DE102008023200A1

DE102008023200A1 - Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Längenänderung von Körpern bei Temperaturänderung

Info

Publication number: DE102008023200A1
Application number: DE200810023200
Authority: DE
Inventors: Eckhard Bleschke
Original assignee: Bleschke Eckhard Dipl-Ing
Current assignee: BLESCHKE, ECKARD, DIPL.-ING., DE
Priority date: 2008-05-10
Filing date: 2008-05-10
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-05-11
Also published as: DE102008023200B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie, insbesondere mit relativ niedriger Temperatur, in mechanische Drehbewegung oder davon ausgehend in elektrische Energie. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen höheren Energieumsatz und besseren Wirkungsgrad besitzt, indem der Dehnungsweg vergrößert wird und diese Bewegung unmittelbar eine Drehbewegung erzeugt. Weiterhin soll die Wärme aus der Umwelt oder Abwärme effektiver zur Wärmedehnung von Elementen genutzt werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist bei einem um zwei drehbare Umlenkrollen geführten Endlosband, bei dem je ein Bandtrum erwärmt und gekühlt wird, das Endlosband zur verstärkten Längsänderung in sich räumlich verformt und besteht aus mindestens zwei Schichten von Material unterschiedlicher Wärmeausdehnung oder übereinander verformten Strängen. In den Faltungen können Kammern mit großer Längenänderung bei Temperaturänderung angeordnet sein, bzw. das Endlosband besteht aus diesen Kammern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie, insbesondere mit relativ niedriger Temperatur, in mechanische Drehbewegung oder davon ausgehend in elektrische Energie. Die Vorrichtung ist besonders gut für die Nutzung von Abwärme oder natürlicher Wärme durch Sonneneinstrahlung oder warmen Wasser geeignet.
Stand der Technik
Zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie ist es bekannt, die Ausdehnung von Körpern oder Stoffen in mechanische Arbeit umzuwandeln. Durch wechselweise Erwärmung und Abkühlung von Metallelementen, Gasen oder Flüssigkeiten wird eine größere mechanische Bewegung erzeugt. Diese wird durch entsprechende Vorrichtungen in eine Bewegung oder Drehbewegung umgewandelt.
In der DE OS 4309312 und 10108468 werden Lösungen vorgeschlagen, die eine Ausdehnung und ein Zusammenziehen von mehreren Elementen aus einer Metalllegierung durch Erwärmung und nachfolgende Abkühlung in eine Oszillation oder Drehbewegung umwandeln. Jede Einzelbewegung eines Elementes bewirkt nacheinander eine Teilbewegung des bewegungsabnehmenden Hauptelementes. Dadurch und durch die Umleitung der Bewegungsrichtung ist die eingebrachte Kraft und die Geschwindigkeit relativ klein.
Gemäß der DE PS 19646887 wird ein Endlosband aus Stoffgewebe um zwei drehbare Umlenkrollen geführt. Je ein Trum des Endlosbandes wird abwechselnd befeuchtet und getrocknet. Durch die Trocknung wird eine Kontraktion bewirkt, die eine Drehbewegung der Umlenkrollen erzeugt. In einer ähnlichen Lösung entsprechend der US PS 4150544 wird jeweils ein Trum eines Metallbandes erhitzt und abgekühlt. Zur Gewährleistung einer fortlaufenden Rotation sind die beiden Wellen der Umlenkrollen mechanisch gekoppelt, so das lfd. ein Teil des erwärmten Trums in den kühlenden Bereich bewegt wird.
Die bekannten Lösungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie besitzen mehrere Nachteile:
Der Dehnungsweg der Bewegung der Elemente durch die Erwärmung und Abkühlung ist relativ klein,
die Geschwindigkeit durch den erforderlichen Wärmeübergang ist niedrig und
die Kraftwirkung des Einzelelementes ist gering.
Diese Lösungen sind deshalb nur für geringe Energieumsätze geeignet und besitzen einen niedrigen Wirkungsgrad.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen höheren Energieumsatz und besseren Wirkungsgrad besitzt, indem der Dehnungsweg vergrößert wird und diese Bewegung unmittelbar eine Drehbewegung erzeugt.
Weiterhin soll die Wärme aus der Umwelt oder Abwärme effektiver zur Wärmedehnung von Elemente genutzt werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist bei einem um zwei drehbare Umlenkrollen geführten Endlosband, bei dem je ein Bandtrum erwärmt und gekühlt wird, das Endlosband zur verstärkten Längsänderung in sich räumlich verformt und besteht aus mindestens zwei Schichten von Material unterschiedlicher Wärmeausdehnung oder übereinander verformten Strängen.
In den Faltungen können Kammern mit großer Längenänderung bei Temperaturänderung angeordnet sein, bzw. das Endlosband besteht aus diesen Kammern. Die Wellen der Umlenkrollen sind mechanisch gekoppelt oder eine Welle ist durch eine Hilfskraft antreibbar. Das Dehnungstrum ist durch eine Kammer mit warmem Medium oder Sonnenreflektoren und das Zugtrum durch eine Kammer mit kühlem Medium geführt.
Diese Erfindung ermöglicht eine Addierung der Längsausdehnung der hintereinanderliegenden Verformungen bzw. Kammern. Bereits eine geringe Temperaturerhöhung bzw. -abkühlung erzeugt eine größere Längsausdehnung, bzw. Zusammenziehung. In Verbindung mit besonders gestalteten Elementen und Materialien des Endlosbandes gemäß den Ansprüchen 2 bis 9 wird dieses noch verstärkt.
Durch ein ausreichend langes Endlosband in Verbindung mit einer Medienführung zur Erwärmung und Kühlung gemäß den Ansprüchen 14 und 15 wird eine optimale Wärmeausnutzung erzielt.
Insgesamt wird dadurch eine relativ schnelle und kraftvolle Drehbewegung erzeugt.
Weitere günstige Ausgestaltungen zur Ausbildung der Mechanik, der Rollenführung und Bewegungsübertragung sind in den Unteransprüchen 10 bis 13 aufgeführt.
Die Ansprüche 14 und 15 enthalten bevorzugten Konstruktionen zur optimalen Nutzung von Wärme, bzw. Sonnenenergie.
Beispiele
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
1 zeigt das Prinzip der Vorrichtung mit einem gewellten Endlosband 1 in der Vorderansicht,
2 das Prinzip mit einem Endlosband mit Kammern 5 mit Dehnungsmedien in den nach innen öffnenden Faltungen 4 bzw. Wellungen in der Vorderansicht,
3 ein Endlosband mit Kammern 5 mit Dehnungsmedien in den nach innen und außen öffnenden Faltungen 4 bzw. Wellungen in der Vorderansicht,
4 das Endlosband 1 in der Ausführung als Bimetallband.
Gemäß 1 ist ein gewelltes Endlosband 1 um zwei Umlenkrollen 2 geführt. Das Endlosband 1 besteht aus einem quer zur Längsrichtung gewelltem Bimetall nach 4. Je einem Bandtrum 8, 9 sind Medien zur Kühlung 6 und Erwärmung 7 zugeordnet. Die technischen Einzelheiten, wie Medienführung und Gehäuse sind nicht näher dargestellt.
Die beiden Wellen der Umlenkrollen 2 sind im Endbereich eines länglichen Gehäuses gelagert. Das Gehäuse besitzt zwei voneinander isolierte Kanäle, in denen das Dehnungstrum 8 und das Zugtrum 9 laufen. Im Umlenkbereich, vor den Umlenkrollen 2 sind die Kanalöffnungen durch elastische Vorhänge weitgehend abgedichtet.
Durch den Kanal des Dehnungstrums 8 wird entgegen der Bewegungsrichtung Abdampf, Heißluft oder Warmwasser geführt, durch den Kanal des Zugtrums 9 ein kühlendes Medium, bevorzugt Kaltluft.
Die beiden Wellen der Umlenkrollen 2 sind durch ein Getriebe gekoppelt. Damit wird gesichert, dass das Endlosband 1 vom Dehnungstrum 8 immer über die Abtriebsrolle 3 zum Zugtrum 9 gezogen wird. Andere Ausführungsformen mit einem Hilfsantrieb für die zweite Umlenkrolle 2 oder einer Zwangsführung des Dehnungstrums 8 sind im Rahmen der Erfindung auch möglich.
Die Welle der Abtriebsrolle 3 ist weiterhin mit einem Übersetzungsgetriebe gekoppelt, über das die Drehbewegung auf z. B. eine Wasserpumpe, Fahrgetriebe oder Lüfter übertragen wird. Eine Kopplung mit einem Generator ist ebenfalls möglich. Die ersten Varianten haben aber den Vorteil, dass die Wärmeenergie direkt in mechanisch wirksame Energie umgewandelt wird. Die Vorrichtung kann besonders in warmen Ländern auf einer fahrbaren Beregnungsanlage als Fahrantrieb oder als Pumpenantrieb für einen Brunnen unter Nutzung der Sonnenwärme eingesetzt werden.
In der 2 ist eine Erfindungsvariante mit Kammern 5 in den nach innen öffnenden Faltungen 4 des Endlosbandes 1 dargestellt. Die Kammern 5 besitzen eine elastische Wandung und sind mit einem sich bei einer Temperaturerhöhung stark ausdehnenden Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt. Die Wandung ist bevorzugt nur an einer Seite, in Längsrichtung des Endlosbandes 1 elastisch ausgebildet, so dass die Dehnung nur in einer Ebene erfolgen kann.
Eine preiswerte, wirksame Ausbildung des Endlosbandes 1 gemäß den Ansprüchen 4 bis 6 besteht aus einem einfachen oder doppelt gewendelten Federstahldraht.
Zur effektiven Nutzung der Sonnenenergie ist der Kanal für das Endlosband 1 als lichtdurchlässige Röhre mit einer einseitigen Reflexionsschicht, ähnlich einem Sonnenkollektor ausgebildet. Damit kann das Dehnungstrum 9 bis auf über 100°C erhitzt werden. Das Zugtrum 9 wird hier durch Abschattung und Kühlluft oder indirekt mit Kühlwasser abgekühlt. Dies Variante ist in Verbindung mit einer Wasserpumpe besonders für trockene, heiße Gebiete geeignet.

1: Endlosband
2: Umlenkrolle
3: Abtriebsrolle
4: Faltung
5: Kammern
6: Medien zur Kühlung
7: Medien zur Erwärmung
8: Dehnungstrum
9: Zugtrum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4309312 [0003]
- DE 10108468 [0003]
- DE 19646887 [0004]
- US 4150544 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Längenänderung von Körpern bei Temperaturänderung, bestehend aus einem bei Temperaturänderungen sich in der Länge veränderbarem Endlosband, das um mindestens zwei Umlenkrollen geführt ist, die Umlenkrollen auf je einer Welle befestigt sind, die Welle der Abtriebsrolle (3) mit einer Vorrichtung zur Energieabnahme verbunden ist und direkt oder durch entsprechende Einrichtungen ein Bandtrum erwärmbar und/oder das anderen kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Endlosband (1) zur verstärkten Längsänderung in sich räumlich verformt (4) ist und aus mindestens zwei Schichten von Material unterschiedlicher Wärmeausdehnung oder übereinander verformten Strängen besteht – und/oder eine Vielzahl von Kammern (5) mit großer Längenänderung bei Temperaturänderung zu einem Endlosband angeordnet sind, – die Wellen der Umlenkrollen (2) mechanisch gekoppelt sind oder die Umlenkrolle (2) im kühlerem Bereich durch eine Hilfskraft antreibbar ist – und das Dehnungstrum (8) durch eine Kammer mit warmem Medium (7) oder Sonnenreflektoren und das Zugtrum (9) durch eine Kammer mit kühlem Medium (6) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband (1) aus einem elastischen, biegefesten Material oder mehreren verbunden Materialien und die Verformung (4) aus vielfach quer zum Endlosband (1) liegenden Faltungen bzw. Wellungen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband (1) aus Bimetall oder Memorymetall besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband (1) aus einem wendelförmig verdrehten Federstahldraht besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband (1) aus einem wendelförmig verdrehten Bimetallband oder Memorymetall besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass um den wendelförmig verdrehten Federdraht eine Wicklung aus Federdraht oder Bimetallband so angeordnet ist, dass bei Abkühlung eine Schubspannung auf den äußeren Rand des Querschnittes der Wendelfeder und damit ein zusätzliches Zusammenziehen des Zugtrums (9) bewirkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem vielfach quer gefalteten bzw. gewellten Endlosband (1) Kammern (5) mit Dehnungsmedien in den räumlichen Verformungen (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband (1) aus einer Vielzahl von verdrehbar miteinander verbundenen elastischen Kammern (5) mit Dehnungsmedien besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (5) nur in Längsrichtung des Endlosbandes (1) eine elastische Wandung besitzen und mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkrollen (2) entsprechend der Dehnungsdifferenz der verformten Abschnitte des Endlosbandes (1), bzw. der Kammern (5) im erwärmten oder abgekühlten Zustand unterschiedlich große zahnförmige Teilungen auf dem Umfang besitzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Zugspannung des Endlosbandes (1) stehende Abtriebsrolle (3) mit der zweiten Umlenkrolle (2) mechanisch untersetzt in Drehverbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Umlenkrolle (2) mit einem drehzahlgesteuerten Hilfsantrieb verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle der Abtriebsrolle (3) über ein Übersetzungsgetriebe mit einer Pumpe, einem Lüfter, Fahrgetriebe oder Generator in verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Medien zur Kühlung (6) und Erwärmung (7) entgegen der Drehrichtung des Endlosbandes (1), jeweils thermisch isoliert, in je einem Gehäuse geführt sind, in dem die beiden Bandtrume laufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband (1) oder mehrere parallele Endlosbänder (1) mit dem Dehnungstrum (8) in je einem röhrenförmigen Sonnenkollektor geführt sind.