DE2308911A1 - Energieumwandlungsvorrichtung - Google Patents

Description

DR.-IN6. VON KREISLER DR.-ING. SCHDNWALD DR.-IN6. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH DIPL-ING. SELTING

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

21. Februar 1973 Sch-DB/est

GVANG MOTOR COMPANY PTY. LIMITED

690 Pittwater Road, Brookvale, 2100 New South Wales,

Australien

Energieumwandlungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere einen Motor, der durch die Expansion eines ihm zugeführten Fluids angetrieben wird. Die Erfindung soll jedoch nicht auf einen Motor beschränkt sein und kann sich beispielsweise auch auf eine Pumpe beziehen, weshalb die Gattungsbezeichnung "Energieumwandlungsvorrichtung" gewählt wurde.

Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung mit einer Kammer, einem in dieser Kammer exzentrisch angeordneten und innerhalb ihrer Umfangswand orbitalbeweglichen Kolben sowie in die Kammer mündenden vorzugsweise in Richtung der Orbitalbewegung des Kolbens voneinander getrennten Einlaß- und Auslaßkanälen dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Umfangswandteil der Kammer und

l'j einem Umfangsteil des Kolbens ein Trennorgan vorgesehen ist, das sich vorzugsweise zwischen Einlaß- und Auslaßkanal befindet und dessen effektive Länge sich in Ab-

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hängigkeit von der Orbitalstellung des Kolbens ändert, und daß während eines jeden Orbitalzyklus des Kolbens wenigstens zwei voneinander getrennte bzw. im wesentlichen voneinander getrennte Zonen veränderlichen Volumens vorhanden sind, die durch die Peripherie des Kolbens, die Umfangswand der Kammer und das Trennorgan definiert sind.

Kammer und Kolben sind zweckmäßig beide zylindrisch gestaltet, wobei die Kammer einen zylindrischen Innenhohlraum darstellt, während der Kolben von einer zylindrischen Scheibe gebildet ist, die sich auf einer Orbitalbahn zwischen Endwänden oder -flächen der Kammer bewegt. Es sind jedoch auch andere Konstruktionsformen möglich. Beispielsweise können und/oder Kolben elliptisch gestaltet sein, wobei die Orbitalbahn des Kolbens entsprechend angepaßt werden müßte, und es könnten Kammer und Kolben kegelstumpfförmig geformt sein.

Der Kolben ist zweckmäßig in der Kammer so untergebracht, daß er während der Orbitalbewegung nicht um seine eigene Achse rotiert bzw. eher eine oszillatorische Bewegung um seine Achse ausführt. Die Nichtrotation des Kolbens ist jedoch kein wesentliches Merkmal der Erfindung; einzig maßgebend ist in diesem Zusammenhang, daß das Trennorgan sich zwischen Kammerwand und Peripherie des Kolbens erstreckt, um diese beiden Teile dauernd zu überbrücken.

Wenn der Kolben von einem nicht rotierbaren Element erstellt wird, ist das Trennorgan zweckmäßig mit ihm einstückig gestaltet und als Zunge ausgebildet, die von der Kolbenperipherie radial nach außen gerichtet ist. Das Trennorgan ragt in diesem Falle in einen Umfangewandten

kann

der Kammer hinein und in diesem schwenkbar, d.h. oszillierend, sowie geradlinig bewegbar gelagert sein.

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Alternativ kann das Trennorgan eine in einem Schlitz des Kolbens steckende Rippe sein, die von einer Feder gegen einen festen Umfangswandteil der Kammer gedrüokt gehalten wird. Bei einem rotierenden Kolben kann das Trennorgan ein in einem Schlitz der Kammerwand untergebrachter Schieberteil sein, der von einer Feder gegen die Umfangsfläche des Kolbens gedrückt gehalten wird.

Das Trennorgan muß also eine "tatsächliche" Länge aufweisen, die wenigstens gleich dem während der Orbitalbewegung des Kolbens sich ergebenden Maximalabstand zwischen der Umfangswand der Kammer und der Kolbenperipherie ist, wobei sich jedoch die Teillänge des Trennorgans, die sich zwischen Kammerwand und Kolben erstreckt, mit der Orbitalbewegung des Kolbens ändert.

Diese veränderliche Teillänge des Trennorgans wird nachfolgend als "effektive" Länge bezeichnet.

Der Kolben kann in der Kammer so angeordnet sein, daß seine Umfangsflache während der Orbitalbewegung des Kolbens punktweise aufeinanderfolgende Partien der Umfangswand der Kammer berührt, wobei jedoch zur Vermeidung von Verschleiß- und Reibungsverlusten der Kolben vorzugsweise mit einem geringen Spiel zwischen Wand und Kolbenumfang arbeitet. Das Arbeitsspiel ergibt sich aus der Funktion der Vorrichtung und aus der Viskosität des ihr zugeführten Fluids, jedoch kann als allgemeine Richtlinie angegeben werden, daß es kleiner als 0,03 nun sein sollte.

Durch das Spiel zwischen Kammerwand und Kolben trennt der Kolben das von Kammerwand und Kolben definierte Volumen während der Orbitalbewegung des Kolbens nicht in zwei vollständig voneinander getrennte Zonen und daher wird nachfolgend von "im wesentlichen getrennten Zonen" gesprochen.

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Die Energieumwandlurigsvorrichtung wurde primär als Motor entwickelt, wobei der Kolben über ein exzentrisches Lager an eine Drehmomentabtriebswelle angeschlossen und durch die Expansion in die Kammer eingeführten Fluids angetrieben wird. Die Expansion des Fluids kann durch Innenverbrennung hervorgerufen werden, wobei ein Luft/Brennstoffgemisch der Kammer zugeführt und in dieser gezündet wird. Außerdem ist es möglich, die Expansion durch ein Druckfluid, z.B. Dampf, zu erzielen.

Die Vorrichtung kann auch als wellenloser Motor eingesetzt werden, und zwar z.B. als Vibrationsmotor oder -einheit oder alternativ als Pumpe. Im·letztgenannten Falle würde der Kolben an eine Antriebswelle zur Auf-Ip nähme der Rotationsenergie angeschlossen sein.

Wird die Vorrichtung als Motor eingesetzt, so umfaßt sie vorzugsweise wenigstens zwei mit ihren Rückseiten einander zugekehrte Kammern, von denen jede einen gesonderten Kolben einschließt und jeder Kolben auf einer gemeinsamen Welle montiert ist. Zur Vermeidung oder Verringerung von Vibrations-(zentrifugal)kräften und zur Vermeidung von Schwierigkeiten, die sich durch ein Anlassen des Motors in oberer Totpunktstellung ergeben könnten, sind die Kolben vorteilhaft innerhalb der Orbitalbahn zueinander versetzt angeordnet. Je größer die Anzahl von Tandemeinheiten ist, umso größer ist die Drehmoment1eistungsfähigkeit der Gesamteinrichtung.

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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines zusammengebauten Motors,

Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht des auseinandergezogen dargestellten Motors nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt des Motors nach Fig. 1 längs der Linie 3-3,

Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht des Innenraumes einer Motorkammer,

Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht eines aus der Kammer herausgenommenen Kolbens mit Lagerteilen,

Fig. 6 eine Endansicht'des Motors in Richtung der Schnittebene 6 - 6 in Fig. 1 zur Veranschaulichung der oberen Totpunktlage des Kolbens in der Kammer,

Fig. 7 und 8 Ansichten ähnlich Fig. 6 zur Veranschaulichung aufeinanderfolgender unterschiedlicher Drehwinkelstellungen des Kolbens in der Kammer, und

Fig. 9 ein Schema des in ein Drehmomentabgabesystem einbezogenen Motors.

Der Motor gemäß Fig. 1 bis 8 weist zwei Rücken an Rücken montierte Motoren auf, obwohl auch eine Anordnung mit einer Motoreinheit möglich ist.

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Die Gesamtanordnung umfaßt zwei einander ähnliche Gehäuse 10 und 11, vorzugsweise aus Aluminiumlegierungsguß mit angeformten Rippen 12, Flanschen 13 und einer Lagerausnehmung 14. Die beiden Gehäuse 10 und 11 sind an ihren Flanschteilen unter Zwischenlage einer ringförmigen Trennscheibe 15 verschraubt. Die freien Enden der Lagerausnehmungen 14 sind jeweils durch eine aufgeschraubte Endkappe 16 verschlossen.

Jedes Gehäuse 10, 11 weist eine erste zylindrische Kammer 17 auf, die von einer Umfangswand 18 und einer endseitigen Wand 19 gebildet ist und besitzt eine zweite taschenartige Nebenkammer 20, die mit der ersten Kammer in Verbindung steht.

In die Kammer 17 münden durch die Umfangswand 18 getrennte ventillose Einlaß- und Auslaßkanäle 21, 22, die auf der einen bzw. der anderen Seite der Nebenkammer 20 angeordnet sind und über Zu- und Rückführleitungen mit einer Quelle heißen Druckfluids verbindbar sind.

Eine Kurbelwelle 25 mit zwei Kurbelzapfen 26 erstreckt sich längs durch die beiden Gehäuse 10, 11 und durch die Trennscheibe I5. Die beiden Kurbelzapfen 26 gehen nach entgegengesetzten Seiten (in Längsrichtung) von einem scheibenförmigen Kurbelarm 27 aus und sind zuein-

ander um l80° versetzt (Fig. 2 und 3).

Der Kurbelarm 27 ist in einer Zentralöffnung 28 der Trennscheibe I5 frei konzentrisch drehbar gelagert.

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An die entgegengesetzten Enden der Kurbelzapfen 26 sind Ansätze 29 angeformt, die in exzentrische Lager 30 von Rotationsübertragungsteilen 31, 32 hineinragen.

Die Rotationsübertragungsteile 31» 32 sind in Rollenlagern 33 der jeweiligen Lagerausnehmungen 14 drehbar gelagert und einer der Teile, z.B. der Teil 32, ist einstückig mit einer Abtriebswelle 3^ ausgebildet.

Bei der beschriebenen Konstruktion wird die Orbitalbewegung der Kurbelzapfen 26 um die Achse der Gehäuse 10, Il und der Trennscheibe 15 über die Rotationsübertragungsteile 31» 32 in eine konzentrische Rotation der Abtriebswelle 3^ Umgesetzt. Daher ist es zweckmäßig, wenn das exzentrische Lager 30 in den Teilen 31* 32 einen sauberen Paßsitz zu den Zapfenansätzen 29 inne-hat.

An jedem Kurbelzapfen 26 sind drehbar Kolben 35 gelagert, die im wesentlichen zylindrisch gestaltet und so bemessen sind, daß sie zwischen die jeweiligen Flächen der Trennscheibe 15 und der Endwände 19 der Kammern 17 passen und sich auf einer Orbitalbahn bewegen können. Der Durchmesser der Kolben 35 ist so berechnet, daß während der Orbitalbewegung der Kolben ein geringes Arbeitsspiel in der Größenordnung von 0,005 nun bis 0,03 mm zwischen der Kolbenperipherie und der Umfangswand 18 der Kammern 17 vorhanden ist.

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Die Kolben 35 sind auf einem gemeinsamen Wälzkreisdurchmesser mit einer Reihe von längsverlaufenden Öffnungen 36 versehen (Fig. 5)> in die eine Schraubendruckfeder 37 eingelagert ist. An den beiden Endflächen der Kolben befinden sich Nuten 38 zur Aufnahme von Kohledichtringen 39· Abweichend von der zeichnerischen Darstellung können die Dichtungen mit Stützringen hinterlegt sein.

An jeden Kolben ist ein radial gerichtetes Trennorgan bzw. ein Schieber 40 einstückig angeformt, das bzw. der in die Nebenkammer 20 des jeweiligen Gehäuses 10, 11 hineinragt, wie aus Fig. 6,7 und 8 ersichtlich ist. Jeder Schieber wird in der Nebenkammer 20 durch zwei halbzylindrische Kohlelamellen 41 gehalten, die in entsprechenden Gehäuseausbuchtungen 42 untergebracht sind. Der Schieber 40 ist mit Durchbrechungen und Nuten versehen, um, ähnlich wie die Kolben, nicht gezeichnete Druckfedern und Kohledichtungen aufzunehmen.

Während des Betriebes begegnen die Schieber 40 einer Rotation der Kolben 35 um ihre Kurbelzapfen 26, jedoch können sie während aufeinanderfolgender Orbitalzyklen eine Oszillationsbewegung um ihre Kurbelzapfen frei durchführen. Während jedes Orbitalzyklus des Kolbens vollführen die Schieber 40 eine aus oszillatorischer und geradliniger Bewegung zusammengesetzte Bewegung.

Fig. 6 und 8 zeigen die Bewegung der Kolben 35 in den Kammern I7 während eines Arbeitszyklus des Motors. Ein Druckfluid, z.B. Dampf, gelangt durch den Einlaßkanal 21 in die Kammer und expandiert, damit der Kolben einen vollständigen Orbitalumlauf ausführt, wobei der

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Kolben 35» der Schieber 40 und die Wände der Kammer 17 gemeinsam eine Expansionszone definieren, deren Volumen während eines vollständigen Orbitalzyklus des Kolbens von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert variiert. Kurz vor Beginn eines neuen Zyklus, d.h. wenn der Kolben gerade den Auslaßkanal 22 passiert, steht die Expansionszone mit dem Auslaßkanal 22 in Verbindung und das expandierte Gas wird aus der Kammer ausgestoßen.

Während eines jeden Orbitalzyklus des Kolbens werden zwei Zonen zunehmenden bzw. abnehmenden Volumens überstrichen. Eine Zone stellt einen Expansionsbereich dar, während die andere einen Ausstoßtafelch bildet (Fig. 7)· Wenn der Kolben seine obere Totpunktlage eingenommen hat, d.h. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zyklen steht, ist nur eine einzige Zone vorhanden und der Einlaßkanal steht für einen Augenblick mit dem Auslaßkanal in Verbindung.

Würde ein vollständiger Arbeitszyklus der Vorrichtung damit enden, daß der Kolben seine obere Totpunktlage einnimmt, so könnte das Wiederanlassen eines Motors mit nur einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sich ohne zusätzliche Ventile als schwierig erweisen, weshalb die Anordnung zweiseitig mit zwei zueinander versetzt angeordneten Kolben getroffen wird.

Der beschriebene Motor ist insbesondere als Kraftquelle für ein Kraftfahrzeug geeignet. Eine solche Kraftquelle für ein Kraftfahrzeug geht schematisch aus Fig. 9 hervor. Sie umfaßt:
a) eine Dampfanlage mit einem Wasserbehälter 50, einer Pumpe 51» einem Dampferzeuger 52 und einem Kondensator 53;

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b) Steuerventile 54, 55j

c) einen Motor 56 wie zuvor beschrieben und

d) ein mit dem Motor gekoppeltes Übertragungssystem 57-

Zunächst sei der Wasser/Dampfkreislauf erläutert. Aus dem Behälter 50 wird von der Pumpe 51 Wasser in den Dampferzeuger 52 gepumpt, in dem es bei z.B. 400 pds. inch" und 800 F in überhitzten Dampf umgewandelt wird. Der Dampf gelangt vom Dampferzeuger über ein zur Be- Stimmung der dem Motor zuzuführenden Dampfmenge von Hand regulierbares Drosselventil 54 und ein Dampfein- laßsteuerventil 55 zu den Einlaßkanälen, die jeweils in die Motorkammern 17 münden.

Obwohl der Dampf normalerweise den Einlaßkanälen der Kammern zugeführt wird, kann das Ventil 55 bzw. alter nativ ein weiteres Ventil von Hand regulierbar sein, um den Dampf in die Rücklaufkanäle zu leiten und eine Umkehr des Antriebes an der Motorwelle hervorzurufen.

Der von dem Motor ausgestoßene Dampf wird zum Kondensa- tor 53 zurückgeführt, wobei er in Wasser zurückverwandelt und dem Behälter 50 wieder zugeführt wird. Es handelt. sich also um einen geschlossenen Kreislauf.

Das Dampfeinlaßsteuerventl1 55 wird so gesteuert oder eingeregelt, daß es die Dampfzufuhr zum Motor über einen vorbestimmten oder ausgewählten Abschnitt jedes Motor- zyklus zuläßt.

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Es können in den Kreislauf verschiedene Spareinrichtungen eingeschaltet werden. Beispielsweise kann die dem Dampf im Kondensator entzogene Wärme zum Vorwärmen des vom Behälter in den Dampferzeuger strömenden Wassers verwendet werden. Der Dampferzeuger wird mit einem Luft/Brennstoffgemisch betrieben und das Auspuffgas des Dampferzeugers wird an die Atmosphäre abgegeben.

Die Rotationsleistung der Motorwelle wird über einen Riemen- oder Kettentrieb 58 unmittelbar an ein Differential 57 mit begrenztem Schlupf weitergeleitet, das den Antrieb über Halbwellen 59 auf Antriebsräder überträgt.

Ein Getriebe ist bei der Kraftübertragung nicht erforderlich. Die Drehmomentleistung des Motors, und zwar das mittlere Drehmoment, ist proportional dem auf die Kolben wirkenden Dampfdruck und ist für alle Geschwindigkeitsbereiche etwa konstant, wenn man annimmt, daß der Dampf mit konstantem Druck und konstanter Temperatur zugeführt wird.

Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsform können beispielsweise darin bestehen, daß der Kolben stationär gehalten und das Gehäuse um den Kolben drehbar ist. Hierbei würde die Bewegung zu oder von dem Gehäuse übertragen werden, das in gewisser Hinsicht eine Antriebswelle darstellt.

Wenn es bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung erforderlich ist, daß Einlaß- und Auslaßkanäle 21, 22 in Richtung der Orbitalbewegung des Kolbens 35 getrennt sind, und daß die Schieberzunge 40 sich zwischen

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diesen Kanälen befindet, kann der Motor mit nebeneinanderliegenden Einlaß- und Auslaßkanälen konstruiert sein. Durch Ventile in den Einlaß- und Auslaßkanälen sowie durch einen weiteren Kanal in der Schieberzunge 40, wobei letztere nicht abgedeckt ist, wenn der Kolben 35 seine untere Totpunktstellung eingenommen hat, kann das Auspuffgas aus der Motorkammer ausgestoßen werden. Es ist daher für den Grundgedanken der Erfindung unwesentlich, daß Einlaß- und Auslaßkanäle in Richtung der Kolbenbewegung getrennt sind, oder daß die Schieberzunge sich zwischen diesen Kanälen befindet.

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Claims (13)

1. Ansprüche

   (^ 1 .J Energieumwandlungs Vorrichtung mit einer Kammer, einem in dieser Kammer exzentrisch angeordneten und orbitalbeweglichen Kolben sowie in die Kammer mündenden Einlaß- und Auslaßkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ümfangswandteil (18) der Kammer (17) und einem Umfangsteil des Kolbens (35) ein Trennorgan (40) vorgesehen ist, dessen effektive Länge sich in Abhängigkeit von der Orbitalstellung des Kolbens (35) ändert, und daß während eines jeden Orbitalzyklus des Kolbens wenigstens zwei voneinander getrennte bzw. im wesentlichen voneinander getrennte Zonen veränderlichen Volumens vorhanden sind, die durch die Peripherie des Kolbens, die Umfangswand (18) der Kammer (17) und das Trennorgan (40) definiert sind.
2. 2.Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzelohnet, daß die Einlaß- und Auslaßkanäle (21, 22) in Richtung der Orbitalbewegung des Kolbens (35) getrennt sind, und daß das Trennorgan (40) sich zwischen Einlaß- und Auslaßkanal befindet.
3. 3. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens zwei mit ihren Rückseiten einander zugekehrte Kammern (17)» die mittels einer gemeinsamen Abschlußwand (15) getrennt sind.
4. 4. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche

   1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (35) in der bzw. Jeder Kammer (17) eine der Kammer angepaßte Querschnittsform aufweist.

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5. 5. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kolben (35) und Kammern (17) zylindrisch gestaltet sind, und daß die bzw. jede Kammer einen zylindrischen Innenhohlraum aufweist und der oder jeder Kolben (35) aus einer zylindrischen Scheibe (27) gebildet ist, die sich auf der Orbitalbahn zwischen den Abschlußwänden (19, 15) der bzw. jeder Kammer (17) bewegt.
6. 6. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß während der Orbitalbewegung des bzw. jedes Kolbens (35) dieser eine oszillierende Bewegung um seine eigene Achse vollführt.
7. 7. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Trennorgan (40) mit seinem zugeordneten Kolben (35) einstückig ausgebildet und als von der Peripherie des Kolbens radial nach außen gerichtete Zunge gestaltet ist, die in eine taschenartige Nebenkammer (20) innerhalb der Umfangswand (ß) der Kammer hineinragt und in dieser schwenkbar und geradlinig bewegbar gelagert ist.
8. 8. EnergieumwandlungsVorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (35) auf einer Kurbelwelle (26) montiert ist, die in gegenüberliegenden Abschlußwänden (19) der Kammer (17) gelagert ist.
9. 9. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 3 bzw. nach Ansprüche 4 bis 8 in Abhängigkeit von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben (35) zueinander in Richtung ihrer Orbitalbewegung phasenverschoben angeordnet sind. _309839/03₈₈
10. 10. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 9*
    dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben (35) auf einer gemeinsamen Kurbelwelle (26) angeordnet sind.
11. 11. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (26) in Bewegungsübertragungsteilen(31, 32) gelagert ist, die ihrerseits in den jeweiligen Abschlußwänden (19) der Kammer (17) so gelagert sind, daß sie konzentrisch zur Achse der Kammerumfangswand (18) rotieren.
12. 12. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Motor gestaltet und eine rotierende Antriebswelle (3^) mit dem bzw. den Kolben (35) verbunden ist, und daß die Kolbenbewegung auf der Orbitalbahn durch Expansion eines der Kammer durch den Einlaßkanal (21) zugeführten Fluids hervorgerufen wird.
13. 13. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3¹O
    mit den Bewegungsübertragungsteilen (32) einstückig gestaltet ist.

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