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Technisches Umfeld
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Die Erfindung betrifft einen Fluid-Rotationsmotor mit mindestens einem innerhalb eines feststehenden Gehäuses exzentrisch zur Gehäusemittelachse um eine zur Gehäudemittelachse parallelen Rotordrehachse drehbar gelagerten Rotor, an welchem sternförmig eine Mehrzahl von mit einem fluidischen Medium gefüllten Zylinder angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Fluid-Rotationsmotoren mit den eingangs geschilderten technischen Merkmalen bieten gegenüber im Motorenbau häufig eingesetzten Hubkolbenmaschinen den Vorteil, dass ohne Umwege über einen Kurbeltrieb bei Fluid-Rotationsmotoren eine direkte Drehbewegung erzeugt werden kann.
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Ein wesentlicher Nachteil der Kurbeltriebe besteht darin, dass durch die Umsetzung einer translatorischen in eine rotatorische Bewegung der Gesamtwirkungsgrad des Motorensystems nicht unwesentlich herabgesetzt wird. Der relativ niedrige Wirkungsgrad wird dabei zusätzlich auch dadurch hervorgerufen, dass die in Kurbeltrieben eingesetzten Lagerungen oftmals als Gleitlager ausgelegt sind, die gegenüber Wälzlagerungen signifikant höhere Reibungskräfte aufweisen, und deren Lebensdauer oftmals nicht an die vergleichbarer Wälzlager heranreicht.
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Ein von aussen mit Wärmeenergie beaufschlagter Motor ist der seit langem bekannte Stirling-Motor, bei dem beispielsweise durch eine äussere Verbrennung ein geschlossener Kreisprozess aus hintereinander wechselnden isothermen und isochorischen Abläufen mittels eines zusätzlichen Kurbeltriebes eine Drehbewegung erzeugt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Motorkonstruktionen, einen Fluid-Rotationsmotor insbesondere zur Elektroenergieerzeugung in Wärmekraftwerken, geothermischen Anlagen sowie im Kernkraftwerksbereich bereitzustellen, der im Aufbau einfach und somit kostengünstig, langlebig und unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Wärmequellen antreibbar ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die geschilderte Aufgabe wird durch die Merkmalskombination eines Fluid-Rotationsmotors gemäß der erfindungsgemäßen technischen Lehre des Anspruches 1 gelöst.
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Der neuartige Fluid-Rotationsmotor ist dabei mit mindestens einem innerhalb eines feststehenden Gehäuses exzentrisch zur Gehäusemittelachse um eine zur Gehäusemittelachse parallelen Rotordrehachse drehbar gelagerten Rotor versehen, an welchem sternförmig eine Mehrzahl von Zylindern angeordnet ist, die mit einem fluidischen, mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgestatteten Medium in den Kolbenräumen gefüllt sind, wobei sich innerhalb der Zylinder jeweils ein zur Rotormittelachse gerichteter verschiebbarer Kolben mit daran festgelegter, zur Außenseite des Rotors gerichteter translatorisch verschiebbarer Stange befindet, die sich an ihrem freien, aus dem jeweiligen Zylinder nach außen herausragenden Ende an einer Führungsbahn des den Rotor umgebenden Gehäuses dergestalt abstützt, dass die Stangenenden eine Drehbewegung auf der Führungsbahn des Gehäuses ausführen und wobei das fluidische Medium durch ausserhalb der Zylinder angeordnete, vom Medium durchströmte Vorrichtungen mit Wärmeenergie beaufschlagbar ist.
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Durch die exzentrische Bewegung des Rotors innerhalb des den Rotor umgebenden Gehäuses werden durch die Wärmeausdehnung des fluidischen Mediums innerhalb der Kolbenräume Druckkräfte erzeugt, die den Kolben mit der daran angeordneten Stange zur Außenseite des Rotors drängen. Durch die Abstützung der einzelnen Stangen an der Führungsbahn des Gehäuses entsteht infolge der Exzentrizität der Rotormittelachse eine Drehbewegung des Rotors.
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Besondere Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich in Zusammenschau mit der technischen Lehre des Anspruches 1 zusätzlich aus den auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.
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Zur Steigerung des Wirkungsgrades, d. h. um mit weniger Wärmeenergiezufuhr eine entsprechende Ausdehnung des fluidischen Mediums innerhalb der Kolbenräume herbeizuführen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, an jeder Zylinderaußenwandung mindestens einen Wärmetauscher mit Rippen zur Wärmeenergieübertragung auf das innerhalb des Wärmetauschers befindliche fluidische Medium anzuordnen, welcher über mindestens eine Kanalverbindung mit den Kolbenräumen verbunden ist. Die Form der Rippen kann dabei in ähnlicher Ausgestaltung erfolgen, wie diese bereits im herkömmlichen Motorenbau oder Heizungsbau zur Steigerung der Oberfläche bekannt ist.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung kann es darüber hinaus zweckmäßig sein, dass die eine Hälfte des Innenraumes des Gehäuses mit Wärmeenergie beaufschlagt wird, so dass eine Hälfte der im Inneren angeordneten Wärmetauscher aufgeheizt wird. Bewegen sich die aufgeheizten Zylinder infolge der dadurch erzeugten Drehbewegung aus dem unmittelbaren Heizbereich des Rotors heraus, so wird sich das innerhalb der Zylinder vorhandene Medium aufgrund fehlender Wärmezufuhr abkühlen, wodurch es sich zusammenzieht, so dass der Druck innerhalb der Kolbenräume nachlässt und der Kolben die Möglichkeit hat, den Kolbenraum zu verkleinern.
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Zusätzlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Führungsbahn des Gehäuses, an deren Außenseite sich die freien Enden der Stangen abstützen, als U-förmige Kreisprofilbahnen auszugestalten, in welcher die Stangenenden mittels jeweils einer Wälzlagervorrichtung bewegbar sind. Die Wälzlager können dabei übliche Kugellager sein, wobei wie oben bereits geschildert, die Anwendung von Wälzlagern eine besonders reibungsarme Ausbildung des erfindungsgemäßen Fluid-Rotationsmotors mit sich bringt.
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Um als Wärmeenergiequelle auch geothermische Energien sowie ggf. Temperaturgefälle in den Meeren nutzen zu können, ist als fluidisches Medium ein gasförmiger oder flüssiger Stoff mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Vorteil. Stehen ausreichende Heizquellen zur Verfügung, kann selbstverständlich auf ein derartiges spezielles fluidisches Medium verzichtet werden.
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Es ist darüber hinaus denkbar, mehrere Ebenen sternförmig um den Rotor angeordnete Baueinheiten parallel nebeneinander anzuordnen, was die Energieeffizienz einer mit einem entsprechenden Fluid-Rotationsmotor ausgestatteten Stromenergieerzeugungsanlage weiter verbessert.
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Figurenbeschreibung
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung anhand der beiden beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fluid-Rotationsmotors und
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2 eine schematische Schnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie B-B aus 1.
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Der erfindungsgemäße Fluid-Rotationsmotor besitzt als wesentliche Elemente entsprechend der Darstellung der 1 und 2 einen drehbar um eine Rotordrehachse 4 beweglichen Rotor 2, an dem sternförmig zur Außenseite des Rotors 2 vorstehend, eine Mehrzahl von Zylindern 5 angeordnet sind. Im vorliegenden Darstellungsbeispiel handelt es sich um eine Anzahl von insgesamt acht Zylindern.
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Die Zylinder besitzen einen Kolbeninnenraum 13, welcher mit einem fluidischen Medium mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefüllt ist. Der Kolbenraum 13 wird von drei Seiten durch die Zylinderwandungen begrenzt, an der vierten Seite ist der Kolbenraum 13 nach außen durch einen Kolben 6 abgeschlossen. An der dem Kolbenraum 13 abgewandten Seite des Kolbens 6 ist an diesem eine Stange 7 festgelegt. Die Stange 7 ist innerhalb des Zylinders 5 translatorisch verschieblich und in einem an der Außenseite des Zylinders 5 angeordneten Linearlager 11 geführt.
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Wie den beiden 1 und 2 zu entnehmen ist, besitzt jede Stange 7 an ihrem äußeren freien, dem Kolben abgewandten Ende, eine Wälzlagervorrichtung 9 in Form eines Kugellagers. Die Wälzlagervorrichtung 9 dient dazu, dass die durch das fluidische Medium im Kolbenraum 13 über den Kolben 6 mit Druck beaufschlagte Stange 7 in einer Führungsbahn 8 des Gehäuses 1 auf einer Kreisbahn verschieblich gleiten kann.
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Die Führungsbahn 8 besitzt aufgrund ihrer Kreisgestaltung eine Gehäusemittelachse 3, die parallel versetzt zur Rotordrehachse 4 verläuft. Durch diese Exzentrizität zwischen Gehäusemittelachse 3 und der Rotordrehachse 4 erfährt bei einer Druckbeaufschlagung einzelner Zylinder der mittels des Rotorlagers 10 gelagerte Rotor 2 eine entsprechende Drehbewegung, die zur Erzeugung beispielsweise von elektrischer Energie genutzt werden kann.
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Die Druckbeaufschlagung innerhalb der Kolbenräume 13 wird beispielsweise dadurch hervorgerufen, dass innerhalb des Gehäuses 1 ein Temperaturgefälle herrscht. Wie durch die Buchstaben W und K in der 1 verdeutlicht, wird eine Hälfte des Inneren des Gehäuses 1 mit Wärmeenergie beaufschlagt. Die in dieser warmen Zone W befindlichen und an ihrer Außenseite mit Rippen 12 versehenen Wärmetauscher, die mit dem fluidischen Medium gefüllt sind, werden durch die Zuführung der Wärmeenergie selbst aufgeheizt und übertragen die zugeführte Wärme auf das innerhalb der Rippen befindliche fluidische Medium. Die Wärmetauscher sind über Kanalverbindungen 14 jeweils mit dem Kolbenraum 13 verbunden. Das aufgeheizte Medium dehnt sich infolge seines großen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht unerheblich aus und produziert eine Druckbeaufschlagung der Wände der einzelnen Zylinder 5 und des Kolbens 6. Da die am Kolben 6 angeordnete Stange 7 sich auf der Führungsbahn 8 abstützt, entsteht durch die Druckbeaufschlagung des Kolbenraumes 13 eine Drehbewegung des Rotors 2.
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Durch die Drehbewegung werden aufgewärmte Wärmetauscher und die damit verbundenen Zylinder kontinuierlich aus der Aufheizzone bewegt und kühlen in dem mit K bezeichneten kalten Gehäuseraum ab. Diese Abkühlung führt zu einer Verkleinerung des Volumens des innerhalb des Kolbenraumes angeordneten fluidischen Mediums, so dass die Druckbeaufschlagung auf den Kolben sowie auf die damit verbundene Stange 7 nachlässt, so dass sich der Kolben in Richtung auf die Rotordrehachse 4 translatorisch bewegt.
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Nach Durchlaufen der kalten Gehäuseseite geraten die einzelnen Zylinder 5 nacheinander wieder in die mit W bezeichnete Aufheizzone, d. h. auf die warme Gehäuseseite, in der wiederum eine Ausdehnung des fluidischen Mediums erfolgt, so dass insgesamt durch die Wärmeenergiezufuhr eine kontinuierliche Drehbewegung des Fluid-Rotationsmotors hervorgerufen wird.
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Zur Steigerung der Reibungsfreiheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die in den Zeichnungen dargestellten Kolben selbstverständlich durch geeignete Querschotte ersetzt werden, bei denen Reibungsverluste noch geringer ausfallen.
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Darüber hinaus ist festzuhalten, dass die in den Zeichnungen dargestellte Gestaltung der Rippen 12 auch in einer anderen Form vorgenommen werden kann, ohne dass man sich selbstverständlich aus dem Erfindungsbereich des Fluid-Rotationsmotors entfernt.
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Festzustellen ist somit, dass durch die erfindungsgemäße Konstruktion ohne weitere ergänzende Vorrichtungen allein durch das Wärme/Kältegefälle im Inneren des Gehäuses 2 eine Drehbewegung des Rotors erzeugt werden kann, um hieraus mittels geeigneter und handelsüblicher Generatoren elektrische Energie zu erzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Rotor
- 3
- Gehäusemittelachse
- 4
- Rotordrehachse
- 5
- Zylinder
- 6
- Kolben
- 7
- Stange
- 8
- Führungsbahn
- 9
- Wälzlagervorrichtung
- 10
- Rotorlager
- 11
- Linearlager
- 12
- Rippe
- 13
- Kolbenraum
- 14
- Verbindungskanal
- W
- warme Gehäuseseite
- K
- kalte Gehäuseseite.
