DE2940207A1

DE2940207A1 - Doppeltwirkender stirling-vierzylindermotor

Info

Publication number: DE2940207A1
Application number: DE19792940207
Authority: DE
Inventors: Stig Gustaf Carlqvist
Original assignee: CMC AB
Current assignee: CMC AB
Priority date: 1978-10-09
Filing date: 1979-10-04
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2940207C2; JPS5719299B2; SE414328C; JPS5578142A; GB2033971B; SE414328B; SE7810529L; GB2033971A; US4307569A

Description

CMC Aktiebolag, Sanekullavägen 43, S-217 74 Malmö,

Schweden

Doppeltwirkender Stirling-Vierzylindermotor

Die Erfindung betrifft einen doppeltwirkenden
Stirling-Vierzylindermotor, in welchem eine rotationssymmetrisch^ Brennkammer zum Erhitzen von Arbeitsgas
vorgesehen ist, ein in je einer der vier Zylinder des Motors angeordneter Kolben den bezüglichen Zylinder in einen oberen, warmen Teil und einen unteren, kalten Teil unterteilt, die Zylinder je eine Regenerator/Kühlereinheit mit einem oben gelegenen Regenerator und einem unten gelegenen und mit dem Regenerator in Verbindung stehenden Kühler haben, und der warme Teil jedes Zylinders mit dem bezüglichen Regenerator über ein Rohrsystem in Verbindung steht, das sich in die Brennkammer hineinerstreckt, während der kalte Teil jedes Zylinders mit je einem Kühler in einer einem anderen Zylinder zugehörigen Regenerator/Kühlereinheit in Verbindung steht.

In einem doppeltwirkenden Stirling-Motor bewegen die Zylinderkolben Arbeitsgas hin und her zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite und Übertragen
mechanische Arbeit auf eine Antriebswelle. Die Kolben

eines doppeltwirkenden Stirling-Motors sind thermodynamisch aufeinander abgestimmt und jeder Kolben arbeitet gleichzeitig in zwei Zyklen, wobei die warme Oberseite eines Kolbens mit der kalten Unterseite des nächsten Kolbens zusammenwirkt. Dies bedeutet, dass der Stirling-Motor

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zumindest drei Zylinder mit zusammenwirkenden Kolben aufweisen muss. Die optimale Wirkung wi^d unter Anwendung
von 4-6 Zylindern erhalten. Das Arbeitsgas wird kontinuierlich zwischen dem warmen Raum oberhalb des Kolbens in einem Zylinder und dem kalten Raum unterhalb des Kolbens im nächsten Zylinder hin und her bewegt. Zwischen diesen Räumen passiert das Arbeitsgas durch eine Wärmevorrichtung in einer Brennkammer, durch einen Regenerator und durch
einen Kühler. Wärme wird dem Arbeitsgas in der Wärmevorrichtung der Brennkammer zugeführt. Der Regenerator gibt Wärme an das Arbeitsgas ab, wenn dieses Gas von der kalten Seite zu der warmen Seite bewegt wird, und lagert Wärme, wenn das Arbeitsgas in der entgegengesetzten Richtung^

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bewegt wird. Der Kühler nimnt die bei der Kompression des Arbeitsgases gebildete Wärme auf. Hierdurch wird die Temperatur des Arbeitsgases sowohl auf der warmen Seite als auch auf der kalten Seite hauptsächlich konstant gehalten. Eine Anzahl doppeltwirkender Stirling-Vierzylindermotoren sind entwickelt worden, die sich in zwei Haupttypen einordnen lassen, und zwar einen ersten Typ, bei dem die Zylinder in einer quadratischen Anordnung mit dazwischenliegenden oder ausserhalb gelegenen Regenerator/ Kühlereinheiten vorgesehen sind, und einen anderen Typ, bei dem die Zylinder in einer Reihe nacheinander vorgesehen sind, wobei die Regenerator/Kühlereinheiten auf der einen Seite oder auf beiden Seiten der Zylinderreihe liegen.

Zu dem ersten Typ gehören Motoren mit sog. swash-plate, Motoren mit sog. wobble-plate, Motoren mit V-förmiger Anordnung der Zylinder und Motoren mit doppelten, durch Zahnräder gekuppelten Kurbelwellen. Bei Motoren mit sog. swash-plate und solchen mit sog. wobble-plate wird eine spezielle und komplizierte Technologie ausgenutzt. Diese Motoren sind liegende Motoren von beträchtlicher Länge, was aus Raumgründen oft nachteilig sein kann. Bei Motoren mit V-förmiger Anordnung der Zylinder wird der Anschluss der die Zylinder und die Regeneratoren verbindenden Rohre an die Brennkammer sowie die Unterbringung der Regeneratoren im Verhältnis zu den Zylindern erschwert. Motoren mit doppelten Kurbelwellen sind teuer und mit Rücksicht auf die mechanischen Reibungsverluste unvorteilhalft. Ferner liegt bei diesen Motoren die Gefahr hohen Lärmes und eines Verschleisses der Zahnräder vor, da diese äusserst variierenden Drehmomenten ausgesetzt werden.

Zum zweiten Typ gehören einerseits Motoren, bei denen die Zylinder je eine Wärmevorrichtung und Brennkammer haben und auf ihrer kalten Seite mit dem zugehörigen Kühler derart verbunden sind, dass jede zweite Verbindung lang ist und jede zweite kurz ist, und andererseits Motoren, bei denen je zwei Zylinder eine gemeinsame Wärme-

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vorrichtung und Brennkammer besitzen. Bei den Motoren dieses zweiten Typs sind demnach vier bzw. zwei Brennkammern pro Vierzylindermotor erforderlich.

Wie ersichtlich, sind die beiden oben angegebenen Haupttypen der doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotoren mit speziellen Nachteilen behaftet. Keiner der obenerwähnten Stirling-Motoren erfüllt in einer einfachen Weise die nachfolgenden Anforderungen und Wünsche: 1) Die Verbindungen zwischen dem oberen warmen Teil der Zylinder und den Regeneratoren müssen von der Art sein, dass ein Wärmeaustauscher, Wärmevorrichtung, eine zweckmässige Fläche zur Wärmeübertragung und eine zweckmässige Verteilung des Flusses von Verbrennungsgas und Arbeitsgas erhält, ohne dass unnötige tote Volumen vorliegen.

2) Die Verbindungen zwischen dem unteren kalten Teil der Zylinder und den Kühlern müssen kurz sein, d.h. ihr Volumen muss in einem angemessenen Verhältnis zum Zylindervolumen stehen, und untereinander gleich lang sein.

3) Die vier Kolbenstangen sollten mit Hilfe eines einzigen Elements mechanisch zusanmengekuppelt werden. Das Element sollte von einfacher, auf bekannte Technik bauender Konstruktion sein und beispielsweise eine Kurbelwelle üblicher Art sein.

4) Die vier Wärmevorrichtungen, eine für jeden Zylinder, sollten zusammen eine einzige rotationssymmetrische Brennkammereinheit mit dem erforderlichen Volumen für -den Verbrennungsvorgang bilden.

5) Ein einfacher und kompakter Aufbau der Zylinder und der Regenerator/Kühlereinheiten ist erwünscht. Teilungen zwischen warmem und kaltem Teil des Zylinderblockes sollten leicht ausführbar sein.

6) Die Reibungsverluste der mechanischen Kraftübertragung müssen niedrig gehalten werden, weshalb die Anzahl beweglicher Teile und Lagerflächen auf ein Mindestmass herabgebracht werden sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotor zu schaffen,

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bei welchem die obenerwähnten Nachteile der bekannten Stirling-Motoren beseitigt sind und welcher die obenerwähnten Anforderungen und Wünsche befriedigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsmässig durch einen Stirling-Motor gelöst, der von der eingangs erwähnten Art ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die oberen warmen Teile der Zylinder mit je einem über 90 sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Zylindersammeirohr in Verbindung stehen, welche Zylindersammeirohre zusammen einen horizontalen ersten Ring bilden, dass die Regeneratoren mit je einem über 90 sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Regeneratorsammeirohr in Verbindung stehen, welche Regeneratorsammeirohre zusammen einen horizontalen zweiten Ring bilden, dessen Mittelachse mit der Mittelachse des ersten Ringes zusammenfällt und dessen Durchmesser grosser ist als der des ersten Ringes, dass die Zylinder in einer Reihe nacheinander längs einer Geraden angeordnet sind, die die gemeinsame Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes unter einem rechten Winkel schneidet, und dass die Regenerator/Kühlereinheiten entlang eines Kreises verteilt sind, dessen Mittelachse mit der gemeinsamen Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes zusammenfällt und dessen Durchmesser grosser ist als der des ersten Ringes.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 schematisch die Arbeitsweise eines doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotors, Fig. 2 schematisch eine Zylinderanordnung bei einem erfindungsmässigen Stirling-Motor, in Draufsicht, Fig. 3 schematisch eine andere Zylinderanordnung bei einem erfindungsmässigen Stirling-Motor, in Draufsicht. Bevor auf eine genauere Beschreibung des erfindungsmassigen doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotors eingegangen wird, soll zunächst die Arbeitsweise eines doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotors mit Hinweis

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auf Fig. 1 beschrieben v/erden, wo vier Zylinder la, Ib, lc, Id mit zugehörigen Kolben 2a, 2b, 2c und 2d gezeigt sind. Zu jedem Zylinder la, Ib, lc, Id gehört auch eine Regenerator/Kühlereinheit 3a, 3b, 3c und 3d, die aus einem 5 oben liegenden Regenerator 4a, 4b, 4c und 4d und einem unten liegenden Kühler 5a, 5b, 5c, 5d besteht, die miteinander in Verbindung stehen. Jeder Zylinder Ia-Id hat oberhalb des bezüglichen Kolbens 2a-2d einen oberen warmen Teil und unter dem bezüglichen Kolben 2a-2d einen unteren kalten Teil.

Der wärme Teil der Zylinder la, Ib, lc, Id steht über ein Rohrsystem 6a, 6b, 6c, 6d mit dem bezüglichen Regenerator 4a-4d in Verbindung. Jedes Rohrsystem 6a-6d bildet eine Wärmeeinheit oder Wärmevorrichtung und erstreckt sich in eine Brennkammer 7 hinauf, in welcher eine kontinuierliche Verbrennung von Verbrennungsgas stattfindet. Der Kühler 5a, 5b, 5c und 5d jedes Zylinders la, Ib, Ic, Id steht über ein Rohr 8a, 8b, 8c, 8d mit dem kalten Teil des nächsten Zylinders Ib, lc, Id, la in Verbindung. Die Zylinder Ia-Id, die Rohrsysteme 6a-6d, die Regenerator/ Kühlereinheiten 3a-3d und die Rohre 8a-8d bilden somit ein völlig geschlossenes System, in welchem Arbeitsgas, üblicherweise Wasserstoff oder Helium, enthalten ist. Das Arbeitsgas wird mittels des bezüglichen Kolbens 2a-2d zwischen dem warmen Teil eines Zylinders Ia-Id und dem kalten Teil des nächsten Zylinders kontinuierlich hin und her bewegt. Dabei wird dem Arbeitsgas Wärme in den Wärmevorrichtungen oder den Rohrsystemen 6a-6d zugeführt. Die Regeneratoren 4a-4d-geben Wärme an das Arbeitsgas ab, wenn das Gas von einem kalten Teil zu einem warmen Teil bewegt wird, und lagern Wärme, wenn das Arbeitsgas von einem warmen Teil zu einem kalten Teil bewegt wird. Die Kühler 5a-5d nehmen die während der Kompression des Arbeitsgases gebildete Wärme auf. Hierdurch wird die Temperatur des Arbeitsgases sowohl auf der warmen Seite als auch auf der kalten Seite hauptsächlich konstant gehalten.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Zylinderanordnung

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sind die vier Zylinder Ia-Id in einer Reihe nacheinander längs einer Geraden L vorgesehen, wobei die Abstände zwischen einander benachbarten Zylindern gleich gross sind. Der wärme Teil jedes Zylinders la, Ib, lc, Id steht über ein Rohrstück 9a, 9b, 9c, 9d mit einem über 90 sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Zylindersammelrohr 10a, 10b, 10c, 1Od an dessen einem Ende in Verbindung. Die Zylindersammeirohre lOa-lOd sind voneinander getrennt und bilden zusammen einen etwa auf einer Höhe mit der oberen Fläche der Zylinder Ia-Id gelegenen, horizontalen ersten Ring 11, dessen Mittelpunkt C in der Mitte zwischen den zwei mittleren Zylindern Ib und Ic gelegen ist und dessen Halbmesser ein solcher ist, dass die Zylinder Ia-Id im gleichen Abstand vom Ring 11 liegen.

Die vier Regenerator/Kühlereinheiten 3a-3d sind entlang eines KreisesC, gleichförmig verteilt, dessen Mittelachse mit der Mittelachse des ersten Ringes 11 zusammenfällt und dessen Halbmesser grosser ist als der des ersten Ringes Jeder Regenerator 4a, 4b, 4c, 4d steht über ein Rohrstück 12a, 12b, 12c, 12d mit einem über 90 sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Regeneratorsammeirohr 13a, 13b, 13c, 13d an dessen Mittelpunkt in Verbindung. Die Mittelachsen der Regenerator/Kühlereinheiten 3a-3d liegen gerade unterhalb des Mittelpunktes des bezüglichen Regeneratorsammelrohres 13a-13d, wobei sich die Rohrstücke 12a-12d von den Regeneratoren 4a-4d senkrecht nach oben zu dem Mittelpunkt des bezüglichen Regeneratorsammelrohres 13a-13d erstrecken. Die Regeneratorsammeirohre 13a-13d sind voneinander getrennt und bilden zusammen einen oberhalb des bezüglichen Regenerators 4a-4d liegenden, horizontalen zweiten Ring 14, welcher den gleichen Halbmesser hat wie der genannte Kreis C, und dessen Mittelachse mit der gemeinsamen Mittelachse des Kreises C, und des ersten Ringes 11 zusammenfällt.

Die Zylindersammeirohre lOa-lOd und die Regeneratorsammeirohre 13a-13d sind in der Weise angeordnet, dass die die obengenannte Gerade L und die obengenannte gemeinsame

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Mittelachse enthaltende Ebene auch die Teilungspunkte zwischen sowohl zwei Paaren 10a, 10c und 10b, 10 d einander benachbarter Zylindersammeirohre als auch zwei Paaren 13a, 13c und 13b, 13d einander benachbarter Regeneratorsammelrohre enthalten.

Jeder Kühler 5a, 5b, 5c, 5d steht über ein Verbindungsrohr 8'a, 8'b, 8'c, 8'd mit dem kalten Teil des nächsten Zylinders Ic, la, Id und Ib in Verbindung. Die vier Verbindungsrohre 8'a-3'd sind gleich lang.

Zwischen dem Zylindersammeirohr und dem Regeneratorsammeirohr in jedem Paar 10a, 13a; 10b, 13b; 1Od, 13c und 10 d, 13d von Zylindersammeirohren und Regeneratorsammelrohren erstreckt sich ein Satz von U-förmig gekrümmten, das Zylindersammeirohr und das Regeneratorsammeirohr verbindenden, dicht angeordneten Rohrstücken 6'a, 6'b, 6¹C und 6'd, von denen nur zwei pro Paar in Fig. 2 dargestellt sind und die sich in die Brennkammer 7 hocherstrecken. Die Schenkel der Rohrstücke 6'a-6'd erstrecken sich senkrecht nach oben von dem bezüglichen Zylindersammeirohr lOa-lOd und Regeneratorsammeirohr 13a-13d und ihre Stege erstrecken sich in radialer Richtung.

Die in Fig. 3 dargestellte Zylinderanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten, indem die Regenerator/Kühlereinheiten 3b und 3c die Plätze getauscht haben, dass sich die Zylindersammeirohre 10b und 1Od von den Zylindern Ib bzw. Ic nach rechts (Fig. 3) anstatt nach links (Fig. 2) erstrecken, dass sich die Zylindersammeirohre 10a und 10c von den Zylindern la bzw. Ic nach links (Fig. 3) anstatt nach rechts (Fig. 2) erstrecken und dass die Kühler 5a, 5b, 5c, 5d mittels Verbindungsrohre 8"a, 8"b, 8"c und 8"d an die Zylinder Ib, Id, la und Ic (Fig. 3) anstatt an die Zylinder lc, la, Id und Ib (Fig. 2) angeschlossen sind. Ferner unterscheidet sich die in Fig. 3 dargestellte Zylinderanordnung von der in Fig. 2 dargestellten, indem der Austritt der die Zylindersammelrohre lOa-lOd mit den bezüglichen Regeneratorsammeirohren 13a-13d verbindenden, gekrümmten Rohrstücke

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6"a, 6"b, 6"c, 6"d(von denen nur eines pro Paar in Fig. gezeigt ist) zu den bezüglichen Regeneratorsammeirohren 13a-13d um 90 im Verhältnis zu dem Eintritt der Rohrstücke aus den bezüglichen Zylindersammelrohren lOa-lOd versetzt ist. Hier sind demnach Rohrstücke erforderlich, die von etwas mehr komplizierter Form sind als die Rohrstücke 6'a-6'd bei der Zylinderanordnung gemäss Fig. Die Rohrstücke 6'a-6'd sind von derart einfacher Form, dass sie aus keramischem Werkstoff hergestellt werden können, während die Rohrstücke 6"a-6"d zweckmässigerweise aus metallischem Material hergestellt werden.

Mit den in Fig. 2 und 3 dargestellten Zylinderanordnungen werden die aufgestellten Anforderungen und Wünsche hinsichtlich der Funktion und Leistung des doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotors erfüllt. Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, ist die Reihenfolge zwischen den Zylindern, gemäss welcher sich der thermodynamische Zyklus abspielt, oder "die Zündfolge" bei der Anordnung gemäss Fig. 2a-b-d-c und bei der Anordnung gemäss Fig. 3 a-c-d-b. Diese Reihenfolgen ermöglichen die Verwendung von in günstiger Weise ausgebildeten, üblichen Kurbelwellen.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Zylinderanordnungen lassen sich in vielen verschiedenen Weisen abändern, indem die Reihenfolge der Regenerator/Kühlereinheiten 3a-3d entlang des KreisesC₃ geändert wird, indem die Ausdehnung der Zylindersammeirohre lOa-lOd von dem bezüglichen Zylinder Ia-Id nach rechts oder links variiert wird und die Kühler 5a-5d an die Zylinder Ia-Id in einer anderen Folge angeschlossen werden. Hierdurch können andere "Zündfolgen" erzielt werden, welche auch die Verwendung von in günstiger Weise ausgebildeten, üblichen Kurbelwellen ermöglichen.

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Claims

Patentanwälte Dipl. Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger
7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach 348
3. Oktober 1979 _Telefon

PA 1 Sg Stuttgart (0711)35 65 39

Telex 07 256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche :

Doppeltwirkender Stirling-Vierzylindermotor, in welchem eine rotationssymmetrische Brennkammer zum Erhitzen von Arbeitsgas vorgesehen ist, ein in je einer der vier Zylinder des Motors angeordneter Kolben den bezüglichen Zylinder in einen oberen, warmen Teil und einen unteren, kalten Teil unterteilt, die Zylinder je eine Regenerator/ Kühlereinheit mit einem oben gelegenen Regenerator und einem unten gelegenen und mit dem Regenerator in Verbindung stehenden Kühler haben, und der warme Teil jedes Zylinders mit dem bezüglichen Regenerator über ein Rohrsystem in Verbindung steht, das sich in die Brennkammer hineinerstreckt, während der kalte Teil jedes Zylinders mit je einem Kühler in einer einem anderen Zylinder zugehörigen Regenerator/Kühlereinheit in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen warmen Teile der Zylinder (Ia-Id) mit je einem über 90 sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Zylindersammeirohr (lOa-lOd) in Verbindung stehen, welche Zylindersammeirohre zusammen einen horizontalen ersten Ring (11) bilden, dass die Regeneratoren (4a-4d) mit je einem über 90°

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sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Regeneratorsammelrohr (13a-13d) in Verbindung stehen, welche Regeneratorsammeirohre zusammen einen horizontalen zweiten Ring (14) bilden, dessen Mittelachse mit der Mittelachse des ersten Ringes (11) zusammenfällt und dessen Durchmesser grosser ist als der des ersten Ringes (11) , dass die Zylinder (Ia-Id) in einer Reihe nacheinander längs einer Geraden (L) angeordnet sind, die die gemeinsame Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (11 bzw. 14) unter einem rechten Winkel schneidet, und dass die Regenerator/Kühlereinheiten (3a-3d) entlang eines Kreises(C,) verteilt sind, dessen Mittelachse mit der gemeinsamen Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (11 bzw. 14) zusammenfällt und dessen Durchmesser grosser ist als der des ersten Ringes (11) .

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (Ia-Id) im selben Abstand von dem ersten Ring (11) gelegen sind.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, dass die Abstände zwischen einander benachbarten Zylindern (Ia-Id) gleich gross sind.
4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneratoren (4a-4d) entlang des genannten Kreises (C₃) gleichförmig verteilt sind.
5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreis (C^) und der zweite Ring (14) den gleichen Durchmesser haben.
6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (Ia-Id) an das eine Ende des bezüglichen Zylindersammeirohres (lOa-lOd) angeschlossen sind.
7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneratoren (4a-4d) an den Mittelpunkt des bezüglichen Regeneratorsammeirohres (13a-13d) angeschlossen sind.

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8. Motor nach einer?, der vorhergehenden Ansprache, dadurch gekennzeichnet, dass die die genannte Gerade (L) und die gemeinsame Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (11 bzw, 14) enthaltende Ebene auch die Teilungspunkte zwischen zwei Paaren von einander benachbarten Zylindersammeirohren (lOa-lOd) enthält.
9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die genannte Gerade (L) und die gemeinsame Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (11 bzw. 14) enthaltende Ebene auch die Teilungspunkte zwischen zwei Paaren von einander benachbarten Regeneratorsammeirohren (13a-13d) enthält.

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