AT515213B1 - Heißgasmotor - Google Patents

Abstract

Bei einem Heißgasmotor, umfassend einen Kolben (5), welcher in einem mit einem Gas gefüllten Arbeitsraum (8) eines Zylinder (1) hin- und herbewegbar geführt ist, wobei der Zylinder (1) zumindest einen beheizbaren Bereich (2) und zumindest einen kühlbaren Bereich (3) aufweist, und der Zylinder (1) zumindest eine verschließbare Öffnung (11,12) umfasst, die den Arbeitsraum (8) mit der Umgebung (23) oder einer gasdichten Kammer (18) außerhalb des Zylinders (1) verbindet, wobei der Kolben (5) mit einer bewegbaren Einrichtung, bspw. einem Pleuel (15), verbindbar ist, ist die zumindest eine Öffnung (11,12) des Zylinders (1) mit einem stationären Aufladerohr (13,14) verbunden.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor, umfassend einen Kolben, welcher in einemmit einem Gas gefüllten Arbeitsraum eines Zylinder hin- und herbewegbar geführt ist, wobei derZylinder zumindest einen beheizbaren Bereich und zumindest einen kühlbaren Bereich auf¬weist, und der Zylinder zumindest eine verschließbare Öffnung umfasst, die den Arbeitsraummit der Umgebung oder einer gasdichten Kammer außerhalb des Zylinders verbindet, wobei derKolben mit einer bewegbaren Einrichtung, bspw. einem Pleuel, verbindbar ist.

[0002] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegung, bei demein erster Bereich eines Zylinders von außen erwärmt wird, sodass sich ein im Zylinder befindli¬ches Gas erwärmt und einen Überdruck erzeugt, der einen im Zylinder befindlichen Kolben ineine erste Richtung bewegt, und ein zweiter Bereich des Zylinders von außen gekühlt wird,sodass sich das im Zylinder befindliche Gas abkühlt und einen Unterdrück erzeugt, wobei derKolben in eine zweiten Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, bewegt wird.

[0003] Heißgasmotoren sind in mehreren Varianten bekannt, bspw. als Stirling-Motor. Dievorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Heißgasmotoren der eingangs genannten Art. Diesewurden erstmals in den 1950er Jahren von A.D. Manson beschrieben und werden daher auchManson-Motoren genannt.

[0004] Ein solcher Manson-Motor funktioniert grundsätzlich folgendermaßen. In einem Zylinderwird ein Kolben geführt, welcher zusammen mit dem Zylinder einen Arbeitsraum ausbildet.Dieser Arbeitsraum beinhaltet ein Gas. In einem ersten Bereich des Zylinders wird das Gas vonaußen erhitzt und in einem zweiten Bereich wird das Gas von außen gekühlt. Durch die Bewe¬gung des Kolbens wird das Gas zwischen diesen beiden Bereich hin- und hergeschoben. EinArbeitszyklus besteht aus einem Hub und einem entgegengesetzten Hub.

[0005] Befindet sich der Kolben in einem ersten Totpunkt, so wird er durch das sich ausdeh¬nende, erhitzte Gas in Richtung eines zweiten Totpunktes bewegt. Dort angekommen, wird beiden meisten Heißgasmotoren dieser Art eine Öffnung freigegeben, die einen Druckausgleichzwischen dem Überdruck im Arbeitsraum und dem Umgebungsdruck ermöglicht. Anschließendwird der Kolben in die entgegengesetzte Richtung angeregt und das Gas in den kühlbarenBereich gedrückt, wo es gekühlt wird und sich zusammenzieht, sodass im Arbeitsraum einUnterdrück entsteht, der den Kolben in Richtung des ersten Totpunktes bewegt. Ist der Kolbendort angekommen, wird wieder eine Öffnung freigegeben und der Unterdrück gleich sich mitdem Umgebungsdruck aus.

[0006] Vorteile von Heißgasmotoren allgemein gegenüber anderen Motoren, bspw. Verbren¬nungskraftmaschinen, sind die geringen Abgasemissionen und die Möglichkeit der kontinuierli¬chen Beheizung bzw. Kühlung.

[0007] Vorteile von Manson-Motoren gegenüber anderen Heißgasmotoren sind insbesondereder einfache Aufbau und die geringe Anzahl an beweglichen Teilen.

[0008] Nachteilig bei Manson-Motoren gemäß dem Stand der Technik ist, dass der Druckunter-schied zwischen dem Arbeitsraum und der Umgebung während des Druckausgleiches wir¬kungslos verpufft.

[0009] Das Dokument DE 29921016 U1 offenbart einen Heißgasmotor der eingangs genanntenArt.

[0010] Das Dokument GR 1006638 B2 offenbar einen Heißgasmotor, umfassend einen Kolben,welcher in einem mit einem Gas gefüllten Arbeitsraum eines Zylinders hin- und herbewegbargeführt ist, wobei der Kolben mit einer bewegbaren Einrichtung, bspw. einem Pleuel verbindbarist. Im Zylinder ist ein Wärmespeicher angeordnet, der von dem Gas durchströmbar ist.

[0011] Das Dokument DE 19904269 A1 offenbart einen Heißluftmotor, bei welchem ein Kolbenin einem Zylinder, welcher Öffnungen aufweist, geführt wird.

[0012] Das Dokument US 2157229 A offenbart eine Vorrichtung zum Komprimieren von Gas.

[0013] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, einen Heißgasmotor der eingangsgenannten Art zu verbessern. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Effizienz deseingangs genannten Heißgasmotors durch die Nutzung des Druckunterschiedes zwischen demArbeitsraum und der Umgebung zu erhöhen.

[0014] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Heißgasmotor der eingangsgenannten Art vor, dass die zumindest eine Öffnung des Zylinders mit einem stationären Aufla¬derohr verbunden ist.

[0015] Ein solches Aufladerohr zeichnet sich zuerst dadurch aus, dass es eine Gassäule bein¬haltet. Bei Vorliegen eines Überdrucks innerhalb des Arbeitsraumes wird bei Öffnung einerÖffnung des Zylinders eine Druckwelle erzeugt, die diese Gassäule anregt und verschiebt.Aufgrund der Trägheit der Gassäule wird der Druck im Arbeitsraum nicht nur auf Umgebungsni¬veau ausgeglichen, sondern kurzfristig ein Unterdrück gegenüber der Umgebung innerhalb desArbeitsraumes erzeugt. Wird die Öffnung des Zylinders länger offen gehalten, so gleicht sichder Unterdrück wieder auf Umgebungsdruck aus. Durch eine speziell abgestimmte Steuerungder Öffnungen ist es möglich, die zumindest eine Öffnung dann zu schließen, wenn ein solcherUnterdrück im Arbeitsraum vorliegt. Dieser Unterdrück bewirkt eine Veränderung im Druck-Volumendiagramm des Heißgasmotors und insbesondere eine Erhöhung der Arbeitsausbeutepro Zyklus und damit verbunden eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Auch bei der Ansaugungdes Gases in den Arbeitsraum bei Vorliegen eines Unterdruckes kann dieses Prinzip genutztwerden. Hierbei wird die Gassäule wieder durch eine Druckwelle angeregt und erzeugt auf¬grund der Trägkeit der Gassäule einen Überdruck im Arbeitsraum. Wird die Öffnung zu einemgeeigneten Zeitpunkt verschlossen, so befindet sich innerhalb des Arbeitsraumes ein Über¬druck, der ebenfalls die Arbeitsausbeute und damit den Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht.

[0016] Hierbei ist es wichtig, dass das Aufladerohr, z.B. die Länge und der Durchmesser, unddie Öffnung des Zylinders mit der Steuerung des Öffnungsvorganges abgestimmt sind, um dasSchließen im richtigen Zeitpunkt, insbesondere bei Erreichen eines Maximums an Unter- bzw.Überdruck im Arbeitsraum, sicherzustellen.

[0017] Weiters ist bei der Ansaugung des Gases in den Arbeitsraum bei Vorliegen eines Unter-druckes möglich, auch Dampf und/oder zerstäubtes Wasser einzusaugen. Dadurch kann eineErhöhung der Dichte innerhalb des Arbeitsraumes erreicht werden, was zu einem noch höherenWirkungsgrad des Heißgasmotors führt. Hierbei kann die Dichte um bis zu 50% erhöht werden.

[0018] Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass der Kolben eine Leitung aufweist, die ineinem ersten Totpunkt des Kolbenhubes in die zumindest eine Öffnung mündet, um den Ar¬beitsraum bei Erreichen des ersten Totpunkts mit der zumindest einen Öffnung zu verbinden.Der ideale Zeitpunkt des Verbindens der Öffnung mit dem Arbeitsraum bzw. des Trennens derÖffnung vom Arbeitsraum ist von mehreren Faktoren abhängig. Ein wichtiger Faktor ist dieStellung des Kolbens. Daher ist es bevorzugt, den Kolben so zu gestalten, dass der Kolben dieVerbindung des Arbeitsraumes mit der Umgebung herstellt.

[0019] Für viele Anwendungen ist lediglich eine Öffnung zu wenig, um einen effizienten Aus¬gleich mit der Umgebung vorzunehmen, weil die zeitlichen Abstände zwischen den Verbindun¬gen des Arbeitsraumes mit der Umgebung sehr kurz sein können und innerhalb der entspre¬chenden Gaskanäle Druckwellen entstehen können. Diese Druckwellen können sich ungünstigauf den Durchfluss durch die Gaskanäle auswirken, falls die Zeitspanne zwischen zwei Öff¬nungsvorgängen zu kurz ist. Daher sieht eine bevorzugte Ausführung vor, dass der Zylinderzumindest zwei verschließbare Öffnungen umfasst, die den Arbeitsraum mit der Umgebungoder einer gasdichten Kammer außerhalb des Zylinders verbinden.

[0020] Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kolben eine erste Leitung und eine zwei¬te Leitung aufweist, die so angeordnet sind, dass die erste Leitung in einem ersten Totpunktdes Kolbenhubes in eine erste der zumindest zwei Öffnung mündet, um den Arbeitsraum beiErreichen des ersten Totpunkts mit der ersten Öffnung zu verbinden, und die zweite Leitung in einem zweiten Totpunkt des Kolbenhubes in eine zweite der zumindest zwei Öffnungen mün¬det, um den Arbeitsraum bei Erreichen des zweiten Totpunkts mit der zweiten Öffnung zu ver¬binden. Eine solche Ausführung erlaubt den Druckausgleich mit der Umgebung jeweils beiErreichen des Totpunktes, also wenn die Druckverhältnisse ihre Maxima erreicht haben. Dies istfür den thermodynamischen Wirkungsgrad des Heißgasmotors vorteilhaft.

[0021] Besonders vorteilhaft bei einer Ausführung mit zumindest zwei Öffnungen ist es, wennalle Öffnungen mit einem Aufladerohr verbunden sind. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dassdie zumindest zwei Öffnungen mit jeweils einem stationären Aufladerohr verbunden sind.

[0022] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest eines der Auflade¬rohre gekrümmt ist. Dadurch kann eine Platzersparnis innerhalb der Vorrichtung erzielt werden,ohne die Länge des Aufladerohres zu verringern. Für einige Anwendungen ist es vorteilhaft,zumindest eines der Ventile nicht mithilfe des Kolbens zu verschließen und zu öffnen, sondernmithilfe eines anderen Betätigungsmittels. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass die zumin¬dest eine Öffnung ein Ventil aufweist. Dieses Ventil kann beispielsweise elektromotorisch,elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden. Besonders bevorzugt ist dasVentil ein Druckventil, welches in Abhängigkeit der Druckverhältnisse im Arbeitsraum öffnetbzw. schließt.

[0023] Heißgasmotoren können mit verschiedenen Gasen betrieben werden, bspw. mit Luft,Helium oder Wasserstoff. Insbesondere bei teuren Gasen wie Helium kann es von Vorteil sein,wenn der Arbeitsraum nicht direkt mit der Umwelt in Verbindung steht, sondern mit einem abge¬schlossenen Raum. Zum Beispiel kann das Gas in einem Behälter gelagert sein und mit einerÖffnung des Zylinders verbunden sein, um die Gaszuführung aus diesem Behälter zu ermögli¬chen. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass sich das offene Ende des zumindest einenAufladerohrs in einer gasdichten Kammer, z.B. in einem gasdichten Kurbelkasten, befindet.Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass alle Öffnungen des Zylinders den Arbeitsraum miteiner gasdichten Kammer verbinden. Diese Ausführung ermöglicht die Führung des Gases ineinem geschlossenen Kreislauf zwischen dem Arbeitsraum und einer gasdichten Kammer. Einweiterer Vorteil einer solchen Ausbildung ist die Ermöglichung von höheren Drücken, die sichpositiv auf den Wirkungsgrad des Heißgasmotors auswirken. In diesem Fall herrscht in dergasdichten Kammer gegenüber der Umgebung ein Überdruck. Der Überdruck kann beispiels¬weise 5 bar oder mehr betragen.

[0024] Heißgasmotoren stellen eine Bewegung bereit, die durch mit dem Heißgasmotor ver¬bundene Geräte genutzt werden kann.

[0025] Eine bevorzugte Weiterbildung sieht daher vor, dass der Kolben des Heißgasmotors miteinem Pleuel verbunden ist. Dieses Pleuel kann beispielsweise mit der Kurbelwelle eines Gene¬rators oder mit einem Linearantrieb verbunden sein.

[0026] Weiters ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem zumindest einenbeheizbaren Bereich und dem zumindest einen kühlbaren Bereich ein Wärmespeicher ange¬ordnet ist, der von dem Gas durchströmbar ist. Ein Wärmespeicher dieser Art ist also im Über¬gangsbereich zwischen dem beheizbaren und dem kühlbaren Bereich angeordnet. Wenn dasGas zwischen diesen Bereichen hin- und herfließt, so gelangt es durch den Wärmespeicher inden jeweils anderen Bereich. Der Wärmespeicher ist ausgebildet, um das durchströmende Gaseiner möglichst großen Oberfläche zuzuführen, sodass das erhitzte Gas am Weg in den kühlba¬ren Bereich schneller abkühlt und das gekühlte Gas am Weg in den beheizbaren Bereichschneller erwärmt wird. Gleichzeitig wird der Wärmespeicher erwärmt, wenn das warme Gasaus dem beheizbaren Bereich in den kühlbaren Bereich fließt. Diese Wärme wird anschließendan das kühle Gas aus dem kühlbaren Bereich abgegeben, wenn dieses in den beheizbarenBereich fließt. Dadurch geht die abgegebene Wärme nicht verloren, sondern wird genutzt, umdie notwendige Heiz- bzw. Kühlleistung zu reduzieren und dadurch den Wirkungsgrad desMotors zu steigern.

[0027] Eine besonders effiziente Ausbildung sieht vor, dass das gesamte Gas beim Übergang vom kühlbaren Bereich in den beheizbaren Bereich bzw. beim Übergang vom beheizbarenBereich in den kühlbaren Bereich durch den Wärmespeicher geleitet wird. Dies wird bevorzugtdadurch erreicht, dass der Wärmespeicher ringförmig ausgebildet ist und am Innenmantel desZylinders angebracht ist, wobei der Kolben vorzugsweise im ringförmigen Wärmespeicher hin-und herbewegbar geführt ist. Dadurch wird wirkungsvoll vermieden, dass Gas am Wärmespei¬cher vorbei von einem Bereich in den anderen Bereich gelangt.

[0028] Alternativ kann der Wärmespeicher in einem anderen Bereich innerhalb des Zylindersangebracht sein. Es können auch mehrere Wärmespeicher als unabhängige Einheiten ausge¬bildet sein. Bevorzugt sind der/die Wärmespeicher am Innenmantel des Zylinders angebracht,im Rahmen der Erfindung können der/die Wärmespeicher aber auch in anderen Bereichenangeordnet sein.

[0029] Um zu gewährleisten, dass in jeder Betriebsstellung des Kolbens das gesamte Gas beimÜbergang zwischen den Bereichen durch den Wärmespeicher geleitet wird, ist bevorzugt vor¬gesehen, dass die Länge des Kolbens so gewählt ist, um in jeder möglichen Betriebsstellungden Bereich des Wärmespeichers zumindest teilweise abzudecken. Dadurch kann auch in denbeiden Totpunkten kein Gas direkt vom kühlbaren in den beheizbaren Bereich, oder vom be¬heizbaren Bereich in den kühlbaren Bereich gelangen.

[0030] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher Stahlwolle beinhaltet. Stahlwolle istgünstig in der Herstellung und weist einen geringen Luftwiderstand auf. Daher eignet sichStahlwolle für die Verwendung innerhalb des Wärmespeichers.

[0031] Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmespeicher im Wesentlichen aus einemkeramischen Material besteht. Technische Keramiken weisen hohe Wärmeleitfähigkeiten aufund sind daher als Material für den Wärmespeicher gut geeignet. Besonders bevorzugt sindhierbei Nichtoxidkeramiken, bspw. Siliciumnitrid, Borcarbid, Bornitrid, Siliciumcarbid oder Alumi¬niumnitrid.

[0032] Um einen guten Austausch der Gastemperatur mit dem Wärmespeicher erzielen zukönnen, ist es erforderlich, die Gasleitungen innerhalb des Wärmespeichers mit einem hohenOberfläche/Volumenverhältnis auszubilden. Hierbei ist besonders bevorzugt, dass der Wärme¬speicher aus einem Block mit einer Vielzahl von parallelen, axialen Strömungskanälen besteht.Eine solche Ausbildung ist einfach zu konstruieren und zu fertigen. Andere mögliche Ausbildun¬gen sehen bspw. gewundene Gasleitungen innerhalb des Wärmespeichers vor, um die Längeder Gasleitungen innerhalb des Wärmespeichers zu erhöhen.

[0033] Der beheizbare Bereich kann auf viele Arten beheizt werden, z.B. durch Verbrennungs¬wärme oder durch Solarenergie. Der kühlbare Bereich kann ebenso auf verschiedene Artengekühlt werden, bspw. mithilfe einer Wasserkühlung. Auch eine reine Luftkühlung, bevorzugtmithilfe von Kühlrippen, ist möglich.

[0034] Unter einem Zylinder wird im Rahmen der Erfindung allgemein ein hohler Körper ver¬standen, der für den Einsatz im Bereich der Heißgasmotoren geeignet ist. Die Form diesesZylinders kann daher bspw. zylindrisch oder quaderförmig sein, oder aber eine andere, geeig¬nete geometrische Form aufweisen.

[0035] Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe schlägt die Erfindung weitersein Verfahren der eingangs genannten Art vor, wobei ein Teil des Gases nach dem Erwärmenüber eine Öffnung und ein daran anschließendes Aufladerohr an die Umgebung abgegebenwird, wobei eine Druckwelle in das Aufladerohr gelangt und eine Gassäule im Aufladerohr inBewegung setzt, wodurch ein Unterdrück im Zylinder erzeugt wird, und die Öffnung verschlos¬sen wird, wenn ein Unterdrück im Zylinder vorhanden ist.

[0036] Eine bevorzugte Weiterbildung dieses Verfahrens sieht vor, dass ein Gas nach demAbkühlen über eine Öffnung und ein daran anschließendes Aufladerohr von der Umgebungangesaugt wird, wobei eine Druckwelle in das Aufladerohr gelangt und eine Gassäule im Aufla¬derohr in Bewegung setzt, wodurch ein Überdruck im Zylinder erzeugt wird, wobei die Öffnung geschlossen wird, wenn ein Überdruck im Zylinder vorhanden ist.

[0037] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh¬rungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen [0038] Fig. 1 einen schematischen Schnitt des erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einer ersten Ausführungsform in einer ersten Betriebsposition, [0039] Fig. 2 einen schematischen Schnitt des Heißgasmotors gemäß Fig. 1 in einer zweiten

Betriebsposition, [0040] Fig. 3 einen schematischen Schnitt des erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einer zweiten Ausführungsform und [0041] Fig. 4 ein Druck- Volumendiagramm des erfindungsgemäßen Heißgasmotors.

[0042] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Heißgasmotor dargestellt. Ein Zylinder 1 umfassteinen beheizbaren Bereich 2, einen kühlbaren Bereich 3 und einen dritten Bereich 4. In dieserAusführungsform ist der dritte Bereich 4 weder beheizbar noch kühlbar. Innerhalb des Zylinders1 wird ein Kolben 5 in Richtung des Doppelpfeils 22 zwischen dem beheizbaren Bereich 2 unddem kühlbaren Bereich 3 hin- und herbewegbar geführt. Der Kolben 5 umfasst ein vorderesElement 6 und ein hinteres Element 7. Der Zylinder 1 bildet zusammen mit dem Kolben 1 einenArbeitsraum 8 aus, welcher sowohl im beheizbaren Bereich 2 als auch im kühlbaren Bereich 3des Zylinders 1 liegt. Der beheizbare Bereich 2 und der kühlbare Bereich 3 des Zylinders 1stehen über einen Wärmespeicher 9 in Verbindung miteinander. Das hintere Element 7 desKolbens 5 weist zwei Leitungen 10 auf, die den Arbeitsraum 8 in Abhängigkeit von der Kolben¬stellung mit jeweils einer Öffnung 11, 12 des Zylinders 1 verbinden. Mit 23 wird weiters dieUmgebung außerhalb des Heißgasmotors bezeichnet.

[0043] Weiters sind die Öffnungen 11,12 mit jeweils einem erfindungsgemäßen Aufladerohr 13,14 fest verbunden. Die in Fig. 1 dargestellten Auf laderohre 13, 14 sind im Wesentlichen geradeausgebildet und weisen lediglich einen Knick auf. Der Kolben 5 ist in dieser bevorzugten Aus¬bildung mit einem Pleuel 15 verbunden.

[0044] In der in Fig. 1 dargestellten Betriebsstellung befindet sich der Kolben 5 im rechtenTotpunkt. Im Arbeitsraum 8 herrscht bis zum Erreichen des Totpunktes ein Unterdrück gegen¬über der Umgebung 23. Der Arbeitsraum ist über die Leitung 10, die Öffnung 12 und das Aufla¬derohr 14 mit der Umgebung 23 verbunden. Dadurch wird Luft in den Arbeitsraum 8 gesaugtund der Druck im Arbeitsraum 8 dem Umgebungsdruck angeglichen. Durch die Trägheit derGassäule in dem Aufladerohr 14 gelangt etwas mehr Luft in den Arbeitsraum 8, als für einenDruckausgleich notwendig wäre und dadurch entsteht ein Überdruck im Arbeitsraum. Anschlie¬ßend wird die Öffnung 12 durch Bewegung des Kolbens 5 so geschlossen, dass ein Überdruckim Arbeitsraum herrscht. Anschließend erwärmt sich das Gas im beheizbaren Bereich desZylinders 1 und dehnt sich dadurch aus, sodass der Überdruck verstärkt wird. Dieser Überdruckbewegt den Kolben 5 nach links, in Richtung des anderen Totpunktes. Durch die Bewegung desKolbens 5 wird das Gas vom kühlbaren Bereich 3 in den beheizbaren Bereich 2 durch denWärmespeicher 9 geführt und dadurch schneller erwärmt.

[0045] In Fig. 2 wird nunmehr die Betriebsstellung des Kolbens 5 im linken Totpunkt dargestellt,wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in Fig. 1 bezeichnen. Im Arbeitsraum 8 herrschtein Überdruck, welcher den Kolben 5 nach links gedrückt hat. Nunmehr ist der Arbeitsraum 8über die Leitung 10, die Öffnung 11 und das Aufladerohr 13 mit der Umgebung 23 verbunden,sodass Gas aufgrund des Überdruckes aus dem Arbeitsraum 8 ausströmt. Durch die Trägheitder Gassäule im Aufladerohr 13 wird mehr Luft aus dem Arbeitsraum 8 herausgedrückt als füreinen Druckausgleich notwendig wäre und die Öffnung 11 wird geschlossen, wenn ein Unter¬drück im Arbeitsraum vorliegt. Der Kolben 5 wird nach rechts gedrückt, wobei der Unterdrück imArbeitsraum 8 diese Bewegung unterstützt. Durch die Bewegung des Kolbens 5 wird Gas ausdem beheizbaren Bereich 2 des Zylinders 1 in den kühlbaren Bereich 3 durch den Wärmespei¬cher 9 geführt und gibt im Wärmespeicher 9 Wärme ab. Das Gas im kühlbaren Bereich 3 wird gekühlt und damit der Unterdrück im Arbeitsraum 8 erhöht, bis der Kolben 5 wieder im rechtenTotpunkt, welcher in Fig. 1 dargestellt ist, angelangt ist.

[0046] Der Wärmespeicher 9 ist also ausgebildet, um die Wärme des Gases bei Abfluss ausdem beheizbaren Bereich 2 aufzunehmen, um dieses abzukühlen, und diese Wärme an dasGas bei Abfluss aus dem kühlbaren Bereich 3 an das Gas abzugeben. Dadurch wird der Über¬gangsbereich zwischen dem kühlbaren und dem beheizbaren Bereich verkleinert und der Auf¬wand der Erwärmung bzw. Kühlung wird reduziert. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Hei߬gasmotors erhöht werden.

[0047] Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichengleiche Teile wie in Fig. 1 bezeichnen. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungs¬form einerseits durch die Form der Aufladerohre 16, 17, welche in dieser Ausführungsformgekrümmt sind. Weiters sind die Aufladerohre mit einer gasdichten Kammer 18 verbunden.Dadurch ist ein Kreislauf gebildet, der den Arbeitsraum 8 und die gasdichte Kammer 18 sowiedie zwischen diesen Elementen angeordneten Verbindungen umfasst. Der Arbeitsraum 8 stehtalso in dieser Ausbildung nie in Verbindung mit der Umgebung 23.

[0048] Fig. 4 zeigt das Druck-Volumendiagramm des erfindungsgemäßen Heißgasmotors,verglichen mit dem idealen thermodynamischen Prozess eines Manson-Motors gemäß demStand der Technik. Hierbei wird die Wirkung der Aufladerohre 13, 14 ersichtlich. Mit 19 ist dieArbeit, die von dem idealen Manson-Motor bereitgestellt wird, bezeichnet. Durch die Auflade¬rohre 13, 14 wird diese Arbeit dadurch vergrößert, dass der Kolbenhub jeweils nicht bei Umge¬bungsdruck, sondern bei Über- bzw. Unterdrück beginnt, wodurch verglichen mit dem Manson-prozess 19 gemäß dem Stand der Technik mehr Arbeit bereitgestellt werden kann. Diese bei¬den zusätzlichen Bereiche sind mit 20 und 21 bezeichnet.

Claims (16)

1. Patentansprüche 1. Heißgasmotor, umfassend einen Kolben, welcher in einem mit einem Gas gefüllten Arbeits¬raum eines Zylinder hin- und herbewegbar geführt ist, wobei der Zylinder zumindest einenbeheizbaren Bereich und zumindest einen kühlbaren Bereich aufweist, und der Zylinderzumindest eine verschließbare Öffnung umfasst, die den Arbeitsraum mit der Umgebungoder einer gasdichten Kammer außerhalb des Zylinders verbindet, wobei der Kolben miteiner bewegbaren Einrichtung, bspw. einem Pleuel, verbindbar ist, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die zumindest eine Öffnung (11,12) des Zylinders (1) mit einem stationärenAufladerohr (13,14) verbunden ist.
2. 2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (5) eineLeitung (10) aufweist, die in einem ersten Totpunkt des Kolbenhubes in die zumindest eineÖffnung (11,12) mündet, um den Arbeitsraum (8) bei Erreichen des ersten Totpunkts mitder zumindest einen Öffnung (11,12) zu verbinden.
3. 3. Heißgasmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1)zumindest zwei verschließbare Öffnungen (11,12) umfasst, die den Arbeitsraum (8) mit derUmgebung (23) oder einer gasdichten Kammer (18) außerhalb des Zylinders (1) verbinden.
4. 4. Heißgasmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (5) eine ersteLeitung (10) und eine zweite Leitung (10) aufweist, die so angeordnet sind, dass die ersteLeitung (10) in einem ersten Totpunkt des Kolbenhubes in eine erste (11) der zumindestzwei Öffnungen (11,12) mündet, um den Arbeitsraum (8) bei Erreichen des ersten Tot¬punkts mit der ersten Öffnung (11) zu verbinden, und die zweite Leitung (10) in einemzweiten Totpunkt des Kolbenhubes in eine zweite (12) der zumindest zwei Öffnung (11, 12)mündet, um den Arbeitsraum (8) bei Erreichen des zweiten Totpunkts mit der zweiten Öff¬nung (11) zu verbinden.
5. 5. Heißgasmotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindestzwei Öffnungen (11,12) mit jeweils einem stationären Aufladerohr (13,14) verbunden sind.
6. 6. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumin¬dest eines der Aufladerohre (13, 14) gekrümmt ist.
7. 7. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diezumindest eine Öffnung (11,12) ein Ventil aufweist.
8. 8. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derKolben (5) mit einem Pleuel (15) verbunden ist.
9. 9. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwi¬schen dem zumindest einen beheizbaren Bereich (2) und dem zumindest einen kühlbarenBereich (3) ein Wärmespeicher (9) angeordnet ist, der von dem Gas durchströmbar ist.
10. 10. Heißgasmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (9)ringförmig ausgebildet ist und am Innenmantel des Zylinders (1) angebracht ist, wobei derKolben (5) vorzugsweise im ringförmigen Wärmespeicher (9) hin- und herbewegbar geführtist.
11. 11. Heißgasmotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge desKolbens (5) so gewählt ist, um in jeder möglichen Betriebsstellung den Bereich des Wär¬mespeichers (9) zumindest teilweise abzudecken.
12. 12. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass derWärmespeicher (9) Stahlwolle beinhaltet.
13. 13. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass derWärmespeicher (9) im Wesentlichen aus einem keramischen Material besteht.
14. 14. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass derWärmespeicher (9) aus einem Block mit einer Vielzahl von parallelen, axialen Strömungs¬kanälen besteht.
15. 15. Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegung, bei dem ein erster Bereich eines Zylindersvon außen erwärmt wird, sodass sich ein im Zylinder befindliches Gas erwärmt und einenÜberdruck erzeugt, der einen im Zylinder befindlichen Kolben in eine erste Richtung be¬wegt, und ein zweiter Bereich des Zylinders von außen gekühlt wird, sodass sich das imZylinder befindliche Gas abkühlt und einen Unterdrück erzeugt, wobei der Kolben in einezweite Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Gases nach dem Erwärmen über eine Öff¬nung (11,12) und ein daran anschließendes Aufladerohr (13,14) an die Umgebung abge¬geben wird, wobei eine Druckwelle in das Aufladerohr (13, 14) gelangt und eine Gassäuleim Aufladerohr (13,14) in Bewegung setzt, wodurch ein Unterdrück im Zylinder (1) erzeugtwird, und die Öffnung (11,12) verschlossen wird, wenn ein Unterdrück im Zylinder (1) vor¬handen ist.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas nach dem Abküh¬len über eine Öffnung (11,12) und ein daran anschließendes Aufladerohr (13,14) von derUmgebung angesaugt wird, wobei eine Druckwelle in das Aufladerohr (13,14) gelangt undeine Gassäule im Aufladerohr (13,14) in Bewegung setzt, wodurch ein Überdruck im Zylin¬der (1) erzeugt wird, wobei die Öffnung geschlossen wird, wenn ein Überdruck im Zylinder (1) vorhanden ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen