DE102012019040A1

DE102012019040A1 - Scrollmotor

Info

Publication number: DE102012019040A1
Application number: DE201210019040
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: DE102012019040B4

Abstract

Mit dem Scrollmotor wird ein neuer thermischer Antrieb vorgeschlagen, der universal als Drehantrieb einsetzbar ist. Es handelt sich hierbei um ein kontinuierlich arbeitendes Aggregat, dass bei Betrieb mit Gas oder Öl der Klasse „ungewöhnliche Bauarten von Verbrennungsmotoren” zugeordnet werden kann. Der Scrollmotor besteht aus einem Scrollverdichter (1) und einem Scrollexpander (2). Zwischen den beiden Scrolleinheiten ist eine Heizkammer (3) angeordnet, in welcher das durch den Scrollverdichter (1) vorgespannte Gas durch Energiezufuhr zusätzlich aufgeheizt und dem Scrollexpander (2) zugeführt wird. Durch die Expansion der heißen Gase im Scrollexpander (2) wird thermische Energie in kinetische Energie umgesetzt. Das hierbei erzeugte Drehmoment wird auf die Antriebswelle (10) übertragen. Der Scrollverdichter (1) und Scrollexpander (2) sind kraftschlüssig miteinander verbunden, z. B. über eine gemeinsame Antriebswelle (10).

Description

Stand der Technik
Es sind Scrollverdichter bzw. Spiralkompressoren bekannt. Sie sind 1905 von Leon Creux erfunden worden und arbeiten nach dem Verdrängerprinzip. Der Scrollverdichter besteht aus zwei ineinander verschachtelten Spiralen, von denen eine stationär ist und die andere über einen Exzenterantrieb auf einer kreisförmigen Bahn bewegt wird. Dabei berühren sich die Spiralen mehrfach und bilden innerhalb der Windungen mehrere bei der Bewegung ständig kleiner werdende Kammern. Dadurch wird das zu pumpende Gas außen angesaugt, zwischen den Spiralen verdichtet und über einen Auslass in der Spiralenmitte ausgestoßen.
Außerdem sind Spiralanordnungen bekannt, die nach dem umgekehrten Prinzip als Spiralexpander arbeiten.
Aus der deutschen Druckschrift DE 10 2005 913 510 A1 , ist eine Spiraltyp-Fluidmaschine bekannt, die sowohl im Kompressionsmodus als auch im Expansionsmodus betrieben werden kann. Beim Betrieb im Expansionsmodus wird der Fluiddruck während der Expansion in kinetische Energie umgesetzt und als mechanische Energie ausgegeben. Beim Betrieb im Kompressionsmodus muss Energie zugeführt werden.
Für den Einsatz an Verbrennungsmotoren sind unterschiedliche Ladevorrichtungen bekannt. So gibt es auch Ladevorrichtungen, die auch mit einem Scrollverdichter arbeiten. Ladevorrichtungen mit Scrollverdichter (bzw. Spiralkompressoren) werden z. B. in den Druckschriften DE 10 2011 103 165 A1 , DE 10 207 043 595 B4 oder EP 0 899423 A1 beschrieben.
Diese Ladevorrichtungen unterstützen einen herkömmlichen Verbrennungsmotor mit komprimierter Ladeluft.
Aufgabenstellung der Erfindung und Lösung
1 und 2 zeigen den erfindungsgemäßen Scrollmotor im offenen Kreis.
Mit dem erfindungsgemäßen Scrollmotor soll ein neuer thermischer und kontinuierlich arbeitender Antrieb vorgeschlagen werden, der universal als Drehantrieb einsetzbar ist. Bei Betrieb mit Gas oder Öl kann der Scrollmotor der Klasse „ ungewöhnliche Bauarten von Verbrennungsmotoren” zugeordnet werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs A1. Ein Scrollverdichter (Spiralkompressor) (1) wird mit einem Scrollexpander (Spiralexpander) (2) kombiniert, wobei zwischen den beiden Scrolleinheiten eine Heizkammer (3) angeordnet ist, in welcher sich das durch den Scrollverdichter (1) vorgespannte Gas durch Energiezufuhr (6) zusätzlich aufgeheizt und dem Scrollexpander (2) zugeführt wird.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen des Gegenstands nach Anspruch 1 behandelt.
Einsatzstoffe am Einlass (4) des Scrollverdichters sind im offenen Kreislauf Luft und im geschlossenem Kreislauf auch andere Gase wie z. B. Stickstoff oder Edelgase.
Das verdichtete Einsatzgas (5) wird in der Heizkammer (3) direkt oder indirekt durch Energiezufuhr (6) aufgeheizt z. B. durch Wärmetauscher, oder durch Verbrennung von Gas/Öl (offener Kreislauf). Das aufgeheizte Gas (7) wird dem Scrollexpander (2) in der Spiralenmitte (8) zugeführt. Durch die Expansion der heißen Gase im Scrollexpander (2) wird thermische Energie in kinetische Energie umgesetzt. Das hierbei erzeugte Drehmoment wird auf die Welle (10) übertragen, die andere Maschinen antreiben soll.
Das im Scrollexpander (2) durch Expansion abgekühlte Gas wird am Gasauslass (9) ausgeleitet.
Der Scrollverdichter (1) und Scrollexpander (2) sind kraftschlüssig miteinander verbunden, z. B. über eine gemeinsame Antriebswelle (10).
Der Scrollverdichter (1) und Scrollexpander (2) können zur Erzielung einer höheren Gasverdichtung bzw. Gasentspannung mehrstufig ausgelegt sein.
Ausführungsbeispiel Scrollmotor im geschlossenen Kreislauf
In 3 ist ein Scrollmotor im geschlossenen Kreislauf mit Wärmetauschern und einen angeschlossenen Elektrogenerator zur elektrischen Energiegewinnung dargestellt.
Beschreibung des Funktionsprinzips:

• Der Scrollverdichter (1) saugt über den Gaseinlass (4) den Einsatzstoff (z. B. Stickstoff, Edelgas) an. Dieses Gas wird im Scrollverdichter (1) verdichtet und am Gasauslass (5) der Heizkammer (3) zugeführt.
• In der Heizkammer (3) wird das verdichtete Gas über einen Hochtemperatur-Wärmetauscher (11) aufgeheizt und dann als hochgespanntes Gas dem Einlass (7) zugeleitet.
• Im Scrollexpander (2) wird durch die Expansion der heißen Gase thermische Energie in kinetische Energie umgesetzt. Das hierbei erzeugte Drehmoment wird auf die Welle (10) übertragen, die einen Elektrogenerator (15) antreibt.
• Das im Scrollexpander (2) durch Expansion abgekühlte, jedoch noch heiße Gas wird am Gasauslass Scrollexpander (9) dem Niedertemperatur Wärmetauscher (13) zugeführt.
• Der Wärmetauscher (13) gibt einen Großteil seiner thermischen Energie an einen Wärmespeicher (12) z. B. Wasserkessel ab. Über weitere Wärmetauscher (14) im Wärmespeicher kann Nutzwärme an andere Verbraucher weitergeführt werden.
• Das im Wärmetauscher (13) abgekühlte Gas wird dem Gaseinlass (4) vom Scroll-Verdichter (1) wieder zugeführt und der Kreislauf ist geschlossen.

Ausführungsbeispiel Scrollmotor für Einsatz als Kleinkraftwerk
Im 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Scrollmotors im offenem Kreis für den Einsatz als Kleinkraftwerk z. B. für ein Eineinfamilienhaus dargestellt.
Arbeitsweise:

• Der Scrollmotor führt hierbei die erzeugte mechanische Energie über die Antriebswelle (10) einem Elektrogenerator (15) zu.
• Das abgekühlte jedoch noch heiße Abgas des Scrollexpanders (2) wird über den Gasauslaß (9) einem Wärmespeicher (12) zugeleitet. Die thermische Energie des Abgases wird über den Wärmetauscher (13) dem Wärmespeicher zugeführt. Über weitere Wärmetauscher (14) kann z. B. ein Einfamilienhaus mit Warmwasser und Heizwärme versorgt werden.

Vorteile:

• Energiegewinnung erfolgt sehr leise und vibrationsarm
• Hoher Wirkungsgrad bei der Erzeugung elektrischer Energie
• Schnelle Kostenamortisation

Ausführungsbeispiel Scrollmotoreinsatz als Flugmotor
In 5 ist der Einsatz des Scrollmotors als Flugmotor dargestellt.
Bei diesem Einsatz ist die Luftschraube (17) vor dem Lufteinlass (4) auf der Antriebswelle (10) angeordnet. In die Heizkammer (3) wird ähnlich wie bei einer Gasturbine kontinuierlich Treibstoff zur Verbrennung zugeführt, wobei sich wie bei einer Gas-Turbine ein vibrationsarmer Betrieb einstellt.
Zudem ist auch ein Betrieb mit Hochtemperatur-Wärmetauscher in der Heizkammer (3) vorgesehen.
Vorteile:

• Der Einsatz des Scrollmotors ermöglicht einen sehr leisen Flugbetrieb
• Als Kraftstoff kann auch preiswertes Öl oder Kerosin zum Einsatz kommen
• Es wird ein deutlich geringerer Kraftstoffverbrauch und kostengünstigerer Betrieb als bei der Gasturbine erwartet.
• Es können auch Schadstoffilter (Rußpartikelfilter) zum Einsatz kommen
• Bei Betrieb mit Hochtemperatur-Wärmetauscher in der Heizkammer arbeitet der Motor schadstoffrei.

Bezugszeichenliste

1: Scrollverdichter (Spiralkompressor)
2: Scrollexpander (Spiralexpander)
3: Heizkammer
4: Gaseinlass Scrollverdichter (Lufteinlass)
5: Gasauslass Scrollverdichter (verdichtete Luft)
6: Energiezufuhr für Heizkammer (Gas, Öl, Wärmetauscher)
7: Hochgespanntes Gas für Einlass Scrollexpander
8: Zentrum Scrollexpander
9: Gasauslass Scrollexpander
10: Arbeitswelle
11: Hochtemperatur-Wärmetauscher
12: Wärmespeicher (Wasserkessel)
13: Niedertemperatur-Wärmetauscher
14: Wärmeenergie-Ausleitung über Wärmetauscher
15: Elektrogenerator
16: Abgriff elektrischer Energie
17: Luftschraube

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 102005913510 A1 [0003]
DE 102011103165 A1 [0004]
DE 10207043595 B4 [0004]
EP 0899423 A1 [0004]

Claims

Scrollmotor bestehend aus einem Scrollverdichter (1) und einem Scrollexpander (2), wobei beide Scrolleinheiten ein- oder mehrstufig ausgebildet sind, wobei der Gasstrom des Scrollverdichters (1) dem Scrollexpander (2) mittelbar über eine Heizkammer (3) zugeleitet ist, wobei der Gasstrom in der Heizkammer (3) durch Energiezufuhr (6) aufgeheizt wird, wobei der dem Scrollexpander (2) zugeleitete Gasstrom im Scrollexpander (2) in kinetische Energie umgesetzt und einer Antriebswelle (10) zugeführt wird, wobei die Scrolleinheiten miteinander kraftschlüssig verbunden sind.
Scrollmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Gasstrom des Scrollmotors im offenen oder geschlossenen Kreis geführt ist.
Scrollmotor nach einen der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Heizkammer (3) eine Brennkammer ist, in der Einsatzstoffe wie fossile Brennstoffe, Wasserstoff verwendet werden.
Scrollmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Heizkammer (3) ein Wärmetauscher (11) ist.
Scrollmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Einsatzstoffe im Wärmetauscher (11) Abfallgase sind wie Gichtgase, Kokereigase, Kraftwerksabgase oder Heißdampf.
Scrollmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Einsatzstoffe im Wärmetauscher (11) flüssig sind wie Öle, Natriumschmelzen oder andere Metallschmelzen
Scrollmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Einsatzwärme für die Heizkammer (11) durch kalte Fusion erzeugt ist,
Scrollmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Abgasstrom des Scrollexpanders (2) einem Niedertemperatur-Wärmetauscher (13) zugeführt ist, für die Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser.
Verwendung des Scrollmotors nach einem der vorherigen Ansprüchen für Flugmotoren, Stromerzeugung, Landfahrzeuge, Gebläse, Pumpen. Stromerzeugung oder als Ersatz für Elektromotoren.