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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Energiewandler nach Art eines mit
einem Freikolben versehenen Lineargenerators.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen elektromechanischen Energiewandlern kommen mit
freischwingenden Arbeitskolben versehene Lineargeneratoren ohne Drehbewegungen und
die dafür benötigten Kurbeltriebe oder dgl. aus. Die Energiewandlung wird hier durch
eine lineare Hin- und Herbewegung eines häufig als Freikolben bezeichneten
Arbeitskolbens erzeugt. Die Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie
erfolgt dadurch, daß der Arbeitskolben mit einer Vielzahl von Magneten wechselnder
Polarität versehen und in einer ihn umgebenden Wicklung angeordnet wird (DD 113 593,
DE 43 15 046 A1, DE 199 43 993 A1). Entsprechend wird bei elektromechanischen
Wandlern vorgegangen, die nicht als elektrische Generatoren, sondern als elektrische
Linearmotoren arbeiten (DE 41 07 530 A1) oder die wahlweise der elektrischen oder
mechanischen Energieerzeugung dienen (EP 0 185 656 B1).
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Wegen der Vielzahl von am Arbeitskolben montierten Permanentmagneten und der
dadurch bedingten Massenträgheit müssen hohen Beschleunigungs- bzw. Abbremskräfte
aufgebracht werden, was niedrige Arbeitsfrequenzen zu Folge hat. Üblicherweise werden
bei diesen sog. Feldverdrängern spiegelverkehrt oder rotationssymmetrisch angeordnete
Magnetpaarungen verwendet, um Seitenkräfte im Idealfall zu verhindern. Durch
Fertigungstoleranzen ist dies allerdings nicht vollständig erreichbar und wird durch geringsten
Verschleiß zunehmend die Lager belasten. Diese Belastungen potenzieren sich dann.
Aufwendige Konstruktionen erhöhen jedoch die Störanfälligkeit, was einem wartungsfreien
Lauf des Arbeitskolbens über mehrere Jahre hinweg entgegensteht.
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Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende technische Problem besteht daher darin,
einen elektromechanischen Energiewandler der eingangs bezeichneten Gattung so
auszubilden, daß die zu bewegenden Massen vergleichsweise klein sind, möglichst geringe
Radialkräfte auf den Arbeitskolben wirken und trotz einer einfachen Konstruktion eine
große Laufruhe und ein langer, wartungsfreier Betrieb erzielt werden.
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Zur Lösung dieses Problems dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß nur der Arbeitskolben und die mit ihm
verbundene, eisenlose Ankerspule, aber keine Permanentmagnete oder sonstige Eisenteile
zu bewegen sind. Wegen der Anwendung einer eisenfreien Spule treten auch keine bzw.
nur minimale radiale Anziehungskräfte zwischen der Ankerspule bzw. dem Arbeitskolben
und dem Stator auf. Dadurch ist eine einfache Kolbenführung bei geringen Verlusten
durch Reibung möglich, was zu geringem Verschleiß und damit zu langen
Wartungsintervallen führt.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiligenden Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 den Grundaufbau des Stators eines erfindungsgemäßen elektromechanischen
Wandlers in einem schematischen Längsschnitt;
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Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1;
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Fig. 3 in einem gegenüber Fig. 1 etwas veränderten Maßstab einen Längsschnitt durch
einen mit einer Ankerspule verbundenen Arbeitskolben für den erfindungsgemäßen
Wandler;
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Fig. 4 und 5 schematische Teildiagramme von zwei möglichen Ausführungsbeispielen für
eine mit dem erfindungsgemäßen Wandler betriebene Vorrichtung;
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Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines kompletten Wandlers;
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Fig. 7 und 8 schematische Schnitte durch ein Ventil des Wandlers nach Fig. 6 in je einer
Geschlossen- bzw. Offenstellung;
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Fig. 9 und 10 die Teilansichten des Wandlers nach Fig. 6 in zwei unterschiedlichen
Betriebsstellungen eines Arbeitskolben;
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Fig. 11 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines kompletten
Wandlers;
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Fig. 12 eine vergrößerte Einzelheit X der Fig. 6 mit einer Zuführleitung für ein Kühl-
und/oder Schmiermittel;
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Fig. 13 einen Schnitt längs der Linie XIII-XIII der Fig. 9 und
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Fig. 14 einen Schnitt längs der Linie XIV-XIV der Fig. 13.
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Nach Fig. 1 und 2 enthält ein erfindungsgemäßer elektromechanischer Energiewandler
einen Stator 1, der zwei topfförmige, aus Weicheisen oder dgl. hergestellte Statorteile 1a
und 1b aufweist. Das Statorteil 1a enthält einen mittleren, zu einer Längsachse 2 des
Wandlers koaxialen Polschuh 3 und einen diesen ringförmig und koaxial umgebenden,
äußeren Polschuh 4. Der mittlere Polschuh 3 ist vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch
ausgebildet. Dagegen ist der äußere Polschuh 4 vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet
und an einem Ende durch einen Boden 5 geschlossen. An der dem Boden 5
gegenüberliegenden, offenen Seite des so gebildeten Topfs grenzen die beiden Polschuhe 3, 4
zweckmäßig an eine ebene Stirnseite. Zwischen den Polschuhen 3, 4 besteht ein
ringförmiger, umlaufender Spalt. Das Statorteil 1b ist zweckmäßig identisch und wie das
Statorteil 1a rotationssymmetrisch zur Längsachse 2 ausgebildet.
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Wie Fig. 1 und 2 weiter zeigen, grenzen die beiden Statorteile 1a, 1b mit ihren an den
offenen Seiten liegenden Stirnflächen längs einer durch eine Linie 6 angedeuteten
Symmetrieebene aneinander, so daß sie einerseits spiegelsymmetrisch zur Symmetrieebene 6
und andererseits koaxial zur Längsachse 2 angeordnet sind. Ihre zwischen den Polschuhen
3, 4 befindlichen Spalte ergänzen sich daher zu einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 7
bezeichneten Luftspalt.
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In einer zwischen dem mittleren Polschuh 3 und dem äußeren Polschuh 4 befindlichen
Bereich weisen die Statorteile 1a, 1b Aussparungen aus, in denen Wicklungen 8a, 8b
angeordnet sind, die in nicht näher dargestellter Weise an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen werden. Dabei wird die Polung des von den Wicklungen 8a, 8b erzeugten
Magnetfelds z. B. so gewählt, daß z. B. am mittleren Polschuh 3 ein Nordpol N und am
äußeren Polschuh 4 ein Südpol S entsteht (Fig. 1), obwohl die Polarität auch umgekehrt
sein könnte. Außerdem ist klar, daß der Stator 1 auch durch Permanentmagnete erregt
werden könnte, in welchem Fall die Wicklungen 8a, 8b entfallen würden.
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Schließlich zeigen Fig. 1 und 2, daß der mittlere Polschuh 3 jedes Statorteils 1a, 1b
einerseits mit einer zentralen Ausnehmung, andererseits mit kreuzförmig angeordneten
Schlitzen 11 versehen ist. Die Ausnehmungen sind koaxial zur Längsachse 2 angeordnet,
an ihren äußeren Enden mit je einem schematisch angedeuteten Deckel 10a, 10b
verschlossen und axial durchgehend ausgebildet, so daß sie einen zwischen den Deckeln 10a,
10b verlaufenden Durchgang 9 bilden. Die Schlitze 11 verlaufen dagegen senkrecht zur
Symmetrieebene 6 und radial zum Luftspalt 7 (Fig. 2), so daß sie diesen mit dem
Durchgang 9 verbinden. Dadurch entsteht in den mittleren Polschuhen 3 ein von dem
Durchgang 9 und den Schlitzen 11 gebildeter, zusammenhängender und nur in Fig. 6
angedeuteter Freiraum 12.
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Ein wesentlicher Vorteil der beiden baugleichen, in der Symmetrieebene 6 aneinander
stoßenden Statorteilen 1a, 1b besteht darin, daß außerhalb des Luftspalts 7 keine
Streufelder entstehen. Die von den beiden Statorteilen 1a, 1b ausgehenden Feldlinien werden
vielmehr in die Eisenteile zurück gedrängt und daher voll im Luftspalt 7 wirksam
gemacht, so daß dieser auf der gesamten Länge gleichmäßig magnetisch durchflutet wird
und sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt.
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Fig. 3 zeigt einen freischwingend im Durchgang 9 anzuordnenden Arbeitskolben 14 des
erfindungsgemäßen Wandlers. Der Arbeitskolben 14 weist wie der Durchgang 9
vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist in einem mittleren Teil als Rohr 14a
ausgebildet. An den beiden Enden ist dieses Rohr 14a durch je einen Kolbenboden 15a,
15b verschlossen und in je einem Zylinderabschnitt 16a, 16b mit Gleitsitz hin und her
verschiebbar gelagert, wobei die Zylinderabschnitte 16a, 16b abgedichtet in den
zugehörigen Polschuhen 3 angeordnet und z. B. mit Schrauben an diesen befestigt sind. Die
Zylinderabschnitte 16a, 16b könnten alternativ einen durchgehenden Zylinder bilden, sind
aus praktischen Gründen jedoch geteilt, damit jeder Zylinderabschnitt 16a, 16b zur
Durchführung von Wartungs- und Reparaturarbeiten einzeln für sich axial nach außen
herausgenommen bzw. wieder eingesetzt werden kann.
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Der üblicherweise als Freikolben bezeichnete Arbeitskolben 14 weist im
Ausführungsbeispiel von seinen Kolbenböden 15a, 15b nach außen abstehende, koaxiale Führungsansätze
bzw. Schieber 17a, 17b von verringertem Querschnitt auf, die in Führungsöffnungen von
quer in den Zylinderabschnitten 16a, 16b angeordneten Stirnscheiben 19a, 19b koaxial
verschiebbar gelagert sind. Außerdem ist der Arbeitskolben 14 mit Hilfe von umlaufenden
Dichtungen 20a, 20b, die in der Nähe der Kolbenböden 15a, 15b von seinem Umfang
radial abstehen, gegen die Zylinderabschnitte 16a, 16b abgedichetet, so daß zwischen den
1 Kolbenböden 15a, 15b und den zugehörigen Deckeln 10a, 10b jeweils Druckkammern
21a, 21b entstehen. Diese dienen zur Aufnahme eines gas- oder dampfförmigen Mediums,
um den Arbeitskolben 14 in an sich bekannter Weise freischwingend in eine hin- und
hergehende Bewegung zu versetzen oder - wenn der Kolben angestrieben wird - das in den
Druckräumen 21a, 21b befindliche Medium nach Art eines Kompressors oder dgl.
periodisch zu komprimieren bzw. zu entspannen. Die Steuerung des Bewegungsspiels des
Arbeitskolbens 14 kann, wie weiter unten anhand der Fig. 11 näher erläutert wird, z. B.
mit Hilfe von in dessen Außenmantel angebrachten und am Umfang verteilt angeordneten
Steuerschlitzen 22a und 22b, der Stirnscheiben 19a, 19b und von in den
Zylinderabschnitten 16a, 16b ausgebildeten Auslaßschlitzen 23a und 23b erfolgen, die an den der
Symmetrieebene 6 zugewandten Enden der Zylinderabschnitte 16a, 16b ausgebildet und in
Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
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Der Arbeitskolben 14 ist in einem mittleren Abschnitt mit kreuzförmig angeordneten und
radial nach außen abstehenden Stegen 24 versehen, deren Form und Größe so bemessen
sind, daß sie von je einem zugeordneten Führungsschlitz 11 aufgenommen und in diesem
beim Hin- und Herbewegen des Arbeitskolbens 14 hin- und herbewegt werden können. An
ihren radial äußeren Enden sind die Stege 24 an der Innenseite einer koaxial im Luftspalt
7 anzuordnenden Ankerspule 25 befestigt, deren Größe und Form so bemessen sind, daß
sie nach Art einer Tauchspule axiale Bewegungen des Arbeitskolbens 14 im Luftspalt 7
mitmachen kann.
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Die Ankerspule 25 ist erfindungsgemäß im wesentlichen eisenfrei und daher von geringem
Gewicht, so daß weder hohe Beschleunigungskräfte aufzubringen sind noch radiale
Querkräfte bei der Bewegung der Ankerspule 25 im Luftspalt 7 auftreten. Außerdem
bilden der Arbeitskolben 14, die Stege 24 und die Ankerspule 25 eine zusammenhängende
Einheit, der wegen der Anwendung einer eisenfreien Ankerspule 25 auch insgesamt
vergleichsweise leicht ausgebildet werden kann, insbesondere wenn der Arbeitskolben 14
und die Stege 24 z. B. aus Aluminium, Faserverbundmaterial oder dgl. hergestellt werden.
Dadurch können bei der praktischen Umsetzung hohe Arbeitsfrequenzen erzielt werden.
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Wie Fig. 4 schematisch zeigt, ist der Arbeitskolben 14 von zwei als Schraubenfedern
ausgebildeten Federn 27a, 27b umgeben, die mit ihren inneren Enden an je einem
zugeordneten Anschluß der Ankerspule 25 befestigt sind, mit ihren äußeren Enden
dagegen nach außen aus dem Wandler herausführen. Außerdem sind die Federn 27a, 27b
so mit dem Arbeitskolben 14 und stationären Teilen im Arbeitsraum 12 verbunden, daß
sie, wenn der Wandler nicht in Betrieb ist, eine definierte Mittellage des Arbeitskolbens
14 und der Ankerspule 15 festlegen, was für eine Start- bzw. Anlaufphase des Wandlers
günstig ist. Die Federn 27a, 27b dienen daher sowohl dem elektrischen Anschluß der
Ankerspule 25 unter Vermeidung von Schleifkontakten oder dgl. als auch zu deren
Mittenzentrierung.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erfindungsgemäßer,
entsprechend Fig. 1 bis 3 ausgebildeter Wandler 28 als Teil eines elektrischen Generators
oder dgl. dargestellt, der z. B. in einem Ein- oder Zweifamilienhaus zur zusätzlichen
Stromerzeugung angewendet werden kann. Daneben sind Anwendungen im Inselbetrieb
(Hütten, Yachten, Wohnmobile oder dgl.) oder in Ländern ohne zentrale Stromversorgung
denkbar. Der Wandler 28 wird in diesem Fall z. B. mit Wasserdampf betrieben, der z. B.
in einem Verdampfer 29 mit dem erforderlichen Druck von z. B. 30 bar bis 50 bar und
der erforderlichen Temperatur von z. B. 200°C bis 350°C erzeugt wird. Dabei wird der
Verdampfer 29 z. B. als Zusatzbauteil eines üblichen, bei Heizungsanlagen im
Wohnbereich meistens ohnehin vorhandenen Öl- oder Gasbrenners 30 ausgebildet, der zum
Betreiben einer üblichen Öl- oder Gasheizung dient und dessen Flamme auch zur
Dampferzeugung verwendet werden kann.
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Der Wandler 28 ist vorzugsweise mit zwei im Wandler verbundenen Kreisläufen versehen,
die beide Dampf bzw. Wasser führen. Ein erster Kreislauf dient als Kühl- und/oder
Schmiermittel-Kreislauf. Er enthält eine Pumpe 31, die ein den Arbeitsraum des
Wandlers 28 durchströmendes Kühl- und/oder Schmiermittel, hier Wasser, von einer im Stator 1
ausgebildeten Entnahmeleitung 32 abzieht und einem Wärmeaustauscher 33 zuführt, der
z. B. die Erwärmung von Brauchwasser durch eine Wohnraumheizungsanlage unterstützt.
Das im Wärmeaustauscher 33 abgekühlte Wasser wird dem Wandler 28 durch eine
Zuführleitung 34 des Stators 1 erneut als Kühl- und/oder Schmiermittel zugeführt. Dagegen
enthält der zweite Kreislauf eine Pumpe 35, die ebenfalls durch die Entnahmeöffnung 32Wasser aus dem Wandler 28 abzieht, dieses aber direkt dem Verdampfer 29 zuführt, wo
es erneut verdampft und einem Anschluß 36 im Deckel 10a und/oder 10b als
dampfförmiges Arbeitsmedium zugeführt wird. Der Dampf dient dabei, wie weiter unten
erläutert wird, zum Antrieb des Arbeitskolbens 14. Nach der Arbeitsleistung kondensiert
der Dampf wieder zu Wasser und wird wie das als Kühl- und/oder Schmiermittel
verwendete Wasser im Freiraum 12 (Fig. 1) gesammelt und von dort erneut der
Entnahmeleitung 32 zugeführt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach Fig. 4 nur dadurch,
daß die Pumpe 35, wie weiter unten näher beschrieben ist, durch wenigstens eine, in eine
Bohrung des mittleren Polschuhs 3 eingebaute und daher unmittelbar in einen Wandler 37
integrierte Kolbenpumpe ersetzt ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist in jedem der
beiden mittleren Polschuhe 3 je eine solche Kolbenpumpe 38a, 38b vorgesehen. Je ein
Kolben 39a, 39b der Kolbenpumpe 38a, 38b ist vorzugsweise an einem der Stege 24
befestigt, wodurch der Pumpenhub mit dem Hub des Arbeitskolbens 14 synchronisiert ist.
Im übrigen sind in Fig. 5 die selben Bezugszeichen wie in Fig. 4 verwendet.
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Fig. 6 bis 10 zeigen weitere Einzelheiten des in den Fig. 1 bis 4 nur schematisch
dargestellten Wandlers 28, weshalb gleiche Teile auch dann mit denselben Zeichen versehen
sind, wenn sie geringfügige und für die Erfindung unbedeutende Unterschiede im
Vergleich zu Fig. 1 bis 4 aufweisen.
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Im Unterschied zu Fig. 3 ist das Rohr 14a des Arbeitskolbens 14 an den axialen Enden
mit zwei Kolbenböden 41a, 41b versehen, die an ihren äußeren Enden je eine umlaufende,
in ihre Umfangsfläche eingearbeitete Nut aufweisen, in die ein Dichtungsring 42 und ein
Kolbenring 43 eingelegt sind (Fig. 9). Beide werden jeweils durch von außen anliegende
Scheiben 44 in der Nut gehalten, wobei die beiden Scheiben 44 durch eine die
Kolbenböden 41a, 41b durchragende Stange 45 und auf deren Enden aufgedrehte Muttern 46 gegen
die Kolbenböden 41a, 41b verspannt und dadurch an diesen befestigt werden. Der
Dichtungsring 42 kann dabei als Gleitlager wirken und die Dichtwirkung des Kolbenrings
43 unterstützen.
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In den axial innen liegenden Enden der in Fig. 3 dargestellten Druckkammern 21a und
21b ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 bis 10 je ein Ventil 47a, 47b angeordnet,
die beide spiegelsymmetrisch zur Symmetrieebene 6 liegen und vorzugsweise identisch
ausgebildet sind, so daß nachfolgend nur das Ventil 47b näher erläutert wird. Beide
Ventile 47a, 47b dienen dem Zweck, eine Selbststeuerung der Schwingungen des
Arbeitskolbens 14 herbeizuführen.
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Wie insbesondere Fig. 7, 8 und 9 zeigen enthält das Ventil 47b ein im wesentlichen
hohlzylindrisches Gehäuse 48, das koaxial und abgedichtet in das axial äußere Ende des
Zylinderabschnitts 16b eingesetzt ist und am Deckel 10b endet. Koaxial in dem Gehäuse
48 sitzt ein mittels einer Schraubverbindung 49 starr am Deckel 10b befestigter, im
wesentlichen zylindrischer Führungskörper 50, auf dem ein als Hohlzylinder ausgebildeter
Ventilkörper 51 parallel zur Längsachse 2 verschiebbar gelagert ist. Der Ventilkörper 51
enthält einen zylindrischen Mantel 52 (Fig. 7, 8), der zum Kolbenboden 41b hin längs
eines konusförmigen Abschnitts 53 in einen zylindrischen Endabschnitt 54 mit reduziertem
Querschnitt übergeht, in dem eine Mehrzahl von Öffnungen 55 ausgebildet ist. An seinem
vom Endabschnitt 54 entfernten Ende ist der Ventilkörper 51 mit einem senkrecht zur
Längsachse 2 abgewinkelten Schulterabschnitt 56 versehen, der in einen koaxial zur
Längsachse 2 angeordneten Führungsabschnitt 57 übergeht. Dieser ist mittels eines auch
der Abdichtung dienenden, in der Umfangsfläche des Führungskörpers 50 befestigten
Gleitlagers 58 verschiebbar am Führungskörper 50 gelagert und mittels wenigstens einer
zwischen dem Schulterabschnitt 56 und dem Deckel 10b abgestützten Druckfeder 59 in
Richtung des zugehörigen Kolbenbodens 41b vorgespannt.
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Das Gehäuse 48 ist an seinem dem Kolbenboden 41b zugewandten Ende mit einem
umlaufenden Ventilsitz 60 versehen, wobei die Anordnung derart ist, daß der
Venteilkörper 51 in einer Schließstellung des Ventils 47b (Fig. 7) mit seinem konusförmigen
Abschnitt 53 gegen den Ventilsitz 60 gepreßt und durch die Druckfeder 59 in dieser
Geschlossenstellung gehalten wird.
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Der in Fig. 7 bis 9 seitlich von der Längsachse 2 abgesetzte Anschluß 36 dient zur
Einführung des gas- oder dampfförmigen, z. B. vom Verdampfer 29 (Fig. 4) kommenden
Mediums in die vom Gehäuse 48 umschlossene Druckkammer 21b. Diese umgibt den
Führungskörper 50 und den Ventilkörper 51 ringförmig und erstreckt sich axial bis zum
Ventilsitz 60. Befindet sich das Ventil 47b in der Geschlossenstellung nach Fig. 6, 7 und
9, dann kann das Medium die Druckkammer 21b nicht verlassen, so daß eine axial vor
dem Ventil 47b vom Zylinder 16b umschlossene Reaktions- bzw. Expansionskammer 61b
im wesentlichen druckfrei bleibt. In diesem Fall befinden sich die Öffnungen 55 sämtlich
an einer in axialer Richtung links vom Ventilsitz 60 liegenden Stelle innerhalb der
Reaktionskammer 61b.
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Der Ventilkörper 51 kann gegen den Druck der Druckfedern 59 in Fig. 9 nach rechts in
eine aus Fig. 8 und 10 ersichtliche Offenstellung verschoben werden, wobei sein
Führungsabschnitt 57 auf dem Gleitlager 58 gleitet. In der Offenstellung ist der konusförmige
Abschnitt 53 vom Ventilsitz 60 abgehoben, wodurch gleichzeitig die Öffnungen 55
zumindest teilweise auf der in Fig. 8 rechten Seite des Ventilsitzes 60 zu liegen kommen,
wie in Fig. 8 für eine Öffnung 55a angedeutet ist. Infolgedessen kann das gas- oder
dampfförmige Medium jetzt in Richtung der in Fig. 8 eingezeichneten Pfeile aus der
Druckkammer 21b durch die Öffnungen 55 und den Endabschnitt 54 in die daneben
liegende Reaktionskammer 61b einströmen.
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Die das Ventil 47a enthaltene Ventilanordnung, die auf der gegenüber liegenden, in Fig. 6
linken Seite des Arbeitskolbens 14 angeordnet ist, ist entsprechend ausgebildet, jedoch
spiegelsymmetrisch angeordnet.
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Die Wirkungsweise des anhand der Fig. 6 bis 10 beschriebenen Wandlers ist im
wesentlichen wie folgt:
Im Ruhezustand befinden sich der Arbeitskolben 14 und die Ankerspule 25 in einer z. B.
durch die Federn 27a, 27b (Fig. 4, 5) hergestellten Mittellage, in der beide Ventile 47a,
47b in der Schließstelllung sind. Der Wandler wird dadurch gestartet, daß an die
Ankerspule 25 von außen her ein Strom angelegt wird, der von der mit der Ankerspule 25verbundenen Last und der Leistung abhängig gemacht wird, mit der die Stromwicklungen
8a, 8b betrieben werden. Dabei kann zuvor die Ankerlast in Abhängikeit von dem in den
Druckkammern 21a, 21b herrschenden Druck des Arbeitsmediums so angepaßt werden,
daß sich nach dem Startvorgang ein optimaler Lauf des Arbeitskolbens 14 ergibt. Meistens
genügt ein einziger auf diese Weise erzwungener, definierter Hub, um den Wandler in
Bewegung zu setzen, worauf die Stromzufuhr zur Ankerspule 25 abgeschaltet wird. Die
erforderlichen Berechnungen werden vorzugsweise in einer speziellen Startbox
durchgeführt, der zur Kontrolle auch die aktuelle Hublänge übermittelt werden kann, die z. B.
mit zwei dem Arbeitskolben 14 oder den Stegen 24 oder der Ankerspule 25 zugeordneten
Hubsensoren 62 (Fig. 5) gemessen wird.
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Es sei angenommen, daß sich der Arbeitskolben 14 in Fig. 6 bis 10 nach rechts bewegt.
Er gelangt dann gegen Ende seines Hubs in die Nähe des Ventils 47b, wobei etwa in der
Reaktionskammer 61b vorhandene Restgase komprimiert und durch den noch offenen
Auslaßschlitz 23b des Zylinderabschnitts 16b in den Arbeitsraum 12 ausgestoßen werden.
Kurz danach wird der Auslaßschlitz 23b vom Kolbenboden 41b geschlossen und die
Reaktionskammer 61b mittels des Kolbenrings 43 abgedichtet.
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Sobald der Kolbenboden 41b unter ständiger Verkleinerung der Reaktionskammer 61b an
den Endabschnitt 54 des Ventils 47b anschlägt, wird der Ventilkörper 51 gegen den Druck
der Federn 59 nach rechts bewegt (Fig. 10). Zu diesem Zweck kann der Kolbenboden 41b
mit einer in ihrer Form an den Endabschnitt 54 des Ventilkörpers 51 angepaßten
Anschlagplatte 63 (Fig. 9, 10) versehen sein, die zwischen der Scheibe 44 und der Mutter 46
angeordnet wird. Der in Fig. 10 rechte Totpunkt des Arbeitskolbens 14 ist z. B. erreicht,
wenn die Mutter 46 am Boden einer Aussparung des Führungskörpers 50 anschlägt.
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Durch die beschriebene Bewegung des Ventilkörpers 51 wird das Ventil 47b geöffnet. Das
in der Druckkammer 21b anstehende Medium kann daher durch die zumindest teilweise
frei gegebenen Öffnungen 55 in die Reaktionskammer 61b eintreten und dort Arbeit
verrichten, in dem es den Arbeitskolben 14 in Fig. 10 nach links drückt und dadurch die
Reaktionskammer 61b wieder vergrößert. Dies geht zunächst so lange, bis der
Ventilkörper 51 durch die Druckfedern 59 wieder in seine Schließstellung zurückgeführt worden ist.
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Auf der in Fig. 6 linken Seite des Wandlers laufen entsprechende Vorgänge ab. Durch
Bewegung des Arbeitskolbens 14 nach rechts wurde das Ventil 47a in die Schließstellung
gebracht und die dortige Reaktionskammer 61a immer mehr vergrößert, bis der
Kolbenboden 41a schließlich die Auslaßschlitze 23a im Zylinderabschnitt 16a freigegeben und die
Reaktionskammer 61a mit dem Abreitsraum 12 verbunden hatte. Wenn sich daher der
Arbeitskolben 14 wie beschrieben nach links bewegt, werden am Anfang dieses
Bewegungshubs zunächst etwaige noch in der Reaktionskammer 61a befindliche Restgase durch
die Auslaßschlitze 23a in den Arbeitsraum 12 abgegeben, worauf die Auslaßschlitze 23a
dann geschlossen und die Reaktionskammer 61a durch die Dichtung 42 und den
Kolbenring 43 des Kolbenbodens 41a abgedichtet wird. Die beschriebenen Vorgänge wiederholen
sich dann, da der Arbeitskolben 14 jetzt in Richtung des linken Totpunkts wandert,
dadurch das Ventil 47a öffnet und von dem in der linken Druckkammer 21b anstehenden
Dampf wieder nach rechts beschleunigt wird. Dabei dienen die Reaktionskammern 61a,
61b jeweils als Puffer bzw. als Gasfedern, da sie bei richtiger Dimensionierung und
Anordnung der Auslaßschlitze 23a, 23b sicherstellen, daß der Arbeitskolben 14 an seinen
Totpunkten nicht hart an die Führungskörper 50 der Ventile 47a, 47b oder andere
stationäre Teile des Wandlers anschlägt.
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Da die Ankerspule 25 durch die Stege 24 mit dem Arbeitskolben 14 fest verbunden ist,
wird sie mit dem Takt des Arbeitskolbens 14 im Stator 1 hin- und her bewegt, wobei in
an sich bekannter Weise ein elektrischer Wechselstrom erzeugt wird, der mittels der
Federn 27a, 27b abgenommen werden kann.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 zeigt Einzelheiten des nach Fig. 1 bis 3 und Fig. 5
ausgebildeten Wandlers 37, weshalb hier für gleiche Teile wiederum selbst dann gleiche
Bezugszeichen verwendet sind, wenn diese Teile geringfügige Unterschiede im Vergleich
zu Fig. 1 bis 3 und Fig. 5 aufweisen.
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Analog zu Fig. 3 ist der Arbeitskolben 14 an beiden Enden mit je einem Kolbenboden 15a
bzw. 15b versehen, der die axial nach außen gerichtete Schieber 17a, 17b aufweist, in
deren Umfangsflächen die Steuerschlitze 22a, 22b ausgebildet sind. Die Steuerschlitze
22a, 22b treten hier an die Stelle der Ventile 47a, 47b der Ausführungsformen nach Fig. 6
bis 10 und bilden zusammen mit den Stirnscheiben 19a, 19b je eine zur Selbststeuerung
der Kolbenschwingungen bestimmte Schiebersteuerung. Außerdem sind die Steuerschlitze
22a, 22b so an den Schiebern 17a, 17b angeordnet, daß sie bei der Hin- und
Herbewegung des Arbeitskolbens 14 mit in den Stirnscheiben 19a, 19b angebrachten, radial nach
innen ragenden Dichtringen 64a, 64b zusammenwirken.
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Ein weiterer Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 bis 10 besteht darin, daß
die beiden Kolbenböden 45a, 15b und die angrenzenden Schieber 17a, 17b von einem
durchgehenden, koaxialen Rohr 65 durchragt sind, das die beiden Druckkammern 21a,
21b in jeder Lage des Arbeitskolbens 14 strömungsmäßig miteinander verbindet. Daher ist
nur einer der beiden Anschlüsse 36 der Deckel 10a bzw. 10b zur Zuführung des gas- oder
dampfförmigen Arbeitsmediums vorgesehen, während der jeweils andere Anschluß 36
verschlossen wird. In Abhängigkeit von den räumlichen Verhältnissen kann dabei
wahlweise der eine oder andere Anschluß 36 zur Zuführung des Arbeitsmediums
ausgewählt werden. Das Arbeitsmedium tritt in jedem Fall einerseits in die betreffende
Druckkammer 21b und andererseits durch das Rohr 65 hindurch auch in die andere
Druckkammer 21a oder umgekehrt ein, so daß in beiden im wesentlichen derselbe Gas-
bzw. Dampfdruck herrscht.
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Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 11 ist im wesentlichen wie folgt:
Nach dem analog zu Fig. 6 bis 10 erfolgenden Startvorgang befindet sich der
Arbeitskolben 14 z. B. entsprechend Fig. 11 in seiner linken Totpunktlage. In dieser Lage sind die
Steuerschlitze 22a beidseitig des Dichtrings 64a angeordnet und daher teils zur
Druckkammer 21a, teils zu einer Reaktionskammer 66a hin geöffnet, die sich zwischen der
Stirnscheibe 19a und dem zugehörigen Kolbenboden 15a befindet. Das unter Druck
stehende Medium kann daher in Richtung der eingezeichneten Pfeile in die
Reaktionskammer 66a eintreten, dadurch auf den Kolbenboden 15a einwirken und den gesamten
Arbeitskolben 14 in Fig. 11 nach rechts bewegen. Nach einem von der axialen Länge der
Steuerschlitze 22a abhängigen Wegstrecke gelangen diese völlig auf die in Fig. 11 rechte
Seite des Dichtrings 64a bzw. der Stirnscheibe 19a, so daß jetzt nur noch das in der
Reaktionskammer 66a befindliche Medium auf den Kolbenboden 15a einwirken kann.
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Analog zur obigen Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels sind in dieser Phase die
Auslaßschlitze 23b auf der gegenüberliegenden Seite noch offen, so daß in einer dort
befindlichen Reaktionskammer 66b etwa verbliebene Restgase durch die Auslaßschlitze
23b in den Arbeitsraum 12 abgegeben werden können. Nach einer gewissen Bewegung des
Arbeitskolbens 14 nach rechs werden die Auslaßschlitze 23b jedoch vom zugehörigen
Kolbenboden 15b geschlossen, worauf sich die Kolbenringe 20b an den Zylinderabschnitt
16b anlegen. Zum gleichen Zeitpunkt liegt der Dichtring 64b noch am zugehörigen,
rechten Schieber 17b an, so daß die Reaktionskammer 66b hermetisch abgedichtet ist und
das Arbeitsmedium nicht in sie eintreten kann.
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Bei der weiteren Bewegung des Arbeitskolbens 14 nach rechts wird die linke
Reaktionskammer 66a zunehmend vergrößert, die rechte Reaktionskammer 65b dagegen unter
Bildung eines Puffers immer mehr verkleinert, wodurch ein hartes Anschlagen des
Kolbenbodens 15b an die Stirnscheibe 19b vermieden wird. Kurz vor diesem Anschlag
gelangen außerdem die Steuerschlitze 22b in den Bereich des Dichtrings 64b, bis sie
schließlich eine strömungsmäßige Verbindung zwischen der Druckkammer 21b und der
Reaktionskammer 66b herstellen und die Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 14 daher
allmählich umgekehrt wird. Es werden dann automatisch dieselben Verfahrensschritte
vollzogen, wie sie oben für die linke Seite des Wandlers 37 beschrieben sind.
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Wie Fig. 11 weiter zeigt, gelangt das Kühl- und/oder Schmiermittel, das entsprechend
Fig. 4 und 5 über die Zuführleitung 34 in den Stator 1 eingeführt wird, über einen in
diesem augebildeten Kanal 67 in einen in Fig. 12 vergrößert dargestellten, zwischen den
Polschuhen 4 und der Ankerspule 25 befindlichen Ringraum 68 mit einer radialen Tiefe.
Das Kühl- und Schmiermittel kann daher die Ankerspule 25 und die Polschuhe 4 in
Umfangsrichtung umspülen und daher diese sowie die Wicklungen 8a, 8b kühlen, bis es
über die axialen Enden der Ankerspule 25 in den Arbeitsraum 12 gelangt und über die
Entnahmeleitung 32 aus diesem abgezogen wird.
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Weiter zeigt Fig. 11, daß in der Nähe der Druckkammern 21a, 21b und unterhalb von
diesen je eine der Kolbenpumpen 38a, 38b gemäß Fig. 5 angeordnet ist. Jede dieser
Kolbenpumpen 38a, 38b enthält einen im mittleren Polschuh 3 ausgebildeten, durch eine
Bohrung hergestellten Zylinder 69, oberhalb von dem eine am Boden des Arbeitsraumes
12 vorgesehene Sammelrinne 70 angeordnet ist, die durch eine Öffnung 71 mit dem
Zylinder 69 in Verbindung steht. In dem Zylinder 69 kann sich außerdem ein nicht näher
dargestellter, mit der zugehörigen Kolbenstange 39a, 39b verbundener Kolben hin- und
herbewegen.
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Ein Teil des als Kühl- und Schmiermittel verwendeten Wassers sowie Wasser, das im
Arbeitsraum 12 durch Kondensation des durch die Auslaßschlitze 23a, 23b eintretenden
Dampfs erhalten wird, kann bei diesem Ausführungsbeispiel über die Sammelrinnen 70
und die Öffnung 71 in den Zylinder 69 gelangen und aus diesem durch eine
Austrittsleitung 72 gemäß Fig. 5 und 11 dem Verdampfer 29 zugeführt werden. Dadurch steht
diesem jeweils genügend Wasser (z. B. 0,3 bis 0,5 l/min) zur Erzeugung des im Wandler
37 benötigten Dampfs zur Verfügung, ohne daß eine zusätzliche externe
Speisewasserpumpe benötigt wird. Dabei versteht sich, daß den Kolbenpumpen 38a, 38b zusätzlich
auch alle erforderlichen Ventile oder dgl. zugeordnet werden, die zur Durchführung der
Pumpenhübe erforderlich sind, die im Rhythmus der Bewegung des Arbeitskolbens 14
erfolgen.
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Fig. 13 und 14 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den u. a. in Fig. 9
dagestellten Kolbenring 43, der zwischen dem Kolbenboden 41b und dem Zylinder 16b
angeordnet ist. Im Interesse einer möglichst großen Standzeit und der gleichzeitigen
leichten Wartung sobald die Verschleißgrenze erreicht wird, sind die Kolbenringe 43 aus
einer Mehrzahl von überlappt angeordneten und gegeneinander verschiebbaren Elementen
zusammengesetzt. Die keilförmigen Elemente 74 können dabei vorteilhaft aus weicherem
Material als die kreissegmentförmigen Elemente 73 gebildet werden. Dadurch wird eine
dauerhafte Abdichtung gegenüber der Zylinderwand 16b gewährleistet. Wie Fig. 13 zeigt,
wechseln sich in Umfangsrichtung erste, kreissegmetförmige Elemente 73 mit zweiten,
keilförmig ausgebildeten Elementen 74 ab. Im Ausführungsbeispiel sind je drei Elemente
73 und dazwischen liegende Elemente 74 vorgesehen. Die keilförmigen Elemente 74 sind
im wesentlichen trapezförmig ausgebildet, wobei eine am Innenmantel des umgebenden
Zylinders 16b zu liegen kommende, kürzere, als Dichtfläche 75 wirksame Seite
entsprechend der Innenkontur des Zylinderabschnitts 16b abgerundet ist, während die längere
Seite 76 dem zugeordneten Kolbenboden 41b gegenüber steht. Zwischen beiden ist eine
dachförmige, z. B. als Blattfeder ausgebildete Feder 77 angeordnet, die das Element 74
radial nach außen drückt und in Anlage mit dem Zylinderabschnitt 16b hält. Die beiden
die Seiten 75, 76 verbindenden Schenkel 78 und 79 des Elements 74 sind keilförmig
ausgebildet und laufen von innen nach außen aufeinander zu.
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Die kreissegmentförmigen Elemente 73 sind an ihrer vom Kolbenboden 41b abgewandten
Seite ebenfalls als Dichtflächen 80 ausgebildet und an die Innenkontur des
Zylinderabschnitts 16b angepaßt. Sie weisen außerdem den Schenkeln 78, 79 zugewandte und an
diesem anliegende Mitnehmerflächen 81, 82 auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die
Elemente 74, die mittels der Federn 77 radial nach außen vorgespannt sind, mit ihren
Schenkeln bzw. Keilflächen 78, 79 auch auf die Mitnehmerflächen 81, 82 der
benachbarten Elemente 73 einwirken und deren Dichtflächen 80 daher ebenfalls radial nach
außen gegen die Innenwand des Zylinderabschnitts 16b drücken. Dadurch werden die
Elemente 73, 74 bei einem etwaigen Verschleiß der Dichtflächen 75, 80 automatisch
radial nachgeführt.
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Die Elemente 73, 74 werden so angeordnet, daß an den Gleitflächen kein Spalt entsteht.
Im Bereich der Elemente 73, 74 sind diese Gleitflächen so überlappt angeordnet, wie sich
insbesondere aus Fig. 14 ergibt. Beide Elemente 73, 74 besitzen in einer dadurch
erhaltenen Überlappungszone 83 z. B. jeweils die halbe Wandstärke.
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Die dachförmigen Federn 77 sind vorzugsweise mit im Dachbereich vorgesehenen Ösen
84 in entsprechende Ausnehmungen der Elemente 74 eingeclipst und dadurch lösbar mit
diesen verbunden, während die Anlageflächen ihrer Schenkel zweckmäßig in Nuten liegen,
die im Mantel des Kolbenbodens 41b ausgebildet sind. Im übrigen ist klar, daß der
Kolbenboden 41a mit einem entsprechenden Kolbenring 43 versehen sein kann und daß die
Kolbenringe 64a, 64b nach Fig. 11 im wesentlichen wie die Kolbenringe 43 ausgebildet
sein können.
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Die Zylinderabschnitte bestehen vorzugsweise aus Stahl oder mit Antimon getränkter
Kunstkohle, während die Kolbenringelemente 73, 74 z. B. aus weicherem, relativ zu den
Zylinderabschnitten schneller verschleißendem Material hergestellt werden. Damit wird
sichergestellt, daß bei einer Wartung nur die einfacher zu tauschenden Ringe gewechselt
werden müssen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die in
vielfacher Weise abgewandelt werden können. Möglich wäre beispielweise, den
Arbeitskolben 14 außerhalb des Stators 1 statt in diesem anzuordnen, in welchem Fall die Stege
24 durch Schlitze des Stators 1 radial nach außen geführt und dort mit einem den Stator 1
koaxial umgebenden, hohlzylindrischen Arbeitskolben verbunden sein könnten. Dabei
wären außerdem alle zur Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens erforderlichen
Aggregate ebenfalls zumindest teilweise außerhalb des Stators 1 anzuordnen. Die be-
schriebene Bauweise bringt allerdings den Vorteil einer kontruktiv sehr einfach zu
verwirklichenden und klein bauenden Anordnung mit sich. Weiter können anstelle der
beschriebenen Ventil- und Schiebersteuerungen auch andere Steuerungen vorgesehen
werden. Insbesondere könnte der Arbeitskolben 14 anstatt z. B. mit Dampf auch mit
Verbrennungsgasen oder üblichen Kraftstoffen wie Benzin oder dgl. betrieben werden, in
welchem Fall die in die Druckräume eingebrachten Gase mit zusätzlichen Hilfsmitteln im
gewünschten Takt gezündet bzw. zur Explosion gebracht werden müßten. Weiterhin wäre
es möglich, die in den Zylinderabschnitten 16a, 16b vorgesehenen Dichtringe (z. B. 64a,
64b) analog zu den Kolbenringen nach Fig. 13 und 14 auszubilden, damit sie wie diese
arbeiten und sich bei Verschleiß selbst nachstellen. Es müßten in diesem Fall allerdings
Federn, z. B. Ringfedern, vorgesehen werden, die radial nach innen statt radial nach außen
wirken. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als in
den dargestellten und beschriebenen Kombinationen angewendet werden können.