DE10141399A1

DE10141399A1 - Heißgasmotor

Info

Publication number: DE10141399A1
Application number: DE2001141399
Authority: DE
Inventors: Uwe Laun; Gerhard Goch
Original assignee: Universitaet Bremen
Current assignee: Universitaet Bremen
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-13

Abstract

Ein Heißgasmotor ist gekennzeichnet durch einen rotationssymmetrischen Arbeitsraum mit unterschiedlichen Temperaturzonen, mehreren Trennelementen in dem Arbeitsraum, welche das Arbeitsgas in dem Arbeitsraum in verschiedene Teilvolumina unterteilen und in dem Arbeitsraum in Umlauf bringen, und durch mindestens ein Koppelelement, welches die Trennelemente beweglich miteinander koppelt und während eines Umlaufs in Abhängigkeit von den Temperaturzonen den Abstand der Trennelemente variiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor.
Der Wirkungsgrad η einer zyklisch arbeitenden Wärmekraftmaschine kann den theoretisch über den Carnotschen Kreisprozess berechneten Wert η = (T₁- T₂)/T₁ (T₁: Temperatur des Wärmereservoirs, T₂: Temperatur des Kühlmittels) nicht überschreiten. Dies gilt selbstverständlich auch für Heißgasmotoren, bei denen das Arbeitsgas im Betrieb des Motors nicht ausgetauscht wird und die deshalb mit nahezu jeder Energiequelle über die Speisung des Wärmereservoirs betrieben werden können. Tatsächlich wird dieser theoretisch mögliche Wirkungsgrad η solcher Wärmekraftmaschinen jedoch speziell für kleinere Temperaturunterschiede zwischen Kühlung und Wärmereservoir in der Praxis bislang bei weitem nicht erreicht, so dass deren wirtschaftlicher Einsatz nur selten möglich ist. So liegt der reale Wirkungsgrad eines Stirling-Motors bei einer Temperatur T₁ = 600 K des Wärmereservoirs und T₂ = 300 K des Kühlmittels derzeit bei unter 10% (theoretisch 50%), was dessen Nutzung z. B. zur Gewinnung elektrischer Energie aus solartechnisch erzeugter Wärme nicht sinnvoll erscheinen lässt.
Die Diskrepanz zwischen theoretischem und realem Wirkungsgrad wird bei den bekannten Heißgasmotoren bislang durch innere Reibungsverluste und vor allem durch im Sinne der Energieumsetzung unproduktive Entropieerhöhungen des Gesamtsystems während eines Arbeitszyklus verursacht. Dabei ist die erstere Ursache leicht zu verstehen, da die während eines Arbeitszyklus auftretenden und zur mechanischen Krafterzeugung verwendeten Druckvarianzen des Arbeitsgases bei Heißgasmotoren im Vergleich zu Explosionsmotoren meist geringer sind und daher die Motorreibung eine größere Rolle bei der Energiebilanz spielen muss.
Die Minderung des Wirkungsgrades durch unproduktive Erhöhungen der Entropie tritt dagegen immer dann auf, wenn Teile des Motors bei dessen Betrieb einen ähnlichen Temperaturzyklus wie das Arbeitsgas durchlaufen wie z. B. das Regeneratormaterial des Stirling-Motors oder wenn das Arbeitsgas außerhalb des eigentlichen Arbeitsraums in seiner Temperatur verändert wird, letzteres ist ebenfalls beim Stirling-Motor der Fall. Ein einen Temperaturzyklus durchlaufendes Motorenteil nimmt nämlich bei jedem Umlauf eine bestimmte Energiemenge ΔQ auf und gibt diese auch wieder ab, wobei die daraus resultierende Erhöhung der Entropie ΔS nach der Thermodynamik als ΔS = 2 × ΔQ/T₁ ausgedrückt werden und nicht mehr zum Betrieb des Motors verwendet werden kann.
Bei Kolbenmotoren wie dem Stirling-Motor sind weiterhin schon bei recht niedrigen Arbeitsfrequenzen meist nur näherungsweise adiabatische Expansionen bzw. Kompressionen des Arbeitsgases möglich, so dass dieses im Sinne der Motorfunktion unbedingt extern gekühlt bzw. erwärmt werden muss. Die dabei nach dem idealen Gasgesetz auftretende Druck- bzw. Volumenänderung des Arbeitsgases kann dann aber nicht mechanisch umgesetzt werden, wodurch der Wirkungsgrad eines solchen Heißgasmotors ebenfalls sinken muss.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Heißgasmotor zu konstruieren, der eine geringe innere Reibung aufweist, bei dem alle Motorenteile während eines Arbeitszyklus näherungsweise gleichtemperiert sind und bei dem das Arbeitsgas immer im Arbeitsraum verbleibt.

Diese Aufgabe wird durch einen Heißgasmotor gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen rotationssymmetrischen Arbeitsraum mit unterschiedlichen Temperaturzonen, mehreren Trennelementen in dem Arbeitsraum, welche das Arbeitsgas in dem Arbeitsraum ausreichend dick in verschiedene Teilvolumina unterteilen und in dem Arbeitsraum in Umlauf bringen, und mindestens ein Koppelelement, welches die Trennelemente beweglich miteinander koppelt und während eines Umlaufs in Abhängigkeit von den Temperaturzonen den Abstand der Trennelemente variiert.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass das Arbeitsgas während eines Arbeitszyklus innerhalb eines rotationssymmetrischen Arbeitsraumes mit unterschiedlichen Temperaturzonen, die durch den Kaltraum und den Warmraum erzeugt werden, von Trennelementen auf einer Kreisbahn bewegt wird. Die verschiedenen Teilvolumina des Arbeitsraumes ausreichend gegeneinander abdichtenden Trennelemente laufen um den zentralen Lagerzapfen, die Teilvolumina durchlaufen dabei adiabatische Umfangsabschnitte und isotherme Umfangsabschnitte, wodurch sich der gegenseitige Abstand benachbarter Trennelemente in eine zyklische Abstandsänderung umsetzt, die mittels einer geeigneten Mechanik in eine Drehbewegung umgesetzt wird.

Die mit der Erfindung gemäß dem Hauptanspruch erzielten Vorteile bestehen darin, dass nahezu alle Teile des Heißgasmotors während eines Arbeitszyklus auf kreisförmigen Bahnen laufen. Dies ermöglicht einen relativ einfachen und kostengünstigen Motorenaufbau mit wenigen Lagern. Wegen der geringen Lagerzahl und vor allem, weil durch die kreisförmige Bewegung der Trennelemente der Einsatz von Kolbenringen im Arbeitsraum vermieden werden kann, sind die Reibungsverluste des erfindungsgemäßen Motors entsprechend gering. Ein wesentlicher Vorteil liegt jedoch darin, dass das Arbeitsgas immer in Kontakt mit der Mechanik bleibt, welche die Druckvarianzen in ein Drehmoment umsetzt, und dass sich bei einer ausreichenden Drehfrequenz des Motors wegen der thermischen Wechselwirkung von Arbeitsgas und den Trennelementen alle Motorenteile in guter Näherung leicht temperiert bleiben.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem rotationssymmetrischen Arbeitsraum ein zentraler Lagerzapfen angeordnet ist, dass an dem Lagerzapfen mehrere Trennelemente drehbar gelagert sind, die sich durch eine zum Lagerzapfen rotationssymmetrische innere Umfangswand bis zu einer rotationssymmetrischen äußeren Umfangswand des Arbeitsraums erstrecken und das Volumen des Arbeitsraumes in mehrere Teilvolumina unterteilen, und dass mindestens ein Kaltraum und ein Warmraum in thermischem Kontakt mit dem Arbeitsraum stehen zur Erzeugung der unterschiedlichen Temperaturzonen in dem Arbeitsraum.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Kaltraum und der Warmraum mit vorgegebenem Winkelversatz an der äußeren Umfangswand des Arbeitsraumes, besonders bevorzugt wird nur ein Kaltraum und ein Warmraum vorgesehen, die an der äußeren Umfangswand einander gegenüber angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist das Koppelelement ringförmig ausgebildet und drehbar in einem gehäusefesten Lager gelagert, dessen Rotationsachse mit einem vorgegebenen Abstand e, auch Exzentrizität e genannt, parallel zum zentralen Lagerzapfen verläuft. Das gehäusefeste Lager besitzt bevorzugt mehrere gehäusefeste drehbare Rollen, in denen das ringförmige Koppelelement drehbar gelagert ist, wobei das Koppelelement entweder reibschlüssig oder formschlüssig mittels einer entsprechenden Umfangszahnung die Rollen antreibt, an denen beispielsweise die Drehbewegung des Motors abgegriffen werden kann.

Die Trennelemente enthalten außerhalb des Arbeitsraums je einen radialen Schlitz, in denen zur Ankopplung des ringförmigen Koppelelements ein Koppelstift gleitend oder rotierend geführt ist. Bei dieser Koppelmechanik werden die zyklischen Abstandsänderungen der Trennelemente in einfacher Weise in eine Drehbewegung des ringförmigen Koppelements umgesetzt, die ihrerseits in eine Drehbewegung der Lagerrollen umgesetzt wird und dann an den Lagerrollen abgreifbar ist. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragen mehrere gehäusefeste Wärmeleitlamellen aus dem Kaltraum und/oder dem Warmraum durch die äußere Umfangswand in den Arbeitsraum hinein. Die Wärmeleitlamellen sind parallel zueinander ausgerichtet und verlaufen in Ebenen, welche den zentralen Lagerzapfen senkrecht schneiden, so dass sich die Trennelemente mit ihren freien Enden im Bereich der Wärmeleitlamellen fingerförmig und ausreichend abgedichtet zwischen den Wärmeleitlamellen hindurch bis zu der äußeren Umfangswand des Arbeitsraums erstrecken. Die Wärmeleitlamellen sind bevorzugt kreisringförmig über den ganzen Umfang des Arbeitsraumes ausgedehnt, sie besitzen besonders bevorzugt mehrere beabstandete radiale Schlitze, um zwischen den Schlitzen eine ausreichend gute radiale Wärmeleitfähigkeit, in Umfangsrichtung jedoch eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit zu realisieren. Aufgrund der geeignet dimensionierten Wärmeleitlamellen können wegen der stark vergrößerten Kontaktflächen zwischen Arbeitsgas und den kalt (aus dem Kaltraum) bzw. warm (aus dem Warmraum) temperierten Lamellen neben den technisch einfach umzusetzenden adiabatischen Arbeitsschritten nahezu isotherme Expansionen und Kompressionen durchgeführt werden, so dass der erfindungsgemäße Heißgasmotor einen carnotschen Kreisprozess verwirklicht, dessen Wirkungsgrad nahe dem erreichbaren Wirkungsgrad ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die innere Umfangsbegrenzung des Arbeitsraumes durch eine segmentierte Umfangsdichtung realisiert, welche den Arbeitsraum ringförmig in vorgegebenem Abstand von dem zentralen Lagerzapfen begrenzt und abdichtet. Die Trennelemente ragen - möglichst gasdicht - durch die Dichtungssegmente hindurch in den Arbeitsraum hinein. Vorteilhafterweise ist an jedem Trennelement mindestens ein Dichtungssegment befestigt und relativ zu den anderen Dichtungssegmenten - entsprechend der Bewegung der Trennelemente - zueinander beweglich und bildet mit allen Dichtungssegmenten zusammen die innere Umfangsbegrenzung des Arbeitsraumes.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine schematische Darstellung des Heißgasmotors;
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Aufsicht, welche die Lagerung des Koppelelements zeigt;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Querschnitt längs der Linie III-III der Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 2;
Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V der Fig. 2;
Fig. 6 einen Querschnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 2;
Fig. 7 eine Aufsicht auf ein Trennelement mit daran befestigtem Dichtungssegment; und
Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie VIII-VIII der Fig. 2.
Fig. 1 und 2 zeigen Aufsichten auf den erfindungsgemäßen Heißgasmotor und die Fig. 3 bis 8 zeigen ausgewählte Querschnitte durch den Heißgasmotor der Fig. 1 und 2. Wie in den Fig. 1 bis 8 erkennbar, besitzt der Heißgasmotor ein Gehäuse 2, in dem ein zentraler Lagerzapfen 10 angeordnet ist, um den herum in vorgegebenem Abstand eine rotationssymmetrische innere Umfangsbegrenzung 5, und in vorgegebenem Abstand von der inneren Umfangsbegrenzung 5 eine rotationssymmetrische äußere Umfangswand 6 vorgesehen ist. Die Umfangsbegrenzung 5 und die Umfangswand 6 besitzen dieselbe Höhe und sind an ihren oberen Enden und ihren unteren Enden mittels zweier kreisscheibenförmiger Stirnwände 7 verbunden und schließen einen rotationssymmetrischen Arbeitsraum 4 ein, der sich konzentrisch um den zentralen Lagerzapfen 10 erstreckt. An dem Lagerzapfen 10 sind mehrere Trennelemente 40 drehbar gelagert, die einzeln, d. h. unabhängig von den anderen Trennelementen 40 eine Rotationsbewegung um den zentralen Lagerzapfen 10 ausführen können. Die Trennelemente 40 ragen durch die innere Umfangsbegrenzungen hindurch in den Arbeitsraum 4 hinein und erstrecken sich dort von der inneren Umfangsbegrenzung 5 bis zur äußeren Umfangswand 6, sie bilden zwischen der Umfangsbegrenzung 5 und der äußeren Umfangswand 6 sowie zwischen den Stirnwänden 7 eine möglichst gasdichte Unterteilung, welche das Volumen des Arbeitsraumes 4 in mehrere unterschiedliche Teilvolumina 4a, 4b, 4c und 4d unterteilen. An der äußeren Umfangswand 6 befinden sich - einander gegenüberliegend - ein Kaltraum 20, der sich in der dargestellten Ausführungsform über einen Umfangswinkel von 90° erstreckt, und gegenüberliegend - ein entsprechender Warmraum 22, der ebenfalls - in Umfangsrichtung - einen Umfangswinkel von 90° einnimmt. Der Kaltraum 20 und der Warmraum 22 stehen in wärmeleitendem Kontakt mit dem entsprechenden Segment des Arbeitsraumes und bewirken, dass das Arbeitsgas im Arbeitsraum wie im Bereich des Kaltraumes 20 gekühlt, im Bereich des Warmraumes 22 erwärmt wird, mit der Folge, dass sich die zwischen den Trennelementen 40 befindlichen Teilvolumina des Gas- Arbeitsvolumens im Arbeitsraum im Bereich des Kaltraumes reduzieren, wodurch die benachbarten Trennelemente ihren Winkelabstand ebenfalls verringern. Im Bereich des Warmraumes nimmt dagegen das Volumen des zwischen benachbarten Trennelementen befindlichen Arbeitsgases zu, so dass der Abstand benachbarter Trennelemente in diesem Bereich zunimmt.
Wie insbesondere den Fig. 2 und 3 entnehmbar ist, enthält das Gehäuse 2 auf beiden Stirnseiten je ein gehäusefestes Gerüst 30, welches ein gehäusefestes Lager 35 trägt, dessen Rotationsachse 32 mit vorgegebenem Abstand e, auch Exzentrizität e genannt, parallel zum zentralen Lagerzapfen 10 verläuft. Das gehäusefeste Lager 35 weist mehrere gehäusefeste, jedoch drehbare Rollen 35 auf, auf denen ein ringförmiges Koppelelement 34 drehbar gelagert ist. Das ringförmige Koppelelement 34 besitzt in der dargestellten Ausführungsform eine Umfangszahnung, die entsprechenden Rollen 35 sind mit einer entsprechenden Umfangszahnung versehen, so dass das Koppelelement bei seiner Drehung um die Rotationsachse 32 die Rollen 35 in eine Drehbewegung um ihre eigene Achsen 35a versetzt. Zwischen der inneren Umfangsbegrenzung 5 und dem zentralen Lagerzapfen 10 weisen die Trennelemente 40 einen oder mehrere Arme 41 auf, die mit einem axialen Spalt 44 versehen sind, der parallel zum Lagerzapfen 10 und radial nach außen verläuft. Durch den radialen Spalt 44 verläuft ein Koppelstift 36 hindurch, der an dem Koppelelement 34 befestigt ist und in radialer Richtung relativ in dem radialen Spalt 44 beweglich gelagert ist und eine entsprechende Bewegung ausführt, wenn die Trennelemente 40 in Rotation um den zentralen Zapfen versetzt werden und dabei je nach ihrer Position den Winkelabstand zum benachbarten Trennelement 40 vergrößern oder verkleinern. Durch diese Rotationsbewegung der Trennelemente 40 - mit variablem Winkelabstand zwischen benachbarten Trennelementen 40 - wird das Koppelelement 34 in eine Drehbewegung versetzt, die als Antriebsenergie an dem Heißgasmotor - und zwar entweder am Koppelelement 34 oder an einer der Rollen 35 - abgegriffen werden kann. Durch die Art der Ankopplung des ringförmigen Koppelelements an die Trennelemente wird bewirkt, dass der Winkelabstand, der sich aufgrund der am Umfang des Arbeitsraumes verteilten Kaltzonen und Warmzonen längs des Umfangs des Arbeitsraumes unterschiedlich groß ist, zwangsweise in eine Rotationsbewegung des ringförmigen Koppelelements 34 umgesetzt wird.
Wie sich der Fig. 3, insbesondere jedoch den Fig. 4 bis 6 und Fig. 8 entnehmen lässt, sind mehrere gehäusefeste Wärmeleitlamellen 24 an der äußeren Umfangswand 6 des Arbeitsraumes 4 befestigt und ragen in den Arbeitsraum 4 in parallelen Ebenen hinein, die so ausgerichtet sind, dass diese Ebenen den zentralen Lagerzapfen 10 senkrecht schneiden. Die Wärmeleitlamellen sind an der äußeren Umfangswand 6 befestigt, sie enden einen vorgegebenen Abstand vor der inneren Umfangsbegrenzung 5 und sind in Umfangsrichtung kreisringförmig geschlossen. Im Bereich des Kaltraumes 20 und des Warmraumes 22 ragen die Wärmeleitlamellen 24 durch die äußere Umfangswand 6 hindurch in den Kaltraum 20 bzw. Warmraum 22 hinein und bewirken, dass die Temperatur des Kaltraums 20, der beispielsweise von einem Kühlmittel durchströmt wird, über die Wärmeleitlamellen 24 in den betreffenden Abschnitt des Arbeitsraumes 4 übertragen wird und auf diese Weise das Arbeitsgas in diesem Abschnitt des Arbeitsraumes abkühlen bzw. auf einer geringen Temperatur abgekühlt halten. Die Wärmeleitlamellen 24 ragen gleichermaßen durch die äußere Umfangswand 6 hindurch in den Warmraum 22 hinein und bewirken, dass die Temperatur des durch den Warmraum hindurchströmenden Wärmeträgerfluids in dem betreffenden Umfangsabschnitt in den Arbeitsraum 4 auf das Arbeitsgas übertragen wird. Zur Reduktion von Wärmeverlusten ist die äußere Umfangswand 6 aus einem schlecht wärmeleitenden Material, z. B. Keramik gefertigt. Auch die Stirnwände 7 bestehen bevorzugt aus diesem Keramikmaterial, um Wärmeverluste bzw. entsprechende Kälteverluste zu reduzieren.
Das in Fig. 3 dargestellte Trennelement 40 ist mit zwei Armen 41 an dem Lagerzapfen 10 beispielsweise über Kugellager 42 drehbar gelagert, die beiden Arme 41 treffen auf den Lagerzapfen 10 in vorgegebenem Abstand auf. Zwischen den beiden Armen 41 sind die übrigen Trennelemente 40 mittels entsprechender Arme 41 drehbar gelagert, vgl. die Fig. 4, 5 und 6, die jeweils einen Schnitt durch ein Trennelement 40 darstellen. Die Arme 41 der Trennelemente gehen radial nach außen in einen radialen Spalt 44 über, an dessen radial äußerem Ende die Arme 41 sich nach außen fortsetzen. An den äußeren Armen 41 ist je ein Dichtungssegment befestigt, welches als Ring 5a ausgebildet ist und einen Teil der inneren Umfangsbegrenzung 5 des Arbeitsraumes 4 bildet. Das ringförmige Dichtungssegment 5a, 5b, 5c und 5d besitzt einen Durchmesser, der der inneren Umfangsbegrenzung 5 entspricht. Die Dichtungssegmente 5a bis 5c sind jeweils mit den entsprechenden Trennelementen befestigt und weisen alle denselben Durchmesser auf, lagern konzentrisch um den zentralen Lagerzapfen 10 übereinander und bilden so gemeinsam die innere Umfangsbegrenzung 5. Zwischen den Dichtungssegmenten lassen sich noch reibungsvermindernde Mittel 9 vorsehen, welche eine Relativdrehung zwischen den Dichtungssegmenten 5a bis 5d mit geringer Reibung ermöglichen.
Im Anschluss an die innere Umfangsbegrenzung 5, die aus den übereinander liegenden, relativ zueinander beweglichen Dichtungssegmenten 5a bis 5d gebildet ist, besitzen die Trennelemente radiale Schlitze 47 und zwischen den Wärmeleitlamellen 24 bis zur äußeren Umfangswand 6 nach außen ragende Finger 48. Die Trennelemente 40, d. h. die Finger 48 liegen möglichst gasdicht an der Innenkontur des Arbeitsraumes 4 und den Wärmeleitlamellen 24 an, um die einzelnen Teilvolumina 4a bis 4d zwischen den Trennelementen 40 möglichst gasdicht voneinander zu trennen.
Darauf zu achten ist, dass zwischen den einzelnen Trennelementen und den Wärmeleitlamellen 24, Stirnwänden 7 und den ringförmigen Dichtungssegmenten 5a bis 5d nur möglichst geringe Spalte oder Zwischenräume verbleiben, damit die Teilvolumina zwischen den Trennelementen ausreichend abgedichtete Gasräume sind, deren Volumen durch gegenseitige Annäherung oder Entfernung der Trennelemente 40 in weiten Bereichen variiert werden können, die entlang der Wärmeleitlamellen 24 um die zentralen Lagerzapfen 10 frei drehbar sind. Weiterhin sind die Trennelemente 40 und die Dichtungssegmente 5a bis 5c aus Materialien gefertigt, welche eine gute Wärmeisolation ermöglichen. Wird schließlich der Abstand der Wärmeleitlamellen 24 unter Berücksichtigung der gewünschten Drehzahl des Motors ausreichend klein gewählt, so entspricht die Temperatur der Teilvolumina zwischen den Trennelementen zu jedem Zeitpunkt näherungsweise derjenigen der dort befindlichen Wärmeleitlamellen 24.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist an beiden Stirnseiten des Arbeitsraumes je ein gehäusefestes Lager 35 an einem entsprechenden Gerüst 30 spiegelbildlich fluchtend zueinander angeordnet. In den beiden Lagern 30, 35, lagern ringförmige, identische Koppelelemente 34, die mittels der durch die axialen Spalte 44 hindurchgeführten Koppelstifte 36 miteinander verbunden sind und in den gehäusefesten, drehbaren Rollen 35 drehbar gelagert sind.
Werden die Koppelelemente 34 beispielsweise über die Rollen 35 angetrieben, so wird der Heißgasmotor als Generator, d. h. als Wärmepumpe betrieben. Werden die Koppelelemente 34 gleichmäßig gedreht, so werden die einzelnen Trennelemente 40 über ihre Arme 41 mittels der Koppelstifte 36 bewegt. Durch die variable Stellung der Koppelstifte 36 in den radialen Spalten 44 der Trennelemente 40 wird die gleichförmige Drehbewegung der Koppelelemente 34 innerhalb einer Umdrehung gleichförmig auf die Arme 41 der Trennelemente 40 übertragen, so dass sich die Winkelgeschwindigkeit der Trennelemente 40 zyklisch ändert, was wiederum zu einer zyklischen Änderung der Teilvolumina 4a, 4b, 4c und 4d zwischen den Trennelementen 40 im Arbeitsraum 4 führt. Das dabei erzielte Kompressionsverhältnis kann durch geeignete Wahl von Größe der Koppelelemente und der Exzentrizität e des Lagers 35 in weiten Grenzen variiert werden. Bei Betrieb der Anordnung als Wärmepumpe wird das beim Umlauf komprimierte Arbeitsgas an der betreffenden Stelle erwärmt und gibt diese Wärme an den Kaltraum 20 ab, bei der - im Bereich des Warmraumes - stattfindenden Expansion des Arbeitsgases wird der entsprechend angrenzende Raum 22 gekühlt.
Umgekehrt setzt sich der Heißgasmotor auch bei einer vorgegebenen ausreichenden Temperaturdifferenz zwischen Warmraum 22 und Kaltraum 20 in Bewegung, wobei eine ausreichende Auslegung der Wärmeleitlamellen 24 nahezu eine isotherme Kompression und Expansion des Arbeitsgases im Arbeitsraum 4 ermöglichen und daher eine gute Annäherung an den Carnot-Prozess ermöglichen. Die Wärmeleitlamellen 24 sind zur Verbesserung des Wirkungsgrades noch mit vielen radialen Schlitzen (nicht dargestellt) versehen, die eine Wärmeleitung in Umfangsrichtung zuverlässig verhindern, die jedoch eine Wärmeleitung in radialer Richtung, d. h. von dem Warmraum in den Arbeitsraum bzw. von dem Kaltraum in den Arbeitsraum ohne Störung ermöglichen.

Claims

1. Heißgasmotor, gekennzeichnet durch
einen rotationssymmetrischen Arbeitsraum (4) mit unterschiedlichen Temperaturzonen,
mehrere in dem Arbeitsraum rotierbare Trennelemente (40), welche das Arbeitsgas in dem Arbeitsraum in verschiedene Teilvolumina unterteilen und in dem Arbeitsraum in eine Rotationsbewegung versetzen, und
mindestens ein Koppelelement (34), welches die Trennelemente (40) beweglich miteinander koppelt, derart, dass sich der Abstand benachbarter Trennelemente (40) während eines Umlaufs in Abhängigkeit von den Temperaturzonen und dem resultierenden Temperaturzustand der Arbeitsgas- Teilvolumina ändert.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem rotationssymmetrischen Arbeitsraum (4) ein zentraler Lagerzapfen (10) angeordnet ist,
dass an dem Lagerzapfen (10) mehrere Trennelemente (40) drehbar gelagert sind, die sich durch eine zum Lagerzapfen (10) rotationssymmetrische innere Umfangswand (5) bis zu einer rotationssymmetrischen äußeren Umfangswand (6) des Arbeitsraums erstrecken und das Volumen des Arbeitsraumes in mehrere Teilvolumina unterteilen,
und dass mindestens ein Kaltraum (20) und ein Warmraum (22) in thermischem Kontakt mit dem Arbeitsraum (4) stehen zur Erzeugung der unterschiedlichen Temperaturzonen in dem Arbeitsraum.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) näherungsweise gasdicht ausgebildet ist, und dass die Trennelemente (40) den Arbeitsraum (4) näherungsweise gasdicht unterteilen.

4. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) einschließlich des Kaltraumes (20) und des Warmraumes (22) gegen die Umgebung thermisch isoliert ist.

5. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltraum (20) und der Warmraum (22) mit vorgegebenem Umfangswinkelversatz an der äußeren Umfangswand (6) des Arbeitsraumes (4) angeordnet sind und sich über einen vorgegebenen Umfangswinkel erstrecken.

6. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltraum (20) und der Warmraum (22) an der äußeren Umfangswand (6) des Arbeitsraumes einander gegenüberliegend angeordnet sind.

7. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (34) ringförmig ausgebildet ist und drehbar in einem gehäusefesten Lager (35) lagert, dessen Rotationsachse (32) mit vorgegebenem Abstand e parallel zum zentralen Lagerzapfen (10) verläuft.

8. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gehäusefeste Lager (35) mehrere gehäusefeste drehbare Rollen enthält, auf denen das ringförmige Koppelelement (34) drehbar gelagert ist.

9. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Koppelelement (34) eine Umfangszahnung besitzt, und dass die Rollen (35) des gehäusefesten Lagers (35) eine entsprechende Zahnung aufweisen.

10. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung des Motors an dem ringförmigen Koppelelement (34) oder an mindestens einer der Rollen (35a) des gehäusefesten Lagers (35) abgreifbar ist.

11. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (40) außerhalb des Arbeitsraumes je einen radialen Spalt (44) enthalten, in denen zur Ankopplung des ringförmigen Koppelelements (34) jeweils ein Koppelstift (36) des Koppelelements (34) hineinragt.

12. Heißgasmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstifte (36) alle denselben Umfangsabstand voneinander aufweisen.

13. Heißgasmotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Stirnseiten des Arbeitsraumes (4) zueinander fluchtend je ein gehäusefestes Lager (35) angeordnet und je ein Koppelelement (34) angeordnet ist, und dass die Koppelstifte (36) durch die radialen Spalte (44) der Trennelemente (40) hindurch die Koppelelemente (34) miteinander verbinden.

14. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kaltraum (20) und/oder dem Warmraum (22) mehrere gehäusefeste Wärmeleitlamellen (24) durch die äußere Umfangswand (6) in den Arbeitsraum (4) hineinragen, parallel zueinander in Ebenen ausgerichtet sind, welche den zentralen Lagerzapfen (10) senkrecht schneiden, und dass sich die Trennelemente (40) an ihren freien Enden im Bereich der Wärmeleitlamellen (24) fingerförmig und abdichtend zwischen den Wärmeleitlamellen (24) hindurch bis zur Umfangswand (6) des Arbeitsraums (4) erstrecken.

15. Heißgasmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Umfangswand (6), die Stirnwände (7) und die innere Umfangswand (5) aus thermisch nicht leitendem Material bestehen.

16. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Arbeitsraum (4) befindliche Abschnitt der Trennelemente (49) aus thermisch nicht leitendem Material besteht.

17. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmeleitlamellen (24) kreisringförmig über den ganzen Umfang des Arbeitsraumes (4) erstrecken.

18. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitlamellen (24) mehrere beabstandete radiale Schlitze aufweisen.

19. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Umfangswand (5) eine segmentierte Umfangsdichtung bildet, welche den Arbeitsraum (4) konzentrisch zur äußeren Umfangswand (6) in vorgegebenem Abstand von dem zentralen Lagerzapfen (10) begrenzt und abdichtet, wobei die Trennelemente (40) zwischen den Dichtungssegmenten hindurch in den Arbeitsraum (4) hineinragen.

20. Heißgasmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsdichtung mehrere ringförmige Dichtungssegmente (5a, 5b, 5c, 5d) enthält, die alle denselben Durchmesser aufweisen, konzentrisch um den zentralen Lagerzapfen (10) übereinander lagern und gemeinsam die innere Umfangsbegrenzung (5) bilden.

21. Heißgasmotor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Trennelement (40) mindestens ein Dichtungssegment befestigt ist und sich relativ zu den anderen Dichtungssegmenten (5a bis 5c) mit entsprechender Bewegung der Trennelemente (40) um den zentralen Lagerzapfen (10) drehen.

22. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ringförmigen Dichtungssegmenten (5a bis 5c) reibungsverringernde Lagermittel (7) vorgesehen sind.

23. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) in axialer Richtung beidseitig durch kreisscheibenförmige Stirnwände (7) begrenzt ist.

24. Heißgasmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (40) eng an der Innenfläche des Arbeitsraumes (4) anliegen.