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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heißgasantrieb mit wenigstens einem in einem Heißzylinder beweglichen Arbeitskolben, welcher über ein drehbar gelagertes Schwungrad mit wenigstens einem in einem Kaltzylinder beweglichen Verdrängerkolben zur Verdrängung von kaltem Arbeitsmedium wirkverbunden ist, wobei der Arbeitskolben in dem Heißzylinder einen Expansionsraum einseitig begrenzt, welcher mit einem Arbeitsmedium beschickbar ist.
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Heißgasantriebe oder auch Heißgasmotoren sind thermodynamische Kraftmaschinen. Von Verbrennungsmotoren unterscheiden sie sich dadurch, dass sie zwar mit einem Arbeitsmedium betrieben werden, dieses aber nicht verbrannt sondern nur erhitzt und abgekühlt wird. Eine Verbrennung findet allenfalls bei der Erhitzung des Arbeitsmediums statt.
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Dies ist etwa beim Gegenstand der
DE 42 32 555 A1 der Fall. Dabei handelt es sich um eine Heißgaskolbenmaschine, bei der das Arbeitsmedium durch eine Spule strömt, welche mithilfe eines Gasbrenners erhitzt wird. Das erhitzte Gas dehnt sich in einem Expansionsraum des Heißzylinders aus und bewegt damit den Arbeitskolben gegen den Widerstand des Verbrauchers.
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Ähnlich verhält es sich bei den Gegenständen der
DE 60 2004 003 560 T2 und der
WO 2005/017338 A1 , betreffend in beiden Fällen eine Stirling-Maschine. Die Stirlingmaschine ist ein geschlossenes System, bei dem das Arbeitsmedium zwischen dem Heißzylinder und dem Kaltzylinder hin und her oszilliert, im Gegensatz zu offenen Systemen wie dem Ericssonmotor, bei denen Außenluft angesaugt und wieder ausgeblasen wird, erlaubt die Verwendung eines geschlossenen Systems, die Vorteile bestimmter Arbeitsmedien gegenüber Außenluft zu nutzen, sowie die in das Arbeitsmedium eingebrachte Energie zumindest teilweise zurückzugewinnen.
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Auch aus der
DE 28 07 004 C2 ist eine ähnliche Lösung bekannt, bei der, wie bei der
JP H 0419347 A die von dem Heißgasantrieb erzeugte mechanische Bewegung auf einen Generator übertragen wird und die so erzeugte Energie einem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden kann und somit das System verlässt.
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Weiter ist aus der
JP S 59128951 A bekannt, eine elektrische Beheizung des Arbeitsmediums vorzusehen, und damit auf den Gasbrenner zu verzichten. Hierdurch arbeitet das System ohne Verbrennung vor Ort und damit sehr sauber, ist jedoch von der Stromversorgung abhängig.
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Die
JP 2005/042571 A schlägt eine Stirling-Maschine vor, welche eine Rückgewinnung von Vibrations-Bewegungsenergie anstrebt, die über ein aufgrund der Vibration eines Permanentmagneten in einer Induktionsspule erzeugtes, veränderliches Magnetfeld in elektrischen Strom umgewandelt wird.
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Bei denjenigen aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen, insbesondere Stirling-Maschinen, welche das Arbeitsmedium ausschließlich mit Gas beheizen, kann die eingesetzte Wärme nur unvollständig zurückgewonnen werden, was den Wirkungsgrad der Maschinen beeinträchtigt. Eine direkte Rückgewinnung des zur Erhitzung eingesetzten Gases ist aus naheliegenden Gründen nicht möglich. Lediglich die
JP 2005/042571 A schlägt eine Energierückgewinnung vor, indem sie durch die Vibration induzierten Strom einem Verbraucher bereitstellt.
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Die
JP S 59128951 A hingegen wird ausschließlich mit Strom beheizt, wobei sich aus dieser Heizmethode zwar ein lokal betrachtet emissionsfreier Betrieb ergibt, aber überschüssige Energie ebenfalls nicht zurückführt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Heißgasantrieb zu schaffen, der effizienter betrieben werden kann und die eingesetzte Energie besser nutzt als die im Stand der Technik vorgeschlagenen Maschinen.
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Dies gelingt durch einen Heißgasantrieb gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Sinnvolle Weiterbildungen eines solchen Heißgasantriebs können den sich anschließenden Unteransprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Heißgasantrieb in einer einfachsten Form einen in einem Heißzylinder beweglichen Arbeitskolben aufweist, welcher über ein drehbar gelagertes Schwungrad mit einem in einem Kaltzylinder beweglichen Verdrängerkolben zur Verdrängung von kaltem Arbeitsmedium wirkverbunden ist. Ein zurückschieben des Arbeitskolbens bewirkt also ein Vorschieben des Verdrängerkolbens, wodurch das Prinzip eines Heißgasantriebs realisiert wird. Im Zuge des Hin und Her der beiden Kolben wird eine Kurbelwelle mit einem Schwungrad betätigt, an welche ein Verbraucher mechanisch unter Zuhilfenahme von Mitteln zur Wirkverbindung des Schwungrads mit dem Verbraucher gekoppelt werden kann. Die Erfindung sieht jedoch zusätzlich einen Generator vor, welcher parallel zu dem Verbraucher betrieben werden kann und die erzeugte Bewegung des Heißgasantriebs in elektrische Energie umwandeln kann. Diese elektrische Energie kann, zu einer geeigneten Stromstärke transformiert, neben einem herkömmlichen Heizmittel eingesetzt werden, um das Arbeitsmedium zu erhitzen. Es handelt sich folglich hinsichtlich der Beheizung des Arbeitsmediums um einen Hybridmotor, welcher grundsätzlich eine anderweitige Beheizung vorsieht, die aber bei niedriger Last oder Leerlauf durch eine elektrische Beheizung unterstützt oder zeitweise ganz von dieser abgelöst werden kann.
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Zum Einen ermöglicht dies einen weitgehend lastunabhängig gleichmäßigen Einsatz des erfindungsgemäßen Heißgasantriebs, zum Anderen wird hierdurch an der Hauptheizung gespart, wann immer eine elektrische Zusatzbeheizung möglich ist. Ferner ist diese Bauform auch bei mobilen Maschinen einsetzbar, da eine zusätzliche Infrastruktur wie beim Stand der Technik nicht benötigt wird.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein geschlossenes System handelt, also dem Prinzip nach um einen Stirling-Motor. Das Arbeitsmedium ist hierfür in einem geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf zwischen dem Heißzylinder und dem Kaltzylinder geführt und oszilliert zwischen diesen beiden Zylindern hin und her. Da das Arbeitsmedium auf diese Weise nicht entweicht, können solche Medien Verwendung finden, die besonders geeignet für eine Kompression und zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie sind. Besonders bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung Stickstoff als Arbeitsmedium eingesetzt, sie arbeitet aber auch mit anderen Arbeitsmedien wie etwa Helium oder Wasserstoff.
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Ein solches geschlossenes System ermöglicht zudem, dass dem Arbeitsmedienkreislauf auf einem Weg vom Heißzylinder zum Kaltzylinder ein Regenerator zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus dem Arbeitsmedium zugeordnet ist. Bei dem Regenerator handelt es sich um eine Art Wärmetauscher mit Wärmespeicher, der beim Einströmen in Richtung Kaltzylinder Wärme des Arbeitsmediums aufnimmt und speichert.
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Ebenfalls kann der Regenerator auch in den Rückweg von dem Kaltzylinder zum Heißzylinder zur Wärmebeaufschlagung des Arbeitsmediums eingebunden sein. Dann wird die zuvor in den Wärmespeicher des Regenerators eingespeiste Wärmeenergie auf dem umgekehrten Weg wieder auf das Arbeitsmedium zurück übertragen und geht somit ebenfalls dem System nicht verloren.
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Im Sinne eines Pufferspeichers können dem Arbeitsmedienkreislauf zudem ein oder mehrere Gasspeicher zur Speicherung abgekühlten Arbeitsmediums und/oder zur Kühlung des Arbeitsmediums zugeordnet sein. Etwa bei einem Einsatz eines Schichtwärmespeichers kann auf diese Weise ebenfalls eine effiziente Zwischenspeicherung bewirkt werden, welche dem Kaltzylinder möglichst kaltes Arbeitsmedium, dem Heißzylinder möglichst heißes Medium zuführt.
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In konkreter Ausführung der elektrischen Heizung können die elektrischen Heizmittel einen Heizwiderstand umfassen, der von dem Arbeitsmedium umströmt oder durchströmt wird. Ein solches Heizmittel kann verschiedene Formen annehmen, etwa die Form eines Heizdrahts, der gegebenenfalls auch zu einer Heizspule oder Heizwendel aufgewickelt ist, oder auch eines Heizrohrs, das von elektrischem Strom beheizt und von dem Arbeitsmedium durchströmt wird. Diese Aufzählung soll nicht abschließend verstanden werden, auch andere fachübliche elektrische Heizmittel sind von der Erfindung ausdrücklich mit umfasst.
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Bedarfsweise kann dem Heißgasantrieb zusätzlich eine weitere elektrische Stromquelle zugeordnet sein, welche den Betrieb des Heißgasantriebs, eventuell auch nur vorübergehend, unterstützen kann. Hierzu kann ein Akkumulator ebenso eingesetzt werden wie eine Brennstoffzelle oder jedweder andere Stromspeicher, oder ein elektrisches Stromnetz vorgesehen sein, inklusive einer möglichen Solarzellenanordnung.
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Bei den herkömmlichen Heizmitteln, welche von der elektrischen Beheizung unterstützt werden, kann es sich insbesondere um Gasbrenner oder Brennöfen für andere Energieträger, wie Holz, Pellets und dergleichen mehr handeln. Gerade bei einer Verbrennung nachwachsender Rohstoffe oder von Abfällen kann ein guter Wirkungsgrad erreicht werden, da die Abfälle weitgehend kostenschonend zur Verfügung stehen. Die Schadstoffe im Abgas der Verbrennung können durch eine Steuerung der Flamme auf ein Minimum reduziert werden.
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Bei der Konfiguration des Heißgasantriebs gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Eine einfache Möglichkeit besteht in einer Lösung mit genau einem Kaltzylinder und genau einem Heißzylinder, wobei der Arbeitskolben mit dem Verdrängerkolben über einen gleitlagergeführten Käfig verbunden ist. Hier liegen sich die beiden Zylinder gegenüber und der eine Kolben schiebt den jeweils anderen Kolben linear vorwärts. Die Kolben stehen damit in einem Winkel von 180° zueinander.
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Um hingegen mehrere Zylinder in einem gemeinsamen Heißgasantrieb unterzubringen können diese mit einem oder mehreren Zylinderpaaren, bestehend aus jeweils einem Kaltzylinder und einem beispielsweise benachbart parallel angeordneten Heißzylinder ausgestaltet werden, wobei die Arbeitskolben und die Verdrängerkolben der jeweiligen Zylinderpaare über ein Getriebe, vorzugsweise ein Kegelradgetriebe, mit einer gemeinsamen Schwungscheibe wirkverbunden sind. Hierdurch lassen sich vorteilhaft kreissymmetrische Zylinderanordnungen, etwa mit einem bis vier Zylinderpaaren realisieren. Der Versatz der Zylinder kann hierbei anders gewählt werden.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen von Zusatzaggregaten isolierten Heißgasantrieb in einer seitlichen Querschnittsdarstellung,
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2 den Heißgasantrieb gemäß 1 im Zusammenhang mit weiteren zum Betrieb benötigten Aggregaten in einer Schaltanordnung, sowie
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3 eine alternative Konfiguration eines Heißgasantriebs mit mehreren Zylinderpaaren in einer seitlichen Schnittdarstellung.
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1 zeigt den Kern eines Heißgasantriebs 1, umfassend einen Heißzylinder 2 und einen Kaltzylinder 4, die mit einem Versatz von 180° zueinander angeordnet sind, also in einer durchgehenden Linie. In dem Heißzylinder wird ein Arbeitskolben 3 aufgrund der Wärmeausdehnung eines Arbeitsmediums in Richtung des Kaltzylinders 4 zurückgeschoben. Die Beheizung erfolgt hierbei hauptsächlich durch einen Gasbrenner 19, welcher beispielsweise mit Biogas betrieben wird. Seine Flamme ist auf eine Heizplatte 18 gerichtet, an welcher der Arbeitskolben 3 in der gezeigten Extremlage zumindest näherungsweise anliegt. Das Arbeitsmedium wird nun durch einen Überströmkanal 17 in den Expansionsraum des Heißzylinders 2 eintreten und dabei an der vom Gasbrenner 19 erhitzten Heizplatte 18 vorbeistreichen und dabei seinerseits erhitzt werden. Ebenfalls kontaktiert das Arbeitsmedium eine in den Strömungsweg integrierte Heizspule 16, welche eine zweite Heizung für das Arbeitsmedium darstellt, die anstelle des oder ergänzend zum Heizen mithilfe des Gasbrenners eingesetzt werden kann. Aufgrund der Erhitzung des Arbeitsmediums in dem Expansionsraum des Heißzylinders 2 wird der Arbeitskolben 3 in Richtung des Kaltzylinders 4 zurückgeschoben und schiebt dadurch den Pleuel 6 in die gleiche Richtung. Dieser schiebt seinerseits einen Käfig bestehend aus Schubstangen 12 und Jochen 10 und 11, der wiederum eine kraftschlüssige Verbindung zum Pleuel 7 des Verdrängerkolbens 5 im Kaltzylinder herstellt. Aus dem Kaltzylinder wird hierbei das darin befindliche abgekühlte Arbeitsmedium über ein Druckventil 15 ausgeschoben.
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In der Mitte des Käfigs befindet sich eine Kurbelwelle, die mit einem als Energiespeicher dienenden Schwungrad verbunden ist und über die ein Verbraucher an das System angeschlossen werden kann. Die Kurbelwelle ist ihrerseits mit einem Pleuel 8 an dem Joch 10 angelenkt. Aufgrund des Schwungs des Schwungrads 20 bleibt das System stets in gleichmäßiger Bewegung, werden also die Kolben 3 und 5 abwechselnd gegenläufig vorwärts und rückwärts geschoben, während die beschriebene Erhitzung des Arbeitsmediums dafür sorgt, dass dem System mit jedem Hub zusätzliche Kraft zugeführt wird.
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2 zeigt den Heißgasantrieb 1 in seinem Gesamtzusammenhang. Aus dem Kaltzylinder 4 wird in einem Arbeitstakt das kalte Arbeitsmedium über ein Druckventil 15 ausgestoßen und bedarfsweise in einem Gasspeicher 23 zwischengespeichert. Über ein 2/2 Wegeventil 25 wird das Arbeitsmedium dann einem Regenerator 21 zugeführt, welcher aus vorhandener Energie eine Vorheizung des Arbeitsmediums vornehmen kann. Von diesem aus gelangt das Arbeitsmedium in den Heißzylinder 2, wo es weiter aufgeheizt wird und die Bewegung des Arbeitskolbens unterstützt. Das gegenläufige 2/2 Wegeventil 24 ist währenddessen geschlossen.
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Aufgrund der Bewegung der Kurbelwelle werden dann beide 2/2 Wegeventile 24 und 25 umgeschaltet und der Arbeitskolben wird zurückgedrückt. Das Arbeitsmedium gelangt am Regenerator 21 vorbei über das nun geöffnete 2/2 Wegeventil 24 zu dem Gasspeicher 22, in dem das Arbeitsmedium nun abgekühlt wird. Das nun geschlossene 2/2 Wegeventil 25 verhindert, dass das Arbeitsmedium den vorigen Weg wieder zurückfließt. Abgekühltes Arbeitsmedium wird unterdessen über ein Saugventil 14 von dem zurückweichenden Verdrängerkolben 5 aus dem Gasspeicher 22 in den Kaltzylinder 4 gesaugt, wo der Prozess wieder von Neuem beginnen kann.
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Zusätzlich zu dem soeben beschriebenen Arbeitsmedienkreislauf sieht die Erfindung aber auch einen Hydraulikkreislauf vor, der von der sich drehenden Kurbelwelle gespeist und von dem Schwungrad 20 gepuffert wird. Die Drehung wird initial auf zwei Hydraulikpumpen 27 übertragen, von denen eine einen Verbraucher 26 speist und damit einen wesentlichen Punkt des Heißgasantriebs erfüllt, den Verbraucher mit mechanischer Energie zu versorgen.
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Parallel wird aber auch ein Hydraulikmotor 28 gespeist, der seinerseits einen elektrischen Generator 28 antreibt. Dieser wandelt seine mechanische Energie in elektrische Energie um. Diese wird in einem Transformator 30 zu einem Heizstrom transformiert, welcher den Gasbrenner 19 im Heißzylinder 2 beim Beheizen des Arbeitsmedium unterstützen oder zeitweise ersetzen kann, wann immer die Last des Verbrauchers 26 ein Zuschalten des Generators 28 als zusätzliche Last erlaubt.
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3 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Heißgasantriebs 1, bei dem ein Schwungrad 20 auf einer zentralen Drehachse 33 aufgenommen ist. Die 3 stellt eine Schnittzeichnung dar, welche aufgrund der Lage des Schnitts in einer Anordnung von vier Zylindern nur drei Zylinder gleichzeitig zeigen kann. Der untere und der mittlere Kolben sind hierbei miteinander verbunden und stellen zusammengehörige Verdrängerkolben und Arbeitskolben dar. Sie sind mithilfe von Kegelrädern 32, die mit einem auf der Drehachse 33 angeordneten Tellerrad 31 kämmen, mit der Schwungscheibe und miteinander kraftschlüssig verbunden. Eine solche Anordnung kann bedarfsweise um beliebig viele Zylinderpaare erweitert werden, die alle um das zentrale Tellerrad 31 herum angeordnet sind.
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Vorstehend beschrieben ist somit ein Heißgasantrieb, welcher in Fällen, in denen ungenutzte Energie bereitsteht, diese zur Energiegewinnung zum Selbstbetrieb einsetzt, um so seine Effizienz zu verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heißgasantrieb
- 2
- Heißzylinder
- 3
- Arbeitskolben
- 4
- Kaltzylinder
- 5
- Verdrängerkolben
- 6
- Pleuel
- 7
- Pleuel
- 8
- Pleuel
- 9
- Kurbelwelle
- 10
- Joch
- 11
- Joch
- 12
- Schubstange
- 13
- Gleitlager
- 14
- Saugventil
- 15
- Druckventil
- 16
- Heizspule
- 18
- Heizplatte
- 17
- Überströmkanal
- 19
- Gasbrenner
- 20
- Schwungrad
- 21
- Regenerator
- 22
- Gasspeicher
- 23
- Gasspeicher
- 24
- 2/2 Wegeventil
- 25
- 2/2 Wegeventil
- 26
- Verbraucher
- 27
- Hydraulikpumpen
- 28
- Hydraulikmotor
- 29
- Generator
- 30
- Transformator
- 31
- Tellerrad
- 32
- Kegelrad
- 33
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4232555 A1 [0003]
- DE 602004003560 T2 [0004]
- WO 2005/017338 A1 [0004]
- DE 2807004 C2 [0005]
- JP 0419347 A [0005]
- JP 59128951 A [0006, 0009]
- JP 2005/042571 A [0007, 0008]
