DE3015815C2

DE3015815C2 - Heißgasmotor

Info

Publication number: DE3015815C2
Application number: DE3015815A
Authority: DE
Inventors: Ivo Prof.Dipl.-Ing.Dr.techn. Zagreb Kolin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-04-11
Filing date: 1980-04-24
Publication date: 1982-12-16
Also published as: YU100980A; US4444011A; DE3015815A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor mit mindestens einer Kammer, deren eine Seite wärmebeaufschlagt ist, während die andere Seite demgegenüber gekühlt ist, und mit einem in dieser Kammer zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende verschieblichen, von einem Hebeltrieb angetriebenen Verdränger und einem an die Kammer angeschlossenen Membranmotor, der die Druckschwankungen in der Kammer in mechanische Energie umsetzt.

Aus der DE-OS 22 17 812 ist eine Wärmekraftmaschine mit kontinuierlicher Verbrennung in der Art eines Heißgasmotors, wie er auf Stirling zurückgeht, bekannt, wobei ein langer Metallzylinder vorgesehen ist, welcher an der einen Seite mit Flammen geheizt und an der anderen mit einem Wassermantel gekühlt ist. Der Metallzylinder ist an einen Membranmotor angeschlossen, der die Druckschwankungen im Zylinder in mechanische Energie umsetzt und innerhalb des Zylinders ist ein Verdrängerkolben mittels eines

Scherentriebs derart beweglich angeordnet, daß sich am Ende der Abwärtsbewegung der Membrane der Verdrängerkolben aufwärts und am Ende de·· Aufwärtsbewegung abwärts bewegt. Man erreicht damit, daß bei der dort vorgesehenen Verwendung eines Kältemittels als Arbeitsmittel dieses vorwiegend im kalten Raum komprimiert und im heißen Raum expaniert. Da die Expansion des erwärmten Kältemittels mehr Energie schafft als die Verdichtung des kalten verbraucht, ergibt sich als Differenz die abzugebende Motorleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgasmotor der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, bei dem die konstruktiv und arbeitsmäßig bedingten Wärmeverluste herabgesetzt sind und der deshalb auch bei niedrigeren Temperaturdifferenzen mit Gasen verschiedener Art sicher zu arbeiten vermag und damit bisher noch vielfach verloren gehende Abwärme auszunutzen ermöglicht.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Kammer ein wärmeisolierendes Gehäuse besitzt und stirnseitig einander gegenüberliegende mit Abstand vom Gehäuse angeordnete Metallwände aufweist, deren eine durch das in den Zwischenraum zwischen der Wand und dem Gehäuse einströmende Wärmemittel erwärmt und deren andere durch das in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der Wand einströmende Kühlmittel gekühlt ist, und daß der Verdränger als zwischen diesen Wänden hin- und herbewegliche Verdrängerplatte aus wärmeisolierendem Material ausgebildet ist, daß der Membranmotor an den einen Regenerator enthaltenden Überströmraum, der seitlich vom Verdrängerplattenrand vorgesehen ist, angeschlossen ist und daß dieser Motor außer einem Schwungrad einen dicht mit dem Gehäuse verbundenen, durch eine Drehdurchführung eingeführten Schubstangentrieb antreibt, der durch eine vorgespannte Feder bistabil bezüglich der Lage der Verdrängerplatte an der kalten Metallwand bzw. an der warmen Metallwand gehalten ist.

Vorteilhaft enthält der Schubstangenantrieb eine Schubstange, die mit einer vorgespannten Feder gehalten ist, deren eines Ende an der Schubstange und deren anderes Ende an dem Hebelarm einer Gabel befestigt ist, zwischen deren Gabelzinken ein auf einem Hebelarm des Membranmotortriebwerks angeordneter Mitnehmer entsprechend dem Hub der Membran verschieblich ist, wobei durch die Federvorspannung zwei stabile Stellungen vorgegeben sind.

Die Verwendung eines wärmeisolierenden Gehäuses vermindert die Wärmeverluste, die bei den Heißgasmotoren nach dem Stand der Technik an den klassischen Metallzylindern entstehen, auch wenn diese beispielsweise gemäß der CH-PS 2 51 220 mit einer Isolierstoffschicht umgeben sind.

Als Wärmemittel können bei dem erfindungsgemäßen Motor nicht nur Verbrennungsgase verwendet werden, sondern eine beliebig erwärmte Flüssigkeit, die vielfach als Abwärme zur Verfügung steht, kann in den Zwischenraum zwischen der Metallwand und dem Gehäuse als Wärmemittel eingeführt werden und kann rezirkulieren gelassen werden, so daß nur die tatsächlich im Heißgasmotor entnommene Wärme ersetzt zu werden braucht.

Durch den bistabilen Antrieb kann ein schneller Umwurf der aus wärmeisolierendem Stoff bestehenden leichten Verdrängerplatte erreicht werden, wobei durch einen Regenerator im Überströmraum der Wirkungsgrad weiter verbessert werden kann. Bei den bekannten

Motoren, bei denen sich der Verdrängerkolben kontinuierlich in der Phase um 90° gegen den Kolben des Motorteils versetzt bewegt, kann man nie eine thermodynamisch reine isothermische Situation erhalten, bei der das gesamte ArbeitsmitteJ, z. B. Luft, entweder warm oder kalt ist, sonde^:n es ergibt sich jedesmal eine Mischung von warmer und kalter Luft Eine Folge davon ist, daß die Expansion dieser Mischung weniger Arbeit leistet als es bei ausschließlich warmer Luft der Fall wäre. Außerdem verbraucht die Kompression der Mischung mehr Arbeit als bei ausschließlich kalter Luft nötig wäre. Auf diese Weise ist die Differenz, die als nützliche Arbeit zur Verfugung steht, verringert. Durch den erfindungsgemäßen raschen Umwurf der Luft liefert die Expansion der ganzen Masse der ausschließlich warmen Luft mehr Arbeit und erfordert die Kompression weniger Arbeit, so daß die nützliche Differenz größer ist, wodurch sich die Motorleistung bei gleichem Wärmeaufwand vergrößert. Dies ermöglicht die Nutzung von Quellen niedriger Temperaturen, welche in der Natur und in der Umwelt reichlich vorhanden sind, wie z. B. von geothermalen Quellen oder von Sonnenenergie über das von flachen Sonnenkollektoren gelieferte warme Wasser. Dank der geringen konstruktiven und arbeitsmäßig bedingten Verluste kann der erfindungsgemäße Motor schon bei Temperaturen unter 100⁰C erfolgreich betrieben werden. Die Erfindung ermöglicht dabei die Nutzung heißen Wassers aus isolierten Reservoiren, wobei das Wasser z. B. tagsüber durch Sonnenenergie aufgewärmt werden kann und der Motor auch nach Sonnenuntergang dem Reservoir die Wärmeenergie entziehen und beispielsweise einen Elektrogenerator die ganze Nacht durch treiben kann. So kann auf indirekte Weise das Problem der Energiespeicherung für die Elektrizitätsproduktion gelöst werden. Dasselbe gilt auch für den Betrieb von Bewässerungspumpen mittels Sonnenenergie während der Nacht oder an bewölkten Tagen.

Eine solche Rezirkulation des heißen Wassers ist von großem Vorteil, weil die ungenützte Wärme wieder in das isolierte Reservoir zurückkehrt und nicht in die Umgebung dissipiert wird. Demgegenüber werfen die Motoren mit Innenverbrennung Auspuffgase mit noch hohen Temperaturen in die Atmosphäre, was ihren Wirkungsgrad wesentlich vermindert wegen der unwiederbringlich verlorengehenden Wärmeenergie.

Mit der beim erfindungsgemäßen Heißgasmotor möglichen Rezirkulation des warmen Wasserr kann die Wärme immer von neuem so lange ausgenutzt werden, bis die Temperatur des Wassers nicht zu tief abgesunken ist. Eine solche Wärmezirkulation vergrößert wesentlich die Ausnutzung der Wärmeenergie.

Der erfindungsgemäße Motor kann jedoch nicht nur bei niedrigen, sondern auch bei hohen Temperaturen arbeiten. Die Vorteile der Rezirkulation kann man auch dann weiter ausnutzen, wenn man anstelle warmen Wassers z. B. heißes öl von viel höherer Temperatur oder flüssiges Metall wie in Atomreaktoren als Wärmemittel verwendet.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Heißgasmotors ist auch die einfache Konstruktion, da der Motor keine Elemente besitzt, die mit Präzisionstoleranzen ausgeführt werden müssen. Das Gehäuse kann in einfacher Weise aus Kunststoff hergestellt werden, was praktischer und billiger als die Herstellung der Zylinder aus Metall ist.

Die Ausbildung der Kammern aus flachen wärmeisolierenden Gehäusen ermöglicht eine wesentliche Vergrößerung der heißen und kalten Oberfläche im Verhältnis zu dem klassischen langen Zylinder, bei den bekannten Motoren beispielsweise vom Lehmann-Typ. Dort entwickelt sich der Wärmeübergang an der inneren zylindrischen Oberfläche. Indem erfindungsgemäß der Motor gleichsam auf der ganzen Länge durch die Kammern durchschnitten ist, ist die gesamte Oberfläche bei gleicher Länge viel größer und je dünner dabei die Kammern sind, desto großer wird der Faktor ¹⁽¹ der Flächenvergrößerung und folglich ist auch bei derselben Größe des Motors die Leistung größer.

Die Änwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Heißgasmotors sind außerordentlich vielseitig, weil die Zuführung der Wärme nicht von Erdölderivaten ^!5 abhängt, sondern auch durch Sonnenenergie, Nuklearenergie, geothermale Quellen oder andere mögliche Brennstoffe, wie Alkohol, Biomasse usw. erfolgen kann. Der erfindungsgemäße Heißgasmotor kann in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Wärmedifferenz für verschiedene Zwecke gebraucht werden. Da die Motorleistung der Arbeitstemperatur proportional ist, können Motoren, sofern sie mit hohen Temperaturen arbeiten, klein und sehr raumsparend ausgebildet werden. Wenn sie mit niedrigen Temperaturen arbeiten -> sollen, können sie entsprechend ausgebildet werden und verlangen dann auch mehr Raum. Dafür kann man dann die in der Natur meisten vorhandenen Quellen niedriger Temperatur verwenden und diese Motoren könnten das von flachen Sonnenkollektoren auf eine Temperatur ''" von 80°C erwärmte Wasser ausnutzen, können dann aber natürlich nicht so kompakt sein wie die Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge. Sie können aber ohne weiteres Bewässerungspumpen, Elektrogeneratoren, Zirkulationspumpen für eine Zentralheizung, ¹' Wärmepumpen und ähnliche Maschinen treiben, überall wo entsprechender Platz für den Motor vorhanden ist. Die Erfindung wird nun anhand eines AusFührungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine schematische Ansicht in perspektivischer Darstellung eines Heißgasmotors mit zwölf Kammern,

F i g. 2 schematisch eine teilweise geschnittene Darstellung durch eine Kammer mit Membranmotor und Verdrängerplattenantrieb und Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 111 in Fig.2, wobei ein Teil der Kammerwand teilweise weggebrochen ist.

Die Kammern des erfindungsgemäßen Heißgasmotors sind jeweils von einem wärmeisolierenden Gehäuse

"'" 1 gebildet, in dem einander gegenüberliegend mit Abstand vom Gehäuse Metallwände 2 angeordnet sind, deren eine durch das in den Zwischenraum zwischen dieser Metallwand und dem Gehäuse einströmende Wärmemittel 3 erwärmt wird, während die andere

~'⁵ Metallwand durch das in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 1 und dieser Metallwand einströmende Kühlmittel 4 gekühlt ist. Zwischen den Metallplatten ist — in Fig. 2 an der kalten Wand anliegend gezeigt — eine hin- und hergehende Platte angeordnet, die als

^b(1 Verdrängerplatte 5 dient. Diese Platte ist über eine Antriebsstange mit einem Kurbeltrieb verbunden, der in einen Ansatz an dem Gehäuse 1 mit dessen Innenraum in Verbindung stehend untergebracht ist und dessen Wellt durch eine Drehdurchführung 8 dicht nach außen

^h' durchgeführt ist, auf die üußen eine Kurbel 7 aufgesetzt ist, auf die eine Schubslange 19 einwirkt. Der Überströmraum, der seitlich vom Rand der Verdrängerplatte 5 vorgesehen ist, ist mit einem dichten Drahtnetz

als Regenerator 6 gefüllt und an diesem Raum ist ein Membranmotor mit einer wannenförmigen Motorkammer 9 angeschlossen, auf der eine Membran 10 aufgespannt ist, die in der Mitte durch zwei steife Platten 11 verstärkt ist, an denen die Kolbenstange 12 des Membranmotors angreift. Diese Kolbenstange 12 wirkt auf einen einseitig ortsfest angelenkten Hebel 13 in kurzem Abstand von dessen Anlenkpunkt, dessen anderes Ende mit einer Kurbelstange 14, die am Schwungrad 15 des Motors angelenkt ist, in Verbindung steht. Der Hebelarm 13 besitzt weiter zwischen den Anlenkpunkten für die Kolbenstange 12 und die Kurbelstange 14 einen Mitnehmer 16, der zwischen den Gabelzinken einer ortsfest angelenkten Gabel 17 angeordnet ist. Das andere freie Ende der Gabel ist über eine Feder IS mit der Schubstange 19 des Kurbeltriebs für die Verdrängerplatte 5 derart verbunden, daß sie für etwa die Hälfte der möglichen Stellungen der Membran die Verdrängerplatte an die kalte Metallwand 2 und für die anderen Stellungen der Membran die Verdrängerplatte an die warme Metallwand 2 anlegt, wodurch die Stellung der Verdrängerplatte 5 bistabil ist und durch die Federkraft wie bei einem Wippschalter ein schneller Übergang von der einen — an der kalten Wand anliegenden Stellung — in die andere — an der warmen Wand anliegenden Stellung — erreicht werden kann.

Die Zeit, in der die Verdrängerplatte 5 eine Zwischenstellung einnimmt und in der eine Vermischung der Luft von beiden Seiten erfolgen könnte, ist daher außerordentlich gering und die vom Wärmemittel zugeführte Wärme wird fast ausschließlich von der Metallwand zur Leistung nützlicher Expansionsarbeit in die Motorkammer übertragen. Das Wärmemittel 3 kann dann, nachdem ihm durch die Expansionsarbeit in der Kammer Wärme entzogen ist, so daß es um wenige Grade abgekühlt ist, wieder in ein Reservoir zurückge führt werden. Und so kann es rezirkulieren, bis die nutzbare Wärmeenergie aus dem Reservoir verbraucht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Heißgasmotor mit mindestens einer Kammer, deren eine Seite wärmebeaufschlagt ist, während die andere Seite demgegenüber gekühlt ist, und mit einem in dieser Kammer zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende verschieblichen, von einem Hebeltrieb angetriebenen Verdränger und einem an die Kammer angeschlossenen Membranmotor, der die Druckschwankungen in die Kammer in· mechanischer Energie umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ein wärmeisolierendes Gehäuse (1) besitzt und stirnseitig einander gegenüberliegende mit Abstand vom Gehäuse angeordnete Metallwände (2) aufweist, deren eine durch das in den Zwischenraum zwischen der Wand und dem Gehäuse (1) einströmende Wärmemittel (3) erwärmt und deren andere durch das in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse (1) und der Wand einströmende Kühlmittel (4) gekühlt . ist, und daß der Verdränger als zwischen diesen Wänden hin- und herbewegliche Verdrängerplatte (5) aus wärmeisolierendem Material ausgebildet ist, daß der Membranmotor (9 bis II) an den einen Regenerator enthaltenden Überströmraum, der : seitlich vom Verdrängerplattenrand vorgesehen ist, angeschlossen ist und daß dieser Motor außer einem Schwungrad (15) einen dicht mit dem Gehäuse verbundenen, durch eine Drehdurchführung (8) eingeführten Schubslangentrieb (7) antreibt, der durch eine vorgespannte Feder (18) bistabil bezüglich der Lage der Verdrängerplatte (5) an der kalten Metallwand bzw. an der warmen Metallwand gehalten ist.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubstangentrieb (7) eine Schubstange (19) enthält, die mit einer vorgespannten Feder (18) gehalten ist, deren eines Ende an der Schubstange (19) und deren anderes Ende an dem Hebelarm einer Gabel (17) befestigt ist, zwischen ■> deren Gabelzinken ein auf einem Hebelarm (13) des Membranmotortriebwerks angeordneter Mitnehmer (16) entsprechend dem Hub der Membran (10) verschieblich ist, wobei durch die Federvorspannung zwei stabile Stellungen vorgegeben sind. ■!