DE1601460B2 - HeiBgasmotor - Google Patents

Description

Es ist ein Heißgasmotor bekannt, der mindestens ;inen Kompressionsraum veränderlichen Volumens und niedrigerer mittlerer Temperatur enthält, der mit mindestens einem Expansionsraum gleichfalls veränderlichen Volumens und höherer mittlerer Temperatur verbunden ist, und bei dem sich in der Verbindung zwischen den erwähnten Räumen mindestens ein Regenerator befindet, durch den ein Arbeitsmedium zwischen den erwähnten Räumen hin- und herströmen kann, wobei der Motor weiter eine oder mehrere Wärmequellen enthält, die über einen Erhitzer dem Arbeitsmedium Wärme zuführen.

Bei diesem bekannten Motor besteht die Wärmequelle meist aus einem Brenner mit einem konventionellen Brennstoff, wie öl. Die Erhitzungstemperatur kann dann durch Änderung der Brennstoffzufuhr geregelt werden.

Bei diesem bekannten Motor werden bei der Verbrennung Verbrennungsprodukte frei, weiche abgeführt werden müssen, was unter Umständen unerwünscht sein kann. Ein weiteres Problem besteht darin, daß* wenn man mit diesem Motor während einer langen Periode an Stellen arbeiten soll, wo kein Brennstoff vorhanden ist, eine große Brennstoffmenge mitgenommen werden muß.

Die Erfindung bezweckt, einen Heißgasmotor zu schaffen, der während sehr langer Zeit mit einer verhältnismäßig geringen Brennstoffmenge arbeiten kann und bei dem die Erhitzungstemperatur selbsttätig auf einem bestimmten Wert gehalten wird.

Um dies zu erzielen, ist der Heißgasmotor nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch eine oder mehrere Radioisotopenmassen gebildet wird, die die bei ihrem Zerfall frei werdende Wärme über ein auch den Erhitzer enthaltendes Erhitzungssystem an das Arbeitsmedium abgeben, wobei eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, mit der die Temperatur des Erhitzungssystems auf einem bestimmten gegebenenfalls einstellbaren Wert gehalten wird.

Auf diese Weise ist ein Heißgasmotor äußerst gedrängter Bauart erhalten, der unter Beibehaltung aller Vorteile des bekannten Heißgasmotors mit einer geringen Brennstoffmenge während sehr langer Zeit ohne Überwachung arbeiten kann.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die Isotopenmassen in der Nähe des Erhitzers angeordnet, so daß wenigstens ein Teil der frei werdenden Wärme durch Leitung und/oder Konvektion und/oder Strahlung direkt an den Erhitzer angegeben wird.

Bei einer Weiterbildung sind die Isotopenmassen in einiger Entfernung vom Erhitzer angeordnet, wobei das Erhitzungssystem ein Leitungssystem enthält, in dem ein wärmebeförderndes Medium herumströmen kann und das einerseits einen Wärmeaustauscher enthält, in dem das Medium mit den Isotopenmassen Wärme austauscht, während das Medium andererseits mit dem Erhitzer Wärme austauscht. Auf diese Weise ist eine gute Weiterleitung der Wärme von den Isotopenmassen zum Erhitzer gesichert.

Die beim Zerfall der Radioisotopen frei werdende Wärmeenergie kann vom Heißgasmotor mit einer sehr hohen Ausbeute in mechanische Energie umgewandelt werden. Die Wärmeabgabe der Radioisotopen ist ein kontinuierlicher Vorgang. Dies bedeutet, daß stets eine bestimmte Wärmemenge frei wird, was bei wechselnder Belastung des Motors Temperaturänderungen im Erhitzer veranlassen kann. Um diese Temperaturänderungen und eine etwaige Übererhitzung des Erhitzers zu verhindern, enthält der Motor nach der Erfindung eine Regelvorrichtung, die die Temperatur des Erhft-

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zungssystems auf einem bestimmten gewünschten Wert hält.

Eine Weiterbildung des Heißgasmotors nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen dem Arbeitsraum Arbeitsmedium zugeführt oder entzogen werden kann, und daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, die, wenn die Temperatur an einer Stelle des Erhitzungssystems einen bestimmten Wert überschreitet bzw. unterschreitet, die erwähnten Mittel derart betätigt, daß dem Arbeitsraum Arbeitsmedium zugeführt bzw. daß Arbeitsmedium aus diesem Raum abgeführt wird. Bei dieser Ausführungsform wird somit von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß die Leistung des Heißgasmotors durch Änderung des mittleren Drucks im Arbeitsraum geregelt werden kann. Die vom Motor aufgenommene Leistung wird nun stets der beim Zerfall der Isotopen frei werdenden Wärmeenergie angepaßt, so daß eine konstante Temperatur des Erhitzungssystems erhalten wird.

Bei dieser Ausführungsform liefert der Motor somit stets die Höchstleistung. Die nicht unmittelbar erforderliche Leistung kann dabei in irgendeiner Weise z. B. in Sammelbatterien gespeichert oder zerstört werden, z. B. mittels einer Bremse oder auf elektrischem Wege.

Eine weitere Ausbildung des Heißgasmotors nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum des Motors über einen ein regelbares Verschlußglied enthaltenden Kanal mit einem Raum verbunden ist, in dem sich Arbeitsmedium befindet, dessen mittlerer Druck wenigstens bei geöffnetem Verschlußglied nahezu gleich dem mittleren Druck im Arbeitsraum ist. Durch Änderung der Lage des Verschlußglieds wird eine Änderung der vom Heißgasmotor gelieferten Leistung erhalten, wobei die erforderliche Wärmemenge nach wie vor nahezu der für eine Höchstleistung erforderlichen Wärmemenge entspricht. Die Wärmeentwicklung der Isotopen ist ein kontinuierlicher Vorgang, bei dem anfänglich pro Zeiteinheit eine größere Wärmemenge frei wird als später. Wenn nun ein Motor verlangt wird, der nach einer bestimmten Zeit eine bestimmte Leistung liefert, ist es mit Rücksicht auf die benötigte Brennstoffmenge günstig, daß der Motor jedenfalls zu diesem Zeitpunkt mit einer optimalen Ausbeute arbeitet. Dies bedeutet, daß die Erhitzertemperatur dann hoch ist. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Isotopenmasse noch eine genügende Wärmemenge liefert, ist in der vorangehenden Periode die Menge an entwickelter Wärme größer gewesen als erforderlich ist. In dieser Periode braucht die Ausbeute des Motors nicht optimal zu sein, d. h., daß die Erhitzertemperatur nicht so hoch zu sein braucht. Eine niedrige Erhitzertemperatur ist günstig für die Lebensdauer des Motors.

Um den Motor zunächst bei einer niedrigeren und später bei einer höheren Erhitzertemperatur zu betreiben, ist bei einer weiteren Ausführungsform die Regelvorrichtung derart ausgebildet, daß sie bei einer großen Wärmeentwicklung in den Isotopenmassen bei Abweichung von einer bestimmten niedrigeren Temperatur an einer Stelle des Erhitzungssystems die Zuführungsbzw. Abführungsmittel betätigt und dann bei abnehmender frei werdender Wärme bei einer höheren Temperatur diese Mittel betätigt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Temperatur des Erhitzungssystems durch Änderung von Größen des Motors geregelt. Es ist jedoch auch möglich, die Zufuhr von Wärme an den Erhitzer selber zu regeln.

Zu diesem Zweck ist eine weitere Ausführungsform des Heißgasmotors nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, mit der durch Änderung der sich an der Wärmeübertragung auf das Erhitzersystem beteiligenden Iso- j topenmasse und/oder durch Abfuhr von Wärme zu \ einem Kühler die Temperatur des Erhitzersystems auf einem bestimmten gegebenenfalls einstellbaren Wert gehalten wird. !

to Eine weitere günstige Ausführungsform des Heiß- | gasmotors nach der Erfindung, bei der der Erhitzer | bzw. der Wärmeaustauscher eine Anzahl in einem Kreis angeordneter Rohre enthält, durch die das Medium auf seinem Weg vom Expansionsraum zum Kompressionsraum und umgekehrt fließt bzw. durch die das wärmebefördernde Medium auf seinem Weg zum Erhitzer fließt, ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens innerhalb des Rohrkreises eine oder mehrere in der Achsenrichtung des Kreises bewegliche langgestreckte Radioisotopenmassen angeordnet sind, wobei eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, die, wenn die Temperatur des Erhitzungssystems örtlich einen bestimmten Wert überschreitet, eine oder mehrere der Massen völlig oder teilweise aus dem Rohrkreis schiebt, wobei weiter ein Kühler angebracht ist, mit dem die außerhalb des Rohrkreises liegende Isotopenmasse gekühlt wird.

Bei diesem Motor wird die frei werdende Wärme

durch Strahlung der Isotopenmassen auf die Erhitzerrohre bzw. auf die Wärmeaustauscherrohre übertragen.

Nicht nur kann nach der vorangehenden Ausbildung eine Radioisotopenmasse innerhalb des Rohrkreises angeordnet werden, sondern nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es außerdem möglich, rings um den Rohrkreis eine Radioisotopenmasse in Form eines Hohlzylinders anzubringen. Der Hohlzylinder kann auch in diesem Fall wieder in der Achsrichtung des Rohrkreises und mittels einer Regelvorrichtung aufwärts bewegt werden, wenn die Temperatur des Erhitzungssystems einen bestimmten Wert überschreitet. Weiter ist ein Kühler vorgesehen, der den Teil des Zylinders, der seine Wärme nicht mehr an die Erhitzerrohre abgibt, abkühlt.

Wenn nur eine innerhalb des Rohrkreises liegende Isotopenmasse vorhanden ist, ist nach einer weiteren Ausbildung der Rohrkreis von einem Mantel aus einem feuerfesten Material, z. B. einem keramischen Material, umgeben. Dieses Material wird heiß und reflektiert Wärme auf die Rohre, so daß alle Seiten der Rohre Wärme empfangen.

Statt den Rohrkreis von einem Mantel aus feuerfestem Material zu umgeben, kann nach einer weiteren günstigen Ausführungsform der Rohrkreis von einem oder mehreren Spiegeln umgeben sein, die die aufgefangene Wärme auf die Rohre reflektieren.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform des Heißgasmotors nach der Erfindung sind die Erhitzerrohre bzw. die Wärmeaustauscherrohre in einem Bade mit einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit, wie flüssigem Metall, angeordnet, wobei in dieses Bad eine oder mehrere Radioisotopenmassen eingetaucht sind. Dabei wird die frei werdende Wärme durch Leitung auf die Rohre übertragen.

Die Erhitzertemperatur kann bei dieser Ausführungsform dadurch geregelt werden, daß eine oder mehrere der in das Bad getauchten Isotopenmassen mehr oder weniger weit aus dem Bad herausgezogen werden. Der aus dem Bad hervorragende Teil der Iso-

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>penmassen kann dann seine Wärme wieder an einen ühler abgeben. Dieser Kühler kann mittels eines .ühlmediums gekühlt sein, aber auch nicht forcierte uftkühlung kann genügen.

Nach der Erfindung kann die Erhitzertemperatur uch dadurch geregelt werden, daß im Flüssigkeitsbad ine oder mehrere Kühlwendeln angeordnet sind, urch die ein Kühlmedium geführt wird, wenn die Temeratur einen bestimmten Wert überschreitet. Mit dem kühlmedium wird dann das Übermaß an frei werdener Wärme abgeführt, so daß die Erhitzertemperatur nterhalb des bestimmten Werts bleibt.
Bei einer Weiterbildung besteht das wärmeleitende /ledium zwischen den Isotopenmassen und den Erhiter- bzw. den Wärmeaustauscherrohren aus einem itoff oder einem Gemisch von Stoffen mit einer Erstarungs- bzw. Schmelztemperatur, die nahezu dem gevünschten Wert der Temperatur des Erhitzungssytems entspricht und die eine große Erstarrungs- bzw. ichmelzwärme aufweist. Dabei kann ein zeitweilig geiefertes Wärmeübermaß in das Zwischenmedium ge- ;peichert und später wieder aus diesem Medium aufgelommen werden.

Eine weitere Ausführungsform des Heißgasmotors lach der Erfindung, bei der der Erhitzer eine Anzahl von Rohren enthält, die sich einerseits an den Regenerator und andererseits an einen Ringkanal anschließen, sowie eine Anzahl von Rohren, die sich einerseits an den Ringkanal und andererseits an den Expansionsraum anschließen, ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem sich an den Ringkanal anschließenden Teil jedes der Rohre ein Rohr geringeren Durchmessers angebracht ist, das an seinem vom Ringkanal abgekehrten Ende verschlossen und am anderen Ende mit seinem Außenumfang gasdicht mit dem Ringkanal verbunden ist, wobei in jedem dieser Rohre geringeren Durchmessers eine stabförmige Radioisotopenmasse angeordnet ist, und wobei jede dieser Massen außerhalb des Rohrs mit einem beweglichen Bauteil verbunden ist, der von einer Regelvorrichtung vom Ringkanal ab bewegt wird, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet. Der Raum zwischen jeder der stabförmigen Isotopenmassen und der umhüllenden Rohrwand ist dabei mit einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit ausgefüllt.

Bei einer Ausführungsform des Motors nach der Erfindung, bei der ein in einem Leitungssystem herumströmendes Medium vorhanden ist, mit dem Wärme von den Isotopenmassen zu dem Erhitzer befördert wird, enthält dieses Leitungssystem einen Kühler, durch den die ganze Mediummenge fließt, wobei die Kühlleistung dieses Kühlers dann von einer Regelvorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur an einer Stelle des Erhitzungssystems geregelt wird.

Statt die ganze Mediummenge durch den Kühler zu führen, ist bei einer Weiterbildung eine Leitung vorgesehen, die die Leitung zum Zuführen warmen Mediums an den Erhitzer mit der Leitung zum Abführen kälteren Mediums aus dem Erhitzer verbindet, in welch letzterer Leitung ein Regelglied vorhanden ist, das von einer Regelvorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur an einer Stelle des Erhitzungssystems betätigt wird. Die Leitung enthält auch einen Kühler.

Aus Obenstehendem geht hervor, daß die Erfindung eine vorzügliche Vorrichtung zur Umwandlung der beim-Zerfall von Radioisotopen frei werdenden Wärme in mechanische Energie schafft, wobei eine gute selbsttätige Regelung zum Verhüten von Übererhitzung vorhanden ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der schematisch beispielsweise einige Ausführungsformen von Heißgasmotoren dargestellt sind, denen von Radioisotopen Wärme zugeleitet wird. Es zeigt

F i g. 1 bis 4 im Schnitt schematisch und nicht maßstäblich vier Ausführungsformen von Heißgasmotoren, wobei die Isotopenmassen in der Nähe des Erhitzers angeordnet sind und die Erhitzertemperatur durch Änderung der sich an der Wärmeübertragung beteiligenden Isotopenmassen geregelt wird,

F i g. 5 schematisch einen Heißgasmotor, bei dem eine Isotopenmasse fest in der Nähe des Erhitzers angeordnet ist und der mit einem Behälter für Hochdruckarbeitsmedium versehen ist, aus dem dem Arbeitsraum Arbeitsmedium zugeführt werden kann, und mit einem Kompressor, mit dem Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum zu diesem Behälter geführt wird,

F i g. 6 schematisch einen Heißgasmotor, bei dem die Isotopenelemente in einiger Entfernung vom Erhitzer angeordnet sind und eine Kreisleitung vorgesehen ist, durch die ein Medium herumströmt, um Wärme von den Isotopen auf den Erhitzer zu übertragen.

In F i g. 1 bezeichnet 1 einen Zylinder, in dem sich ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 mit einem gegenseitigen Phasenunterschied bewegen können. Der Kolben 2 ist über eine Kolbenstange 4 mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden. Der Verdränger 3 ist über eine Verdrängerstange 5 auch mit diesem Triebwerk verbunden. Bei Bewegung ändert der Verdränger 3 mit seiner oberen Fläche das Volumen eines Expansionsraums 6, während die untere Fläche des Verdrängers 3 und die obere Fläche des Kolbens 2 zusammen das Volumen eines Kompressionsraums 7 ändern. Der Kompressionsraum 7 steht über einen Kühler 8, einen Regenerator 9 und einen Erhitzer 10 mit dem Expansionsraum 6 in Verbindung. Der Erhitzer 10 enthält eine Anzahl von Rohren 11, die sich einerseits an den Regenerator 9 und andererseits an einen Ringkanal 12 anschließen. Weiter enthält der Erhitzer 10 eine Anzahl von Rohren 13, die sich mit einem Ende an den Ringkanal 12 anschließen und mit dem anderen Ende in den Expansionsraum 6 münden. Es wird angenommen, daß die Wirkungsweise dieses Heißgasmotors bekannt ist.

Innerhalb des durch die Erhitzerrohre 11 und 13 gebildeten Kreises ist eine zylindrische Radioisotopenmasse 14 angebracht, die von einer Umhüllung 15 umgeben ist. An die Umhüllung 15 schließt sich eine Stange 16 an, die über eine Übersetzung, z. B. ein Ritzel und eine Zahnstange 17, mit einer Welle 18 gekuppelt ist, die von einem Elektromotor 19 gedreht werden kann. Rings um die Erhitzerrohre 11 und 13 ist weiter ein mantelförmiges Element 20 angebracht, das an seinem den erwähnten Rohren zugewandten Ende mit einer Radioisotopenschicht 21 versehen ist. Das mantelförmige Element 20 besteht aus Isoliermaterial, so daß die in der Schicht 21 frei werdende Wärme völlig auf die Erhitzerrohre reflektiert wird. Das mantelförmige Element 20 ist gleichfalls mit Zahnstangen 22 versehen, die mit Ritzeln 23 auf der Welle 18 zusammenwirken. Der Erhitzer 10 ist von einem Isoliermantel 25 umgeben. Weiter ist ein Kühler 26 vorgesehen, durch den ein Kühlmedium geführt wird. Im Ringkanal 12 ist ein temperaturempfindliches Element 27 angeordnet, das über eine mit der gestrichelten Linie 28 bezeichnete Regelvorrichtung auf den Elektromotor 19 einwirkt.

Die Isotopenmassen 14 und 21 geben stets eine nahezu konstante Wärmemenge ab, die durch Strahlung auf

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die Erhitzerrohre It und 13 übertragen wird. Wenn der Motor eine geringere Energiemenge aufnimmt als beim Zerfall der Isotopen frei wird, steigt die Temperatur des Erhitzers 10. Das temperaturempfindliche Element 27 und die Regelvorrichtung 28 sind derart eingestellt, daß beim Erreichen eines bestimmten Werts der Temperatur der Elektromotor 19 angelassen und dadurch die Welle 18 derart gedreht wird, daß die Isotopenmasse 14 und das mantelförmige Element 20 mit der mit ihm verbundenen Isotopenschicht 21 aufwärts bewegt werden. Dies bedeutet, daß ein Teil der vorhandenen Isotopen außerhalb der Isolierung 25 gelangt, so daß diese Isotopen an die Erhitzerrohre keine Wärme mehr abgeben können. Dadurch wird zwischen der frei werdenden Wärme und der vom Motor aufgenommenen Wärme der Gleichgewichtszustand erreicht. Übererhitzung der Erhitzerrohre wird dadurch verhindert. Die außerhalb der Isolierung gebrachten Isotopen erzeugen naturgemäß nach wie vor Wärme, die nun vom Kühlmedium im Kühler 26 aufgenommen und'abgeführt wird.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II durch den in F i g. 1 dargestellten Motor, wobei das mantelförmige Element 20 und die mit diesem verbundene Schicht 21 durch einen naturgemäß nicht beweglichen Zylinder 30 ersetzt sind, der auf seiner den Erhitzerrohren 11 und 13 zugewandten Seite eine Anzahl als Spiegel wirkender konkaver Auskehlungen aufweist. Diese Hohlspiegel reflektieren die von der Isotopenmasse 14 ausgestrahlte Wärme, die nicht von den Rohren 11 und 13 aufgefangen wird, auf die erwähnten Rohre. Dabei sind die Rohre in einem derartigen Abstand voneinander angeordnet, daß eine genügende Wärmemenge den Spiegel erreichen kann, um eine ausreichende Erhitzung der dem Spiegel zugewandten Seite der Rohre zu sichern.

F i g. 3 zeigt eine Abart des in F i g. 1 dargestellten Motors. Dabei sind die Erhitzerrohre 11 und 13 in einem Bad 35 mit einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit untergebracht. In das Bad 35 sind eine Anzahl stabförmiger Elemente 36 eingetaucht, die aus einer Umhüllung bestehen, in die eine Radioisotopenmenge aufgenommen ist. Die beim Zerfall der Radioisotopen frei werdende Wärme wird in diesem Falle über die Flüssigkeit zu den Erhitzerrohren 11 und 13 geführt. Die Temperatur kann bei dieser Ausführungsform auf zwei verschiedene Weisen geregelt werden.

Erstens können die Stäbe 36 über eine Regelvorrichtung aufwärts aus dem Bad herausgezogen werden, wenn das temperaturempfindliche Element 38 die höchstzulässige Temperatur mißt. Diese Stäbe kommen dann innerhalb des Kühlers 39 zur Anlage, der die im außerhalb des Bads liegenden Teil der Stäbe 36 erzeugte Wärme auffängt.

Zweitens kann im Bad 35 eine Kühlwendel 40 angeordnet sein, durch die, wenn die Temperatur auf einen zu hohen Wert ansteigt, ein Kühlmedium geführt wird, bis der Gleichgewichtszustand zwischen der entwickelten Wärme und der vom Motor aufgenommenen Wärme wieder erreicht ist.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Heißgasmotor ist in dem sich an den Ringkanal 12 anschließenden Teil der Erhitzerrohre 11 und 13 ein Rohr 42 geringeren Durchmessers angebracht, das am unteren Ende verschlossen ist und am oberen Ende mit seinem Außenumfang an der Wand des Ringkanals 12 befestigt ist. In jedem der Rohre 42 ist nun ein stabförmiges Element 43 mit Spiel angeordnet. Jedes dieser stabförmigen Elemente 43 ist aus einer für Strahlung nicht durchlässigen Umhüllung aufgebaut, in der sich eine Radioisotopenmasse befindet. Sämtliche Elemente 43 sind mit einem gemeinsamen ringförmigen Element 44 verbunden, das über eine Stange 45 mit einer Regelvorrichtung 46 gekuppelt ist, auf die das temperaturempfindliche Element 47 anspricht. Bei dieser Bauart fließt das nach dem Heraustreten aus dem Generator 9 durch die Erhitzerrohre 11 zum Ringkanal 12 strömende Arbeitsmedium sehr nahe ίο an den im Rohr 11 vorgesehenen Elementen entlang. Weiterhin strömt dieses Medium, wenn es vom Kanal 12 zum Expansionsraum fließt, auch sehr nahe an den in den Rohren 13 vorhandenen Elementen 43 entlang und nimmt somit sehr gut Wärme aus den Elementen 43 auf. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen den Rohren 43 und den Rohren 11 bzw. 13 befindet sich im Raum 50 zwischen den Elementen 43 und den erwähnten Rohren eine Flüssigkeit.

Wenn von den Elementen 43 eine Wärmemenge entwickelt wird, die die vom Motor aufgenommene Wärmemenge übersteigt, bewegt die Regelvorrichtung 12, 45, 46 das Ringelement 44 und die mit diesem verbundenen Elemente 43 aufwärts, so daß die Elemente 43 weniger tief in die Rohre 11 und 13 hineinragen, was bedeutet, daß den Rohren 11 und 13 eine geringere Wärmemenge zugeführt wird. Die dann aus dem Ringkanal 12 hcrvorragendenElemente 43 können dann ihre Wärme an einen Kühler 51 abgeben.

F i g. 5 zeigt einen Heißgasmotor, der im großen ganzen den in den vorstehenden Figuren dargestellten Heißgasmotoren entspricht. Der große Unterschied besteht darin, daß in diesem Falle die Isotopenmasse 60 fest innerhalb des durch die Erhitzerrohre 11 und 13 gebildeten Kreises angeordnet ist. Dies bedeutet, daß die dem Erhitzer zugeführte Wärmemenge nun einen festen (wenn auch sich im Laufe der Zeit ändernden) Wert aufweist. Wenn nun eine bestimmte Temperatur des Erhitzers verlangt wird, kann diese Temperatur dadurch aufrechterhalten werden, daß der mittlere Druck derart gewählt wird, daß die vom Motor aufgenommene Leistung (Wärmeenergie) der frei werdenden Energie entspricht.

Der Motor enthält einen Behälter 61, in dem sich Arbeitsmedium unter einem Druck befindet, der den Druck im Arbeitsraum überschreitet. Der Behälter ist über eine Leitung 62, in der sich ein Regelverschlußglied 63 befindet, mit dem Arbeitsraum des Motors verbunden.

Weiterhin schließt sich an den Arbeitsraum eine Saugleitung 64 eines Kompressors 65 an, während der Ablaß dieses Kompressors sich über eine Leitung 66 an den Behälter 61 anschließt. In der Leitung 64 ist ein Regelverschlußglied 67 aufgenommen.

Ein temperaturempfindliches Element 68 im Ringkanal 12 ist mit einer Regelvorrichtung 69 verbunden, die in Abhängigkeit von ihrer Einstellung auf die Verschlußglieder 63 oder 67 anspricht.

Wenn nun das temperaturempfindliche Element 68 eine Temperatur mißt, die den eingestellten Wert überschreitet, öffnet die Regelvorrichtung 69 das Regelverschlußglied 63, so daß Medium aus dem Behälter 6i zum Arbeitsraum fließt. Dadurch steigt der mittlere Druck im Motor und der Erhitzer nimmt eine größere Menge an Wärmeenergie auf, so daß zwischen der aufgenommenen und der frei werdenden Energie der Gleichgewichtszustand erreicht wird.

Im anderen Falle, wenn also die Temperatur im Erhitzer den eingestellten Wert unterschreitet, öffnet sich

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las Verschlußglied 67 und pumpt der Kompressor 65 ■ :ine Menge Medium aus dem Motor in den Behälter 6t. Dadurch nimmt der mittlere Druck im Motor ab und ler Erhitzer nimmt eine geringere Wärmemenge auf, ο daß auch dann wieder zwischen der frei werdenden Energie und der aufgenommenen Wärme der Gleichgewichtszustand erreicht wird.

Es ist möglich, daß besonders im Anfang, somit bei rischen Isotopenelementen, die gelieferte Leistung die erforderliche Leistung übersteigt, d. h., daß ein Teil der gelieferten Leistung verbleibt. Dieser Teil der Leistung <önnte in elektrische Energie umgewandelt und dann in eine Sammelbatterie gespeichert werden. Dieser Teil ier Leistung kann auch z. B. in einer Bremse oder auf elektrischem Weg in einer Heizwendel vernichtet wer-Jen. Auch kann die gelieferte Leistung dadurch geregelt werden, daß der Arbeitsraum des Motors über einen Kanal mit einer regelbaren Durchströmung mit iinem Raum verbunden wird, der gleichfalls Arbeitsmedium enthält. Dadurch ergibt sich ein bestimmter Verlust, so daß die gelieferte Leistung abnimmt. In der F i g. 5 ist der Arbeitsraum über eine Leitung 70, in der ein Regelverschlußglied 71 aufgenommen ist, mit einem Pufferraum 72 unter dem Kolben 2 verbunden. Die vom Motor gelieferte Leistung kann dadurch geregelt werden, daß sich das Verschlußglied 71 mehr oder weniger öffnet.

F i g. 6 zeigt einen Heißgasmotor in dem die Isotopenelemente 80 in einiger Entfernung vom Erhitzer 10 angeordnet sind. Zur Beförderung der frei werdenden Wärme von den Isotopenelementen 80 zu den Erhitzerrohren 11 und 13 ist ein Leitungssystem 81 vorgesehen, durch das ein Medium, z. B. NaK, mittels einer Pumpvorrichtung 82 herumgepumpt wird. Das herumströmende Medium umströmt dabei im Wärmeaustauscher 83 die Isotopenelemente 80, während andererseits dieses Medium im Erhitzerraum 84 die Erhitzerrohre 11 und 13 umströmt.

Im Raum 83 nimmt das Medium Wärme von den Isotopenelementen auf, während die aufgenommene Wärme im Räume 84 an die Erhitzerrohre abgegeben wird.

Die Erhitzertemperatur kann wieder auf zwei Weisen geregelt werden.

Erstens können, wenn die Temperatur des Erhitzers zu hoch wird, die Elemente 80 durch die mit gestrichelten Linien angedeutete Regelvorrichtung 85 aufwärts bewegt werden, so daß eine geringere Isotopenmasse sich an der Wärmeübertragung beteiligt. Der außerhalb des Raums 83 gebrachte Teil der Elemente 80 gibt dann an einen Kühler 86 Wärme ab.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, daß, wenn die Temperatur des Erhitzers einen bestimmten Wert überschreitet, über eine Regelvorrichtung 87 ein Verteilungshahn 88 derart eingestellt wird, daß ein Teil des warmen Mediums über eine Leitung 89 längs eines Kühlers 90 geführt wird und dort seine Wärme abgibt. Für den Fall, daß die Temperatur den eingestellten Wert unterschreitet, erfolgt eine Regelung in umgekehrter Richtung.

Statt des Kühlers 90 und der Leitung 89 kann auch ein Kühler an der mit gestrichelten Linien angedeuteten Stelle 94 angebracht werden. Dabei durchfließt dann die ganze Mediummenge den Kühler, so daß die Kühlleistung nun der gemessenen Temperatur angepaßt werden muß.

Diese Regelvorrichtungen können auch kombiniert angewandt werden.

Statt der beiden erwähnten Regelungsvorgänge ist es bei dieser Anordnung auch möglich, nicht die Wärmezufuhr zu regeln, sondern den mittleren Druck im Motor der frei werdenden Wärme anzupassen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

16 Ol Patentansprüche:

1. Heißgasmotor, der mindestens einen Kompressionsraum veränderlichen Volumens und einer niedrigeren mittleren Temperatur enthält, der mit mindestens einem Expansionsraum gleichfalls veränderlichen Volumens und höherer mittlerer Temperatur verbunden ist, und bei dem sich in der Verbindung zwischen den erwähnten Räumen mindestens ein Regenerator befindet, durch den ein Arbeitsmedium zwischen den erwähnten Räumen hin- und herströmen kann, wobei der Motor weiter eine oder mehrere Wärmequellen enthält, mit denen über einen Erhitzer dem Arbeitsmedium Wärme zügeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch eine oder mehrere Radioisotopenmassen (14) gebildet wird, die die bei ihrem Zerfall frei werdende Wärme über ein auch den Erhitzer (10) enthaltendes Erhitzu/igssystern an das Arbeitsmedium abgeben, wobei eine Regelvorrichtung (27, 28, 17, 18, 19, 23) vorgesehen ist, mit der die Temperatur des Erhitzersystems örtlich auf einem bestimmten gegebenenfalls einstellbaren Wert gehalten werden kann.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmassen (14, 36, 43, 60) in der Nähe des Erhitzers (10) angeordnet sind und wenigstens ein Teil der frei werdenden Wärme durch Leitung und/oder Konvektion oder Strahlung direkt an den Erhitzer abgeben (F i g. 1, 3,4, 5).

3. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmasse(n) (80) in einiger Entfernung des Erhitzers (10) angeordnet ist bzw. sind, wobei das Erhitzersystem ein Leitungssystern (81) enthält, durch das ein wärmeförderndes Medium herumströmen kann und das einerseits einen Wärmeaustauscher (83) enthält, in dem das Medium mit den Isotopenmassen (80) Wärme austauscht, während das Medium andererseits mit dem Erhitzer (10) Wärme austauscht (F i g. 6).

4. Heißgasmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (61, 62, 63, 64, 65, 66,67) vorgesehen sind, mit denen dem Arbeitsraum (7) Arbeitsmedium zugeführt oder Arbeitsmedium aus diesem Raum abgeführt werden kann, während weiter eine Regelvorrichtung (68, 69) vorgesehen ist, die, wenn die Temperatur an einer Stelle des Erhitzersystems einen bestimmten Wert überschreitet bzw. diesen bestimmten Wert unterschreitet, die erwähnten Mittel derart betätigt, daß Arbeitsmedium dem Arbeitsraum zugeführt bzw. aus diesem Raum abgeführt wird (F i g. 5).

5. Heißgasmotor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (7) des Motors über einen ein regelbares Verschlußglied (71) enthaltenden Kanal (70) mit einem Raum (72) verbunden ist, in dem sich Arbeitsmedium unter einem mittleren Druck befindet, der wenigstens bei geöffnetem Verschlußglied dem mittleren Druck im Arbeitsraum nahezu gleich ist (F i g. 5).

6. Heißgasmotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung derart ausgeführt ist, daß sie bei einer großen Wärmeentwicklung in der Isotopenmasse bei Abweichung von einer bestimmten niedrigen Temperatur an einer Stelle des Erhitzersystems die erwähnten Mittel betätigt und bei abnehmender frei werdender Wärme bei einer höheren Temperatur diese Mittel betätigt.

7. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung (17, 18, 19, 27, 28; 46; 85) vorgesehen ist, mit der durch Änderung der sich an der Wärmeübertragung auf das Erhitzersystem beteiligenden Isotopenmasse (14; 36; 43; 80) und/oder durch Abfuhr von Wärme zu einem Kühler (26; 39; 51; 86) die Temperatur des Erhitzersystems auf einem bestimmten gegebenenfalls einstellbaren Wert gehalten wird.

8. Heißgasmotor nach Anspruch 7, wobei der Erhitzer bzw. der Wärmeaustauscher eine Anzahl in einem Kreis angeordneter Rohre enthält, durch die das Arbeitsmedium auf seinem Wege vom Expansionsraum zum Kompressionsraum und umgekehrt fließt bzw. durch die das wärmebefördernde Medium auf seinem Wege zum Erhitzer fließt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens innerhalb des Rohrkreises (11, 13) eine oder mehrere in der Achsenrichtung des Kreises bewegliche langgestreckte Radioisotopenmassen (14, 15, 36) angeordnet sind, und eine Regelvorrichtung (17 18, 19) vorgesehen ist, die, wenn die Temperatur des Erhitzersystems örtlich einen bestimmten Wert übersteigt, eine oder mehrere der Massen völlig oder teilweise außerhalb des Rohrkreises bringt, wobei weiter ein Kühler (26, 39) vorhanden ist, mit dem die außerhalb des Rohrkreises verbrachte Isotopenmasse gekühlt werden kann.

9. Heißgasmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine die Form eines Zylinders aufweisende Radioisotopenmasse (21) enthält, die den Rohrkreis (11, 13) umschließt und in der Achsenrichtung dieses Kreises bewegbar ist, und daß eine Regelvorrichtung (22, 23; 19, 18) vorgesehen ist, die, wenn die Temperatur des Erhitzersystems einen bestimmten Wert überschreitet, die Isotopenmasse bewegt, so daß ein Teil dieser Masse den Rohrkreis nicht mehr umgibt, während ein Kühler (26) angebracht ist, mit dem dieser Teil der Isotopenmasse gekühlt werden kann.

10. Heißgasmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkreis von einem Zylinder aus einem feuerfesten Material, wie einem keramischen Material, umgeben ist.

11. Heißgasmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkreis (11, 13) von einem oder mehreren Hohlspiegeln (30) umgeben ist.

12. Heißgasmotor nach Anspruch 7, wobei der Erhitzer bzw. der Wärmeaustauscher eine*Anzahl von Rohren enthält, durch die das Arbeitsmedium auf seinem Wege vom Expansionsraum zum Kompressionsraum und umgekehrt fließt bzw. durch die das wärmebefördernde Medium auf seinem Wege zum Erhitzer fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (11, 13) in einem Bade (35) mit einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit, wie flüssigem Metall, angeordnet sind, wobei in das Bad eine oder mehrere Radioisotopenmassen (36) eingetaucht sind.

13. Heißgasmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung (28; 19) vorgesehen ist, die, wenn die Temperatur an einer Stelle (38) des Erhitzersystems von einer bestimmten eingestellten Temperatur abweicht, eine oder mehrere der Isotopenmassen (36) völlig oder teilweise aus dem bzw. in das Flüssigkeitsbad bringt,

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und weiter ein Kühler (39) vorhanden ist, mit dem die gegebenenfalls aus dem Flüssigkeitsbad gebrachte Isotopenmasse gekühlt werden kann.

14. Heißgasmotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Flüssigkeitsbad (35) eine oder mehrere Kühlwendeln (40) angeordnet sind, durch die, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet, ein Kühlmedium geführt werden kann.

15. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmeleitendes Medium (35; 50) zwischen den Isotopenmassen und den Erhitzer- bzw. den Wärmeaustauschrohren vorhanden ist, das aus einem Stoff oder einem Gemisch von Stoffen besteht, dessen Erstarrungs- bzw. Schmelztemperatur nahezu dem erwünschten Wert der Temperatur des Erhitzungssystems entspricht und das eine große Erstarrungs- bzw. Schmelzwärme aufweist.

16. Heißgasmotor nach Anspruch 7, wobei der Erhitzer eine Anzahl von Rohren enthält, die sich einerseits an den Regenerator und andererseits an einen Ringkanal anschließen, und eine Anzahl von Rohren, die sich einerseits an den Ringkanal und andererseits an den Expansionsraum anschließen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem sich an den Ringkanal anschließenden Teil jedes der Rohre (11, 13) ein Rohr (42) von geringerem Durchmesser angebracht ist, das an seinem vom Ringkanal (12) abgekehrten Ende (50) verschlossen und am anderen Ende mit seinem Außenumfang gasdicht mit dem Ringkanal verbunden ist, wobei sich in jedem der Rohre (42) geringeren Durchmessers eine stabförmige Radioisotopenmasse (43) befindet, und jede dieser Massen außerhalb des Rohrs mit einem beweglichen Bauteil (44) verbunden ist, der mittels einer Regelvorrichtung (15; 46) vom Ringkanal ab bewegt wird, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet.

17. Heißgasmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen jeder der stabförmigen Isotopenmassen (43) und der umhüllenden Rohrwand (42) eine gut wärmeleitende Flüssigkeit enthält.

18. Heißgasmotor nach Ansprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitungssystem ein Kühler (94) derart aufgenommen ist, daß das herumströmende Medium diesen Kühler passiert, wobei eine Regelvorrichtung vorhanden ist, die die Kühlleistung des Kühlers in Abhängigkeit von der Temperatur an einer Stelle des Erhitzersystems regelt.

19. Heißgasmotor nach Ansprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitungssystem eine Leitung (89) aufgenommen ist, die die Leitung zum Zuführen warmen Mediums an den Erhitzer mit der Leitung zum Abführen des Mediums aus dem Erhitzer verbindet, und daß in dieser Leitung ein Kühler (90) angebracht ist und diese Leitung ein Regelverschlußglied (88) enthält, das in Abhängigkeit von der Temperatur an einer Stelle des Erhitzersystems eine Regelvorrichtung betätigt.