SCHNEIDER, Willi (Hungerberg 30, Bodelshausen, 72411, DE)
Patentansprüche
1. Flügelzellenmaschine (10), insbesondere Flügelzellenpumpe, mit mindestens einem Innenrotor (28), mindestens einem Außenrotor (51), und einer Mehrzahl von sich wenigstens in etwa radial erstreckenden Flügelelementen (32), die erste Förderzellen (80) voneinander trennen und mit einem radial inneren Endbereich (34) im Innenrotor (28) in radialer Richtung verschieblich und mit einem radial äußeren Endbereich
(36) im Außenrotor (51) schwenkbar aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die radial inneren Endbereiche (34) der Flügelelemente (32) im Innenrotor
(28) wenigstens im Wesentlichen winkelfest aufgenommen sind und der Außenrotor (51) für jedes Flügelelement
(32) mindestens einen separaten Schuh (38) umfasst, mit dem das Flügelelement (32) schwenkbar verbunden ist.
2. Flügelzellenmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Endbereich (34) eines Flügelelements (32) an seinem Schuh (38) im Betrieb schwenkbar befestigt und der Schuh (38) in Umfangsrichtung (U) zwangsgeführt (46) ist.
3. Flügelzellenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen radial außerhalb der Schuhe (38) angeordneten und drehfesten Gehäuseabschnitt (40) umfasst, an dem die Schuhe (38) im Betrieb gleitend anliegen.
4. Flügelzellenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein seitlicher Randbereich (42) eines Schuhs (38) in einer Führungsbahn (46) gleitend geführt ist.
5. Flügelzellenmaschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn (46) zwischen einem Außenring (40) und einer ringförmigen Stufe (48) eines seitlichen Abdeckelements (50) gebildet ist.
6. Flügelzellenmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleitlagerung der Schuhe (38) trocken arbeitet.
7. Flügel zellenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schuhe
(38) in Umfangsrichtung (U) so weit erstrecken, dass in jenem Bereich (86) der Flügelzellenmaschine (10), in dem das Volumen der ersten Förderzellen (80) minimal ist, ein Spalt zwischen benachbarten Schuhen (38) nahe Null ist.
8. Flügelzellenmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine zweite Förderzelle (84) umfasst, die zwischen dem radial inneren Endbereich (34) eines Flügelelements (32) und dem Innenrotor (28) gebildet ist.
9. Flügelzellenmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite fördernde Förderzellen (80, 84) und/oder erste und zweite saugende Förderzellen (80, 84) jeweils durch mindestens einen Kanal (64, 66) miteinander verbunden sind.
10. Flügelzellenmaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (64, 66) als Nut in einem seitlichen Abdeckelement (50a) vorhanden ist, wobei der Kanal (64, 66) in einem Winkel zu einer Radiuslinie (R) verläuft, der größer als 0°, insbesondere größer als 45° ist. |
Flügelzellenmaschine, insbesondere Flügelzellenpumpe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine, insbesondere eine Flügelzellenpumpe, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 100 40 711 Al ist eine Flügelzellenpumpe mit einem ringförmigen Innenrotor bekannt, in dem eine Mehrzahl von sich radial nach außen erstreckenden Flügelelementen radial verschieblich aufgenommen sind. Die radial inneren Endbereiche der Flügelelemente stützen sich an einem drehfesten Zentralteil ab, die radial außen liegenden Endbereiche an einem drehfesten Außenring. Der Rotor kann um eine Drehachse gedreht werden, die gegenüber der Mittelachse des Zentralteils und des Außenrings versetzt ist. Auf diese Weise bilden sich bei einer Drehbewegung des Rotors zwischen den Flügelelementen zunächst größer und dann wieder kleiner werdende Förderzellen. Durch die Volumenänderung der Förderzellen wird zunächst Fluid in die Förderzellen angesaugt und dann wieder ausgestoßen. Die Endbereiche der Flügelelemente gleiten auf dem Zentralteil bzw. dem Außenring. Eine solche Flügelzellenpumpe kann einfach und preiswert hergestellt werden.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist aus der DE 195 32 703 Cl eine Flügelzellenmaschine in Form einer Pendelschieberpumpe bekannt. Bei dieser sind die Flügelelemente in einem Innenrotor verschieblich aufgenommen, wohingegen sie in einem ringförmigen Außenrotor schwenkbar gehalten sind. Die Drehachse des Innenrotors ist gegenüber der Drehachse des Außenrotors versetzt, wodurch im Betrieb ebenfalls sich zunächst vergrößernde und dann wieder verkleinernde
Förderzellen gebildet werden. Die aus der DE 195 32 703 Cl bekannte Pendelschieberpumpe ist jedoch komplex und somit teuer in der Herstellung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flügelzellenmaschine zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist und gleichzeitig einfach und preiswert hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Flügelzellenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Indem die radial inneren Endbereiche der Flügelelemente im Innenrotor wenigstens im Wesentlichen winkelfest aufgenommen sind, wird zum einen eine sehr gute Abdichtung zwischen den Flügelelementen und dem Innenrotor erzielt, was dem Wirkungsgrad der Flügelzellenmaschine zugute kommt. Zum anderen wird durch den Wegfall der bei einer Pendelschiebermaschine erforderlichen Schwenkmöglichkeit in diesem Bereich die Fertigung der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine vereinfacht, was wiederum deren Herstellkosten senkt.
Dadurch, dass der Außenrotor einzelne und für jedes Flügelelement separate Schuhe umfasst, mit denen die Flügelelemente schwenkbar verbunden sind, wird auch in diesem Bereich eine gute Abdichtung zwischen Außenrotor und Flügelelement erzielt, was den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine weiter verbessert. Darüber hinaus ergibt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Flügelzellenmaschine im Betrieb zwischen benachbarten Schuhen ein zusätzliches variables Volumen, was ebenfalls einen erhöhten Wirkungsgrad zur Folge hat.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Flügelzellenmaschine ist der radial äußere Bereich eines
Flügelelements an seinem Schuh im Betrieb schwenkbar befestigt und der Schuh in Umfangsrichtung zwangsgeführt. Somit kann auf ein radial innen liegendes Zentralelement verzichtet werden, was den Aufbau der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine nochmals vereinfacht.
Ebenfalls zur Vereinfachung des Aufbaus der Flügelzellenpumpe trägt bei, wenn sie einen radial außerhalb der Schuhe angeordneten und drehfesten Gehäuseabschnitt umfasst, an dem die Schuhe im Betrieb gleitend anliegen. Ein solches gleitendes Zusammenwirken zwischen den Schuhen und dem drehfesten Gehäuseabschnitt gestattet eine gute Abdichtung und ist dennoch preiswert realisierbar.
Eine präzise Zwangsführung mit gleichzeitig geringem Reibungswiderstand, einfacher Herstellbarkeit, und vor allem auch einfacher Montierbarkeit kann realisiert werden, wenn mindestens ein seitlicher Randbereich eines Schuhs in einer Führungsbahn gleitend geführt ist. Diese kann beispielsweise durch eine seitliche Nut oder zwischen einem Außenring und einer ringförmigen Stufe eines seitlichen Abdeckelements gebildet sein.
Da durch das Vorhandensein der Schuhe eine vergleichsweise große Dichtfläche zur Verfügung steht, wird eine ausreichende Abdichtung und somit ein guter Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine auch dann erreicht, wenn eine Gleitlagerung der Schuhe, wie sie beispielsweise oben angesprochen wurde, trocken, also ohne Einsatz zusätzlicher Schmier- bzw. Dichtstoffe, arbeitet. Dies ist vor allem bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine als Vakuumpumpe oder als Kompressor von Vorteil, da hierdurch Verschmutzungen des Gasstroms durch solche Stoffe vermieden werden.
Um das Totvolumen innerhalb einer Förderzelle zu minimieren und hierdurch den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine zu optimieren, wird vorgeschlagen, dass sich die Schuhe in Umfangsrichtung so weit erstrecken, dass in jenem Bereich der Flügelzellenmaschine, in dem das Volumen der ersten Förderzellen minimal ist, der Spalt zwischen benachbarten Schuhen nahe Null ist.
Vorteilhaft ist ferner, wenn die Flügelzellenmaschine mindestens eine zweite Förderzelle umfasst, die zwischen dem radial inneren Endbereich eines Flügelelements und dem Innenrotor gebildet wird. Diese Förderzelle ist von dem Typ, wie er bei üblichen Kolbenpumpen vorhanden ist. Hierdurch wird der Wirkungsgrad nochmals verbessert, da ein insgesamt größeres Fördervolumen zur Verfügung steht.
Zur Vereinfachung des Aufbaus der Flügelzellenmaschine trägt bei, wenn erste und zweite fördernde Förderzellen und/oder erste und zweite saugende Förderzellen jeweils durch mindestens einen Kanal miteinander verbunden sind. Dieser Kanal ist darüber hinaus vorteilhafterweise als Nut in einem seitlichen Abdeckelement vorhanden und verläuft in einem Winkel zu einer Radiuslinie, der größer als 0°, insbesondere größer als 45° ist. Dies vermeidet Interaktionen zwischen einem Flügelelement und dem Kanal .
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine Flügelzellenpumpe;
Figur 2 eine Seitenansicht der Flügelzellenpumpe von Figur 1;
Figur 3 einen Schnitt längs der Linie III-III von Figur 2;
Figur 4 eine perspektivische Darstellung eines Pumpmoduls der Flügelzellenpumpe von Figur 1 ;
Figur 5 einen Schnitt längs der Linie V-V von Figur 2;
Figur 6 eine perspektivische Sicht ähnlich Figur 3 in das Innere des Pumpmoduls;
Figur 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII von Figur 2 ;
Figur 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII von Figur 1; und
Figur 9 eine Darstellung ähnlich Figur 7 der
Flügelzellenpumpe in einem anderen Betriebszustand.
Eine Flügelzellenpumpe trägt in den Figuren 1 bis 9 insgesamt das Bezugszeichen 10. Bereits an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass aus Gründen der übersichtlichkeit nicht in allen nachfolgenden Figuren alle möglichen Bezugszeichen eingetragen sind. Wie insbesondere aus Figur 2 hervorgeht, umfasst sie ein zylindrisches Gehäuse 12, welches aus einem topfartigen Teil 12a und einem stirnseitigen Deckel 12b besteht. In dem Gehäuse 12 ist ein Pumpenmodul 14 angeordnet.
Figur 3 zeigt einen Schnitt III-III von Figur 2 durch einen Bereich eines Bodens 16 des topfartigen Abschnitts 12a des Gehäuses 12. In dem Boden 16 sind eine Einlassöffnung 18 und eine Auslassöffnung 20 vorhanden, die mit auf der Innenseite des Bodens 16 vorhandenen nierenförmigen Ausnehmungen 22 bzw. 24 kommunizieren. Im Boden 16 ist ferner eine Antriebswelle 26 gelagert, die an ihrem entgegengesetzten Ende den Deckel 12b des Gehäuses 12 durchsetzt und dort über eine nicht gezeigte Kupplung mit einer entsprechenden Antriebseinrichtung verbunden werden kann.
Wie beispielsweise auch aus den Figuren 6 und 7 hervorgeht, ist die Antriebswelle 26 mit einem zylindrischen Innenrotor 28 verbunden, in den über den Umfang verteilt mehrere sich radial erstreckende Schlitze 30 vorhanden sind, von denen in den Figuren aus übersichtlichkeitsgründen jedoch nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. In jedem Schlitz 30 ist ein Bereich eines insgesamt rechteckigen, scheibenartigen Flügelelements 32 in radialer Richtung verschieblich, jedoch gegenüber dem Innenrotor 28 winkelfest aufgenommen. Der radial innere Endbereich 34 eines Flügelelements 32, der im entsprechenden Schlitz 30 des Flügelelements 32 aufgenommen ist, ist gerade ausgeführt, wohingegen der radial äußere Endbereich eines Flügelelements 32 als achsenartige Verdickung 36 mit im Querschnitt kreisförmiger Außenkontur ausgebildet ist. Die Längsachse dieser Verdickung 36 verläuft parallel zur Längsachse der Antriebswelle 26.
Der kreisförmig verdickte Endbereich 36 eines Flügelelements 32 ist in einer komplementären Ausnehmung (ohne Bezugszeichen) in einem Schuh 38 aufgenommen. Auf diese Weise sind Flügelelement 32 und Schuh 38 in radialer Richtung (Pfeil R in Figur 7) und in Umfangsrichtung (Pfeil U in Figur 7) fest miteinander verbunden, durch die formschlüssige Verbindung kann das Flügelelement 32 jedoch innerhalb eines gewissen Winkelbereichs gegenüber dem Schuh 38 verschwenkt werden. Die endseitige Verdickung 36 am Flügelelement 32 bildet insoweit eine Schwenkachse.
Die Schuhe 38 sind ebenso wie die Flügelelemente 32 zueinander identisch aufgebaut als ringsegmentartige Schalenteile mit gemeinsamer Mittelachse. Sie liegen an einer radial inneren Begrenzungswand eines Außenrings 40 an, der, wie weiter unten noch erläutert werden wird, drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden ist.
Wie insbesondere aus Figur 8 hervorgeht, sind die Schuhe 38 in Richtung der Antriebswelle 26 gesehen länger als die Flügelelemente 32. Sie stehen also mit seitlichen Randbereichen 42a und 42b über die seitlichen Ränder 44 der Flügelelemente 32 über. Dieses überstehen der seitlichen Randbereiche 42a und 42b wird für eine Zwangsführung der Schuhe 38 in einer Führungsbahn 46a bzw. 46b genutzt. Letztere wird zum einen durch den Außenring 40 gebildet, der in Richtung der Antriebwelle 26 gesehen genauso lang ist wie die Schuhe 38, und einer ringförmigen Stufe 48a bzw. 48b, die in seitlichen Abdeckelementen 50a und 50b vorhanden ist, die mit dem Außenring 40 fest verbunden sind. Die beiden Abdeckelemente 50a und 50b bilden also die stirnseitigen Begrenzungen des Pumpenmoduls 14 (vgl. auch Figur 4). Die Schuhe 38 bilden einen Außenrotor 51.
Das in Figur 8 linke und in Figur 4 vordere Abdeckelement 50a verfügt über eine Saugniere 52 und eine Druckniere 54 und einen radial außerhalb auf radialer Höhe der Schuhe 38 liegenden Saugschlitz 56 und einen entsprechenden Druckschlitz 58. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, befinden sich auf der den Flügelelementen 32 zugewandten Innenseite des Abdeckelements 50a darüber hinaus zusätzliche nutartige und nierenförmige Ausnehmungen 60 und 62, die radial einwärts von der Saugniere 52 bzw. Druckniere 54 ungefähr auf Höhe des radial inneren Bereichs der Schlitze 30 angeordnet sind. Dabei ist zu bemerken, dass sich die im Bereich der Saugniere 52 angeordnete nierenförmige Ausnehmung 60 in Umfangsrichtung U über einen geringeren Bereich erstreckt als die im Bereich der Druckniere 54 angeordnete nierenförmige Ausnehmung 62.
Die innere nierenförmige Ausnehmung 60, die Saugniere 52, und der Saugschlitz 56 sind durch nutartige und ebenfalls auf der den Flügelelementen 32 zugewandten Innenseite des Abdeckelements 50a vorhandene Kanäle 64 fluidisch miteinander verbunden. Analog hierzu sind die nierenförmige Ausnehmung
62, die Druckniere 54 und der Druckschlitz 58 durch entsprechende nutartige Kanäle 66 miteinander verbunden. Die Kanäle 64 und 66 verlaufen gegenüber der Radiuslinie R in einem Winkel von ungefähr 45°.
Wie insbesondere aus den Figuren 4 und 7 ersichtlich ist, kann die aus Außenring 40 und seitlichen Abdeckelementen 50a und 50b gebildete Einheit, die mit 68 bezeichnet ist und zu der aufgrund der Zwangsführung in der Führungsbahn 46 auch die Schuhe 38 und die Flügelelemente 32 gehören, um eine Achse 70 verschwenkt werden. Hierzu ist der Außenring 40 mit einem Bügelelement 72 verbunden, welches durch eine Feder 74 in die in Figur 7 gezeigte Position beaufschlagt wird. In dieser liegt die Mittelachse der Einheit 68 nicht auf der Mittelachse der Antriebswelle 26, sondern ist gegenüber dieser parallel versetzt. Durch Beaufschlagung eines Druckraums 76 mit einem Fluiddruck kann das Bügelelement 72 und mit ihm die Einheit 68 entgegen der Kraft der Feder 74 um die Achse 70 verschwenkt werden, bis gegebenenfalls die Mittelachse der Einheit 68 und die Längsachse der Antriebswelle 26 konzentrisch sind. Zur Abdichtung des Druckraums 76 verfügt das Bügelelement 72 über Dichtflächen 78a und 78b, die gleitend mit dem Gehäuse 12 zusammenarbeiten .
Die Flügelzellenpumpe 10 arbeitet folgendermaßen, wobei zunächst die in Figur 7 gezeigte Stellung der Einheit 68 betrachtet wird: Bei einer Drehung der Antriebswelle 26 in Richtung des Pfeiles 79 wird der Innenrotor 28 ebenfalls in Drehung versetzt. Hierdurch werden auch die Flügelelemente 32 mitgenommen, und über diese wiederum auch die Schuhe 38, welche den Außenrotor 51 bilden. Da bei der in Figur 7 gezeigten Position der Einheit 68 deren Mittelachse gegenüber der Drehachse der Antriebswelle 26 versetzt ist, ergeben sich zwischen Außenring 40, Schuhen 38, Flügelelementen 32, und Innenrotor 28 erste Förderzellen 80, deren Volumen auf einer
Saugseite 81 zunächst zunimmt und auf einer Druckseite 83 dann wieder abnimmt.
Durch die Führung der Flügelelemente 32 in den Schlitzen 30 und die formschlüssige Aufnahme der Schwenkachse 36 eines Flügelelements 32 in der hierzu komplementären Ausnehmung im Schuh 38 sind benachbarte Förderzellen 80 gut gegeneinander abgedichtet. Durch die sich auf der Saugseite 81 vergrößernden Volumina der ersten Förderzellen 80 wird über die entsprechende Saugniere 52, die nierenförmige Ausnehmung 22 und die Einlassöffnung 18 Fluid in die Förderzellen 80 angesaugt. Wie besonders gut aus den Figuren 6 und 7 ersichtlich ist, sind die Abstände, in Umfangsrichtung U gesehen, zwischen benachbarten Schuhen 38 ebenfalls insoweit variabel, als sie auf der Saugseite 81 im Laufe der Drehung ebenfalls zunehmen. Hierdurch wird ein zusätzliches Fördervolumen 82 innerhalb der ersten Förderzellen 80 geschaffen.
Wie aus den gleichen Figuren ersichtlich ist, bildet ein Schlitz 30 zwischen dem radial inneren Endbereich 34 und dem Innenrotor 28 eine zweite Förderzelle 84, deren Volumen ebenfalls auf der Saugseite 81 zu- und auf der Druckseite 83 abnimmt. Auch diese Förderzellen 84 werden auf der Saugseite über die radial innere nierenförmige Ausnehmung 60, die Kanäle 64, die Saugniere 52, und die nierenförmige Ausnehmung 22 mit Fluid befüllt. Aufgrund des sich auf der Druckseite 83 wieder verkleinernden Volumens der ersten Förderzellen 80 und der zweiten Förderzellen 84 wird das dort aufgenommene Fluid über die Druckniere 54 bzw. die nierenförmige Ausnehmung 62 und die Kanäle 66 zur nierenförmigen Ausnehmung 24 und von dort zum Auslass 20 gedrückt. Zusätzlich kann das zwischen benachbarten Schuhen 38 vorhandene Fluidvolumen 82 durch den Druckschlitz 58 zur Auslassöffnung 20 hin entweichen. Dabei ist, wie besonders gut ebenfalls aus den Figuren 6 und 7 ersichtlich ist, die Erstreckung der Schuhe 38 in
Umfangsrichtung U so gewählt, dass in jenem Bereich (Bezugszeichen 86) der Flügelzellenpumpe 10, in dem das Volumen der ersten Förderzellen 80 minimal ist, der Spalt zwischen benachbarten Schuhen 38 nahe Null ist.
Wie bereits oben ausgeführt worden ist, arbeiten die Schuhe 38 mit ihrer radialen Außenseite gleitend mit der Innenwand des Außenrings 40 zusammen. Aufgrund der vergleichsweise großen Dichtfläche wird eine gute Abdichtung zwischen benachbarten ersten Förderzellen 80 erhalten, ohne dass zusätzliche Dichtmittel, insbesondere keine Schmiermittel, erforderlich sind. Eine Reduktion der Gleitreibung zwischen den Schuhen 38 und dem Außenring 40 kann durch eine entsprechende Materialwahl erreicht werden.
In Figur 9 ist die Flügelzellenpumpe 10 in einem Zustand gezeigt, in dem das Bügelelement 72 entgegen der Kraft der Feder 74 so verschwenkt ist, dass die Mittelachse der Einheit 68 und die Drehachse der Antriebswelle 26 konzentrisch sind. Man erkennt, dass in diesem Fall die ersten Förderzellen 80 und die zweiten Förderzellen 84 das Volumen auch bei einer Drehung der Antriebswelle 26 nicht verändern, so dass die Flügelzellenpumpe 10 in dieser Betriebsstellung kein Fluid fördert .