DE10135205A1 - Rotationskolbenmotor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Motor mit äußerer Wärmezufuhr bereitgestellt, der mindestens eine Rotationskolbenmotoreinheit (M), also eine Motoreinheit mit einem rotierenden Verdränger, umfasst, welche mindestens eine Wärmequelle (9, 9a, 9b) und mindestens eine Wärmesenke (11, 11a, 11b) aufweist, wobei der Motor Wärmeenergie, die aus der Wärmequelle (9, 9a, 9b) entzogen wird, in kinetische Energie, nämlich in eine Drehbewegung eines Rotationskolbens (21), umwandelt.

Description

• Ein Heißgasmotor ist ein Motor mit äußerer Verbrennung bzw. Wärmezufuhr. Ein derartiger Motor umfasst im Wesentlichen eine Wärmequelle und eine Wärmesenke und eine dazwischen angeordnete geeignete Kolbenanordnung, die unter Erzeugung von kinetischer Energie der Wärmequelle Wärmeenergie entzieht.
• Einen Motor mit äußerer Wärmezufuhr gemäß dem Stand der Technik stellt der Stirling-Motor dar. Der Stirling-Motor umfasst einen mit einem Arbeitsgas gefüllten Zylinder, welcher an einer Wärmesenke und an einer Wärmequelle angeschlossen ist, sowie zwei in dem Zylinder angeordnete Kolben. Durch eine spezielle Anordnung der Wärmequelle und der Wärmesenke und einen speziellen Bewegungsablauf der Kolben wird das Gas in folgender Reihenfolge isotherm verdichtet, isochor erwärmt, isotherm expandiert, weiterhin isochor abgekühlt und dann erneut isotherm verdichtet, usw. Obwohl bei dem Stirling-Motor ein effektiver Wirkungsgrad von über 30% erreichbar ist, setzt der Stirling-Motor eine relativ komplizierte Anordnung und einen relativ komplizierten Bewegungsablauf der beiden Kolben voraus.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Konzept eines Motors mit äußerer Wärmezufuhr vorzustellen.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Motor mit äußerer Wärmezufuhr bereitgestellt wird, der mindestens eine Rotationskolbenmotoreinheit, also eine Motoreinheit mit einem rotierenden Verdränger umfasst, welche mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke aufweist, wobei der Motor Wärmeenergie, die aus der Wärmequelle entzogen wird, in kinetische Energie, nämlich in eine Drehbewegung eines Rotationskolbens umwandelt. Erfindungsgemäß weist die Rotationskolbenmotoreinheit ein Gehäuse mit dem darin drehbaren Rotationskolben auf, der mit dem Gehäuse eine Kammer begrenzt, die nach Maßgabe der Drehung des Rotationskolbens am Gehäuseumfang umläuft und dabei ihr Kammervolumen zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ändert.
• Vorzugsweise ist an wenigstens einem Bereich des Gehäuses, an dem bei Drehung des Rotationskolbens in einer Arbeitsdrehrichtung das Kammervolumen vergrößert wird, eine Wärmequelle angeschlossen und an wenigstens einem Bereich des Gehäuses, an dem bei Drehung des Rotationskolbens in der Arbeitsdrehrichtung das Kammervolumen verkleinert wird, eine Wärmesenke angeschlossen.
• Kinetische Energie wird mit dieser Anordnung dadurch erzeugt, dass ein Arbeitsmittel in der Kammer durch die Wärmequelle erwärmt wird, so dass aufgrund des mit der Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels einhergehenden Druckanstiegs eine Kraft auf den Rotationskolben ausgeübt wird. Dabei wird eine Drehung des Rotationskolbens in Arbeitsdrehrichtung, also in der Richtung erzeugt, in welcher das Kammervolumen zunimmt. Die Kammer bewegt sich dabei zu dem Punkt, in dem sie ihr maximales Kammervolumen erreicht. Bei Weiterbewegung des Rotationskolbens, z. B. aufgrund dessen Drehimpulses, erreicht die Kammer, während das Volumen der Kammer verkleinert wird, die Wärmesenke, wo Wärme vom Arbeitsmittel zur Wärmesenke fließen kann, so dass eine Abkühlung des Arbeitsmittels und ein damit einhergehender Druckabfall in der Kammer erfolgt. Bei Weiterdrehung des Rotationskolbens durchläuft die Kammer den Punkt, an dem ihr Volumen minimal wird und kommt bei erneut zunehmendem Volumen wieder in den Bereich einer Wärmequelle. Erneut kann Wärme von der Wärmequelle zum Arbeitsmittel fließen, so dass durch Temperaturerhöhung und damit einhergehender Druckerhöhung des Arbeitsmittels eine den Kolben weiterdrehende Kraft erzeugt wird. Die Kammer durchläuft somit zwischen ihrem Minimalvolumen und ihrem Maximalvolumen Bereiche, in denen das Kammervolumen zunimmt, und Bereiche, in denen das Kammervolumen abnimmt, wobei in Bereichen zunehmenden Kammervolumens Wärmezufuhr von einer Wärmequelle zum Arbeitsmittel stattfindet, wohingegen in Bereichen abnehmenden Kammervolumens Wärmeabfuhr vom Arbeitsmittel zu einer Wärmesenke stattfindet, so dass die Drehbewegung des Rotationskolbens kontinuierlich aufrecht erhalten werden kann. Die Positionierung der Wärmequellen und Wärmesenken an bestimmten Stellen in den jeweiligen Bereichen kann dabei entsprechend der gewünschten Leistungsmerkmale des Motors erfolgen.
• Insbesondere kann eine Wärmequelle an das Gehäuse an einen Bereich angeschlossen sein, wo das Kammervolumen minimal wird, und insbesondere kann eine Wärmesenke an das Gehäuse an einen Bereich angeschlossen sein, wo das Kammervolumen maximal wird.
• Vorzugsweise ist die Kammer der Rotationskolbenmotoreinheit abgeschlossen und weist eine definierte Menge eines Arbeitsmittels auf. Durch den Normaldruck des Arbeitsmittels, welcher einer bestimmten Menge des Arbeitsmittels bei einer bestimmten Temperatur und bei einem bestimmten Kammervolumen entspricht, ist die Leistung des Motors beeinflussbar.
• In einer weiteren Ausführungsform kann im Betrieb oder außerhalb des Betriebs der Rotationskolbenmotoreinheit die Stoffmenge des Arbeitsmittels (die einem Normaldruck entspricht) verändert werden, wodurch sich andere Leistungsmerkmale des Motors ergeben.
• Vorzugsweise sind die Bereiche der Rotationskolbenmotoreinheit zwischen Wärmequellen und Wärmesenken thermisch isoliert. Dadurch kann vermieden werden, dass unerwünscht Wärme von der Wärmequelle zur Wärmesenke unmittelbar über das Gehäuse abfließt und/oder das Arbeitsmittel seine Wärme an der Wärmesenke vorbei über das Gehäuse abgibt.
• In einer besonderen Ausführungsform kann das Motorgehäuse des Motors mit äußerer Wärmezufuhr wenigstens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, insbesondere einem Keramikmaterial, welches günstige Verschleiß-, Korrosions- und Härteeigenschaften besitzt und eine geringe Wärmeausdehnung hat.
• Um eine Wärmeabfuhr über den Rotationskolben zu vermeiden, kann dieser vorzugsweise wenigstens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, so dass sich die bereits für das Motorgehäuse genannten Vorteile ergeben.
• In einer besonderen Ausführungsform kann der Rotationskolben wenigstens teilweise aus einem Keramikmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit und mit den bereits für das Motorgehäuse genannten günstigen Eigenschaften bestehen.
• Ferner können zwei Kammern der Rotationskolbenmotoreinheit über einen Kanal, z. B. im Rotationskolben, verbunden sein. In diesem Kanal kann ferner ein Wärmetauscher angeordnet sein.
• Um eine gute Wärmezufuhr zur Kammer bzw. eine gute Wärmeabfuhr aus der Kammer zu gewährleisten, kann die Wärmequelle oder/und die Wärmesenke der Rotationskolbenmotoreinheit durch einen Wärmetauscher gebildet sein.
• Vorzugsweise ist der Wärmetauscher dabei zumindest größtenteils aus Metall, insbesondere aus Kupfer, Aluminium oder ggf. Silber gebildet. Metalle, insbesondere die drei genannten, besitzen gute Eigenschaften bezüglich der Wärmeleitung und sind deshalb vorzugsweise als Materialien für Wärmetauscher zu wählen.
• In einer besonderen Ausführungsform kann die Wärmequelle bzw. die Wärmesenke aus einem Wärmetauscher gebildet sein, der flüssiges Metall, insbesondere Natrium, Quecksilber oder Blei als gut wärmeleitendes Medium enthält, da die Wärmeleitfähigkeit flüssiger Metalle besser ist als die der festen Metalle.
• In einer besonderen Ausführungsform durchstößt der Wärmetauscher nicht das Gehäuse der Rotationskolbenmotoreinheit, sondern reicht nur bis knapp unter die innere, zum Rotationskolben hin gerichtete Fläche des Rahmens des Gehäuses, der aus einem Stück gefertigt sein kann, wodurch die Dichteigenschaften verbessert werden.
• Denkbar ist aber auch, dass der Wärmetauscher die Kammer durchstößt und mit der Kammerinnenfläche eine geschlossene Fläche bildet, wodurch das Arbeitsmittel direkt mit dem Wärmetauscher in Verbindung treten kann.
• Die Materialien der Kammer, der Wärmetauscher und des Kolbens haben vorzugsweise möglichst ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten.
• Das Arbeitsmittel der Rotationskolbenmotoreinheit enthält bevorzugt ein Gas hoher Wärmeleitfähigkeit, so dass eine schnelle Energieübertragung gewährleistet ist. So kann das Arbeitsmittel z. B. Wasserstoff oder/und Helium enthalten.
• Ferner kann das Arbeitsmittel aus einer Mischung verschiedener Stoffe mit unterschiedlichen Dampfdruckkurven bestehen. Gewünschte Eigenschaften des Arbeitsmittels können somit durch dessen Zusammensetzung erzielt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Arbeitsmittel zumindest größtenteils aus Wasser.
• Das Arbeitsmittel und die Betriebsbedingungen des Motors können zudem so gewählt werden, dass bei Drehung des Rotationskolbens das Arbeitsmittel zumindest teilweise zwischen den Phasen gasförmig und flüssig wechselt. Ein Vorteil dabei ist, dass durch Fliehkraft die flüssige Phase des Arbeitsmittels nach außen gedrückt wird und dadurch einfacher in Kontakt mit der Wärmequelle kommen kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Motor mit äußerer Wärmezufuhr derart ausgebildet, dass das Gehäuse einer Rotationskolbenmotoreinheit eine epitrochoide Form aufweist und dass der Rotationskolben die Form eines Bogendreiecks aufweist, wobei das Gehäuse und der Rotationskolben drei geschlossene Kammern begrenzen. Diese Form entspricht im Wesentlichen der Form eines Wankelmotors, der gattungsgemäß aber den Verbrennungsmotoren zuzuordnen ist.
• In einer besonderen Ausführungsform ist der Motor mit äußerer Wärmezufuhr mehrstufig aus mehreren Rotationskolbenmotoreinheiten gebildet, die thermisch in Serie miteinander verbunden sind, so dass die Wärmesenke einer in der Stufenfolge vorausgehenden Rotationskolbenmotoreinheit eine Wärmequelle der dieser Rotationskolbenmotoreinheit in der Stufenfolge folgenden Rotationskolbenmotoreinheit bildet. Durch das thermische In- Serie-Schalten mehrerer Rotationskolbenmotoreinheiten, also durch die Bildung eines Temperaturstufenmotors, kann eine bessere Nutzung der Wärmeenergie und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden.
• Ferner ist denkbar, dass der Motor mit äußerer Wärmezufuhr mehrstufig aus Motoreinheiten gebildet ist, von denen Wenigstens eine eine Rotationskolbenmotoreinheit ist und von denen wenigstens eine eine Hubkolbenmotoreinheit, insbesondere Stirling-Hubkolbenmotoreinheit, ist, wobei die Motoreinheiten thermisch in Serie miteinander verbunden sind, so dass eine Wärmesenke einer in der Stufenfolge vorausgehenden Motoreinheit eine Wärmequelle der dieser Motoreinheit in der Stufenfolge folgenden Motoreinheit bildet.
• Weiterhin ist denkbar, dass die Motoreinheiten des Temperaturstufenmotors ausschließlich Hubkolbenmotoreinheiten, insbesondere Stirling-Motoren, sind.
• Vorzugsweise weist der Temperaturstufenmotor in unterschiedlichen Temperaturstufen, d. h. in unterschiedlichen Motoreinheiten unterschiedliche, für die jeweilige Temperaturstufe geeignete Arbeitsmittel auf.
• Ferner kann das Arbeitsmittel in zwei verschiedenen Motoreinheiten unterschiedliche Stoffmengen aufweisen.
• In einer bevorzugten weiteren Ausführungsform weisen zwei verschiedene Motoreinheiten unterschiedliche Dimensionen ihrer Komponenten auf, insbesondere unterschiedliche Kammervolumina und/oder unterschiedliche Kolbendimensionen und/oder unterschiedliche Gehäusedimensionen.
• In einer weiteren Ausführungsform kann der Motor mit äußerer Wärmezufuhr auch thermisch parallel miteinander verbundene Motoreinheiten umfassen, welche eine gemeinsame Wärmequelle und/oder eine gemeinsame Wärmesenke aufweisen.
• Die Wärmequelle des Motors kann vorzugsweise eines oder eine Kombination der folgenden Verfahren sein: Verbrennung von Brennstoffen, chemische Reaktionsenergie, Kernenergie, Sonnenenergie, geothermische Energie oder die Nutzung von Abwärme z. B. aus Energieerzeugungsanlagen oder Reibungsenergie.
• Die Kühlung der Wärmesenke kann durch Wasser, durch Luft oder andere geeignete Verfahren erfolgen.
• Eine mögliche Anwendung des Motors mit äußerer Wärmezufuhr besteht zum Beispiel als Generatorantrieb, z. B. zum Nachladen von Akkus bei Fahrzeugen mit Elektromotor etc.
• Weiterhin ist vorstellbar, dass der Motor mit äußerer Wärmezufuhr in einer oder mehreren der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen umgekehrt als Kältemaschine und/oder als Wärmepumpe betrieben werden kann. Dabei wird der Motor mit einem Antrieb versehen, beispielsweise einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor, der eine oder mehrere in Serie oder parallel geschaltete Rotationskolbenmotoreinheiten antreibt. Durch die durch den Elektromotor oder den Verbrennungsmotor etc. erzeugte Drehung des Rotationskolbens wird das Arbeitsmittel in dem Bereich, in dem das Kammervolumen abnimmt, komprimiert und dadurch erwärmt, wobei die Wärme an einen sich in diesem Bereich (anstelle der Wärmequelle) befindlichen Wärmetauscher abgegeben werden kann. Nach Passieren des Minimums des Kammervolumens bei Weiterdrehung des Rotationskolbens in dem Bereich, in dem das Kammervolumen zunimmt, expandiert das Arbeitsmittel, kühlt ab und kann wiederum Wärme einem Wärmetauscher entziehen, der sich in diesem Bereich (anstelle der Wärmesenke) befindet. Dadurch kann unter Anwendung einer äußeren kinetischen Energie einem Kühlbereich Wärme entzogen und einem Heizbereich Wärme zugeführt werden. Durch eine geeignete Anordnung von Wärmetauschern ist somit die Konstruktion einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe möglich. Insbesondere können die Wärmetauscher an einem Bereich des Gehäuses positioniert sein, wo das Kammervolumen minimal bzw. maximal wird. Dem vorstellend erläuterten Aspekt der Gestaltung einer Kältemaschine bzw. einer Wärmepumpe kommt im Rahmen dieser Anmeldung besondere und selbständige Bedeutung zu. Der Anmelder behält sich vor, auf diesen Aspekt noch Patentansprüche zu richten.
• Nachfolgend wird jetzt der Motor mit äußerer Wärmezufuhr in zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt eine Rotationskolbenmotoreinheit, deren Gehäuse eine epitrochoide Form aufweist und deren Rotationskolben bogendreieckförmig ist, wobei die Deckplatte des Gehäuses entfernt wurde, so dass Einblick in das Gehäuse mit dem darin befindlichen Rotationskolben gewährt wird.
• Fig. 2a) bis 2e) zeigen den Bewegungsablauf einer Rotation des Rotationskolbens um 180°, anhand derer eine Veränderung eines Kammervolumens in Abhängigkeit vom Rotationswinkel verdeutlicht werden soll.
• Fig. 3 ist ein Diagramm, das in Abhängigkeit vom Rotationswinkel des Rotationskolbens das Volumen der Kammer und das Volumen des Arbeitsmittels in der Kammer, umgerechnet auf Normaldruck, zeigt.
• Fig. 4 zeigt einen Temperaturstufenmotor, der aus vier Rotationskolbenmotoreinheiten gebildet ist, wobei jeweils eine Wärmesenke einer in der Stufenfolge vorausgehenden Rotationskolbenmotoreinheit eine Wärmequelle der in der Stufenfolge folgenden Rotationskolbenmotoreinheit bildet.
• Fig. 5 zeigt ein Energieflussdiagramm, das die Gewinnung mechanischer Arbeit durch den Vier-Temperaturstufen-Motor aus Fig. 4 veranschaulicht.
• Fig. 6 zeigt einen Temperaturstufenmotor, der aus vier Hubkolbenmotoreinheiten gebildet ist, die jeweils ein abgeschlossenes Gasvolumen aufweisen und nach dem Stirling-Prinzip arbeiten, wobei jeweils eine Wärmesenke einer in der Stufenfolge vorausgehenden Hubkolbenmotoreinheit eine Wärmequelle der in der Stufenfolge folgenden Hubkolbenmotoreinheit bildet.
• Als Erstes wird Bezug auf Fig. 1 genommen. Eine Rückwand 1, ein Rahmen 3 und eine Deckplatte 5 sind durch Bolzen 7 fest miteinander verbunden und bilden das Gehäuse des Motors. In der Figur wurde dabei die Deckplatte 5 entfernt, um Einblick in das Gehäuse auf den darin liegenden Rotationskolben 21 zu ermöglichen.
• Der Rotationskolben 21 wird durch ein Hohlrad gebildet, dessen Außenform bogendreieckförmig ist. Ein Zahnrad 23 des Hohlrads, das fest mit dem Rotationskolben 21 verbunden ist, rollt im Rotationsbetrieb des Motors auf fest mit der Rückwand 1 bzw. der Deckplatte 5 verbundenen Ritzeln 15 ab. Dabei führt der Rotationskolben 21 eine Drehbewegung um sein Zentrum aus, das selbst wiederum auf einer Kreisbahn umläuft. Eine Welle 19 ist durch Seitenlager 17 drehbar im Gehäuse gelagert. Auf dem exzentrischen Teil 19a der Welle 19 ist der Kolben 21 durch ein Mittellager 25 ebenfalls drehbar gelagert. Das Zentrum des Rotationskolbens 21 läuft auf der Kreisbahn dreimal so schnell um das Zentrum der Welle 19, wie sich der Rotationskolben 21 um sein eigenes Zentrum dreht. Damit rotiert die Welle 19 dreimal so schnell wie der Rotationskolben 21. Die äußeren Kanten 22 des Rotationskolbens 21 haben dabei ständigen Kontakt mit dem Gehäuse und schließen somit drei voneinander ständig getrennte Kammern A, B, C ein.
• Bei einer Rotation um 360° des Rotationskolbens 21 um sein Zentrum (entsprechend einer 3 × 360°-Rotation der Welle 19) durchlaufen die Kammern A, B, C jeweils zweimal aufeinander folgend einen Bereich mit einem Minimalvolumen und einen Bereich mit einem Maximalvolumen. Im Bereich des Gehäuses, wo die Kammern jeweils ihr Minimalvolumen erreichen und in dem Bereich des Gehäuses, wo die Kammer jeweils ihr Maximalvolumen erreichen, sind Wärmetauscher 9, 11 in das Gehäuse eingelassen und durch Bolzen 7 fest mit dem Gehäuse verbunden. Die Wärmetauscher 9, 11 durchstoßen aber nicht die zum Rotationskolben 21 hingewandte Innenfläche des Gehäuses. Die Wärmetauscher 9, 11 gehen am gehäuseabgewandten Ende in Wärmebrücken 13 über. Die Wärmetauscher 9 werden jeweils geheizt, wohingegen die Wärmetauscher 11 jeweils gekühlt werden, wodurch an dem Bereich des Gehäuses, wo die Kammern A, B, C ihr Minimalvolumen erreichen, eine Wärmequelle und an dem Bereich, wo die Kammern A, B, C ihr Maximalvolumen erreichen, eine Wärmesenke gebildet wird.
• Im Folgenden soll nun anhand der Fig. 2a) bis 2e) das Funktionsprinzip der in Fig. 1 dargestellten Rotationskolbenmotoreinheit M näher erläutert werden.
• Die Fig. 2a) bis 2e) zeigen den Querschnitt einer Rotationskolbenmotoreinheit M, die ein Gehäuse mit einem Rahmen 3 umfasst, in den zwei Wärmetauscher 9a und 9b eingelassen sind, welche Wärmequellen bilden, und in den ferner zwei Wärmetauscher 11a und 11b eingelassen sind, welche Wärmesenken bilden. Die Rotationskolbenmotoreinheit M umfasst weiterhin einen dreieckförmigen Rotationskolben 21, der mit seiner einen Seite 21a mit dem Gehäuse, das hier durch den Rahmen 3 dargestellt ist, eine Kammer A einschließt.
• In Fig. 2a) weist die Fläche 21a des Rotationskolbens 21 nach oben und die Kammer A liegt im Bereich der Wärmequelle 9a und ist in einem Bereich ihres kleinsten Kammervolumens. Das Arbeitsmittel in der Kammer A, z. B. Wasserdampf, wird an dieser Stelle durch die Wärmequelle aufgeheizt, so dass sich ein Druck aufbaut, der den Rotationskolben 21 antreibt, so dass dieser im Beispielsfall entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert, wodurch das Kammervolumen A vergrößert wird (siehe Fig. 2b)). Der Druck treibt den Rotationskolben 21 weiter, bis die Kammer A ihr Maximalvolumen erreicht (siehe Fig. 2c)) und in den Bereich der Wärmesenke 11 a gelangt, wo das Arbeitsmittel in der Kammer A seine Wärme wieder abgeben kann und dadurch dessen Druck abnimmt. Durch den Schwung des Kolbens und durch den Überdruck, der sich bereits in der der Kammer A nachfolgenden Kammer C an der Wärmequelle 9a aufgebaut hat, wird der Kolben weitergedreht, so dass die Kammer A wiederum komprimiert wird (siehe Fig. 2d)). Durch die Weiterbewegung gelangt die Kammer A an den zweiten Punkt ihres kleinsten Volumens innerhalb einer 360°-Drehung (siehe Fig. 2e)) und damit wieder in den Bereich einer Wärmequelle 9b, die das Arbeitsmittel erneut aufheizt, wodurch sich wieder der Druck in der Kammer A erhöht und der Rotationskolben 21 weitergedreht wird.
• Die Weiterbewegung der Kammer A bzw. der Rotationskolbenseite 21a von der Wärmequelle 9b zur Wärmesenke 11b geschieht analog zur Bewegung von der Wärmequelle 9a zur Wärmesenke 11a. Ebenso verläuft die Bewegung der beiden anderen Kammern B, C analog zur Kammer A, so dass auf den Rotationskolben 21 laufend ein Drehmoment ausgeübt wird, das ihn und damit die Welle 19 antreibt. Bei einer Umdrehung des Kolbens um 360 Grad durchläuft jede Kammer A, B, C aufeinander folgend einen Bereich minimaler Ausdehnung mit einer Wärmequelle 9a, dann einen Bereich maximaler Ausdehnung mit einer Wärmesenke 11a, nachfolgend einen Bereich minimaler Ausdehnung mit einer Wärmequelle 9b, darauf folgend wiederum einen Bereich maximaler Ausdehnung mit einer Wärmesenke 11b und nachfolgend wiederum den Bereich minimaler Ausdehnung mit der Wärmequelle 9a, usf. Die drei Kammern durchlaufen dabei jeweils den gleichen Zyklus um 120 Grad bzw. 240 Grad phasenverschoben.
• Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das das Volumen der Kammer A in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Kolbens 21 bei den Fig. 2a) bis 2e) darstellt, sowie die Änderung eines Volumens des Arbeitsmittels in der Kammer A, das auf einen Normaldruck umgerechnet ist, welcher einer bestimmten Stoffmenge des Arbeitsmittels bei einem bestimmten Volumen der Kammer und bei einer bestimmten Temperatur entspricht. Dieses normierte Volumen ist beispielsweise bei idealen Gasen indirekt proportional zum Druck des Arbeitsmittels in der Kammer A und daher ein Maß für das Drehmoment, das durch das Arbeitsmittel in der Kammer A über die Seite 21a auf den Rotationskolben ausgeübt wird.
• Fig. 4 zeigt einen Temperaturstufenmotor, der aus einer Kombination von vier Rotationskolbenmotoreinheiten M besteht. Bei jeweils zwei aufeinander folgenden Rotationskolbenmotoreinheiten M sind je ein Wärmetauscher 9 und ein Wärmetauscher 11 über eine Wärmebrücke 13 verbunden, so dass die Wärmesenke des einen Rotationskolbenmotors zugleich Wärmequelle des folgenden Rotationskolbenmotors ist. Die vier Rotationskolbenmotoreinheiten M weisen eine gemeinsame Welle 19 auf. Die Wärmetauscher 13 an dem einen Ende H (heiß) dieses vierstufigen Temperaturstufenmotors werden dabei geheizt, während die Wärmetauscher 13 an dem anderen Ende K (kalt) des Temperaturstufenmotors gekühlt werden. Über den Temperaturstufenmotor wird somit schrittweise in vier Stufen von H nach K Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt.
• Das Diagramm in Fig. 5 zeigt den Energiefluss eines Temperaturstufenmotors mit vier Rotationskolbenmotoreinheiten M. Es wurde angenommen, dass jede Rotationskolbenmotoreinheit M einen thermischen Wirkungsgrad von 20% hat und die Reibungs- bzw. Wärmeverluste für jede Rotationskolbenmotoreinheit 3% betragen. Insgesamt könnte mit dieser vierstufigen Anordnung unter den gegebenen Annahmen ein Gesamtwirkungsgrad von 56% erreicht werden.
• Ein In-Serie-Schalten von Motoreinheiten mit äußerer Wärmezufuhr ist nicht nur auf Rotationskolbenmotoreinheiten M beschränkt. Fig. 6 zeigt eine Ausführung eines Temperaturstufenmotors, bei dem die Stufen durch vier Hubkolbenmotoreinheiten HM gebildet werden. Die Hubkolbenmotoreinheiten HM weisen dabei jeweils ein abgeschlossenes Kammervolumen auf. Bei jeweils zwei aufeinander folgenden Hubkolbenmotoreinheiten HM sind je ein Wärmetauscher 9 und ein Wärmetauscher 11 über eine Wärmebrücke 13 verbunden, so dass die Wärmesenke des einen Hubkolbenmotors HM zugleich Wärmequelle des folgenden Hubkolbenmotors HM ist. Der Wärmetauscher 13 an dem einen Ende H (heiß) des Temperaturstufenmotors wird dabei geheizt, während der Wärmetauscher 13 an dem anderen Ende K (kalt) gekühlt wird, wodurch schrittweise in vier Stufen von H nach K Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt wird.
• In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung ist eine Mischform eines Temperaturstufenmotors denkbar, der gleichzeitig Rotationskolbenmotoreinheiten M und Hubkolbenmotoreinheiten HM umfasst, die in Serie geschaltet sind.
• Es wird ein Motor mit äußerer Wärmezufuhr bereitgestellt, der mindestens eine Rotationskolbenmotoreinheit, also eine Motoreinheit mit einem rotierenden Verdränger umfasst, welche mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke aufweist, wobei der Motor Wärmeenergie, die aus der Wärmequelle entzogen wird, in kinetische Energie, nämlich in eine Drehbewegung eines Rotationskolbens umwandelt.

Claims (25)

1. Motor mit äußerer Wärmezufuhr, wobei der Motor mindestens eine Rotationskolbenmotoreinheit (M) mit mindestens einer Wärmequelle (9, 9a, 9b) und mindestens eine Wärmesenke (11, 11a, 11b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenmotoreinheit (M) ein Gehäuse (1, 3, 5) mit einem darin drehbaren Rotationskolben (21) aufweist, der mit dem Gehäuse (1, 3, 5) eine Kammer (A, B, C) begrenzt, die nach Maßgabe der Drehung des Rotationskolbens (21) am Gehäuseumfang umläuft und dabei ihr Kammervolumen zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ändert.

2. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Bereich des Gehäuses (1, 3, 5), an dem bei Drehung des Rotationskolbens (21) in einer Arbeitsdrehrichtung das Kammervolumen vergrößert wird, eine Wärmequelle (9, 9a, 9b) angeschlossen ist, und dass an wenigstens einem Bereich des Gehäuses (1, 3, 5), an dem bei Drehung des Rotationskolbens (21) in einer Arbeitsdrehrichtung das Kammervolumen verkleinert wird, eine Wärmesenke (11, 11a, 11b) angeschlossen ist.

3. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (A, B, C) abgeschlossen ist und eine definierte Menge eines Arbeitsmittels enthält.

4. . Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Rotationskolbenmotoreinheit (M) zwischen Wärmequellen (9, 9a, 9b) und Wärmesenken (11, 11a, 11b) thermisch isoliert sind.

5. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (1, 3, 5) wenigstens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, insbesondere einem Keramikmaterial, besteht.

6. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolben (21) wenigstens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.

7. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolben (21) wenigstens teilweise aus einem Keramikmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.

8. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kammern (A, B, C) einer Rotationskolbenmotoreinheit über einen Kanal verbunden sind.

9. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal ein Wärmetauscher vorhanden ist.

10. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (11, 11a, 11b) oder/und die Wärmequelle (9, 9a, 9b) der Rotationskolbenmotoreinheit (M) durch einen Wärmetauscher (9, 9a, 9b; 11, 11a, 11b) gebildet ist.

11. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (9, 9a, 9b; 11, 11a, 11b) zumindest größtenteils aus Metall, insbesondere aus Silber, Kupfer oder Aluminium, gebildet ist.

12. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (9, 9a, 9b) bzw. Wärmesenke (11, 11a, 11b) aus einem Wärmetauscher (9, 9a, 9b; 11, 11a, 11b) gebildet ist, der flüssiges Metall, insbesondere Natrium, Quecksilber oder Blei als gut wärmeleitendes Medium enthält.

13. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel der Rotationskolbenmotoreinheit (M) ein Gas hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Wasserstoff oder/und Helium enthält.

14. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel aus einer Mischung verschiedener Stoffe mit unterschiedlichen Dampfdruckkurven besteht.

15. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel zumindest größtenteils aus Wasser besteht.

16. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel bei Drehung des Rotationskolbens (21) zumindest teilweise zwischen den Phasen gasförmig und flüssig wechselt.

17. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1, 3, 5) eine epitrochoide Form aufweist und dass der Rotationskolben (21) dreieckförmig ist, wobei das Gehäuse (1, 3, 5) und der Rotationskolben (21) drei geschlossene Kammern (A, B, C) begrenzen.

18. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrstufig aus mehreren Rotationskolbenmotoreinheiten (M) ausgebildet ist, die thermisch in Serie miteinander verbunden sind, so dass die Wärmesenke (11, 11a, 11b) einer in der Stufenfolge vorausgehenden Rotationskolbenmotoreinheit (M) eine Wärmequelle (9, 9a, 9b) der dieser Rotationskolbenmotoreinheit (M) in der Stufenfolge folgenden Rotationskolbenmotoreinheit (M) bildet.

19. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrstufig aus Motoreinheiten (M, HM) gebildet ist, welche wenigstens eine Rotationskolbenmotoreinheit (M) und wenigstens eine Hubkolbenmotoreinheit (HM), insbesondere Stirling-Hubkolbenmotoreinheit, umfassen, welche thermisch in Serie miteinander verbunden sind, so dass die Wärmesenke (11, 11a, 11b) einer in der Stufenfolge vorausgehenden Motoreinheit (M, HM) eine Wärmequelle (9, 9a, 9b) der dieser Motoreinheit (M, HM) in der Stufenfolge folgenden Motoreinheit (M, HM) bildet.

20. Motor mit äußerer Wärmezufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrstufig aus Hubkolbenmotoreinheiten (HM), insbesondere Stirling-Hubkolbenmotoren, gebildet ist, welche thermisch in Serie miteinander verbunden sind, so dass die Wärmesenke (11, 11a, 11b) einer in der Stufenfolge vorausgehenden Hubkolbenmotoreinheit (HM) eine Wärmequelle (9, 9a, 9b) der dieser Hubkolbenmotoreinheit (HM) in der Stufenfolge folgenden Hubkolbenmotoreinheit (HM) bildet.

21. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass er in wenigstens zwei verschiedenen Motoreinheiten (M, HM) unterschiedliche Arbeitsmittel umfasst.

22. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel in zwei verschiedenen Motoreinheiten (M, HM) unterschiedliche Stoffmengen aufweist.

23. Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwei verschiedene Motoreinheiten (M, HM) unterschiedliche Dimensionen der Motorkomponenten, insbesondere unterschiedliche Kammervolumina und/oder unterschiedliche Kolbendimensionen und/oder unterschiedliche Gehäusedimensionen aufweisen.

24. Motor mit äußerer Wärmezufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Motoreinheiten (M, HM) umfasst, die eine gemeinsame Wärmequelle (9, 9a, 9b) und/oder eine gemeinsame Wärmesenke (11, 11a, 11b) aufweisen.

25. Wärmepumpe oder Kältemaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe oder die Kältemaschine eine Rotationskolbenmaschine aufweist, die im Wesentlichen baugleich einem Motor mit äußerer Wärmezufuhr nach einem der Ansprüche 1-24 ist, wobei die Rotationskolbenmaschine mit einem Antriebsmittel versehen ist, welches den Rotationskolben dreht, wodurch durch Kompression und Expansion des Arbeitsmittels eine Wärmequelle erwärmt wird bzw. eine Wärmesenke abgekühlt wird.