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DE69611652T2 - Vorrichtung zur Herstellung von mit Sauerstoff angereichter Luft die ein Magnetfeld benutzt - Google Patents

Vorrichtung zur Herstellung von mit Sauerstoff angereichter Luft die ein Magnetfeld benutzt

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Publication number
DE69611652T2
DE69611652T2 DE69611652T DE69611652T DE69611652T2 DE 69611652 T2 DE69611652 T2 DE 69611652T2 DE 69611652 T DE69611652 T DE 69611652T DE 69611652 T DE69611652 T DE 69611652T DE 69611652 T2 DE69611652 T2 DE 69611652T2
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DE
Germany
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magnetic field
housing
oxygen
enriched air
rotor
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE69611652T
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English (en)
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DE69611652D1 (de
Inventor
Takashi Izuo
Shinzo Kobuki
Kazuhisa Mikame
Shoichiro Nitta
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Application granted granted Critical
Publication of DE69611652D1 publication Critical patent/DE69611652D1/de
Publication of DE69611652T2 publication Critical patent/DE69611652T2/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft unter Verwendung eines Magnetfelds.
  • Es ist im Prinzip bekannt, daß mit Sauerstoff angereicherte Luft aus Luft hergestellt werden kann, indem ein Unterschied in der magnetischen Suszeptibilität von Sauerstoff und Stickstoff ausgenutzt wird. In diesem Zusammenhang ist Sauerstoff paramagnetisch und hat eine magnetische Suszeptibilität von etwa +106,2 · 10&supmin;&sup6; emu/g, und Stickstoff ist diamagnetisch und hat eine magnetische Suszeptibilität von etwa -0,43 · 10&supmin;&sup6; emu/g.
  • Um eine Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft für Fahrzeuge, Verbrennungsvorrichtungen und andere industrielle Vorrichtungen zu verwenden, ist es wünschenswert, daß deren Sauerstoffausbeute hoch ist, daß die Sauerstoffmenge groß ist, und daß eine ununterbrochene Versorgung mit Sauerstoff möglich ist. Nach diesem Aspekt ist eine rotierende Vorrichtung einer Vorrichtung mit Kolben und einer chargenweise arbeitenden Vorrichtung überlegen.
  • In der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. SHO 54-49993 ist eine Sauerstoff und Stickstoff trennende Vorrichtung offenbart, bei der ein Rotor bzw. Drehkolben in einem zylindrischen Gehäuse drehbar angeordnet ist. Zwischen dem Drehkolben und dem Gehäuse ist ein Zwischenraum begrenzt, in dem ein Magnetfeld mit einem sich in dem Zwischenraum radial erstreckenden magnetischen Fluß generiert wird. Wenn dem Zwischenraum ununterbrochen Luft zugeführt wird, wird Sauerstoff, der eine hohe magnetische Suszeptibilität besitzt, polarisiert und dadurch von der Luft getrennt, so daß mit Sauerstoff angereicherte Luft durch eine Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft abgezogen wird und übrig bleibende, mit Stickstoff angereicherte Luft durch eine Auslaßöffnung für mit Stickstoff angereicherte Luft abgezogen wird.
  • Weil sich jedoch in der oben beschriebenen Vorrichtung der generierte magnetische Fluß in der radialen Richtung des Zwischenraums erstreckt, muß der radiale Abstand zwischen dem Drehkolben und dem Gehäuse groß sein, um die Ausbeute an Sauerstoff zu erhöhen. Als Folge davon wird die Vorrichtung in ihrer radialen Richtung größer.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft bereitzustellen, die ein Magnetfeld verwendet, vom drehenden Typ ist und besonders in der radialen Richtung der Vorrichtung kompakt aufgebaut ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft gelöst, die ein Magnetfeld verwendet.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, zum Lösen der oben beschriebenen Aufgabe umfaßt ein Gehäuse, einen Drehkolben und eine Magnetfeldgeneriervorrichtung. Der Drehkolben ist in dem Gehäuse angeordnet und wird von diesem drehbar gehalten. Zwischen dem Drehkolben und dem Gehäuse ist ein Zwischenraum begrenzt, welcher eine zu der Drehachse des Drehkolbens parallele Achse aufweist und sich in axialer Richtung des Zwischenraums erstreckt. Die Magnetfeldgeneriervorrichtung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Zwischenraum. Das Magnetfeld weist einen magnetischen Fluß auf, der sich axial durch den Zwischenraum erstreckt, und an axial entgegengesetzten Enden des Zwischenraums ausgebildete magnetische Pole. In dem Gehäuse ist eine Lufteinlaßöffnung ausgebildet. Eine Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft ist in dem Gehäuse an einer Stelle in der Nähe von zumindest einem der magnetischen Pole ausgebildet, und eine Auslaßöffnung für mit Stickstoff angereicherte Luft ist in dem Gehäuse an einer von der Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft entfernten Stelle ausgebildet.
  • In der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bildet sich in der axialen Richtung des Zwischenraums ein Gradient der Konzentration der Sauerstoffanreicherung, weil sich der generierte magnetische Fluß in dem Zwischenraum in axialer Richtung erstreckt. Folglich ist es anders als bei der herkömmlichen Vorrichtung nicht notwendig, einen großen Abstand zwischen dem Drehkolben und dem Gehäuse vorzusehen, so daß die Größe der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, besonders in der radialen Richtung der Vorrichtung, kompakt sein kann. In der Vorrichtung wird ein Sauerstoffmolekül in der Luft, die in den Zwischenraum strömt, polarisiert. Dagegen wird ein Stickstoffmolekül in der strömenden Luft im allgemeinen nicht polarisiert, und selbst wenn es polarisiert wird, wird es auf eine Polarität polarisiert, die derjenigen des Sauerstoffmoleküls entgegengesetzt ist. Daher wird das Stickstoffmolekül von den Polen abgestoßen und bewegt sich von den Polen weg. Folglich kann die mit Sauerstoff angereicherte Luft durch die nahe den Polen angeordnete Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft selektiv abgezogen werden, und die mit Stickstoff angereicherte Luft kann durch die von den Polen entfernt angeordnete Auslaßöffnung für mit Stickstoff angereicherte Luft selektiv abgezogen werden.
  • Die obige und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen besser ersichtlich und leichter verständlich, in welchen:
  • Fig. 1 eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 2 eine Querschnittansicht der Vorrichtung von Fig. 1 entlang der Linie 2-2 ist;
  • Fig. 3 eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 4 eine Querschnittansicht der Vorrichtung von Fig. 3 entlang der Linie 4-4 ist;
  • Fig. 5 eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 6 eine Querschnittansicht der Vorrichtung von Fig. 5 entlang der Linie 6-6 ist;
  • Fig. 7 eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 8 eine Querschnittansicht der Vorrichtung von Fig. 7 entlang der Linie 8-8 ist;
  • Fig. 9 eine Aufrißansicht einer teilweise im Querschnitt gezeigten Endplatte an einem axialen Ende eines Gehäuses der Vorrichtung von Fig. 7 ist;
  • Fig. 10 eine Aufrißansicht einer teilweise im Querschnitt gezeigten Endplatte an einem anderen axialen Ende des Gehäuses der Vorrichtung von Fig. 7 ist;
  • Fig. 11 eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 12 eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 13 eine Querschnittansicht der Vorrichtung von Fig. 12 entlang der Linie 13-13 ist;
  • Fig. 14 ein Diagramm ist, das einen Drehmomentverlauf in einem Fall zeigt, bei dem die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf ein Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors angewandt wird; und
  • Fig. 15 ein schematisches Diagramm ist, das eine magnetische Polarisierung eines Sauerstoffmoleküls und eines Stickstoffmoleküls in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, die Fig. 3 und 4 zeigen ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, die Fig. 5 und 6 zeigen ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, die Fig. 7 bis 10 zeigen ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, Fig. 11 zeigt ein fünftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, und die Fig. 12 und 13 zeigen ein sechstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Die Fig. 14 und 15 sind praktisch auf jedes erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel anwendbar. Gleiche oder ähnliche Teile in allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch in allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit den gleichen Positionszahlen gekennzeichnet.
  • Zuerst werden strukturelle Teile und deren gleiche oder ähnliche Funktion in jedem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf z. B. die Fig. 1 und 2 sowie 14 und 15 erklärt.
  • Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, umfaßt eine Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, gemäß jeder erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Gehäuse 6, das aus nichtmagnetischem Werkstoff hergestellt ist, und einen Rotor bzw. Drehkolben 7, der aus nichtmagnetischem Werkstoff hergestellt ist und in dem Gehäuse 6 drehbar gehalten wird. Der Drehkolben 7 umfaßt eine Welle 4 und eine Mehrzahl von Schaufeln 3. Der Drehkolben 7 und das Gehäuse 6 begrenzen einen Zwischenraum A. Der Zwischenraum hat eine Achse und erstreckt sich in axialer Richtung. Die Vorrichtung zum Erzeugen von mit Sauerstoff angereicherter Luft weist ferner eine im allgemeinen mit 2 bezeichnete Magnetfeldgeneriervorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds auf, welches einen magnetischen Fluß φ, der sich in dem Zwischenraum A axial erstreckt, sowie magnetische Pole S und N aufweist, die an entgegengesetzten Enden des Zwischenraums A generiert werden. Die Magnetfluß-Erzeugungsvorrichtung 2 erstreckt sich in der axialen Richtung des Zwischenraums und umfaßt einen Elektromagneten mit einer Spule 20 und eine Gleichstromquelle oder einen Permanentmagneten. Die mit Sauerstoff angereicherte Luft erzeugende Vorrichtung weist ferner eine in dem Gehäuse 6 ausgebildete Lufteinlaßöffnung 8, eine in dem Gehäuse 6 ausgebildete Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft, die an einem Abschnitt in der Nähe von zumindest einem der an axialen Endabschnitten des Gehäuses 6 generierten Pole N und S angeordnet ist, und eine Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft auf, welche in dem Gehäuse an einem Abschnitt ausgebildet ist, der von den generierten Polen N und S axial beabstandet und zwischen diesen angeordnet ist. Die Welle 4 wird von einer Antriebsvorrichtung (z. B. einem nicht gezeigten Motor) angetrieben. Die Welle 4 wird von dem Gehäuse 6 über ein Lager 5 (z. B. ein Magnetfluidlager) drehbar gehalten. Die Schaufeln 3 drehen sich mit der Welle 4 und wirken als Gebläse. In einem Fall, bei dem die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 eine Spule aufweist, nimmt die Spule 20 über die Anschlüsse 1 von der Gleichstromquelle einen elektrischen Gleichstrom auf. Eine polymere Sauerstofftrennmembran 11, die bewirkt, daß Sauerstoff selektiv hier durchströmt, kann an der Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft bereitgestellt werden.
  • Nun wird die Funktion der oben beschriebenen gemeinsamen Strukturen erklärt.
  • Der Drehkolben 7 wird von der Antriebsvorrichtung angetrieben, komprimiert dabei Luft, welche in den Zwischenraum A eingeführt worden ist, und leitet die komprimierte Luft durch die Luftauslaßöffnungen 9 und 10 ab. In diesem Fall erzeugt die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2, welche z. B. eine Spule aufweist, die im Uhrzeigersinn um eine Achse gewickelt ist, welche sich in Fig. 1 von der linken Seite zu der rechten Seite erstreckt, ein Magnetfeld mit einem magnetischen Fluß, der sich axial in dem zwischen dem Gehäuse 6 und dem Drehkolben 7 ausgebildeten Zwischenraum A erstreckt.
  • Wenn Sauerstoff, der paramagnetisch ist, in dem Magnetfeld magnetisiert wird, wird das Sauerstoffmolekül gemäß der Darstellung von Fig. 15 in der Nähe eines N- Pols (Nordpols) in der Form S-N polarisiert, so daß es magnetisch von dem N-Pol angezogen wird, und in der Nähe eines S-Pols (Südpols) wird das Sauerstoffmolekül in der Form N-S polarisiert, so daß es von dem S-Pol magnetisch angezogen wird. Wenn Stickstoff, der diamagnetisch ist, in dem Magnetfeld magnetisiert wird, so wird das Stickstoffmolekül in der Nähe des N-Pols in der Form N-S polarisiert, so daß es von dem N-Pol abgestoßen wird, und in der Nähe des S-Pols wird das Stickstoffmolekül in der Form S-N polarisiert, so daß es von dem S-Pol abgestoßen wird.
  • Da der Sauerstoff eine hohe magnetische Suszeptibilität besitzt, werden folglich Sauerstoffmoleküle, die in der Luft enthalten sind, die in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 6 und dem Drehkolben 7 eingeführt wurde, magnetisiert und bewegen sich zu dem N- oder S-Pol. Daher werden Abschnitte des Zwischenraums nahe den Polen mit Sauerstoff angereichert. Da der Stickstoff eine geringe magnetische Suszeptibilität besitzt, werden Stickstoffmoleküle, die in der Luft enthalten sind, welche in den Zwischenraum A zwischen dem Gehäuse 6 und dem Drehkolben 7 eingeführt wurde, im allgemeinen nicht magnetisiert.
  • Auch wenn die Stickstoffmoleküle magnetisiert werden, werden sie in einer Polarität magnetisiert, die zu jener der Sauerstoffmoleküle entgegengesetzt ist, und daher werden sie von dem N- und S-Pol zu einem axialen Mittelabschnitt des Zwischenraums A hin abgestoßen.
  • Folglich wird mit Sauerstoff angereicherte bzw. sauerstoffreiche Luft selektiv durch die Auslaßöffnungen 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft abgegeben, welche an den axialen Enden des Gehäuses 6 an Stellen nahe des N- und/oder S-Pols ausgebildet sind, und übrig bleibende, mit Stickstoff angereicherte bzw. stickstoffreiche Luft wird selektiv durch die Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft abgegeben, welche in dem axialen Mittelabschnitt des Gehäuses 6 an Stellen ausgebildet ist, die von dem N- und/oder S-Pol entfernt sind.
  • Wegen der Sauerstoffanreicherungsfunktion durch das Magnetfeld und die Aufladung durch die Schaufeln ist das Brennkraftmaschinendrehmoment im Vergleich zu dem Fall einer Ansaugung ohne Anreicherung und Aufladung verbessert, wie in Fig. 14 gezeigt ist. Ferner ist eine ununterbrochene Lieferung von Luft möglich, da die Vorrichtung eine Rotationsausführung ist und darüber hinaus die der Vorrichtung zugeführte Luftmenge groß ist. Außerdem ist es nicht notwendig, zwischen dem Gehäuse 6 und dem Drehkolben 7 in deren radialen Richtung einen großen Abstand vorzusehen, da sich der generierte magnetische Fluß in der axialen Richtung des Zwischenraums A erstreckt. Folglich ist die Größe der Vorrichtung in der radialen Richtung der Vorrichtung kompakt. Da die mit Sauerstoff angereicherte Luft und die mit Stickstoff angereicherte Luft in der axialen Richtung des Zwischenraums voneinander beabstandet sind, kann überdies ein selektives Abziehen der mit Sauerstoff angereicherten Luft durch die Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft am axialen Ende des Gehäuses effizient durchgeführt werden, so daß die Sauerstoffausbeute verbessert ist.
  • Es erfolgt nun eine Erläuterung von Bauteilen, die jeweils nur in bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorkommen, sowie ihrer Funktion.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat das Gehäuse 6, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, einen hohlen, zylindrischen Abschnitt und Endplatten an entgegengesetzten Enden des zylindrischen Abschnitts, und der Drehkolben 7 weist ein Gebläse mit einer einzigen Welle 4 und einer Mehrzahl von Schaufeln 3 auf. Das Lager 5 ist beispielsweise als Magnetfluidlager ausgeführt. Die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 weist eine Spule auf, welche einen Gleichstrom liefert. Die Spule 20 ist entlang einer Innenfläche des zylindrischen Abschnitts des Gehäuses 6 angeordnet. Die Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft ist in den Endplatten (dem N- und S-Pol) des Gehäuses 6 ausgebildet, und die Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft ist in dem axialen Mittelabschnitt (einem Mittelabschnitt zwischen dem N- und S-Pol) des zylindrischen Abschnitts des Gehäuses 6 ausgebildet.
  • Im Hinblick auf die Funktion der Vorrichtung gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist es nicht notwendig, eine Stromabnehmereinrichtung zum Zuführen von elektrischem Strom zu der Spule 20 vorzusehen, weil die Spule 20 an dem Gehäuse angeordnet ist und sich daher nicht dreht. Folglich ist der Mechanismus zum Zuführen von elektrischem Strom einfach und zuverlässig.
  • Bei einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel hat das Gehäuse 6, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, einen hohlen, zylindrischen Abschnitt und Endplatten an entgegengesetzten Enden des zylindrischen Abschnitts, und der Drehkolben 7 weist ein Gebläse mit einer einzigen Welle 4 und einer Mehrzahl von Schaufeln 3 auf. Das Lager 5 ist beispielsweise als radiales Kugellager ausgeführt. Die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 weist eine Spule für Gleichstrom auf. Die Spule 20 ist entlang einer Außenfläche der Welle 4 des Drehkolbens 7 angeordnet. Über einen Schleifring 13 und eine Bürste 12 wird elektrischer Strom zugeführt, was eine Abnehmereinrichtung für elektrischen Strom darstellt. Die Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft ist in den axialen Abschnitten (dem N- und S-Pol) des zylindrischen Abschnitts des Gehäuses 6 ausgebildet, und die Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft ist in dem axialen Mittelabschnitt (einem Mittelteil zwischen dem N- und S-Pol) des zylindrischen Abschnitts des Gehäuses 6 ausgebildet.
  • Bei der Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft möglich, die Lufteinlaßöffnung 8 und die Luftauslaßöffnungen 9 und 10 in dem zylindrischen Abschnitt des Gehäuses 6 vorzusehen, weil der zylindrische Abschnitt des Gehäuses 6 nicht durch die Spule 20 besetzt ist. Somit wird der Konstruktion große Freiheit gelassen.
  • Bei einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel hat das Gehäuse 6, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, eine Wand mit einem elliptischen Querschnitt und Endplatten, und zwei Drehkolben 7, von denen jeder einen flaschenkürbisförmigen Querschnitt und eine Drehachse aufweist, sind in dem Gehäuse 6 so aufgenommen, daß sie um die jeweiligen Drehachsen drehbar sind. Die Drehkolben 7 werden von einer Antriebsvorrichtung 14 angetrieben, die mit der Welle 4 von einem der Drehkolben 7 verbunden ist. Die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2, die ein sich axial erstreckender Permanentmagnet ist, ist in jedem Drehkolben 7 eingebaut, und die N-Pole der jeweiligen Magnete sind in der gleichen Richtung ausgerichtet. Die Lufteinlaßöffnung 8 ist in einer Wandseite des elliptisch geformten Gehäuses 6 ausgebildet, und die Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft sowie die Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft sind in der anderen Wandseite des elliptisch geformten Gehäuses 6 ausgebildet.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Bauart wirkt die Vorrichtung als Roots-Lader. Ein Magnetfeld mit einem sich axial erstreckenden magnetischen Fluß wird von der Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 in dem Zwischenraum A generiert, der zwischen dem Drehkolben 7 und dem Gehäuse 6 begrenzt ist. Mit Sauerstoff angereicherte Luft strömt selektiv durch die Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft aus, die nahe dem N-Pol und/oder dem S-Pol angeordnet ist. Durch Anbringen dieser Vorrichtung am Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs werden sowohl eine Ansaugluft-Aufladung als auch eine Sauerstoff-Luft-Anreicherungsfunktion erreicht, so daß sich gemäß der Darstellung von Fig. 14 der Drehmomentverlauf des Motors im Vergleich zu einem Fall ohne Aufladung und Sauerstoffanreicherung wesentlich verbessert. Ferner ist es nicht notwendig, Elektrizität zum Erzeugen des Magnetfelds zuzuführen, da für die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 ein Permanentmagnet verwendet wird.
  • Bei einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat das Gehäuse 6, wie in den Fig. 7 bis 10 gezeigt ist, eine Wand mit einem elliptischen Querschnitt und Endplatten, und zwei Drehkolben 7, von denen jeder einen flaschenkürbisförmigen Querschnitt und eine Drehachse aufweist, sind in dem Gehäuse 6 so untergebracht, daß sie um die jeweiligen Drehachsen drehbar sind. Die Drehkolben 7 werden von einer Antriebsvorrichtung (nicht gezeigt) angetrieben, die mit einer Welle 4 eines der Drehkolben 7 verbunden ist. Jeder Drehkolben 7 hat entgegengesetzte Abschnitte, von denen jeder eine vergrößerte Querschnittfläche aufweist, wo ein zylindrisches Loch ausgebildet ist, und die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2, welche eine Spule 20 aufweist, ist entlang einer Oberfläche des Lochs angeordnet. Die N-Pole der jeweiligen Spulen sind in der gleichen Richtung ausgerichtet. Die Lufteinlaßöffnung 8 ist in einer Seite der elliptisch geformten Wand des Gehäuses 6 ausgebildet, und die Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft sowie die Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft sind in der anderen Seite der elliptisch geformten Wand des Gehäuses 6 ausgebildet.
  • Eine Versorgung der Spule 20 mit Elektrizität wird durch eine Abnehmereinrichtung für elektrischen Strom mit einer Bürste 12 und einem Schleifring 13 durchgeführt. Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt, ist der Schleifring 13 in einer Nut angeordnet, die in den Endplatten des Gehäuses 6 geformt ist. Der Gleichstrom wird von einem Schleifring 13, der an einer Endplatte angeordnet ist, über die Bürste 12 an die Spule 20, und von der Spule 20 an einen Schleifring 13 angelegt, welcher an der anderen Endplatte angeordnet ist.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Bauart ist die Vorrichtung als Roots-Lader verwendbar. Ein Magnetfeld mit einem sich axial erstreckenden magnetischen Fluß wird von der Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 in dem Zwischenraum generiert, der zwischen dem Drehkolben 7 und dem Gehäuse 6 begrenzt ist. Mit Sauerstoff angereicherte Luft strömt selektiv durch die Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft 9 aus, die nahe dem N-Pol und/oder dem S- Pol angeordnet ist. Durch Anbringen dieser Vorrichtung an einem Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug werden sowohl eine Ansaugluft-Aufladefunktion als auch eine Sauerstoff-Luft-Anreicherungsfunktion erreicht, so daß, wie in Fig. 14 gezeigt ist, im Vergleich zu einem Fall ohne Aufladung und Sauerstoffanreicherung der Drehmomentverlauf des Motors wesentlich verbessert wird. Da zum Erzeugen des Magnetfelds eine Spule verwendet wird, ist es überdies leicht, die Intensität des Magnetfelds und die Ausbeute an Sauerstoff durch Ändern der Stärke des elektrischen Stroms zu verändern.
  • Die oben beschriebene Laderbauart, die zwei Drehkolben 7 mit einem flaschenkürbisförmigen Querschnitt aufweist, kann durch irgend eine andere nachfolgend aufgeführte Konstruktion ersetzt werden.
  • (1) Eine Zahnradpumpe, die ein Gehäuse mit einer elliptisch geformten Wand und zwei Drehkolben aufweist, von denen jeder einen zahnradförmigen Querschnitt hat und in dem Gehäuse untergebracht ist.
  • (2) Einen Lysholm-Kompressor mit einem Gehäuse und zwei Drehkolben einer Drehschraube.
  • (3) Eine Schraubenspindelpumpe mit einem Gehäuse und zwei Drehkolben einer Schraube.
  • (4) Einen Drehflügelkompressor mit einem Gehäuse und einem Drehkolben, an welchem Schaufeln verschiebbar angebracht sind.
  • Bei einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 11 gezeigt ist, weist der Zwischenraum A zwischen dem Gehäuse 6 und dem Drehkolben 7 ein erstes Volumen auf der Seite der Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft und ein zweites Volumen auf der Seite der Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft auf, wobei das zweite Volumen größer als das erste Volumen ist. Der Drehkolben 7 ist permanent magnetisiert. Das erste Volumen hat zwischen dem Drehkolben 7 und dem Gehäuse 6 einen radialen Abstand, der kleiner ist als der radiale Abstand des zweiten Volumens. Insbesondere wird ein Radius des Gehäuses 6 von der Seite der Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft zur Seite der Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft hin allmählich größer. An einem Drehmomentübertragungselement zwischen der Welle 4 und der Antriebsvorrichtung 14 ist eine Drehzahlerhöhungsvorrichtung 15 (z. B. eine Mehrzahl von Zahnrädern, eine Kette oder ein Riemen) vorgesehen. An der Auslaßöffnung 10 für mit Stickstoff angereicherte Luft kann ein Drucksteuerventil 16 angeordnet sein.
  • Wenn Sauerstoff und Stickstoff in dem Magnetfeld getrennt werden, kann der Abschnitt des Zwischenraums nahe der Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft nicht leicht mit nur der mit Sauerstoff angereicherten Luft gefüllt werden, weil in der Luft 21% Sauerstoff und 78% Stickstoff (Volumenprozent) enthalten sind und es somit etwa viermal soviel Stickstoff wie Sauerstoff gibt. Bei dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Abschnitt des Zwischenraums nahe der Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft 9 jedoch leichter mit nur der mit Sauerstoff angereicherten Luft gefüllt werden, weil das Volumen rund um die Auslaßöffnung 9 für mit Sauerstoff angereicherte Luft klein ist. Folglich wird die Ausbeute an Sauerstoff erhöht.
  • Obwohl die Vorrichtung von Fig. 11 nur einen Drehkolben 7 aufweist, kann im Fall einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Drehkolben die gleiche Bauart wie oben beschrieben genommen werden.
  • Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist, hat das Gehäuse 6 eine Wand mit einer zylindrischen Form und Endplatten. Der Drehkolben 7 weist eine Welle 4 und eine Mehrzahl von Schaufeln 3 auf. Das Lager 5 weist ein radiales Kugellager auf. Die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 weist einen den magnetischen Fluß verstärkenden Kern 21 mit entgegengesetzten Enden auf, die als magnetische Pole dienen, und einen Verbindungsabschnitt 21a, der die entgegengesetzten Enden des Kerns verbindet. Die Spule 20 als die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 ist um den Verbindungsabschnitt 21a des Kerns 21 gewickelt. Die Spule 20 und der Verbindungsabschnitt 21a des Kerns 21 sind außerhalb der zylindrischen Wand des Gehäuses 6 angeordnet.
  • Weil die Spule 20 als die Magnetfeldgeneriervorrichtung 2 außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet ist, ist es nicht notwendig, eine Abnehmereinrichtung für elektrischen Strom vorzusehen, und daher kann die Stromversorgungseinrichtung einfach sein, und die Vorrichtung ist zuverlässig. Weil die Spule 20 nicht entlang des Gehäuses 6 angeordnet ist, ist es leicht, die Lufteinlaßöffnung 8 und die Luftauslaßöffnungen 9 und 10 in dem Gehäuse 6 auszubilden. Weil die Spule 20 von dem Gehäuse 6 getrennt ist, kann die Spule 20 ferner um den Verbindungsabschnitt 21a des Kerns 21 gewickelt werden, ohne durch die Größe und die Form des Gehäuses 6 eingeschränkt zu sein. Folglich ist die Arbeit zum Wickeln der Spule 20 leicht, und die Herstellungskosten werden gesenkt. Außerdem ist die Anzahl von Windungen der Spule durch das Gehäuse fast nicht eingeschränkt, im Gegensatz zu einem Fall, bei dem eine Spule innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und die Intensität des magnetischen Flusses kann durch Erhöhen der Anzahl von Windungen der Spule leicht gesteigert werden. Weiterhin ist es auch möglich, die Intensität des magnetischen Flusses zu erhöhen, indem der Durchmesser der Enden (der Pole) des Kerns 21 klein gemacht wird, z. B. indem man die Enden des Kerns 21 konisch macht.
  • In jedem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird die magnetische Suszeptibilität von Sauerstoff, der ein paramagnetischer Werkstoff ist, erhöht, indem die der Vorrichtung zugeführte Luft gekühlt wird, wodurch die Ausbeute an Sauerstoff weiter gesteigert werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die folgenden technischen Vorteile erreicht:
  • Erstens, da das generierte Magnetfeld einen magnetischen Fluß aufweist, der sich in der axialen Richtung des Zwischenraums erstreckt, welcher zwischen dem Drehkolben und dem Gehäuse begrenzt ist, kann die Größe der Vorrichtung zum Erzeugen von mit Sauerstoff angereicherter Luft in der radialen Richtung des Zwischenraums kompakt sein. Ferner kann die mit Sauerstoff angereicherte Luft durch die Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft selektiv abgezogen werden, weil die Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft und die Auslaßöffnung für mit Stickstoff angereicherte Luft in der axialen Richtung des Zwischenraums voneinander beabstandet sind, so daß die Ausbeute an Sauerstoff erhöht werden kann.
  • Zweitens, durch Anordnen der Magnetfeldgeneriervorrichtung an dem Gehäuse, selbst in einem Fall, in dem die Magnetfeldgeneriervorrichtung einen Elektromagneten aufweist, ist es nicht nötig, eine Abnehmereinrichtung für elektrischen Strom vorzusehen, und daher ist die Vorrichtung einfach und in der Funktion zuverlässig.
  • Drittens, durch Anordnen der Magnetfeldgeneriervorrichtung an dem Drehkolben wird das Gehäuse nicht durch die Magnetfeldgeneriervorrichtung ausgefüllt, so daß die Freiheit zum Anbringen einer Lufteinlaßöffnung und einer Luftauslaßöffnung in dem Gehäuse vergrößert wird.
  • Viertens, indem die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung so konstruiert ist, daß sie als Lader verwendbar ist, und durch Montieren der Vorrichtung an einem Luftansaugsystem eines Verbrennungsmotors wird der Drehmomentverlauf des Motors wesentlich verbessert.
  • Fünftens, indem die Vorrichtung so konstruiert wird, daß ein Volumen des Zwischenraums neben der Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft kleiner ist als ein Volumen des Zwischenraums neben der Auslaßöffnung für mit Stickstoff angereicherte Luft, kann der Abschnitt neben der Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft von der mit Sauerstoff angereicherten Luft ausgefüllt werden, so daß die Ausbeute an Sauerstoff erhöht werden kann.
  • Sechstens, durch Anordnen der Magnetfeldgeneriervorrichtung außerhalb des Gehäuses kann die Intensität des generierten magnetischen Flusses durch Wählen der Windungszahl der Spule und der Form der entgegengesetzten Enden des den magnetischen Fluß verstärkenden Kerns gesteuert werden. Weil das Gehäuse nicht durch die Vorrichtung zum Erzeugen des magnetischen Flusses ausgefüllt ist, wird ferner die Freiheit zum Anordnen der Lufteinlaßöffnung und der Luftauslaßöffnungen in dem Gehäuse verbessert.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Herstellen von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die ein Magnetfeld benutzt, mit:
einem Gehäuse (6);
einem Rotor (7), der in dem Gehäuse (6) angeordnet ist und von diesem drehbar gehalten wird, wobei zwischen dem Rotor (7) und dem Gehäuse (6) ein Zwischenraum (A) begrenzt ist;
einer Magnetfeldgeneriervorrichtung (2) zum Generieren eines Magnetfelds in dem Zwischenraum (A);
einer in dem Gehäuse (6) ausgebildeten Lufteinlaßöffnung (8);
einer in dem Gehäuse (6) ausgebildeten Auslaßöffnung (9) für mit Sauerstoff angereicherte Luft; und
einer in dem Gehäuse (6) ausgebildeten Auslaßöffnung (10) für mit Stickstoff angereicherte Luft, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zwischenraum (A) eine zu der Rotationsachse des Rotors (7) parallele Achse aufweist und sich in axialer Richtung des Zwischenraums erstreckt, die Magnetfeldgeneriervorrichtung (2) dazu geeignet ist, das Magnetfeld mit einem magnetischen Fluß, der sich axial durch den Zwischenraum erstreckt, und an axial entgegengesetzten Enden des Zwischenraums ausgebildeten magnetischen Polen zu generieren, wobei die Auslaßöffnung (9) für mit Sauerstoff angereicherte Luft an einer Stelle in der Nähe von zumindest einem der magnetischen Pole ausgebildet ist, und die Auslaßöffnung (10) für mit Stickstoff angereicherte Luft an einer von der Auslaßöffnung für mit Sauerstoff angereicherte Luft axial beabstandeten Stelle ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Magnetfeldgeneriervorrichtung (2) einen Elektromagneten mit einer Spule (20) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Magnetfeldgeneriervorrichtung (2) einen Permanentmagneten aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Magnetfeldgeneriervorrichtung (2) lagefest an dem Gehäuse (6) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Magnetfeldgeneriervorrichtung (2) so an dem Rotor (7) angeordnet ist, daß sie sich mit diesem dreht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der Rotor (7) eine Mehrzahl von Rotorelementen aufweist und die Vorrichtung so konstruiert und eingerichtet ist, daß sie als Kompressor eines Typs verwendbar ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Roots-Lader, einem Lysholm-Kompressor, einer Schraubenspindelpumpe und einem Drehflügelkompressor besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, in welcher jedes der Rotorelemente einen Permanentmagneten enthält, der in dieses eingefügt ist und sich parallel zu der Rotationsachse der Rotorelemente erstreckt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, in welcher jedes der Rotorelemente ein in diesem ausgebildetes Loch aufweist, dieses Loch eine Oberfläche aufweist und sich parallel zu der Rotationsachse der Rotorelemente erstreckt, und die Magnetfeldgeneriervorrichtung (2), welche eine Spule (20) aufweist, entlang der Oberfläche des Lochs angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der Zwischenraum ein erstes Volumen im wesentlichen benachbart zu der Auslaßöffnung (9) für mit Sauerstoff angereicherte Luft und ein zweites Volumen im wesentlichen benachbart zu der Auslaßöffnung (10) für mit Stickstoff angereicherte Luft aufweist, das größer als das erste Volumen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, in welcher das erste Volumen einen radialen Abstand zwischen dem Rotor und dem Gehäuse (6) aufweist, der kleiner als ein radialer Abstand zwischen dem Rotor und dem Gehäuse des zweiten Volumens ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Magnetfeldgeneriervorrichtung (2) aufweist: einen den magnetischen Fluß verstärkenden Kern (21) mit entgegengesetzten Enden, die als die magnetischen Pole wirken, und einen Verbindungsabschnitt (21a), welcher die entgegengesetzten Enden des Kerns verbindet; und eine Spule, die um den Verbindungsabschnitt (21a) des Kerns (21) gewickelt ist, wobei die Spule und der Verbindungsabschnitt des Kerns (21) an der Außenseite des Gehäuses (6) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, in welcher der den magnetischen Fluß verstärkende Kern (21) entgegengesetzte Abschnitte aufweist, deren Durchmesser auf jeweilige Enden hin abnimmt.
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