CH629573A5

CH629573A5 - Thermisch angetriebener freikolbenverdichter.

Info

Publication number: CH629573A5
Application number: CH1047777A
Authority: CH
Inventors: Mark Schuman
Original assignee: Mark Schuman
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-26
Publication date: 1982-04-30
Also published as: IE45664L; FR2363006B1; ZA775124B; IL52803A; BE858125A; FR2363006A1; MX146390A; DE2738617A1; ATA621677A; AT363282B; IE45664B1; DK380877A; AR213445A1; US4132505A; IT1082615B; AU2815177A; IN146990B; SE7709568L; GB1546558A; AU509019B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermisch angetriebenen Freikolbenverdichter, mit einem mit kompressiblem Arbeitsmedium gefüllten Zylinder und einem im Zylinder beweglichen Freikolben, der den Zylinder in ein heisses und ein kaltes Zylinderende von variablen Volumen unterteilt, einem Zylinder-Nebenschluss, der einen Wärmespeicher enthält und das heisse und kalte Zylinderende miteinander verbindet, wobei der Nebenschluss mit dem heissen Zylinderende mittels einer heissen Leitung, die im heissen Zylinderende über eine Auslassöffnung in der Zylinderseitenwand mündet, in Verbindung steht, einer Heizkammer, die mit dem heissen Zylinderende über eine Heizkammer-Einlassöffnung in Verbindung steht, welche Heizkammer-Einlassöffnung sich im Stromlauf des aus der Auslassöffnung strömenden Arbeitsmediums befindet, wenn sich der Kolben in Richtung des kalten Zylinderendes bewegt, wobei der Freikolben während seiner Bewegung in Richtung des heissen Zylinderendes die heisse Auslassöffnung blockiert und das Arbeitsmedium in die Heizkammer drückt, in welcher das Arbeitsmedium aufgeheizt wird, um den Freikolben in Richtung des kalten Zylinderendes zu treiben, und wobei durch die Hin-und Herbewegung des Freikolbens das Arbeitsmedium abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt wird, wodurch ein oszillierender Druck entsteht.

Es sind bereits verschiedene thermisch angetriebene Kolbenverdichter mit einem oder mehreren freien oder halbfreien Kolben angegeben worden, in denen ein Gas oder ein anderes kompressibles strömendes Medium abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt wird, um einen pulsierenden Strömungsmediumdruck zum Pumpen eines strömenden Mediums oder zum anderweitigen Antrieb einer durch ein Strömungsmedium angetriebenen Last zu erzeugen. Ein künstliches Herz, ein linearer Stromgenerator mit freiem Kolben, ein durch ein Strömungsmedium angetriebener Rotationsmotor zum Antrieb eines Rotations-Stromer-zeugers und eine Strömungsmedium-Pumpe für Kühlzwecke sind Beispiele für Anwendungen oder Lasten derartiger Vorrichtungen.

Kolbenverdichter der vorgenannten Art sind in den US-PS Re27 740,3 767 325,3 782 859,3 807 904,3 899 999 und 4 012 910 beschrieben. Bei bestimmten Ausführungsformen dieser Vorrichtungen wird der freie Kolben durch ein Strömungsmedium angetrieben, das in einer Verzögerungsheizkammer erhitzt wird. Auf diese Weise ist eine sehr einfache Auslegung eines Thermokompressors mit einem einzigen freien Kolben als einziges sich bewegendes Teil möglich. In Sterling-Vorrichtungen (welche beispielsweise in den oben genannten US-PS 3 767 325 und 3 782 859, beschrieben sind) ist eine Vereinfachung in dem Sinne möglich, dass die Verzögerungs-Heizkammer, welche hinter einem einen Wärmespeicher enthaltenden Zylinder-Nebenschluss vorgesehen ist, nicht nur zur verzögerten Aufheizung zwecks Antriebs des freien Kolbens während dessen Rücklauf, sondern auch als Stirling-Heizkammer zur Aufheizung des durch den Nebenschluss in das heisse Ende des Zylinders während des Freilaufs des Kolbens dient.

Da sich die Verzögerungs-Heizkammer jedoch hinter dem Nebenschluss befindet, ist es bei Stirling-Vorrichtungen mögli2

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cherweise schwierig, das gesamte strömende Medium, das durch den Nebenschluss in das heisse Ende des Zylinders strömt, in die Verzögerungs-Heizkammer zu bringen und durch diese strömen zu lassen, um in dieser aufgeheizt zu werden, während sich der Kolben im Nebenschlussbereich des Zylinders nach oben bewegt.

Daher kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung schlecht und die Ausgangsleistung klein sein. Es ist bereits in Betracht gezogen worden, dieses Problem teilweise durch verschiedene Dimensionierungsmerkmale zu lösen. Dabei handelt es sich u. a. um die Anordnung der heissen Nebenschlussleitung unter einem Winkel gegen die Heizkammer-Einlassöffnung, so dass der Düseneffekt der heissen Nebenschlussleitung das strömende Medium, das in einer Heizkammer-Einlassöffnung einer Heizkammer-Einlassleitung eintritt, in einem definierten Strom zu halten sucht. Das Strömungsmedium fliesst dann in die Heizkammer hinein und durch diese hindurch und wird über eine Heizkammer-Auslassleitung zum heissen Ende des Zylinders zurückgeführt. Dabei wird jedoch das strömende Medium durch den Strömungswiderstand in der Heizkammer und deren Einlassund Ausgangsleitung geringfügig verzögert. Weiterhin kann der Strom des strömenden Mediums, das im heissen Ende des Zylinders gegen die Einlassöffnung strömt, aufgeweitet und diffuser werden, was u.a. von der Trägheit und dem Diffusionsvermögen des strömenden Arbeitsmediums abhängt. Der nur beschränkt wirksame D üseneff ekt kann im Zusammenwirken mit dem Strömungswiderstand dazu führen, dass ein wesentlicher Teil des strömenden Mediums nicht in die Einlassöffnung und damit in die Heizkammer eintritt. Beispielsweise kann die Heizkammer-Einlassöffnung in der Zylinderseitenwand oder in einer ebenen Abschlusswand und in bezug auf die heisse Nebenschlussleitung etwa auf der gegenüberliegenden Seite der Zylinderachse liegen, d. h. sie liegt in einem Abstand von der heissen Nebenschlussleitung, welche etwa gleich einem Zylinderdurchmesser ist.

Unter Berücksichtigung der vorstehend erläuterten Zusammenhänge ist es daher zweckmässig, den Abstand zwischen der heissen Nebenschlussleitung und der Heizkammer-Einlassöffnung wesentlich zu verringern, so dass für ein gegebenes strömendes Arbeitsmedium ein wesentlich grösserer Teil des aus der heissen Nebenschlussleitung austretenden strömenden Mediums in die Heizkammer eintritt und diese durchströmt, während sich der Kolben im Nebenschlussbereich des Zylinders nach oben bewegt, wodurch die Druckzunahme während dieses Teils des Zyklus des Thermokompressors verstärkt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten thermisch angetriebenen Freikolbenverdichter anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Freikolbenverdichter der in Rede stehenden Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Zylinder eine heisse Abschlussvvand besitzt, die in dem heissen Zylinderende in einen Ansatz übergeht, dass am Ansatz in einem Abstand von der heissen Auslassöffnung, welcher Abstand einem kleinen Bruchteil des Zylinderhalbmessers entspricht, die Einlassöffnung der Heizkammer liegt, und dass der Freikolben einen dünnwandigen Abschnitt besitzt, der über den Ansatz geschoben wird, wenn der Abschnitt während der Bewegung des Freikolbens in Richtung des heissen Zylinderendes die heisse Auslassöffnung blockiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen teilweise geschnittenen Aufriss eines erfindungs-gemässen Sterling-Thermokompressors mit freiem Kolben, und

Fig. 2 eine Teilansicht der Ausführungsform nach Fig. 1 mit einer anderen möglichen Leitungsführung zur Erleichterung der Umkehr der Kolbenbewegung und der verzögerten Aufheizung bei Vermeidung einer Übersteuerung des Kolbens.

Fig. 1 zeigt einen geschlossenen Zylinder 1 mit einer Seitenwand 2 kreisförmigen Querschnittes sowie mit Abschlusswänden 3 und 4 am oberen und unteren Zylinderende. Die untere heisse Abschlusswand 4 mit einem einstückig an ihr vorgesehenen 5 vorspringenden Ansatz 5 versehen, welcher als starres zylindrisches Teil ausgebildet sein kann und auf einer kurzen Strecke axial nach oben gegen das kalte Ende des Zylinders gerichtet ist. Im Zylinder 1 ist ein freier, becherförmig ausgebildeter Kolben 6 vorgesehen, dessen offenes Ende nach unten gerichtet ist, so dass io er sich etwa bis zum Boden des Zylinders bewegen kann. ohne mit dem Ansatz 5 in Kontakt zu treten. Eine Kolbenseitenwand 7 bildet eine lose gleitende Dichtung mit der Innenfläche der Zylinderseitenwand 2, so dass die Bildung eines Differenzdrucks in Axialrichtung über dem Kolben 6 erleichtert wird. Der Kolben 15 oszilliert zwischen dem heissen und kalten Ende des Zylinders an seiner Unter- bzw. Oberseite und trennt diese Bereiche voneinander.

Am Zylinder 1 ist ein Nebenschluss 10 vorgesehen, welcher einen Teil und nur einen Teil der axialen Länge des Zylinders 20 überbrückt. Dieser Nebenschluss erleichtert die freie Bewegung des Kolbens zwischen den Umkehrkammern an den sich gegenüberliegenden Enden des Zylinders sowie die abwechselnde externe Aufheizung und Abkühlung des strömenden Arbeitsmediums während zweier Bewegungsabschnitte des Oszillationszy-25 klus. Der Zylinder-Nebenschluss 10 enthält in Folge eine kalte Nebenschlussöffnung 11 in der Zylinderseitenwand im kalten Ende des Zylinders, eine kalte Nebenschlussleitung 12, eine Kühlkammer 13, eine Leitung 14, einen Wärmespeicher 15 sowie eine unter einem Winkel verlaufende heisse Nebenschlussleitung 30 16, welche in einer heissen Nebenschlussauslassöffnung 17 in der Zylinderseitenwand 2 am heissen Ende des Zylinders endet. Der Nebenschluss 10 ermöglicht ein Abwärtsfliessen eines Gases oder eines anderen strömenden Arbeitsmediums vom kalten Ende des Zylinders zu dessen heissem Ende, während der 35 Kolben sich im Nebenschlussbereich des Zylinders nach oben bewegt. Dieser Aufwärtsbewegungs-Abschnitt des Oszillationszyklus kann willkürlich als erster Bewegungsabschnitt des Zyklus der Kolbenoszillation betrachtet werden.

Der Düseneffekt der unter einem Winkel verlaufenden heis-40 sen Nebenschlussleitung 16 bewirkt, dass das über die Öffnung 17 aus dem heissen Ende des Nebenschlusses austretende Gas in einem definierten Strom in das heisse Ende des Zylinders eintritt, welcher über einen den Ansatz 5 umgebenden ringförmigen Bereich 18 durch die heisse Nebenschlussleitung in einer Heiz-45 kammer-Einlassöffnung 20 gerichtet wird. Die Haupt-Strömungsachse der heissen Nebenschlussleitung verläuft etwa durch das Zentrum der Einlassöffnung20. Die durch die zylindrische Aussenfläche 9 des Ansatzes 5 definierte Einlassöffnung 20 liegt sehr nahe an der heissen Nebenschlussöffnung 17. Der Gasstrom 50 verläuft sodann durch eine Heizkammer-Einlassleitung 21 durch einen Teil des Ansatzes 5 in eine Heizkammer 24. Diese Heizkammer 24 kommuniziert über die Heizkammer-Einlassleitung 21 mit dem heissen Ende des Zylinders.

Die Heizkammer-Einlassleitung 21 verläuft von der Heiz-55 kammer 24 in den Ansatz 5 und endet in der Heizkammer-Einlassöffnung 20 in der Zylinderaussenfläche des Ansatzes, wodurch sie mit dem heissen Zylinderende über die Einlassöffnung 20 kommuniziert. Die Öffnungen 17 und 20 sind relativ zueinander und relativ zum Zylinder so angeordnet, dass eine die 60 Zylinderachse enthaltende und durch das Zentrum einer der Öffnungen verlaufende Ebene durch das Zentrum der anderen Öffnung verläuft, wobei darüber hinaus die Hauptströmungsachsen der Leitungen 16 und 21 im Bereich der Öffnungen 17 und 20 ebenfalls in der gleichen Ebene liegen.

65 Die Heizkammer 24, welche durch einen Heizstab bzw. ein Heizrohr 25 von aussen geheizt wird, besitzt scheibenförmige Heizrippen 26 mit zwischen diesen liegenden Gasdurchlässen 27 zur Aufheizung des über die Heizkammer-Einlassleitung 21 in

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die Kammer 24 fliessenden Gasstroms. Zur Erleichterung des Während der Kolben sich weiter nach unten bewegt, wirkt ein

Eintritts und der Aufheizung dieses Gases in der Heizkammer ist zylinderförmiger dünnwandiger Abschnitt 37 der Kolbenseiten-eine Heizkammer-Auslassleitung 28 so angeordnet, dass das Gas wand 7 als Hülse, welche sich über den Ansatz 5 bewegt und in in der Heizkammer nach oben über diese Leitung 28 durch den den ringförmigen Bereich 18 eintritt, der durch den Ansatz und Ansatz 5 und zurück in das heisse Ende des Zylinders unter dem 5 die Zylinderseitenwand am heissen Ende des Kolbens gebildet Kolben strömen kann. Die Auslassleitung 28 endet in einer wird. Wenn der dünnwandige Abschnitt 37 der Kolbenseiten-

Öffnung 29 in einer oberen Horizontalfläche 30 des Ansatzes 5. wand 7 über die heisse Nebenschlussöffnung 17 läuft und diese Die Innenfläche der Aussenwand der Verzögerungs-Heiz- blockiert, wodurch wiederum der Gasstrom im Nebenschluss kammer 24 besitzt einen Steg 31, der wie ein Teil eines Kolben- blockiert wird, ist der zweite Bewegungsabschnitt des Oszilla-rings geformt ist und auf einem Teil der Innenseite der Heizkam- 10 tionszyklus beendet und es beginnt eine heisse Bewegungs-Ummer gegenüber einer der Rippen 26 im mittleren Bereich des kehrphase des Oszillationszyklus. Während dieser Phase des Heizrippensatzes verläuft. Dieser Steg 31 und die ihm benach- Zyklus läuft der Kolbenabschnitt 37 zwischen der heissen Nebenbarte Heizrippe engt den Gasstrom in der Heizkammer so ein, schlussöffnung 17 und der Heizkammer-Einlassöffnung 20. Die dass sieh dieser Strom teilt und in Fig. 1 gesehen, nach unten über heisse Bewegungsumkehr wird dadurch hervorgerufen, dass der die auf der rechten Seite der Heizkammer vorgesehene Heizrip- 15 Kolben Gas im heissen Ende des Zylinders zwischen sich und der pen strömt, wonach er auf der linken Seite der Heizkammer nach Zylinder-Abschlusswand 4 sowie in der Heizkammer 24 fängt oben in die Auslassleitung 28 strömt, welche das geheizte Gas in und komprimiert, wobei dieses Gas eine heisse Gas-Bewegungs-das heisse Ende des Zylinders zurückführt, während sich der umkehr-Kammer bildet. Diese Kammer umfasst die Heizkam-Kolben noch nach oben bewegt. Der Steg 31 erzeugt daher eine mer 24, ihre Einlass- und Ausgangsleitung 21 und 28, den grössere und gleichförmigere Weglänge für das durch die Heiz- 20 Zylinderbereich oberhalb des Ansatzes 5 und unterhalb des kammer strömende Gas, wodurch während des ersten Bewe- dickwandigen festen zentralen Abschnittes 39 des Kolbens, den gungsabschnittes des Oszillationszyklus die Wärmeübertragung nicht vom Kolbenabschnitt 37 eingenommenen Teil des ringför-auf das durch die Heizkammer strömende Gas vergrössert wird. migen Bereichs 18 sowie eine möglicherweise vorgesehene kurze Die Aufheizung des Gases im Wärmespeicher und in der Heiz- Leitung 41, welche den ringförmigen Bereich 18 mit der Heizkammer bewirkt eine Druckzunahme im heissen und kalten 25 kammer-Auslassleitung 28 im Ansatz 5 verbindet. Zylinderende sowie im Nebenschluss, wodurch über eine Die kurze Leitung 41 kann zweckmässig sein, um Gas im Lastöffnung 33 und eine Lastleitung 34 ein Strom kühlen Gases unteren Teil des ringförmigen Bereiches zu fangen, wodurch eine aus dem Thermokompressor zu einer nicht dargestellten Last Übersteuerung des Kolbens vermieden wird, bei welcher er am hervorgerufen wird. Die Lastöffnung 33 liegt in der oberen Ansatz oder am Boden des Zylinders, d. h. anderheissen Zylinderseitenwand gegenüber der kalten Nebenschlussöffnung 30 Abschlusswand 4 anstossen könnte. Ist die Leitung 41 zu diesem 11, d. h. diese beiden Öffnungen liegen im kaltenEnde des Zweck vorgesehen, so muss wenigstens im unteren Teil des Zylinders, vorzugsweise in derselben Querebene senkrecht zur ringförmigen Bereiches 18 eine gewisse Dichtung zwischen der Längsachse des Zylinders. Innenfläche des dünnwandigen Abschnittes 37 des Kolbens und

Der Kolben bewegt sich weiter aufwärts, bis seine Seitenwand der Aussenfläche 9 des Ansatzes vorhanden sein. Diese Dichtung sich über die Öffnungen 11 und 33 bewegt und sie damit 35 muss jedoch bei weitem nicht so gut sein wie die Dichtung blockiert, wodurch der Strom im Nebenschluss und in der zwischen Kolben und Zylinder, da der untere Teil des ringförmi-

Lastleitung blockiert wird. Damit endet der erste Bewegungsab- gen Bereiches unter der Leitung 41 für eine kleine Bewegungsschnitt des Oszillationszyklus, wonach eine Umkehr der Bewe- umkehr-Kammer als steife Kompressionsfeder wirkt, um eine gung im Oszillationszyklus im kalten Bereich erfolgt. Das ober- überschüssige Bewegung des Kolbens unter der Leitung 41 zu halb des Kolbens gefangene kalte Gas im kalten Ende des 40 dämpfen. Aus diesem Grund muss der Präzisionsgrad der Durch

Zylinders wirkt als Kompressionsfeder auf das kalte Ende bzw. messer, der Kreisförmigkeit und der Konzentrizität der Aussen-die kalte Fläche des Kolbens, so dass die Aufwärtsbewegung des fläche 9 des Ansatzes und der Innenfläche des dünnwandigen Kolbens gestoppt und eine Umkehr der Kolbenbewegung vom Abschnittes 37 des Kolbens sowohl auf absoluter Basis als auch in kalten Ende des Zylinders zum heissen Ende des Zylinders bezug aufeinander oder in bezug auf die Innenfläche der zylindri-

erfolgt, d. h. das Volumen des kalten Endes des Zylinders nimmt45 sehen Seitenwand nicht gross sein. Darüber hinaus muss zwi-nicht mehr ab und beginnt zuzunehmen. sehen dem Ansatz und dem Kolbenabschnitt 37 keine Gleitdich-

Wenn sich die Bewegungsrichtung des Kolbens nach unten tung vorhanden sein, da das Einfangen von Gas in der heissen umkehrt, gibt seine Seitenwand 7 die kalte Nebenschlussöffnung Bewegungsumkehr-Kammer selbst ausreichen kann, um eine 11 und die Lastöffnung 33 frei, wodurch der kalte Umkehrab- Übersteuerung des Kolbens bei variabler Last für denThermo-schnitt des Oszillationszyklus endet, und der zweite Bewegungs- 50 kompressor zu vermeiden.

abschnitt des Oszillationszyklus beginnt. Wenn sich der Kolben in einem frühen Abschnitt der heissen Bewegungsumkehr-

durch den Nebenschlussbereich des Zylinders nach unten phase des Oszillationszyklus komprimiert der Kolben relativ bewegt, wird heisses Gas vom heissen Ende des Zylinders durch kühles Gas und drückt es vom heissen Ende des Zylinders über den Wärmespeicher und die Kühlkammer im Nebenschluss in die Leitungen 28 und 41 und/oder 21 in die Heizkammer 24. Die das kalte Ende des Zylinders gedrückt. Die daraus resultierende 55 Heizkammer ist gemäss thermischen Verzögerungsprinzipien Abkühlung des heissen Gases im Wärmespeicher und in der ausgebildet, um das Gas während der heissen Bewegungsum-

Kühlkammer bewirkt eine Druckabnahme im heissen und kalten kehrphase des Oszillationszyklus kontinuierlich aufzuheizen, Zylinderende sowie im Nebenschluss, welche kühles Gas über wodurch der Gasfedereffekt verstärkt wird, um den Kolben mit die Lastleitung 34 und die Öffnung 33 von der Last in das kalte einer Geschwindigkeit und einer kinetischen Energie, die zur Ende des Zylinders zieht. Der Wärmespeicher verstärkt die ® Aufrechterhaltung der Oszillation ausreicht, gegen das kalte Amplitude des oszillierenden Drucks, da er während jedes Zylinderende zu treiben. Die Heizkammer sowie möglicherweise

Oszillationszyklus Wärme aus dem Gas speichert und an das Gas einige andere Flächen, wie beispielsweise die Oberfläche des abgibt, wodurch der Wirkungsgrad des Thermokompressors Ansatzes und der in ihm befindlichen Leitungen geben während erhöht wird. Im Wärmespeicher bildet sich in vertikaler Auf- der heissen Bewegungsumkehr-Phase eine ausreichende thermi-

wärtsrichtung ein negativer Temperaturgradient aus. Während 65 sche Energie ab, so dass die kinetische Energie des Kolbens am des Oszillationszyklus schwankt die mittlere Temperatur des Ende der heissen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszy-Wärmespeichers und die Grösse des Temperaturgradienten klus ausreichend grösser als seine kinetische Energie am Beginn ebenfalls aufwärts und abwärts. dieser Phase ist, wodurch die Kolbenoszillation trotz geringer

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Reibungs-, thermischer. Vibrations- und Pumpverluste aufrechterhalten bleibt. Wäre dies nicht der Fall, so würden diese Verluste die Kolbenbewegung nach und nach stoppen.

Einer der Gründe dafür, warum das wegen der heissen Bewegungsumkehr-Phase in die Heizkammer gedrückte Gas relativ kalt, d.h. kälter als die Rippen 26 der Heizkammer ist, beruht darauf, dass das während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus nach unten in den Nebenschluss gedrückte Gas niemals durchgehend und vollständig in der Heizkammer aufgeheizt wird. Ein weiterer Grund ist darin zu sehen, dass eine geringfügige unvermeidbare Abkühlung des Gases im heissen Ende des Zylinders an den Innenwänden des Kolbens und des Zylinders erfolgt. Da jedoch das Verhältnis von Fläche zu Volumen im heissen Zylinderende klein ist, ist auch diese Abkühlung entsprechend klein. Ein zusätzlicher Grund, warum das Gas relativ kalt ist, besteht darin, dass im Thermokompressor unter Last aufgrund der Abkühlung des Gases, das bei Abwärtsbewegung des Kolbens im Nebenschluss nach oben strömt, ein Druckabfall vorhanden ist. Dieser Druckabfall während der zweiten Bewegungsphase des Oszillationszyklus bewirkt einen im wesentlichen adiabatischen Temperaturabfall des grössten Teils des Gases im heissen Ende des Zylinders, so dass das Gas unmittelbar vor der heissen Bewegungsumkehr-Phase relativ kalt wird. Damit wird der thermisch verzögerte Antrieb des Kolbens in der heissen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus durch die Verzögerungs-Heizkammer 24 erleichtert und verstärkt.

Ein thermisch verzögerter Antrieb des freien Kolbens ist in der US-PS 3 807 904 beschrieben. Im Thermokompressor gemäss vorliegender Erfindung spielt die Heizkammer 24 jedoch eine doppelte Rolle. Während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus wirkt sie näherungsweise als gewöhnliche Stirling-Heizkammer, während sie während der heissen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus als Verzögerungs-Heizkammer wirkt. Es ist daher zu erwarten, dass die optimale Ausgestaltung in einem Kompromiss zwischen der optimalen Lösung für die beiden Arten von Kammern unter speziellen Betriebsbedingungen liegt.

Der in seiner Bewegungsrichtung umgekehrte Kolben 6 wird durch das geheizte Gas, das in der Heizkammer expandiert und aus der Heizkammer über die Leitungen 21 und 41 und/oder 21 austritt nach oben getrieben, bis seine Seitenwand die heisse Nebenschlussöffnung 17 freigibt, wonach die heisse Bewegungs-umkehr-Phase des Oszillationszyklus endet und die erste Bewegungsphase des nächsten Zyklus der Kolbenoszillation beginnt, wobei das Gas wiederum durch den Nebenschluss nach unten strömt, um im Wärmespeicher und weiterhin in der Heizkammer aufgeheizt zu werden.

Die Anordnung kann durch einen einzigen Druckimpuls des Arbeitsgases, der unter dem Kolben zur Wirkung gebracht wird, gestartet werden, wobei der Kolben durch den auf seine Unterseite bzw. seine heisse Seite wirkenden Impuls nach oben getrieben wird. Ein Starter 45, welcher über eine Leitung 46 mit der Heizkammer 24 verbunden ist, dient als Quelle für derartige Gasdruckimpulse. Das Gas für den Startimpuls kann vom Bereich oberhalb des Kolbens abgezogen werden. Ein ausreichend starker, oberhalb des Kolbens wirkender Saugimpuls kann ebenfalls für den Start der Kolbenoszillation herangezogen werden.

Die heisse Nebenschlussleitung 16 verläuft unter einem Winkel gegen das heisse Ende des Zylinders, wodurch der aus der Austrittsöffnung 17 austretende definierte Arbeitsmediumstrom eine Geschwindigkeitskomponente besitzt, welche parallel zur Zylinderachse in Richtung vom kalten Ende zum heissen Ende des Zylinders (in Fig. 1 gesehen nach unten) verläuft. Handelt es sich dabei um einen spitzen Winkel relativ zu einer Normalen zur Zylinderachse, so kann der Abstand zwischen den Zentren der heissen Nebenschlussöffnung 17 und der Heizkammer-Einlassöffnung 20 etwa das 2- bis 3-fach der Wanddicke des dünnwandigen Abschnittes 37 der Kolbenseitenwand betragen. Dieser Abstand ist gleich einem kleinen Bruchteil des Radius des Zylinders. Wird die Leitung 16 nicht in einem sehr spitzen 5 Winkel geführt, kann der Abstand zwischen den Öffnungen 17 und 20 etwa gleich dem 1- bis 2-fachen der Dicke des Kolbenabschnitts 37 sein. Der Winkel des Nebenschlusses kann nach Wunsch gewählt werden ; ist die Leitung 16 überhaupt nicht winklig angeordnet, wobei die Hauptstromachse senkrecht zur io Zylinderachse verläuft, so kann der Abstand zwischen den Öffnungen 10 und 20 etwa gleich der Wanddicke des Kolbenabschnittes 37 sein. Da die Wanddicke des Kolbenabschnitte 37 kleiner als 1/10 des Radius des Zylinders 1 sein kann, wird ersichtlich, dass der Abstand zwischen den Öffnungen 17 und 20 is etwa gleich 1/10 oder um eine Grössenordnung kleiner als der Zylinderradius sein kann, wobei für praktisch alle strömenden Arbeitsmedien das gesamte, aus der Öffnung 17 austretende strömende Medium während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus aufeinanderfolgend durch den ringförmigen 20 Bereich 18, in die Heizkammer-Einlassöffnung, durch die Heiz-kammer-Einlassleitung 21 und die Heizkammer 24 strömt, um in dieser während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus aufgeheizt zu werden. Der grösste Teil des strömenden Mediums fliesst während dieser ersten Bewegungsphase des 25 Oszillationszyklus über die Leitung 28 in das heisse Ende des Zylinders zurück. Dieses Ein- und Ausströmen in die bzw. aus der Heizkammer wird durch geeignete Einstellung und Ausrichtung der Leitungen 16 und 21 sowie der Öffnungen 17 und 20 einschliesslich der Ausrichtung der Hauptstromachse des Teils 30 der Leitung 21 im Bereich der Öffnung 20 zur Hauptstromachse der Leitung 16 erleichtert.

Anstelle der vertikalen Ausrichtung der Zylinderachse gemäss Fig. 1 mit an der Unterseite des Zylinders angeordneter Heizkammer, wobei die Reibung zwischen Kolben und Zylinder 35 minimal gehalten und das Starten der Anordnung erleichtert wird, sind auch andere Orientierungen der Anordnung möglich.

Durch den erfindungsgemässen, thermisch angetriebenen Freikolbenverdichter können verschiedenartige Lasten angetrieben werden. Ein Beispiel ist ein linearer Stromgenerator mit 40 freiem Kolben, welcher durch den oszillierenden Druck in der Leitung 34 angetrieben wird. Ein weiteres Beispiel ist ein Rotationsmotor, welcher einen konventionellen Rotations-Stromge-nerator antreibt. An die Leitung 34 können zwei Regulierventile sowie ein Hochdruck- und ein Niederdruck-Speichertank ange-45 schlössen werden, um einen stationären Differenzdruck zum Antrieb des Rotationsmotors zu erzeugen. Der Thermokompressor kann beispielsweise durch Solarenergie, durch Abfackelflammen bei Bodenschatzgewinnung, durch Abwärme, durch brennenden Müll oder durch andere Wärmequellen ausreichen-50 der Temperatur mit Leistung versorgt werden. Ein Wechselstromgenerator kann dabei Wechselstrom oder Gleichstrom für Häuser, Fahrzeuge, motorgetriebene Wasserpumpen in fern liegenden Bereichen oder für andere Arten von Lasten liefern.

Die Dicke des ringförmigen Bereiches 18 ist gleich der 55 Differenz der Radien der Innenfläche der Zylinderseitenwand und der zylindrischen Aussenfläche 9 des Ansatzes 5. Wie oben ausgeführt, muss diese Dicke lediglich um so viel grösser als die Dicke des dünnwandigen Kolbenabschnittes 37 sein, wobei ein solches Spiel gewährleistet ist, dass der Abschnitt 37 nicht mit 60 dem Ansatz in Kontakt tritt oder eine unzulässige Reibung im ringförmigen Bereich 18 erfährt. Die Dicke des ringförmigen Bereiches muss daher lediglich gleich einem kleinen Bruchteil des Radius des Zylinders sein, wobei seine Abmessung den Durchtritt des Strömungsmediums von der Öffnung 17 in die 65 Öffnung 20 bei ninimalem Verlust an Strömungsmedium aus dem Strom erleichtert. Um den Durchtritt des strömenden Mediums weiter zu erleichtern, ist die Öffnung 20 geringfügig grösser als die Öffnung 16, während der Durchmesser der Leitung 21

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geringfügig grösser als der Durchmesser der Leitung 16 ist, wobei der Strom von der heissen Nebenschlussleitung bei seinem Durchtritt durch den ringförmigen Bereich geringfügig diffundieren kann und dennoch in die Heizkammer-Einlassöffnung und die Heizkammer-Einlassleitung eintritt, um bei seinem Durch- 5 lauf durch die Heizkammer während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus aufgeheizt zu werden.

Das strömende Arbeitsmedium kann ein Gas, wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium oder ein anderes kompressibles strömendes Medium sein. Es kann beispielsweise zweckmässig io sein, ein Wasser-Luft-Gemisch zu verwenden, wenn - neben anderen Faktoren - ausreichend Luft in das Wasser gebracht werden kann. Aufgrund der erfindungsgemässen Ausgestaltung desThermokompressors, insbesondere des relativ kurzen Abstandes zwischen der heissen Nebenschlussöffnung und der 15 Heizkammer-Einlassöffnung gelten die obigen Ausführungen hinsichtlich des vollständigen Durchtritts des strömenden Mediums vom Nebenschluss in die Heizkammer während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus, unabhängig von der Wahl des strömenden Arbeitsmediums. 20

Im weiten Sinne kann der erfindungsgemässe thermisch angetriebene Freikolbenverdichter als Stirling-Anordnung betrachtet werden, da er zur Erzeugung einer zyklischen Druckänderung zwecks Arbeitsleistung auf eine Last ein strömendes Arbeitsmedium abwechselnd und regenerativ aufheizt und abkühlt. Der 25 tatsächliche thermodynamische Zyklus hängt jedoch von der speziellen Auslegung und den Betriebsbedingungen einschliesslich der Natur des strömenden Arbeitsmediums und der Last ab, so dass generell auch eine Abweichung von einem wahren Stirling-Zyklus zu erwarten ist. 30

Da die Heizkammer-Einlass- und -Ausgangsleitung getrennt in das heisse Ende des Zylinders mündet, tritt das während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus von der Heizkammer über die Auslassöffnung in das heisse Ende des Zylinders strömende Gas nicht mit dem vom heissen Ende des Zylinder- 35 Nebenschlusses in die Heizkammer strömenden Medium in Wechselwirkung. Dies würde auch dann zutreffen, wenn der grösste Teil des Materials des Ansatzes entfernt würde, so dass alles was von dem Ansatz übrig geblieben wäre, nur noch zwei dünnwandige, als Heizkammer-Einlass- und -Auslassleitung die- 40 nende Rohr umfassen würde. Bei einer derartigen Strukturände-rung besteht jedoch die Tendenz zur Vergrösserung des Totvolumens im heissen Ende des Zylinders, so dass beispielsweise das vom Kolben nicht entfernte Gas nicht mehr nutzbar ist, wodurch der Maschinenwirkungsgrad verkleinert wird und für eine gege- 45 bene Last eine Vergösserung der Abmessungen erforderlich ist. Eine derartige Strukturänderung ist möglich, wobei es jedoch schwieriger ist, den Kolben so zu gestalten, dass das heisse Ende des Zylinders entleert wird und ein grosser Prozentsatz des darin befindlichen Gases während der heissen Bewegungsumkehr- 50 Phase des Oszillationszyklus in die Heizkammer gedrückt wird. Der Kolben kann dann auf eine Teilmarke so gestellt werden,

dass er in bezug auf den Zylinder eine feste Dreh- bzw. Azimutstellung erhält, wobei eine speziell gestaltete Ausnehmung an der Unterseite des Kolbens während der heissen Bewegungsumkehr-55 Phase des Oszillationszyklus immer über die beiden Leitungen gleitet und das Volumen des heissen Endes des Zylinders Werte in einem minimalen Bereich einnimmt. Neben der anhand von Fig. 1 beschriebenen bevorzugten Ausführungsform des Ansatzes sind also auch andere Ausführungsformen möglich, die 60 jedoch eine grössere Komplexität in der Herstellung und im Betrieb bedingen.

Da die Heizkammer-Einlassöffnung nahe an der heissen Nebenschlussöffnung liegt, sind für die Heizkammer-Auslassleitung 28 und die Heizkammerauslassöffnung 29 mehrere Stellun- 65 gen und Orientierungen möglich, ohne dass eine ins Gewicht fallende Wechselwirkung zwischen dem aufgeheizten, zum Zylinder zurückgeführten strömenden Medium und dem aus der heissen Nebenschlussöffnung austretenden strömenden Medium eintritt. Wenn jedoch der ringförmige Bereich um den Ansatz etwa die gleiche Dicke wie der dünnwandige Kolbenabschnitt besitzt, wird es notwendig, dass der Zylinderbereich zwischen der unteren Fläche des Kolbens und der oberen Fläche 30 des Ansatzes während der heissen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus mit der Heizkammer kommuniziert, so dass der Kolben das in diesem Zylinderbereich gefangene Gas zur nachfolgenden Aufheizung und zum Antreiben des Kolbens in Heizkammer treiben kann. Unter diesen Umständen ist es zweckmässig, dass die Heizkammer-Auslassleitung nach oben durch den Ansatz läuft und in der Öffnung 29 in der oberen Fläche 30 des Ansatzes endet, wenn nicht dem dünnwandigen Kolbenabschnitt, sondern dem zentralen Teil des freien Kolbens gegenüberliegt. Unter diesen Bedingungen ist es weiter zweckmässig, dass der Teil des ringförmigen Bereichs 18 unter dem Kolbenabschnitt 37 während der heissen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus mit der Heizkammer kommuniziert , so dass der Kolben dieses Gas während der heissen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus in die Heizkammer drücken kann. Dies ist eine Funktion der kurzen Leitung41.

Einer der Vorteile des erfindungsgemässen, thermisch angetriebenen Freikolbenverdichters ist in der hinter dem Nebenschluss liegenden Heizkammer 24 zu sehen, weil dadurch das Gas primär in der Heizkammer erhitzt wird, während es durch den Nebenschluss in das heisse Ende des Zylinders strömt. Dies steht im Gegensatz zu einer typischen Stirling-Maschine, wobei das Gas aufgeheizt wird, wärend es durch den Nebenschluss in das kalte Ende des Zylinders zurückströmt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Kompressors ist für viele Anwendungsfälle darin zu sehen, dass der freie Kolben selbst-oszillierend ist,

wobei die Kolbenoszillation sowohl bei Überlastung als auch bei Leerlauf aufrechterhalten bleibt. Es ist dabei keine Rückkopplung von einer Last erforderlich. Es muss beispielsweise kein träges Arbeitselement, wie beispielsweise ein schwerer Arbeitskolben, vorhanden sein. Beispielsweise läuft der in Fig. 1 dargestellte Kompressor auch weiter, wenn die Lastleitung vollständig blockiert wird oder direkt in die Atmosphäre mündet. Wie oben erläutert, kann der dargestellte Thermokompressor bei Verwendung von lediglich zwei Regulierventilen und geeigneten zugehörigen Leitungen einen Hochdruck- und einen Niederdruck-Speichertank speisen, ohne dass ein Arbeitskolben erforderlich ist. Der Differenzdruck in den Tanks kann dann zum Antrieb einer Rotationsmaschine, beispielsweise eines Rotationsmotors zum Antrieb eines Rotations-Stromgenerators ausgenützt werden. Die beiden vorstehend angegebenen Beispiele erläutern lediglich zwei von mehreren Faktoren, die bei der Festlegung in Betracht gezogen werden müssen, welche Art von Energiewand-lung für einen gegebenen Anwendungsfall am besten geeignet ist.

Die Umkehrbewegung des Kolbens am kalten Ende des Zylinders kann auch andersartig ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine Gasumkehrkammer geringeren Durchmessers (durch Verwendung eines kurzen Stabes auf der kalten Kolbenfläche oder auf der kalten Zylinderabschlusswand, welcher das in einem angepassten zylindrischen Raum im gegenüberliegenden Element gefangene Gas komprimiert), eine mechanische Feder, ein den Kolben anstossendes magnetisches Feld oder lediglich die Schwerkraft zur Anwendung kommen. Im letzteren Fall wird zweckmässig der Zylinder höher und der Nebenschluss länger ausgebildet.

Es ist weiterhin zu bemerken, dass die Begriffe «heiss», «warm», «kühl» und «kalt» lediglich relativ zu versthen sind. Beispielsweise kann das «kalte» Ende des Zylinders im Betrieb beträchtlich heiss sein, wobei jedoch dann das heisse Ende des Zylinders noch heisser ist.

Wird der Kompressor an eine Last angeschlossen, welche das strömende Medium kühlt oder wird ein kaltes strömendes

Medium durch den Thermokompressor gepumpt, so kann die Kühlkammer 13 im Nebenschluss entfallen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Erleichterung der Bewegungsumkehr des freien Kolbens am heissen Ende, bei der ebenfalls ein Anstossen des Kolbens an der heissen Abschlusswand vermieden wird. Bei dieser Ausführungsform kann anstelle der kurzen Leitung 41 eine Leitung 51 vorgesehen werden, um Gas im unteren Teil des ringförmigen Bereiches 18 zu fangen. Die Leitung 51 kommuniziert mit dem ringförmigen Bereich 18 über eine Öffnung 52 in der Zylinderseitenwand an einer Stelle, welche in einem kurzen Abstand über dem Boden des ringförmigen Bereiches liegt.

Die Leitung 51 kommuniziert an ihrem anderen Ende mit der Heizkammer-Ausgangsleitung 28 über eine Öffnung 53 in der Wand der Auslassleitung 28 zwischen der heissen Abschlusswand 4 und der Heizkammer 24. Daher kommuniziert die Heizkammer mit dem ringförmigen Bereich 18 des heissen Endes des Zylinders über die Leitungen 28 und 51. Die Heizkammer-Auslassleitung 28 kommuniziert mit dem heissen Zylinderende über die Öffnungen 29 und 52. Der Kolbenabschnitt 37 blockiert die Öffnung 52, um Gas im unteren Teil des ringförmigen Bereiches zu fangen, so dass eine kleine Bewegungsumkehr-Kammer gebildet wird, welche als steife Gaskompressionsfeder zur Vermeidung einer Übersteuerung des Kolbens wirkt. Die Leitung51 entspricht in ihrer Funktion derLeitung41. Ein Vorteil der Leitung 51 im Vergleich zur Leitung 41 ist jedoch darin zu sehen, dass die Aussenfläche des Kolbenabschnittes 37 den Gasstrom in der Leitung 51 blockiert, während bei der Leitung 41 die Innenfläche des Kolbenabschnittes 37 den Strom blockiert. Die Gleitdichtung zwischen den Seitenwänden des Kolbens und des Zylinders ist normalerweise besser als diejenige zwischen dem Kolbenabschnitt 37 und der Aussenfläche 9 des Ansatzes. Liegt die durch den Abschnitt 37 zu blockierende Öffnung in der Zylinderseitenwand und nicht im Ansatz, so besitzen auch die beiden parallelen Leckwege auf der Innenseite und der Aussenseite des Abschnittes 37 bessere relative Längen für einen besseren Abgleich zwischen sich und dem unteren Gesamtleckbereich des gefangenen Gases, d. h. die schlechtere Dichtungsfläche hat die grössere Dichtungslänge. Zur Reduzierung von Gasverlusten und damit verbundenen Kolbenenergieverlusten ist es daher zweckmässiger, dass eine solche Leitung durch die Aussenfläche des Kolbenabschnittes 37 und nicht durch dessen Innenfläche blockiert wird. Die Verwendung der Leitung 51 anstelle der Leitung 41 führte daher zu einer Verminderung der Anforderungen an die Kreisförmigkeit der Ansatzfläche 9 und der Innenfläche des Kolbenabschnittes 37, an die Genauigkeit der Durchmesser dieser beiden Flächen und an die Konzentrizität hinsichtlich der Zwischenfläche Kolben-Zylinder. Wie oben bereits ausgeführt, kann jedoch die durch die Heizkammer 24 und das heisse Ende des Zylinders gebildete Bewegungsumkehrkammer zur Vermeidung einer Übersteuerung des Kolbens ausreichend sein, wobei dann weder die Leitung 41 noch die Leitung 51 erforderlich ist. Das im ringförmigen Bereich 18 durch den Kolbenabschnitt 37 belastete Gas strömt dann frei im Raum zwischen der Aussenfläche 9 des Ansatzes 5 und der Innenfläche des Kolbenabschnittes 37 nach oben, wobei dieser Raum ausreichend weit ist, um einen freien Aufwärtsstrom des Gases im Bereich des Ansatzes zu ermöglichen. Bei einem Verdichter ist nur eine der Leitungen 41 und 51 vorhanden.

Beide Leitungen zusammen werden nicht verwendet.

Die kurze Leitung 41 kann durch eine oder mehrere vertikale Nuten (nicht dargestellt) in der Aussenfläche 9 des Ansatzes ersetzt werden, welche sich von der Ansatzfläche 30 bis zu eine, kurzen Abstand vom Boden des ringförmigen Bereiches 18 nach unten erstrecken. Die Nuten ermöglichen, dass das vom Kolbenabschnitt 37 bewegte Gas nach oben in den Zylinderbereich unmittelbar über der Ansatzfläche 30 strömt. Sollte die Gaskompressionsfeder im unteren Teil des ringförmigen Bereiches nicht

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erforderlich sein, so können die Nuten vollständig bis zum Boden ' des ringförmigen Bereiches verlaufen. Die Nuten laufen dabei nicht durch die Heizkammer-Einlassöffnung 20 und ermöglichen, dass die Einlassöffnung sehr nahe am Weg der Innenfläche 5 des Kolbenabschnittes 37 und damit sehr nahe an der heissen Nebenschlussöffnung 17 liegt, so dass der aus dem heissen Ende des Nebenschlusses während der Aufwärtsbewegung des Kolbens austretende Gasstrom wirksam von der Einlassöffnung 20 aufgenommen wird.

io Die Verwendung der Nuten oder einer der Leitungen 41 oder 51 kann zu einer geringen, auf den Kolben in Richtung der Zylinderseitenwand oder des Ansatzes wirkenden Querkraft führen, welche durch den Druck des strömenden Mediums in den Nuten oder einer der Leitungen zusammen mit dem Druck des 15 asymmetrisch aus der Gaskompressionsfeder am Boden des ringförmigen Bereichs austretenden strömenden Mediums hervorgerufen werden. Falls diese Querkraft zu Problemen führt, beispielsweise zueiner Verlangsamung der Kolbenbewegung oder zu einer grösseren Reibung und Abnutzung zwischen 20 Kolben und Zylinder, so kann sie dadurch ausgeglichen werden, dass ein Paar gleichartiger Nuten oder ein Paar gleichartiger Leitungen auf entgegengesetzten Seiten der Zylinderachse verwendet wird. Entsprechend kann auch ein Paar von heissen Nebenschlussleitungen und heissen Nebenschlussöffnungen auf 25 entgegengesetzten Seiten des Zylinders verwendet werden, falls ein derartiges Problem durch das Vorhandensein der heissen Nebenschlussöffnung hervorgerufen wird. An einem thermisch mit Leistung versorgten Modell konnte jedoch die freie Kolbenbewegung und ein thermisch verzögerten Antrieb des freien 30 Kolbens nachgewiesen werden. Die Zylinderseitenwand besitzt aber eine Öffnung, welche periodisch durch den Kolben überlaufen und blockiert wird, was zu einer geringen Querkraft im oben beschriebenen Sinne führt. Dabei konnte jedoch keine Erhöhung der Reibung zwischen Kolben und Zylinder oder ein 35 anderer nachteiliger Einfluss auf die Kolbenoszillation beobachtet werden.

Die Öffnung 52 der Leitung 51 ist auf der der heissen Nebenschlussöffnung 17 abgewandten Seite des Zylinders angeordnet. Damit wird die Länge des Leckweges zwischen den 40 Öffnungen 52 und 17 vergrössert, wodurch Leckverluste zwischen diesen beiden Öffnungen während einer Kolbenübersteuerung, d. h. in der heissen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus, während der die Öffnung 52 durch den Kolbenabschnitt 37 blockiert ist, reduziert werden.

45 Die Leitungen 41 und 51 müssen nicht notwendigerweise in derselben Ebene wie die Leitungen 16 und 21 liegen, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Im vorstehend beschriebenen Verdichter führt der freie Kolben eine oszillatorische Bewegung zwischen dem heissen und so dem kalten Zylinderende aus, wobei sich diese beiden Enden an der Unter- und Oberseite des Zylinders befinden, wenn dieser zur Vermeidung von mechanischer Reibung vertikal angeordnet wird. Der einen axialen Teil des Zylinders überbrückende Nebenschluss enthält einen Wärmespeicher und eine Kühlkam-55 mer, wobei die letztere über der ersteren angeordnet ist. Ausserhalb des Nebenschlusses ist eine Heizkammer vorgesehen, welche mit dem Bodenteil bzw. dem heissen Ende des Zylinders kommuniziert. Die abwechselnde Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kolbens im Nebenschlussbereich treibt Gas abwärts 60 und aufwärts durch den Nebenschluss, wodurch eine abwechselnde Aufheizung und Abkühlung des Gases erfolgt und damit eine zyklische Druckvariation erzeugt wird, welche zum Antrieb einer Last ausnutzbar ist. Durch den Kolben hinter dem Nebenschluss am oberen und unteren Ende des Zylinders gefangenes 65 Gas bildet gasförmige Kompressionsfedern, welche zur Ümkehr der Kolbenbewegung dienen. Die Heizkammer heizt das Gas im unteren Kompressionsraum auf, wodurch der Kolben mit ausreichender Energie zur Aufrechterhaltung der Oszillation nach

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oben getrieben wird. Nach unten durch den Nebenschluss strömendes Gas wird bei Bewegung des Kolbens durch den Nebenschlussbereich des Zylinders nach oben in einem Strom in das heisse Ende des Zylinders geführt, wobei dieser Strom über die Heizkammer-Einlassöffnung in die Heizkammer gerichtet ist. Der frei oszillierende Kolben ist an seiner unteren heissen Seite konkav ausgebildet, um während der Rücklaufphase des Oszillationszyklus einen unnötigen Kontakt zwischen dem Kolben und der Heizkammer-Einlassleitung zu vermeiden, welche in das Bewegungsvolumen hineinreicht, das durch den durch die konkave Kolbenfläche gebildeten Kolbenhohlraum definiert ist.

An der heissen Abschlusswand des Zylinders ist ein vorspringender Ansatz vorgesehen, welcher die Einlassleitung der Heizkammer enthält.

Die Einlassleitung und die Einlassöffnung der Heizkammer liegen näher an der Zylinderachse als die Kolbenseitenwand, wobei die Kolbenseitenwand als Hülse wirkt, welche die Einlassöffnung und die Einlassleitung während eines kleinen Teils des Oszillationszyklus umgibt, wodurch die Einlassöffnung und die Einlassleitung sehr nahe an der heissen Auslassöffnung des Zylinder-Nebenschlusses angeordnet werden können, ohne dass die Einlassleitung durch den Kolben beeinträchtigt wird. Damit wird die Kolbenbewegung nicht behindert, wodurch das im Nebenschluss nach unten strömende Gas wirksamer erhitzt wird. Das erhitzte Gas strömt frei in das heisse Ende des Zylinders zurück, während sich der Kolben noch aufwärts bewegt.

Im Gegensatz zu bisherigen Vorschlägen ist die Heizkammer-Einlassöffnung in einem Abstand von der heissen Nebenschlussleitung angeordnet, welcher gleich einem kleinen Bruchteil des Zylinderradius ist. Dies wird durch eine becherförmige Ausbildung des Kolbens ermöglicht, dessen offenes Ende nach unten gerichtet ist, so dass der Kolben mit dem die Heizkammer-Einlassöffnung oder die Heizkammer-Einlassleitung bildenden Elementen körperlich in Kontakt gelangen kann. Diese Teile 5 liegen im hohlen Teil des Kolbens, während dieser am unteren heissen Ende des Zylinders seine Bewegungrichtung umkehrt. Die Heizkammer-Einlassleitung ist daher bis in das Volumen des Zylinderabschnittes gerichtet, der durch die Innenfläche der Kolbenseitenwand definiert wird, während der Kolben im unte-io ren Bereich seines Hubes am weitesten vom kalten Ende des Zylinders entfernt ist. Damit kann die Heizkammer-Einlassöff-nung sehr nahe an der heissen Nebenschlussöffnung heissen Nebenschlussleitung angeordnet werden, wobei lediglich eine Trennung durch den dünnwandigen Teil der Kolbenseitenwand 15 vorhanden ist. Unabhängig von der Wahl des strömenden Arbeitsmediums kann daher praktisch das gesamte strömende Arbeitsmedium, das während der Wegbewegung des Kolbens vom heissen Ende des Zylinders über die heisse Auslassöffnung in das heisse Ende des Zylinders strömt, auch über die Heizkam-20 mer-Einlassöffnung und die Heizkammer-Einlassleitung in die Heizkammer strömen, um in dieser aufgeheizt zu werden, während sich der Kolben noch vom heissen Ende des Zylinders wegbewegt.

Bei diesem thermisch angetriebenen Freikolbenverdichter ist 25 also die Heizkammer-Einlassöffnung weit näher an der heissen Auslassöffnung des Nebenschlusses angeordnet, um während der Aufwärtsbewegung des freien Kolbens eine grössere Menge an strömendem Medium, das aus der heissen Nebenschlussleitung ausströmt und in das heisse Ende des Zylinders einströmt, 30 einzufangen und aufzuheizen.

M

1 Blatt Zeichnungen

Claims

629 573 PATENTANSPRÜCHE

1. Thermisch angetriebener Freikolbenverdichter, mit einem mit kompressiblem Arbeitsmedium gefüllten Zylinder ( 1 ) und einem im Zylinder beweglichen Freikolben (6), der den Zylinder in ein heisses und ein kaltes Zylinderende von variablen Volumen unterteilt, einem Zylinder-Nebenschluss ( 10), der einen Wärmespeicher (15) enthält und das heisse und kalte Zylinderende miteinander verbindet, wobei derNebenschluss (10) mit dem heissen Zylinderende mittels einer heissen Leitung (16), die im heissen Zylinderende über eine Auslassöffnung ( 17) in der Zylinderseitenwand (2) mündet, in Verbindung steht, einer Heizkammer (24), die mit dem heissen Zylinderende über eine Heizkammer-Einlassöffnung (20) in Verbindung steht, welche Heizkammer-Einlassöffnung (20) sich im Stromlauf des aus der Auslassöffnung (17) strömenden Arbeitsmediums befindet,

wenn sich der Kolben (6) in Richtung des kalten Zylinderendes bewegt, wobei der Freikolben (6) während seiner Bewegung in Richtung des heissen Zylinderendes die heisse Auslassöffnung (17) blockiert und das Arbeitsmedium in die Heizkammer (24) drückt, in welcher das Arbeitsmedium aufgeheizt wird, um den Freikolben (6) in Richtung des kalten Zylinderendes zu treiben, und wobei durch die Hin- und Herbewegung des Freikolbens (6) das Arbeitsmedium abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt wird, wodurch ein oszillierender Druck entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) eine heisse Abschlusswand (4) besitzt, die in dem heissen Zylinderende in einen Ansatz (5) übergeht, dass am Ansatz (5) in einem Abstand von der heissen Auslassöffnung (17), welcher Abstand einem kleinen Bruchteil des Zylinderhalbmessers entspricht, die Einlassöffnung (20) der Heizkammer liegt, und dass der Freikolben (6) einen dünnwandigen Abschnitt (37), besitzt, der über den Ansatz (5) geschoben wird, wenn der Abschnitt während der Bewegung des Freikolbens (6) in Richtung des heissen Zylinderendes die heisse Auslassöffnung (17) blockiert.

2. Freikolbenverdichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dünnwandige Abschnitt (37), am heissen Ende des Freikolbens (6) vorgesehen ist.

3. Freikolbenverdichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der heissen Auslassöffnung (17) und der Heizkammer-Einlassöffnung (20) etwa gleich der Wanddicke des dünnwandigen Kolbenabschnittes (37) ist.

4. Freikolbenverdichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der heissen Auslassöffnung (17) und der Heizkammer-Einlassöffnung (20) gleich dem 1-bis 2-fachen der Wanddicke des dünnwandigen Kolbenabschnittes (37) ist.

5. Freikolbenverdichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben (6) an seinem heissen Ende eine dem heissen Ende des Zylinders (1) gegenüberliegende konkav geformte Fläche besitzt.

6. Freikolbenverdichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben (6) becherförmig ausgebildet ist und dass das offene Ende des Bechers dem heissen Ende des Zylinders (1) gegenüberliegt.

7. Freikolbenverdichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (5) eine obere, in Richtung gegen den Freikolben (6) gerichtete Horizontalfläche (30) aufweist und dass die Heizkammer-Einlassöffnung (20) in der Aussenfläche (9) des Ansatzes (5) im Bereich der heissen Aus-lassöffnaung (17) vorgesehen ist.

8. Freikolbenverdichter nach einem der Patentansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, dass der dünnwandige Abschnitt (37) des Freikolbens (6) an dessen heissem Ende während der Bewegung des Freikolbens (6) in Richtung des heissen Zylinderendes als Hülse über die Aussenfläche (9) des Ansatzes (5) greift.

9. Freikolbenverdichter nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer-Einlassöff-nung (20) und die heisse Auslassöffnung ( 17) so orientiert angeordnet sind, dass die Hauptströmungsachse der heissen Leitung (16) etwa durch das Zentrum der Heizkammer-Einlass-öffnung (20) verläuft.

10. Freikolbenverdichter nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (5) eine in der Aussenfläche (9) mündende Leitung (41) und eine in der Horizontalfläche (30) vorgesehene Heizkammer-Auslassöffnung (29) aufweist.