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DE102009014802B4 - energy converters - Google Patents

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Dipl.-Phys. Samson Dominik
Dipl.-Ing. Kluge Martin
Prof. Dr. Becker Thomas
Josef Schalk
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Airbus Defence and Space GmbH
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EADS Deutschland GmbH
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Abstract

Energiewandler zur Energieversorgung mindestens eines in einem Sitz mit einer Sitzfläche angebrachten Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine mit der Sitzfläche (13a, 13b) wirkverbundene translatorisch oder rotatorisch bewegte Bewegungsübertragungseinrichtung (12a, 12b, 16a, 16b, 18, 24, 40) zur Aufnahme von beim Niederlassen einer Person in den Sitz frei werdender mechanischer Energie sowie einen damit gekoppelten Generator (28a, 28b) umfasst.Energy converter for supplying power to at least one in a seat with a seat mounted sensor, characterized in that this with the seat surface (13a, 13b) operatively connected translationally or rotationally moving motion transmission means (12a, 12b, 16a, 16b, 18, 24, 40) for Receiving of mechanical energy released when a person is seated in the seat and a generator (28a, 28b) coupled thereto.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zur Energieversorgung mindestens eines in einem Sitz in einer Sitzfläche angebrachten Sensors.The invention relates to an energy converter for supplying energy to at least one sensor mounted in a seat in a seat.

Zunehmend werden Sitze von Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen mit Sensoren bestückt, die vor allem Zustände des Sitzes oder dessen Zubehörs erfassen sollen, wie beispielsweise, ob ein Sitz belegt ist oder ob ein Anschnallgurt geschlossen ist. Die Energieversorgung derartiger Sensoren ist insbesondere dann ein Problem, wenn die Sitze autark oder autonom ausgebildet, also unabhängig von externen Energiequellen, sein sollen. Bisher ist dafür die Ausstattung des Sitzes mit einer Batterie erforderlich, was einen erhöhten Wartungs-, Prüfungs- und Austauschaufwand mit sich bringt, da Batterien nur eine begrenzte Lebensdauer haben. Ein anderes Problem bei autonomen Sitzsensoren mit eigener Energieversorgung auf der Basis thermoelektrischen Generatoren ist eine unzureichende Anfangsspannungsversorgung. Bei der Verwendung von thermoelektrischen Generatoren (TEG), die unter Verwendung des Seebeck-Effektes arbeiten, ist der Aufbau eines Temperaturunterschiedes zwischen zwei aktiven Flächen erforderlich, was durch eine Erwärmung auf Grund der Körpertemperatur des Benutzers erfolgt aber sich erst nach einer gewissen Zeit einstellt. Daher ist zunächst keine Energie verfügbar, was dann auch wiederum die Bereitstellung einer Überbrückungsbatterie erfordern kann.Increasingly, seats of aircraft or motor vehicles are equipped with sensors intended primarily to detect conditions of the seat or its accessories, such as whether a seat is occupied or whether a seat belt is closed. The energy supply of such sensors is particularly a problem when the seats are designed to be self-sufficient or autonomous, ie independent of external energy sources. So far, this is the equipment of the seat with a battery required, which brings an increased maintenance, testing and replacement costs, since batteries have a limited life. Another problem with self-powered autonomous seat sensors based on thermoelectric generators is insufficient initial power supply. When using thermoelectric generators (TEG), which work using the Seebeck effect, the construction of a temperature difference between two active surfaces is required, which is due to heating due to the body temperature of the user but only after a certain time. Therefore, initially no energy is available, which then in turn may require the provision of a lock-up battery.

Aus der DE 60 2006 000 901 T2 ist ein demontierbarer Fahrzeugsitz mit einem Sensor bekannt, der ohne elektrische Anschlüsse betrieben und induktiv ausgelesen wird.From the DE 60 2006 000 901 T2 is a demountable vehicle seat with a sensor known that operates without electrical connections and is read out inductively.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die o. g. Nachteile zu vermeiden und eine Energieversorgung eines Sitzes, insbesondere eines autarken Sitzes bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.Object of the present invention is the o. G. To avoid disadvantages and to provide a power supply of a seat, in particular a self-sufficient seat. According to the invention, this object is achieved by the features specified in claim 1.

Die Erfindung ermöglicht eine fast sofortige Energieversorgung in dem Moment, in dem ein Benutzer sich auf dem Sitz niederläßt und zwar durch die Umwandlung von potentieller Energie in elektrische Energie auf mechanisch-elektrischem Weg. Dadurch wird angesichts des normalerweise geringen Energiebedarfs entsprechender Sensoren allein durch die Ausnutzung der Energie bei einem einzigen „Sich-auf-dem-Sitz-Niederlassen” ausreichend sein für eine Energieversorgung über mehrere Stunden, auf jeden Fall während eines Überbrükkungszeitraumes, bis sekundäre Energiequellen (wie thermoelektrische Generatoren) arbeiten.The invention enables an almost instantaneous power supply the moment a user settles on the seat by converting potential energy into electrical energy by mechanical-electrical means. Thus, given the normally low power requirements of corresponding sensors, solely by utilizing the energy in a single sit-on, it will be sufficient to power for several hours, at any rate during a transitional period, to secondary energy sources (such as thermoelectric generators) work.

Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass sich jeder Gast (insbesondere ein Fluggast in einem Flugzeugsitz) vor dem Losfliegen in seinen Sitz setzen muss, wobei durch das Nachgeben der Sitzpolsterung unter seinem Gewicht potentielle Energie frei wird, die durch den erfindungsgemäßen Energiewandler aufgefangen und in elektrische Energie umgewandelt wird. Wenn sich beispielsweise eine 50 kg schwere Person in einen Sitz setzt und dieser dabei 20 mm nachgibt, so ergibt sich ein maximal möglicher Energiegewinn von 9,81 Joule. Diese Energie reicht theoretisch aus, um Sensoren mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 1 mW über mehr als 160 Minuten mit Strom zu versorgen, so dass selbst bei einem angenommenen Wirkungsgrad von nur 25% eine Sensorbetriebszeit von ca. 40 Minuten erreicht werden kann. Dieser Zeitraum reicht auf jeden Fall aus, um die Zeitspanne bis zum Anlaufen eines thermoelektrischen Generators zu überbrücken. Falls sich der Benutzer aus dem Sitz erhebt und erneut niedersetzt, so wird selbstverständlich erneut die o. g. Energie verfügbar.This exploits the fact that each guest (in particular a passenger in an aircraft seat) must sit in his seat before flying off, whereby the yielding of the seat cushion under his weight potential energy is released, collected by the energy converter according to the invention and into electrical Energy is converted. If, for example, a person weighing 50 kg sits down in a seat and this gives way 20 mm, this results in a maximum possible energy gain of 9.81 joules. This energy is theoretically sufficient to power sensors with an average power consumption of 1 mW for more than 160 minutes, so that even with an assumed efficiency of only 25%, a sensor operating time of about 40 minutes can be achieved. In any case, this period is sufficient to bridge the period until the startup of a thermoelectric generator. Of course, if the user rises from the seat and sits down again, the o. G. Energy available.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Energiespeicherung ein Kondensator bereitgestellt wird, der eine effiziente Speicherung elektrischer Energie ermöglicht.An advantageous development of the invention provides that a capacitor is provided for energy storage, which allows efficient storage of electrical energy.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Energiewandler eine Energieverwaltungseinrichtung umfasst, welche abhängig von Eingangsparametern wie der im konkreten Fall zur Verfügung stehenden mechanischen Energie (also abhängig vom Gewicht der Person oder der Art des Hinsetzens) eine geeignete Energieumwandlung, beispielsweise ein Herauf- oder Heruntertransformieren der Spannung unter Vermeidung von Verlusten ermöglicht. Dies ist insbesondere in Verbindung mit der Verwendung eines Kondensators als Speicher von Vorteil, damit dieser optimal geladen und nicht überladen wird.A further embodiment of the invention provides that the energy converter comprises a power management device which, depending on input parameters such as the mechanical energy available in the specific case (ie, depending on the weight of the person or the type of sitting down), a suitable energy conversion, for example an upward or transforming down the voltage while avoiding losses. This is particularly advantageous in connection with the use of a capacitor as a memory, so that it is optimally charged and not overloaded.

Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Energiewandler eine Schwungscheibe umfasst, die von der Bewegungsübertragungseinrichtung in Rotation versetzt wird, wobei die Schwungscheibe mit dem Generator verbunden ist. Je nach Größe des Schwungrades bzw. der Art des Generators kann es von Vorteil sein, zwischen Schwungscheibe und Generator ein Reduziergetriebe vorzusehen.A preferred embodiment of the invention provides that the energy converter comprises a flywheel, which is set in rotation by the movement transmission device, wherein the flywheel is connected to the generator. Depending on the size of the flywheel or the type of generator, it may be advantageous to provide a reduction gear between flywheel and generator.

Eine alternative Ausbildung des Energiewandlers sieht vor, dass die Bewegungsübertragungseinrichtung eine Spannfeder betätigt, wobei deren Entspannungsvorgang zur Umwandlung der frei werdenden Spannenergie in elektrische Energie ausgenutzt wird. Dazu ist die Spannfeder vorzugsweise mit einem Umwandlungsgetriebe zur Umwandlung der translatorischen in eine rotatorische Bewegung verbunden, die wiederum über ein Reduktionsgetriebe in der Art eines Uhrwerkgetriebes den Generator ansteuert. Auf diese Weise lässt sich über einen längeren Zeitraum ein entsprechend dimensionierter Generator über längere Zeit antreiben.An alternative embodiment of the energy converter provides that the movement transmission device actuates a tension spring, wherein its relaxation process is utilized for the conversion of the released tension energy into electrical energy. For this purpose, the tension spring is preferably with a conversion gear for converting the translational into a rotational Movement connected, which in turn drives the generator via a reduction gear in the manner of a clockwork gearbox. In this way, a correspondingly sized generator can be driven for a long time over a longer period of time.

Vorzugsweise ist die Energieübertragungseinrichtung als Schubstange mit einer Rückholfeder ausgebildet, die mit der Sitzpolsterung kinematisch derart gekoppelt ist, dass beim Besetzen des Sitzes durch einen Benutzer die Schubstange um eine bestimmte Strecke, insbesondere im Bereich von 5 bis 40 mm, translatorisch bewegt wird. Alternativ zu einer Schubstange ist es natürlich auch möglich, eine rotatorisch arbeitende Bewegungsübertragungseinrichtung vorzusehen. Es ist auch möglich, die Schubstange nicht mit dem Sitzpolster sondern mit dem Rückenlehnenpolster zu koppeln oder sowohl am Sitz- als auch am Rückenlehnenpolster erfindungsgemäße Energiewandler vorzusehen, um sowohl durch das Niederlassen im Sitz als auch durch das viel häufiger auftretende Be- und Entlasten der Rückenlehne zur Energiegewinnung auszunutzen. Der Energiewandler könnte zusätzlich oder alternativ auch in eine Rückenlehnen-Verstelleinrichtung integriert sein und beispielsweise beim Zurück- oder wieder Vorstellen der Rükkenlehne frei werdende Energie umsetzen.Preferably, the energy transmission device is designed as a push rod with a return spring, which is kinematically coupled to the seat padding such that when a seat is occupied by the user, the push rod is moved translationally by a certain distance, in particular in the range of 5 to 40 mm. As an alternative to a push rod, it is of course also possible to provide a rotationally transmitting motion transmission device. It is also possible to couple the push rod not with the seat cushion but with the backrest cushion or provide both the seat and the backrest cushion energy converter according to the invention, both by the settling in the seat and by the much more frequent loading and unloading of the backrest to exploit energy. The energy converter could additionally or alternatively also be integrated into a backrest adjustment device and, for example, implement released energy when the backrest is readjusted or presented again.

Die Schubstange ist vorzugsweise mit einer Freilaufeinrichtung versehen, insbesondere wenn hinter der Schubstange eine Schwungscheibe angeordnet ist, damit eine in Rotation versetzte Schwungscheibe sich anschließend frei drehen kann. Damit wird die Drehbewegung der Schwungscheibe von der Schubstange entkoppelt. Der Freilauf nimmt beim Einrücken der Schubstange die Bewegung auf, das Zurückfahren der Schubstange wird jedoch nicht auf die Schwungscheibe übertragen.The push rod is preferably provided with a freewheel device, in particular if behind the push rod, a flywheel is arranged so that a rotated flywheel can then rotate freely. Thus, the rotational movement of the flywheel is decoupled from the push rod. The freewheel takes on the engagement of the push rod on the movement, the retraction of the push rod is not transmitted to the flywheel.

Vorzugsweise weist die Schubstange eine weitere Trennvorrichtung auf, welche die Schubstange ab einer vorgegebenen Stellung abtriebseitig ausser Eingriff bringt. Denn trotz seiner Leichtgängigkeit ist ein Freilauf stets eine Quelle von Energieverlust, da seine interne Ratsche springen muss. Ist die Schubstange soweit eingedrückt, dass sie die Trennvorrichtung erreicht, so wird sie aus dem Eingriff mit dem Freilauf gedrückt und der Freilauf rotiert ohne Energieverlust durch die Ratsche auf dem Schwungrad.Preferably, the push rod has a further separating device, which brings the push rod from a predetermined position on the output side out of engagement. Because despite its ease, a freewheel is always a source of energy loss, since his internal ratchet must jump. If the push rod pushed so far that it reaches the separator, so it is pressed out of engagement with the freewheel and the freewheel rotates without loss of energy through the ratchet on the flywheel.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to two preferred embodiments. Showing:

1: Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit Schwungscheibe; 1 : A schematic representation of a first embodiment of the invention with flywheel;

2: eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Spannfeder. 2 a second preferred embodiment of the invention with tension spring.

In 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Energiewandlers 10a dargestellt. Dieser umfasst eine Schubstange 12a, deren oberes Ende auf nicht näher dargestellte Art und Weise mit dem Polster 13a eines Sitzes 14a kinematisch in Verbindung steht, dass beim Niedersetzen einer Person die Schubstange 12a in der mit Pfeil gekennzeichneten Richtung verschoben wird. Die Schubstange 12a umfasst eine Verzahnung 16a, die mit einem Freilauf-Zahnrad 18 im Eingriff steht. Das Freilauf-Zahnrad 18 ist über eine Blattfeder 20 mit einer Ratsche 22 gekoppelt, die mit einer Schwungscheibe 24 derart verbunden ist, dass bei der Vorbewegung der Schubstange 12a die Schwungscheibe 24 in Rotation versetzt wird, während das Innehalten bzw. zurückbewegen der Schubstange 12a auf Grund des Freilaufes 20 keinen Einfluss auf die Rotationsbewegung der Schwungscheibe 24 mehr hat. Für die Rückbewegung der Schubstange 12a, also insbesondere wenn die Person vom Sitz aufgestanden ist, ist eine Rückholfeder 26a vorgesehen.In 1 is a first preferred embodiment of an energy converter 10a shown. This includes a push rod 12a whose upper end in a manner not shown with the pad 13a a seat 14a Kinematically related is that when lowering a person's push rod 12a is moved in the direction indicated by arrow. The push rod 12a includes a toothing 16a that with a freewheel gear 18 is engaged. The freewheel gear 18 is over a leaf spring 20 with a ratchet 22 coupled with a flywheel 24 is connected such that during the advancement of the push rod 12a the flywheel 24 is set in rotation while pausing or moving back the push rod 12a due to the freewheel 20 no influence on the rotational movement of the flywheel 24 has more. For the return movement of the push rod 12a , So in particular when the person has gotten up from the seat, is a return spring 26a intended.

Abtriebsseitig ist die Schwungscheibe 24 mit einem Getriebe 26 verbunden zur Anpassung an die geeignete Drehzahl eines Generators 28a. Die im Generator 28a erzeugte elektrische Energie wird über eine Energieverwaltungseinrichtung 30 einem Kondensator 32 zugeführt und steht von dort als Energiequelle für Sensoren oder andere Zwecke zur Verfügung.On the output side is the flywheel 24 with a gear 26 connected to adapt to the appropriate speed of a generator 28a , The in the generator 28a generated electrical energy is via a power management device 30 a capacitor 32 supplied from there and is available as an energy source for sensors or other purposes.

Durch das Bezugszeichen 30a ist schematisch eine Trennvorrichtung angedeutet, die bei Erreichen einer bestimmten Position der Schubstange 12a dazu dient, die Verzahnung 16a ausser Eingriff mit dem Freilauf-Zahnrad 18 zu bringen und somit eine mechanische Entkopplung der Schubstange 12a von der Schwungscheibe 24 zur Reibungsverminderung zu bewirken. Die Trennvorrichtung 30a ist schematisch als Dreieck angedeutet, welche die Schubstange 12a seitlich vom Freilauf-Zahnrad 18 wegdrückt. Diese kann jedoch alternativ über geeignete Kulissen eine Rückführung der Schubstange 12a ausser Eingriff der Verzahnungen 16a und 18 in die Ausgangsstellung ermöglichen und erst in der Ausgangsstellung die Verzahnungen 16a und 18 wieder in Eingriff bringen.By the reference numeral 30a schematically a separator is indicated, which upon reaching a certain position of the push rod 12a this serves the gearing 16a out of engagement with the freewheel gear 18 to bring and thus a mechanical decoupling of the push rod 12a from the flywheel 24 to reduce friction. The separator 30a is schematically indicated as a triangle which the push rod 12a laterally from the freewheel gear 18 pushes. However, this can alternatively via suitable scenes a return of the push rod 12a out of engagement with the teeth 16a and 18 allow in the starting position and only in the initial position, the teeth 16a and 18 engage again.

2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der gleiche oder entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist die Schubstange 12b mit einer Spannfeder 40 derart gekoppelt, dass die Vorbewegung der Schubstange 12b zur Spannung der Spannfeder 40 führt. Die Spannfeder 40 ist über eine entsprechende Halterung 42 mit einer Verzahnung 16b an der Schubstange 12b und mit einer Zahnstange 44 gekoppelt, die mit einem Zahnrad 46 im Eingriff steht, welches ein Uhrwerkgetriebe 48 betreibt. Das Uhrwerkgetriebe 48 ist wiederum mit einem Generator 28b verbunden. Auch bei dieser Ausführung ist eine Trennvorrichtung 30b vorgesehen, welche die Verzahnung 16b ausser Eingriff mit der Führung 42 bringt und eine Rückbewegung der Spannfeder 40 unabhängig von der Stellung der Schubstange 12b ermöglicht. Die von der Schubstange 12b mechanisch entkoppelte Spannfeder 40 wird anschließend ähnlich wie eine Uhrwerksfeder einer mechanischen Uhr auf Grund des sehr hohen Untersetzungsverhältnises des Uhrwerksgetriebes 48 sehr langsam entspannt, wobei die frei werdende Spannenergie der Spannfeder 40 im Generator 28b in elektrische Energie umgewandelt wird. 2 shows a second preferred embodiment of the invention, in which the same or corresponding components are provided with corresponding reference numerals. In this embodiment, the push rod 12b with a tension spring 40 so coupled that the advancing movement of the push rod 12b for tensioning the tension spring 40 leads. The tension spring 40 is via a corresponding bracket 42 with a toothing 16b at the push rod 12b and with a rack 44 coupled with a gear 46 engaged, which is a clockwork gearbox 48 operates. The clockwork gearbox 48 is in turn with a generator 28b connected. Also in this embodiment is a separator 30b provided, which the gearing 16b out of engagement with the leadership 42 brings and a return movement of the tension spring 40 regardless of the position of the push rod 12b allows. The from the push rod 12b mechanically decoupled tension spring 40 then becomes similar to a mechanical spring of a mechanical watch due to the very high reduction ratio of the clockwork gearbox 48 relaxed very slowly, with the released clamping energy of the tension spring 40 in the generator 28b is converted into electrical energy.

Claims (10)

Energiewandler zur Energieversorgung mindestens eines in einem Sitz mit einer Sitzfläche angebrachten Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine mit der Sitzfläche (13a, 13b) wirkverbundene translatorisch oder rotatorisch bewegte Bewegungsübertragungseinrichtung (12a, 12b, 16a, 16b, 18, 24, 40) zur Aufnahme von beim Niederlassen einer Person in den Sitz frei werdender mechanischer Energie sowie einen damit gekoppelten Generator (28a, 28b) umfasst.Energy converter for supplying energy to at least one sensor mounted in a seat with a seat surface, characterized in that this one with the seat ( 13a . 13b ) operatively connected translationally or rotationally moving motion transmission device ( 12a . 12b . 16a . 16b . 18 . 24 . 40 ) for receiving mechanical energy released upon seating a person in the seat, and a generator coupled thereto ( 28a . 28b ). Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (28a, 28b) mit einem Kondensator (32) gekoppelt ist.Energy converter according to claim 1, characterized in that the generator ( 28a . 28b ) with a capacitor ( 32 ) is coupled. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Energieverwaltungseinrichtung (30) umfasst.Energy converter according to claim 1, characterized in that it has a power management device ( 30 ). Energiewandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Schwungscheibe (24) umfasst, die den Generator (28a) antreibt.Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that this a flywheel ( 24 ) comprising the generator ( 28a ) drives. Energiewandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schwungscheibe (24) und Generator (28a) ein Reduktionsgetriebe (26) geschaltet ist.Energy converter according to claim 4, characterized in that between flywheel ( 24 ) and generator ( 28a ) a reduction gear ( 26 ) is switched. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine von der Bewegungsübertragungseinrichtung (12b) betätigte Spannfeder (40) umfasst.Energy converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that this one of the motion transmission means ( 12b ) actuated tension spring ( 40 ). Energiewandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Reduziergetriebe (48) umfasst, das zwischen Spannfeder (40) und Generator (28b) angeordnet ist.Energy converter according to claim 6, characterized in that this a reduction gear ( 48 ), which between tension spring ( 40 ) and generator ( 28b ) is arranged. Energiewandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungseinrichtung als Schubstange (12a, 12b) mit Rückholfeder (26a, 26b) ausgebildet ist.Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the energy transmission device as push rod ( 12a . 12b ) with return spring ( 26a . 26b ) is trained. Energiewandler nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubstange (12a) über eine Freilaufeinrichtung (20, 22) mit der Schwungscheibe (24) gekoppelt ist.Energy converter according to claim 8 in conjunction with claim 4, characterized in that the push rod ( 12a ) via a freewheel device ( 20 . 22 ) with the flywheel ( 24 ) is coupled. Energiewandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubstange (12a, 12b) eine Trennvorrichtung (30a, 30b) umfasst, welche die Schubstange (12a, 12b) ab einer vorgegebenen Stellung abtriebsseitig ausser Eingriff bringt.Energy converter according to claim 8, characterized in that the push rod ( 12a . 12b ) a separating device ( 30a . 30b ), which the push rod ( 12a . 12b ) disengages on the output side from a predetermined position.
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