用于将压缩空气能转化为机械能的方法及其压缩空气发动机

摘要

本发明涉及一种用于将压缩空气能转化为机械能的方法以及一种用于所述方法的压缩空气发动机，其中，该发动机以本身已知的端齿轮转子(2，3)工作，通过所述端齿轮转子(2，3)由于其支承和构型实现了特别高的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的类型的用于将压缩空气能转化为机械转动能的方法以及一种根据权利要求2的类型的压缩空气驱动的空气发动机，所述空气发动机尤其用于实施根据权利要求1的方法。

背景技术

具有可流体地操作的转动驱动装置的压缩空气发动机是已知的，其中压缩空气能被转化为机械转动能，其方式是，在摆动活塞和输出轴之间使用空程离合器的情况下，压缩空气加载的摆动活塞将来回的摆动运动转化为输出轴的转动运动，其中，空气发动机比电动机更具优势(DE G 93 20601)。但是不利的是，在使用所述压缩空气发动机时，通过压缩空气产生的转动运动不是连续的，而是按照摆动活塞的运动和空程离合器的使用视旋转阻力而定是不均匀的。所述已知的摆动活塞空气发动机的另一缺点在于耗费的复杂结构和此外所需的空程离合器或者各发动机部件的与此相关的相对较大的磨损。此外，制造这样的压缩空气发动机耗费非常大，因此该压缩空气发动机也相应昂贵。

而带有回转的、操纵输出轴的转子的另一已知压缩空气操作的驱动发动机(压缩空气发动机)以叶片式机组(Flügelzellenaggregat)的形式具有由弹簧或者离心力沿径向压在壁上的叶片，如其在空气压缩机中以多种形式已知的那样(DE OS 31 17 412 A1)。这种驱动装置的缺点在于：密封叶片在回转的轴转子方向上与壳体壁具有正交的面接触，所述密封叶片在壳体壁上顺着滑动，其缺点在于：除了非常高的制造成本和在由于密封和润滑而导致的磨损方面的问题这些缺点之外，非常难于在此实现小的摩擦和相应的密封性，这当然直接影响使用寿命或者在已使用了相应时间的情况下压缩空气发动机的效率降低。此外，压缩空气操作的驱动发动机应用于压缩空气工具、例如磨削机，其中众所周知使用寿命比实际的驱动质量重要。

在另一已知的压缩空气发动机中(DE OS 196 13 262 A1)，输出轴的旋转驱动通过两个通过齿轮传动装置联接的轴中的一个进行，所述两个通过齿轮传动装置联接的轴承载两个转动活塞，这两个转动活塞在壳体中通过加载压缩空气而置于相反的转动运动中，类似于压缩空气发动机中鲁茨鼓风机的反转。在此，也主要在密封或者磨损以及与此关联的在一定运行时间之后的不密封方面存在问题，因为两个转动活塞在径向上分别在气缸孔或者反运动体的壁上运行，并且在轴向上又以其平坦的端面在壳体的相应平坦的端面上运行，其中，在磨损之后或者在间隙由于温度变化发生变化的情况下，无法随后对密封结构进行修正。虽然壳体壁和转动活塞涂层应是弹性的，以便补偿这个已知的缺点，但这导致相应的耗费。在此也考虑以这样的转动活塞回转发动机驱动一工具机，例如钻轴。在所有的情形中，这样的转动活塞的弹性构型都受到显著的限制，因为转动活塞在壳体壁上摩擦而不是滚动，这在弹性的中间区域中导致强的制动作用或者导致压缩空气发动机的输出轴上的转动力或转动力矩的显著损耗。

将压缩空气的流动能转化为轴的转动能的压缩空气发动机的主要问题在于所述转化的质量，即一种能量可在怎样的程度上以尽可能少的损耗转化为另一种能量。在此，本领域技术人员会优选叶片泵，因为无论是摩擦还是工作室的内部密封性都是可忽略的，并且通过这种泵已知了尤其是对效率起决定性作用的基本特征。

因此，具有权利要求1的特征的根据发明的方法以及具有权利要求2的特征的根据本发明的压缩空气发动机，尤其是用于实施根据权利要求1的方法的压缩空气发动机，与本技术领域的成见相冲突。

本领域技术人员无法想到：端齿轮泵(Stirnzahnradpumpe)可用作压缩空气发动机，因为压缩空气以端齿轮泵配合的方式补偿地作用在发动机的工作面上、即尤其是在工作室内补偿地作用，其中，虽然在实践中气动发动机已表明是可行方案(DE 42 41 320 C2)，但在实践中由于所述成见而未被制造。此外，原因还在于已知的压缩空气发动机要么在旋转驱动时具有波动，要么显得不能满足所需的转动力矩。也已描述了以转动活塞为基础的另一种发动机(US 3,856,440)，其具有转动活塞，所述转动活塞具有端齿部，其中，这些齿具有旋轮线式地展开的滚动面，从而能够产生具有输出任务的发动机作用。但是未考虑也未描述为了确定的目的而将压缩空气能转化为机械转动能，并且由于压缩空气能的经常存在以及首先即便在对机械转动能基本存在需求时，也不能想到将压缩空气能转化为机械转动能。对于相对于泵反转并且具有空气压缩机的压缩空气发动机，本领域技术人员首先考虑的是这样的旋转部件，所述旋转部件的由驱动介质加载的面关于转动轴线具有在旋转方向上的杠杆作用，例如叶片装置。在此，往往不会注意到：驱动叶片后的、封闭工作室的下一个叶片产生部分地反作用于旋转方向的力。即便在以上提及的空气发动机(DE G 93 20 601)中也产生这个关于旋转方向为负的作用。虽然在那里仅仅是在产生机械转动能时的相对小的波动，但是所述波动在当今对在转化为机械转动能时旋转质量的均匀性提出高的要求情况下是不合理的并且是不利的，特别是在高转速范围，例如对于牙科治疗设备。

发明内容

在所有情形中，与本领域技术人员的预想不同，也由于在这样的端齿部的情况下有利的旋转装置和出气开口的设计自由度，意想不到地获得非常高的效率，也就是说，本发明意想不到地实现了特别在某些应用领域中追求的高转速，其中，尤其可以将通常仅仅有限存在的压缩空气的损失降到最小。

根据所述方法，所述机组可用于在使用高转速发电机时机械转动能的转化，如其例如不仅用于牙科技术中并且其中运动体与作为轴转子的转动活塞旋转锁合地联接。

根据所述方法的特征，轴转子的除壳体之外起限定工作室作用的工作面具有端齿部，所述端齿部除了设置在轴转子上还设置在与轴转子的齿共同作用并且因此相互啮合的反转子上，反转子的转动轴线与轴转子的转动轴线具有一确定的角度，但具有与轴转子相同的旋转方向，其中，彼此配合的齿部被构造为长短辐旋轮线齿部(Trochoidenverzahnung)。所述方法与本领域技术人员的预想也具有一定的矛盾，因为端齿轮之间的工作室被认为是不适合于发动机的，特别是在长短辐旋轮线齿部的情况下，其中，所期望的是齿轮的壁向着工作室柔和地展开。

以下也被相应地认为是压缩空气发动机的有利构型：一个端齿盘与输出轴连接，并且一个第二端齿盘在与第一端齿盘成一确定的旋转角度的情况下与第一端齿盘啮合形成工作室，其中，所述部件中的一个作为旋轮线部分具有旋轮线式展开的滚动面，并且其中，另一个与其啮合地共同作用的部件的齿作为控制部分具有齿梳，所述齿梳沿着旋轮线部分的齿面运动。如以上所述，这样的转动活塞发动机本身是已知的(DE OS 42 41 320 A1)，但由于本技术领域的成见从未被用于转化成机械的转动能。根据权利要求2的特征，这些转子中的至少一个设置在滚动轴承上。

根据本发明的一种有利构型，设置用于支承轴转子和/或反转子的滚动轴承支撑在发动机的壳体中。特别是在气动地工作的机组中，轻载运行是重要的，其中，支承装置的润滑在此也不是无关紧要的问题，这可能是本领域的偏见的共因。

根据本发明的一种在这方面有利的构型，滚动轴承在壳体中由一可沿转动轴线的方向旋拧的支撑螺母承载并且可沿轴向与转子一起在壳体中调整。由此可以至少进行转子在壳体中的校正或者转子的相互校正。

根据本发明的一种有利构型，与在压力侧在转子之间形成的、通向工作室的、窄的开口相对应地，进气通道分布在确定的旋转角度上，构造成较窄的但是在转动方向上逐渐扩大。

根据本发明的一种附加的有利构型，与在此向着排出通道很宽地敞开的工作室相对应地，出气通道分布在确定的旋转角度上，构造成相对宽，以便卸载。在此，工作室可以向外敞开，因为输入压缩空气的能量已被消耗。

附图说明

通过变形方案在附图中示出本发明的主题的实施例，以下对所述实施例进行详细描述。附图示出：

图1：具有端齿轮齿部的压缩空气发动机的沿转动轴线I和II的纵截面，

图2：泵壳体的变形方案在与图1相比旋转90度的位置中的局部截面；

图3：根据图2中的线III-III并且具有略微缩小的尺寸的截面；和

图4：同样具有略微缩小的尺寸的根据图2中的箭头IV看向壳体的视图。

具体实施方式

在图1中以纵截面图示出的通过压缩空气驱动的发动机中，在壳体1中支承有两个用作转动活塞的转子，即轴转子2和反转子3，这些转子以一些设置在端侧上的齿4和5相应地彼此配合并且在此与壳体1一起限定发动机工作室6。轴转子2的转动轴线以I表示，而反转子3的转动轴线以II表示。这两条转动轴线I和II围成一角度α＜180°，从而在转子2和3旋转时发动机工作室6相应地扩大或者缩小。图1中所示的空气发动机的纵截面经过这两条转动轴线I和II。

壳体1在内部具有用于容纳这些转子的圆柱形区段7和球形区段8，其中所述球形区段8过渡到一圆柱形区段9中，以便容纳反转子3的支承装置以及相应地容纳反转子3的错开的中轴线II。反转子3可转动地支承在滚动轴承10上，所述滚动轴承10通过支撑堵头11夹紧地设置在壳体1的圆柱形区段9中。该支撑堵头11拧入到壳体1中，以便固定滚动轴承10。

为了能够由于转动轴线I和II之间的角α而在旋转时在这些转子之间产生摇摆运动，在这些转子之间设置球形的支承面12，所述球形的支承面12也同时地将由转子的端齿4和5形成的发动机工作室6相互分开。在这些端齿4和5中以已知的优点设置有旋轮线齿部(DE PS 42 41 320 C2)。形成真正功率部件的轴转子2同样可转动地支承在一滚动轴承13上，所述滚动轴承13本身由支撑螺母14承载，所述支撑螺母14一方面在壳体1的圆柱形区段7中导向，但是另一方面在那里通过螺纹15拧入到壳体1中。由此，一方面确保了轴转子2的容易的转动运行，而另一方面也确保了关于球形区段8或者反转子3的一定的可调整性。此外，轴转子2具有联接开口16，用于容纳未示出的转动连接装置，以便传递转动运动。在壳体1上设置有法兰17，以便可以相应地固定待驱动的机组。此外，在壳体1的背面上设置有一法兰18，用于将压缩空气入口连接到在此尚小的发动机工作室中。

在图2至4中所示的空气发动机的变形方案中，壳体一方面相对于图1中所示的截面旋转90度，另一方面在整个长度上圆柱形地构造。由此，转动轴线I和II在示图中彼此重合，这仅仅可作为透视图看出，但也可以在图4中看出。与图1中相应的部分设有与图1相同的参考标记并且通过上标进行区别。但是作为变形方案仅仅示出壳体，其中图2中所示的区段应当用于表明在使用压缩空气之后，即压缩空气卸载之后的出气开口19。

因此，如图3所示，在壳体1中在压缩空气侧上设置有一连接孔20，用于供压缩空气进入到在此未示出、但在此对置的、小的泵工作室4中。在对置一侧上，在壳体1中设置有相应大的出气开口19，以便实现压缩空气的实际卸载。通过本发明实现了，借助简单的、长短辐旋轮线端齿啮合的转动活塞驱动在压力下传输的空气并且通过所述空气的卸载来驱动轴转子，所述轴转子又用作发动机。

所有在说明书中、随后的权利要求书中和附图中所示的特征能够单独地以及彼此任意组合地落在本发明范围内。

参考标号列表

1  壳体            图2至4中的变形方案

2  轴转子          I图2的转动轴线

3  反转子          II图3的转动轴线

4  端齿            αI和II之间的夹角

5  端齿

6  发动机工作室

7  圆柱形区段

8  球形区段

9  用于3的圆柱形区段

10 滚动轴承

11 支撑堵头

12 支承面

13 滚动轴承

14 支撑堵头

15 螺纹

16 联接开口

17 法兰

18 法兰进气接头

19 出气开口

20 连接孔