EP1529928B1

EP1529928B1 - Umweltfreundlicher druckgasbetriebener Kreiskolbenmotor mit seinem thermodynamischen Kreislaufprozess

Info

Publication number: EP1529928B1
Application number: EP04090285A
Authority: EP
Inventors: Klaus Herrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2024-07-21
Also published as: DE10352520B4; ATE421633T1; ES2320762T3; EP1529928A1; DE502004008900D1; DK1529928T3; DE10352520A1; PL1529928T3; PT1529928E

Description

Die Erfindung betrifft ein Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, zum Betreiben von stationären oder mobilen Kraftmaschinen sowie von Druckluftwerkzeugen und -geräten mittels Druckgas, bei dem in einem Kreislaufprozeß in einem kälteisolierten Tank im kalten flüssigen Zustand gespeichert wird, wobei die Umweltwärme über die Verdampfung des Arbeitsmediums im Tank einen Gasdruck erzeugt und das flüssige Arbeitsmedium in einen Verdampfer geleitet und aus diesem im gasförmigen Zustand zur weiteren Erwärmung in eine Expandereinheit mit einer Brenneinheit geführt und das gasförmige Arbeitsmedium im Gegenstrom den ersten Rekuperator der Brenneinheit durchströmt und danach die Außenwände des Erhitzers der Expandereinheit abkühlt, das aus der Expandereinheit austretende Arbeitsmedium in einen Motor expandiert und überschüssiges Arbeitsmedium aus dem Motor über eine Abgas- und Schalldämpfefeinheit in die Umwelt ausgestoßen wird.
Es ist bekannt, verdichtete Luft als Arbeitsmedium zum Betrieb von Druckluftwerkzeugen und -geräten sowie für Kraftmaschinen zu benutzen. So gibt es Druckluft- und Druckgasmotoren, die unter der Bezeichnung Rotationskolbenmotoren, Zahnradmotoren, Schraubenmotoren, Flügelzellenmotoren und Druckluftturbinen bekannt sind. Die Drucklufttechnik gilt als sehr robust, zuverlässig und kompakt. Auch zeichnen sich die Druckluft- und -gasantriebe, bedingt durch die geringe Dichte von Luft und Gasen, durch ein sehr gutes Schnellstartverhalten aus. Die kontinuierliche und unbegrenzte Verfügbarkeit der Arbeitsmedien Luft und Gas aus der Atmosphäre und deren Speicherbarkeit machen die Druckluftspeichertechnik interessant für Anwendungen zur Speicherung regenerativer Energien. So sind zum Beispiel in der Stromversorgung bei Spitzenstrombedarf, Druckluftspeicher bekannt, die ein Druckluftfluid einer Turbine zuführen, die über einen Generator Strom erzeugt. Die Erzeugung von Druckluft mit konventionellen Anlagen ist sehr teuer, weil bei diesen Verfahren hochwertige Elektroenergie in einem Verdichter in Druckluft umgewandelt wird. Es ist auch bekannt, mit gespeicherter Druckluft, von etwa 200 bar Spannung als Antriebsenergie, Fahrzeuge anzutreiben. Dabei handelt es sich um Speziallokomotiven im, von Schlagwettern gefährdeten, Bergbau unter Tage. Diese Lokomotiven werden aus einem besonderen Leitungsnetz mit Druckluft versorgt. Sie sind teuer und haben aufgrund der begrenzten Aufnahmekapazität der Speicherbehälter für die Druckluft einen geringen Aktionsradius, der einer Anwendung über Tage entgegensteht.
Es ist auch ein Fahrzeugantrieb bekannt, der sein Arbeitsmedium aus einem Speicher für Druckluft bezieht und Personenkraftfahrzeuge antreibt. Dessen Aktionsradius soll etwa 200 km betragen, wobei dafür 300 I Druckluft bei 300 bar benötigt werden sollen. Zur Verbesserung des Aktionsradiuses ist vorgesehen, das Kraftfahrzeug zusätzlich mit einem Benzintank auszurüsten, um außerhalb der Städte durch den Fahrer ein Umschalten von Druckluftantrieb auf konventionellen Antrieb zu ermöglichen, um in dichtbesiedelten Bereichen den Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren erheblich zu senken. Nachteil dieses Fahrzeugantriebs ist der hohe Strombedarf zur Erzeugung von Druckluftspeichermasse von bis zu 65kw für 200 km Fahrstrecke. Außerdem ist teuere Werkstofftechnik für den Motor erforderlich, um die Explosion (Verbrennungshitze) und Expansion (Kälte) der Druckluft zu bewältigen und um ausreichende Standzeiten für den Motor zu gewährleisten.
Bekannt ist auch ein Wasserdampfmotor, in dem das Arbeitsmedium Wasserdampf in einem geschlossenen Arbeitskreislauf eingesetzt ist. Ein Verdampfer erhält dabei Arbeitsmedium durch eine Verbrennungseinheit modernster Brennstoff- und Brennwerttechnik. Bei einer schadstoffarmen Verbrennung verdampft das Wasser, wird in heißes Gas umgewandelt und treibt einen Hubkolbenmotor mit einem Kurbelwellengetriebe an. Über einen Kondensator wird der Wasserdampf wieder verflüssigt und in den Kreislauf zurückgeführt. Als Arbeitsmedium kann Erdgas, Benzin, Diesel, oder Biodiesel eingesetzt werden. Nachteilig ist jedoch der hohe Exergieverlust bei der Verdampfung von Arbeitsmedium und Brennstoffmedium sowie der Energieaufwand für die Kurbelwelle des Motors mit zwei Totpunkten pro Arbeitsgang.
Aus dem Stand der Technik ist auch ein Heizgasmotor nach dem Stirling- Prinzip bekannt. Dieser Motor benutzt als Arbeitsmedium Helium. Dieses System wird zum Beispiel als dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung und als Wärmekraftkopplung erprobt. Es ist umweltfreundlicher als der Verbrennungsmotor mit seiner Energie vernichtenden Technik und seinem Schadstoffausstoß. Nachteilig ist jedoch der große Volumenbedarf der Anlage und die fehlende Dynamik für den Fahrzeugantrieb.
Dem Stand der Technik ist auch die Brennstoffzellentechnik zuzuordnen. Diese Technik, benötigt als Arbeitsmedium Wasserstoff. Dieser wird einerseits aus fossilen Brennstoffen und andererseits aus Methanol erzeugt. Das Abgasprodukt ist Wassergas. Nachteile dieses Verbrennungsverfahrens ist, daß Wasserstoff explosionsgefährlich ist und viel Primärenergie verbraucht. Bei der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen entstehen Umweltbelastungen und bei der Herstellung aus Methanol wird viel Biomasse verbraucht. Das Abgasprodukt Wassergas ist ein Treibhausgas und beeinflußt das Umweltklima nachhaltig negativ. Alle regenerativen Energiewandler haben den großen Nachteil, daß die Energiewandlung großen Schwankungen unterliegen, die sich aus den natürlichen Gegebenheiten ergeben. So müssen beispielsweise Windkraftwerke und fossile Kraftwerke zu einem weit überwiegenden Anteil die erzeugte Energie als Regelungsenergie nutzen. Ist dies nicht möglich, so wird die eigentlich aufgenommene bzw. umgewandelte Energie ungenutzt wieder in die Umwelt entlassen.
Aus der DE 199 11 321 A1 ist auch eine druckluftbetriebene Kraftmaschine bekannt, die das Arbeitsmedium Luft in einem separaten durch Vakuum isolierten Tank im flüssigen Zustand speichert. Die flüssige Luft wird in einem Verdampfer durch die Umweltwärme verdampft und dann in einen Druckluftmotor expandiert. Zusätzlich werden die anfallenden mechanischen Energien eines fahrenden Kraftfahrzeugs in Druckgas umgewandelt und in den Kreislauf zurückgeführt. Nachteilig an dieser Lösung ist der hohe Bedarf an flüssiger Luft.
In dem Gebrauchsmuster DE 201 15 657 U1 wird das gleiche System wie in der DE 199 11 321 A1 mit einer zusätzlichen elektrischen und mechanischen Wärmequelle als Energiewandler offenbart. Als Arbeitsmedium wird flüssige Luft oder Stickstoff angegeben. Nachteilig an dieser Lösung ist der hohe Verbrauch an flüssiger Luft oder Stickstoff. Eine Reduzierung des Verbrauchs durch eine zusätzliche Wärmequelle wird durch den Energieaufwand zur Erzeugung der Arbeitsmedien wieder aufgebraucht. Auch die DE 202 14 238 V1 offenbart eine Lösung, die das verwendete Arbeitsmedium zu 100% in den Motor befördert. Die Lösung in Form eines offenen Kreislaufs erfordert zwar weniger technischen Aufwand, aber dafür ein erhebliches Tankvolumen und viel Elektroenergie zur Herstellung der flüssigen Luft oder des Stickstoffs.
Schließlich wird in der Druckschrift US - A- 3 998 059 ein Kraftsystem zum Antrieb von beispielsweise Werkzeugmaschinen oder Fahrzeugen vorgestellt. Die Erfindung offenbart ein Kraftsystem, das einen wärmeisolierten Lagerbehälter umfaßt, der flüssiges Arbeitsmedium beispielsweise flüssigen Stickstoff speichert, das flüssige Medium soll mit Hilfe einer Förderpumpe in den Arbeitskreislauf aber zunächst in einen oder mehrere Verdampfer gepumpt und dort in ein gasförmiges Arbeitsmedium umgewandelt werden, über einen oder mehrere Wärmetauscher soll das Arbeitsmedium auf mindestens 200°C über die kritische Temperatur erhitzt, in einen Wärmespeicher geleitet und weiter erwärmt werden. Die Lösung sieht auch vor, im Wärmespeicher aus Salzen oder Salzgemischen durch deren Erwärmung und Verflüssigung Arbeitsmedium zu erzeugen. Die Erwärmung soll aus der Wärme von Auspuffgasen oder durch Elektroenergie erfolgen.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, den bekannten Druckluftantrieb zum Betreiben stationärer und besonders mobiler Kraftmaschinen mittels Druckgas so weiterzuentwickeln, daß erneuerbare und regenerative Energiequellen zu nutzen und deren Energieeffizienz zu steigern ist, Verluste an überschüssigen Arbeitsmedium minimiert, keine Schadstoffe erzeugt und die bisherigen Arbeitsmedien völlig durch den Einsatz von Druckluft und Druckgas zu ersetzen sind. Dabei soll das aus erneuerbaren und regenerativen Energiequellen hergestellte Arbeitsmedium außerhalb eines Zylinderraums erzeugt werden, im flüssigen und gasförmigen Zustand zwischenzuspeichern und sofort wieder abrufbar sein sowie in einem geschlossenen und in einem teilgeschlossenen Kreislaufprozeß genutzt werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders hervorzuheben ist, nach Anspruch 3, der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Arbeitskolben der Kraftmaschine. Die halbkugelförmigen und senkrecht geteilten Arbeitskolben, die auf der Expansionsseite eine doppelte Arbeitsfläche für das Arbeitsmedium aufweisen und deren Halbkugelform sich an die Form des kugelförmigen Druckverteilers anpaßt, hat nämlich zur Folge, daß sich die Arbeitsfläche der Arbeitskolben nochmals um das 1,5-fache einer planen Arbeitsfläche vergrößert.
Die erfindungsgemäßen Kolbenpaare sind, nach Anspruch 4, werden vorteilhaft mit mehreren Dauer- oder Elektromagneten zusammengehalten, bis der Lavaldruck in der Diffusoreinheit erreicht ist. Dabei fliegen die Kolbenpaare in einer Kreisbahn auseinander und die Magnete ziehen nach dem Verschiebungsakt die Kolbenpaare wieder zusammen.
Hervorzuheben ist auch, daß, gemäß Anspruch 5, der Druckspeicherkessel über eine erste Expansions- und Volumeneinheit mit der Mischkühlung der Expansionseinheit, über die dritte druckgeregelte Leitung mit der Expandereinheit, über eine zweite Kupplung und den ersten Verdichter mit. einem mechanischen Antriebsteil und über eine vierte Leitung mit dem dritten Verdichter verbunden ist, wodurch alle in Arbeitsmedium umgewandelten überschüssig erzeugten mechanischen, thermischen und kinetischen Energien im Druckspeicherkessel zwischen zu lagern und von diesem in den Arbeitskreislauf abrufbar sind.
Durch den Aufbau des mechanischen Antriebsteils, gemäß Anspruch 6, mit einem Freilauf einer Schwungscheibe, einer Kupplung mit einem ersten Getriebe und mindestens einer Spiralfeder, das über eine zweite Kupplung den ersten Verdichter und über eine erste Kupplung und einen Motor den dritten Verdichter mechanisch antreibt, durch den Freilauf den Druckgaskreiskolbenmotor ohne Leerlauf arbeiten läßt und als Drehrichtungswandler den oszillierend arbeitenden Kolbenpaaren eine Arbeitsdrehrichtung zuordnet, werden alle bei einer Verzögerung anfallenden kurzzeitig auftretenden Massenträgheitsmomente von mechanischer in thermische und potentielle Energien umgewandelt, über den Arbeitskreislauf dem Druckgaskreiskolbenmotor als Arbeitsmedium zugeführt und von diesem wieder in Nutzenergie umgewandelt. Mit Hilfe der Energieumwandlungseinheit, wird durch die Spiralfeder potentielle Energie gespeichert und in Drehbewegung umgewandelt.
Von Vorteil ist auch, daß, nach Anspruch 7, gasförmiges Arbeitsmedium über die Expansionseinheit, das dritte Volumenregelventil und ein folgendes Expansionsventil in eine Mischkühlung einer Klimaeinheit leitbar ist, der Druckausgleich durch den Druckspeicherkessesl oder den Tank herstellbar ist und über die zweite Expansions- und Volumeneinheit Räume klimatisierbar sind, ohne daß der Druckgaskreiskolbenmotor arbeiten muß.
Eine weitere vorteilhafte Nutzung des Kaltluftmotorsystems ist, gemäß Anspruch 8, gegeben, dadurch, daß flüssiges Arbeitsmedium aus dem kälteisolierten Tank mit Sauerstoff angereichert über einen druckgesteuerten Regelkreis in einen Verdampfer einer Klimaeinheit leitbar ist, wobei das verdampfte Arbeitsmedium aus dem Verdampfer der Klimaeinheit in den Kühlkreislauf des zweiten Verdichters führbar und vorgewärmt in die Brenneinheit zur angereicherten Verbrennung in den Arbeitskreislauf rückfühbar ist.
Außerdem kann das System, gemäß Anspruch 9 durch die Expandereinheit über eine erste volumengesteuerte Regelstrecke mit einer Heizungseinheit verbunden werden, über die Räume, beispielsweise der Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs, heizbar sind, ohne daß der Druckgaskreiskolbenmotor arbeiten muß.
Besonders hervorzuheben ist, nach Anspruch 10, die Koppelung des Kaltluftmotorsystems mit einer Photovoltaik- Anlage, aufweisend einen ersten Wechselrichter, einer Batterie und einen zweiten Wechselrichter, die über den Motor und den dritten Verdichter, über die zweite druckgeregelte Regelstrecke mit einer Gasverflüssigungsanlage, aufweisend einen dritten Rekupoerrator, einen vierten Rekuperator, ein zweites Expansionsventil, eine erste Rücklaufleitung und eine zweite Rücklaufleitung, verbunden ist. Auf diese Weise kann Arbeitsmedium aus regenerativen Energiequellen der Umwelt hergestellt werden und abgekühltes flüssiges Arbeitsmedium aus der Gasverflüssigungsanlage über das zweite Expansionsventil im kälteisolierten Tank gespeichert und gasförmiges Arbeitsmedium über die zweite Rücklaufleitung über eine druckgeregelte fünfte Leitung dem Druckspeicherkessel und damit dem Arbeitskreislauf des Kaltluftmotorsystems direkt zuführt werden. Dadurch ist der dritte Verdichter über die erste Kupplung und die zweite Kupplung anzutreiben, wodurch auch gasförmiges Arbeitsmedium mit regenerativen Energiequellen verflüssigbar ist, in Speichern lagerbar und dem Druckgaskreiskolbenmotor zuführbar ist, durch den Energieformen wie Elektroenergie, Wärme, Kälte, Kraftstoff und mechanische Energie erzeugbar sind.
Von Bedeutung ist es weiterhin, daß das Kaltluftmotorsystem, gemäß Anspruch 11, mit dem Druckgaskreiskolbenmotor als geschlossener Kreislauf mit getrennten Fließprozessen und Systemen betreibbar ist, was den Vorteil hat, daß der Arbeitskreislauf vom Kältekreislauf systemdicht getrennt ist.
Schließlich kann das Kaltluftmototsystem, gemäß Anspruch 12, auch im teilgeschlossenen Arbeitskreislauf Arbeitsmedium wie Luft und Stickstoff verarbeiten. Dabei kann über eine Regeleinheit und den ersten Verdichter aus der Atmosphäre angesaugte Luft im Druckspeicherkessel als Arbeitsmedium gelagert und im geschlossenen Arbeitskreislauf Gase und Dämpfe wie Helium, Kohlendioxyd, Wasser, Ammoniak, Alkohole und organische Kältemittel eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigen die Zeichnungen in

Fig.1: eine Gesamtdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung zu dessen Durchführung, untergliedert in Ausschnitt A, B und C,
Fig.2: Ausschnitt A von Fig.1,
Fig.3: Ausschnitt B von Fig.1,
Fig.4: Ausschnitt C von Fig.1.

In Fig.1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Betreiben eines vorzugsweise mobilen Druckgaskreiskolbenmotors, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, mittels Druckgas dargestellt. Die Einrichtung weist beispielsweise einen kälteisolierten Tank 1, ein erstes Volumenregelventil 2, einen Verdampfer 3, eine Expansionseinheit 4, ein zweites Vollumenregelventil 5, eine Entspannungsdüse 6, ein erstes Druckregelventil 7, ein zweites Druckregelventil 8, ein erstes Expansionsventil 9, eine erste Leitung 10, einen ersten Verdichter 11, ein drittes Druckregelventil 12, und ein viertes Druckregelventil 13, einen Druckgasspeicherkessel 14, einen ersten und zweiten Rekuperator 15 und 16, eine Expandereinheit 17, eine zweite Leitung 18, einen ersten Diffusor 19, einen ersten Druckverteiler 20, eine Brennstoffeinheit 21, eine Druckregeleinheit 22, eine Volumenregeleinheit 23 eine Impulseinheit 24, einen zweiten Druckverteiler 25, einen zweiten und dritten Diffusor 26, einen dritten kugelförmigen Druckverteiler 27, einen Motorzylinder 28, mindestens ein Kolbenpaar 29 und 30, Motorwellen 31, 32, Magnete 33, einen Druckgaskreiskolbenmotor 34, eine Abgas- und Schalldämpfereinheit 35, eine erste Düse 36, einen zweiten Verdichter 37, einen Kühlkreislauf 38, eine zweite Düse 39, einen Regelkreis 40, eine Heizungseinheit 41, eine erste Regelstrecke 42, ein drittes Volumenregelventil 43, eine Klimaeinheit 44, eine erste und zweite Expansion- und Volumeneinheit 45 und eine dritte Leitung 46 auf.
Das Arbeitsmedium wird vor der Zuführung in den Arbeitskreislauf, gemäß Fig.2 in dem kälteisolierten Tank 1 im kalten, flüssigen Zustand gespeichert. Arbeitsmedium, beispielsweise Flüssiggas, wird über das erste Volumenregelventil 2 in den Verdampfer 3 und von diesem über das erste Druckregelventil 7, das zweite Volumenregelventil 5 und die Entspannungsdüse 6 in eine Mischkühlung der Expansionseinheit 4 gedrückt. Der Verdampfer 3 ist erfindungsgemäß systemdicht in die Expansionseinheit 4 integriert und dient der Umwandlung des Flüssiggases in Druckgas. Das aus der Expansionseinheit 4 kommende, nunmehr gasförmige Arbeitsmedium wird über das erste Expansionsventil 9 und das zweite Druckregelventil 8 eingeregelt und über die erste Leitung 10, die vorzugsweise eine Saugleitung ist, zum Verdichter 11 geführt.
Aus dem ersten Verdichter 11 wird, gemäß Fig.3, das Arbeitsmedium über das dritte Druckregelventil 12 in den ersten und zweiten Rekuperator 15 und 16 geleitet, und durchströmt im Gegenstrom der Rekuperatoren 15 und 16 die Brennereinheit 21, Der Verdichter 11 ist über das vierte Druckregelventil 13 mit dem Druckgasspeicherkessel 14 verbunden, in den überschüssig erzeugtes gasförmiges Arbeitsmedium geleitet werden kann, Das dritte Druckregelventil 12 ist über eine zweite Leitung 18 mit dem ersten Druckverteiler 20 und dem ersten Diffusor 19 und über diese mit der Expandereinheit 17 verbunden. Durch diese Anordnung ist eine kontrollierte Zwangsströmung in Form Verdichtungsstöße möglich, wodurch der Arbeitsdruck und die Betriebstemperatur des gasförmigen Arbeitsmediums weiter ansteigen und sich das, über die Brenneinheit 21 und den Erhitzer der Expandereinheit 17, erwärmte Arbeitsmedium um ein mehrfaches seines Volumens ausdehnt. An die Expandereinheit 17 schließen sich erfindungsgemäß die Druck regeleinheit 22, die Volumen regeleinheit 23 und die Impuls regeleinheit 24 an, mit denen das gasförmige Arbeitsmedium nach Druck, Volumen und Zeitimpuls steuerbar aus der Expandereinheit 17 abgegeben werden kann. Die Druckregeleinheit 22, die Volumenregeleinheit 23 und die Impulseinheit 24 sind mit dem zweiten Druckverteiler 25 und dem zweiten und dritten Diffusor 26 verbunden, die den Expansionskammern der Kraftmaschine 34, vorzugsweise eines Kreiskolbenmotors, direkt gegenüberliegen. Das gasförmige Arbeitsmedium wird von dem zweiten Druckverteiler 25 über den zweiten und dritten Diffusor 26 in den dritten kugelförmigen Druckverteiler 27 geleitet, der fest mit dem Motorzylinder 28 verbunden ist. Im Impulsgegenstrom gelangt das gasförmige Arbeitsmedium, Druckgas, in den Expansionsraum der Kraftmaschine 34. Durch den Impulsgegenstrom des Druckgases über den dritten kugelförmigen Druckverteiler 27 wird ein Verdichtungsstoß in Höhe des 1,3² - fachen der kinetischen, der thermischen und potentiellen Energie des Arbeitsdruckes des zweiten und dritten Diffusors 26 erzeugt. Ein Kreiskolbenpaar 29, 30 ist fest mit den Motorwellen 31 und 32 verbunden. Die Motorwellen verlaufen gasdicht unter dem dritten kugelförmigen Druckverteiler 27 und nehmen zusammen mit dem Kolbenpaar 29, 30 die Expansionsenergie des Druckverteilers 27 auf. Die gesamte von dem Kolbenpaar 29, 30 aufgenommene Energie des Arbeitsmediums Druckgas wird nun mit großem Hebelarm und ohne Totpunkt in mechanische Energie umgwandelt. Das, in den Zeichnungen nicht näher dargestellte, Kolbenpaar 29, 30, ist vorzugsweise ein Kreiskolbenpaar und mittig und senkrecht geteilt. Das Kolbenpaar 29, 30 verfügt durch diese Teilung über jeweils zwei Arbeitsflächen, jeweils eine Exansionsfläche und eine Verschiebefläche, wodurch insgesamt eine doppelte Arbeitsfläche zur Verfügung steht, die zusätzlich durch den Verschiebevorgang bei der Expansion beidseitig 1,5- fach vergrößerbar ist. Der Druckgaskreiskolbenmotor 34 ist außerdem mit mehreren Dauermagneten 33 ausgestattet. Nach jedem Verdichtungsstoß des kugelförmigen Druckverteilers 27 wird bis zum Erreichen des Lavaldrucks des zweiten und dritten Diffusors 26 und beim kreisförmigen Auseinanderfliegen das Kolbenpaar 29, 30 nach dem Verschiebungsvorgang wieder fest zusammengezogen. Die Expansionskammer des Druckluftkreiskolbenmotors 34 mit dem parallel auf den Motorwellen 31, 32 laufenden Kolbenpaar 29, 30 ist über die erste Düse 36 mit dem zweiten Verdichter 37 verbunden. Das Arbeitsmedium wird von dem Kolbenpaar 29, 30 des Druckgaskreiskolbenmotors 34 auf die Saugseite des zweiten Verdichters 37 geschoben und über die erste Düse 36 in den zweiten Verdichter 37 geschoben und über die erste Düse 36 in den zweiten Verdichter 37 gedrückt.
Gemäß Fig.2 wird im zweiten Verdichter 37 das überschüssige Arbeitsmedium aus dem Druckluftkreiskolbenmotor 34 wieder vorgespannt und über die zweite Düse 39 in die Mischkühlung der Expansionseinheit 4 gedrückt, von der es wieder direkt in den Kreislaufprozeß abgegeben wird oder über die erste Expansions- und Volumeneinheit 45 in dem Druckgasspeicherkessel 14 gespeichert und von dort wieder in den Kreislaufprozeß abgegeben. An den Druckluftkreiskolbenmotor 34 ist, nach Fig.3, außerdem die Abgas- und Schalldämpfereinheit 35 angeschlossen, über die zunächst der Teil des Arbeitsmediums, der den Druckluftkreiskolbenmotor 34 mit einem Druck über 2 bar erreicht, mit einer Temperatur von ca. 7°C und ohne Schadstoffe in die Umwelt ausgestoßen wird.
Mit dem im beschriebenen Kreislaufprozeß überschüssig anfallenden Arbeitsmedium kann, nach Fig.2 und Fig.3, aus der Expandereinheit 17 über die erste Regelstrecke 42 die Heizungseinheit 41 versorgt werden, wobei das aus der Heizungseinheit 41 zurückgeführte, abgekühlte Arbeitsmedium wieder in die Expansionseinheit 4 rückführbar ist. Auch ist überschüssiges Arbeitsmedium aus der Expandereinheit 17 über die dritte Leitung 46 in den Druckgasspeicherkessel 14 und aus diesem zur Wiederverwendung im Kreislaufprozeß leitbar. Überschüssiges Arbeitsmedium aus dem Verdampfer 3 der Expansionseinheit 4 kann des weiteren über das dritte Ventil 43 und ein weiteres Expansionsventil in die Klimaeinheit 44 geleitet werden, von wo das Arbeitsmedium einen Raum klimatisieren kann. In der Klimaeinheit 44 überschüssig anfallendes Arbeitsmedium ist in den Kreißlaufprozeß rückführbar.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann, nach Fig.3, mit Arbeitsmedium versorgt werden. So ist die Brennstoffeinheit 21 mit Hilfe des Regelkreislaufes 40, mit dem eine geregelte und kontrollierte Oxydation von Biomasse und eine schadstoffreie Verbrennung durchführbar ist, zusätzlich mit Sauerstoff angereichertem, vorgewärmten Arbeitsmedium zu versorgen.
Bei leerer Expansionseinheit 4, kann die erfindungsgemäße Einrichtung, gemäß Fig.1, des weiteren über eine Einheit 68, die aus einem Druckluftfilter und einer Saugleitung gebildet ist, Luft aus der Atmosphäre ansaugen, über die erste Leitung 10 und den ersten Verdichter 11 in den Druckluftspeicherkessel 14 leiten, dort in einem Abscheider 69 von Wasser und Schadstoffen befreit werden und als gasförmiges Arbeitsmedium über eine erste Expansions- und Volumenregeleinheit 45 der Expansionseinheit 4 und somit dem Kreislaufprozeß zugeführt werden.
Gemäß Fig.4 besteht eine weitere Möglichkeit der Herstellung von Arbeitsmedium aus regenerativen Energiequellen der Umwelt über eine Photovoltaik- Anlage, die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung verbunden ist. Die Photovoltaik- Anlage weist beispielsweise einen dritten Verdichter 47, eine druckgeregelte zweite Regelstrecke 48, einen dritten Rekuperator 49, einen vierten Rekuperrator 50, ein zweites Expansionsventil 51 eine erste Rücklaufleitung 52, eine zweite Rücklaufleitung 53, eine druckgeregelte fünfte Leitung 54, einen ersten Wechselrichter 55, einen zweiten Wechselrichter 57, eine Batterie 56, einen Motor 58 und eine mechanische Kupplung 59 auf. Über diesen Regelkreis kann die erfindungsgemäße Einrichtung Arbeits-medium herstellen. Natürlich kann auch aus Nachtstrom oder aus einer Brennstoffzelle flüssiges Gas hergestellt werden, zum Beispiel während der Standzeit eines Kraftfahrzeugs in der Garage. Der erste Wechselrichter 55 wird aus einer der regenerativen Energiequellen gespeist. In der Batterie 56 wird die Energie chemisch gespeichert und von dort über den zweiten Wechselrichter 57 geregelt. Der Motor 58 treibt den dritten Verdichter 47 an. Über die erste mechanische Kupplung 59 kann der Motor auch den ersten Verdichter 11 antreiben. Das Arbeitsmedium wird, nach Fig.1 und Fig.2, im dritten Verdichter 47 durch die Atmosphäre vorgekühlt. Das trotzdem noch sehr warme Arbeitsmedium mit einer Temperatur von 340 K kann deshalb beispielsweise durch das Kühlwasser der Heizungseinheit 41 weiter vorgekühlt werden, durch den vierten Recuperator 50 geleitet und von der ersten Rücklaufleitung 52 weiter auf ca. 110 K abgekühlt werden. Das so abgekühlte Arbeitsmedium wird über das zweite Expansionsventil 51 zum Teil verflüssigt und in den Tank 1 geleitet. Der überschuß an kalten Arbeitsmedium über die zweite Rücklaufleitung 53, eine dritte Rückschlagklappe, das zweite Druckregelventil das erste Expansionsventil 9 in die Expansionseinheit 4 geregelt gefahren.
Aus Fig.3 ist ein mechanisches Antriebsteil 61 erkennbar, das mit der Kraftmaschine 34 verbunden ist. Das mechanische Antriebsteil 61 weist vorzugsweise einen Freilauf 62, eine Schwungscheibe 63, ein mechanische Energieumwandlungseinheit 65 mit einer Kupplung 64, einem ersten Getriebe und einer oder mehreren Spiralfeder, ein zweites Getriebe 66 und ein drittes Wechselgetriebe 67 auf. Bei Schubbetrieb oder Talfahrt der Kraftmaschine 34 ist diese über den Freilauf 62 vom Getriebe und der Schwungscheibe 63 trennbar. Die Schwungscheibe 63 ist dann direkt mit der Energieumwandlungseinheit 65 und so mit dem ersten Getriebe und der Spiralfeder verbunden. Durch die Spiralfeder wird potentielle Energie gespeichert und über das zweite Getriebe 66 in Drehbewegung und somit in Fortbewegung umgewandelt. An der Kupplung 64 ist eine weitere mechanische Kupplung 60 angeordnet.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Einrichtung Helium, Kohlendioxyd, Wasser, Ammoniak, Alkohole, umweltfreundliche organische Kältemittel und Kohlenwasserstoffe durch Oxydation von Biomasse als Arbeitsmedium verarbeiten. Dazu wird die Kraftmaschine 34 über die Abgas- und Schalldämpfereinheit 35 geschlossen und die Expansionseinheit 4 von Mischkühlung auf zwei getrennte Systeme eingestellt. So kann eines der aufgeführten Arbeitsmedien in einem geschlossenen Kreislaufprozeß genutzt werden. Die Nutzung von Luft und Stickstoff als Arbeitsmedium ist nur als offener Kreislaufprozeß möglich.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensabläufe und beispielsweisen Einrichtungsbestandteile sind selbstverständlich auch für stationäre Kraftmaschinen zur Energieversorgung von Wohnhäusern, Fabriken etc. nutzbar.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1: kälteisolierter Tank für flüssiges Gas,
2: erstes Volumenregelventil,
3: Verdampfer,
4: Expansionseinheit mit Mischkühlung,
5: zweites Volumenregelventil,
6: Entspannungsdüse,
7: erstes Druckregelventil,
8: zweites Druckregelventil,
9: erstes Expansionsventil,
10: erste Leitung,
11: erster Verdichter,
12: drittes Druckregelventil,
13: viertes Druckregelventil,
14: Druckgasspeicherkessel,
15: erster Rekuperator,
16: zweiter Rekuperator,
17: Expandereinheit,
18: zweite Leitung,
19: erster Diffusor,
20: Druckverteiler,
21: Brenneinheit,
22: Druckregeleinheit,
23: Volumenregeleinheit,
24: Impulsregeleinheit,
25: Verteiler,
26: zweiter und dritter Diffusor,
27: kugelförmiger Druckverteiler,
28: Motorzylinder,
29: Kolbenpaar,
30: Kolbenpaar,
31: Motorwelle,
32: Motorwelle,
33: Dauermagnete,
34: Druckgaskreiselkolbenmotor,
35: Abgas- und Schalldämpfereinheit,
36: erste Düse,
37: zweiter Verdichter,
38: Kühlkreislauf,
39: zweite Düse,
40: Regelkreis, druckgsteuert,
41: Heizungseinheit,
42: erste Regelstrecke
43: drittes Ventil,
44: Klimaeinheit,
45: erste Expansions- und Volumenregeleinheit,
46: dritte Leitung, druckgeregelt,
47: dritter Verdichter,
48: zweite Regelstrecke, druckgeregelt,
49: dritter Rekuperator,
50: vierter Rekuperator,
51: zweites Expansionsventil,
52: erste Rücklaufleitung,
53: zweite Rücklaufleitung,
54: fünfte Leitung, druckgeregelt,
55: erster Wechselrichter,
56: Batterie,
57: zweiter Wechselrichter,
58: Motor,
59: erste mechanische Kupplung,
60: zweite Kupplung,
61: mechanisches Antriebsteil,
62: Freilauf,
63: Schwungscheibe,
64: Kupplung mit erstem Getriebe und mindestens einer Spiralfeder,
65: Spiralfedern,
66: zweites Getriebe,
67: drittes Wechselgetriebe,
68: Einheit, aus Druckluftfilter und Saugleitung
69: Abscheider,
70: vierte Leitung,
71: zweite Expansions- und Volurnenregeleinheit.

Claims

Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, bei dem das Arbeitsmedium vor der Zuführung in den Arbeitskreislauf in einem kälteisolierten Tank (1) im kalten flüssigen Zustand gespeichert wird, wobei die Umweltwärme über die Verdampfung des Arbeitsmediums im Tank (1) einen Gasdruck erzeugt, der über ein zweites Druckregelventil (8) als Betriebsdruck geregelt wird und das flüssige Arbeitsmedium durch diesen Betriebsdruck über ein erstes Volumenregelventil (2) in einen Verdampfer (3) leitet und aus diesem im gasförmigen Zustand über eine erste Leitung (10) durch einen ersten Verdichter (11) und ein drittes Druckregelventil (12) über eine zweite Leitung (18) und einen ersten und zweiten Rekuperator (15, 16) zur weiteren Erwärmung in eine Expandereinheit (17) mit einer Brenneinheit (21) leitet, wobei das gasförmige Arbeitsmedium im Gegenstrom den ersten Rekuperator (15) der Brenneinheit (21) durchströmt und danach die Außenwände des Erhitzers der Expandereinheit (17) abkühlt, das aus der Expandereinheit (17) austretende Arbeitsmedium in einen Motor expandiert und überschüssiges Arbeitsmedium aus dem Motor über eine Abgas- und Schalldämpfereinheit in die Umwelt ausgestoßen wird, bei dem der Verdampfer (3) systemdicht in eine Expansionseinheit (4) integriert ist und das gasförmige Arbeitsmedium aus dem Verdampfer (3) über ein erstes Druckregelventil (7) und ein zweites Volumenregelventil (5) über eine Entspannungsdüse (6) in eine Mischkühlung der Expansionseinheit (4) drückbar ist, wobei die Kühlung des Arbeitsmediums in der Mischkühlung der Expansionseinheit (4) isobar erfolgt und die Exergie des Arbeitsmediums erhöht wird, bei dem eine parallele Leitung mit einem vierten Druckregelventil (13) mit Rückschlagklappe den Verdichter (11) mit einem Druckgasspeicherkessel (14) und mit der zweiten Leitung (18) über das dritte Druckregelventil (12) mit einem ersten Diffusor (19) und einem Druckverteiler (20) sowie mit dem Erhitzer der Expandereinheit (17) verbindet, wobei in der Expandereinheit (17) eine kontrollierte Zwangsströmung des Arbeitsmediums, in Form impulsierender Verdichtungsstöße, entsteht und Arbeitsdruck und Betriebstemperatur ansteigen, bei dem gleichzeitig die Brenneinheit (21) das Arbeitsmedium über dem Erhitzer der Expandereinheit (17) erwärmt, wobei sich das Arbeitsmedium um ein mehrfaches an Volumen ausdehnt, bei dem der Expandereinheit (17) direkt eine
Druckregeleinheit (22), eine Volumenregeleinheit (23) und eine Impulsregeleinheit (24) nachgeordnet ist, die über eine Rohrleitung mit einem Verteiler (25) und einem zweiten und dritten Diffusor (26) verbunden sind und direkt dem Expansionsraum eines Druckgaskreiskolbenmotors (34) gegenüber liegen, wobei das Arbeitsmedium vom Verteiler (25) in den zweiten und dritten Diffusor (26) über einen kugelförmigen Druckverteiler (27) im Impulsgegenstrom in den Expansionsraum des Druckgaskreiskolbenmotors (34) leitbar ist und der Impulsgegenstrom des Arbeitsmediums über den kugelförmigen Druckverteiler (27) einen physikalischen Verdichtungsstoß in Höhe des 1,69- fachen der kinetischen, thermischen und potentiellen Energie des Arbeitsdruckes des zweiten und dritten Diffusors (26) erzeugt,
bei dem der Druckgaskreiskolbenmotor (34) einen Motorzylinder (28), Kolbenpaare (29, 30) sowie Motorwellen (31, 32) aufweist, wobei die Kolbenpaare (29, 30) mit den Motorwellen (31, 32) und der Motorzylinder (28) mit dem kugelförmige Druckverteiler (27) fest verbunden sind,
bei dem die Motorwellen (31, 32) gasdicht unter dem kugelförmigen Druckverteiler (27) laufen, wobei sie die Expansionsenergie aufnehmen und die gesamte, von den Kolbenpaaren (29, 30) aufgenommene, Energie des Arbeitsmediums ohne Totpunkt mit großem Hebelarm in mechanische Energie umwandeln,
bei dem eine erste Düse (36) die Expansionskammer des Druckgaskreiskolbenmotors (34) mit den gleichfalls auf den Motorwellen (31, 32) laufenden Kreiskolben eines zweiten Verdichters (37) verbindet, wobei das Arbeitsmedium von den Kolbenpaaren (29, 30) des Druckgaskreiskolbenmotors (34) auf die Saugseite der Kreiskolben des zweiten Verdichters (37) zu drücken ist und der zweite Verdichter (37) das vorgespannte Arbeitsmedium über eine zweite Düse (39) wieder in die Mischkühlung der Expansionseinheit (4) drückt, wodurch der Arbeitskreislauf des Druckgaskreiskolbenmotors (34) zu schließen ist und
bei dem der Arbeitskreislauf über eine Abgas- und Schalldämpfereinheit (35) als teilgeschlossener Kreislauf arbeitet, wenn ausreichend Arbeitsmedium im Kaltluftmotorsystem gespeichert ist und der Druck auf der Saugseite des zweiten Verdichters (37) über 2 bar steigt.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgaskreiskolbenmotor (34) mit 2 bis 12 Kolbenpaaren (29, 30) in einer Expansionsstufe und mit der entsprechenden Anzahl Kolbenpaaren (29, 30) in einer zweiten und dritten Expansionsstufe auszustatten ist, wobei jedem Kolbenpaar (29, 30) jeweils zwei kugelförmige Druckverteiler (27) zugeordnet sein sollen.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenpaare (29, 30) halbkugelförmige und senkrecht geteilte Arbeitskolben sind, die auf der Expansionsseite eine doppelte Arbeitsfläche für das Arbeitsmedium aufweisen und deren Halbkugelform sich an die Form des kugelförmigen Druckverteilers (27) anpaßt, wobei sich die Arbeitsfläche nochmals um das 1,5- fache einer planen Arbeitsfläche vergrößert.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenpaare (29, 30) von mehreren Dauer- oder Elektromagneten (33) zusammengehalten werden, bis der Lavaldruck in der Diffusoreinheit erreicht ist, wobei die Kolbenpaare (29, 30) über den Lavaldruck in einer Kreisbahn auseinander fliegen und die Dauer- oder Elektromagnete (33) die Kolbenpaare (29, 30) beim Verschiebungsakt wieder zusammen ziehen.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicherkessel über eine erste Expansions- und Volumeneinheit (45) mit der Mischkühlung der Expansionseinheit (4), über die dritte druckgeregelte Leitung (46) mit der Expandereinheit (17), über eine zweite Kupplung (60) und den ersten Verdichter (11) mit einem mechanischen Antriebsteil (61) und über eine vierte Leitung (70) mit dem dritten Verdichter (47) verbunden ist, wodurch alle in Arbeitsmedium umgewandelten überschüssig erzeugten mechanischen, thermischen und kinetischen Energien im Druckspeicherkessel (14) zwischen zu lagern und von diesem in den Arbeitskreislauf abrufbar sind.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Antriebsteil (61) einen Freilauf (62), eine Schwungscheibe (63), eine Kupplung (64) mit einem ersten Getriebe und mindestens eine Spiralfeder (65) aufweist, über eine zweite Kupplung (60) den ersten Verdichter (11) und über eine erste Kupplung (59) und einen Motor (58) den dritten Verdichter (47) mechanisch antreibt, durch den Freilauf (62) den Druckgaskreiskolbenmotor (34) ohne Leerlauf arbeiten läßt und als Drehrichtungswandler den oszillierend arbeitenden Kolbenpaaren (29, 30) eine Arbeitsdrehrichtung zuordnet, wobei alle bei einer Verzögerung anfallenden kurzzeitig auftretenden Massenträgheitsmomente von mechanischer in thermische und potentielle Energien umwandelbar, über den Arbeitskreislauf dem Druckgaskreiskolbenmotor (34) als Arbeitsmedium zuführbar und von' diesem wieder in Nutzenergie wandelbar sind.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiges Arbeitsmedium über die Expansionseinheit (4), das dritte Volumenregelventil (43) und ein folgendes Expansionsventil in eine Mischkühlung einer Klimaeinheit (44) leitbar ist, der Druckausgleich durch den Druckspeicherkessesl (14) oder den Tank (1) herstellbar ist und über die zweite Expansions- und Volumeneinheit (71) Räume klimatisierbar sind, ohne daß der Druckgaskreiskolbenmotor (34) arbeiten muß.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Arbeitsmedium aus dem kälteisolierten Tank (1) mit Sauerstoff angereichert über einen druckgesteuerten Regelkreis (40) in einen Verdampfer der Klimaeinheit (44) leitbar ist, wobei das verdampfte Arbeitsmedium aus dem Verdampfer der Klimaeinheit (44) in den Kühlkreislauf (38) des zweiten Verdichters (37) führbar und vorgewärmt in die Brenneinheit (21) zur angereicherten Verbrennung in den Arbeitskreislauf rückfühbar ist.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expandereinheit (17) über eine erste volumengesteuerte Regelstrecke (42) mit einer Heizungseinheit (41) verbunden ist, über die Räume heizbar sind, ohne daß der Druckgaskreiskolbenmotor (34) arbeiten muß.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltluftmotorsystem mit einer Photovoltaik- Anlage, aufweisend einen ersten Wechselrichter (55), einer Batterie (56) und einen zweiten Wechselrichter (57), gekoppelt ist, die über den Motor (58) und den dritten Verdichter (47), über die zweite druckgeregelte Regelstrecke (48) mit einer Gasverflüssigungsanlage, aufweisend einen dritten Rekupoerrator (49), einen vierten Rekuperator (50), ein zweites Expansionsventil (51), eine erste Rücklaufleitung (52) und eine zweite Rücklaufleitung (53), verbunden ist, wobei Arbeitsmedium aus regenerativen Energiequellen der Umwelt herstellbar ist und abgekühltes flüssiges Arbeitsmedium aus der Gasverflüssigungsanlage (49,50,51,52) über das zweite Expansionsventil (51) im kälteisolierten Tank (1) zu speichern und gasförmiges Arbeitsmedium über die zweite Rücklaufleitung (53) über eine druckgeregelte fünfte Leitung (54) dem Druckspeicherkessel (14) und damit dem Arbeitskreislauf des Kaltluftmotorsystems direkt zuführbar ist und wobei der dritte Verdichter (47) über die erste Kupplung (59) und die zweite Kupplung (60) anzutreiben ist wodurch auch gasförmiges Arbeitsmedium mit regenerativen Energiequellen verflüssigbar ist, in Speichern lagerbar und dem Druckgaskreiskolbenmotor (34) zuführbar ist, durch den Energieformen wie Elektroenergie, Wärme, Kälte, Kraftstoff und mechanische Energie erzeugbar sind.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltluftmotorsystem mit dem Druckgaskreiskolbenmotor (34) als geschlossener Kreislauf mit getrennten Fließprozessen und Systemen betreibbar ist, wobei der Arbeitskreislauf vom Kältekreislauf systemdicht getrennt ist.
Kaltluftmotorsystem mit einem Druckgaskreiskolbenmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium im teilgeschlossenen Arbeitskreislauf Luft und Stickstoff einsetzbar sind, wobei über eine Regeleinheit (68) und den ersten Verdichter (11) aus der Atmosphäre angesaugte Luft im Druckspeicherkessel (14) als Arbeitsmedium lagerbar ist und im geschlossenen Arbeitskreislauf Gase und Dämpfe wie Helium, Kohlendioxyd, Wasser, Ammoniak, Alkohole und organische Kältemittel einsetzbar sind.