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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Wärmekraftmaschine
zum Antrieb eines Schwungrades oder einer Kurbelwelle mit einem
geschlossenen Gesamtinnenraum, welcher mit einem Arbeitsmedium füllbar
und druckdicht verschliessbar ist, umfassend mindestens eine erste
Arbeitskammer mit einem linear bewegbaren ersten Arbeitskolben,
mindestens
eine erste Wärmeübertragungskammer mit einem linear
bewegbaren ersten Wärmeübertragungskolben, der
einen Kolbenkopf und einen Kolbenbolzen aufweist, einen mit der
ersten Arbeitskammer und der ersten Wärmeübertragungskammer
verbundenen ersten Wärmetauscher, sowie eine erste Kühlvorrichtung,
wobei
der erste Arbeitskolben und der erste Wärmeübertragungskolben
mechanisch miteinander gekoppelt sind.
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Stand der Technik
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Wärmekraftmaschinen,
beispielsweise Stirlingmotoren sind schon seit langem bekannt und
bieten eine Möglichkeit thermische Energie in mechanische
Arbeit umzusetzen, wobei ein recht hoher Wirkungsgrad und aufgrund
der Bauart lange wartungsfreie Betriebszeiten möglich sind.
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Obwohl
bislang bekannte derartige Wärmekraftmaschinen Vorteile
wie die fehlende Beschränkung auf eine bestimmte Wärmequelle
aufweisen, werden diese noch nicht im grösseren Masse kommerziell
eingesetzt, da der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschinen
noch sehr weit von dem Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren entfernt
ist.
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Das
Dokument
EP 0850353 offenbart
Wärmekraftmaschinen in Form eines Stirlingmotors, wobei
das Arbeitsmedium einen Kreisprozess durchläuft, in welchem
Wärmeenergie teilweise in mechanische Arbeit umgewandelt
wird.
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Es
ist eine Mehrzahl von Kammern in Zylinderform und Kolben vorgesehen,
welche miteinander mechanisch gekoppelt sind, wobei sich die Kolben während
des Betriebs im Wesentlichen gegenphasig zueinander bewegen. Durch
eine abwechselnde Erhitzung mittels Wärmetauscher und Kühlung
eines Arbeitsmediums mittels Kühlvorrichtungen innerhalb der
Kammern, sind korrespondierend Kolben linear hin- und herbewegbar.
Die lineare Bewegung der Kolben wird eine mechanische Kopplung mittels
einer Taumelplatte in eine Rotationsbewegung umgewandelt. Die Taumelplatte
treibt eine Antriebswelle an, welche mit einer Last mechanisch verbindbar
ist. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wurden diverse Massnahmen
getroffen, beispielsweise wurde die Abdichtung der Kolben verbessert.
Durch die geeignete Wahl von Hochtemperaturmaterialien für
die Kammern und Kolben, konnte die Temperaturdifferenz zwischen
der heissen Seite der Wärmetauscher und der kalten Seite
der Kühlvorrichtungen gefahrlos erhöht werden,
womit die resultierende mechanische Arbeit erhöht wurde.
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Die
Verbesserung des Betriebs der Wärmekraftmaschine aus
EP 0850353 wurde durch Mittel zur
Einstellung des Kolbenhubs und des Taumelscheibenwinkels erreicht.
Diese Mittel sind elektrisch ausgeführt und führen
dazu, dass die Wärmekraftmaschine mit einem Motor und weiteren
Bauteilen ausgestattet werden muss. Derartige Wärmekraftmaschinen
sind damit komplexer und mittels einer Vielzahl von Bauteilen ausgeführt,
womit diese umständlicher zu bedienen und fehleranfälliger
werden.
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Bisher
wurde zur Optimierung der Wärmeleitung bzw. Wärmeübertragung
auf das Arbeitsmedium, das Arbeitsmedium durch eine Vielzahl von
dünnen Röhrchen mit einer grossen Gesamtoberfläche ausserhalb
der Kammern geführt, wobei die Wärmeenergie übertragen
wurde. Um höhere Leistungen zu erzielen musste der Betriebsdruck
entsprechend erhöht werden, woraus eine mechanische Belastung der
Vielzahl von Röhrchen resultiert.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine neuartige Möglichkeit
Wärmeenergie bei geringem Totvolumen auszutauschen. Durch
den verringerten Einsatz einer Vielzahl von dünnen Röhrchen
zum Wärmetausch sind die resultierenden Momente auf die
Kolben kleiner, als bei Motoren des Stands der Technik.
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Darstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine mechanische
Wärmekraftmaschine nach Art eines Stirling-Motors zu schaffen,
welche eine Benutzung von Luft als Arbeitsmedium erlaubt, wobei
eine ausreichend hohe Effizienz erreichbar ist, wobei auf zusätzliche
elektrische Steuerungen und Verbraucher verzichtet wird.
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Diese
Aufgabe und zusätzlich die Verbesserung des bei der Wärmeleitung
stattfindenden Austauschs von Wärmeenergie ohne Erhöhung
des sogenannten Totvolumens, wobei das Arbeitsmedium vor dem Aufheizprozess
nicht unnötigerweise abgekühlt wird, löst
die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Wärmekraftmaschine mit
einem erstem und einem zweiten Wärmetauscher im Vordergrund,
während
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Wärmekraftmaschine von der
Schwungrad-Seite zeigt.
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3 zeigt
eine teilweise längs geschnittene Ansicht einer Wärmekraftmaschine
mit Schnitt durch eine erste Wärmeübertragungskammer
und eine erste Arbeitskammer, während
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4 eine
Schnittansicht durch die Wärmekraftmaschine entlang der
zentralen Verbindungslinie B durch die erste und zweite Arbeitskammer
zeigt.
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5 zeigt
eine detaillierte perspektivische teilweise geschnittene Ansicht
eines ersten Wärmeübertragungskolbens in einer
ersten Wärmeübertragungskammer.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch eine Wärmeübertragungskammer
gemäss Linie A-A aus 4.
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7a bis 7d stellen
eine teilweise geschnittene Darstellung entlang einer Kreislinie
D aus 6 dar, wobei die unterschiedlichen Takte der Wärmekraftmaschine
dargestellt sind.
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8 zeigt
ein p-V-Diagramm eines idealen rechtsläufigen Stirling-Prozesses,
sowie eines, unter idealen Umständen erreichbaren, idealen
pseudo-Kreisprozesses gemäss 1-5-3-6.
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9a zeigt
eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer Wärmekraftmaschine
mit Kurbeltrieb innerhalbe eines Kurbeltriebgehäuses, während
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9b eine
perspektivische Ansicht des Kurbeltriebes mit gekoppelten Kolben
zeigt.
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10a zeigt eine perspektivische Ansicht zweier
Wärmekraftmaschinen an eine Kurbelwelle gekoppelt, während
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10b eine perspektivische Ansicht der gekoppelten
Kolben gemäss 10a ohne
Kurbeltriebgehäuse zeigt.
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht von insgesamt vier gekoppelten Wärmekraftmaschinen.
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Beschreibung
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Eine
bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Wärmekraftmaschine 0 in Form eines Stirlingmotors 0,
welche ein Schwungrad 21 durch Ausnutzung eines thermodynamischen
Kreisprozesses antreibt, ist in den beiliegenden Figuren gezeigt
und wird im Folgenden detailliert beschrieben. Das Schwungrad 21 kann
beispielsweise mit einer Vorrichtung zur Nutzung der mechanischen
Ausgangsenergie oder mit einem elektrischen Generator zur Umwandlung
in elektrische Energie verbunden sein.
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An
einen Basisflansch 100 sind eine erste Wärmeübertragungskammer 1,
eine zweite Wärmeübertragungskammer 2,
eine erste Arbeitskammer 5 und eine zweite Arbeitskammer 6 angeordnet.
Die insbesondere hohlzylindrisch geformten Kammern 1, 2, 5, 6 bilden
jeweils einen inneren Hubraum. Die erste Wärmeübertragungskammer 1 ist
ausserhalb des Basisflansches 100 über einen ersten
Wärmetauscher 9 mit der ersten Arbeitskammer 5 verbunden. Die
zweite Wärmeübertragungskammer 2 ist
ausserhalb des Basisflansches 100 über einen zweiten Wärmetauscher 10 mit
der zweiten Arbeitskammer 6 verbunden.
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Innerhalb
des Basisflansches 100 (in 6 dargestellt)
verlaufen eine erste Kühlvorrichtung 11 und eine
zweite Kühlvorrichtung 12. Während die erste
Wärmeübertragungskammer 1 über
die erste Kühlvorrichtung 11 mit der zweiten Arbeitskammer 6 verbunden
ist, ist die zweite Wärmeübertragungskammer 2 über
die zweite Kühlvorrichtung 12 mit der ersten Arbeitskammer 5 verbunden.
Die Wärmeübertragungskammern 1, 2,
die Wärmetauscher 9, 10, sowie die Arbeitskammern 5, 6 und
die Kühlvorrichtungen 11, 12 bilden einen
zusammenhängenden geschlossenen und gasdichten Gesamtinnenraum,
welcher mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist.
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Durch
die abwechselnde Verbindung der Wärmeübertragungskammern 1, 2 über
Wärmetauscher 9, 10 und Kühlvorrichtungen 11, 12 entsteht
ein geschlossener Gesamtinnenraum. Die erfindungsgemässe
Wärmekraftmaschine 0 ist unter Einsatz von Luft,
aber auch von reinem Stickstoff oder Sauerstoff als Arbeitsmedium
einsetzbar.
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Die
Wärmetauscher 9, 10 ausserhalb des Basisflansches 100 und
die Kühlvorrichtungen 11, 12 sind in
Form einer Mehrzahl von Röhrchen ausgeführt. Während
die Kühlvorrichtungen 11, 12 innerhalb
des Basisflansches 100 mit einem Kühlmittel in thermischem
Kontakt sind, sind die Wärmetauscher 9, 10 mit
einer externen Wärmequelle in thermischem Kontakt. Die
Wärmetauscher 9, 10 sind während
des Betriebes der Wärmekraftmaschine 0 mit einer
Wärmequelle verbunden, sodass das innerhalb der Wärmetauscher 9, 10 befindliches
Arbeitsmedium aufgeheizt wird. Die von aussen durch die Wärmequelle zugeführte
Wärmeenergie heizt die Seite der Wärmekraftmaschine 0,
auf welcher sich die Wärmetauscher 9, 10 befinden,
auf eine Temperatur T2 > T1 auf. Die Art
der Wärmequelle spielt für die erfindungsgemässe
Wärmekraftmaschine keine Rolle und ist je nach Einsatzort
der Wärmekraftmaschine und Zugänglichkeit wählbar.
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Die
innerhalb des Basisflansches 100 angeordneten Kühlvorrichtungen 11, 12 werden
mittels eines Kühlmittels auf die Temperatur T1 gekühlt,
sodass das innerhalb der Kühlvorrichtungen 11, 12 zirkulierende
Arbeitsmedium entsprechend abgekühlt wird. Das Kühlmittel,
beispielsweise Wasser, ist durch einen Kühlmitteleinlass 22 und
einen Kühlmittelauslass 23 in den Basisflansch 100 einbringbar und
entsprechend austauschbar.
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Auf
der, den Wärmetauschern 9, 10 gegenüberliegenden
Seite des Basisflansches 100 entlang der Längsachse 1 ist
eine Führungskulisse 101 befestigt. An einer innerhalb
der Führungskulisse 101 befestigten Koppelmechanik
ist das Schwungrad 21 rotierbar gelagert.
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An
der Führungskulisse 101 ist eine Gelenkbefestigung 20,
welche ein Kardangelenk 19 trägt, lösbar
befestigt angeordnet. Mit dem Kardangelenk 19 ist eine
Taumelplatte 18 in Form eines Kreuzes mit dem Kardangelenk 19 zusammenwirkend
verbunden und kippbar auf dem Kardangelenk 19 gelagert.
An jeder der vier Ecken der ortsfest angeordneten Taumelplatte 18 in
Form eines Kreuzes ist jeweils eine Aufnahme für einen
Koppelstab 25 angeordnet. Der Koppelstab 25 ist
damit schwenkbewegbar mit der Taumelplatte 18 auf einer
ersten Seite verbunden.
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Die
vier Koppelstäbe 25 sind auf der dem Basisflansch 100 zugewandten
zweiten Seite jeweils mit einem ersten Wärmeübertragungskolben 3,
einem zweiten Wärmeübertragungskolben 4,
einem ersten Arbeitskolben 7 und einem zweiten Arbeitskolben 8 verbunden.
Die Kolben 3, 4, 7, 8 weisen
jeweils einen Kolbenbolzen und einen Kolbenkopf auf, wobei der Kolbenbolzen
mit jeweils einem Koppelstab 25 zusammenwirkend verbunden
ist. Im Betrieb der Wärmekraftmaschine 0 bewegt
sich der erste Wärmeübertragungskolben 3 linear
in die erste Wärmeübertragungskammer 1 abwechselnd
hinaus und hinein. Gleiches gilt für den zweiten Wärmeübertragungskolben 4 und
die zweite Wärmeübertragungskammer 2 und
den ersten und zweiten Arbeitskolben 7, 8 in die
korrespondierende erste und zweite Arbeitskammer 5, 6.
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Durch
die mechanische Kopplung der einzelnen Kolben 3, 4, 7, 8 über
die Koppelstäbe 25 an der Taumelplatte 18,
werden die Kolben 3, 4, 7, 8 in
einer festen Phasenverschiebung in die Kammern 1, 2, 5, 6 hinein
und aus diesen heraus bewegt. Dabei sind der erste und zweite Arbeitskolben 7, 8 und
der erste und zweite Wärmeübertragungskolben 3, 4 jeweils an
gegenüberliegenden Armen der kreuzförmigen Taumelplatte 18 angeordnet.
Jeder Wärmeübertragungskolben 3, 4 ist
jeweils von den Arbeitskolben 7, 8 benachbart
an der Taumelplatte 18 angeordnet.
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Durch
die Bewegung wird die ortsfeste Taumelplatte 18 unterschiedlich
verkippt. Ein an der Taumelplatte 18 befestigter oder angeformter
Schaft 17 ist in einer exzentrischen Bohrung 240 in
einer Exzenterscheibe 24 gelagert. Die Lagerung des Schafts 17 erfolgt
in einem Schaftlager 241 innerhalb der exzentrischen Bohrung 240.
Durch die Kippbewegungen der Taumelplatte 18 wird der Schaft 17 entsprechend
ausgelenkt. Die Exzenterscheibe 24 wird durch Auslenkung
des Schafts 17 mitgeführt und in Rotation versetzt.
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Eine
an der Exzenterscheibe 24 angeformte Antriebswelle 103 ist
kugelgelagert durch die Führungskulisse 101 durchgeführt.
Die Lagerung der Antriebswelle 103 in der Führungskulisse 101 erfolgt
in einem Lager 102, bevorzugt ein Kugellager 102.
Das auf der Antriebswelle 103 befestigte Schwungrad 21 wird
entsprechend durch die Kolbenbewegung in Rotation versetzt. Die
Auslenkung der Kolben 3, 4, 7, 8 führt
damit zu einer Kippbewegung der Taumelplatte 18, welche
mittels Exzenterscheibe 24 in eine Rotationsbewegung der
Antriebswelle 103 und des daran befestigten Schwungrads 21 führt.
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Wie
in 4 angedeutet macht die Schaftlängsachse 170 während
der abwechselnden Hubbewegungen der Kolben 3, 4, 7, 8 eine
Präzessionsbewegung um die Längsachse L und damit
um das Kardangelenk 19, wobei durch die Lagerung des Schafts 17 das
Schwungrad 21 in Rotation versetzt wird. Die kinetische
Energie des Schwungrades 21 führt zu einem kontinuierlichen
Betrieb, wobei die Kippbewegung und die Präzessionsbewegungen
des Schafts 17 durch mechanisch geleistete Arbeit aufgrund
des Temperaturunterschiedes, mittels der Wärmezufuhr des
ersten und zweiten Wärmetauschers 9, 10 ständig
aufrechterhalten wird.
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Die
erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine 0 weist
Wärmeübertragungskammern 1, 2 mit deutlich
grösseren Längen und/oder Durchmessern und damit
grösseren Hubräumen auf, als die korrespondierenden
ersten und zweiten Arbeitskammern 5, 6. Entsprechend
sind die Durchmesser und Querschnittsflächen der Kolbenköpfe
der Wärmeübertragungskolben 3, 4 grösser
als die Durchmesser und Querschnittsflächen der Kolbenköpfe
der Arbeitskolben 7, 8.
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In
den 3 und 4 wird eine spezielle Ausgestaltung
der Wärmeübertragungskolben 3, 4 deutlich.
Die Kolbenköpfe der Wärmeübertragungskolben 3, 4 sind
jeweils segmentiert und geschlitzt ausgeführt ist, wodurch
eine vergrösserte Oberfläche zur Übertragung
von Wärme zwischen Arbeitsmedium und Kolbenkopf resultiert.
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Der
Kolbenkopf der segmentierten und geschlitzten ersten und zweiten
Wärmeübertragungskolben 3, 4 weist
einen etwas kleineren Durchmesser auf, als die lichte Weite der
korrespondierenden ersten und zweiten Wärmeübertragungskammer 1, 2, sodass
ein radialer Abstand zwischen Wärmeübertragungskolben 3, 4 und
jeweiliger Wärmeübertragungskammer 1, 2 garantiert
ist.
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In 5 sind
Längsschlitze 13 im Kolbenkopf des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 etwa parallel
zum Kolbenbolzen des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 verlaufend
erkennbar. Durch diese Längsschlitze 13 kann Arbeitsmedium
aus Richtung des ersten Wärmetauschers 9 vom geheizten Teil 15 der
ersten Wärmeübertragungskammer 1 in Richtung
Kolbenbolzen passieren. Das Arbeitsmedium hat im Bereich des geheizten
Teils 15 eine Temperatur T1. Querschlitze 14 erschweren
die Wärmeleitung durch den segmentierten Wärmeübertragungskolben 3 zwischen
dem geheizten Teil 15 und dem gekühlten Teil 16 der
ersten Wärmeübertragungskammer 1. Durch
die Ausgestaltung der deutlich grösseren Wärmeübertragungskammer 1 im
Vergleich zur ersten Arbeitskammer 5 und die segmentiert
ausgestalteten Wärmeübertragungskolben 3, 4 weicht
das resultierende p-V-Diagramm der erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine 0 vom
bekannten Stirling-p-V-Diagramm deutlich ab.
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Aufgrund
der oben beschriebenen Anordnung ändern sich Druck und
Temperatur des Arbeitsmediums während der Bewegung der
ersten und zweiten Arbeitskolben 5, 6 kaum. Aufgrund
des Grössenunterschiedes zwischen Wärmeübertragungskammer
und Arbeitskammer durchläuft das Arbeitsmedium keinen klassisch
bekannten kontinuierlichen thermodynamischen Kreisprozess.
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In 6 ist
eine zentrale Verbindungslinie B, welche entlang der Zentren der
ersten und zweiten Wärmeübertragungskammer 1, 2,
sowie durch die Längsachse L verläuft. Eine weitere
Verbindungslinie C, läuft entlang der Mitten der ersten
und zweiten Arbeitskammer 5, 6 und quert die Längsachse
L. Zwischen der zentralen Verbindungslinie B und der weiteren Verbindungslinie
C wird ein Winkel α aufgespannt. Versuche haben gezeigt,
dass bei der Wahl des Winkels α im Bereich 90° bis
140° gute Ergebnisse erzielt werden können. Durch
unterschiedliche relative Ausrichtungen der Kammern und entsprechend
mittelbare Befestigung der Kolben an der Taumelplatte 18 können
erfindungsgemässe Wärmekraftmaschinen 0 an
spezielle Anforderungen angepasst werden. Neben einem platzsparenden
Aufbau, kann die Anordnung der Kolben auf die Erreichung einer maximalen
Leistung oder maximalen Effizienz abgestimmt eingestellt werden.
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Im
Folgenden wird anhand der 7a bis 7d der
thermodynamische Zyklus der erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine 0 in
vier Takten erläutert. Aufgrund der oben beschriebenen
abwechselnden Anordnung der Arbeitskolben 7, 8 und Wärmeübertragungskolben 3, 4 werden
beim Betrieb der Wärmekraftmaschine 0 entweder
die Arbeitskolben 7, 8 oder die Wärmeübertragungskolben
gleichzeitig in entgegen gesetzte Richtungen linear ausgelenkt.
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Die 8a bis 7d zeigen
einen Schnitt durch alle vier Kammern 1, 2, 5, 6 entlang
der Linie D, welcher in die Papierebene geklappt dargestellt ist.
Die Hubräume, welche mit Arbeitsmedium unter höchstem
Druck gefüllt sind, sind mit „+"-Zeichen gekennzeichnet.
Entsprechend sind Hubräume mit „–”-Zeichen
gekennzeichnet, in denen der Druck minimal ist.
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1. Takt
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7a zeigt
die Bewegung des ersten Arbeitskolbens 7 und des zweiten
Arbeitskolbens 8, während der Rotation der Exzenterscheibe 24 von
0° bis 90°. Das Arbeitsmedium in der ersten Wärmeübertragungskammer 1,
im ersten Wärmetauscher 9, im oberen heissen Bereich
der ersten Arbeitskammer 5 und im unteren kalten Bereich
der zweiten Arbeitskammer 6 steht unter hohem Druck. Durch
die Segmentierung des ersten Wärmeübertragungskolbens 3,
welcher zuvor erwärmt wurde, konnte das Arbeitsmedium zusätzlich
erwärmt werden. Der erste Wärmeübertragungskolben 3 ist
am gekühlten unteren Anschlag der ersten Wärmeübertragungskammer 1, während
der erste Arbeitskolben 7 mittig innerhalb der ersten Arbeitskammer 5 ausgelenkt
ist. Durch die Segmentierung des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 kann
das Arbeitsmedium durch die Längsschlitze 13 von
der heissen Seite des Wärmeübertragungskolbens 3 in
Richtung der ersten Kühlvorrichtung 11 strömen
bis in den unteren kalten Bereich der zweiten Arbeitskammer 6 unterhalb
des zweiten Arbeitskolbens 8. Der zweite segmentierte Wärmeübertragungskolben 4 befindet
sich zu Beginn am oberen heissen Anschlag der zweiten Wärmeübertragungskammer 2.
Das Arbeitsmedium kann unter niedrigem Druck von der Arbeitskammer 6 durch
den zweiten Wärmetauscher 10 durch die Längsschlitze 13 in
den kalten Bereich der zweiten Wärmeübertragungskammer 2 und
die zweite Kühlvorrichtung 12 bis in den kalten
Bereich der ersten Arbeitskammer 5 strömen.
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2. Takt
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Es
folgt ein zweiter Takt durch die Rotation der Taumelscheibe von
90° bis 180°. Aufgrund der mechanischen Kopplung
der vier Kolben 3, 4, 7, 8 an der
Taumelplatte 18 wird der erste Arbeitskolben 7 bis
zum gekühlten Anschlag nach unten gezogen, während
der zweite Arbeitskolben 8 bis zum geheizten Anschlag nach
oben gedrückt wird. Aufgrund des Druckunterschiedes findet
eine Bewegung des ersten Arbeitskolbens 7 nach unten und
des zweiten Arbeitskolbens 8 nach oben, jeweils in Richtung
des niedrigeren Druckes des Arbeitsmediums, statt. Durch eine Expansion
des Arbeitsmediums wird damit effektiv Arbeit verrichtet.
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Am
Schluss der ersten Bewegung ist der erste Arbeitskolben 7 bis
zum unteren kalten Anschlag und der zweite Arbeitskolben 8 bis
zum oberen heissen Anschlag ausgelenkt, wobei eine Entspannung des
Arbeitsmediums stattfindet.
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Durch
eine weitere Drehung der Taumelplatte 18 werden die gegenüberliegend
angeordneten erste und zweite Wärmeübertragungskolben 3, 4 gegengleich
linear verschoben. Während der erste Wärmeübertragungskolben 3 in
einer Aufwärtsbewegung in Richtung ersten Wärmetauscher 9 ist,
bewegt sich der zweite Wärmeübertragungskolben 4 in Richtung
des kalten unteren Anschlags der zweiten Wärmeübertragungskammer 2.
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Durch
die Längsschlitze 13 des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 strömt
erwärmtes Arbeitsmedium, welches seine Wärmeenergie
an den Wärmeübertragungskolben 3 abgibt,
wodurch das Arbeitsmedium abkühlt. Durch die grosse Fläche
des Wärmeübertragungskolbens 3 wird dem
Arbeitsmedium derart viel Wärme entzogen, das der Druck
in der ersten Wärmeübertragungskammer 1 stark
abnimmt.
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Durch
die Bewegung des zweiten, in Takt 1 aufgeheizten, Wärmeübertragungskolbens 4 in
Richtung des gekühlten Anschlags der ersten Wärmeübertragungskammer 2 strömt
kaltes Arbeitsmedium durch den segmentierten Wärmeübertragungskolben 4.
Wärmeenergie wird an das Arbeitsmedium abgegeben, wodurch
das Arbeitsmedium bei der Strömung in Richtung des zweiten
Wärmetauschers 10 bereits vorgewärmt
wird. Durch die Abgabe der Wärmeenergie durch den zweiten
Wärmeübertragungskolben 4 erhöht
sich der Druck in der zweiten Wärmeübertragungskammer 2.
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3. Takt
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Wie
in 7c deutlich, herrscht ein niedriger Druck in der
ersten Wärmeübertragungskammer 1, dem
ersten Wärmetauscher 9 und im oberen Bereich der
ersten Arbeitskammer 5 vor. Ein hoher Druck des Arbeitsmediums
herrscht entsprechend in der zweiten Wärmeübertragungskammer 2,
dem zweiten Wärmetauscher 10 und der zweiten Arbeitskammer 6 vor.
Durch diese Druckunterschiede wird der erste Arbeitskolben in Richtung
des ersten Wärmetauschers 9 und der zweite Arbeitskolben
in Richtung des zweiten Wärmetauschers 10 ausgelenkt,
wobei wieder mechanische Arbeit verrichtet wird.
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4. Takt
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Eine
weitere Auslenkung der Taumelscheibe 18 von 270° bis
360° führt den ersten Wärmeübertragungskolben 3 in
Richtung des kalten Anschlags und den zweiten Wärmeübertragungskolben 4 in
Richtung des heissen Anschlags, wobei sich der erste Arbeitskolben 7 am
heissen Anschlag und der zweite Arbeitskolben 8 am kalten
Anschlag befindet.
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Die
Wärmeübertragungskolben 3, 4 sind
in der Lage viel Wärmeenergie aufzunehmen und während
des Prozesses an das Arbeitsmedium abzugeben, wodurch eine Vorkühlung
bzw. eine Vorheizung des Arbeitsmediums stattfindet. Die von den
Wärmeübertragungskolben 3, 4 aufnehmbare
Wärmeenergiemenge ist dabei deutlich grösser,
als die bei dem thermodynamischen Kreisprozess verrichtete Arbeit.
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Aufgrund
der durch die segmentiert ausgebildeten Wärmeübertragungskolben 3, 4 wird
mehr Wärmeenergie an das Arbeitsmedium abgegeben, als beim
bekannten klassischen Stirling-Kreisprozess. Dadurch kann mehr mechanische
Arbeit verrichtet werden und somit ein höherer Wirkungsgrad erreicht
werden.
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8 zeigt
ein p-V-Diagramm des bekannten idealen rechtsläufigen Stirling-Prozesses,
wobei
3 → 4 eine isotherme Expansion unter Zuführung
von Wärme
4 → 1 eine isochore Abkühlung
1 → 2
eine isotherme Kompression mit zugeführter Volumenänderung
und
2 → 3 eine isochore Erwärmung
ein
geschlossener Kreisprozess ist und die umwandelbare mechanische
Arbeit die Fläche unter den Zyklen darstellt.
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Mit
der hier vorgestellten Vorrichtung kann ein abgewandelter Prozess
durchgeführt werden, wobei ein idealer pseudo-Kreisprozess
gemäss 1-5-3-6 möglich ist. Dieser Prozess beschreibt
im Idealfall ein Rechteck, wobei bei einem konstanten Druck p1 eine
Volumenverkleinerung bei der Temperatur T1 durchlaufen wird (1 → 5).
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Anschliessend
wird bei einem konstanten Volumen V1 eine Kompression von p1 auf
p2 durchgeführt (5 → 3). Beim Druck p2 findet
eine Volumenvergrösserung von V1 auf V2 statt (3 → 6).
Bevor eine isochore Abkühlung bei gleichzeitiger Druckminderung
von p2 auf p1 stattfindet (6 → 1). Auch hier wird die mechanisch
umsetzbare Arbeit durch die Fläche unterhalb des Zyklus
beschrieben, wobei die schraffierte Fläche den zusätzlichen
Anteil der Arbeit angibt. Aus 8 wird deutlich,
dass die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine 0 zu
einem höheren erreichbaren Wirkungsgrad führt,
wobei die Prozessparameter Druck, Temperatur und Volumenänderung bekannten
Stirling-Kreisprozessen entsprechen.
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Damit
die Wärmekraftmaschine 0 minimale Vibrationen
während des Betriebs aufweist und eine dynamische Unwucht
aufgrund der rotierenden Exzenterscheibe 24, deren Rotationsachse
nicht mit einer der stabilen Hauptträgheitsachsen übereinstimmt,
auszugleichen, ist die Exzenterscheibe unsymmetrisch mit einer Verdickung
versehen. Diese Verdickung ist in 4 deutlich
erkennbar und bildet ein Ausgleichsgewicht.
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Der
in der ersten Arbeitskammer 5 und der zweiten Arbeitskammer 6 während
der Verdichtung des Arbeitsmediums auftretende Druck beträgt
etwa 6 bis 7 MPa. Aufgrund der Nutzung von Luft als Arbeitsmedium
sind die Anforderungen an die Dichtung des Gesamtinnenraums der
Wärmekraftmaschine 0 nicht besonders hoch. Für
die Kammern 1, 2, 5, 6 und Kolben 3, 4, 7, 8 wird
Edelstahl eingesetzt, wobei Lötstellen mit einem Kupfer
und Magnesium enthaltenen Lot verbunden sind.
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Vorteilhaft
ist die hohle Ausführung des ersten und zweiten Arbeitskolbens 7, 8.
Die notwendige Stabilität ist gegeben und aufgrund minimierten
Gewichts ist eine optimale Kraftübertragung möglich. Um
die Arbeitskolben 7, 8 vor der auftretenden Hitze zu schützen,
werden in weiteren Ausführungsformen Mineralfasern, insbesondere
Basaltfasern in das Innere der Arbeitskolben 7, 8 eingebracht.
Die Basaltfasern liegen in amorpher Form vor und haben neben einer
Hitzeschutzwirkung einen mechanisch verstärkenden Effekt.
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An
der oberen Seite des Basisflansches 100, der Führungskulisse 101 zugewandt,
sind Kolbenführungen angeformt, durch welche die Kolbenbolzen durch
eine Bohrung stabilisiert geführt linear in die entsprechenden
Kammern abwechselnd bewegt werden. Die lineare Bewegung der Kolben 3, 4, 7, 8 wird
in Rotationsbewegung der Taumelplatte 18, der Exzenterscheibe 24 und
letztlich des Schwungrades 21 umgesetzt. Durch die hier
gezeigte Art der Kopplung können die Kolben 3, 4, 7, 8 aber
auch durch Rotation des Schwungrades 21 ausgelenkt werden.
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In
weiteren Ausführungsformen können mehr als zwei
Paare aus Wärmeübertragungskammer und zugeordneter
und über einen Wärmetauscher verbundene Arbeitskammer
die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine 0 bilden.
Entsprechend müssten weitere Wärmeübertragungkolben
und Arbeitskolben vorgesehen sein, welche in den zusätzlichen
Kammern bewegbar gelagert sind. Die Mechanik zur Auskopplung der
linearen Kolbenbewegung und Umwandlung in eine Rotationsbewegung
zum Antrieb des Schwungrades 21 muss auf die Anzahl der
verwendeten Kolben jeweils abgestimmt sein.
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Bei
der Entwicklung des segmentiert ausgeführten ersten Wärmeübertragungskolbens 3 wurde dieser
erste Wärmeübertragungskolben 3 in bekannte
handelsübliche Stirling-Motoren und Wärmekraftmaschinen
gemäss eines Stirling-Motors eingebaut und damit experimentiert.
Dabei wurden bekannte Wärmekraftmaschinen mit nur einer
ersten Wärmeübertragungskammer 1 benutzt.
Der Wirkungsgrad solcher Wärmkraftmaschinen ist bei Benutzung
von Kolben gemäss Stand der Technik nicht besonders hoch.
Nach dem Einbau des einen segmentierten Wärmeübertragungskolbens 3 in
die eine Wärmeübertragungskammer 1 und
der Benutzung von Luft als Arbeitsmedium konnten gute Ergebnisse
erreicht werden, mit ähnlich hohem Wirkungsgrad, wie beim Standardbetrieb
beispielsweise mit Heliumgas.
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Damit
wurde gezeigt, dass eine Verwendung von Luft als Arbeitsmedium durch
die Benutzung eines segmentierten ersten Wärmeübertragungskolben 3 in
bekannten Stirling-Motoren erfolgreich durchführbar ist.
Die grossen Probleme, die bei bekannten Stirling-Motoren aufgrund
der Benutzung von Helium auftreten, können damit durch
eine Verwendung des ersten segmentierten Wärmeübertragungskolbens 3 und
die Verwendung von Luft, umgangen werden. Die anfänglich
benutzten Wärmeübertragungskolben 3 wiesen
bereits wie oben beschrieben, eine Mehrzahl von Längsschlitzen 13 und/oder
Querschlitzen 14 auf.
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Zur Übertragung
der linearen translatorischen Bewegung der Kolben 3, 4, 7, 8 in
eine Drehbewegung ist der im Folgenden erläuterte Kurbeltrieb 40 einsetzbar.
Neben dem Antrieb eines Schwungrades 21 ist damit auch
der Antrieb einer Kurbelwelle 400 möglich. Der
Kurbeltrieb 40 erlaubt eine gute Kraftübertragung
beim Betrieb der Wärmekraftmaschine 0, wobei konstruktionsbedingt
eine einfache Aneinanderreihung mehrerer Wärmekraftmaschinen 0 bzw.
mehrerer Paare von Arbeitskolben 7, 8 und Wärmeübertragungskolben 3, 4 möglich
ist.
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Der
Kurbeltrieb 40 umfasst die Kurbelwelle 400, die
in einem Kurbeltriebgehäuse 41 auf mindestens
einem Kurbelwellenlager 401 rotierbar ortsfest angeordnet
ist. Mit der Kurbelwelle 400 ist über einen Hubzapfen 4010 mindestens
ein Hubelement 403 verbunden, welches exzentrisch zur Drehachse
der Kurbelwelle 400 auf der Kurbelwelle 400 gelagert
ist und damit die Kurbelwelle 400 in eine Drehbewegung versetzen
kann. Das Hubelement 403 weist einen Querbalken 4031 auf,
an dessen Enden jeweils ein Arbeitskolben 7 und ein Wärmeübertragungskolben 3 angeordnet
sind. Mittels Gelenken 405 sind zwei Doppelgelenkstäbe 404 drehbewegbar über
Wälzlager 407 an den Enden des Querbalkens 4031 befestigt.
Auf der dem Querbalken 4031 abgewandten Seite des Hubelementes 403 sind
die Kolben 3, 4, 7, 8 wiederum
durch Wälzlager gelagert mittels Gabelkopplungen 406 bewegbar
an den Doppelgelenkstäben 404 befestigt.
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Jeweils
ein Schwenkhebel 402 ist schwenkbar in einem Schwenkhebellager 4022 am
Kurbeltriebgehäuse 41 befestigt und an der in
das Kurbeltriebgehäuse 41 hineinragenden Seite
mit einem Schwenkstab 4021 bewegbar, bevorzugt durch Wälzlager
gelagert, mit dem Hubelement 403 verbunden.
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Beim
Betrieb der Wärmekraftmaschine und der periodischen Auslenkung
der Kolben 3, 4, 7, 8 wird das
Hubelemente 403 gemäss Pfeilmarkierung A in 9b,
je nach Auslenkung der benachbart aufgehängten Kolben verschwenkt
und aufgrund der exzentrischen Befestigung am Hubzapfen 4010 der Kurbelwelle 400 in
Richtung senkrecht zur Kurbelwellenachse auf und ab geführt.
Durch Wahl des Abstandes der Aufhängung des Kolbens 7 und
des Kolbens 3 kann eine optimale Kraftübertragung
auf die Kurbelwelle 400 aufgrund der Phasenverschiebung der
Kolben erreicht werden. Die Kolben 3, 7 und die Kolben 4, 8 sind
jeweils an unterschiedlichen Hubzapfen an der Kurbelwelle 400 befestigt,
damit eine notwendige Phasenverschiebung der Kolbenpaare zueinander
erreichbar ist.
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Durch
die Kopplung des Schwenkstabs 4021 am Hubelement 403,
wird der Schwenkhebel 402 mit der auf und ab Bewegung mitgeführt
und entsprechend um das Schwenkhebellager 4022 verschwenkt.
Der Schwenkhebel 402 ist hier gegabelt ausgeführt,
wobei jeweils einer der Kolben bzw. Kolbenstangen durch den gegabelten
Bereich des Schwenkhebels 402 führbar gelagert
ist. Auch durch die Anordnung der Schwenkhebel 402 am Kurbeltriebgehäuse 41 kann
die Phasenverschiebung der beweglichen Kolben eingestellt werden.
Die Schwenkbewegung des vorderen Schwenkhebels 402 ist
durch die Pfeilmarkierung D und die Schwenkbewegung des hinteren
Schwenkhebels 402' ist durch die Pfeilmarkierung E definiert.
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Konstruktionsbedingt
sind mehrere Wärmekraftmaschinen 0 über
den Kurbeltrieb 40 an einer Kurbelwelle 400 linear
koppelbar, sodass wie in 10a beispielsweise
zwei Wärmekraftmaschinen 0 in einem Kurbeltriebgehäuse 41,
wie von V-Motoren bekannt, gekoppelt sein können. Um diese
Kopplung möglichst auf engstem Raum zu bewerkstelligen sind
jeweils Kolben 3, 7 einer ersten Wärmekraftmaschine 0 und
Kolben 3', 7' einer zweiten Wärmekraftmaschine 0 benachbart über
zwei benachbarte Querbalken 4031 und 4031' unterschiedlich
ausgerichtet, aber am gleichen Hubzapfen 4010 angeordnet. Ebenso
sind die Kolben 4, 8 und 4', 8' indirekt
an der Kurbelwelle 400 direkt benachbart angeordnet. Damit
auch hier eine optimale Kraftübertragung erreicht werden
kann, müssen die Hubelemente 403 entsprechend
der herrschenden Phasenverschiebung der Kolbenbewegung an der Kurbelwelle 400 angeordnet sein.
Auch hier führen die Hubelemente 403 jeweils eine
kombinierte Schwenkbewegung sowie eine Bewegung senkrecht zur Kurbelwellenachse
durch.
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Wie
in 11 gezeigt, kann eine modulare Anordnung mehrerer
Wärmekraftmaschinen 0, 0', 0'', 0''' an
einer Kurbelwelle 400 einfach durchgeführt werden,
wobei die Kurbeltriebe 40 jeweils zweier Wärmekraftmaschinen 0, 0' und 0'', 0''' in
jeweils einem Kurbeltriebgehäuse 41 angeordnet
sind.
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- 0
- Wärmekraftmaschine
- 1
- Erste
Wärmeübertragungskammer
3 erster
Wärmeübertragungskolben (geschlitzt)
Länge
und Durchmesser grösser als erster Arbeitskolben
- 2
- Zweite
Wärmeübertragungskammer
4 zweiter
Wärmeübertragungskolben (geschlitzt)
Länge
und Durchmesser grösser als zweiter Arbeitskolben
- 5
- Erste
Arbeitskammer
7 erster Arbeitskolben
- 6
- Zweite
Arbeitskammer
8 zweiter Arbeitskolben
- 9
- Erster
Wärmetauscher/Heizaggregat
- 10
- Zweiter
Wärmetauscher/Heizaggregat
- 11
- Erste
Kühlvorrichtung
- 12
- Zweite
Kühlvorrichtung
- 13
- Längsschlitze
- 14
- Querschlitze
- 15
- Obere
Kolbenlage (Nähe Heizaggregat)
- 16
- Untere
Kolben (Nähe Kühlvorrichtung)
- 17
- Schaft
170 Schaftlängsachse
- 18
- Taumelplatte
- 19
- Kardangelenk
- 20
- Gelenkbefestigung
- 21
- Schwungrad
- 22
- Kühlmitteleinlass
- 23
- Kühlmittelauslass
- 24
- Exzenterscheibe
240 exzentrische
Bohrung
241 Schaftlager
242 Zapfen
- 25
- Koppelstab
- 100
- Basisflansch
- 101
- Führungskulisse
1010 Kulissenlager
- 102
- Lager
- 103
- Antriebswelle
- L
- Längsachse
- B
- Zentrale
Verbindungslinie zwischen erster und zweiter Arbeitskammer
- C
- Zentrale
Verbindungslinie zwischen erster und zweiter Verdrängerkammer
- α
- Winkel
zwischen B und C
- 40
- Kurbeltrieb
400 Kurbelwelle
4010 Hubzapfen
401 Kurbelwellenlager
(starr)
402 Schwenkhebel gegabelt einer pro Paar)
4021 Schwenkstab
4022 Schwenkhebellager
403 Hubelement
mit
4031 Querbalken
404 Doppelgelenkstab
405 Gelenk
406 Gabelkopplung
407 Wälzlager
- 41
- Kurbeltriebgehäuse
- A
- Schwenkbewegungsrichtung
des Querbalkens 4031
- D
- Schwenkbewegung
des vorderen Schwenkhebels
- E
- Schwenkbewegung
des hinteren Schwenkhebels
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0850353 [0004, 0006]