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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine.
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Wärmekraftmaschinen der unterschiedlichsten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist insbesondere auch der sogenannte Stirlingmotor bekannt, der auch als Heißgasmotor bezeichnet wird. Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein Arbeitsgas wie Luft, Helium oder Wasserstoff in einem abgeschlossenen Volumen von außen in einem Bereich erhitzt, in einem anderen Bereich gekühlt wird, um mechanische Arbeit zu leisten. Dadurch kann der Stirlingmotor mit einer beliebigen äußeren Wärmequelle betrieben werden. Bei manchen Bauformen genügen hierzu bereits geringe Temperaturdifferenzen.
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Im Einzelnen zeichnen sich Stirlingmotoren dadurch aus, dass sie einen permanent erhitzten und einen permanent gekühlten Bereich aufweisen, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. Im erwärmten Zylinderraum dehnt sich das Arbeitsgas aus, und zieht sich im kalten Zylinder wieder zusammen, wobei die innere Energie des Arbeitsgases in nutzbare mechanische Energie umgewandelt wird. Aus der
EP 1 388 663 A1 ist ein Sterlingmotor bekannt, bei dem innerhalb eines zylindrischen Gehäuses ein Verdrängerkolben beweglich angeordnet ist. Gesteuert wird der Verdrängerkolben magnetisch. Verschlossen ist der Raum innerhalb der Verdrängerkolben beweglich durch eine Hülse, die zu beiden Enden mit einem Balg verbunden ist. Auf der einen Seite steht der Balg mit dem Gehäuse in Verbindung auf der anderen, gegenüberliegenden Seite, mit einem Arbeitskolben, durch den über eine Kolbenstange die geleistete Arbeit abgenommen wird.
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Aus der
DE 10153772 C1 ist ein sogenannter 2-Zyklen Heißgasmotor bekannt, der sich durch zwei doppelt wirkende Kolben auszeichnet, nämlich einem Expansionskolben und einem Kompressionskolben, die in Reihe derart angeordnet sind, dass sich für sie eine gemeinsame Mittelachse ergibt. Aufgrund seiner Symmetrieverhältnisse ist dieser Motor bevorzugt für Freikolbenanordnungen geeignet. Es lassen sich hiermit hoch druckfeste und vollkommen druckdichte Motoren bauen.
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Gegenstand der
US 4,446,698 ist eine Konstruktion einer Wärmekraftmaschine, die sich durch eine Kammer mit variablem Volumen auszeichnet, die es einem Fluid erlaubt, die Kammer zu durchlaufen und zwar im Wesentlichen isothermisch. Hierbei ist innerhalb der Kammer ein festes, wärmeleitfähiges Element vorgesehen. Das wärmeleitfähige Element hat eine Oberfläche, die im Verhältnis zu der Kammer verhältnismäßig groß ist. Das Kammervolumen ist durch einen Mechanismus veränderlich, bei dem das wärmeleitfähige Element mit der Kammer in einer ineinandergreifenden Verbindung steht. Durch die vergrößerte Oberfläche kann die Wärme effektiv aufgenommen und abgegeben werden.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nunmehr ein Stirlingmotor, der gegenüber den bekannten Motoren sich durch einen geänderten Aufbau auszeichnet, der allerdings dennoch das Prinzip des Stirlingmotors verwirklicht. Die geänderte Konstruktion einer Wärmekraftmaschine, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, umfasst ein erstes und ein zweites topfartiges Gehäuseteil, jeweils mit einem Boden und einem Gehäusemantel, wobei die beiden Gehäuseteile zur Bildung eines Gehäuses im Bereich ihres offenen Endes durch mindestens ein elastisches Zwischenglied relativ zueinander beweglich miteinander gasdicht verbunden sind, wobei in dem durch die Gehäuseteile gebildeten Raum ein Verdängerkolben in dem Raum beweglich gelagert ist, wobei der Raum mit einem Gas befüllt ist, wobei die Wärmekraftmaschine eine Steuerung aufweist, wobei durch die Steuerung der Verdrängerkolben zu einem frei wählbaren Zeitpunkt von dem Boden des einen ersten Gehäuseteils zu dem Boden des anderen gegenüberliegenden zweiten Gehäuseteils bewegbar ist, wobei der erste Gehäuseteil im Bereich des Bodens erwärmt wird, wohingegen der andere zweite Gehäuseteil im Bereich seines Bodens gekühlt wird. Die Funktion der Wärmekraftmaschine stellt sich kurz wie folgt dar. Der Verdrängerkolben liegt beispielsweise an der Seite des Gehäuseteiles an, dessen Boden erwärmt wird. Das bedeutet, dass das in dem Gehäuse befindliche Gas nur Kontakt mit der Seite des Gehäuses hat, dessen Boden gekühlt wird. Durch die Kühlung zieht sich das Gas zusammen. Dies hat zur Folge, dass das Gehäuseteil, dessen Boden gekühlt wird, sich aufgrund des elastischen Zwischengliedes, durch das die beiden Gehäuseteile miteinander verbunden sind, in Richtung auf den Gehäuseteil zubewegt, dessen Boden erwärmt wird. Durch die Steuerung wird nun der Verdrängerkolben in Richtung des Gehäusebodens des Gehäuseteils zu bewegt, der gekühlt wird. Das heißt, der Verdrängerkolben liegt an der kalten Seite an. Hierbei wird das Gas in dem Gehäuse zur warmen Seite des Gehäuses verdrängt, wobei gleichzeitig der Verdrängerkolben das Gas zu dem Boden des Gehäuseteiles hin isoliert, der gekühlt wird. Das Gas oberhalb des Bodens des Gehäuseteiles, der erwärmt wird, erwärmt sich nunmehr und drückt den einen Gehäuseteil nach oben. Durch die Bewegung des einen Gehäuseteils relativ zu dem anderen Gehäuseteil kann durch ein Kraftübertragungsglied, beispielsweise ein Pleuel ein Schwungrad angetrieben werden, wobei durch das Schwungrad Arbeit verrichtet wird. Um eine definierte Relativbewegung des einen ersten Gehäuseteils zu dem anderen zweiten Gehäuseteil zu bewirken, ist ein Gehäuseteil vorzugsweise mit einer Unterlage fest verbunden.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist, dass das elastische Zwischenglied die beiden Gehäuseteile hermetisch abschließt, sodass auch die Verwendung von Wasserstoff als Gas verlustfrei innerhalb des Gehäuses eingesetzt werden kann. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn das elastische Zwischenglied aus einem anderen Material besteht, als die beiden Gehäuseteile. Dies deshalb, weil dann die beiden Gehäuseteile im Wesentlichen thermisch voneinander getrennt sind, d. h., ein Wärmeübergang zwischen dem „kalten Gehäuseteil“ zu dem „warmen Gehäuseteil“ und umgekehrt unterbleibt im Wesentlichen.
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Vergleichbares gilt, wenn das elastische Zwischenglied sehr dünn im Bereich vom 0,1 mm ausgebildet ist. Auch dann ist hier von einem vernachlässigbaren Wärmeübergang zwischen den Gehäuseteilen auszugehen.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine weist eine Steuerung auf. Die Steuerung ist derart ausgebildet, dass der Zeitpunkt der Bewegung des Verdrängerkolbens von dem Boden der erwärmt wird, zu dem Boden der gekühlt wird, also von der warmen zur kalten Seite und umgekehrt frei wählbar ist. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Steuerung magnetisch ausgebildet ist. Hierzu ist im Einzelnen insbesondere vorgesehen, dass die magnetische Steuerung mindestens einen mit dem Verdrängerkolben verbundenen Kolbenmagneten sowie mindestens einen Steuermagneten zumindest in einem Gehäuseteil aufweist, der wechselseitig mit dem Kolbenmagneten zusammenwirkt. Vorteilhaft ist hierbei der mindestens eine Steuermagnet an dem Boden des einen ersten oder anderen zweiten Gehäuseteils angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, je einen Steuermagneten in dem Boden beider Gehäuseteile anzuordnen. Hierbei ist vorteilhaft der mindestens eine Steuermagnet in seiner Polarität relativ zu der Polarität des Kolbenmagneten veränderbar. Zur Veränderbarkeit der Polarität ist der mindestens eine Steuermagnet drehbar mit dem Boden des entsprechenden Gehäuseteils verbunden. Um die Drehbarkeit des Steuermagneten im Gehäuseteil oder auf dem Gehäuseteil zu bewerkstelligen, kann entweder ein Kugel- oder ein Gleitlager vorgesehen sein. Die Steuerung zum Zwecke der Bewegung des Verdrängerkolbens von dem einen Gehäuseteil mit dem einen Boden, der gekühlt wird, zu dem anderen, gegenüberliegenden Gehäuseteil mit dem anderen Boden, der erwärmt wird und umgekehrt, wird nun im Einzelnen dadurch erreicht, dass die Polarität des Steuermagneten relativ zu dem Magneten des Verdrängerkolbens geändert wird. Das heißt, dass hierdurch der Verdrängerkolben je nach Stellung des Steuermagneten einmal abgestoßen und einmal angezogen wird. Um zu verhindern, dass sich bei Veränderung der Polarität des Steuermagneten im oder am Boden des entsprechenden Gehäuseteils der Verdrängerkolben mitdreht, ist vorgesehen, dass der Verdrängerkolben bzw. zumindest der Magnet auf oder in dem Verdrängerkolben gegen Verdrehung gesichert ist. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass eine vieleckige Achse vorgesehen ist, auf der der Magnet des Verdrängerkolbens unverdrehbar oder auch der Verdrängerkolben insgesamt unverdrehbar gelagert ist.
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Nach einer Ausführungsform kann, wie bereits ausgeführt, nicht nur in oder an dem Boden eines Gehäuseteils ein Steuermagnet vorgesehen sein, vielmehr besteht die Möglichkeit an dem Boden eines jeden Gehäuseteils einen Steuermagneten für den Magneten des Verdrängerkolbens vorzusehen, wobei die Polarisierung der beiden Steuermagneten relativ zu dem Verdrängerkolben immer so sein muss, dass wenn der eine Steuermagnet auf den Magnet des Verdrängerkolbens anziehend wirkt, der Steuermagnet an dem Boden des gegenüberliegenden Gehäuseteiles abstoßend wirkt.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist der Verdrängerkolben mit radialem Spiel in dem Gehäuse gelagert. Da durch den Verdrängerkolben im eigentlichen Sinn keine Arbeit verrichtet wird, sondern vielmehr durch den Verdrängerkolben lediglich das Gas von dem einen Gehäuseteil in das andere Gehäuseteils überführt werden soll, ist nicht erforderlich, dass der Verdrängerkolben dichtend an der Kolbenwand anliegt. Die Arbeit wird vielmehr dadurch erzeugt, dass sich das eine Gehäuseteil relativ zu dem anderen Gehäuseteil bewegt, und diese Bewegung als Energie abgenommen wird, um beispielsweise über einen Pleuel ein Schwungrad anzutreiben. Das Schwungrad kann hierbei ein Schwungrad sein, das über einen Klemmrollenfreilauf verfügt, also nur in eine Richtung drehbar ist und auf das Pleuel und den Arbeitstakt des Motors keinen Einfluss hat.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdrängerkolben auf seiner Fläche zumindest partiell gasdurchlässig ist.
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Das heißt, dass der Verdrängerkolben aus z. B. Metallschaum besteht, und kann demzufolge auch als Regenerator wirken.
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Nach einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist des Weiteren vorgesehen, dass der Boden des jeweiligen Gehäuseteils durch eine Strukturierung auf seiner Innenseite eine gegenüber einem planen Boden vergrößerte Oberfläche aufweist. Dies deshalb, um durch eine vergrößerte Oberfläche eine schnellere Erwärmung des Gases bzw. auch Kühlung des Gases herbeiführen zu können, als dies bei einer glatten Oberfläche der Fall wäre. Vorteilhaft weist auch der Kolben auf der dem jeweiligen Boden zugewandten Seite eine entsprechende Strukturierung auf, sodass der Verdrängerkolben vollflächig an dem Boden des jeweiligen Gehäuseteiles anliegt. Auch dies dient der Optimierung des Wärmeübergangs.
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Das elastische Zwischenglied ist nach Art eines Kompensators wellen-, falten- oder mäanderförmig ausgebildet, und besteht insbesondere aus Edelstahl. In jedem Fall sollte gewährleistet sein, dass die Kraft zum Auseinanderziehen des elastischen Zwischengliedes möglichst gering ist, um den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine optimal zu halten.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine besteht darin, dass die beiden Gehäuseteile relativ zueinander beweglich sind und durch den hierbei entstehenden Hub in der Lage sind, Arbeit zu verrichten. Im Gegensatz zum klassischen Kolbenmotor fehlt der Kolben, dessen Weg unter anderem reibungsbehaftet ist. Derartige Reibungsverluste sind der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine fremd.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
- 1 bis 3 dienen der Erläuterung der Arbeitstakte;
- 4 zeigt schematisch die Anordnung der Steuermagneten am Boden des jeweiligen Gehäuseteiles und des Steuermagneten in dem Verdrängerkolben mit der Achse im Verdrängerkolben;
- 5 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie V-V aus 4;
- 6 zeigt eine Ausführungsform des Verdrängerkolbens mit einer strukturierten Oberfläche, wobei korrespondierend hierzu der Boden der Gehäuseteile eine entsprechende Strukturierung aufweist.
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Die Darstellungen der 1 bis 6 sind rein schematisch. Anhand der 1 bis 3 soll nunmehr die Funktionsweise der Wärmekraftmaschine erläutert werden. Weggelassen ist hierbei ein Schwungrad, das mittels eines Pleuels angetrieben wird, das z. B. mit dem einen Boden eines Gehäuseteils verbunden ist. Schlussendlich kommt es für die Erklärung der Funktionsweise lediglich auf das Prinzip an, das wie bereits ausgeführt, anhand der 1 bis 3 erläutert wird.
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Das insgesamt mit 1 bezeichnete Gehäuse umfasst das Gehäuseoberteil 3 als erstes Gehäuseteil mit dem Gehäuseoberteilboden 5 sowie das Gehäuseunterteil 7 als zweites Gehäuseteil, mit dem Gehäuseunterteilboden 9. Im Folgenden wird der besseren Anschaulichkeit wegen,, das erste Gehäuseteil als Gehäuseoberteil und das zweite Gehäuseteil als Gehäuseunterteil tituliert, da sich ein solches aus der zeichnerischen Darstellung ergibt. Vergleichbares gilt für den Boden. Das Gehäuseoberteil 3 und das Gehäuseunterteil 7 sind jeweils topfartig ausgebildet, wie sich dies in Anschauung der 1 bis 3 ergibt. Die beiden topfartigen Gehäuseteile 3 und 7 weisen im Bereich ihres Gehäusemantels 4, 8 einen Abstand auf, wobei zur Überbrückung des Abstandes ein elastisches Zwischenglied 12 vorgesehen ist, das gasdicht mit dem jeweiligen Gehäusemantel 4, 8 verbunden ist. Das elastische Zwischenglied dient als Kompensator, und ist demzufolge beispielsweise in Form einer Welle ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass sich eines der Gehäuseteile in Richtung des Doppelpfeiles 15 relativ zu dem anderen Gehäuseteil bewegen kann, wenn ein Gehäuseteil festgehalten ist. Oberhalb des Gehäuseoberteilbodens 5 befindet sich ein Kühlelement 18, unterhalb des Gehäuseunterteilbodens 9 ist ein Heizelement 20 angeordnet. Im Folgenden wird der Gehäuseoberteilboden auch als „kalte Seite“ und der Gehäuseunterteilboden als „heiße Seite“ bezeichnet. In dem Gehäuse 1 befindet sich der Verdrängerkolben 22. Der Verdrängerkolben liegt mit radialem Spiel zu dem jeweiligen Gehäusemantel 4 und 8 in dem Gehäuse 1 ein. Dies dient der Bewegung des Gases von der heißen zur kalten Seite und umgekehrt. Er ist frei beweglich zwischen dem Gehäuseoberteilboden 5 und dem Gehäuseunterteilboden 9.
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Geht man nunmehr von einer Stellung des Verdrängerkolbens 22 aus, wie sie in 1 dargestellt ist, d. h. der Verdrängerkolben 22 liegt an der heißen Seite also am Gehäuseunterteilboden 9 an, dann hat das in dem Gehäuse befindliche Gas beispielsweise Wasserstoff oder Helium im Wesentlichen nur Kontakt zur kalten Seite, d. h. dem Gehäuseoberteilboden 5, an dem das Kühlelement 18 anliegt. Das in dem Raum 30 des Gehäuses 1 befindliche Gas zieht sich nun aufgrund der Kühlung durch das Kühlelement zusammen. Das heißt, dass das Gehäuseoberteil 3 auf das Gehäuseunterteil 7 zu bewegt wird, wenn das Gehäuseunterteil z. B. auf einer Unterlage fixiert ist. Durch die Steuerung wird nunmehr bewirkt, dass der Verdrängerkolben 22 in die Stellung gemäß 2 überführt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuerung an einer anderen Stelle näher erläutert wird. Hierbei bildet sich der Raum 35 oberhalb des Gehäuseunterteilbodens 9, d. h. der heißen Seite. Hierbei hat der Verdrängerkolben das kalte Gas zur warmen Seite verdrängt und isoliert gleichzeitig das Gas von der kalten Seite. Das in dem Raum 35 befindliche Gas erwärmt sich nunmehr und drückt das Gehäuseoberteil 3 von dem Gehäuseunterteil 7 weg. Das heißt, das Gehäuseoberteil bewegt sich von der zusammengezogenen Stellung in 2 nach oben, das elastische Zwischenglied 12 streckt sich.
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Im Folgenden wird nunmehr wie in 3 dargestellt durch die Steuerung der Verdrängerkolben 22 in Richtung auf den Gehäuseunterteilboden 9 zubewegt. Wenn er dort anliegt, beginnt der Arbeitstakt sodann von Neuem.
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In 4 ist in oder an dem Kühlelement 18 der Steuermagnet 50 drehbar angeordnet. Der Steuermagnet 50 ist als kreisrunder Ring ausgebildet und weist mindestens zwei Pole 50a, 50b mit unterschiedlichen Polaritäten auf. Korrespondierend hierzu weist der Verdrängerkolben 22 einen Kolbenmagneten 25 auf, der ebenfalls als Ring ausgebildet ist, und der mindestens zwei Pole 25a, 25b mit jeweils unterschiedlicher Polarität aufweist, und der in dem Verdrängerkolben eingelassen ist. Der Kolbenmagnet in dem Verdrängerkolben ist fest, also nicht verdrehbar, in dem Verdrängerkolben angeordnet. Weiterhin besitzt das Heizelement 20 einen Steuermagneten als dritten Magneten 55, als kreisrunde Scheibe, der drehbar in dem Heizelement 20 angeordnet ist. Auch dieser Steuermagnet 55 weist mindestens zwei Pole 55a, 55b unterschiedlicher Polarität auf. Durch die Verdrehung der beiden Steuermagneten 50, 55 relativ zu dem feststehenden Kolbenmagneten 25 in dem Verdrängerkolben 22 wird erreicht, dass der Verdrängerkolben entweder an dem Gehäuseoberteilboden 5 herangezogen wird, oder aber von diesem abgestoßen wird, und an dem Gehäuseunterteilboden 9 anliegt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Magnete auch mehr als zwei Abschnitte unterschiedlicher Polarität aufweisen können. Auch müssen die Magnete nicht kreisrund sein, wesentlich ist ausschließlich, dass der Verdrängerkolben jeweils wechselweise zum Gehäuseunterteilboden und Gehäuseoberteilboden gelangen kann. Auch gibt es andere Möglichkeiten, den Verdrängerkolben durch Magnete zu bewegen.
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Der Verdrängerkolben 22 weist mittig, wie sich dies insbesondere in Anschauung von 5 ergibt, eine vieleckige Bohrung 26 auf, die der Aufnahme der Achse 40 dient, welche mit dem Gehäuseunterteilboden 9 verbunden ist, wobei die Achse 40 in einen Dom 3a des Bodens 5 eintauchen kann, um das Zusammenziehen und Auseinanderdrücken der beiden Gehäusehälften nicht zu behindern. Gleichfalls ist, wie dies bereits ausgeführt wurde, der Kolbenmagnet 25 ebenfalls unverdrehbar auf der Achse angeordnet, und da der Kolbenmagnet 25 mit dem Verdrängerkolben 22 eine Einheit bildet, ist somit der Verdrängerkolben insgesamt in dem Gehäuse 1 unverdrehbar, aber axial beweglich, d. h. in Richtung des Pfeiles 15 beweglich gelagert.
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Sowohl das Kühlelement 18 als auch das Heizelement 20 besitzen jeweils einen Ein- und einen Auslass 18a, 18b sowie 20a, 20b zur Ein- und Ableitung von heißem bzw. kühlem Fluid oder Gas zur Energieversorgung des Motors. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es für die Funktionsweise der Wärmekraftmaschine völlig gleich ist, wie die Erwärmung bzw. Kühlung der Gehäuseböden erfolgt.
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Die Darstellung gemäß 6 zeigt schematisch eine Strukturierung 5a im Gehäuseoberteilboden 5 sowie eine entsprechende Strukturierung 9a im Gehäuseunterteilboden 9, wobei korrespondierend hierzu der Verdrängerkolben 22 eine entsprechende Strukturierung 22a und 22b zeigt. Die Strukturierung dient erkennbar einer Vergrößerung der Oberfläche, um die Dauer der Aufheiz- und Abkühlphasen zu vermindern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 3
- Gehäuseoberteil (erstes topfartiges Gehäuseteil)
- 3a
- Dom
- 4
- Gehäusemantel
- 5
- Gehäuseoberteilboden
- 5a
- Strukturierung
- 7
- Gehäuseunterteil (zweites topfartiges Gehäuseteil)
- 8
- Gehäusemantel
- 9
- Gehäuseunterteilboden
- 9a
- Strukturierung
- 12
- elastisches Zwischenglied
- 13
- Welle
- 15
- Doppelpfeil
- 18
- Kühlelement
- 18a
- Einlass
- 18b
- Auslass
- 20
- Heizelement
- 20a
- Einlass
- 20b
- Auslass
- 22
- Verdrängerkolben
- 22a
- Strukturierung
- 22b
- Strukturierung
- 25
- Kolbenmagnet (Verdrängerkolben)
- 25a
- Pol
- 25b
- Pol
- 30
- Raum am Kühlelement
- 35
- Raum am Heizelement
- 40
- Achse
- 50
- Steuermagnet
- 50a
- Pol
- 50b
- Pol
- 55
- Steuermagnet
- 55a
- Pol
- 55b
- Pol
