EP0691467A1 - Heissgasmotor mit rotierendem Verdränger - Google Patents

Heissgasmotor mit rotierendem Verdränger Download PDF

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Publication number
EP0691467A1
EP0691467A1 EP95110230A EP95110230A EP0691467A1 EP 0691467 A1 EP0691467 A1 EP 0691467A1 EP 95110230 A EP95110230 A EP 95110230A EP 95110230 A EP95110230 A EP 95110230A EP 0691467 A1 EP0691467 A1 EP 0691467A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hot gas
gas engine
displacer
engine according
piston
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95110230A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Hofmann
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Individual
Original Assignee
Individual
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0691467A1 publication Critical patent/EP0691467A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines

Definitions

  • the invention relates to a hot gas engine with a rotating displacer according to the preamble of patent claim 1.
  • Hot gas engines of the type mentioned are known.
  • DE-OS 32 39 021 describes a heating machine which consists of a closed housing with inner walls, a rotary piston, a working space being delimited between this and the inner walls of the housing, and a piston which is connected to a crankshaft via a crank mechanism and a planetary gear , consists.
  • Regenerator devices as heat transfer surfaces are attached to the chamber walls.
  • the working space is changed in volume by a piston, which is arranged in a cylinder.
  • the cylinder is located in the rotary piston towards its outer surface. This means that several cylinders and therefore pistons can also be arranged radially.
  • the crank mechanism and the coupled planetary gear result in a very complicated structure with several integrated bearings, which decisively determine and limit the service life.
  • the invention is based on the problem of creating a hot gas engine which is distinguished by a simple construction and is equally suitable for high-pressure and high-performance machines or endurance runners.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that the arrangement of the working piston in a rotatably mounted displacer, which also represents the flywheel, enables a simple construction of a hot gas engine, which is further characterized in that the smallest gas dead spaces in the displacer system / Work piston result and regeneration can take place from the outside.
  • a mechanical movement transducer with a cam member By means of a mechanical movement transducer with a cam member, the reciprocating movement of the working piston is converted into a rotary movement, which is fed to a directly coupled energy converter.
  • the curve shape of the curve element of the motion converter provides an additional possibility of controlling the angular velocity of the displacer and thus the thermodynamic process sequence.
  • the main components displacer, piston, Movement converter and energy converter are housed in one housing.
  • the parts displacer, piston and motion converter are preferably designed as turned parts and the heat exchanger as milled parts and are therefore easy and economical to manufacture.
  • the shape of the displacer cutout can be made variable within limits, so that the gas exchange spaces can easily be adapted to the respective thermodynamic working regime.
  • the heat supply part can contain a device for forced heating, or devices that use sources for heating it can be coupled so that an optimal heat flow is transferred into the working gas of the engine.
  • cooling devices are integrated or coupled in order to dissipate the heat flow from the working gas in the engine to the environment.
  • claim 5 contains the heat dissipation part and according to claim 6 this and the regenerator parts contain devices for forced cooling by passing a cooling medium through these parts.
  • cooling devices are coupled to these parts in further variants, so that a wide variety of cooling mechanisms can be used.
  • the thermal interconnection of the regenerator segments used according to claim 7 leads to a process-supporting thermodynamic sequence in the hot gas engine.
  • the displacer according to claims 8 and 9 consists of one body and according to claim 10 of two partial bodies which are mechanically connected to one another at an angle greater than 150 ° and less than 210 ° and are thermally separated from one another by a thermal seal.
  • the use of two Partial body leads to a double-acting and double-acting working piston of the hot gas engine.
  • the displacer is constructed both continuously according to claim 8 on the surface and according to claim 9 from lamellae.
  • the housing parts are provided with ribs according to claim 11. This construction results in a substantial increase in area combined with an increased and faster heat exchange between the working gas and the differently tempered housing parts, the output and the speed of the hot gas engine being increased.
  • the electrical machine as an energy converter according to claim 16 provides an easily outward form of energy that is directly connected to an electrical network or consumer and is used at the same time to start the hot gas engine.
  • the hot gas engine according to claim 17 is a complete hydraulic pump.
  • the housing 1 of the hot gas engine forms a closed space which contains all other parts such as heat exchanger parts 10, 12 and 13, displacer 5, working piston 2, piston rod 3, motion converter 6 and energy converter 7 according to FIGS. 1 and 9.
  • the working gas used in high-performance hot gas engines is under high internal pressure. The amount of pressure affects the power to be transmitted.
  • the mechanical axial division of the housing 1 consists of a thermal part, the motion converter 6 and the energy converter 7, wherein the motion converter 6 and the energy converter 7 can also be interchanged or arranged one above the other.
  • the thermal part is divided radially into heat supply 10, regenerator 13, heat dissipation 12 and insulator parts 11 and axially into support elements and mounting elements. All parts of the housing are screwed or glued together airtight. Disks are attached to the end faces of the housing 1, so that an airtight housing 1 is present. If these panes consist of a thermally highly conductive material, thermal seals are placed between them and the housing parts.
  • the heat supply 10 and the heat dissipation part 12 each serve to transfer heat between the outer medium coupled to the hot gas engine and the inner working gas.
  • the heat dissipation part 12 has devices for forced cooling 14 in the form of bores which contain a cooling medium flowing therein.
  • the regenerator parts 13 are coupled on the outside and the insulator parts 11 mechanically supplement the inner ribbing.
  • the radial arrangement of the heat exchangers 10 and 12 creates stable thermodynamic relationships between the segment space 8 and the displacer 5.
  • the regenerator 13, insulator 11 and heat exchanger parts 10 and 12 are thermally separated from the support and mounting elements of the housing 1.
  • Control module of the hot gas engine is the displacer 5, which represents a hollow cylinder which is rotatably mounted in the housing 1. It consists of two identical partial bodies, which are connected to one another by being rotated by 180 ° and are thermally decoupled from one another by a thermal seal 15. 5 has an axially laminated ribbing.
  • the regenerator 13, the insulator 11 and the heat exchanger parts 10, 12 of the housing 1 are equipped with ribs 16 as shown in FIG. 8.
  • the laminated ribbing of the displacer 5 engages in the ribs 16 without contact.
  • the laminated ribbing is interrupted radially at the same point for each part of the body. The size of the interruption corresponds to a quarter of the cross section of the partial body.
  • the resulting axial and radial segment space 8 represents the space in which the working gas rests.
  • the working gas is passed alternately past the differently tempered heat exchanger parts 10, 12 and 13 and thus coupled and uncoupled without having to leave the segment spaces 8.
  • the segment spaces 8 of the partial bodies of the displacer 5 each have an opening 9 to the piston space 4.
  • the width of these openings 9 is determined by the width of the segment space 8 to the piston space 4 and the length by the ratio of the segment space 8 to the piston space 4 respective reversal points of the working piston 2, these openings 9 are closed neither in the direction of the displacer end faces nor by the width of the working piston 2. This allows the working gas to flow from one working area to another in order to realize the temperature-dependent medium pressure compensation.
  • the drive element in the hot gas engine is the cylindrical working piston 2, the working cylinder of which is formed by the hollow cylindrical displacer 5.
  • the working piston 2, the piston rod 3 and the first part of the movement transducer 6, which is equipped with a spatial curve with a defined curve shape in the form of a groove or a bulge, are firmly connected to one another and at the same time move translationally and rotationally with respect to the housing 1 10 and 11 each show the first part of the movement transducer 6.
  • the second part of the movement transducer 6 is in the form of a finger when using a groove as a curve element or a claw when using a bead. This part is fixed to the housing 1.
  • the interaction of the two movement transducer parts results in the conversion of the back and forth movement of the piston rod 3 fastened to the working piston 2 into a rotational movement thereof.
  • the piston rod 3 ordered from a square material and thus serves simultaneously as a transmission element of the rotary movement to the displacer 5 and the energy converter 7.
  • the bearings of the piston rod 3, the displacer 5 and the energy converter 7 are designed as plain bearings.
  • the housing 1 of this embodiment consists of a heat supply 10, a heat dissipation part 12 and two isolating parts 11 separating these two.
  • the housing parts are screwed or glued together air-tight. Disks are attached to the end faces of the housing 1, so that an airtight housing 1 is present. If these panes consist of a thermally highly conductive material, thermal seals are placed between them and the housing parts.
  • all other parts such as displacer 5, working piston 2, piston rod 3, motion converter 6 and energy converter 7 are included according to FIGS. 1 and 6.
  • the mechanical axial division of the housing 1 consists of a thermal part, a motion converter 6 and an energy converter 7, wherein the motion converter 6 and the energy converter 7 can also be interchanged or arranged one above the other.
  • 6 is divided radially into heat supply 10, heat dissipation 12 and insulator parts 11, as shown in FIG. 6.
  • the heat supply 10 and heat dissipation part 12 each serve to transfer heat between the external medium coupled to the hot gas engine and the internal working gas.
  • the heat dissipation part 12 has devices for forced cooling 14. These consist of bores which are axially made in this housing part.
  • a coolant flows through this or, on the other hand, cooling takes place by means of evaporation and condensation of the coolant in a space closed to the outside.
  • the radial arrangement of the heat exchanger parts 10, 12 creates stable thermodynamic conditions for the segment space 8 and the displacer 5.
  • the insulator 11 and the heat exchanger parts 10, 12 are thermally separated from the support and mounting elements of the housing 1.
  • the control module of the hot gas engine is again the displacer 5, which has the same structure as that of the first exemplary embodiment.
  • the isolator 11 and the Heat exchanger parts 10, 12 of the housing 1 are also equipped with ribs 16 according to FIG. 8.
  • the drive element in this embodiment is again the cylindrical working piston 2.
  • the hollow cylindrical displacer 5 forms its working cylinder.
  • the working piston 2, the piston rod 3 and the first part of the movement transducer 6 in the form of a divided cam cylinder 19 according to FIG. 12 are fixed to one another and at the same time freely movable in the displacer 5 and in the housing 1.
  • the cam cylinder 19 is firmly connected to the energy converter 7 in the form of an electrical generator.
  • the second part of the motion converter 6 consists of two fingers which are firmly connected to the housing 1 and one of which engages one of the curves of the first part of the motion converter 6.
  • the interaction of the two movement transducer parts results in the conversion of the back and forth movement of the piston rod 3 fastened to the working piston 2 into a rotary movement of the generator. All bearings for the piston rod 3, the displacer 5 and the energy converter 7 are designed as plain bearings.
  • This embodiment is particularly suitable for a solar application due to its very simple structure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor mit rotierendem Verdränger (5), der nach einem thermodynamischen Kreisprozeß arbeitet. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Heißgasmotor zu schaffen, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und für Hochdruckleistungsmaschinen geeignet ist. Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch die Anordnung des Arbeitskolbens (2) in einem drehbar gelagerten Verdränger (5), der gleichzeitig die Schwungscheibe darstellt, ein einfacher Aufbau realisiert wird, der sich weiterhin dadurch auszeichnet, daß sich geringste Gastoträume im System Verdrängerraum/Kolbenraum (8,9) ergeben und daß eine Regenerierung von außen erfolgen kann. Das Anwendungsgebiet umfaßt den gesamten Bereich der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit, vorrangig zur Elektroenergieerzeugung, zum Betreiben von Hydropumpen und zur Verrichtung mechanischer Bewegung über magnetische Koppler (7). <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor mit rotierendem Verdränger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Heißgasmotoren der genannten Art sind bekannt. So beschreibt die DE-OS 32 39 021 eine Wärmemaschine, die aus einem geschlossenem Gehäuse mit Innenwänden, einem Drehkolben, wobei zwischen diesem und den Gehäuseinnenwänden ein Arbeitsraum begrenzt wird, und einem Kolben, der über einen Kurbelmechanismus und ein Planetengetriebe mit einer Kurbelwelle verbunden ist, besteht. Regeneratoreinrichtungen als Wärmeübertragungsflächen sind an den Kammerwänden angebracht. Der Arbeitsraum wird durch einen Kolben, der in einem Zylinder angeordnet ist, im Volumen verändert. Der Zylinder befindet sich dabei im Drehkolben zu dessen Außenfläche hin. Damit können auch mehrere Zylinder und damit Kolben radial angeordnet werden. Durch den Kurbelmechanismus und das angekoppelte Planetengetriebe ergibt sich ein sehr komplizierter Aufbau mit mehreren integrierten Lagern, die die Lebensdauer entscheidend mitbestimmen und einschränken.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Heißgasmotor zu schaffen, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und für Hochdruck- und Leistungsmaschinen oder Dauerläufer gleichermaßen geeignet ist.
  • Das Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Anordnung des Arbeitskolbens in einem drehbar gelagerten Verdränger, der gleichzeitig die Schwungscheibe darstellt, ein einfacher Aufbau eines Heißgasmotors realisiert wird, der sich weiterhin dadurch auszeichnet, daß sich geringste Gastoträume im System Verdränger/Arbeitskolben ergeben und eine Regenerierung von außen erfolgen kann. Mittels eines mechanischen Bewegungswandlers mit einem Kurvenglied erfolgt die Wandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Arbeitskolbens in eine rotatorische Bewegung, die einem direkt angekoppelten Energiewandler zugeführt wird. Über die Kurvenform des Kurvengliedes des Bewegungswandlers ergibt sich eine zusätzliche Möglichkeit der Steuerung der Winkelgeschwindigkeit des Verdrängers und damit des thermodynamischen Prozeßablaufs. Die Hauptbestandteile Verdränger, Arbeitskolben, Bewegungswandler und Energiewandler sind in einem Gehäuse untergebracht. Damit ist ein kompakter Aufbau gegeben, wobei eine leicht weiterleitbare Energieform von diesem Heißgasmotor abnehmbar ist. Die Teile Verdränger, Arbeitskolben und Bewegungswandler sind vorzugsweise als Drehteile und die Wärmetauscher als Frästeile ausgeführt und damit leicht und ökonomisch herstellbar. Die Form des Verdrängerausschnittes kann in Grenzen variabel gestaltet werden, so daß die Gaswechselräume leicht dem jeweiligen thermodynamischen Arbeitsregime angepaßt werden können.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 2 und 3 beinhalten die Möglichkeit des Aufbaus des Gehäuses aus Einzelteilen in radialer Richtung, so daß über ein Baukastensystem variable Aufbauten realisierbar sind. Nach Anspruch 3 sind Regeneratorteile vorgesehen, die die Energiebilanz effektiver gestalten.
  • Das Wärmezufuhrteil kann nach Anspruch 4 eine Vorrichtung zur Zwangserwärmung enthalten oder es können Vorrichtungen, die Quellen zu ihrer Erwärmung nutzen, angekoppelt werden, so daß ein optimaler Wärmestrom in das Arbeitsgas des Motors übertragen wird.
  • Nach den Ansprüchen 5, 6 und 7 werden unterschiedliche Kühlvorrichtungen intergriert oder angekoppelt, um den Wärmestrom aus dem Arbeitsgas im Motor an die Umgebung abzufuhren. So enthält Anspruch 5 das Wärmeabfuhrteil und nach Anspruch 6 enthalten dieses und die Regeneratorteile Vorrichtungen für eine Zwangskühlung, indem ein Kühlmedium durch diese Teile geleitet wird. Nach den Ansprüchen 5 und 6 werden in weiteren Varianten Kühlvorrichtungen an diese Teile angekoppelt, so daß unterschiedlichste Kühlmechanismen einsetzbar sind. Das thermische Zusammenschalten der eingesetzten Regeneratorsegmente nach Anspruch 7 führt zu einem prozeßunterstützenden thermodynamischen Ablauf im Heißgasmotor.
  • Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 8 bis 12 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Verdrängers. So besteht der Verdränger nach den Ansprüchen 8 und 9 aus einem Körper und nach Anspruch 10 aus zwei Teilkörpern, die in einem Winkel größer 150° und kleiner 210° zueinander mechanisch miteinander verbunden und durch eine thermische Dichtung thermisch voneinander getrennt sind. Der Einsatz zweier Teilkörper führt zu einem doppelt wirkenden und doppelt beaufschlagten Arbeitskolben des Heißgasmotors. Der Verdränger ist sowohl entsprechend Anspruch 8 an der Oberfläche durchgehend als auch nach Anspruch 9 aus Lamellen aufgebaut. Beim Einsatz eines aus Lamellen bestehenden Verdrängers sind nach Anspruch 11 die Gehäuseteile mit Rippen versehen. Durch diesen Aufbau ergibt sich eine wesentliche Flächenvergrößerung verbunden mit einem erhöhten und schnelleren Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und den verschieden temperierten Gehäuseteilen, wobei die Leistung und die Drehzahl des Heißgasmotors vergrößert werden.
  • In den Ansprüchen 13 bis 15 sind Ausgestaltungen des Bewegungswandlers aufgeführt, die verschiedene Möglichkeiten der Umformung der translatorischen Bewegung des Arbeitskolbens und der Kolbenstange in eine rotatorische darstellen.
  • Die elektrische Maschine als Energiewandler nach Anspruch 16 liefert eine leicht nach außen zu führende Energieform, die direkt mit einem elektrischen Netz oder Verbraucher verbunden ist und gleichzeitig zum Starten des Heißgasmotors verwendet wird.
  • Der Heißgasmotor nach Anspruch 17 ist eine komplette Hydropumpe.
  • Mittels Magneten, die nach Anspruch 18 direkt auf dem mechanischen Bewegungswandler befestigt sind, wird die Rotation des Bewegungswandlers durch die Realisierung eines Magnetkreises nach außen übertragen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Heißgasmotors;
    • Fig. 2 einen durchgehenden Verdränger;
    • Fig. 3 einen aus Lamellen aufgebauten Verdränger;
    • Fig. 4 einen aus zwei Teilkörpern gebildeten durchgehenden Verdränger;
    • Fig. 5 einen aus zwei lamellenförmig aufgebauten Teilkörpern gebildeten Verdränger;
    • Fig. 6 den Aufbau des Gehäuses und des Verdrängers im Schnitt ohne Regeneratorteile;
    • Fig. 7 den Aufbau des Gehäuses und des Verdrängers im Schnitt mit Regeneratorteilen;
    • Fig. 8 die Darstellung des Arbeitskolbens, des aus Lamellen aufgebauten Verdrängers und des dazugehörigen Segmentes mit Rippen und Kühlvorrichtung;
    • Fig. 9 eine Schnittdarstellung des schematischen Aufbaus eines Ausführungsbeispiels;
    • Fig. 10 einen als Nutkurvenzylinder ausgeführten Bewegungswandler;
    • Fig. 11 einen als Wulstkurvenzylinder ausgeführten Bewegungswandler und
    • Fig. 12 einen in Form eines offenen Kurvenzylinders ausgeführten Bewegungswandler.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Fig. 1, 5, 7, 8, 9, 10 und 11 erläutert.
  • Das Gehäuse 1 des Heißgasmotors bildet einen abgeschlossenen Raum, der alle weiteren Teile wie Wärmetauscherteile 10, 12 und 13, Verdränger 5, Arbeitskolben 2, Kolbenstange 3, Bewegungswandler 6 und Energiewandler 7 gemäß der Fig. 1 und 9 enthält. Das eingesetzte Arbeitsgas steht bei Leistungsheißgasmotoren unter hohem Betriebsinnendruck. Die Höhe des Druckes beeinflußt die zu übertragende Leistung.
  • Die mechanisch axiale Aufteilung des Gehäuses 1 besteht aus einem thermischen Teil, dem Bewegungswandler 6 und dem Energiewandler 7, wobei der Bewegungswandler 6 und der Energiewandler 7 auch vertauscht oder übereinander angeordnet sein können. Der thermische Teil gliedert sich entsprechend Fig. 7 radial in Wärmezufuhr- 10, Regenerator- 13, Wärmeabfuhr- 12 und Isolatorteile 11 und axial in Stützelemente und Montageelemente. Alle Gehäuseteile sind miteinander luftdicht verschraubt oder verklebt. An den Stirnseiten des Gehäuses 1 sind Scheiben befestigt, so daß ein luftdicht abgeschlossenes Gehäuse 1 vorhanden ist. Bestehen diese Scheiben aus einem thermisch gut leitenden Material, werden zwischen diesen und den Gehäuseteilen thermische Dichtungen plaziert.
  • Das Wärmezufuhr- 10 und das Wärmeabfuhrteil 12 dient jeweils der Wärmeübertragung zwischen dem äußeren an den Heißgasmotor angekoppelten Medium und dem inneren Arbeitsgas. Dabei besitzt das Wärmeabfuhrteil 12 Vorrichtungen für eine Zwangskühlung 14 in Form von Bohrungen, die ein in diesen strömendes Kühlmedium enthalten. Die Regeneratorteile 13 sind außen verkoppelt und die Isolatorteile 11 ergänzen mechanisch die innere Verrippung. Die radiale Anordnung der Wärmetauscher 10 und 12 schafft stabile thermodynamische Verhältnisse des Segmentraumes 8 und des Verdrängers 5. Die Regenerator- 13, Isolator- 11 und Wärmetauscherteile 10 und 12 sind thermisch von den Stütz- und Montageelementen des Gehäuses 1 getrennt.
  • Steuerbaustein des Heißgasmotors ist der Verdränger 5, der einen Hohlzylinder, der im Gehäuse 1 drehbar gelagert ist, darstellt. Er besteht aus zwei identischen Teilkörpern, die um 180° verdreht fest miteinander verbunden und durch eine thermische Dichtung 15 thermisch voneinander entkoppelt sind. Die periphere Geometrie jedes Teilkörpers weist entsprechend Fig. 5 eine axial lamellierte Verrippung auf Die Regenerator- 13, die Isolator- 11 und die Wärmetauscherteile 10, 12 des Gehäuses 1 sind entsprechend Fig. 8 mit Rippen 16 ausgestattet. Dabei greift die lamellierte Verrippung des Verdrängers 5 ohne Berührung in die Rippen 16 ein. Die lamellierte Verrippung ist pro Teilkörper radial jeweils an gleicher Stelle unterbrochen. Die Größe der Unterbrechung entspricht einem Viertel des Querschnitts des Teilkörpers. Der entstehende axiale und radiale Segmentraum 8 stellt den Raum dar, in dem das Arbeitsgas ruht. Durch Drehen des Verdrängers 5 wird das Arbeitsgas wechselweise an den verschieden temperierten Wärmetauscherteilen 10, 12 und 13 vorbeigeführt und damit an- und abgekoppelt, ohne daß es die Segmenträume 8 verlassen muß. Dieses Prinzip ist aus den Fig. 7 und 9 ersichtlich. Die Segmenträume 8 der Teilkörper des Verdrängers 5 weisen jeweils eine Öffnung 9 zum Kolbenraum 4 hin auf Die Breite dieser Öffnungen 9 wird durch die Breite des Segmentraumes 8 zum Kolbenraum 4 hin und die Länge durch das Verhältnis Segmentraum 8 zu Kolbenraum 4 bestimmt, wobei in den jeweiligen Umkehrpunkten des Arbeitskolbens 2 diese Öffnungen 9 weder in Richtung zu den Verdrängerstirnflächen noch durch die Breite des Arbeitskolbens 2 verschlossen sind. Damit kann ein Überströmen des Arbeitsgases von einem Arbeitsraum zum anderen erfolgen, um den temperaturabhängigen Mitteldruckausgleich zu realisieren.
  • Das Antriebselement im Heißgasmotor ist der zylindrische Arbeitskolben 2, dessen Arbeitszylinder durch den hohlzylinderförmigen Verdränger 5 gebildet wird. Der Arbeitskolben 2, die Kolbenstange 3 und der erste Teil des Bewegungswandlers 6, der mit einer räumlichen Kurve mit definierter Kurvenform in Gestalt einer Nut oder einer Wulst ausgestattet ist, sind fest miteinander verbunden und bewegen sich gleichzeitig translatorisch und rotatorisch gegenüber dem Gehäuse 1. Die Fig. 10 und 11 zeigen jeweils den ersten Teil des Bewegungswandlers 6. Der zweite Teil des Bewegungswandlers 6 ist in Form eines Fingers bei Verwendung einer Nut als Kurvenelement oder einer Klaue bei Anwendung einer Wulst ausgeführt. Dieser Teil ist fest am Gehäuse 1 montiert. Durch das Zusammenwirken beider Bewegungswandlerteile erfolgt die Umwandlung der Hin- und Herbewegung der an dem Arbeitskolben 2 befestigten Kolbenstange 3 in eine rotatorische Bewegung derselben. Die Kolbenstange 3 bestellt aus einem Vierkantmaterial und dient damit gleichzeitig als Übertragungselement der rotatorischen Bewegung auf den Verdränger 5 und den Energiewandler 7. Die Lager der Kolbenstange 3, des Verdrängers 5 und des Energiewandlers 7 sind als Gleitlager ausgeführt.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Fig. 1, 5, 6, 8 und 12 näher erläutert.
  • Das Gehäuse 1 dieses Ausführungsbeispiels besteht aus einem Wärmezufuhr- 10, einem Wärmeabfuhrteil 12 und zwei diese beiden trennenden Isolatorteilen 11. Die Gehäuseteile sind miteinander luftdicht verschraubt oder verklebt. An den Stirnseiten des Gehäuses 1 sind Scheiben befestigt, so daß ein luftdicht abgeschlossenes Gehäuse 1 vorhanden ist. Bestehen diese Scheiben aus einem thermisch gut leitenden Material, werden zwischen diesen und den Gehäuseteilen thermische Dichtungen plaziert. In dem abgeschlossenem Gehäuse 1 sind alle weiteren Teile wie Verdränger 5, Arbeitskolben 2, Kolbenstange 3, Bewegungswandler 6 und Energiewandler 7 entsprechend der Fig. 1 und 6 enthalten. Die mechanisch axiale Aufteilung des Gehäuses 1 besteht aus einem thermischen Teil, einem Bewegungswandler 6 und einem Energiewandler 7, wobei der Bewegungswandler 6 und der Energiewandler 7 auch vertauscht oder übereinander angeordnet sein können. Der thermische Teil gliedert sich entsprechend Fig. 6 radial in Wärmezufuhr- 10, Wärmeabfuhr- 12 und Isolatorteile 11. Das Wärmezufuhr- 10 und das Wärmeabfuhrteil 12 dient jeweils der Wärmeübertragung zwischen dem äußeren an den Heißgasmotor angekoppelten Medium und dem inneren Arbeitsgas. Dabei besitzt das Wärmeabfuhrteil 12 Vorrichtungen für eine Zwangskühlung 14. Diese bestehen aus Bohrungen, die axial in dieses Gehäuseteil eingebracht sind. Zum einen strömt durch diese ein Kühlmittel oder zum anderen erfolgt eine Kühlung mittels Verdampfens und Kondensierens der Kühlflüssigkeit in einem nach außen abgeschlossenen Raum. Die radiale Anordnung der Wärmetauscherteile 10, 12 schafft stabile thermodynamische Verhältnisse für den Segmentraum 8 und den Verdränger 5. Die Isolator- 11 und die Wärmetauscherteile 10, 12 sind thermisch von den Stütz- und Montageelementen des Gehäuses 1 getrennt angebracht.
  • Steuerbaustein des Heißgasmotors ist wiederum der Verdränger 5, der den gleichen Aufbau wie der des ersten Ausführungsbeispiels aufweist. Die Isolator- 11 und die Wärmetauscherteile 10, 12 des Gehäuses 1 sind entsprechend Fig. 8 ebenfalls mit Rippen 16 ausgestattet.
  • Durch Drehen des Verdrängers 5 wird das Arbeitsgas wechselweise an den verschieden temperierten Wärmetauscherteilen 10, 12 vorbeigeführt und damit an- und abgekoppelt, ohne daß es die Segmenträume 8 verlassen muß. Dieses Prinzip kann aus den Fig. 1 und 6 entnommen werden.
  • Das Antriebselement in diesem Ausführungsbeispiel ist wiederum der zylindrische Arbeitskolben 2. Der hohlzylinderförmige Verdränger 5 bildet dessen Arbeitszylinder. Der Arbeitskolben 2, die Kolbenstange 3 und der erste Teil des Bewegungswandlers 6 in Form eines geteilten Kurvenzylinders 19 entsprechend Fig. 12 sind fest miteinander und gleichzeitig im Verdränger 5 und im Gehäuse 1 frei beweglich angeordnet. Der Kurvenzylinder 19 ist fest mit dem Energiewandler 7 in Form eines elektrischen Generators verbunden. Der zweite Teil des Bewegungswandlers 6 besteht aus zwei Fingern, die fest mit dem Gehäuse 1 verbunden sind und von denen je einer an einer der Kurven des ersten Teils des Bewegungswandlers 6 angreift. Durch das Zusammenwirken beider Bewegungswandlerteile erfolgt die Umwandlung der Hin- und Herbewegung der an dem Arbeitskolben 2 befestigten Kolbenstange 3 in eine rotatorische Bewegung des Generators. Alle Lager für die Kolbenstange 3, den Verdränger 5 und den Energiewandler 7 sind als Gleitlager ausgeführt.
  • Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich durch den sehr einfachen Aufbau besonders für eine Solaranwendung.
  • Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch den Einsatz nur eines Teilkörpers als Verdränger 5 nach Fig. 3 oder durch Wegfall der Lamellierung des Verdrängers 5 nach den Fig. 2 und 4.

Claims (18)

  1. Heißgasmotor mit rotierendem Verdränger, bei dem sich in einem abgeschlossenen, innen rohrförmigen und aus mindestens vier Segmenten bestehenden Gehäuse ein für eine hin- und hergehende Bewegung frei beweglicher zylinderförmiger Arbeitskolben mit einer Kolbenstange befindet, ein an die Kolbenstange für die Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Arbeitskolbens in eine Drehbewegung direkt angekoppelter mechanischer Bewegungswandler vorgesehen ist, der Verdränger einen segmentförmigen Ausschnitt aufweist und mindestens eine Öffnung zwischen dem Segmentraum, der durch den segmentförmigen Ausschnitt des Verdrängers gebildet wird, und dem Kolbenraum besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der zylinderförmige Arbeitskolben (2) in einem abgeschlossenen Kolbenraum (4) in der Symmetrieachse des drehbar gelagerten Verdrängers (5) frei beweglich angeordnet ist, der Verdränger (5) die Form eines Hohlzylinders aufweist, ein mit dem mechanischen Bewegungswandler (6) fest verbundener Energiewandler (7) oder ein Teil eines Energieübertragers (7) vorgesehen ist, die Größe der Öffnung (9) zwischen dem Segmentraum (8) und dem Kolbenraum (4) in der Breite durch die Breite des Segmentraumes (8) zum Kolbenraum (4) hin und in Längsrichtung durch das Verhältnis Segmentraum (8) zu Kolbenraum (4) bestimmt ist und in den Umkehrpunkten des Arbeitskolbens (2) die Öffnung (9) weder in Richtung zu den Verdrängerstirnflächen noch durch die Breite des Arbeitskolbens (2) verschlossen ist.
  2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (1) in Umfangsrichtung des Verdrängers (5) aus einem Wärmezufuhrteil (10), einem ersten Isolatorteil (11), einem Wärmeabfuhrteil (12) und einem zweiten Isolatorteil (11) aufgebaut ist.
  3. Heißgasmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (1) in Umfangsrichtung des Verdrängers (5) in der Reihenfolge aus einem Wärmezufuhrteil (10), einem ersten Isolatorteil (11), einem ersten Regeneratorteil (13), einem Wärmeabfuhrteil (12), einem zweiten Isolatorteil (11) und einem zweiten Regeneratorteil (13) aufgebaut ist.
  4. Heißgasmotor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb oder außerhalb des Wärmezufuhrteils (10) eine Heizvorrichtung angeordnet ist.
  5. Heißgasmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb oder außerhalb des Wärmeabfuhrteils (12) eine Kühlvorrichtung angeordnet ist.
  6. Heißgasmotor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb oder außerhalb des Wärmeabfuhrteils (12) und der Regeneratorteile (13) mindestens eine Kühlvorrichtung angeordnet ist.
  7. Heißgasmotor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Regeneratorteile (13) miteinander thermisch gekoppelt sind.
  8. Heißgasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Verdränger (5) über seine gesamte Länge einen segmentförmigen Ausschnitt aufweist.
  9. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Verdränger (5) in Richtung der Symmetrieachse aus Lamellen aufgebaut ist und einen über die gesamte Länge gehenden Segmentausschnitt aufweist.
  10. Heißgasmotor nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Verdränger (5) aus zwei fest miteinander verbundenen und identischen Verdrängern, die durch eine thermische Dichtung (15) voneinander getrennt sind, besteht, wobei die segmentförmigen Ausschnitte der beiden Verdränger in einem Winkel größer 150° und kleiner 210° zueinander angeordnet sind.
  11. Heißgasmotor nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Gehäuseteile mit Rippen (16) ausgestattet sind und daß die Lamellen des Verdrängers (5) und die Rippen (16) mit Abstand ineinandergreifen, so daß sie sich nicht berühren.
  12. Heißgasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Größe des segmentförmigen Ausschnitts des Verdrängers (5) höchstens ein Viertel des Verdrängerquerschnitts beträgt.
  13. Heißgasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Bewegungswandler (6) ein Nutkurvenzylinder (17) ist.
  14. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß der Bewegungswandler (6) ein Wulstkurvenzylinder (18) ist.
  15. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß der Bewegungswandler (6) ein offener Kurvenzylinder (19) ist.
  16. Heißgasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Energiewandler (7) eine elektrische Maschine ist und die elektrischen Leitungen isoliert vom Gehäuse (1) nach außen geführt sind.
  17. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß der Energiewandler (7) eine Hydropumpe ist und Öffnungen mit Anschlußstutzen im und am Gehäuse (1) des Heißgasmotors angeordnet sind.
  18. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil des Energieübertragers (7) aus auf dem mechanischen Bewegungswandler (6) fest angebrachten Magneten besteht.
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