einer Taumelscheibe ähnliche Form mit einer ebenen Fläche aufweist, die unter einem Winkel dt, zu einer zur Drehachse des Verdrängers rechtwinkligen Ebene geneigt ist, und dass der zweite Verdränger im wesentlichen die Form eines keilförmigen Kugelausschnitts aufweist, dessen Drehachse zur Drehachse des ersten Verdrängers unter dem gleichen Winkel <*< geneigt ist und dessen Keilflächen sich im Bereich des Mittelpunktes des kugelförmigen Arbeitsraumes schneiden, wobei der zweite Verdränger im Bereich der Schnittlinie seiner Keilflächen ständig an der ebenen Fläche des ersten Verdrängers dichtend anliegt.

Bei dieser Ausbildung der Maschine weisen die beiden Verdränger geometrisch einfache Formen auf, die bezüglich ihrer Herstellung keine Probleme aufwerfen. Wegen der geometrisch einfachen Formen ist auch die Abdichtung der Arbeitsräume problemlos, denn zwischen den beiden Verdrängern findet die Abdichtung nur entlang von geraden Linien oder ebenen Flächen statt. Bei dieser Form der Dichtspalte lassen sich Leckverluste auf einfache Weise sehr klein halten. Damit ist die neue Maschine sowohl hinsichtlich der Herstellungskosten wie auch hinsichtlich der Betriebssicherheit günstiger als die bekannte Maschine.

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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch stark vereinfacht in einem Querschnitt den prinzipiellen Aufbau einer Maschine nach der Erfindung,

Fig. 2

und 3 je einen Querschnitt der Maschine in Fig. 1 mit verschiedenen Stellungen der beiden Verdränger,

Fig. 4 einen Querschnitt einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Maschine,

Fig. 5

bis 9 weitere Abwandlungen der Maschine gemäss Fig. 4, jeweils im Querschnitt.

Gemäss Fig. 1 bis 3 ist in einem kugelförmigen Gehäuse ein erster Verdränger 2 vorgesehen, der mit einer Welle 3 starr verbunden ist, über die er im Gehäuse 1 drehbar gelagert ist. Der Verdränger 2 hat eine Form, die ähnlich der einer Taumelscheibe ist, indem er eine ebene Fläche 32 aufweist, die unter einem Winkel ei. zu einer Ebene 33 geneigt ist, die rechtwinklig zur Drehachse des Verdrängers steht. Die ebene Fläche 32 geht durch den Mittelpunkt des kugelförmigen Gehäuses 1. Die der ebenen Fläche 32 abgewendete Oberfläche des Verdrängers 2 ist der Kugelform des Gehäuses 1 angepasst.

Ausser dem ersten Verdränger 2 ist ein zweiter Verdränger 5 im Gehäuse 1 vorgesehen, der mit einer Welle 4 versehen ist, über die der Verdränger 5 drehbar im Gehäuse gelagert ist. Die Drehachse des zweiten Verdrängers ist unter einem Winkel zur Drehachse des ersten Verdrängers 2 geneigt, der gleich dem Neigungswinkel et, der ebenen Fläche 32 ist. Der zweite Verdränger 5 weist die Form eines keilförmigen Kugelausschnitts auf, wobei die beiden Keilflächen sich im Mittelpunkt des

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kugelförmigen Gehäuses 1 schneiden. Die Schnittlinie der Keilflächen ist in Fig. 1 bis 3 mit 6-6 bezeichnet und liegt ständig an der ebenen Fläche 32 dichtend an.

Zwischen der Fläche 32 einerseits und den beiden Keilflächen andererseits entstehen zwei Arbeitsräume 7 und 8, die beim Drehen der beiden Verdränger 2 und 5 sich abwechselnd vergrössern und verkleinern.

Fig. 1 illustriert eine Stellung der Verdränger 2 und 5, bei der der Arbeitsraum 7 die maximale Grosse entsprechend einem Oeffnungswinkel 4* hat; gleichzeitig hat der Arbeitsraum 8 seine minimale Grosse entsprechend einem Oeffnungswinkel Null.

Fig. 2 illustriert eine Stellung des ersten Verdrängers 2, die er nach einer Drehung um 90° erreicht hat. Der zweite Verdränger 5 hat sich dabei um 45° gedreht; und seine Schnittlinie 6-6 berührt ständig die ebene Fläche 32 des ersten Verdrängers 2 und dichtet die Arbeitsräume 7 und 8 gegeneinander ab. In dieser Stellung hat sich der Arbeitsraum 7 bereits verkleinert und der Arbeitsraum 8 öffnet sich.

Fig. 3 illustriert eine weitere Stellung, in der der erste Verdränger 2 sich um 180° und der zweite Verdränger 5 um 90° gedreht haben. Die Schnittlinie 6-6 berührt weiterhin die ebene Fläche 32 und trennt die beiden Arbeitsräume 7 und 8, die in dieser Stellung gleiche Grosse haben.

Nach einer vollen Umdrehung der Welle 3 wird wieder die Stellung gemäss Fig. 1 erreicht; d.h., bei jeder Umdrehung wird ein Arbeitsraum vom vollen Oeffnungswinkel ausgehend auf Null verkleinert und zugleich der gegenüberliegende Arbeitsraum von Null ausgehend auf vollen Oeffnungswinkel vergrössert.

Während einer vollen Umdrehung des ersten Verdrängers 2 hat der zweite Verdränger 5 eine halbe Umdrehung gemacht? die

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Welle 4 läuft also mit der halben Drehzahl der Welle 3.

Dabei benötigt die Welle 4 keinen eigenen Antrieb, denn der zweite Verdränger 5 wird vom ersten Verdränger 2 zwangsläufig so mitgenommen, dass die Schnittlinie 6-6 stets die ebene Fläche 32 des ersten Verdrängers 2 berührt. Dafür muss kein
Drehmoment übertragen werden, denn die Kräfte, die auf den
zweiten Verdränger 5 wirken, sind wegen der symmetrischen Anordnung der Welle 4 stets im Gleichgewicht.

Die Linienberührung entlang der Schnittlinie 6-6 kann bei der Ausführungsform gemäss Fig. 4 dadurch vermieden werden, dass man diese Linie durch eine Dichtfläche ersetzt, indem
zwischen dem ersten Verdränger 22 und dem zweiten Verdränger 25 eine Dichtschiene 9 vorgesehen ist. Diese mit einer ebenen
Fläche an der ebenen Fläche 32^rdes ersten Verdrängers 22 dichtend anliegende Schiene 9 ist an ihrer dem zweiten Verdränger
25 zugewendeten Oberfläche 34 als Kreiszylinderfläche ausgebildet, mit der sie an einer entsprechend konkaven Fläche im zweiten Verdränger 25 dichtend anliegt. Damit ergibt sich der
weitere Vorteil, dass die ebene Fläche 32'des ersten Verdrängers 22 und die Keilflächen des zweiten Verdrängers 25 nicht mehr
durch den Kugelmittelpunkt gehen müssen. Gemäss Fig. 4 sind
äquidistante Flächen, die gegenüber den theoretischen, gestrichelt gezeichneten Flächen um das Mass IO verschoben sind, vorgesehen, ohne dass der theoretisch richtige Bewegungsablauf gestört wäre. Die Schiene 9 ist mit einem Zapfen 11 im Verdränger 22 drehbar gelagert. Ausserdem ist die theoretisch richtige
Kugelform der Oberfläche des Gehäuses 1 und der beiden Verdränger 22 und 25 nur dort belassen worden, wo sie durch die Bewegung sverhältnis se bedingt ist; dadurch ist es möglich, die Lager für die Wellen 3 und 4 näher an die Verdränger heranzurücken.

Diese Maschine arbeitet mit Spaltdichtung, wobei nur
durch parallele Flächen begrenzte Spalte vorhanden sind.

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Wenn eine höhere Dichtheit gefordert wird, als mit Spaltdichtung erreichbar ist, so kann dieses Ziel durch den Einbau einfacher zusätzlicher Dichtelemente erreicht werden, wie dies Fig. 5 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist auf dem Umfang des ersten Verdrängers 42 ein normaler selbstspannender Kolbenring 12 vorgesehen. Der zweite Verdränger 45 weist in seiner kugelförmig gewölbten Fläche zwei halbe Kolbenringe 13 auf, die parallel zur jeweils benachbarten Keilfläche verlaufen und durch nicht dargestellte Spannfedern gegen das Gehäuse 1 gedrückt werden.

Durch die Verwendung der Kolbenringe 12 und 13 mit Berührung entlang von Kreisen wird eine Abdichtung erreicht, die eine ebenso hohe Qualität hat wie diejenige von Hubkolbenmaschinen und die der Abdichtung anderer Maschinen mit rotierenden Kolben überlegen ist, denn die dort übliche Berührung der Dichtung entlang eines Rechtecks ist stets problematisch.

Wie in Fig. 5 weiter dargestellt ist, ist eine Feder vorgesehen, die die Welle 4 umgibt und den zweiten Verdränger 45 gegen die Dichtscheibe 9 und diese wiederum gegen den ersten Verdränger 42 drückt. Wenn sich dadurch zwischen dem äusseren Umfang des zweiten Verdrängers 45 und der Innenfläche des Gehäuses 1 ein Spalt bildet, ist dies ohne Bedeutung, weil hier die halben Kolbenringe 13 die Abdichtung übernehmen. Diese Art der Abdichtung eignet sich besonders, wenn die Maschine als Vakuumpumpe arbeitet, weil der Unterdruck im betreffenden Arbeitsraum die Tendenz hat, den zweiten Verdränger 45 und den ersten Verdränger 42 zusammenzuziehen, was die Wirkung der Feder 14 unterstützt.

Eine andere Art der Abdichtung der Dichtschiene 9 ist in Fig. 6 dargestellt. Diese Abdichtung eignet sich vor allem für solche Anwendungen, bei denen der betreffende Arbeitsraum unter Ueberdruck steht, der die Tendenz hat, die beiden Verdränger 52 und 55 voneinander wegzudrücken. Dabei kann sich

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zwischen dem zweiten Verdränger 55 und der Dichtschiene 9 ein Spalt bilden, der hier durch eine federnd angepresste Dichtleiste 15 abgedichtet wird.

Darüber hinaus können auch die beiden Stirnseiten der Dichtschiene 9 durch federnd angespannte, nicht gezeichnete Endstücke gedichtet werden.

Ausserdem ist gemäss Fig. 6 in der Wand des kugelförmigen Gehäuses 1 eine Oeffnung 16 vorgesehen, die vom ersten Verdränger 52 während dessen Drehbewegung zeitweise verschlossen ist, dann aber freigelegt wird, wenn der Arbeitsraum 7 fast das grösste Volumen erreicht hat. Diese Steuerung der Oeffnung 16 eignet sich vor allem für eine Ausführungsform der Maschine als Zweitaktmotor. Es können auch zwei Oeffnungen 16 nahe nebeneinander angeordnet sein, wobei dann die eine Oeffnung als Einlasskanal und die andere als Auslasskanal dienen kann; infolge der Schrägstellung der ebenen Fläche 32* des ersten Verdrängers 52 wird dabei der Auslasskanal etwas früher geöffnet und geschlossen als der Einlasskanal, wie es für den Gemischwechsel vorteilhaft ist.

Gemäss Fig. 7 ist die Wand des Gehäuses 1 mit einer Oeffnung 17 versehen, die vom zweiten Verdränger 55 während dessen Drehbewegung zeitweise verschlossen wird, aber dann freigelegt wird, wenn der Arbeitsraum 8 fast das geringste Volumen erreicht hat. Diese Steuerung der Oeffnung 17 eignet sich besonders für einen Verdichter, der mit Oelüberflutung arbeitet. Die Oelüberflutung hat den dreifachen Zweck, nämlich zu schmieren, die Funktion der Spaltdichtung zu verbessern und das Gas zu kühlen, damit hohe Verdichtungsverhältnisse ohne hohe Endtemperaturen erreicht werden können. Durch die Drehbewegung der beiden Verdränger wird das überschüssige OeI an die Aussenwand des Arbeitsraumes geschleudert und dann von der Kante des ersten Verdrängers 52 zu der Auslassöffnung 17 geschabt. Die Gefahr von Flüssigkeitsschlagen ist damit vermieden.

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- ίο -

Gemäss Fig. 8 ist zur Steuerung der Arbeitsvorgänge der erste Verdränger 62 mit zwei Kanälen 63, 64 versehen, die mit im Gehäuse 1 angebrachten Kanälen 18 und 28 zusammenwirken. Der Verdränger 62 ist hier also als Drehschieber ausgebildet. Da dieser Drehschieber mit der Antriebsdrehzahl der Welle 3 umläuft, eignet er sich zur Steuerung aller Kreisläufe, die nach einer Umdrehung von neuem beginnen, wie dies bei Pumpen und Verdichtern im allgemeinen der Fall ist; dabei können die Steuerzeiten so gewählt werden, wie es der jeweilige Anwendungsfall erfordert.

Wenn die Maschine gemäss Fig. 8 als Vakuumpumpe arbeiten soll, ist es ausserdem möglich, im Drehschieber auch noch den bekannten Weiss-schen Kanal unterzubringen, der die Wirkung des unvermeidlichen schädlichen Raumes ausschaltet, indem er die Arbeitsräume 7 und 8 einen kurzen Moment verbindet, wenn jeweils der eine das grösste, der andere das kleinste Volumen hat.

Wie Fig. 9 zeigt, ist es ebenfalls möglich, den zweiten Verdränger 75 als mit den Kanälen 19 und 29 zusammenwirkender Drehschieber auszubilden. Auch dieser Drehschieber kann alle Kreisprozesse steuern, die nach einer Umdrehung der Welle 3 von neuem beginnen; dabei ist es allerdings notwendig, alle Steueröffnungen doppelt und diametral entgegengesetzt anzuordnen, weil der Drehschieber mit der halben Drehzahl der Welle 3 umläuft.

Der als Drehschieber ausgebildete zweite Verdränger 75 kann auch dazu benützt werden, einen Kreisprozess zu steuern, der nach zwei Umdrehungen der Welle 3 von neuem beginnt, da er mit der halben Drehzahl der Welle 3 umläuft. Damit kann also ein Viertaktmotor von besonders einfacher Bauart realisiert werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Kontur der beiden Keilflächen des zweiten Verdrängers verschieden auszubilden. Wie in Fig. 9 dargestellt, ist diejenige Keilfläche, die am

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Ende der Auspuffperiode die Fläche 32¹des ersten Verdrängers berührt, eben ausgebildet. Damit werden die verbrannten Gase vollständig ausgetrieben und das Gewicht der neuen Ladung wird entsprechend erhöht. In der gegenüberliegenden Keilfläche ist eine Ausnehmung 20 angebracht. Da diese Keilfläche eine Umdrehung später, also am Ende der Kompression, die Fläche 32¹ des ersten Verdrängers berührt, wird die Höhe der gewünschten Kompression durch das Volumen der Ausnehmung 20 bestimmt.

In Fig. 6 bis 9 sind verschiedene Steuermöglichkeiten für sich allein dargestellt. In der Praxis wird man sich hingegen auch für eine Kombination von zwei oder mehreren Steuermöglichkeiten entscheiden, je nachdem, wie es für das gerade vorliegende Problem am zweckmässigsten ist. Aus Gründen der Einfachheit sind die beiden Drehschieber in Fig. 8 und 9 als Flachschieber dargestellt; die Schieberspiegel dieser Steuerorgane können statt flach auch konisch oder ballig oder zylindrisch sein. Ebenfalls sind die Lagerung und das Gehäuse, welches geteilt sein muss, vereinfacht dargestellt.

Soweit die beschriebenen Maschinen mit ungeschmierten Arbeitsräumen arbeiten, können alle Dichtelemente 9, 12, 13, 15 aus selbstschmierendem Material, z.B. Kohle oder Teflon, hergestellt werden. Im Innern des Gehäuses 1 befinden sich keine Teile, die einer Schmierung bedürfen; die aussen liegenden geschmierten Wellenlager können mit konventionellen Mitteln gegen OeIverlust nach innen geschützt werden.

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Claims (9)

1. Maschinenfabrik Burckhardt AG · -P.5332 Stph

   Patentansprüche

   1\ Volumetrische Maschine mit kugelförmigem Arbeitsraum und zwei darin rotierenden Verdrängern, dadurch g e k e η η ζ eichnet, dass der erste Verdränger (2,22,42,52,62,72) eine einer Taumelscheibe ähnliche Form mit einer ebenen Fläche aufweist, die unter einem Winkel d. zu einer zur Drehachse des Verdrängers rechtwinkligen Ebene geneigt ist, und dass der zweite Verdränger (5,25,45,55,75) im wesentlichen die Form eines keilförmigen Kugelausschnitts aufweist, dessen Drehachse zur Drehachse des ersten Verdrängers (2,22,42,52,62,72) unter dem gleichen Winkel et geneigt ist und dessen Keilflächen sich im Bereich des Mittelpunktes des kugelförmigen Arbeitsraumes schneiden, wobei der zweite Verdränger (5,25,45,55,75) im Bereich der Schnittlinie seiner Keilflächen ständig an der ebenen Fläche des ersten Verdrängers (2,22,42,52,62,72) dichtend anliegt.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Verdränger (22,42,52,62,72) und dem zweiten Verdränger (25,45,55,75) eine Dichtschiene (9) angeordnet ist.
3. 3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschiene (9) an ihrer dem zweiten Verdränger (25,45,55, 75) zugewendeten Oberfläche als Kreiszylinderfläche ausgebildet ist.
4. 4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschiene (9) einen Zapfen (11) aufweist, mit dem sie in einer zentralen Bohrung des ersten Verdrängers (22,42,52,62,72) drehbar gelagert ist.

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   ORIGINAL INSPECTED
5. 5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des ersten Verdrängers (42,52, 62,72) und die kugelförmig ausgebildete Oberfläche des zweiten Verdrängers (45,55,75) durch federnd angepresste Dichtleisten (12 bzw. 13) gegen den kugelförmigen Arbeitsraum abgedichtet sind.
6. 6. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dichtschiene (9) und dem zweiten Verdränger (55,75) eine Dichtleiste (15) angeordnet ist.
7. 7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem den kugelförmigen Arbeitsraum begrenzenden Gehäuse (1) und dem zweiten Verdränger (45) eine Feder (14) angeordnet ist, die diesen Verdränger gegen den ersten Verdränger (42) drückt.
8. 8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den kugelförmigen Arbeitsraum begrenzenden Gehäuse (1) mindestens eine Oeffnung (16) vorgesehen ist, die im Zusammenwirken mit mindestens einem (52) der beiden Verdränger (52,55) den Ladungswechsel steuert.
9. 9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdränger (62) als Drehschieber ausgebildet ist, der im Zusammenwirken mit Oeffnungen (18, 28), die in dem den ersten Verdränger (62) umgebenden Gehäuse (1) vorgesehen sind, den Ladungswechsel steuern.

   909881/0531