DE102007019958B4

DE102007019958B4 - Vielzahndrehkolbenmotor mit extrem hohen Drehmoment bei niedrigsten als auch bei sehr hohen Drehzahlen wie in Bereichen einer Turbine, als Antrieb oder zum Einsatz der Energiegewinnung, Energieumwandlung oder Energierückgewinnung

Info

Publication number: DE102007019958B4
Application number: DE102007019958A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Hettrich Ralf De
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: DE102007019958A1

Abstract

Vielzahndrehkolbenmotor, mit einem geschlossenen Gehäuse, mit zwei rotierenden Drehkolben auf je einer Drehachse, mit zwei gegenüber liegenden Arbeitszähnen und zwei um 90° zu den Arbeitszähnen versetzten Arbeitslücken je Drehkolben, mit einer am Umfang der Drehkolben angebrachten Verzahnung mit einem Kleinen Modul als Labyrinthdichtung, mit je einem radial mittig angebrachten Ein- und Auslass, wobei in den Arbeitszähnen (3) je einen T-Nut (5) angebracht ist in der sich eine federbelastete Dichtleiste (4) befindet an deren Dichtfläche ein kleiner Radius bzw. eine kleine Nut (19) eingearbeitet ist, wobei eine Druckausgleichbohrung (18) angebracht ist, wobei die T-Nut (5) so beschaffen ist, dass die Dichtleiste (4) aus dem Arbeitszahn heraus bzw. bzw. bis unterhalb der Oberkante des Arbeitszahns (3) hinein fahren kann, wobei der Abstand der Drehachsen (7) bei hohen Arbeitstemperaturen vergrößert werden kann, wobei die Abdichtung der Drehkolben (2) durch die Verzahnung (9) gewährleistet ist, wobei der Einlass- und der Auslasskanal (10, 11) über die gesamte Breite der Drehkolben (2) ausgebildet ist der Radius (12) der Lauffläche im Gehäuse im Bereich des Einlass- und Auslasskanals (10, 11) vergrößert ist, wobei die Drehkolben (2) gegenüber dem Gehäusedeckel durch Druckfedern (16) abgedichtet sind.

Description

Vielzandrehkolbenmotor mit extrem hohem Drehmoment bei niedrigsten als auch bei sehr hohen Drehzahlen wie bei einer Turbine, als Antrieb oder zum Einsatz im Bereich der Energiegewinnung, Energieumwandlung oder Energierückgewinnung.
Es ist bekannt, dass es Drehkolbenmotoren gibt, diese sind aber nur sehr eingeschränkt einsetzbar (vgl. beispielsweise DE 20 2004 014 209 U1 , CH 377036 ; DE 694 17768 T2 ; US 6352420 B1 etc).
Da ihre Leistung, Drehmomente und Wirkungsgrade aber nicht genügend sind und diese sehr viel Energie benötigen, haben solche Drehkolbenmotoren auf dem Markt für universelle Einsätze nie durchsetzen können. Die Motoren die verwendet werden, wurden meist nur speziell für ihr Einsatzgebiet hergestellt. Zudem tritt bei Drehkolbenmotoren, sofern es keine zwei Zahnräder sind (die aber oft nur als Pumpe Verwendung finden), immer das Problem der Kavitationserosion und weiterer Materialabtragungen wie auch die dadurch zustande kommenden Undichtigkeiten auf, wodurch Leistungsverluste und extrem schlechte Wirkungsgrade resultieren. Somit sind die Einsatzgebiete der herkömmlichen Motoren sehr eingeschränkt.
Kolbenmotoren hingegen haben hohe Verluste, durch lineare Kolbenbewegungen, Bewegungen von Kurbelwellen, Antriebsräder und -riemen bis hin zu den Ventilen. Hier sind effiziente Leistungen und hohe Drehzahlen gar nicht möglich, da ein solcher Motor viel zu viel an Eigenlasten und Unwuchten bewegen muss und zudem für seine Leistungen viel zu groß und kompliziert in seiner Bauart ist. Um ein sehr großes Einsatzgebiet abzudecken ob als Antrieb oder zur Umwandlung von Energien, wäre es nötig, für jeden Einsatzort einen eigenen Motorentyp zu bauen.
Der im Patentanspruch 1 bzw. 5 angegeben Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen Motor zu schaffen, der für die verschiedensten Einsatzgebiete sehr universal ist und auch bauartbedingt flexibel und jederzeit erweiterbar. Zudem muss der Motor der Umwelt, auch auf lange Sicht, weitaus mehr zugute kommen, als Schäden zuzufügen zum Beispiel durch Abgase usw. Ein Motor der kreiszylindrisch und ohne jegliche Unwucht arbeitet, der in seiner Herstellung einfach und kostengünstig ist und seine Wartung einfach zu handhaben ist. Es muss ein Motor sein, mit sehr hohem Drehmoment schon bei niederen Drehzahlen, der aber auch im Stande ist turbinenähnliche Drehzahlbereiche zu erreichen. Ferner muss er einen sehr guten Wirkungsgrad aufweisen, dazu in jeder gewünschten Baugröße in gleichem Prinzip herzustellen sein, jederzeit erweiterbar sein und in seinen Einsatzbereichen immer effektiv arbeiten, unabhängig davon ob er als Antrieb in Fahrzeugen oder zur Gewinnung von Energie Verwendung findet. Der Motor kann seinen Einsatz zur Umwandlung von Energie durch noch nicht vermeidbare Abgase, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen finden, um Strom zu erzeugen welcher in einer Batterieanlage gespeichert wird um Fahrten mit elektrischem Strom zu tätigen.
Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 5 aufgeführten Merkmalen gelöst. Mit dem vorliegenden Gegenstand ist eine neue Generation von Aggregaten entstanden, die durch die Formen und Beschaffenheit der Drehkolben, Dichtleisten und der Verzahnung am Teilkreis die gestellten Aufgaben erfüllt. Die Verzahnungen können dabei aus einem Material wie Keramik oder hochwertigen Kunststoffen gegossen werden, aber auch durch Lasertechnik aus hochwertigen Metallen kostengünstig produziert werden. Die T-Nut für dir Dichtleisten wird bis an den Dichtring, der am Rotor als auch am Gehäuse angebracht sein kann, heruntergezogen, um eine noch höhere Dichtigkeit zu erzielen, nämlich am gesamten radialen Arbeitsbereich des Gehäuses, wie auch zu den Gehäusedeckeln hin. Durch den verzahnten Teilkreis ist in einem geschlossenen Gehäuse eine absolute Dichtheit garantiert, selbst wenn zwischen den Drehkolben ein Spalt innerhalb der Zahnhöhe existiert, um bei extrem hohen Arbeitstemperaturen im Betrieb mit Wasserdampf oder heißen Abgasen Blockaden zu vermeiden. Mit sehr wenig Druck ist bei jeder Drehzahl in einem schwingungsfreiem Betrieb ein extrem hohes Drehmoment gegeben. Durch den Aufbau des Motors und die Anordnungen der Arbeitszähne und Arbeitslücken gibt es keinerlei Leerlauf oder Leistungsverlust, auch keine Unwucht, Todpunkte, Reibung etc. Durch die Breite der Drehkolben und die Höhe der Arbeitszähne erzielt man den gewünschten Hubraum, die benötigte Kraft und das Drehmoment, je nach Einsatz. Die Einsatzgebiete für diesen Motor sind vielseitig. Er findet seine Anwendung insbesondere dort wo Energie zusätzlich umgewandelt werden kann, um Strom zu erzeugen, angetrieben von vielen verschiedenen Medien ob Luft (gasförmig), Wasserdampf oder auch zum Beispiel durch Pneumatik und Hydraulik. Selbst mit Auspuffabgasen aus bei Kraftfahrzeugen kann der Vielzahndrehkolbenmotor betrieben werden und somit durch seine enorme Kraft einen Generator antreiben der z. B. für Hybridfahrzeuge die Stromversorgung schnell und sorgfältig sichert.
Wird der Vielzahndrehkolbenmotor in entsprechender Baugröße, auch ein oder mehrstufig, richtig übersetzt, wird schon mit wenig Druck (im Verhältnis zu Turbinen) eine starke Kraft erzeugt um große Generatoren antreiben zu können. Bedingt durch seine Bauart ist der Verschleiß gering. Zudem ist der Antrieb leicht und kostengünstig herzustellen und sehr wartungsfreundlich, da er aus wenigen Bauteilen hergestellt ist und schnell und leicht montiert werden kann. Einsetzbar ist der Motor auch dort, wo sich gasförmige oder flüssige Medien in einem geschlossenen Kreislauf bewegen, dies kann in einem Kühlsystem sein ebenso wie in einem Heizungssystem oder in einem Warmwassersystem (z. B. in Gebäuden). Mit dem Vielzahndrehkolbenmotor erhält man ein hauseigenes elektrisches Kraftwerk im Heizraum. In einem Rohrsystem wird Wasser zu Dampf erhitzt, treibt den Motor an der über einen Generator Strom erzeugt und dieser wird gespeichert. Die heiße Rohrleitung führt in den Wasserspeicher wo Brauchwasser und Heizungswasser erhitzt wird, hier beginnt der Prozess der Kondensierung, der Dampf wird zu Wasser und fliest in einen separaten Speicher zurück, wird durch eine Zirkulationspumpe wieder zum Heizgerät geführt wo das kondensierte Wasser im geschlossen Rohrsystem wieder zu Dampf erhitzt wird und somit die kontinuierliche Stromerzeugung sichert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen bis 4 und 5 bis 8 angegeben. Die Weiterbildungen bieten u. a. die Möglichkeit die Drehrichtung ohne jeglichen Leistungsverlust zu ändern ahne, zum Beispiel für Windkraftanlagen, wie auch in Gezeitenanlagen.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der 1 bis 7 erläutert.:
1 zeigt den Motor ohne Gehäusedeckel (14). Zu sehen sind hier zwei Drehkolben (2) mit dem verzahnten Teilkreis (9) durch den eine Kavitationserosion (Metallabtragung) verhindert wird, wobei diese Verzahnung zugleich als Labyrinthdichtung dient. Die Arbeitszähne (3) sowie die Arbeitslücken (8) sind hier 180° gegenüberliegend angeordnet. Die Drehkolben (2) sind jeweils auf einer Drehachse (7) angebracht die im Gehäuse (1) zueinander rotieren. Die Einlassöffnung (10) sowie die Auslassöffnung (11) können beliebig getauscht werde. So verändert sich ohne Leistungsverluste lediglich die Drehrichtung des Motors. Der Drehkolben wird durch Dichtringe (6) per Federdruck zum Gehäusedeckel hin abgedichtet. Eine T-Nut (5) die sich an jedem Arbeitszahn (3) befindet und bis hin zum Dichtring (6) verläuft, ermöglicht den Dichtleisten (4) sich je nach Kolbenstellung so zu bewegen das eine exakte Abdichtung zur Motorinnenwand gewährleistet ist und während der Rotation auch eine exakte Dichtheit zwischen Arbeitszahn und -lücke gegeben ist. Die Dichtleiste (4) erstreckt sich immer über die gesamte Breite bzw. Länge der jeweiligen Drehkolbenpaare.
Die T-Nut (5) ist so beschaffen, dass sich die Dichtleisten (4) aus dem Arbeitszahn (3) sowohl heraus als auch soweit hineinfahren lassen, bis unterhalb der Oberkante des Arbeitszahnes (3) um so immer einen reibungslosen Ablauf und exakte Dichtheit zu gewährleisten. Das doppelkreisförmige Gehäuse muss im Bereich der Ein- bzw. Auslassöffnungen 10, 11 innen, wie in 1 gezeigt, vom herkömmlichen Arbeitsradius (12) etwas ausgearbeitet (siehe 13) um ein einhacken der Dichtleisten an dieser Stelle zu vermeiden, so dass diese ungehindert in die Arbeitslücken des zweiten Drehkolbens eingreifen können. So wird ein sehr hohes Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen erzielt. 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie 1 lediglich die Anordnung der Arbeitszähne (3) und -lücken (8) ist unterschiedlich. Hier sind Arbeitszähne (3) direkt und ohne Übergang an die Arbeitslücke (8) angebunden. Alleine diese Veränderung bietet hier die Möglichkeit das Medium gezielt an Ein- bzw. Auslassöffnung 10, 11 zu verdichten. An den Ein- bzw. Auslassöffnungen (10) und (11) können einfacher Ventile angebracht sein und die Zufuhr von Treibstoffen regulieren und den Motor an diesen Stellen zünden, ehe sich das Ventil öffnet. 3 zeigt einen Schnitt, ein Ablaufschema für einen zweistufigen Motor wobei zwei Drehkolbenpaare, die hier nicht eingezeichnet sind über eine interne Verbindungsplatte (15) betrieben werden können. Auf der Drehachse (7) ist ein Führungszahnrad (20) zu sehen, wodurch der Verschleiß der Drehkolben zusätzlich gering gehalten wird. Zu erkennen sind die beiden Drehkolbengehäuse (1) sowie eine durchgehende Drehachse (7) mit einer Federnut (21) zum Fixieren der jeweiligen Drehkolbenpaare. Zwei Gehäusedeckel (14) mit den jeweiligen Einlassöffnungen (10) bzw. Auslassöffnungen (11) sind dargestellt, wobei die Bewegung des Mediums mit Pfeilen gekennzeichnet ist. Das Medium bewegt sich von einer Drehkolbenstufe durch die Verbindungsplatte (15) in die zweite Stufe, um hier dann zwei Drehkolbenpaare in Betrieb zu setzen. An diesem Schema ist es sehr gut zu erkennen, wie einfach der Motor erweiterbar ist. Hier sind zwei Stufen dargestellt, wobei als erste Stufe ein Drehkolbenpaar mit hohen Arbeitszähnen und somit ein großes Kammervolumen (Hubraum) Verwendung findet. In der zweiten Stufe ist ein Drehkolbenpaar mit größerem Teilkreis und niederen Arbeitszähnen vorgesehen (vgl. 2). In den Arbeitszähnen bzw. -lücken erhalten wir eine extreme Kompression und ein enormes Drehmoment und dies ohne Unwucht mit relativ wenigen Bauteilen bei geringem Verschleiß. Wird nun die die Verbindungsplatte (15) durch eine geschlossene Platte ersetzt und jedes Drehkolbenpaar unabhängig von der Größe extern angefahren, (d. h. in jedem der Gehäuseteile (1) ist eine seperate Einlassöffnung und eine Auslassöffnung) so kann als Beispiel die erste Stufe als Motor betrieben werden und die zweite arbeitet gleichzeitig als Kompressor oder dient zur Förderung oder zum Beschleunigen von anderen Medien.
4 zeigt einen Schnitt A des verzahnten Teilkreises (9), der durch seine Verzahnung Kavitationserosion vermeidet und dennoch eine formschlüssige Abdichtung der Drehkolbenpaare bewirkt. Die T-Nut (5) muss so beschaffen sein, dass die Dichtleiste (4) komplett im Arbeitszahn (3) eintauchen kann um einverkannten im Betrieb zu verhindern. Eine leichte Blattfeder oder Druckfeder übernimmt nur die Funktion beim Start des Motors, denn sollte die Anfangsdrehzahl sehr nieder sein drückt die Feder die Dichtleiste hoch, um sofort ein gutes Drehmoment zu gewährleisten. Wird die Drehzahl nun leicht erhöht, so wirkt die Fliehkraft und der Motor erreicht ein hohes Drehmoment.
5 zeigt die Vorderansicht einer Dichtleiste (4), hier auch mit dünner Blattfeder (17) und Entlastungsbohrungen (18), die den Anpressdruck der Leisten bei jeder Drehzahl gleichmäßig und somit den Verschleiß sehr gering halten.
6 zeigt die Seitenansicht der Dichtleiste (4) mit einem kleinen Radius (19) auf seiner Lauffläche.
7 zeigt einen Drehkolben Dichtring (6) mit drei Druckfedern 120° versetzt in Draufsicht und Seitenansicht. Hier wird die Wahl der Federn (16) je nach Einsatzgebiet und Baugröße des Motors ermittelt. Zudem ist es kein Problem jedes Bauteil bzw. Verschleißteil des Motors (z. B. Dichtleisten, Dichtringe oder Federn) zu erneuern.

Claims

Vielzahndrehkolbenmotor, mit einem geschlossenen Gehäuse, mit zwei rotierenden Drehkolben auf je einer Drehachse, mit zwei gegenüber liegenden Arbeitszähnen und zwei um 90° zu den Arbeitszähnen versetzten Arbeitslücken je Drehkolben, mit einer am Umfang der Drehkolben angebrachten Verzahnung mit einem kleinen Modul als Labyrinthdichtung, mit je einem radial mittig angebrachten Ein- und Auslass, dadurch gekennzeichnet, dass in den Arbeitszähnen (3) je einen T-Nut (5) angebracht ist, in der sich eine federbelastete Dichtleiste (4) befindet an deren Dichtfläche ein kleiner Radius bzw. eine kleine Nut (19) eingearbeitet ist, wobei eine Druckausgleichbohrung (18) angebracht ist, wobei die T-Nut (5) so beschaffen ist, dass die Dichtleiste (4) aus dem Arbeitszahn heraus bzw. bis unterhalb der Oberkante des Arbeitszahns (3) hinein fahren kann, der Abstand der Drehachsen (7) bei hohen Arbeitstemperaturen vergrößert werden kann, wobei die Abdichtung der Drehkolben (2) durch die Verzahnung (9) gewährleistet ist, der Einlass- und der Auslasskanal (10, 11) über die gesamte Breite der Drehkolben (2) ausgebildet ist, der Radius (12) der Lauffläche im Gehäuse im Bereich des Einlass- und Auslasskanals (10, 11) vergrößert ist, die Drehkolben (2) gegenüber dem Gehäusedeckel durch Druckfedern (16) abgedichtet sind.
Vielzahndrehkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zwei oder mehrstufig ausgebildet ist.
Vielzahndrehkolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufe als Motor und eine als Pumpe bzw. Kompressor ausgebildet ist.
Vielzahndrehkolbenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe ein Drehkolbenpaar (2) mit hohen Arbeitszähnen (3) und damit einem großem Kammervolumen aufweist und die zweite Stufe ein Drehkolbenpaar (2) mit größerem Teilkreis und damit kleineren Arbeitszähnen (3) als die erste Stufe aufweist.
Vielzahndrehkolbenmotor, mit einem geschlossenen Gehäuse, mit zwei rotierenden Drehkolben auf je einer Drehachse, mit zwei gegenüber liegenden Arbeitszähnen und zwei direkt an den Arbeitszähnen angebrachten Arbeitslücken je Drehkolben, mit einer am Umfang der Drehkolben angebrachten Verzahnung mit einem kleinen Modul als Labyrinthdichtung, mit je einem radial mittig angebrachten Ein- und Auslass, dadurch gekennzeichnet, dass in den Arbeitszähnen (3) je einen T-Nut (5) angebracht ist in der sich eine federbelastete Dichtleiste (4) befindet an deren Dichtfläche ein kleiner Radius bzw. eine kleine Nut (19) eingearbeitet ist, wobei eine Druckausgleichbohrung (18) angebracht ist, wobei die T-Nut (5) so beschaffen ist, dass die Dichtleiste (4) aus dem Arbeitszahn heraus bzw. bis unterhalb der Oberkante des Arbeitszahns (3) hinein fahren kann, der Abstand der Drehachsen (7) bei hohen Arbeitstemperaturen vergrößert werden kann, wobei die Abdichtung der Drehkolben (2) durch die Verzahnung (9) gewährleistet ist, der Einlass- und der Auslasskanal (10, 11) über die gesamte Breite der Drehkolben (2) ausgebildet ist, der Radius (12) der Lauffläche im Gehäuse im Bereich des Einlass- und Auslasskanals (10, 11) vergrößert ist, die Drehkolben (2) gegenüber dem Gehäusedeckel durch Druckfedern (16) abgedichtet sind.
Vielzahndrehkolbenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zwei oder mehrstufig ausgebildet ist.
Vielzahndrehkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufe als Motor und eine als Pumpe bzw. Kompressor ausgebildet ist.
Vielzahndrehkolbenmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe ein Drehkolbenpaar (2) mit hohen Arbeitszähnen (3) und damit einem großem Kammervolumen aufweist und die zweite Stufe ein Drehkolbenpaar (2) mit größerem Teilkreis und damit kleineren Arbeitszähnen (3) als die erste Stufe aufweist.