DE102008037841A1

DE102008037841A1 - Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie in elektrische Energie und Durchführung des Verfahrens mit einem Druckluftmotor

Info

Publication number: DE102008037841A1
Application number: DE102008037841A
Authority: DE
Inventors: Felix Arnold
Original assignee: Cor Pumps and Compressors AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2009-03-05
Also published as: WO2009026882A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und ein Druckluftmotor vorgeschlagen zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Energie und dieser mechanischen Energie in elektrische Engergie.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie von einem druckluftangetriebenen Luftmotor nach der Gattung des Anspruchs 2, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
Es ist ein Druckluftmotor mit fluidisch betätigbarem Drehantrieb bekannt, bei dem Druckluftenergie in mechanische Drehenergie gewandelt wird, indem ein druckluftbeaufschlagter Schwenkkolben eine hin- und hergehende Schwenkbewegung in eine Drehbewegung einer Abtriebswelle umsetzt, unter Einsatz einer Freilaufkupplung zwischen Schwenkkolben und Abtriebswelle, wobei die Vorteile eines Luftmotors gegenüber einem Elektromotor hervorgehoben sind ( DE G 93 20 601 ). Die bei diesem Druckluftmotor durch Druckluft erzeugte rotative Bewegung ist jedoch nachteiligerweise nicht kontinuierlich sondern entsprechend der Bewegung des Schwenkkolbens und dem Einsatz der Freilaufkupplung je nach Drehwiderstand ungleichmäßig. Ein anderer Nachteil dieses bekannten Schwenkkolbenluftmotors besteht in dem aufwendigen komplizierten Aufbau und der außerdem erforderlichen Freilaufkupplung bzw. der hiermit verbundenen verhältnismäßig großen Abnutzung der einzelnen Motorteile. Außerdem ist die Herstellung eines solchen Druckluftmotors außerordentlich aufwendig, wodurch er auch entsprechend teuer wird.
Ein anderer bekannter druckluftbetriebener Antriebsmotor (Druckluftmotor) für Werkzeuge mit allerdings einem umlaufenden, eine Abtriebswelle betätigenden Rotor, weist in Art eines Flügelzellenaggregats durch Federn oder Fliehkraft radial an die Wand gepresste Flügelzellen auf, wie es auch bei Luftverdichtern in vielfältiger Weise bekannt ist ( DE OS 31 17 412 A1 ). Der Nachteil dieser Art von Antrieb besteht darin, dass die Dichtflügel in Richtung des umlaufenden Wellenrotors eine rechtwinkelige Flächenberührung mit der Gehäusewand aufweisen, auf der sie entlang gleiten, mit dem Nachteil, dass es äußerst schwierig ist, hier eine geringe Reibung und entsprechende Dichtheit zu erzielen, ganz abgesehen von den Nachteilen der äußerst hohen Herstellkosten und der Probleme bezüglich Abnutzung aufgrund Abdichtung und Schmierung, was sich natürlich unmittelbar auf die Lebensdauer, bzw. dem abnehmenden Wirkungsgrad des Druckluftmotors bei entsprechender Dauer des Einsatzes auswirkt. Der druckluftbetriebene Antriebsmotor soll dort zudem für Druckluftwerkzeuge, z. B. Schleifer, Verwendung finden, bei denen es bekanntlich weniger auf die tatsächliche Antriebsqualität ankommt, dafür aber auf die Lebensdauer.
Bei wieder einem anderen bekannten Druckluftmotor ( DE OS 196 13 262 A1 ) erfolgt der Rotationsantrieb der Abtriebswelle über eine von zwei über ein Rädergetriebe gekoppelten Wellen, welche zwei Drehkolben tragen, die in dem Gehäuse durch Beaufschlagung mit Druckluft gegenläufig in eine Drehbewegung versetzt werden, ähnlich der Umkehrung eines Rootsgebläses in einem Druckluftmotor. Auch hier besteht das Problem vor allem in der Abdichtung, bzw. der Abnutzung und der damit gegebenen Undichtheit nach einer bestimmten Betriebsdauer, da die beiden Drehkolben in radialer Hinsicht jeweils auf Wänden von Zylinderbohrungen bzw. dem Gegenläufer laufen und in axialer Richtung wiederum mit ihren glatten Stirnflächen auf entsprechenden glatten Stirnflächen des Gehäuses laufen, wobei eine nachträgliche Korrektur zur Abdichtung nach Abnutzung oder bei Spaltänderungen durch Temperaturänderungen nicht möglich ist. Zwar sollen Gehäusewand und Drehkolbenbeschichtung elastisch sein, um diesen bekannten Nachteil zu kompensieren, was jedoch mit einem entsprechenden Aufwand verbunden ist. Auch hier ist daran gedacht mit einem solchen Drehkolbenrundlaufmotor eine Werkzeugmaschine, bzw. eine Bohrspindel, anzutreiben. In jedem Fall sind der elastischen Ausgestaltung solcher Drehkolben erhebliche Grenzen gesetzt, da die Drehkolben auf der Gehäusewand reiben und nicht abrollen, was bei einem elastischen Zwischenbereich zu einer starken Bremswirkung, bzw. einem erheblichen Verlust der Drehkräfte, bzw. des Drehmoments an der Abtriebswelle des Druckluftmotors führt.
Bei wieder einer anderen Druckluftversorgung eines Luftmotors ( DE 100 44 553 A1 ) wird die Strömungsenergie in Rotationsenergie umgesetzt und dadurch ein Generator angetrieben, der die Rotationsenergie in elektrische Energie umsetzt für elektrische Verbraucher und/oder Akkumulatoren aufzuladen. Hierbei wird auch davon ausgegangen, dass der Luftmotor mittels Getriebe, insbesondere Riemengetriebe, den Generator antreibt. Auch soll durch einen Fliehkraftregler des Luftmotors die Ausgangsspannung des Generators begrenzt werden können. Die Drehzahl des Luftmotors kann über die Druckluftzufuhr mit Hilfe eines Magnetventils gesteuert werden und es kann „der Durchmesser der Luftzuführung zum Luftmotor" „nach dem Verbrauch des Luftmotors bei maximaler Leistung dimensioniert" sein. Bei dem Luftmotor handelt es sich somit um einen der üblichen bekannten Druckluftmotoren, wie sie oben beschrieben sind.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie dem erfindungsgemäßen Druckluftmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, stand somit eine Voreingenommenheit der Fachwelt entgegen, da die vorher bekannten zur Erzeugung elektrischer Energie verwendeten Verfahren mit Druckluftmotoren, entweder beim Rotationsantrieb in Kant genommene Schwankungen aufwiesen oder den erforderlichen Drehmomenten nicht genügt haben.
Ein zusätzlicher Nachweis der Voreingenommenheit der Fachwelt ist der mangelnde Einsatz solcher Motoren als Druckluftmotoren. Der Fachmann ging davon aus, dass ein solcher Stirnzahnraddruckluftmotor einen Abbau der Druckluftströmungsenergie in Drehenergie nicht zulassen würde. Er würde wie ein Sperrglied wirken. Tatsächlich jedoch ergab sich überraschenderweise, dass bei entsprechendem Leichtlauf der Rotoren die Umsetzung der Strömungsenergie in Drehenergie besonders wirkungsvoll ist, d. h. dass der Wirkungsgrad einer solchen Druckluftpumpe weit über dem einer üblichen Druckluftpumpe liegt. Während bei einer üblichen Druckluftpumpe die verbrauchte Druckluft eher hindernd ist und aufwändig abgeführt werden muss, genügt bei einer Stirnzahnraddruckluftpumpe den Ausgangsbereich entsprechend groß zu machen, so dass nach der Nutzung der Energie der Druckluft die drucklose Luft problemlos abgeführt werden kann.
Es ist zwar ein Luftmotor auf Drehkolbenbasis bekannt ( DE 42 41 320 C2 und US 3,856,440 ) mit Stirnverzahnung aufweisenden Drehkolben, wobei die Zähne eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweisen, so dass eine Motorwirkung mit Abtriebsaufgabe entstehen kann. An eine Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie und daraus elektrischer Energie ist dabei aus Gründen der Voreingenommenheit nicht gedacht und auch nicht vorbeschrieben, und aufgrund des häufig Vorhandenseins von Druckluftenergie und vor allem auch bei dem grundsätzlich vorhandenen Bedarf an elektrischer Energie auch nicht nahegelegt. Der Fachmann denkt bei Motoren, die eine Umkehrung zu Pumpen und Verdichtern aufweisen, vor allem an rotierende Teile, deren vom Antriebsmedium beaufschlagte Flächen bezüglich der Drehachse eine Hebelwirkung in Drehrichtung aufweisen, wie beispielsweise eine Flügelzelleneinrichtung. Hierbei wird meist nicht beachtet, dass der dem Antriebsflügel folgende, den Arbeitsraum abschließende nächste Flügel eine der Drehrichtung entgegenwirkende Kraft erzeugt. Diese in Bezug auf die Drehrichtung negative Wirkung besteht auch bei dem erstgenannten Luftmotor ( DE G 93 20 601 ). Obwohl es sich dort nur um relativ geringe Schwankungen bei der erzeugten mechanischen Drehenergie handelt, sind diese Schwankungen bei den heute gegebenen hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Stromqualität bei der Umsetzung in elektrische Energie unvertretbar und nachteilig, besonders bei Steuerungen im Hochfrequenzbereich.
Gemäß Kern der Erfindung, nämlich mit Druckluftenergie und einem Drehkolben sowie Wellenrotor elektrische Energie zu erzeugen, dient als Aggregat zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie ein Elektrogenerator, dessen die Erregerspule tragender Läufer mit dem als Wellenrotor dienenden Drehkolben drehschlüssig gekoppelt ist. Natürlich ist die Stromerzeugung mit rotierendem Antrieb durch einen Elektrogenerator für sich naheliegend und auch nichts neues. Dies gilt jedoch nicht in Verbindung mit einem Luftmotor bzw. wenn dann nur in eingeschränkter Weise ( DE 100 44 553 A1 ).
Gemäß einem kennzeichnenden Merkmal des Verfahrens weisen die gemeinsam mit dem Gehäuse den Arbeitsraum begrenzenden Arbeitsflächen des Wellenrotors eine Stirnverzahnung auf, die außer auf dem Wellenrotor auf einem mit den Zähnen desselben zusammenwirkenden und deshalb entsprechend verzahnten Gegenrotor vorgesehen ist, dessen Drehachse zu der des Wellenrotors einen bestimmten Winkel aufweist, aber die gleiche Drehrichtung aufweist, wie der Wellenrotor, wobei die ineinandergreifende Verzahnung als Trochoidenverzahnung ausgebildet ist. Auch diese Vorgabe steht in einem gewissen Widerspruch zu den Annahmen eines Fachmanns, da Arbeitsräume zwischen Stirnzahnrädern als für Luftmotoren ungeeignet gelten, besonders bei Trochoidenverzahnungen, bei denen ein weiches Abwickeln der Wände der Zahnräder zum Arbeitsraum gewünscht ist.
Dies gilt entsprechend auch für die vorteilhafte Ausgestaltung am Druckluftmotor, bei dem eine Stirnzahnscheibe mit der Abtriebswelle verbunden ist und eine zweite Stirnzahnscheibe unter einem bestimmten Verdrehwinkel zur ersten Stirnzahnscheibe den Arbeitsraum bildend mit dieser kämmt, wobei eines der Teile als Zykloidenteil eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweist und wobei die Zähne des anderen mit diesem kämmend zusammenwirkenden Teil als Steuerteil Zahnkämme aufweist, welche an den Flanken des Zykloidenteils entlang laufen. Wie oben erwähnt ist ein solcher Drehkolbenmotor an sich bekannt ( DE OS 42 41 320 A1 ), wurde allerdings aufgrund der Voreingenommenheit der Fachwelt nicht zum Antrieb eines Stromerzeugungsaggregats eingesetzt.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Lagerung des Wellenrotors und/oder des Gegenrotors im Gehäuse in einem Wälzlager. Besonders bei pneumatisch arbeitenden Motoren ist der Leichtlauf besonders zu beachten, wobei hier auch die Schmierung der Lagerung ein nicht unerhebliches Problem darstellt, was möglicherweise Mitursache für die Voreingenommenheit der Fachwelt ist.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wälzlager im Gehäuse von einer in Richtung der Drehachse verschraubbaren Stützmutter getragen und axial mit dem Rotor im Gehäuse verstellbar. Hierdurch kann zumindest eine Justierung der Rotoren im Gehäuse bzw. zueinander vorgenommen werden.
Gemäß einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Einlasskanal über einen bestimmten Verdrehwinkel verteilt, schmal aber in Drehrichtung sich erweiternd ausgebildet, entsprechend der zwischen den Rotoren druckseitig gebildeten schmalen Öffnung zum Arbeitsraum hin.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Auslasskanal über einen bestimmten Verdrehwinkel verteilt verhältnismäßig weit ausgebildet, entsprechend dem an dieser Stelle zum Auslasskanal weit offenen Arbeitsraum. Der Arbeitsraum kann hier nach außen offen sein, da die der Druckluft eingegebene Energie bereits verbraucht ist, was dem Wirkungsgrad des Druckluftmotors zugute kommt.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist mit einer Variante in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt entlang den Drehachsen I und II eines Druckluftmotors mit Stirnradverzahnung;
2 einen Teilschnitt durch die Variante des Pumpengehäuses bei gegenüber 1 um 90° verdrehter Lage;
3 einen Schnitt entsprechend der Linie III-III in 2 und in einem etwas verkleinertem Maßstab und
4 eine Einsicht in das Gehäuse entsprechend dem Pfeil IV in 2 in ebenfalls leicht verkleinertem Maßstab.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei dem in 1 im Längsschnitt dargestellten durch Druckluft angetriebenen Motor sind in einem Gehäuse 1 zwei als Drehkolben dienende Rotoren gelagert, nämlich ein Wellenrotor 2 und ein Gegenrotor 3, die mit stirnseitig angeordneten Zähnen 4 und 5 entsprechend ineinander greifen und dabei mit dem Gehäuse 1 Motorarbeitsräume 6 begrenzen. Die Drehachse des Wellenrotors 2 ist mit I bezeichnet, die Drehachse vom Gegenrotor 3 mit II. Die beiden Drehachsen I und II schließen einen Winkel α < 180° ein, so dass beim Rotieren der Rotoren 2 und 3 die Motorarbeitsräume 6 sich entsprechend vergrößern, bzw. verkleinern. Der in 1 dargestellte Längsschnitt durch den Luftmotor geht durch diese beiden Drehachsen I und II.
Das Gehäuse 1 weist innen zur Aufnahme der Rotoren einen zylindrischen Abschnitt 7 und einen sphärischen Abschnitt 8 auf, wobei Letzterer in einen zylindrischen Abschnitt 9 übergeht zur Aufnahme der Lagerung des Gegenrotors 3, entsprechend dessen zur Mittelachse I versetzter Mittelachse II. Der Gegenrotor 3 ist auf einem Wälzlager 10 drehgelagert, welches durch einen Stützstopfen 11 eingespannt im zylindrischen Abschnitt 9 des Gehäuses 1 angeordnet ist. Der Stützstopfen 11 ist zur Befestigung des Wälzlagers 10 in das Gehäuse 1 eingeschraubt.
Zwischen den Rotoren ist, um die aufgrund des Winkels α zwischen den Drehachsen I und II sich beim Rotieren ergebenden pendelnden Bewegung zwischen den Rotoren zu ermöglichen, eine kugelige Auflagefläche 12 vorgesehen, die auch gleichzeitig die durch die Stirnzähne 4 und 5 der Rotoren gebildeten Motorarbeitsräume 6 voneinander trennt. Bei den Stirnzähnen 4 und 5 ist eine zykloide Verzahnung vorgesehen mit den bekannten Vorteilen ( DE PS 42 41 320 C2 ). Der zum Antrieb eines Elektrogenerators dienende Drehkolben, nämlich der das eigentliche Leistungsteil bildende Wellenrotor 2, ist ebenfalls auf einem Wälzlager 13 gelagert, welches für sich von einer Stützmutter 14 getragen wird, die einerseits in dem zylindrischen Abschnitt 7 des Gehäuses 1 geführt ist, aber andererseits dort über ein Gewinde 15 in das Gehäuse 1 eingeschraubt ist. Hierdurch ist einerseits ein leichter Drehlauf des Wellenrotors 2 gewährleistet und andererseits eine gewisse Justierbarkeit, auch in Bezug auf den sphärischen Abschnitt 8 bzw. den Gegenrotor 3. Der Wellenrotor 2 weist außerdem eine Kupplungsöffnung 16 auf, zur Aufnahme einer nicht dargestellten Drehkupplung, um die Drehbewegung auf einen ebenfalls nicht dargestellten Generator, also ein Stromerzeugungsaggregat, zu übertragen. Am Gehäuse 1 ist ein Flansch 17 angeordnet, um ein Stromerzeugungsaggregat entsprechend befestigen zu können. Außerdem ist auf der Rückseite des Gehäuses 1 ein Flansch 18 vorgesehen zum Anschluss für den Drucklufteinlass in einen an dieser Stelle noch kleinen Motorarbeitsraum.
Bei der in den 2 bis 4 dargestellten Variante des Luftmotors ist das Gehäuse einerseits gegenüber dem in 1 dargestellten Schnitt um 90° verdreht dargestellt und außerdem über die gesamte Länge zylindrisch ausgebildet. Hierdurch fallen die Drehachsen I und II bei der Darstellung ineinander, was lediglich durch die Perspektive aber auch in 4 für sich erkennbar ist. Die denen in 1 entsprechenden Dinge sind mit der gleichen Bezugszahl wie in 1 versehen und durch einen Indexstrich unterschieden. Es ist allerdings nur ein Gehäuse als Variante dargestellt, wobei der in 2 gezeigte Anschnitt dazu dienen soll die Auslassöffnung 19 nach Ausnutzung der Druckluft, d. h. nach deren Entspannung, zu verdeutlichen.
So ist wie in 3 gezeigt im Gehäuse 1 auf der Druckluftseite eine Anschlussbohrung 20 vorgesehen für den Einlass der Druckluft in den hier nicht dargestellten aber gegenüberliegenden an dieser Stelle kleinen Pumpenarbeitsraum 4. Auf der gegenüberliegenden Seite ist im Gehäuse 1 eine entsprechend große Auslassöffnung 19 vorgesehen, um ein tatsächliches Entspannen der Druckluft zu erzielen. Durch die Erfindung wird erreicht, dass mit einem einfachen trochoidenstirnverzahnten Drehkolben unter Druck zugeführte Luft und durch deren Entspannen ein Wellenrotor angetrieben wird, der wiederum als Motor einen Elektrogenerator antreibt.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Variante in 2 bis 4

I: Drehachse von 2
II: Drehachse von 3
α: ∡ zwischen I und II

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 9320601 U [0002, 0008]
- DE 3117412 A1 [0003]
- DE 19613262 A1 [0004]
- DE 10044553 A1 [0005, 0009]
- DE 4241320 C2 [0008, 0024]
- US 3856440 [0008]
- DE 4241320 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Drehenergie unter Einsatz eines druckluftbetriebenen Aggregats, wobei die mechanische Drehenergie in elektrische Energie umgesetzt wird, welche zum Antrieb eines elektrische Energie verbrauchenden Aggregats dient und wobei als Aggregat zur Umwandlung der mechanischen Drehenergie in elektrische Energie ein Elektrogenerator dient, dessen die Erregerspule tragender Läufer mit dem als Wellenrotor dienenden Drehkolben drehschlüssig gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Aggregat mindestens einen einen Arbeitsraum begrenzenden, mit seinen Arbeitsflächen sich dort abwälzenden und die Umdrehung einer Abtriebswelle bewirkenden Wellenrotor aufweist und – dass der Wellenrotor (2) mit einer Stirnverzahnung (4) arbeitet und mit einem mit entsprechenden Zähnen (5) ausgebildeten Gegenrotor (3) zusammenwirkt und – dass die ineinander greifende Verzahnung als Trochoidenverzahnung ausgebildet ist.
Druckluftmotor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem von Druckluft angetriebenen als Drehkolben arbeitenden Wellenrotor (2), – mit einem Einlassanschluss (18) und einem Auslasskanal (19) eines Motorarbeitsraums (6) für die Druckluft bzw. entspannte Abluft und – mit Koppelung des Wellenrotors (2) mit der Antriebswelle eines Stromerzeugeraggregats, dadurch gekennzeichnet, – dass ein den Wellenrotor (2) aufnehmendes und mit ihm einen Motorarbeitsraum (6) begrenzendes Gehäuse (1) vorhanden ist, – dass der Wellenrotor (2) zum Motorarbeitsraum (6) hin eine Trochoidenverzahnung aufweist und mit einem in diese Verzahnung eingreifenden dadurch entsprechend verzahnten und von ihm angetriebenen Gegenrotor (3) zusammenwirkt, wobei aufgrund eines von 180° abweichenden Winkels zwischen den Drehachsen der Rotoren (2, 3) beim Rotieren eine entsprechende Zu- bzw. Abnahme des Volumens des Motorarbeitsraums (6) erfolgt mit entsprechender Entlastung des Luftdrucks.
Druckluftmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Wellenrotors über ein Wälzlager (13) erfolgt und dass dieses Wälzlager von einer Stützmutter (14) getragen wird, die am Gehäuse (1) befestigt ist.
Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenrotor auf einem Wälzlager (10) gelagert ist, welches im Gehäuse (1) angeordnet ist und über einen das Gehäuse verschließenden Stützstopfen (11) axial fixiert wird.
Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (10, 13) im Gehäuse (1) in Richtung der Drehachse (I, II) einschließlich Rotor axial verstellbar ist.
Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal mit Verdrehrichtung leicht zunehmend ausgebildet ist und in den auf dieser Seite ein noch geringes Volumen aufweisenden Arbeitsraum mündet.
Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) in eine im Gehäuse (1) angeordnete Auslassöffnung (19) übergeht, die einen für die Entspannung der Druckluft entsprechend großen Querschnitt aufweist.