Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdrängermaschine mit einem mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass für ein Fluid aufweisenden Statorgehäuse, in dem ein mindestens einen radialen Fortsatz aufweisender Rotor gelagert ist, wobei zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotor ein Spalt ausgebildet ist und zur Begrenzung einer Fluidkammer zum einen der Fortsatz mit einer Innenwandung des Statorgehäuses zusammenwirkt.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Verdrängermaschinen bekannt, die beispielsweise als Kolbenmaschinen und Schraubenmaschinen dem Fachmann bekannt sind. Viele dieser bekannten Verdrängermaschinen weisen den Nachteil auf, dass sie hinsichtlich der zur Verwendung geeigneten Fluides sehr beschränkt sind und einen aufwändigen Aufbau mit einer entsprechenden Störanfälligkeit aufweisen. Bei einem so genannten Roots-Gebläse handelt es sich um ein Drehkolbengebläse ohne innere Verdichtung. In einem Statorgehäuse sind zwei Rotoren angeordnet, die oftmals jeweils drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Flügel aufweisen, die miteinander kämmen, wobei in den in Freiräumen zwischen den Flügeln und einer Innenwandung des Statorgehäuses ein Fluid, in der Regel Luft, von einer einlassseitigen Saugseite zu einer auslassseiti- gen Druckseite gefördert wird.

Bei einer so genannten Flügelzellenpumpe handelt es sich ebenfalls um eine Verdrängermaschine mit einem mindestens einen Einläse und mindestens einen Auslass für ein Fluid aufweisenden Statorgehäuse, in dem ein mindestens einen radialen Fortsatz aufweisender Rotor gelagert ist, wobei zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotor ein Spalt ausgebildet ist und zur Begrenzung einer Fluidkammer zum einen der Fortsatz mit einer Innenwandung des Statorgehäuses zusammenwirkt. Üblicherweise ist der Fortsatz federnd in dem Rotor gelagert. Flügelzellenpumpen werden in der Regel zum Transport von Flüssigkeiten verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einem relativ einfachen und störungsunanfälligen Aufbau mit unterschiedlichen Fluides zu betreiben ist und zwar bedarfsweise als ein Motor oder als eine Pumpe.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.

Eine Verdrängermaschine umfasst ein mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass für ein Fluid aufweisendes Statorgehäuse, in dem ein mindestens einen radialen Fortsatz aufweisender Rotor gelagert ist, wobei zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotor ein Spalt ausgebildet ist und zur Begrenzung einer Fluidkammer zum einen der Fortsatz mit einer Innenwandung des Statorgehäuses zusammenwirkt und zum anderen mindestens ein mit dem Rotor zusammenwirkender Begrenzer vorgesehen ist, wobei der Begrenzer strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist.

Hierbei handelt es sich um eine Verdrängermaschine, die beispielsweise als ein Motor mit einem expandierenden Fluid, das entweder außerhalb des Statorgehäuses bzw. der Fluidkammer erhitzt und in einem Expansionsbehälter entspannt wird, oder bei dem innerhalb des Statorgehäuses in der Fluidkammer eine Verbrennung stattfindet, die mit einer Expansion des Fluides in Verbindung steht, um den Rotor in einer Drehbewegung zu versetzen. Da sich Undichtigkeiten innerhalb der Verdrängermaschine lediglich in eine gewünschte Richtung, nämlich in Drehrichtung des Rotors, auswirken, sind sie von untergeordneter Bedeutung, weshalb zwischen den sich bewegenden Bauteilen relativ große Spaltmaße vorliegen können. Aufgrund der möglichen Spaltmaße ist die Verdrängermaschine verhältnismäßig unempfindlich gegen tempera- turbedingte, insbesondere temperaturschwankungsbedingte, Störungen. Bei dem im Zusammenhand mit der Verwendung als Motor zum Einsatz kommenden Fluides kann es sich vorzugsweise um Gase oder um Dampf handeln. Das zu erzeugende Drehmoment ist vorrangig von dem gewählten Durchmesser des Rotors abhängig. Bei der Verwendung als Pumpe erschließt es sich dem Fachmann in naheliegender Weise, dass eine Vielzahl von Fluides, beispielsweise Gase, Dampf oder Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten, zum Transport mit einem angetriebenen Rotor geeignet sind. Auch ein Einsatz als eine Art Vakuumpumpe ist nicht ausgeschlossen.

Der Begrenzer kann auf dem Umfang des Rotors abwälzen oder ist unter Einhaltung eines relativ kleinen Spaltes mit seinem äußeren Umfang zu dem Umfang des Rotors beabstandet.

Bei einer entsprechenden Lagerung des Rotors und des mindestens einen Begrenzers ist ein schmierstofffreier Betrieb möglich. Insbesondere bei der Verwendung eines geeigneten Kunststoffs, beispielsweise von Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder dergleichen.

In Ausgestaltung ist der in dem Statorgehäuse gelagerte Begrenzer mit einer Aussparung für den Fortsatz versehen. Der Fortsatz taucht in die Aussparung ein, und zwischen dem Fortsatz und dem Begrenzer ist die Fluidkammer gebildet. Der Begrenzer weist beispielsweise die gleich Dicke wie der Rotor auf, so dass das Statorgehäuse in seinem Aufbau relativ einfach gestaltet ist. Eine Abdichtung kann insbesondere über eine stirnseitige Anlage oder eine Dichtung, beispielsweise in Form von Dichtringen realisiert werden, wobei die Dichtung auch im Bereich außerhalb der beweglichen Bauteile, insbesondere zwischen einem Gehäusedeckel und einem Gehäuseunterteil des Statorgehäuses, erfolgen kann.

Vorzugsweise sind der Rotor und der mindestens eine Begrenzer derart miteinander gekoppelt, dass sie eine synchrone Rotation bei einen aufeinander abgestimmten lichten Durchmesser ihrer Berührungsflächen aufweisen. Die Kopplung kann durch eine unmittelbare Anlage oder durch Kopplungsmittel, wie ein Riementrieb oder ein Kettentrieb oder dergleichen, erzielt werden. Wichtig ist die Ausrichtung des Begrenzers zu dem Rotor, die bei Erreichen einer bestimmten Drehstellung dieser beiden Bauteile zueinander ein Eintauchen des Fortsatzes des Rotors in die Ausnehmung des Begrenzers sicherstellt.

Zweckmäßigerweise ist dem Rotor und dem mindestens einen Begrenzer jeweils ein koaxial zur jeweiligen Drehachse ausgerichtetes Zahnrad zugeordnet, wobei die umfangsseitigen Zähne der benachbarten Zahnräder miteinander kämmen. Die Zahnräder können einstückig mit dem Rotor oder dem Begrenzer gefertigt oder auf entsprechenden Wellen, die auch die Lagerung der drehbaren Bauteile in dem Statorgehäuse sicherstellen, drehfest angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, die Zahnräder innerhalb oder außerhalb des Statorgehäuses anzuordnen, wobei die innenliegende Anordnung der Zahnräder insofern vorteilhaft ist, als eine Anzahl das Statorgehäuse bzw. dessen Wandung durchragender Bauteile, die entsprechend abgedichtet angeordnet sein müssen, möglichst klein gehalten ist. Die außenseitige Anordnung bietet den Vorteil der kleineren Dimensionierung des Statorgehäuses.

Um die zwischen einem Fortsatz und dem Begrenzer gebildete Flu- idkammer möglichst dicht zu begrenzen, weisen zweckmäßigerweise die Fortsätze eine derartige Geometrie auf, dass sie beim Abrollen formschlüssig in die Aussparung des Begrenzers eintauchen. Die Fortsätze können eine flügelartige oder zahnartige Kontur oder einen kreisbogenförmigen Verlauf aufweisen.

Nach einer Weiterbildung weist der Rotor mindestens zwei gleichmäßig zueinander beabstandete Fortsätze auf und in dem Statorgehäuse sind zwei sich strömungstechnisch gegenüberliegende Begrenzer gelagert, die jeweils einen Einlass und einen Auslass für das Fluid strömungstechnisch voneinander trennen.

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit ist jeder Einlass und/oder jeder Auslass mit einem Ventil für das Fluid bestückt. Die Anordnung der als Rückschlagventile oder gesteuerte Ventile ausgebildeten Ventile ist optional.

Zweckmäßigerweise ist der lichte Außendurchmesser des Begrenzers in Abhängigkeit von der Anzahl der Fortsätze des Rotors bzw. dem Abstand zwischen zwei Fortsätzen bemessen.

In alternativer Ausgestaltung ist der Fortsatz als ein sich radial von dem Rotor zu der Innenwandung des Statorgehäuses erstreckender Flügel und der Begrenzer als ein sich von dem Statorgehäuse zu dem Rotor erstreckendes Sperrelement ausgebildet, wobei das Sperrelement in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors den Spalt verschließend an dem Rotor anliegt oder den Spalt freigebend verlagerbar ist. Zwischen dem Flügel und dem Sperrelement ist die Fluidkammer der Verdrängermaschine ausgebildet. Der Flügel ist starr an dem peripheren Umfang des Rotors vorhanden und zur Innenwandung des Statorgehäuses geringfügig beabstandet. Aufgrund des Spaltes zwischen dem freien Ende des Flügels und der Innenwandung besteht die Möglichkeit relativ große Temperaturschwankungen des Fluides, die mit entsprechenden Längenänderungen des Flügels verbunden sind, zu kompensieren.

Vorzugsweise ist das Sperrelement mittels mindestens einer Federeinrichtung in Richtung des Rotors vorgespannt. Hat der Flügel den Bereich des Sperrelementes durchlaufen, erfolgt dessen selbsttätige Rückstellung aufgrund der Wirkung der Federeinrichtung, um den Fluidstrom zu lenken bzw. die Fluidkammer zu bilden.

Um den Weg für den Flügel beim Durchlaufen des Bereichs des Sperrelementes freizumachen, ist vorzugsweise das Sperrelement mittels eines an dem Rotor befestigten Betätigers, der mit einer dem Sperrelement zugeordneten schiefen Ebene zusammenwirkt, den Spalt freigebend entweder in Richtung des Statorgehäuses verschwenkbar oder in dem Statorgehäuse versenkbar. Das Sperrelement kann demnach in der Art einer Klappe oder eines Schiebers ausgeführt sein. In weiterer Ausgestaltung sind zumindest die mit dem Fluid in Berührung stehenden Bauteile aus einem wärmebeständigen Kunststoff mit guten Gleiteigenschaften gefertigt oder mit einem derartigen Kunststoff beschichtet. Beispielsweise kann Polytetrafluoräthy- len zum Einsatz kommen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verdrängermaschine nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verdrängermaschine nach Fig. 1 in alternativer Ausgestaltung,

Fig. 3 eine schematische vergrößerte Darstellung der Einzelheit III nach Fig. 2 und Fig. 4 eine schematische vergrößerte Darstellung der Einzelheit III nach Fig. 2 in alternativer Ausgestaltung.

Die Verdrängermaschine umfasst ein Statorgehäuse 12 mit Erlässen 3 und Auslässen 4 für ein Fluid, wobei jeweils ein Einlass 3 sowie ein Auslass 4 strömungstechnisch auf einer Seite des Statorgehäuses 12 angeordnet sind und ein Einlass 3 sowie ein Auslass 4 auf der gegenüberliegenden Seite. Zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 auf jeder Seite ist ein auf einer Welle 1 drehbar gelagerter Begrenzer 9 mit einem zugeordneten Zahnrad 7 angeordnet, der zur Lenkung des Fluidstroms derart mit einem auf einer Welle 1 1 gelagerten Rotor 13 zusammenwirkt, dass der Begrenzer 9 unter Einhaltung eines relativ geringen Spaltes zu dem Rotor 13 beabstandet angeordnet und mit diesem für eine gemeinsame Drehbewegung gekoppelt ist. Eine gasdichte Anlage des Begrenzers 9 an dem Rotor 13 ist nicht zwingend erforderlich, da eine Undichtigkeit an dieser Stelle in die Drehrichtung wirkt. Der Begrenzer 9 weist eine Aussparung 8 auf, die in ihrer Geometrie an radiale Fortsätze 5 des Rotors 13 angepasst sind, die sich in einen zwischen den Rotor 13 und einer Innenwandung 14 des Statorgehäuses 13 vorhandenen Spalt 10 erstrecken. Um eine exakt abgestimmte synchrone Drehbewegung des Rotors 13 und des Begrenzers 9 sicherzustellen, ist auch der Rotor 13 mit einem Zahnrad 28 versehen, das mit dem Zahnrad 7 des Begrenzers 9 zusammenwirkt, damit bei der Drehbewegung des Rotors 13 dessen Fortsätze 5 in die entsprechende Aussparung 8 des zugeordneten Begrenzers 9, vorzugsweise formschlüssig eintauchen. Gemäß dem Pfeil 19 in dem linksseitigen Einlass 3 gelangt Fluid in eine zwischen dem eine Kammerbegrenzung 6 bildenden einlass- seitigen Begrenzer 9 und dem benachbarten Fortsatz 5 des Rotors 13 in das Statorgehäuse 12, wobei zwischen dem Begrenzer 9 und dem Fortsatz 5 eine erste Fluidkammer 15 gebildet ist, der Rotor 13 dreht sich in Richtung des Pfeils 16 und das Fluid gelangt in den Spalt 10 zwischen der Innenwandung des Statorgehäuses 12 und dem Rotor 13 und ist beidseitig durch Fortsätze 5, deren freie Enden sich unmittelbar benachbart bis maximal berührend zu der Innenwandung 14 erstrecken, in der zweiten Fluidkammer 17 aufgenommen. Bei weiterer Drehbewegung des Rotors 13 gelangt das Fluid in die dritte Fluidkammer 18, die zwischen einem Fortsatz 5 des Rotors 13 und dem auslassseitigen Begrenzer 9 gebildet ist. Bei einer ungeraden Anzahl von Fortsätzen 5 auf dem Rotor 13 sind selbstverständlich bei einer gleichzeitigen Betrachtung der Abläufe von dem rechtsseitigen Einlass 3 in Richtung des Pfeils 20 gesehen eine vierte Fluidkammer 33 zwischen dem zugeordneten Begrenzer 9 und dem in dem Spalt 10 vorhandenen Fortsatz 5 und eine fünfte Fluidkammer 34 zwischen dem Fortsatz 5 und dem auslassseitigen Begrenzer 9 auf der linken Seite der Darstellung gemäß Fig. 1 vorhanden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind in den Einlässen 3 und den Auslässen 4 als Rückschlagventile ausgebildete Ventile 2 dargestellt, die in Abhängigkeit von dem Einsatz der Verdrängermaschine nicht zwingend erforderlich sind. In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis 4 erstreckt sich ein Flügel 21 radial von dem Rotor 13 in Richtung der Innenwandung 14 des Statorgehäuses 12 und der Begrenzer 9 zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 ist als ein Sperrelement 22 in Ausgestaltung einer schwenkbar gelagerten Klappe 23 oder eines Schiebers 24 ausgeführt. Das Sperrelement 22 erstreckt sich unter Wirkung einer Federeinrichtung 25 in den Spalt 10 und wird zur Freigabe des Umlaufs des Flügels 21 in eine Position zur Freigabe des Spalts 10 verlagert. Hierzu ist dem Rotor 13 ein Betätiger 26 zugeordnet, der dem Flügel 21 in Drehrichtung gesehen vorauseilend angeordnet ist und in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors 13 eine dem Sperrelement 22 zugeordnete schiefe Ebene 27 entgegen der Wirkung der Federeinrichtung 25 beaufschlagt, um die Klappe 23 gemäß Pfeil 29 aus dem Spalt 10 heraus in Richtung des Statorgehäuses 12 zu verschwenken oder den Schieber 24 gemäß Pfeil 31 in dem Statorgehäuse 12 zur Freigabe des Spaltes 10 zu versenken, wobei die schiefe Ebene 27 eine entsprechende Bewegung gemäß Pfeil 32 beschreibt. Mit dem Verschwenken der Klappe 23 geht eine Verschwenkung der schiefen Ebene 27 gemäß Pfeil 30 einher. Nach Freigabe der schiefen Ebene 27 durch den Betätiger 26 kehrt das Sperrelement 22 aufgrund der Wirkung der Federeinrichtung 25 in den Spalt 10 zurück, um zwischen dem Flügel 21 und dem Sperrelement 22 die erste Fluid- kammer 15 zu bilden. Bezugszeichen

1. Welle 18. dritte Fluidkammer

2. Ventil 19. Pfeil

3. Einlass 20. Pfeil

4. Auslass 21. Flügel

5. Fortsatz 22. Sperrelement

6. Kammerbegrenzung 23. Klappe

7. Zahnrad 24. Schieber

8. Aussparung 25. Federeinrichtung

9. Begrenzer 26. Betätiger

10. Spalt 27. Ebene

1 1 . Welle 28. Zahnrad

12. Statorgehäuse 29. 29 Pfeil

13. Rotor 30. Pfeil

14. Innenwandung 31. Pfeil

15. erste Fluidkammer 32. Pfeil

16. Pfeil 33. vierte Fluidkammer

17. zweite Fluidkammer 34. fünfte Fluidkammer