DE202007005408U1 - Heißgas-Drehkolbenmotor - Google Patents

Abstract

Heißgas-Drehkolbenmotor, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse zwei Drehkolben mit gleicher Drehgeschwindigkeit, gesteuert durch ein Gleichlaufgetriebe, in die gleiche Richtung drehen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Heißgas-Drehkolbenmotor, welcher aus zwei Drehkolben, einem Gehäuse mit Anordnung für Heizung und Kühlung und einem Gleichlaufgetriebe besteht. Die Maschine weißt nur drei bewegte Teile auf.
• Der Heißgas-Drehkolbenmotor besteht aus zwei Drehkolben, die durch ein Gleichlaufgetriebe (4) gesteuert werden. Die zwei Drehkolben rotieren synchron mit gleicher Winkelgeschwindigkeit in die gleiche Richtung in einem Gehäuse (3). Das Gehäuse (3) besteht in der Grundfläche aus zwei sich überschneidenden Kreisen und hat somit die Form einer Acht.
• Das Gehäuse dichtet die Maschine nach Außen ab und hat somit die Grundflächenform der Kreisbahn der Kolbenspitzen (13).
• Als reine Drehkolbenmaschine hat dieses Prinzip nur gleichförmig drehende Teile, die unmittelbar in sich ausgewuchtet sind. Alle Lager sind also nicht fliehkraftbelastet. Die Maschine eignet sich infolgedessen für höchste Drehzahlen.
• Vorzugsweise sollte die Maschine ohne Dichtleisten an den Kolbenspitzen betrieben werden. Das heißt, die Kolbenspitzen laufen berührungsfrei an allen Laufflächen. Man akzeptiert hierbei geringe Spaltverluste. Dies hat aber den Vorteil, dass keine Reibungswiderstände auftreten.
• Die Grundfläche der Drehkolben (1, 2) ist ein zwischen seinen Endpunkten (Kolbenspitzen) (13) gespiegelter Kreisabschnitt eines Viertelkreises (Linsenform).
• die Radien des Gehäuse-Innenwand (15) und die Bogenradien (10) der Drehkolben stehen im Verhältnis 1 : √2. Der Radius der Bogen (10) der Kolben-Zweiecke ist gleich dem Abstand (11) der Drehachsen den zwei miteinander arbeitenden Drehkolben. Es sind aber auch andere Kolbenformen in Linsenform möglich.
• Die Höhe des Gehäuses und der Kolben ist variabel.
• Die Kolbenspitzen (13) berühren in jeder Drehungsposition immer die Stirnseiten (14) des Nebenkolbens oder die Gehäuse-Innenwand (15) (Variante mit Dichtleisten) oder die Kolbenspitzen haben den immer gleichbleibenden geringen Spaltabstand zu den Stirnseiten (14) des Nebenkolbens oder die Gehäuse-Innenwand (15) (berührungsfreie Variante) und dichten so die Arbeitsräume von einander ab. Die miteinander arbeitenden Drehkolben haben eine Winkel-Versatz von 90°.
• Die Bezeichnungen Arbeits- und Verdrängerkolben, wie beim klassischen Stirling-Motor, können bei der hier beschriebenen Erfindung nicht angewendet werden, da die beiden Drehkolben unmittelbar zusammen arbeiten. Die beiden Drehkolben werden somit als Kontraktionskolben (1) (mit Überströmkanal (8) und Regenerator (9)) – (kalten Seite) und Expansionskolben (2) – (heiße Seite) benannt.
• Stand der Technik:
• Mit dem hier beschriebenen Heißgas-Drehkolbenmotor vergleichbar ist der seit langer Zelt bekannte Heißluftmotor von Stirling, den es in verschiedenen Variationen als Hubkolbenmaschine gibt.
• Ziel der Erfindung ist es, den konstruktiven Aufwand bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades zu erreichen.
• Die Erfindung wird nachstehend erläutert. Es zeigen:
• 1 Drehkolbengeometrie mit Gleichlaufgetriebe und Schwungrad
• 2 Maschinenquerschnitt mit Gleichlaufgetriebe und Schwungrad
• 3a–3h Heißgas-Drehkolbenmotor-Prinzip mit 180° Drehkolbendrehungen in jeweils 22,5°-Schritten
• 4 Gesamtansicht Heißgas-Drehkolbenmotor von links
  (Vorderansicht mit abgenommenen Gehäusedeckel)
• 5 Gesamtansicht Heißgas-Drehkolbenmotor von rechts
  (Vorderansicht mit abgenommenen Gehäusedeckel)
• 6 Gesamtansicht Heißgas-Drehkolbenmotor
  (Rückansicht mit Gleichlaufgetriebe ohne Darstellung eines Schwungrades)
• Beschreibung der Funktionsweise anhand der Zeichnungen 3a bis 3h
• Grundlage dafür, dass der Heißgas-Drehkolbenmotor Arbeit verrichten kann, ist die Heizung (5) auf er heißen Seite und die Kühlung (6) auf der kalten Seite der Maschine.
• (3a) Beginn der Ausdehnung des vorgewärmten Gases (Expansion) in Expansionsraum (18). Gleichzeitig ist dies auch der Beginn des Zusammenziehen des Gases (Kontraktion) im gekühlten Kontraktionsraum (19).
• (3b–3d) Das weiter erhitzte Gas in Expansionsraum (18) drückt nun auf die untere Stirnseite des Kontraktionskolbens (1). Der Kontraktionskolben (1) treibt jetzt das Gleichlaufgetriebe (4) an, somit dreht sich nun auch der Expansionskolben (2) mit gleicher Winkelgeschwindigkeit in gleicher Richtung.
• Gleichzeitig kühlt das Gas im Kontraktionsraum (19) weiter ab und zieht sich weiter zusammen. Das Gas im Regenerationsraum (20) wird komprimiert und strömt durch den Überströmkanal (8) und den im Kontraktionskolben (1) befindlichen warmen Regenerator (9) in den Kontraktionsraum (19) und kühlt den Regenerator (9).
• (3d–3e) Die Kolbenspitze (13) des Expansionskolben (2) läuft über den Überströmkanaleingang (21) des Kontraktionskolben (1) – es kommt kurzzeitig zum Druckausgleich. Dies ist das Ende des Arbeitstaktes – ab hier treibt die Trägheit des Schwungrades (7) die Maschine weiter an.
• (3e) Beginn der Überleitung des heißen Gases durch den Überströmkanal (8) und den im Kontraktionskolben befindlichen Regenerator (9) in den sich jetzt bildenden Regenerationsraum (20). Der Regenerator (9) nimmt Wärme auf.
• (3f–3a) Das Überströmen des Gases erfolgt bis zur Drehkolbenposition 3a Gleichzeitig wird das Gas im Expansionsraum (18) immer weiter erhitzt.
• Die nächstfolgende Kolbenspitze ist wieder in der Ausgangposition, der Zyklus beginnt von vorn. Ein Zyklus weißt somit eine Drehkolbendrehung von 180° auf.

1

Kontraktionskolben

2

Expansionskolben

3

Gehäuse

4

Gleichlaufgetriebe

5

Heizung

6

Kühler

7

Schwungrad

8

Überströmkanal

9

Regenerator

10

Bogen der Kolben-Zweiecke

11

Abstand der Drehachsen

12

Drehachsen, -punkte

13

Kolbenspitzen

14

Kolbenstirnseiten

15

Gehäuse-Innenwand

16

Kühlbereich

17

Heizbereich

18

Expansionsraum

19

Kontraktionsraum

20

Regenerationsraum

21

Überströmkanaleingang

22

Winkel Überströmkanal

23

Gehäusedeckel

24

Achse Überströmkanal

Claims (7)

1. Heißgas-Drehkolbenmotor, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse zwei Drehkolben mit gleicher Drehgeschwindigkeit, gesteuert durch ein Gleichlaufgetriebe, in die gleiche Richtung drehen.
2. Heißgas-Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kontraktionskolben (1) eine Überströmkanal (8) aufweißt, der von einer Kolbenstirnseite (14) über die Drehachse (12) zur anderen Kolbenstirnseite (14) führt.
3. Heißgas-Drehkolbenmotor nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass sich der Regenerator (9) im Inneren des Kontraktionskolbens (1) befindet.
4. Heißgas-Drehkolbenmotor nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkühlbereich (16) ab oberhalb der Senkrechten vom Drehpunkt (12) des Kontraktionskolbens (1) in einem Winkel von 130° nach unten an der Außenseite des Gehäuses liegt.
5. Heißgas-Drehkolbenmotor nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptheizbereich (17) ab unterhalb der Senkrechten vom Drehpunkt (12) des Expansionskolbens (2) in einem Winkel von 130° nach oben an der Gehäuseseite liegt.
6. Heißgas-Drehkolbenmotor nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsphase solange erfolgen kann bis eine der beiden Kolbenspitze (13) des Expansionskolben (2) auf den Überströmkanaleingang (21) des Kontraktionskolbens (1) trifft.
7. Heißgas-Drehkolbenmotor nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (22) zwischen der Verbindungs-Achse der beiden Kolbenspitzen (13) des Kontraktionskolbens (1) und der Durchgangs-Achse (24) des Überströmkanals (8) zwischen 2° und 130° liegen kann.