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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor sowie
ein Verfahren zum Betreiben des Rotationskolbenmotors. Genauer gesagt
betrifft die Erfindung einen Rotationskolbenmotor, der mit einem
unter Druck stehenden Arbeitsmedium betrieben werden kann, insbesondere
mit einem unter Druck stehenden Fluid.
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Im
Stand der Technik sind zahlreiche Bauformen für Motoren, auch für Rotationskolbenmotoren, bekannt,
die jeweils für
die spezifischen Einsatzzwecke angepaßt sind.
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Im
Hinblick darauf schlägt
die vorliegende Erfindung einen Rotationskolbenmotor gemäß Anspruch
1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Rotationskolbenmotors
nach Anspruch 32 vor. Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung sowie den beiliegenden Zeichnungen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Rotationskolbenmotor bereitgestellt,
der eine Kolbenkammer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung umfasst,
wobei die Kolbenkammer in zumindest einer Querschnittsansicht kreisringförmig ist.
Weiterhin umfasst der Motor einen Kolben, der in der Kolbenkammer
auf einer Kreisbahn um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert
ist. Der Kolben ist dabei starr mit mindestens einem ersten Magneten
verbunden. Der Motor umfaßt
weiterhin eine Motorwelle und mindestens einen zweiten Magneten,
der um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert und mit der
Motorwelle verbunden ist. Der zweite Magnet steht dabei mit dem ersten
Magneten so in Wirkverbindung, daß der erste Magnet den zweiten
Magneten bei einer Drehung des Kolbens mitnimmt und so die Motorwelle
antreibt.
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Durch
dieses Motorkonzept, das heißt
die Verwendung eines Rotationskolbenantriebs für den Motor mit Magnetkupplung
auf die Motorwelle, wird ein Motorantrieb bereitgestellt, bei dem
der Kolben nicht umgelenkt werden muss sondern fortgesetzt auf der
Kreisbahn in einer Richtung rotieren kann. Es werden auf diese Weise
die bei Einsatz eines Hubkolbenantriebs entstehenden Verluste durch
die Umlenkung des Kolbens an den beiden Totpunkten vermieden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
der Rotationskolbenmotor weiterhin mindestens einen um den Mittelpunkt
des Kreisrings drehbar gelagerten Kolbenring, der mit dem Kolben
verbunden ist. Der drehbar gelagerte Kolbenring kann dabei am inneren
Umfang der Kolbenkammer angeordnet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist der drehbar gelagerte Ring am äußeren Umfang der Kolbenkammer
angeordnet. Bei jeder der beiden vorgenannten Anordnungen kann der
zumindest eine erste Magnet an dem drehbar gelagerten Kolbenring
angeordnet sein. Mit anderen Worten ist der Rotationskolben in solchen
Ausführungsbeispielen
mit einem Kolbenring verbunden, der sich mit dem Rotationskolben
mitdreht. Der erste Magnet kann an dem Kolbenring befestigt sein
oder in den Kolbenring integriert sein und wird so von dem Kolben
mitgenommen. Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
können auch
mehrere erste Magnete entlang des Umfangs des drehbar gelagerten
Kolbenrings angeordnet sein. Insbesondere können die Magnete über den vollständigen Umfang
des Kolbenringes verteilt sein. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Platz
optimal ausgenutzt, da jeder der ersten Magnete zur Kupplung beiträgt. Es sei
hervorgehoben, dass selbstverständlich
sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete als erste Magnete
verwendet werden können.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt der Rotationskolbenmotor
mindestens einen um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagerten
Antriebsring, der mit der Motorwelle verbunden ist. Typischerweise
ist der zumindest eine zweite Magnet an dem Antriebsring angeordnet
oder sogar in diesen integriert. Ähnlich wie bei dem Kolbenring können auch
mehrere zweite Magnete entlang des Umfangs des Antriebsrings angeordnet
sein. Typischerweise ist der Antriebsring dem Kolbenring gegenüberliegend
angeordnet, so daß eine
magnetische Kupplung zwischen dem Kolbenring und dem Antriebsring
hergestellt ist. Auf diese Weise kann das Drehmoment vom Kolben
auf die Motorwelle übertragen
werden. Dabei kann der Radius des Antriebsrings kleiner ist als
der Innenradius der Kolbenkammer sein. Gemäß einer anderen Bauform kann
der Radius des Antriebsrings größer als
der Außenradius der
Kolbenkammer sein. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
kann der Antriebsring mit der Motorwelle einstückig ausgebildet sein, so daß die an
der Motorausgangswelle bereitstehende Drehzahl bzw. das bereitstehende
Motordrehmoment unmittelbar durch den Rotationskolben vorgegeben
ist. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
kann der Antriebsring aber auch das Hohlrad eines Planetengetriebes bilden,
wobei dann die Motorwelle mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes
verbunden ist. Auf diese Weise können
gewünschte Über- oder
Untersetzungen eingestellt werden. Beispielsweise kann mittels des
Getriebes an der Motorausgangswelle eine Drehzahl im Bereich von
1.500 U/min bereitgestellt werden, die zum Antrieb herkömmlicher
elektrischer Generatoren geeignet ist.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
der Rotationskolbenmotor des Weiteren eine ortsfeste Dichtung, die
zwischen dem Kolbenring und dem Antriebsring angeordnet ist. Dabei
ist die ortsfeste Dichtung so ausgebildet, dass sie die Kolbenkammer
gegenüber
dem Antriebsring gasdicht abschließt. Gemäß einer Ausführungsform
ist die dabei die ortsfeste Dichtung im Wesentlichen ringförmig. In einer
Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels kann
dabei die ortsfeste Dichtung eine Wölbung in radialer Richtung
aufweisen. Typischerweise ist dabei die ortsfeste Dichtung zum Mittelpunkt
des Kreisrings hin gewölbt.
Die ortsfeste Dichtung erlaubt den gasdichten Abschluss der Kolbenkammer
gegenüber
der Umgebung, ohne dass ein bewegliches Dichtungselement vorgesehen
werden muss. Aufgrund der Wölbung
ist die ortsfeste Dichtung angepasst, die im Inneren der Kolbenkammer
auftretenden Drücke
ohne wesentliche mechanische Verformungen aufzunehmen. Da diese
Dichtung ortsfest ist, ist kein Verschleiß der Dichtung bei Rotation
des Kolbens zu erwarten. Aufgrund dieser Verschleißfreiheit
ist ebenfalls nicht zu erwarten, dass sich die Dichtigkeit über die
Lebensdauer des Motors verschlechtert.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist
die ortsfeste Dichtung aus einem schwach magnetisierbaren oder nicht
magnetisierbaren Material gefertigt. Insbesondere kann die ortsfeste
Dichtung dabei aus Aluminium, einem Stahl, insbesondere einem nicht
rostenden Stahl, oder einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielsweise
einem Kohlefaserverbundwerkstoff, gefertigt sein. Aufgrund der geringen
Magnetisierbarkeit der ortsfesten Dichtung wird die Kupplung zwischen
dem ersten und dem zweiten Magneten nur unwesentlich beeinträchtigt.
Die ortsfeste Dichtung kann beispielsweise als Bauteil mit einer
Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm ausgebildet sein. Insbesondere
kann die ortsfeste Dichtung im Wesentlichen gasdicht in einer Gehäusewand
des Motors eingespannt sein. Eine solchermaßen eingespannte und gewölbte ortsfeste
Dichtung ist somit auf Zug beansprucht und kann gemäß einem
Ausführungsbeispiel
eine Zugfestigkeit im Bereich von 1,5 bis 2 kN/mm2 aufweisen.
Beispielsweise kann die ortsfeste Dichtung aus Lehrenband ausgebildet
sein.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung kann weiterhin in zumindest einem Bereich
der Oberfläche
des Kolbens eine Labyrinthdichtung ausgebildet sein. Auf diese Weise kann
verhindert werden, dass das unter Druck stehende Arbeitsmedium in
Rotationsrichtung in nennenswerter Menge zwischen Kolben und Kammerwand
hindurchströmt.
Gleichzeitig wird auf diese Weise eine Abdichtung bereitgestellt,
die praktisch verschleißfrei
ist. Zusätzlich
oder alternativ kann auch die Innenwand der Kolbenkammer zumindest teilweise
eine Labyrinthdichtung aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
können
ein oder mehrere Dichtringe am Kolben breitgestellt sein, wobei
die Dichtringe den Kolben gegenüber
der Kammerinnenwand in der Art eines Kolbenrings im Ottomotor abdichten.
Diese Dichtringe sind typischerweise sehr klein und können beispielsweise
aus einem Hartmetall gefertigt sein. Auf diese Weise wird nur wenig
Reibung erzeugt und die Dichtringe sind praktisch verschleißfrei. Gemäß einer
Weiterbildung sind die Dichtringe federnd in dem Kolben gelagert.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst der Rotationskolbenmotor eine zwischen
der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung
angeordnete bewegliche Dichtung, die eingerichtet ist, die Kolbenkammer
zwischen der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung
im Wesentlichen druckdicht zu verschließen, und die weiterhin so bewegbar
ist, dass der Kolben an der beweglichen Dichtung vorbeibewegt werden
kann. Auf diese Weise kann ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium über die
Einlassöffnung
in einen in der Kolbenkammer ausgebildeten Zwischenraum zwischen
dem Rotationskolben und der beweglichen Dichtung eingebracht werden.
Das Arbeitsmedium beaufschlagt dann die bewegliche Dichtung sowie eine
Druckseite des Rotationskolbens mit seinem Druck. Da der Rotationskolben
drehbar gelagert ist, wird er durch das Arbeitsmedium in Rotation
versetzt, wobei sich das Arbeitsmedium entspannt. Die bewegliche
Dichtung ist hingegen so eingerichtet, dass sie die Kolbenkammer
zwischen der Einlassöffnung und
der Auslassöffnung
im Wesentlichen druckdicht verschließt. Daher kann sich das Arbeitsmedium
im Wesentlichen nur in Rotationsrichtung des Kolbens entspannen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die bewegliche Dichtung im Wesentlichen in radialer Richtung
bewegbar. Insbesondere kann dabei die bewegliche Dichtung in eine
Dichtungsaufnahme, die in einer inneren oder in einer äußeren Wand
der Kolbenkammer ausgebildet ist, bewegbar sein. Gemäß einer
Ausführungsform
können
dabei der Rotationskolben und/oder die bewegliche Dichtung so ausgebildet
sein, dass der Kolben die Dichtung beim Überfahren in die Dichtungsaufnahme
bewegt. Beispielsweise kann die in Bewegungsrichtung des Kolbens liegende
Seite des Kolbens in der Querschnittsansicht zumindest teilweise
schräg
verlaufen, wobei eine der Bewegungsrichtung des Kolbens zugewandte
Seite der beweglichen Dichtung in Querschnittsansicht ebenfalls
zumindest teilweise schräg verläuft, sodass
der Kolben die Dichtung beim Überfahren
in die Dichtungsaufnahme drückt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist an der Vorderseite des Kolbens ein Arm angeordnet, an dessen
in Bewegungsrichtung gesehen vorderem Ende eine Rolle federnd gelagert
ist. Dieser Arm kann so mit einer versenkbaren Dichtung zusammenwirken,
dass die Dichtung durch den Arm bei Überfahren des Kolbens in die
Dichtungsaufnahme gedrückt
wird. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
kann die Dichtung als eine mit einer Feder vorgespannte Dichtungsklappe ausgebildet
sein. Dabei ist die Dichtung so ausgebildet, dass sie gegen den
Druck des eingelassenen Arbeitsmediums sperrt, jedoch in Rotationsrichtung
des Kolbens gegen eine Federkraft in die Dichtungsaufnahme versenkbar
ist. Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
kann die bewegliche Dichtung separat antreibbar sein, um die Dichtung
in die Dichtungsaufnahme zu bewegen. Beispielsweise kann die Dichtung über einen
elektromagnetischen Antrieb ähnlich
einem Relais in die Dichtungsaufnahme hineingezogen werden. Beispielsweise
kann bei einer solchen Ausführungsform
zusätzlich
ein Sensor bereitgestellt sein, der die aktuelle Winkelposition
des Rotationskolbens an den separaten Antrieb der Dichtung weitergibt,
sodass die Dichtung in Abhängigkeit der
Stellung des Rotationskolbens in die Dichtungsaufnahme hineinbewegt
werden kann. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform
kann die bewegliche Dichtung mittels einer mechanischen Steuerung
in die Dichtungsaufnahme bzw. wieder aus der Dichtungsaufnahme heraus
bewegt werden.
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Gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann weiterhin ein Einlassventil vorgesehen
sein, über
das das Arbeitsmedium, beispielsweise ein Fluid, insbesondere ein
Gas, in die Kolbenkammer eingelassen werden kann, um die Druckseite
des Kolbens mit Druck zu beaufschlagen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann ein Auslassventil vorgesehen sein, über das das Arbeitsmedium wieder
aus der Kolbenkammer abgelassen werden kann. Insbesondere können solche Ventile über eine
Ventilsteuerung ansteuerbar sein, wobei die Ventilsteuerung eingerichtet
ist, spezielle im Folgenden beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betreiben eines Rotationskolbenmotors bereitgestellt. Das Verfahren
umfasst insbesondere die folgenden Schritte: ein Arbeitsmedium wird
in die Kolbenkammer eingelassen, um eine Druckseite des Kolbens
mit Druck zu beaufschlagen, sodass der Kolben auf einer Kreisbahn
rotiert; der Kolben wird über
eine magnetische Kupplung an einen Antriebsring gekoppelt, sodass der
Antriebsring von dem Kolben mitgenommen wird; und eine Motorwelle
wird mittels des Antriebsrings angetrieben. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
kann das Arbeitsmedium für
eine solche Zeitdauer eingelassen werden, die kleiner ist als die
Zeitdauer für
eine vollständige
Rotation des Kolbens. Mit anderen Worten ist die Öffnungszeit
eines Einlassventils kleiner als die Dauer einer vollständigen Umdrehung
des Kolbens. Insbesondere kann die Zeitdauer, in der das Arbeitsmedium
in die Kolbenkammer eingelassen wird, so bemessen sein, dass der Kolben
während
dieser Zeit höchstens
eine halbe Umdrehung oder gar höchstens
eine viertel Umdrehung ausführt.
Wird das Arbeitsmedium nur für
verhältnismäßig kurze
Zeit in die Kolbenkammer eingelassen, so kann sich die verhältnismäßig geringe Menge
an Arbeitsmedium während
einer Rotation des Kolbens stark entspannen. Auf diese Weise kann ein
deutlicher Anteil des Drucks in mechanische Rotationsarbeit umgesetzt
werden. Bei einem solchen Betrieb ist der Wirkungsgrad des Motors
verhältnismäßig hoch,
da dem Arbeitsmedium viel mechanische Arbeit entzogen wird. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
wird bei dem Verfahren im wesentlichen ständig Arbeitsmedium in die Kolbenkammer nachgeführt. Auf
diese Weise entspannt das Arbeitsmedium in der Kolbenkammer kaum,
sodass der Kolben andauernd mit dem Ausgangsdruck des Arbeitsmediums
beaufschlagt wird. Das Arbeitsmedium, das dann aus der Kolbenkammer
ausgelassen wird, weist noch im Wesentlichen denselben Druck auf, wie
bei Einlassen in die Kolbenkammer. Auf diese Weise kann der Motor
mit hoher Leistung betrieben werden, da ständig der maximale Druck auf
den Kolben ausgeübt
wird. Zusätzlich
oder alternativ zu der oben beschriebenen Zeitsteuerung kann auch
eine Mengensteuerung vorgesehen sein, mittels der die Menge des
eingelassenen Arbeitsmediums gesteuert wird. Über eine Steuerung der Einlasszeiten
des Arbeitsmediums bzw. der Einlassmenge des Arbeitsmediums kann
somit stufenlos zwischen einer wirkungsgradoptimierten Betriebsweise
und einer leistungsoptimierten Betriebsweise variiert werden. Insbesondere
kann der Motorbetrieb stufenlos an jeweilige aktuelle Erfordernisse
angepasst werden. Beispielsweise kann über diese Steuerung die Motordrehzahl
konstant gehalten und überschüssige Leistung
abgegeben werden.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 eine
andere Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3A bis 3D die
Funktionsweise eines Rotationskolbenmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Rotationskolbenmotors.
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5 noch
eine Ausführungsform
eines Rotationskolbenmotors.
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6 eine
Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors mit einer weiteren
Ausführungsform
einer beweglichen Dichtung.
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7 eine
andere Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors mit einer
weiteren Ausführungsform
einer ortsfesten Dichtung.
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8 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei hintereinandergeschalteten
Motoren.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Der Rotationskolbenmotor 100 weist
dabei eine Kolbenkammer 110 auf, die eine Einlassöffnung 112 und
eine Auslassöffnung 114 aufweist.
Die Kolbenkammer 110 ist in der gezeigten Querschnittsansicht
kreisringförmig.
In der Kolbenkammer ist weiterhin ein Kolben 120 angeordnet,
der um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert ist. Der
Kolben 120 weist eine Druckseite 122 auf, die
mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium, das über die
Einlassöffnung 112 in
die Kolbenkammer 110 eingelassen werden kann, beaufschlagt
werden kann. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Vorderseite 124 des Kolbens
gekrümmt
ausgebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch
andere geeignete geometrische Formen des Kolbens, etwa eine Rechteckform,
gewählt
werden können. Als
Arbeitsmedium kommen insbesondere Gase in Betracht, wobei hier Helium
oder Stickstoff als beispielhafte gasförmige Arbeitsmedien zu nennen
wären.
Jedoch können
als Arbeitsmedium gleichermaßen
auch Dämpfe,
insbesondere Wasserdampf, oder ORC-Medien verwendet werden. Dabei
können sowohl
hochtemperaturstabile ORC-Medien als auch Niedertemperatur-ORC-Medien
verwendet werden.
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Der
Kolben 120 ist mit einem drehbar gelagerten Kolbenring 135 verbunden.
An dem Kolbenring 135 sind erste Magnete 130 angeordnet,
wobei sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden
Magneten abwechseln. Dies ist in 1 durch
die entsprechenden Pfeile angedeutet. Aus 1 geht hervor,
dass die ersten Magnete 130 den vollständigen Umfang des Kolbenrings 135 überdecken.
Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Platz optimal
ausgenutzt. Die ersten Magnete 130 können dabei an dem Kolbenring 135 befestigt
oder in diesen integriert sein. Weiterhin können die ersten Magnete 130 als
Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sein. Im letzteren
Fall verfügt
der Rotationskolbenmotor 100 über eine Stromzuführung zu
den Elektromagneten 130. Diese kann beispielsweise über Schleifringe
und Bürsten
geschehen. Der Kolbenring 135 ist am inneren Umfang der
Kolbenkammer 110 angeordnet. Ihm gegenüberliegend sind zweite Magnete 140 angeordnet.
Die zweiten Magnete 140 sind an einem Antriebsring 145 angeordnet,
wobei sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden zweiten
Magneten abwechseln. Die zweiten Magnete 140 überdecken
den vollständigen
Umfang des Antriebsrings 145. Gemeinsam bilden die ersten
Magneten 130 und die zweiten Magnete 140 eine
Magnetkupplung. Werden nun die ersten Magnete 130 bezüglich der
zweiten Magnete 140 rotiert, so nehmen die ersten Magnete
die zweiten Magnete aufgrund der zwischen ihnen wirkenden Magnetkräfte mit.
Auf diese Weise läßt sich
die Drehung des Kolbens 120 auf den Antriebsring 145 übertragen.
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Der
Antriebsring 145 bildet in dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
das Hohlrad eines Planetengetriebes, welches weiterhin die Planetenräder 146 sowie
das Sonnenrad 148 umfaßt.
Mit dem Sonnenrad 148 ist eine Motorwelle 170 verbunden. Mithin
treibt der Rotationskolben 120 die Motorwelle 170 über die
Magnetkupplung 135, 145 und das Planetengetriebe 145, 146, 148 an.
Mit Hilfe des Planetengetriebes können gewünschte Über- oder Untersetzungen zwischen Kolben 120 und
Motorwelle 170 eingestellt werden. Beispielsweise kann
mittels des Getriebes an der Motorausgangswelle eine Drehzahl im
Bereich von 1.500 U/min bereitgestellt werden, die zum Antrieb herkömmlicher
elektrischer Generatoren geeignet ist.
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Zwischen
dem Kolbening 135 und dem Antriebsring 145 ist
eine ortsfeste Dichtung 160 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung 160 dichtet
die Kolbenkammer 110 gegenüber dem Antriebsring 145 gasdicht
ab. Weiterhin ist zwischen der Einlassöffnung 112 und der
Auslassöffnung 114 eine
bewegliche Dichtung 150 vorgesehen. Wie durch den Doppelpfeil
in 1 angedeutet kann die bewegliche Dichtung 150 in
radialer Richtung bewegt werden. Dabei kann die bewegliche Dichtung 150 aus
der Kolbenkammer in eine radial außen liegende Aufnahme hineinbewegt
werden und aus dieser wieder in die Kolbenkammer zurück. Die
bewegliche Dichtung 150 ist so eingerichtet, dass sie die
Kolbenkammer 110 zwischen der Einlassöffnung 112 und der
Auslassöffnung 114 im
Wesentlichen druckdicht verschließt. Auf diese Weise wird zwischen
der Druckseite 122 des Kolbens 120 und der beweglichen
Dichtung 150 ein Zwischenraum geschaffen, in den über die
Einlassöffnung 112 ein
Arbeitsmedium eingebracht werden kann. Weiterhin sind in 1 ein
Einlassventil 170 und ein Auslassventil 180 gezeigt. Über das
Einlassventil 170 kann das Einbringen von Arbeitsmedium
in die Kolbenkammer 110 gesteuert werden. Gleichzeitig
kann über
das Auslassventil 180 das Auslassen von Arbeitsmedium aus
der Kolbenkammer 110 gesteuert werden.
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Ein
Teilbereich der Oberfläche
des Kolbens 120 kann mit einer Labyrinthdichtung 126 versehen sein.
Dieser Teilbereich umfasst insbesondere den Bereich der Kolbenoberfläche, der
zur Innenwand 116 der Kolbenkammer benachbart ist. Aufgrund
der Labyrinthdichtung 126 kann die Menge an Arbeitsmedium,
die von der Druckseite 122 des Kolbens 120 auf
die Vorderseite 124 des Kolbens strömt, deutlich verringert werden.
Weiterhin ist die Labyrinthdichtung 126 im Wesentlichen
verschleißfrei,
sodass der Rotationskolbenmotor 100 äußerst wartungsarm ist.
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2 zeigt
eine weitere Querschnittsansicht des Rotationskolbenmotors 100 entlang
einer Ebene senkrecht zur Rotationsrichtung des Kolbens 120.
In der darin gezeigten Ausführungsform
weist die Kolbenkammer 110 einen bogenförmigen bzw. einen im Wesentlichen
halbkreisförmigen
Querschnitt auf. Wie bereits erwähnt
sind auch andere Querschnittsgeometrien der Kolbenkammer wie etwa
ein Rechteck denkbar. Die Seitenwand der Kolbenkammer weist dabei
Auskragungen 118 auf, die dazu dienen, ein Lager 137 für den Kolbening 135 zu
tragen. In dieser Querschnittsansicht weist der Kolbenring 135 eine
im Wesentlichen T-förmige
Struktur auf, wobei der Kolbenring 135 seitlich auf den
Lager 137 drehend gelagert ist. Ein erster Magnet 130 ist
am zum Mittelpunkt hinweisenden Ende des Kolbenrings 135 angeordnet.
Dem ersten Magneten 130 gegenüber ist ein zweiter Magnet 140 angeordnet,
der auf einem Antriebsring 145 drehend gelagert ist. Der
erste Magnet 130 und der zweite Magnet 140 sind
mit entgegengesetzter Polarität
zueinander ausgerichtet, so daß zwischen
ihnen eine magnetische Anziehungskraft besteht. Auf diese Weise
wird der Antriebsring 145 magnetisch an den Kolbenring 135 gekuppelt.
Zwischen dem Kolbenring 135 und dem Antriebsring 145 ist
die ortsfeste Dichtung 160 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung 160 ist
so ausgebildet, dass sie die Kolbenkammer 110 gegenüber dem
Antriebsring 145 gasdicht abschließt. Die ortsfeste Dichtung 160 ist
an ihren seitlichen Rändern 162 eingespannt.
Dazu weist der Planetenträger 142 Klemmbereiche
auf, die sich in radialer Richtung erstrecken. Die seitlichen Enden 162 der
Dichtung 160 sind zwischen den Klemmbereichen des Planetenträgers 142 und
den Auskragungen 118 der Kammerwand eingespannt. Insbesondere
können
dabei die Seiten 162 der ortsfesten Dichtung 160 mit
den Auskragungen 118 und/oder den Klemmbereichen verklebt
oder verschweißt
sein. Selbstverständlich
sind auch andere Verbindungsarten zwischen der ortsfesten Dichtung 160 und
dem Motorgehäuse
denkbar, solange die Gasdichtigkeit gewährleistet werden kann.
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Wie
in 2 gezeigt, weist die ortsfeste Dichtung 160 eine
Wölbung
in Richtung zum Mittelpunkt des Kreisrings hin auf. Auf diese Weise
ist die ortsfeste Dichtung 160 auf Zug beansprucht und
wird sich auch dann, wenn die Kolbenkammer 110 mit unter
hohem Druck stehenden Arbeitsmedium befüllt ist, nur unwesentlich mechanisch
verformen. Dies ist vorteilhaft, da ansonsten der Kolbenring 135 und
insbesondere der erste Magnet 130 an der ortsfesten Dichtung 160 schleifen
könnte.
Typischerweise ist die ortsfeste Dichtung 160 aus einem
schwach magnetisierbaren oder einem nicht magnetisierbaren Material
gefertigt. Auf diese Weise wird die magnetische Kupplung zwischen
Kolbenring 135 und Antriebsring 145 möglichst
wenig beeinträchtigt.
Beispielsweise kann die ortsfeste Dichtung aus einem Stahl, insbesondere
Aluminium, einem nicht rostendem Stahl, oder einem faserverstärkten Verbundwerkstoff,
beispielsweise einem Kohlefaserverbundwerkstoff, gefertigt sein.
In einem Ausführungsbeispiel
ist die ortsfeste Dichtung 160 aus Lehrenband aus nicht
rostendem Stahl mit einer Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm ausgebildet.
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Im
Folgenden wird anhand der 3A bis 3D die
Wirkungsweise des Rotationskolbenmotors 100 erläutert. Dabei
zeigt 3A wie über die Einlassöffnung 112 ein
unter Druck stehendes Arbeitsmedium in den zwischen der Druckseite 122 des Kolbens 120 und
der beweglichen Dichtung 150 gebildeten Zwischenraum eingelassen
wird. Das unter Druck stehende Arbeitsmedium beaufschlagt die Druckseite 122 des
Kolbens mit einem Druck, sodass der drehbar gelagerte Kolben 120 in
Rotation versetzt wird. Dies ist in 3A durch
den gekrümmten Pfeil
angedeutet. Dabei nimmt der Kolben 120 den Kolbenring 135 und
die an ihm angeordneten ersten Magnete 130 mit. Aufgrund
der magnetischen Kupplung wird der Antriebsring 145 mitgenommen
und treibt so die Planetenräder 146 an,
die wiederum das Sonnenrad 148 antreiben. Das Sonnenrad 148 überträgt nun Drehmoment
auf die mit ihm verbundene Motorwelle 170, so daß das Drehmoment
am Ausgang des Motors abgegriffen werden kann.
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Wie
in 3B ersichtlich, bewegt sich nun der Kolben auf
seiner Kreisbahn weiter. Gemäß dem in 3B gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird das Einlassen des Arbeitsmediums in die Kolbenkammer 110 an
der angezeigten Winkelposition des Kolbens 120 gestoppt,
sodass kein weiteres Arbeitsmedium mehr in die Kolbenkammer 110 eintritt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die gezeigte Winkelposition des Kolbens 120 lediglich
beispielhaft zu verstehen ist und selbstverständlich auch andere Winkelpositionen
gewählt
werden können.
Die nun in dem Bereich der Kolbenkammer, der sich zwischen der beweglichen
Dichtung 150 und der Druckseite des Kolbens 120 befindet,
vorhandene Menge an Arbeitsmedium entspannt sich und drückt den
Kolben 120 weiter in Rotationsrichtung.
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Dies
ist in 3C gezeigt. Weiterhin ist in 3C angedeutet,
dass aufgrund der Entspannung des Arbeitsmediums nunmehr der Kolben 120 mit
einem geringeren Druck beaufschlagt ist. Entsprechend ist die Länge des
gekrümmten
Pfeils kürzer dargestellt
als beispielsweise in den 3A und 3B.
Weiterhin ist durch die Pfeile angedeutet, dass gegebenenfalls noch
aus einem vorherigen Takt in der Kolbenkammer befindliches Arbeitsmedium durch
den Kolben 120 verdrängt
und über
die Auslassöffnung 114 aus
der Kolbenkammer gedrückt
werden kann.
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3D zeigt
wie der Kolben 120 die bewegliche Dichtung 150 beim Überfahren
in die Dichtungsaufnahme 156 hineindrückt. Dabei ist die in Bewegungsrichtung
des Kolbens liegende Seite 124 des Kolbens 120 teilweise
schräg
oder wie hier abgerundet ausgebildet. Die der Bewegungsrichtung
des Kolbens zugewandte Seite 152 der beweglichen Dichtung 150 ist
ebenfalls zumindest teilweise schräg oder abgerundet ausgebildet,
sodass der Kolben 120 die Dichtung 150 beim Überfahren
in die Dichtungsaufnahme 156 drücken kann. Weiterhin ist in 3D gezeigt,
dass die Dichtungsseite 154 der beweglichen Dichtung 160 ein
an den Außendurchmesser des
Rings 135 angepasstes Profil aufweist, um eine gute Dichtung
mit dem Ring 135 zu bewirken. Auch die Dichtungsfläche 154 kann
mit einer Labyrinthdichtung versehen sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
können
anstatt der Labyrinthdichtung auch ein oder mehrere Dichtringe breitgestellt
sein, wobei die Dichtringe die bewegliche Dichtung 150 gegenüber dem
Ring 135 in der Art eines Kolbenrings im Ottomotor abdichten.
Diese Dichtringe sind typischerweise sehr klein und können beispielsweise aus
einem Hartmetall gefertigt sein. Auf diese Weise wird nur wenig
Reibung erzeugt und die Dichtringe sind praktisch verschleißfrei. Gemäß einer
Weiterbildung sind die Dichtringe federnd in dem Kolben gelagert.
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Alternativ
zu dem dargestellten Überfahren der
Dichtung mit dem Kolben 120 kann die Dichtung 150 auch
separat antreibbar sein, um in die Dichtungsaufnahme 156 bewegt
zu werden. Beispielsweise kann dies über einen Elektromagneten realisiert
werden, der die Dichtung 150 gegen eine Federkraft in die
Dichtungsaufnahme zieht.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Aufbau des Rotationskolbenmotors 400 der
Kolbenring 435 am äußeren Umfang
der Kolbenkammer 410 angeordnet. Weiterhin ist der Antriebsring 445 dem
Kolbenring 435 gegenüberliegend
am äußeren Umfang
der Kolbenkammer 410 angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform
ist der Antriebsring 445 einstückig mit der Motorwelle 470 ausgebildet,
so daß eine
unmittelbare Übertragung
des Drehmoments vom Kolben 120 auf die Motorwelle 470 erfolgt.
Alternativ könnte der
Antriebsring 445 eine Außenzahnung aufweisen, die mit
einer Innenzahnung der Motorwelle in Eingriff steht und so eine
Zahnwellenverbindung herstellt. Eine ortsfeste Dichtung 460 schließt wiederum
die Kolbenkammer 410 mit dem darin befindlichen Kolbenring 435 gasdicht
gegenüber
dem nun außen
liegenden Antriebsring 445 ab. Der prinzipielle Aufbau des
Kolbenrings 435, des Antriebsrings 445 sowie der
ortsfesten Dichtung 460 entsprechen den oben beschriebenen
Ausführungsbeispielen,
wobei die nötigen
Anpassungen auf die Ausführungsform
von 4 dem allgemeinen Können des Fachmanns entsprechen.
Weiterhin sind die Einlassöffnung 412 sowie
die Auslassöffnung 414 im
Inneren des Motors 400 gelegen, sodass bei dieser Ausführungsform
die Zu- und Ableitungen für
das Arbeitsmedium zentral zu führen
sind. Ebenfalls innen gelegen ist aufgrund des Aufbaus die bewegliche
Dichtung 450, die jedoch ansonsten der vorher beschriebenen
beweglichen Dichtung 150 entspricht, wobei die Dichtungsfläche dem
Innendurchmesser des Kolbenrings 435 angepaßt ist.
Mit anderen Worten ist das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen hinsichtlich der Anordnung von Kolbenring und Antriebsring
invertiert, das heißt,
die vorher außen
liegenden Elemente wurden ins Innere des Motors verlegt, wohingegen der
vorher innen Antriebsring und die innen liegende Motorwelle nach
außen
gelegt wurden. Vom prinzipiellen Wirkprinzip und der Funktionsweise
her unterscheidet sich der Motor 400 jedoch nicht vom Motor 100 der
vorher besprochenen Ausführungsbeispiele.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Darin weist der Motor 500 wiederum
den Aufbau mit innen liegendem Kolbenring 535 und innen
liegendem Antriebsring 545 so wie im Ausführungsbeispiel
der 1 auf. Jedoch sind bei diesem Ausführungsbeispiel
die in 1 gezeigten Permanentmagnete durch Spulen 530, 540 ersetzt.
Diese Spulen 530, 540 werden als Magnetspulen
verwendet und so bestromt, dass jeweils sich radial gegenüberliegende
Spulen einander entgegengesetzte Polarität aufweisen und sich somit anziehen.
Zur Versorgung der rotierenden Spulen 530, 540 mit
Strom können
Schleifringe und Bürsten vorgesehen
sein. Ein Vorteil bei dieser Ausführungsart ist darin zu sehen,
dass durch geeignete Steuerung der Erregerströme in den Magnetspulen, die Stärke der
Magnetkupplung gesteuert werden kann. Übersteigt beispielsweise die
an der Motorwelle 570 anliegende Last eine vorbestimmte
Schwelle, so tritt ein regelbarer Schlupf zwischen dem Kolbenring 535 und
dem Antriebsring 545 auf bzw. der Antriebsring 545 wird überhaupt
nicht mehr mitgenommen. Ebenso kann der Motor 500 durch
die Steuerung bzw. Regelung der Erregerströme alleine oder in Kombination
mit der Steuerung bzw. Regelung des Arbeitsmediums stufenlos zwischen
wirkungsgradoptimiertem Betrieb und leistungsoptimiertem Betrieb
eingestellt werden. Ebenfalls können
so konstante Leistungen und/oder konstante Drehzahlen eingeregelt
werden.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotationskolbenmotors 600,
wobei in dieser Ausführungsform
die bewegliche Dichtung 650 als Klappe ausgebildet ist.
Die bewegliche Dichtung 650 ist schwenkbar um eine Achse 652 gelagert
und mittels einer Feder 654 vorgespannt. Die Feder 654 drückt die
bewegliche Dichtung 650 gegen den Kolbenring 635.
Da die Dichtung länger
ist als der radiale Durchmesser der Kolbenkammer 610, ist
die bewegliche Dichtung 650 gegenüber dem von dem Arbeitsmedium
ausgeübten Druck
sperrend. Der rotierende Kolben 620 drückt die Dichtungsklappe 650 jedoch
gegen die Federkraft 654 in die Aufnahme. Dabei ist die
Dichtung 650 beispielsweise so geformt, dass sie sich in
das Profil der äußeren Wand
der Kolbenkammer 610 einfügt.
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7 zeigt
eine andere Schnittansicht mit einer weiteren Ausführungsform
der feststehenden Dichtung 760. Dabei ist der Kolbenring 735 im
Wesentlichen U-förmig
ausgebildet, wobei die Öffnung des
Us zum Antriebsring 745 hinzeigt. An der Innenseite eines
jeweiligen Schenkels des Us ist jeweils ein Magnet 730 angeordnet.
Der Antriebsring 745 ist im Wesentlichen T-förmig ausgebildet,
wobei der zweite Magnet 740 nach oben durch die Öffnung des U
zwischen die beiden Magnete 730 hineinragt. Die ortsfeste
Dichtung 760 ist ebenfalls U-förmig ausgebildet und zwischen
den Schenkeln des Kolbenrings 735 und dem Magnetring 745 angeordnet.
Ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind die
seitlichen Ränder 762 der
ortsfesten Dichtung 760 mit dem Motorgehäuse derart
verbunden, dass die ortsfeste Dichtung 760 die Kolbenkammer 710 gegenüber dem
Antriebsring 745 gasdicht abschließt.
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8 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der zwei Motoren 800, 900 der vorbeschriebenen
Art hintereinander geschaltet sind. Dabei ist der Auslass 814 des
ersten Motors 800 mit dem Einlass 914 des zweiten
Motors 900 verbunden. Auf diese Weise kann das aus dem
ersten Motor 800 ausströmende
Arbeitsmedium noch in dem zweiten Motor 900 verwendet werden,
um eine gemeinsame Motorwelle anzutreiben. Beispielsweise ist es
möglich,
den ersten Motor 800 leistungsoptimiert zu betreiben, sodass
das aus dem ersten Motor 800 austretende Arbeitsmedium
im Wesentlichen einen ähnlichen
Druck aufweist wie bei Einströmen
in diesen ersten Motor 800. Der zweite Motor 900 kann
nun wirkungsgradoptimiert betrieben werden, sodass das unter Druck
stehende Arbeitsmedium im zweiten Motor 900 möglichst
vollständig
entspannt wird. Dazu können
beispielsweise die Querschnitte bzw. Volumina der beiden Motoren
in geeigneter Weise aufeinander angepasst sein. So kann der mit
hoher Leistung und hohem Druck betriebene Motor 800 einen
kleinen Querschnitt der Kolbenkammer aufweisen, wohingegen der Querschnitt
der Kolbenkammer des zweiten Motors 900 entsprechend größer ist,
um die Menge an Arbeitsmedium aus dem ersten Motor 800 aufzunehmen
und zu entspannen. Selbstverständlich können auch
mehr als zwei Motoren in geeigneter Weise hintereinander geschaltet
werden, wobei die jeweiligen Querschnitte/Volumina bzw. Motordurchmesser
aufeinander abzustimmen sind. Insbesondere können solche mehrstufigen Motoren
in einem einzigen Gehäuse
angeordnet werden, sodass eine kompakte mehrstufige Bauform bereitgestellt
wird. Zusätzlich
zur Abstimmung der jeweiligen Querschnitte, Radien und Volumina
aufeinander können selbstverständlich auch
die Steuerungen der Einlass- und Auslassventile sowie gegebenenfalls
die Steuerungen der Erregerströme
für Magnetspulen
aufeinander abgestimmt werden. Eine solche mehrstufige Bauform kann
in weiten Druckbereichen betrieben werden und die verschiedenen
Betriebsparameter können
fast beliebig eingestellt werden. Weitere Freiheitsgrade des Systems
können
beispielsweise durch das Vorsehen einer Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums
zwischen zwei Motorstufen oder ähnliche
vergleichbare Maßnahmen
eingestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese
Ausführungsbeispiele
sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende
Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der
verschiedenen Ausführungsbeispiele
in andere Ausführungsformen übernommen
werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele
miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht
technisch bedingt gegenseitig ausschließen.