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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Akkumulator für kinetische Energie, der eine Trommel aufweist, die so angeordnet ist, dass sie auf einer Drehachse montiert werden kann, wobei die Trommel eine äußere Oberfläche umfasst, die mit einer Anordnung von Rippen versehen ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Trommel für einen Akkumulator für kinetische Energie, wobei die Trommel eine äußere Oberfläche umfasst, auf der eine Anordnung von Rippen angebracht ist.
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Ein solcher Energieakkumulator ist aus
JP 2012 147620A bekannt. Der bekannte Akkumulator ist mit einem Generator gekoppelt, der selbst mit einem Motor gekoppelt ist. Die Trommel, die Teil des Akkumulators ist, dreht sich im Allgemeinen mit hoher Geschwindigkeit um ihre Drehachse. Der Akkumulator ermöglicht es, Energie zu speichern und somit die gespeicherte Energie, falls nötig, wiederherzustellen. Da sich die Trommel mit hoher Geschwindigkeit dreht, wird Wärme erzeugt und sie muss daher gekühlt werden. Der bekannte Akkumulator wird mit Wasser gekühlt, und um die Reibung zwischen dem Wasser und der Trommel zu verringern, ist die äußere Oberfläche der Trommel mit Rippen versehen.
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Es ist auch bekannt, einen Akkumulator für kinetische Energie in Hilfsenergiegeneratoren zu verwenden, deren Funktion darin besteht, eine kontinuierliche Versorgung mit elektrischer Energie an Orten wie etwa Krankenhäusern, Flughäfen oder Bankverwaltungszentren sicherzustellen, an denen eine Unterbrechung der Stromversorgung schwerwiegende Folgen haben könnte. Diese Hilfsenergiegeneratoren sind im Allgemeinen mit einem Verbrennungsmotor versehen, der zum Antreiben eines Elektrizitätsgenerators dient. Bei dieser Art von Akkumulator für kinetische Energie wird die im Akkumulator gespeicherte Energie während der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors zumindest teilweise wiederhergestellt. Auf diese Weise kann ein Stromausfall vermieden werden, der erheblichen Schaden verursacht.
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Ein Nachteil des bekannten Akkumulators besteht darin, dass, wenn er Umgebungsluft ausgesetzt ist, seine hohe Rotationsgeschwindigkeit bewirkt, dass ein ziemlich hohes Volumen an Umgebungsluft von der rotierenden Trommel mitgerissen wird. Das Mitreißen von Luft wird durch die Reibungskräfte zwischen der Oberfläche der Trommel und der Umgebungsluft induziert, ein Phänomen, das man „skin friction“ nennt. Dies führt zu einer beträchtlichen Reibung an dieser äußeren Oberfläche der Trommel. Diese Reibung verlangsamt die Rotation der Trommel und verursacht somit einen Energieverlust, der bis zu 25% der Gesamtleistung betragen kann, die zur Aufrechterhaltung der Rotation der Trommel erforderlich ist. Diese Reibung kann reduziert werden, indem eine Trommel verwendet wird, deren äußere Oberfläche mit Rippen versehen ist. Das bloße Vorhandensein von Rippen reicht jedoch nicht aus, um die Erwärmung der Trommel aufgrund der Rotation der Trommel und ihrer Reibung mit der Umgebungsluft ausreichend zu reduzieren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Akkumulator für kinetische Energie bereitzustellen, bei dem die durch die Reibung verursachten Energieverluste wesentlich reduziert sind und auch die Erwärmung der Trommel reduziert ist.
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Zu diesem Zweck ist ein Akkumulator für kinetische Energie gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen der Anordnung in einer Richtung erstrecken, die relativ zur Drehrichtung der Trommel geneigt ist. Das Vorhandensein von Rippen hat die Wirkung, dass die Umgebungsluft, die von der rotierenden Trommel mitgerissen wird, zwischen diese Rippen geleitet wird, und somit die Turbulenzen reduziert werden. Die durch diese Umgebungsluft verursachte Reibungskraft wird somit stark verringert und dementsprechend wird wesentlich weniger Umgebungsluft von der äußeren Oberfläche der rotierenden Trommel mitgerissen. Dadurch wird die Reibung reduziert und damit auch der durch diese auf die Trommel ausgeübte Reibung verursachte Energieverlust. Da sich die Rippen in einer Richtung erstrecken, die relativ zur Drehrichtung der Trommel geneigt ist, ist es außerdem möglich, die Oberfläche der Trommel weiter zu kühlen, selbst wenn weniger Luft von der Trommel mitgerissen wird, da die Neigung der Rippen es ermöglicht, die Umgebungsluft besser entlang der Rippen zu leiten und somit einen effizienteren Wärmeaustausch zu erreichen.
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Eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Anordnung in einem Winkel zwischen 5° und 10° relativ zur Drehrichtung der Trommel geneigt sind. Dies ermöglicht eine bessere Wärmeabfuhr.
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Ein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Anordnung so aufgebracht werden, dass sie sich in einer Richtung erstrecken, die relativ zur Drehrichtung der Trommel geneigt ist.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher beschrieben, die eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators veranschaulichen. In den Zeichnungen:
- zeigt 1 die äußere Oberfläche der Trommel, die mit einer Anordnung von Rippen versehen ist;
- zeigt 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II' durch die Trommel;
- zeigt 3 die Längsströmung der von der Trommel mitgerissenen Umgebungsluft;
- zeigt 4 die Querströmung der von der Trommel mitgerissenen Umgebungsluft; und
- zeigen die 5 und 6 eine Schnittansicht durch die Rippen.
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In den Zeichnungen wurde demselben Element oder einem ähnlichen Element dasselbe Bezugszeichen zugewiesen.
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Der erfindungsgemäße Akkumulator weist eine Trommel auf, die so angeordnet ist, dass sie auf einer Drehachse montiert werden kann. Diese Drehachse ist über einen Koppelmechanismus mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt, der somit die Trommel in Drehung versetzen kann. Die Trommel dreht sich im Allgemeinen mit einer hohen Geschwindigkeit um ihre Drehachse, beispielsweise in der Größenordnung von 2500 bis 4000 Umdrehungen/Minute. Die Trommel weist eine äußere Oberfläche auf. Der Akkumulator ist vorzugsweise eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung).
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Der Akkumulator dient dazu, eine kontinuierliche Stromversorgung mit elektrischer Energie an Orten wie etwa Krankenhäusern, Flughäfen oder Bankverwaltungszentren sicherzustellen, an denen eine Unterbrechung der Stromversorgung schwerwiegende Folgen haben kann. Sobald ein Stromausfall festgestellt wird, wird der Motor gestartet und mit der Trommel gekoppelt. Die Drehung der Trommel ermöglicht es, ihre Energie während der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors wieder herzustellen.
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Die Trommel dreht sich normalerweise mit hoher Geschwindigkeit, um Energie zu speichern und schnell bereitzustellen. Diese hohe Geschwindigkeit bewirkt, dass ein ziemlich hohes Volumen an Umgebungsluft von der rotierenden Trommel mitgerissen wird. Dies wird durch den Abrieb der Luft an der äußeren Oberfläche der Trommel verursacht und verursacht daher eine beträchtliche Reibung an dieser äußeren Oberfläche der Trommel. Diese Reibung verlangsamt die Rotation der Trommel und verursacht somit einen Energieverlust, der bis zu 25% der Energie betragen kann, die erforderlich ist, um die Trommel anzutreiben und die Rotation der Trommel aufrechtzuerhalten.
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Die Trommel 1 des erfindungsgemäßen Akkumulators ist an ihrer äußeren Oberfläche mit einer Anordnung von Rippen 2 versehen, wie in den 1 und 2 dargestellt. Vorzugsweise erstrecken sich die Rippen der Anordnung parallel zueinander. Das Vorhandensein dieser Rippen bewirkt, dass die Reibungskraft, die durch die von der rotierenden Trommel mitgerissene Umgebungsluft verursacht wird, wesentlich verringert wird und dass weniger Umgebungsluft von der äußeren Oberfläche der rotierenden Trommel mitgerissen wird. Dadurch werden die Reibungsverluste reduziert, was wiederum Verluste der im Akkumulator gespeicherten Energie reduziert. Abhängig von der Drehzahl der Trommel und der Geometrie der Rippen kann eine Verringerung der Reibungskraft um bis zu 10% erreicht werden.
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Der in 1 gezeigte Pfeil 3 gibt die Drehrichtung der Trommel und auch die Richtung der Umgebungsluftströmung an, die durch die Drehung der Trommel verursacht wird. Das Vorhandensein von Rippen 2 auf der äußeren Oberfläche der Trommel führt somit dazu, dass die Strömung der durch die Rotation der Trommel mitgerissenen Umgebungsluft durch die Kanäle geleitet wird, die durch die Räume zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rippen gebildet werden. Dieses Kanalisieren dieser Umgebungsluft verringert die Turbulenzen und somit die Reibung, die durch den Abrieb der Luft auf der Trommeloberfläche verursacht wird.
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3 zeigt die Längsströmung der von der Trommel mitgerissenen Umgebungsluft. Diese Längsströmung erstreckt sich, insbesondere wenn die Rippen der Anordnung parallel zueinander verlaufen, parallel im Raum zwischen den Rippen und ist gut kanalisiert, was die Turbulenzen verringert. Die in 4 gezeigte Querströmung erstreckt sich im Wesentlichen über die Rippen und ist daher wesentlich weniger in Kontakt mit der Oberfläche der Trommel, wodurch die Reibung verringert wird, die durch diese Umgebungsluft auf die Oberfläche der Trommel ausgeübt wird. Die Luftwirbel zwischen den Rippen sind weniger wichtig und üben nur eine geringe Reibung auf die Oberfläche der Trommel aus.
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Die Rippen der Anordnung erstrecken sich in einer Richtung, die der Drehrichtung der Trommel entspricht. Somit sind die Drehrichtung der Trommel und die Rippen aneinander ausgerichtet, um die Kanalisierung der Umgebungsluft zu optimieren. Um die Kühlung der Trommeloberfläche zu verbessern, erstrecken sich die Rippen der Anordnung in einer Richtung, die relativ zur Drehrichtung der Trommel geneigt ist. In dieser letzteren Ausführungsform sind die Rippen der Anordnung vorzugsweise in einem Winkel zwischen 5° und 10° relativ zur Drehrichtung der Trommel geneigt. Diese leichte Neigung trägt, selbst wenn sie die Reibung der Luft auf der Oberfläche der Trommel geringfügig erhöht, jedoch dazu bei, die durch die Rotation der Trommel und die Reibung mit der Umgebungsluft verursachte Wärme abzuführen.
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Vorzugsweise haben die Rippen eine dreieckige Geometrie mit einem Scheitelwinkel (a) zwischen 15° und 50°, insbesondere zwischen 30° und 45°, wie in 5 und 6 dargestellt. Diese Geometrie der Rippen hat den Vorteil, dass sie die Verringerung der Reibungskraft um 10% ermöglicht.
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Vorzugsweise haben die Rippen eine Höhe h zwischen 10 und 100 µm. Diese Höhe ermöglicht es, die Verformung der Trommeloberfläche zu minimieren und gleichzeitig die Reibung erheblich zu reduzieren.
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Vorzugsweise beträgt der Abstand S zwischen zwei Rippen zwischen 20 und 200 µm. In der Praxis bedeutet dies, dass der Abstand zwischen zwei Rippen die doppelte Höhe der Rippen beträgt. Diese Lösung ermöglicht es, Kanäle zwischen den Rippen zu erhalten, die eine gute Strömung der Umgebungsluft bieten.
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Die Herstellung der Trommel für einen Akkumulator gemäß der Erfindung wird dadurch ausgeführt, dass eine Anordnung von Rippen auf die äußere Oberfläche der Trommel aufgebracht wird. Dieses Aufbringen erfolgt entweder durch Beschichten der äußeren Oberfläche der Trommel oder durch Ätzen mit einem Negativgravierer. Die Beschichtung erfolgt beispielsweise durch Aufdrucken eines Kunststoffes, wie beispielsweise das Aufkleben eines dreidimensionalen Streifens mit dem bestimmten Relief, oder durch 3D-Druck mit einem Lack, dessen Vernetzung aktivierbar ist, zum Beispiel durch ultraviolette Strahlen, oder durch Gießen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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