DE4240871A1 - Flüssiger Kolben in Arbeitsmaschinen, z. B. in Verdichtern und Antriebsmaschinen - Google Patents

Description

Die für eine Anwendung des "flüssigen Kolbens", Gegenstand dieser Patentbe­ schreibung, in Betracht kommenden Arten von Arbeitsmaschinen sind generell:

• a) Verdichter (Kompressoren) und Pumpen, welche Verdichtung bzw. Entspannung (Verdünnung) eines gasförmigen, oder wechselnd-gasförmig-flüssigen Mediums und/oder die Förderung von gasförmigen und/oder flüssigen Medien bewirken.
• b) Antriebsmaschinen (Motoren), welche von der Energie gasförmiger und/oder flüssiger, oder wechselnd-gasförmig-flüssiger Medien angetrieben werden.

Für die beiden o.g. Arten von Arbeitsmaschinen sind bis heute im wesentlichen zwei grundsätzlich unterschiedliche Systeme als Stand der Technik bekannt:

Im einen System handelt es sich um Kolbenmaschinen, in welchen sich ein Kolben - in einem Zylinder abgedichtet - hin- und herbewegt und dadurch das Zylindervolumen abwechselnd verkleinert und vergrößert, kausal verknüpft mit entsprechenden Zustandsveränderungen des Zylinderinhalts. Gekoppelt wird die­ se Hin- und Herbewegung über ein Pleuel mit der Rotation einer Kurbelwelle. Erzeugt wird so bei Verdichtern (Kompressoren) und Pumpen durch Rotations­ energie, welche über eine Kurbelwelle eingesetzt wird, Verdichtung (Komprim­ ierung) oder Verdünnung von Gasen in einem Zylinder und/oder, z. B. bei Pumpen Förderung von Gasen und/oder Flüssigkeiten über einen Zylinder. Umgekehrt wird bei Antriebsmaschinen (Motoren) durch Einsatz von Energie aus Gasen oder Flüssigkeiten über einen Zylinder entsprechende Rotationsenergie an einer Kurbelwelle erzeugt. Varianten hierzu sind z. B. Membranpumpe und Wankelmotor.

Im anderen System handelt es sich um Turbinen, bei welchen eine Antriebswelle mit einem oder mehreren radialen Flügeln (im allgemeinen als Schaufeln oder Blätter bezeichnet) in einem formmäßig angepaßten Gehäuse drehbar gelagert ist. Durch Vorbeiströmen von bewegten Flüssigkeiten oder Gasen wird aufgrund der Form der Blätter die Welle in Bewegung gesetzt, oder umgekehrt wird durch Einsatz von Rotationsenergie Gas oder Flüssigkeit verdichtet und/oder bewegt.

Die Erfindung betrifft einen neuen Typ eines Verdichters (Kompressors) bzw. einer Antriebsmaschine (eines Motors). Hierbei wird anstelle eines feststofflichen Kolbens ein flüs­ siges Hilfsmedium eingesetzt, welches ebenfalls in der Lage ist, Vergrößerung und Verkleinerung von geschlossenen Räumen, kausal verknüpft mit entsprechen­ den Zustandsveränderungen ihrer Inhalte zu bewirken, wodurch bei Antriebsma­ schinen Druckenergie von Gasen in Hin- und Herbewegung und diese dann in Ro­ tation umgesetzt wird, oder bei Verdichtern entsprechend umgekehrt. Man kann das flüssige Hilfsmedium im übertragenen Sinne durchaus auch bezeichnen als flüssigen Kolben, welcher die Koppelung seiner Hin- und Herbewegung mit der Rotation der fest­ stofflichen Antriebsteile der Maschine mittels seiner eigenen Strömungseigen­ schaften in der Art wie in einer Turbine bewirkt, d. h. über Flügel, Blätter, Schaufeln, oder Kammern der Antriebsteile, nicht über Pleuel und Kurbelwelle.

Grundbestandteile einer derartigen Arbeitsmaschine können z. B. folgende sein: (die Positionsbezeichnungen mit Zahlen in Klammern wie -(1), -(2), -(3) usw. beziehen sich auf die beigefügten Zeichnungen Abb. 1 bis 14 mit Erläuterungen; im Folgenden wird meist auf das Anwendungsbeispiel Abb. 1 u. 2 bezug genommen)

• - Stator-Gehäuse, z. B. Abb. 1 u. 2: -(1), -(19)
• - Rotor evtl. mit Welle, ggf. Hohlwelle, z. B. Abb. 1 u. 2: -(3), -(20)
• - Achse, evtl. als Hohlachse, z. B. Abb. 1 u. 2: -(5)
• - flüssiger Kolben, Grenzfläche, z. B. Abb. 1: -(11) Das Statorgehäuse, z. B. Abb. 1 u. 2: -(1), -(19), welches vorzugsweise als fla­ cher zylindrischer Behälter ausgebildet ist, enthält in sich den Rotor -(3), welcher z. B. mit einer Hohlwelle -(20) auf einer feststehenden Hohlachse -(5) vorzugsweise exzentrisch im o.g. zylindrischen Statorgehäuse gelagert ist. Das Statorgehäuse -(1), -(19), ist allseitig geschlossen bzw. gegen die es durchdringenden Maschinenteile, z. B. gegen die Hohlwelle -(20) abgedichtet.

Der Rotor -(3) besteht aus einem Boden und einem Deckel, sowie aus mindes­ tens zwei oder mehr Flügeln -(4) und ggf. aus der o.g. Hohlwelle -(20). Letz­ tere ist zum Gehäuse -(19) hin, sowie gegen die Hohlachse -(5) abgedichtet und drehbar gelagert -(17). Der Aufbau des Rotors ist dergestalt, daß die Flügel -(4) mit Boden und Deckel -(3) Zylindersegmente bilden, welche als seitlich geschlossene Kammern nur nach außen und vorzugsweise, in diesem Bei­ spiel, auch nach innen zur Hohlachse -(5) hin geöffnet sind. Diese Zylinder­ segmente oder Kammern (Rotorkammern) ergeben die Arbeitsräume der Maschine, analog den Zylinderräumen von bekannten Feststoffkolben-Arbeitsmaschinen. Alle Teilen sind aus Feststoff-Material, mit Ausnahme des flüssigen Kolbens:

Der flüssige Kolben mit seiner inneren Grenzfläche -(11) besteht aus einer geeigneten Flüssigkeit innerhalb des Statorgehäuses -(1) und bildet, sobald er in Rotation versetzt wird, einen etwa zylindrischen, bzw. der Form des Ge­ häuses -(1) angepaßten Flüssigkeitsring, in dessen Grenzfläche -(11) die Flügelaußenkanten -(4) des Rotors -(3) mindestens zeitweise, beim beschriebe­ nen Beispiel Abb. 1/2 ständig, eingetaucht bleiben. Aufgrund der Exzentrizität haben die durch den Flüssigkeitsring entstehenden abgegrenzten Arbeitsräume (Zylindersegmente) des Rotors unterschiedliche Volumina, was bei Drehung des Rotors stetig sich vergrößernde und wieder verkleinernde Arbeitsräume ergibt, analog den durch Hin- und Herbewegung der Kolben in Festoffkolben- Arbeitsma­ schinen sich abwechselnd vergrößernden und verkleinernden Zylinderräumen.

Die Hohlachse -(5), auf welcher der Rotor -(3) im Beispiel Abb. 1/2 mit seiner Hohlwelle -(20) läuft, ist starr mit dem Gehäuse -(1), -(19) verbunden. Durch Öffnungen in dieser Hohlachse an geeigneten Stellen, z. B. auch in Abb. 3/9/10: -(25), -(38), -(41) im Bereich zu-oder abnehmenden Kammervolumens, oder Abb. 6/ 12/13/14: -(31), -(46) im Ansaug- u. Ausblasbereich, entstehen dieselben Voraus­ setzungen wie bei Feststoffkolben-Arbeitsmaschinen durch deren Ventil-Aus-und Einlässe, d. h. die hier beschriebene Maschine läßt sich sowohl als Antriebs­ maschine nach Abb. 1/2 (in weiteren Beispielen: Abb. 6 u. ff.), sowie auch als Verdichter betreiben, sofern die dafür jeweils notwendigen Funktionen an den oben bezeichneten geeigneten Stellen der Hohlachse "arbeitsphasengerecht" in­ stalliert werden, wie z. B. bei einer Verbrennungskraftmaschine nach Abb. 1/2 die Zündquelle und/oder die Brenngasgemischzufuhr bei -(12), -(16), Abgasaus­ laß bei -(8), ferner in Beispielen Abb. 6/7/8: -(33), -(34) u. -(35), bzw. in Abb. 12/13/14: -(46), -(47) und in Abb. 9/10/11 im Bereich -(38),-(41) -(42); oder z. B. Ansaugen und Ausblasen bei Verdichtern Abb. 3/4/5: -(26) und -(27).

Das Prinzip des flüssigen Kolbens vereinigt die Vorteile von Kolbenmaschinen und von Turbinen, vermeidet aber die jeweiligen Nachteile beider Systeme.

Der wesentliche Unterschied zur bekannten Zentrifugalpumpe (Kreiselpumpe) und der auf ihrem Prinzip beruhenden Antriebsmaschinen (Antriebs-Turbinen) ist:

Ein- und Auslaß liegen innerhalb vom Zentrifugalbereich des Flüssigkolbens, die Flüssigkeit des Flüssigkolbens bleibt als Bestandteil in der Maschine.

Die grundlegenden Vorteile des flüssigen Kolbens sind:

• - die Arbeitsräume sind im Gegensatz zu gebräuchlichen Turbinen in sich ab­ geschlossen; dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad und zu einem höhe­ ren Drehmoment, schon bei - im Vergleich zu gebräuchlichen Turbinen (insbesondere Gas- und Dampfturbinen) - relativ niedrigen Drehzahlen;
• - die Abdichtung der Arbeitsräume erfolgt durch den direkten Kontakt des flüssigen Kolbens mit den Wänden der Rotorkammern; dadurch werden alle Abdichtungsprobleme, Reibungs- und damit verbundene Schmier- u. Abnützungs­ probleme der Feststoff-Kolben herkömmlicher Kolbenmaschinen vermieden.

In folgenden Anwendungsbereichen, die anhand der beigefügten Abb. 1 bis 14 erläutert werden, ist die Anwendung des flüssigen Kolbens neuartig und erbringt wesentliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik:
Verdichter (Kompressoren), z. B. in der einfachen Bauweise mit kreisrunden Statorgehäuse und exzentrischem Rotor, z. B. nach Abb. 3/4/5 mit den wichtig­ sten Teilen: Statorgehäuse -(23), Rotor mit Rotorkammern -(24), Hohlachse -(25) mit Funktionsbereichen "Ansaugen" -(26) und "Austreiben" -(27), sowie Antriebs-Stirnrad -(15), der flüssige Kolben mit seiner Grenzfläche -(28) punktiert dargestellt; auf dieser Grundlage auch solche Verdichter (Kompres­ soren), in denen die thermischen Wirkungen der Verdichtung oder Entspannung von Gasen genutzt wird, z. B. in Kühlmaschinen, Wärmepumpen, Gasverflüssigungs­ maschinen, sowie die Kombinationen solcher Verdichter mit Antriebsmaschinen, gleicher (Flüssigkolben-) oder anderer Bauart, zu einer Wärme-Kraft-Kopplung;
Pumpen, welche nach dem beschriebenen Prinzip des flüssigen Kolbens arbeiten und durch sich wechselnd vergrößernde und verkleinernde Arbeitsräume flüssige und/oder gasförmige Medien ansaugen und weiterbefördern können;
Antriebsmaschinen, die durch unter Druck stehende, von außen zugeführte - mit dem flüssigen Kolben artgleiche oder andersartige - Flüssigkeiten angetrieben werden, wobei die Druckenergie der zugeführten Flüssigkeiten in den mit Hilfe des flüssigen Kolbens sich wechselnd vergrößernden und wieder verkleinernden Arbeitsräumen der Maschine in Bewegungs-bzw. Rotationsenergie umgesetzt wird;
Antriebsmaschinen, die durch unter Druck stehende, von außen zugeführte ver­ dampfliche Flüssigkeit angetrieben werden, wobei diese Antriebs-Flüssigkeit, z. B. Heißwasser, unter Volumenvergrößerung in gas- bzw. dampfförmigen Zustand übergeht, z. B. in Wasserdampf, und die bei dieser Volumenvergrößerung frei­ werdende Druckenergie in den wechselnd sich vergrößernden und verkleinernden Arbeitsräumen der Maschine in Bewegungs- bzw. Rotationsenergie umgesetzt wird;
Antriebsmaschinen, die durch unter Druck stehende, von außen zugeführte Gase oder Dämpfe angetrieben werden und deren Druckenergie unter Volumenvergrößer­ ung über die wechselnd sich vergrößernden und wieder verkleinernden Arbeits­ räume der Maschine in Bewegungs- bzw. Rotationsenergie umgesetzt wird;
Antriebsmaschinen, die generell als sogenannte Wärmekraftmaschinen, z. B. nach den in beiden vorgenannte Absätzen beschriebenen Prinzipien der Umsetzung von Druckenergie in Bewegungsenergie unter Volumenvergrößerung arbeiten, wobei die Druckenergie mit Wärmeenergie verknüpft ist, die unter Temperaturabfall zusammen mit dem Druckabfall, ebenfalls in Bewegungsenergie umgesetzt wird;
Antriebsmaschinen, die ähnlich den Wärmekraftmaschinen, jedoch speziell als sog. Verbrennungskraftmaschinen arbeiten und deren Wärme- u. Druckenergie aus der Verbrennung von flüssigem, gasförmigem oder flüssig-verdampflichem Kraft­ stoff entsteht und diese Wärme- und Druckenergie auf die in den vorigen Ab­ sätzen beschriebene Weise in Bewegungs- bzw. Rotationsenergie umgesetzt wird;
Antriebsmaschinen als Verbrennungskraftmaschinen, welche mit fortlaufend sich vergrößernden und wieder verkleinernden Brennräumen nach dem bekannten Otto- Motor-4-Takt-Prinzip arbeiten, indem ein beliebiges Brenngasgemisch, aus ein­ em Vergaser oder aus einer anderen Brenngasbereitungseinrichtung durch Brenn­ raumvergrößerung angesaugt, durch Brennraumverkleinerung verdichtet, dann ge­ zündet wird und durch Verbrennungsdruck die erneute Brennraumvergrößerung und damit auch die Antriebskraft bewirkt, wobei anschließend durch erneute Brenn­ raumverkleinerung Abgas ausgetrieben wird - als turbinenartig-kontinuierlich ablaufender Vorgang in den Rotorkammern einer Maschine mit flüssigem Kolben; das Statorgehäuse in diesem Fall mit vorzugsweise ovalem Querschnitt und mit­ tiger Lagerung des Rotors im Statorgehäuse, z. B. nach Abb. 6/7/8, wodurch das mitrotierende flüssige Medium als flüssiger Kolben die wechselnde Verkleiner­ ung und Vergrößerung der Brennkammern des Rotors bei jedem Umlauf, entsprech­ end dem 4-Takt-Otto-Prinzip je 2-mal, also 4-taktig bewirkt; z. B. Abb. 6/7/8; eine Variante ist die direkte Kraftstoff-Einspritzung beim Zündelement -(35);
die vorbeschriebene ovale Statorgehäuseform eignet sich auch für andersartige Aggregate, z. B. für einen Verdichter, in diesem Falle als "Zwilling", d. h. der Form entsprechend mit je 2 Ansaug- und Kompressions- bzw. Austriebsbereichen;
Verbrennungskraftmaschinen, welche nach dem Diesel-Prinzip arbeiten und in welchen zuerst Brennluftansaugung und darauffolgende Kraftstoffeinspritzung, sowie evtl. zusätzliche Zündhilfe über die feststehende Hohlachse erfolgt;
Verbrennungskraftmaschine nach dem 2-Taktprinzip, z. B. mit 2 gekoppelten ähn­ lichen Aggregaten mit etwa kreisrundem Statorgehäusen und exzentrisch gelag­ erten Rotoren (mit je nur 1-maliger Volumen-Vergrößerung und -Verkleinerung je Umlauf), das erste Aggregat als Ladepumpe, das zweite als Arbeits-Turbine, beide Aggregate mit gemeinsamer Hohlachse mit Überströmkanälen; Abb. 9/10/11;
bei einer ovalen Bauweise des Statorgehäuses mit zentrischer Lage des Rotors nach Art der Abb. 6 bzw. 12/13/14, kann statt dem dort dargestellten Vier­ taktprinzip 2 mal je Umlauf das Zweitaktprinzip eingerichtet werden, mit ent­ sprechend doppelseitiger Anordnung der 2-Takt-Funktionen in der Hohlachse; Verbrennungskraftmaschine, z. B. nach Abb. 1/2, in welcher die einzeln durch getrennte Düsen, oder durch eine Mischdüse -(12), -(16) in die Zündnische -(6) (als Vorbrennkammer) der feststehenden Hohlachse -(5) einzuspritzenden beiden Brenngaskomponenten, z. B. Wasserstoff und Sauerstoff sofort in der Zündnische kontinuierlich gezündet werden, und so je Umlauf nur je 1-malig Expansion und Austreibung, d. h. je Umlauf nur je 1 mal Vergrößerung und Verkleinerung des Rotorkammern-Brennraumes nötig wird, welches durch exzentrische Lagerung des Rotors -(3) im annähernd kreisrunden Statorgehäuse -(1), -(19) bewirkt wird;
eine weitere Vereinfachung entsteht, wenn die Brenngaseinspritzung einer oder beider Brenngasgemisch-Komponenten vorzugsweise durch ständig nahezu konstan­ ten Flüssiggas-Tankdruck, geregelt durch ein Regelventil, ohne Einspritzpumpe erfolgt; die Maschine wird dann durch Einspritzen und Zünden ohne Anlasser gestartet; dies sind ganz wesentliche Vorzüge gegenüber bekannten Motoren;
bei einer ovalen Bauweise des Statorgehäuses nach Abb. 6, bzw. Abb. 12/13/14 mit zentrischer Lage des Rotors, kann statt dem dort dargestellten Viertakt- Prinzip 2mal je Umlauf das vorgehend beschriebene Düsen-Prinzip eingerichtet werden mit entsprechend doppelseitiger Anordnung der vorgenannten Funktionen;
Verbrennungskraftmaschine als Wasserstoffmotor, z. B. nach Abb. 1/2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Vorteile des einheitlichen Wasser-Betriebs-Milieus hier vereinigt sind: Wasser als Hilfsmedium (als flüssige Verdichtungshilfe, beschrieben als flüssiger Kolben), ferner als Schmiermittel, als Kühlmittel, in Verbindung mit der Kühlwirkung auch als Zusatz-Expansionsmittel für die Wärme-in-Kraft-Umwandlung; die Möglichkeit einer vollständigen Abgaskondens­ ierung ohne Immissionen in die Umwelt; regelbare Rückführung von Wasser aus einem Kühler bzw. Expansionsraum und/oder Separator -(13) als zusätzliches oder ergänzendes Flüssig-Medium, auch zum Zwecke der Brennraumregulierung; schließlich auch Wasser als Kraftüberträger anstelle Pleuel und Kurbelwelle als ein besonderes Merkmal des flüssigen Kolbens, wie bereits beschrieben;
Wasserstoffmotor wie vorbeschrieben, dadurch gekennzeichnet daß er, gegenüber bekannten Wasserstoffmotoren, mit unvollkommenem gespaltenem Wasser, d. h. mit billigem, mit Restwasser vermischtem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden kann, die gerade noch zünd- und reaktionsfähig und ohne nennenswerte Brenngasreste umsetzbar sind; mit dem Vorteil, daß solches unreines Brenngas leichter und daher dezentral, in geeigneten mittelständischen Unternehmen und trotzdem genügend sicher, anstatt nur großindustriell produziert werden kann;
Verbrennungskraftmaschinen mit Wasser als flüssigem Kolben, die mit Vorzug, außer durch Wasserstoff, auch mit sonstigen wasserverträglichen und wasser­ gelösten Kraftstoffen angetrieben werden, z. B. durch konzentrierte Alkohole als umweltschonende Träger sogenannter "erneuerbaren natürlicher Energien".

Auch alle sonstigen, bisher entweder von Feststoffkolben-Arbeitsmaschinen oder von bekannten Turbinen-Typen beherrschten Anwendungsbereiche sind für die Neuerung des flüssigen Kolbens mit dem Erfolg von Vereinfachung und Ver­ besserung zugänglich, wie z. B. Mehrstufen-Aggregate zur stufenweisen Erhöh­ ung oder Verminderung einer Gasdichte, bzw. Vorverdichter für Arbeitsmaschin­ en, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, oder z. B. Bremswärmeturbinen.

Weiterentwicklungsmöglichkeiten von Flüssig-Kolben-Maschinen sind z. B.:

• 1. Daß zur Optimierung der Betriebs- bzw. Strömungsbedingungen in der Maschine, je nach Erfordernis, je nach Zweck und Maschinenart, für das Statorgehäuse von der kreisrunden, oder von der ovalen Querschnittsform abweichende ström­ ungsgerechte Formen verwendet werden (z. B. Abb. 12/13/14), insbesondere auch quer zur Drehebene liegende Ausweichräume des Statorgehäuses für das flüssige Medium (für den flüssigen Kolben) anstelle der bisher beschriebenen, exzent­ risch einseitig oder zweiseitig in Drehebene liegenden Ausweichräume;
• 2. Daß auch die Leitbleche im Statorgehäuse gesteuert drehbar sind, Abb. 1 -(2), bzw. Abb. 12/13/14 -(44), zum Zwecke der strömungsgerechten Anpassung an ver­ schiedene Betriebsbedingungen und/oder der Veränderung der Verbrennungsräume;
• 3. Daß für unterschiedliche Betriebsbedingungen, die bisher als im Statorgehäuse feststehend bezeichnete Achse/Hohlachse, entweder als Ganzes, oder bezüglich einzelner Funktionsbereiche wie z. B. Einspritz- bzw. Einblasstelle, Gasaus­ trittsstelle, Zündelement, Zündnische, und anderer an der Hohlachse zu lokal­ isierenden Funktionen, gegenüber dem Statorgehäuse gesteuert verdrehbar ist im Sinne einer last- u. drehzahlabhängigen Phasenverschiebung der Funktionen.
• 4. Daß die vorgenannten Funktionsteile auch ganz oder teilweise an anderen Stel­ len der Maschine, z. B. am Statorgehäuse angebracht sein können, wobei im ers­ teren Fall die Achse nicht hohl (keine Hohlachse) sein muß bzw. an ihre Stelle eine mit dem drehenden Rotor fest verbundene Antriebstriebswelle treten kann;
• 5. Daß der bisher als Stator (als Statorgehäuse) beschriebene Teil der Maschine rotiert und der bisher als Rotor beschriebene Teil feststeht, mit entsprech­ ender Adaption der übrigen Funktionsteile der Maschine und ihrer Unterbring­ ung an geeigneten Stellen, entsprechend Zweck und Nutzung der Maschine;
  • 5.a. Daß Rotor und Stator beide gegeneinander, d. h. gegenläufig rotieren;
  • 5.b. Daß zwischen Rotor und Stator ein oder mehrere selbständige konzentrische Leiträder (Leitkränze) mit eigenen Schaufeln oder Blättern bzw. Kammern, den Rotor umfassend, feststehend oder selbständig drehbar angeordnet sind, um die Leistungsanpassung der Maschine an unterschiedliche Last- und Drehzahlver­ hältnisse durch die in den Leiträdern möglichen Bewegungs- und Kraftumlenkun­ gen noch zu verbessern;
• 6. Daß der flüssige Kolben nicht nur aus reiner, einstofflicher Flüssigkeit bestehen kann, sondern für verschiedenartige Anforderungen auch aus zähflüs­ sigen, plastischen, oder zähplastischen, oder fließend-verformbar-elastischen Stoffen, oder aus fließfähigen und/oder verformbaren Körpern und Gemengen aus flüssigen, festen, gasförmigen und vergasbaren löslichen und unlöslichen oder in bezug z. B. ihres Siedepunktes oder spezifischen Gewichtes ausgewählten Stoffen in beliebiger Mischung und in beliebiger Form-Stabilisierung;
• 7. Daß der flüssige Kolben ein besonderer, mehr oder weniger elastisch und/oder plastisch verformbarer, selbständiger Körper sein kann und mit andersartigen flüssigen oder fließfähigem Medien zusammenwirkt, indem er in den letzteren als einer oder mehrere solcher selbständigen Körper schwimmend oder gleitend beweglich ist, ohne sich darin aufzulösen; siehe hierzu z. B. Abb. 13 -(48);
• 8. Daß die Arbeitsräume/Rotorkammern außer durch die beschriebenen Kammerflügel auch noch durch zusätzliche Trennwände, z. B. parallel zu Boden und Deckel des Rotors, oder in anderer Stellung und Formgebung, ganz oder teilweise unter­ teilt sein können, z. B. bei entlang der Drehachse verbreiterter Bauweise.
  • 8.a. Daß entsprechend - 8. zusätzliche Trennwände zwischen eventuellen Leitelemen­ ten, Schaufeln und Blättern, auch von Stator und Leiträdern angeordnet sind.

Erläuterungen zu den Zeichnungen.

Drehsinn in allen Darstellungen rechtsdrehend nach dem Uhrzeigersinn.

Abb. 1. Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine nach Ansprüchen 12) bis 15). in Grundrißdarstellung, d. h. in der Rotationsebene geschnitten:

(1) Statorgehäuse, (2) Leitbleche Anspruch 7), (3) Rotor mit Kammern, (4) Rotorflügel = Kammertrennwände, (5) Hohlachse mit (6) Zündnische bzw. Vorbrennkammer, (7) + (18) Kühlwassermantel der doppelwandigen Hohlachsentrennwand zwischen Abgas- und anderen Bereichen, mit Druckausgleichskanal, (8) Abgas-Sammelnische, (9) Abgasrohr zum Separator bzw. Vorkühler, (10) Abgas-Leitbleche; (11) ideale Grenzfläche Gas/Flüssigkeit des flüssigen Kolbens Anspruch 1) u. 2), (12) Brenngasgemisch-Einspritzdüse u. Zündelement (Glüh-Zündkegel bzw. elkt. Lichtbogenpol) Abb. 2. Querschnittszeichnung, der Abb. 1 zugeordnet, Schnitt in d. Drehachse:

(13) Vorkühler für Abgas bzw. Separator zur Flüssigkeitsrückführung (Höhe verkürzt bzw. unterbrochen dargestellt), (14) Übertritt vom Separator zum Nachkühlregister bzw. Restgasauslaß, (15) Kraftübertragung vom Rotor nach außen über Kegelrad-Zahnscheiben, (16) Brenngasgemisch-Einspritzdüse u. Zündelement (Glüh- od. Lichtbogenelement, wie (12)!) (17) Drehlager für Hohlwelle (20) des Rotors (3) im Statorgehäuse (19) (alle drehenden Teile in der ganzen Abb. 2 sind schraffiert), (18) doppelwandige, flüssigkeitsgekühlte Trennwand der Hohlachse (5), (19) Statorgehäuse (Boden bzw. Deckel), (20) Hohlwelle des Rotors, (21) geregelte Rückspeisung ausgetragener Flüssigkeit aus Separator, (22) geregelter Abfluß einer Teilmenge des flüssigen Hilfsmediums zum Separator, (21) und (22) dienen zusammen der Brennraumregelung; in (21) und (22) strömungsgerechtes Schnittprofil dieser Kanäle in Strömungsrichtung punktiert (umgeklappt) dargestellt (siehe auch Abb. 1, rechts, bzw. rechts oben !); Abb. 3. Grundform des hydraulischen Verdichters als Gaspumpe (rechtsdrehend), Grundrißdarstellung, in Rotationsebene geschnitten, Flüssigkeitsbe­ reich punktiert (die Pfeile darin = Bewegung des flüssigen Kolbens) (23) Statorgehäuse, (24) Rotor mit Kammern, (25) Hohlachse mit (26) Gas-Ansaugkanal, (27) ventilloser Austritt komprimiertes Gas, (28) ideale Grenze zwischen Flüssigkeit und Gas, Abb. 4. Querschnitt, dem Grundriß Abb. 3 zugeordnet, Schnitt a-a, Abb. 5. Querschnitt, dem Grundriß Abb. 3 zugeordnet, Schnitt b-b, in beiden Schnitten (Abb. 4 + 5) die gleichen Bezifferungen der Teile; Abb. 6. Grundform des hydraulischen Verdichters als Verbrennungskraftmaschine nach Anspr. 12, u. zwar nach dem 4-Takt-Otto-Prinzip mit ovalem Stator z. B. nach Anspr. 17; Grundrißzeichnung, in Rotationsebene geschnitten:

(29) Statorgehäuse, (30) Rotor mit Kammern, (31) Hohlachse (32) ideale Grenze zwischen Gasbereich und Flüssigkeitsbereich (33) Abgas-Ausstoß, (34) Brenngasgemisch-Ansaugung, (35) Zündnische mit Zünd- und/oder Glühelement, Abb. 7. Schnitt-Zeichnung, der Abb. 6 zugeordnet, in Achsenmitte geschnitten; Abb. 8. vergrößerte Grundrißdarstellung der Zündnische (35) aus Abb. 6, mit Darstellung der unter Anspr. 12 bezeichneten Ausbreitung des Ver­ brennungsvorganges von einer Rotorkammer auf die nächstfolgende; in den Abb. 6, 7+8 gelten die gleichen Bezifferungen der Einzelteile; Abb. 9., 10. u. 11. Darstellung des Beispiels einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspr. 12, und zwar hier nach dem Zweitaktprinzip, dargestellt in den Grundrissen die Ladepumpe (Vorverdichter) Abb. 9, und die Arbeits­ turbine Abb. 10; der Abb. 9 + 10 ist der Schnitt Abb. 11 zugeordnet:

(36) bzw. (39) jeweils das Statorgehäuse, (37) + (40) die Rotoren, (40) auch die Querteilung der Rotorkammern, (38) + (41) gemeinsame Hohl­ achse mit 2-Takt-Überströmkanälen, (42) Zündnische mit Zündelement; Abb. 12., 13. u. 14. Beispiele der Statorgehäuse-Form-Variierung nach Anspr. 17 und der Phasenverschiebung nach Anspr. 18, (siehe z. B. Abb. 13) mittels Drehung der Hohlachse, sowie der stellbaren Leitbleche nach Anspr. 7:

(43) Statorgehäuse, (44) Leitbleche, (45) Rotor, (46) Hohlachse, (47) Zündung; außerdem in Abb. 13: (48) Flüssigkolben-Körper Anspr. 21.

Claims (32)

1. Verdichter/Antriebsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verrichtung der Arbeit geschlossene Arbeitsräume verwendet werden und daß diese Ar­ beitsräume auf einer Seite durch ein flüssiges Medium abgeschlossen wer­ den und daß durch Bewegung dieses Mediums die Arbeitsräume verkleinert und vergrößert werden und dadurch z. B. eine Komprimierung bzw. Dekom­ primierung von Gasen in den Arbeitsräumen bewirkt werden kann; dieses flüssige Medium soll als "flüssiger Kolben" bezeichnet werden.

2. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der "flüssige Kolben" vermöge seiner Strömungseigenschaften, evtl. über entsprechende zusätzliche Vorrichtungen, seine kolbenartige Hin- und Herbewegung in Antriebs-Drehbewegung umsetzen kann und umgekehrt.

3. Verdichter/Antriebsmaschine mit einem flüssigen Kolben nach Anspruch 1 und/oder 2, in Form einer Rotationsmaschine, beispielsweise nach Abb. 1 und Abb. 2, bestehend aus einem Statorgehäuse -(1), einem Rotor -(3) und einer Achse -(5), welche vorzugsweise hohl ausgebildet ist (Hohlachse).

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Boden und ein Deckel, z. B. in Abb. 1/2: -(3), mit zwei oder mehreren Flügeln -(4) derart verbunden sind, daß dadurch Arbeitsräume (Rotorkammern) von kreissegment­ förmigem Querschnitt in Drehebene, also Zylindersegmente entstehen, die nur zur Hohlachse -(5) hin und in entgegengesetzter Richtung offen sind, wobei die Flügel vorzugsweise, ihrer Funktion entsprechend, strömungs­ günstig geformt sind; z. B. Abb. 1: -(4), Abb. 12/13/14: -(45); der Rotor als Ganzes drehbar gelagert auf der Achse (Hohlachse) nach Anspr. 3.

5. Statorgehäuse nach Anspruch 3, vorzugsweise als Zylinder geformt und ringsum geschlossen, bzw. gegen die es durchdringenden Teile abgedichtet, z. B. in Abb. 1/2: -(1)-(19); in Abb. 3/4/5: -(23); Abb. 9/10/11: -(36)-(39).

6. Achse bzw. Hohlachse nach Anspruch 3, die mit dem Statorgehäuse nach An­ sprüchen 3 und 5 fest verbunden und daher unbeweglich sein kann; Abb. 2: -(5); Abb. 3/4/5: -(23)-(25)-(26)-(27), Abb. 9/10/11: -(36)-(38)-(39)-(41).

7. Statorgehäuse nach Anspruch 5, in welches zur Stabilisierung des Ström­ ungsverhaltens eines in ihm befindlichen flüssigen Mediums, nach Anspr. 1 als flüssiger Kolben bezeichnet, Leitelemente (Leitbleche) in strömungs­ günstiger Form eingebaut sind, welche starr oder beweglich sein können; z. B. in Abb. 1:-(2); in Verbindung mit Anspr. 17) auch Abb. 12/13/14:-(44).

8. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß gleichzeitig mit der Drehung des Rotors um die Achse/Hohlachse ein im Statorgehäuse befindliches flüssiges Medium (flüssiger Kolben) sich ebenfalls dreht und aufgrund der Zentripetalkraft der Statorgehäuse- Außenwand folgend einen Flüssigkeitsring mit verbleibendem, etwa kreis­ runden, zylindrischen Freiraum im Zentrum bildet, wobei Boden, Deck­ el und Flügel des Rotors bei Drehung von Rotor und Flüssigkeitsring stän­ dig, oder zumindest zeitweise in die Grenzfläche des Flüssigkeitsringes eingetaucht und währenddessen die Arbeitsräume zwischen Boden, Deckel und Flügel durch den Flüssigkeitsring zur Statorgehäuse-Außenwand hin, d. h. in Richtung der Zentripetalkraft nach außen abgedichtet bleiben; z. B. in Abb. 1: -(11) u. in ff. Abb.: Darstellung Grenzfläche Flüssigkeit/Freiraum.

9. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotor nach Anspr. 3 und 4, einen abgedichteten, drehbaren Sitz auf der Achse/Hohlachse nach Anspr. 3 und 6 hat und damit die Ar­ beitsräume (Rotorkammern), ergänzend zur Abdichtung nach Anspr. 8, stets auch zur (Hohl)Achse, nach innen abgedichtet bleiben; Abb. 2: -(5), -(20).

10. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspr. 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlachse mit dem Rotor exzentrisch im Statorgehäuse sitzen kann und demzufolge bei Rotation von Rotor und flüssigem Medium (flüssig­ em Kolben) in den Zylindersegmenten des Rotors (in den Rotorkammern) nach Anspruch 4 sich verkleinernde und wieder vergrößernde Arbeitsräume durch den Flüssigkeitsring nach Anspr. 8 im Sinne von Anspruch 1 entstehen. Hierzu Abb. 1: -(11) u.ff. wie bei Anspr. 8).

11. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspr. 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achse/Hohlachse nach Anspruch 3 und 6 an geeigneten Stel­ len Funktionsteile hat, wie z. B. Einlaß- bzw. Ansaugöffnung, sowie Aus­ laß- bzw. Ausblasöffnung, und ggf. auch ein Zündelement, so daß bei Dreh­ ung von Rotor und flüssigem Kolben in den einzelnen Rotorkammern in bezug auf deren Inhalt phasengerecht Funktionen bewirkt werden, welche entweder einen Verdichter oder eine Antriebsmaschine charakterisieren, je nach Art der Funktionsteile, z. B. einen Verdichter nach Abb. 3/4/5:-(26),-(27), An­ triebsmaschinen nach Abb. 1/2:-(6),-(8),-(9),-(12),-(16); Abb. 6/7/8:-(33), -(34),-(35); Abb. 9/10/11: -(38),-(41),-(42); Abb. 13/14/15: -(46),-(47).

12. Antriebsmaschine mit Zündung von brennbarem Gasgemisch, z. B. nach Anspr. 11, mit einem Zündelement vorzugsweise nach Art einer Glühkerze, wobei das Zündelement in einer Nische oder Vorbrennkammer der Achse/Hohlachse nach Anspr. 3 bzw. 6, 9, 10 und 11 eingebettet sein kann, wodurch bei drehendem Rotor eine ununterbrochene Fortpflanzung der Verbrennung immer von einem Arbeitsraum (Rotorkammer) auf den nächstfolgenden über­ tragen wird; siehe hierzu z. B. Abb. 8, den Abb. 6 und 7 zugeordnet.

13. Hohlachse nach Anspruch 3, 6, 9, 11, 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsstellen auf der Hohlachse nach Anspr. 11 u. 12 in Verbindung mit entsprechenden, durch die Hohlachse hindurch aus dem Innenraum der Maschine heraus nach außen führenden Funktionskanälen für Einlaß, Auslaß, Zündung usw. stehen; z. B. in Abb. 1/2: -(6), -(8) -(9); Abb. 3/4/5: -(25), -(26),-(27); Abb. 6/7/8:-(31)-(33)-(34)-(35); Abb. 9/10/11:-(38)-(41)-(42).

14. Funktionskanäle nach Anspruch 13, erweitert um einen Kanal in- und/oder außerhalb der Hohlachse, von außen in das Statorgehäuse, für die Rück­ führung von mit dem Gas-Auslaß unerwünscht ausgetragenem und durch eine nachgeschaltete Expansions- bzw. Separationskammer aufgefangenem flüssi­ gem Medium, zur Erhaltung von Umfang und Funktion des flüssigen Kolbens; z. B. in Abb. 1/2: -(7), -(18), -(13), -(14), -(21), -(22).

15. Antriebsteil, z. B. Zahnritzel, Riemen- oder Reibrad, oder andere Kraft­ übertragungselemente, welche mit dem Rotor verbunden sind und die Drehung des Rotors mit den außerhalb des Statorgehäuses liegenden mechanischen Teilen der beschriebenen Maschine koppeln; z. B. in Abb. 2: -(20), -(15); Abb. 4/5: -(15); Abb. 7: -(15); Abb. 11: -(15).

16. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspr. 1 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Funktionsteile Anspr. 11 u. 12 ganz oder teilweise an an­ deren Stellen der Maschine, z. B. am Statorgehäuse angebracht sein können, wobei die Achse Anspr. 3, 6, 11, 12 u. 13, wenn sie keine Funktionsteile hat, nicht hohl (als Hohlachse) ausgebildet sein muß, oder an ihre Stelle eine mit dem Rotor verbundene Antriebswelle/Abtriebswelle treten kann.

17. Statorgehäuse nach Anspr. 3, 5, 7, 14, dadurch gekennzeichnet, daß in Er­ weiterung von Anspr. 5 durch andere Formgebung als in Anspr. 5 beschrie­ ben, zwei oder mehr Arbeitstakte je Umlauf möglich werden; z. B. in Abb. 6.

18. Verdichter/Antriebsmaschinen nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für unterschiedliche Betriebsbedingungen, die in Anspr. 6 u. ff. Ansprüchen, als im Stator möglicherweise feststehend bezeichnete Achse/Hohlachse, oder andere Funktionenträger nach Anspr. 16, entweder im Ganzen oder hinsichtlich einzelner Funktionsbereiche, wie z. B. Einspritz­ bzw. Einblasstelle, Gasaustrittsstelle, Zündelement, Zündnische und ander­ er Funktionen gesteuert verdrehbar bzw. in anderer Weise veränderbar sind.

19. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspr. 1 bis 18, wobei jedoch der bis­ her als Stator (als Statorgehäuse) beschriebene Teil der Maschine rotiert und der bisher als Rotor beschriebene Teil feststeht, mit entsprechender Adaption der übrigen Funktionsteile der Maschine und ihrer Unterbringung.

20. Flüssiger Kolben nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er nicht nur aus einer reinen, einstofflichen Flüssigkeit bestehen kann, sondern für verschiedenartige Anforderungen, auch aus zähflüssigen, plastischen, oder zähplastischen, oder fließend-verformbaren, elastischen Stoffen, oder aus fließfähigen und/oder verformbaren Körpern und Gemengen aus flüssigen, festen, gasförmigen und vergasbaren, löslichen und unlös­ lichen, oder in bezug z. B. ihres Siedepunktes oder spezifischen Gewichtes ausgewählten Stoffen in beliebiger Mischung und Form-Stabilisierung.

21. Flüssiger Kolben nach Anspr. 1 und/oder 2 in Verbindung mit Anspr. 20 als besonderer, mehr oder weniger elastisch und/oder plastisch verform­ barer, selbständiger Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er mit andersar­ tigen flüssigen oder fließfähigem Medien zusammenwirkt, indem er in letz­ teren als ein oder mehrere selbständige Körper schwimmend oder gleitend beweglich ist, ohne sich darin aufzulösen oder mit ihnen zu vermischen; z. B. in Abb. 13: -(48), an die Kammerflügel anliegende verformbare Körper.

22. Rotor in Verdichtern und Antriebsmachinen nach Anspr. 4 u. ff., dadurch gekennzeichnet, daß seine Arbeitsräume nicht nur durch die beschriebenen Kammerflügel, sondern auch durch zusätzliche Trennwände, z. B. parallel zu Boden und Deckel des Rotors, oder in anderer Stellung und Formgebung, ganz oder teilweise unterteilt sein können; z. B. in Abb. 10/11 bei -(40).

23. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspruch 19, wobei jedoch Rotor und Stator (Statorgehäuse) beide gegeneinander, d. h. gegenläufig rotieren.

24. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspr. 3 bis 23, wobei jedoch zwischen Rotor und Stator (Statorgehäuse) ein oder mehrere selbständige konzentri­ sche Leiträder (Leitkränze) mit eigenen Schaufeln, Blättern bzw. Kammern, den Rotor umfassend, feststehend oder drehbar, angeordnet sein können.

25. Stator (Statorgehäuse) in Verdichtern und Antriebsmaschinen nach Anspr. 5 u. ff., dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen seinen eventuellen Leit­ elementen nach Anspr. 7, entsprechend wie beim Rotor in Anspr. 22 be­ schrieben, zusätzliche Trennwände angeordnet sein können.

26. Leiträder nach Anspr. 24 in Verdichtern und Antriebsmaschinen nach An­ spruch 2 u.ff., dadurch gekennzeichnet, daß zwischen ihren eventuellen eigenen Schaufeln, Blättern oder in ihren Kammern, entsprechend Anspr. 22 zusätzliche Trennwände angeordnet sein können.

27. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspruch 1 bis 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Erweiterung von Anspr. 14 der Expansions- und Separat­ ionskammer ein Kühler nachgeschaltet ist, welcher Kondensation und Kühl­ ung von ungewollt ausgetragenem verdampftem flüssigen Medium des flüssi­ gen Kolbens und bei Verbrennungskraftmaschinen auch der kondensierbaren Abgase bewirken kann, damit bei letzteren möglichst wenig Abgase nach außen dringen und somit ein dem Kühler angeschlossener Abgas-Auspuff mehr oder weniger nur noch die Funktion eines Druckausgleichventiles erfüllt, und daß dieser Kühler gleich wie Expansions- und Separationskammer durch eine Rückführleitung für das anfallende Kondensat mit dem Statorgehäuse verbunden ist im Sinne von Anspr. 14, und daß überschüssiges Kondensat in einem Auffangbehälter des Kühlers zu späterer Entsorgung aufgefangen, je­ doch bei Bedarf ebenfalls in des Statorgehäuse rückgeführt werden kann.

28. Verdichter/Antriebsmaschine nach Anspruch 2 bis 27, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Erweiterung von Anspr. 14 und 27 ein separater und evtl. geregelter Kühlkreislauf zwischen Statorgehäuse und dem Kühler nach Anspr. 27 oder einem von diesem getrennten, besonderen Kühler das flüs­ sige Medium des flüssigen Kolbens nach Bedarf kühlen kann.

29. Vorratsbehälter für flüssiges Hilfsmedium mit geregelter Zufuhr zum Stat­ orgehäuse zum Zwecke der geregelten Ergänzung und Erhaltung des Umfanges des flüssigen Kolbens; dieser Vorratsbehälter kann mit dem Kühler Anspr. 27 bzw. mit der Expansions- u. Separationskammer Anspr. 14 identisch, oder mit diesen gekoppelt, oder aber getrennt von diesen sein.

30. Regelkreislauf in Ergänzung Anspr. 29, zwischen Vorratsbehälter und/oder Auffangbehälter bzw. Expansions- und Sparationskammer zur Veränderung des Umfanges des flüssigen Kolbens für eine Anpassung desselben an Betriebs­ bedingungen bzw. Leistungsanforderungen.

31. Pumpe mit flüssigem Kolben nach Anspr. 1 bis 30, die mit oder ohne dem Ziel der Druckerhöhung der Förderung von komprimierbaren Medien dient.

32. Pumpe oder Antriebsmaschine nach Anspr. 1 bis 32 mit flüssigem Kolben, die auch flüssige Stoffe fördert oder durch solche angetrieben wird.