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EP1005604A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Drehkolbenmaschine

Info

Publication number
EP1005604A1
EP1005604A1 EP98949923A EP98949923A EP1005604A1 EP 1005604 A1 EP1005604 A1 EP 1005604A1 EP 98949923 A EP98949923 A EP 98949923A EP 98949923 A EP98949923 A EP 98949923A EP 1005604 A1 EP1005604 A1 EP 1005604A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotary piston
piston machine
machine according
shut
working
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP98949923A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1005604B1 (de
Inventor
Felix Arnold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ARNOLD Felix
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1005604A1 publication Critical patent/EP1005604A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1005604B1 publication Critical patent/EP1005604B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C3/00—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F01C3/06—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F01C3/08—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C3/00—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F01C3/06—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F01C3/08—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C3/085—Rotary-piston machines or engines with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing the axes of cooperating members being on the same plane

Definitions

  • the invention relates to a rotary engine according to the type of the main claim.
  • a rotary piston machine (DE P 42 41 320.6; DE G 92 18 694.7; PCT / DE 92/01025) is known in which all the lines of the cycloid part and control part which form the direction of travel extend in the extension through the intersection of the axes of rotation. This is associated with restrictions on the expansion and compression behavior of the work spaces, which limits the adaptation of the lathe to different working media and areas of application.
  • the object according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the suction and discharge behavior of the work spaces is directed by the phase shift and thus an undesirable backflow or mixing of suctioned and ejected working medium is reduced.
  • the phase shift from the inner diameter to the outer diameter is at least 360 °, so that the working space is closed off from the surroundings at least in an angular position of the first or second part.
  • the amplitudes of the cycloids forming the running surface of the cycloid part are different from one another, so that a further degree of freedom is gained in the design of the behavior of the work spaces.
  • the working spaces are separated by positive locking between the flanks and tooth combs of the opposing teeth of the parts, so that the tooth combs of the control part run along the flanks of the teeth of the cycloid part due to the difference in the number of teeth and the backflow of the fluid towards zero goes and also the control part can be driven by the cycloids.
  • control channel for the entry of the working medium on the outside diameter and the control channel for the exit of the working medium on the inside diameter of the teeth are arranged so that in turbine or engine operation, the momentum and inertial forces of the working medium are rectified with the Displacement direction of the work area. It also reduces leakage losses and improves efficiency.
  • the working positions of the axes of rotation of the existing parts can be changed independently of one another. According to the invention, it is also conceivable that further additional wheel pairs are present, with at least one of the parts also having a rear toothing on the back, which in turn interacts with a further single or double toothed rotating part.
  • the cycloid part or control part is present in duplicate and the other part between these duplicate parts is arranged as a ring with double-sided front trim or cycloidal running surfaces, whereby according to a further embodiment, at least two working spaces present on both sides of the ring can be connected to one another .
  • this control part can have a drive or output device, or the drive and / or. Output can take place via the duplicate cycloid parts.
  • the housing can serve as a stator, in which both driven cycloid parts are mounted at a corresponding working angle, between which the control part rotates freely entrained with a tooth difference per end face.
  • corresponding channels which are optionally controlled during rotation are therefore present in the housing or in the control part for the supply or discharge of the working media. This not only saves additional valves, it also enables flushing in the direction of flow.
  • the radial outer surface of the parts is spherical, these parts being radially sealed on a correspondingly spherical inner surface of the housing.
  • the spherical guide in particular gives the possibility of changing the working position without additional sealing problems.
  • This outer or inner radially sealing, spherical working space wall can be connected to the control or cycloid part and rotate and center the parts with one another.
  • Another advantageous embodiment of the invention is its use as a compressor with speed-independent control, in particular by changing the phase shift of the two rotating parts to the channels of the working media.
  • the compression ratio can be steplessly controlled, in particular controlled independently of the speed, by the phase shift.
  • such a compressor is particularly suitable for charging internal combustion engines, since there are high speeds, especially very different speeds, the mass of the charger should be as small as possible, in particular the rotating masses to be driven, and the power must be regulated independently of the speed .
  • the compressors according to the invention can be used in pressure ranges in which previously only piston machines could be used.
  • a further advantageous embodiment of the invention is its use in the hydrostatic field as a pump, motor or transmission.
  • the extraordinarily favorable ratio of size to volume turnover also has an effect here.
  • the simple kinematics, the speed stability of the construction and the very large cross-sections of the flushing channels make these machines suitable for the highest speeds.
  • the internal flow resistance of the machine according to the invention is extremely low. When used as a pump, the high dimensional stability of the parts has an advantageous effect.
  • Wear also only affects the way that a kind of grinding takes place between the moving parts.
  • the machine is also suitable for the highest working pressures.
  • the same advantages have an effect, but especially the low masses to be accelerated, the good start-up behavior and the high volume efficiency.
  • the small construction volume and the compact connectivity of the pump and hydraulic motor have a particularly advantageous effect.
  • a further advantageous embodiment of the invention is its use as an engine or chiller, in particular according to the Stirling principle.
  • the working spaces assigned to each other work 90 ° out of phase.
  • Two rotating cycloid parts in conjunction with a rotating control part form pairs of chambers, each of which work 90 ° out of phase with each other.
  • One room is exposed to heat, the other is cooled, a regenerator is integrated in the control section.
  • the walls of the cold and hot work rooms are insulated from one another, even though they are spatially close. Due to the high degree of rigidity of the parts forming the work space, an extremely wide range of surfaces / work space volume is possible.
  • One of the rotating parts can be designed as a rotor of a linear generator of the sterling engine or a linear motor of the Stirling refrigerator. This makes it possible to hermetically seal the machine and ensure a very high charge pressure with low leakage losses To design working gas.
  • the phase shift that determines the performance of the Stirling engine is very easy to implement with this design. In any case, the amount of heat transported can be regulated independently of the speed in such a refrigeration machine.
  • Fig. 1 Drive or output part and shut-off part in
  • Fig. 2 Drive or output part and shut-off part in the assembled state with housing
  • Fig. 3 Top view of a cycloid toothing with 4 cycloids and a spiral angle of approximately 170 °
  • Fig. 4 Top view of a corresponding toothing of the
  • the power section 1 and the input or output shaft 2 are shown on the right side of FIG.
  • the drive or output shaft 2 which is mounted in the housing (not shown here) carries the power section 1 at one end.
  • the power section 1 consists of a spherical layer 3, which is delimited towards the drive or output shaft 2 by a flat base area 4, while its end face 5 is one has spiral cycloid teeth.
  • the cycloid 6 is formed by rolling off a circle on the section line 7 between the spherical surface 8 and the base 4 and the point of this circle describing the cycloid 6 is always on the spherical surface 8.
  • the Cycloid 6 is the guide curve required to produce the gearing.
  • a straight cycloid toothing results when a straight generating line is moved around a fixed point on the axis of rotation of the input or output shaft 2 along the guide curve 6. If a spiral generating line is used instead of the straight generating line, the spiral cycloid toothing of the power unit according to the invention results.
  • the shut-off part 10 shown on the left side of FIG. 1 has a similar geometry.
  • a shaft 11 which is also mounted in the housing (not shown) carries the spherical layer-shaped shut-off part 10 which is delimited towards the shaft 11 by a base area 12 and whose outer contour corresponds to a spherical surface 13.
  • the end face 14 of the shut-off part 10 has a spiral toothing, the number of teeth of which is one greater than the number of cycloids 6 of the power part 1.
  • the contour of the teeth corresponds to the tangents to the cycloids 6 during the synchronous rotation of power section 1 and shut-off section 10.
  • the contour of the teeth can also be selected so that there is always a certain distance between the cycloid and the teeth of the shut-off section 10.
  • shut-off part 10 and power part 1 are at a working angle 15 to each other. It is of no importance for the invention whether the cycloid toothing is arranged on the end face of the power section 1 as shown here and the corresponding toothing on the shut-off section 10 or vice versa.
  • power section 1 and shut-off section 10 are shown in their installed position.
  • Shut-off part 10, power part 1 and housing 17 form, depending on the number of cycloids, several working spaces 16, two of which are visible.
  • the sealing lines 9 migrate, depending on the direction of rotation, from the outside to the inside or vice versa and thereby promote the working medium or the drive of the output shaft 2.
  • the control openings (not shown) in the housing 17 are determined in accordance with the process requirements.
  • the inlet opening in the housing 17 is placed at the point at which the sealing line 9 detaches from the inside diameter of the toothing.
  • the external toothing is placed on the side of the housing where the working space 16 has the desired volume.
  • the power of the rotary piston machine can be controlled at constant speed by moving the shut-off part 10 relative to the power part 1.
  • the axis of rotation of the shut-off part 10 always remains on a conical surface, the cone angle of which corresponds to the working angle 15.
  • FIG. 3 shows a simplified top view of the power section 1.
  • Four spiral generating lines 18 are drawn in, which are intended to illustrate the construction of the spiral cycloid toothing.
  • the generating lines 18 are placed on the highest points of the cycloids.
  • the spiral angle 19 is about 170 ° in the example shown.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Hydraulic Motors (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

Es wird eine Drehkolbenmaschine vorgestellt, die als Pumpe, Verdichter oder Motor arbeitet und bei der ein zykloidisches Leistungsteil mit einem entsprechend geformten Absperrteil verzahnt ist, wobei sich die Zähnezahl um eins unterscheidet. Dadurch ergeben sich Arbeitsräume (16), deren Volumen durch die synchrone Drehung von Leistungsteil und Absperrteil bei jeder Umdrehung ein Maximum und ein Minimum erreicht.

Description

Drehkolbenmaschine
Die Erfindung geht aus von einer Drehkolbenmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bekannt ist eine Drehkolbenmaschine (DE P 42 41 320.6; DE G 92 18 694.7; PCT/DE 92/ 01025) bei denen sämtliche quer zur Laufrichtung die Laufrichtung bildenden Linien von Zykloidenteil und Steuerteil in ihrer Verlängerung durch den Schnittpunkt der Drehachsen gehen. Damit sind Beschränkungen des Expansions- und Kompressionsverhaltens der Arbeitsräume, verbunden, welche der Anpassung der Drehkraftmaschine an verschiedene Arbeitsmedien und Anwendungsbereiche Grenzen setzt.
Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Gegenstand mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs den Vorteil, daß das Ansaug- und Ausstoßverhalten der Arbeitsräume durch die Phasenverschiebung gerichtet wird und somit eine unerwünschte Rückströmung oder ein Vermischen von angesaugtem und auszustoßendem Arbeitsmedium verringert wird. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Phasenverschiebung vom Innendurchmesser bis zum Außendurchmesser mindestens 360°, so daß mindestens in einer Winkelstellung des ersten oder zweiten Teils der Arbeitsraum von der Umgebung abgeschlossen ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Amplituden der die Lauffläche des Zykloidenteils bildenden Zykloiden voneinander verschieden, so daß ein weiterer Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Verhaltens der Arbeitsräume hinzugewonnen wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Arbeitsräume durch Formschluß zwischen Flanken und Zahnkämmen der einander gegenüberliegenden Zähne der Teile abgetrennt, so daß die Zahnkämme des Steuerteils durch die Differenz der Zähnezahl auf den Flanken der Zähne des Zykloidenteils entlanglaufen und die Rückströmung des Fluids gegen Null geht und außerdem das Steuerteil von den Zykloiden antreibbar ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht kein Formschluß zwischen den die Lauffläche des Zykloidenteils bildenden Zykloiden und dem Steuerteil, so daß die Maschine auf die Impuls- und Massenkräfte des Arbeitsmediums zurückgehende Eigenschaften einer Strömungsmaschine erhält. Außerdem können empfindliche Medien, deren Eigenschaften durch Quetschen beeinträchtigt werden, als Arbeitsmedium eingesetzt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Steuerkanal für den Eintritt des Arbeitsmediums am Außendurchmesser und der Steuerkanal für den Austritt des Arbeitsmediums am Innendurchmes ser der Verzahnung angeordnet, so daß im Turbinen- oder Motorbetrieb, die Impuls- und Massenkräfte des Arbeitsmediums gleichgerichtet mit der Verdrängungsrichtung des Arbeitsraums wirken. Außerdem werden dadurch die Leckageverluste verringert und der Wirkungsgrad verbessert. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Arbeitslagen der Drehachsen der vorhandenen Teile unabhängig voneinander änderbar. Erfindungsgemäß ist es auch denkbar, daß weitere zusätzliche Radpaarungen vorhanden sind, wobei mindestens, eines der Teile rückseitig ebenfalls eine Stirnverzahnung aufweist, die wiederum mit einem weiteren einfach oder doppelt verzahnten rotierenden Teil zusammenwirkt. Voraussetzung ist, daß jenes diese drehenden Teile umschließende Gehäuse zu diesen eine Radialdichtung aufweist. Für den Antrieb und Abtrieb können in bekannter Weise Wellen oder Zahnkränze dienen, die mit den drehenden Teilen verbunden sind, bzw. auf diesen angeordnet sind und mit weiteren Antriebs- oder Abtriebsvorrichtung zusammenwirken. Durch das Verändern der Arbeitslagen der Drehachsen kann erreicht werden, daß die Volumenänderung beim einem Teil der Drehkolbenmaschine gegenüber dem Anderen verzögert erfolgt, oder vorauseilt, sodaß dadurch durch Verbinden der Arbeitsräume eine Stufenarbeit ermöglicht wird, oder aber eine Mischförderung erfolgen kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Zycloidenteil bzw Steuerteil doppelt vorhanden und zwischen diesen doppelt vorhandenen Teilen das andere Teil als Ring mit beiderseitigem Stirnbesatz bzw. zycloidischen Laufflächen versehen angeordnet, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung mindestens zwei, beiderseits des Rings vorhandene Arbeitsräume miteinander verbindbar sind. Hierdurch ergibt sich beispielsweise eine doppelt wirkende Pumpe bzw. eine Kraftmaschine, bei der zwischen zwei absolut synchron rotierenden Zycloidenteilen eine beidseitig verzahntes Steuerteil angeordnet ist, mit ebenfalls einem Zahn Unterschied zu den doppelt vorhandenen Teilen. Dieses Steuerteil kann je nachdem ob es sich um eine Pumpe oder einen Motor handelt, eine Antriebs bzw. Abtriebseinrichtung aufweisen, bzw. der Antrieb und/oder. Abtrieb kann über die doppelt vorhandenen Zycloidenteile erfolgen. Das Gehäuse kann als Stator dienen, in dem unter entsprechendem Arbeitswinkel beide angetriebene Zycloidenteile gelagert sind, zwischen denen frei mitgenommen pro Stirnseite eine Zahndifferenz aufweisend das Steuerteil rotiert. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind deshalb im Gehäuse bzw im Steuerteil für die Zu- oder Abführung der Arbeitsmedien entsprechende gegebenenfalls während des Rotierens gesteuerte Kanäle vorhanden. Hierdurch werden nicht nur zusätzliche Ventile eingespart, sondern es ist eine Spühlung in Fliehrichtung möglich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die radiale Mantelfläche der Teile kugelig ausgebildet, wobei diese Teile auf einer entsprechend kugelig ausgebildeten Innenfläche des Gehäuses radial dichtend geführt sind. Besonders die kugelige Führung ergibt die Möglichkeit der Änderung der Arbeitslage ohne zusätzliche Dichtprobleme. Diese äußere oder innere radial dichtende, kugelige Arbeitsraumwandung kann mit Steuer- oder Zycloidenteil verbunden sein und mit diesem rotieren und zentriert die Teile zueinander.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deren Anwendung als Verdichter mit drehzahlunabhängiger Steuerung, insbesondere durch Änderung der Phasenverschiebung der beiden rotierenden Teile zu den Kanälen der Arbeitsmedien. Abgesehen von der vorteilhaften großen Fliehkraftstabilität der bewegten Teile und den geringen Abmessungen bei hoher Maschinenleistung, läßt sich durch die Phasenverschiebung das Verdichtungsverhältnis stufenlos steuern, insbesondere drehzahlunabhängig steuern. Hierdurch ist ein solcher Verdichter zum Aufladen von Brennkraftmaschinen besonders geeignet, da dort hohe Drehzahlen, vor allem sehr unterschiedliche Drehzahlen stattfinden, wobei die Masse des Laders möglichst klein sein sollte, insbesondere die anzutreibende rotierende Massen, und die Leistung unabhängig von der Drehzahl geregelt werden muß. Auf Grund der Möglichkeit des phasenverschobenen Arbeitens mehrerer Arbeitsraumpaare, sowie der ventillosen und in Strömungsrichtung erfolgenden Steuerung (keine Umkehrung der Strömung) und der sehr guten Dichtqualität der Arbeitsräume können die erfindungsgemäßen Verdichter in Druckbereichen eingesetzt werden, in denen bisher nur Kolbenmaschinen verwendbar waren. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deren Anwendung auf dem hydrostatischen Gebiet als Pumpe, Motor oder Getriebe. Auch hier wirkt sich das außerordentlich günstige Verhältnis von Baugröße zu Volumenumsatz aus. Die einfache Kinematik, die Drehzahlfestigkeit der Konstruktion und die sehr großen Querschnitte der Spülkanäle machen diese Maschinen auch für höchste Drehzahlen geeignet. Der innere Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Maschine ist extrem niedrig. Bei der Anwendung als Pumpe wirkt sich die hohe Formsteifigkeit der Teile vorteilhaft aus. Auch der Verschleiß wirkt sich lediglich in der Art aus, als eine Art Einschleifen zwischen den beweglichen Teilen stattfindet. Zudem ist die Maschine für höchste Arbeitsdrücke geeignet. Bei der Anwendung als Hydromotor wirken sich die gleichen Vorteile aus, besonders aber die geringen zu beschleunigenden Massen, das gute Anlaufverhalten und der hohe Volumenwirkungsgrad. Bei der Anwendung als hydrostatisches Getriebe wirkt sich besonders vorteilhaft das geringe Bauvolumen aus und die kompakte Verbindbarkeit von Pumpe und Hydromotor.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deren Anwendung als Kraftmaschine bzw. Kältemaschine, insbesondere nach dem Stirlingprinzip. Bei letzterem arbeiten die einander zugeordneten Arbeitsräume um 90° Phasenverschoben. Zwei rotierenden Zycloidenteile in Verbindung mit einem rotierenden S teuerteil bilden Kammerpaare, die j eweils um 90° Phasenverschoben zueinander arbeiten. Ein Raum wird mit Wärme beaufschlagt, der andere gekühlt, ein Regenerator ist in das Steuerteil integriert. Gemäß der Gestaltung der Erfindung gibt es keine zwischen Heiß- und Kaltbereich wechselnden Teile. Die Wandungen der kalten und der heißen Arbeitsräume sind voneinander isoliert, obwohl sie sich räumlich nahe sind. Ein e x trem au s l e g b are Ve rh äl tn i s Ko n v ekti o n s fl äc h e/ Arbeitsraumvolumen ist auf Grund der hohen Formsteifigkeit der arbeitsraumbildenden Teile möglich. Eines der rotierenden Teile kann als Läufer eines Lineargenerators des Sterlingmotors oder eines Linearmotors der Stirlingkältemaschine ausgebildet sein. So ist es möglich, die Maschine hermetisch abzuschließen und für einen sehr hohen Ladungsdruck bei geringen Leckageverlusten des Arbeitsgases auszulegen. Die Phasenverschiebung, die die Leistung des Stirlingmotors bestimmt, ist bei dieser Bauform sehr einfach zu realisieren. In jedem Fall kann bei einer derart ausgestalteten Kältemaschine die transportierte Wärmemenge unabhängig von der Drehzahl reguliert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : Antriebs- oder Abtriebsteil und Absperrteil in
Explosionsdarstellung, Fig. 2: Antriebs- oder Abtriebsteil und Absperrteil in zusammengebautem Zustand mit Gehäuse, Fig. 3: Draufsicht auf eine Zykloidverzahnung mit 4 Zykloiden und einem Spiral winkel von ca. 170 ° und Fig. 4: Draufsicht auf eine entsprechende Verzahnung des
Absperrteils mit 5 Zähnen.
Auf der rechten Seite von Figur 1 sind das Leistungsteil 1 und die Antriebs-oder Abtriebswelle 2 dargestellt. Die im hier nicht dargestellten Gehäuse gelagerte Antriebs- oder Abtriebswelle 2 trägt an ihrem einen Ende das Leistungsteil 1. Das Leistungsteil 1 besteht aus einer Kugelschicht 3, die zur Antriebs- oder Abtriebswelle 2 hin von einer ebenen Grundfläche 4 begrenzt wird während ihre Stirnfläche 5 eine spiralförmige Zykloidverzahnung aufweist. Die Zykloide 6 wird - im Gegensatz zur herkömmlich Konstruktion einer Zykloide - dadurch gebildet, daß ein Kreis auf der Schnittlinie 7 zwischen Kugeloberfläche 8 und Grundfläche 4 abgerollt wird und der die Zykloide 6 beschreibende Punkt dieses Kreises sich stets auf der Kugeloberfläche 8 befindet. Die Zykloide 6 ist die zur Herstellung der Verzahnung erforderliche Leitkurve. Eine gerade Zykloidverzahnung ergibt sich, wenn eine gerade erzeugende Linie um einen festen Punkt auf der Drehachse der Antriebs- oder Abtriebswelle 2 entlang der Leitkurve 6 bewegt wird. Wenn anstelle der geraden erzeugenden Linie eine spiralförmige erzeugende Linie verwendet wird, ergibt sich die erfindungsgemäße spiralförmige Zykloidverzahnung des Leistungsteils.
Das auf der linken Seite von Figur 1 dargestellte Absperrteil 10 weist eine ähnliche Geometrie auf. Eine ebenfalls im nicht dargestellten Gehäuse gelagerte Welle 1 1 trägt das kugelschichtförmige Absperrteil 10, das zur Welle 1 1 hin von einer Grundfläche 12 begrenzt wird und deren Außenkontur einer Kugeloberfläche 13 entspricht. Die Stirnfläche 14 des Absperrteils 10 weist eine spiralförmige Verzahnung auf, deren Zähnezahl um eins größer als die Zahl der Zykloiden 6 des Leistungsteils 1 ist. Die Kontur der Zähne entspricht den Tangenten an die Zykloiden 6 während der synchronen Drehung von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10. Die Kontur der Zähne kann auch so gewählt werden, daß stets ein bestimmter Abstand zwischen Zykloide und den Zähnen des Absperrteils 10 vorhanden ist. Dann geht die Verdrängermaschine in eine Strömungsmaschine über. Dies ist vorteilhaft, wenn z. B. das Arbeitsmedium durch Quetschung ind den Dichtlinien 9 beschädigt würde oder die Impuls- und Massenkräfte des Arbeitsmediums genutzt werden sollen. Die Drehachsen von Absperrteil 10 und Leistungsteil 1 stehen in einem Arbeits winkel 15 zueinander. Es ist für die Erfindung ohne Bedeutung, ob die Zykloidverzahnung wie hier dargestellt auf der Stirnseite des Leistungsteils 1 angeordnet ist und die entsprechende Verzahnung auf dem Absperrteil 10 oder umgekehrt.
In Figur 2 sind Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 in ihrer Einbaulage dargestellt. Dabei sind zwei Dichtlinien 9, die in der Zeichung als Berührpunkte dargestellt sind, von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 erkennbar. Absperrteil 10, Leistungsteil 1 und Gehäuse 17 bilden, abhängig von der Zahl der Zykloiden mehrere Arbeitsräume 16 aus, von denen zwei sichtbar sind. Bei der durch die zwei Pfeile angedeuteten Drehrichtung von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 expandieren die Arbeitsräume 16 in dem dargestellten Ausschnitt der Drehbewegung. Entsprechend wird das Volumen des Arbeitsraums auf der nicht dargestellten zweiten Hälfte der Drehung komprimiert. Die Dichtlinien 9 wander, je nach Drehrichtung, von außen nach innen oder umgekehrt und bewirken dadurch die Förderung des Arbeitsmediums bzw. den Antrieb der Abtriebswelle 2. Die nicht dargestellten Steueröffnungen im Gehäuse 17 werden entpsrechend den Prozeßanforderungen bestimmt. So wird im Pumpenbetrieb mit Förderrichtung von innen nach außen die Einlaßöffnung im Gehäuse 17 an den Punkt gelegt, an dem die Dichtlinie 9 sich vom Innendurchmesser der Verzahnung ablöst. Die Außenverzahnung wird an die Strelle des Gehäuses gelegtan dem der Arbeitsraum 16 das gewünschte Volumen hat. Die Leistung der Drehkolbenmaschine kann bei konstanter Drehzahl dadurch geregelt werden, daß das Absperrteil 10 relativ zum Leistungsteil 1 bewegt wird. Dabei bleibt die Drehachse des Absperrteils 10 immer auf einer Kegelfläche, deren Kegelwinkel dem Arbeitswinkel 15 entspricht.
In Figur 3 wird eine vereinfachte Draufsicht auf das Leistungsteil 1 gezeigt. Hierbei sind vier spiralförmige erzeugende Linien 18 eingezeichnet, welche die Konstruktion der spiralförmigen Zykloidverzahnung verdeutlichen sollen. Die erzeugenden Linien 18 sind auf die höchsten Punkte der Zykloiden gelegt. Der Spiralwinkel 19 beträgt im gezeigten Beispiel ca 170°.
In Figur 4 sind die entsprechenden erzeugenden Linien 21 des Absperrteils 10 dargestellt. Durch den Vergleich von Figur 3 und Figur 4 ist einerseits der Unterschied in der Zähnezahl zu erkennen und andererseits kann man auch die Wirkung der spiralförmigen Verzahnung nachvollziehen. Im Gegensatz zu einer geraden Zykloidverzahnung kann ein und derselbe Arbeitsraum in seinem inneren und äußeren Bereich gleichzeitig expandieren und kompri mi eren . D ad urch ergebe n s i ch erheb li ch e Gestaltungsmöglichkeiten bzgl. des gewünschten volumetrischen Verhaltens des Arbeitsraums. Wenn der von der spiralförmigen erzeugenden Linie eingeschlossene Spiralwinkel 19 größer als 360 ° ist, dann ist jeder Arbeitsraum 16 bei der Drehung von Leistungsteil 1 und Absperrteil 10 zeitweise allseitig abgeschlossen. Rückströmung des Arbeitsmediums und sonstige Rückwirkungen von Auslaß- auf die Einlaßseite oder umgekehrt sind damit ausgeschlossen.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszahlenliste
1 Leistungsteil
2 Antriebs- oder Abtriebswelle
3 Kugelschicht
4 Grundfläche des Leistungsteils
5 Stirnfläche des Leistungsteils
6 Zykloide
7 Schnittlinie zwischen Kugeloberfläche und Grundfläche
8 Kugeloberfläche
9 Dichtlinie zwischen Leistungsteil und Absperrteil
I 0 Absperrteil
I I Welle
1 2 Grundfläche des Absperrteils
1 3 Kugeloberfläche
1 4 Stirnfläche des Absperrteils
1 5 Arbeitswinkel
1 6 Arbeitsraum
1 7 Gehäuse
1 8 Erzeugende Linien des Leistungsteils
1 9 Spiralwinkel
2 0 -
2 1 erzeugende Linien des Absperrteils

Claims

Ansprüche
Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter, Turbine oder Motor arbeitet,
- mit einem, einen Innenraum in Form einer Kugelzone aufweisenden Gehäuse (17), das mindestens je eine Eintrittsund eine Austrittsöffnung aufweist,
- mit einem mit einer im Gehäuse ( 17) gelagerten mit Antriebs- oder Abtriebsvorrichtung versehenen Welle (2) verbundenen Leistungsteil (1 ), welches aus einer von einer Stirnfläche (5) und einer Grundfläche (4) begrenzten Kugelschicht (3) besteht, deren Mittelpunkt in der Dreh- Achse der Antriebs- oder Abtriebswelle (2) liegt und deren Durchmesser dem Inneraum des Gehäuses ( 17) entspricht, deren Grundfläche (4) lotrecht zur Dreh-Achse verläuft und deren Stirnfläche (5) gebildet wird durch die Bewegung einer mit einem Punkt der Dreh-Achse verbundenen geraden erzeugenden Linie entlang einer zykloidischen Leitkurve mit mindestens 2 Zykloiden, wobei das Abrollen des zur Konstruktion der Zykloiden erforderlichen Kreises auf der kreisförmigen Schnittlinie (7) von Grundfläche (4) und Kugelschicht (3) erfolgt und der die Zykloide (6) bildende Punkt des Kreises sich auf der Oberfläche der Kugelschicht (3) bewegt, - mit einem mit einer im Gehäuse (17) gelagerten Welle (1 1) verbundenen Absperrteil (10), welches aus einer von einer Stirnfläche ( 14) und einer Grundfläche ( 13) begrenzten Kugelschicht besteht, deren Mittelpunkt in der Dreh-Achse der Welle (11) liegt und deren Durchmesser dem Inneraum des Gehäuses ( 17) entspricht, deren Grundfläche ( 12) lotrecht zur Achse der Welle ( 1 1 ) verläuft und deren Stirnfläche ( 14) als kämmend mit dem Leistungsteil ( 1 ) zusammenwirkende Verzahnung ausgebildet ist, wobei die Differenz der Zahnzahl des Absperrteils (10) und der Zahl der Zykloiden (6) des Leistungsteils ( 1 ) eins beträgt, Leistungsteil ( 1 ) und Absperrteil (10) sich synchron um die in einem Arbeitswinkel (15) zueinander angeordneten Dreh- Achsen der Antriebs- oder Abtriebswelle (2) und der Welle (11 ) drehen und sich zwischen den Zykloiden (6) und den Zähnen des Absperrteils (10) Arbeitsräume bilden, die mit jeder Umdrehung ein durch Zykloiden (6), Zahnform und Arbeitswinkel ( 15) bestimmtes Maxmimum und Minimum erreichen, dadurch gekennzeichnet,
- daß die die Stirnfläche (5) des Leistungsteils ( 1 ) erzeugende Linie in einer durch die Drehachse der Antriebsoder Abtriebswelle (2) verlaufenden Ebene eine gekrümmte Linie ist.
2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die die Stirnfläche (5) des Leistungsteils (1) erzeugende Linie eine Spirale ist.
3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralwinkel größer 360° ist.
4. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume (16) durch Formschluß zwischen Zykloiden (6) und Zähnen der Absperrteils (10) und des Leistungsteils (1) abgetrennt werden.
5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den die Lauffläche des Leistungsteils (1 ) bildenden Zykloiden und dem Absperrteil (10) ein bestimmter Abstand vorhanden ist.
6. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal für den Eintritt des Arbeitsmediums am Innendurchmesser der Steuerkanal für den Austritt des Arbeitsmediums am Außendurchmesser der Verzahnung angeordnet ist.
7. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal für den Eintritt des Arbeitsmediums am Außendurchmesser der Steuerkanal für den Austritt des Arbeitsmediums am Innendurchmesser der Verzahnung angeordnet ist.
8. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitslage der Drehachsen der vorhandenen rotierenden Teile ( 1 , 10) unabhängig voneinander änderbar wird.
9. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsteil ( 1 ) bzw. Absperrteil ( 10) doppelt vorhanden ist, und zwischen diesen doppelt vorhandenen Teilen das andere Teil (10, 1) als Scheibe mit beiderseitigem Stirnzahnbesatz bzw. zykloidischen Lauflächen versehen angeordnet ist.
10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der beiderseits der Scheibe ( 1 , 10) vorhandenen Arbeitsräume (16) miteinander verbindbar sind.
1 1 . Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse ( 17) bzw. im Absperrteil (10) für die Zu- oder Abführung der Arbeitsmedien entsprechende Kanäle vorhanden sind.
12. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeloberflächen (8, 13) und auf der kugelig ausgebildeten Innenfläche des Gehäuses (17) radial dichtend geführt ist.
13. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung als Verdichter mit drehzahlunabhängiger Steuerung, und insbesondere durch Verschiebung der Arbeitsphasen der beiden rotierenden Teile zu den Kanälen der Arbeitsmedien.
14. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 3 , dadurch gekennzeichnet, daß zwei von außen angetriebene, im Gehäuse axial gelagerte Leistungsteile ( 1 ) und ein dazwischen angeordnetes, beidseitig verzahntes Absperrteil (10) vorhanden sind, und daß die Zahnanordnung auf dem Absperrteil in Drehrichtung auf der einen Seite gegenüber der anderen Seite versetzt ist oder daß auf beiden Seiten unterschiedliche Zahnzahlen vorgesehen sind.
15. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung auf dem hydrostatischen Gebiet als Pumpe, Motor oder Getriebe.
16. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung als Kraftmaschine bzw. Kältemaschine, insbesondere nach dem Stirlingprinzip, wobei die einander zugeordneten Arbeitsräume um 90 phasenverschoben zusammenwirken.
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