DE19613369C2 - Vorrichtung zur Nutzung der Zentrifugalkraft für die Energiegewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung der Zentrifugalkraft für die Energiegewinnung mittels eines Rotationsaggregates mit mindestens einer, in Wirkungsrichtung der Zentrifugalkraft bewegbar gela­ gerten Masse, deren Translationsbewegung unter der Wirkung der Schwerkraft ausgenutzt wird.

Es ist bekannt, die Zentrifugalkraft auszunutzen zum Fortbewegen von in ein Rotationsaggregat eingebrachten bzw. mit einem solchen verbundenen Massen, wie Körpern, Partikeln und Flüssigkeiten, z. B. in Zentrifugen zum Trennen von in einer Flüssigkeit enthaltenen Stoffen unterschiedlicher Dichte, in Flüssigkeitspumpen und Zentrifugaltrocknern zum Fortbewegen von Flüssigkeiten, in Tourenzählern für die Umdrehungszählung und in Zentrifugalreglern für die Regelung von Dampfkraftmaschinen. Bei den letzten beiden Arten von Vorrichtungen wird die von der Zentrifugalkraft bewirkte Fortbewegung von festen Massen durch geeignete Energieübertragungs­ mittel in Bewegungsenergie anderer Körper umgewandelt, z. B. in Bewegungsenergie für Zeiger oder Ventile.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung dieser Art mit Umwandlung der Bewegungsenergie der von der Zentri­ fugalkraft unmittelbar beaufschlagten Massen in Energie für andere Energie-Verwertungs- oder Speichervorrichtungen.

Ausgehend von den Sätzen von der Drehimpuls- und Energie­ erhaltung (vergl. z. B. "Taschenbuch der Physik" von Horst STÖCKER"; 2. Auflage, Frankfurt a.M., Thun, Verlag Harri Deutsch, 1994, Seiten 60-77) hat der Erfindung die Aufgabe zugrunde gelegen, eine kostengünstig und einfach herstellbare Energiegewinnungsvorrichtung der vorstehend genannten Art zu schaffen, welche eine umweltschonende Energiegewinnung mit großem Kosten/Nutzen-Effekt für An­ triebszwecke (z. B. Fahrzeugantrieb) oder für die dezentrale Strom- oder Wärmeerzeugung ermöglicht.

Die Erfindung besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen bei­ spielsweise erläutert. Diese zeigen, alle in schemati­ scher Darstellung:

Fig. 1: eine einfache Grundausführungsform einer Energie­ gewinnungsvorrichtung,

Fig. 2: eine weiter entwickelte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1, und

Fig. 3: eine demgegenüber abgewandelte Ausführung in ver­ schiedenen Betriebsstellungen.

Bei allen dargestellten Ausführungen ist ein Akkumulator 1 über eine stufenlos arbeitende elektronische Regel­ schaltung 2 mit einem Motor/Generator 3 verbunden, der von der Betriebsstellung "Motor" in die Betriebs­ stellung "Gleichstrom-Generator" umschaltbar ist. Die Welle 4 des Motor/Generators 3 ist antriebsmäßig mit einem Drehrahmen 5 verbunden. In diesem sind Gewichte 10 radial zum Rahmen-Rotationszentrum verschiebbar gelagert, die durch eine Halte- und Rückholvorrichtung mit dem Rahmenzentrum verbunden sind und mittels dieser in einer zentralen Ruhestellung am Rahmenzentrum gehalten werden, solange die Rahmen-Drehzahl und damit die Zentrifu­ galkraft unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes liegt, und unter der Wirkung der Zentrifugalkraft in eine peri­ phere Endstellung am Rahmenrand 5a ausfahrbar sind, aus der sie mittels der Halte- und Rückholvorrichtung in die Ruhestellung zurückholbar sind. Diese Halte- und Rück­ holvorrichtung wirkt mit (nicht dargestellten) Mitteln zum Arretieren der Gewichte 10 in deren Ruhestellung zu­ sammen, die bei Erreichen der vorgegebenen Rahmendreh­ zahl die Gewichte 10 freigeben. Bei den dargestellten Ausführungsformen besteht die Halte- und Rückholvor­ richtung aus Seilzügen 9a, 9b, deren eines Ende mit je einem Gewicht 10 verbunden ist und deren anderes Ende auf eine mit dem Drehrahmen-Rotationszentrum verbundene Seiltrommel 9 aufgewickelt bzw. aufwickelbar ist. Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist die Seiltrommel 9 mittig im Drehrahmen angeordnet, bei der Ausführung nach den Fig. 2-4 am unteren Ende einer Welle 8, die mit diesem Ende durch ein zentrales Drehlager in der Drehrahmen- Oberwandung von oben in den Drehrahmen-Innenraum hineinragt.

Der Akkumulator 1, der Regler 2, der Motor/Generator 3 mit dem über die Welle 4 antreibbaren Drehrahmen 5 mit über die Seilzüge 9a, 9b mit der Seiltrommel 9 verbundenen Gewichten 10 bilden bei allen erläuterten Ausführungen das Rotationsaggregat R. Dieses ist noch mit hier nicht dargestellten, weil für den Fachmann nicht erläuterungsbedürftigen Mitteln zum Umschalten des Motor/Generators 3 auszurüsten, welche bei Stillstand des Drehrahmens 5 auf Motorbetrieb schalten und auf Generatorbetrieb umschalten, sobald - bei der Ausführung nach Fig. 1 - die zentrifugalkraftgesteuerte Bewegung der Gewichte 10 beginnt, oder - bei den Ausführungen nach den Fig. 2-4 - die Gewichte 10 in der peripheren Endstellung eintreffen.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist das Rotationsaggregat R mit einem Generator 6, 7 ausgerüstet, dessen Gehäuse 6 mit darin stationärem Magnetfeld mit dem Drehrahmen 5 fest verbunden ist und dessen Wicklung 7 auf der Welle 8 gelagert ist. Durch eine Rotation der Seiltrommel 9 gegenüber dem Drehrahmen 5 und dem damit verbundenen Gehäuse 6 wird über die Welle 8 die Wicklung 7 in Rota­ tion gegenüber dem Gehäuse 6 und dem Magnetfeld versetzt, wodurch Strom erzeugt wird. Solange die Gewichte 10 in Ruhestellung arretiert sind, wird die Seiltrommel 9 nicht gegenüber dem Drehrahmen 5 in Umdrehung versetzt, so daß der Generator 6, 7 als Ganzes synchron und koaxial mit dem Drehrahmen 5 umläuft. Am Generator 6, 7 ist ein Stromabnehmer 11 drehbar gelagert, der an einen Energie­ speicher oder Motor 12 angeschaltet ist.

Bei der Ausführung nach den Fig. 3, 4 ist das Rotations­ aggregat R in einem Gehäuse 13 angeordnet, dessen Ober­ wandung von der Drehrahmen-Oberseite Abstand hat und dadurch einen Zwischenraum abgrenzt, durch den sich die Welle 8 hindurch erstreckt. Diese ist in Gleit- und Drehlagern in der Oberwandung des Gehäuses 13 bzw. des Drehrahmens 5 gelagert. An ihrem über die Gehäuse­ wandung 13 vorstehenden Ende ist die Welle 8 mit einem Drehlager 14 für ein Ende 15a eines Schwenkhebels 15 versehen, der zwecks axialer Höhenverstellung der Welle 8 an einem Aufsatz auf dem Gehäuse 13 verschwenkbar gelagert ist und dessen anderes Ende 15b in Abhängigkeit von der mittels eines Drehzahlmessers gemessenen Rahmen- Drehzahl mittels einer Stellvorrichtung verschwenkbar ist im Sinne eines Anhebens oder Absenkens der Welle 8 in axialer Richtung zwischen zwei Endstellungen und einer dazwischen liegenden Mittelstellung.

Die Endstellungen der Welle 8 sind durch Kupplungsmit­ tel 17, 18, 19 vorgegeben, durch welche die Welle 8 in der unteren Endstellung mit dem Drehrahmen 5 kraft­ schlüssig verbunden wird und in der oberen Endstellung mit dem Gehäuse 13. Diese Kupplungsmittel bestehen aus einer Kupplungsscheibe 17 an der Welle 8 und kreis­ ringförmigen Kupplungsscheiben 18 bzw. 19 entlang der Durchführungslager für die Welle 8 in der Drehrahmen- bzw. Gehäuse-Oberwandung. In der unteren Endstellung ist die Welle 8 synchron mit dem Drehrahmen 5 antreibbar und in der oberen Endstellung ist die Welle 8 vom Dreh­ rahmen 5 abgekuppelt und mit dem stationären Gehäuse 13 kraftschlüssig verbunden, so daß eine Rotation der Welle 8 mit Seiltrommel 9 gegenüber dem Gehäuse 13 unterbunden ist und der Drehrahmen 5 mit den Gewichten 10 sich bei Umdrehungen gegenüber der Seiltrommel 9 dreht, dies je nach der angeschalteten Motordrehrichtung in einem Sinn, in dem die Seile 9a, 9b von der Seiltrommel abge­ spult werden oder auf die Seiltrommel 9 aufgespult wer­ den. Die Mittelstellung ist eine Freilaufstellung, wel­ che eine Rotation der Welle 8 sowohl gegenüber dem Drehrahmen 5 als auch gegenüber dem Gehäuse 13 gestattet.

Um der Verschiebung der Welle 8 in deren Längsrichtung Rechnung tragen zu können, ist die Seiltrommel 9 bei der Ausführung gemäß den Fig. 3, 4 auf der Welle 8 in deren Längsrichtung verschiebbar gelagert, so daß sie beim Anheben der Welle 8 im Höhenbereich der Gewichte 10 verbleibt.

Die Vorrichtungen arbeiten wie folgt:
Zunächst wird der Drehrahmen 5 bei in eingefahrener Stellung mittels der Seiltrommel 9 oder in anderer Weise arretierten Gewichten 10 in Rotation versetzt, wozu der Motor/Generator 3 auf Motorbetrieb geschaltet ist und mittels der Welle 5 den Drehrahmen 5 antreibt. Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 befindet sich dabei der Hebel 15 in einer Stellung, bei welcher die Kupp­ lungsscheibe 17 mit dem Kupplungsrad 18 kraftschlüssig verbunden ist, wie in Fig. 3 dargestellt, und somit die Welle 8 mit der Seiltrommel 9 synchron mit dem Dreh­ rahmen 5 umläuft. Die Motor-Drehrichtung entspricht der Drehrichtung, mit welcher die Seilzüge 9a, 9b um die Seiltrommel 9 herum gewickelt sind.

Infolge der Rotation des Drehrahmens 5 wirkt eine Zentri­ fugalkraft auf die Gewichte 10 ein, welche bestrebt ist, diese zur Peripherie 5a des Drehrahmens 5 hin zu bewe­ gen. Nach Erreichen einer vorgebbaren bzw. vorgegebe­ nen (Höchst-)Drehzahl (z. B. ca. 1.400 Umdrehungen je Minute) wird die Arretierung für die Gewichte 10 ge­ löst, z. B. mittels eines von einem Drehzahlmesser abge­ gebenen Signals. Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird gleichzeitig auf Generatorbetrieb des Motor/Generators 3 umgeschaltet, wogegen bei den Ausführungen nach den Fig. 2-4 bei Aufrechterhaltung der Schaltung für Motor­ antrieb gleichzeitig die kraftschlüssige Verbindung des Drehrahmens 5 mit der Seiltrommel 9 bzw. Welle 8 gelöst wird, so daß der Motor 3 nur noch den Drehrahmen 5 antreibt und eine Relativdrehung zwischen Seiltrommel 9 und Drehrahmen 5 möglich ist. Die Zentrifugalkraft bewirkt eine Verschiebebewegung der frei gegebenen Gewich­ te 10 radial zum Drehrahmen-Außenrand 5a hin, unter Zug an den Seilen 9a, 9b und Abwickeln derselben von der Seiltrommel 9.

Dieser Abwickelvorgang beschleunigt bei der Ausführung nach Fig. 1 den Drehrahmen 5 in seinem Umlauf. Die er­ höhte Rotationsenergie des Drehrahmens 5 wird in einer Auslaufphase bis zum Rahmen-Stillstand dem Generator 3 zugeleitet.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird durch das Abwickeln der Seile 9a, 9b von der Seiltrommel 9 diese und damit auch die Welle 8 mit der Wicklung 7 in Umdrehung gegen­ über dem Generatorgehäuse 6 versetzt unter Erhöhung ihrer Drehzahl. Der dabei erzeugte Strom wird über den Strom­ abnehmer 11 dem Energiespeicher oder Motor 12 zugeführt.

Bei der Ausführung nach den Fig. 3, 4 wird bei Erreichen der vorgegebenen Drehzahl zwecks Entkupplung der Welle 8 vom Motorantrieb der Hebel 15 verschwenkt im Sinne einer Anhebung der Welle 8 bis zur kraftschlüssigen Verbindung von deren Kupplungsscheibe 17 mit dem Gehäuse- Kupplungsrand 19 unter Arretierung der Welle 8. Die Seiltrommel 9 verschiebt sich dabei auf der Welle 8 nach unten und die Seile 9a, 9b werden durch die Drehung des Drehrahmens 5 gegenüber der arretierten Seiltrommel 9 von dieser abgewickelt unter Fliehen der Gewichte 10 zur Rahmenperipherie 5a.

Wenn die Gewichte 10 ihre maximal ausgefahrene Stellung am Rahmenrand 15a erreicht haben, wird bei der Ausführung nach den Fig. 2-4 durch den Anschlag der Gewichte 10 am Rahmenrand 15a oder in anderer geeigneter Weise ein Schaltvorgang ausgelöst, welcher den Motor/Generator 3 auf Generatorbetrieb umschaltet, so daß die Rotations­ bewegung des Drehrahmens 5 während dessen Auslaufen bis zu seinem Stillstand ausgenutzt wird zur Energie­ gewinnung mittels des Generators 3.

Bei der Ausführung nach den Fig. 3, 4 wird beim Umschal­ ten auf Generatorbetrieb auch mittels des vom Drehzahl­ messer gesteuerten Hebels 15 die Welle 8 in eine Frei­ laufstellung geschaltet, bei welcher die Kupplungsscheibe 17 der Welle 8 sich in einer Stellung zwischen den beiden Kupplungsrändern 18, 19 befindet.

Bei Erreichen des Stillstands des Drehrahmens 5 wird ein Schaltvorgang ausgelöst, welcher die Rückführung der Gewichte 10 in ihre eingefahrene Stellung und an­ schließend die Umschaltung des Motor/Generators 3 auf Motorbetrieb im Arbeitszyklus-Drehsinn bewirkt unter erneuter Einleitung der Rotationsbewegung des Drehrahmens 5 und eines neuerlichen Energiegewinnungs-Zyklus.

Bei der Ausführung nach Fig. 3, 4 wird die Rückführung der Gewichte 10 in der Weise bewirkt, daß bei Stillstand des Drehrahmens 5 zunächst die Kupplungsscheibe 17 kurz mit dem Kupplungsrand 19 des Gehäuses 13 kraftschlüssig verbunden wird, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2, und die Drehrichtung des auf Motorbetrieb umgeschalteten Motor/Generators 3 kurz verändert wird im Sinne einer Aufspulung der Seile 9a, 9b auf die Seiltrommel 9 unter Einholung der Gewichte 10 in ihre Ausgangsstellung.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und be­ schriebenen Ausführungsformen beschränkt, die im Rahmen der Erfindung fachmännische Veränderungen erfahren können, insbesondere hinsichtlich des Rotationsaggregates 8. Dessen Drehrahmen kann die Form eines in seiner Mitte angetriebenen, langgestreckten Rahmenteiles mit Rinnen- Profil haben, in dessen Rinne die Massen verschiebbar gelagert sind, oder er kann aus mehreren solcher Rahmen­ teile in einander mittig überschneidender Anordnung ge­ bildet sein oder eine Kreisscheibe mit radial verlaufen­ den Führungs-Schienen oder -Bahnen für die Massen sein.

Die Halte- und Rückführvorrichtung für die Massen kann auch aus einer Zahnstangenvorrichtung bestehen.

Anstelle der festen Gewichte 10 können auch flüssige Massen als auf die Zentrifugalkräfte ansprechende Mittel innerhalb eines im Drehrahmen radial angeordneten Zir­ kulationssystems vorgesehen sein, die durch die Fliehkraft in zirkulierende Bewegung versetzt werden, welche mittels einer in den Zirkulationsstrom eingeschalteten turbinenar­ tigen Vorrichtung für die Energiegewinnung ausgenutzt wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Nutzung der Zentrifugalkraft für die Energiegewinnung, bestehend aus

• - einem Rotationsaggregat (R) mit umschaltbarem Motor/Gene­ rator (3) und mit diesem antriebsmäßig verbundenem Drehrahmen (5), auf/in/an dem mindestens eine Masse (10) radial zur Rotationsachse (4) verschiebbar gelagert ist, die unter der Wirkung der bei der Drehrahmen-Rotation auftretenden Zentrifugalkraft nach Lösen ihrer Arretie­ rung aus ihrer zentralen Ruhe-Position in eine periphere Endposition (5a) bewegbar ist,
• - aus Mitteln zum Umschalten des Motor/Generators (3) auf Generator-Betrieb bei Lösen der Massen-Arretierung (Fig. 1) oder bei Eintreffen der Masse(n) in der peri­ pheren Endposition (5a) (Fig. 2-4) sowie zum Schalten auf Motorbetrieb bei Drehrahmen-Stillstand sowie
• - aus Mitteln zum Rückführen der Masse(n) (10) in die Ruheposition (9a, 9b, 9) bei Drehrahmen-Stillstand.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in radialen Führungen des Drehrahmens (5) verschiebbare Gewichte (10) als Fliehkraft-Reaktionsmassen, die über Seilzüge (9a, 9b) mit einer im Drehzentrum angeordneten Seiltrommel (9) verbunden sind, von der die Seile (9a, 9b) sich beim Ausfahren der Gewichte (1) abspulen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiltrommel (9) starr im Rahmen-Drehzentrum angeordnet ist (Fig. 1).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiltrommel (9) mit der Antriebswelle (8) der drehbaren Wicklung (7) eines Generators (6, 7) verbunden ist, dessen Gehäuse (6) mit stationärem Magnetfeld starr mit dem Drehrahmen (5) verbunden ist, so daß die Gewichte (10) beim Ausfahren und Abspulen der Seile die Seiltrommel (9) und damit die Generatorwicklung (7) in Umdrehung versetzen unter Stromerzeugung, wonach der Motor (3) bei Eintreffen der Gewichte (10) in ihrer peripherienahen Endposition (5a) auf Generatorbetrieb umgeschaltet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiltrommel (9) auf dem unteren Ende einer Welle (8) in deren Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist, die durch ein zentrales Lager in der Drehrahmen- Oberwandung und eine dazu koaxiales Lager im Gehäuse (13) des Drehaggregates (R) hindurchgeführt ist zu einer an ihrem oberen Ende angreifenden Stellvorrichtung (15), welche die Welle (8) zwischen einer unteren End­ position, in der sie kraftschlüssig mit dem Drehrahmen (5) verbunden ist, über eine dazwischen liegende Wellen- Freilaufposition in eine obere Endposition axial ver­ schieben kann, in der die Welle (8) kraftschlüssig mit dem Gehäuse (13) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine auf der Welle (8) befestigte Kupplungsscheibe (17) zum Zusammenwirken mit Kupplungsrändern (18, 19) entlang der koaxialen Durchführungs-Lager im Drehrahmen (5) bzw. Gehäuse (13).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstellvorrichtung für die Welle (8) aus einem an einem Gehäuseaufsatz (16) verschwenkbar gelagerten Hebel (15) besteht, dessen eines Ende (15a) in einem Drehlager (14) oben an der Welle (8) gelagert ist und dessen anderes Ende (15b) in Abhängigkeit von der Drehrahmen-Drehzahl verschwenkbar ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Drehzahlmesser, dessen Ausgangssignale elektronische Schaltvorrichtungen für die drehzahlabhängigen Schaltvorgänge steuern.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von den Massen (Gewichten) (10) bei Erreichen von deren peripherer Endposition beaufschlagte Schaltvorrichtung zum Umschal­ ten des Motors (3) auf Generatorbetrieb (Fig. 2-4).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum kurzzeitigen Umschalten des Motor/Gene­ rators auf Motorbetrieb mit Umkehrung der Dreh­ richtung zwecks Aufspulen der Seile (9a, 9b) auf die Seiltrommel (9) bei Rahmen-Stillstand.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Drehrahmen (5) mit rinnenförmigem Profil und Endquer­ wandungen an den Längsenden.