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Wärmekraftmaschine
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Die Erfindung richtet sich auf eine Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Derartige extern beheizte, regenerative Wärmekraftmaschinen besitzen
aufgrund des geringen Abgasanfalls, ihres sehr hohen erreichbaren Wirkungsgrades
und ihrer Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichsten Wärmequellen gute Aussichten
für eine erheblich weitere Verbreitung in der Zukunft. Ein Beispiel für diesen Typ
einer Wärmekraftmaschine bildet der Stirlingmotor.
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Obwohl Wärmekraftmaschinen dieser Art nach einem an sich idealen,
reversiblen Zyklus, der zwischen zwei Isothermen und zwei Isochoren abläuft, arbeiten
und somit grundsätzlich höhere Carnot-Realisierungsgrade erzielt werden können,
als bei den viel weiter verbreiteten Innenverbrennungsmotoren, konnten sich solche
Maschinen bisher aus verschiedenen Gründen noch nicht in großem Umfang durchsetzen.
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Ein Problem liegt darin, daß zur Erzielung hoher Wirkungsgrade die
Temperatur des Erhitzerkopfes sehr hoch liegen muß, wobei hierfür geeignete Materialien
erst in neuester Zeit entwickelt wurden. Ein weiteres grundlegendes Problem liegt
darin, daß zur Erzielung einer guten Leistungsdichte und entsprechend kleiner, kompakter
Maschinen die Maschine mit Helium oder Wasserstoff hohen Druckes gefüllt werden
muß. Dies führt z.B. bei den bekannten Kurbelwellen-Stirlungmaschinen zu erheblichen
Schwierigkeiten, da die Kurbelwellendichtung einerseits das Herausdiffundieren des
Arbeitsgases vermieden soll und andererseits aber auch das Eindringen von Öl und
Schmiermitteln aus dem Getriebekasten in das Innere der Maschine. Ein Ansatz zur
Lösung dieses Problems stellte die Erfindung des Freikolben-Stirlingmotors dar (US-PS
Re.30.176).
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Eine derartige Anordnung benötigt keine Kurbelwelle, da sowohl der
Arbeits- als auch der Verdrängerkolben frei gas- oder mechanisch gefedert linear
oszillierend im Inneren eines hermetisch abgeschlossenen Druckgehäuses schwingen.
Es wird so also ein Masse-Feder-Resonanzsystem ausgebildet, welches über die Dimensionierung
der Federkonstanten, Massen- und Strömungsquerschnitte so abgestimmt wird bzw. abgestimmt
werden sollte, daß die Bewegungskinematik dem idealen Stirling-Zyklus möglichst
nahe kommt.
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Bei einer derartigen Freikolben-Maschine erreicht man also gegenüber
der Kurbelwellenbauweise den Vorteil, daß sie völlig gasdicht ist, daß also keine
Gasdiffusion von innen nach außen bzw. kein Eindringen von Öl von außen nach innen
erfolgt. Weiterhin ist der Aufbau, jedenfalls was die elementaren Bauteile betrifft,
unkompliziert und ermöglicht dementsprechend eine lange Lebensdauer. Letztlich kann
potentiell ein
erhöhter Wirkungsgrad erreicht werden, da Kurbelwellenverluste
entfallen.
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Diesen Vorteilen stehen Probleme in der praktischen Anwendung einer
derartigen Maschine entgegen. Da sich die Bewegungsvorgänge nur im Inneren der Maschine
abspielen und keine mechanische Verbindung zum Außenraum vorhanden ist, müssen Zusatzeinrichtungen,
die die oszillierende Bewegung des Arbeitskolbens in elektrische oder thermische
Nutzenergie umsetzen sollen, auch im Inneren der Maschine untergebracht sein. Dies
führt z.B. dazu, daß zur Stromerzeugung im Vergleich zu handelsüblichen, rotierenden
Generatoren relativ aufwendige Lineargeneratoren verwendet werden müssen.
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Noch größere Probleme ergeben sich, wenn mechanische Energie als solche
ausgekoppelt werden soll. Insoweit sind Versuche unternommen worden, die periodischen
Druckschwankungen im Inneren der Maschine durch eine Membran auf ein hydraulisches
System zu übertragen.
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Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, daß man den Arbeitskolben
so schwer ausbildete, daß dieser relativ zum beweglich gelagerten Gehäuse stand
und die resultierende Gehäusebewegung dazu ausgenutzt wurde, die Energie der linearen
Schwingung abzugreifen.
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Beide genannte Lösungsansätze führen in der Praxis zu erheblichen
technischen Komplikationen, z.B. in Form von Materialproblemen bei Verwendung einer
Membran oder durch Schwierigkeiten bei der Umsetzung der linearen Schwingungsbewegung
des Gehäuses in eine Drehbewegung.
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Ein weiteres grundlegendes Problem bei Freikolbenmaschinen liegt darin,
daß ein derartiges Masse-Feder-System analytisch außerordentlich schwierig zu erfassen
ist.
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Hierzu gehört insbesondere die Frage der Kolbenzentrierung um die
Mittellage sowie des Phasenwinkels zwischen
Verdränger- und Arbeitskolben.
Zur Umsetzung der theoretischen Vorgaben wurden Maßnahmen wie das Vorsehen von Gasüberströmkanälen,
Gaszwischenspeichern, mechanischen Zentrierfedern usw. ergriffen. Sämtliche dieser
Maßnahmen reduzieren den idealen Wirkungsgrad, arbeiten nur in eng begrenzten Regelbereichen
und führen zu Abweichungen vom idealen Stirling-Zyklus.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine extern
beheizte, regenerative Wärmekraftmaschine zu realisieren, welche die Vorteile einer
Freikolben- und einer Kurbelwellenmaschine vereint und deren jeweilige Nachteile
weitestgehend vermeidet.
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Darüber hinaus soll erfindungsgemäß eine einfache Möglichkeit der
mechanischen Energieauskopplung bei einer Maschine der in Betracht stehenden Art
angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch
1. Durch die danach vorgesehene magnetische Auskopplung der mechanischen Energie
des linear schwingenden Arbeitskolbens ist es möglich, einen Freikolben-Motor optimal
auszugestalten, ohne bei der Konstruktion spezifische Rücksichten, z.B.
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hinsichtlich Lagerung und Materialwahl, zu nehmen.
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Die magnetisch ausgekoppelte Bewegung kann extern durch alle bekannten
mechanischen Kraftübertragungs-und Umsetzungssysteme beliebigen Sekundäraggregaten
zugeführt werden. Soweit derartige Sekundär- oder Subaggregate keine rotierende,
sondern lineare Bewegungen benötigen, kann die ausgekoppelte lineare Schwingungsenergie
direkt abgenommen werden. Die magnetische Auskopplung bietet weiterhin den Vorteil,
daß sie als Rutschkupplung beim Auftreten von Überlasten wirkt.
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Eine besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung
gibt Anspruch 2 an. Die danach außerhalb des Gehäuses angeordneten Magneten können
sowohl als Permanentmagneten als auch als Elektromagneten ausgebildet sein. Dabei
müssen für die Stromversorgung von Elektromagneten keine elektrischen Leitungen
in das Innere des Gehäuses geführt werden, da sich dort lediglich Weicheisenteile
befinden.
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Durch die Ausbildung der äußeren Magneten als Elektromagneten und
durch das Vorsehen einer Wechselspannungsquelle entsprechend Anspruch 3 kann auf
die Kolben eine dynamische Vibrationseinwirkung zur Erzielung einer zusätzlichen
dynamischen Dichtung ausgeübt werden.
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Gemäß Anspruch 5 ist vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur Koordination
der Phasenlage von Arbeits- und Verdrängerkolben vorgesehen. Diese Vorrichtung ist
entsprechend Anspruch 6 vorzugsweise als mechanisches Getriebe, insbesondere als
Kurbelwellengetriebe ausgebildet.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß der innere Bewegungsablauf
von Arbeits- und Verdrängerkolben sich nicht frei schwingend einstellen muß, sondern
definiert entsprechend einer gewünschten Kinematik, d.h. entsprechend dem gewählten,
regenerativen, extern beheizten, thermodynamischen Zyklus abläuft. Damit wird aber
erreicht, daß die mit einem freien Einschwingen verbundenen Probleme, z.B. hinsichtlich
der Zentrierung, des Überschwingverhaltens in wechselnden Lastbereichen und sonstige
mit der Kinematik der Freikolbenmaschine verbundenen Schwierigkeiten vermieden werden.
Dies führt zu einer wesentlichen Vereinfachung des Freikolbenteils unter Vermeidung
der herkömmlicherweise erforderlichen
aktiven und passiven Regelsysteme.
Zur Realisierung der Erfindung kann auf an sich ausgereiften mechanischen Phasenkopplungstechniken
zurückgegriffen werden, so daß es problemlos möglich ist, derartige Motoren ausgehend
von einem Grundtyp in ganz unterschiedlichen Leistungsklassen zu realisieren.
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Erfindungsgemäß werden also die magnetischen Kupplungseinrichtungen
und das nachgeschaltete mechanische Getriebe einerseits dazu verwendet, eine optimale
Auskopplung der mechanischen Energie zur weiteren Verwertung zu erreichen, und andererseits
um den schwingenden Kolben eine durch ein mechanisches Getriebe exakt definiert
vorgegebene Phasenlage und ein entsprechend koordiniertes Schwingungsverhalten aufzuprägen.
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Damit werden auch die Schwierigkeiten herkömmlicher Freikolbenmaschinen
vermieden, welche im Anlaufbereich und bei Laständerungen auftraten. Es werden somit
sämtliche Vorteile von Freikolbenmaschinen erreicht, indem die grundsätzlichen Dichtungsprobleme
vermieden werden, und andererseits werden die für Freikolbenmaschinen typischen
Probleme problemlos beherrscht, welche aus dem komplizierten Verhalten eines frei
schwingenden Systems resultieren.
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Die gemäß Anspruch 7 vorgesehene Übertragungs-Einrichtung gestattet
es, abgeleitet von der Linearbewegung des Verdrängerkolbens und/oder des Arbeitskolbens
diesen eine Drehbewegung um ihre Längsachse aufzuprägen. Eine derartige Drehbewegung
gestattet es in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen magnetischen Kopplungseinrichtungen
an der Außenseite des Gehäuses eine kombinierte translatorische und drehende Bewegung
oder eine reine Drehbewegung zum Antrieb
von Sekundäraggregaten
abzugreifen. Gleichzeitig wird durch die Drehbewegung eine dynamische Dichtwirkung
zwischen den Kolben und der Gehäuseinnenwand erzielt.
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Die Maßnahme gemäß Anspruch 8 stellt sicher, daß Verdrängerkolben
und Arbeitskolben sich zwar miteinander drehen, jedoch eine voneinander unabhängige
Linearbewegung ausführen.
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Die gemäß Anspruch 9 vorgesehenen Kopplungs-Mittel, welche einen sinus-
bzw. cosinusförmigen Verlauf haben, gestatten es in besonders einfacher Weise, die
translatorische Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung umzusetzen.
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Durch die Anordnung der Kopplungs-Mittel gemäß Anspruch lo wird erreicht,
daß diese Kopplungs-Mittel gleichzeitig auch als die gemäß Anspruch 5 vorgesehenen
Kopplungs-Einrichtungen zur Erzielung einer definierten Phasenlage zwischen Arbeits-
und Verdrängerkolben herangezogen werden können, wobei bei Einstellung eines exakten
Sinus-Cosinus-Verhältnisses zwischen den Kopplungs-Mitteln, welche einerseits dem
Verdrängerkolben und andererseits dem Arbeitskolben zugeordnet sind, eine Phasendifferenz
von 900 entsprechend der üblichen Phasendifferenz eingestellt wird.
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Anstelle der Vorgabe einer festen Phasenlage ermöglichen es die erfindungsgemäßen
Kopplungs-Mittel, diese gemäß Anspruch 11 einstellbar zu machen, d.h. durch eine
Veränderung der Winkellage der Kopplungs-Mittel z.B.
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mittels magnetischer Manipulatoren, kann die Phasenlage zwischen Arbeits-
und Verdrängerkolben zur Anpassung
an bestimmte Betriebsweisen
oder Betriebszustände geändert werden.
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Eine besonders einfache Ausgestaltung der Kopplungs-Mittel gibt Anspruch
12 an. Dabei kann der danach vorgesehene Nocken sowohl als Gleitnocken ausgebildet
sein wie auch zur Reduktion der Reibung vorgesehen sein kann, daß ein Rad oder eine
Rolle die Führungskurve abtastet. Eine andere Ausgestaltung der Kopplungs-Mittel
ergibt sich aus Anspruch 13, wobei korrespondierend zu dem danach vorgesehenen sinus-
bzw. cosinusförmig verlaufenden magnetisierbaren oder magnetischen Material ein
damit wechselwirkendes, einem Nocken entsprechendes magnetisches oder magnetisierbares
Kopplungs-Mittel vorgesehen ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der
Zeichnung.
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Dabei zeigen Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße,
nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Freikolbenmaschine mit magnetischen Auskopplungseinrichtungen
und nachgeschaltetem mechanischem Getriebe, Fig. 2 einen schematischen Schnitt,
welcher die Entstehung der axialen Kraftübertragungskomponente veranschaulicht.
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Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform
mit Kopplungs-Mitteln zur Erzeugung einer Drehbewegung der Kolben,
Fig.
4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende
Darstellung einer Ausführungsform mit mechanischen Kopplungs-Mitteln.
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Fig. 1 zeigt ein Gehäuse 1, welches als Druckzylinder ausgebildet
ist. In diesem Gehäuse 1 ist ein Arbeitskolben 2 angeordnet, welcher an einem Führungsgestänge
3 linear auf- und abbeweglich gelagert ist. Weiterhin ist in dem Gehäuse 1 ein Verdrängerkolben
4 angeordnet, welcher gleichermaßen über das Gestänge 3 geführt ist. Ein Erhitzer
5, ein Regenerator 6 und ein Kühler 7 sind so angeordnet, daß sie einen Innenraum
11, welcher durch den Verdrängerkolben 4, den Arbeitskolben 2 und das Gehäuse 1
eingeschlossen wird, mit einem Innenraum 12, welcher zwischen dem Gehäuse 1 und
dem Verdrängerkolben 4 eingeschlossen ist, verbinden.
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Der Erhitzer 5 ist, wie im einzelnen nicht dargestellt, mit einer
externen Wärmequelle verbunden.
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Der Verdrängerkolben 4 ist über ein Gestänge 13 mit einer ersten inneren
Kopplungseinrichtung 9 verbunden, während der Arbeitskolben 2 über ein Gestänge
14 mit einer zweiten inneren Kopplungseinrichtung 15 verbunden ist. Beide Kopplungseinrichtungen
9, 15 sind als Weicheisenringe ausgebildet, welche radial nach außen offene Nuten
16 bzw. 17 aufweisen.
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Das Gehäuse 1 oder zumindest der Gehäusebereich um die Kopplungseinrichtungen
9, 15 ist aus einem unmagnetischen Material hergestellt. Hierfür kann z.B. ein Kunststoff
oder aber ein unmagnetisches Metall, wie
z.B. Aluminium, Verwendung
finden. Im letztgenannten Fall müssen lediglich gewisse Wirbelstromverluste bei
der Auskopplung in Kauf genommen werden.
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Außerhalb des Gehäuses 1 sind in Höhe der Kopplungseinrichtungen 9,
16 korrespondierende Kopplungseinrichtungen 8, 18 angeordnet. Diese Kopplungseinrichtungen
werden gebildet durch je einen ringförmigen Permanentmagneten, welcher nach innen
offene Ringnuten 19 bzw. 20 aufweist. Anstelle der der Einfachheit halber dargestellten
Permanentmagneten können auch entsprechend ausgebildeten Elektromagneten verwendet
werden, wobei es gleichermaßen möglich ist, die Elektromagneten mit Gleichstrom
oder mit Wechselstrom zu betreiben.
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Die äußeren Kopplungseinrichtungen 8, 18 sind mit je einem Gestänge
21 bzw. 22 verbunden, wobei beide Gestänge 21 bzw. 22 in axialer Richtung unabhängig
voneinander beweglich gelagert sind. Das Gestänge 21 ist über Gelenkpunkte 23, 24
und das Gestänge 22 über Gelenkpunkte 25, 26 mit einem als Kurbeltrieb ausgebildeten
mechanischen Getriebe 10 verbunden.
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Das mechanische Getriebe 10, welches als solches von herkömmlichen
Stirling-Motoren bekannt ist, ist in der Zeichnung nur schematisch dargestellt.
Durch die Wahl der Winkellage der Anlenkpunkte 24, 26 wird der Phasenwinkel 9 zwischen
Arbeitskolben 2 und Verdrängerkolben 4 vorgegeben. Aufgrund der Kopplung zwischen
Getriebe 10 und Arbeitskolben 2 bzw. Verdrängerkolben 4 ist eine feste Phasenlage
sowohl beim Anlaufen als auch beim Auftreten von Lastwechseln zwischen Arbeitskolben
2 und Verdrängerkolben 4 gesichert. Zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades
sind die Kolben 2, 4 und die Gaswege bzw. Gasräume so dimensioniert,
daß
im Falle eines idealen, freien Schwingens sich ein Phasenwinkel g , z.B. von 900,
einstellen würde, wie er durch das Getriebe lo vorgegeben wird. Hierdurch wird ein
besonders günstiger Wirkungsgrad erzielt, da das Getriebe 10 dann lediglich in den
kritischen Bereichen auf die Phasenlage von Arbeitskolben 2 und Verdrängerkolben
4 rückwirkt. Gleichzeitig dient die Abtriebswelle 27 des Getriebes lo zum Antrieb
nachgeschalteter Aggregate, so daß eine sehr günstige Auskopplung der mechanischen
Energie von Verdränger-und Arbeitskolben 4, 2 erreicht wird.
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In Fig. 2 ist dargestellt, wie aufgrund der Geometrie der äußeren
und inneren Kopplungseinrichtungen 8, 9, welche aufeinanderzu geöffnete Ringnuten
20 bzw.
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17 aufweisen, bei einer axialen Relativbewegung zwischen der Kopplungseinrichtung
8 und 9 eine axiale Kraftkomponente F entsteht, welche die angestrebte Koppelkraft
darstellt. Bei der Vernachlässigung von Wirbelstromverlusten, wenn also das Gehäuse
1, welches lediglich den kalten Teil der Maschine umhüllt, aus isolierendem Kunststoff
hergestellt ist, ergibt sich eine Kupplungskraft von ca. 800 Newton, wenn man eine
Luftspaltinduktion von o,5 Tesla und einen Kolbendurchmesser D von 25 cm bei einem
Luftspalt e von 1 cm zugrundegelegt.
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Die rechnerische Berücksichtigung von Wirbelstromverlusten bei Verwendung
eines leitfähigen Gehäuses 1, z.B. aus Aluminium, zeigt, daß die in Betracht zu
ziehenden Verluste lediglich geringfügig sind.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher abgeleitet von der
oszillierenden translatorischen Bewegung des Arbeitskolbens 2' bzw. des Verdrängerkolbens
4', welche in der Zeichnung nur schematisch dargestellt
sind, diesen
Kolben eine Drehbewegung (Pfeil 28) um die gemeinsame Längsachse 29 aufgeprägt wird.
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Die zeichnerische Darstellung in Fig. 3 beschränkt sich auf die Erläuterung
der Ableitung dieser Drehbewegung von der Oszillationsbewegung längs der Achse 29.
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Um zu erreichen, daß Arbeitskolben 2' und Verdrängerkolben 4' sich
gleichzeitig und um den gleichen Betrag drehen, ist eine Verbindung 30 in Form eines
Dorns vorgesehen, welcher mit Spiel in Ausnehmungen 31 bzw. 32 im Verdrängerkolben
4' bzw. Arbeitskolben 2' eingreift, so daß eine ungehinderte Bewegung dieser Kolben
in axialer Richtung relativ zueinander möglich ist. Da andererseits die Ausnehmungen
31, 32 bzw.
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die Verbindung 30, d.h. der hierfür vorgesehene Dorn, im Ausführungsbeispiel
im Querschnitt quadratisch ausgebildet sind, können sich die Kolben trotz ihrer
freien axialen Beweglichkeit nur gemeinsam drehen.
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Als Kopplungs-Mittel zwischen der Linearbewegung und der zu erzeugenden
Drehbewegung weist der Verdrängerkolben 4' einen cosinusförmig verlaufenden Einsatz
33 aus magnetisierbarem Material, z.B. Weicheisen, auf, während der Arbeitskolben
2' einen entsprechenden Einsatz 34 aufweist, welcher relativ zum Einsatz 33 sinusförmig,
d.h. um 900 phasenversetzt, verläuft.
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An der Gehäusewand sind Magneten 35, 36 befestigt, welche in Wechselwirkung
mit den Einsätzen 33 bzw. 34 treten, so daß bei einer Längsbewegung parallel zur
Achse 29 aufgrund der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen magnetischen Kraftkomponenten
den Kolben 2' bzw. 4' eine kontinuierliche Drehbewegung in Richtung des Pfeils 28
aufgeprägt wird. Diese Drehbewegung kann über eine magnetische Kopplungseinrichtung
ausgekoppelt
werden, welche im Ausführungsbeispiel durch die Magneten
37, 38 gebildet wird. Mit der Magnet-Anordnung 37 kann dann eine Abtriebswelle 39
zum Antrieb von Sekundäraggregaten verbunden werden.
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Anhand von Fig. 4 ist dargestellt, daß die äußeren Magneten 35 (bzw.
36) an einem Einstellring 41 angeordnet sind, der, wie durch den Pfeil 42 veranschaulicht,
eine Einstellung der Winkellage der Magneten 35, bzw. 36 relativ zum Gehäuse 40
und damit eine Einstellung des Phasenwinkels ç zwischen Verdrängerkolben 4' und
Arbeitskolben 23' ermöglicht.
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In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, wo im Inneren der
Gehäusewand 40 ein Einstellring 43 vorgesehen ist. Dieser Einstellring 43 trägt
Nocken 44, an deren Vorderende Rollen 45 angeordnet sind. Diese Rollen 45 greifen
in eine sinus- bzw. cosinusförmige Ringnut 46 am Verdrängerkolben bzw. Arbeitskolben
ein und dienen so als Kopplungs-Mittel zur Erzeugung einer Drehbewegung abgeleitet
von der translatorischen Bewegung der Kolben. Die Magnetpaare 47 bzw. 48 ermöglichen
eine Festlegung bzw. Veränderung der Winkellage des Einstellrings 40 und damit wiederum
des Phasenwinkels f zwischen Arbeits- und Verdrängerkolben.