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Es ist bekannt, dass Wärmekraftmaschinen mit einem geschlossenen Gaskreislauf, die bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke betrieben werden, große Wärmetauschflächen zur Übertragung der benötigten Wärme aufweisen (siehe beispielsweise
DE 41 09 289 A1 oder
EP 0 801 219 B1 ). Auch sind Wärmekraftmaschinen bekannt, wobei das Arbeitsgas Wärmetauscher und ggf. Regeneratoren durchströmt, die eine hohe Wärmeübertragungsdichte aufweisen (siehe beispielsweise die ursprüngliche Stoddard-Maschine aus 1933 (
US 1,926,463 A ) oder die moderneren Maschinen der Firma Stirling Biopower Inc.. Aus
DE 43 07 211 A1 ist eine Bauart bekannt, wobei das Arbeitsgas durch einen kontinuierlich rotierenden Verdrängerkolben in der ersten Periodenhälfte von der warmen zur kalten Seite des Arbeitsraums bewegt wird und in der zweiten Periodenhälfte von der kalten zur warmen Seite weitergedreht wird.
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Die
US 3,509,718 A beschreibt eine Wärmekraftmaschine mit zwei epitrochodial geformten Gehäusen, in denen jeweils Verdrängerkolben mit, ohne ihre Strinseiten, dreiseitiger Oberfläche auf einer exzentrischen Welle rotieren, wobei das Arbeitsgas zwischen von den Gehäuseteilen und den Verdrängerkolben gebildeten Arbeitsräumen hin- und herbewegt wird.
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Die
EP 0 691 467 A1 zeigt einen Heißgasmotor mit einem in einem geschlossenen Gehäuse beweglichen Verdrängerkolben. Der Verdrängerkolben rotiert im einen in seinem Inneren axial beweglich gelagerten Arbeitskolben.
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Ein Problem bei den Wärmekraftmaschinen mit großen Wärmetauschflächen bleibt die geringe Wärmeübertragung und damit die geringe mechanische Leistung, die bezogen auf das Maschinenvolumen bei optimalen Drehzahlen erzielt werden kann. Bei den Wärmekraftmaschinen wobei das Arbeitsgas einen oder mehrere Wärmetauscher durchströmt, bleibt das Problem, dass bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ein großer Durchfluss des Arbeitsgases erforderlich ist, um nennenswerte mechanische Leistungen zu erreichen, und dabei bei den bekannten Bauarten große Strömungsverluste entstehen. Die aus
DE 43 07 211 A1 bekannte Bauart mit einem rotierenden Verdrängerkolben hat sowohl das Problem der geringen Wärmeübertragung durch die zylindrische Gehäusewand als auch das Problem des geringen Wirkungsgrads, da die Wärme bei dieser Bauart nicht oder nur in geringem Maße regeneriert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Gaskreislauf zu erschaffen, die bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke eine deutlich höhere mechanische Leistung bezogen auf das Maschinenvolumen sowie geringere Strömungsverluste, d. h. einen höheren Wirkungsgrad als die bekannten Ausführungen aufweist. Ebenfalls sollen wegen der vorteilhaften Laufruhe rotierende Verdrängerkolben unter Vermeidung der oben genannten Nachteile der geringen Wärmeübertragung und der fehlenden Regeneration zum Einsatz kommen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die in dieser Erfindung beschriebene Wärmekraftmaschine liefert mechanische Leistung unter Aufnahme von Wärme aus einer Wärmequelle und Abgabe von Wärme an eine Wärmesenke auf einem niedrigeren Temperaturniveau. Erfindungsgemäß weist die Maschine mindestens zwei vom Arbeitsgas durch- oder umströmte Anordnungen bestehend aus jeweils einer Wärmequelle, einem eventuell vorhandenen Regenerator und einer Wärmesenke auf. Zusammen wird eine solche Anordnung im Folgenden als Wärmetauscheranordnung bezeichnet.
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Wie in herkömmlichen Wärmekraftmaschinen wird das Arbeitsgas auch in der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine durch einen oder mehrere Verdrängerkolben von der warmen Seite durch die Wärmetauscheranordnungen zur kalten Seite der Maschine und zurück hin- und herbewegt. In der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kommen zwei Verdrängerkolben zum Einsatz, die jedoch keine Hubbewegung sondern eine Drehbewegung mit exakt gleicher Frequenz ausführen. Der Arbeitsraum, worin sich das Arbeitsgas befindet, wird einerseits von der stationären Gehäusewand und andererseits von den rotierenden Oberflächen der Verdrängerkolben abgegrenzt. In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine hat das Gehäuse die Form eines Zylinders mit einer Aussparung an der Achse entlang und schließen die Verdrängerkolben den Zylinder an den Stirnseiten ab. Die Rotation der Verdrängerkolben findet in azimutaler Richtung statt.
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Die Oberfläche der Verdrängerkolben weist eine Anzahl konvexe und gleich viele konkave Bereiche auf, die konkaven bzw. konvexen Bereichen des jeweils anderen Verdrängerkolbens gegenüberliegen. Durch geeignete Bremsvorrichtungen wird das Arbeitsgas daran gehindert, von den rotierenden Verdrängerkolben mitgeschleppt zu werden. Somit führt das Arbeitsgas gar keine oder eine im Vergleich zu den Verdrängerkolben nur langsame Rotation aus. Der Teil des Arbeitsgases, an dem ein konvexer Bereich der Oberfläche des ersten Verdrängerkolbens vorbeirotiert, wird in Richtung des konkaven Bereichs der Oberfläche des zweiten, gegenüberliegenden Verdrängerkolbens verschoben. Die Wärmetauscheranordnungen sind stationär im Raum zwischen den beiden Verdrängerkolben angeordnet. Der oben erwähnte Teil des Arbeitsgases strömt aufgrund der beschriebenen Verschiebung durch eine Wärmetauscheranordnung hindurch. Gleichzeitig wird ein anderer Teil des Arbeitsgases von einem vorbeirotierenden konvexen Bereich des zweiten Verdrängerkolbens zum konkaven Bereich des ersten Verdrängerkolbens bewegt und strömt somit in entgegengesetzter Richtung durch eine andere Wärmetauscheranordnung. Die zuerst bzw. zuletzt genannte Wärmetauscheranordnung sind mit entgegengesetzter Orientierung in der Maschine eingebaut, so dass beide Teile des Arbeitsgases gleichzeitig erwärmt werden. Je nachdem wie viele konvexe Bereiche jeweils ein Verdrängerkolben aufweist, sind entsprechend viele solche Paare von Wärmetauscheranordnungen in der Maschine eingebaut. In dem Moment worin ein konkaver Bereich des ersten Verdrängerkolbens am erstgenannten Teil des Arbeitsgases vorbeirotiert, dreht der Prozess sich um und werden alle Teile des Arbeitsgases gleichzeitig abgekühlt. Oder anders ausgedrückt: Es wird das Arbeitsgas durch einen vorbeirotierenden konvexen bzw. konkaven Bereich der Oberfläche eines Verdrängerkolbens in Richtung des entsprechenden konkaven bzw. konvexen Bereiches der Oberfläche des gegenüberliegenden Verdrängerkolbens bewegt und dabei eine Wärmetauscheranordnung, bestehend aus einer Wärmequelle eventuell einem Regenerator und einer Wärmesenke, in dieser bzw. in umgekehrter Richtung durch- oder umströmt, wobei die Form und Anordnung der Wärmetauscheranordnungen so an die Form und Anordnung der konvexen bzw. konkaven Bereiche der Verdrängerkolben angepasst sind, dass der Arbeitsraum sich in bestimmten Zeiträumen während der Verdrängerumdrehung annähernd vollständig auf der Seite der Wärmequellen befindet und in anderen Zeiträumen annähernd vollständig auf der Seite der Wärmesenken befindet, und wobei mindestens ein Arbeitskolben den Arbeitsraum vorwiegend in dem Zeitraum, worin das Arbeitsgas erwärmt wird oder sich annähernd vollständig auf der warmen Seite befindet, vergrößert und vorwiegend im Zeitraum, worin das Arbeitsgas abgekühlt wird oder sich annähernd vollständig auf der kalten Seite befindet, verkleinert. Die obige Beschreibung ist unabhängig davon gültig, ob zuerst die Erwärmung oder zuerst die Abkühlung stattfindet.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Wärmequellen, die Regeneratoren und die Wärmesenken eine flache Bauform haben und mit geringem Zwischenabstand parallel zueinander und annähernd senkrecht zur Richtung der Hin- und Herbewegung des Arbeitsgases angeordnet sind, und dass die Gesamtdicke der aus Wärmequelle, Regenerator und Wärmesenke bestehenden Wärmetauscheranordnungen gering ist im Vergleich zum Abstand zwischen den beiden Verdrängerkolbenoberflächen.
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In der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine werden Wärmequelle und Wärmesenke beide im selben Takt des Gaskreislaufs vom Arbeitsgas durchströmt. Deshalb wird zweckmäßig ein Regenerator zwischen Wärmequelle und Wärmesenke angeordnet, um die direkten Wärmeverluste von der Wärmequelle zur Wärmesenke, welche nicht zur Erzeugung mechanischer Energie beitragen, zu reduzieren. Auch in herkömmlichen Wärmekraftmaschinen vom Stirling-Typ muss der Regenerator dafür sorgen, dass kein kaltes Gas direkt mit der Wärmequelle in Kontakt kommt. Diese Tatsache stellt deshalb für die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine keinen Nachteil im Vergleich zum Stand der Technik dar. Aufgrund der großflächigen Bauweise stellt der Regenerator in der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine nur einen geringen Strömungswiderstand dar und kann seine Rolle zur Regeneration von Wärme optimal erfüllen. So wird der Wärmequelle Wärme nahe dem hohen Temperaturniveau entnommen und der Wärmesenke Wärme nahe dem niedrigen Temperaturniveau abgegeben und hat die Maschine einen guten Wirkungsgrad.
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Unter Arbeitskolben ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jedes Organ zu verstehen, das geeignet ist, das Arbeitsvolumen zu ändern, z. B. eine Membran, ein einendig geschlossener Faltenbalg, eine Flüssigkeitssäule oder eine Gassäule.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine weist mindestens einen Arbeitskolben auf, der das Volumen des Arbeitsraums vorwiegend in dem Zeitraum, worin das Arbeitsgas erwärmt wird oder sich annähernd vollständig auf der warmen Seite befindet, vergrößert und vorwiegend im Zeitraum, worin das Arbeitsgas abgekühlt wird oder sich annähernd vollständig auf der kalten Seite befindet, verkleinert. Je nachdem in welchem Zeitraum die Volumenveränderung genau stattfindet, arbeitet die Wärmekraftmaschine im Extremfall mit isochoren Wärmetauschvorgängen und adiabatischen Kompressions- bzw. Expansionsvorgängen oder aber mit einer Expansion vorwiegend unter Wärmezufuhr und einer Kompression vorwiegend unter Wärmeabfuhr. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann aufgrund der konstruktiv oder steuerungstechnisch festzulegenden Phasenverschiebung zwischen Verdrängern einerseits und Arbeitskolben andererseits sowie aufgrund des Arbeitskolbenhubs auf bestimmte Parameter abzielen, wie beispielsweise eine maximale mechanische Energieerzeugung pro Umdrehung oder eine maximale Druckamplitude oder andere Fachleuten bekannte Eigenschaften.
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In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine findet die Bewegung des Arbeitskolbens in einem Stutzen statt, der mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Verdrängerkolben haben ein Kolbenhemd, welches verhindert, dass Arbeitsgas aus dem Gehäuse entweicht wenn ein konvexer Bereich eines Verdrängerkolbens am Arbeitskolbenstutzen vorbeirotiert.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine weist mindestens zwei Arbeitskolben auf. Ein Arbeitskolben vergrößert das Arbeitsraumvolumen wie in der ersten Ausführungsform vorwiegend im Zeitraum, worin sich das Arbeitsgas annähernd vollständig auf der warmen Seite befindet. Der zweite Arbeitskolben vergrößert das Arbeitsraumvolumen vorwiegend im Zeitraum worin das Arbeitsgas erwärmt wird. So wird die Form des thermodynamischen Gaskreislaufs geändert. Am Übergang zwischen Gehäuse und dem Stutzen des letztgenannten Arbeitskolbens ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung eine Wärmetauscheranordnung mit der Wärmequelle auf der Seite des Stutzens angebracht. Der Übergang vom Gehäuse zum Stutzen ist außerdem vorteilhaft so gestaltet, dass nur Arbeitsgas aus dem kalten Bereich des Gehäuses in den Stutzen strömen kann. So kann der Wirkungsgrad der Maschine weiter positiv beeinflusst werden. Mit Bezug auf die annähernd stattfindenden thermodynamischen Prozesse, kann ein Arbeitskolben des erstgenannten Typs als adiabatischer Arbeitskolben und ein Arbeitskolben des zuletzt genannten Typs als isobarer Arbeitskolben bezeichnet werden.
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Der Einsatz eines isobaren Arbeitskolbens führt dazu, dass das vom adiabatischen Arbeitskolben komprimierte Gas während des Erwärmungstaktes nicht weiter komprimiert wird. Dadurch wird verhindert, dass das Arbeitsgas mit all zu stark erhöhter Temperatur auf die Wärmesenke trifft, und wird der Wirkungsgrad der Maschine erhöht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist der Arbeitskolben fest mit einer Kolbenstange verbunden, die eine hin- und herdrehende Bewegung um eine Achse ausführt. Diese Achse nimmt die Querkräfte der Pleuelstange auf, so dass der Arbeitskolben nur die Druckkräfte des Arbeitsgases sowie die eigenen Trägheitskräfte aufnehmen muss. So kann der Arbeitskolben kostengünstig als eine dünne, gewölbte Platte ausgebildet sein.
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Das von einem adiabatischen Arbeitskolben beeinflusste Volumen kann aufgrund der Bauform der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine von den Verdrängerkolben nicht vollständig in den Erwärmungs- und Abkühlungsprozess einbezogen werden. Dieses Volumen stellt einen Schadraum oder Totraum dar und reduziert den optimal erreichbaren Wirkungsgrad der Maschine. Somit hat diese Maschine vor allem im Falle eines niedrigen Expansions- bzw. Kompressionsfaktors einen guten Wirkungsgrad. Da bei einem Gaskreislauf mit geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke auch ein niedriger Kompressionsfaktor verwendet wird, verursacht der konstruktiv bedingte Totraum in dieser Wärmekraftmaschine, die erfindungsgemäß für den Betrieb bei geringen Temperaturdifferenzen optimiert ist, keinen großen Nachteil.
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Einen zweiten Schadraum bilden die vom Arbeitsgas durchströmten Wärmetauscheranordnungen. Deshalb haben diese Wärmetauscheranordnungen in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine eine möglichst flache und im Vergleich zur Breite des Arbeitsraums dünne Bauform. Die Wärmequelle, der Regenerator und die Wärmesenke in einer Wärmetauscheranordnung sind flach und parallel zueinander mit möglichst geringem Zwischenabstand angeordnet. Bevorzugt sind Wärmequellen und Wärmesenken als Flüssigkeit-Gaswärmetauscher, z. B. als Lamellenwärmetauscher, und der Regenerator als Gas-Festkörperwärmetauscher ausgebildet. Dadurch, dass die Wärmetauscheranordnungen aufgrund der Bauweise der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine eine große Querschnittsfläche aufweisen, können sie so ausgebildet werden, dass sie für das Arbeitsgas nur einen geringen Strömungswiderstand darstellen.
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Ein drittes Schadvolumen bilden die Teile des Arbeitsgases, die sich vor einem konvexen Bereich der Verdrängerkolben befinden aber die entsprechende Wärmetauscheranordnung nicht durchströmen. In der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine haben die konvexen und konkaven Bereiche der Verdrängerkolben zusammen eine einer Sinuswelle ähnliche Form, bei der diese Art des Schadvolumens klein ist. Das Schadvolumen kann noch kleiner gemacht werden durch das Abflachen der Gipfel und der Täler der Sinuswelle. Allerdings ist der Übergang zwischen den konvexen und konkaven Bereichen in dem Fall steiler, wodurch es möglicherweise schwieriger wird zu verhindern, dass das Arbeitsgas teilweise mit den Verdrängerkolben mitrotiert.
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Zwischen dem Arbeitskolben und dem Stutzen bzw. zwischen den rotierenden Verdrängerkolben bzw. deren Kolbenhemd und der Gehäusewand sind geeignete Dichtungen angebracht, die dem Stand der Technik entsprechen können. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können diese Dichtungen jedoch entfallen bzw. als schmaler Spalt ausgelegt sein. Aufgrund der oben erwähnten geringen Kompressionsfaktoren ist der Leistungsverlust aufgrund des geringfügig aus dem Spalt leckenden Arbeitsgases gering. Der Mittelwert des Gasdrucks im Maschinenkreislauf fällt im Falle der Verwendung von Spaltdichtungen mit dem Umgebungsdruck zusammen.
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In Anspruch 14 ist eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maschine beschrieben. Bei dieser Ausführungsform können die Verdrängerkolben und deren Drehachse konstruktiv besonders leicht und kostengünstig gebaut werden, da die verhältnismäßig großflächigen Verdrängerkolben keiner einseitigen Druckbelastung ausgesetzt sind.
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In Anspruch 15 ist eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maschine beschrieben. Durch den Einsatz von zwei oder auch mehr Arbeitsräumen kann bei gleichbleibender Leistung die Rotationsfrequenz der Verdrängerkolben niedriger gewählt werden. Dadurch reduzieren sich die mit der Bauform der erfindungsgemäßen Maschine zusammenhängenden Strömungsverluste.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine besteht die Abbremsvorrichtung, die das Arbeitsgas daran hindert, mit den Verdrängerkolben mitzurotieren, aus einem oder mehreren Gebläse oder Lüfter, die z. B. am Außenumfang des zylindrischen Gehäuses angebracht und über tangentiale Rohrverbindungen mit dem Gehäuse verbunden sind. Diese Gebläse oder Lüfter drücken das Arbeitsgas in die der Verdrängerkolbenrotation entgegengesetzte Richtung durch das Gehäuse. Es ist auch möglich, einen Propellor im konkaven Bereich an einem Verdränger anzubringen und mitrotieren zu lassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine besteht die Abbremsvorrichtung, die das Arbeitsgas daran hindert, mit den Verdrängerkolben mitzurotieren, aus mindestens einer Platte, die in einer Fläche quer zu den Verdrängerkolben bzw. quer zu den Wärmetauscheranordnungen rotiert oder hin- und herbewegt. Die Platte ist so geformt und deren Rotations- bzw. Hin- und Herbewegung ist so gestaltet, dass sie einen möglichst großen Bereich des Arbeitsraumquerschnitts blockiert aber während ihrer Bewegung zu keinem Zeitpunkt die Verdrängerkolben berührt. In einer Weiterbildung kommen zwei in entgegengesetzter Richtung rotierende Platten zum Einsatz. So kann im zeitlichen Mittel ein größerer Bereich des Arbeitsraumquerschnitts blockiert werden. Dadurch, dass die Platten senkrecht zur Rotationsbewegung der Verdrängerkolben bzw. zur abzubremsenden Gasströmung stehen, muss für den Antrieb der Platten nur eine sehr geringe mechanische Leistung aufgebracht werden.
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Es ist Fachleuten bekannt, wie die vom Arbeitskolben erbrachte Leistung wirtschaftlich nutzbar gemacht werden kann, beispielsweise über einen Generator zur Stromproduktion. Es sind auch vielfache Möglichkeiten bekannt, einen geringen Teil der Leistung des Arbeitskolbens zu verwenden, um die Drehbewegung der Verdrängerkolben kontinuierlich anzutreiben. Diese Antriebsleistung muss lediglich die geringen Strömungsverluste des Arbeitsgases ausgleichen, die durch die relative Bewegung zwischen Verdrängerkolben und Arbeitsgas entstehen.
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Es ist ebenfalls bekannt, dass eine Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Gaskreislauf im Umkehrbetrieb (d. h. in entgegengesetzter Drehrichtung) unter Aufnahme von mechanischer Leistung auch als Wärmepumpe betrieben werden kann. Auf die Nutzung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine als Wärmepumpe wird deshalb nicht näher eingegangen. In Anspruch 16 und 17 ist allerdings eine besondere Kombination von miteinander verbundenen Arbeitsräumen beschrieben, wodurch eine Vuilleumier-Wärmepumpe entsteht, wobei der Arbeitskolben entfällt und nur eine minimale mechanische Leistung zum Antrieb der Verdrängerkolben benötigt wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine sehen eine konstruktiv einfache Ausbildung ihrer wesentlichen Elemente vor, welche in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt sind. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch das Gehäuse, Verdrängerkolben, Wärmetauscheranordnungen und Arbeitskolben
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2 eine perspektivische Zeichnung der Form eines Verdrängerkolbens
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3 einen Schnitt durch die Fläche der Wärmetauscheranordnungen in einer Ausführung mit einem Arbeitskolben
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4 einen Schnitt durch die Fläche der Wärmetauscheranordnungen in einer Ausführung mit zwei Arbeitskolben
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5, 6, 7 eine schematische Darstellung der konvexen und konkaven Bereiche der Verdrängerkolben und der Wärmetauscheranordnungen zu verschiedenen Zeitpunkten
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8 eine Detailsicht eines Arbeitskolbens mit Kolbenstange, Pleuelstange und Kurbelwelle
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9, 10 Zwei rotierende Abbremsplatten zu verschiedenen Zeitpunkten
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11 Zwei rotierende Abbremsplatten in der Sicht von 5
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12 Ausführungsform gemäß Anspruch 12
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13 Ausführungsform gemäß Anspruch 13
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14 Ausführungsform gemäß Anspruch 14
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1 zeigt einen Schnitt durch das Gehäuse 1 mit den Verdrängerkolben 2, 2' den Wärmetauscheranordnungen und einem adiabatischen Arbeitskolben 7. Das Gehäuse 1 hat die Form eines Zylinders mit einer Aussparung an der Achse entlang. Die Verdrängerkolben 2, 2' sind in den Stirnseiten des Zylinders angeordnet. Es gibt genau zwei Wärmetauscheranordnungen. Beide sind in der Symmetriefläche senkrecht zur Achse des Zylinders angeordnet. Sie sind durch einen Spalt getrennt um Wärmeleitungsverluste zu vermeiden. Jede Wärmetauscheranordnung umfasst azimutal jeweils einen Sektor von etwa 180°. Eine Wärmetauscheranordnung besteht aus der Wärmequelle 4, dem Regenerator 5 und der Wärmesenke 6. Sie hat ihre Wärmequelle 4 auf der Seite des ersten Verdrängerkolbens 2 und die zweite Wärmetauscheranordnung 4', 5', 6' hat ihre Wärmequelle 4' auf der Seite des zweiten Verdrängerkolbens 2'. Die Drehachse 3 der Verdrängerkolben 2, 2' fällt mit der geometrischen Achse des Gehäuses 1 zusammen so dass die Verdrängerkolben 2, 2' gegenüber dem stationären Gehäuse 1 azimutal rotieren. Da die beiden Verdrängerkolben 2, 2' mit exakt gleicher Frequenz rotieren müssen, ist es zweckmäßig, dass beide Verdrängerkörper auf derselben Achse 3 montiert werden. Die Verdrängerkolben 2, 2' weisen jeweils einen konvexen und einen konkaven Oberflächenbereich auf, wobei die Höhe des konvexen bzw. die Tiefe des konkaven Bereiches annähernd einer Sinusfunktion des azimutalen Winkels entspricht. Die maximale Höhe des konvexen Bereiches ist so gewählt, dass die Verdrängerkolben 2, 2' in dem Bereich fast die Wärmetauscheranordnungen berühren. Der Arbeitskolben ist in einem Stutzen an der Seitenwand des Gehäuses 1 angeordnet. Die Verdrängerkolben 2, 2' weisen an der Seitenwand des Gehäuses 1 entlang ein zylindrisches Kolbenhemd auf, das verhindert dass das Arbeitsgas aus dem Gehäuse 1 entweicht. 2 zeigt eine perspektivische Zeichnung der Form eines Verdrängerkolbens 2. 3 und 4 zeigen einen Schnitt durch 1 in der Ebene der Wärmetauscheranordnungen. Umgekehrt ist 1 ein Schnitt A-B durch 3. Der Schnitt A-B ist ggb. der Zylinderachse ganz leicht seitlich versetzt. Sonst wäre in 1 aufgrund des Spalts zwischen den beiden Wärmetauscheranordnungen keine Wärmetauscherordnung zu sehen. 3 zeigt eine Ausführungsform mit lediglich einem adiabatischen Arbeitskolben und 4 zeigt eine Ausführungsform mit einem adiabatischen und einem isobaren Arbeitskolben, der an einer anderen azimutalen Position als der adiabatische Arbeitskolben am Gehäuse 1 angeordnet ist. In 4 ist insbesondere sichtbar, wie eine Wärmetauscheranordnung am Übergang zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stutzen des isobaren Arbeitskolbens eingebaut ist, so dass nur warmes Gas in den Stutzen einströmt bzw. nur kaltes Gas in das Gehäuse 1 zurückströmt.
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5, 6, 7 enthalten eine schematische Darstellung der sinusähnlichen Wölbung der Verdrängerkolbenoberflächen und deren Bewegung mit Bezug auf die stationären Wärmetauscheranordnungen. Diese Darstellung kommt zustande durch eine Zylinderprojektion auf die Gehäusewand und das Abrollen der zylindrischen Abbildung in der Fläche der Zeichnung. 5 zeigt die Verdrängerkolben 2, 2' zum Zeitpunkt wo nahezu das gesamte Arbeitsgas sich auf der kalten Seite 6, 6' befindet. 7 zeigt die Verdrängerkolben 2, 2' zum Zeitpunkt wo nahezu das gesamte Arbeitsgas sich auf der warmen Seite 4, 4' befindet. 6 zeigt die Verdrängerkolben 2, 2' in einer Position zwischen den beiden Zeitpunkten; die Verdrängerkolben 2, 2' bewegen sich mit gleicher Geschwindigkeit relativ zu den Wärmetauscheranordnungen von links nach rechts.
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8 zeigt ein Arbeitskolben mit Kolbenstange 13, Pleuelstange 15 und Kurbelwelle 16 gemäß Anspruch 5. Die Achse 14 worum die Kolbenstange 13 hin- und herdreht nimmt die Querkräfte der Pleuelstange 15 auf. Wie 8 entnommen werden kann, muss der Stutzen 8 innerhalb dessen sich der Arbeitskolben 7 bewegt aufgrund der Drehbewegung der Kolbenstange 13 eine gebogene Form aufweisen.
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9 zeigt eine Draufsicht der rotierenden Abbremsplatten 10, 11 gemäß Anspruch 11. Die Rotationsfrequenz ist exakt identisch mit der Frequenz der Verdrängerkolben 2, 2'. Beispielsweise können die Abbremsplatten 10, 11 über eine dünne Antriebsstange mit Zahnrädern von der Achse 3 der Verdrängerkolben 2, 2' angetrieben werden. Die Rotationsebenen der beiden Platten 10, 11 sind leicht versetzt gegenüber einander angeordnet, so dass die Platten 10, 11 in ihrer entgegengesetzten Bewegung aneinander vorbei rotieren. 10 zeigt die Position der Abbremsplatten 10, 11 zu einem späteren Zeitpunkt während der Rotationsperiode. 11 zeigt die Position der Abbremsplatten 10, 11 in der Darstellungsform von 5 so dass klar wird, wie die Platten 10, 11 das Arbeitsgas daran hindern, mit den Verdrängerkolben 2, 2' mit zu rotieren. Für die Abbremsplatte (10) gilt, dass sie so geformt sein soll, dass sie einen möglichst großen Bereich des Arbeitsraumquerschnitts blockiert aber während ihrer Bewegung zu keinem Zeitpunkt die Verdrängerkolben (2, 2') berührt. Man erkennt aus 9 und 10, dass zu den Zeitpunkten, worin der Abstand der Wärmetauscheranordnungen zu den beiden Verdrängerkolben 2, 2' gemessen in der Ebene der Abbremsplatten gleich groß ist, eine maximale Blockierung des Arbeitsraumquerschnitts vorliegt. Dies ist optimal, da die Verdrängerkolbenoberflächen zu dem Zeitpunkt und an der Stelle mit dem steilsten Winkel am Arbeitsgas vorbei rotieren und somit den größten Strömungswiderstand in azimutaler Richtung verursachen.
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12 zeigt die Ausführungsform gemäß Anspruch 14. Der Spalt zwischen den Verdrängern 2, 2' und dem Gehäuse 1 ist hier größer als in der Ausführung gemäß 1. Dennoch ist das Arbeitsgasvolumen welches sich in den Spalten bzw. hinter den Verdrängerkolben 2, 2' befindet vernachlässigbar gering im Vergleich zum Arbeitsraumvolumen.
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13 zeigt die Ausführungsform gemäß Anspruch 15. Der mittlere Verdrängerkolben 2'' hat in dieser Ausführung kein Kolbenhemd bzw. bildet keinen geschlossenen Körper. 14 zeigt die Ausführungsform gemäß Anspruch 16.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine hat viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Dadurch, dass die Wärmetauscheranordnungen in der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine vom Arbeitsgas durchströmt werden, kann eine im Verhältnis zum Maschinenvolumen viel größere Wärmeübertragung als bei den herkömmlichen Wärmekraftmaschinen mit flachen Wärmetauschflächen erreicht werden.
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Dadurch, dass sich die Wärmetauscheranordnungen räumlich zwischen den beiden Verdrängerkolben befinden und das Arbeitsgas somit auf seinem Weg von der einen zur anderen Seite der Wärmetauscheranordnung weder einen Strömungsrichtungswechsel erfährt noch eine wesentliche Verengung des Strömungskanals durchströmen muss, sind die Strömungsverluste in der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine wesentlich geringer als bei den herkömmlichen Maschinen. Dieser Vorteil kommt besonders stark zum tragen bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke da in dem Fall ein großer Gasdurchfluss benötigt wird und die mechanische Leistung der Maschine im Vergleich zur aufgenommenen Wärme gering ist. Die Strömungsverluste durch Reibung des Arbeitsgases an den Verdrängerkolbenoberflächen können mit einer Ausführungsform gemäß Anspruch 15 minimiert werden.
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Dadurch, dass das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in einem großen Bereich unabhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke sowie von der Betriebsdrehzahl ist, kann die Maschine in einem großen Drehzahlbereich sowie Temperaturdifferenzbereich mit annähernd konstantem thermischen Wirkungsgrad betrieben werden. Dabei kann die mechanische Leistung sehr einfach über die Drehzahl dem Wärmeangebot angepasst werden. Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke bestimmt die Druckamplitude und damit die mechanische Energie pro Umdrehung bei gegebenem Kompressionsfaktor.
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Dadurch, dass die Verdrängerkolben eine gleichmäßige Drehbewegung ausführen, hat die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine auch in großen Ausführungen eine große Laufruhe, so dass die Bauteile nur wenig belastet werden, entsprechend leicht und kostengünstig ausgeführt werden können und nur einem geringen Verschleiß unterliegen.
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Dadurch, dass die Dichtungen als schmaler Spalt ausgelegt sein können, werden Verschleiß und mechanische Reibungsverluste minimiert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der mittlere Arbeitsgasdruck dann dem Umgebungsdruck entspricht und der Arbeitskolben somit sowohl im Expansionstakt als auch im Kompressionstakt Nutzarbeit leistet und dadurch beispielsweise kein Schwungrad benötigt wird.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann somit zur wirtschaftlichen Erzeugung mechanischer Leistung aus vielfach vorhandenen Wärmequellen auf niedrigem Temperaturniveau, beispielsweise aus thermischer Solarenergie aus herkömmlichen, nicht-fokussierenden Solaranlagen oder aus Abwärme von Maschinen oder aus warmem Wüstensand während der kalten Nacht, eingesetzt werden. Aufgrund der geringen Investitionskosten können Anlagen zur Erzeugung mechanischer Energie aus Abwärme mit dieser Wärmekraftmaschine trotz des geringen Carnot Wirkungsgrads bei Wärmequellen mit geringem Temperaturniveau wirtschaftlicher arbeiten als beispielsweise herkömmliche Anlagen mit organischem Rankine-Zyklus, die typischerweise einen höheren Wirkungsgrad aber auch deutlich höhere Investitionskosten aufweisen. Wird als Wärmequelle eine thermische Solaranlage einfacher Bauart, wie beispielsweise für Schwimmbaderwärmung üblich, verwendet, können die Gesamtinvestitionskosten pro elektrischer Leistungseinheit bei Anlagen mit dieser Wärmekraftmaschine geringer sein als bei herkömmlichen Fotovoltaikanlagen. Schließlich wird auf die Möglichkeit hingewiesen, mittels der Vuilleumier-Wärmepumpe aus Anspruch 16 und 17 eine thermische Solaranlage auch im Winter zur Erzeugung von Wärme auf einem nützlichen Temperaturniveau zu verwenden und so die Jahresarbeitszahl deutlich zu erhöhen.
