Beschreibung

Triebwerk

Die Erfindung betrifft ein Triebwerk mit zumindest einem Verdrängerzylinder, in dem eine Flüssigkeit, insbesondere einer ionischen Flüssigkeit, angeordnet ist und der mit einem Zulaufkanal sowie einem Ablaufkanal für Medium in Verbindung bringbar ist, wobei die Flüssigkeit mit einer Verdrängereinrichtung in Wirkverbindung steht.

Derartige Triebwerke werden beispielsweise als Verdichter zum Verdichten von gasförmigen Medien eingesetzt. Das Medium wird hierbei mittels der Flüssigkeit in dem Verdrängerzylinder verdrängt, wodurch derartige Triebwerke als kolbenlose Verdichter bezeichnet werden. Als Flüssigkeit kann eine ionische Flüssigkeit verwendet werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, Flüssigkeiten mit einem niedrigen Dampfdruck oder Flüssigkeiten mit einer geringen Gaslöslichkeit zu verwenden. Derartigen Flüssigkeiten ist gemeinsam, dass sich diese nicht in dem Medium lösen und von dem Medium rückstandfrei abtrennbar sind, so dass das verdichtete Medium eine hohe Reinheit aufweist.

Ein gattungsgemäßes, als Verdichter für gasförmige Medien ausgebildetes Triebwerk ist aus der US 6 652 243 B2 bekannt. Bei diesem kolbenlosen Verdichter steht die Flüssigkeit in den Verdrängerzylindern mit einer Pumpe in Verbindung, wobei zur

Steuerung des Zuflusses und Abflusses der Flüssigkeit eine Steuerventil vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsstand in den Verdrängerzylindern, der mittels elektronischer Wegmesssysteme erfasst wird, gesteuert ist. Die Verdrängerzylinder sind bevorzugt vertikal angeordnet, um den Abfluss von Flüssigkeit aus dem Verdrängerzylinder durch die Schwerkraft zu unterstützen. Bei einem derartigen Verdichter kann die Flüssigkeitssäule nicht über die Erdbeschleunigung beschleunigt werden, so dass die Zyklusgeschwindigkeit des Verdichters durch die Erdbeschleunigung begrenzt ist. Derartige Verdichter weisen einen großen Bauraumbedarf und eine begrenzte Verdrängerleistung auf. Zudem ergibt sich durch die elektronischen Wegemesssysteme in hoher Bauaufwand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Triebwerk der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, das bei geringem Bauraumbedarf eine hohe Verdrängerleistung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verdrängerzylinder in einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Zylindertrommel geneigt zur Drehachse der Zylindertrommel angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird somit der Verdrängerzylinder in einer um die Drehachse rotierenden Zylindertrommel ausgebildet, wobei der Verdrängerzylinder und somit die Längsachse des Verdrängerzylinders zur Rotationsachse der Zylindertrommel geneigt ist. Durch die Rotation der Zylindertrommel und somit der Verdrängerzylinder wird erzielt, dass auf die in den Verdrängerzylindern befindliche Flüssigkeit eine von der Drehzahl der Zylindertrommel abhängige Fliehkraft einwirkt, die die Flüssigkeit beschleunigt. Die hierbei erzielbaren Beschleunigungen der Flüssigkeit sind höher als die Erdbeschleunigung, so dass die Flüssigkeitssäule bei einer erfindungsgemäßen Triebwerk gegenüber einem Triebwerk des Standes der Technik mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt werden kann und somit eine hohe Zyklusgeschwindigkeit erzielt werden kann. Hierdurch ist es möglich, bei geringem Bauraumbedarf des Triebwerks eine hohe Verdrängerleistung zur Verfügung zu stellen. Zudem ist bei einem erfindungsgemäßen Triebwerk lediglich eine geringe Flüssigkeitsmenge an insbesondere ionischer Flüssigkeit erforderlich, wodurch sich geringe Herstellkosten eines erfindungsgemäßen Triebwerks ergeben.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Verdrängerzylinder senkrecht zur Drehachse der Zylindertrommel angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine hohe Fliehkraft, wodurch bei geringem Bauraumbedarf des Triebwerks eine hohe Verdrängerleistung zur Verfügung gestellt werden kann.

Eine einfache Herstellung der Verdrängerzylinder ist erzielbar, wenn der

Verdrängerzylinder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Radialbohrung in der Zylindertrommel ausgebildet ist.

Mit besonderem Vorteil ist zur Steuerung der Verbindung des Verdrängerzylinders mit dem Zulaufkanal sowie dem Ablaufkanal ein Steuerspiegel vorgesehen. Mit einem

Steuerspiegel kann auf einfache Weise die Verbindung des in der rotierenden Zylindertrommel angeordneten Verdrängerzylinders mit dem Zulaufkanal und dem Ablauf kanal gesteuert werden.

Zweckmäßigerweise ist hierbei die Zylindertrommel in Axialrichtung an dem Steuerspiegel abgestützt ist, der an einem Gehäuse angeordnet ist. Mit dieser Bauweise können axiale Dichtspalte zwischen den Verdrängerzylindern und dem Zulaufkanal sowie dem Ablaufkanal erzielt werden, die auf einfache Weise abgedichtet werden können, wodurch das Triebwerk mit hohen Betriebsdrücken bei geringen Leckverlusten betrieben werden kann.

Die Zylindertrommel steht mit besonderem Vorteil mit einer Triebwelle in Wirkverbindung, wodurch ein Antrieb oder ein Abtrieb des Triebwerks auf einfache Weise gebildet werden kann.

Sofern gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Verdrängerzylinder mit einer Kühleinrichtung versehen ist, insbesondere einer Innenkühlung, kann eine isotherme Verdichtung bei einem als Verdichter betriebenen Triebwerks bzw. eine isotherme Entspannung bei einem als Antriebsmaschine betriebenen Triebwerks erzielt werden. Hierdurch sind eine geringe thermische Belastung und Beanspruchung des

Triebswerks und ein hoher Wirkungsgrad des Triebwerks erzielbar. Als Kühleinrichtung können beispielsweise in dem Verdrängerzylinder Kühlrippen angeordnet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verdrängereinrichtung als Axialkolbenmaschine ausgebildet, wobei jeder

Verdrängerzylinder mit einem Zylinderraum der Axialkolbenmaschine in Verbindung steht. Mit einer Axialkolbenmaschine, die eine rotierenden Zylinderblock aufweist, in dem die Zylinderräume ausgebildet sind, kann in Verbindung mit der die Verdrängerzylinder aufweisenden Zylindertrommel ein einfacher Aufbau und ein geringer Bauraumbedarf für das Triebwerk erzielt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Axialkolbenmaschine als Schrägscheibenmaschine mit einer Schrägscheibe, insbesondere einer verstellbaren Schrägscheibe, ausgebildet ist. Mit einer im Fördervolumen bzw. Schluckvolumen verstellbaren Schrägscheibenmaschine kann durch Verschwenken der Schrägscheibe

die Verdrängerleistung des Triebswerks und die Drehzahl der mit den Verdrängerzylindern versehenen Zylindertrommel auf einfache Weise verändert werden. Hierdurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass die durch die Rotation der Verdrängerzylinder und somit die Fliehkräfte hervorgerufene Beschleunigung der Flüssigkeitssäule größer ist als die durch die Axialkolbenmaschine erzeugte sinusförmige Beschleunigung der Flüssigkeitssäule und sich somit das Triebwerk im Gleichgewicht befindet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung, gemäß der die Axialkolbenmaschine einen mit den Zylinderräumen versehenen Zylinderblock aufweist, ist der Zylinderblock der Axialkolbenmaschine mit der die Verdrängerzylinder aufnehmenden Zylindertrommel drehsynchron gekoppelt. Hierdurch kann auf einfache Weise eine sichere und drehsynchrone Verbindung zwischen den in dem Zylinderblock der Axialkolbenmaschine angeordneten Zylinderräumen und den Verdrängerzylindern der Zylindertrommel erzielt werden.

Sofern gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung der Zylinderblock der Axialkolbenmaschine und die die Verdrängerzylinder aufnehmende Zylindertrommel als gemeinsame Zylindertrommel ausgebildet sind, kann eine Integration der Verdrängerzylinder in den Zylinderblock der Axialkolbenmaschine erzielt werden und somit ein Triebwerk mit geringer Teileanzahl, geringem Bauraumbedarf und somit geringem Herstellaufwand zur Verfügung gestellt werden.

Hinsichtlich eines einfachen Aufbaus und einem geringen Bauraumbedarf ist es günstig, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Zylindertrommel und die Verdrängereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Triebwerk kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform als Verdichter zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, ausgebildet sein. Mit einem erfindungsgemäßen kolbenlosen Verdichter, bei dem das Medium von der als Pumpe betriebenen Axialkolbenmaschine durch die von der Axialkolbenmaschine geförderte Flüssigkeit verdichtet wird, kann bei geringem Bauraumbedarf eine hohe Verdichterleistung bei geringem Herstellaufwand und hoher Reinheit des verdichteten Mediums erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Triebwerk kann ebenfalls als Antriebsmaschine zum Abgriff eines Drehmoments ausgebildet ist. Der Antrieb erfolgt hierbei über das Medium, wobei mittels der von der Flüssigkeit angetriebenen und somit als Motor betriebenen Axialkolbenmaschine ein Drehmoment erzeugt wird, das über die Zylindertrommel und die Triebwelle abgegriffen werden kann. Durch die erfindungsgemäße radiale

Anordnung der Verdrängerzylinder kann hierbei bei geringem Bauraumbedarf eine hohe Verdrängerleistung erzeugt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Triebwerk 1 in einem Längsschnitt. Innerhalb eines Gehäuses 2 ist eine Triebwelle 3 um eine Drehachse 4 drehbar gelagert. Mit der Triebwelle 3 ist eine Zylindertrommel 5 drehsynchron gekoppelt, in der mehrere Verdrängerzylinder 6 ausgebildet sind. Die Verdrängerzylinder 6 sind hierbei als in der Zylindertrommel 5 angeordnete Radialbohrungen 14 ausgebildet und um die Drehachse 4 sternförmig angeordnet, wobei die Längsachse 7 der Verdrängerzylinder 6 senkrecht zur Drehachse 4 der Triebwelle 3 und somit der Zylindertrommel 5 angeordnet ist.

Die Verdrängerzylinder 6 stehen im radial inneren Bereich mit jeweils einem Verbindungskanal 8 in Verbindung, der mit einem scheibenförmigen Steuerspiegel 9 in Wirkverbindung steht, wobei mittels des Steuerspiegels 9 die Verbindung der Verdrängerzylinder 6 mit einem Zulaufkanal 10 sowie einem Ablaufkanal 11 steuerbar ist. Die Zylindertrommel 5 ist hierbei in Axialrichtung an dem Steuerspiegel 9 abgestützt, der an einem an dem Gehäuse 2 befestigten Gehäusedeckel 12 angeordnet ist.

In den Verdrängerzylindern 6 ist Flüssigkeit 15, insbesondere ionische Flüssigkeit, angeordnet.

Jeder Verdrängerzylinder 6 steht mittels eines Verbindungskanals 13 mit einem Zylinderraum 16 einer als Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ausgebildeten hydraulischen Verdrängereinrichtung 17 in Verbindung. Die als Axialkolbenmaschine ausgebildete Verdrängereinrichtung 17 weist hierbei einen

Zylinderblock 18 auf, der koaxial zu der Zylindertrommel 5 angeordnet und mit der Zylindertrommel 5 bzw. der Triebwelle 3 drehfest verbunden ist. Es ist ebenfalls möglich, den Zylinderblock 18 und die Zylindertrommel 5 als gemeinsame und somit einstückige Zylindertrommel auszubilden.

Die Zylinderräume 16 der Axialkobenmaschine sind von in dem Zylinderblock 18 konzentrisch angeordneten Längsbohrungen 20 gebildet, in denen jeweils ein Kolben 21 längsverschiebbar angeordnet sind. Die Kolben 21 sind mittels jeweils eines Gleitschuhs 22 an einer Schrägscheibe 23 abgestützt. Zwischen Kolben 21 und Gleitschuh 22 ist ein kugeliges Gleitschuhgelenk ausgebildet.

Die Axialkolbenmaschine ist als im Verdrängervolumen verstellbare Axialkolbenmaschine ausgebildet, wobei die Schrägscheibe 23 am Gehäuse 2 schwenkbar gelagert ist und mittels einer nicht mehr dargestellten Stelleinrichtung bezüglich der Drehachse 4 neigbar ist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die

Axialkolbenmaschine mit einem festen Verdrängervolumen auszubilden, wobei die Schrägscheibe unmittelbar am Gehäuse 2 ausgebildet werden kann.

Die Zylindertrommel 5 und die Verdrängereinrichtung 17 sind hierbei in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

Bei einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Triebswerks 1 als Verdichter wird über die Triebwelle 3 die Zylindertrommel 5 und der Zylinderblock 18 angetrieben. Die Axialkolbenmaschine arbeitet hierbei als Pumpe und fördert Flüssigkeit 15 von den Zylinderräumen 16 in die Verdrängerzylinder 6, wodurch das über den Zulaufkanal 10 in die Verdrängerzylinder 6 einströmende Medium durch die Flüssigkeit 15 verdichtet und in den Ablaufkanal 11 gefördert wird. Im Betrieb des Triebwerks 1 wirkt aufgrund der radialen Anordnung der Verdrängerzylinder 6 durch die Rotation der Zylindertrommel 5 auf die Flüssigkeit 15 Fliehkraft ein, die die Flüssigkeit beschleunigt, wodurch die Flüssigkeitssäule mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden kann und somit das Triebwerk 1 mit einer hoher Drehzahl und somit einer hohen Zyklusgeschwindigkeit betrieben werden kann.

Das erfindungsgemäße Triebwerk kann somit gegenüber gattungsgemäßen Verdichtern bei gleicher Förderleistung im Bauraum verringert werden, wobei bei

geringem Bauraumbedarf eine hohe Förderleistung bei hohem Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Durch die verstellbare Schrägscheibe 23 der Axialkolbenpumpe ist eine unmittelbare Steuerung der Förderleistung möglich. Durch die Steuerung der Verbindung der rotierenden Verdrängerzylinder 6 mit dem Zulauf kanal 10 sowie dem Ablauf kanal 11 durch den Steuerspiegel 9 ist kein elektrisches Wegemesssystem erforderlich, wodurch sich ein verringerter H erste 11 aufwand des erfindungsgemäßen Triebwerks 1 ergibt.

Bei einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Triebwerks 1 als Antriebsmaschine wird unter Druck stehendes Medium über den Zulaufkanal 10 den Verdrängerzylindern 6 zugeführt. über die Flüssigkeit 15 werden die Kolben 21 beaufschlagt, wobei die Axialkolbenmaschine als Motor betrieben wird und eine Drehbewegung der Zylindertrommel 5 und des Zylinderblocks 18 erzeugt wird, wodurch ein Drehmoment an der Triebwelle 3 abgegriffen werden kann.