DE3239021A1

DE3239021A1 - Waermemaschine

Info

Publication number: DE3239021A1
Application number: DE19823239021
Authority: DE
Inventors: Malcolm Bicknell 3130 Burwood East Victoria McInnes
Original assignee: Pyrox Ltd
Current assignee: Pyrox Ltd
Priority date: 1981-10-22
Filing date: 1982-10-21
Publication date: 1983-05-05
Also published as: FR2515253B1; GB2107793B; JPH0684745B2; DE3239021C2; GB2107793A; FR2515253A1; US4621497A; JPS58135346A

Description

Die Erfindung betrifft Wärmemaschinen, insbesondere Wärmemaschinen, die nach wirksamen thermodynamischen Kreisprozessen arbeiten. .

Zum Verständnis der Erfindung ist nachstehend eine kurze Beschreibung der sogenannten idealen thermodynamischen Kreisprozesse gegeben.

Es ist bekannt, daß die Otto- und Diesel-Kreisprozesse sowie Mischformen thermodynamisch^ Wirkungsgrade haben, die geringer sind als der Wirkungsgrad des Carnot-Kreisprozesses, wenn man die Höchst- und Mindesttemperaturen im Kreisprozeß betrachtet.^

Der Carnot-Kreisprozeß ist als Grundlage für eine Maschine mit hin- und hergehenden Kolben unter Verwendung eines idealen Gases als Arbeitsmedium nicht besonders geeignet, da der mittlere wirksame Druck des Kreisprozesses sehr gering ist. Dies ergibt sich daraus, daß die Kurven im Druck-Volumen-Diagramm von Fig. 1a nahe beieinander liegen.

Es gibt noch andere Kreisprozesse mit dem Wirkungsgrad des Carnot-Kreisprozesses, die diesen Nachteil nicht haben. Der Kreisprozeß, der aus zwei Prozessen mit konstantem Volumen und zwei Isothermen besteht, ist der Stirling-Kreisprozeß (vgl. Fig. 1b). Die während des Prozesses 2-3 zugeführte Wärmemenge entspricht der während des Prozesses 4-1 abgegebenen Wärmemenge. Die Temperatur des fluiden Mediums schwankt während dieser beiden Prozesse zwischen den gleichen Grenzwerten. Es ist deshalb theoretisch möglich, daß die abgegebene Wärmemenge Q₄₁ als Q₃₃ an das Arbeitsmedium zurückgegeben werden kann. Im Idealfall kann diese Wärmeübertragung in einem Regenerator reversibel durchgeführt werden.

Bei einem idealen Regenerator ist die einzige Wärme, die während des Kreisprozesses von einer äußeren Wärmequelle zugeführt wird diejenige,, die während des isothermen Prozesses 3-4 (d.h. bei Ta) übertragen wird/ während die einzige

Wärme, die an ein äußeres Reservoir mit niedrigerer Temperatur abgegeben wird, diejenige Wärme ist, die während des isothermen Prozesses 1-2 (d.h. bei Tb) übertragen wird. Daraus ergibt sich, daß der Wirkungsgrad des Kreisprozesses durch die Beziehung (Ta - Tb)/Ta ausgedrückt werden kann. Der mittlere wirksame Druck dieses Kreisprozesses ist viel größer als der des Carnot-Kreisprozesses und ist vergleichbar mit dem des Otto-Kreisprozesses.

Ein ähnlicher Kreisprozeß, nämlich der Ericsson-Kreisprozeß, besteht aus zwei Prozessen mit konstantem Druck und zwei Isothermen (vgl. Fig. 1c). In diesem Fall wird die während eines Prozesses bei konstantem Druck abgegebene Wärme über einen Regenerator während des anderen Prozesses unter konstantem Druck an das Arbeitsmedium zurückgegeben, weshalb der Kreisprozeß wiederum den Wirkungsgrad des Carnot-Kreisprozesses hat.

Die Wärmemaschine gemäß der Erfindung wurde in erster Linie für einen Betrieb mit reversiblen thermodynamisehen Kreisprozessen entworfen, die z.B. dem Stirling-, Ericsson- und Carnot-Kreisprozeß entsprechen oder damit vergleichbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verhältnismäßig einfache und leistungsfähige Wärmemaschine zur Verfügung zu stellen, die nach einem wirksamen thermodynamischen Kreisprozeß arbeitet.

Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärmemaschine zur Verfügung zu stellen, die reversibel mit einem wirksamen thermodynamischen Kreisprozeß betrieben werden kann, so daß sie als mechanische Arbeitsmaschine oder als Wärmepumpe z.B. für Kühlzwecke, dienen kann.

Die erfindungsgemäße Wärmemaschine ist gekennzeichnet durch ein geschlossenes Gehäuse mit Innenwänden, die eine Kammer begrenzen und Wärmeübertragungsflächen, die um die Innenwände angeordnet sind; einen Drehkolben (Verdrängungskörper),

der drehbar in der Kammer angebracht ist und einen Arbeitsraum zwischen sich und den Innenwänden begrenzt, wobei der Arbeitsraum um die Innenwände der Kammer bewegt wird, wenn sich der Drehkolben in der Kammer dreht, wobei der Arbeitsraum im Betrieb ein fluides Arbeitsmedium enthält, das hinsichtlich seiner thermodynamisehen Parameter veränderlich ist; und Einrichtungen zum zyklischen Verändern des Volumens des Arbeitsraumes als Funktion der Drehung des Drehkolbens in der Kammer.

Im Betrieb sind die Wärmeübertragungsflachen vorzugsweise so angeordnet, daß sie um die Bewegungsbahn des Arbeitsraumes auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden können. Das Gehäuse der Wärmemaschine enthält vorzugsweise Regeneratoreinrichtungen, die die Wärme zwischen bzw. zu und von verschiedenen Teilen des Gehäuses und damit zwischen bzw. zu und von verschiedenen Teilen der Wärmeübertragungsflächen übertragen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kammer im allgemeinen zylindrisch? und der Drehkolben ist um die durch die Kammer verlaufende Mittelachse drehbar. Die Wärmeübertragungsflächen können mindestens teilweise im allgemeinen am Umfang angeordnete Flächenteile aufweisen, die im allgemeinen von den Kammerwänden radial nach innen ragen. Um eine Wärmeübertragung am Umfang durch die Oberflächenteile zu verhindern, kann jeder Oberflächenteil mindestens teilweise von dem benachbarten Oberflächenteil isoliert sein. Dies kann dadurch erreicht werden, daß radiale Schlitze zwischen den benachbarten Oberflächenteilen vorgesehen werden,

Der Drehkolben kann mit am Umfang angeordneten Flächenteilen oder Rippen versehen sein, die im allgemeinen vom Umfang des Drehkolbens radial nach außen ragen und die im allgemeinen komplementär zu den Teilen der Wärme-

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Übertragungsfläche sind, so daß der Drehkolben innerhalb der Kammer im Gehäuse dicht schließend geführt ist. Der Arbeitsraum ist vorzugsweise durch die Innenwände der Kammer und einen Teil der Außenfläche des Drehkolbens, der nicht mit den radial nach außen ragenden Teilen der Wärmeübertragungsfläche versehen ist, begrenzt.

Nach einer besonderen Ausführungsform enthalten die Einrichtungen zum zyklischen Verändern des Volumens des Arbeitsraumes einen Kolben, der in einem Zylinder des Drehkolbens hin- und hergehend angeordnet ist, wobei ein Ende des Zylinders an einer Stelle des Arbeitsraumes zur Außenfläche des Drehkolbens hin offen ist, so daß durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens im Zylinder das Volumen des Arbeitsraumes verändert wird. Es kann jedoch mehr als eine Kombination aus Kolben und Zylinder im Drehkolben und/oder in den Innenwänden der Kammer vorgesehen sein, um das Volumen des Arbeitsraumes zu verändern.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben durch einen Verbindungsmechanismus mit einem Hauptkurbelpunkt verbunden, der von der Drehachse des Drehkolbens abgesetzt ist, so daß bei einer Drehung des«Drehkolbens der Kolben im Zylinder hin- und hergeht. Um einen wirksameren thermodynamischen Kreisprozeß zu erhalten, kann die Maschine zusätzlich einen überlagerten Kurbelmechanismus enthalten, welcher der Hauptbewegung des Kolbens aufgrund seiner Verbindung mit dem Hauptkurbelpunkt eine weitere Bewegung überlagert, wobei der überlagerte Kurbelmechanismus einen zweiten Kurbelpunkt enthält, mit dem der Kolben verbunden ist und wobei der zweite Kurbelpunkt während der Drehung des Drehkolbens zyklisch gegenüber dem Hauptkurbelpunkt beweglich ist, um eine Bewegung des Kolbens zu erzeugen, bei der an beiden Bewegungsgrenzen des Kolbens zeitweise ein im allgemeinen konstantes Volumen des Arbeitsraumes aufrechterhalten wird, während sich der Drehkolben weiterdreht.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b und 1c die Druck-Volumen-Diagramme für die vorstehend diskutierten Kreisprozesse nach Carnot, Stirling und Ericsson;

Fig. 2 eine schematische Schnitt-Seitenansicht einer Wärmemaschine nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittansicht der in Fig. 2 dargestellten Wärmemaschine nach der Linie III - III von Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Schnitt-Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Wärmemaschine gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 eine Ansicht nach der Linie V = V von Fig. 4.

Bei den Ausführungsformen nach den Figuren 2 und 3 enthält die Wärmemaschine ein geschlossenes Gehäuse 10 mit Innenwänden 11, die eine Kammer 12 begrenzen. Um die Innenwände 11 sind Wärmeübertragungsflächen 13 angeordnet. Das geschlossene Außengehäuse 10 kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das zur Ausbildung eines abgeschlossenen Gefäßes und zum Betrieb bei den auftretenden Temperaturen und Drücken geeignet ist. Das Gehäuse 10 kann, wie dargestellt, im allgemeinen trommeiförmig sein, so daß die Kammer 12 im allgemeinen zylindrisch ist und die Wärmeübertragungsflächen 13 im allgemeinen am Umfang der zylindrischen Kammer 12 angeordnet sind.

Die Wärmeübertragungsflächen 13 werden mindestens teilweise durch im allgemeinen am Umfang angeordnete Flächenteile 14 gebildet, die im allgemeinen von den Kammerwänden 11 radial nach innen ragen. Jeder Flächenteil 14 ist mindestens teilweise von jedem in Umfangs'richtung benachbarten Flächenteil 14 isoliert, um eine Wärmeübertragung durch die Oberflächenteile am Umfang zu verhindern. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird dies durch im allgemeinen radial gerichtete Abtrennungen

oder Einschnitte 15 zwischen benachbarten Oberflächenteilen 14 erreicht. Die Wände 11 des Gehäuses 10 können ebenfalls Wärmeübertragungsflächen darstellen.

Die Wärmemaschine enthält einen Verdrängungskörper oder Drehkolben (displacer) 20, der drehbar in der Kammer 12 angebracht ist und der einen Arbeitsraum 21 zwischen sich und den Innenwänden 11 begrenzt. Der Arbeitsraum 21 bewegt sich um die Innenwände 11, wenn sich der Drehkolben20 innerhalb der Kammer 12 dreht. Der Arbeitsraum 21 enthält im Betrieb ein fluides Arbeitsmedium, das hinsichtlich seiner thermodynamischen Parameter verändert wird. Die Wärmeübertragungsflächen 13 können um die Bewegungsbahn des Arbeitsraumes 21 auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, so daß der Wärmeflüß zum und vom Arbeitsmedium in den Arbeitsraum erleichtert wird. Beispielsweise kann der Umfang der Kammer 12 mit den Wärmeübertragungsflächen 13 unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein, wobei über den gesamten Umfang Zonen mit niedriger, ansteigender, hoher und abnehmender Temperatur abwechseln.

Das Arbeitsmedium im Arbeitsraum 21 kann ein Gas, wie Helium oder Wasserstoff, sein; vorzugsweise steht es unter Überdruck. Das Arbeitsmedium wird während des thermodynamisehen Kreisprozesses der Maschine unterschiedlichen Drücken und Temperaturen ausgesetzt.

Der Verdrängungskörper oder Drehkolben 20 ist drehbar um die durch die Kammer12 gehende zentrale Axiallinie angeordnet. Wie am besten in Fig. 3 dargestellt ist, ist der Drehkolben 20 mit Hilfe der Trag- oder Lagerwellen 22 und 23, die axial durch die Wände 11 des Gehäuses ragen, drehbar, wobei die Querschnittsflächen der Wellen 22 und 23 dort, wo diese durch die Wände 11 des Gehäuses ragen, gleich sind, so daß die Kräfte, die durch Druckunterschiede im Arbeitsmedium zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gehäuses 10 auf die Wellen 22 und 23 einwirken, ausgeglichen werden. Selbstverständlich sind geeignete Lager und Dichtungen für die Wellen 22 und 23 vorgesehen, obgleich diese in der Zeichnung

nicht dargestellt sind.

Der Drehkolben 20 kann, falls gewünscht, eine verhältnismäßig große Masse haben, so daß er als Schwungrad dient, um Schwankungen in seiner Winkelgeschwindigkeit minimal zu halten«

Das Gehäuse 10 enthält Regeneratoreinrichtungen 25, mit deren Hilfe eine Wärmeübertragung zwischen bzw. zu und von verschiedenen Teilen des Gehäuses 10 und auf diese Weise zwischen bzw. von oder zu verschiedenen Teilen der Wärmeübertragungsflächen 13 erfolgt. Die Maschine kann mit einer Reihe von üblichen Regeneratoren versehen sein. Beispielsweise können die Regeneratoreinrichtungen 25 ein fluides Wärmeübertragungsmedium enthalten, das zwecks Wärmeübertragung umgewälzt wird. Stattdessen (oder zusätzlich) kann eine Anordnung vorgesehen werden, die zwei im. allgemeinen erfindungsgemäße Wärmemaschinen enthält, die in unterschiedlichen Richtungen laufen und so nebeneinander angebracht sind, daß eine regenerative Wärmeübertragung zwischen den beiden Wärmemaschinen erfolgt. Die beiden Maschinen können also Seite an Seite angeordnet werden, wobei die jeweiligen Teile der beiden Gehäuse 10, die den Regenerationsprozeß am besten nutzen können,zwecks Übertragung-der Wärme am dichtesten nebeneinanderliegen.

der
Eine weitere Möglichkeit/Regenerierung umfaßt Einrichtungen zum Transport des tatsächlichen Arbeitsmediums zum und vom Arbeitsraum 21 und von einem Teil der Maschine zu einem anderen. In diesem Fall kann der Regenerator aus Kanälen oder Rohren bestehen, in denen vorzugsweise eine Pumpe vorgesehen ist, um die Umwälzung des Arbeitsmediums zu fördern.

Der in den Figuren 2 und 3 dargestellte Drehkolben 20 ist am Umfang mit Drehkolben-Oberflächenteilen oder Rippen 27 versehen, die im allgemeinen vom Umfang des Drehkolbens 20 radial nach außen ragen und die im allgemeinen mit den

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Wärmeübertragungsflächen 13 komplementär sind/ so daß der Drehkolben 20 gut in die Kammer 12 des Gehäuses 10 paßt. Wie am besten aus Fig. 3 zu erkennen ist, haben die Oberflächenteile 27 im allgemeinen die Form von Ringen, die mit den Oberflächenteilen 14 des Gehäuses 10 in Eingriff stehen. Der Drehkolben 20 dreht sich im Betrieb im Gehäuse 10, und die Kraft wird mit Hilfe des Drehkolbens auf die Maschine übertragen bzw. ναι dieser abgegeben. Beispielsweise kann die Welle 22 eine Kraftabgabe- oder eine Kraftaufnahmewelle sein.

Der Arbeitsraum befindet sich zwischen den Innenwänden 11 der Kammer12 und einem Teil 28 der Außenflächen des Drehkolbens 20, der nicht mit den radial nach außen ragenden Drehkolben-Oberflächente ilen 27 versehen ist. Der Teil 28 besteht also aus einem Segment oder einem Abschnitt des Umfangs des Drehkolbens 20, von dem die Ringe 28 entfernt oder verkleinert wurden, so daß das Arbeitsmedium im restlichen Arbeitsraum 21 bei der Drehung des Drehkolbens 20 um den Umfang der Kammer 12 und durch die verschiedenen Temperaturzonen geführt wird.

Die Wärmemaschine enthält ferner Einrichtungen 30 zum zyklischen Verändern des Volumens des Arbeitsraumes 21 als Funktion der Drehung des Drehkolbens 20 in der Kammer Die in der Zeichnung dargestellten Einrichtungen 30 zum Verändern des Volumens enthalten einen Kolben 31, der in einem Zylinder 32 im Drehkolben 20 hin- und hergehend montiert ist, wobei ein Ende des Zylinders 32 an der Stelle 28 des Arbeitsraumes 21 zur Außenfläche des Drehkolbens offen ist, wodurch wegen des Hin- und Hergehens des Kolbens 31 im Zylinder 32 das Volumen des Arbeitsraumes 21 verändert wird. Bei dieser Anordnung werden der Kolben 31 und der Zylinder 32 vom Drehkolben 20 mitgeführt, wenn dieser sich innerhalb der Kammer 12 dreht.

Die Stellung des Kolbens 31 im Zylinder 32 wird durch eine mechanische Anordnung bestimmt, die den Kolben 31 hin- und herbewegt, wenn sich der Drehkolben 20 dreht. Der in den Figuren 2 und 3 dargestellte Mechanismus enthält eine Verbindungsanordnung 33, durch die der Kolben 31 mit einem Hauptkurbelpunkt 34 verbunden ist, der von der Drehachse des Drehkolbens 20 abgesetzt ist, so daß bei der Rotation des Drehkolbens 20 der Kolben 31 im Zylinder 32 hin- und hergeht. Die Verbindungsanordnung 33 enthält insbesondere" einen Kurbelarm 35 (nachstehend als Hauptkurbel 35 bezeichnet) und eine Pleuelstange 36 zwischen der Hauptkurbel 35 und dem Kolben 31. Die Hauptkurbel 35 ist mit einer Kurbelwelle 37 verbunden, die axial aus dem Gehäuse 10 herausragt. Der exzentrisch angeordnete Kurbelzapfen zwischen der Hauptkurbel 35 und der Pleuelstange 36 stellt den Hauptkurbelpunkt 34 dar.

Man erkennt, daß der Hauptkurbelpunkt in einer fixierten Stellung zum Gehäuse 10 gehalten werden kann, und bei der Drehung des Drehkolbens 20 bewegt sich der Kolben 31 im Zylinder 32 hin und her, wobei für jede vollständige Umdrehung des Drehkolbens 20 ein Takt (Periode) vervollständigt wird. Obgleich der Hauptkurbelpunkt 34 während des Betriebs der Maschine üblicherweise fixiert ist, kann er selektiv verschoben werden, um eine selektive Änderung und Einstellung der Art des Arbeitstaktes der Maschine zu ermöglichen. Diese Änderung des Arbeitstaktes kann durch eine Verstellung des Winkels der Kurbelwelle 37 erreicht werden. Es ist natürlich erwünscht, die Stellung des Hauptkurbelpunktes 34 während des Betriebs der Maschine zu variieren, um eine selektive Änderung des Wirkungsgrades, der Leistungsabgabe usw. der Maschine zu erreichen.

Für die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsform einer Wärmemaschine gemäß der Erfindung gelten die gleichen Bezugszahlen wie in den Figuren 2 u,nd 3 für die entsprechenden Teile. Die in den Figuren 4 und 5.dargestellte Maschine enthält einen überlagerten Kurbelmechanismus 40, welcher der

Hauptbewegung des Kolbens 31 aufgrund seiner Verbindung mit dem Hauptkurbelpunkt 34 eine weitere Efewegung überlagert. Der überlagerte Kurbelmechanismus 40 enthält einen zweiten Kurbelpunkt 41, mit dem der Kolben 31 verbunden ist/ wobei der zweite Kurbelpunkt 41 während der Drehung des Drehkplbens zyklisch gegenüber dem Hauptkurbelpunkt 34 beweglich ist. Diese Überlagerungsbewegung kann zu einer Bewegung des Kolbens 31 führen, bei der an den beiden Bewegungsgrenzen des Kolbens 31 zeitweilig ein im allgemeinen konstantes Volumen des Arbeitsraumes 21 aufrechterhalten wird, während sich der Drehkolben weiterdreht. Wie aus den Figuren 4 und leicht erkennbar ist, wird durch die Kopplung des Kolbens

31 mit dem Hauptkurbelpunkt 34 eine im allgemeinen sinusförmige Haupt-Hin- und Herbewegung des Kolbens 31 im Zylinder

32 erzielt, während die Kopplung des Kolbens 31 mit dem zweiten Kurbelpunkt 41 zu einer überlagerten, im allgemeinen sinusförmigen sekundären Hin- und Herbewegung mit einer verhältnismäßig geringen Amplitude führt. Vorzugsweise ist die Frequenz der sekundären Hin- und Herbewegung dreimal so groß wie die Frequenz der Haupt- Hin- und Herbewegung, wobei ein Maschinen-Arbeitstakt erzeugt wird, der sich einem idealen thermodynamischen Kreisprozeß, insbesondere dem Stirling-Kreisprozeß, stark annähert.

Der in den Figuren 4 und 5 dargestellte Überlagerungs-Kurbelmechanismus 40 enthält ein Zahnrad 42, das drehbar um eine durch den Hauptkurbelpunkt 34 gelegte Achse angebracht ist. Der Kolben 31 ist mit dem zweiten Kurbelpunkt 41 gekoppelt, der einen auf dem Zahnrad 42 radial versetzten Punkt darstellt. Das Zahnrad 42 steht mit einem ringförmigen Zahnrad oder Hohlrad 43, das am Drehkolben 20 befestigt ist, im Eingriff, so daß das Zahnrad 42 drei Umdrehungen macht, wenn der Drehkolben 20 eine Umdrehung beendet hat.

Wie bei der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Hauptkurbel 35 ist das Hohlrad 43 während des Betriebs der Maschine üblicherweise am Drehkolben 20 fixiert. Vorzugsweise kann jedoch das Hohlrad 43 selektiv gegenüber dem

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Drehkolben 20 gedreht werden, so daß eine selektive
Änderung und Einstellung der Art des Betriebstaktes der
Maschine möglich wird. Insbesondere kann durch die Drehung des Hohlrades 43 die Phase der durch die Drehung des Zahnrades 42 bedingte uberlagerungsbewegung gegenüber der Phase der durch die Hauptkurbel 35 bedingten Hauptschwingung des Kolbens 31 verändert werden. Die bevorzugte Ausführungsform der Maschine nach den Figuren 4 und 5 ermöglicht also eine beträchtliche Variation der Art des thermodynamischen Kreisprozesses, nach dem die Wärmemaschine arbeitet.

Es können natürlich zahlreiche Zusätze und Abänderungen
bezüglich der beschriebenen und in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Konstruktionen und Anordnungen vorgenommen warden. Beispielsweise kann das Innenvolumen des Drehkolbens 20
eine Pufferzone für die Einrichtungen 30 zum Verändern des Volumens darstellen; diese Pufferzone befindet sich hinter dem Kolben 31, so daß die auf die Einrichtungen 30 einwirkende Kraft der Differenz zwischen dem durchschnittlichen
Taktdruck des im Arbeitsraum 21 enthaltenen Arbeitsmediums und dem momentanen Druck des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 21 eher entspricht. Vorzugsweise ist das Innenvolumen des Drehkolbens gut gegen den Arbeitsraum 21 abgedichtet.

Eine weitere fakultative Maßnahme zur Verbesserung der Wärmeübertragung ist die Bereitstellung eines Gebläses (nicht
dargestellt), um die Umwälzung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum zu fördern und auf diese Weise die Wärmeübertragung
zu und von dem Arbeitsmedium zu verbessern. Das Gebläse
kann im Drehkolben 20 angebracht werden. Vorzugsweise wird das Gebläse durch Drehung des Drehkolbens 20 in der Kammer angetrieben, beispielsweise durch ein Zahnradpaar, von dem eines mit dem Gebläse und das andere am Gehäuse 10 angebracht ist. Das Gebläse erhöht die Umwälzgeschwindigkeit des Arbeitsmediums im Raum 21.

Das Zahnrad 42 nach den Figuren 4 und 5 liefert selbst den zweiten Kurbelpunkt 41; es kann aber auch eine qetrennte kleine Kurbel vorgesehen sein, mit der die Pleuelstange 36 verbunden wird, wobei die kleine Kurbel durch das Zahnrad 42 angetrieben wird. Auch kann das kleine Kurbelzahnrad auf jeder der Hauptkurbel 35 angebracht werden. Falls gewünscht kann man auch Riemenscheiben oder andere Vorrichtungen zur übertragung der Drehkraft anstelle der Zahnradanordnung verwenden, um die überlagerungsbewegung der Pleuelstange 36 zu erreichen.

Es können natürlich auch mehrere Wärmemaschinen gemäß der Erfindung miteinander verbunden werden. Diese Maschinen brauchen nicht notwendigerweise in einem gemeinsamen thermodynamischen Kreisprozeß betrieben zu werden. Eine oder mehrere Maschinen können mit umgekehrtem Takt betrieben werden. Diese besondere Anordnung kann für Kühlzwecke oder als Wärmepumpe verwendet werden.

Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung kann so ausgelegt und eingestellt werden, so daß sie im Betrieb nach thermodynamischen Kreisprozessen läuft, die echten thermodynamischen Kreisprozessen weitgehend angeglichen sind. Andererseits ist eine Vielzahl von thermodynamischen Kreisprozessen möglich. Um beispielsweise die erfindungsgemäße Wärmemaschine nach einem Prozeß zu betreiben, der dem Stirling-Prozeß stark angenähert ist, wird das äußere Gehäuse in vier getrennte Wärmeübertragungszonen unterteilt (vgl. Fig. 1b). Die vier Zonen können die gleiche Größe haben. Die erste Zone ist eine kalte Zone (1 bis 2 in Fig. 1b), die nächste Zone ist eine Aufheizzone (2 bis 3), die nächste Zone ist eine heiße Zone (3 bis 4) und die letzte Zone ist eine Abkühlzone (4 bis 1). Die Einrichtungen 30 zur Änderung des Volumens des Arbeitsraumes 21 werden so eingestellt, daß das Volumen des Raumes 21 möglichst klein gehalten wird, wenn der Arbeitsraum 21 die Zone 2 bis 3 durchläuft, während das Volumen möglichst groß gehalten wird, wenn das Arbeitsvolumen die Zone.-4 bis 1 durchläuft.

Das Volumen nimmt zwischen der Zone- 1 bis 2 ab und zwischen der Zone 3 bis 4 zu.

Um die Maschine in einem Kreisprozeß zu betreiben, der dem Ericsson-Kreisprozeß stark angeglichen ist, wird das äußere Gehäuse 20 in die gleichen vier Wärmeübertragungszonen unterteilt (vgl. Fig. 1c). Die Einrichtungen 30 zur Änderung des Volumens des Arbeitsraumes 21 werden so eingestellt, daß der höchste Druck erreicht wird, wenn der Arbeitsraum 21 die Zone 2 bis 3 durchläuft und daß der Druck ein Minimum hat, wenn der Arbeitsraum 21 die Zone 4 bis 1 durchläuft. Folgt die Maschine den thermodynamischen Bedingungen in der Reihenfolge 1, 2, 3, 4 von Fig. 1b oder 1c, gibt die Maschine Energie ab. Wenn sie diesen Bedingungen in der Reihenfolge 1, 4, 3, 2 folgt, wird Energie von der Maschine verbraucht.

Die kleine Kurbel, die durch das Zahnrad 42 gebildet wird, welches den zweiten Kurbelpunkt 21 liefert (zweite bevorzugte Ausführungsform der Maschine), ermöglicht eine weitgehende Annäherung an echte konstante Druck- oder Volumenbedingungen, die für bestimmte Zonen von idealen thermodynamischen Kreisprozessen nötig sein können. Andere thermodynamische Bedingungen sind ebenfalls möglich.

Für den Stirling-Kreisprozeß kann die kleine Kurbel auf den unteren Totpunkt eingestellt werden, wenn sich die Hauptkurbel am oberen Totpunkt befindet, wobei sich der Arbeitsraum in der Hälfte der Zone 2 bis 3 von Fig. 1b befindet. Wenn sich also die Hauptkurbel am unteren Totpunkt befindet, so befindet sich auch die kleinere Kurbel am unteren Totpunkt, wobei der Arbeitsraum in der Hälfte der Zone 4 bis 1 liegt.

Für den Ericsson-Kreisprozeß können die kleinere und die Hauptkurbel auf den oberen Totpunkt eingestellt werden, wobei der Arbeitsraum in der Zone 2 liegt. Beide Kurbeln befinden sich am unteren Totpunkt, wenn sich der Arbeitsraum in der Zone 4 befindet.

r t t * Vt · * η ¹O

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Das Längenverhältnis zwischen der kleineren Kurbel und der Hauptkurbel bestimmt die Genauigkeit dieser annähernd konstanten Volumenzonen. Gewöhnlich beträgt dieses Verhältnis etwa 0_#134.

Wie vorstehend erwähnt, kann die Winkelstellung der Hauptkurbel und der kleineren Kurbel in Beziehung zu den verschiedenen Temperaturzonen im Außengehäuse bzw. zum Drehkolben geändert werden. Auf diese Weise ist es dann möglich, seitliche Verzögerungen bei Wärmeübertragungsprozessen, Schwankungen in der Leistungsabgabe oder -aufnahme oder unterschiedliche thermodynamische Kreisprozesse zu berücksichtigen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.J Wärmemaschine, gekennzeichnet durch ein geschlossenes Gehäuse (10) mit Innenwänden (11), die eine Kammer (12) begrenzen, und Wärmeübertragungsflächen (13), die um die Innenwände angeordnet sind; einen Drehkolben(Verdrängungskörper) (20), der drehbar in der Kammer (12) angebracht ist und einen Arbeitsraum (21) zwischen sich und den Innenwänden (11) begrenzt, wobei der Arbeitsraum um die Innenwände (11) der Kammer (12) bewegt wird, wenn sich der Drehkolben in der Kammer dreht, wobei der Arbeitsraum (21) im Betrieb ein fluides Arbeitsmedium enthält, das hinsichtlich seiner thermodynamischen Parameter veränderlich ist; und Einrichtungen (30) zum zyklischen Verändern des Volumens des Arbeitsraumes (21) als Funktion der Drehung des Drehkolbens (20) in der Kammer (12).

2. Wärmemaschine nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflächen (13) um die Bewegungsbahn des Arbeitsraumes (.21) auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden.

3. Wärmemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß das Gehäuse (10) Regenerationseinrichtungen (25) enthält/ die die Wärme zwischen bzw. zu und von verschiedenen Teilen des Gehäuses (10) und damit zwischen bzw. zu und von verschiedenen Teilen der Wärmeübertragungsflächen (13) übertragen.

4. Wärmemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneratoreinrichtungen (25) ein fluides Wärmeübertragungsmedium enthalten, das darin zum Zwecke der Wärmeübertragung umwälzbar ist.

5. Wärmemaschinenanordnung, gekennzeichnet durch zwei Wärmemaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die in entgegengesetzter Richtung laufen und so nebeneinander angebracht sind/ daß eine regenerative Wärmeübertragung zwischen den beiden Maschinen erfolgt.

6. Wärmemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) im allgemeinen zylindrisch ist und der Drehkolben (20) um die durch die Kammer verlaufende Mittelachse drehbar ist.

7. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflächen (13) mindestens teilweise im allgemeinen am Umfang angeordnete Flächenteile (14) aufweisen, die im allgemeinen von den Kammerwänden (11) radial nach innen ragen.

8. Wärmemaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenteile (14) zur Verhinderung einer Wärmeübertragung mindestens teilweise voneinander isoliert sind.

9. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkolben (20) mit am Umfang angeordneten Flächenteilen (Rippen) (27) versehen ist, die im allgemeinen vom Umfang des Drehkolbens radial nach außen

ragen und die im allgemeinen komplementär zu den Teilen (14) der Wärmeübertragungsfläche (13) sind, so daß der Drehkolben innerhalb der Kammer (12) im Gehäuse (10) dichtschließend geführt ist.

10. Wärmemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (21) durch die Innenwände (11) der Kammer (10) und einen Teil der Außenfläche des Drehkolbens (20), der nicht mit den radial nach außen ragenden Teilen (14) der Wärmeübertragungsfläche (13) versehen ist, begrenzt ist.

11. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (30) zum zyklischen Verändern des Volumens des Arbeitsraumes (21) einen Kolben (31) enthalten, der in einem Zylinder (32) des Drehkolbens (20) hin- und hergehend angeordnet ist, wobei ein Ende des Zylinders an der Stelle (28) des Arbeitsraumes zur Außenfläche des Drehkolbens hin offen ist, so daß durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens (31) im Zylinder (32) das Volumen des Arbeitsraumes (21) verändert wird.

12. Wärmemaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (31) durch einen Verbindungsmechanismus

(37) mit einem Hauptkurbelpunkt (34) verbunden ist, der von der Drehachse des Drehkolbens (20) abgesetzt ist, so daß bei einer Drehung des Drehkolbens (20) der Kolben (31) im Zylinder (32) hin- und hergeht.

13. Wärmemaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkurbelpunkt (34) während des Betriebs der Maschine fixiert ist, jedoch selektiv verschiebbar ist, um eine selektive Änderung und Einstellung der Art des Arbeitstaktes zu ermöglichen.

14. Wärmemaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich einen überlagerten Kurbeimechanismus

(40) enthält, welcher der Hauptbewegung des Kolbens (31) aufgrund seiner Verbindung mit dem Hauptkurbelpunkt (34) eine weitere Bewegung überlagert, und welcher einen zweiten Kurbelpunkt (41) enthält, mit dem der Kolben (31) verbunden ist, wobei der zweite Kurbelpunkt während der Drehung des Drehkolbens (20) zyklisch gegenüber dem Hauptkurbelpunkt beweglich ist, um eine Bewegung des Kolbens (31) zu erzeugen, bei der an den beiden Bewegungsgrenzen des Kolbens (31) zeitweilig ein ira allgemeinen konstantes Volumen des Arbeitsraumes (21) aufrechterhalten wird, während sich der Drehkolben (20) weiterdreht.

15. Wärmemaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kopplung des Kolbens (31) mit dem Hauptkurbelpunkt (34) eine im allgemeinen sinusförmige Haupt-Hin- und Herbewegung des Kolbens (31) im Zylinder (32) erzielt wird und daß die Kopplung des Kolbens (31) mit dem zweiten Kurbelpunkt (41) zu einer überlagerten, im allgemeinen sinusförmigen zweiten Hin- und Herbewegung mit verhältnismäßig niedriger Amplitude und einer Frequenz, die dreimal so hoch wie die Frequenz der Haupt-Hin- und Herbewegung ist, führt, wobei ein Maschinen-Arbeitstakt erzeugt wird, der sich einem idealen thermodynamisehen Kreisprozeß stark annähert.

16. Wärmemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der überlagernde Kurbelmechanismus (40) ein Zahnrad (4 2) enthält, das drehbar um eine durch den Hauptkurbelpunkt (34) gelegte Achse angebracht ist, wobei der Kolben

(31) mit dem zweiten Kurbelpunkt (41) gekoppelt ist, der durch einen radial auf dem Zahnrad (42) versetzten Punkt dargestellt ist, wobei das Zahnrad (42) mit einem Hohlrad (43), das am Drehkolben (20) angebracht ist, in Eingriff steht, so daß das Zahnrad während einer Umdrehung des Drehkolbens (20) drei Umdrehungen macht.

17. Wärmemaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (43) während des Betriebs der Maschine auf dem Drehkolben (20) fixiert ist, jedoch selektiv gegenüber dem Drehkolben gedreht werden kann, um eine selektive Änderung und Einstellung der Art des Betriebstaktes zu ermöglichen .

18. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenvolumen des Drehkolbens (20) eine Pufferzone für die Einrichtungen (30) zum Verändern des Volumens des Arbeitsraumes (21) darstellt, so daß die auf diese" Einrichtungen wirkende Kraft in einer engeren Beziehung mit der Differenz zwischen dem durchschnittlichen Zyklusdruck und dem momentanen Druck des im Arbeitsraum (21) enthaltenen fluiden Arbeitsmediums steht»

19. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gebläse zur Förderung der Umwälzung des fluiden Arbeitsmediums im Arbeitsraum (21) und zur Verbesserung der Wärmeübertragung zu und von dem Arbeitsmedium enthält,

20. Wärmemaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse durch die Drehung des Drehkolbens (20) in der Kammer (16) angetrieben.wird-

21. Wärmemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkolben (20) auf zwei Lagerwellen (22, 23) drehbar ist, die axial durch die gegenüberliegenden Wände (11) des Gehäuses (10) ragen, wobei die Querschnittsflächen der beiden Wellen dort, wo diese durch die Wände des Gehäuses ragen, gleich sind, so daß die Kräfte, die durch Druckunterschiede im Arbeitsmedium zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gehäuses {10) auf die Wellen einwirken, ausgeglichen werden. ,

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22. Wärmemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet/ daß der Drehkolben (20) als Schwungrad wirkt, um Schwankungen in seiner Winkelgeschwindigkeit minimal zu halten.