NO314643B1 - Varmemaskin - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører varmemaskiner, og spesielt de som danner energi og/eller varme passende for hushold-ningsbruk, serviceindustri, handel og produksjonsindustri.

Mer spesifikt vedrører den foreliggende oppfinnelse en varmemaskin som angitt i ingressen til krav i.

Ved å oppnå en høy termisk effektivitet er det nesten alltid en viktig overveielse innen feltet plastproduksjon fordi brennstoffkostnadene generelt er ansvarlige for ca, to trededeler av kostnadene til den produserte energien. I tillegg til kostnadsspørsmålet krever også miljømessige betraktninger at det utøves en større innsats for å oppnå høyere effektiviteter for å minimalisere produksjonen av karbondioksyd og andre uønskede avgasser.

Det er generelt mulig å oppnå en høyere termisk effektivitet og lavere utslipp med store enheter enn med små. Dette skyldes delvis varmetap, friksjon og lekkasjestrømmer som har en tendens til å være proporsjonalt mindre i større enheter enn 1 små. Også økonomien ved storskala gjør det mulig å ha mer omfattende utstyr i store enheter. I små enheter vil kostnadene til slikt utstyr være prohibitive.

På tross av disse faktorer er det omstendigheter hvor små enheter er nødvendige og det er viktig at de er så effektive og miljømessig gunstige som mulig. Denne situasjonen oppstår i mange deler av verden hvor det ikke er tilgjengelig noe elektrisitetsforsyningsnett. Det kan være tilfeller hvor bygging av en kraftstasjon for tilførsel av elektrisitet ligger utenfor lokalbefolkningens finansielle kapasitet eller det kan være at elektrisitetsbehovet er for lite til å rettferdiggjøre en slik bygging. Den første situasjonen opptrer i mange utviklingsland og sistnevnte situasjon opptrer i mange fjerntliggende og tynt befolkede områder og på øyer.

En annen anvendelse av små effektive maskiner opptrer 1 forbindelse med kombinert varme og energi (CHP). Anvendelsen av varme og energi sammen resulterer vanligvis i en høyere total energieffektivitet enn ved bruk av energi fra elektrisitetsnettet. Siden varme ikke kan transporteres økonomisk over noen betydelig avstand, må CHP-systernet dimensjoneres for det lokale varmebehovet. Dette medfører vanligvis enheter av beskjeden størrelse.

Oppfinnelsen beskrevet her kan anvendes enten som en varmemaskin eller i en modifisert form som en varmepumpe. Varmepumper overfører varme fra en lavtemperaturvarmekilde til en høytemperaturvarmekappe. For eksempel i kaldt vær kan en varmepumpe hente varme fra atmosfærisk luft og pumpe den til en høyere temperatur for å oppvarme en bygning. Alternativt, i varmt vær, kan varmepumpen operere som en luft-kondisjoneringsenhet og fjerne varme fra luften inne i en bygning og overføre den til den ytre atmosfæren selv om utsidetemperaturen er høyere enn innsidetemperaturen. Varmepumpen kan også brukes til å avkjøle luft for å kondensere vanndampen i denne. Varmen fra varmepumpen kan deretter brukes til å tilføre varme til luften. I dette tilfellet brukes varmepumpen for å avfukte luften. På samme måte som med CHP må varmepumper dimensjoneres i henhold til den lokale varmebelastningen. De fleste varmepumpers kapasitet vil derfor være nødvendig i form av små enheter i stedet for store.

De fleste typer varmepumper, luftkondisjoneringsenheter eller avkjølingssystemer krever bruk av et fordampende-/kondenserende fluid som koker ved en passende temperatur så som klorfluorkarboner (CFC). Disse substansene er kjent å ødelegge jordens ozonlag som beskytter menneske og dyreliv fra skadelig ultrafiolett bestråling. Selv om det er kjent visse alternativer til CFC, vil de fleste av disse også medføre ozonødeleggelse, men i en lavere utstrekning. Andre alternativer har ulemper så som flammepunkt, toksisitet, høy kostnad, dårlig termodynamiske egenskaper eller en tendens til å øke den globale oppvarmingen.

Maskiner og varmepumper basert på Stirling-cyklus er velkjent. En form for Stirling-maskin innbefatter et kompresjonskammer og et ekspansJonskammer forbundet med hverandre via en regenerativ varmeveksler som danner et gassrom som inneholder en arbeldsgass. I henhold til den ideelle Stirling-cyklusen blir arbeidsgassen i kompresjonskammeret komprimert med et stempel og gjennomgår en isoterm kompresjon hvor kompresjonsvarmen føres til en lavtemperaturvarmekappe. Etter at denne prosessen er ferdig blir kald arbeldsgass skjøvet gjennom regeneratoren hvor den forvarmes før den kommer inn i ekspansjonskammeret. I ekspansjonskammeret ekspanderes den varme komprimerte arbeidsgassen ved å presse stempelet ut av ekspansjonskammeret. Under ekspansjonen blir varme tilført arbeidsgassen slik at gassen ekspanderer isotermt. Den varme ekspanderte gassen blir deretter skjøvet tilbake gjennom regeneratoren hvor den avgir sin varme før den tilføres kompresjonskammeret for å begynne neste cyklus.

US 4148195 beskriver en varmeakturert pumpe som krever en høytemperaturvarmekilde så som forbrenning av brennstoff og en annen varmekilde ved lav temperatur så som atmosfærisk luft. Utgående varme er ved mellomliggende temperatur. Hensikten med varmepumpen er å omdanne en viss mengde varmeenergi ved høy temperatur til en større mengde varmeenergi ved midlere temperatur. Dette gjøres ved å fjerne varmeenergi fra lavtemperaturvarmekilden. Den varmeaktuerte pumpen beskrevet i US 4148195 er et system med en lukket cyklus uten ventiler som er tilnærmet lik Stirling-cyklusen. Væskestemplene er plassert i en serie på fire sammenkoblede U-rør og er sammenkoblet i en lukket krets som fortrenger arbeldsgass mellom nærliggende ekspansjons- og kompresjonskamre dannet i armene til U-rørene. Væskestemplene overfører kraft rundt den lukkede kretsen direkte fra den ekspanderende gassen 1 ekspansjonskammeret til kompresjonsgassen i det nærliggende kompresjonskammeret hvor et ekspansjonskammer og et kompresjonskammer er dannet i motsatte armer av samme U-rør. De fire U-rørene er koblet sammen via gassrom med regeratorer. To av de fire regeneratorene og tilhørende gassvolumene arbeider i et temperaturområde mellom høy temperatur og midlere temperatur. De to andre regeneratorene og tilhørende gassvolumene arbeider i et temperaturområde mellom lavtemperaturen og den midlere temperaturen. Cyklusen opereres på en slik måte at energi overføres via mediet til væskestemplene fra gassvolumene som arbeider i høytempera-turområdet til gassvolumene som arbeider over lavtempera-turområdet.

21st Inter-society Energy Conversion Engineering Conference Volum 1 (1986) s. 377 til 382 beskriver en Stirling varmeaktuert varmpumpe lignende den som er beskrevet i US 4148195, hvor arbeidsgassen oppvarmes eller avkjøles ved å ta væske fra et væskestempel, oppvarme eller avkjøle væsken eksternt og reinjisere den i ekspansjons- eller kompresjons-sylinderen som en aerosol.

En ulempe med disse kjente varmepumpene er at den maksimale arbeidstemperaturen til høytemperaturvarmekilden er meget lav sammenlignet med det som kan oppnås ved moderne avanserte energiproduksjonsteknologi, så som den kombinerte cyklus gassturbin. For eksempel er temperaturen til varmetilførselen til varmepumpen sannsynligvis begrenset til 400<*>C, mens turbininnløpstemperaturen til en moderne kraftsdannende gassturbin er opp til 1300<*>C. Omsetningseffektiviteten av høytemperaturvarme til indre arbeid i den varmeaktuerte varmepumpen er derved meget lav, slik man vil kunne anta fra betraktninger av Carnots teorem. Resultatet av dette er at den totale ytelseskoeffisienten er meget lav.

En annen ulempe med den varmeaktuerte varmepumpen beskrevet i US 4148195 ligger i det faktum at væskestemplene må være meget lange for å oppnå en lav naturlig oseiliasjonsfrekvens. Osci1lasjonsfrekvensen må være lav fordi den må tillate varmeoverføring mellom dråpesprayen og gassen. Den nødvendige lengden av væskestempelet er spesielt vanskelig å oppnå i små anordninger som opererer ved høyt trykk. Det vil også oppstå friksjonstap på grunn av de lange væskestemplene som sannsynligvis vil bli uakseptabelt høye i små anordninger. Videre er det nødvendig med en høy verdi for forholdet mellom lengden til slaget for å unngå såkalte "shuttle loss" som stammer fra varmeoverføringen fra en ende av hvert væskestempel til den andre enden. "Shuttle loss" oppstår fordi de to endene av hvert væskestempel har forskjellig temperatur og det vil også oppstå en viss blanding av væsken og varme-transporten.

US 3608311 beskriver en maskin hvis operasjon er basert på Carnot-cyklusen hvor gass suksessivt komprimeres og ekspanderes i en enkelt sylinder ved en væskef or trenger. Varm og kald væske fra væskefortrengeren blir alternerende injisert i sylinderen for å oppvarme gassen under en del av ekspansjonsprosessen og avkjøle gassen under en del av kompresjonsprosessen.

En ulempe med denne kjente varmemaskin er at utgående effekt pr. cyklus er relativt lav fordi den krever et ekstremt høyt kompresjonsforhold for å øke temperaturen til arbeidsgassen til en rimelig verdi under den adiabatiske kompresjonen, og et slikt kompresjonsforhold er i praksis ikke mulig. En ytterligere ulempe med denne maskinen er at arbeidsgassen kontinuerlig cykles mellom høy og lav temperatur samtidig som den forblir i den samme sylinderen under hele prosessen. Veggene til sylinderen vil derfor cykle fra lav til høy temperatur og tilbake igjen noe som gir en stor entropiend-ring og en reduksjon av den termodynamiske effektiviteten.

I henhold til et trekk ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en varmemaskin innbefattende et kompresjonskammer inneholdende en gass som skal komprimeres og et første stempel for å komprimere gassen ved bevegelse av stempelet 1 kompresjonskammeret og drlvorgan anordnet til å bevege det første stempelet inn i kompresjonskammeret for å komprimere gassen, et ekspansjonskammer og et andre stempel slik at gassen kan ekspandere i dette ved bevegelse av det andre stempelet ut av ekspansjonskammeret, organ for å mate komprimert gass fra kompresjonskammeret til ekspansjonskammeret og oppvarmingsorgan anordnet til å oppvarme den komprimerte gassen fra kompresjonskammeret, transmlsjonsorgan innbefattende et fast legeme operativt forbundet til det andre stempelet slik at energi kan fjernes fra maskinen, kjennetegnet ved at organ for å danne en væskespray i kompresjonskammeret for å avkjøle gassen med kompresjon i dette, og separatorinnretning for å separere væske fra den komprimerte gassen som forlater kompresjonskammeret.

En fordel med dette arrangementet er at varmen effektivt fjernes til væsken i væskesprayen ved den laveste temperaturen i varmemaskincyklusen. Videre føres ekspansjonen i et separat kammer slik at temperaturen i hvert kammer og derved de forskjellige delene av kammeret og stemplene ikke cykler mellom høy og lav temperatur, og dette reduserer derved effektiviteten.

I en foretrukket utførelsesform innbefatter maskinen ytterligere organ for å tilføre varme til gassen i ekspansjonskammeret under ekspansjon av denne. Ekspansjonsprosessen kan derved være tilnærmet isoterm.

Fortrinnsvis innbefatter varmeanordningen også varmevekslerorgan anordnet til å forvarme den komprimerte gassen fra kompresjonskammeret med varme fra gassen ekspandert 1 ekspansjonskammeret. Isoterm ekspansjon av gassen i ekspansjonskammeret gjør det derved mulig å gjenvinne noe av denne varmen i varmeveksleren som brukes til å forvarme den komprimerte gassen fra kompresjonskammeret før ekspansjonen. Varmeveksleren kan for eksempel være en regenerativ varmeveksler dersom den ekspanderte gassen fra ekspansjonskammeret strømmer langs samme strømningsbane som den innkommende komprimerte gassen fra kompresjonskammeret eller en rekuperativ varmeveksler dersom gassene strømmer langs forskjellige strømningsbaner. En rekuperativ varmeveksler er spesielt fordelaktig når varmeveksleren er nødvendig mellom to gasser hvor blanding av gassene er uønsket og/eller hvor de to gassene er ved tydelig forskjellige trykk.

En utførelsesform innbefatter organ for å føre tilbake den ekspanderte gassen fra ekspansjonskammeret til kompresjons-kammeret for rekompresjon. Returorganet kan være adskilt fra organet for å mate komprimert gass til ekspansjonskammeret, eller arbeidsgassen kan strømme frem og tilbake mellom kompresjons- og ekspansjonskamrene langs samme strømnings-bane. Utførelsesformer hvor samme arbeidsgasslegeme kontinuerlig resirkuleres mellom kompresjons- og ekspansjonskamrene vil betegnes som en lukket cyklusmaskin. Siden arbeidsgassen er forseglet inne i maskinen, kan denne gassen fortrykksettes slik at minimumtrykket som oppnås for gassen under cyklen er mye større enn atmosfærisk.

I en utførelsesform av maskinen innbefatter organet for å tilføre varme til gassen i ekspansjonskammeret organ for å danne en spray av varm væske i ekspansjonskammeret. Væsken som brukes i sprayen kan oppvarmes ved å bruke en ytre varmeveksler og varmekilden kan være avfal1svarme, for eksempel industriell avfallsvarme, solenergi eller varme fra et kjølesystem til et forbrenningskammer. Ved å bruke en varm væskespray for å overføre varme inn i ekspansjonskammeret er dette spesielt fordelaktig ved bruk i maskiner med lukkede cykler som har en varmekilde med relativt lav temperatur. Væskesprayene er ikke anvendelige for bruk ved meget høye temperaturer.

En alternativ utførelsesform innbefatter første ventilorgan som gjør at det kan tilføres luft eller en annen oksyderende gass inn i kompresjonskammeret, andre ventilorgan for å forhindre at gassen i ekspansjonskammeret returnerer til kompresjonskammeret gjennom organet for mating av komprimert gass til ekspansjonskammeret og hvor organet for å tilføre varme innbefatter organ for å tilveiebringe et brennstoff i ekspansjonskammeret. I denne utførelsesformen vil blandingen av brennstoff og varm komprimert gass i ekspansjonskammeret antennes og etter ekspansjonen støtes forbrenningsproduktene ut fra maskinen via varmevekslerorgan. Det er derved nød-vendig med en frisk tilførsel av arbeldsgass ved begynnelsen av hver cyklus. Utførelsesformer hvor arbeidsgassen fornyes for hver cyklus vil bli betegnet som en åpen cyklusmaskin. En form av denne utførelsesformen kan innbefatte organ for å kontrollere strømnlngsmengden av brennstoff inn i ekspansjonskammeret for å gi i det vesentlige isoterm ekspansjon.

Det er generelt foretrukket at det første og andre stempelet gir en god tetning for arbeidsgassen og dette er spesielt viktig ved maskinen med lukket cyklus. Fortrinnsvis kan det første og/eller andre stempelet innbefatte en væske som dermed fjerner tetningsvanskelighetene som ellers ville være tilstede dersom stemplene er faste. En foretrukket utfør-elsesform innbefatter et par generelt U-formede ledninger som hver inneholder et væskelegeme som et stempel, et kompresjonskammer utformet i hver arm av en ledning og et ekspansj onskaramer utformet i hver arm til den andre ledningen og organ for å mate komprimert gass fra et av kompres j onskamrene til et av ekspansjonskamrene og adskilte organ som mater komprimert gass fra det andre kompresjonskammeret til det andre ekspansjonskammeret. Med denne utførelsesformen skjer ekspansjon og kompresjon to ganger pr. cyklus og tids-innstillingen til væskestemplene er fortrinnsvis anordnet slik at ekspansjonsprosessen i et av ekspansjonskamrene driver kompresjonsprosessen 1 et av kompresjonskamrene. Dette kan oppnås ved en passende kobling mellom drivorganene og transmlsjonsorganene. En foretrukket utførelsesform innbefatter et annet par generelt U-formede ledninger hvor væskestempelet 1 en U-formet ledning under bruk Inneholder ekspansj onskamrene som er tilnærmet 90' ut av fase med væskestempelet 1 den tilsvarende U-formede ledningen Inneholdende de andre ekspansjonskamrene. Det bør derved legges merke til at dette arrangementet kan tilveiebringe en netto positiv utgående kraft ved hvert trinn under en fullstendig cyklus til maskinen og derved fjerne behovet for et svinghjul eller annet organ for å opprettholde driften av maskinen mellom slagene.

Når den ekspanderte gassen er presset ut av ekspansjonskammeret ved bevegelse av det andre stempelet i ekspansjonskammeret, øker gasstrykket. En foretrukket utførelses-form av maskinen innbefatter organ for å tilveiebringe væsker med minst to forskjellige temperaturer for bruk i væskesprayen i ekspansjonskammeret og innbefatter organ for å danne en væskespray under kompresjon av gassen 1 ekspansjonskammeret for å kontrollere gasstemperaturen. Temperaturen til væskesprayen er fortrinnsvis slik at temperaturen til gassen forblir konstant under kompresjonen derav. Det er fordelaktig dersom det andre stempelet innbefatter en væske, og organet for å tilføre denne kan være anordnet til å tilføre væske fra væskestempelet direkte til sprayformeorganet.

Etter kompresjon av gass i kompresjonskammeret, avtar gasstrykket og gassen ekspanderer som et resultat av at begge stempler beveges ut av deres respektive kamre. En foretrukket utførelsesform innbefatter organ for å tilveiebringe væsker med minst to forskjellige temperaturer i væskesprayen i kompresjonskammeret og innbefatter organ for å danne en spray av væske under ekspansjonen av gassen i kompresjonskammeret for å kontrollere gasstemperaturen. Fortrinnsvis er temperaturen til væskesprayen slik at gasstemperaturen holdes konstant under ekspansjonen. Det er fordelaktig dersom det første stempelet innbefatter en væske at tilførselsorganet kan være anordnet for å tilføre væske fra det første stempelet direkte til sprayformeorganet.

Når noen av de første stemplene innbefatter en væske, kan drivorganet innbefatte et legeme anordnet for samvirke med det første stempelet slik at bevegelsen til legemet gir bevegelse i minst en retning til stempelet. Legemet kan innbefatte et fast stempel og kan være nedsenket i væskestempelet eller flyte på overflaten derav. Det faste stempelet kan være koblet til en akse som strekker seg gjennom veggen til ledningen som inneholder væskestempelet.

På samme måte når det andre eller et av de andre stemplene innbefatter væske, kan transmisjonsorganet innbefatte et legeme anordnet til samvirke med det andre stempelet slik at bevegelsen til væskestempelet i minst en retning overføres til dette. Legemet kan innbefatte et fast stempel som er nedsenket i væskestempelet eller anordnet til å flyte på overflaten derav. En aksel kan være koblet til det faste stempelet og strekke seg gjennom veggen til ledningen som inneholder det andre stempelet.

Alternativt kan det første og andre stempelet innbefatte et fast materiale. En utførelsesform innbefatter et par kompresjonskamre og et par ekspansjonskamre hvor stemplene i kompresjonskammeret under bruk er anordnet til å bevege seg i det vesentlige i motfase med hverandre og stemplene i ekspansjonskamrene er anordnet til å bevege seg i det vesentlige i motfase med hverandre. I en foretrukket utførelsesform er det tilveiebragt et annet par kompresjonskamre og et annet par ekspansjonskamre hvor stemplene under bruk i et par av kompresjonskamrene er anordnet til å bevege seg i det vesentlige 90° ut av fase med stemplene i det andre paret kompresjonskamre og stemplene i et par ekspansjonskamre er anordnet til å bevege seg i det vesentlige 90<*> ut av fase med stemplene i det andre paret ekspansj onskamre.

Fortrinnsvis i en maskin med lukket cyklus innbefatter varmeveksleren en regenerator. Hensikten med regeneratoren er å føre varme til og fra arbeidsgassen på en effektiv måte.

I en foretrukket utførelsesform er det anordnet separatororgan for å adskille væske fra gassen som kommer ut av kompresjonskammeret eller kompresjonskamrene. I utfør-elsesformer som opererer i en lukket cyklus kan separatoror-ganet også være tilveiebragt for å adskille væske fra gassen som forlater ekspansjonskammeret eller kamrene.

Når det første og/eller andre stempelet innbefatter en væske, er det fortrinnsvis tilveiebragt organ for å tilføre organet eller organene som danner en spray med væske fra væskestemplene. Fortrinnsvis innbefatter tilførselsorganet en pumpe anordnet til å drives av et respektivt stempel.

I en utførelsesform innbefatter drivorganet kobllngsorgan koblet til transmisjonsorganet slik at under bruk vil de første og andre stemplene beveges i et bestemt faseforhold. Det bør legges merke til at ved kobling av de første og andre stemplene sammen for et mekanisk organ så som en veivaksel er en fordelaktig metode for å kunne oppnå større kompresjonsforhold og samtidig opprettholde stemplenes fase. Fasevinkelen mellom det første og andre stempelet kan være slik at det andre stempelet leder det første stempelet med minst 90' . Alternativt kan stemplene drives uavhengig og hvert av disse kan være anpasset sammen med ethvert kobllngsorgan til en ytre drift for å motstå betydelige krefter mot trykkene i deres respektive kamre.

I en utførelsesform kan maskinen ytterligere innbefatte et forbrenningskammer for forbrenning av brennstoff, hvor oppvarmingsorganet innbefatter organ for å oppvarme komprimert gass fra kompresjonskammeret med varme ledet over minst en av overflatene som definerer maskinens forbrenningskammer. Foreliggende oppfinnelse kan med fordel lett anpasses til å utgjøre et kjøleapparat for en konvensjonell forbrenningsmaskln (for eksempel petroleum, diesel eller gass) som gjenvinner varme som normalt slippes ut av konvensjonelle kjøleapparater og omdanner denne varmen til brukbar energi. Kald komprimert gass dannes i kompresjons-kammeret og varmetapet til forbrenningskammerveggene overføres til den komprimerte gassen for å gi avkjøling av maskinen. Den samme metoden kan brukes for å gjenvinne varme fra eksosgasser fra en konvensjonell forbrenningsmaskln, for eksempel ved å anordne kjølekanaler for komprimert luft gjennom eksosmanifolden eller ved å innbefatte en varmeveksler gjennom hvilke eksosgassene kan passere. Den forvarmede komprimerte gassen blir deretter injisert i ekspansjonskammeret som ekspanderer og presser stempelet ut av kammeret og derved danner anvendelig mekanisk arbeid. I en utførelsesform kan ekspansjonsstempelet være forbundet til et ytre utgående drev til maskinen. Dette arrangementet har den fordel ved å øke effektiviteten til konvensjonelle forbrenningsmaskiner.

Utførelsesformer av varmemaskinen kan innbefatte et antall kompresjons- og ekspansjonskamre og antallet kompresjons- og ekspansjonskamre behøver ikke være likt.

Det vil nå bli beskrevet eksempler på utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse med henvisning til de medfølgende tegninger. Fig. 1 viser skjematisk en første utførelsesform av foreliggende oppfinnelse som innbefatter væskestempler og som opererer i en lukket cyklus. Fig. 2 viser skjematisk en andre utførelsesform av foreliggende oppfinnelse med væskestempler og som opererer I en åpen cyklus. Fig. 3 viser skjematisk en tredje utførelsesform av foreliggende oppfinnelse med faste stempler og som opererer I en åpen cyklus. Fig. 4 viser skjematisk en fjerde utførelsesform av foreliggende oppfinnelse med faste stempler og som opererer i en åpen cyklus.

I fig. 1 er det vist et par U-formede ledninger 1 og 3 som hver inneholder et væskelegeme 5 og 7. Et kompresjonskammer 9, 11 er utformet i hver av armene 13 og 15 til en av de U-formede ledningene 1 og et ekspansjonskammer 17, 19 er utformet i hver arm 21 og 23 til den andre U-formede ledningen 3. Et av kompresjonskamrene 9 er forbundet via en regenerator 25 til et av ekspansj onskamrene 19 og det andre kompresjonskammeret 11 er forbundet via en annen regenerator 27 til det andre ekspansjonskammeret 17. I praksis vil de U-formede ledningene vist i fig. 1 hver bli rotert 90° mot hverandre hvor regeneratorene har samme lengde. De to U-formede ledningene og regeneratorene er derved utformet som en sal og vil bli betegnet som en "sal-løkke". En maskin eller varmepumpe som består av en enkelt sammenkoblet gassmasse med en enkelt regenerator, et enkelt kompresjonskammer og et enkelt ekspansjonskammer, hvert med et væskestempel eller fast stempel og hvert med organ for tilførsel eller fjerning av varme er betegnet som en "halvsadelløkke".

I begge kompresjonskamrene og begge ekpansjonskamrene er det tilveiebragt væskespray. Væsken som brukes i sprayen 29 og 31 i kompresjonskammeret er fortrinnsvis fjernet fra væske-legemet 1 ledningen 1 og væskesprayen 33 og 35 i ekspansjonskamrene 17 og 19 er fortrinnsvis fjernet fra væsken i den tilhørende ledningen 3. Væsken fjernet fra ledningen 1 kan føres gjennom en kjøler (ikke vist) før Injeksjon 1 kompresjonskamrene 9 og 11 og væske fjernet fra ledningen 3 kan føres gjennom en varmer før injeksjon i ekspansjonskamrene 17 og 19. En arbeldsgass fyller rommet som er dannet I kompresjonskamrene 9 og 11 og deres tilhørende ekspansjonskamre 19 og 17 med hvilke de kommuniserer via en respektiv regenerator 25 og 27. Separatorer 37, 39, 41 og 43 er tilveiebragt mellom kamrene og tilhørende regeneratorer for å fjerne enhver væske 1 arbeidsgassen før fluidet føres gjennom den angjeldende regenerator.

Hver U-formet ledning 1 og 3 har en lineær seksjon 45 og 47 som forbinder de tilhørende armene. Det er tilveiebragt mekanisk organ koblet til hvert væskestempel for å overføre energi til og fra stemplene. I denne utførelsesformen er et fast stempel 49 og 51 anordnet i hver av de lineære seksjonene til ledningen og er fri til å utføre lineær bevegelse langs lengden derav med væskestemplene dannet på hver side. En drivaksel 53, 55 er forbundet til hvert faste stempel 49 og 51 og strekker seg gjennom veggen til hver ledning og danner et organ for å drive eller overføre energi fra væskestemplene.

De to drivakslene 53 og 55 er koblet sammen med en ytre drivmekanisme slik at fortrengningen av hvert stempel er tilnærmet sinusoidal med tiden og slik at det opprettholdes et forutbestemt faseforhold mellom stemplene i forskjellige ledninger. Dette kan oppnås for eksempel ved å koble drivakslene 53 og 55 til en veivaksel slik som for eksempel for bensin- og dieselmotorer.

Maskinen opererer ved å føre arbeldsgass gjennom en termodynamisk syklus som medfører gjentatte kompresjoner og ekspansjoner. Kompresjonen gjøres når mesteparten av arbeidsgassen er I kompresjonskammeret 9 og 11, mens ekspansjonen gjøres når mesteparten av arbeidsgassen er I ekspansjonskammeret 17 og 19. Dette kan oppnås ved å anordne stemplene i ekspansjonskamrene slik at de ligger foran stemplene i kompresjonskamrene med en fasevlnkel på 90* . Fasevlnkelen mellom stemplene i ekspansjonskamrene eller kompresJonskamrene er 180°. Med dette arrangementet vil ekspansjonsprosessen I et av ekspansjonskamrene drive kompresjonsprosessen i det andre kompresjonskammeret. For eksempel ekspansjon i kammeret 19 vil drive kompresjonen i kammeret 11 og ekspansjonen 1 kammeret 17 vil drive kompresjonen i kammeret 9.

Det vil nå bli beskrevet en fullstendig cyklus av maskinen i forbindelse med kun et kompresjonskammer og et ekspansjonskammer og begynner med kompresjon 1 kompresjonskammeret 9. Ved starten av kompresjonen er væskestempelet i kompresjons-kammeret 9 ved bunnen av sitt beslag og stempelet i ekspansjonskammeret 19 er ved midtpunktet av sitt slag og beveger seg oppover. Mesteparten av arbeidsgassen som deles mellom kompresjonskammeret 9 og ekspansjonskammeret 19 er 1 kompresjonskammeret 9. Kompresjonsstempelet beveges i kompresjonskammeret 9 og komprimerer arbeidsgassen mot gasstrykket som er resultatet av bevegelsen av ekspansj onsstempelet Inn i ekspansjonskammeret 19. Kald væske sprøytes inn i kompresjonskammeret for å avkjøle arbeidsgassen under kompresjonen. Denne væsken kan oppnås ved å trekke av væske fra det kalde væskestempelet (dvs. kompresjonsstempelet) og deretter føre den gjennom en ytre kjøler (ikke vist) før den injiseres i kompresjonskammeret. Når kompresJonsstempelet i kompresjonskammeret er ved midtpunktet av sitt slag, vil ekspansjonsstempelet i ekspansjonskammeret 19 være ved toppen av sitt slag og skal til å endre retning. Når kompresjonsstempelet fortsetter å bevege seg oppover i kompresjonskammeret, fortsetter kompresjonen av arbeidsgassen, men samtidig begynner kald komprimert gass å strømme gjennom regeneratoren mot ekspansjonskammeret 19 når ekspansjonsstempelet begynner å bevege seg nedover. Den kalde komprimerte gassen som forlater kompresjonskammeret 9 er forvarmet med varme fra den ekspanderte gassen som har forlatt ekspansjonskammeret ved slutten av den foregående cyklusen.

Når kompresjonsstempelet i kompresjonskammeret 9 har nådd toppen av sitt slag, er ekspansjonsstempelet i ekspansjonskammeret 19 ved midtpunktet av sitt slag og beveger seg nedover ut av ekspansjonskammeret. Varm væske sprøytes Inn i ekspansjonskammeret for å opprettholde temperaturen til gassen når den ekspanderer ved fortsatt nedovervendt bevegelse av ekspansjonsstempelet. Denne væsken kan oppnås ved å trekke av væske fra det varme væskestempelet (dvs. ekspansjonsstempelet) og deretter føre den gjennom en ytre varmer (Ikke vist) før den Injiseres i ekspansjonskammeret. Samtidig har kompresjonsstempelet endret retning og beveger seg ut av kompresjonskammeret 9. For å forhindre at gassen i kompresjonskammeret avkjøles under ekspansjonen kan det være fordelaktig å sprøyte væske fjernet direkte fra væskestempelet i stedet for væske som er forkjølt i en ytre kjøler.

Når ekspansjonsstempelet har nådd bunnen av sitt slag 1 ekspansjonskammeret 19, vil kompresjonsstempelet være ved midtpunktet av sitt slag i kompresjonskammeret 9 og bevege seg nedover. Ekspansjonsstempelet endrer retning og de to stemplene beveges i motsatte retninger og presser arbeidsgassen ut av ekspansjonskammeret gjennom regeneratoren og inn i kompresjonskammeret. Den varme ekspanderte gassen som forlater ekspansjonskammeret blir forkjølt i regeneratoren før den føres tilbake til kompresjonskammeret. Når ekspansjonsstempelet beveges oppover i ekspansjonskammeret, vil den gjenværende gassen i dette kammeret undergå en viss kompresjon. For å forhindre oppvarming av gassen kan væske sprøytes inn i ekspansjonskammeret. Denne væsken bør fortrinnsvis taes direkte fra det varme væskestempelet uten å føre den gjennom den ytre varmeren. Når kompresjonsstempelet i kompresjons-kammeret 9 når bunnen av sitt slag, er ekspansjonsstempelet i ekspansjonskammeret 19 ved midtpunktet av sitt slag og beveger seg oppover inn i ekspansjonskammeret, kompresjonsstempelet endrer retning og cyklen gjentas.

Som nevnt over, er den termodynamiske cyklen i kamrene 9 og 19 180<*> ut av fase med cyklen i kamrene 11 og 17. Ekspansjonsslaget i kammeret 19 drives kompresjonsslaget i kammeret

11 og ekspansjonsslaget i kammeret 17 driver kompresjonsslaget 1 kammeret 9. Det er Imidlertid punkter 1 cyklen mellom kompresjons- og ekspansjonsslagene hvor det Ikke er noen netto utgående effekt fra maskinen. For å opprettholde operasjonen av maskinen over cyklen kan det brukes et svinghjul eller man kan eventuelt gjøre bruk av selve stemplenes treghet dersom de er massive nok. Behovet for et svinghjul kan imidlertid unngåes ved å tilveiebringe en andre salløkke hvis driftscyklus er anordnet 90° ut av fase med cyklen til den første salløkken. Dette kan oppnås ved å innbefatte en passende ytre drivmekanisme. Denne utførelses-formen av varmemaskinen er på denne måten i stand til å gi en netto utgående energi ved alle trinn i cyklen.

Et av de viktigste trekkene ved maskinen beskrevet over er bruk av varme og kalde væskesprayer for å opprettholde temperaturen til arbeidsgassen i hvert kammer ved en ønsket verdi. Som nevnt over, kan væskesprayene opprettholdes under hele cyklen selv om væsken passerer gjennom varmevekslerene kun en del av injeksjonscyklen. Årsaken til dette kan forklares i forbindelse med hvert kammer separat.

Under kompresjonen er funksjonen til sprayen å holde arbeidsgasstemperaturen i kompresjonskammeret så lav som mulig. Væsken bør derved føres gjennom den ytre kjøleren under denne delen av cyklen. Når gassen er ekspandert i en senere del av cyklen, er funksjonen til sprayen å forhindre at gassen avkjøles for mye. Under denne delen av cyklen er det bedre å ta væsken direkte fra væskestempelet og ikke avkjøle den.

Det motsatte argumentet gjelder for ekspansjonskammeret. Under ekspansjon må gassen være så varm som mulig og derfor bør væskesprayen føres gjennom en ytre varmer. Under kompresjonen er det viktig å forhindre at gassen blir for varm. Væsken bør derved taes direkte fra væskestempelet under dette trinnet.

I en utførelsesform kan pumping av væsken som brukes til sprayen oppnåd ved å gjøre direkte bruk av den frem- og tilbakegående bevegelsen til stempelet og drivakselen. Pumpen som kan være montert i ledningen innbefatter et lite stempel drevet av væskestempelet, det faste stempelet eller drivakselen og som er anordnet til å gli i en sylinder som innbefatter tilbakeslagsventiler. En enkel pumpe i hver ledning kan være tilveiebragt dersom pumpen er dobbeltvirkende, dvs. fyller og pumper ved begge ender. Dette gjør at væsken alternerende blir tilført fra hver ende mens den andre enden blir fylt. En dobbeltvirkende pumpe vil kunne betjene to væskesprayinjektorer forbundet med denne spesielle ledningen. Hver ende av pumpen kan ha to utløp, et som fører til spraydysen 1 et av kamrene forbundet med den spesielle ledningen, mens den andre fører direkte til spraydysen 1 det andre kammeret. Selv om det ville holdes en tilnærmet kontinuerlig væskespray, vil temperaturen til den injiserte væsken variere under cyklen i henhold til hvorvidt den har passert gjennom varmeveksleren eller ikke.

Separatorene anordnet over sprayinjektordysene og som innbefatter korrugerte plater spiller også en viktig rolle i varmeoverføringsprosessen mellom væskesprayen og arbeidsgassen siden de korrugerte overflatene er antatt å bli avkjølt eller oppvarmet ved kontakt med væsken fra spray, og vil øke kontaktområdet mellom arbeidsgassen og væsken. Når gasstrømmen i et spesielt kammer er vendt oppover, vil mesteparten av dråpene som injiseres ved dette tidspunkt føres oppover Inn i separatorren. Det vil fremdeles være mange dråper 1 det nedre gassrommet som skyldes tidligere injeksjon. Når gasstrømmen er nedoverrettet, vil mesteparten av væsken som er utskilt på de korrugerte platene feies nedover inn i kammeret. På denne måten er det antatt at separatorene raskt vil oppsamle og deretter avgi væsken som er ført over dem. Separatorene kan i tillegg eller alternativt være anordnet til å medføre at arbeidsgassen virvler for å forbedre fjerningen av væskedråpene samtidig som trykktapet til gasstrømmen minimaliseres.

Hensikten med regeneratorene er å endre temperaturen til arbeidsgassen fra varm til kald eller omvendt på en termodynamisk effektiv måte. Regeneratoren kan innbefatte en rekke trange kanaler med forskjellige tverrsnittsutformninger utformet til å gi et stort varmeoverføringsområde mellom gassen og materialet i regeneratoren. De smale kanalene kan dannes ved for eksempel å bruke plater eller rør. Regeneratoren lagrer varmen fra arbeidsgassen inntil arbeidsgassens strømningsretning snus hvoretter varmen avgis til arbeidsgassen. Generatoren bør også være utformet for å minimalisere trykkfallet over sin lengde.

Valget av arbeldsgass og varmeoverføringsvæske i væskestemplene avhenger av anvendelsen og temperaturområdet som maskinen må arbeide over. Siden maskinen opererer i en lukket cyklus og væskestemplene danner en perfekt tetning, er valget av arbeldsgass ikke nødvendigvis begrenset til tilgjengelighet eller kostnader og kan derved velges ut fra sine termodynamiske egenskaper. Arbeidsgassen kan derved for eksempel være helium eller hydrogen som har utmerkede varme-overføringsegenskaper. Helium kan av sikkerhetsmessige årsaker være foretrukket fremfor hydrogen selv om helium vil være mer kostbar. En annen fordel med lukket-cyklusmaskinen er at driftstrykket i arbeidsgassen kan være relativt høyt og vil generelt være i området 1-20 MPa (10-200 bar).

Ved driftstemperaturer opp til ca. 200<*>C kan vann brukes som varmeoverføringsvæske. Ved høyere temperaturer er imidlertid vann ikke hensiktsmessig på grunn av de høye trykkene som er nødvendige for å holde vannet i flytende form. For drifs-temperaturer opp til ca. 400°C kan det brukes kommersielle varmeoverføringsfluider som også er flytende ved lave temperaturer. Det er sannsynlig at helium igjen vil bli valgt som arbeldsgass for dette høyere temperaturområdet. For drlftstemperaturer over 400<*>C kan det brukes et flytende metall så som natriumkalium eutektlsk blanding (NaK) med helium som arbeldsgass. Eutektlsk NaK forblir flytende ned til -12°C og koker ved 785°C (ved atmosfærisk trykk). Smeltede salter er mulige høytemperaturalternatlver til flytende metaller. På grunn av sannsynlige konstruksjons-problemer ved utforming av en maskin for høytemperaturvæsker ved temperaturer over 400'C kan det være bedre å ikke bruke en varm væske overhodet. I stedet kan varmen overføres i maskinen gjennom veggene til en varmeveksler som gjør at maskinen kan drives fra varme kilder med mye høyere temperatur innbefattende forbrenning av drivstoff. Dette drivstoffet kan være tungolje, kull, biomasse eller husholdningsavfall siden forbrenningsproduktene ikke kommer inn 1 maskinen. Utførelsesformer av varmemaskinen som anvender varm væskein-jeksjon er meget hensiktsmessig for kraftfremstillIng fra varmekilder med relativt lav temperatur så som industriell avfallsvanne eller solenergi.

En annen utførelsesform av varmemaskinen bygger på forbrenning av drivstoff for å tilføre varme til arbeidsgassen. Et brennbart drivstoff injiseres 1 ekspansjonskammeret, blandes med den varmekomprimerte gassen og antennes. Brennstoffet er fortrinnsvis et rent brennstoff så som en gass eller lett destillatolje. En utførelsesform av denne versjonen av varmemaskinen er vist skjematisk i fig. 2. Mange av trekkene i utførelsesformen vist i fig. 2 ligner utførelsesformen vist i fig. 1 og like trekk er angitt ved like referansenummer.

I fig. 2 er det vist en varmemaskin innbefattende et par U-formede ledninger 1 og 3 som hver delvis er fylt med en væske som hver virker som et væskestempe1. Kompresjonskammeret 9 og II er utformet i armene 13 og 15 til en av ledningene 1 og forbrenningskammeret 17 og 19 er utformet i armene 21 og 23 til den andre ledningen 3. Et av kompres jonskamrene 11 er anordnet til å kommunisere med et av forbrenningskamrene 17 via en varmeveksler som fortrinnsvis er en regenerator 27 og det andre kompresjonskammeret 9 er anordnet til å kommunisere med det andre forbrenningskammer 19 via en andre varmeveksler 25 som også kan være en regenerator. Kompresjonskamrene 9 og 11 er tilveiebragt med gassinnløpventiler for å tilføre luft eller en annen oksyderende gass i kamrene og disse kan for eksempel være én-veisventiler. Hvert kompresjonskammer 9 og 11 har en væskesprayinjektor 29 og 31, hvor væsken som brukes 1 sprayen trekkes fra væskestempelet som tidligere. En annen ventil 61, 63 er plassert mellom kompresjonskammeret 9, 11 og regeneratoren 25, 27 for å forhindre at avgasser fra forbrenningskammeret 19, 17 via regeneratoren 25, 27 returnerer til kompresjonskammeret 9, 11. En avgassport 65, 67 som opereres av en avgassventil 69, 71 er anbragt mellom ventilen 61, 63 og regeneratoren 25, 27 slik at avgassene kan slippes ut etter å ha passert gjennom og avgitt sin varme til regeneratoren 25, 27. En brennstoffinnløpsåpning 73, 75 er tilveiebragt i hvert forbrenningskammer 17, 19 slik at brennstoffet kan føres inn i kammeret. Hver avgassventil 69, 71 er drevet av en passende tidsmekanlsme (ikke vist).

Maskincyklen i forhold til et av kompresjonskamrene og tilhørende forbrenningskammer er som følger. Når væskenivået i kompresjonskammeret 9 faller til det punktet hvor det indre trykket blir mindre enn trykket på den andre siden av én-veisventilen 57, åpnes innløpsventilen 57 og oksyderende gass trekkes inn. Dersom gasskllden er atmosfærisk luft, vil innløpsventilen åpne når trykket i kompresjonskammeret er mindre enn atmosfærisk trykk. Når stempelet i kompresjonskammeret når og faller under midtpunktet av sitt slag, når stempelet i forbrenningskammeret 19 bunnen av sitt slag og snur retning. Avgassventilen 65 åpnes og når forbrenningsstempelet beveges inn i forbrenningskammeret, presses avgassene gjennom regeneratoren og avgir sin varme i prosessen. Én-veisventilen 61 forhindrer at avgasser kommer inn i kompresjonskammeret 9.

Når forbrenningsstempelet når og går forbi midtpunktet til sitt slag i forbrenningskammeret, når kompresjonsstempelet bunnen av sitt slag og snur retning. Når kompresjonsstempelet når sin nedre grense og begynner å bevege seg oppover, lukker innløpsventilen slik at oksyderende gass som ble trukket inn blir komprimert. Den flytende sprayen holder gassen nær til omgivelsestemperatur og gir derved en tilnærmet isoterm kompresjon. Under kompresjonen når kompresjonsstempelet er mellom sin nedre grense og midtpunktet av sitt slag, fortsetter ekspansjonsstempelet å bevege seg i ekspansjonskammeret 19 og presse varme forbrenningsgasser gjennom avgassåpningen 65 via regeneratoren 25. Når trykket i kompresjonskammeret overskrider trykket i forbrenningskammeret, vil én-veisventilen 61 som forbinder kamrene åpne og avkjøle den komprimerte gassen som passerer gjennom regeneratoren og fjerne varme slik at den kommer Inn i forbrenningskammeret ved høy temperatur. Forbrenningsstempelet snur retningen og beveger seg ut av forbrenningskammeret, mens kompresjonsstempelet når toppen av sitt slag i kompresjonskammeret. Rett før væskestempelet når toppen av sitt slag i kompresjonskammeret og rett før forbrenningsstempelet i forbrenningskammeret når midtpunktet av sitt slag, injiseres brennstoff i forbrenningskammeret 19 og antenner enten spontant eller ved hjelp av en pilotflamme eller gnist (ikke vist). Ved et punkt ved den fortsatte nedovervendte bevegelsen av forbrenningsstempelet ut av forbrenningskammeret, skrues brennstoffet av. Injeksjonsraten av brennstoff kan reguleres for å gi en tilnærmet isoterm ekspansjon. Kompresjonsstempelet vil ha snudd retningen og trekke inn en frisk tilførsel av gass inn i kammeret, og når forbrenningsstempelet når bunnen av sitt slag åpner avgassventilen 65 og cyklen gjentas.

For å unngå behovet for et svinghjul, kan det være tilveiebragt to sal løkker som er anordnet til å operere 90° ut av fase fra hverandre. Et mekanisk drivsystem kan brukes på samme måte som for maskinen med lukket cyklus. Væsken som danner væskestempelet i ledningene inneholder forbrenningskamrene og kompresjonskamrene kan være olje, vann eller eventuelt et annet fluid. Væskene i de to ledningene er ikke nødvendigvis den samme. Flotører 22, 24 som består av et fast materiale som flyter på overflaten av væskestempelet i hvert forbrenningskammer kan være anordnet for å begrense kontakten mellom forbrenningsgassene og væsken. Det kan også være tilveiebragt et kjøleorgan for avkjøling av forbrenn-ingskaramerveggene.

Både maskinen med lukket cyklus og maskinen med åpen cyklus beskrevet over danner et utgående arbeid som medfører store reciprokerende krefter ved lav frekvens, for eksempel ca. 1 Hz. Dersom maskinene skal brukes ved fremstilling av elektrisk kraft, betyr dette at man generelt må omdanne den saktehastlghetformen for mekanisk energi til en passelig drivform for en elektrisk generator. For enheter med midlere størrelser med en generatorkapasitet opp til ca.l MW kan det brukes en veivaksel med sakte hastighet forbundet til en generator ved passende gir. Alternativt kan det brukes en hypo-cyklisk girmekanisme eller et snekkehjulsgir. I tilfellet med hypo-cykliske gir er drivakselen til maskinen koblet til et planethjul med girtenner rundt sin ytre omkrets. Planethjulet ruller rundt innsiden av et fast hjul med girtenner på sin indre omkrets. Planethjulet er montert på en arm som roterer når planethjulet ruller rundt innsiden av det faste hjulet. Den roterende armen driver en generator via en hastighetsøkende girmekanisme. Dette gir samme type bevegelse som en veivaksel, men med den fordelen at man unngår store sidekrefter som ellers ville dannes av en veivaksel. Det er også mulig å gjøre det hypo-cykliske giret mer kompakt enn en konvensjonell veivaksel. Alternativt kan maskinen anpasses til å pumpe et hydraulisk fluid gjennom en turbin koblet til en generator. Denne teknikken vil være hensiktsmessig både for store og små enhetsstørrelser.

I en annen utførelsesform kan væskestemplene erstattes med faste stempler. Selv om det er mulig å bruke faste stempler 1 en lukket cyklusmaskin hvor arbeidsgassen føres frem og tilbake mellom ekspansjons- og kompresjonskamrene, kan det være vanskelig å oppnå en tilfredsstillende tetning av den innelukkede høytrykksgassen som sannsynligvis er helium eller hydrogen. Tetningen er mindre kritisk for den åpne cyklusmaskin hvor en frisk tilførsel av luft eller annen oksyderende gass brukes i hver cyklus og anvendelsen av faste stempler kan derved være mer hensiktsmessig i dette tilfellet. Fig. 3 viser en utførelsesform av denne typen varmemaskin.

Med henvisning til fig. 3, er det vist en utførelsesform av maskinen generelt betegnet med 100 og innbefatter fire sylindre 113, 115, 121 og 123. I hver sylinder er det tilveiebragt et stempel og hvert stempel er forbundet ved en veivaksel 169 med en koblingsstang 171. I denne utførelses-formen er maskinen orientert slik at veivakselen er over sylindrene. Kompresjonskamre 109 og 111 er fremstilt i to av sylindrene 113 og 115 og ekspansjonskammeret 117 og 119 er utformet i de andre sylindrene 121 og 123. Hvert kompresjonskammer har en gassinnløpsåpnlng 156, 158 kontrollert av en gasslnnløpsventll 157, 159 og en utløpsport for komprimert gass 173, 175. En gassfødelinje 177, 179 forbinder et kompresjonskammer 109, 111 med et respektivt ekspansjonskammer 119, 117 via en innløpsåpnlng 181, 183 for komprimert gass som hver er kontrollert av en gasslnnløps-ventll 185, 187 i ekspansjonskammeret 119, 117. Hvert ekspansj onskammer 117, 199 har en utløpsåpning 167, 165 for avgass kontrollert av en avgassventil 193, 191. Alle gassinnløps- og utløpsåpningene er anordnet nær bunnen av ekspansjons- og kompresjonskamrene.

En spraydyse 129, 131 er tilveiebragt 1 hvert kompresjonskammer 109, 111 for å injisere en væskespray i hvert kammer 109, 111 under kompresjonen. En separator 137, 139 er montert i hvert kompresjonskammer 109, 111 for å fjerne væske fra den komprimerte gassen før gassen forlater kompresjons-kammeret. Separatoren 137, 139 er anordnet over utløps-åpningen 173, 175 for komprimert gass. Det kan brukes forskjellige typer separatorer, men det er viktig at separatoren er så kompakt som mulig uten å danne et for stort trykkfall i gassen som kommer inn i kammeret eller den komprimerte gassen som kommer ut av kammeret. For å unngå at separatoren danner et trykkfall i strømmen av innløpsgass kan gasslnnløpsåpningen være anordnet på stempelsiden av separatoren. For å oppnå små trykktap innbefatter separatoren et antall små virvelfinner montert i korte rørseksjoner hvor rørseksjonene er anbragt parallelt. Den Induserte virvelen i gassen medfører at de medrevne dråpene kastes utover og oppsamles ved rørveggene. Virvelplnneseparatorer blir ofte brukt for eksempel I dampgeneratorer og damp til damp-gjenvarmere i trykkvannsreaktorer.

Hver separator 137, 139 er koblet til en ytre kjøler 197, 199 med en kanal 201, 203. Væskestrømmen fra separatoren til kjøleren kontrolleres med ventiler 205 og 207 som kan være én-veisventiler. Avkjølt væske fra kjøleren føres tilbake til et kompresjonskammer via en kanal 209, 211 og en ventil 129, 131 som kan være av én-veistype. Væskestrømmen rundt denne kretsen kan drives av de cykliske trykkvariasjoner i kompresjonskammeret som presser væsken gjennom én-veis-ventilene i ønsket retning. Det er nødvendig å opprettholde et gassrom over væskenivået i kjøleren for at denne prosessen skal kunne skje. Dette kan gjøres ved bruk av en nivåkontrol-ler, så som en kuleventil, montert I kjøleren. En separat tilførsel av væske kan være koblet til kjøleren for å erstatte eventuell væske som tapes i gasstrømmen til forbrenningskammeret. Denne væskeerstatningen kan også kontrolleres av nivåkontrolleren, dersom denne brukes.

Separatoren og kjølekretsen beskrevet over gir separasjon, resirkulasjon og pumping av den avkjølte væsken som en fin spray I kompresjonskammeret uten bruk av eksterne pumper. Et lignende arrangement kan også anvendes 1 varmemaskiner med væskestempler. For visse anvendelser kan det være passende ikke å bruke én-veisventiler oppstrøms av sprayinjektoren, men kontrollere injeksjonen ved for eksempel å bruke en kam som vil gi bedre kontroll av timingen av sprayen. Fortrinnsvis er timingen optimalisert til å ta hensyn til trykkdiffer-ansen mellom kjøleren og kompresjonskammeret og den endelige transittiden til dråpene inne i kammeret. Alternativt kan de interne eller eksterne pumper brukes for å drive væskestrøm-men gjennom sprayinjektorene. I dette tilfellet er pumpene fortrinnsvis mekanisk koblet til stempelakslene slik at det ikke er nødvendig med en separat kraftkilde. Spraypumpene vil sannsynligvis være mer hensiktsmessige for bruk med maskiner eller varmepumper hvor det er et væskestempel på grunn av de lavere driftshastighetene. I disse tilfellene kan transitt-tiden til dråpene være forholdsvis kort sammenlignet med den tiden maskinen bruker å gjennomgå en cyklus.

Hvert ekspansjonskammer 119, 117 har en regenerativ varmeveksler 125, 127 montert slik at gassen passerer gjennom varmeveksleren før den kommer inn i eller forlater ekspansjonskammeret via henholdsvis Innløps- og utløpsportene. Hvert ekspansjonskammer har en brennstoffinjeksjonsventil 174, 176 kontrollert av en passende tidsmekanisme og én tennplugg 178 for å antenne drivstoff/gassblandingen som kan brukes for å starte maskinen eller for både starting og kontinuerlig under drift.

Den regenerative varmeveksleren kan bestå av et stort antall parallelle kanaler med liten diameter og kort lengde for eksempel støpt i en bikakestruktur. Varmeveksleren er montert inne i forbrenningskammeret for å forenkle utformingen og minimalisere volumene av dødgass, men en separat generator kan være fordelaktig for visse anvendelser.

Kamrene er anordnet i par, hvor hvert par innbefatter et kompresjonskammer som mater kald komprimert gass til et ekspansjonskammer. Driftscyklusen til kammerparene er adskilt med 180°. I denne utførelsesformen oppnås dette ved en passende utformning av veivakselen 169. I hvert par ligger ekspansjonsprosessen 1 ekspansjonskammeret foran kompresj onsprosessen 1 kompresjonskammeret ved en forutbestemt fasevlnkel som i denne spesielle utførelsesformen er 90<*>. Igjen er fasevinkelen bestemt av utformningen til veivakselen 169. På denne måten skjer kompresjonen når mesteparten av gassen er i kompresjonskammeret og ekspansjonen skjer når mesteparten av gassen er 1 ekspansjonskammeret. Ekspansjonsprosessen som skjer i ekspansjonskammeret til et av kammerparene driver direkte kompresjonsprosessen som skjer i kompresjonskammeret I det andre paret.

Driftscyklusen til et par kamre foregår som følger. Først tilføres gass 1 kompresjonskammeret. Når kompresjonsstempelet når bunnen av sitt slag i kompresjonskammeret (dvs. det punktet på veivakselen 169 som er lengst bort), åpnes gassinnløpsporten 157 og gassen trekkes inn i kompresjons-kammeret når stempelet beveges ut av kompresjonskammeret 109. Samtidig lukkes lnnløpsporten 181 for komprimert gass 1 ekspansjonskammeret og brennstoff injiseres 1 ekspansjonskammeret 119 når ekspansjonsstempelet når sitt midtslag og beveges ut av ekspansjonskammeret. Blandingen av brennstoff og gass 1 ekspansjonskammeret antennes og forbrenningsgassene ekspanderer og driver ekspansjonsstempelet til toppen av sitt slag (dvs. det nærmeste punktet i forhold til veivakselen 169).

Ekspansjonsstempelet endrer retning og avgassventilen 193 åpnes og avgassene passerer gjennom regeneratoren 125 og støtes ut via avgassport 189. Gassen fortsetter å trekkes inn i kompresjonskammeret inntil kompresjonsstempelet når toppen av sitt slag når gasslnnløpsventllen 157 lukker. Kompresjonsstempelet endrer retning og beveges inn I kompresjonskammeret ved hvilket punkt kald væske sprrøytes inn i kammeret og avkjøler gassen under kompresjonen.

Når kompresjonsstempelet når sitt midtslag, når ekspansjonsstempelet bunnen av sitt slag I ekspansjonskammeret og endrer retning. Ved dette punktet lukkes avgassventilen 191 og den komprimerte gassinnløpsventilen 185 åpnes slik at kald komprimert gass fra kompresjonskammeret strømmer inn i ekspansjonskammeret. Den komprimerte gassen passerer gjennom regeneratoren 125 ved hvilken den forvarmes med varme fra avgassene.

Når kompresjonsstempelet i kompresjonskammeret når bunnen av sitt slag, lukkes innløpsventilen for komprimert gass 1 ekspansjonskammeret 119 og brennstoff injiseres i ekspansjonskammeret, blandes med forvarmet komprimert gass og antennes. Forbrenningsgassen ekspanderer og presser ekspansjonsstempelet til toppen av sitt slag og cyklen gjentas. Væske fjernet fra den komprimerte gassen før den forlater kompresjonskammeret presses ut av kompresjonskammeret gjennom ventilen 205. Væsken avkjøles I kjøleren 197 før den føres tilbake og injiseres i kompresjonskammeret.

Det andre kammerparet forløper gjennom en lignende cyklus, men som nevnt over er driftscyklene til hvert par adskilt av 180<*>. En slik maskin kan løpe tilfredsstillende dersom bevegelsen blir opprettholdt gjennom hele cyklen med et stort svinghjul. Maskinen kan Imidlertid bestå av to sett med fire sylindre forbundet med en enkelt veivaksel hvor operasjonen til hvert sett av fire sylindre er ut av fase ved 90°. Dette vil tillate en positiv drift ved alle trinn av cyklen med det resultat at det ikke er nødvendig med et svinghjul for å opprettholde kontinuerlig drift.

I tillegg kan det også være mulig å utforme en maskin innbefattende et kompresjonskammer og et ekspansjonskammer så lenge det er tilveiebragt et organ for å opprettholde driften av maskinen over den cyklusperioden mellom ekspansjons- eller forbrenningsslagene.

Orienteringen av en maskin med faste stempler kan være som vist i fig. 3 med veivakselen over sylindrene. Dette har den fordelen at adskillelse og fjerning av væskedråper fra sylinderen påhjelpes av gravitasjonen. På den andre siden er det ikke nødvendigvis enkelt å tilveiebringe smøring for veivakselen og det kan være andre praktiske ulemper med dette arrangementet. Et alternativt arrangement er å plassere veivakselen under sylindrene og anordne stempelet til å skyve den brukte sprayvæsken ut gjennom ventilen som fører til ekspansjonssylinderen. Organ for å utskille væsken kan deretter være tilveiebragt i røret som fører til ekspansjonskammeret. En alternativ separasjonsmetode for utformningen med veivakselen under sylinderen er at stempelet skyver væsken over en Indre dam ved toppen av sylinderen. Væsken vil deretter dreneres bort ved hjelp av gravitasjon. Dette ville utelukke behovet for et stort oppsamllngsrør og ytre separator.

Fordelen ved å bruke faste stempler i stedet for væskestempler er at det bør være mulig å kjøre maskinen med høyere hastigheter. Dette gir en større utgangseffekt for en gitt enhetsstørrelse slik at denne maskinen kan være anvendelig for mobile anvendelser, for eksempel i båter og kjøretøyer, i tillegg til statisk kraftfrembringelse. Forseglingen av stemplene vil generelt ikke være så god som dersom det ble brukt væskestempler, men forseglingen i en maskin med åpen cyklus er ikke så viktig som ved maskiner med en lukket cyklus. Det er også mulig å tenke seg en maskin bestående av både væske og faste stempler, for eksempel med væskestempler i kompresjonskamrene og faste stempler i forbrenningskamrene.

Fig. 4 viser en annen utførelsesform av en varmemaskin som ligner den som er vist i fig. 3, men som er modifisert på en rekke måter for forbedret ytelse Inkludert bedre effektivitet og en mye høyere utgangseffekt med hensyn til arbeidsrate.

Varmemaskinen vist i fig. 4 består av et par kompresj onssyl indre 113, 115 som hver har tilhørende sprayvæske-kjøling og resirkuleringsapparat og et par ekspansjons- eller forbrenningssylindre 121, 123 og beskrivelsen av disse komponenter beskrevet over i forhold til utførelsesformen vist i fig. 3 gjelder tilsvarende komponenter vist 1 fig. 4 og like komponenter er angitt med like referansenummer. Modifikasjonene av varmemaskinen som bidrar til forbedret ytelse som vist ved utførelsesformen vist i fig. 4, vil nå bli beskrevet.

Fuktighetsseparatorene 137 og 139 er fjernet fra det indre av kompresjonskamrene 109 og 111 og i stedet plassert utenfor kompresjonskamrene og er forbundet til fødelinjene 177, 179 for komprimert luft mellom utløpsåpningen 173, 175 for komprimert gass fra kompresjonskamrene og innløpsåpningene 165, 167 for varm komprimert gass fra ekspansjonskamrene 119 og 117. Ved å plassere fuktighetsseparatorene på utsiden av kompresjonskamrene fjernes dødvolumet inne i kamrene som ellers ville være tilstede gjennom hele kompresjonen og bidra til et lavere kompresjonsforhold. Utløpsventiler 204, 206 for komprimert gass er anordnet for å tette kompresjonskamrene 109, 111 fra volumet angitt av de ytre rørene som leder fra utløpsåpningene 173, 175 for komprimert gass fra kompresjonskamrene til innløpsåpningene til ekspansjonskamrene og kontrollere det endelige trykket av komprimert gass i hvert kompresjonskammer før gassen føres til et respektivt ekspansjonskammer og også for å kontrollere timingen av strømningen av komprimert gass til ekspansjonskamrene. Både bruk av utløpsventilene 204 og 206 og fjerning av fuktighetsseparatorene fra Innsiden av kompresjonskamrene gjør det mulig å oppnå mye høyere kompresjonsforhold.

De regenerative varmevekslerene 125 og 127 som er huset 1 ekspansjonskamrene 1 utførelsesformen vist i fig, 3 er erstattet med rekuperative varmevekslere 244 og 246 montert på utsiden av ekspansjonskamrene i utførelsesformen vist i fig. 4. Igjen vil dette i sterk grad redusere dødvolumet i ekspansjonskamrene slik at ekspansjonsenerglen til den varme komprimerte gassen som tilføres i ekspansjonskamrene ikke tapes ved først å ekspanderes i dødvolumet av avgassen fra den foregående cyklen innfanget i de regenerative varmevekslerene og dermed redusere gassens temperatur. Det kan derved oppnås mye høyere temperaturer i ekspansjonskammeret.

De rekuperative varmevekslerene 244 og 246 er hver forbundet med en respektiv komprimert gassfødelinje 177, 179 mellom en respektiv fuktighetsseparator 137, 139 og varm komprimert gassinnløpsåpningen 181, 183 til et respektivt ekspansjonskammer og er anordnet til å forvarme den kalde komprimerte gassen fra kompresjonskamrene med avgass som kommer ut av ekspansjonskamrene i avgassåpnlngene 165, 167. Det økte kompresjonsforholdet som kan oppnås ved maskinen vist i fig. 4 betyr at forholdet mellom absolutt temperatur før og etter ekspansjonen også økes. Temperaturen etter ekspansjonen vil sannsynligvis være lik for begge maskinene vist i fig. 3 og 4 siden dette er bestemt av materialene I varmeveksleren. Siden topptemperaturen til maskinen vist i fig. 4 vil være høyere og middelstemperaturen til varmetilføringen under ekspansjonen vil også være høyere. De ovennevnte forbedringene gjør det mulig å oppnå både høyere trykkdifferanser og høyere temperaturer i cyklen hvor varme fjernes ved den laveste temperaturen i cyklen og varme tilføres ved den høyeste temperaturen, noe som fører til en økt utgående effekt.

Ytterligere modifikasjoner er gjort ved utførelsesformen i fig. 4 for å gjenvinne avfalls- eller overskuddsvarme i forskjellige deler av cyklen og omdanne denne varmen til brukbar energi for å øke maskinens effekt. Spesielt er hver av forbrenningssyUndrene 123, 121 omgitt av en kjølekappe 212, 214 for gjenvinning av varme som er ledet gjennom forbrenningskammerveggene. En bypassledning 208, 210 er koblet i fødelinjen 177, 179 for komprimert gass mellom fuktighetsseparatoren 137, 139 og den rekuperative varmeveksleren 244, 246 for å tilføre kald komprimert luft fra kompresjonskammeret 109, 111 til kjølekappen 212, 214. Bypasslinjen 208, 210 er tilkoblet nær bunnen på kjølekappen 212, 214 hvor temperaturen til forbrenningskammerveggene er minst. Et par ekspansjonssylindre 220, 222 er tilveiebragt med tilhørende stempel 224, 226 som også er forbundet til veivakselen 169 via koblingsstenger 171. Hvert ekspansjonskammer har en gassinnløpsåpnlng 216, 218 kontrollert av en innløpsventil 232, 234 og en gassutløpsåpning 236, 238 kontrollert av en utløpsventil 240, 242. Innløpsventilen 216, 218 er tilkoblet til et punkt nær toppen av kjølekappen 212, 214 hvor den øverste delen omgir avgassåpningen og strekker seg til den varme siden av den rekuperative varmeveksleren 244, 246 hvor temperaturen er antatt å være høyest.

Varmen som tapes til veggene ved toppen av forbrenningskammeret gjenvinnes og omdannes til brukbart arbeid ved å føre en del av den kalde komprimerte gassen fra kompresjonskamrene til forbrenningskammerveggene. Komprimert luft er mye mer effektiv som et kjølemedium enn luft ved atmosfærisk trykk. Den kalde komprimerte luften trenger inn i kjølekappen nær bunnen for først å avkjøle forbrenningskammerveggene siden forbrenningskammerveggene må holdes under en temperatur som er bestemt av smøreoljen. Den komprimerte gassen skyves oppover i kjølekappen mot toppen av forbrenningskammeret, absorberer varme og får gradvis en stigning av temperaturen. Etter å ha vunnet en del varme ved denne kjøleprosessen blir den komprimerte luften deretter brukt til å kjøle de varmere delene av systemet, så som sylinderhodet og ventiler. Til slutt blir den varme komprimerte luften intermittent fjernet fra kjølesystemet ved å åpne innløpsventilen til ekspansjonskammeret hvor den ekspanderes og driver det tilhørende stempelet ut av kammeret og danner derved ytterligere mekanisk arbeid.

Siden varmekapasiteten til avgassene som forlater forbrenningskammeret i praksis generelt vill være større enn den komprimerte gassen fra kompresjonskamrene, vil det være mer varme tilgjengelig i avgassen enn det som er nødvendig for å forvarme den kalde komprimerte gassen i de rekuperative varmevekslerene. Denne overskuddsvarmen kan også gjenvinnes ved å komprimere mer gass enn det som er nødvendig for forbrenning, føre denne gassen gjennom de rekuperative varmevekslerene hvor den forvarmes med overskuddsvarme som er tilgjengelig i avgassen og deretter føre denne forvarmede komprimerte gassen til et eller flere av ekspansjonskamrene.

Fordelen med denne modifikasjonen er en reduksjon av sluttemperaturen til avgassene og en økning av maskinens brennstoffeffektivitet.

Et eller flere ekspansjonskamre for å gjenvinne avfalls-eller overskuddsvarme fra forskjellige deler av maskinen kan også anvendes i de andre utførelsesformene beskrevet her.

Utførelsesformen av varmemaskinen vist i fig. 4 er i det vesentlige symmetrisk om den vertikale senterlinjen A hvor den høyre halvdelen av maskinen er et speilbilde av den venstre halvdelen. I denne spesielle utførelsesformen er de tre stemplene til venstre for senterlinjen A 180' ut av fase fra de tre stemplene til høyre for senterlinjen siden dette er antatt å gi den mest uniforme momentet på veivakselen 169. Forbrenningskammerstemplene i hver halvdel av maskinen er anordnet via veivakselen til å lede de korresponderende kompres jonskammer stempl ene ved ca. 90* . Dette vil gi et høyt moment til veivakselen på det tidspunkt når det er nødvendig å oppnå et høyt trykk i kompresjonskammeret. Dette arrangementet har også den mulige fordelen at komprimert luft trekkes Inn i forbrenningskammeret fra fødelinjen og varmevekslerene før denne gassen etterfylles ved åpning av utløpsventilen fra kompresjonskammeret.

En fullstendig drlftscyklus til varmemaskinen vist i fig. 4 vil nå bli justert med henvisning til kun de tre sylindrene til venstre av senterlinjen, siden driften av høyre side av maskinen i det vesentlige er den samme, men er 180° ut av fase. I dette eksempelet er luft brukt som oksyderende gass for forbrenning selv om dette nødvendigvis ikke behøver å være tilfellet.

Når stempelet 112 i kompresjonskammeret 109 når toppen av sitt slag og begynner å endre retning, lukkes den komprimerte gassutløpsventilen 204 og innløpsventilen 157 åpner og atmosfærisk luft trekkes Inn i kompresjonskammeret gjennom luftinnløpsåpningen 156. Samtidig som kompresjonsstempelet 112 når toppen av sitt slag, er stempelet 122 i forbrenningskammeret og stempelet 224 i ekspansjonskammeret ved midtpunktet av deres slag og beveger seg nedover. Forbrenningskammeret ved dette punktet Inneholder trykksatte varme forbrennlngsgasser som ekspanderer og driver stempelet ut av kammeret. På samme måte inneholder ekspresjonskammeret 228 varm trykksatt luft som også ekspanderer og driver ekspansjonsstempelet 244 ut av kammeret. Utløpsventllene I både forbrenningskammeret og ekspansjonskammeret er lukket og lnnløpsventilene kan også være lukket.

Når kompresjonsstempelet 112 når midtpunktet av sitt slag, når forbrennings- og ekspansjonsstemplene bunnen av sine slag og snur retning. Ved dette punktet er avgassutløpsventil 191 i forbrenningskammeret og gassutløpsventil 240 i ekspansjonskammeret begge åpne. Når stemplene beveges i sine respektive kamre, støtes avgass ut fra forbrenningskammeret gjennom utløpsåpningen 165 og passerer gjennom varmeveksleren 244 og ut i atmosfæren. På samme måte blir ekspandert gass skjøvet ut av ekspansjonskammeret gjennom gassutløpsåpning 236. Reduksjon av nitrogenoksider i avgassene kan om ønskelig oppnås ved å injisere ammoniakk oppstrøms av eller direkte Inn i varmeveksleren og/eller ved å Innbefatte en katalyttlsk overflate i selve varmeveksleren.

Når forbrennings- og ekspansjonskammerstemplene 212, 224 når midtpunktet av sitt oppovervendte slag, når kompresjonsstempelet 112 bunnen av sitt slag og snur retning. Ved dette punktet lukker luftinnløpsventil 157 og en spray av kald væske injiseres i kompresjonskammeret 109 via sprayinjek-sjonsventilen 129 slik at luft i kompresjonskammeret komprimeres tilnærmet isotermt.

Når forbrennings- og ekspansjonsstemplene når toppen av sine slag, vil begge deres respektive utløpsventiler 191, 240 lukkes og deres respektive luftlnnløpsventiler 185, 232 åpnes og kjører forvarmet komprimert luft inn i kamrene via respektive luftinnløpsåpninger 181, 216. Ved et forutbestemt punkt lukkes innløpsventilen som tilfører forvarmet komprimert luft til forbrenningskammeret og brennstoff injiseres i kammeret via brennstoffinjeksjonsventil 175. En tennkilde 178, så som en tennplugg, kan brukes for å antenne brennstoffet eller antennelsen kan være spontan når brennstoffet blandes med forvarmet komprimert luft. Stempelet 212 drives ut av forbrenningskammeret 119 på grunn av trykket fra de varme forbrennlngsgassene som i en viss grad avkjøles som et resultat av at den utfører et arbeid mot stempelet.

Gasslnnløpsventll 232 1 ekspansjonskammeret 228 er også lukket ved et forutbestemt punkt og luften ekspanderer adiabatisk og driver stempelet 224 nedover og ut av kammeret.

Når stempelet 112 i kompresjonskammeret 109 er nær toppen av sitt slag, åpnes utløpsventilen 204 for komprimert gass og blandingen av luft og sprayvæske støtes ut fra kammeret og inn i fuktighetsseparatoren 137 hvor luft og væske separeres. Fuktighetsseparatoren 137 er dimensjonert ikke bare til å oppnå separasjon av luft/vaeskeblandingen, men også virke som et reservoir for væsken og en trykkakkumulator for den komprimerte luften.

Væske strømmer fra fuktighetsseparatoren 137 til kjøleren 197 hvor varmen som er absorbert under kompresjonsprosessen frigjøres til atmosfære eller en annen varmekappe. Væske fra kjøleren 197 strømmer deretter tilbake til væskespray-Injeksjonsventilen 129 som kontrollerer injeksjonen av væske under kompresjonen. Siden injeksjonen av spray normalt vil skje mens trykket i kompresjonskammeret er under sitt maksimum, bør det være mulig å oppnå en tilstrekkelig injeksjon i løpet av denne tiden. Ved det tidspunkt at trykket er steget til injeksjonstrykket og injeksjons-strømmen er avstengt, vil tilstrekkelige væskedråper allerede være tilstede i kompresjonskammeret. Kompresjonskammer-stempelet 112 kan derved effektivt utgjøre et organ for å pumpe væsken rundt kjølekretsen og gjennom sprayinjeksjons-dysene.

Kald komprimert luft strømmer fra fuktighetsseparatoren 137 til den rekuperative varmeveksleren 224 hvor den forvarmes av avgasser fra forbrenningskammeret 119.

Når stempelet 112 i kompresjonskammeret 109 har nådd toppen av sitt slag, lukkes utløpsventilen 204 for komprimert gass, luftinnløpsventilen 157 åpnes og cyklen gjentas.

Fasingen til stemplene i de forskjellige kamrene er ikke for kritisk, spesielt dersom maskinen har et stort svinghjul for å opprettholde sin bevegelse. Det vil imidlertid generelt være ønskelig å jevne ut momentet ut på veivakselen for å minimalisere de påkjenningene for å opprettholde en jevn bevegelse og for å minimalisere vibrasjoner. Fasingen til stemplene vil også påvirke "pustingen" dvs. strømmen av luft fra kompresjonskammeret til forbrenningskammeret og trykk-variasjonene i fuktighetsseparatoren og varmeveksleren. Selv om fasevinkelen mellom forbrennlngskammerstemplene og kompresjonskammerstemplene er ca. 90' 1 utførelsesformen vist i fig. 4, kan fasevinkelen være forskjellig i andre utførelsesformer, men valget av fasevinkel er et spørsmål om nøyaktig optimalisering i lys av praktisk erfaring og mål inger.

Selv om utførelsesformene vist i fig. 4 har to fuktighets-separatorer og to varmevekslere, kan varmemaskinen være utformet med færre separatorer og/eller varmevekslere slik at en enkelt separator og/eller varmeveksler deles mellom to eller flere sylindre. Dette kan med fordel redusere størrel-sen på disse komponentene, forbedre luftstrømmens uniformitet og eventuelt redusere kostnadene.

En ytterligere utførelsesform av maskinene med åpen cyklus beskrevet over Innbefatter en turbolader i cyklen, slik som er brukt for bensin- eller dieselmotorer. Turboladeren kan bestå av en roterende kompressor og en roterende ekspander på samme aksel. Kompressoren forsterker trykket til den atmosfæriske luften før den føres inn i det isoterme kompresjonskammeret. Kompressoren drives fortrinnsvis av ekspanderen som er anordnet mellom avgassutløpet til forbrenningskammeret og avgassinnløpet til varmeveksleren. Den totale virkningen av turboladeren er å øke det midlere trykket til gassene 1 både kompresjons- og forbrenningskamrene slik at en maskin med en gitt størrelse har mer kraft. Bruk av en turbolader vil ha en tendens til å redusere maskinens effekt i en svak grad på grunn av den lavere effekten til den roterende kompressoren og ekspanderen og fordi turbokompressoren komprimerer adiabatisk i stedet for isotermt. Bruk av en turbolader kan imidlertid være hensiktsmessig fordi den reduserte virkningen kan mer enn oppveies av den store økningen av utgangsenergien fra en maskin med samme størrelse.

Selv om utførelsesformen 1 flg. 4 viser at veivakselen driver en generator 247, kan maskinen alternativt brukes til å drive vei eller skinnehjul eller en skipspropell.

I en alternativ utførelsesform kan stemplene være koblet sammen og drives av et roterende mekanisk system annet enn en veivaksel, for eksempel et hypo-cyklisk gir.

I nok en utførelsesform kan det være fordelaktig å anordne maskinen slik at kompresjonsprosessen i kompresjonskammeret skjer ved en lavere hastighet enn forbrenningen i forbrenningskamrene. Med andre ord kan maskinen være anordnet slik at det er flere forbrenningscykler pr. tidsenhet enn kompre-sjonscykler. Dette kan oppnås ved å tilveiebringe passende gir mellom veivakselen til kompresjonskammeret og den til forbrenningskammeret. Dersom maskinen også har et luftekspan-sjonskammer for å gjenvinne avfalls- eller overskuddsvarme i forskjellige deler av cyklen, vil det også være mulig å anordne maskinen slik at luftekspansjonscyklusen er raskere enn den Isoterme kompresjonscyklusen. Fordelene med et slikt arrangement ville være at kompresjonsprosessen alltid vil holdes ved en moderat hastighet for å gi tilstrekkelig tid for overføringen av varme mellom gassen og væskedråpene slik at kompresjonsprosessen alltid kan være i det vesentlige isoterm, at varmetapene pr. cyklus fra forbrenningskammeret reduseres slik at det oppnås høyere effektivitet og at utgangsenerglen fra maskinen kan være høyere.

Enhver av maskinene beskrevet over kan lett anpasses for bruk med kombinerte varme- og energisystemer, om nødvendig. Bruk av en ikke-kondenserende gass som arbeldsgass gir mye større fleksibilitet for valg av driftstemperaturer enn en kondenserende dampcyklus. Systemet er lett å justere for å fjerne varme ved en høyere temperatur enn det som vil bli brukt for energidannelse alene.

Det vil være innlysende for en fagmann innen området at det er mange alternative mekaniske arrangementer for å omdanne den lineære bevegelsen til et stempel til en rotasjon av en drivaksel. Hvor et væskestempel brukes og den del av det mekaniske drevet innbefatter et drev eller transmisjonsaksel som strekker seg gjennom veggen i en rørledning, som vist i fig. 1 og 2, og det tilveiebringes en tetning mellom veggen og den frem- og tilbakegående drlvakselen. En mulig ulempe med dette arrangementet er imidlertid at det kan være betydelig friksjon mellom tetningen og drlvakselen. Et alternativt arrangement som muligens vil redusere friksjonen innbefatter en tannstang med drev anordnet I den horisontale delen av rørledningen. Drevet vil være roterbart montert med sin akse på tvers av stempelets bevegelsesretning og tann-stangen vil passende være koblet eller forbundet til det faste stempelet eller stemplene. Drevet kan være anordnet til å drive en roterbar aksel som strekker seg gjennom veggen til ledningen via en tetning for å overføre energi ut fra stempelet. Det faste stempelet som er koblet til bevegelsen av væskestempelet, vil være anordnet til å bevege seg bakover og fremover til den ene eller andre armen til ledningen, og det kan anvendes mer enn et slikt fast stempel i en ledning.

Alternativt kan den lineære bevegelsen til stempelet omdannes til rotasjonsbevegelse av drlvakselen ved å montere en form for fluidskrue så som en propell eller turbinblad på innsiden av ledningen som er roterbart montert på en drivaksel som strekker seg gjennom ledningen. I dette tilfellet er drlvakselen parallell med stempelets bevegelsesretning. Hvor det brukes reciprokerende drivaksler I to sallløkker, kan det være passende å koble drlvakselen fra en kompresjonsløkke til drlvakselen på den andre kompresjonsløkken. Et hydraulisk drlvsystem kan brukes 1 stedet for et mekanisk system. I det ovennevnte tilfellet vil hver kombinerte drivaksel til salløkken drive et eksternt reciprokerende stempel i en ytre hydraulisk sylinder for å pumpe hydraulisk fluid. Den forutbestemte fasevinkelen (for eksempel 90° ) mellom de to kombinerte drivakslene kan oppnås ved tidsbestemt åpning av ventilene I de hydrauliske sylindrene for å forhindre at noen av akslene avviker for mye fra den ønskede posisjonen ved et spesielt trinn I cyklen.

I maskiner hvor det brukes væskestempler, kan faste flottører anordnes til å flyte på overflaten av væskestemplene.

En fagmann innen området vil kunne innse modifikasjoner av de beskrevne utførelsesformer.

Claims (32)

1. Varmemaskin innbefattende et kompresjonskammer (9, 11, 109,

111) inneholdende en gass som skal komprimeres og et første stempel (5, 112, 114) for å komprimere gassen ved bevegelse av stempelet i kompresjonskammeret og drivorgan (49, 53, 169) anordnet til å bevege det første stempelet inn i kompresjonskammeret for å komprimere gassen, et ekspansj onskammer (17, 19, 117, 119, 228, 230) og et andre stempel (7, 120, 122, 224, 226) slik at gassen kan ekspandere i dette ved bevegelse av det andre stempelet ut av ekspansjonskammeret, organ (25, 27, 173, 175, 177, 179) for å mate komprimert gass fra kompresjonskammeret til ekspansjonskammeret og oppvarmingsorgan (25, 27, 33, 35, 125, 127, 174, 176, 244, 246) anordnet til å oppvarme den komprimerte gassen fra kompresjonskammeret, transmlsjonsorgan (51, 55, 168, 169, 171) innbefattende et fast legeme operativt forbundet til det andre stempelet slik at energi kan fjernes fra maskinen, karakterisert ved at organ (29, 31, 127,

131) for å danne en væskespray i kompresjonskammeret (9, 11, 109, 111) for å avkjøle gassen med kompresjon i dette, og separatorinnretning (37, 39, 137, 139) for å separere væske fra den komprimerte gassen som forlater kompresjonskammeret.

2. Maskin i henhold til krav 1, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter organ (33, 35, 125, 127, 174, 176) for å tilføre varme til gassen i ekspansjonskammeret under ekspansjon av denne og at oppvarmingsorganet eventuelt innbefatter varmevekslerorgan (25, 27, 125, 127, 244, 246) anordnet til å forvarme komprimert gass fra kompresjonskammeret med varme fra gass ekspandert 1 ekspansjonskammeret.

3. Maskin i henhold til krav 2, karakterisert ved at den innbefatter returorgan (25, 27) for å føre ekspandert gass som forlater ekspansjonskammeret tilbake til kompresjons-kammeret for rekompresjon.

4. Maskin i henhold til krav 3, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter organ (25, 27) for å avkjøle den ekspanderte gassen før den føres tilbake til kompresjons-kammeret og at avkjølingsorganet eventuelt innbefatter varmevekslerorgan (25, 27).

5. Maskin i henhold til et eller flere av kravene 2 til 4, karakterisert ved at organet for å tilføre varme innbefatter organ (33, 35) for å danne en spray av varm væske i ekspansjonskammeret.

6. Maskin i henhold til krav 5, karakterisert ved at den innbefatter tilførselsorgan anordnet for å tilføre væsker med minst to forskjellige temperaturer for bruk 1 væskesprayen 1 ekspansjonskammeret.

7. Maskin i henhold til krav 6, karakterisert ved at den innbefatter organ (33, 35) for å danne en væskespray i ekspansjonskammeret (17, 19) under kompresjon av gassen i dette for å kontrollere temperaturen til gassen.

8. Maskin i henhold til krav 1, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter et forbrenningskammer (117, 119) for forbrenning av brennstoff og hvor oppvarmingsorganet innbefatter organ (212, 214) for å oppvarme komprimert gass fra kompresjonskammeret med varme ledet over minst en av overflatene som definerer forbrenningskammeret (117,

119).

9. Maskin i henhold til krav 8, karakterisert ved at den Innbefatter et tredje stempel (120, 122) 1 forbrenningskammeret anordnet til å drives av forbrenningen i forbrenningskammeret og operativt forbundet med transmisjonsorganet (169, 171).

10. Maskin i henhold til krav 2, karakterisert ved at den innbefatter første ventilorgan (57, 59, 157,

159) som tilfører gass for forbrenning i kompresjonskammeret, andre ventilorgan (61, 63, 204, 206, 183, 185) som forhindrer at gass i ekspansjonskammeret returnerer til kompresjonskammeret gjennom mateorganet og hvor organet for å tilføre varme Innbefatter organ (73, 74, 174, 176) for å tilveiebringe et brennbart brennstoff i ekspansjonskammeret.

11. Maskin i henhold til krav 10, karakterisert ved at den innbefatter organ (160, 162) for å kontrollere strømnlngsraten av brennbart brennstoff inn i ekspansjonskammeret .

12. Maskin i henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter ventilorgan (61, 63, 185, 187, 204, 206) for kontroll av gasstrømmen fra kompresjonskammeret inn i ekspansjonskammeret og at ventilorganet eventuelt innbefatter utløpsventilorgan (204, 206) anordnet for å kunne fjerne gass fra kompresjonskammeret etter kompresjonen og/eller at ventilorganet Innbefatter innløpsventilorgan (185, 187) for å kunne tilføre varm komprimert gass fra oppvarmingsorganet Inn i ekspansjonskammeret.

13. Maskin i henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at den innbefatter et ytterligere kammer (228, 230) som inneholder gass som skal ekspanderes og et ytterligere stempel (224, 226) for ekspansjon av gassen ved bevegelse av stempelet ut av det ytterligere kammeret, organ (177, 179, 216, 218) for å mate komprimert gass fra kompresjonskammeret til det ytterligere kammeret og organ (212, 214, 244, 246) for å forvarme den komprimerte gassen før den kommer inn i det ytterligere kammeret, hvilket forvarmingsorgan fortrinnsvis innbefatter organ (212, 214) for å forvarme den komprimerte gassen med varme som er ledet gjennom minst en av overflatene som definerer ekspansjonskammeret, og/eller at forvarmingsorganet Innbefatter varmevekslerorgan (212, 214) anordnet til å forvarme komprimert gass med ekspandert gass fra ekspansjonskammeret .

14. Maskin i henhold til krav 13, karakterisert ved at det ytterligere stempelet (224, 226) er operativt forbundet med transmisjonsorganet (169, 171).

15. Maskin i henhold til et eller flere av kravene 12 til 14, karakterisert ved at den innbefatter ytterligere ventilorgan (232, 234) som operativt kontrollerer strømningen av komprimert gass fra forvarmingsorganet inn i det ytterligere kammeret.

16. Maskin i henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at drivorganet innbefatter kobllngsorgan (169, 171) koblet til transmisjonsorganet slik at det første og andre stempelet under bruk beveges i et forutbestemt faseforhold, og/eller at drivorganet (49, 53, 169, 171) er operativt forbundet til transmisjonsorganet (51, 55, 169, 171) slik at det andre stempelet som drives med ekspansjon av gass i ekspansjonskammeret driver det første stempelet inn i kompresjonskammeret.

17. Maskin i henhold til krav 16, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter en veivaksel (169) operativt forbundet til minst et av drivorganet og trans-mi sj onsorganet.

18. Maskin I henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at den er anordnet slik at tiden for å fullstendiggjøre et kompresjonsslag i kompresjonskammeret (109, 111) er større enn tiden for å fullstendiggjøre ekspansjonsslaget i ekspansjonskammeret (117, 119, 228, 230), og/eller at den er anordnet slik at tiden for å fullstendiggjøre kompresjonsslaget i kompresjonskammeret (109, 111) er større enn tiden for å fullsten-diggjøre ekspansjonsslaget i det ytterligere kammeret, (228, 230) og/eller at den er anordnet slik at tiden for å full-stendiggjøre to etterfølgende kompresjoner i kompresjonskammeret (109, 111) er større enn tiden for å fullstendig-gjøre to etterfølgende ekspansjoner i ekspansjonskammeret (228, 230).

19. Maskin i henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at den innbefatter organ (1, 3) for å inneholde et væskelegeme (5, 7) og innbefatter en ledning (1, 3) som danner minst et av stemplene (5, 7), hvilke organ for å inneholde et væskelegeme innbefatter minst et av kamrene (9, 11, 17, 19) ved en ende derav, hvilket organ for å inneholde et væskelegeme eventuelt er utformet som en generelt U-formet ledning (1, 3).

20. Maskin i henhold til krav 19, karakterisert ved at den inneholder et par generelt U-formede ledninger (1, 3) som hver inneholder et væskelegeme som et stempel (5, 7), et kompresj onskammer (9, 11) dannet i hver arm av en ledning (1) og ekspans jonskammer dannet i hver arm til den andre ledningen (3), og organ (25) for å mate komprimert gass fra et av kompresjonskamrene til et av ekspansjonskamrene og organ (27) for å mate komprimert gass fra det andre kompresjonskammeret til det andre ekspansjonskammeret.

21. Maskin i henhold til krav 20, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter et annet par generelt U-formede ledninger hvor væskestempelet i en U-formet ledning innbefattende ekspansjonskammeret under bruk er i det vesentlige 90° ut av fase med væskestempelet i den korresponderende U-formede ledningen som innbefatter det andre ekspansjonskammeret.

22. Maskin I henhold til et eller flere av kravene 19 til 21, karakterisert ved at det eller hvert første stempel (5) innbefatter en væske og drivorganet innbefatter et legeme (49) anordnet til å samvirke med det første stempelet slik at bevegelse av legemet gir bevegelse i minst en retning til stempelet hvilket legeme eventuelt innbefatter et fast stempel (49).

23. Maskin i henhold til krav 22, karakterisert ved at den Innbefatter en aksel (53) forbundet til det faste stempelet (49) og strekker seg gjennom veggen til ledningen (1) som Innbefatter væskestempelet (5).

24. Maskin i henhold til et eller flere av kravene 19 til 23, karakterisert ved at det eller hvert andre stempel (7) innbefatter en væske og overføringsorganet innbefatter et legeme (51) anordnet til å samvirke med det andre stempelet (7) slik at bevegelse av væskestempelet i minst en retning overføres til dette, hvilket legeme eventuelt innbefatter et fast stempel (51).

25. Maskin i henhold til krav 24, karakterisert ved at den Innbefatter en aksel (55) koblet til det faste stempelet (51) og strekker seg gjennom veggen til ledningen (3) innbefattende væskestempelet (7).

26. Maskin i henhold til et eller flere av kravene 19 til 25, karakterisert ved at den innbefatter et organ for å tilføre det eller hvert organ for å danne en spray med en væske fra væskestempelet, hvilket tilførsels-organ fortrinnsvis innbefatter en pumpe anordnet til å drives av væskestempelet.

27. Maskin I henhold til et eller flere av kravene 1 til 18, karakterisert ved at det første og andre stempelet (112, 114, 120, 122, 224, 226) Innbefatter et fast materiale.

28. Maskin i henhold til krav 27, karakterisert ved at den Innbefatter et par kompresjonskamre (109, 111) og et par ekspansjonskamre (117, 119, 228, 230) hvor stemplene (112, 114) 1 kompresjonskamrene under bruk er anordnet til å bevege seg i det vesentlige i motfase med hverandre og stemplene (120, 122, 224, 226) i ekspansjonskamrene er anordnet til å bevege seg i det vesentlige i motfase med hverandre, og at den fortrinnsvis innbefatter et annet par kompresjonskamre (109, 111) og et annet par ekspansjonskamre (117, 119) hvor, under bruk, stemplene (112, 114) i et par av kompresjonskamrene (109, 111) er anordnet til å operere i det vesentlige 90° faseforskjøvet med stemplene i det andre paret kompresjonskamre og stemplene (120, 122) i et par av ekspansjonskamre (117, 119) er anordnet til å operere i det vesentlige 90° faseforskjøvet med stemplene i det andre paret ekspansjonskamre.

29. Maskin i henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at varmevekslerorganet innbefatter en regenerator (25, 27, 125, 127), og/eller en rekuperativ varmeveksler (244, 246).

30. Maskin i henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at separatororgan (37, 39, 41, 43, 137, 139) er plassert på utsiden av kompresjons-kammeret (9, 11).

31. Maskin i henhold til et eller flere av kravene 5 til 7, karakterisert ved at den innbefatter separatororgan (41, 43) anordnet til å separere væske fra gassen som forlater ekspansjonskammeret (17, 19).

32. Maskin i henhold til et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at den Innbefatter tilførselsorgan anordnet for å tilføre væsker ved minst to forskjellige temperaturer for bruk i væskesprayen i det eller hvert kompresjonskammer (9, 11).