DE10231008A1

DE10231008A1 - Drehbar gelagerte Hydro-Kompressorpumpe

Info

Publication number: DE10231008A1
Application number: DE2002131008
Authority: DE
Inventors: Hans Vorberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine drehbar gelagerte Hydro-Kompressorpumpe, mit der eingangsseitig wechselweise Flüssigkeits- und Gasanteile, insbesondere Wasser- und Luftanteile, aufgenommen werden, die über eine Fördervorrichtung, die auf einer drehbaren Achse gelagert ist, zu einem Ausgang befördert werden. Es wird vorgeschlagen, dass die Fördervorrichtung aus einer Rohrspirale besteht, deren Windungen mit Abstand zur Achse angeordnet sind, und bei der die Eintrittsöffnung so angeordnet ist, dass mit der Drehbewegung der Rohrspirale abschnittsweise Wasser- und Luftanteile aufgenommen werden, wobei die Wasseranteile, die Rohrspirale kolbenförmig verschließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine drehbar gelagerte Hydro-Kompressorpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.
In der Technik wird vielfach Druckluft und mit Druck bewegtes Wasser benötigt. Zum Beispiel wird unter der Bezeichnung „Aircar" ein Kraftfahrzeug angeboten, das mit Druckluft aus einem Speichertank betrieben wird.
Wasser-/Flüssigkeitssäulen üben Dank der Schwerkraft bodenseitig Drücke aus. Es ist bekannt, die Schwerkraft von Wasser/Flüssigkeitssäulen mit hydraulische Kompressoren zur Erzeugung von Druckluft umweltfreundlich auszunutzen. Besonderer Vorteil: die Energie der Schwerkraft ist bekanntlich unerschöpflich, überall verfügbar und CO₂ frei.
Die Umwandlung der Schwerkraft in andere Energieformen, wie mechanische, potentielle, kinetische, elektrische Energie, sogar Kälte gelingt mittels Hydrokompressoren und zwar mit hohen Wirkungsgraden.
Bekannt ist, dass Wasser-/Flüssigkeitssäulen mittels der Schwerkraft bodenseitig Drücke ausüben, deren Stärke von der Höhe bzw. Tiefe der Säulen und entsprechenden Gegendrücken ab hängen. Nutzt man diese Drücke zum Komprimieren von Luft/Gasen kann man z.B. Dampf, also komprimiertes H₂O-Gas ersetzen.
Als letzter funktionsfähiger Hydrokompressor im deutschen Bergbau wurde erst 1988 nach nahezu 100-jährigem Betrieb untertage die Anlage im Erzbergwerk Grund wegen Erschöpfung der Grube stillgelegt. Diese funktionsfähige Hydrokompressor – Anlage in der Schachtanlage Knesebeck (D 37539 Bad Grund im Harz) lieferte Druckluft mit einem Überdruck von 6,4 bar, die zum Antrieb diverser Geräte, Anlagen usw. gebraucht wurde.
Die bekannte Hydrokompressor – Anlage in Bad Grund erzeugt über einen Saugkopf, ein Fallrohr und ein Steigrohr von 64 m in einem bodenseitigen Druckbehälter Druckluft mit einem Überdruck von 6,4 bar. Die so gewonnene Druckluft kann auch zu Pumpzwecken verwendet werden.
Verbesserte Hydrokompressoren, die auf den Anmelder zurückgehen, sind in dem Patent P 37 24 351 und in der Patentanmeldung DE 100 11 183 beschrieben.
Nachteilig bei den bekannten hydraulischen Kompressoren sind die jeweils langen Fall- und Steigrohre für die hohen Wasser/Flüssigkeitssäulen.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine drehbar gelagerten Hydro-Kompressorpumpe zu schaffen, die mit deutlich weniger hohen Wasser-/Flüssigkeitssäulen auskommt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Allgemein ausgedrückt, wird mit der erfindungsgemäßen Hydro-Kompressorpumpe die überall verfügbare, unerschöpfliche und CO₂-freie Schwerkraft vor allem hydromechanisch als Druckluft genutzt.
Gegenüber bisherigen Hydro-Kompressoren, die hohe Wassersäulen verwenden und nur Druckluft liefern, weist die Hydro-Kompressorpumpe nach der Erfindung den zusätzlichen Vorteil auf, dass sie neben der Druckluft auch Druckwasser liefert. Das Druckwasser kann z.B. für Druckwassernetze, Bewässerungen höher gelegener Gebiete, Wasserturbinen usw. verwendet werden.
Ggf. kann mittels der Erfindung auch Strom erzeugt werden. Zusätzlich kann die expandierte Druckluft zum Kühlen und/oder zum Gefrieren benutzt werden, ohne dass dafür weitere Energie benötigt wird. Somit läßt sich die einmalige Umwandlung der Schwerkraft mittels der erfindungsgemäßen Hydro-Kompressorpumpe zweifach CO₂-frei in verschiedenen Energieformen ausnutzen. So kann z.B. die mechanische Energie und zusätzlich die bei der Expansion entstehende Kälte verwendet werden.
Bei allen Umwandlungen der Energieformen wird nach der Erfindung in vorteilhafter Weise kein CO₂ erzeugt.
Die erfindungsgemäße Hydro-Kompressorpumpe kann unter Vorbehalt am ehesten anhand einer Archimedischen Schraube erklärt werden, die mit dem einen Ende in ein Wasserreservoir eintaucht. Im Gegensatz zu der offenen, schräg ansteigenden Archimedischen Schraube besteht die erfindungsgemäße Hydro-Kompressorpumpe aus einem Rohr, das ähnlich einer Kabeltrommel um eine hohle Achse aufgewickelt ist und eine Spirale bildet. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Rohr spiralförmig um die Achse zu wickeln. Zum Beispiel kann das Rohr schnekkenförmig in einer Ebene liegend um eine Achse gewickelt werden. Solche Wickelformen sind z.B. bei Ohrenfedern bekannt.
Gegenüber einer Archimedischen Schraube besteht die luft- und wasserführende Spirale aus einem Rohr, das zylinderförmig, konisch, scheibenförmig oder in sonstiger Weise um eine hohle Achse aufgewickelt ist. Anstelle des Rohres kann z.B. auch ein Gummischlauch verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1: eine erste Ausführungsform einer Hydro-Kompressorpumpe nach der Erfindung;
2: eine erste Ausführungsform einer Rohrspirale nach der Erfindung in der Seitenansicht;
3: die Rohrspirale aus 2 in der Vorderansicht;
4: eine weitere Ausführungsform der Rohrspirale nach der Erfindung in der Vorderansicht;
5: eine schematische Darstellung einer Windung der Rohrspiral, die teils mit Wasser und teils mit Luft gefüllt ist;
6: eine weitere schematische Darstellung einer Windung der Rohrspirale;
7: eine schematische Darstellung der aufgefalteten Rohrspirale aus 4;
8: eine weitere Ausführungsform der Hydro-Kompressorpumpe nach der Erfindung;
9: eine weitere Ausführungsform einer Spirale nach der Erfindung, die in der Art einer Uhrfeder gewickelt ist;
10: eine weitere Ausführungsform einer Spirale nach der Erfindung, die kegelförmig ausgebildet ist, und
11: eine Ausführungsform eines Druckbehälters, der als drehbare Trommel ausgebildet ist.
1 zeigt eine Ausführungsform einer drehbar gelagerten Hydro-Kompressorpumpe, die eine Rohrspirale 1 aufweist. Die Rohrspirale 1 ist auf einen Haltekörper 3 aufgewickelt, der auf einer drehbar gelagerten Achse 5 befestigt ist. Die Achse 5 ist hohl ausgeführt und ein Kanal 6 mündet über eine Drehkupplung 11 in eine Leitung 12.
Der Durchmesser des Kanals 6 der Achse 5 kann auch wesentlich kleiner sein als der Durchmesser der Achse 5, so dass sich eine dickere Wandung ergibt. Die Drehkupplung 11 verhindert, dass die Leitung 12 bei Drehungen der Achse 5 verdreht wird. In 1 ist die Achse 5 im Bereich der Stütze 7 verschlossen. In anderen Ausführungsformen kann die Achse 5 jedoch im Bereich der Stütze 7 einen Anschluss aufweisen, um Wasser und Luft zur anderen Seite drücken zu können.
Die Achse 5 ist beidseitig in Stützen 7, 8 so gelagert, dass die Rohrspiral 1 in das Wasser mit dem Wasserspiegel W zum Beispiel eine Baches 10 teilweise eintaucht. Weiter befindet sich auf der Achse 5 zum Antrieb z.B. ein Flügelrad 9, das über das im Bach 10 strömende Wasser angetrieben wird und so die Rohrspirale 1 in Drehung versetzt.
Anstelle des Flügelrades 9 können alle Formen von unterschlägigen Wasserräder zur Anwendung kommen. Die Rohrspirale 1 kann in ein unterschlägiges Wasserrad integriert sein. Z.B. kann die Rohrspirale 1 im Inneren eines Mühlenrades angeordnet sein. Der Antrieb der Rohrspirale 1 kann auch über Windkraft und unter Zuhilfenahme von Getrieben, Motoren aller Art usw. erfolgen.
Die Rohrspirale 1 weist eine Eintrittsöffnung 2 auf, die mit der Drehung der Achse 5 aufeinanderfolgend Wasser und Luft aufnimmt, wie unter den 5 bis 7 näher beschrieben wird. Über eine Austrittsöffnung 4 gelangen die von der Eintrittsöffnung 2 geschöpften Wasser- und Luftanteile zu dem Kanal 6. Von dem Kanal 6 gelangen die Wasser- und Luftanteile zu der Leitung 12, deren Leitungsende 13 in einen Druckbehälter 14 mündet, der einen Druckwasserspeicher bildet.
In 1 mündet das Leitungsende 13 der Leitung 12 im oberen Bereich in den Druckbehälter 14. In anderen Ausführungsformen kann das Leitungsende 13 auch im Bodenbereich des Druckbehälters 14 angeschlossen sein.
In dem Druckbehälter 14 werden die beiden Anteile Luft und Wasser aufgrund der Schwerkraft getrennt, so dass die Luft als Druckluft 15 und das Wasser als Druckwasser 16 über eine bodenseitigen Leitung 17 und ein Ventil 18 entnehmbar ist.
Deckseitig ist der Druckbehälter 14 über eine Leitung 21 und ein Ventil 22 mit einem Druckluftspeicher 20 verbunden. Zusätzlich ist die Druckluft 15 über Ventile 19 und 23 für Arbeitszwecke entnehmbar. Die soweit beschriebenen Ventil- und Leitungsanordnungen an dem Druckbehälter 14 und dem Druckluftspeicher 20 sind nur beispielhaft gewählt.
2 zeigt eine Ausführungsform der Rohrspiral 1 in der Seitenansicht, bei der die Windungen schneckenförmig um Achse 5 übereinander liegend aufgewickelt sind. 3 zeigt die Vorderansicht der Rohrspirale 1 aus 2. Beispielsweise kann die Spirale 1 in der Ausführungsform nach den 2 und 3 auch aus einem Metall- oder Kunststoffband bestehen, das randseitig durch scheibenförmige Seitenwände 25 abgeschlossen ist. In dieser Bauweise kann die Austrittsöffnung 4 aus 1 als ovaler Schlitz 24 ausgeführt sein, der in der hohlen und rohrförmigen Achse 5 ausgebildet ist. Die Breite des Metall- oder Kunststoffbandes kann sich zusätzlich in Richtung der Achse 5 trichterförmig verschmälern. Hierbei sind die Wandungen der Seitenwände 25, die das Metall- oder Kunststoffband tragen, zum Ausgleich kegelförmig ausgebildet.
Die Rohrspirale 1 nach der Bauform in 1 weist zum Beispiel im Querschnitt der einzelnen Windungen einen Kreis und die Bauform nach 2 einen rechteckigen Querschnitt auf.
Die Rohrspirale 1 nach 1 taucht beim Drehen z.B. in Wasser ein und nimmt so eine begrenzte Menge auf. Aufgrund der Schwerkraft verbleibt das Wasser im unteren Bereich der Rohrspirale 1, wandert aber mit der Drehung der Rohrspirale 1 mit Abstand zur Achse 5 seitwärts zum Endbereich der Rohrspirale 1, und nimmt dabei in den oberen Bereichen der Rohrspirale 1 Luft auf. Auf diese Weise durchlaufen Wasser und Luft getrennt die einzelnen Windungen der Rohrspirale 1. Im Endbereich der Rohrspirale 1 münden die Wasser- Luftanteile in die hohle Achse 5. Von dort gelangen beide Anteile in den Druckbehälter 14 (vgl. 1).
Durch ständigen Zufluss von Wasser und Luft baut sich im Druckbehälter 14 ein Druck auf, der einen Gegendruck zu den einströmenden Anteilen bildet.
Der Gegendruck wird dadurch überwunden, dass der zunehmende Druck das Wasser aus den unteren zunehmend in die seitlichen Bereiche der Rohrspirale 1 verdrängt. So entstehen gebogene Wassersäulen, deren geringere Einzeldrücke sich zu einem Gesamtdruck addieren, der den Gegendruck in dem Druckbehälter 14 überwindet. Hierbei komprimiert der bodenseitige Druck der ersten Wassersäule die vorgelagerte Luft, die nunmehr auf den Kopfbereich der zweiten Wassersäule drückt.
Dieser Überdruck auf den Kopfbereich der zweiten Wassersäule steigert den bodenseitigen Druck der zweiten Wassersäule, die den Druck der Luft im folgenden Abschnitt der Rohrspirale 1 erhöht und sich zum Druck der dritten Wassersäule addiert, was sich fortsetzt, bis der Gegendruck in dem Druckbehälter 14 überwunden wird.
Bei gegebenen konstruktiven Voraussetzungen kann z.B. der Kompressionsdruck bei 10 m Höhe der Wassersäulen, wie folgt anwachsen:
Diese kompliziert erscheinenden Vorgänge laufen sich selbst regulierend zeitgleich parallel und sich ständig wiederholend ab, solange die Rohrspirale 1 gedreht wird. Im Prinzip arbeitet die Hydro-Kompressorpumpe ähnlich den Hydrokompressoren, die eine hohe mit Gas angereicherte Flüssigkeitssäule zur Überwindung des Gegendrucks benötigen. Aufgrund der vorteilhaften Konstruktion der spiralförmigen Hydro-Kompressorpumpe erfolgt eine Zerlegung der Flüssigkeitssäule in einzelne Wasser- und Luftteilabschnitte, woraus eine geringere Bauhöhe resultiert.
Das Volumen von Luft/Gasen nimmt umgekehrt proportional zu dem zunehmenden Druck ab. Deshalb muss der Anteil von Luft größer sein als der des Wassers in der ersten Windung der Rohrspirale 1.
Angenommen, am Ende der Rohrspirale 1 sollen in der hohlen Achse 5 und im Druckbehälter 14 zum Beispiel 3bar Gegendruck bei einem Verhältnis von Druckluft und Druckwasser mit 1:1 erzeugt werden, dann darf der offene Anfang der Rohrspirale 1 nur ¼ Wasser und ¾ Luft (1 bar) aufeinanderfolgend aufnehmen.
Für das Drehen der Rohrspirale 1 wird nur ein geringer Energieaufwand benötigt, da lediglich die Reibungswiderstände zu überwinden sind. Für diesen Energieaufwand zur Erzeugung der Drehbewegung reicht in der Regel die Strömungsenergie von Fließgewässern aus. Nur bei stehenden Gewässern, z.B. Seen wird ein zusätzlicher Antrieb benötigt.
Der Druckbehälter 14 funktioniert ähnlich einem Windkessel. Allerdings müssen Druckwasser und Druckluft aus dem Druckbehälter 14 in einem angemessenen Verhältnis genutzt werden, damit neue Anteile von Druckwasser und Druckluft eingepresst werden können.
Soll z.B. Strom erzeugt werden, benötigt man eine Wasser- und eine Druckluftturbine. Hierbei könnte das Wasser sogar im Kreis geführt werden: spiralförmige Hydro-Kompressorpumpe, Turbine, spiralförmige Hydro-Kompressorpumpe, Turbine usw.
In einem anderen Anwendungsbeispiel kann die spiralförmige Hydro – Kompressorpumpe zur Bewässerung verwendet werden. Die spiralförmige Hydro-Kompressorpumpe liefert Wasser aus einem Gewässer mit 3bar Überdruck in Bewässerungsgräben. Dabei kann die Steighöhe des Wassers aufgrund des Überdrucks annähernd 30m betragen. Ggf. kann auch ein zweiter Druckbehälter mit einem Druckluftauslassventilen vorgesehen werden, der annähernd 30m höher angeordnet ist.
Ist der höher liegende Druckbehälter vollständig mit Wasser gefüllt, entnimmt man dem tiefer liegenden Druckbehälter Druckluft, die auf den Wasserspiegel des höher liegenden Druckbehälters drückt und folglich das Wasser weitere 30m höher drücken kann. Ein Rückschlagventil verhindert, das Wasser aus dem oberen Druckbehälter in den unteren Druckbehälter zurückströmen kann.
Hat die Druckluft das Wasser aus dem oberen Druckbehälter verdrängt, läßt man die Druckluft in dem oberen Druckbehälter durch das Druckluft-Auslassventil entweichen. Der obere Druckbehälter kann anschließend wieder mit Wasser aufgefüllt werden. Der untere Druckbehälter dient dann auch als Speicher, dem abwech selnd Druckwasser und Druckluft entnommen werden kann. Hierzu können entsprechende Rückschlagventile vorgesehen sein.
Senkt man einen Druckbehälter so weit ab, dass Grundwasser über ein Rückschlagventil selbsttätig einströmt, kann ein gesteuerter Zu- und Abstrom von Druckluft das Grundwasser an die Oberfläche heben. Das angehobene Grundwasser kann durch Filteranlagen geführt und dem Trinkwassernetz oder Bewässerungssystemen zugeführt werden. Der z.B. in einem Brunnen angeordnete Druckbehälter kann zur Wartung und Reinigung per Flaschenzug angehoben werden.
Wenn die entweichende Druckluft expandiert, kühlt sie sich ab und kann somit für Kühlzwecke verwendet werden.
Mit ansteigendem Druck verringert sich das Volumen von Luft/Gasen hyperbelartig, während das Volumen von Wasser/Flüssigkeiten konstant bleibt. Dies zu berücksichtigen, dafür gibt es konstruktiv mehrere Möglichkeiten. Zum Beispiel können abnehmende Rohrdurchmesser und Spiraldurchmesser installiert werden. Man kann auch anfangs zwei parallele Rohre Wasser und Luft aufnehmen lassen, die später in ein gemeinsames Rohr münden, wenn sich das Gesamtvolumen durch die Kompression der Luft/Gase verringert, z.B. halbiert hat.
Vorteilhaft ist es, wenn das Verhältnis des Endvolumens von Wasser und Luft 1:1 beträgt. In anderen Ausführungsformen sind auch andere Wasser/Luft-Mengenverhältnisse möglich. Die unterschiedlichen Mengenverhältnisse können z.B. auch dadurch er reicht werden, dass die Rohrspirale nur bei jeder zweiten, dritten usw. Umdrehung Wasser schöpft. Außerdem kann das Mengenverhältnis von Wasser zu Luft nicht durch Schöpfen, sondern durch die gesteuerte Zufuhr aus einem Vorratsbehälter geregelt werden.
Die Ausführungsformen der spiralförmigen Hydro-Kompressorpumpe können leicht an die unterschiedlichen Arbeitserfordernisse bei den verschiedenen Abnehmern durch konstruktive Auslegung angepaßt werden.
Stehen die mit der Hydro-Kompressorpumpe gewonnenen Druckluft- und Druckwasser-Anteile erst einmal preisgünstig zur Verfügung, werden diese auch entsprechend in einem Ausmaß genutzt werden, das man sich bisher wohl noch nicht zutreffend vorstellen kann.
4 zeigt nochmals die Rohrspirale 1 aus 1, bei der die Windungen parallel nebeneinander liegen, die zum Beispiel je nach Bedarf entsprechend den Eintauchtiefen h₁ und h₂ unterschiedliche Wassermengen zuführen. Aufgrund der unterschiedlichen Eintauchtiefe sind so die Volumenmenanteile von Wasser zu Luft variierbar. Dies läßt sich auch durch Heben bzw. Senken des Wasserspiegels W₁ und W₂ erreichen, was z.B. mittels eines Wehres bewerkstelligt wird.
In anderen Ausführungsformen können auch mehrere Rohrspiralen 1 nach der Bauform gemäß 4 parallel nebeneinander liegend um den Haltekörper 3 aufgewickelt sein. Auf diese Weise würden sich mehrere Eintrittsöffnungen 2 ergeben, die um den Durchmesser herum, mit Versatz angeordnet sind. Je nach Anwendungsfall kann z.B. bei vier Eintrittsöffnungen 2 und einem Versatz von 90° pro viertel Umdrehung der Achse 5 eine Eintrittsöffnung 2 in das Wasser W eintauchen.
Die Eintrittsöffnungen 2 können auch parallel zu der Achse z in 4 in Reihe liegen, um zu bewirken, dass ein gleichzeitiges Eintauchen erfolgt.
In der Bauform der Rohrspirale 1 nach 2 können auch mehrere Bänder mit Abstand zueinander übereinander um die Achse 5 gewickelt sein, so dass sich je nach Lage der Eintrittsöffnungen 2 ein aufeinanderfolgendes oder gleichzeitiges Eintauchen der Eintrittsöffnungen ergibt. Damit die Eintrittsöffnungen gleichzeitig in das Wasser eintauchen, wäre die Bauform nach 2 so gewikkelt, dass die freien Enden der Bänder übereinander liegen. In diesem Fall würden die Eintrittsöffnungen 2 radial übereinander angeordnet sein.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Windung aus dem mittleren Bereich der Rohrspirale 1 nach 4. Die Rohrspirale 1 soll sich im Gegenuhrzeigersinn drehen und die Achse 5 soll bis zum halben Durchmesser in das Wasser W eintauchen.
Aufgrund der Drehbewegung der Rohrspirale 1 werden der Rohrspirale 1 über die Eintrittsöffnung 2 abwechselnd Wasser- und Luftanteile 26, 27 zugeführt. Wesentlich ist, dass die Wasseranteile 26 nicht komprimierbar sind, während die Luftanteile 27 mit der Fortbewegung in der Rohrspirale 1 komprimiert werden. Die Kompression der Luftanteile kommt so durch die Gewichtsanteile der Wassersäulen in der Rohrspiral 1 und den Gegendruck zustande, der aus dem Druckbehälter 14 in die Windungen der Rohrspirale 1 zurückwirkt.
Die Wasseranteile, die sich in der Rohrspirale 1 vorwärts in Richtung der Achse z bewegen (vgl. 4), wirken als verschiebbare Kolben, die den Vorschub der Luftanteile zum Druckbehälter 14 erzeugen. Der Gegendruck aus dem Druckbehälter 14 komprimiert die Luftanteile entgegen der Fortbewegungsrichtung in den Windungen der Rohrspirale 1.
In 5 zeigt bezogen auf die Achse X die linke Hälfte einer halben wassergefüllten Windung und die rechte luftgefüllte Hälfte, die der wassergefüllten Windung in Richtung der Achse z nachfolgt (vgl. 4).
Die Druckausübung der als Kolben wirkenden Wasseranteile 26 in Richtung auf den Druckbehälter 14, ist nur in einem bestimmten Bereich möglich. 5 zeigt hierzu den Grenzfall, bei dem der Gegendruck P des Luftanteils 27 den kolbenförmigen Wasseranteil 26 trotz weiterer Drehung der Rohrspirale 1 bis zum Punkt O angehoben hat und so die Möglichkeit besteht, dass das Wasser entgegen der Achse z in 4 in Richtung der Eintrittsöffnung 2 zurückgedrückt wird.
Hierbei bewirkt das Anheben des Wasseranteils 26 eine Kraft, die aus dem Drehmoment des Schwerpunktes S um die Achse z resultiert.
Hinsichtlich der Kraft, die aus der Schwerkraft resultiert und die dem Luftdruck P im Bereich des Wasseranteils 28 auf den Luftanteil 27 wirkt, ist die Höhe der Wassersäule maßgebend, die sich zwischen den Achsen m und n aufbaut.
6 soll zeigen, wie sich die beiden Wasseranteile 29 und 28, hinsichtlich ihrer Drehmomente um die Achse z gegenseitig aufheben.
In 6 wurden die Wasseranteile 28, 29 ohne Schraffur versehen, um zu verdeutlichen, dass nur der drehmomenterzeugende Wasseranteil 30 die maximal wirksame Wassersäule zwischen den Achsen m und n bildet, der über die Masse des Wassers und die Schwerkraft einen Beitrag zum Druckaufbau der Hydro – Kompressorpumpe leisten kann. Wie in 5 und 6 gezeigt, liegt der Schwerpunkt S der Masse des wirksamen Wasseranteils 30 zwischen der Wandung der Rohrspirale 1 und der Achse z.
Die Achse n bildet auch das Wasserniveau, das mindestens geschöpft werden muss bzw. vorzugsweise in den Windungen vorliegt, damit kein Rückströmen der Luftanteile 27 erfolgen kann.
7 zeigt eine schematische Darstellung der Rohrspiral 1 aus 4 im aufgefalteten Zustand. Die Rohrspirale 1 soll wieder mit halben Durchmesser im Wasser liegen. Hierzu muß man sich die einzelnen Windungen an den Punkten A, B, C und D, auf dem Niveau der Wasserlinie liegend, jeweils um 180° gedreht denken. In 4 wäre hierzu der Haltekörper 3 quer zu der Achse z in Scheiben geschnitten, die zusätzlich längs des Durchmessers geteilt sind. Jede Scheibe würde mit Blick auf die Achse z aus einer halbierten Scheibe bestehen, wobei sich die Schnittkante der halbierten Scheibe mit der Wasserlinie deckt. Die einzelnen halbierten Scheiben, die die Windungen der Rohrspirale 1 tragen, sind nun in 7 schematisch aufgeklappt dargestellt, wobei nur zweieinhalb Rohrwindungen dargestellt sind. Dies ist nur eine Modellvorstellung, um die Abläufe in der Rohrspirale 1 erklären zu können.
In 7 ist der Druckbehälter 14 angeschlossen. Aufgrund der Drehbewegung der Rohrspirale 1 wird, wie in 7 dargestellt, der Wasseranteil 36 dem Druckbehälter 14 zugeführt. Hierbei muß der leicht als Kolben zurückschiebbare Wasseranteil 36 den Gegendruck P_D der Druckluft 15 in dem Druckbehälter 14 überwinden.
D.h., Auf den Luftanteil 33 wirkt einerseits von links der Druck, den der Wasseranteil 35 aus der Drehbewegung der Rohrspirale 1 und der wirksame Wasseranteil 30 (vgl. 6) aufbaut, und andererseits der Gegendruck, der auf den Wasseranteil 36 zurückgeht, der wiederum dem Gegendruck P_D entspricht. Auf diese Weise baut sich ein Druck P₃₃ in dem Luftanteil 33 auf.
In gleicher Weise wirken die Wasseranteile 34 und 35 auf den Luftanteil 32, der den Druck P₃₂ aufweist. In der ersten Rohrwin dung, die nach 7 gerade mit der Eintrittsöffnung 2 in das Wasser eintaucht, besteht ein Luftdruck P₃ ₂, der dem atmosphärischen Druck entspricht.
Im Normalbetrieb befinden sich so alle kolbenförmigen Wasseranteile 34, 35 in der Rohrspirale 1 im wesentlichen im unteren Bereich, der in das Wasser eintaucht und die Luftanteile 31, 32, 33 im oberen Bereich der Rohrspirale 1, die aus dem Wasser ragen. Hinsichtlich des Druckverlaufs ausgehend von der Eintrittsöffnung 2 bis zu dem Druckbehälter 14, sind die einzelnen Luftanteile 31, 32, 33 unterschiedlich stark komprimiert. Die Luftanteile werden mit dem Vorschub auf den Druckbehälter 14 immer mehr im Volumen komprimiert, während die kolbenförmigen Wasseranteile 34, 35, soweit einmal der Rohrspirale 1 zugeführt, im Volumen konstant bleiben.
Aufgrund der Volumenänderung lassen sich die einzelnen Drücke P₃₂, P₃₃ mit den Volumen V₃₂, V₃₃ der Luftanteile 32 und 33 über das Boyle-Mariottsche Gesetz
P32 × V32 = P33 × V33
berechnen und zu den wirksamen Wassersäulen der kolbenförmigen Wasseranteil 34, 35 in Beziehung setzen.
Damit der maximal erreichbare Gegendruck P_D in dem Druckbehälter 14 die kolbenförmigen Wasseranteile insgesamt nicht zurückdrücken kann, müssen entsprechend viele Windungen in der Rohrspirale 1 mit schwerkraftabhängigen Wasseranteilen 34, 35, usw. vorgesehen sein. Hinsichtlich der Druckbilanz muss der wirksame Rückströmdruck an der Eintrittsöffnung 2, der aus dem Gegendruck P_D des Druckbehälters 14 ableitbar ist, kleiner sein als der Luftdruck, der an der Eintrittsöffnung 2 wirkt.
Rückströmverhältnisse liegen vor, wenn der auf die ersten Windungen bezogene und über die Wasseranteile 34, 35 usw. reduzierte Rückströmdruck in der ersten Windung in der Lage ist, den ersten Wasseranteil 34 wieder zur Eintrittsöffnung 2 zurückzuschieben.
Dreht die Rohrspirale 1 in 7 um eine Viertel Umdrehung weiter (gestrichelt dargestellt), bestimmt sich die maximal mögliche Wasseraufnahme aus dem hydrostatischen Druck P_h des Wassers, der an der Eintrittsöffnung 2 wirkt. Der hydrostatische Druck P_h hängt wiederum von Durchmesser der Rohrspirale 1 und deren Eintauchtiefe ab.
Soweit die Vorwärtsströmung der beweglichen Wasseranteile 34, 35 usw. sichergestellt ist, baut sich der Druck P_D in dem Druckbehälter 14 durch die zugeführten Luftanteilen, die unter Druck stehen, und den eingepressten Wasseranteilen auf, die sich am Boden des Druckbehälters 14 sammeln. Hierbei verringern die eingepressten Wasseranteile das Luftvolumen des Druckbehälters 14.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hydro – Kompressorpumpe, die z.B. in einem Bach angeordnet ist. Abweichend von 1 erfolgt die Zufuhr des Wassers über das Flügelrad 9, das die Eintrittsöffnung 2 aufweist.
Das Flügelrad 9 in 8 kann nach der Bauform in 2 aufgebaut sein, während eine zusätzliche Rohrspirale 1 nach der Bauform in 1 zum Beispiel außerhalb des Baches 10 in Reihe geschaltet ist. Zwischen dem Flügelrad 9 und der Achse 5 kann ein Getriebe vorgesehen sein, so dass die nachgeschaltete Rohrspiral 1 schneller oder langsamer dreht als das Flügelrad 9.
9 zeigt eine weitere Bauform einer Rohrspirale 1, die sich an die Bauform nach 2 anlehnt. Jedoch verjüngen sich die einzelnen Kammerabschnitte von der Eintrittsöffnung 2 bis zu der Austrittsöffnung 4. Auch die Rohrdurchmesser der Bauform nach 1 können sich zur Austrittsöffnung 4 hin verjüngen.
10 zeigt eine Ausführungsform der Rohrspirale 1 , die einen kegelförmigen Dorn 37 aufweist. Zusätzlich ist die Rohrspirale 1 bezogen auf den Wasserspiegel geneigt angeordnet, wobei die Schlauchwindungen trommelförmig bzw. spiralförmig um einen konischen Dorn 37 gewunden sind. Die Rohrspirale 1 kann in der Ausführungsform nach 10 auch als Stegspirale ausgeführt werden.
11 zeigt eine Ausführungsform des Druckbehälters 14, der als drehbare Trommel 38 auf der Achse 5 ausgebildet ist. Der Kanal 6 kann abschnittsweise einen großen Durchmesser aufweisen und so die Trommel 38 bilden. In diesem Fall wird die Trommel 38 zusammen mit der Rohrspirale 1 gedreht.
Die hohle Achse 5 kann sich durch die Trommel 38 erstrecken. Je nach Ausführungsform ist die hohle Achse 5 mit einem Verschluss 39 versehen. In 11 befindet sich links von dem Verschluss 39 ein radialer Rohrstutzen 40 mit einer Austrittsöffnung 41. Rechts von dem Verschluss 39 ist ein zweiter Rohrstutzen 42 vorgesehen, der eine Eintrittsöffnung 43 aufweist. Die Rohrstutzen 40, 42 sind radial auf der Achse 5 ausgebildet. Der Rohrstutzen 42 ist vorzugsweise etwas kürzer als der Rohrstutzen 40. Es können mehrere Rohrstutzen vorgesehen sein. Ebenso sind die Rohrstutzen 40, 42 in 11 in ihrer Anordnung nur beispielhaft dargestellt. Die Rohrstutzen 40, 42 können mit einem Winkelversatz auf der Achse 5 ausgebildet sein.
Wird die Trommel 38 zusammen mit der Rohrspirale 1 gedreht, gelangt Druckluft 15 und Druckwasser 16 über den Rohrstutzen 40 und die Austrittsöffnung 41 in das Inneren der Trommel 38. Da der Rohrstutzen 42 in der Höhe etwas kürzer ist als der Rohrstutzen 40, fließt Druckwasser 16 ab, bevor der Wasserstand in der Trommel 38 die Höhe des Rohrstutzens 40 erreicht hat.
Die Druckluft 15 und das Druckwasser 16 gelangen über die Eintrittsöffnung 43 zu der Drehkupplung 11 und über die Leitung 12 zu einer Siebplatte 47. An die Siebplatte 47 sind mehrere Steigrohre 48 angeschlossen. Um einen größeren Gesamtquerschnitt zu erzielen, können mehrere dünnere Steigrohre über die Siebplatte 47 parallelgeschaltet sein. Der Durchmesser der Steigrohre 48 ist so gewählt, dass die Wasser- und Luftanteile aufgrund der Kapillarwirkung und der Oberflächenspannung ab schnittsweise nach oben gedrückt werden. Die Luftanteile puffern die darüber liegenden Wasseranteile, die Wassersäulen bilden.
Aufgrund der Luftanteile, die die darüber liegenden Wasseranteile tragen, ergibt sich ein wesentlich größere Förderhöhe für die Wasseranteile gegenüber der Ausführungsform, bei der das Wasser in einer Säule durch das Steigrohr nach oben gedrückt wird. Darüber hinaus werden sich mit zunehmender Höhe die Luftanteile ausdehnen und so die Wasseranteile zusätzlich auf noch größere Höhen drücken.
Anstelle des Rohrstutzens 40 kann die Austrittsöffnung 4 der Rohrspirale 1 auch an der Seitenwand 45 oder über einen Rohranschluss 44 (gestrichelt dargestellt) zugeführt werden. Ebenso kann anstelle des Rohrstutzens 42 ein Anschluss in der Seitenwand 46 vorgesehen sein. Weiter können Anschlüsse in der Außenwandung der Trommel 38 vorgesehen sein, die die Rohrstutzen 40, 42 ersetzen.
Soweit in den vorgenannten Ausführungsformen immer von den Medien Wasser und Luft gesprochen wird, können auch andere Kombinationen von flüssigen und gasförmigen Medien zur Anwendung kommen.

1: = Rohrspirale
2: = Eintrittsöffnung
3: = Haltekörper
4: = Austrittsöffnung
5: = Achse
6: = Kanal
7: = Stütze
8: = Stütze
9: = Flügelrad
10: = Bach
11: = Drehkupplung
12: = Leitung
13: = Leitungsende
14: = Druckbehälter
15: = Druckluft
16: = Druckwasser
17: = Leitung
18: = Ventil
19: = Ventil
20: = Druckluftspeicher
21: = Leitung
22: = Ventil
23: = Ventil
24: = Schlitz
25: = Seitenwände
26: = Wasseranteil
27: = Luftanteil
28: = Wasseranteil
29: = Wasseranteil
30: = wirksamer Wasseranteil
31: = Luftanteil
32: = Luftanteil
33: = Luftanteil
34: = Wasseranteil
35: = Wasseranteil
36: = Wasseranteil
37: = Dorn
38: = Trommel
39: = Verschluss
40: = Rohrstutzen
41: = Austrittöffnung
42: = Rohrstutzen
43: = Eintrittsöffnung
44: = Rohranschluss
45: = Seitenwand
46: = Seitenwande
47: = Siebplatt
48: = Steigrohre

Claims

Drehbar gelagerte Hydro-Kompressorpumpe, mit der eingangsseitig wechselweise Flüssigkeits- und Gasanteile, insbesondere Wasser- und Luftanteile aufgenommen werden, die über eine Fördervorrichtung, die auf einer drehbaren Achse gelagert ist, zu einem Ausgang befördert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung aus einer Rohrspirale (1) besteht, deren Windungen mit Abstand zur Achse (5) angeordnet sind, und bei der die Eintrittsöffnung (2) so angeordnet ist, dass mit der Drehbewegung der Rohrspirale (1) abschnittsweise Wasser- und Luftanteile aufgenommen werden, wobei die Wasseranteile, die Rohrspirale (1) kolbenförmig verschließen.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspirale (1) ausgangsseitig an Druckbehälter (14, 20) angeschlossen ist.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspirale (1) eine Zylinderform aufweist, bei der die Windungen nebeneinander liegend angeordnet sind.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitigen Windungen der Rohrspirale (1) einen größeren Durchmesser aufweisen als die ausgangseitigen Windungen, und umgekehrt.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspirale (1) mit übereinander liegenden Windungsabschnitten schneckenförmig aufgewickelt ist.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (5) hohl ausgebildet ist, und die Austrittsöffnung (4) der Rohrspirale (1) in die Achse (5) mündet.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Rohrspirale unterschlägige Wasserräder, insbesondere Flügelräder (9) vorgesehen sind.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspirale (1) und die unterschlägigen Wasserräder ineinander integriert sind.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr der Rohrspirale (1) im Querschnitt kreisförmig, rechteckförmig, quadratisch, trapezförmig oder oval ausgebildet ist.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsweite des Rohres, das die Rohrspirale (1) bildet, eingangseitig eine größeren Öffnungsweite aufweist als ausgangseitig.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspirale (1) mit der Eintrittsöffnung 2, bezogen auf einen Wasserspiegel, in den die Rohrspirale 1 eintaucht, in der Höhe verstellbar gelagert ist.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (5) an beiden Enden einen Anschluss zur Entnahme von Wasser- und/oder Druckluft aufweist.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (14) drehbar gelagert auf der Achse (5) angeordnet ist.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspirale (1) über einen Antrieb, insbesondere ein Windrad antreibbar ist.
Hydro-Kompressorpumpe nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydro-Kompressorpumpe eine Arbeitsmaschine, z.B. eine Turbine, einen Stromgenerator antreibt.