DE102005038615A1

DE102005038615A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module

Info

Publication number: DE102005038615A1
Application number: DE102005038615A
Authority: DE
Inventors: Frank Weisbrodt
Original assignee: Weissbrodt Frank Dipl-Ok
Current assignee: Weissbrodt Frank Dipl-Ok
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-05-10

Abstract

Die Vorrichtung und das Verfahren soll es ermöglichen, Energieerzeugungsanlagen zu betreiben, die permanent eine hohe Leistungsabgabe am Hydraulikmotor (50) bzw. am Generator (52) bereitstellen können. Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden luftgefüllte Druckluftspeicher (57) - die eine nicht verbrauchbare (permanente) Energiequelle darstellen - in einem zyklischen Wechsel über kooperierende Druckwechselzylinder (58) gespannt und die Abgabe der Druckkraft F erfolgt an die oberhalb angeordenten Hydraulikzylinder (59) und einem Hydraulikmotor (50). Die Anordnung der Druckwechselzylinder (58), der Druckluftspeicher (57) und der Hydraulikzylinder (59) erfolgt in einer einzigen Wirkungsebene. Damit werden besonders große Hubhöhen und somit von Arbeit W der Druckluftspeicher (57) abgesichert. Die Kopplung von leistungssteigernden Modulen von einer kleineren Ernergieerzeugungsanlage (60) - die mit ihrem Output zum Antrieb (Input) der nächstgrößeren Energieerzeugungsanlage (61) dient - bewirkt, dass sich die Endleistung vervielfacht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module in Verbindung mit Druckwechselzylindern, die über den Antrieb einer Kurbelwelle diese Druckluftspeicher zyklisch spannen und zur Abgabe eines Krafthubes auf oberhalb der Druckluftspeicher angeordnete hydraulische Zylinder bewirken, das in den Hydraulikzylindern befindliche Fluid über den Krafthub in einen Hydraulikmotor pressen und diesen antreiben, dort entweder mechanische oder in der weiteren Folge elektrische Energie erzeugen, wobei eine Kopplung einer kleineren Energieumwandlungsanlage mit ihrem Output zum Antrieb (Input) der nächsthöheren Energieumwandlungsanlage genutzt werden kann.
Derartige Einrichtungen sind einsetzbar in Energieumwandlungsanlagen und Anlagen zur Nutzung mechanischer Energie, zum Beispiel Antriebe in Fahrzeugen, Schiffen und anderen mobilen oder stationären Anlagen.
Die Besonderheit dieser Erfindung beruht darin, dass alle Vorrichtungselemente, die an der Kraftumwandlung beteiligt sind, in einer Wirkungsebene angeordnet sind und die Ventilsteuerungen in den Druckleitungen der Hydraulikzylinder einen besonders grossen Hubweg der Druckluftspeicher bewirken, die zu einem hohen Energiewert (Arbeit) dieser permanenten Energiespeicher führen. Diese permanten Energiespeicher sind dauerhaft nutzbar ausgelegt, deren Energiegehalt in Form der Druckenergie der Druckluft eine nicht verbrauchbare Energiequelle darstellen und deren Nutzung über das Spannen der Energiespeicher und der Abgabe der Druckkraft an die oberhalb angeordneten Hydraulikzylinder und der weiteren Verarbeitung in einem Hydraulikmotor in einem zyklischen Wechsel über die kooperierenden Druckwechselzylinder sichergestellt wird.
Eine Kopplung von mehreren Leistungsstufen der Energieumwandlungsanlagen ist realisierbar, da der Output der ersten Anlage ausreicht um die zweite grössere Anlage mit ihrem spezifischen Input anzutreiben und eine Folgekopplung weiterer Anlagengrössen ist ebenfalls umsetzbar.

Energieumwandlungsanlagen sind in der Regel Maschinen oder Maschinensysteme, die in der Regel einen Energieträger wie Kohle, Öl, Gas, Holz, Biomasse, Wasser, Wind, Photovoltaikmodule usw. verarbeiten und:

– über exakt definierte Heizwerte (Kohle, Öl, Gas, Holz, Biomasse)
– andere Parameter wie Masse und Geschwindigkeit für Wasser und Wind
– die Zeitdauer und Intensität der Sonneneinstrahlung

die Energiewerte für diese Energieträger in den speziellen Maschinen bestimmen.

Speichersysteme wie Batterien, Schwungrad oder Brennstoffzelle nehmen eine Speicherung der zugeführten Energie auf und geben diese Energie bei Bedarf wieder ab.

Permanente Energiespeicher, die eine einmalig aufgenommene Energie zyklisch abgeben, ohne sich selbst zu verbrauchen, sind zwar bekannt, aber der Wirkungsgrad dieser Energiespeichersystem sind relativ gering.

Nach den DE 40 03 684 A1 und DE 41 24 899 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die eine Druckerhöhung mit einem Komprimierbehälter in Form eines Prismen- oder Kegelstumpfes als Pumpenanordnung mittels einer aufliegenden Wassermasse beschreiben. Der Druck im Komprimierbehälter wird aber abgebaut, je weiter sich die Druckplatte mit der aufliegenden Wassermasse vom oberen zum unteren Endpunkt verschiebt, weil der Komprimierbehälter seine ursprüngliche Form durch die Entleerung nicht mehr beibehält und sich die obere Fläche zwangsläufig vergrößert. Zum anderen ist das Problem einer Gegenkraft zur Druckabsicherung im Pumpensystem nicht gewährleistet, so dass die angestrebten Wirkungen nicht erreicht werden.

In der DE-PS 197 23 231 ist eine Vorrichtung zur Druckerhöhung und Energieumwandlung mittels Gegenkraftsystemen beschrieben. Der Druck wird in einem Arbeitszylinder über 3 Gegenkraftsysteme A, B und C erzeugt. Das erste Gegenkraftsystem A sind Gegenkrafthebel, deren Aufbau so gestaltet ist, dass Massen m freischwingend eine obere Platte belasten und mit dieser einen Druck im Druckübertragungszylinder erzeugen.

Unterstützt wird das Gegenkraftsystem A durch weitere Gegenkraftsysteme B und C. Das Gegenkraftsystem B stellt beidseitig am Arbeitszylinder angebrachte Festarretierungshebel dar, die eine Querlagerplatte – auf der sich Umlenkvorrichtungen der Gegenkrafthebel mit den Elementen Querlageraufnahmebügel und Querlagerfuss befinden – in der jeweiligen Höhenposition arretieren.

Das Gegenkraftsystem C stellt die kinematische Umsetzung der Abwärtsbewegung der Querlagerplatte und somit des Arbeitszylinders von einer jeweils oberen Ausgangslage in die darunter befindliche nächste Ausgangslage dar, indem die Kraft der gespeicherten Energie von pneumatisch wirkenden Gegenkraftzylindern immer paarweise mittels beweglicher Arretierungshebel auf die Querlagerplatte einwirken und damit absichern, dass die Hebelwirkung der Gegenkrafthebel wirksam bleibt. Diese Vorrichtung zur Druckerhöhung und zur Energieumwandlung mittels Gegenkraftsystemen (A, B, C) hat zum Ziel, dass ein wassergefüllter Arbeitszylinder durch diese drei miteinander kooperierenden Gegenkraftsysteme so beeinflusst wird, dass dieser Druck p des Wasservolumens im Arbeitszylinderraum konstant hoch gehalten wird.

Bei statischen Anlagen wird dieser hohe Druck im Arbeitszylinder dazu genutzt, um als Kraftverstärker des Arbeitskolbens beispielsweise Stahlseile für quertragende Brückenelemente zu spannen. Bei Maschinen, die einen kurzzeitigen hohen Druck erfordern, wird der Arbeitskolben durch die Gegenkraftsysteme A und B kraftseitig beeinflusst, indem die Massen m das Gegenkraftsystem A aktivieren und an der oberen Platte des Zylinders mit der Kraft F* angreifen.

Das Gegenkraftsystem B wirkt dabei unterstützend und sichert ab, dass das Gegenkraftsystem A in der beschriebenen Art wirkt. Der Ausgangszustand wird erreicht, indem das Gegenkraftsystem A wieder in die Ausgangslage zurückbewegt wird.

Bei dynamischen Systemen, die sich von einer oberen zur unteren Endlage des Arbeitszylinders bewegen – beispielsweise in Energieerzeugungsanlagen – wird dieser Druck des Wassers im Arbeitszylinder in der Düse in Geschwindigkeit w umgewandelt. Das ausströmende Wasser des Druckwasserstrahls besitzt eine kinetische Energie, deren Größe der Druckenergie adäquat ist. Nachteilig dabei sind die Ausführung der Gegenkraftsyteme A und C. Insbesondere sind die beweglichen Arretierungshebel als konstruktiver Schwachpunkt anzusehen, da die wirkenden Kräfte dieser Arretierungshebel am Druckpunkt auf Grund der Linienpressung zu Hertzschen Pressungen auf dem Querlagerträger führen und die Gefahr der Kaltverschweißung besteht. Die mit diesem Patent angestrebte Wirkung einer dauerhaft höheren Leistung wird deshalb nicht erreicht.

In der DE 101 47 335 A1 und der WO 03/027495 A1 ist eine Vorrichtung und Verfahren zur Kraftvervielfachung, Druckerhöhung und Energieumwandlung mittels Gegenkraftsystemen beschrieben. Die Energieumwandlung erfolgt hierbei mittels eines oder mehrerer wassergefüllter Arbeitszylinder, die mit jeweils einem Arbeitskolben, einem ventilgesteuertem Zulauf, einer Druckleitung und ein lastaufnehmender Zylinderdeckel ausgestattet sind, wobei an dem Zylinderdeckel, über dem ein Druckübertragungszylinder angeordnet ist, auf den mehrere Gegenkraftsysteme wirken, wobei ein massebeaufschlagtes Gegenkraftsytem mit weiteren hydraulischen Gegenkraftsystemen zusammenwirkt. Das massebeaufschlagte Gegenkraftsytem besteht aus bekannten Gegenkrafthebeln, die sich mit ihren kurzen Schenkeln an einer oberen Platte, die mit dem Kolben des Druckübertragungszylinders in Verbindung steht, und im Gelenkpunkt über einen Querlagerfuß an einer Querlagerplatte abstützen. Die Querlagerplatte wiederum ist mit Arretierungsstangen verbunden, die als Kolben-stange an einen Arretierungskolben führen, der in ortsfesten und mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Arretierungszylindern angeordnet ist. Diese Arretie rungszylinder sind Teil eines weiteren Gegenkraftsystems, das zusätzlich druckerhöhend auf die Arbeitszylinder wirkt. Sie stehen dazu jeweils mit einem weiteren hydraulischen Kolben-/Zylindersystem in Verbindung, dessen Kolbenfläche kleiner als die Kolbenfläche der Arretierungszylinder ist, woraus sich eine Übersetzung in der Kraftübertragung ergibt und im Zusammenwirken eine hydraulische Presse entsteht. Die auf den kleineren Zylinder wirkenden Antriebskräfte werden verstärkt auf den Arretierungskolben der Arretierungszylinder übertragen. Neben der Kraftverstärkung ist die hydraulische Presse verschleissfrei.

Die hydraulische Presse steht primärseitig mit einem Gegenkraftsystem in Verbindung, das über einen Kurbelwellentrieb (Antriebs-Rotor) regelmäßig Druckstöße luftgefüllter Gegenkraftzylinder erhält.

Zur Sicherung der Gegenkraftsysteme während Ruhe- oder Totpunktphasen, insbesondere der Gegenkrafthebel und des stabilen Drucks im Arbeitszylinder sind ein oder mehrere steuerbare Verspannzylinder angeordnet, die mit einem Druckmedium einer separaten Pumpe oder aus einer Abzweigung der Druckleitung des Arbeitszylinders selbst versorgt werden.

In einer Ausführung sind zur Sicherung der Gegenkraftsysteme mehrere verschiebbare Festarretierungshebel in unterschiedlicher Höhenstaffelung angeordnet, die die Querlagerplatte oder den oberen Zylinderdeckel des Arbeitszylinders in ihrer Lage verriegeln.

Zur Rückführung des in Hubendlage befindlichen Arbeitszylinders aus der unteren in die obere Hubendlage sind unterhalb des Arbeitszylinders mehrere Rückführungszylinder angeordnet, die bei Flutung am Fundament abstützend die Rückstellung des Arbeitszylinders bewirken.

Bei Anordnung mehrerer Arbeitszylinder sind die Abläufe so organisiert, dass mindestens ein Arbeitszylinder stets unter Hochdruck steht.

Nachteilig an dieser Ausführung sind insbesondere die Schrägstellung zwischen Gegenkraftzylinder und Druckwechselzylinder, da hierbei Kraftverluste und damit Spann- und Hubhöhen der Gegenkraftzylinder auftreten und diese Hubhöhe ein ganz wichtiger Faktor zur Bestimmung der Arbeit darstellt. Zudem wird mit dieser Erfin dung keine Kopplung von mehreren Anlagen (Modulen) vorgenommen, so dass eine Leistungsvervielfachung damit ausgeklammert wird. Die mit dieser Patentanmeldung angestrebte Wirkung einer dauerhaft höheren Leistung wird zwar erreicht, stellt aber keine Leistungsteigerung im optimalen Sinne dar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vorrichtung und das Verfahren zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigerner Module unter Nutzung einer Hilfsenergie die Erzeugung von Energie aus vielen permanenten Energiespeichern, deren Energiedichte aus Druckluft besteht und die über den steigenden Innendruck von Druckwechselzylindern zyklisch mittels des Kurbelwellenhubes mit einer hohen Hubhöhe gespannt werden und einen Arbeitshub an Hydraulikzylinder bewirkt. Die Arbeit jedes Hubs eines Energiespeichers beruht auf den Komponenten: Fläche der Energiespeicher, Innendruck und Hubhöhe.

Diese zyklische Arbeit der Energiespeicher wird über das Hydrauliköl an einen Hydraulikmotor weitergeleiet und dort in mechanische Energie umgewandelt. Die Umwandlung in elektrische Energie erfolgt in einem Generator.

Die Kopplung mehrerer Leistungsstufen (Module) zu einer Kette von Energieerzeugungsanlagen führt dazu, dass der Output der kleineren Anlage dazu genutzt wird, um die nächstgrössere Anlage mit der notwendigen Inputenergie zu versorgen.

Da in der Regel nur der zehnte Teil des Outputs als Input der Energieanlage notwendig wird, kann aus der Kopplung von 3 Energieanlagen das 1.000-fache an Outputenergie erzeugt werden, das zum Antrieb (Input) des kleinsten Moduls notwendig ist. Aufgabe der Erfindung ist es, die Spann- und Hubhöhe der Energiespeicher auf einen Maximal- bzw. Optimalwert zu vergrössern und somit die Arbeit jedes Energiespeichers zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Kopplung von leistungssteigernden Modulen, diese so miteinander zu verknüpfen, damit eine maximale Leistungsvervielfachung möglich wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Kraft- Druck- und Reibungsverluste gering zu halten.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 und 10 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Vorteile und Anwendungen der erfindungsgemässen Lösung zu entnehmen.

Die Lösung der Aufgabe zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module besteht aus mehreren Druckluftspeichern, die als permante Energiespeicher wirken und die in Abhängigkeit der korrespondierenden Druckwechselzylinder und ihres Innendrucks, der wiederum von der Position des Kurbelzapfens auf der Kreisbahn einer Kurbelwelle bestimmt wird, entweder zusammengepresst werden und somit die Druckluftspeicher in den Zustand der Arbeitsfähigkeit versetzen oder die Hubarbeit an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder weiterleiten. Der Antrieb der Kurbelwelle erfolgt entweder durch die Einspeisung einer mechanischen oder elektrischen Energie, die zum Antrieb einer Kurbelwelle genutzt wird, um eine Vielzahl von Druckluftspeichern, die mit einem Mindest-Innendruck als permanente Anergiespeicher betrieben werden und in der Phase des kraftseitigen Angriffs der angelenkten Druckwechselzylinder im Wechsel von der inneren zur äusseren Kreisbahn der Kurbelwelle eine höhere Energiedichte in den Druckluftspeichern durch das Spannen und ein weiteres Komprimieren der Druckluft erlangen je weiter sich der Kurbelzapfen des kooperierenden Druckwechselzylinders sich dem Totpunkt der äusseren Kreisbahn nähert. Diese Druckenergie des Druckluftspeichers wird zyklisch als Krafthub auf die oberhalb der Druckluftspeicher angeordneten Hydraulikzylinder übertragen, wenn die an den Druckluftspeichern angelenkten Druckwechselzylinder den unteren Totpunkt des Kurbelkreises verlassen und sich der oberen Kreisbahn der Kurbelwelle nähern.

Die Energiedichte und der Krafthub (Arbeitshub) des Druckluftspeichers wird von folgenden Verfahrenskomponenten bestimmt:

a) das Wirkprinzip einer einzigen linearen Kraftlinie vom Kurbelzapfen der Kurbelwelle zum jeweiligen Pleuel, von den Pleueln zum Druckwechselzylinder, vom Druckwechselzylinder zum Druckluftzylinder und vom Druckluftzylinder zu den Schubstangen über die Hydraulikkolbenstange des Hydraulikkolbens im Hydraulikzylindern bis zu den schwenkbaren Befestigungsbolzen am Gestell ist in jeder Phase des Durchlaufens der Kreisbahn an der Kurbelwelle dadurch sichergestellt, dass mehrere, beidseitig an diesen benannten Vorrichtungselementen angelenkten Führungsgestängen ein Kippen oder Verkanten dieser Elemente in der Kreisbewegung der Kurbelwelle ausschliessen und somit keine Verluste an den Kraftschüben der Druckluftzylinder verursacht wird. Je gradliniger diese Schwenkbewegung erfolgt, um so geringer ist die Reibung in den benannten Vorrichtungselementen und somit minimieren sich die Verluste an Reibungsenergie und umso höher ist auch der Krafthub jedes Druckluftspeichers.
b) die Spannhöhe und damit die Hubhöhe jedes Druckluftspeichers wird durch folgende Komponenten bestimmt: b1) dem Kreisbahndurchmesser der Kurbelwelle; je grösser diese ist, um so höher ist die Spann- und Hubhöhe des Druckluftspeichers und somit auch die Energiedichte der Druckluft, da der korrespondierende Druckwechselzylinder eine grössere Kreisbahn durchläuft und den Druckluftzylinder über einen höheren Weg spannt, b2) die Vorspannung mit einem bestimmten Innendruck im Druckwechselzylinder in der oberen Ausgangslage sowie der Abstand des Druckwechselkolbens zum Druckwechselzylinderdeckel bestimmt ganz wesentlich das Erreichen eines höheren Drucks als im Druckluftspeicher und somit den Weg der Spann- und Hubhöhe im Druckluftspeicher; je schneller diese Druckhöhe erzielt wird, umso grösser wird die spätere Hubhöhe im Druckluftzylinder, b3) der Zeitpunkt des Öffnens des Rückschlagbegrenzungsventil in der Druckleitung ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung; je näher dieser Zeitpunkt vor dem oberen Totpunkt der Kurbelhubes erfolgt umso höher ist der Druck im Hydraulikzylinder und somit die weiterzuleitende Energiedichte des Hydrauliköls, wobei der Öffnungszeitpunkt des Rückschlagbegrenzungsventils entweder durch die Limithöhe des Drucks in der Druckleitung des Hydrauliköls oder durch das Erreichen eines definierten Punktes auf der Kreisbahn des Kurbelzapfens mit dem angelenkten Druckwechselzylinder bestimmt wird,

Jeder Druckluftspeicher stellt einen permanenten Energiespeicher dar, dessen Energiegehalt sich nicht verringern kann, solange die Dichtungen den Innendruck im Druckluftzylinder absichern, wobei der Energiegehalt jedes Druckluftzylinders durch die Faktoren Innendruck p, Fläche A und Hubhöhe h bei jedem Hub des Druckluftzylinders abgesichert wird und alle 3 Faktoren eindeutig physikalisch und praktisch nachzuweisen sind, da diese Faktoren der Hubarbeit unveränderliche physikalische Werte darstellen, da die Fläche, die festgestellte Hubhöhe bei einem bestimmten Kurbelwellendurchmesser und der Innendruck eines Druckluftzylinders immer die gleichen Resultate liefert, sooft die Ausgangsbedingungen die gleichen sind und somit der Output aus einem Sytem gleicher Druckluftzylindergrössen immer exakt berechenbar ist.

Die Arbeits(menge) = Leistung einer Vorrichtung wird durch folgende Verfahrensweise bestimmt:

a) je mehr Druckluftspeicher und die zugeordneten weiteren Vorrichtungselemente an der Kurbelwelle angelenkt sind und
b) je schneller sich die Kurbelwelle dreht,

umso höher ist die Leistung der Anlage.

Die Druckluftzylinder wirken als permanente Energiepeicher, die ihre Arbeit W durch die Komponenten (Faktoren):

– Innendruck im Druckluftzylinder (p),
– Fläche der Druckluftzylinder (A),
– Hubhöhe pro Druckluftzylinder (h) und
– Anzahl der Hübe der Druckluftzylinder pro Sekunde (n)

mit W = p·A·h·n dauerhaft nutzen.

Die Druckluftspeicher als permante Energiespeicher leiten ihre Hubarbeit mittels Schubstangen an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder weiter, die eine kleinere Flächen aufweisen und demzufolge mit höheren Drücken betrieben werden.

Jeder Hydraulikzylinder wird mit Hydrauliköl aus einem Hydraulikölbehälter versorgt, der das im Hydraulikmotor verarbeitete Druckfluid sammelt und dieses Hydrauliköl über eine Zulaufleitung und einem Zulaufrückschlagventil in dem Zeitraum den Hydraulikzylinder füllt, wenn die Hydraulikkolbenstange des Hydraulikkolbens im Hydraulikzylinder durch die Schubstangen des Druckluftzylinders oder der Druckkolbenstange nach unten gezogen wird. Der Hydraulikölbehälter weist einen Überdruck auf, der ein schnelles Zufliessen des Hydrauliköls in die Hydraulikzylinder bewirkt

Jeder Hydraulikzylinder versorgt über eine Druckleitung und einen Verteiler eine Vorrichtung der Energieumwandlungsanlage, zum Beispiel einen Hydraulikmotor, mit Druckenergie aus dem Hydrauliköl in dem Zeitraum, wenn die Schubstangen die Hydraulikkolbenstange den Hydraulikkolben im Hydraulikzylinder durch den Druckluftzylinder (im Falle der oberen Druckluftspeicherung) oder im Falle der unteren Druckluftspeicherung im Druckluftzylinder die Druckkolbenstange des Druckluftkolbens nach oben gedrückt werden und das Druckleitungsrückschlagventil am Hydraulikzylinder bei einem bestimmten Druck die Druckleitung freigibt.

Der Hydraulikmotor wird entweder mit einem Generator zur elektrischen Energieumwandlung gekoppelt oder ist zur weiteren Nutzung der mechanischen Energie zum Antrieb einer anderen Vorrichtung ausgelegt, um über eine Kopplung leistungssteigernder Module eine Leistungsvervielfachung abzusichern.

Der Antrieb der Kurbelwelle, an der die Pleuel mit den Druckwechselzylindern angelenkt sind, erfolgt durch eine eigenständige Energiequelle oder eine vorgeschaltete, kleinere Energieumwandlungsanlage der beschriebenen Vorrichtung dient mit ihrer Outputenergie durch den Hydraulikmotor oder den Generator und einem Antriebsmotor (Getriebemotor) als Antriebsenergie (Input) der (nächst)grösseren Energieumwandlungsanlage.

Die Kopplung mehrerer Stufen von Energieumwandlungsanlagen als Kopplung leistungssteigernder Module mit einer sinnvollen Staffelungen der Grössen (Flächen) der Druckluftzylinder als permanente Energiespeicher bewirken eine stets höherenergetische Umwandlung der Energie, denn jede vorgeschaltete Stufe einer Vorrichtung bewirkt mit ihrer Outputenergie die notwendige Inputenergie zum Antrieb der nachgeschalteten Vorrichtung mit einer wesentlich höheren Outputenergie.

Die Absicherung des permanten Innendrucks in den Druckluftzylindern, der nicht unter einem bestimmten Wert absinken darf, wird über einen Kompressor und eine Luftleitung mit Überwachungsmanometer und einem Füllstutzen mit Rückschlagbegrenzungsventil an jedem Druckluftzylinder bewirkt, indem der Kompressor im Falle des Druckabfalls die Versorgung dieses betroffenen Druckluftzylinders mit der notwendigen Druckluft übernimmt.

Der Antrieb dieser Energieerzeugungsanlagen ist mit allen regenerativen Energieträgern wie Wasser, Wind, Photovoltaik, Brennstoffzellen und anderen Energiequellen möglich, wenn diese die benötigte Antriebsenergie zur Zwangsdrehung der Kurbelwelle und damit zur Überwindung der zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinder und der Reibungsverluste an den Lagern und den Kolben-/Zylindersystemen liefern.

Mit der Zwangsdrehung der Kurbelwelle wird ein Mechanismus in Gang gesetzt, der über den Druckstoss einer Vielzahl von luftgefüllten Druckluftspeichern Druckarbeit verrichtet, diese Druckstösse an Hydraulikzylinder und einen Hydraulikmotor weiterleiten. Da der Druckluftspeicher ungefähr die 10-fach grössere Fläche als der Hydraulikzylinder aufweist, wird somit der Druck im Hydraulikzylinder verzehnfacht. Da der Druckluftspeicher und der Hydraulikkolben über die Schubstangen und die Hydraulikkolbenstangen unmittelbar miteinander verbunden sind, legt der Druckluftspeicher und der Hydraulikkolben exakt den gleichen Weg als Hubhöhe zurück.

Der Kraftimpuls vom Druckluftspeicher an den Hydraulikzylinder wird auf Grund des wesentlich höheren Drucks druckseitig verzehnfacht, volumenseitig aber zehnfach verkleinert. Die Arbeitsmenge eines Hubstosses in beiden Systemen ist identisch.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Energieerzeugungsanlagen zu entwickeln, die einen Druck von 200 bar oder einen noch höheren Druck im Hydrauliksystem absichern und mit diesem energiereichen Hydraulikstrom Energie erzeugen. In der weiteren Beschreibung der Erfindung, insbesondere unter dem nachfolgendem Punkt und den Patentansprüchen werden hierzu nähere Details zu dieser Energieumwandlungsform und der Leistungsvervielfachung über die Kopplung der Module benannt.

Vorteile und Anwendungen der erfindungsgemässen Lösung

1. Dieses Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen sind überall dort anwendbar, wo Energie entweder dauernd oder kurzzeitig benötigt werden. Mit einer wesentlich kleineren Eingangsleistung (Input) wird über die erfindungsgemässe Lösung eine wesentlich höhere Ausgangsleistung (Output) erzeugt.
2. Die Outputleistung ist von folgenden Faktoren abhängig: a) der Fläche der Druckluftspeicher; je grösser die Fläche ist, um so höher wird die Outputleistung b) der Höhe des Innendrucks in den Druckluftspeichern; je höher der Innendruck in den Druckluftspeichern ist, um so höher wird die Outputleistung c) der Spannhöhe der Druckluftspeicher, die durch folgende Komponenten bestimmt wird: c1) dem Angriff der kooperierenden Druckwechselzylinder an den Druckluftspeichern; je gradlinieger dieser Angriff erfolgt, um so grösser ist die Spannhöhe c2) dem Kurbelwellendurchmesser; je grösser die Kreisbahn der Kurbelwelle ist, um so mehr werden die Druckluftspeicher durch den Druckwechselzylinder gespannt und somit wird die spätere Hubhöhe der Druckluftspeicher vergrössert d) die Hubhöhe des Druckluftspeichers, die sich aus der Spannhöhe (vergl. c) ergibt und dem Öffnungszeitpunkt des Rückschlagbegrenzungsventils in der Druckleitung des Hydraulikzylinders, je näher dieser Zeitpunkt am Erreichen des oberen Totpunkts der inneren Kreisbahn der Kurbelwelle zum Öffnen des Rückschlagbegrenzungsventils liegt, um so grösser ist die Hubhöhe des Druckluftspeichers e) der Anzahl der an der Kurbelwelle angeordneten Druckwechselzylinder und somit der gleichen Anzahl an Druckluftspeichern; je mehr Druckwechsel- und Druckluftzylinder angeordnet sind, um so höher sind die Anzahl der Hubstösse pro Umdrehung und um so höher ist die Outputleistung f) der Anzahl der Drehungen der Kurbelwelle pro Sekunde; je schneller sich die Kurbelwelle pro Sekunde dreht, um so mehr Hübe der Druckluftspeicher werden umgesetzt und um so höher ist die Outputleistung.
3. Die Inputleistung ist von folgenden Faktoren abhängig: a) der Fläche der Druckwechselzylinder; je grösser die Fläche ist, um so höher wird die Inputleistung b) der Höhe des maximalen Innendrucks in den Druckwechselzylinder; je höher der Innendruck in den Druckwechselzylindern wird, um so höher wird die Inputleistung c) die Spannhöhe der Druckluftspeicher stellt keinen beeinflussenden Faktor dar, ebensowenig ist die Hubhöhe der Druckluftspeicher für die Inputleistung von Bedeutung d) der Anzahl der an der Kurbelwelle angeordneten Druckwechselzylinder und somit der gleichen Anzahl an Druckluftspeichern; je mehr Druckwechsel- und Druckluftzylinder angeordnet sind, um so niedriger sind die Totpunktüberwindungshöhen der zum Extrempunkt der äusseren Kreisbahn wechselnden Druckwechselzylinder und um so niedriger ist die Inputleistung, gleichzeitig nehmen aber auch die Anzahl der Lagerzapfen und der Lagerschalen an der Kurbelwelle zu, so dass hier grössere Reibungsverluste auftreten. Demzufolge ist eine Optimierung von der Menge der Druckwechselzylinder und ihrer Totpunktüberwindungskraft und den Reibungsverluste durch die Lagerzapfen-Pleuel-Reibung und an den Lagerschalen der Kurbelwelle vorzunehmen. e) Der Anzahl der Drehungen der Kurbelwelle pro Sekunde; je schneller sich die Kurbelwelle pro Sekunde dreht, um so mehr Totpunkte der Druckwechselzylinder müssen überwunden werden und um so höher ist die Inputleistung.
3. Die Kopplung einer kleineren Energieerzeugungsanlage mit ihrer Outputleistung zum Antrieb einer wesentlich grösseren Energieerzeugungsanlage ist über diese Erfindung abzusichern, da der Input nur einen Bruchteil der Energie erfordert, der als Output die Gesamtvorrichtung verlässt. Der Output (= Arbeit) errechnet sich aus folgenden Faktoren: W = p·A·h·n W = Arbeit von n Hüben der Druckluftspeicher pro Sekunde p = Innendruck des Druckluftspeichers A = Fläche des Druckluftspeichers h = effektive Hubhöhe eines Hubstosses von 1 Druckluftspeicher n = Anzahl der Hübe der Druckluftspeicher pro Sekunde An einem Beispiel wird die Arbeit berechnet: 36 Druckluftspeicher und 36 Druckwechselzylinder sind auf einer Kurbelwelle angeordnet. Der Kurbelwellendurchmesser beträgt 150 mm und die effektive Hubhöhe des Druckluftspeichers beträgt 80 mm. Der Innendruck im Druckwechseizylinder beträgt mindestens 20 bar und die Fläche des Druckluftspeichers beträgt 100 cm² (d = 113 mm). Die Kurbelwelle dreht sich pro Sekunde 1,4-mal, so dass 50 Hübe der Druckluftspeicher pro Sekunde abgesichert werden. W = p·A·h·n W = 2.000.000 N/m²·0,01 m²·0,08 m·50 W = 80.000 Nm = 80.000 Watt = 80 kW Die Bruttoarbeit einer solchen Kleinanlage beträgt somit 80 kW. Der Input (= zuzuführende Hilfsenergie als Drehmoment) errechnet sich aus folgenden Faktoren: dM = mp·A·dh·n + Überwindung der Reibungsverluste dM = Hilfsenergie zum Antrieb der Kurbelwelle pro Sekunde (Drehmoment) mp = maximaler Innendruck des Druckwechselzylinder – hier mp = 25 bar A = Fläche des Druckwechselzylinders – hier A = 100 cm² dh = Differenzhöhe des zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinders bei 5° vor dem unteren Totpunkt bei 36 Zylindern und 150 mm Kurbellendurchmesser – hier dh = 0,3 mm n = Anzahl der Hübe der Druckluftspeicher pro Sekunde – hier n = 50 Die Reibungsverluste an den Lagerschalen, Pleueln und anderen Elementen wurden durch Versuche an einem Modell erprobt – hier M max. = 150 Nm. An einem Beispiel wird die Hilfsarbeit berechnet: dM = mp·A·dh·n + Überwindung der Reibungsverluste dM = 2.500.000 N/m²·0,01 m²·0,0003 m·50 + 150 Nm dM = 525 Nm Aus dem notwendigen Drehmoment dM lässt sich die Inputleistung dP berechnen: dP = dM·n/9.550 n = 84 U/min (1,4 Umdrehungen/s) dP = 525 Nm·84/9.550 dP = 4,6 kW. Abzüglich aller weiteren Wirkungsgradverluste in den Hydraulikzylindern, am Hydraulikmotor, am Generator sind somit von der Bruttoleistung von 80 kW eine effektive Leistung zwischen 50–55 kW real zu erreichen.
4. Der Wirkungsgrad einer solchen Energieumwandlungsanlage liegt zwischen 62 % und 64 %.
5. Die Inputleistung zum Antrieb der Kurbelwelle liegt bei ungefähr 10 % der Outputleitung einer solchen Energieumwandlungsanlage.
6. Werden 3 Module aneinander gekoppelt, so kann aus 4,6 kW Inputleistung zum Antrieb der ersten Anlage eine Outputleistung aus dem dritten Leistungsmodul von 4.000 kW erzielt werden. Die Energie in den Druckluftspeichern ist permanent vorhanden und verliert ihren Energiegehalt nicht, solanger alle Druckluftspeicher dicht sind und die Innendrücke von 20 bar und mehr speichern.
7. An einem Beispiel der Kopplung leistungssteigernder Module wird die Energievervielfachung näher betrachtet:
8. Folgende Parameter der Berechnungen wurden an Modellen erprobt: a) Die Hubhöhe h der Druckluftspeicher von 80 mm: dieser wichtige Faktor wurde an einem Modell (A) mit einem Kurbelwellendurchmesser von 150 mm zweifelsfrei nachgewiesen und ist somit für alle 3 Module einzusetzen. An einem zweiten Modell (Modell B) wurde mit einem kleineren Kurbelwellendurchmesser (d = 77 mm) eine Hubhöhe von 25 mm bei einem Druck von 2,5 bar festgestellt. b) Die Kraft F mit Druck p und Fläche A wurde an einem Modell (A und B) erprobt, wobei der Druck p = 2,5 bar = 250.000 N/m² und die Fläche A der Druckluftspeicher 104 cm² (d = 115 mm) betrug. Die Kraft F betrug 2.600 N und war exakt über Messungen belegbar. c) Aus der Kraft F und der Hubhöhe h ist die Arbeit eines Druckluftspeichers mit W_(A) = 208 Nm bei F = 2.600 N und h = 0,08 m für Modell (A) und mit W_(B) = 65 Nm bei F = 2.600 N und h = 0,025 m für Modell (B) exakt nachweisbar. d) Die Leistung P aller Druckluftspeicher resultiert aus der Menge der Hübe aller arbeitenden Druckluftspeicher pro Sekunde. Bei 12 Hüben der Druckluftspeicher pro Sekunde beträgt somit am Modell (A) die Leistung P = 2.496 Nm = 2.496 Watt = 2,5 kW (= Output) und für Modell (B) die Leistung P = 780 Nm = 780 Watt = 0,78 kW. e) Die Totpunktüberwindungshöhe wurde am Modell (B) erprobt, das einen Kurbelwellendurchmesser von 77 mm (PKW-Kurbelwellen) aufwies, und da mit 12 Druckluftwechselzylindern gearbeitet wurde, betrug somit die theoeretische Totpunktüberwindungshöhe infolge der 15°-Teilung des zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinders exakt 1,3 mm. Auf Grund einer Gesamthöhe dieses Modells mit den Druckwechselzylindern und der Druckluftspeicher von über 1.700 mm betrug diese Fertigungstoleranz ca. 0,3 mm und somit wurde eine Gesamt-Totpunktüberwindungshöhe von 1,6 mm wirksam. Die Totpunktüberwindungshöhe von nur 0,3 mm bei einer Gesamtzahl von 36 Druckwechselzylindern und Druckluftspeichern ist bei einem Kurbelwellendurchmesser von 150 mm somit als reale Grösse einzuordnen, denn Fertigungstoleranzen sind bei akkurater Fertigung auszuschliessen. f) Die notwendige Inputenergie zum Antrieb der Kurbelwelle am Modell (B) wurde über einen Getriebemotor mit den Parametern P = 0,55 kW und einem Drehmoment M von 108 Nm. Folgende Faktoren zur Berechnung der Inputleistung waren somit gegeben: Durchmesser der Druckwechselzylinder d = 115 mm Fläche A = 104 cm² = 0,0104 m² Druck in den Druckwechselzylinder mp = 3,2 bar = 320.000 N/m² Totpunktüberwindungshöhe plus Fertigungstoleranz dh = 1,6 mm = 0,0016 m Anzahl der Druckwechselzylinder an der Kurbelwelle n = 12 Reibungsverluste an den Lagern und anderen Elementen M = 42 Nm dM = mp·A·dh·n + Überwindung der Reibungsverluste dM = 320.000 N/m²·0,0104 m²·0,0016 m·12 + 42 Nm dM = 106 Nm Aus dem notwendigen Drehmoment dM lässt sich die Inputleistung dP bei 50 Umdrehungen pro Minute = n berechnen: dP = dM·n/9.550 n = 50 U/min (0,83 Umdrehungen/s) dP = 106 Nm·50/9.550 dP = 0,55 kW. Wie zu ersehen ist, beträgt die theoretisch berechnete Inputleistung von 0,55 kW exakt den gleichen Wert, die der Getriebemotor zum Antrieb der Kurbelwelle des Modells (B) benötigt. Zwischen Theorie und Praxis gibt es eine Null-Differenz.
9. Zusammenfassend ist festzustellen, dass folgende Parameter der Outputleistung in den leistungsverstärkenden Energiemodulen als unveränderliche Grössen bekannt sind: a) der Druck p von 20 bar in den Druckluftspeichern – ist gesichert b) die Fläche A der Module mit 100, 900 und 7.800 cm² – ist gesichert c) die Druckerhöhung von 20 bar in den Druckluftspeichern auf 200 bar in den 10-fach kleineren Hydraulikzylindern (bezogen auf ihre Flächen) – ist gesichert d) die Hubhöhe h = 80 mm der Druckluftzylinder bei d > 150 mm der Kurbelwelle – ist gesichert e) die Anzahl der Hübe n = 50 bei 36 Druckluftspeichern an der Kurbelwelle und 1,4 Umdrehungen der Kurbelwelle pro Sekunde – ist gesichert. Damit sind alle Faktoren zur Sicherung des Outputs (= Arbeit) zu 100 % nachweisbar belegt: W = p·A·h·n W = Arbeit von n Hüben der Druckluftspeicher pro Sekunde p = Innendruck des Druckluftspeichers, dieser ist dauerhaft vorhanden und immer wieder abrufbar (solange die Dichtungen halten) A = Fläche des Druckluftspeichers h = effektive Hubhöhe eines Hubstosses von 1 Druckluftspeicher n = Anzahl der Hübe der Druckluftspeicher pro Sekunde. Die Umwandlung der Arbeit (Output) aus dem System der Druckluftspeicher in kleinere Hydraulikzylinder und der Umwandlung der Druckenergie in einem Hydraulikmotor ist erprobt und hinreichend bekannt, so dass diese benannten Parameter des Outputs unter Pkt. 7. für die Module I bis III mit einer Sicherheit > 90 % real erreichbar sind. Die Module erreichen somit nach der Umwandlung in elektrischen Strom folgende Leistungen P als Output: Modul I = 50 kW Modul II = 450 kW Modul III = 4.000 kW.
10. Für den notwendigen Input ist ebenfalls festzuhalten, dass folgende Parameter der Antriebsleistung der Kurbelwelle der leistungsverstärkenden Energiemodule folgende Parameter als unveränderliche Grössen bekannt sind: a) der Druck p von 25 bar in den Druckwechselzylindern – ist gesichert b) die Fläche A der Module mit 100, 900 und 7.800 cm² – ist gesichert c) die Totpunktüberwindungshöhe dh = 0,3 mm der Druckwechselzylinder bei D = 150 mm der Kurbelwelle – ist gesichert d) die Anzahl der Hübe n = 50 bei 36 Druckwechselzylindern an der Kurbelwelle und 1,4 Umdrehungen der Kurbelwelle pro Sekunde – ist gesichert e) das notwendige Drehmoment M zur Überwindung aller Reibungsverluste an den Lagern und zwischen Kolben und Zylinder wurde mit Hilfe des Modells (B) mit je 12 Druckwechselzylinder und Druckluftspeichern mit 42 Nm bestimmt, so dass je 36 Druckwechselzylinder und Druckluftspeicher beim Modul I mit M = 150 Nm, beim Modul II mit M = 1.400 Nm und beim Modul III mit M = 12.000 Nm ausreichen, um die Kurbelwelle effizient anzutreiben und diese Reibungen überwinden. Damit sind alle Faktoren zur Sicherung des Inputs (= Hilfsarbeit) zu 100 % nachweisbar belegt: Das Hilfs-Drehmoment dM ist definiert: dM = mp·A·dh·n + Überwindung der Reibungsverluste dM = Hilfs-Drehmoment von n Hüben der Druckwechselzylinder pro Sekunde plus Überwindung der Reibungsverluste mp = maximaler Druck in den Druckwechselzylindern A = Fläche des Druckwechselzylinder dh = Differenzhöhe jedes zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinders n = Anzahl der Hübe der Druckwechselzylinder pro Sekunde Überwindung der Reibungsverluste an den Lagern und zwischen Kolben/Zylinder. Aus dem notwendigen Drehmoment dM lässt sich die Inputleistung dP berechnen: dP = dM·n/9.550 n = 84 U/min (1,4 Umdrehungen/s) Die Höhe der Antriebsleistung (Input) zum Antrieb der Kurbelwelle ist erprobt, so dass diese benannten Parameter des Inputs unter Pkt. 7. für die Module I bis III mit einer Sicherheit > 90 % real erreichbar sind und nicht überschritten werden. Zum Antrieb der Kurbelwellen der Module sind somit folgende Inputwerte ausreichend: Modul I mit P = 4,6 kW und M = 525 Nm Modul II mit P = 52,0 kW und M = 4.775 Nm Modul III mit P = 433,0 kW und M = 41.250 Nm. Das Modul I liefert am Hydraulikmotor mit Getriebe eine Leistung P von 59,0 kW und ein Drehmoment M bei 84 Umdrehungen pro Minute von 6.700 Nm, so dass mit dieser Outputleistung das Modul II mit einem Input von P = 52,0 kW und einem Drehmoment M = 4.775 Nm bedient und ausreichend mit Energie versorgt werden kann. Das Modul II liefert am Hydraulikmotor mit Getriebe eine Leistung P von 535,0 kW und ein Drehmoment M bei 84 Umdrehungen pro Minute von 60.820 Nm, so dass mit dieser Outputleistung das Modul III mit einem Input von P = 433,0 kW und einem Drehmoment M = 41.250 Nm bedient und ausreichend mit Energie versorgt werden kann.
11. Mit der Kopplung aller 3 leistungsverstärkender Module kann aus 4,6 kW Inputleistung zum Antrieb des ersten Moduls eine Endleistung von 4.000 kW aus dem letzten Modul erzeugt werden. Diese Endleistung resultiert aus der Kopplung aller 3 Module, da jeweils der Input von 1 Einheit an Energie die Verzehnfachung der Leistung als Output aus dem jeweiligen Modul bewirkt und die Kopplung des Outputs der kleineren Anlage zum Antrieb (Input) der jeweils grösseren Anlage dient, die wiederum die 10-fache der Leistungssteigerung bewirkt. Diese Leistungssteigerung ist nichts geheimnisvolles oder auch nichts, was sich nicht mit den Gesetzen der Physik vereinbaren lässt, denn alle Verfahrensabläufe sind nachvollziehbar, die physikalischen Gesetze sind bekannt und werden durch die zu bauenden Module an praktischen Parametern beweisbar.
12. Die Leistungsvervielfachung einzelner Anlagen oder der Kopplung von leistungssteigerner Module wird die Energieerzeugung grundlegend ändern, da die Inputenergie zum Antrieb dieser Anlagen sich auf das 1.000-fache verkleinern kann. Dies bringt gewaltige ökonomische Veränderungen und Verbesserungen vor allem in ökologischen Fragen mit sich. Das Weltklima wird sich um so rascher verbessern, je schneller die Umsetzung dieser Erfindung erfolgt. Die Ressourcen an Brennstoffen können viel effizienter eingesetzt werden und brauchen nicht mehr „verfeuert" zu werden. Die Kosten zur Energieumwandlung werden sinken, da fast alle Brennstoffkosten wegfallen.
13. Nicht vergessen werden sollte, dass die Herstellung und der Betrieb dieser Anlagen neue Arbeitsplätze schafft, da diese Anlagen nicht nur in stationären Energieumwandlungsanlagen eingesetzt werden können, sondern auch in Fahrzeugen, Schiffen, Eisenbahnen, Bussen, Loks, stationären Maschinen usw. eingebaut und als Antrieb genutzt werden können.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1: die Vorrichtung einer einzigen Wirkungsebene vom Kurbelzapfen (54) über das Pleuel (33), den Druckwechselzylinder (58) in Verbindung mit dem Druckluftspeicher (57) zum Befestigungsbolzen (17) am Gestell (2) und der weiteren Wirkungsebene von den Schubstangen (15) am oberen Druckluftzylinderdeckel (4) zur Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikzylinders (59) mit der Zylinderkopfbefestigung am Befestigungsbolzen (40) am Gestell (2) in 2 Phasen des Energieprozesses im Druckluftspeicher 57.

1a: Spannen des Druckluftspeichers (57) durch das Erreichen des kooperierenden Druckwechselzylinders (58) des oberen Totpunktes des Kurbelzapfens (54) der Kurbelwelle (53)
1b: Abgabe der Hubarbeit vom Druckluftspeicher (57) an das Hydrauliköl (36a) im Hydraulikzylinder (59) durch das Erreichen des Druckwechselzylinders (58) des unteren Totpunktes des Kurbelzapfens (54) an der Kurbelwelle (53) – Beginn des Prozesses der Energieabgabe von (57) an (59)

2: Darstellung des unterschiedlichen Druckaufbaus in den Druckluftspeichern (57) und in den Druckwechselzylindern (58) mit den verschieden Druckräumen (4a) unds 23a) in diesen Zylinderpaaren (57, 58).

2a: Druckraum (4a) des Druckluftspeichers (57) oben und Druckraum (23a) des Druckwechselzylinders (58) auch oben
2b: Druckraum (4a) des Druckluftspeichers (57) oben und Druckraum (23a) des Druckwechselzylinders (58) unten
2c: Druckraum (4a) des Druckluftspeichers (57) unten und Druckraum (23a) des Druckwechselzylinders (58) auch unten
2d: Druckraum (4a) des Druckluftspeichers (57) unten und Druckraum (23a) des Druckwechselzylinders (58) oben
2e: Gesamtzylinder: beide Zylinder (57 und 58) in einem Zylinder: Druckraum (4a) des Druckluftspeichers (57) oben und Druckraum (23a) des Druck wechselzylinders (58) unten

3: Darstellung eines Moduls (60, zum Beispiel Modul I) vom Antriebs-/Getriebemotor (65) = Input bis zum Ouput = Hydaulikmotor (50) oder Getriebe (51) oder Generator (52) mit allen Vorrichtungselementen (1–4, 4a, 5–10, 14, 15, 17, 22, 23, 23a, 24–29, 33–36, 36a, 37–41, 43, 45–53, 53a, 54–59, 63).

4: Darstellung der Kopplung aller Module I bis III (60, 61) mit den notwendigen Inputs und Outputs der Module und der Fremdenergiequelle (62) zur Absicherung der notwendigen Inputenergie, die zum Antrieb der Kurbelwelle (53) über den Antriebs-/Getriebemotor (65) benötigt wird.

Beispiel: Photovoltaikmodule mit Pufferspeicher als Fremdenergiequelle (62)

5: Darstellung der gradlininigen Wirkungsebenene vom Pleuel (33) über die Zylinderpaare (58 und 57) bis zum Hydraulikzylinder (59), der Darstellung der Führungsgestänge (19), der Führungsschienen (21) und der Führungsbolzen (20):

5a: Darstellung der Absicherung der gradlinigen Wirkungsebene der Zylinderpaare (58, 57 und 59) durch die Führungsgestänge mit Führungsnuten (19), den Führungsbolzen (20) und den Führungsschienen mit Führungsnuten (21)
5b: Darstellung der Führungsgestänge mit Führungsnuten (19), den Führungsbolzen mit Spannbänder (20) sowie den Führungsschienen mit Führungsnuten (21) in der Seitenansicht.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben und besteht aus folgenden Elementen:

a) dem Fundament 1, auf dem die gesamte Vorrichtung mit dem Lagerbett 55 der Kurbelwelle 53, der Kurbelwelle 53 selbst, dem Gestell 2, an dem die Druckluftspeicher 57, die Druckwechselzylinder 58, die Hydraulikzylinder 59, der Hydraulikmotor 50 mit Getriebe 51, dem Generator 52, der Hydraulikölbehälter 46 und die Verteiler des Hydrauliköls 45, 49 mittelbar oder unmittelbar befestigt sind.
b) dem Gestell 2, an dem die Druckluftspeicherr 57, die Hydraulikzylinder 59 und der Hydraulikölbehälter 46 sowie die Verteiler 45 und 49 befestigt sind. Das Gestell 2 ist fest mit dem Fundament 1 verbunden.
c) dem Druckluftspeicher 57 als zentrales Element (permanenter Energiespeicher) mit folgenden Vorrichtungsbestandteilen: dem Druckluftzylinderkörper 3 dem oberen Druckluftzylinderdeckel 4 dem Druckluftkolben 5 der Druckluftkolbenstange 6 dem unteren Druckluftzylinderdeckel 7 und den Dichtungen: Dichtung 8 zwischen oberen Druckluftzylinderdeckel 4 und dem Druckluftzylinderkörper 3 bei der oberen Druckfüllung 4a Dichtung 11 zwischen unteren Druckluftzylinderdeckel 7 und dem Druckluftzylinderkörper 3 bei der unteren Druckfüllung 4a Kolbenstangendichtung 9 am oberen Druckluftzylinderdeckel 4 bei der oberen Druckluftfüllung 4a Kolbenstangendichtung 12 am unteren Druckluftzylinderdeckel 7 bei der unteren Druckluftfüllung 4a Kolbendichtung 10 am Druckluftkolben 5 im Druckluftzylinder 3 bei der oberen oder unteren Druckluftfüllung 4a.

Die Zuganker 66 verbinden den oberen und unteren Druckluftzylinderdeckel 4 und 7. Weiterhin sind am Druckluftspeicher 57 – entweder am oberen Druckluftzylinderdeckel 4 oder an der Druckkolbenstange 6 – Schubstangen 15 mit Bolzen angelenkt, die die Weiterleitung des Krafthubes vom Druckluftspeicher 57 an die Hydraulikkolbenstange 38 weiterleiten oder diese Hydraulikkolbenstange 38 nach unten ziehen, wenn der Druckluftspeicher 57 durch den kooperierenden Druckwechselzylinder 58 nach unten gezogen wird.

Der Druckluftspeicher 57 ist mit einem Befestigungsbolzen 17 am Gestell 2 befestigt, dieser Befestigungsbolzen 17 erlaubt ein Schwenken des Druckluftspeichers 57, wenn dieser den Schwenkbereich der Kurbelwelle 53 durchläuft.

Der Druckluftspeicher 57 ist als Druckluftzylinder 57 ausgelegt, in dem sich die Druckluft 4a entweder im oberen Bereich des Druckluftzylinders 3 zwischen Druckluftkolben 5 und oberen Deckel 4 befindet oder die Druckluft 4a befindet sich im unteren Bereich des Druckluftzylinders 3 zwischen Kolben 5 und unterem Deckel 7 des Druckluftzylinders 3.

Befindet sich der Druckraum 4a im oberen Bereich des Druckluftzylinders 3, dann ist die Druckkolbenstange 6 schwenkbar am Drehpunkt mit dem Befestigungsbolzen 17 am Gestell 2 befestigt. Der Druckwechselzylinder 22 greift mit seiner Druckwechselkolbenstange 25 am Druckluftzylinder 3 an und zieht diesen nach unten, wenn der Druck 23a im Druckwechselzylinder 58 grösser als der Druck 4a im Druckluftzylinder 57 wird.

Die Schubstangen 15 vom Druckluftzylinder 3 befinden sich am oberen Druckluftzylinderdeckel 4 und drücken die darüber befindlichen Hydraulikkolbenstange 38 des Hydraulikkolbens 37 im Hydraulikzylinder 35 nach oben, wenn der Druck 23a im Druckwechselzylinder 58 abfällt und der Druck 4a im Druckluftzylinder 57 grösser als der Druck 23a im Druckwechselzylinder 58 wird.

Im Falle der unteren Druckluftspeicherung 4a im Druckluftzylinder 3 ist der Druckluftzylinder 3 und einem Gestängepaar 16 schwenkbar am Drehpunkt des Befestigungsbolzens 17 am Gestell 2 befestigt. Der Druckwechselzylinder 22 greift mit der Druckwechselkolbenstange 25 und einem auskrakendem Gestänge 32 an der Druckkolbenstange 6 des Druckluftkolbens 5 an und zieht diesen nach unten, wenn der Druck 23a im Druckwechselzylinder 22 grösser als der Druck 4a im Druckluftzylinder 3 wird. Die Schubstangen 15 vom Druckluftkolben 5 befinden sich an der Druckkolbenstange 6 des Druckluftkolbens 5 und drücken die darüber befindlichen Hydraulikkolbenstange 38 des Hydraulikkolbens 37 im Hydraulikzylinder 35 nach oben, wenn der Druck 23a im Druckwechselzylinder 22 abfällt und der Druck 4a im Druckluftzylinder 3 grösser wird als der Druck 23a im Druckwechselzylinder 22.

Vorrichtungsseitig sind mehrere Druckluftspeicher 57 und die zugeordneten weiteren Elemente wie Druckwechselzylinder 58 und Hydraulikzylinder 59 angeordnet, wobei diese Druckluftzylinder 57 als permanente Energiespeicher wirken, die ihre Arbeit W durch die Komponenten (Faktoren):

– Innendruck 4a (p) im Druckluftzylinder 57,
– Fläche (A) der Druckluftzylinder 57,
– Hubhöhe (h) pro Druckluftzylinder 57 und
– Anzahl der Hübe (n) der Druckluftzylinder 57 pro Sekunde

definiert und diese dauerhaft nutzt.

Im Bereich des Druckraums 4a des Druckluftzylinders befindet sich im jeweiligen Deckel 4 oder 7 ein Füllstutzen mit Überwachungsmanometer sowie ein Druckluftbegrenzerventil, das über die Luftleitung 14 mit Druckluft oder Druckstickstoff oder einem anderen Gas durch den Kompressor 63 mit diesem Druckmedium 4a versorgt, wenn der Druck im Druckraum unter einen bestimmten Limitwert fällt.

In dem jeweils anderen Deckel 7 oder 4 befinden sich Entlüftungsbohrungen, die eine ungehinderte Kolbenbewegung des Druckluftkolbens 5 ermöglichen.

Für die Führung der Druckkolbenstange 6 in dem Deckel 7 oder 4, der Entlüftungsbohrungen enthält, genügen Führungsmanschetten 13 dieser Kolbenstange 6.

Wirkt der Druckaufbau 23a im Druckwechselzylinder 58 im unteren Bereich 23a des Druckwechselzylinders 58 und ist die Druckfüllung 4a des Druckluftspeichers 57 im oberen Bereich des Drucklufzylindereckels 4 angeordnet, dann können Druckluftzylinder 57 und Druckwechselzylinder 58 entweder in 2 verschiedenen Zylindern 57 und 58 mit einer Druckwechselkolbenstange 25 verbunden werden oder in einem Gesamtzylinder 18 (Druckluft- 57 und Druckwechselzylinder 58 vereint) werden. Der Druckluftkolben (5) weist auf der nichtdrucklufgefüllten Seite eine Schalldämmung (67), zum Beispiel eine Spiralfeder (67) oder Dämmstoffe (67) auf, die den Rückschlag des Druckluftkolbens (5) nach der Energieübertragung an den Hydraulikzylinder (59) abfedert und somit schallseitig dämmt,

d) dem Druckwechselzylinder 58 als kooperierendes Glied zum permanenten Energiespeicher 57) mit folgenden Vorrichtungsbestandteilen: dem Druckwechselzylinderkörper 22 dem oberen Druckwechselzylinderdeckel 23 dem Drutkwechselkolben 24 der Druckwechselkolbenstange 25 dem unteren Druckwechselzylinderdeckel 26 und den Dichtungen: Dichtung 27 zwischen oberen Druckwechselzylinderdeckel 23 und dem Druckwechselzylinderkörper 22 bei dem oberen Druckaufbau 23a Dichtung 30 zwischen unteren Druckwechselzylinderdeckel 26 und dem Druckwechselzylinderkörper 22 beim unteren Druckaufbau 23a Kolbenstangendichtung 28 am oberen Druckwechselzylinderdeckel 23 beim oberen Druckaufbau 23a Kolbenstangendichtung 31 am unteren Druckwechselzylinderdeckel 26 beim unteren Druckaufbau 23a Kolbendichtung 29 am Druckwechselkolben 24 im Druckwechselzylinder 22 beim oberen oder unteren Druckaufbau 23a.

Die Zuganker 66 verbinden den oberen und unteren Druckwechselzylinderdeckel 23 und 26.

Der Aufbau des Druckwechselzylinders 58 ist analog dem des Druckluftzylinders 57 ausgelegt, wobei sich der Druckaufbau 23a entweder im oberen Bereich des Druckwechselzylinders 58 zwischen dem Druckwechselkolben 24 und dem oberen Druckwechselzylinderdeckel 23 abspielt oder der Druckaufbau 23a findet im unteren Bereich des Druckwechselzylinders 58 zwischen Druckwechselkolben 24 und unterem Deckel 26 des Druckwechselzylinders 58 statt.

Der Druckwechselzylinder 58 enthält eine Druckwechselkolben 24, der im Falle des oberen Druckaufbaus 23a mit einer Druckwechselkolbenstange 25 am Druckluftzylinder 3 direkt angreift oder über ein auskragendes Gestänge 32 an der Druckkolbenstange 6 angelenkt ist und entweder den Druckluftzylinder 3 oder die Druckkolbenstange 6 nach unten zieht, sobald der Druck 23a im Druckwechselzylinder 58 ansteigt und den Druck 4a im Druckluftspeicher 57 übertrifft.

Die Druckwechselkolbenstange 25 verbindet den Druckwechselkolben 24 beim oberen Druckaufbau 23a mit dem Druckluftzylinder 3 und sichert somit die kraftseitige Umsetzung des höheren Drucks – und damit der grösseren Kraft – in der Phase des Druckaufbaus 23a im Druckwechselzylinder 58 gegenüber dem Druckluftzylin der 57 ab. Der Druckwechselzylinder 58 besitzt einen oberen Druckwechselzylinderdeckel 23, der eine bewegliche Druckwechselkolbenstange 25 aufnimmt, wobei im Falle der Druckaufbaus 23a im oberen Bereich zwischen Druckwechselkolben 24 und dem oberen Druckwechselzylinderdeckel 23 Kolbenstangendichtungen 28 und Dichtungen 27 zwischen dem oberen Druckwechselzylinderdeckel 23 und dem Zylinderkörper 22 integriert sind. Weiterhin sind beim oberen Druckaufbau 23a Entlüftungsbohrungen im unteren Druckwechselzylinderdeckel 26 anzubringen. Erfolgt der Druckaufbau 23a im unteren Bereich des Druckwechselzylinders 58, dann zieht der Druckwechselzylinder 22 über die obere Druckwechselkolbenstange 25 den Druckluftzylinder 3 nach unten.

Die Druckwechselkolbenstange 25 verbindet den Druckwechselkolben 24 beim unteren Druckaufbau 23a über das auskragende Gestänge 32 mit der Druckkolbenstange 6 und sichert somit die kraftseitige Umsetzung ab, wobei bei diesem Druckaufbau 23a die Druckwechselkolbenstange 25 entweder in eine obere und eine untere Druckwechselkolbenstange 25 geteilt ist oder sie ist nur als untere Druckwechselkolbenstange 25 vorhanden, wenn der Druckluftzylinder 57 und Druckwechselzylinder 58 in einem Gesamtzylinder 18 integriert sind.

Im Falle des unteren Druckaufbaus 23a sind im oberen Druckwechselzylinderdeckel 23 Entlüftungsbohrungen anzubringen und die Kolbenstangendichtungen 31 sind im unteren Druckwechselzylinderdeckel 26 anzubringen, ebenso die Dichtung 30 zwischen Deckel 26 und Zylinderkörper 22.

Beide Zylinder 57 und 58 können aber in einem Gesamtzylinder 18 vereint werden und dieser Gesamtzylinder 18 wird nach unten gezogen, wenn der Druck 23a im Druckwechselzylinder 58 grösser als der Druck im Druckluftzylinder 57 wird.

Im Bereich des unteren Druckaufbaus 23a im Gesamtzylinder 18 greift das Pleuel 33 direkt an der unteren Druckwechselkolbenstange 25 an, die mit dem Druckwechselkolben 24 verbunden ist.

Im Falle der Verbindung von Druckluftzylinder 57 und Druckwechselzylinder 58 stellt die obere Druckwechselkolbenstange 25 nur das Verbindungsglied zwischen beiden Zylindern 57 und 58 dar und die untere Druckwechselkolbenstange 25 ist mit dem Pleuel 33 fest verbunden und sichert ab, dass der Druckaufbau 23a zwischen Druckwechselkolben 24 und dem unteren Druckwechselzyinderdeckel 26 wirksam wird. Somit wird die kraftseitige Übertragung der Kräfte auf den Druckluftspeicher 57 abgesichert.

Aus Sicherheitsgründen sind je nach Druckaufbau 23a in den oberen oder unteren Bereich im Druckwechselzylinder 58 in den jeweilig zugeordneten Druckwechselzylinderdeckeln 23 oder 26 folgende Elemente zu integrieren: 1 Füllstutzen mit Manometer sowie 1 Druckluftbegrenzerventil und eine Luftleitung 34, die eine Versorgung mit Druckluft 23a aus dem Kompressor 63 absichert, sobald ein zusätz-licher Ausgangsdruck 23a im zutreffenden Bereich des Druckwechselzylinders 58 notwendig wird.

Im Druckwechselzylinder 58 selbst befindet sich der Druckwechselkolben 24, der mit der Druckwechselkolbenstange 25 fest verbunden und dieser ist mit Kolbendichtungen 29 ausgestattet ist, die den oberen oder unteren Druckraum 23a des Druckwechselzylinders 22 abdichten und gewährleisten, damit der steigende Innendruck p in der Phase des Druckaufbaus im Druckraum 23a des Druckwechselzylinders 58 möglichst lange stabil erhalten bleibt.

e) dem Hydraulikzylinder 59 als Energieweiterleitungs-Element des permanenten Energiespeichers 57) mit folgenden Vorrichtungsbestandteilen: dem Hydraulikzylinderkörper 35 dem oberen oberen Hydraulikzylinderdeckel 36 dem Hydraulikkolben 37 der Hydraulikkolbenstange 38 dem unteren Hydraulikzylinderdeckel 39 und den Dichtungen, die in diesem Fall nicht besonders benannt werden, da der Hydraulikkkolben 37 und der obere Hydraulikzylinderdeckel 36 mit dem Hydraulikzylkinderkörper 35 Dichtungen aufweisen, da das Hydrauliköl 36a nur im oberen Bereich des Hydraulikzylinders 59 wirksam wird.

Die Zuganker 66 verbinden den oberen und unteren Druckwechselzylinderdeckel 36 und 39.

Der Aufbau des Hydraulikzylinders 59 ist folgendermassen ausgelegt:
In einem Hydraulikzylinderkörper 35 wird ein Hydraulikkolben 37 kraftseitig durch eine Hydraulikkolbenstange 38 bewegt, entweder wird der Kolben 37 nach oben gedrückt oder nach unten gezogen.

Beide Kraftbewegungen werden durch die Schubstangen 15 bewirkt, die entweder durch den Druckluftzylinder 3 oder durch die Druckkolbenstange 6 ihren Kraftimpuls erhalten.

Weiterhin ist am oberen Hydraulikzylinderdeckel 36 eine Zulaufleitung 41 für das Hydrauliköl 36a mit einem Rückschlagventil 42 und eine Druckleitung 43 mit Rückschlagbegrenzungsventil 44 und einem Manometer angeordnet. Über die Zulaufleitung 41 wird der Zulauf mit Fluid 36a aus dem Hydraulikölbehälter 46 in den Hydraulikzylinder 59 abesichert und über die Druckleitung 43 erfolgt der Zulauf des Drucklluids 36a zum Hydraulikmotor 50. Das Rückschlagventil 42 sichert ab, dass das Fluid 36a nicht in den Hydraulikölbehälter 46 zurückgedrückt wird, wenn der Druck im Hydraulikzylinder 59 ansteigt. Das Rückschlagbegrenzungsventil 44 sichert ab, dass dieses Ventil 44 erst geöffnet wird, wenn der Druck im Hydraulikzylinder 59 einen bestimmten Mindestwert erreicht, die benannte „Begrenzung".

Um eine ungehinderte Kolbenbewegung des Hydraulikkolbens 37 im Hydraulikzylinder 59 zu erreichen, sind Entlüftungsbohrungen im unteren Bereich des Hydraulikzylinders (35) angebracht.

Der Hydraulikzylinder 59 ist schwenkbar mit seinem Hydraulikkopf durch den Befestigungsbolzen 40 am Gestell 2 angelenkt.

Die Schubstangen 15 des Druckluftzylinders 3 oder der Druckkolbenstange 6 stellen die kraftseitige Verbindung vom Druckluftspeicher 57 zum Hydraulikzylinder 59 dar. Die Hydraulikkolbenstange 38 wird nach unten gezogen durch die Elemente 3 oder 6, wenn der Druck 23a im Druckwechselzylinder 58 grösser als der Druck 4a im Druckluftspeicher 57 wird und ermöglicht damit die Flutung des Hydraulikzylinders 35 mit Hydrauliköl 36a aus dem Hydraulikölbehälter 46.

Wird hingegen der Druck 4a grösser als der Druck 23a, dann drückt entweder der Zylinder 3 oder die Druckkolbenstange 6 die Schubstangen 15 und somit die Hydraulikkolbenstange 38 nach oben und leiten den Krafthub des Druckluftspeichers 57 auf das Hydrauliköl 36a im Hydraulikzylinder 35 weiter, wobei die einschränkende Bedingung des Mindestdruckes für das Hydrauliköl 36 für das Öffnen des Rückschlagbegrenzungsventil 42 zur Weiterleitung des Fluids 36a zum Hydraulikmotor 50 gilt.

Die Druckleitung 43 jedes Hydraulikzylinders 59 führt zunächst zu einem Hydraulikverteiler 45, der alle Druckleitungen 43 der einzelnen Hydraulikzylinder 59 bündelt und eine Gesamtdruckleitung 43 als Ausgang aufweist, die zum Hydraulikmotor 50 führt und diesen mit dem Druckfluid 36a antreibt.

Der Hydraulikverteiler 45 sollte ein Manometer und eine Steuereinheit aufweisen, die bei Druckabfall 36a im System mit einem Steuersignal reagieren.

Der Hydraulikzylinder 35 besitzt in der Regel eine kleinere Fläche als der Druckluftzylinder 3, da mit dieser Flächenverkleinerung höhere Drücke im Hydraulikzylinder 35 bewirkt werden und der Zufluss einer kleineren Menge an Fluid 36a somit im Hydraulikzylinder 35 schneller abzusichern ist.

f) dem Hydraulikmotor 50 als Energieumwandlungs-Element des permanenten Energiespeichers 57 über den Hydraulikzylinder 59 mittels des Fluids 36a)

Der Hydraulikmotor 50 wird durch das Hydrauliköl 36a, dass aus den Hydraulikzylindern 59 in die Hauptdruckleitung 43 gepresst wird angetrieben und in eine Bewegungsenergie umwandelt, wobei der Druck p des Fluids 36a und die Durchflussmenge V des Hydrauliköls 36a pro Sekunde die Leistung P und das Drehmoment M des Hydraulikmotors 50 bestimmen.

Der Hydraulikmotor 50 verarbeitet das Druckfluid 36a in Bewegungsenergie mit seinen spezifischen Daten: Leistung P, Drehmoment M und Drehzahl n.

Nach dieser Bearbeitung/Energieumwandlung wird das Fluid 36a über eine Zulaufbehälterleitung 47 in den Hydraulikölbehälter 46 zurückgeleitet.

g) dem Hydraulikölbehälter 46, der das Fluid 36a in einem geschlossen Kreislauf den Hydraulikzylindern 59 zur Verfügung stellt

Der Hydraulikölbehälter 46 speichert zeitweise das Fluid 36a und stellt es für die weitere Nutzug in den Hydraulikzylindern 59 und im Hydraulikmotot 50 in einem geschlossenen Zyklus wieder zur Verfügung.

Der Hydraulikölbehälter 46 wird durch eine im oberen Bereich des Hydraulikölbehälters angeordnete Zulaufbehälterleitung 47 mit Hydrauliköl 36a versorgt, das aus dem Hydraulikmotor 50 stammt.

Im unteren Bereich des Hydraulikölbehälters 50 ist die Zulaufleitung 41 angeordnet, die zur Versorgung mit Hydrauliköl 36a für die Hydraulikzylinder 59 sorgt.

Über einen weiteren Verteiler 49 des Fluids 36a und den entsprechenden Zulaufleitungen 41 werden die einzelnen Hydraulikzylinder 59 mit Fluid 36a versorgt.

Der Hydraulikölbehälter 46 wird über eine Luftlimitdruckleitung 48 unter einem Mindestdruck gesetzt, um die Fluidzirkulation 36a und das Füllen der Hydraulikzylinder 59 zu beschleunigen. Diese Luftlimitdruckleitung 48 wird über den Kompressor 63 mit Druckluft versort, wobei diese Luftlimitdruckleitung 48 im oberen Teil des Hydraulikölbehälters 46 integriert ist, um das Fluid 36a im unteren Teil des Behälters 46 unter Druck zu setzen.

Im Bereich des Fluids 36a im Behälter 46 ist – falls erforderlich – ein Kühlaggregat 64 einzusetzen, um das Fluid 36a entsprechend zu kühlen.

Im Bereich der Druckluftspeicher 57 und der Druckwechselzylinder 58 ist ebenfalls ein Kühlaggregat 64 einzusetzen, dass die Druckmedien 4a und 23a kühlt, da sie in einem wechselndem Zyklus komprimiert werden und dabei Wärme entsteht, die durch Kühlung kompensiert werden sollte.

h) dem Getriebe-/Antriebsmotor 65 der Kurbelwelle 53, der über die Druckwechselzylinder 58 die Wirksamkeit der permanenten Energiespeicher 57 initiiert

Der Antrieb der Kurbelwelle 53, an der die Pleuel 33 mit den Druckwechselzylindern 58 angelenkt sind, erfolgt durch:

a) eine eigenständige Energiequelle 62 (Fremdenergiequelle) mit einem Getriebe-/Antriebsmotor- Antrieb 65,
b) oder eine vorgeschaltete, kleinere Energieumwandlungsanlage 60 der beschriebenen Vorrichtung dient mit ihrer Outputenergie durch den Hydraulikmotor 50 und einem Getriebe 51 oder den Generator 52 und einem Antriebs-/Getriebemotor 65 als Antriebsenergie (Input) der nächstgrösseren Energieumwandlungsanlage 61.

Die Höhe der Antriebsenergie (Input) einer Energieumwandlungsanlage wird umso niedriger wird, je mehr Druckwechselzylinder 58 an der Kurbelwelle 53 angreifen, denn umso kleiner wird die Höhendifferenz des jeweils zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinders 58.

Durch Versuche an den benannten Modellen wurde festgestellt, je näher sich ein Druckwechselzylinder 58 auf den unteren Totpunkt der Kreisbahn der Kurbelwelle 53 zubewegt, bei etwa 170° beginnend in Annäherung an die 180°, um so geringer wird die Kraft, mit der die Handkurbel zur Drehung der Kurbelwelle 53 bewegt werden muss. Obwohl der Druck 23a in diesem Druckwechselzylinder 58 ansteigt und damit die Kraft zur Drehung der Kurbelwelle 53 auch ansteigen müsste, ist bei den Tests ein Absinken dieser Kraft festgestellt worden, je näher der Druckwechselzylinder 58 sich dem Totpunkt nähert. Dieses relative Absinken der Kraft ist äusserst vorteilhaft zu bewerten.

Da sich aber andererseits mit der Zunahme der Druckwechselzylinder 58 auf einer Kurbelwelle 53 auch die Reibungsverluste an der Kurbelwelle 53 in den Lagerschalen 56, an den Pleueln 33 und den Kolben- und Kolbenstangendichtungen 9, 10, 12, 28, 29 und 31 erhöhen, ist eine optimierte Anzahl der Druckwechselzylinder 58 und der Druckluftspeicher 57 auszuwählen.

Weiterhin ist die optimale Drehzahl n der Kurbelwelle 53 zu ermitteln, da die Fülldauer der Hydraulikzylinder 59 mit dem Fluid 36a nicht extrem verkürzt werden kann.

Die Kurbelwelle 53 ist im Lagerbett 55, zum Beispiel einem Gusslagerbett, gelagert und sollte 6 Einzelmodule mit je 6 Kurbelzapfen 54 aufweisen, die mit einer 60°-Teilung versehen sind. Die Kopplung der Einzelmodule zu einer Gesamtkurbelwelle 53 mit der 10°-Teilung der Kurbelzapfen 54 erfolgt über Kupplungen.

Das Lagerbett 55 enthält ein Ölwanne mit Schmieröl 53a, das die Schmierung aller Lagerbolzen der Kurbelwelle 53 an den Lagerschalen 56 sowie der Kurbelzapfen 54 an den Pleueln 33 absichert.

i) den Führungsgestängen mit Führungsnuten 19, den Führungssschienen 21 mit Führungsnuten sowie den Führungsbolzen 19 mit Spannbändern (oder angeschweisst, verschraubt) an den Druckwechselzylindern 59, den Druckluftspeichern 57 und den Hydraulikzylindern 59; diese Elemente 19, 20, 21 sichern die Wirkungs- und Kraftlinie der Zylinderpaare 58, 57 und 59 in einer einzigen Wirkungsebene ab

Die gemeinsame Wirkungsebene zwischen Kurbelzapfen 54, Pleuel 33, Druckwechselzylinder 58, Druckluftzylinder 57, Schubstangen 15 am Druckluftzylinder 57 und der Hydraulikkolbenstange 38 am Hydraulikzylinder 59 in allen Phasen des Durchlaufens der Kreisbahn des Kurbelzapfens 54 an der Kurbelwelle 53 ist ein ganz wesentliches Kriterium, dass die Spann- und damit die Hubhöhe jedes Druckluftspeichers 57 bestimmt. Jedes Verkanten oder gar Kippen der Elemente Pleuel 33, Druckwechselzylinder 58, Druckluftspeicher 67, Schubstangen 15, Hydraulikzylinder 59 darf in keiner Phase auftreten.

Um diese einzige Wirkungsebene abzusichern, ist folgende Anordnung der Elemente vorgenommen worden:
Die Druckkolbenstange 6 des Druckluftzylinders 3 ist bei der oberen Druckfüllung 4a schwenkbar am Befestigungsbolzen 17 mit dem Gestell 2 verbunden.

Bei der unteren Druckfüllung 4a ist der Druckluftzylinder 3 selbst schwenkbar am Befestigungsbolzen 17 am Gestell 2 angelenkt.

Der Hydraulikzylinder 59 ist mit seinem Zylinderkopf ebenfalls an einem Befestigungsbolzen 40 schwenkbar am Gestell 2 befestigt.

Die Schubstangen 15 sind entweder am oberen Druckluftzylinderdeckel 4 im Fall der oberen Druckfüllung 4a mit Bolzen schwenkbar am Deckel 4 befestigt oder im Falle der unteren Druckfüllung 4a sind die Schubstangen 15 mit Bolzen schwenkbar an der Druckkolbenstange 6 angelenkt.

Mit diesen Bolzenbefestigungen 17 und 40 sowie den Bolzenbefestigungen an den Schubstangen 15 wird abgesichert, dass die Zylinder 58, 57 und 59 ungehindert die Kreisbewegung des Kurbelzapfens 54 durchlaufen.

Die Gewährleistung der absoluten Gradlinigkeit einer einzigen Wirkungsebene aller oben benannten Elemente 33, 58, 57, 15, 59 bis zum Bolzen 40 wird dadurch abgesichert, dass mehrere, beidseitig angelenkte Führungsgestänge mit Führungsnuten 19, die längsseitig in sich verschiebbar sind, aber verhindern, dass ein Verkanten oder Kippen der benannten Vorrichtungsteile 33, 22, 25, 3, 6, 15, 38, 35 verhindert wird.

Hierzu sind Führungsbolzen 20 mit Spannbändern (oder verschweisst, verschraubt) an folgenden Elementen angeordnet:

– am Pleuel 33 des Druckwechselzylinders 58
– am Druckwechselzylinder 22
– am Druckluftzylinder 3
– an der Druckkolbenstange 6 des Druckluftzylinders 3
– an den Befestigungsbolzen 17 und 40 des Gestells 2.

Diese Führungsbolzen 20 rasten in die Führungsnuten der Führungsschienen 21 ein und werden zwangsgeführt. Durch die die Zwangsführung der Führungsbolzen 20 in den Führungsnuten der Führungsschienen 21 und in den Führungsgestängen 19 – ebenfalls mit Führungsnuten versehen – ist die gradlinige Führung aller Elemente 33, 22, 25, 3, 6, 15, 38, 35 abgesichert. Die Kopplung der Führungsgestänge 19 und die Zwangsführung der Führungsbolzen 20 in den Führungsnuten der Führungsschienen 21 und der Führungsgestänge 19 sowie der schwenkbaren Ausführung der Zylinder 58, 57 und 59 garantiert, dass die Druckkolbenstange 6 oder der Druckluftzylinder 3 die Hydraulikkolbenstange 38 am Hydraulikzylinder 35 gradlinig führt und damit die Druckkraft F auf den Hydraulikzylinder 59 ohne Verluste weiterleitet.

Technische Wirkung und gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung

1. Technische Wirkung

1.1. Voraussetzung zum Ablauf

Die Charakteristik des Ablaufs ist durch folgende wiederkehrende und zeitlich versetzte Phasen und folgenden Ausgangsbedingungen gekennzeichnet: Jeder Druckluftspeicher (57) stellt einen permanenten Energiespeicher dar, dessen Energiegehalt sich nicht verringern kann, solange die Dichtungen (8–12) und im korrespondierenden Druckwechselzylinder (58) mit den Dichtungen (27–31) den Innendruck im Druckluftzylinder (57) absichern, wobei der Energiegehalt Ea jedes Druckluftzylinders (57) durch die Faktoren:

– Innendruck p
– Fläche A und
– Hubhöhe h

bei jedem Hub des Druckluftzylinders abgesichert wird.

Die Fläche A und der Innendruck p sind unveränderliche Grössen, wenn sie apparateseitig einmal eingesetzt sind. Somit ist das Produkt Kraft F eine unveränderliche Grösse.

Die dritte Komponente zur Bestimmung der Arbeit eines Druckluftspeichers (57) – aus Kraft mal Weg – der Weg s wird definiert über die Hubhöhe h, die der Druckluftspeicher (57) zurücklegt.

Diese Hubhöhe h wird über die Spannhöhe s festgelegt, die der korrespondierende Druckwechselzylinder (58) am Druckluftspeicher (57) bewirkt.

Diese Spannhöhe s und damit die Hubhöhe h ist von verschiedenen Faktoren abhängig und ist erfindungsseitig folgendermassen geregelt:

– Der Durchmesser der Kurbelwelle (53) ist von grosser Bedeutung, denn je grösser dieser ist, um so höher ist die Spannhöhe s und damit die Hubhöhe h. Im Modell (B) wurde eine Kurbelwelle (53) mit einem Durchmesser von 77 mm eingesetzt, dieser Durchmesser bedingte eine Spannhöhe s von 25 mm. Im Modell (A) wurde eine Kurbelwelle (53) mit einem Durchmesser von 150 mm eingesetzt und die Spannhöhe s und damit die Hubhöhe h betrug 80 mm. Wird der Durchmesser auf 200 oder 250 mm erhöht, was bisher noch nicht erprobt wurde, dann kann mit einer Spannhöhe von 100 bis 120 mm (rein theoeretisch) gerechnet werden. Dies hätte zur Folge, dass folgende Werte aus den Berechnungen der „Vorteile und Anwendungen der erfindungsgemässen Lösung" Pkt. 7. sich ändern (nur ausgewählte Parameter, auf Grund des erhöhten Kurbelwellendurchmessers mit e1, e2 gekennzeichnet)
– Der Zeitpunkt des Öffnens des Rückschlagbegrenzungsventils (44) in der Druckleitung (43) ist ebenfalls von Bedeutung für die Hubhöhe h des Druckluftspeichers (57), je näher diese Öffnung vor dem oberen Totpunkt des Kurbelzapfens (54) an der Kurbelwelle (53) für den Druckwechselzylinder (58) liegt, um so höher ist die Hubhöhe h.
– Der Innendruck p in den Druckspeichern (57), der durch das Spannen mittels der Druckwechselzylinder (58) erhöht wird, kann nicht über eine bestimmte Grösse hinaus erhöht werden. Hier gibt es in der Pneumatik Grenzen, die bei etwa 25 bar liegen. Eine über diese Grenze hinausgehende Druckerhöhung im Druckraum (4a) ist (bisher) nicht sinnvoll und damit ist auch die Spann- und Hubhöhe h der Druckluftspeicher (57) begrenzt.
– Der Ausgangsdruck p im Druckluftspeicher (57) und der Ausgangsdruck p im Druckwechselzylinder (58) in der oberen Ausgangslage. Je höher der Innendruck p im Druckluftspeicher (57) ist und je höher auch dieser Ausgangsdruck p im Druckwechselzylinder (58) ist, um so schneller übertrifft der Druck im Medium (23a) des Druckwechselzylinders (58) den Innendruck (4a) im Druckluftspeicher (57). Die Spannhöhe s wird somit maximiert. Andererseits ist der Ausgangsdruck p des Druckwechselzylinders (58) vom Enddruck p des Druckluftspeichers (57) in der Hubkraft F abzuziehen, so dass hier ein Wirkungsverlust eintreten wird. Eine Optimierung der Druckgestaltung (4a) und (23a) in den Zylindern (57) und (58) ist somit vorteilhaft.
– Ein nicht unwesentlicher Faktor zur Optimierung der Spann- und Hubhöhe h ist weiterhin die Länge der Druckwechselkolbenstange (25), die in der Ausgangslage in den Druckwechselzylinder (22) hineinragt und somit den Druckraum (23a) definiert. Je kleiner dieser Raum (23a) ist, um so schneller erhöht sich der Druck p in diesem Raum und übertrifft den Druck p im Druckraum (4a) des Druckluftspeichers (57). Ist dieser Raum (23a) aber zu klein, dann erreicht der Druck p im Raum (23a) niemals den Druck im Raum (4a) des Druckluftspeichers (57), da Luft sich sehr komprimieren lässt ohne dass der Druck wesentlich ansteigt. Hier muss über Versuche die optimale Lösung gefunden werden.
– Ein weiterer ganz wesentlicher Punkt zur Maximierung der Hubhöhe h stellt erfindungsgemässe Lösung dar, da das Wirkprinzip einer einzigen Wirkungsebene vom Kurbelzapfen (54) über alle Zylinder (58, 57 und 59) bis zur Anlenkung (17 bzw. 40) am Gestell (2) eingesetzt wird, die keine Querkräfte an keinem dieser Zylinder (58, 57, 59) zulassen und somit jede Kraftwirkung dieser Zylinder an das Hydrauliköl (36a) ohne Verluste (ausser Reibung) weitergeben.

Da alle 3 Faktoren der Arbeit mit p, A und h eindeutig physikalisch und praktisch nachzuweisen sind und diese Werte somit unveränderliche physikalische Werte darstellen, ist die Leistung eines Druckluftspeichers (57) als unveränderlicher, permanenter Energiespeicher definiert. Aber immer nur solange, solange die Dichtungen (8–12, 27–31) den Innendruck aushalten.

Wenn ein Druckluftspeicher (57) pro Sekunde 1,4-mal arbeitet, dann erfolgen im Jahr ca. 44 Mio. Arbeitshübe. Im Vergleich dazu wird bei einem PKW-Motor, der ebenfalls mit 20 bar betrieben wird, mit ebenfalls 44 Mio. Hüben (entspricht ca. 25.000 km Fahrleistung) auch keine Wechsel der Kolbenringe bei dieser Fahrleistung notwendig. Aus diesem Vergleich lässt sich ableiten, dass die Funktionssicherheit jedes Druckluftspeichers (57) mit einer stochastischen Wahrscheinlichkeit über 98 % bei mindestens einem halben Jahr liegen müsste, da im Notfall der Kompressor (63) die Versorgung mit Druckluft (4a) absichert, wenn die Dichtungen (8–12 oder 27–31) teilweise versagen sollten.

Wie zu ersehen ist, ist die Arbeit jedes Druckluftspeichers (57) theoretisch und durch Modellversuche untersetzt, abgesichert.

Die Gesamtarbeit einer bestimmten Energieanlage (Modul 60, 61) wird definiert aus der Arbeit jedes Druckluftspeichers (57), der Anzahl dieser Druckluftspeicher (57), die an der Kurbelwelle (53) angelenkt sind, sowie der Anzahl der Umdrehungen der Kurbelwelle (53), die diese pro Sekunde zurücklegt. Die zweite Komponente zur Bestimmung der Leistung (Arbeit pro Sekunde) ist somit die Anzahl der Hübe n, die durch die Druckluftspeicher (57) realisiert wird.

Die Arbeits(menge), gleich Leistung eines Moduls (60 oder 61), wird durch folgende Verfahrensweise bestimmt:

a) die Arbeit, die ein Druckluftspeicher (57) pro Hub leistet
b) je mehr Druckluftspeicher (57) und die zugeordneten weiteren Vorrichtungselemente (58 und 59) an der Kurbelwelle (53) angelenkt sind und
c) je schneller sich die Kurbelwelle (53) dreht,

umso höher ist die Leistung des Moduls.

Die Druckluftzylinder (57) wirken als permanente Energiepeicher, die ihre Arbeit W durch die Komponenten (Faktoren):

mit W = p·A·h·n dauerhaft nutzt.

Die Druckluftspeicher (57) als permante Energiespeicher leiten ihre Hubarbeit W mittels Schubstangen (15) an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder (59) weiter, die eine kleinere Flächen aufweisen und demzufolge mit höheren Drücken des Hydrauliköls (36a) betrieben werden. Dieses Drucköl (36a) wird in einem Hydraulikmotor (50) in mechanische Energie (kinetische – Bewegungs-/Rotationsenergie) umgewandelt.

1.2. Charakteristik des Ablaufs

Die Druckluftspeicher (57) stellen durch die benannten Komponenten Flächen, Innendruck und Hubhöhe Energiespeicher dar, deren Energie (Druckenergie Ea) immer zyklisch abgerufen wird.

Der Ablauf der Energieerzeugung ist durch folgende Phasen charakterisiert:

1. Ausgangsposition:

Der Druckwechselzylinder (58) hat mit seinem Pleuel (33) und seinem zugeordneten Kurbelzapfen (54) die obere Position = 0° auf der Kreisbahn der Kurbelwelle (53) erreicht. Damit hat der Druckluftspeicher (57) seine Druckenergie Ea aus der Luftfüllung (4a) vollständig über die Schubstangen (15) auf das Hydrauliköl (36a) in den Hydraulikzylinder (59) abgegeben. Der Druckluftspeicher (57) erreicht mit seinem Druckluftkolben (5) ebenfalls die Ausgangsposition im Zylinderkörper (3), wobei der Anfangsdruck p im Druckbereich (4a) nicht unter einen bestimmten Limitwert, zum Beispiel 20 bar, fallen darf. Bewegt sich der Druckwechselzylinder (58) mit Pleuel (33) am Kurbelzapfen (54) von der inneren Kreisbahn von 0° auf die äussere Kreisbahn mit 180° der Kurbelwelle (53) zu, dann steigt der Druck p im Druckbereich (23a) des Druckwechselzylinders (58) an, übertrift – möglichst bald – den Druck p im Druckbereich (4a) des Druckluftspeichers (57). Sobald der Druck im Bereich (23a) den Druck im Bereich (4a) übertrifft, wird der Druckluftzylinder (3) oder der Druckluftkolben (5) – je nach Füllbereich im Druckluftspeicher (57) – kontinuierlich nach unten gezogen, bis der Kurbelzapfen (54) den unteren Totpunkt mit 180° der Kurbelwelle (53) erreicht. Der Enddruck in den Druckräumen (23a und 4a) ist jetzt extrem hoch und (fast) idendisch.

Es ist anzunehmen und durch die Modellversuche untersetzt, dass der Enddruck in beiden Druckräumen bei ca. 25 bar liegt, wenn die Spannhöhe s des Druckluftspeichers (57) ca. 80 mm beträgt. Bei den Modellversuchen wurde bei einem Ausgangsdruck von 3,5 bar im Druckluftspeicher (57) ein Enddruck von 5,0 bar bei einer Spannhöhe des Druckluftspeichers von s = 80 mm erreicht. Demzufolge dürfte der Enddruck p im Druckluftspeicher (57) bei einem Anfangsdruck von 20 bar mindestens bei etwa 25 bar liegen. Vielleicht ist der Enddruck auch noch höher angesiedelt. Im Druckluftspeicher (57) ist eine Druckenergie Ea gespeichert, die alleine – ohne die kooperierenden Druckwechselzylinder (58) – aber nicht nutzbar ist. Da Arbeit immer das Produkt Kraft mal Weg ist, nützt die Kraft alleine nichts. Die Druckenergie Ea muss neben dem Produkt Kraft, dass durch Innendruck mal Fläche definiert ist, auch den Weg s zurücklegen, um aus dieser Energieform Arbeit abzuleisten.

Dies geschieht dadurch, dass auf dem oben beschriebenen Weg der Druckwechselzylinder (58) den Druckluftspeicher (57) mit Zylinder (3) oder Kolben (5) nach unten zieht und damit den Druckluftspeicher (57) um die Spannhöhe s spannt.

Synchron wird über die angelenkten Schubstangen (15) am Zylinder (3) oder an der Druckkolbenstange (6) auch die Hydraulikkolbenstange 38 und damit der Hydraulikkolben (37) nach unten gezogen und Hydrauliköl (36a) fliesst durch das geöffnete Rückschlagventil (42) der Zulaufleitung (41) in den Hydraulikzylinder (59).

Erreicht der Kurbelzapfen (54) den unteren Totpunkt von 180° der Kurbelwelle (53), dann beginnt die zweite Phase der Energieumwandlung mittels der Druckluftspeicher (57).

2. Energieleistungsphase

Der Druckwechselzylinder (58) hat mit seinem Pleuel (33) und seinem zugeordneten Kurbelzapfen (54) die untere Position = 180° (unterer Totpunkt) auf der Kreisbahn der Kurbelwelle (53) erreicht. Damit wurde der Druckluftspeicher (57) vollständig über die Spannhöhe s, zum Beispiel 80 mm, gespannt. Diese Spannhöhe s definiert auch die spätere Hubhöhe h den Weg s der Arbeit W eines Druckluftspeichers (57). Bewegt sich der Druckwechselzylinder (58) mit Pleuel (33) am Kurbelzapfen (54) von der äusseren Kreisbahn von 180° auf die innere Kreisbahn mit 360° der Kurbelwelle (53) zu, dann fällt der Druck p im Druckbereich (23a) des Druckwechselzylinders (58) ab und der Druck p im Druckbereich (4a) des Druckluftspeichers (57) steigt an und übertrifft den Druck p im Druckwechselzylinder (58). Sobald der Druck im Bereich (4a) den Druck im Bereich (23a) übertrifft, drückt der Druckluftzylinder (3) oder der Druckluftkolben (5) – je nach Füllbereich im Druckluftspeicher (57) – kontinuierlich nach oben und bewirkt, dass die Schubstangen (15) auf die Hydraulikkolbenstange (38) kraftseitig angreifen.

Da der Druckwechselzylinder (58) sich immer mehr dem 360°-Punkt nähert, sinkt der Druck p im Druckwechselzylinder (58) immer schneller und damit steigt der Druck p und die Kraft F des Druckluftspeichers (57) immer weiter an. Erreicht der Druck p des Hydrauliköls (36a) den Grenzwert des Rückschlagbegrenzungsventils (44) in der Druckleitung (43), dann öffnet das Rückschlagbegrenzungsventil (44) und das Hydrauliköl (36a) strömt durch den Verteiler (45) in den Hydraulikmotor (50) und treibt diesen an.

Der Druck p des Mediums (4a) aus dem Druckluftspeicher (57) mit seiner grösseren Fläche wird im Hydraulikzylinder (59) mit seiner kleineren Fläche in einen höheren Druck p des Hydrauliköls (36a) umgewandelt.

Im Modell (B) hatte der Druckluftspeicher (59) ein Fläche von 104 cm² und der Hydraulikzylinder (59) eine Fläche von 10 cm². Der Druck p im Druckluftspeichermedium (4a) betrug 2,5 bar und demzufolge hätte der Druck p auf Grund der 10-fach kleineren Fläche des Hydraulikzylinders (59) im Hydraulköl (36a) 25 bar betragen müssen. Dieser Wert wurde duch Tests exakt bewiesen. Der Druck p des Druckluftspeichers (57) setzt sich im Hydraulkzylinder (59) mit dem höheren Druck p in dem Masse fort, die die unterschiedlichen Flächen beider Zylinder (57 und 59) zueinander definieren. Eine Abweichung war nicht festzustellen.

Die Druckenergie des Hydrauliköls (36a) besteht aus 2 Komponenten:

a) der Durchlussmenge (Volumenstrom) V des Hydrauliköls (36a) pro Hub
b) dem Druck p des Fluids (36a).

Diese beiden Komponenten V und p bestimmen die Leistung P des Hydraulikmotors (50) mit P = p·V. Die Ausgangsparameter des Hydraulikmotors (50) werden durch die Leistung P, das Drehmoment M und die Drehzahl n definiert, wobei der Volumenstrom V das Drehmoment M und der Druck p die Drehzahl n festlegen.

Wir setzen in einer Beispielsrechnung die Berechnung des Moduls I an (vergl. Pkt. 7 der „Vorteile und Anwendungen der erfindungsgemässen Lösung"):

Berechnung A des Moduls I) = Leistung eines Druckluftspeichers (57) mit W = p·A·hp = 20 bar = 2.000.000 N/m² A = 100 cm² = 0,01 m² H = 80 mm = 0,08 m W = p·A·hW = 2.000.000 N/m²·0,01 m²·0,08 m W = 1.600 Nm = 1.600 Watt
Berechnung B des Moduls I) = Leistung eines Hydraulikzylinders (59) mit W = p·Vp = 200 bar (mit A = 10 cm²) = 20.000.000 N/m² V = 80 cm³ = 0,00008 m³ W = p·VW = 20.000.000 N/m²·0,00008 m³ W = 1.600 Nm = 1.600 Watt

Wie zu ersehen ist, sind beide Werte identisch und das bedeutet, dass sich die Kraft F und der Hub h eines Druckluftspeichers (57) sich vollständig über das Hydrauliköl (36a) eines Hydraulikzylinders (59) mit dem Druck p und dem Volumenstrom V in Bewegungs- oder Ratotionsenergie im Hydraulikmotor (50) umwandeln. Verluste bleiben bei der Berechnung vorerst unberücksichtigt, da diese an anderer Stelle schon beschrieben wurde.

Die Zeitdauer der Energieumwandlung des Hydrauliköls (36a) im Hydraulikmotor (50) liegt idealerweise bei 1/50 Sekunde, da 50 Hübe der Hydraulikzylinder (59) pro Sekunde erfolgen. Diese Zeitfolge ist auch als real einzuschätzen.

Da die Zeitdauer der Füllung eines Hydraulikzylinders (59) mit Hydrauliköl (36a) innerhalb einer Zeitdauer von 36/100 Sekunden erfolgen muss, ist diese extrem kurze Zeitspanne nur mit einem entsprechenden Mindestdruck p im Hydraulikölbehälter (46) zu erreichen, um die Fluidzirkulation (36a) und das Füllen der Hydraulikzylinder (59) zu beschleunigen. Weiterhin ist es notwendig, das günstigste Fluid (36a) mit einer hohen Viskosität einzusetzen, um diesen Vorgang in diesem Zeitrahmen abzusichern.

Ist eine Füllung der Hydraulikzylinder (59) mit Fluid (36a) nicht zeitgerecht zu erfüllen, dann müssen die Hydraulikzlinder (59) flächenmässig verkleinert werden, um dieses Kriterium der Flutung mit Fluid (36a) abzusichern. Dadurch steigt der Druck p im Fluid (36a) und der Hydraulikmotor (50) muss eine höheren Druck p verarbeiten.

Hier gilt es über Tests die günstigste Variante herauszufinden.

Die Druckluftspeicher (57) sind permanente Energiespeicher, die mit einem Mindest-Innendruck p des Mediums (4a) betrieben werden.

Dieser Innendruck p der Druckfüllung (4a) stellt eine Ausgangsenergiedichte oder Druckenergie Ea dar, die immer als unterstes Energieniveau des Speichers (57) wirkt. Durch das Spannen der Druckluftspeicher (57) mittels der Druckwechselzylinder (58) erhöht sich die Energiedichte der Druckfüllung (4a) in den Druckluftspeichern (57) zusätzlich.

An einem Beispiel des Moduls I soll dies näher beleuchtet werden.

Der Druckluftspeicher (57) besitzt eine Fläche von 100 cm² und eine Länge von ca. 500 mm. Der Druckluftkolben (5) liegt am unteren Druckluftzylinderdeckel (7) an und die Druckkolbenstange (6) ist mit dem Befestigungsbolzen (17) verbunden. Der Druckluftzylinderkörper (3) ist höhenbeweglich geführt und drückt später die Schubstangen (15) nach oben. Durch den oberen Druckluftzylinderdeckel (4) wird über die Luftleitung (14) 20 bar Druck in den Druckluftspeicher (57) eingefüllt.

Die Energiedichte im oberen Bereich (4a) des Speichers (57) beträgt somit bei 20 bar Druck und der Fläche von 100 cm² exakt eine Kraft von 20.000 N.

Das Volumen V im Druckraum (4a) beträgt somit bei 500 mm Zylinderlänge (3) gleich 5.000 cm³ und beinhaltet den Druck von 20 bar.

Wird der Druckluftzylinderkörper (3) durch den angelenkten Druckwechselzylinder (58) um die Spannhöhe s von 80 mm nach unten gezogen, dann verringert sich das Volumen V im Druckraum (4a) um 800 cm³ und damit auf ein Volumen V zur Energieumwandlung von 4.200 cm³ des Druckraumes (4a).

Dieser Wert 800 cm³ Druckraumverringerung (4a) zum Ausgangswert 5.000 cm³ bedeutet eine Erhöhung des Drucks p von 20 bar Ausgangsdruck auf mindestens 23,2 bar (800 zu 5.000 = 16 %). Das ist aber reine Theorie, denn der Druck erhöht sich auf Grund der vorangegangenen Modellversuche auf mindestens 25 bar, wenn nicht gar annähernd 30 bar. Wir setzen voraus, dass der Druck p im Druckraum (4a) 25 bar beträgt.

Die Energiedichte Ea im oberen Bereich (4a) des Speichers (57) beträgt somit – im gespannten Zustand des Druckluftspeichers (57) – bei 25 bar Druck und der Fläche von 100 cm² exakt eine Kraft von 25.000 N.

Jeder Hub des Druckluftspeichers (57) setzt somit mindestens ein Kraft von 20.000 N auf den Hubweg von 8 cm frei und erzeugt eine Arbeit von 1.600 Watt.

In der Realität wird aber noch eine höhere Arbeit von mindestens 1.800 Watt erzeugt, da der Durchschnittswert des Druckes p bei mindestens 22,5 bar Druck liegt, da der Ausgangswert von 20 bar und der Spannwert des Druckes bei 25 bar liegt.

In der Berechnung wird immer vom unterste Wert der Druckluftspeicher (57) ausgegangen, da eine Erhöhung zwar wahrscheinlich ist, aber noch nicht bewiesen wurde. Diese Arbeit W eines Druckluftspeichers (57) von 1.600 Watt erzeugt bei 50 Hüben pro Sekunde von 50 Druckluftspeichern (57) eine Gesamtarbeit von 80.000 Watt und diese identische Arbeit wird über die Hydraulikzylinder (59) im Hydraulikmotor (50) in Rotationsenergie umgewandelt.

Der Hydraulikmotor (50) wird entweder mit einem Generator (52) zur elektrischen Energieumwandlung gekoppelt oder ist zur weiteren Nutzung der mechanischen Energie über ein Getriebe (51) zum Antrieb einer anderen Vorrichtung des nächstgrösseren Moduls (61) ausgelegt.

Die Kopplung mehrerer Stufen von Energieumwandlungsanlagen als Kopplung leistungssteigernder Module von (60 zu 61) mit einer sinnvollen Staffelungen der Grössen (Flächen) der Druckluftzylinder (57) als permanente Energiespeicher bewirken eine stets höherenergetische Umwandlung der Energie, denn jede vorgeschaltete Stufe (60) einer Vorrichtung bewirkt mit ihrer Outputenergie die notwendige Inputenergie zum Antrieb der nachgeschalteten Vorrichtung (61) mit einer wesentlich höheren Outputenergie.

Die Vorrichtung und das Verfahren zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module hat zum Inhalt, dass Druckluftspeicher (57) mit einer bestimmten Fläche und einem permanenten Innendruck von ca. 20 bar in der Ausgangslage in einem wechselnden Zyklus entweder gespannt werden und oder Druckarbeit, die aus den Faktoren Fläche, Innendruck und Hubhöhe bestehen, an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder (59) weiterleiten und das in den Hydraulikzylindern (59) befindliche Hydrauliköl (36a) zum Antrieb des Hydraulikmotors (50) nutzen. Das Spannen der Druckluftspeicher (57) besorgen die an den Druckluftspeichern (57) angelenkten Druckwechselzylinder (59), die über den Kurbelhub einer Kurbelwelle (53) druck- und kraftseitig die Druckluftspeicher (57) beeinflussen.

Die Outputleistung einer kleineren Energieumwandlungsanlage (60) kann zum Antrieb (Input) der nächstgrösseren Energieumwandlungsanlage (61) genutzt werden, da der Input in der Regel nur 1/10 eines Moduls (60 oder 61) des Wertes der Output-Leistung beträgt und somit die Kopplung mehrerer Module (60 mit mehreren 61) zu wesentlich höheren Energiewerten führt.

Die Druckluftspeicher (57) sind als permanente Energiespeicher ausgelegt, die ihre Energiedichte nie verlieren solange die Dichtungen (8–12 und 27–31) die Drücke aushalten, und so permanent Energie freisetzen können.

Durch die erfindungsgemässe Lösung wird insbesondere der Spannweg s der Druckluftspeicher (57) und damit die Hubhöhe h des Druckluftspeichers (57) maximal vergrössert und die Kraftwirkung aller Zylinder (58, 57 und 59) erfolgt ohne Verkanten oder Schrägziehen und damit ohne Verluste, so dass analog damit die Arbeit W des Gesamtsystems eines Moduls (60 und 61) vergrössert wird.

1.3. Verluste an Energie, die durch den Ablauf bedingt sind

Die Energieverluste beziehen sich im einzelnen auf folgende Abläufe:

a) Antrieb der Kurbelwelle mittels des Antriebs-/Getriebemotors (65) einer Fremdenergiequelle (62) oder durch die Inputenergie eines Hydraulikmotors (50) über ein Getriebe (51) einer vorgeschalteten, kleineren Energieumwandlungsanlage (Modul 60)

Die notwendige Energie zum abwechselnden Bewegen der Druckwechselzylinder (59) von einer Position des Niedrigdrucks zum Höchstdruck – und umgekehrt – ist von aussen zuzuführen.

Da sich die Druckwechselzylinder (59) paarweise um jeweils 180° zueinander versetzt auf der Kurbelwelle (53) befinden, zieht das jeweilige Paar von der 0°-Achse in die jeweils andere Richtung und die Kräfte heben sich zum überwiegenden Teil auf der Basis des 3. Newtonschen Axioms auf. Die einzig wesentliche Energie, die sich nicht aufhebt, ist die Druckenergie in dem Druckwechselzylinder (59), der sich zum Extrempunkt 0°, der größten Entfernung zum Befestigungsbolzen (17), zubewegt und dort den größten Druck im Medium (23a) des Druckwechselzylinders (59) erzeugt. Da der Druckwechselzylinder (59), der zum Extrempunkt 0° auf der äusseren Kreisbahn wechselt, den größten Innendruck aufbaut, ist sein Vorgänger, der den Extrempunkt verlässt, der Druckwechselzylinder (59), der den grössten Teil des ankommenden Druckwechselzylinders (59) mit Energie versorgt, weil er an der "anderen" Kurbelwellenseite (53) angreift.

An der Kurbelwelle (53), die sich im Uhrzeigersinn dreht, heben sich fast alle rechtsseitig (von 0° bis 180°) und alle linksseitig (von 180° bis 360°) angreifenden Kräfte der Druckwechselzylinder (59) auf, bis auf den einen Druckwechselzylinder (58), der von 175° auf 180° der Kreisbahn zum unteren Totpunkt der Kurbelwelle (53) wechselt.

Demzufolge ist an der Kurbelwelle (53) mit einer Drehzahl von 84 Umdrehungen pro Minute nur folgende Energie als Input zuzuführen:

a1) die Energie, die aus dem erhöhten Druck mit ca. 25 bar im Bereich (23a) des Druckwechselzylinders (59), seiner Fläche A (beim Modul I mit 0,01 m²) und der Totpunktüberwindungshöhe mit 0,3 mm bei einem Druchmesser der Kurbelwelle (53) von 150 mm bestimmt wird. Im konkreten Fall für Modul I beträgt der Input zur Überwindung der Totpunkte der Druckwechselzylinder (59) für das Drehmoment M = 375 Nm und für die Leistung P = 3,3 kW.
a2) für die Überwindung der Reibung an den Lagerbolzen der Kurbelwelle (53) in den Lagerschalen (56) des Lagerbetts (55), den Lagern der Pleuel (33), und den Dichtungen (9 oder 12, 10, 28 oder 31, 29) zwischen Kolben (5, 24) und Zylindern (3, 22). Aus den Modellversuchen am Modell (B) mit 12 Zylinderpaaren (57, 58, 59) wurde ein Reibungsverlust mit einem Drehmoment von 42 Nm ermittelt. Demzufolge ist bei 36 Zylinderpaaren (57–59) ein Drehmoment von 150 Nm zur Überwindung der Reibung des Moduls I erforderlich.

Für das Modul I ist somit ein Gesamtdrehmoment von M = 525 Nm und eine Gesamtleistung P = 4,6 kW als Inputenergie notwendig, um die Kurbelwelle (53) mit einer Drehzahl von 84 Umdrehungen pro Minute anzutreiben.

Diese Inputenergie beträgt mit 4,6 kW rund 1/10 der Energie, die das Modul I mit 50,0 kW als Netto-Output-Energie, abzüglich aller Verluste, liefert.

Analog ist es mit den Input- und Outputleistungen der Module I und III.

Die Inputenergie zum Antrieb der Kurbelwelle (53) am Beispiel des Moduls I kann eine Fremdenergiequelle (62) sein, die als Antriebs- und Getriebemotor (65) mit einer Leistung von 5 kW installiert ist und 84 Umdrehungen pro Minute der Kurbelwelle (53) absichert. Es kann aber auch eine kleinere Energieumwandlungsanlage (60) vorgeschaltet werden, die mit der Rotationsenergie des Hydraulikmotors (50) über ein Getriebe (51) die Kurbelwelle (53) mit den benannten Leistungsparametern betreibt. Im Fall des Moduls I ist das nicht günstig, ein noch kleineres Modul vorzuschalten, aber das Modul I kann mit seiner Outputenergie zum Antrieb des Moduls II genutzt werden. Die Berechnungen sind unter Pkt. 7. „Vorteile und Anwendungen der erfindungsgemässen Lösung" zu entnehmen.

b) Verluste des Hydraulikmotors (50) bei der Umwandlung des Druckmediums (36a) in Rotationsenergie

Die Verluste an Energie im Hydraulikmotor (50) betragen maximal 15 %, die die ankommende Energie aus dem Hydrauliköl (36a) enthält. Die Verluste von 15 % an Energie im Hydraulikmotor enthalten auch Leitungsverluste beim Durchfluss des Hydrauliköls (36a), Verluste durch Ventile und ähnliche Verluste. Andererseits muss auf die pulsierende Wirkung der 50 Hertz-Stösse der Hydraulikzylinder (59) verwiesen werden, die im Hydraulikmotor (50) zu höheren Leistungen führt als ein konti nuierlicher Volumenstrom des Fluids (36a). Auch die höheren Ausgangsdrücke p im Druckluftspeicher (57) im gespannten Zustand dürften den Wirkungsgrad positiv beeinflussen, so dass diese 15 % Verluste am Hydraulikmotor (50) den Maximalwert darstellen.

Im Falle des Moduls I beträgt die Energie des Hydrauliköls (36a) 80.000 Watt, dass sind 80 kW.

Im Hydraulikmotor (50) wird aus dieser Druckenergie Ea damit eine Rotationsenergie erzeugt, die somit 68 kW beträgt.

c) Verluste am Getriebe (51)

Die Umwandlung der Drehzahl am Hydraulikmotor (50) in einem Getriebe (51) wird mit einem Verlust von maximal 12 % eingeschätzt. Damit beträgt im Fall des Moduls I der Netto-Output am Getriebe (51) ca. 59 kW.

d) Verluste des Generators (52) bei der Umwandlung der Rotationsenergie in elektrische Strom

Die Verluste an Energie im Generator (52) betragen ebenfalls maximal 15 %, die die ankommende Energie aus dem Hydraulikmotor (50) und dem Getreibe (51) umwandelt. Im Falle des Modul I beträgt die Energie des Hydraulikmotors 68 kW, im Getriebe (51) sind es 59 kW, die im Generator (52) eine Leistung von 50 kW erzeugt. Damit beträgt im Fall des Moduls I der Netto-Output ca. 50 kW.

Analog verhält es sich mit dem Modulen II und III, deren Netto-Outptenergie bei ca. 62–64% der ankommenden Druckenergie Ea des Druckmediums (36a) im Hydraulikmotor (50) liegt.

Der Wirkungsgrad der Erfindung (Module I–III) liegen beim

– Output am Hydraulikmotor (50) ohne Getriebe (51) bei 85 %
– Output am Hydraulikmotor (50) mit Getriebe (51) bei 75 %
– Output am Generator (52) ohne Getriebe (51) bei 72 %
– Output der Gesamtanlage (60 oder 61) mit Getriebe (51) zwischen 62–64 %.

2. Grundsätzliche technische Wirkung

Die Vorrichtung und das Verfahren zur Energieumwandlung mittels Druckluftspei cher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module weicht von den bisher bekannten Verfahren in der Art ab, dass die vorrichtungsseitige Anordnung von Druckwechselzylindern (58), Druckluftspeichern (57) und Hydraulikzylinder (59) in einer Wirkungsebene ohne ein Verkanten oder Kippen dieser Zylinderpaare (58, 57, 59) erfolgt und aus diesem Grunde eine besonders hohe Spannhöhe s und damit die spätere Hubhöhe h der Druckluftspeicher (57) und synchron der Hydraulikzylinder (59) wirksam wird. Diese besonders hohe Hubhöhe h bedingt eine besonders hohe Leistung P jedes Druckluftspeichers (57) bei jedem Hub und führt zu einer extrem hohen Leistungsausbeute eines Moduls (60 oder 61).

Da die Wirkungslinie der benannten Zylinder (58, 57, 59) in einer Ebene erfolgt, treten keine Druck- und Kraftverluste auf, und jeder Hub der Druckluftspeicher (57) erfolgt direkt auf den Hydraulikkolben (37) im Hydraulikzylinder (59) und versetzt das Hydrauliköl (36) in den Druckzustand p_Hyd, den das Hydrauliköl (36a) auf Grund des Druckes p_Luft im Druckluftspeicher (57) durch das Medium (4a) und der Fläche A_Luft des Druckluftspeichers (57) und der Fläche A_Hyd des Hydraulikkolbens (37) theoretisch erreichen müsste. Dieser theoretisch errechnete Druck p_Hyd des Hydrauliköls (36a) wird auch tatsächlich im Hydraulikzylinder (59) erreicht. Dies wurde durch Modellversuche am Modell A bewiesen.

Diese Komponente Hubhöhe h ist von entscheidender Bedeutung zur Bestimmung der Leistung für jeden Hub der Druckluftspeicher (57) und wird durch die erfindungsgemässe Lösung maximiert.

Ebenso ist die kraftseitige Umsetzung der Druckkraft F vom Druckluftspeicher (57) durch das Zusammenwirken mit den Zylinderpaaren (58 und 59) einer optimalen Lösung zugeführt worden. Es geht so gut wie keine Kraft F durch diese Lösung verloren, ausser Reibungskräfte, die aber unberücksichtigt bleiben können, weil sie unbedeutend sind.

Es wird bei Energieumwandlungsprozessen ein sehr hoher Druck im System und eine kleinere Menge Hydauliköl (36a) zum Antrieb des Hydraulikmotors (50) genutzt. Der Druckbereich der Druckluftspeicher (4a) sollte im Bereich von 20 bar liegen und der Druckbereich des Hydrauliköls (36a) sollte bei 200 bar beginnen.

Die Kopplung von Modulen (60, 61) der Energieumwandlungsanlagen hat zum Inhalt, dass die Outputleistung der kleineren Energieumwandlungsanlage = Modul I (60) dazu genutzt, wird, eine grössere Energieumwandlungsanlage (61) = Modul II mit dem Output der Kleinanlage (60) als Input der grösseren Anlage (61) anzutreiben.

In der nächsten Kopplungsstufe wird diese grössere Anlage (bisher 61) = Modul II mit seiner Outputenergie zur Inputenergie einer Grossanlage (61) = Modul III genutzt.

Aus der Anlage des Moduls II wird somit die Energieumwandlungsanlage (60), die dem Antrieb des Moduls III (61) dient.

Aus Pkt. 7. „Vorteile und Anwendungen der erfindungsgemässen Lösung" ist am Beispiel von 3 Modulgrössen dargestellt, dass mit 5,0 kW Input beim Modul I am Ende der Kopplung im Modul III ein Output von 4.000 kW erzielt wird.

Dieses Resultat einer 1.000-fachen Vergrösserung der Energiemenge durch diese Erfindung bedarf keiner weiteren Kommentierung.

Es ist aber das Resultat der permanenten Energiespeicher und der Ausnutzung physikalischer Gesetze.

3. Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo Energie als

– elektrische Energie (Strom) und/oder
– Bewegungs- oder Rotationsenergie mit Leistung P, Drehmoment M und Drehzahl n
– Mischenergie aus Strom und Rototionsenergie

entweder kontinuierlich oder zeitweilig benötigt wird.

Die Kopplung der einzelnen Module I bis III und der Nutzung der Energie für die reine Stromerzeugung oder als Rotationsenergie oder für eine Mischung beider Energiearten lässt eine sinnvolle Verknüpfung der Energieumwandlungsanlagen zu, die den Bedarf an Energie für den Nutzer dieser Anlagen vollständig abdeckt.

Jeder Nutzer braucht keine weitere Energiequelle mehr, um seinen Bedarf an Ener gie zu sichern, da die Kopplung mehrerer Module die Endleistung vervielfacht.

Dies betrifft zum Beispiel auch den Fahrzeug- oder Schiffbau, die diese Erfindung zum Antrieb der Fahrzeugge und Schiffe nutzen können, denn neben dem Antrieb dieser Gefährte wird genügend Energie erzeugt, um Strom für Beleuchtung, Heizung, Kühlung, Warmwasser etc. zu erhalten. Die Hilfsenergie zum Antrieb der Module wird aus einer Brennstoffzelle, aus Druckluft, aus einer Schwungmasse oder Photovoltaikmodulen oder anderen Hilfsenergiequellen bereitgestellt.

3.1. Anwendungsgebiete

Die vorzugsweisen Einsatzfelder der Erfindung sind Energieerzeugungsanlagen, die entweder Strom oder Rotationsenergie oder eine Mischform aus beiden Energiearten liefern.

Wir greifen 2 Anwendungsgebiete heraus, die stellvertretend für andere Einsatzfelder gelten.

3.1.1. Energieerzeugungsanlagen an einem Gebäude mit Modul I bis III zur Versorgung dieses Gebäudes und dem zusätzlichen Einspeisen von Energie in das Stromnetz:

Dieses Einsatzfeld wird etwas ausführlicher dargestellt, da die regenerative Energieerzeugung auf Grund des aktiven Klimaschutzes einen besonderen Stellenwert einnimmt.

Als Ausgangsdaten wird angenommen, dass ein Gebäude mit Photovoltaikmodulen bestückt ist, die eine Fläche von 400 m² einnehmen und damit 40 kW Strom liefern. Da die Sonne unregelmässig und in wechselnder Intensität scheint, wird der Strom durch Batterien zwischengespeichert, wenn die Photovoltaikmodule viel Strom liefern und versorgen das Modul I bei Nacht und an sonnenfreien Tagen mit Energie. Zum Betrieb des Moduls I ist eine kontinuierliche Leistung von 5,0 kW erforderlich, die entweder durch die Photovoltaikmodule direkt oder über die Zwischenspeicherung der Batterien abgesichert wird.

Der Energieverbrauch des Gebäudes wird beispielsweise mit:

a) 200,0 kW Stromverbrauch im Durchschritt
b) 160,0 kW Heizungs- oder Kühlungsbedarf im Durchschnitt
c) 40,0 kW Warmwasserbedarf im Durchschnitt

angesetzt.

Damit beträgt der Gesamtbedarf des Gebäudes im Durchschnitt 400 kW, der natürlich zum Beispiel bei extremen Wetterbedingungen im Winter auf 600, 700 oder 800 kW ansteigen kann.

Wie zu ersehen ist, reicht zur Versorgung dieses Gebäudes das Modul I nicht aus. Auch die Kopplung der Module I und II reichen für den angedachten Fall des Energiebedarfs nicht vollständig zu jeder Jahreszeit aus.

Zur Ermittlung der optimalen Lösung zur Deckung des Energiebedarfs gibt es folgenden Ansatz:

Wie zu ersehen ist, reichen die Lösungsansätze zur Deckung des Energiebedarfes im Jahresduchschnit nach Ansatz 1 mit dem Betreiben der Photovoltaikmodule allein nicht aus, um das Gebäude mit Energie zu versorgen. Es muss viel Strom zugekauft werden.

Auch die Versorgung nach Ansatz 2 mit dem Modul I ist ein defizitäres Geschäft. Es muss auch viel Strom zugekauft werden.

Die Versorgung nach Ansatz 3 mit den Modulen I und II reicht gerade so aus, um den durchschnittlichen Verbrauch des Gebäudes abzudecken. Im Fall des erhöhten Energiebedarfs (angedacht sind 800 kW) reicht die Kapazität der beiden Module nicht aus, den erhöhten Bedarf abzudecken. Hier muss Strom zugekauft werden. Im Jahresdurchschnitt wird Strom durch die Leistung beider Module verkauft, so dass ein wenig Strom mehr verkauft werden wird, als Strom zugekauft werden muss.

Für den Ansatz 4 mit dem Einbau aller 3 Module von I bis III, wird der Energiebedarf des Gebäudes weit übertroffen, so dass ständig Energie, im Jahresdurchschnitt eine Leistung von 3.600 kW verkauft wird. Das sind bei einer vollen Jahreskapazität von 8.760 Stunden in allen 3 Modulen über 31 Millionen kWh, die verkauft werden können.

Mit der Investition aller 3 Module und dem notwendigen Input zum Antrieb des Moduls I deckt das Gebäude seinen eigenen Energiebedarf mit durchschnittlich 400 kW und auch jeden erhöhten Bedarf ab und sichert zusätzlich den Verkauf von 31 Millionen kWh im Jahr ab.

Es ist augenscheinlich und nachvollziehbar, dass der Ansatz 4 mit der Investition aller 3 Module und den Photovoltikmodulen/Batterien die optimale Lösung aus energetischer und betriebswirtschaftlicher Sicht darstellt.

Die gesamt Energieversorgung des Gebäudes erfolgt mit Null Emmisionen. Es fallen keinerlei Schadstoffe an.

Ausserdem versorgt diese Investition das Stromnetz mit einer Durchschnittsleistung von 3.600 kW pro Stunde mit elektrischer Energie.

In Deutschland würden ca. 30.000 bis 50.000 Anlagen dieser Investitionen ausreichen, um die gesamte Energieversorgung einschliesslich Heizung, Kühlung und Warmwasaser abzudecken.

Weltweit sind zwischen 3 bis maximal 6 Millionen Anlagen ausreichend, um den Weltenergiebedarf für Strom, Heizung, Kühlung, Warmwasser usw. abzudecken. Diese Werte sind nur Schätzwerte, die aber die Dimension dieses Anwendungsgebietes umreisst.

Die technische Lösung der Erfindung ist unter Pkt. 7. Der „Vorzüge und Anwendungen der erfindungsgemässen Lösung" detailliert beschrieben worden.

Eine Kurzdarstellung der wichtigsten Parameter wird hier skizziert:
Das Modul I hat einen Durchmesser der Druckluftspeicher (57) von 113 mm, die Fläche A beträgt somit 0,01 m². Die Kraft F des Moduls I beträgt bei einem Innendruck von 20 bar somit 20.000 N.

Die Hubhöhe h aller Module I, II und III betragen jeweils 80 mm.

Damit leistet jeder Druckluftspeicher (57) des Moduls I bei jedem Hub eine Leistung von 1.600 Watt. Da 50 Hübe pro Sekunde erfolgen, liefert die Druckluftspeicher (57) und synchron die Hydraulikzyliner (59) mit dem Fluid (36a) eine Leistung von 80,0 kW, die den Hydraulikmotor (50) mit einem Output von P = 68,0 kW und einem Drehmoment M = 154 Nm bei einer Drehzahl von n = 4.200 min^–1 verlassen.

Über ein Getriebe (51) wird die Drehzahl des Hydraulikmotors (5) des Moduls I von 4.200 min^–1 zum Antrieb der Kurbelwelle (53) des Moduls II auf 84 min^–1 reduziert. Durch das Getriebe (51) am Hydraulikmotor (50) reduziert sich die Leistung P auf 59,0 kW und das Drehmoment M auf 6.700 Nm bei einer Drehzahl von n = 84 min^–1. Das Modul II benötigt einen Input von P = 52,0 kW und ein Drehmoment von M = 4.775 Nm bei der benannten Drehzahl von 84 Umdrehungen pro Minute.

Die Modul I treibt das Modul II mit den Parametern P = 59,0 kW, M = 6.700 Nm an.

Das Modul II hat einen Durchmesser der Druckluftspeicher (57) von 340 mm, die Fläche A beträgt somit 0,09 m². Die Kraft F des Moduls I beträgt bei einem Innendruck von 20 bar somit 180.000 N.

Die Hubhöhe h beträgt 80 mm.

Damit leistet jeder Druckluftspeicher (57) des Moduls II bei jedem Hub eine Leistung von 14.400 Watt. Da 50 Hübe pro Sekunde erfolgen, liefert die Druckluftspeicher (57) und synchron die Hydraulikzyliner (59) mit dem Fluid (36a) eine Leistung von 720,0 kW, die den Hydraulikmotor (50) mit einem Output von P = 610,0 kW und einem Drehmoment M = 1.380 Nm bei einer Drehzahl von n = 4.200 min^–1 verlassen.

Über ein Getriebe (51) wird die Drehzahl des Hydraulikmotors (5) des Moduls II von 4.200 min^–1 zum Antrieb der Kurbelwelle (53) des Moduls III auf 84 min^–1 reduziert. Durch das Getriebe (51) am Hydraulikmotor (50) reduziert sich die Leistung P auf 535,0 kW und das Drehmoment M auf 60.820 Nm bei einer Drehzahl von n = 84 min^–1.

Das Modul III benötigt einen Input von P = 433,0 kW und ein Drehmoment von M = 41.250 Nm bei der benannten Drehzahl von 84 Umdrehungen pro Minute.

Die Modul II treibt das Modul III mit den Parametern P = 535 kW, M = 60.820 Nm an.

Das Modul III hat einen Durchmesser der Druckluftspeicher (57) von 1.000 nun, die Fläche A beträgt somit 0,78 m². Die Kraft F des Moduls I beträgt bei einem Innendruck von 20 bar somit 1.560.000 N.

Die Hubhöhe h beträgt 80 mm.

Damit leistet jeder Druckluftspeicher (57) des Moduls III bei jedem Hub eine Leistung von 124.800 Watt. Da 50 Hübe pro Sekunde erfolgen, liefert die Druckluftspeicher (57) und synchron die Hydraulikzyliner (59) mit dem Fluid (36a) eine Leistung von 6.240,0 kW, die den Hydraulikmotor (50) mit einem Output von P = 5.300,0 kW und einem Drehmoment M = 12.000 Nm bei einer Drehzahl von n = 4.200 min^–1 verlassen.

Da der Generator (52) mit einem angelenkten Getriebe (51) ausgestattet ist und mit dem Hydraulikmotor (50) gekoppelt wird, verlässt somit ein Output mit P = 4.000 kW den Generator.

Diese Outputleistung mit P = 4.000 kW wird, abzüglich der Eigenversorgung mit ca. 400 kW, in das Netz eingespeist.

Das Modul III liefert einen Output von 4.000 kW und der Input am Modul I beträgt 5,0 kW.

3.1.2. Energieerzeugungsanlagen in PKWs:

Dieses Einsatzfeld zur Absicherung des Energiebedarfs eines Fahrzeuges wird am Beispiel des Einsatzes des Moduls I abgehandelt.

Als Ausgangsdaten wird angenommen, dass eine PKW-Motor eine Leistung von ca. 50 kW liefern soll und alle anderen Funktionen wie Beleuchtung, Heizung, Kühlung natürlich auch erfüllen muss.

Das Modul I hat einen Durchmesser der Druckluftspeicher (57) von 113 mm, die Fläche A beträgt somit 0,01 m². Die Kraft F des Moduls I beträgt bei einem Innendruck von 20 bar somit 20.000 N.

Die Hubhöhe h des Moduls I beträgt 80 mm.

Da ein PKW-Rad in der Grösse 13 Zoll einen Durchmesser von ca. 55 cm und somit einen Umfang von ca. 1,70 m aufweist, dreht sich das Rad bei einer Geschwindigkeit von 150 km/h des PKW 25-mal pro Sekunde.

Die Drehzahl des Hyäraulikmotors (50) von 4.200 Umdrehungen pro Minute beinhalten 70 Umdrehungen pro Sekunde vom Hydraulikmotor (50). Diese Drehzahl des Hydraulikmotors (50) ohne die Zwischenschaltung eines Getriebes (51) zum Antrieb des PKW beinhaltet rein theoretisch eine Geschwindigkeit von 428 km/h der Räder des PKW ohne die Berücksichtigung des Fahrtwindes und der Reibung.

Über ein Getriebe (51) wird die Drehzahl des Hydraulikmotors (5) des Moduls I von 70 Umdrehungen pro Sekunde zum Antrieb der Räder auf 25 Umdrehungen pro Sekunde reduziert. Damit steigt das Drehmoment M des Hydraulikmotors (50) auf 432 Nm an.

Durch das Getriebe (51) am Hydraulikmotor (50) reduziert sich die Leistung P auf 59,0 kW und das Drehmoment M auf 375 Nm bei einer Drehzahl von n = 25 Umdrehungen pro Sekunde = 1.500 min^–1.

Diese Leistung von 59,0 kW ist mehr als ausreichend, um den Motor mit über 50,0 kW anzutreiben und die Versorgung mit Energie für Beleuchtung, Heizung und Kühlung vorzunehmen.

Der Antrieb des PKW kann wahlweise mit Batterien, Photovoltaik, Schwungmasse oder über den Einbau eines windkraftgetriebenen Antriebs in der Kühlerfront des PKW erfolgen oder als Kopplung aller vier Antriebskomponenten.

Der windkraftgetriebene Antrieb bezieht sich darauf, dass der Fahrtwind, der bisher nur als Störfaktor gilt, dazu genutzt wird, einen querliegenden Rotorantrieb (65) im Frontbereich des PKW mit den Abmaßen 1,0 m breit, 0,5 m hoch zu installieren, der direkt die Kurbelwelle (53) antreibt.

Bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h beträgt der zurückgelegte Weg pro Sekunde = 27 m. Dieser Fahrtwind wird im Rotorantrieb (65) auf die anzutreibende Seite des Rotors (65) mit Leitblechen zugeführt.

Die Menge Luft (Fahrtwind), die dem Rotorantrieb (65) zugeführt wird besteht aus folgenden Komponenten: 1,0 m lang, 0,5 m hoch und w = 27,0 m/s.

Damit werden dem Rotor (65) pro Sekunde 13,5 m³ Luft zugeführt und bei einer Dichte von Luft von 1,3 kg/m³ wird somit eine Masse von 17,5 kg Luft zum Antrieb des Rotors (65) genutzt.

Aus der Formel zur Berechnung der kinetischen Energie mit P = m·w2/2 P = 17,5 kg·(27 m/s)2/2P = 6.378 Watt = 6,4 kW
leitet sich somit ab, dass der PKW alleine durch die Nutzung des Fahrtwindes bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h durch den Rotor (65) angetrieben wird, da dieser Fahrtwind ausreicht, um die Kurbelwelle (53) mit dem Input von 5,0 kW anzutreiben.

Die Grenze zum Alleinantrieb der Kurbelwelle (53) mit 5,0 kW durch den Fahrtwind zum Antrieb des Rotors (65) liegt bei einer Geschwindigkeit des PKW von 90 km/h. In niedrigeren Geschwindigkeitsbereichen sind die obengenannten Alternativantriebe zur Ergänzung miteinzusetzen.

Da weltweit eine geschätzte Zahl von ca. 2 bis 3 Milliarde PKW vorhanden ist (oder perspektivisch erreicht wird), kann dieses Marktpotential zum Antrieb der PKW mit dem Modul I abgedeckt werden. Hier wird Energie erzeugt, die keinerlei Emmissionen verursachen.

Analog verhält es sich mit Antrieben für Schiffe, Loks, Strassenbahnen und anderen mobilen oder auch stationären Energieverbrauchern. Natürlich sollte eine Kopplung der Module entsprechend des Energiebedarfs des jeweiligen Gerätes vorgenommen werden.

1: Fundament
2: Gestell
3: Druckluftzylinder(körper)
4: oberer Druckluftzylinderdeckel
4a: Druckluft (Druckstickstoff oder anderes luftähnliches Medium)
5: Druckluftkolben
6: Druckkolbenstange
7: unterer Druckluftzylinderdeckel
8: Dichtungen zwischen oberen Druckluftzylinderdeckel und Druckluftzylinder
9: Kolbenstangendichtung am oberen Druckluftzylinderdeckel
10: Kolbendichtung
11: Dichtungen zwischen unteren Druckluftzylinderdeckel und Druckluftzylinder
12: Kolbenstangendichtung am unteren Druckluftzylinderdeckel
13: Führungsmanschetten
14: Luftleitung mit Überwachungsmanometer sowie Füllstutzen mit Druckluftbegrenzerventil (am oberen oder unteren Druckluftzylinderdeckel angebracht – je nach Druckfüllung des Druckluftzylinders)
15: Schubstangen (entweder am oberen Druckluftzylinderdeckel oder als auskragendes Gestänge an der Druckkolbenstange mit Bolzen angelenkt)
16: Gestängepaar am Druckluftzylinder
17: Befestigungsbolzen zur Aufnahme der Druckkolbenstange oder des Druckluftzylinders am Gestell
18: Gesamtzylinder(körper)
19: Führungsgestänge mit Führungsnuten
20: Führungsbolzen mit Spannbändern befestigt oder verschweisst, verschraubt
21: Führungsschienen mit Führungsnuten
22: Druckwechselzylinder(körper)
23: oberer Druckwechselzylinderdeckel
23a: geringer Ausgangsdruck bis maximaler Innendruck
24: Druckwechselkolben
25: Druckwechselkolbenstange
26: unterer Druckwechselzylinderdeckel
27: Dichtungen zwischen oberen Druckwechselzylinderdeckel und Druckwechselzylinder
28: Kolbenstangendichtung am oberen Druckwechselzylinderdeckel
29: Kolbendichtung am Druckwechselzylinder
30: Dichtungen zwischen unteren Druckwechselzylinderdeckel und Druckwechselzylinder
31: Kolbenstangendichtung am unteren Druckwechselzylinderdeckel
32: auskragendes Gestänge von der Druckwechselkolbenstange zur Druckkolbenstange
33: Pleuel
34: Luftleitung mit Überwachungsmanometer sowie Füllstutzen mit
: Druckluftbegrenzerventil (am oberen oder unteren Druckwechselzylinderdeckel angebracht- je nach Druckfüllung des Druckwechselzylinders)
35: Hydraulikzylinder(körper)
36: oberer Hydraulikzylinderdeckel
36a: Hydrauliköl (oder anders Fluid)
37: Hydraulikkolben
38: Hydraulikkolbenstange
39: unterer Hydraulikzylinderdeckel
40: Befestigungsbolzen zur Aufnahme der Hydraulikzylinder am Gestell
41: Zulaufleitung für Hydrauliköl
42: Rückschlagventil in der Zulaufleitung
43: Druckleitung für Hydrauliköl
44: Rückschlagbegrenzungsventil mit Manometer in der Druckleitung
45: Verteiler aller Druckleitungen
46: Hydraulikölbehälter
47: Zulaufbehälterleitung
48: Luftlimitdruckleitung
49: Verteiler für das Zulaufhydrauliköl
50: Hydraulikmotor
51: Getriebe am Hydraulikmotor oder am Generator
52: Generator
53: Kurbelwelle
53a: Schmieröl
54: Kurbelzapfen
55: Lagerbett mit Ölwanne
56: Lagerschalen (der Kurbelwelle)
57: Druckluftspeicher/-zylinder als Funktionseinheit
58: Druckwechselzylinder als Funktionseinheit
59: Hydraulikzylinder als Funktionseinheit
60: vorgeschaltetes kleineres Leistungsmodul zum Antrieb der Kurbelwelle
61: nächstgrösseres Leistungsmodul
62: Fremdenergiequelle zum Antrieb der Kurbelwelle
63: Kompressor, der die Druckluft trocknet und mit Schmiermittel anreichert
64: Kühlaggregate im Hydraulikölbehälter und an den Druckluftspeichern sowie an den Druckwechselzylindern
65: Antriebs-/Getriebemotor und Rotorantrieb durch Fahrtwind oder die Nutzung der Bewegungsenergie eines Fahrzeuges, zum Beispiel der Schwungmasseantrieb
66: Zuganker
67: schalldämmendes Element am Druckluftkolben an der nichtdruckluftgefüllten Seite (zum Beispiel eine Spiralfeder oder andere Dämmstoffe)

Claims

Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module, insbesondere zur Gewinnung mechanischer oder elektrischer Energie, bestehend aus mehreren Druckluftspeichern (57) als permante Energiespeicher mit einem Innendruck (4a), die in Abhängigkeit der korrespondierenden Druckwechselzylinder (58) und ihres Innendrucks (23a), die von der Position des Kurbelzapfens (54) auf der Kreisbahn einer Kurbelwelle (53) bestimmt werden, entweder zyklisch zusammengepresst (4a) werden und somit die Druckluftspeicher (57) in den Zustand der Arbeitsfähigkeit versetzen oder die Hubarbeit W an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder (59) weiterleiten, in der Phase der Energieumwandlung während des Arbeitshubes zulaufseitig abgesperrt und mit ihrer Druckmittelableitung (43) über die Hydraulikzylinder (59) auf eine Einrichtung zur Energieumwandlung (50) geführt sind, und nach zulaufseitiger Umsteuerung werden die Hydraulikzylinder (59) in der Phase der Abwärtsbewegung werden diese mit Fluid (36a) aus einem Behältnis (46) neu gefüllt, dadurch gekennzeichnet, dass – die mit den Druckluftspeichern (57) korrespondieren Druckwechselzylinder (58), die Druckluftspeicher (57) sowie die Hydraulikzylinder (59) alle in einer Wirkungsebene schwenkbar angeordnet sind, wobei sich diese Wirkungsebene vom Kurbelzapfen (54) der Kurbelwelle (53) über das Pleuel (33), das mit dem Druckwechselzylinder (58) verbunden ist, zum Druckluftspeicher (57) erstreckt, der wiederum an einem schwenkbaren Befestigungsbolzen (17) am Gestell (2) der Vorrichtung befestigt ist und bis zur Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikkolbens (37) des Hydraulikzylinders (35) weiterreicht, wobei der Hydraulikzylinder (35) ebenfalls mit einem schwenkbaren Befestigungsbolzen (40) am Gestell (2) befestigt ist, – die Absicherung der Wirkungsebene von den Kurbelzapfen (54) der Kurbelwelle (53) zum jeweiligen Pleuel (33), von den Pleueln (33) zu den Druckwechselzylin dern (58), von den Druckwechselzylindern (58) zu den Druckluftzylindern (57) und von den Druckluftzylindern (3) zu ihren Schubstangen (15) bis zu den Hydraulikkolbenstangen (38) der Hydraulikkolben (37) in den Hydraulikzylindern (35) erfolgt über mehrere, beidseitig an diesen benannten Vorrichtungselementen (33, 58, 57, 3, 15, 38, 37, 35) angelenkten Führungsgestängen mit Führungsnuten (19), den Führungsschienen (21) sowie den Führungsbolzen (20), die ein Kippen bzw. Verkanten dieser Elemente (33, 58, 57, 3, 15, 38, 37, 35) in der Kreisbewegung der Kurbelwelle (53) ausschliessen und somit keine Verluste an den Kraftschüben der Druckluftzylinder (57) verursachen, – der Druckluftspeicher (57) ist als Druckluftzylinder (57) ausgelegt, in dem sich die Druckluft (4a) entweder im oberen Bereich des Druckluftzylinders (3) zwischen Druckluftkolben (5) und oberen Deckel (4) befindet oder die Druckluft (4a) befindet sich im unteren Bereich des Druckluftzylinders (3) zwischen Kolben (5) und unterem Deckel (7) des Druckluftzylinders (3) – mehrere Druckluftspeicher (57) und die zugeordneten weiteren Vorrichtungselemente (58, 59) angelenkt sind, wobei diese Druckluftzylinder (57) als permanente Energiespeicher wirken, die ihre Arbeit W durch die Komponenten (Faktoren): – Innendruck (4a) p im Druckluftzylinder (57), – Fläche A der Druckluftzylinder (57), – Hubhöhe h pro Druckluftzylinder (57) und – Anzahl der Hübe n der Druckluftzylinder (57) pro Sekunde definiert und diese dauerhaft nutzt, – im Falle der oberen Druckluftspeicherung (4a) im Druckluftzylinder (3) ist der Druckluftkolben (5) und deren Druckkolbenstange (6) schwenkbar am Drehpunkt des Befestigungsbolzens (17) am Gestell (2) befestigt, der Druckwechselzylinder (22) greift mit seiner Druckwechselkolbenstange (25) am Druckluftzylinder (3) an und zieht diesen nach unten, wenn der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (58) grösser als der Druck (4a) im Druckluftzylinder (57) wird, und die Schubstangen (15) vom Druckluftzylinder (3) befinden sich am oberen Druckluftzy linderdeckel (4) und drücken die darüber befindlichen Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikkolbens (37) im Hydraulikzylinder (35) nach oben, wenn der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (58) abfällt und der Druck (4a) im Druckluftzylinder (57) grösser als der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (58) wird, – im Falle der unteren Druckluftspeicherung (4a) im Druckluftzylinder (3) ist der Druckluftzylinder (3) und einem Gestängepaar (16) schwenkbar am Drehpunkt des Befestigungsbolzens (17) am Gestell (2) befestigt, der Druckwechselzylinder (22) greift mit der Druckwechselkolbenstange (25) und einem auskrakendem Gestänge (32) an der Druckkolbenstange (6) des Druckluftkolbens (5) an und zieht diesen nach unten, wenn der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (22) grösser als der Druck (4a) im Druckluftzylinder (3) wird, und die Schubstangen (15) vom Druckluftkolben (5) befinden sich an der Druckkolbenstange (6) des Druckluftkolbens (5) und drücken die darüber befindlichen Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikkolbens (37) im Hydraulikzylinder (35) nach oben, wenn der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (22) abfällt und der Druck (4a) im Druckluftzylinder (3) grösser wird als der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (22), – der belastbare Druckraum (23a) im Druckwechselzylinder (22) kann neben dem oberen Druckraum (23a) zwischen Druckwechselkolben (24) und oberem Zylinderdeckel (23) auch im unteren belastbarem Druckraum (23a) zwischen Druckwechselkolben (24) und unterem Zylinderdeckel (26) angeordnet werden, wobei alle Arten der kraftseitigen Verbindung/Verknüpfung von Druckwechselzylinder (58), Druckluftzylinder (57) und Hydraulikzylinder (59) eingeschlossen sind, die das Prinzip der Druckluftspeicher (57) als permante Energiespeicher mit ihrem Innendruck (4a), die in Abhängigkeit der korrespondierenden Druckwechselzylinder (58) und ihres Innendrucks (23a), die von der Position des Kurbelzapfens (54) auf der Kreisbahn einer Kurbelwelle (53) bestimmt werden, entweder durch den erhöhten Druck (23a) in den Druckwechselzylindern (58) zusammengepresst werden und somit die Druckluftspeicher (57) in den Zustand der Arbeitsfähigkeit versetzen oder die Hubarbeit mittels Schubstangen (15) an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder (59) weiterleiten, beinhalten, – jeder Hydraulikzylinder (58) wird aus einem Hydraulikölbehälter (46), der das im Hydraulikmotor (50) verarbeitete Druckfluid (36a) sammelt, mit Hydrauliköl (36a) über eine Zulaufleitung (41) und einem Zulaufrückschlagventil (43) in dem Zeitraum mit Hydrauliköl (36a) versorgt, wenn die Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikkolbens (37) im Hydraulikzylinder (35) durch die Schubstangen (15) des Druckluftzylinders (3) oder der Druckkolbenstange (6) nach unten gezogen werden, wobei der Hydraulikölbehälter (46) einen Überdruck aufweist, der ein schnelles Zufliessen des Hydrauliköls (36a) in den Hydraulikzylinder (35) bewirkt, – jeder Hydraulikzylinder (35) versorgt über eine Druckleitung (43) und einen Verteiler (45) eine Vorrichtung der Energieumwandlungsanlage, zum Beispiel einen Hydraulikmotor (50), mit Druckenergie aus dem Hydrauliköl (36a) in dem Zeitraum, wenn die Schubstangen (15) die Hydraulikkolbenstange (38) den Hydraulikkolben (37) im Hydraulikzylinder (35) durch den Druckluftzylinder (3) im Falle der oberen Druckluftspeicherung (4a) oder im Falle der unteren Druckluftspeicherung (4a) im Druckluftzylinder (3) die Druckkolbenstange (6) des Druckluftkolbens (5) nach oben gedrückt werden und das Rückschlagbegrenzungsventil (44) in der Druckleitung (43) am Hydraulikzylinder (35) bei einem bestimmten Druck die Druckleitung (43) freigibt, – der Hydraulikmotor (50) wird entweder mit einem Generator (52) zur elektrischen Energieumwandlung gekoppelt oder ist zur weiteren Nutzung der mechanischen Energie über ein Getriebe (51) zum Antrieb einer anderen Vorrichtung oder des nächstgrösseren Leistungsmoduls (61) ausgelegt, – der Antrieb der Kurbelwelle (53), an der die Pleuel (33) mit den Druckwechselzylindern (58) angelenkt sind, erfolgt durch eine eigenständige Energiequelle (62), die den angelenkten Antriebs-/Getriebemotor (65) antreibt bzw. von den ebenfalls angelenkten Rotorantrieb (65) angetrieben wird, oder eine vorgeschaltete, kleinere Energieumwandlungsanlage (60) der beschriebenen Vorrichtung dient mit ihrer Outputenergie durch den Hydraulikmotor (50) mit Getriebe (51) oder den Generator (52) als Antriebsenergie (Input) der (nächst)grösseren Energieumwandlungsanlage (61), – die Kurbelwelle (53) ist in einem Lagerbett (55) mit einer Ölwanne und Schmieröl (53a) gelagert und die Lagerschalen (56) des Lagerbetts (55) sind vorzugsweise in der Ölwanne des Lagerbetts (55) angeordnet, um die Reibungsverluste der Lagerbolzen der Kurbelwelle (53) in den Lagerschalen (56) und zwischen Kurbelzapfen (54) und Pleuel (33) zu minimieren, – die Höhe der Antriebsenergie (Input) einer Energieumwandlungsanlage wird umso niedriger, je mehr Druckluftspeicher (57) und somit Druckwechselzylinder (58) an der Kurbelwelle (53) angreifen, denn umso kleiner wird die Höhendifferenz des jeweils zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinders (58), da aber andererseits sich damit die Reibungsverluste an der Kurbelwelle (53) in den Lagerschalen (56), an den Pleueln (33) und den Dichtungen (9, 10, 12, 28, 29, 31) erhöhen, ist eine optimierte Anzahl der Druckluftspeicher (57) auszuwählen, – die Kopplung mehrerer Stufen von Energieumwandlungsanlagen mit einer sinnvollen Staffelungen der Grössen (Flächen) der Druckluftzylinder (57) als permanente Energiespeicher bewirken eine stets höherenergetische Umwandlung der Energie, denn jede vorgeschaltete Stufe (60) einer Vorrichtung bewirkt mit ihrer Outputenergie die notwendige Inputenergie zum Antrieb der nachgeschalteten Vorrichtung (61) mit einer wesentlich höheren Outputenergie, – die Absicherung des permanten Innendrucks (4a) in den Druckluftzylindern (57), der nicht unter einem bestimmten Wert absinken darf, wird über einen Kompressor (63) und eine Luftleitung (34) mit Überwachungsmanometer und einem Füllstutzen mit Rückschlagbegrenzungsventil an jedem Druckluftzylinder (57) bewirkt, indem der Kompressor (63) im Falle des Druckabfalls die Versorgung dieses betroffenen Druckluftzylinders (57) mit der notwendigen Druckluft übernimmt, die getrocknet und mit Schmieröl versorgt wird – die Füllung der Druckluftzylinder (57) kann neben Druckluft (4a) auch mit Stickstoff oder anderen Gasen erfolgen – das Gestell (2), an dem die Druckluftspeicher (57) und die Hydraulikzylinder (59) befestigt sind, ist fest mit dem Fundament (1) verbunden – die Zuganker (66) verbinden die jeweiligen oberen und unteren Zylinderdeckelpaare (4 und 7; 33 und 26; 36 und 39).
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Wirkungsebene zwischen Kurbelzapfen (54), Pleuel (33), Druckwechselzylinder (58), Druckluftzylinder (57), Schubstangen (15) am Druckluftzylinder (57) und der Hydraulikkolbenstange (38) am Hydraulikzylinder (59) durch folgende Anordnung der Elemente abgesichert wird: a) die Druckkolbenstange (6) des Druckluftzylinders (3) oder der Druckluftzylinder (3) selbst ist schwenkbar am Befestigungsbolzen (17) des Gestells (2) angeordnet – je nach Druckluftfüllung (4a) im Druckluftzylinder (3) im oberen oder unteren Bereich – und damit wird abgesichert, dass die Kreisbahn der Kurbelwelle (53) durch alle benannten Elemente (von 54, 33, 22, 25, 3, 6, 15, 38, 35) fast ohne Reibungsverluste oder durch Kraftverluste der Druckkraft F der Druckzylinder (57) auf die Hydraulikzylinder (59) durchlaufen wird, wobei der Hydraulikzylinder (35) ebenfalls einen schwenkbaren Befestigungsbolzen (40) aufweist, der am Gestell (2) angelenkt ist, um die Schwenkbewegung der Gesamtkonstruktion abzusichern, b) mehrere, beidseitig angelenkte Führungsgestänge mit Führungsnuten (19), die längsseitig in sich verschiebbar sind, aber verhindern, dass ein Verkanten oder Kippen der benannten Vorrichtungsteile (33, 22, 25, 3, 6, 15, 38, 35) möglich wird, wobei Führungsbolzen mit Spannbändern oder verschweisst oder verschraubt (20) an diesen Elementen (33, 22, 25, 3, 6, 15, 38, 35) angeordnet sind: – am Pleuel (33) des Druckwechselzylinders (58) – am Druckwechselzylinder (22) – an der Druckwechselkobenstange (25) – am Druckluftzylinder (3) – an der Druckkolbenstange (6) des Druckluftzylinders (3) – an den Befestigungsbolzen (17, 40) des Gestells (2) – an der Hydraulikkolbenstange (38) – am Hydraulikzylinder (35), die durch die Zwangsführung der Führungsbolzen (20) in den Führungsnuten der Führungsschienen (21) und der Führungsgestänge (1) die gradlinige Führung aller Elemente (33, 22, 25, 3, 6, 15, 38, 35) absichern, wobei die Schubstangen (15) des Druckluftzylinders (3) oder die Druckkolbenstange (6) (je nach Druckfüllungung (4a) im Druckluftzylinder (3) im oberen oder unteren Bereich) jeweils 2 gesonderte Bolzenverbindungen (20) aufweist, die die Hydraulikkolbenstange (38) am Hydraulikzylinder (35) gradlinig führt und damit die Druckkraft F auf den Hydraulikzylinder (59) ohne Verluste weiterleitet,
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Druckluftspeicher (57) als Druckluftzylinder (57) ausgelegt ist, in dem sich die Druckluft (4a) entweder im oberen Bereich des Druckluftzylinders (3) zwischen dem Druckluftkolben (5) und dem oberen Druckluftdeckel (4) befindet oder die Druckluft (4a) befindet sich im unteren Bereich des Druckluftzylinders (3) zwischen dem Druckluftkolben (5) und dem unterem Deckel (7) des Druckluftzylinders (3), wobei der Aufbau des Druckluftzylinders (57) im einzelnen folgende Elemente aufweist: – ein Druckluftzylinder (3), der entweder höhenbeweglich geführt ist, wenn der obere Bereich dieses Druckluftzylinders (3) mit Druckluft (4a) gefüllt ist, oder – wenn dieser Druckluftzylinder (3) im unteren Bereich mit Druckluft (4a) gefüllt ist – greift ein Gestängepaar (16), das am Druckluftzylinder (3) angelenkt ist, am Druckluftzylinder (3) an und ist mit dem Befestigungsbolzen (17) am Gestell (2) schwenkbar, aber nicht höhenbeweglich, verbunden, – der Druckluftzylinder (57) besitzt einen oberen Druckluftzylinderdeckel (4), der eine bewegliche Druckkolbenstange (6) aufnimmt, wobei im Falle der Druckluftfüllung (4a) im oberen Bereich zwischen dem Druckluftkolben (5) und dem oberen Druckluftzylinderdeckel (4) Kolbenstangendichtungen (9) und Dichtungen (8) zwischen dem oberen Druckluftzylinderdeckel (4) und dem Zylinderkörper (3) integriert sind, im umgekehrten Falle sind nur Führungsmanschetten (13) zwischen oberen Druckluftzylinderdeckel (4) und Druckkolbenstange (6) notwendig. Im Falle der unteren Druckluftfüllung (4a) sind im oberen Druckluftzylinderdeckel (4) Entlüftungsbohrungen angebracht, wobei weiterhin bei der oberen Druckluftfüllung (4a) am oberen Druckluftzylinderdeckel (4) die Schubstangen (15) mit Bolzen befestigt sind, die die kraftseitige Verbindung zur Hydraulikkolbenstange (38) darstellen, zusätzlich sind im Füllbereich (4a) folgende Elemente in den Druckluftzylinderdeckel (4) integriert: 1 Füllstutzen mit Manometer sowie 1 Druckluftbegrenzerventil und eine Luftleitung (14), die eine Versorgung mit Druckluft (4a) aus dem Kompressor (63) absichert, sobald der Überdruck unter einen bestimmten Limitwert fällt, – im Druckluftzylinder (3) selbst befindet sich der Druckluftkolben (5), der mit der Druckkolbenstange (6) fest verbunden ist, wobei der Druckluftkolben (5) mit Kolbendichtungen (10) ausgestattet ist, die den oberen oder unteren Druckraum (4a) des Druckluftzylinders (3) abdichten und gewährleisten, damit der Innendruck p im Druckraum (4a) des Druckluftzylinders (57) möglichst lange erhalten bleibt; anordnungsseitig ist der Druckluftkolben (5) bei der oberen Druckfüllung (4a) nur seitlich schwenkbar ausgelegt, weil der Zylinderkörper (3) höhenbeweglich geführt ist und dieser Druckluftzylinder (57) gibt die Druckarbeit W jedes Druckluftzylinders (57) über die Schubstangen (15) an die Hydraulikkolbenstange (38) weiter, im umgekehrten Falle der unteren Druckfüllung (4a) ist der Druckluftkolben (5) höhenbeweglich geführt und gibt die Druckabeit W über die Druckkolbenstange (6) mittels der Schubstangen (15) an die Hydraulikkolbenstange (38) weiter, – die Druckkolbenstange (6) verbindet den Druckluftkolben (5) entweder bei der oberen Druckfüllung (4a) über den schwenkbaren Befestigungsbolzen (17) mit dem Gestell (2) und ist somit nicht höhenbeweglich verschiebbar oder bei der unteren Druckfüllung (4a) ist er höhenverschiebbar und besitzt eine Vorrichtung zur Aufnahme der Kräfte des auskrakenden Gestänges (15), die vom Druckwechselzylinder (58) ausgehen und die Druckkolbenstange (6) nach unten ziehen, wenn der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (58) grösser als der Druck (4a) im Druckluftzylinder (57) wird und sichert gleichartig auch die Weiterleitung der Druckkraft F auf die Schubstangen (15) ab, die vom Druckluftspeicher (57) durch das Hochdrücken der darüber befindlichen Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikkolbens (37) im Hydraulikzylinder (35) erfolgt, wenn der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (58) abfällt und der Druck (4a) im Druckluftzylinder (57) grösser wird als der Druck (23a) im Druckwechselzylinder (58), wobei das Rückschlagbegrenzungsventil (44) in der Druckleitung (43) im Hydraulikzylinder (59) erst dann geöffnet wird, wenn eine bestimmter Mindestdruck (36a) vorhanden ist, – der Druckluftkolben (5) weist auf der nichtdrucklufgefüllten Seite eine Schalldämmung (67), zum Beispiel eine Spiralfeder (67) oder andere Dämmstoffe (67) auf, die den Rückschlag des Druckluftkolbens (5) nach der Energieübertragung an den Hydraulikzylinder (59) abfedern und somit schallseitig dämmt, – der Druckluftzylinder (57) besitzt einen unteren Druckluftzylinderdeckel (7), der bei der Druckluftfüllung (4a) im oberen Bereich des Druckluftspeichers (57) entweder über die Druckwechselkolbenstange (25) verbunden ist, wenn der Druckwechselzylinder (58) den Druck (23a) im oberen Bereich des Druckwechselzylinders aufbaut (58) oder im zweiten Falle – der Druck (23a) im Druckwechselzylinder wird im unteren Bereich (23a) des Druckwechselzylinders (58) aufgebaut – dann können Druckluftzylinder (57) und Druckwechselzylinder (58) in 2 verschiedenen Zylindern (57, 58) mit einer Druckwechselkolbenstange (25) verbunden werden oder in einem Gesamtzylinder (18) (Druckluft- (57) und Druckwechselzylinder (58) vereint) werden, im Falle der Druckfüllung (4a) im oberen Bereich des Druckluftzylinders (57) sind im unteren Druckluftzylinderdeckel (7) Entlüftungsbohrungen anzubringen, im umgehrten Falle sind diese Entlüftungs bohrungen im oberen Druckluftzylinderdeckel (4) und beim Gesamtzylinder (18) sind diese mittig anzubringen, im Falle der Druckluftfüllung (4a) im unteren Bereich zwischen Druckluftkolben (5) und unteren Druckluftzylinderdeckel (7) sind nur Dichtungen (11) zwischen dem unteren Druckluftzylinderdeckel (7) und dem Zylinderkörper (3) integriert, – die Schubstangen (15) am Druckluftzylinder (57) stellen die kraftseitige Verbindung vom Druckluftspeicher (57) zum Hydraulikzylinder (59) dar, die entweder über den Druckluftzylinderkörper (3) oder die Druckkolbenstange (6), die Hydraulikkolbenstange (38) nach unten ziehen und somit die Flutung des Hydraulikzylinders (59) mit Hydrauliköl (36a) aus dem Hydraulikölbehälter (46) besorgen oder sie drücken die Hydraulikkolbenstange (38) nach oben und leiten den Krafthub des Druckluftspeichers (57) auf das Hydrauliköl (36a) im Hydraulikzylinder weiter, wobei die Schubstangen (15) mit Befestigungsbolzen am Druckluftzylinder (3) selbst oder an der Druckkolbenstange (6) fest angelenkt sind.
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Druckwechselzylinders (58) analog dem Druckluftzylinder (57) ausgelegt ist, in dem sich der Druckaufbau (23a) entweder im oberen Bereich des Druckwechselzylinders (58) zwischen Druckwechselkolben (24) und oberen Druckwechselzylinderdeckel (23) abspielt oder der Druckaufbau (23a) findet im unteren Bereich des Druckwechselzylinders (58) zwischen Druckwechselkolben (24) und unterem Deckel (26) des Druckwechselzylinders (58) statt, wobei der Aufbau des Druckwechselzylinders (58) im einzelnen folgende Elemente aufweist: – ein Druckwechselzylinder (58) enthält eine Druckwechselkolben (24), der im Falle des oberen Druckaufbaus (23a) im Druckwechselzylinder (58) mit einer Druckwechselkolbenstange (25) am Druckluftzylinder (3) direkt an oder über ein auskragendes Gestänge (32) an der Druckkolbenstange (6) angreift und diese Elemente (3, 6) nach unten zieht, sobald der Druck (23a) im Druckwechselzy linder (58) ansteigt und den Druck (4a) im Druckluftspeicher (57) übertrifft, erfolgt der Druckaufbau (23a) im unteren Bereich des Druckwechselzylinders (58), dann zieht der Druckwechselzylinder (22) über die obere Druckwechselkolbenstange (25) den Druckluftzylinder (3) nach unten oder der Druckluftzylinder (57) und der Druckwechselzylinder (58) sind in einem Zylinder (18) vereint und der Druckluft (57)- (Gesamt-(18)zylinder wird nach unten gezogen; im Bereich des unteren Druckaufbaus (23a) im Gesamtzylinder (18) greift das Pleuel (33) direkt an der (unteren) Druckwechselkolbenstange (25) an, die mit dem Druckwechselkolben (24) verbunden ist, – der Druckwechselzylinder (58) besitzt einen oberen Druckwechselzylinderdeckel (23), der eine bewegliche Druckwechselkolbenstange (25) aufnimmt, wobei im Falle der Druckaufbaus (23a) im oberen Bereich zwischen Druckwechselkolben (24) und dem oberen Druckwechselzylinderdeckel (23) sind Kolbenstangendichtungen (28) und Dichtungen (27) zwischen dem oberen Druckwechselzylinderdeckel (23) und dem Zylinderkörper (22) integriert, im umgekehrtem Falle sind nur Führungsmanschetten (13) zwischen dem oberen Druckwechselzylinderdeckel (23) und der Druckwechselkolbenstange (25) notwendig, wobei im Falle des unteren Druckaufbaus (23a) im oberen Druckwechselzylinderdeckel (23) Entlüftungsbohrungen anzubringen sind, im Falle des oberen Druckaufbaus (23a) sind somit Entlüftungsbohrungen im unteren Druckwechselzylinderdeckel (26) anzubringen, – aus Sicherheitsgründen sind je nach Druckaufbau (23a) in den oberen oder unteren Bereich im Druckwechselzylinder (58) in den jeweilig zugeordneten Druckwechselzylinderdeckeln (23, 26) folgende Elemente zu integrieren: 1 Füllstutzen mit Manometer sowie 1 Druckluftbegrenzerventil und eine Luftleitung (34), die eine Versorgung mit Druckluft (23a) aus dem Kompressor (63) absichert, sobald ein zusätzlicher Ausgangsdruck (23a) im zutreffenden Bereich des Druckwechselzylinders (58) notwendig wird, – im Druckwechselzylinder (58) selbst befindet sich der Druckwechselkolben (24), der mit der Druckwechselkolbenstange (25) fest verbunden und dieser mit Kolbendichtungen (29) ausgestattet ist, die den oberen oder unteren Druckraum (23a) des Druckwechselzylinders (22) abdichten und gewährleisten, damit der steigende Innendruck p in der Phase des Druckaufbaus im Druckraum (23a) des Druckwechselzylinders (58) möglichst lange stabil erhalten bleibt, – die Druckwechselkolbenstange (25) verbindet den Druckwechselkolben (24) entweder beim oberen Druckaufbau (23a) mit dem Druckluftzylinder (3) oder über das auskragende Gestänge (32) mit der Druckkolbenstange (6) und sichert somit die kraftseitige Umsetzung des höheren Drucks – und damit der grösseren Kraft – in der Phase des Druckaufbaus (23a) im Druckwechselzylinder (58) gegenüber dem Druckluftzylinder (57) ab, wobei beim unteren Druckaufbau (23a) die Druckwechselkolbenstange (25) entweder geteilt ist in eine obere und eine untere Druckwechselkolbenstange (25) oder sie ist nur als untere Druckwechselkolbenstange (25) vorhanden, wenn Druckluftzylinder (57) und Druckwechselzylinder (58) in einem Gesamtzylinder (18) integriert sind; im Falle der Verbindung von Druckluftzylinder (57) und Druckwechselzylinder (58) stellt die obere Druckwechselkolbenstange (25) nur das Verbindungsglied zwischen beiden Zylindern (57, 58) dar und die untere Druckwechselkolbenstange (25) ist mit dem Pleuel (33) fest verbunden und sichert ab, dass der Druckaufbau (23a) zwischen Druckwechselkolben (24) und dem unteren Druckwechselzyinderdeckel (26) wirksam wird und somit die kraftseitige Übertragung der Kräfte auf den Druckluftspeicher (57) abgesichert wird,
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Der Aufbau des Hydraulikzylinders (59) im einzelnen folgende Elemente aufweist: – einem Hydraulikzylinderkörper (35), der den Hydraulikkolben (37) aufnimmt und dieser wird durch die Hydraulikkolbenstange (38) kraftseitig bewegt, entweder nach oben gedrückt oder nach unten gezogen, beide Kraftbewegungen werden durch die Schubstangen (15) bewirkt, die entweder durch den Druckluft zylinder (3) oder durch die Druckkolbenstange (6) ihren Kraftimpuls erhalten, – weiterhin sind am oberen Hydraulikzylinderdeckel (36) eine Zulaufleitung (41) für das Hydrauliköl (36a) mit einem Rückschlagventil (42) und eine Druckleitung (43) mit Rückschlagbegrenzungsventil (44) und einem Manometer angeordnet, die den Zulauf mit Fluid (36a) aus dem Hydraulikölbehälter (46) und den Zulauf des Druckfluids (36a) zum Hydraulikmotor (50) absichern, wobei im unteren Bereich des Hydraulikzylinders (35) Entlüftungsbohrungen angeordnet sind, die die ungehinderte Kolbenbewegung (37) ermöglicht, – die Schubstangen (15) des Druckluftzylinders (3) oder der Druckkolbenstange (6) stellen die kraftseitige Verbindung vom Druckluftspeicher (57) zum Hydraulikzylinder (59) dar, die die Hydraulikkolbenstange (38) nach unten ziehen und somit die Flutung des Hydraulikzylinders (35) mit Hydrauliköl (36a) aus dem Hydraulikölbehälter (46) besorgen oder sie drücken die Hydraulikkolbenstange (38) nach oben und leiten den Krafthub des Druckluftspeichers (57) auf das Hydrauliköl (36a) im Hydraulikzylinder (35) weiter, wobei das Rückschlagbegrenzugsventil (44) in der Druckleitung (43) erst dann öffnet, wenn ein Mindestdruck im Hydraulikzylinder (35) vorhanden ist und somit wird gesichert, dass sowohl der Hydraulikmotor (50) mit einem Mindestdruck betrieben wird als auch die freigebende Kraft F der Druckluftspeicher (57) über die Schubstangen (15) zu dem Zeitpunkt grösser wird, indem sich der kooperierende Druckwechselzylinder (58) der Innenbahn der Kurbelwelle (53) nähert, – die Druckleitung (43) jedes Hydraulikzylinders (59) fuhrt zu einem Hydraulikverteiler (45), der eine Gesamtdruckleitung (43) aufweist, die zum Hydraulikmotor (50) führt und mit dem Druckfluid (36a) antreibt, wobei der Hydraulikverteiler (45) ein Manometer aufweist, der bei Druckabfall (36a) im System mit einem Steuersignal reagiert, – der Hydraulikzylinder (35) ist mit einem Befestigungsbolzen (17) am Gestell (2) angelenkt, um die Pendelwegung, die aus der Kreisbahnrotation des Druckwechselzylinders (58) auf der Kurbelwelle (53) resultiert, auszugleichen, – der Hydraulikzylinder (35) besitzt in der Regel eine kleinere Fläche als der Druckluftzylinder (3), da mit dieser Flächenverkleinerung höhere Drücke im Hydraulikzylinder (35) bewirkt werden und der Zufluss an Fluid (36a) im Hydraulikzylinder (35) somit schneller abzusichern ist.
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hydraulikmotor (50) durch das Hydrauliköl (36a), dass aus den Hydraulikzylindern (59) in die Hauptdruckleitung (43) gepresst wird, diesen antreibt und in eine Bewegungsenergie umwandelt, wobei der Druck p des Fluids (36a) und die Durchflussmenge V des Hydrauliköls (36a) pro Sekunde die Leistung P und das Drehmoment M des Hydraulikmotors (50) bestimmen, – der Hydraulikmotor (50) verarbeitet das Druckfluid (36a) in Bewegungsenergie mit den spezifischen Daten Leistung P, Drehmoment M und Drehzahl n, nach dieser Bearbeitung wird das Fluid (36a) über eine Zulaufbehälterleitung (47) in den Hydraulikölbehälter (46) geleitet, zweitweise gespeichert und dort für die weitere Nutzung in den Hydraulikzylindern (59) in einem geschlossenen Zyklus weiterverwandt.
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hydraulikölbehälter (46) durch eine im oberen Bereich des Hydraulikölbehälters angeordnete Zulaufbehälterleitung (47) mit Hydrauliköl (36a) versorgt wird, das aus dem Hydraulikmotor (50) stammt und eine im unteren Bereich des Hydraulikölbehälters (50) angeordnete Zulaufleitung (41) für das Hydrauliköl (36a) aufweist, die die Hydraulikzylinder (59) über einen weiteren Verteiler (49) und entsprechende Zulaufleitungen (41) mit Fluid (36a) versorgen, – der Hydraulikölbehälter (46) wird unter einem Mindestdruck gesetzt, um die Fluidzirkulation (36a) und das Füllen der Hydraulikzylinder (59) zu beschleu nigen, dies erfolgt über eine Luftlimitdruckleitung (48) über den Kompressor (63), die im oberen Teil des Hydraulikölbehälters (46) integriert ist, – im Bereich der Fluidsammlung (46) und an den Druckluftspeichern (57) sowie den Druckwechselzylindern (58) sind – falls erforderlich – Kühlaggregate (64) einzusetzen, die die Fluids (36a, 4a und 23a) entsprechend kühlen.
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Hydraulikmotors (50) zum Antrieb: a) eines Generators (52) zur Erzeugung von Elektroenergie dient, b) zum Antrieb von Fahrzeugen, Schiffen, Bussen, Loks, Strassenbahnen und weiteren mobilen Geräten dient, c) von Entsalzungsanlagen, Fördereinrichtungen und anderen stationären Anlagen, die Energie benötigen, eingesetzt wird, d) einer weiteren Energieumwandlungsanlage nach demselben System genutzt wird, wobei aber eine grössere Bauart (61) über das Getriebe (51) angetrieben wird, der Output der kleineren Anlage (60) ist gleichzeitig der Input der nächsten Bauartstufe (61).
Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeicher als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Kurbelwelle (53), an der die Pleuel (33) mit den Druckwechselzylindern (58) angelenkt sind, erfolgt durch: c) eine eigenständige Energiequelle (62) mit einem Antriebs-/Getriebemotor (65) oder einem Rotorantrieb (65), der mechanisch die Kurbelwelle (53) antreibt, d) eine vorgeschaltete, kleinere Energieumwandlungsanlage (60) der beschriebenen Vorrichtung dient mit ihrer Outputenergie durch den Hydraulikmotor (50) und einem Getriebe (51) oder den Generator (52) und einem Antriebs-/Getriebemotor (65) als Antriebsenergie (Input) der nächstgrösseren Energieumwandlungsanlage (61), wobei die Höhe der Antriebsenergie (Input) einer Energieumwandlungsanlage umso niedriger wird, je mehr Druckwechselzylinder (58) an der Kurbelwelle (53) angreifen, denn umso kleiner wird die Höhendifferenz des jeweils zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinders (58), da sich aber andererseits damit die Reibungsverluste an der Kurbelwelle (53) in den Lagerschalen (56), an den Pleueln (33) und den Kolbendichtungen (9, 10, 12, 28, 29, 31) erhöhen, ist eine optimierte Anzahl der Druckwechselzylinder (58) und der Druckluftspeicher (57) auszuwählen; weiterhin ist die optimale Drehzahl n der Kurbelwelle (53) zu ermitteln, da die Fülldauer der Hydraulikzylinder (59) mit Fluid (36a) nicht extrem verkürzt werden kann.
Verfahren zur Energieumwandlung mittels Druckluftspeichern als permanente Energiespeicher und der Kopplung leistungssteigernder Module, insbesondere zur Gewinnung mechanischer oder elektrischer Energie, bestehend aus mehreren Druckluftspeichern (57) als permante Energiespeicher mit einem Innendruck (4a), die in Abhängigkeit der korrespondierenden Druckwechselzylinder (58) und ihres Innendrucks (23a), die von der Position des Kurbelzapfens (54) auf der Kreisbahn einer Kurbelwelle (53) bestimmt werden, entweder zyklisch zusammengepresst (4a) werden und somit die Druckluftspeicher (57) in den Zustand der Arbeitsfähigkeit versetzen oder die Hubarbeit W an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder (59) weiterleiten, in der Phase der Energieumwandlung während des Arbeitshubes zulaufseitig abgesperrt und mit ihrer Druckmittelableitung (43) über die Hydraulikzylinder (59) auf eine Einrichtung zur Energieumwandlung (50) geführt sind, und nach zulaufseitiger Umsteuerung werden die Hydraulikzylinder (59) in der Phase der Abwärtsbewegung werden diese mit Fluid (36a) aus einem Behältnis (46) neu gefüllt, gekennzeichnet durch die Einspeisung einer mechanischen oder elektrischen Energie, die zum Antrieb einer Kurbelwelle (53) genutzt wird, um eine Vielzahl von Druckluftspeichern (57), die mit einem Mindest-Innendruck (4a) als permanente Energiespeicher betrieben werden und in der Phase des kraftseitigen Angriffs der angelenkten Druckwechselzylinder im Wechsel von der inneren zur äusseren Kreisbahn der Kurbelwelle (53) eine höhere Energiedichte Ea in den Druckluftspeichern (57) durch das Spannen und ein weiteres Komprimieren der Druckluft (4a) erlangen je weiter sich der Kurbelzapfen (54) des kooperierenden Druckwechselzylinders (58) sich dem Totpunkt der äusseren Kreisbahn nähert, und diese Druckenergie Ea des Druckluftspeichers (57) zyklisch als Krafthub W auf die oberhalb der Druckluftspeicher (57) angeordneten Hydraulikzylinder (59) überträgt, wenn die an den Druckluftspeichern (57) angelenkten Druckwechselzylinder (58) den unteren Totpunkt des Kurbelkreises verlassen und sich der oberen Kreisbahn der Kurbelwelle (53) nähern, wobei: a) die Energiedichte Ea und der Krafthub W des Druckluftspeichers (57) von folgenden Verfahrenskomponenten bestimmt wird: a1) das Wirkprinzip einer einzigen linearen Kraftlinie vom Kurbelzapfen (54) der Kurbelwelle (53) zum jeweiligen Pleuel (33), von den Pleueln (33) zum Druckwechselzylinder (58), vom Druckwechselzylinder (58) zum Druckluftzylinder (57) und vom Druckluftzylinder (57) zu den Schubstangen (15) über die Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikkolbens (37) im Hydraulikzylinder (35) bis zu den schwenkbaren Befestigungsbolzen (17) am Gestell (2) ist in jeder Phase des Durchlaufens der Kreisbahn an der Kurbelwelle (53) dadurch sichergestellt, dass mehrere, beidseitig an diesen benannten Vorrichtungselementen (33, 58, 57, 15, 38, 37, 35, 17) angelenkten Führungsgestängen mit Führungsnuten (19) und den Führungsschienen (21) mit Führungsbolzen (20) an den Elementen (33, 58, 57, 15, 38, 37, 35, 17) angreifen und eine kippsichere und verkantfreie Führung in den Führungsschienen (21) mit Führungsnuten dieser benannten Elemente in der Kreisbewegung der Kurbelwelle (53) bewirken und somit keine Verluste an den Kraftschüben der Druckluftzylinder (57) eintreten; je gradliniger diese Schwenkbewegung erfolgt, um so geringer ist die Reibung in den benannten Vorrichtungselementen (54, 53, 33, 58, 57, 15, 38, 37, 35, 17) und somit minimieren sich die Verluste an Reibungsenergie und umso höher ist auch der Krafthub jedes Druckluftspeichers (57), a2) die Spannhöhe und damit die Hubhöhe h jedes Druckluftspeichers (57) wird durch folgende Komponenten bestimmt: a21) dem Kreisbahndurchmesser der Kurbelwelle (53); je grösser diese ist, um so höher ist die Spann- und Hubhöhe des Druckluftspeichers (57) und somit auch die Energiedichte der Druckluft (4a), da der korrespondierende Druckwechselzylinder (58) eine grössere Kreisbahn durchläuft und den Druckluftzylinder (57) über einen höheren Weg spannt, a22) die Vorspannung mit einem bestimmten Innendruck (23a) im Druckwechselzylinder (58) in der oberen Ausgangslage des Kurbelzapfens (54) sowie der Abstand des Druckwechselkolbens (24) zum Druckwechselzylinderdeckel (23 oder 26 – je nach Druckfüllung (23a) – bestimmt ganz wesentlich das Erreichen eines höheren Drucks (23a) als im Druckluftspeicher (57) und somit den Weg der Spannhöhe s und damit der Hubhöhe h im Druckluftspeicher (57); je schneller diese Druckhöhe (23a) erzielt wird, umso grösser wird die spätere Hubhöhe im Druckluftzylinder (57), a23) der Zeitpunkt des Öffnens des Rückschlagbegrenzungsventil (44) in der Druckleitung (43) ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung; je näher dieser Zeitpunkt vor dem oberen Totpunkt der Kurbelhubes erfolgt umso höher ist der Druck im Hydraulikzylinder (59) und somit die weiterzuleitende Energiedichte des Hydrauliköls (36a), wobei der Öffnungszeitpunkt des Rückschlagbegrenzungsventils (44) entweder durch die Limithöhe des Drucks in der Druckleitung (43) des Hydrauliköls (36a) oder durch das Erreichen eines definierten Punktes auf der Kreisbahn des Kurbelzapfens (54) mit dem angelenkten Druckwechselzylinder (58) bestimmt wird, a3) jeder Druckluftspeicher (57) stellt einen permanenten Energiespeicher dar, dessen Energiegehalt sich nicht verringern kann, solange die Dichtungen (8–12, 27–31) den Innendruck im Druckluftzylinder (57) absichern, wobei der Energiegehalt Ea jedes Druckluftzylinders (57) durch die Faktoren Innendruck p, Fläche A und Hubhöhe h bei jedem Hub des Druckluftzylinders abgesichert wird und alle 3 Faktoren eindeutig physikalisch und praktisch nachzuweisen sind, da diese Faktoren der Hubarbeit unveränderliche physikalische Werte darstellen, da die Fläche, die festgestellte Hubhöhe bei einem bestimmten Kurbelwellendurchmesser und der Innendruck eines Druckluftzylinders immer die gleichen Resultate liefert, sooft die Ausgangsbedingungen die gleichen sind und somit der Output aus einem Sytem gleicher Druckluftzylindergrössen immer exakt belegbar ist sowie b) die Arbeits(menge) einer Vorrichtung, die durch folgende Verfahrensweise bestimmt wird: b1) je mehr Druckluftspeicher (57) und die zugeordneten weiteren Vorrichtungselemente (58, 59) an der Kurbelwelle (53) angelenkt sind und b2) je schneller sich die Kurbelwelle (53) dreht, umso höher ist die Leistung der Anlage; wobei die Druckluftzylinder (57) als permanente Energiepeicher wirken, die ihre Arbeit W durch die Komponenten (Faktoren): – Innendruck im Druckluftzylinder (p), – Fläche der Druckluftzylinder (A), – Hubhöhe pro Druckluftzylinder (h) und – Anzahl der Hübe der Druckluftzylinder pro Sekunde (n) mit W = p·A·h·n dauerhaft nutzt, e) die Druckluftspeicher (57) als permante Energiespeicher ihre Hubarbeit mittels Schubstangen (15) an oberhalb angeordnete Hydraulikzylinder (59) weiterleiten, die eine kleinere Flächen aufweisen und demzufolge mit höheren Drücken betrieben werden, f) jeder Hydraulikzylinder (59) aus einem Hydraulikölbehälter (46) gefüllt wird, der das im Hydraulikmotor (50) verarbeitete Druckfluid (36a) sammelt und mit Hydrauliköl (36a) über eine Zulaufleitung (41) und einem Zulaufrückschlagventil (42) in dem Zeitraum mit Hydrauliköl (36a) versorgt, wenn die Hydraulikkolbenstange (38) des Hydraulikkolbens (37) im Hydraulikzylinder (35) durch die Schubstangen (15) des Druckluftzylinders (3) oder der Druckkolbenstange (6) nach unten gezogen wird, wobei der Hydraulikölbehälter (46) einen Überdruck aufweist, der ein schnelles Zufliessen des Hydrauliköls (36a) in den Hydraulikzylinder (59) bewirkt, g) jeder Hydraulikzylinder (59) versorgt über eine Druckleitung (43) und einen Verteiler (45) eine Vorrichtung der Energieumwandlungsanlage, zum Beispiel einen Hydraulikmotor (50), mit Druckenergie Ea aus dem Hydrauliköl (36a) – bestehend aus den Komponenten Volumenstrom V und dem Druck p mit der Leistung P = p·V des Hydrauliköls (36a), wobei der Volumenstrom V das Drehmoment M und der Druck p die Drehzahl n des Hydraulikmotors (50) bestimmen – in dem Zeitraum, wenn die Schubstangen (15) die Hydraulikkolbenstange (38) den Hydraulikkolben (37) im Hydraulikzylinder (35) durch den Druckluftzylinder (57) (im Falle der oberen Druckluftspeicherung (4a)) oder im Falle der unteren Druckluftspeiche-rung (4a) im Druckluftzylinder (57) die Druckkolbenstange (6) des Druckluftkol-bens (5) nach oben gedrückt wird und das Rückschlagbegrenzungsventil (44) am Hydraulikzylinder (59) bei einem bestimmten Druck die Druckleitung (43) freigibt, h) der Hydraulikmotor (50) wird entweder mit einem Generator (52) zur elektrischen Energieumwandlung gekoppelt oder ist zur weiteren Nutzung der mechanischen Energie über ein Getriebe (51) zum Antrieb einer anderen Vorrichtung (61) ausgelegt, i) die Nutzung der Energie am Modul (60, 61) kann entweder: – als mechanische Energie in Form der kinetischen Energie (Rotationsenergie) am Hydraulikmotor (50) oder dem nachgelagerten Getriebe (51) mit der Leistung P in kW, der Drehmoment M in Nm und der Drehzahl n in min^–1 – als elektrische Energie am Generator (52) mit der Leistung in kVA – als Druckenergie an der Druckleitung (43) mit den Parametern Druck p und Volumenstrom V – oder als Kombination aller drei benannten Energieformen (mechanische Energie, elektrische Energie, Druckenergie) als Outputenergie des Moduls (60, 61) genutzt werden. j) der Antrieb der Kurbelwelle (53), an der die Pleuel (33) mit den Druckwechsel zylindern (58) angelenkt sind, erfolgt durch eine eigenständige (Fremd)Energiequelle (62) mit einem Getriebe-/Antriebsmotor (65) oder eine vorgeschaltete, kleinere Energieumwandlungsanlage (60) der beschriebenen Vorrichtung dient mit ihrer Outputenergie durch den Hydraulikmotor (50) und einem Getriebe (51) als Antriebsenergie (Input) der (nächst)grösseren Energieumwandlungsanlage (61), k) der Antrieb der Kurbelwelle (53) über den Antriebs-/Getriebemotor (65) kann über mehrere Fremdenergiequellen (62) erfolgen, die den Antrieb (65) der Kurbelwelle (53) mit der nötigen Inputenergie absichern, unter anderem ist bei beweglichen oder stationären Energieverbrauchern (60, 61) der Antrieb (65) mit Wind, Wasser, Photovoltaik, Schwungmasse, Druckluft, Brennstoffzelle, Biomasse und anderen Energieträgern einzeln oder in Verbindung mehrerer Energieträger vorzusehen, wobei bei mobilen Energieverbrauchern (60, 61) auch die mit dieser Mobilität verbundene und damit auf den Verbraucher (60, 61) einwirkende Energie (Fahrtwind oder Bewegungsenergie der Fahrzeuge) als Fremdenergiequelle (62) zum Antrieb über einen Rotor (65) genutzt wird, l) die Höhe der Antriebsenergie (Input) einer Energieumwandlungsanlage wird umso niedriger, je mehr Druckluftspeicher (57) und somit Druckwechselzylinder (58) an der Kurbelwelle (53) angreifen, denn umso kleiner wird die Höhendifferenz des jeweils zum Totpunkt wechselnden Druckwechselzylinders (58), da aber andererseits sich damit die Reibungsverluste an der Kurbelwelle (53) in den Lagerschalen (56), an den Pleueln (33) und den Kolben- und Kolbenstangendichtungen (9, 10, 12, 28, 29, 31) erhöhen, ist eine optimierte Anzahl der Druckluftspeicher (58) auszuwählen, m) die Kopplung mehrerer Stufen von Energieumwandlungsanlagen als Kopplung leistungssteigernder Module (60, 61) mit einer sinnvollen Staffelungen der Grössen (Flächen) der Druckluftzylinder (57) als permanente Energiespeicher bewirken eine stets höherenergetische Umwandlung der Energie, denn jede vorgeschaltete Stufe (60) einer Vorrichtung bewirkt mit ihrer Outputenergie die notwendige Inputenergie zum Antrieb der nachgeschalteten Vorrichtung (61) mit einer wesentlich höheren Outputenergie, n) die Absicherung des permanten Innendrucks (4a) in den Druckluftzylindern (57), der nicht unter einem bestimmten Wert absinken darf, wird über einen Kompressor (63) und eine Luftleitung (14) mit Überwachungsmanometer und einem Füllstutzen mit Rückschlagbegrenzungsventil an jedem Druckluftzylinder (57) bewirkt, indem der Kompressor (63) im Falle des Druckabfalls die Versorgung dieses betroffenen Druckluftzylinders (57) mit der notwendigen Druckluft (4a) übernimmt.