EP3755882B1 - Sphährischer energiekonverter - Google Patents

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EP3755882B1
EP3755882B1 EP19715361.2A EP19715361A EP3755882B1 EP 3755882 B1 EP3755882 B1 EP 3755882B1 EP 19715361 A EP19715361 A EP 19715361A EP 3755882 B1 EP3755882 B1 EP 3755882B1
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flat rotary
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hollow
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André Kröll
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KROELL ANDRE
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01C1/063—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C2/00—Rotary-piston engines
    • F03C2/02—Rotary-piston engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
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    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/18—Arrangements for admission or discharge of the working fluid, e.g. constructional features of the inlet or outlet

Definitions

  • the invention relates to a spherical energy converter for power generation with a housing that delimits a rotationally symmetrical working space.
  • a double set of identical flat rotary pistons on concentric axes in a spherical working chamber offers high efficiency in a compact design for fluids.
  • the invention relates to the energy conversion of fluid masses into mechanical energy, which can be further converted into electrical energy.
  • these are generators with a spherical working chamber and flat rotary pistons as internally rotating pistons.
  • a few intellectual property rights and applications relate to rotating piston machines and some of them to the special form of spherical working chambers as in GB 2052 639 and DE 26 08 479 .
  • a working chamber or pump chamber is spatially separated by a piston plate into several chamber volumes, which are changed by their rotation around two axes.
  • this design inherits a segmented movement interrupted by stoppers, which not only reduces efficiency but also causes mechanical problems.
  • the in Fig. 8 The spherical energy converter shown consists of a housing 1 which delimits a spherical working space.
  • Two hollow shafts 3a and 3b are mounted in the housing 1 , the axes of which coincide with a diameter of the spherical housing 1 .
  • the spherical flat rotary pistons 4 and 5 are each firmly connected to the hollow shaft 3a and 3b . Welding, casting from one piece or milling as one part would be possible.
  • the hollow shaft 3a is connected to the shaft 2 in a rotationally fixed manner by a keyway, bolts or welding, while the hollow shaft 3b remains rotatably mounted.
  • each spherical flat rotary piston 4.5 consists of two spherical semicircular vanes.
  • the two Spherical wings are connected in a rotationally fixed manner to the hollow shaft 3a and 3b in the first half of the straight area of their base line. The second half of the base line slides sealingly over the opposite hollow shaft 3a or 3b.
  • the two spherical flat rotary pistons 4.5 thus delimit a total of 4 chambers I, II, III and IV in the housing 1 as in Fig. 1-4 shown.
  • a groove is cut out in the sealing surfaces of the spherical flat rotary pistons 4.5 , into which a seal 18 is inserted.
  • the outer right end of the hollow shaft 3b is connected to the gear 6 via a one-way clutch 14
  • a gear 7 is connected to the outer end of the shaft 2 protruding from the hollow shaft 3a via a one-way clutch 15 .
  • the two gears 6 and 7 mesh with a gear 8, which is connected in a rotationally fixed manner to an output shaft 9 parallel to the shafts 2, 3 .
  • Fig. 1 The medium (gas or liquid) permanently enters chambers I and III through the inlet openings 10 .
  • the gear 7 passes on the rotational movement to the output gear 8 through the meshing and the output shaft 9 attached to the output gear 8 rotates.
  • the sprag freewheel 12 is inserted into the housing 1 and secured against rotation.
  • the gear 6 passes on the rotational movement to the output gear 8 through the meshing and the working shaft 9 attached to the output gear 8 rotates.
  • the braking effect between the flat pistons 4.5 can be determined via the distance between the outlet 10 and the inlet opening 11 on the housing 1 .
  • the spherically deformed flat rotary pistons Fig.9 can counteract the resonance so that vibrations are unlikely and do not spread.
  • the semicircular seal 18 resting on the inner surface of the housing 1 Fig. 10 is preferably inserted with preload into the corresponding groove of the flat rotary piston 4.5 so that it can expand radially as wear increases, so that the sealing effect is maintained.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen spährischen Energiekonverter für Stromerzeugung mit einem Gehäuse, das einen rotationssymmetrischen Arbeitsraum begrenzt.
  • Ein doppelter Satz identischer Flachdrehkolben an konzentrischen Achsen in einer sphärischen Arbeitskammer bietet einen hohen Wirkungsgrad in kompakter Bauweise für Fluide.
  • Die Erfindung betrifft die Energieumwandlung von Fluidmassen in mechanische Energie, die weiter in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
  • Insbesondere handelt es sich um Generatoren mit kugelförmiger Arbeitskammer und Flachdrehkolben als innen drehende Kolben.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Es gibt ein paar Vorschläge für Energieumwandlungsmaschinen mit sphärischer Arbeitskammer, die - zumindest theoretisch - die effektivste und kompakteste Konstruktionen sind.
  • Allerdings hat bisher keine Konstruktion die theoretischen Erwartungen und Ziele erreicht.
    • Stand der Technik
  • Ein paar Rechte an geistigem Eigentum und Anwendungen beziehen sich auf rotierende Kolbenmaschinen und einige davon auf die spezielle Form von sphärischen Arbeitskammern wie in GB 2052 639 und DE 26 08 479 . Bei denen eine Arbeitskammer oder Pumpenkammer räumlich durch eine Kolbenplatte getrennt ist in mehrere Kammervolumen, die durch ihre Drehung um zwei Achsen verändert werden.
  • Dies kann erreicht werden, indem man sie in Keilnuten innerhalb der Wand der Arbeitskammer wie in Wobble-Ring-Pumpen (z. B. US 3,549,286 ) führt.
  • Es wurde jedoch gezeigt, dass solche Wobbelbewegungen in Schlitzführungen nur für niedrige Drehzahlen und vorzugsweise als Pumpen für hochviskose Medien möglich sind. So kann es in Antriebsmaschinen nicht angewendet werden, da die Kolbenplatten zwangsläufig in den Nuten eingeklemmt werden, wenn die Druckbelastung nicht gleichmäßig zunimmt. Die PCT / NL 2011/050 475 bzw. WO 2012/002816 scheint eine Lösung für das Problem zu sein, obwohl die Kombination mehrerer konzentrischer Kammersegmente mit der Kolbenplatte einen stark segmentierten Bewegungsablauf mit unterschiedlichen Druckniveaus erzeugt, der sie zwingt, durch die Kombination mehrerer Rotationskammem gesteuert zu werden. Aber das bedeutet natürlich viel mehr technische Anstrengung. Darüber hinaus ist aus der DE 20 2009 016 021 U1 auch ein Verbrennungsmotor mit mehreren um eine Achse bewegbaren kreis- oder halbkreisförmigen Kolbenscheiben bekannt.
  • Allerdings gibt es ein Problem mit der Menge an Abwärme eines Verbrennungsmotors. Die Ableitung von der relativ kleinen Fläche einer kugelförmigen Arbeitskammer allein reicht bei der Kühlung kaum aus, wenn nicht wesentliche Anstrengungen in ein Druckkühlsystem eingebracht werden, was andererseits dem Wirkungsgrad entgegenwirkt.
  • Darüber hinaus erbt diese Konstruktion eine segmentierte Bewegung, die von Stoppern unterbrochen wird, was nicht nur die Effizienz verringert, sondern auch mechanische Probleme verursacht.
  • Zusammen mit der schlagartigen Bewegung von flachen Schaufeln führt dies zu schädlichen Schwingungsmustem.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen, das in der Lage ist, Energie effizient in Form von fließenden oder gasförmigen Massen in Rotation umzuwandeln und so effizient in elektrische Energie umzuwandeln.
    • Lösung I erfinderischer Schritt
  • Die Grundkonstruktion bezieht sich daher auf die DE 2 2009016 021 U1 , die von dem gleichen Erfinder stammt.
    1. A) Es gibt keinen intermittierenden Stopp mehr durch die Arretiereinrichtungen.
    2. B) Die Flachdrehkolben sind identisch verzogen, um der Resonanz zu widerstehen, so dass Schwingungen unwahrscheinlich sind und sich nicht ausbreiten.
    3. C) Die Anwendung richtet sich nun an Wasserturbinen und Luftdrucksysteme, die im Gegensatz zur Anwendung von Explosionsmaschinen mit einer gleichbleibenden Belastung ihrer Medien arbeiten.
  • Aber die grundlegenden Vorteile der sphärischen Arbeitskammern und Schaufeln in ihm bleiben erhalten: hohe Effizienz, aufgrund der Tatsache, dass die Reibung der Schaufeln in einer Kugel viel weniger sind im Vergleich zu Kolben in einem Zylinder, oder andere, noch weniger effektive Designs.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 - Fig. 4 das Grundprinzip in einer schematischen Darstellung. Die Ansichten vernachlässigen die Verwerfung der Flachdrehkolben.
    • Fig. 5 die perspektivische Ansicht der kompletten inneren Antriebseinheit inklusive Getriebe.
    • Fig. 6 die primären Einzelteile in perspektivischer Ansicht.
    • Fig. 7 die Gehäusehätten
    • Fig. 8 eine Gesamtansicht ohne Getriebedeckel.
    • Fig. 9 die sphärische Ausführung der Flachdrehkolben.
    • Fig. 10 in einem größeren Maßstab einen Ausschnitt des Flachdrehkolben mit einem Dichtstreifen.
    • Fig.11 Darstellung der Schwungscheiben
    • Fig.12 Darstellung der Absperrschieber
    • Fig.13 Anbringung von Sensor und Magnetventilen.
  • Der in Fig. 8 gezeigte sphärische Energiekonverter besteht aus einem Gehäuse 1 das einen kugelförmigen Arbeitsraum begrenzt.
  • In dem Gehäuse 1 sind 2 Hohlwellen 3a und 3b gelagert, deren Achsen mit einem Durchmesser des kugelförmigen Gehäuses 1 zusammenfallen.
  • Wie aus Fig. 5 hervorgeht, sind die Hohlwellen 3a und 3b auf dder Welle 2 aufgeschoben.
  • Die sphärischen Flachdrehkolben 4 und 5 sind jeweils mit der Hohlwelle 3a und 3b fest verbunden. Möglich wären schweißen, aus einem Stück gießen oder als ein Teil fräsen.
  • Die Hohlwelle 3a wird durch Keilnut, Bolzen oder anschweißen auf der Welle 2 drehfest verbunden, während die Hohlwelle 3b drehbar gelagert bleibt.
  • Die beiden sphärischen Flachdrehkolben haben ein kreisförmiges Profil, so dass sie an der Innenwand des Gehäuses 1 dichtend anliegen. Genauer gesagt besteht jeder sphärische Flachdrehkolben 4,5 aus zwei sphärischen halbkreisförmigen Flügeln. Die beiden sphärischen Flügel sind in der ersten Hälfte des geraden Bereichs ihrer Grundlinie mit der Hohlwelle 3a und 3b drehfest verbunden. Die zweite Hälfte der Grundlinie gleitet dichtend über die gegenüberliegende Hohlwelle 3a oder 3b.
  • Die beiden sphärischen Flachdrehkolben 4,5 begrenzen somit in dem Gehäuse 1 insgesamt 4 Kammern I, II, III und IV wie in Fig. 1-4 gezeigt.
  • Wie in Fig. 10 gezeigt, ist in den Dichtflächen der sphärischen Flachdrehkolben 4,5 eine Nut ausgespart, in die eine Dichtung 18 eingesetzt ist.
  • Wie in Fig. 5 dargestellt, ist die Hohlwelle 3b mit dem äußeren rechten Ende über eine Freilaufkupplung 14 mit dem Zahnrad 6 verbunden, und mit dem aus der Hohlwelle 3a herausragendem äußeren Ende der Welle 2 ist ein Zahnrad 7 über eine Freilaufkupplung 15 verbunden.
  • Die beiden Zahnräder 6 und 7 kämmen mit einem Zahnrad 8,das mit einer zu den Wellen 2,3 parallelen Abtriebswelle 9 drehfest verbunden ist.
    • Funktionsweise
  • Fig. 1 Das Medium (Gas oder flüssig) tritt permanent durch die Einlassöffnungen 10 in die Kammern I und III ein.
  • Dementsprechend wird der Flachdrehkolben 4 in Drehrichtung vorwärts getrieben, während der hintere Flachdrehkolben 5 dann rückwärts angetrieben würde. Da sich jedoch ein Freilauflager 13 in Fig. 5 zwischen der Hohlwelle 3b und dem Gehäuse 1 in Fig. 7,8 einschaltet, ist der Flachdrehkolben 5 am Rückwärtsdrehen blockiert.
  • Wenn der vordere Flachdrehkolben 4 nach vorne gedrückt wird, steht das Medium in II und IV unter Druck, und wird über die Auslassöffnungen 11 ausgepresst.
  • Durch die Drehbewegung des Flachdrehkolben 4 siehe Fig. 2 der drehfest mit der Hohlwelle 3a und der Welle 2 verbunden ist wird über dem blockierten Klemmkörperfreilauf 15 das Zahnrad 7 angetrieben.
  • Das Zahnrad 7 gibt durch die Einkämmung die Drehbewegung an das Abtriebs- Zahnrad 8 weiter und die an das Abtriebs- Zahnrad 8 befestigte Abtriebswelle 9 dreht sich.
  • Sobald die Welle 2 nach dem Arbeitshub anhält, kann sich das Zahnrad 7 durch den Klemmkörperfreilauf 15 weiter auf der Welle drehen. Ein Weiterschieben des Flachdrehkolben 5 wie in Fig.4 ersichtlich, kann durch folgende Möglichkeiten erreicht werden:
    1. A) Ein Anschlagbolzen 16 der am Flachdrehkolben 4 befestigt ist, drückt den Flachdrehkolben 5 in die nächste Position.
    2. B) Auf der Hohlwelle 3b und der Welle 2 wird je eine Schwungscheibe 19 Fig.11 befestigt, die die Flachdrehkolben über den Totpunkt schieben.
  • Sobald der Flachdrehkolben 5 über die Einlässe 11 gedreht wird, wird der Druck in den Kammern II und IV aufgebaut.
  • Jetzt wird der Flachdrehkolben 5 in Drehrichtung vorwärts getrieben, während der hintere Flachdrehkolben 4 der mit dem Klemmkörperfreilauf 12 in Fig. 5 drehfest verbunden ist am Ausweichen in die Gegenrichtung gehindert wird.
  • Der Klemmkörperfreilauf 12 ist in das Gehäuse 1 eingesetzt und gegen Verdrehung gesichert.
  • Wenn der Flachdrehkolben 5 nach vorne gedrückt wird, steht das Medium in I und III unter Druck, und wird über die Auslassöffnungen 10 ausgepresst.
  • Durch die Drehbewegung des Flachdrehkolben 5 siehe Fig.4 der drehfest mit der Hohlwelle 3 verbunden ist wird über dem blockierten Klemm- körperfreilauf 14 (nicht sichtbar im Zahnrad 6) das Zahnrad 6 angetrieben.
  • Das Zahnrad 6 gibt durch die Einkämmung die Drehbewegung an das Abtriebs- Zahnrad 8 weiter und die an das Abtriebs- Zahnrad 8 befestigte Arbeitswelle 9 dreht sich.
  • Sobald die Hohlwelle 3 nach dem Arbeitshub anhält, kann sich das Zahnrad 6 durch den Klemmkörperfreilauf 14 weiter auf der Welle drehen. Dieser Vorgang wird kontinuierlich wiederholt.
  • Wie dies vorstehend erläutert wurde, kommt es beim Betrieb des spährischen Energieerzeuger zu einer schrittweisen Verdrehung der beiden Flachdrehkolben 4,5 wobei abwechselnd einer der beiden Flachdrehkolben einen Arbeitshub ausführt. Auf die Hohlwelle 3b und die Welle 2 wird daher abwechselnd ein Arbeitsdrehmoment im Uhrzeigersinn ausgeübt. Die den beiden Zahnrädern zugeordneten Klemmkörperfreiläufe 14,15 sind wirksam, damit die Welle 2 oder die Hohlwelle 3b auf das zugeordnete Zahnrad 6 oder 7 in einer Drehrichtung ein Antriebsdrehmoment übertragen kann. Ein von dem Abtriebszahnrad 8 angetriebenes Zahnrad 6 oder 7 kann jedoch die zugeordnete nicht angetriebene Welle 2 oder Hohlwelle 3b überholen.
  • Über den Abstand zwischen dem Auslass 10 und der Einlassöffnung 11 am Gehäuse 1 kann die Bremswirkung zwischen den Flachkolben 4,5 bestimmt werden.
  • Die spährisch verformten Flachdrehkolben Fig.9 können der Resonanz entgegen wirken, so dass Schwingungen unwahrscheinlich sind und sich nicht ausbreiten.
  • Die an der Innenfläche des Gehäuses 1 anliegende halbkreisförmige Dichtung 18 Fig. 10 ist vorzugsweise mit Vorspannung in die entsprechende Nut des Flachdrehkolben 4,5 eingesetzt, damit sie sich bei zunehmenden Verschleiß radial ausdehnen kann, so dass die Dichtwirkung erhalten bleibt.
  • Mit Absperrschiebern 20 Fig.12 an den Flachkolben können die Steuerzeiten und somit der Wirkungsgrad optimiert werden.
  • Durch das Anbringen von Sensoren 22 und elektronisch gesteuerten Magnetventilen 21 am Einlass 11 und 12 Fig.13 kann die Effizienz gesteigert werden.
  • Hier sind ein paar Vorschläge für den sphärischen Energiekonverter:
    1. A) Im Untergeschoß von Hochhäusern kann der sphärische Energiekonverter zur Stromerzeugung verwendet werden, indem er mit Regen- oder Brauchwasser angetrieben wird.
    2. B) Ein Einsatz in einem Gezeitenkraftwerk wäre vorstellbar, das potentielle und kinetische Energie aus dem Tidenhub des Meeres in elektrischen Strom wandelt.
    3. C) Ein Einsatz in Flußkraftwerken wäre vorteilhaft, da durch die hohe Effizienz nur geringe Druckunterschiede im Wassergefälle notwendig wären.
    4. D) Als mobile Einheit könnte der Energiekonverter in Krisenzeiten an Wasserfällen eingesetzt werden.
    5. E) Vorstellbar wäre auch ein Einsatz in Druckluftspeicherkraftwerken.
    Bezugszeichenliste
    • 1
    Gehäuse
    2
    Welle
    3a
    Hohlwelle
    3b
    Hohlwelle
    4
    Flachdrehkolben
    5
    Flachdrehkolben
    6, 7
    Zahnrad
    8
    Abtriebszahnrad
    9
    Abtriebswelle
    10
    Auslass
    11
    Einlass
    12
    Klemmkörperfreilauf
    13
    Klemmkörperfreilauf
    14
    Klemmkörperfreilauf
    15
    Klemmkörperfreilauf
    16
    Anschlagbolzen
    17
    Getriebegehäuse
    18
    Dichtung
    19
    Schwungscheibe
    20
    Absperrschieber
    21
    Magnetventil
    22
    Sensor

Claims (5)

  1. Energiekonverter, umfassend
    a) ein Gehäuse (1), das einen kugelförmigen Arbeitsraum begrenzt und in dem Ein- (11) und Auslassöffnungen (10) für ein unter Druck stehendes flüssiges oder gasförmiges Medium angeordnet sind,
    b) eine Welle (2) und zwei diese aufnehmende Hohlwellen (3a, 3b), die in dem Gehäuse (1) drehbar gelagert sind, wobei ihre Drehachsen mit einem Durchmesser des Arbeitsraums zusammenfallen, wobei eine erste der zwei Hohlwellen (3a) mit der Welle (2) drehfest verbunden ist und eine zweite der zwei Hohlwellen (3b) drehbar auf der Welle (2) gelagert ist,
    c) zwei an der Innenwand des Gehäuses (1) dichtend anliegende Flachdrehkolben (4, 5) mit kreisförmigem Profil, wobei der eine Flachdrehkolben (4) mit der Welle (2) und der andere Flachdrehkolben (5) mit der zweiten Hohlwelle (3b) drehfest verbunden ist,
    d) zwei Zahnräder (6, 7), die mit der Welle (2) bzw. mit der zweiten Hohlwelle (3b) über eine Freilaufkupplung verbunden sind, die eine Verdrehung der Zahnräder (6, 7) gegenüber der Welle (2) bzw. der zweiten Hohlwelle (3b) entgegen der Arbeitsdrehrichtung verhindert, und
    e) ein mit den beiden Zahnrädern (6, 7) kämmendes Abtriebszahnrad (8), dadurch gekennzeichnet,
    f) dass in dem Gehäuse (1) zwei einander gegenüberliegende Einlassöffnungen (11) und zwei einander gegenüberliegende Auslassöffnungen (10) angeordnet sind,
    g) dass die Welle (2) und die zweite Hohlwelle (3b) jeweils über eine Freilaufkupplung (12, 13) in dem Gehäuse (1) abgestützt ist, das eine Verdrehung der Welle (2) bzw. der zweiten Hohlwelle (3b) entgegen der Arbeitsdrehrichtung verhindert,
    h) dass den beiden Flachdrehkolben (4, 5) Anschlagbolzen (16) zugeordnet sind, die bei Beendigung eines Arbeitstaktes eines Flachdrehkolbens (4, 5) mit dem anderen Flachdrehkolben (5, 4) in Eingriff gelangen und diesen über die beiden Einlassöffnungen (11) hinweg bewegen.
  2. Energiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Welle (2) und an der zweiten Hohlwelle (3b) Schwungscheiben (19) angeordnet sind.
  3. Energiekonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umfang der beiden Flachdrehkolben (4, 5) jeweils zwei halbkreisförmige Dichtungen (18) zugeordnet sind.
  4. Energiekonverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (18) unter Vorspannung an der Innenwand des Gehäuses (1) anliegen.
  5. Energiekonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flachdrehkolben (4, 5) identisch sphärisch ausgebildet sind.
EP19715361.2A 2018-02-21 2019-01-08 Sphährischer energiekonverter Active EP3755882B1 (de)

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DE202018000899.0U DE202018000899U1 (de) 2018-02-21 2018-02-21 Sphärischer Energiekonverter
PCT/DE2019/000002 WO2019161819A1 (de) 2018-02-21 2019-01-08 Sphährischer energiekonverter

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US (1) US10914173B2 (de)
EP (1) EP3755882B1 (de)
KR (1) KR102260695B1 (de)
CN (1) CN111757974B (de)
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