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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US
Regierung im Rahmen eines mit der National Imagery and Mapping Agency
geschlossenen Vertrags Nr. NMA202-97-9-1050 erarbeitet. Die US Regierung
hat gewisse Rechte an der Erfindung.
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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Brechen von Hohlkugeln und insbesondere eine
Vorrichtung, in welcher die Hohlkugeln gespeichert werden und aus
der eine in den Hohlkugeln befindliche Substanz beim Brechen der
Kugeln freigesetzt wird.
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Stand der Technik
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Nach dem Stand der Technik ist bekannt,
oxidierbare Gase zur Verwendung als Brennstoff in Massengut-Druckbehältern bzw.
Massengut-Drucktanks zu speichern. Zu diesen Gasen gehört Wasserstoff.
Auch ist Wassertoff in losen Glasmikrohohlperlen (Mikrohohlkugeln)
als Brennstoffversorgungssysem für
KFZ-Verbrennungsmotoren speicherbar, wobei der Wasserstoff beim
Erhitzen der Mikrohohlperlen durch Diffusion freigesetzt wird, so
dass ein Nachfüllen
der Mikrohohlperlen möglich
ist (US-Patent Nr. 4 328 768, 4 211 537 und 4 302 217). Glasmikrohohlperlen
können
mit Wasserstoff unter einem Druck von über 41,4 Mpa (6000 psig) gefüllt und über lange
Zeiträume
gespeichert werden P. C. Souers, R. T. Tsugawa und R. R. Stone „Fabrication
of the Glass Microballoon Laser Target", Bericht Nr. UCRL-51-609,
Lawrence Livermore Laboratory, 12. Juli 1974; und Michael Monsler
und Charles Hendricks „Glas
Microshell Parameters for Safe Economical Storage and Transport
of Gaseous Hydrogen", vorgetragen am 1. April 1996 auf der TOPTEC-Konferenz „Fuel Cells
for Transportation" in Alexandria, VA.
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Die veröffentlichte PCT-Anmeldung WO 9821772
beschreibt die Speicherung solcher Mikrohohlperlen in einem Behälter. Die
Mikrohohlperlen werden zum Freisetzen des Wasserstoffs, der über eine
Auslassöffnung
aus dem Behälter
ausgestoßen wird,
gebrochen. Der Behälter
weist einen flachen rotierenden Flügel auf, welcher die Mikrohohlperlen
gegen ein als Brecheinrichtung dienendes Sieb drückt. Die Maschenweite des Siebs
ist kleiner als mindestens 95% der Größe der Mikrohohlperlen. Der
Flügel ist
gegen das Sieb abgewinkelt, um die Mikrohohlperlen zu erfassen und
zum Brechen gegen das Sieb zu drücken.
Die Reste der Mikrohohlperlen fallen in einen mit dem mittleren
Gehäuseabschnitt
des Behälters
verschraubten abnehmbaren Teil des Behälters und werden dort gesammelt.
Das beim Brechen der Mikrohohlperlen freigesetzte Gas tritt durch
eines Auslassöffnung
aus und wird beim Durchgang durch ein Filtergehäuse gefiltert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum kontrollierten Brechen von Hohlkugeln. Die
Vorrichtung weist eine Einhausung und ein erstes Sieb innerhalb
bzw. an einem Ende der Einhausung auf. Das Sieb ist mit Öffnungen
versehen, deren Maschenweite geringer ist als die kleinsten der
Hohlkugeln. Ein Siebträger
zur Aufnahme des ersten Siebs ist mit Frei- oder Leerräumen versehen,
durch welche die Reste der gebrochenen Kugeln hindurchgelangen können. Ein
Flügelrad
ist in der Einhausung in Kontakt mit dem ersten Sieb angeordnet
dergestalt, dass durch seine Bewegung über das erste Sieb die auf
diesem befindlichen Hohlkugeln gebrochen werden.
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Das Flügelrad weist vorzugsweise mindestens
einen Flügel
auf, dessen Vorderkante so geformt ist, dass die Hohlkugeln zwischen
der Vorderkante und dem ersten Sieb eingeschlossen und zermahlen bzw.
gebrochen werden. Es kommen die verschie densten geeigneten Formen
infrage, so beispielsweise eine Schrägkante, welche die Hohlkugeln
in Kontakt mit dem ersten Sieb presst. Weitere geeignete Vorderkantenausführungen
sind gekrümmte
Formen (beispielsweise eine Vorderkante mit einem runden oder zusammengesetzten
Profil) sowie einen spitzen Winkel mit dem ersten Sieb bildende
Kantenverlängerungen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
im größeren Maßstab gehaltene Teilquerschnittsansicht
des eingekreisten Bereichs in 2;
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4 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Mahleinrichtung;
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5 eine
perspektivische Querschnittsansicht der Mahleinrichtung;
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6 eine
schematische Ansicht des Winkels zwischen einem erfindungsgemäßen Laufradflügel und
einem Brechsieb;
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7 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
perspektivische Querschnittsansicht der Ausführungsform gemäß 7; und
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9 ein
Schema eines erfindungsgemäßen transportablen
Energieerzeugers.
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Detaillierte Beschreibung
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Eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brennstoffpaketvorrichtung
ist allgemein mit der Bezugsziffer 10 in 1 dargestellt. In
dieser Brennstoffpaketvorrichtung 10 lässt sich ein oxidierbares Gas
wie Wasserstoff sicher speichern und auf Anforderung freisetzen.
Ist der Wasserstoffvorrat aufgebraucht, so kann die Brennstoffpaketvorrichtung 10 ihrer
Wie derverwendung zugeführt
werden, da sie aus recyclingfähigem
Material herstellbar ist.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffpaketvorrichtung 10 ist
vorzugsweise für
das Speichern von in Glasmikrohohlkugeln 20 enthaltenem
Wasserstoff vorgesehen, wobei sich die Hohlkugeln in einem Gehäuse 13 befinden,
das an einer Endkappe 18 befestigt eine Einhausung 12 bildet,
wie dies die 2 zeigt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Begriffe Mikrohohlkugel
und Mikrohohlperle austauschbar zu benutzen. Die Glasmikrohohlkugeln
haben vorzugsweise eine Größe von 20
bis 85 μm.
Vorzugsweise sind die Glasmikrohohlkugeln mit Wasserstoff unter
hohem Druck wie 24 Mpa (3500 psi) gefüllt. Zwar wird in dieser Anmeldung
auf Gas Bezug genommen, doch sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch zur Aufnahme und Abgabe einer Flüssigkeit eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß geeignete
Mikrohohlkugeln sind aus Natronkalkborosilikatglas hergestellt,
das von der Minnesota Mining and Manufacturing, St. Paul, Minnesota,
beziehbar ist. Vorzugsweise weisen die Mikrohohlkugeln eine sphärische bzw.
sphäroidale
Form auf, um maximale Innendrücke
aushalten zu können.
Andere Formen, die den gleichen Innendrücken standzuhalten vermögen, fallen
mit in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Ein wichtiges
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Merkmal ist, dass die Mikrohohlkugel
durch die hier beschriebene Vorrichtung 10 gebrochen werden
kann. Darüberhinaus
muss das Material eine vernachlässigbar
geringe Durchlässigkeit
bei betrieblichen oder zweckmäßigen Temperaturen,
damit das Gas bzw. die Flüssigkeit
in der Mikrohohlkugel gehalten wird, und eine hohe Gas- oder Flüssigkeitsdurchlässigkeit
bei der Fülltemperatur
aufweisen.
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Der größte Teil des Gehäuses 13 enthält Mikrohohlkugeln 20.
Das Gehäuse 13 ist
vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass es:
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- 1. einen relativ niedrigen Innendruck von wenigstens etwa
6 KPa, vorzugsweise 28 Kpa (4 psi), halten kann, wenn es mit der
Endkappe 18 verschlossen ist;
- 2. eine so ausreichende Steifigkeit aufweist, dass die Bewegung
der Mahleinrichtung 14 nicht beeinträchtigt oder der Fluss der Mikrohohlkugeln 20 in
Richtung auf das Brechsieb 40 nicht behindert wird und
- 3. eine geringe Wasserstoffdurchlässigkeit hat, so dass wesentliche
Wasserstoffverluste über
die Gehäusewand
hinweg beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterbunden
werden. Der Großteil
des die Speichervorrichtung 10 verlassenden Wasserstoffs
sollte über
die Ausgangsöffnung 99 (wie
in 3 gezeigt) austreten.
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Wahlweise bietet das Gehäuse 13 auch Schutz
gegen den Eintritt von Strahlungsenergie, die den Inhalt der Mikrohohlperlen 20 (beispielsweise durch
durch Rückstrahlung)
erhitzen könnte.
Das Gehäuse
sollte vorzugsweise nach dem Entleeren einfach zerkleinert werden
können.
Die Kraft für
das Zerkleinern des geleerten Gehäuses wäre relativ niedrig, beispielsweise
im Bereich über
0 bis 30 Pounds Kraft (>0–134 Newton).
Geeignete Materialien zur Herstellung des Gehäuses sind Aluminium und Kunststoffe
wie aluminiumbeschichtetes Polyethylenterephthalat.
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Das Gehäuse 13 und die Endkappe 18 sind über einen
Sicherungsring 24 miteinander verbunden. Die Endkappe 18 weist
ein Außengewinde 26 auf,
das wie aus 1 ersichtlich
mit dem Innengewinde 28 des Sicherungsrings 24 verschraubbar
ist, wodurch die Einhausung 12 gebildet und das Innere derselben
gegen die Umgebung abgedichtet wird. Das Gehäuse 13 weist einen
nach außen
erweiterten ringförmigen
Endabschnitt 30 auf, der einer hiermit zusammenwirkenden
abgeshrägte
Paßfläche 32 auf der
Endkappe 18 entspricht und mittels des Sicherungsrings 24,
der mit Reibungsschluss am Gehäuse 13 angreift,
gegen diese Paßfläche 32 gehalten
wird. Ein O-Ring 34 ist zwischen dem Sicherungsring 24 und
der Endkappe 18 angeordnet und bildet wie aus 3 ersichtlich einen luftdichten
Abschluss.
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Die Mahleinrichtung 14 ist
in der Einhausung 12 angeordnet und weist wie am besten
aus 4 ersichtlich einen Siebträger 36,
ein Stützsieb 38,
ein Kugelbrechsieb 40, ein Flügelrad 42 und einen
Flügelradantrieb 44 auf.
Gemäß 1 ist die Mahleinrichtung 14 mittig
um eine Antriebswelle 46 herum angeordnet, die durch die
Mahleinrichtung geführt und
kraftschlüssig
mit dem Flügelradantrieb 44 zum Antreiben
des Flügelradantriebs 44 verbunden
ist, der seinerseits das Flügelrad 42 antreibt,
wie dies die 4 zeigt.
Getrieben wird die Antriebswelle 46 von einer äußeren Kraftquelle
(nicht dargestellt), die in eine am Ende 47 der Antriebswelle 46 befestigte Kupplung 48 eingreift.
Wenngleich dies aus der Ansicht gemäß 2 und 3 nicht
ersichtlich ist, handelt es sich bei der die Antriebswelle 46 aufnehmenden Öffnung in
der Kupplung 48 um ein Sackloch, über das kein Gasaustritt möglich ist.
Die Kupplung 48 ist durch die Endkappe 18 geführt und
durch eine Beilagscheibe 43 sowie einen Sicherungsring 45 lagemäßig fixiert,
wie dies aus 3 ersichtlich ist.
Ein O-Ring 49 dient
als Dichtung für
Gas und Kugelfragmente. Die Antriebswelle 46 erstreckt
sich über
die volle Länge
des Gehäuses 13.
Die Mahleinrichtung 14 gleitet entlang der Antriebswelle 46 und gegen
eine Innenfläche
des Gehäuses 13 generell
in Richtung des Pfeils 54.
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Die Mahleinrichtung 14 bildet
ein Trennelement zwischen den Mikrohohlkugeln 20 und dem Aufnahmebereich 56,
in dem die gebrochenen Mikrohohlkugeln gesammelt werden können. Der
Aufnahmebereich 56 befindet sich auf der dem Bereich zur Speicherung
intakter Mikrohohlkugeln 20 gegenüberliegenden Seite. Der Aufnahmebereich 56 vergrößert sich
mit der Fortbewegung der Mahleinrichtung entlang der Antriebswelle 46 zur
Aufnahme der zunehmenden Anzahl von Kugelfragmenten, die bem Brechen
der Mikrohohlkugeln 20 anfallen. Der Abschnitt, in dem
die Mikrohohlkugeln gespeichert werden, verringert sich mit zunehmender
Anzahl gebrochener Hohlkugeln.
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Eine gespannte konische Schraubendruckfeder 16 spannt
die Mahleinrichtung gegen die Mikrohohlkugeln 20 vor und
erzeugt eine Vorspannkraft, welche die Mahleinrichtung 14 wie
vorbeschrie ben generell in Richtung des Pfeils 54 die Antriebswelle 46 entlang
bewegt. Die Feder 16 ist zwischen der Mahleinrichtung 14 und
der Innenfläche
der Endkappe 18 angeordnet. Andere Federausführungen
und andere fachgerechte Einrichtungen, welche die zum Bewegen der
Mahleinrichtung 14 in Richtung auf die gespeicherten Mikrohohlkugeln 20 erforderliche
Kraft zu erzeugen vermögen,
sind ebenfalls in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
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Das Kugelbrechsieb 40 weist
eine so ausreichend kleine Maschenweite auf, dass die Sieblöcher nicht
größer sind
als die kleinste Mikrohohlkugel. Vorzugsweise ist bei einer Mikrokugelgröße von 25
bis 85 μm
eine Siebmaschenweite von 20–25 μm bevorzugt,
wobei die Maschenweite 25 μm
am meisten bevorzugt ist. Der hierin benutzte Begriff „Maschenweite"
bedeutet die Nenngröße der Löcher oder Öffnungen
im Sieb, die groß genug
sein sollten, dass eine Mikrohohlkugel von vorgegebener Größe hindurchgelangen
kann. So ermöglicht
beispielsweise die Maschenweite 25 μm den Durchtritt einer Mikrohohlkugel
von 25 μm.
Der Begriff „Masche"
ist die in der Technik bekannte Bezeichnung für Sieböffnungen.
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Die Maschenweite des Stützsiebs 38 ist
größer als
die des Brechsiebs 40 und groß genug, um den beim Brechen
entstehenden Kugelabfall durch das Stützsieb durchzulassen. Auch
muss die Maschenweite des Stützsiebs 38 klein
genug sein, um die nötige
Steifheit herzustellen, damit bei der Bewegung des Flügelrads über das
Brechsieb 40 zum Brechen der Mikrohohlkugeln ein Durchbiegen
des ersten Siebs verhindert wird. Der Begriff „Durchbiegen" bedeutet die
Verformung des Brechsiebs 40, die durch unzureichende Abstützung des
Siebs 40 verursacht wird, wenn die Mikrohohlkugeln 20 vom
Flügelrad
gegen das Sieb 40 gepresst und nicht gebrochen werden.
Ein durchgedrücktes
Brechsieb erkennt man sichtmäßig an Bereichen,
in denen das Sieb intakte Mikrohohlkugeln aufweist.
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Der Siebträger 36 weist eine
solche Größe und Festigkeit
auf, dass das erste Sieb 40 und das Sieb 38 in
der Weise abge stützt
werden, dass die Bewegung des Flügelrads über das
erste Sieb 40 zum Brechen der Mikrohohlkuglen 20 führt. Beim
Einsatz eines solchen Trägers
ist es die Kombination aus dem Träger 36 und den Sieben 40 (und 38 usw.
soweit eingesetzt), welche ein wesentliches Durchbiegen des ersten
Siebs 40 verhindert. Der Siebträger 36 ist vorzugsweise
mit konzentrischen Rippenelementen 58, die konzentrisch
zur Öffnung 60 angeordnet
sind, und radial verlaufenden Rippenelementen 59, die von
der Öffnung 60 ausgehend
radial verlaufen und eine Stützfläche 64 für sowohl
das Stützsieb 38 als
auch das Brechsieb 40 bilden, versehen. Zwischen den Rippenelementen 58 und 59 befinden
sich Frei- bzw. Leerräume 62,
die den Durchlass des Abfalls der gebrochenen Mikrohohlkugeln in
den Aufnahmebereich 56 ermöglichen. Andere Gestaltungsmuster
für die
Oberfläche
des Siebträgers 36 als
in 4 und 5 dargestellt (beispielsweise
ein Wabenmuster) sind ebenfalls einsetzbar. Vorzugsweise bietet
der Siebträger
soviel Freiraum, dass die Materialfragmente hindurchpassen und ein
Zusetzen des Brechsiebs 40 verhindert wird, und ist der
Träger gleichzeitig
konstruktiv so stark ausgebildet, dass er das Brechsieb 40 und
alle eventuell zum Einsatz gelangenden Stützsiebe 38 abzustützen vermag.
In der bevorzugten Ausführungsform
sind Freiräume
von mindestens 50% der Hauptträgerfläche vorhanden.
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Die Mahleinrichtung 14 wird
von der durch die Öffnung 68 im
Flügelrad 42,
die Öffnung 70 im Brechsieb 40,
die Öffnung 72 im
Stützsieb 38 und
die Öffnung 60 im
Siebträger 36 verlaufenden
Welle 66 des Flügelradantriebs 44 mittels
der gespannten Schraubendruckfeder 74, der Beilagscheibe 76 eines in
einen umlaufenden Schlitz 80 am distalen Ende der Antriebswelle 66 eingreifenden
E-förmigen
Sicherungsrings 78 als Einheit zusammengehalten. Die Feder 74 erzeugt
eine Kraft, die das Flügelrad gegen
das Brechsieb 40 vorspannt. Der Sicherungsring 50 bewirkt
die lagemäßige Fixierung
des Brechsiebs 40 und des Stützsiebs 38 und verhindert
ein Drehen der Siebe. Das Brechsieb 40 wird durch die Wirkung
der Schraubenfeder 16 in Kontakt mit den gespeicherten
Mikrohohlkugeln 20 gehalten.
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Das Flügelrad 42 weist mehrere
wie aus 5 ersichtlich
von der Flügelmitte
radial nach außen
verlaufende Flügel 82 auf.
Die Flügel
sind gerade dargestellt, können
jedoch in den verschiedensten Formen nach vorn oder hinten ausladend
ausgeführt sein.
Vier Flügel 82 sind
im Einzelnen dargestellt, doch sind beliebig viele Flügel oder
selbst ein einzelner Flügel
einsetzbar. Jeder Flügel 82 weist
einen im Wesentlichen ebenen am Sieb angreifenden Abschnitt 84 und
einen abgeschrägten
Abschnitt 86 auf, die in einer von der Mitte des Flügelrads
aus über
die Länge
beider Abschnitte 84 und 86 radial verlaufenden
Kante 88 zusammenlaufen. Die Kante 88 ist mit dem
Brechsieb 40 in Kontakt oder kommt nahe genug an dieses
heran, um während
der Drehung des Flügelrads
die in den Sieböffnungen
sitzenden Mikrohohlkugeln zu brechen. Die Unterseite 90 das
abgeschrägten
Abschnitts 86 bildet einen spitzen Winkel α mit
dem Brechsieb 40, wie dies am besten in 6 zu sehen ist. Der spitze Winkel liegt
vorzugsweise im Bereich von ca. 1° bis
70°. In
der bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der Winkel ca. 45°.
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Die Welle 46 steht in Eingriff
mit dem Flügelradantrieb 44.
Der Flügelradantrieb 44 weist
mehrere radial verlaufende Adern 92 auf, die an im Wesentlichen
ebenen entsprechenden Abschnitten 84 der Flügel angreifen
und dadurch die Flügel 82 in
Kontakt mit dem Brechsieb 40 halten. Die Unterseiten 90 der Flügel 82 kontaktieren
die auf dem Brechsieb 40 liegenden Mikrohohlkugeln.
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Es wird angenommen, dass das Brechsieb 40 die
Mikrohohlkugeln 20 durch eine Art Einlochwirkung fixieren,
welche die Hohlkugeln festhält,
wenn die Oberfläche 90 an
diesen angreift. Das Einlochen der Mikrohohlkugeln erfolgt durch
das Verhältnis
zwischen der Maschenweite des Brechsiebs 40 und der Größe der Mikrohohlkugeln 20.
Die Sieböffnungen sind
groß genug,
um die meisten der intakten Mikrohohlkugeln zurückzu halten, ohne dass sie durch
das Sieb gelangen können.
Gebrochen werden die Mikrohohlkugeln 20 aufgrund einer
Kombination aus hohem Druck im Innern der Kugeln, der Sprödheit des
zur Herstellung der Mikrohohlkugeln verwendeten Materials und dem „Einlochen"
der Mikrohohlkuglen auf dem Brechsieb 40. Da die Hohlkugeln
durch das Brechsieb 40 gehalten bzw. eingelocht werden, werden
sie bei der Drehbewegung der Flügel
in der generellen Richtung des Pfeils 94 durch die Masse der
Mikrohohlkugeln und über
die Sieboberläche
gebrochen, indem sie nach unten in die Sieböffnungen gedrückt und
mit mechanischer Spannung (beispielsweise Scher- bzw. Druckspannung)
beaufschlagt werden. Die Bruchfragmente der Mikrohohlkugeln fallen
sodann durch das Brechsieb 40, das Stützsieb 38 und den
Siebträger 36 oder
werden durch diese Komponenten nach unten gedrückt, wie dies durch die Pfeile 96 im
Aufnahmebereich 56 dargestellt ist.
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Beim Brechen der Mikrohohlkugeln
wird innerhalb der Einhausung 12 Wasserstoff freigesetzt. In
einer betrieblichen Ausführungsform
steht die Einhausung unter einem Druck von nur 4 psi (28 KPa), wodurch
sich ein sicherer Speicherbehälter
für hochoxidierbares
Gas ergibt. Das Freisetzen von Wasserstoff erfolgt ausschließlich auf
Anforderung und es kann der Wasserstoff nur über die Gas-Teilchenfilter-Einrichtung 98 und
die Auslassöffnung 99 aus
der Einhausung ausgetragen werden, wie dies die 3 zeigt. Die Einrichtung 98 weist
eine Filterkappe 100 auf, die im Presssitz in die Öffnung 102 der
Endkappe 18 eingepasst ist. Die Filterkappe 100 enthält Aktivkohle
zwischen zwei Lagen Teilchenauffangmaterial (nicht dargestellt),
wobei diese Anordnung als Gas- und Teilchenfilter dient. Das Gas
wird gefiltert, um sämtliche
Glasbruchfragmente in der Einhausung 12 zu halten und unerwünchte Gase
aus dem Medienstrom abzuscheiden, und es wird das Wasserstoffgas durch
Leitungen (nicht dargestellt) einer nachfolgenden Verwendung zugeführt.
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Eine alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brennstoffpakets
ist die in 7 und 8 dargestellte Vorrichtung 110. Ähnlich wie
die Ausführungsform
gemäß 1 bis 6 weist die Vorrichtung 110 eine
Einhausung 112 zum Speichern von Mikrohohlkugeln 20 auf,
wie dies die 8 zeigt. Weiter
enthält
die Vorrichtung 110 eine Mahleinrichtung 114 zum
Brechen der Mikrohohlkugeln 20. Die Vorrichtung 110 weicht
dadurch von der Ausführungsform
gemäß 1 bis 6 ab, dass sich die Mahleinrichtung nicht
axial entlang einer Antriebswelle bewegt. Stattdessen werden die
Mikrohohlkugeln der Mahleinrichtung 114 durch Schwerkraft
zugeführt
oder mittels einer Drückeinrichtung
(im Rahmen fachmännischen
Könnens),
welche eine Masse in einem Zylinder zu einem Zylinderende hin drückt oder
treibt, zwangsweise in Richtung auf das Sieb befördert. Eine solche Drückeinrichtung
kann beispielsweise ein mittels einer Druckfeder bzw. eines Druckmediums
angetriebener Kolben oder ein Ratschenmechanismus sein. Durch eine
solche Drückeinrichtung
braucht man sich bei der Zufuhr der Mikrohohlkugeln zur Mahleinrichtung
nicht auf die Wirkung der Schwerkraft zu verlassen.
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Die Einhausung 112 besteht
aus einem Gehäuse 113 und
einer Endkappenanordnung 118. Das Gehäuse 113 enthält Mikrohohlkugeln 20.
Das Gehäuse 113 kann
entsprechend der mit Bezug auf 1 bis 6 gegebenen Definition vorzugsweise zerkleinert
werden. Zur Herstellung der Einhausung 112 wird die Endkappe 118 in
das proximale offene Ende 117 des Gehäuses 113 eingesteckt.
Gehäuse 113 und
Endkappe 118 werden durch vier konzentrisch angeordnete
vorstehende Lappen 116 der Endkappe 118 befestigt,
die in entsprechende Schlitze 120 in der Innenfläche des
Gehäuses 113 eingreifen, wie
dies am besten aus 8 ersichtlich
ist. Ein O-Ring 122 in einem umlaufenden Schlitz 124 in
der Endkappenanordnung bildet eine Gasdichtung.
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Die Mahleinrichtung 114 ist
feststehend entlang einer Längsachse
der Einhausung 112 im oberen Ende 126 der Endkappenanordnung
angeordnet. Die Mahleinrichtung 114 bildet ein Trennelement
zwischen den gespeicherten Mikrohohlkugeln 20 im Gehäuse 113 und
einem Aufnahmebereich 138 zur Aufnahme von Bruchstücken der
Mikrohohlkugeln. Da die Mahleinrichtung 114 feststehend
in der Einhausung 112 angeordnet ist, wird der Raum zum
Speichern von Mikrohohlkugeln 20 und der Bereich 138 zur
Aufnahme von Resten gebrochener Mikrohohlkugeln beim Brechen der
Hohlkugeln weder verkleinert noch vergrößert.
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Wie aus 7 ersichtlich, weist die Mahleinrichtung 114 ein
Flügelrad 139,
ein Brechsieb 140, ein erstes Stützsieb 142, ein zweites
Stützsieb 139 und
einen Siebträger 146 auf,
wobei diese Komponenten durch einen Flügelradantrieb 18 mit
Befestigung an einer durch zentrale Öffnungen im Flügelrad, in
den Sieben 140, 142, 144 und im Siebträger 146 verlaufenden
Antriebswelle 150 zusammengehalten werden. Ein oder mehrere
kleine Stifte (nicht dargestellt) an der Unterseite des Flügelradantriebs 148 greifen
in die dargestellten Löcher
im Flügelrad 139 ein.
Die axiale Ablösung
des Flügelradantriebs 148 von
der Antriebswelle 50 wird durch eine Schraube (nicht dargestellt)
verhindert, die nach unten in die zentrale Öffnung in der Antriebswelle 150 eingeschraubt
wird. Hierdurch werden die Flügel
gegen das Sieb 140 gehalten. Ein Siebsicherungsring 154 ist
in die Endkappe 118 eingepresst, um ein Drehen des Brechsiebs
bei der Drehbewegung des Flügelrads 139 zu
verhindern. Der Flügelradantrieb
weist einen Keil (nicht dargestellt) auf, der in eine Keilnut (nicht
dargestellt) im Flügelrad
eingreift, um bei der Drehung der Antriebswelle 150 das
Flügelrad
anzutreiben. Die Antriebswelle 150 ist mit einer außerhalb der
Einhausung 112 liegenden Kupplung 152 verbunden.
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Das Brechsieb 140 hat eine
Maschenweite von vorzugsweise ca. 20–25 μm und am meisten bevorzugt von
ca. 25 μm.
Die Maschenweite des ersten Stützsiebs 142 ist
größer als
die des Brechsiebs (Lochnenngröße beispielsweise
ca. 600 μm
oder 30 Mesh), während
die des zweiten Stützsieb 144 größer als
die des ersten Stützsiebs
ist (Nenngröße der Öffnungen
beispielsweise 707 μm
oder 24 Mesh wie in ASTM E11-95 festgelegt). Der Siebträger 146 kann in
seiner den Sieben 140, 142 und 144 zugewandten Oberfläche 156 Frei-
bzw. Leerräume
von mindestens 50% aufweisen. Der dargestellte Siebträger 146 ist
mit mehreren verschieden großen
konzentrischen Rippenelementen 158 versehen, die durch
nach außen
verlaufende radiale Rippenelemente 160 verbunden sind.
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Das Laufrad 139 weist mehrere
Flügel 162 auf,
deren Ausführung ähnlich den
Flügeln 82 gemäß 1 bis 6 ist. Jeder Flügel 162 bildet den
gleichen spitzen Winkel α mit
dem Brechsieb 140 wie schematisch in 6 dargestellt.
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Beim Brechen der Mikrohohlkugeln 20 fallen Kugelfragmente
durch die Siebe und den Siebträger in
den Aufnahmebereich 138. Das freigesetzte Gas tritt über Gasauslassöffnungen 170 in
den Filter 172, der in der Hauptsache aus beidseitig mit
einem Auffang- oder Filtermedium abgedeckter Aktivkohle besteht,
und verlässt
die Einhausung 112 über
Gasauslassöffnungen 174.
Ein O-Ring 172 bildet eine Abdichtung zwischen Antriebswelle 150 und
Gehäuse 118.
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Ein erfindungsgemäßer Energieerzeuger 180 ist
schematisch in 9 dargestellt.
Der Energieerzeuger weist ein Brennstoffpaket 10 bzw. 110 der
vorbeschriebenen Art auf, das über
eine Kupplung 48 bzw. 152 mit einer mechanischen
Energiequelle 182 verbunden ist. Die mechanische Energiequelle 182 (beispielsweise
ein Motor) dreht die Kupplung und damit die Antriebswelle des Brennstoffpakets,
um die Mikrohohlkugeln 20 im Speicher zum Freisetzen von
unter Druck stehenden Wasserstoffgas zu brechen. Die mechanische
Energiequelle 182 kann elektrische Energie aus einer nachladbaren Batterie 184 erhalten.
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Das Wasserstoffgas strömt vom Brennstoffspeicher 10 in
eine Brennstoffzelle 186, die durch Oxidation des Wasserstoffgases
Elektrizität
erzeugt. Mit von der Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Energie
wird die Batterie 184 nachgeladen, wodurch elektrische
Energie gespeichert und elektrischer Strom zu einem elektrischen
Verbraucher 188 geleitet wird. Ein wahlweiser GS/WS-Umrichter
kann vorgesehen werden, um die von der Brennstoffzelle ausgegebene
elektrische Energie in Wechselstrom zur Verwendung am Verbraucher 188 umzuwandeln.
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Entsprechende elektronische Steuerungen 185 empfangen
Eingangssignale vom Versorgungssystem der nachladbaren Batterie,
einem Stromüberwachungsgerät 189 und
der Brennstoffzelle. Je nachdem, ob mehr oder weniger elektrischer
Strom benötigt
wird, vergrößern oder
verkleinern die Steuerungen den Wasserstofffluss, indem die Stromzufuhr
zu der das Brennstoffpaket antreibenden mechanischen Energiequelle
vergrößert wird.
Die Stromabgabe der Brennstoffzelle 186 steht im direkten
Verhältnis
zum Wasserstofffluss der Brennstoffzelle aus dem Brennstoffpaket.
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Die elektronischen Steuerungen betätigen während des
Betriebs der Brennstoffzelle einen Schalter 191, um die
nachladbare Batterie 184 über ein Batterieladegerät 183 zu
laden. Zum Einleiten des Wasserstoffflusses wird der Schalter 192 geschlossen,
um elektrischen Strom von der Batterie zur mechanischen Energiequelle
zu leiten. Wenngleich die Details der in 9 dargestellten verschiedenen Komponenten
(beispielsweise der elektronischen Steuerungen) nicht beschrieben
sind, liegen die Spezifikation und die Auslegung dieser Bauelemente
im Bereich des fachmännischen
Könnens.
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Die Steuereinrichtung 185 misst
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 186 bei der Abgabe
von Strom an den elektrischen Verbraucher 188. Diese Spannung
wird mit einer inneren Vergleichsspannung in der Steuereinrichtung 185 verglichen.
Ist die Brennzellenspannung niedriger als die Bezugsspannung, so
wird die mechanische Energiequelle 182 über die Steuereinrichtung 185 dahingehend
betätigt,
dass der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle durch Vergrößerung des
Wasserstoffflusses erhöht
wird. Bei einer Ausgangsspannung über der Bezugsspannung schaltet
die Steuereinrichtung die mechanische Energiequelle ab, wodurch
die Ausgangsspannung auf die Bezugsspannung zurückfällt. Dieser Ablauf wiederholt
sich den Veränderungen des
Ausgangsstroms folgend durch Modulieren der Ein-/Ausschaltzeit der
mechanischen Energiequelle.
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Der Energieerzeuger gemäß 9 kann zur elektrischen
Stromversorgung in abgelegenen Örtlichkeiten
eingesetzt werden. Die nachladbare Batterie kann externe Geräte solange
mit Strom versorgen, bis die Brennstoffzelle mit Leistung arbeitet, bzw.
die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle erhöhen.
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Es wurde ein Prototyp einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnlich der
in 7 und 8 hergestellt und es wurde
die Wasserstoffgasabgabe des Brennstoffpakets einer experimentellen
Brennstoffzelle von 3 V Nennleistung zugeschaltet. Der geschätzte Wirkungsgrad
der Brennstoffzelle betrug ca. 50%. Das erfindungsgemäße Brennstoffpaket
enthielt etwa 75 ml Mikrohohlkugeln, die mit Wasserstoff bei 3500
psi (24 Mpa) gefüllt
waren. Die elektrischen Ausgangsklemmen der Brennstoffzelle wurden
an einen mit einem Paar Kleinlautsprechern verbundenen tragbaren
CD-Player gelegt. Der CD-Player
und die Lautsprecher verbrauchten ca. 2 W elektrische Leistung und
konnten mit der Kombination aus Brennstoffspeicher und Brennzelle
etwa 2 Stunden lang betrieben werden.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung
anhand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es für
den Fachmann klar ersichtlich, dass Änderungen in Form und Detail
möglich
sind, ohne dass die Erfindung verlassen wird.