EP1306539A2 - Zwei-Zyklen-Heissgasmotor - Google Patents

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EP1306539A2
EP1306539A2 EP02023231A EP02023231A EP1306539A2 EP 1306539 A2 EP1306539 A2 EP 1306539A2 EP 02023231 A EP02023231 A EP 02023231A EP 02023231 A EP02023231 A EP 02023231A EP 1306539 A2 EP1306539 A2 EP 1306539A2
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EP
European Patent Office
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piston
compression
hot gas
engine according
expansion
Prior art date
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EP02023231A
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English (en)
French (fr)
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EP1306539B1 (de
EP1306539A3 (de
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Andreas Gimsa
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Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
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Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
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Priority claimed from DE2002116190 external-priority patent/DE10216190C1/de
Priority claimed from DE2002140347 external-priority patent/DE10240347B3/de
Priority claimed from DE2002140750 external-priority patent/DE10240750C1/de
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Publication of EP1306539A3 publication Critical patent/EP1306539A3/de
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    • F02G2244/54—Double acting piston machines having two-cylinder twin systems, with compression in one cylinder and expansion in the other cylinder for each of the twin systems, e.g. "Finkelstein" engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02G2275/00—Controls
    • F02G2275/20—Controls for preventing piston over stroke

Definitions

  • the invention is in the field of hot gas engines.
  • Hot gas engines based on the Stirling principle are among the oldest heat engines. Basically, with the help of hot gas engines according to the Stirling principle or with it related principles higher efficiency than with steam engines, diesel or gasoline engines can be achieved. With the help of hot gas engines, a working gas heater is created from the outside Heat is supplied without combustion in the cylinder. The possible Use of renewable fuels and continuous combustion ensure in the In connection with the high level of efficiency, environmentally friendly energy efficiency.
  • Hot gas engines based on the Stirling principle are of the alpha, beta and gamma type known.
  • Alpha type the total working gas volume is determined by moving one Expansion piston and a compression piston affected.
  • beta and gamma types a displacer moves in a space of constant volume and only the working piston affects the total gas volume.
  • the object of the invention is an improved two-cycle hot gas engine of the alpha type specify that has a simple structure and for permanent operation on different Areas of application can be used flexibly.
  • This task is accomplished in a two-cycle hot gas engine with an expansion piston an expansion cylinder component and a compression piston in a compression cylinder component solved according to the invention in that the expansion piston and the compression piston are arranged along a common central axis.
  • a major advantage that the invention achieves over the prior art is that an engine structure for a two-cycle hot gas engine from Alpha type was created which, despite its structural simplicity, has a high power density provides.
  • the proposed engine has design parallels to the beta type and combines them with the advantages of a double-acting engine of the Alpha type.
  • the Pistons working in series ensure a slim gearbox and thus crankcase.
  • a common one can be used for the crosshead or profile slide of both connecting rods Use the track.
  • Another advantage of the invention is that piston rod bushings a cylinder wall can be realized on the side of the cool compression cylinder part can and are therefore easy to seal.
  • phase shift between expansion piston and compression piston can be set as desired.
  • the expansion volume can be compared to the compression volume vary
  • the symmetry of the expansion and compression pistons can be used excellently for free piston arrangements. This way Build pressure-resistant and completely pressure-tight motors.
  • the design of the hot gas engine according to the invention made two counter-rotating possible Cycles allow controllability via a cycle short circuit. Even with unpressurized gear the piston forces are low due to the two opposite cycles.
  • the first gas spaces in the Compression cylinder component on an underside of the compression piston and in the expansion cylinder component are formed on an underside of the expansion piston, via a first heater, a first regenerator and a first cooler are connected, and that second gas spaces in the compression cylinder component on an upper side of the compression piston and in the expansion cylinder member on a top of the expansion piston are formed, via a second heater, a second regenerator and a second Cooler connected.
  • the working gas connection line from Heater for expansion cylinder component can be used for thermal separation of both components each gas cycle consists in part of a straight tube, defined in terms of dimensions, that works as a pulse tube.
  • a compact design of the hot gas engine is in an expedient embodiment supports the invention in that between the expansion cylinder component and the Compression cylinder component, a channel is formed, wherein a piston rod in the channel of the expansion piston is arranged, which is guided pressure-tight through the channel. With the help of the channel, the hydraulic and, if necessary, thermal separation of the Compression and expansion cylinder component.
  • a pressure-tight bearing of the piston rod of the expansion piston in the channel is at an advantageous embodiment of the invention in that the channel in one Connection component is formed, which at least a portion of the expansion cylinder component and includes at least a portion of the compression cylinder member. In this way, the channel can be created in a one-piece connecting component.
  • An embodiment can be used to support the most compact possible construction of the hot gas engine the invention appropriately provide that the piston rod of the expansion piston is movably inserted through a bore in the compression piston. In this way a piston force transmission of the expansion piston to a transmission can be realized.
  • Movement of the compression piston along the piston rod of the expansion piston is made possible in an expedient development of the invention in that the piston rod of the expansion piston is movably guided through the compression piston.
  • the piston rod of the expansion piston can expediently be provided movable through an opening in a housing of the compression cylinder component is passed through. In this way it is possible to use the piston rod of the expansion piston to lead to the outside in the region of the compression cylinder component, for example for connecting a connecting rod.
  • a space-saving design of the hot gas engine is a further development of the invention allows a piston rod attached to the compression piston to have a Breakthrough, wherein the piston rod of the expansion piston through the opening is passed through.
  • Leading out the piston rod of the compression piston and the piston rod together of the expansion piston from the compression cylinder component is in one embodiment advantageously enables the invention in that on the compression piston attached piston rod pressure-tight through the opening in the housing of the compression cylinder component is passed through.
  • a direct coupling of the movement of the compression piston to that of the expansion piston and its piston rod is in a preferred embodiment of the invention thereby enables the compression piston to have a cavity in which a attached to the piston rod of the expansion piston movable buffer piston is so that two buffer spaces are formed in the cavity.
  • a transmission for power transmission between the piston rod of the expansion piston and the compression piston can be saved in a further development of the invention be that the two buffer spaces are formed in the cavity so that a movement of the Expansion piston and the attached buffer piston in the cavity for gas compression / gas relaxation in the two buffer spaces leads to movement of the compression piston to effect.
  • a section of the buffer space shrinks it arises here is an overpressure that pushes the compression piston.
  • the other section of the buffer space increases at the same time, so that there is a negative pressure that the compression piston draws.
  • the compression piston always moves when the Force that results from the pressure difference between the two buffer space sections is greater is the required compression force.
  • a pressure-tight leading the piston rod of the expansion piston out of the compression cylinder component is facilitated in an expedient development of the invention that a portion extending beyond the compression cylinder member the piston rod of the expansion piston in a sealed interior of an extension sleeve is received, the extension sleeve on the outside of the compression cylinder component is appropriate.
  • Extension sleeve sealed to the cylinder component using simple means become.
  • a distal end of the Piston rod of the expansion piston received in the cavity of the compression piston and that the expansion cylinder component and the compression cylinder component in a linear guide are movably mounted.
  • the hollow compression piston only has a pressure-tight piston rod opening on the side facing the expansion piston is.
  • the cylinder consisting of expansion and compression cylinder component, can be in one Linear guide can be movably supported. Moves with the expansion piston the cylinder resonates and can do external work with complete pressure tightness.
  • heaters and regenerators also move with the cylinder and cooler, what an improved heat transfer in the heaters and coolers can be used.
  • the compression piston has a cavity and that the piston rod of the expansion piston through is formed through the cavity, wherein in the cavity on the piston rod of the expansion piston a magnetic piston with magnetic means is arranged, which with further magnetic means interact, and with opposite portions of the magnetic means and the further magnetic means have a similar magnetic polarity.
  • a magnetic piston with magnetic means is arranged, which with further magnetic means interact, and with opposite portions of the magnetic means and the further magnetic means have a similar magnetic polarity.
  • the necessary phase shift between the expansion piston and Compression pistons easier than in the above-mentioned embodiment with a buffer piston Realize in the compression piston, because only with a very small distance between opposite Sections of the magnetic means and the other magnetic means a repulsive force becomes so large that the movement of the compression piston begins.
  • the necessary Compression pressures can be selected by a suitable selection of the magnetic means and the other magnetic means can be set.
  • a compact design of the hot gas engine is supported in that the other magnetic means at least partially arranged in the area of the end faces of the compression piston are.
  • a compact heater which is a cylindrical designed as an unassembled component Includes base body with a combustion chamber and a heat transfer surface for working gas, wherein the heat transfer surface for working gas in a surface layer of the cylindrical Base body is formed spirally. Due to the spiral surface arrangement can create space-saving and streamlined heat transfer conditions.
  • To close the spiral passages and to provide the connections for the working gas can the spiral passages through sleeves shrunk in and onto the cylindrical base body, to which the gas connection pieces are fastened.
  • An inner sleeve which also forms the combustion chamber, can be closed on one side and leaves one below defined spiral passage area of the flue gas spiral freely to a turning chamber for the Train flue gas.
  • the use of the compact heater for two working gases is a further development of the invention thereby allowing the heat transfer surface for working gas a working gas spiral for a first working gas and at least one of the working gas spiral hydraulic includes separate further working gas spiral for a second working gas. That way a single compact heater for operating the above-described embodiments of the Hot gas engines are used.
  • the manufacture of the compact heater is facilitated in a further development of the invention by that the heat transfer surface for working gas on an outer circumference of the cylindrical Basic body is formed.
  • the heat transfer surface for combustion air is formed on the outer circumference of the cylindrical base body.
  • the heat transfer surface for working gas in an area around the combustion chamber and the heat transfer surface for combustion air in an area above the combustion chamber of the cylindrical base body are arranged so that thermal energy generated in the combustion chamber first the heat transfer surface for working gas and then the heat transfer surface can heat for combustion air. This is done with the help of a fuel Thermal energy generated in the combustion chamber is used efficiently when operating the hot gas engine.
  • a preferred development of the invention provides that the cylindrical base body with Help is carried out by two base body components, the two base body components are connected by means of a disk-shaped hole component and the disk-shaped hole component a connection channel for guiding combustion air into the combustion chamber and a flue gas connection channel for connecting heat transfer surfaces for Has flue gas in the two base body components.
  • This makes it possible to use one of the two basic body parts a continuous spiral heat transfer surface for to create the combustion air that can be created by rotating, so that the elaborate milling of the heat transfer surface is saved.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a two-cycle hot gas engine with a Cylinder housing 1.
  • the cylinder housing 1 there are an expansion piston 2 in an expansion cylinder component 3 and a compression piston 4 in a compression cylinder component 5 arranged.
  • the expansion piston 2 and the compression piston 4 are along a common one Center line 6 arranged one behind the other.
  • the expansion cylinder component 3 and that Compression cylinder component 5 are connected to one another via a connecting component 7, in which a channel 8 is formed.
  • a piston rod 9 of the expansion piston 2 pressure-tight is a piston rod 9 of the expansion piston 2 pressure-tight.
  • the piston rod 9 of the expansion piston 2 extends through an opening 4 a into the compression piston 4 and through the compression piston 4 and a piston rod 10 of the compression piston 4 therethrough.
  • the piston rod 10 of the compression piston 4 is through an opening 11 in the compression cylinder component 5 led outwards. Carrying out the piston rod 10 of the compression piston 4 and the piston rod 9 of the expansion piston mounted therein 2 out of the compression cylinder component 5 is pressure-tight.
  • the piston rod 9 of the Expansion piston 2 is guided through an opening 10a in the piston rod 10.
  • a connecting rod 12, 13 is coupled, so that the piston rods 9, 10 with a crankshaft 14 are connected.
  • first gas spaces GH1 and GK1 are formed on an underside 15 of the compression piston 4 and on an underside 16 of the expansion piston 2, first gas spaces GH1 and GK1 are formed.
  • the first gas rooms GH1, GK1 are connected via a first connecting channel 17.
  • a first heater 18, a first regenerator 19 and a first cooler 20 are arranged in the connecting channel 17.
  • second gas spaces GK2 and GH2 are created, which via a second Connection channel 23 are connected.
  • second connection channel 23 there are one second heater 24, a second regenerator 25 and a second cooler 26 are arranged.
  • the expansion cylinder component 3 and the expansion piston 2 can be made of a high temperature material his. In this embodiment, can be in a wall 27 of the expansion cylinder component 3 heat pipe and gas channels (not shown in FIG. 1) Heat the gas spaces GH1, GH2 equally isothermally.
  • the compression cylinder component 5 can be made of Duran glass, for example.
  • the compression piston 4 can expediently be made of graphite.
  • FIG 2 shows a schematic representation of a two-cycle hot gas engine, in which for same features the reference numerals used in Figure 1 are used.
  • the compression piston 4 has a cavity 30 on.
  • a buffer piston 31 is arranged in the cavity 30 and is connected to the piston rod 9 of the expansion piston 2 is formed. With the help of the buffer piston 31 are in the Cavity 30 buffer spaces P1 and P2 created.
  • the expansion piston moves 2 the working gas which is located in the buffer spaces P1, P2 is compressed / expanded, which causes an upward or downward movement of the compression piston 4 leads. In this way, the gas spaces GH1, GH2 rush the gas spaces GK1, GK2 in a defined manner Way ahead.
  • Magnets 32a-32d stop the compression piston 4 prevented on the housing 33 of the compression cylinder component 5. To this purpose, the magnets 32a and 32b or 32c and 32d each have an opposite magnetic one Polarity on.
  • the embodiment shown in FIG to a gearbox for coupling the piston rod 9 of the expansion piston 2 the compression piston 4 can be dispensed with.
  • the coupling is done with the help of the buffer piston 31 and the resulting buffer spaces P1, P2.
  • the piston rod 9 of the expansion piston 2 is coupled to the connecting rod 13 via a crosshead 34.
  • FIG. 3 shows the two-cycle hot gas engine according to FIG. 2, but one over the Compression cylinder component 5 extending end 40 of the piston rod 9 of the expansion piston 2 is received in an extension sleeve 41.
  • the extension sleeve 41 is placed pressure-tight on the compression cylinder component 5.
  • a magnetic coupling 42 is the piston rod 9 of the expansion piston 2 on an outer guide piston 43 coupled, which slides in a cylinder 44 of the guide piston 43.
  • the guide piston 43 in turn is connected to the connecting rod 13.
  • the guide piston 43 can be lubricated with its cylinder 44 and similar to a gasoline engine be executed.
  • FIG. 4 shows another two-cycle hot gas engine, the same features in FIG Figures 1 to 3 used reference numerals are used.
  • the embodiment according to Figure 4 ends a distal end 50 of the piston rod 9 of the expansion piston 2 on the buffer piston 31.
  • the hot gas engine according to FIG. 4 does not lead out the piston rod 9 of the expansion piston 2 provided from the compression cylinder component 5. In this way, the cylinder housing 1 completely closed.
  • an extension 51 is attached, which in one Part 52 of a linear guide is movably mounted.
  • the extension 51 is via the connecting rod 13 connected to the crankshaft 14.
  • Another part 53 of the linear guide is in the range of Connection component 7 provided.
  • the linear guide ensures a linear movement of the cylinder housing 1.
  • the first cooler moves together with the cylinder housing 1 18, the first regenerator 19, the first heater 20, the second cooler 24, the second regenerator 25 and the second heater 26.
  • a pulse transmission to initiate the movement of the compression piston 4 takes place as this in connection with the embodiments was described according to Figures 2 and 3, due to the gas compression in the buffer spaces P1, P2.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a further embodiment of a two-cycle hot gas engine with a cylinder housing 100, a compression cylinder component 101 and an expansion cylinder component 102.
  • a compression piston 103 is arranged in the compression cylinder component 101 .
  • an expansion piston 104 is stored in the expansion cylinder component 102 .
  • the compression cylinder member 101 and the expansion cylinder member 102 are connected via a connecting component 105, in which a piston rod 106 of the expansion piston 104 is mounted pressure-tight. There is a seal for sealing 107 provided.
  • first and second gas spaces GH1, GK1 and GH2, GK2 formed.
  • the first and second gas spaces GH1, GH2, GK1, GK2 each have via connections 108, 109, 110 and 111.
  • connections 108-111 are according to the explanations for Figures 1 to 4 heaters, regenerators and coolers (in Figure 5 not shown) coupled.
  • the expansion piston 104 is attached using a piston mounting nut 112 held on the piston rod 106. Between a piston clamping plate 113 and the piston mounting nut 112, a tension spring 114 is mounted. Another piston clamping plate 115 is fastened to the piston rod 106 with the aid of a fastening pin 116.
  • the hot gas engine 5 a magnetic drive of the compression piston 103 is provided.
  • the magnetic Drive comprises a plurality of magnetic means 121, 122, 123.
  • the multiple magnetic means 121-123 each have disc-shaped pole plates 121a, 121b, 122a, 122b, 123a, 123b.
  • Opposing pole plates, for example pole plates 122b and 123a have the same magnetic polarity, so that repulsive forces act when the one another to move opposite pole plates towards each other. Unleash the repulsive forces a large force effect usually only when the actual approach of the one another opposite pole plates.
  • Magnetic means 120, 124, also via pole plates 120a, 124a are provided to stop the compression piston 103 to prevent the compression cylinder member 101.
  • the magnets 120-124 can be arranged in a ring with the help of magnetic drums Bar magnets are executed.
  • the magnet 122 is on the Piston rod 106 fixed.
  • the seals 107, 126-128 are made of Teflon, for example.
  • the piston rod 106 of the expansion piston 104 is made of a non-magnetic and electrically poorly conductive material, for example V4A steel.
  • the cylinder component is Made in several parts and is held together with the aid of screw connections 129, 130, 131, 132.
  • a stroke path S1 of the expansion piston 103 is indicated schematically in FIG. Over a Changing a hollow length H1 of the compression piston 103 and a hollow length H2 of the compression cylinder component 101 can be adjusted such that the Stroke S1 of the expansion piston 103 larger, equal to or smaller than a stroke S2 of the Compression piston 104 is. This allows the compression ratio of the engine and the discontinuous piston movement of the compression piston 103 can be influenced.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a two-cycle hot gas engine 200 with a Compression cylinder component 201 and an expansion cylinder component 202.
  • a cooler 203 has a central axis 204 that is substantially parallel to the central axis 205 another cooler 206 is arranged.
  • the central axis 204 of the cooler 203 and the central axis 205 of the further cooler 206 are substantially perpendicular to a central axis 207 of the Compression cylinder component 201 and the expansion cylinder component 202.
  • a central axis 208 of a regenerator 209 is substantially parallel to a central axis 210 of another Regenerator 211 and the central axis 207 of the compression cylinder component 201.
  • two successive heating spirals 212 and 213 are also shown.
  • the two heater spirals 212, 213 can be used as single-pipe heaters with low output or run as a cylindrical canned heater. This gives you the option of using a burner, which is located within the two heating coils 212, 213 lying one behind the other is arranged to heat the gas spaces of both cycles of the engine. In this way, a otherwise the second burner required is saved.
  • Figure 7 shows a compact heater 300, which in connection with any hot gas engines can be used, which means that the compact heater 300 is not only related with the two-cycle hot gas engines that can be used advantageously in conjunction have been described with Figures 1 to 6. Also the use for beta and gamma motors is advantageous if the spiral connections are adapted to the motor geometry can.
  • the compact heater 300 has a cylindrical sleeve 500 to which a combustion air connection 302, a first working gas connection 303, a second working gas connection 304 and a first working gas outlet 305 is formed. There is a second working gas outlet on a rear side of the compact heater 300 and can therefore not be seen in FIG. 7. At a lower end 306 of the compact heater 300 a burner 307 is connected.
  • FIG. 8 shows the compact heater 300 according to FIG. 7 in a section along a line AA ′ in FIG Figure 7.
  • a heat transfer surface for combustion air 309 is formed in the form of a channel.
  • the Spiral heat transfer surface for combustion air 309 is with the combustion air connection 302 in connection.
  • the combustion air passes through the combustion air connection 302 in the spiral heat transfer surface for combustion air 309 and via a connecting pipe 310 into a combustion chamber 311, where by means of the burner 307 a fuel is burned to produce thermal energy. It can be provided connect a fan upstream of the combustion air connection 302 to the combustion air with a predetermined pressure.
  • FIG. 9 shows the compact heater 300 according to FIG. 7 in a top view.
  • FIGS. 10, 11 and 12 A further compact heater 400 is shown in FIGS. 10, 11 and 12, with the same being the same Features the same reference numerals as in connection with Figures 7, 8 and 9 be used.
  • the two base body components 401 and 402 are by means of a hole component 403 connected with each other.
  • FIG. 11 there is a combustion air connection channel in the hole component 403 404 provided, through which the combustion air from the spiral Heat transfer surface for combustion air 309 get into the combustion chamber 311 can.
  • the combustion air communication channel 404 takes over in the embodiment 10 to 12, the function of the connecting channel 310 in FIG. 8 the inner circumference 314 of the base body components 401, 402 are two inner sleeves 510, 511 arranged.
  • FIG. 12 shows the further compact heater 400 according to FIG. 10 in a top view.
  • the spiral design of the heat transfer surfaces in the compact heater 300 as well as the other compact heater 400 is suitable for execution as a single-tube heater. From today's point of view, the compact heater 300 and the further compact heater are manufactured 400 from a high temperature metal is an advantageous solution if the requirements a high temperature resistance, a scale resistance and a sufficient Sealability of the connections are guaranteed.
  • the cylindrical one Base body 301 are formed with the help of a casting mold, which is then also the spiral Has heat transfer surfaces.
  • suitable wall thicknesses and draft angles of the spiral channels for forming the heat transfer surfaces must be taken into account.
  • an operating temperature does not exceed 600 ° C
  • production is from Insert material SiMo-alloyed cast iron with spheroidal graphite is a suitable solution.
  • a another possibility is to rotate the cylindrical base body 301 and / or milling the spiral channels on the inner and outer circumferences 314, 308 train.
  • a cylindrical high-temperature hollow steel can be used here.
  • An outer sleeve 500 is shrunk on and closes off the spiral heat transfer surfaces on the outer circumference 308.
  • the inner sleeve 510 is shrunk.
  • the sleeve 500 is with the connections 302-305 shrunk.
  • shrinking is possible because at the compact heater 300 and the further compact heater 400 the heat of the burner 307 is always fed from the inside.
  • the tightness is then guaranteed, since there is initially the inner sleeve 510, then the cylindrical base body 301 and finally the outer sleeve Stretch 500.
  • a cooling takes place from the outside to the inside and is therefore regarding Tightness of the spiral heat transfer surfaces is also not critical.
  • the compact heater 300 and the further compact heater 400 allow a compact one Design of heaters that can be used for any hot gas engine. About that In addition, inexpensive production is made possible in the embodiment described. In addition, favorable heat transfer conditions are formed, but only small ones Pressure drops occur.
  • the described with reference to Figures 7 to 12 Design of the heat transfer surface for working gas enables the formation of at least two working gas rooms that are heated with a burner. The use of High temperature casting is possible. If the compact heater 300 and the other compact heater 400 in the upright arrangement shown in FIGS. 7, 8 and 10, 11, respectively are used, a direct transfer of the flue gas to the chimney is made possible.
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of a two-cycle hot gas engine 500, which operates with a work machine 600 is connected, with the same features in FIGS to 5 reference numerals used.
  • Two membrane secondary pages 603, 604 are designed as a pump work space. So the pumps Membrane a liquid 605 by opening at least one outlet valve 607 at excess pressure and at least one inlet valve 606 closed and at least one under vacuum Exhaust valve 607 is closed and an inlet valve 606 is opened.
  • the two-cycle hot gas engine 500 be an engine with its two working gas chambers, two hydraulically separated membranes 608, 609 or deformable surfaces with 180 ° phase displacement. In this manner the work yield can be doubled and pulse smoothing can be achieved.
  • the working gas pressure fluctuations can be carried out without mechanical force transmission
  • the engine can be used to run at least one with the working gas diaphragm of a driven machine's machine, which is in the pressure bond on the primary side or to vibrate the piezoelectric surface of a power generator.
  • the working machine 600 is a double-acting machine Diaphragm pump, the diaphragm primary sides of which is hydraulically connected to the engine working gas and the pressure fluctuations cause the membranes to vibrate become.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zwei-Zyklen-Heißgasmotor mit einem Expansionskolben in einem erhitzbaren Zylinderbauteil und einem Kompressionskolben in einem kühlbaren Zylinderbauteil. Der Expansionskolben und der Kompressionskolben sind entlang einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Heißgasmotoren.
Heißgasmotoren nach dem Stirling-Prinzip gehören zu den ältesten Wärmekraftmaschinen. Grundsätzlich kann mit Hilfe von Heißgasmotoren nach dem Stirling-Prinzip oder den damit verwandten Prinzipien ein höherer Wirkungsgrad als mit Dampfmaschinen, Diesel- oder Ottomotoren erreicht werden. Mit Hilfe von Heißgasmotoren wird von außen einem Arbeitsgas-Erhitzer Wärme zugeführt, ohne daß eine Verbrennung im Zylinder erfolgen muß. Der mögliche Einsatz nachwachsender Brennstoffe und die kontinuierliche Verbrennung sichern im Zusammenhang mit dem hohen Wirkungsgrad eine umweltschonende Energieeffizienz.
Heißgasmotoren nach dem Stirling-Prinzip sind als Motoren vom Alpha-, Beta- und Gamma-Typ bekannt. Beim Alpha-Typ wird das Arbeitsgasgesamtvolumen durch die Bewegung eines Expansionskolbens und eines Kompressionskolbens beeinflußt. Beim Beta- und Gamma-Typ bewegt sich ein Verdränger in einem Raum konstanten Volumens und lediglich der Arbeitskolben beeinflußt das Gasgesamtvolumen.
Trotz der mit Hilfe von Heißgasmotoren möglichen effizienten Energieumwandlung werden derartige Motoren bisher noch nicht in großem Umfang für die Erzeugung mechanischer Energie eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Zwei-Zyklen-Heißgasmotor vom Alpha-Typ anzugeben, der einen einfachen Aufbau aufweist und für einen dauerhaften Betrieb auf verschiedene Anwendungsgebieten flexibel einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Zwei-Zyklen-Heißgasmotor mit einem Expansionskolben in einem Expansionszylinderbauteil und einem Kompressionskolben in einem Kompressionszylinderbauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Expansionskolben und der Kompressionskolben entlang einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind.
Ein wesentlicher Vorteil, welcher mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, daß ein Motoraufbau für einen Zwei-Zyklen-Heißgasmotor vom Alpha-Typ geschaffen wurde, der trotz konstruktiver Einfachheit eine hohe Leistungsdichte zur Verfügung stellt. Der vorgeschlagene Motor weist konstruktive Parallelen zum Beta-Typ auf und vereint diese mit den Vorteilen eines doppelt wirkenden Motors vom Alpha-Typ. Die hintereinander arbeitenden Kolben gewährleisten ein schlankes Getriebe und damit auch Kurbelgehäuse. Für die Kreuzkopf- oder Profilschienenschlitten beider Pleuel lässt sich eine gemeinsame Laufschiene verwenden.
Innerhalb eines Zylinderbauteils wird wegen der gleichen Temperatur kein Wärmestrom induziert. Das betrifft die Zylinderbauteilwand und die Kolben gleichermaßen. Damit wird eine größere Annäherung an isotherme Verhältnisse erreicht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Kolbenstangendurchführungen durch eine Zylinderwand auf der Seite des kühlen Kompressionszylinderteiles realisiert werden können und damit leicht abzudichten sind.
Darüber hinaus läßt sich der Phasenversatz zwischen Expansionskolben- und Kompressionskolben beliebig einstellen. Das Expansionsvolumen läßt sich gegenüber dem Kompressionsvolumen variieren
Des weiteren können die Symmetrieverhältnisse des Expansions- und des Kompressionskolbens hervorragend für Freikolben-Anordnungen genutzt werden. Auf diese Weise lassen sich druckfeste und vollkommen druckdichte Motoren aufbauen.
Die bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Heißgasmotors ermöglichten zwei gegenläufigen Zyklen erlauben eine Regelbarkeit über einen Zyklen-Kurzschluss. Auch bei drucklosem Getriebe sind die Kolbenkräfte wegen der beiden gegenläufigen Zyklen gering.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Expansionskolben und der Kompressionskolben angeordnet sind, um beim Betrieb fluchtend hintereinander zu arbeiten. Hierdurch können beide Kolben und deren Zylinderteile durchmessergleich ausgeführt werden.
Bei einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß erste Gasräume, die in dem Kompressionszylinderbauteil auf einer Unterseite des Kompressionskolben und in dem Expansionszylinderbauteil auf einer Unterseite des Expansionskolbens gebildet sind, über einen ersten Erhitzer, einen ersten Regenerator und einen ersten Kühler verbunden sind, und daß zweite Gasräume, die in dem Kompressionszylinderbauteil auf einer Oberseite des Kompressionskolbens und in dem Expansionszylinderbauteil auf einer Oberseite des Expansionskolbens gebildet sind, über einen zweiten Erhitzer, einen zweiten Regenerator und einen zweiten Kühler verbunden sind. Mit dieser Anordnung werden zwei Gaszyklen geschaffen, die gleichgerichtet mit 180 Grad Phasenversatz arbeiten. Die Arbeitsgasverbindungsleitung vom Erhitzer zum Expansionszylinderbauteil kann zur thermischen Trennung beider Bauteile für jeden Gaszyklus zum Teil aus einem, in den Abmessungen definierten, geraden Rohr bestehen, das als Pulsrohr arbeitet.
Eine kompakte Bauweise des Heißgasmotors wird bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung dadurch unterstützt, daß zwischen dem Expansionszylinderbauteil und dem Kompressionszylinderbauteil ein Kanal gebildet ist, wobei in dem Kanal eine Kolbenstange des Expansionskolbens angeordnet ist, die druckdicht durch den Kanal hindurch geführt ist. Mit Hilfe des Kanals erfolgt die hydraulische und, wenn nötig, thermische Trennung des Kompressions- und des Expansionszylinderbauteils.
Eins druckdichte Lagerung der Kolbenstange des Expansionskolbens in dem Kanal ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch erleichtert, daß der Kanal in einem Verbindungsbauteil gebildet ist, welches zumindest einen Teilabschnitt des Expansionszylinderbauteils und zumindest einen Teilabschnitt des Kompressionszylinderbauteils umfaßt. Auf diese Weise kann der Kanal in einem einteiligen Verbindungsbauteil geschaffen werden.
Zum Unterstützen einer möglichst kompakten Bauweise des Heißgasmotors kann eine Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig vorsehen, daß die Kolbenstange des Expansionskolbens bewegbar durch eine Bohrung in dem Kompressionskolben eingeführt ist. Auf diese Weise kann eine Kolbenkraftfortleitung des Expansionskolbens zu einem Getriebe realisiert werden.
Eine Bewegung des Kompressionskolbens entlang der Kolbenstange des Expansionskolbens ist bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung dadurch ermöglicht, daß die Kolbenstange des Expansionskolbens bewegbar durch den Kompressionskolben hindurch geführt ist.
Zweckmäßig kann bei einer Weiterbildung vorgesehen sein, daß die Kolbenstange des Expansionskolbens bewegbar durch eine Öffnung in einem Gehäuse des Kompressionszylinderbauteils hindurch geführt ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Kolbenstange des Expansionskolbens im Bereich des Kompressionszylinderbauteils nach außen zu führen, beispielsweise zum Ankoppeln eines Pleuels.
Eine platzsparende Bauweise des Heißgasmotors ist bei einer Fortbildung der Erfindung dadurch ermöglicht, daß eine an dem Kompressionskolben angebrachte Kolbenstange einen Durchbruch aufweist, wobei die Kolbenstange des Expansionskolben durch den Durchbruch hindurch geführt ist.
Ein gemeinsames Herausführen der Kolbenstange des Kompressionskolbens und der Kolbenstange des Expansionskolbens aus dem Kompressionszylinderbauteil ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft dadurch ermöglicht, daß die an dem Kompressionskolben angebrachte Kolbenstange druckdicht durch die Öffnung im Gehäuse des Kompressionszylinderbauteils hindurch geführt ist.
Eine unmittelbare Kopplung der Bewegung des Kompressionskolbens an die des Expansionskolbens und dessen Kolbenstange ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch ermöglicht, daß der Kompressionskolben einen Hohlraum aufweist, in welchem ein an die Kolbenstange des Expansionskolbens befestigter Pufferkolben bewegbar angeordnet ist, so daß in dem Hohlraum zwei Pufferräume gebildet sind.
Ein Getriebe zur Kraftübertragung zwischen der Kolbenstange des Expansionskolbens und dem Kompressionskolben kann bei einer Weiterbildung der Erfindung dadurch eingespart werden, daß die zwei Pufferräume in dem Hohlraum so gebildet sind, daß eine Bewegung des Expansionskolbens und des hieran befestigten Pufferkolbens in dem Hohlraum zu einer Gasverdichtung/Gasentspannung in den zwei Pufferräumen führt, um eine Bewegung des Kompressionskolbens zu bewirken. Wenn sich ein Abschnitt des Pufferraums verkleinert, entsteht hier ein Überdruck, der den Kompressionskolben schiebt. Der andere Abschnitt des Pufferraums vergrößert sich gleichzeitig, so daß dort ein Unterdruck entsteht, der den Kompressionskolben zieht. Eine Bewegung des Kompressionskolbens tritt immer dann ein, wenn die Kraft, die sich aus der Druckdifferenz zwischen den beiden Pufferaumabschnitten ergibt, größer ist als die benötigte Kompressionskraft.
Ein druckdichtes Herausführen der Kolbenstange des Expansionskolbens aus dem Kompressionszylinderbauteil wird bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung dadurch erleichtert, daß ein sich über das Kompressionszylinderbauteil hinaus erstreckender Abschnitt der Kolbenstange des Expansionskolbens in einem abgedichteten Innenraum einer Verlängerungshülse aufgenommen ist, wobei die Verlängerungshülse außen an dem Kompressionszylinderbauteil angebracht ist. Im Vergleich zum druckdichten Hindurchführen der Kolbenstange des Expansionskolbens durch ein Gehäuse des Kompressionsylinderbauteils kann die Verlängerungshülse mit Hilfe einfacher Mittel abgedichtet an dem Zylinderbauteil montiert werden. Mit Hilfe der Befestigung von Permanentmagneten an dem sich über das Kompressionszylinderbauteil hinaus erstreckendem Abschnitt der Kolbenstange des Expansionskolbens läßt sich eine Magnetkupplung mit einem äußeren die Verlängerungshülse umschließenden magnetischen beweglichen Teil oder ein Lineargenerator mit einem äußeren feststehenden die Verlängerungshülse umschließenden Spulenkörper erreichen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein distales Ende der Kolbenstange des Expansionskolbens in dem Hohlraum des Kompressionskolbens aufgenommen ist und daß das Expansionszylinderbauteil und das Kompressionszylinderbauteil in einer Linearführung bewegbar gelagert sind. Der hohle Kompressionskolben hat somit nur eine druckdichte Kolbenstangen-Öffnung auf der Seite, die dem Expansionskolben zugewandt ist. Der Zylinder, bestehend aus Expansions- und Kompressionszylinderbauteil, kann in einer Linearführung beweglich gelagert werden. Mit der Bewegung des Expansionskolbens gerät der Zylinder in Resonanz und kann nach außen bei völliger Druckdichtigkeit Arbeit verrichten. Bei dieser Ausführungsform bewegen sich mit dem Zylinder auch Erhitzer, Regeneratoren und Kühler, was für eine verbesserte Wärmeübertragung in den Erhitzern und Kühlern genutzt werden kann.
Bei einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Kompressionskolben einen Hohlraum aufweist und daß die Kolbenstange des Expansionskolbens durch den Hohlraum hindurch gebildet ist, wobei in dem Hohlraum an der Kolbenstange des Expansionskolbens ein Magnetkolben mit Magnetmitteln angeordnet ist, die mit weiteren Magnetmitteln wechselwirken, und wobei gegenüberliegende Abschnitte der Magnetmittel und der weiteren Magnetmittel eine gleichartige magnetische Polung aufweisen. An Stelle des beschriebenen hydraulischen Antriebs mit dem Pufferkolben wird so ein phasenversetzter magnetischer Antrieb des Kompressionskolbens erreicht. Der Magnetkolben braucht im Kompressionskolben nicht abgedichtet zu werden. Auf diese Weise ist ein magnetischer Antrieb geschaffen. Der Antrieb des Kompressionskolbens erfolgt direkt über den Expansionskolben. Die Netto-Arbeit kann an der Kolbenstange des Expansionskolbens abgegriffen werden, ohne daß hierfür das übliche Getriebe benötigt wird. Mit Hilfe der Magnetmittel und der weiteren Magnetmittel läßt sich der notwendige Phasenversatz zwischen dem Expansionskolben und Kompressionskolben einfacher als bei der oben genannten Ausführungsform mit Pufferkolben im Kompressionskolben realisieren, da erst bei einem sehr geringen Abstand zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der Magnetmittel und der weiteren Magnetmittel eine Abstoβungkraft so groß wird, daß die Bewegung des Kompressionskolbens eintritt. Die notwendigen Kompressionsdrücke können durch eine geeignete Auswahl der Magnetmittel und der weiteren Magnetmittel eingestellt werden.
Eine kompakte Bauweise des Heißgasmotors wird dadurch unterstützt, daß die weiteren Magnetmittel zumindest teilweise im Bereich von Stirnflächen des Kompressionskolben angeordnet sind.
Der Vorteil beim hydraulischen und magnetischen Antrieb des Kompressionskolbens gegenüber einem mechanischen liegt darin, daß die Kompressionskraft nicht über das Getriebe geleitet werden muß. An der Kolbenstange des Expansionskolbens kann folglich die Netto-Arbeit abgegriffen werden.
Eine effiziente Nutzung der zum Erhitzen des Expansionszylinderbauteils genutzten Energie ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß ein Kompakterhitzer vorgesehen ist, welcher einen als ungefügtes Bauteil ausgeführten zylindrischen Grundkörper mit einem Brennraum und einer Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas umfaßt, wobei die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas in einer Oberflächenschicht des zylindrischen Grundkörpers spiralförmig gebildet ist. Durch die spiralförmige Flächenanordnung können platzsparende und strömungsgünstige Wärmeübertragungsbedingungen geschaffen. Um die Spiralgänge zu verschließen und die Anbindungen für das Arbeitsgas vorzusehen, können die Spiralgänge durch in und auf den zylindrischen Grundkörper geschrumpfte Hülsen, an denen die Gasanschlussstutzen befestigt sind, verschlossen werden. Eine Innenhülse, die gleichzeitig den Brennraum bildet, kann einseitig verschlossen sein und läßt unten einen definierten Spiralgangbereich der Rauchgasspirale frei, um eine Wendekammer für das Rauchgas auszubilden.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß im Bereich einer Oberfläche des zylindrischen Grundkörpers eine jeweilige Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft und Rauchgas spiralförmig gebildet ist.
Die Nutzung des Kompakterhitzers für zwei Arbeitsgase ist bei einer Fortbildung der Erfindung dadurch ermöglicht, daß die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas eine Arbeitsgaspirale für ein erstes Arbeitsgas und mindestens eine von der Arbeitsgasspirale hydraulisch getrennte weitere Arbeitsgasspirale für ein zweites Arbeitsgas umfaßt. Auf diese Weise kann ein einzelner Kompakterhitzer für den Betrieb der oben beschrieben Ausführungsformen der Heißgasmotoren genutzt werden.
Die Fertigung des Kompakterhitzers wird einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erleichtert, daß die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas auf einem Außenumfang des zylindrischen Grundkörpers gebildet ist.
Zum Unterstützen einer platzsparenden Konstruktion des Kompakterhitzers kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft auf dem Außenumfang des zylindrischen Grundkörpers gebildet ist.
Eine optimierte Ausnutzung der Oberfläche des zylindrischen Grundkörpers ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch gewährleistet, daß die Wärmeübertragungsfläche für Rauchgas auf einen Innenumfang des zylindrischen Grundkörpers gebildet ist.
Zweckmäßig kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas in einem Bereich um dem Brennraum herum und die Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft in einem Bereich oberhalb des Brennraums des zylindrischen Grundkörpers so angeordnet sind, daß in dem Brennraum erzeugte Wärmeenergie zunächst die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas und anschließend die Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft erhitzen kann. Hierdurch wird die mit Hilfe eines Brennstoffes im Brennraum erzeugte Wärmeenergie effizient beim Betrieb des Heißgasmotors genutzt.
Eine bevorzugte Fortbildung der Erfindung sieht vor, daß der zylindrischen Grundkörper mit Hilfe von zwei Grundkörperbauteilen ausgeführt ist, wobei die zwei Grundkörperbauteile mittels eines scheibenförmigen Lochbauteils verbunden sind und das scheibenförmige Lochbauteil einen Verbindungskanal zum Leiten von Verbrennungsluft in den Brennraum sowie einen Rauchgas-Verbindungskanal zum Verbinden von Wärmeübertragungsflächen für Rauchgas in den zwei Grundkörperbauteilen aufweist. Hierdurch ist es möglich, an einem der beiden Grundkörperbauteile eine durchgehende spiralförmige Wärmeübertragungsfläche für die Verbrennungsluft zu schaffen, die mittels Drehens geschaffen werden kann, so daß das aufwendige Fräsen der Wärmeübertragungsfläche eingespart wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1
eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors im Querschnitt;
Figur 2
eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors im Querschnitt, wobei ein Kompressionskolben einen Hohlraum aufweist;
Figur 3
den Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Figur 2, wobei ein Ende einer Kolbenstange eines Expansionskolbens in einer Verlängerungshülse aufgenommen ist;
Figur 4
eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors mit einer Linearführung im Querschnitt;
Figur 5
eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors mit magnetischem Antrieb im Querschnitt;
Figur 6
eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors, wobei eine Mittelachse eines Spiralerhitzers parallel zu einer Mittelachse eines Zylinders gebildet ist;
Figur 7
einen Kompakterhitzer;
Figur 8
den Kompakterhitzer nach Figur 7 im Schnitt entlang einer Linie AA' in Figur 7;
Figur 9
den Kompakterhitzer nach Figur 7 in Draufsicht;
Figur 10
einen weiteren Kompakterhitzer;
Figur 11
den weiteren Kompakterhitzer nach Figur 10 im Schnitt entlang einer Linie BB' in Figur 10;
Figur 12
den weiteren Komapaktserhitzer nach Figur 10 in Draufsicht; und
Figur 13
eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors mit einem Zylindergehäuse 1. In dem Zylindergehäuse 1 sind ein Expansionskolben 2 in einem Expansionszylinderbauteil 3 und ein Kompressionskolben 4 in einem Kompresssionszylinderbauteil 5 angeordnet. Der Expansionskolben 2 und der Kompressionskolben 4 sind entlang einer gemeinsamen Mittellinie 6 hintereinander angeordnet. Das Expansionszylinderbauteil 3 und das Kompressionszylinderbauteil 5 sind über ein Verbindungsbauteil 7 miteinander verbunden, in welchem ein Kanal 8 gebildet ist. In dem Kanal 8 ist eine Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 druckdicht geführt. Die Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 erstreckt sich durch eine Öffnung 4a in den Kompressionskolben 4 hinein und durch den Kompressionskolben 4 und eine Kolbenstange 10 des Kompressionskolbens 4 hindurch.
Die Kolbenstange 10 des Kompressionskolbens 4 ist durch eine Öffnung 11 in dem Kompresssionszylinderbauteil 5 hindurch nach außen geführt. Die Durchführung der Kolbenstange 10 des Kompressionskolbens 4 und der hierin gelagerten Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 aus dem Kompressionszylinderbauteil 5 heraus ist druckdicht. Die Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 ist durch einen Durchbruch 10a in der Kolbenstange 10 geführt. An die Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 und die Kolbenstange 10 des Kompressionskolbens 4 ist jeweils ein Pleuel 12, 13 gekoppelt, so daß die Kolbenstangen 9, 10 mit einer Kurbelwelle 14 verbunden sind.
Auf einer Unterseite 15 des Kompressionskolbens 4 und auf einer Unterseite 16 des Expansionskolbens 2 sind erste Gasräume GH1 bzw. GK1 gebildet. Die ersten Gasräume GH1, GK1 sind über einen ersten Verbindungskanal 17 verbunden. In den Verbindungskanal 17 integriert sind ein erster Erhitzer 18, ein erster Regenerator 19 und ein erster Kühler 20.
Auf einer Oberseite 21 des Kompressionskolbens 4 sowie auf einer Oberseite 22 des Expansionskolbens 2 sind zweite Gasräume GK2 bzw. GH2 geschaffen, die über einen zweiten Verbindungskanal 23 in Verbindung stehen. In dem zweiten Verbindungskanal 23 sind ein zweiter Erhitzer 24, ein zweiter Regenerator 25 und ein zweiter Kühler 26 angeordnet.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Zwei-Zyklen-Heißgasmotor sind das Kompressionszylinderbauteil 5 und das Expansionszylinderbauteil 3 thermisch getrennt. Diese thermische Trennung erlaubt es, das Herausführen der Kolbenstangen 9 bzw. 10 auf der kalten Seite des Heißgasmotors im Bereich des Kompressionszylinderbauteils 5 zu realisieren, was Dichtungsprobleme, wie sie im Stand der Technik häufig auftreten, wesentlich lindert.
Das Expansionszylinderbauteil 3 und der Expansionskolben 2 können aus einem Hochtemperaturmaterial sein. Bei dieser Ausführung lassen sich mittels in einer Wandung 27 des Expansionszylinderbauteils 3 ausgebildeten Heatpipe- und Gas-Kanälen (in Figur 1 nicht dargestellt) die Gasräume GH1, GH2 gleichermaßen isotherm erhitzen. Das Kompressionszylinderbauteil 5 kann beispielsweise aus Duranglas sein. Der Kompressionskolben 4 kann zweckmäßig aus Graphit gefertigt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors, bei dem für gleiche Merkmale die in Figur 1 verwendeten Bezugszeichen genutzt werden. Im Unterschied zum Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Figur 1 weist der Kompressionskolben 4 einen Hohlraum 30 auf. In dem Hohlraum 30 ist ein Pufferkolben 31 angeordnet, welcher an der Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 gebildet ist. Mit Hilfe des Pufferkolbens 31 sind in dem Hohlraum 30 Pufferräume P1 und P2 geschaffen. Bei einer Bewegung des Expansionskolbens 2 wird das Arbeitsgas, welches sich in den Pufferräumen P1, P2 befindet verdichtet/entspannt, was zum Anstoßen einer Aufwärts- bzw. einer Abwärtsbewegung des Kompressionskolbens 4 führt. Auf diese Weise eilen die Gasräume GH1, GH2 den Gasräumen GK1, GK2 in definierter Weise voraus. Mit Hilfe von Magneten 32a-32d wird ein Anschlagen des Kompressionskolbens 4 am Gehäuse 33 des Kompressionszylinderbauteils 5 verhindert. Zu diesem Zweck weisen die Magnete 32a und 32b bzw. 32c und 32d jeweils eine entgegengesetzte magnetische Polung auf.
Aufgrund des Vorsehens des Pufferkolbens 31 kann bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform auf ein Getriebe zur Kopplung der Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 an den Kompressionskolben 4 verzichtet werden. Die Kopplung wird mit Hilfe des Pufferkolbens 31 und der hierdurch entstehenden Pufferräume P1, P2 geschaffen. Gemäß Figur 2 ist die Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 über einen Kreuzkopf 34 an das Pleuel 13 gekoppelt.
Figur 3 zeigt den Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Figur 2, wobei jedoch ein sich über das Kompressionszylinderbauteil 5 hinaus erstreckendes Ende 40 der Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 in einer Verlängerungshülse 41 aufgenommen ist. Die Verlängerungshülse 41 ist druckdicht auf das Kompressionszylinderbauteil 5 aufgesetzt. Mit Hilfe einer Magnetkupplung 42 ist die Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 an einen äußeren Führungskolben 43 gekoppelt, welcher in einem Zylinder 44 des Führungskolbens 43 gleitet. Der Führungskolben 43 wiederum steht mit dem Pleuel 13 in Verbindung. Der Führungskolben 43 kann zusammen mit seinem Zylinder 44 geschmiert werden und einem Ottomotor ähnlich ausgeführt sein.
Figur 4 zeigt einen anderen Zwei-Zyklen-Heißgasmotor, wobei für gleiche Merkmale die in Figuren 1 bis 3 verwendeten Bezugszeichen genutzt werden. Bei der Ausführungsform nach Figur 4 endet ein distales Ende 50 der Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 an dem Pufferkolben 31. Im Unterschied zu den Ausführungsformen in den Figuren 1 bis 3 ist bei dem Heißgasmotor nach Figur 4 kein Herausführen der Kolbenstange 9 des Expansionskolbens 2 aus dem Kompressionszylinderbauteil 5 vorgesehen. Auf diese Weise ist das Zylindergehäuse 1 vollkommen geschlossen.
An dem Kompressionszylinderbauteil 5 ist eine Verlängerung 51 angebracht, die in einem Teil 52 einer Linearführung bewegbar gelagert ist. Die Verlängerung 51 ist über das Pleuel 13 mit der Kurbelwelle 14 verbunden. Ein weiteres Teil 53 der Linearführung ist im Bereich des Verbindungsbauteils 7 vorgesehen. Die Linearführung sorgt für eine geradlinige Bewegung des Zylindergehäuses 1. Zusammen mit dem Zylindergehäuse 1 bewegen sich der erste Kühler 18, der erste Regenerator 19, der erste Erhitzer 20, der zweite Kühler 24, der zweite Regenerator 25 und der zweite Erhitzer 26. Eine Impulsübertragung zum Anstoßen der Bewegung des Kompressionskolbens 4 erfolgt, wie dieses in Verbindung mit den Ausführungsformen nach den Figuren 2 und 3 beschrieben wurde, aufgrund der Gasverdichtung in den Pufferräumen P1, P2.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors mit einem Zylindergehäuse 100, einem Kompressionszylinderbauteil 101 und einem Expansionszylinderbauteil 102. In dem Kompressionszylinderbauteil 101 ist ein Kompressionskolben 103 angeordnet. In dem Expansionszylinderbauteil 102 ist ein Expansionskolben 104 gelagert. Das Kompressionszylinderbauteil 101 und das Expansionszylinderbauteil 102 sind über ein Verbindungsbauteil 105 verbunden, in welchem eine Kolbenstange 106 des Expansionskolbens 104 druckdicht gelagert ist. Zum Abdichten ist eine Dichtung 107 vorgesehen.
Wie bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis 4 sind beidseitig des Kompressionskolbens 103 und des Expansionskolbens 104 erste und zweite Gasräume GH1, GK1 bzw. GH2, GK2 gebildet. Die ersten und zweiten Gasräume GH1, GH2, GK1, GK2 verfügen jeweils über Anschlüsse 108, 109, 110 bzw. 111. Zwischen die Anschlüsse 108-111 sind gemäß den Erläuterungen zu den Figuren 1 bis 4 Erhitzer, Regeneratoren und Kühler (in Figur 5 nicht dargestellt) gekoppelt. Der Expansionskolben 104 wird mit Hilfe einer Kolbenbefestigungsmutter 112 an der Kolbenstange 106 gehalten. Zwischen einer Kolbenspannplatte 113 und der Kolbenbefestigungsmutter 112 ist eine Spannfeder 114 montiert. Eine weitere Kolbenspannplatte 115 ist mit Hilfe eines Befestigungsstifts 116 an der Kolbenstange 106 befestigt.
Im Unterschied zu der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 4 ist bei dem Heißgasmotor nach Figur 5 ein magnetischer Antrieb des Kompressionskolbens 103 vorgesehen. Der magnetische Antrieb umfaßt mehrere Magnetmittel 121, 122, 123. Die mehreren Magnetmittel 121-123 verfügen jeweils über scheibenförmige Polplatten 121a, 121b, 122a, 122b, 123a, 123b. Einander gegenüberliegende Polplatten, beispielsweise die Polplatten 122b und 123a weisen eine gleiche magnetische Polung auf, so daß Abstoßkräfte wirken, wenn sich die einander gegenüberliegenden Polplatten aufeinander zu bewegen. Die Abstoßkräfte entfalten eine große Kraftwirkung in der Regel jedoch erst bei tatsächlicher Annäherung der einander gegenüberliegenden Polplatten. Im Vergleich zu den Ausführungsformen nach den Figuren 2 bis 4 entfällt bei der Verwendung des magnetischen Antriebs die Notwendigkeit einer Abdichtung des Pufferkolbens 31 gegenüber dem Kompressionskolben 103, da der Anstoß zur Bewegung des Kompressionskolbens 103 nicht aufgrund einer Gasverdichtung in Pufferräumen P1, P2 (vgl. Figuren 2 bis 4), sondern durch die magnetische Abstoßkraft zwischen einander gegenüberliegenden Polplatten erfolgt. Magnetmittel 120, 124, die ebenfalls über Polplatten 120a, 124a verfügen, sind vorgesehen, um das Anschlagen des Kompressionskolbens 103 an dem Kompressionszylinderbauteil 101 zu verhindern.
Die Magnete 120-124 können mit Hilfe von Magnettrommeln mit ringförmig angeordneten Stabmagneten ausgeführt werden. Um die Kolbenstange 106 herum ist bei den Magneten 120, 121, 123 und 124 jeweils eine Dichtung 107, 126, 127, 128 angeordnet, um die Kolbenstange 106 druckdicht durch die Magnete 120, 121, 123, 124 zu führen. Auf diese Weise grenzen die Dichtungen 107, 126-128 die beiden Zyklen gegeneinander ab. Der Magnet 122 ist an der Kolbenstange 106 fixiert. Die Dichtungen 107, 126-128 sind beispielsweise aus Teflon.
Die Kolbenstange 106 des Expansionskolbens 104 ist aus einem nicht magnetischen und elektrisch schlecht leitenden Material, beispielsweise V4A-Stahl. Das Zylinderbauteil ist mehrteilig ausgeführt und wird mit Hilfe von Schraubverbindungen 129, 130, 131, 132 zusammengehalten.
In Figur 5 ist ein Hubweg S1 des Expansionskolbens 103 schematisch angedeutet. Über eine Veränderung einer hohlen Länge H1 des Kompressionskolbens 103 und einer hohlen Länge H2 des Kompressionszylinderbauteils 101 kann eine Anpassung derart erfolgen, daß der Hubweg S1 des Expansionskolbens 103 größer, gleich oder kleiner als ein Hubweg S2 des Kompressionskolbens 104 ist. Hierdurch können das Kompressionsverhältnis des Motors und die diskontinuierliche Kolbenbewegung des Kompresssionskolbens 103 beeinflußt werden.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors 200 mit einem Kompressionszylinderbauteil 201 und einem Expansionszylinderbauteil 202. Ein Kühler 203 weist eine mittlere Achse 204 auf, die im wesentlichen parallel zur mittleren Achse 205 eines weiteren Kühlers 206 angeordnet ist. Die Mittelachse 204 des Kühlers 203 und die Mittelachse 205 des weiteren Kühlers 206 sind im wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse 207 des Kompressionszylinderbauteils 201 und des Expansionszylinderbauteils 202. Eine Mittelachse 208 eines Regenerators 209 ist im wesentlichen parallel zu einer Mittelachse 210 eines weiteren Regenerators 211 und der Mittelachse 207 des Kompressionszylinderbauteils 201. In Figur 6 sind weiterhin zwei hintereinander liegende Erhitzerspiralen 212 und 213 gezeigt. Für Motoren mit kleiner Leistung lassen sich die zwei Erhitzerspiralen 212, 213 als Einrohrerhitzer oder als zylindrische Spaltrohrerhitzer ausführen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, mit einem Brenner, welcher innerhalb der zwei hintereinanderliegenden Erhitzerspiralen 212, 213 angeordnet ist, die Gasräume beider Zyklen des Motors zu erhitzen. Auf diese Weise wird ein sonst notwendiger zweiter Brenner eingespart.
Figur 7 zeigt einen Kompakterhitzer 300, welcher in Verbindung mit beliebigen Heißgasmotoren verwendet werden kann, was bedeutet, daß der Kompakterhitzer 300 nicht nur im Zusammenhang mit den Zwei-Zyklen-Heißgasmotoren vorteilhaft einsetzbar ist, die in Verbindung mit den Figuren 1 bis 6 beschrieben wurden. Auch der Einsatz für Beta- und Gammamotoren ist vorteilhaft, sofern die Spiralanschlüsse der Motorgeometrie angepaßt werden können.
Der Kompakterhitzer 300 weist eine zylindrische Hülse 500 auf, an die ein Verbrennungsluftanschluß 302, ein erster Arbeitsgasanschluß 303, ein zweiter Arbeitsgasanschluß 304 sowie ein erster Arbeitsgasausgang 305 gebildet sind. Ein zweiter Arbeitsgasausgang befindet sich auf einer vom Betrachter der Figur 7 abgewandten Rückseite des Kompakterhitzers 300 und ist deshalb in Figur 7 nicht zu sehen. An einem unteren Ende 306 des Kompakterhitzers 300 ist ein Brenner 307 angeschlossen.
Figur 8 zeigt den Kompakterhitzer 300 nach Figur 7 im Schnitt entlang einer Linie AA' in Figur 7. Auf einem Außenumfang 308 eines zylindrischen Grundkörpers 301 ist spiralförmig eine Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft 309 in Form eines Kanals gebildet. Die spiralförmige Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft 309 steht mit dem Verbrennungsluftanschluß 302 in Verbindung. Die Verbrennungsluft gelangt über den Verbrennungsluftanschluß 302 in die spiralförmige Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft 309 und über ein Verbindungsrohr 310 in einen Brennraum 311, wo mittels des Brenners 307 ein Brennstoff verbrannt wird, um Brennwärmeenergie zu erzeugen. Es kann vorgesehen sein, dem Anschluß für Verbrennungsluft 302 einen Lüfter vorzuschalten, um die Verbrennungsluft mit einem vorbestimmten Druck einzuführen. Bei der Verbrennung in dem Brennraum 311 entsteht Rauchgas bzw. Abgas, was am unteren Ende des Brennraums 311 mit Hilfe eines Wendekammerblechs 312 in eine spiralförmige Wärmeübertragungsfläche für Rauchgas 313 überführt wird, die entlang eines Kanals gebildet ist und sich auf einem Innenumfang 314 des zylindrischen Grundkörpers 301 spiralförmig erstreckt. Über die spiralförmige Wärmeübertragungsfläche für Rauchgas 313 gelangt das Rauchgas zum Schornstein 315. Auf seinem Weg zum Schornstein 315 erwärmt das Rauchgas zunächst Arbeitsgas in Wärmeübertragungsflächen für Arbeitsgas 316, 317, die ebenfalls auf dem Außenumfang 308 des zylindrischen Grundkörpers 301 gebildet sind. Auf seinem weiteren Weg entlang der Wärmeübertragungsfläche für Rauchgas 313 erwärmt das Rauchgas dann Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft 309.
Figur 9 zeigt den Kompakterhitzer 300 nach Figur 7 in Draufsicht.
In den Figuren 10, 11 und 12 ist ein weiterer Kompakterhitzer 400 dargestellt, wobei für gleiche Merkmale die gleichen Bezugszeichen wie in Verbindung mit den Figuren 7, 8 und 9 verwendet werden. Der zylindrische Grundkörper 301 ist bei der Ausführungsform nach den Figuren 10 bis 12 von zwei Grundkörperbauteilen 401 und 402 gebildet, die in Figur 10 verdeckt sind. Die beiden Grundkörperbauteile 401 und 402 sind mittels eines Lochbauteils 403 miteinander verbunden. Gemäß Figur 11 ist in dem Lochbauteil 403 ein Verbrennungsluft-Verbindungskanal 404 vorgesehen, durch welchen die Verbrennungsluft aus der spiralförmigen Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft 309 in den Brennraum 311 gelangen kann. Der Verbrennungsluft-Verbindungskanal 404 übernimmt bei der Ausführungsform nach den Figuren 10 bis 12 somit die Funktion des Verbindungskanals 310 in Figur 8. Auf dem Innenumfang 314 der Grundkörperbauteile 401, 402 sind zwei Innenhülsen 510, 511 angeordnet.
Figur 12 zeigt den weiteren Kompakterhitzer 400 nach Figur 10 in Draufsicht.
Für Heißgasmotoren mit geringen Leistungen und Drehzahlen zwischen 100 und 500 U/min besteht die Möglichkeit, Einrohrerhitzer zu verwenden. Der in den Figuren 7 bis 9 gezeigte Kompakterhitzer 300 sowie der in den Figuren 10 bis 12 gezeigte weitere Kompakterhitzer 400 gehören zu dieser Art Einrohrerhitzer. Wesentlicher Grund für den Einsatz von Einrohrerhitzern ist die Tatsache, daß bei bereits gebauten Heißgasmotoren die Kosten für den Erhitzer die Gesamtsystemkosten maßgeblich beeinflussen.
Die spiralförmige Gestaltung der Wärmeübertragungsflächen bei dem Kompakterhitzer 300 sowie dem weiteren Kompakterhitzer 400 ist für eine Ausführung als Einrohrerhitzer geeignet. Aus heutiger Sicht ist eine Fertigung des Kompakterhitzers 300 und des weiteren Kompakterhitzers 400 aus einem Hochtemperatur-Metall eine vorteilhafte Lösung, wenn die Voraussetzungen einer hohen Temperaturbelastbarkeit, einer Zunderfestigkeit und einer ausreichenden Abdichtbarkeit der Anschlüsse gewährleistet sind.
Bei dem Kompakterhitzer 300 und dem weiteren Kompakterhitzer 400 kann der zylinderische Grundkörper 301 mit Hilfe einer Gußform gebildet werden, welche dann auch die spiralförmigen Wärmeübertragungsflächen aufweist. Hier sind geeignete Wandstärken und Formschrägen der spiralförmigen Kanäle zum Bilden der Wärmeübertragungsflächen zu berücksichtigen. Sofern eine Betriebstemperatur 600°C nicht übersteigt, ist eine Fertigung aus dem Einsatzwerkstoff SiMo-legiertes Gußeisen mit Kugelgraphit eine zweckmäßige Lösung. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den zylinderischen Grundkörper 301 mittels Drehens und/oder Fräsens der spiralförmigen Kanäle auf dem Innen- und dem Außenumfang 314, 308 auszubilden. Hierbei kann ein zylindrischer Hochtemperatur-Hohlstahl verwendet werden. Eine Außenhülse 500 wird aufgeschrumpft und verschließt die spriralförmigen Wärmeübertragungsflächen auf dem Außenumfang 308. Zum Abdecken der Wärmeübertragungsfläche für Rauchgas 313 wird die Innenhülse 510 eingeschrumpft. Die Hülse 500 wird mit den Anschlüssen 302-305 aufgeschrumpft. Die Verwendung des Schrumpfens ist möglich, weil bei dem Kompakterhitzer 300 und dem weiteren Kompakterhitzer 400 die Wärme des Brenners 307 stets von innen zugeführt wird. Die Dichtigkeit ist dann gewährleistet, da sich zunächst die Innenhülse 510, dann der zylinderische Grundkörper 301 und schließlich die Außenhülse 500 ausdehnen. Eine Abkühlung erfolgt von außen nach innen und ist somit hinsichtlich der Dichtheit der spiralförmigen Wärmeübertragungsflächen ebenfalls unkritisch.
Der Kompakterhitzer 300 und der weitere Kompakterhitzer 400 erlauben eine kompakte Bauform von Erhitzern, die für beliebige Heißgasmotoren verwendet werden können. Darüber hinaus ist bei der beschriebenen Ausgestaltung eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Es sind darüber hinaus günstige Wärmeübertragungsverhältnisse ausgebildet, wobei nur geringe Druckverluste auftreten. Die unter Bezugnahme auf die Figuren 7 bis 12 beschriebene Ausgestaltung der Wärmeüberleitunsgfläche für Arbeitsgas ermöglicht die Ausbildung von mindestens zwei Arbeitsgasräumen, die mit einem Brenner erhitzt werden. Der Einsatz von Hochtemperaturguß ist ermöglicht. Wenn der Kompakterhitzer 300 und der weitere Kompakterhitzer 400 in der in den Figuren 7, 8 bzw. 10, 11 dargestellten aufrechten Anordnung genutzt werden, ist eine direkte Weiterleitung des Rauchgases zum Schornstein ermöglicht.
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung eines Zwei-Zyklen-Heißgasmotors 500, der mit einer Arbeitsmaschine 600 verbunden ist, wobei für gleiche Merkmale die in den Figuren 1 bis 5 verwendeten Bezugszeichen genutzt werden. Zwei Membran-Primärseiten 601, 602 sind mit dem Arbeitsgas der Arbeitsmaschine 600 über zwei Gasleitungen 610, 611 hydraulisch verbunden und werden durch dessen Druckschwankung in Schwingung versetzt. Zwei Membran-Sekundärseiten 603, 604 sind als Pumpenarbeitsraum ausgebildet. Somit pumpt die Membran eine Flüssigkeit 605, indem bei Überdruck mindestens ein Auslaßventil 607 geöffnet und mindestens ein Einlaßventil 606 geschlossen und bei Unterdruck mindestens ein Auslaßventil 607 geschlossen und ein Einlaßventil 606 geöffnet wird.
Für diese Anwendung ist es vorteilhaft, daß der Zwei-Zyklen-Heißgasmotor 500 ein Motor ist, der mit seinen beiden Arbeitsgasräumen zwei hydraulisch getrennte Membranen 608, 609 oder verformbare Oberflächen mit 180° Phasenversatz in Schwingung versetzt. Auf diese Art kann die Arbeitsausbeute verdoppelt und eine Impulsglättung erreicht werden.
Bei dem Zwei-Zyklen-Heißgasmotor 500 können ohne mechanische Kraftfortleitung die Arbeitsgas-Druckschwankungen des Motors genutzt werden, um mindestens eine mit dem Arbeitsgas primärseitig im Druckverbund stehende Membran einer Arbeitsmaschine eines Antriebes oder die piezoelektrische Oberfläche eines Stromerzeugers in Schwingung zu versetzen. Zweckmäßig kann vorgesehen sein, daß die Arbeitsmaschine 600 eine doppelt wirkende Membranpumpe ist, deren Membran-Primärseiten mit dem Motorarbeitsgas hydraulisch verbunden sind und durch deren Druckschwankungen die Membranen in Schwingung versetzt werden.
In Verbindung mit dem Zwei-Zyklen-Heißgasmotor 500 kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß bei einem Stromerzeuger die verformbare Oberfläche eines piezoelektrischen Wandlers mit dem Motorarbeitsgas hydraulisch verbunden ist und durch dessen Druckschwankung zyklisch verformt wird.
Die in Verbindung mit Figur 13 beschriebene Nutzung des Zwei-Zyklen-Heißgasmotors 500 kann auch für die Motoren nach den Figuren 1 bis 6 vorgesehen sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (27)

  1. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor mit einem Expansionskolben (2; 104) in einem Expansionszylinderbauteil (3; 102) und einem Kompressionskolben (4; 103) in einem Kompressionszylinderbauteil (5; 101), dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionskolben (2; 104) und der Kompressionskolben (4; 103) entlang einer gemeinsamen Mittelachse (6) angeordnet sind.
  2. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionskolben (2; 104) und der Kompressionskolben (4; 103) angeordnet sind, um beim Betrieb fluchtend hintereinander zu arbeiten.
  3. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß erste Gasräume (GH1 bzw. GK1), die in dem Kompressionszylinderbauteil (5) auf einer Unterseite (15) des Kompressionskolbens (4) bzw. in dem Expansionszylinderbauteil (3) auf einer Unterseite (16) des Expansionskolbens (2) gebildet sind, über einen ersten Erhitzer (18), einen ersten Regenerator (19) und einen ersten Kühler (20) verbunden sind, und daß zweite Gasräume (GH2 bzw. GK2), die in dem Kompressionszylinderbauteil (5) auf einer Oberseite (21) des Kompressionskolbens (4) bzw. in dem Expansionszylinderbauteil (3) auf einer Oberseite (22) des Expansionskolbens (2) gebildet sind, über einen zweiten Erhitzer (24), einen zweiten Regenerator (25) und einen zweiten Kühler (26) verbunden sind.
  4. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Expansionszylinderbauteil (3) und dem Kompressionszylinderbauteil (5) ein Kanal (8) gebildet ist, wobei in dem Kanal (8) eine Kolbenstange (9; 106) des Expansionskolbens (2) angeordnet ist, die druckdicht durch den Kanal (8) hindurch geführt ist.
  5. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (8) in einem Verbindungsbauteil (7; 105) gebildet ist, welches zumindest einen Teilabschnitt des Expansionszylinderbauteils (3; 102) und zumindest einen Teilabschnitt des Kompressionszylinderbauteils (5; 101) umfaßt.
  6. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9; 106) des Expansionskolbens (2; 104) bewegbar durch eine Bohrung (4a) in dem Kompressionskolben (4; 103) in den Kompressionskolben (4; 103) eingeführt ist.
  7. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9; 106) des Expansionskolbens (2; 104) bewegbar durch den Kompressionskolben (4; 103) hindurch geführt ist.
  8. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9; 106) des Expansionskolbens (2; 104) bewegbar durch eine Bohrung (11) in einem Gehäuse des Kompressionszylinderbauteils (5; 101) hindurch geführt ist.
  9. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine an dem Kompressionskolben (4) angebrachte Kolbenstange (10) einen Durchbruch (10a) aufweist, wobei die Kolbenstange (9) des Expansionskolbens (2) durch den Durchbruch (10a) hindurch geführt ist.
  10. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Kompressionskolben (4) angebrachte Kolbenstange (10) druckdicht durch die Bohrung (11) im Gehäuse des Kompressionszylinderbauteils (5) hindurch geführt ist.
  11. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (4; 103) einen Hohlraum (30) aufweist, in welchem ein an der Kolbenstange (9) des Expansionskolbens (2; 104) befestigter Pufferkolben (31) bewegbar angeordnet ist, so daß in dem Hohlraum (30) zwei Pufferräume (P1, P2) gebildet sind.
  12. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Pufferräume (P1, P2) in dem Hohlraum (30) so gebildet sind, daß eine Bewegung des Expansionskolbens (2; 104) und des hieran befestigten Pufferkolbens (31) in dem Hohlraum (30) zu einer Gasverdichtung/Gasentspannung eines Arbeitsgases in den zwei Pufferräumen (P1, P2) führt, um eine Bewegung des Kompressionskolbens (4; 103) zu bewirken.
  13. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich über das Kompressionszylinderbauteil (5) hinaus erstreckender Abschnitt (40) der Kolbenstange (9) des Expansionskolbens (2) in einem abgedichteten Innenraum einer Verlängerungshülse (41) aufgenommen ist, wobei die Verlängerungshülse (41) außen an dem Kompressionszylinderbauteil (5) angebracht ist.
  14. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Druckschwankungen des Arbeitsgases genutzt werden, um mindestens eine mit dem Arbeitsgas primärseitig im Druckverbund stehende Membran einer Arbeitsmaschine, eines Antriebs oder eine piezoleketrische Oberfläche eines Stromerzeugers in Schwingung zu versetzen.
  15. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das die Arbeitsmaschine eine doppeltwirkende Membranpumpe (600) ist, deren Membran-Primärseiten (601, 602) mit dem Arbeitsgas hydraulisch verbunden sind und durch deren Druckschwankungen die Membranen (608, 609) in Schwingung versetzt werden.
  16. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärseiten der Membranpumpe (600) als Pumpenarbeitsräume ausgeführt sind und die Membran eine Flüssigkeit pumpt, indem bei einem Überdruck mindestens ein Auslaßventil (607) geschlossen und ein Einlaßventil (606) geöffnet wird.
  17. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein distales Ende (50) der Kolbenstange (9) des Expansionskolbens (2) in dem Hohlraum (30) des Kompressionskolbens (4) aufgenommen ist und daß das Kompressionszylinderbauteil (5) und das Expansionszylinderbauteil (3) in einer Linearführung (52, 53) bewegbar gelagert sind.
  18. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (103) einen Hohlraum (30) aufweist, wobei in dem Hohlraum (30) an der Kolbenstange (106) des Expansionskolbens (104) ein Magnetkolben mit Magnetmitteln (122) angeordnet ist, die mit weiteren Magnetmitteln (121, 123) wechselwirken, und wobei gegenüberliegende Abschnitte (121b, 122a; 122b, 123a) der Magnetmittel (122) und der weiteren Magnetmittel (121, 123) eine gleichartige magnetische Polung aufweisen.
  19. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Magnetmittel (121, 123) zumindest teilweise im Bereich von Stirnflächen des Kompressionskolbens (103) angeordnet sind.
  20. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kompakterhitzer (300; 400), welcher einen als ungefügtes Bauteil ausgeführten zylindrischen Grundkörper (301) mit einem Brennraum (311) und einer Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas umfaßt, wobei die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas in einer Oberflächenschicht des zylindrischen Grundkörpers (301) spiralförmig gebildet ist.
  21. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich einer Oberfläche des zylindrischen Grundkörpers (301) eine jeweilige Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft und Rauchgas spiralförmig gebildet ist.
  22. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas eine Arbeitsgaspirale für ein erstes Arbeitsgas und mindestens eine von der Arbeitsgasspirale hydraulisch getrennte weitere Arbeitsgasspirale für ein zweites Arbeitsgas umfaßt.
  23. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas auf einem Außenumfang (308) des zylindrischen Grundkörpers (301) gebildet ist.
  24. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft auf dem Außenumfang (308) des zylindrischen Grundkörpers (301) gebildet ist.
  25. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsfläche für Rauchgas auf einem Innenumfang (314) des zylindrischen Grundkörpers (301) gebildet ist.
  26. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas in einem Bereich um dem Brennraum (311) herum und die Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft in einem Bereich oberhalb des Brennraums (311) des zylindrischen Grundkörpers (301) so angeordnet sind, daß in dem Brennraum (311) erzeugte Wärmeenergie zunächst die Wärmeübertragungsfläche für Arbeitsgas und anschließend die Wärmeübertragungsfläche für Verbrennungsluft erhitzen kann.
  27. Zwei-Zyklen-Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Grundkörper (301) mit Hilfe von zwei Grundkörperbauteilen (401; 402) ausgeführt ist, wobei die zwei Grundkörperbauteile (401; 402) mittels eines scheibenförmigen Lochbauteils (403) verbunden sind und das scheibenförmige Lochbauteil (403) einen Verbindungskanal (404) zum Leiten von Verbrennungsluft in den Brennraum (311) sowie einen Rauchgas-Verbindungskanal (405) zum Verbinden von Wärmeübertragungsflächen für Rauchgas in den zwei Grundkörperbauteilen (401; 402) aufweist.
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