EP2986837B1

EP2986837B1 - Kolbenmaschine und verfahren zu deren betrieb

Info

Publication number: EP2986837B1
Application number: EP14723684.8A
Authority: EP
Inventors: Alfred Spiesberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: US20160040623A1; AT514226A1; WO2014169311A2; AT514226B1; EP2986837A2; WO2014169311A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit, mit zumindest einer Kammeranordnung, welche zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundene Kammern aufweist, wobei zumindest zwei der Kammern voneinander im Wesentlichen thermisch isoliert sind und unterschiedliche Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen aufweisen, und mit in den jeweiligen Kammern beweglich angeordneten, für ein Arbeitsmedium undurchlässigen Kolben zur Änderung eines von der Kammer und dem Kolben begrenzten Teil-Arbeitsvolumens, wobei zumindest eine der Kammern Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche aufweist, wobei die Kolben bzw. damit verbundene Elemente mit Betätigungsmitteln zur Festlegung von Bewegungsprofilen für jeden der Kolben verbunden sind, wobei die Betätigungsmittel zur Festlegung von zumindest zwei unterschiedlichen Bewegungsprofilen der Kolben der Kammeranordnung ausgebildet sind.
Als Wärmeübertragungsflächen sind Flächenbereiche der Kammeroberfläche zu verstehen, welche durch gezielte technische Maßnahmen beheizt oder gekühlt sind um für thermodynamische Zwecke Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Wenn die Wärmeübertragungsflächen zudem noch eine deutliche Vergrößerung der inneren Oberfläche der Kammer gegenüber der ursprünglichen Form der Kammer, das heißt gegenüber dem der Kammer zugrundeliegenden einfachen geometrischen Körper, wie beispielsweise einem Zylinder mit ebener oder kuppelförmiger Grund- und/oder Deckfläche, bewirken oder, im Zweifel, wenn Wärmeübertragungsflächen in der Kammer vorhanden sind und die innere Kammeroberfläche der auf das größte betriebsmäßig erreichte Teil-Arbeitsvolumen expandierten Kammer die Oberfläche eines volumenmäßig gleich großen Vergleichszylinders mit kreisrunder, ebener Grund- und Deckfläche sowie mit dem Verhältnis von Durchmesser zu Höhe gleich 1 um mehr als das 1.5-fache überschreitet, so weist die Kammer Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche auf.
Die gebräuchlichsten und bekanntesten Kolbenmaschinen zur Umwandlung von Wärme in Arbeit sind KFZ-Motoren, wie der Dieselmotor oder der Ottomotor. Der diesen Maschinen zugrunde liegende thermodynamische Kreisprozess ist der Diesel-Prozess bzw. der Otto-Prozess oder allgemein der Seiliger-Prozess. Der bevorzugte Vergleichsprozess der vorliegenden Erfindung, d.h. jener thermodynamische Kreisprozess, den die vorliegende Erfindung bevorzugt annähert, ist demgegenüber der an sich bekannte Carnot-Prozess. Dieser beschreibt das physikalische Maximum der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie bei gegebenen Wärmequellen und -senken. Folglich haben sowohl die den zuvor genannten Kreisprozessen, wie auch beispielsweise die den in Verbindung mit Strömungsmaschinen bekannten Joul-, Ericsen- oder Clausius-Rankine-Prozessen nachgebildeten Maschinen einen inhärent suboptimalen Wirkungsgrad. Eine Ausnahme hiervon bilden Stirlingmaschinen, deren Vergleichsprozess der Stirling-Prozess ist, da hier durch die Verwendung eines als perfekt funktionierend angenommenen Regenerators theoretisch der selbe Wirkungsgrad erreichbar wäre wie beim Carnot-Prozess. Jedoch hat sich diese Möglichkeit vielfach als nachteilig erwiesen, weil der Regenerator während eines Prozessarbeitsspiels bzw. Prozessdurchlaufes bzw. Durchlaufes eines Kreisprozesses, welches bzw. welcher die einmalige Abfolge der den Kreisprozess kennzeichnenden thermodynamischen Zustandsänderungen samt etwaigen Zwischentakten oder Arbeitsschritten ist, niemals die gespeicherte Wärme zur Gänze wieder abgeben kann und durch ihn selbst große Tot- oder Schadräume entstehen.
Die DE 27 36 472 A1 zeigt eine ventillose Kolbenmaschine mit zwei Zylindern und darin angeordneten Kolben, deren Kurbeln so versetzt sind, dass die Bewegung der Kolben eine feste Phasenverschiebung von 90° aufweist. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung in den Zylindern, von denen einer einen Heizraum und der andere einen Kaltraum aufweist, auf das Arbeitsmedium (bevorzugt Helium) bzw. umgekehrt, sind die Kolben und die Zylinder mit komplementären, in den Arbeitsraum ragenden Flächen versehen. Die Zylinder sind durch einen sich bogenförmig zwischen den Zylindern erstreckenden Wärmetauscher verbunden, welcher Flächen zur Wärmespeicherung aufweist und somit ein für Stirlingmaschinen typischer Regenerator ist.
Die aus der DE 103 19 806 B4 bekannte Wärmekraftmaschine arbeitet ebenfalls nach dem Stirlingprinzip. Dabei bildet ein Expansionszylinder mit einem Erhitzer einen Expansionsraum und ein Kompressionszylinder mit einem Kühler einen Kompressionsraum. Die beiden Arbeitsräume weisen eine Vielzahl parallel angeordneter, konischer Rohre auf, in welche entsprechende Kolbenzapfen der jeweils zugeordneten Kolben eingreifen und diese ausfüllen. Die Arbeitsräume sind über getrennte Überstromkanäle, die als Wärmetauscherflächen genutzt werden und mit Rückschlagventilen versehen sind, verbunden und die Bewegung der beiden Kolben läuft auch hier um 90 Kurbelwinkelgrad versetzt ab.
Nachteilig bei den in der DE 27 36 472 A1 und DE 103 19 806 B4 beschriebenen Maschinen ist, dass jeweils beide Kolben dem selben Bewegungsablauf, nämlich im Wesentlichen einer Sinusbewegung, folgen, welcher lediglich durch eine Phasenverschiebung von 90° (entsprechend einem Viertel-Arbeitsspiel) zwischen den Kolben zeitlich versetzt ist. Allerdings kann ein solcher Ablauf einen idealen Stirling-Prozess allenfalls grob annähern, so dass alleine deshalb nur ein reduzierter Wirkungsgrad erzielt wird.
Weiters zeigt die JP H07 19109 A eine Sterling Maschine mit drei Kammern, wobei die Kolben auf einer gemeinsamen exzentrischen Welle geführt sind.
Es wurden im Zusammenhang mit grundsätzlich anders aufgebauten Stirling-Maschinen bereits Kolben mit unterschiedlichen Bewegungsprofilen gezeigt, wobei jedoch immer zumindest ein Kolben ein Regenerator ist, welcher niemals für ein Arbeitsmedium undurchlässig sein kann, da das Arbeitsmedium immer entweder hindurchtreten oder vorbeiströmen kann bzw. können muss. Beispiele für derartige Maschinen finden sich in der DE 195 28 103 A1 , DE 198 54 839 C1 und CH 701 391 B1 . Aufgrund des gänzlich anderen Aufbaus und der unterschiedlichen Funktionsweise sind jedoch bei keiner dieser Maschinen Wärmeübertragungsflächen in den Kammern vorgesehen. Deshalb, und auch weil sämtliche der gezeigten Maschinen alleine aufgrund der Regeneratoren einen erheblichen Totraum aufweisen, eignet sich keine dieser Maschinen zur Nachbildung des Carnot-Prozesses.
Die US 5,095,700 A zeigt eine Wärmekraftmaschine zur Nachbildung entweder des Stirling-Prozesses oder aber des Ericsson-Prozesses, wobei ein Regenerator in einem Verbindungskanal zwischen zwei Kammern angeordnet ist.
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenmaschine vorzuschlagen, die nach einem annähernd idealen Carnot-Prozess arbeitet, indem sie Toträume so weit wie möglich reduziert, in bestimmten Kammern einen optimalen Wärmeaustausch zwischen den Kammerwänden und dem Arbeitsmedium erzielt und zugleich an die idealen Zustandsänderungen des Carnot-Prozesses angepasste Bewegungen der Kolben ermöglicht. Insbesondere soll eine verbesserte Näherung eines Prozesses mit isentropen Zustandsänderungen erreicht werden.
Eine solche Verbesserung wird bei einer Kolbenmaschine der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass die Kammeranordnung drei Kammern aufweist, wobei eine mittlere der drei Kammern durch den zumindest einen Verbindungskanal mit den beiden Kammern mit unterschiedlichen Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen verbunden ist und ein größeres Fassungsvermögen als jene der beiden Kammern mit einer verhältnismäßig hohen Arbeitstemperatur aufweist, wobei die mittlere Kammer aufgrund ihrer Formgebung, im arithmetischen Mittel einen größeren Abstand zwischen einem beliebig klein angenommenen Volumenteilchen ihres auf ein Bezugsvolumen ausgedehnten Teil-Arbeitsvolumens und ihrer das Teil-Arbeitsvolumen begrenzenden inneren Kammeroberfläche aufweist als zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundenen Kammern, wobei das Bezugsvolumen das kleinere der beiden von den miteinander verglichenen Kammern betriebsmäßig erreichten maximalen Teil-Arbeitsvolumina ist und die das Teil-Arbeitsvolumen begrenzende innere Kammeroberfläche selbstverständlich auch die etwaigen Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung der Oberfläche der Kammer und die das Teil-Arbeitsvolumen berandenden Flächenbereiche des in der Kammer angeordneten Kolbens umfasst und wobei sich der Abstand als Länge der kürzesten Verbindungslinie definiert. Damit bei zwei der Kammern mit den Wärmeübertragungsflächen und trotz der in den Kammern mit den Wärmeübertragungsflächen eingeschränkten Bedingungen für eine adiabate Zustandsänderung des Arbeitsmediums möglichst getreu isentrope Zustandsänderungen durchführen zu können, ist es vorteilhaft, dass die Kammeranordnung drei Kammern aufweist, wobei die mittlere Kammer durch den zumindest einen Verbindungskanal mit den beiden anderen Kammern verbunden ist. Bei drei und mehr als drei Kammern ist der Begriff der "mittleren Kammer" dahingehend zu verstehen, dass damit jene Kammern gemeint sind, in denen hauptsächlich annähernd isentrope Zustandsänderungen stattfinden. Die anderen Kammern, d.h. jene Kammern, in denen hauptsächlich annähernd isotherme Zustandsänderungen stattfinden, sind mit der oder den mittleren Kammer(n) verbunden. Da die mittlere Kammer ein größeres Fassungsvermögen hat als eine der Kammern mit verhältnismäßig hoher Arbeitstemperatur, kann bei, beispielsweise aufgrund mechanischer Limitierungen, gegebener Kolbengeschwindigkeit eine vergleichsweise noch raschere Volumenänderung erzielt werden. Außerdem kann dadurch das bei einer der isentropen Zustandsänderung des Arbeitsmediums erforderliche Maximum des Arbeitsvolumens geeignet zur Verfügung gestellt werden.
Mit welchen Betätigungsmitteln die Bewegungsprofile, d.h. die zeitlichen Abläufe der Kolbenbewegungen, festgelegt sind, ist dabei von geringerer Bedeutung. Der Begriff Bewegungsprofil soll insbesondere zum Ausdruck bringen, dass es sich bei unterschiedlichen Bewegungsprofilen um ihrer zeitlichen Charakteristik nach unterschiedliche Bewegungsvorgaben handelt, indem beispielsweise ein prinzipiell unterschiedlicher zeitlicher Ablauf der Kolbenbewegungen erzielt wird. Beispielsweise sind lediglich zeitlich verschobene bzw. versetzte oder ihrer Amplitude nach verschiedene Bewegungsprofile nicht unterschiedlich im Sinne der Erfindung, d.h. unterschiedliche Bewegungen sind nicht gleichbedeutend mit unterschiedlichen Bewegungsprofilen. Außerdem ist es von zentraler Bedeutung, dass - wie bereits eingangs ausgeführt - die den besagten Betätigungsmitteln zugeordneten Kolben für das Arbeitsmedium undurchlässig sind, also das Arbeitsmedium nicht durch sich hindurchtreten lassen und dicht mit den Kammerwänden abschließen, da nur so eine weitestgehende Vermeidung von effizienzmindernden Toträumen erzielt werden kann, was die erfindungsgemäß unterschiedlichen Bewegungsprofile zur Lösung der gestellten Aufgabe erst sinnvoll erscheinen lässt. Demgegenüber verfolgen Maschinen mit durchlässigen oder nicht dicht abschließenden Kolben ein völlig anderes Ziel, nämlich die Umsetzung des Stirling-Prozesses, wobei die jeweiligen Kolben üblicherweise als Regeneratoren arbeiten. Die vorliegende Kolbenmaschine kommt ohne einen Regenerator aus bzw. ist regeneratorlos aufgebaut. Insbesondere weisen die Verbindungskanäle eine glatte Oberfläche und ein im Vergleich zu den expandierten Kammern kleines Volumen auf, wobei aber ihre Querschnitte vorzugsweise noch groß genug sind, um eine annähernd widerstandslose Durchströmbarkeit zu erzielen. Weiters weisen die Verbindungskanäle bezüglich der Größe gegenüber den expandierten Kammern, insbesondere gegenüber einer Kammer mit Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche, eine kleine vom Arbeitsmedium gut überströmbare innere Oberfläche auf. Die Verbindungskanäle weisen somit einen freien Durchfluss und ein gegenüber dem Arbeitsmedium im Wesentlichen thermisch neutrales Verhalten auf. Sowohl die Kolben als auch die Verbindungskanäle zwischen den Kammern sind frei von einem vom Arbeitsmedium durchströmten Regenerator, wodurch die sonst zwangsläufig entstehenden Toträume vermieden werden.
Dementsprechend wird bei einem Verfahren der eingangs angeführten Art zum Betreiben einer derartigen Kolbenmaschine die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass im Zuge eines in der Kammeranordnung ausgeführten Durchlaufes des angenäherten Carnot-Prozesses zumindest einer, vorzugsweise jeder, der an dem Durchlauf beteiligten Kolben hinsichtlich des Durchlaufes mindestens einmal während einer Totphase im Wesentlichen still steht, wobei ein von dem Kolben und der ihm zugeordneten Kammer begrenztes Teil-Arbeitsvolumen während der Totphase im Wesentlichen Null ist. Die Totphase bezeichnet hierbei einen zeitlichen Abschnitt einer bestimmten (endlichen) Dauer und nicht etwa nur einen Zeitpunkt, wie beispielsweise den bei Kolben typischen Umkehrpunkt bzw. Totpunkt.
Der Begriff Teil-Arbeitsvolumen bezieht sich oben und im Folgenden auf das zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Kammer, d.h. von der Kammer und dem ihr zugeordneten Kolben begrenzte bzw. darin vorhandene, Volumen. Der Begriff Arbeitsvolumen bezieht sich jeweils auf die Summe der Volumina jener Teil-Arbeitsvolumina und jener Volumina der Verbindungskanäle, welche allesamt miteinander zusammenhängen, also nicht voneinander abgedichtet sind, wobei das im Arbeitsvolumen enthaltene Arbeitsmedium und das in der Summe der Volumina enthaltene Arbeitsmedium identisch sind. Dies bedeutet ebenfalls, dass dem Arbeitsvolumen zumindest ein bestimmtes Teil-Arbeitsvolumen und umgekehrt dem Teil-Arbeitsvolumen ein bestimmtes Arbeitsvolumen zugeordnet ist. Mit anderen Worten und unter Berücksichtigung der relativ kleinen Volumina der Verbindungskanäle lässt sich auch sagen, dass das Arbeitsvolumen im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist. Außerdem folgt daraus, dass ein Teil-Arbeitsvolumen einer Kammer immer kleiner (theoretisch höchstens gleich, wenn es genau ein dem Arbeitsvolumen zugeordnetes Teil-Arbeitsvolumen gäbe und die damit zusammenhängenden Volumina der Verbindungskanäle Null wären) als das ihm zugeordnete Arbeitsvolumen ist. So ist es zum Zwecke der Effizienzsteigerung eben möglich, dass sich bei einer Kammeranordnung ab vier Kammern zwei oder bei noch mehr Kammern noch mehr voneinander getrennte Arbeitsvolumina in der Kammeranordnung befinden, wobei die Kolben der Kammeranordnung während verschiedener Zeitabschnitte verschiedene Arbeitsmedien kontrollieren können, wobei in diesem Zusammenhang verschiedene Arbeitsmedien nicht zwangsläufig verschiedene Sorten von Arbeitsmedien bedeuten muss, sondern es bedeutet, dass sich die verschiedenen Arbeitsmedien in verschiedenen Arbeitsvolumina befinden. Es können demnach mehrere Kreisprozesse, die in diesem Fall jeweils ein eigenes Arbeitsmedium haben, parallel in der Kammeranordnung ausgeführt werden. Sind diese Kreisprozesse in ihrer Art gleich, beispielsweise zwei angenäherte Carnot-Prozesse, so kann man auch sagen, dass der angenäherte Carnot-Prozess in der Kammeranordnung zweifach ausgeführt wird. Die in der Kammeranordnung parallel ausgeführten Kreisprozesse können aber in ihrer Art auch unterschiedlich sein, beispielsweise ein angenäherter Carnot- und ein angenäherter Stirling-Prozess.
Während des Betriebs der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine können sich von Durchlauf zu Durchlauf die Zustandspunkte eines mit ihr ausgeführten Kreisprozesses ändern, ohne dass sich dabei zwangsläufig die Art des Kreisprozesses ändern muss. Das bedeutet, dass ein Durchlauf eines Kreisprozesses beispielsweise im p-V-Diagramm anders aussehen kann als ein anderer Durchlauf des selben Kreisprozesses. Insbesondere bei Betätigungsmitteln zum Erzeugen von variablen Bewegungsprofilen ist es auch möglich, dass sich während des Betriebs der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine die Art eines mit ihr ausgeführten Kreisprozesses ändert, beispielsweise kann ein zunächst in der Kammeranordnung ausgeführter angenäherter Stirling-Prozess später in einen angenäherten Carnot-Prozess übergeführt werden.
Weiters kann es sein, dass während eines Durchlaufes eines Kreisprozesses, bzw. während der Dauer dieses Durchlaufes nicht alle Kolben der Kammeranordnung mit dem an dem Durchlauf beteiligten Arbeitsmedium, welches sich mit weiteren, eigenständigen Arbeitsmedien in der Kammeranordnung befinden kann, in Kontakt treten. Selbst wenn die Kammeranordnung nur ein einziges Arbeitsmedium aufweist, bzw. in der Kammeranordnung mit nur einem einzigen Arbeitsmedium ein Kreisprozess ausgeführt wird, müssen nicht zwangsläufig alle Kolben der Kammeranordnung an einem und dem selben Durchlauf des Kreisprozesses beteiligt sein, weil beispielsweise einige Kolben der Kammeranordnung die ganze Zeit während des einen Durchlaufes stationär sein können, um lediglich Wärme von ihrer Wärmequelle aufzunehmen, womit in der Kammeranordnung lediglich eine Gruppe von an diesem einen Durchlauf beteiligten Kolben existieren kann.
Jedenfalls ist oben und im Folgenden jeder ausgeführte Durchlauf eines Kreisprozesses als unikal zu verstehen, auch dann, wenn zwei Durchläufe eines Kreisprozesses beispielsweise anhand ihrer p-V-Diagramme identisch erscheinen.
Wenn zumindest zwei der Kammern die Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche aufweisen, kann vorteilhaft sowohl bei der Wärmeaufnahme als auch bei der Wärmeabgabe ein effizienter und rascher Wärmeaustausch mit der Kammerumgebung erzielt werden.
Um eine möglichst ideale Zustandsänderung - insbesondere hinsichtlich der beim Carnot-Prozess angestrebten isentropen Zustandsänderung - in einer der anderen Kammern zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der von den Betätigungsmitteln festgelegten Bewegungsprofile zumindest eine Totphase aufweist, während der einer der mit dem entsprechenden Betätigungsmittel verbundenen Kolben im Wesentlichen stationär ist.
Weiters ist es bei derartigen Bewegungsprofilen zur Vermeidung von Toträumen günstig, wenn ein von dem in der Totphase seines Bewegungsprofils befindlichen Kolben und der ihm zugeordneten Kammer begrenztes Teil-Arbeitsvolumen im Wesentlichen Null ist. Der vorübergehend stationäre Kolben schließt dabei nicht nur - wie zuvor angegeben - dicht gegenüber der ihm zugeordneten Kammer ab, sondern füllt diese außerdem vollständig aus, so dass jegliches Arbeitsmedium aus der Kammer entfernt wird. Dabei kann selbstverständlich in Bezug auf einen der anderen Kolben, dessen Bewegungsprofil ebenfalls eine Totphase aufweist, ein während der Totphase von Null abweichendes Teil-Arbeitsvolumen vorgesehen sein.
Um der dem Carnot-Prozess eigenen Asymmetrie hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs des Arbeitsvolumens bzw. der Teil-Arbeitsvolumina und der möglichst guten faktischen Umsetzbarkeit der Zustandsänderungen, beispielsweise der für isentrope Zustandsänderungen notwendigen relativ hohen Geschwindigkeit von Expansion und Kompression oder der für isotherme Zustandsänderungen notwendigen relativ langsamen Geschwindigkeit von Expansion und Kompression oder aber auch der relativ kurzen Zeitdauer für einen möglichst adiabaten Kammerwechsel des Arbeitsmediums, Rechnung zu tragen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn zumindest eines der Bewegungsprofile unterschiedliche Zeitabstände zwischen einem Umkehrpunkt und der zeitlich folgenden Totphase einerseits und zwischen der Totphase und dem zeitlich folgenden Umkehrpunkt andererseits aufweist, insbesondere richtungsabhängig ist. Die unterschiedlichen Zeitabstände lassen sich beispielsweise beim im Weiteren veranschaulichten rechtsläufigen Carnot-Prozess besonders anhand der größeren Volumenänderung bei der isentropen Expansion gegenüber der isentropen Kompression verstehen, welche zur Folge hat, dass bei gleicher Kolbengeschwindigkeit und gleicher Kolbenquerschnittsfläche des jeweils betrachteten Kolbens die isentrope Expansion länger dauert als die isentrope Kompression. Des Weiteren ist es bei den isothermen Zustandsänderungen, um diese möglichst getreu ausführen zu können, vorteilhaft, diese gegenüber dem Wechsel des Arbeitsmediums in die andere Kammer - dieser Zwischentakt erfolgt nutzbringend schneller, weil zeitsparend und eher adiabat - langsam ablaufen zu lassen.
Wenn die Betätigungsmittel der Kammeranordnung bzw. die von ihnen festgelegten Bewegungsprofile so aufeinander abgestimmt sind, dass, die Betrachtung auf ein einziges Arbeitsvolumen, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, gerichtet, im Betrieb zumindest eine der Kammern und höchstens zwei der Kammern ein von Null wesentlich verschiedenes Teil-Arbeitsvolumen aufweist bzw. aufweisen, kann einerseits vorteilhaft eine klare räumliche Separation der Zustandsänderungen erzielt werden und andererseits sinnvoll der Wechsel des Arbeitsmediums von der einen in die andere Kammer bewerkstelligt werden, wobei währenddessen je nach Anzahl der vorhandenen Kammern der Kammeranordnung es günstig ist, eine Zustandsänderung des Arbeitsmediums auszuführen - insbesondere bei 2 Kammern - oder keine Zustandsänderung auszuführen - insbesondere bei mehr als 2 Kammern. Somit ist das Arbeitsvolumen, d.h. auch das Arbeitsmedium, immer einer Zustandsänderung bzw. einem Kammerwechsel in der (bzw. den) dafür vorgesehenen Kammer(n) unterworfen, was den Wirkungsgrad der Kolbenmaschine erhöht. Dies gilt unabhängig davon, ob in einer Kammeranordnung mit vier oder mehr Kammern mehr als ein Arbeitsmedium befördert wird. Auch in diesen Fällen weisen im Betrieb zumindest eine der Kammern und höchstens zwei der Kammern einen von Null wesentlich verschiedenen Anteil an ein und demselben Arbeitsvolumen auf. Eventuell von anderen Kammern der Kammeranordnung eingeschlossene und von dem betreffenden Arbeitsvolumen zu jedem Zeitpunkt während eines Prozessdurchlaufes dicht abgetrennte (Teil-)Arbeitsvolumina sind dadurch folglich nicht ausgeschlossen. Die Abstimmung der Betätigungsmittel kann durch ein Koordinationsmittel, z.B. eine gemeinsame Achse oder eine gemeinsame bzw. kommunizierende programmierbare Steuerung(en) erfolgen.
Zur Vermeidung von Wirkungsgrad reduzierenden Verlusten beim Transport des Arbeitsmediums zwischen den Kammern ist es günstig, wenn der zumindest eine Verbindungskanal ventillos ist. Somit wird der von einem Ventil dem Arbeitsmedium entgegengesetzte Widerstand, welcher unter anderem der zum Öffnen des Ventils notwendigen Kraft anzurechnen ist, vermieden. Außerdem haben ventillose Verbindungskanäle den Vorteil eines einfacheren Aufbaus und einer größeren Zuverlässigkeit.
Eine bei andersartigen Maschinen bekannte Möglichkeit, die erforderlichen Wärmeübertragungsflächen zu erzielen besteht darin, dass die Wärmeübertragungsflächen einer der Kammern von der Innenbewandung der entsprechenden Kammer gebildet sind und der in der entsprechenden Kammer angeordnete Kolben eine zu den Wärmeübertragungsflächen der entsprechenden Kammer komplementäre Oberfläche aufweist, welche vorzugsweise ebenfalls zur Übertragung von Wärme ausgebildet ist. Bei einer derartigen Kammergeometrie kann hinsichtlich des Wärmeübergangs auf relativ kleinem Raum ein relativ großer Kolbenquerschnitt simuliert werden, wobei bei gleichem Wärmeübertrag die Kolbenbewegung bezogen auf den simulierten Kolbenquerschnitt, d.h. auf die tatsächliche Kolbenoberfläche, scheinbar verlangsamt wird. Dadurch wird ein vorteilhaftes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis erzielt, welches einen raschen Wärmeaustausch bzw. einen raschen Ausgleich etwaiger Temperaturunterschiede im Arbeitsmedium begünstigt.
Außerdem kann man bewerkstelligen, dass die Wärmeübertragungsflächen einer der Kammern mit einem girlandenartigen Wärmeübertragungskörper gebildet sind, welcher in der entsprechenden Kammer bzw. zwischen der entsprechenden Kammer und dem ihr zugeordneten Kolben angeordnet ist. Ein solcher girlandenartiger Wärmeübertragungskörper wird bei einer Kolbenbewegung gestreckt bzw. gestaucht und kann je nach Anzahl der Schichten bzw. Windungen eine beliebige Oberflächenvergrößerung erzielen. Bei geeigneten Abmessungen, d.h. wenn der Querschnitt bzw. die Grundfläche des vollständig gestauchten ("zusammengelegten") Wärmeübertragungskörpers im Wesentlichen dem Kolbenquerschnitt entspricht, kann das Teil-Arbeitsvolumen der betreffenden Kammer vorteilhaft bis auf Null reduziert werden, insbesondere wenn innerhalb der entsprechenden Kammer bzw. am ihr zugeordneten Kolben ein weiterer zum zusammengelegten Wärmeübertragungskörper komplementärer Körper vorhanden ist. Ein weiterer Vorteil bei einem derartigen Wärmeübertragungskörper ist der einfache und gute Wärmeaustausch mit der Kammer während der Totphase, da die für die Übertragung notwendige Strecke bei aufeinander liegenden Schichten erheblich abgekürzt ist. Selbstverständlich ist es im Sinne der Erfindung, auch mehrere Wärmeübertragungsflächen auf diese Art und Weise, d.h. mit girlandenartigen Wärmeübertragungskörpern, vorzusehen und es können auch mehrere derartiger Wärmeübertragungskörper die Wärmeübertragungsflächen bilden bzw. in einer einzigen Kammer angeordnet sein.
Eine weitere Möglichkeit um die weiter oben erläuterte Asymmetrie des Carnot-Prozesses konstruktiv zu kompensieren besteht darin, dass von den beiden Kammern mit unterschiedlichen Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen die eine Kammer mit verhältnismäßig niedriger Arbeitstemperatur ein größeres Fassungsvermögen aufweist als die andere Kammer mit verhältnismäßig hoher Arbeitstemperatur. Insbesondere kann das Fassungsvermögen durch unterschiedliche Kammerquerschnitte angepasst sein. Außerdem ist es günstig, wenn die Kolben in ihrer zugeordneten Kammer ein etwa gleich großes Hubvermögen aufweisen. Dadurch erhält man eine gute Bauraumnutzung, da sich typischerweise zumindest eine Außenabmessung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ohnehin nach der Kammer mit dem größten Hubvermögen richtet. Weiters wird dadurch ein vorteilhaftes Gleichteilekonzept der verwendeten Bauteile begünstigt.
Besonders flexible und genau konfigurierbare Bewegungsprofile sind erzielbar, wenn zumindest eines der Betätigungsmittel ein Kurvenelement aufweist, mit dem der dem Betätigungsmittel zugeordnete Kolben bzw. mit dem Kolben verbundene Elemente über ein Rollelement verbunden ist bzw. sind. Dabei kann das Kurvenelement, welches beispielsweise durch eine Kurvenscheibe gebildet sein kann, durch seine beliebig herstellbare Form exakt den gewünschten Bewegungsablauf nachbilden und gegebenenfalls gleichzeitig als Schwungrad fungieren.
Um etwaige Verluste beim Umkehren der Bewegungsrichtung des Kolbens, d.h. zwischen Zug- und Schubbewegung, zu vermeiden, kann das Rollelement aus zumindest zwei Profilrollen bestehen, wobei die zumindest zwei Profilrollen aufgrund ihrer Anordnung während eines in der Kammeranordnung (8) ausgeführten Durchlaufes eines Kreisprozesses bei unverändertem Drehsinn des ihnen zugeordneten Kurvenelementes ihre Drehrichtungen nicht ändern. Dabei kann insbesondere eine der Profilrollen bezogen auf das Kurvenelement radial innen und die andere Profilrolle ihr gegenüber radial außen angeordnet sein, so dass bei Schubbewegungen eine Kraftübertragung über die radial innere Profilrolle und bei Zugbewegungen eine Kraftübertragung über die radial äußere Profilrolle erfolgt.
Um unerwünschte, weil Verluste bewirkende, Kräfte oder Drehmomente so gering wie möglich zu halten, hat es sich als günstig herausgestellt, wenn ein in Hubrichtung ermittelter Achsabstand zwischen einer Führungsrolle eines der Rollelemente und einer der Profilrollen des selben Rollelements klein ist im Vergleich zu einem in Hubrichtung ermittelten Abstand zwischen der Drehachse der Profilrolle und dem dem Rollelement zugeordneten Kolben, vorzugsweise etwa Null, so dass eine möglichst reibungsfreie Bewegung des dem Rollelement zugeordneten Kolbens in dessen Kammer erzielt wird. Dadurch können insbesondere hohe Reibung verursachende Seitenkräfte auf den Kolben vermieden werden, welche andernfalls den Wirkungsgrad der Kolbenmaschine verschlechtern würden.
Eine mechanisch noch weniger limitierte Kraftübertragung von einem bzw. auf einen Kolben kann erzielt werden, wenn zumindest eines der Betätigungsmittel eine Motor-Generator-Einheit aufweist und der bzw. die dem Betätigungsmittel zugeordnete(n) Kolben bzw. damit verbundene Elemente mit dem Läufer der Motor-Generator-Einheit verbunden ist bzw. sind. Die Motor-Generator-Einheit kann dabei selbstverständlich auch aus einem Motor und einem separaten Generator bestehen, deren Läufer mechanisch gekoppelt sind. Ebenso können auch ein etwaiger Servoverstärker und/oder eine programmierbare Steuerung zur Motor-Generator-Einheit gehören.
Die mithilfe von derartigen Betätigungsmitteln realisierten Bewegungsprofile können sogar im Betrieb anpassbar sein, wenn zumindest eines der Betätigungsmittel zum Erzeugen von variablen Bewegungsprofilen geeignet, insbesondere frei programmierbar ist. Dadurch kann insbesondere Rücksicht auf eine unterschiedlich zur Verfügung stehende Wärmemenge bzw. Arbeit und die sonstigen sich ändernden Randbedingungen für das Betreiben der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine genommen werden.
Da die von den bzw. auf die Kolben ausgeübten Kräfte je nach Kammer naturgemäß auch dem Betrag nach unterschiedlich sind, ist es günstig, wenn zumindest einem der Betätigungsmittel und dem ihm zugeordneten Kolben ein Übersetzungsgetriebe, insbesondere ein pantographartiges Koppelgetriebe, oder ein Kugelgewindetrieb zwischengeschaltet ist. Beispielsweise können dadurch auch günstige Bewegungsgeschwindigkeiten der Läufer von elektromagnetischen Betätigungsmitteln erreicht werden ohne auf die für die Zustandsänderung optimale Ablaufgeschwindigkeit verzichten zu müssen.
Um in der Kammeranordnung, insbesondere im Hinblick auf die während der bei einer Zustandsänderung übertragenen Wärmemenge zwischen Kammer und Arbeitsmedium, unterschiedliche Typen von Zustandsänderungen, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen stattfindende annähernd isotherme Zustandsänderungen einerseits und die angenäherte isentrope Zustandsänderung andererseits, des Arbeitsmediums ausführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die mittlere Kammer aufgrund ihrer Formgebung, im arithmetischen Mittel einen zumindest 1,5 mal größeren Abstand zwischen einem beliebig klein angenommenen Volumenteilchen ihres auf das Bezugsvolumen ausgedehnten Teil-Arbeitsvolumens und ihrer das Teil-Arbeitsvolumen begrenzenden inneren Kammeroberfläche aufweist als zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundenen Kammern.
Damit eine mit einem Wärmeaustausch einhergehende Verfälschung der isentropen Zustandsänderungen und eine daraus resultierende Reduktion des Wirkungsgrades der Kolbenmaschine vermieden werden kann, ist bzw. sind die mittlere(n) Kammer(n) günstigerweise frei von Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche und/oder thermisch zumindest gegenüber einer der anderen Kammern, insbesondere zumindest gegenüber der Kammer mit verhältnismäßig hoher Arbeitstemperatur, isoliert. Es ist daher günstig, wenn die mittlere(n) Kammer(n) (jeweils) eine kleinere innere Oberfläche aufweist (aufweisen), als eine Kammer mit Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche, insbesondere als jene Kammer mit einer verhältnismäßig niedrigeren Arbeitstemperatur.
Um die Wärmemengen, welche während den in den Kammern der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ausgeführten Zustandsänderungen zwischen den Kammern und dem Arbeitsmedium ausgetauscht werden und welche maßgeblich für die verschiedenen Typen von Zustandsänderungen mitentscheidend sind, zu steuern, kann vorteilhafterweise zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundenen Kammern mit der das Arbeitsmedium, vorzugsweise während einer annähernd isothermen Zustandsänderung, eine relativ große Wärmemenge austauschen soll, eine große innere Oberfläche aufweisen bzw. ist es günstig wenn sich möglichst viel vom Arbeitsmedium ganz nahe an ihrer inneren Kammeroberfläche befindet, was vorteilhafterweise dadurch erreicht werden kann, dass gegenüberliegende Flächenbereiche der inneren Kammeroberfläche einen geringen Abstand aufweisen. Als weitere Begünstigung für den Austausch einer relativ großen Wärmemenge kann beispielsweise der Kolbenquerschnitt relativ groß und der Kolbenhub relativ klein gewählt werden - oder umgekehrt, es könnten aber auch Bereiche der inneren Kammeroberfläche eine tief gezackte Form aufweisen oder es könnte in der Kammer ein dehn- bzw. stauchbarer girlandenartiger Wärmeübertragungskörper mit Wärmeübertragungsflächen angeordnet sein.
Die Kammer, vorzugsweise die mittlere Kammer, mit der das Arbeitsmedium, vorzugsweise während einer annähernd isentropen Zustandsänderung, eine relativ kleine Wärmemenge austauschen soll, kann vorzugsweise eine kleine innere Oberfläche aufweisen bzw. ist es für diese Kammer günstig, wenn sich möglichst viel vom Arbeitsmedium weit entfernt von ihrer inneren Kammeroberfläche, welche vorzugsweise gegenüber der äußeren Umgebung thermisch isoliert sein kann, befindet ,was beispielsweise durch mit großem Abstand gegenüberliegende Flächenbereiche der inneren Kammeroberfläche erreicht werden kann. Eine soeben erwähnte Kammer kann vorteilhafter Weise einen Kolbendurchmesser aufweisen, der gleich groß wie ihr Kolbenhub ist. Weiters ist es günstig, wenn das Innere der Kammer vorwiegend mit einer glatten Oberfläche ausgeführt ist, wobei es zusätzlich günstig wäre, wenn die innere Kammeroberfläche nur wenige oder keine Aus- bzw. Einbuchtungen aufweisen würde.
Um in der Kammer mit den Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer (inneren) Oberfläche insbesondere eine angenäherte isotherme Zustandsänderung des Arbeitsmediums ausführen zu können und den dafür guten Wärmeaustausch der Kammer mit dem Arbeitsmedium zu erreichen indem ihre innere Oberfläche möglichst groß ausgeführt wird und/oder das Arbeitsmedium möglichst nahe an ihre innere Oberfläche gebracht wird, ist es vorteilhaft, wenn das durch einen Schnitt erzeugte Profil der Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung der (inneren) Oberfläche der Kammer mehrfach zackenförmig ausgebildet ist.
Aufgrund der unterschiedlichen Aufgaben bezüglich Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium und zur Vermeidung eines Wärmestroms zwischen den Kammern ist es vorteilhaft, wenn eine der Kammern mit den Wärmeübertragungsflächen aus einem Material mit relativ hoher Wärmekapazität und guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium bzw. deren Legierungen, hergestellt ist und die mittlere Kammer aus einem thermisch schlecht leitfähigen Material, insbesondere Keramik oder Glaskeramik, hergestellt ist.
Wenn eine der Kammeranordnungen als Arbeitsmedium ein Gas mit hoher spezifischer Gaskonstante aufweist, insbesondere Helium, können die Strömungsverluste beim Transport des Gases zwischen den Zylindern verringert werden, da die bewegte Masse klein bleiben kann. Weiters kann dadurch bei gleicher durch die Kammeranordnung umgewandelter Energie der Bauraum der Kammeranordnung verkleinert werden. Besonders vorteilhaft ist es selbstverständlich, wenn mehrere oder sogar sämtliche Kammeranordnungen ein entsprechendes Arbeitsmedium aufweisen, jedoch können auch verschiedene Arbeitsmedien verwendet werden. Andererseits ist auch die Verwendung von Luft als Arbeitsmedium mit Vorteilen verbunden; beispielsweise ist - je nach Arbeitsdruck - die Dichtheit der Kammeranordnung weniger problematisch, da ein Austritt von Luft in die Umgebung im Allgemeinen unkritisch ist.
Die zwischen einem der Kolben und dem ihm zugeordneten Betätigungsmittel zu übertragende Kräfte können weiters optimiert und die damit verbundenen Verluste reduziert werden, wenn zumindest einer der Kolben mit einem Federelement, insbesondere einem magnetischen, mechanischen oder gasförmigen Federelement, zur Unterstützung des dem Kolben zugeordneten Betätigungsmittels verbunden ist. Insbesondere können dadurch etwaige Verluste, die durch die Betätigungsmittel, insbesondere die durch elektromagnetisch arbeitende Betätigungsmittel während sie Totphasen vorgeben, verursacht werden, vermindert werden.
Die bei den notwendigen Linearbewegungen der Kolben beispielsweise auf einen Untergrund bzw. auf ein Lager der Kolbenmaschine übertragenen Kräfte führen naturgemäß, z.B. aufgrund von unvermeidbaren Dämpfungen etc., zu Verlusten, welche verringert werden können, wenn zumindest eine weitere, im Wesentlichen zur Kammeranordnung identische Kammeranordnung mit Kolben vorgesehen ist, wobei sich die Massenträgheitswirkungen der Kolben samt damit verbundenen Elementen aller Kammeranordnungen im Wesentlichen aufheben. Die wesentlichen Massenträgheitswirkungen sind dabei insbesondere die Massenträgheitskräfte der Kolben, und die der mit den Kolben verbundenen Elemente, wobei auch Massenträgheitsmomente, beispielsweise der Betätigungsmittel, eingeschlossen sind.
Es ist weiters vorteilhaft, wenn zumindest zwei verschiedenen Kammeranordnungen angehörende Kolben mit einem gemeinsamen Betätigungsmittel verbunden sind. Vorzugsweise sind die mit einem gemeinsamen Betätigungsmittel verbundenen Kolben artverwandt, d.h. die durch sie erreichten Volumensänderungen gehören zu gleichartigen Zustandsänderungen in den verschiedenen Kammeranordnungen. Das gemeinsame Betätigungsmittel kann beispielsweise eine symmetrische Bewegung der Kolben verschiedener Kammeranordnungen bewirken, wobei die Synchronisation der Bewegungen auf natürliche Weise durch die Einheit des Betätigungsmittels garantiert ist.
Bei dem oben genannten Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine der bisher beschriebenen Art ist es besonders günstig, wenn ein Arbeitsvolumen der Kammeranordnung, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen auf die ihm zugeordneten Teil-Arbeitsvolumina von einer oder zwei der Kammern verteilt ist. Bei einer solchen Verteilung, d.h. wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. zu jedem beliebigen Zeitpunkt während eines Durchlaufes des Kreisprozesses etwaige dritte oder weitere Kammern derselben Kammeranordnung ein Teil-Arbeitsvolumen von im Wesentlichen Null aufweisen, kann eine beinahe ideale und somit nahezu unverfälschte Zustandsänderung des Arbeitsmediums bzw. ein Kammerwechsel des Arbeitsmediums erzielt werden, was zur Erreichung des optimalen Wirkungsgrads wünschenswert ist.
Um eine homogene Temperatur im gesamten Volumen des Arbeitsmedium zu erzielen, ist es günstig, wenn hinsichtlich des Durchlaufes die Dauer der Totphase von einem der Kolben bzw. in der dem Kolben zugeordneten Kammer beinahe gleich oder größer der Dauer der sich zeitlich mit dieser Totphase zumindest teilweise überlappenden, dem Durchlauf zugeordneten näherungsweise isothermen Zustandsänderung in einer der anderen an dem Durchlauf beteiligten Kammern ist. Bei einem derartigen Ablauf findet die isotherme Zustandsänderung vorzugsweise zur Gänze in einer einzigen Kammer der Kammeranordnung statt.
Wenn innerhalb der Kammeranordnung hinsichtlich des Durchlaufes jede der daran beteiligten Totphasen zumindest 15%, insbesondere zumindest 25%, der Zeit des Durchlaufes beträgt, kann sich eine besonders gute und gleichmäßige Temperaturverteilung in der betreffenden Kammer bzw. dem ihr zugeordneten Kolben während einer der Totphasen einstellen, wodurch beispielsweise die in der Kammer im Anschluss an ihre Totphase folgende Zustandsänderung des Arbeitsmediums besonders gut der gewünschten Soll-Zustandsänderung folgen kann.
Es ist vorteilhaft, wenn in einer der anderen an dem Durchlauf eines in der Kammeranordnung ausgeführten Kreisprozesses beteiligten Kammern eine Zustandsänderung des Arbeitsmediums ungestört ausgeführt werden kann und weiters entspricht es einer klaren Zuordnung einer Kammer zu wenigen, unmittelbar aufeinander folgenden Zustandsänderungen, wenn jeder der an dem Durchlauf beteiligten Kolben in einer der ihnen zugeordneten Kammern mit direkter Verbindung zu genau einer weiteren der daran beteiligten Kammern hinsichtlich des Durchlaufes genau eine dem Durchlauf zugeordnete Totphase aufweist. Aus denselben Gründen ist es vorteilhaft, wenn jeder der an dem Durchlauf beteiligten Kolben in einer der ihnen zugeordneten Kammern mit durch das daran beteiligte Arbeitsmedium unidirektional durchströmter direkter Verbindung zu genau zwei weiteren der daran beteiligten Kammern hinsichtlich des Durchlaufes genau eine dem Durchlauf zugeordnete Totphase aufweist.
Umgekehrt können mehrere gleichartige Zustandsänderungen, insbesondere wenn sie keinen Wärmeaustausch erforderlich machen, auch in derselben Kammer durchgeführt werden, so dass jeder der an dem Durchlauf beteiligten Kolben in einer der ihnen zugeordneten Kammern mit durch das daran beteiligte Arbeitsmedium bidirektional durchströmter direkter Verbindung zu zwei weiteren der daran beteiligten Kammern hinsichtlich des Durchlaufes zwei dem Durchlauf zugeordnete Totphasen aufweist.
Eine besonders gute Annäherung an den Vergleichsprozess kann erzielt werden, wenn die gesamte Dauer aller dem Durchlauf zugeordneten Totphasen des Kolbens, der bei zumindest einer der an dem Durchlauf beteiligten annähernd isentropen Zustandsänderungen mitwirkt, länger ist als die Totphase des Kolbens der bei einer der an dem Durchlauf beteiligten annähernd isothermen Zustandsänderungen mitwirkt. Dementsprechend ist es günstig, wenn in Summe die beiden annähernd isentropen Zustandsänderungen des Durchlaufes schneller, insbesondere zumindest 2 mal schneller durchgeführt werden als in Summe die beiden dem Durchlauf zugeordneten annähernd isothermen Zustandsänderungen. Dadurch kann dem Wärmeaustausch während der isothermen Zustandsänderung genügend Zeit gegeben werden, während einer Änderung der Entropie in der kurzen Zeit während der schnelleren isentropen Zustandsänderungen entgegen gewirkt wird.
Bei dem vorliegenden Verfahren kann außerdem eine Anpassung des Arbeitsvolumens während des Betriebs der gegenständlichen Kolbenmaschine vorgenommen werden, wenn zumindest eine thermodynamische Zustandsgröße eines der in der Kammeranordnung befindlichen Arbeitsmedien ermittelt wird und der zeitliche Verlauf eines der Arbeitsvolumina zumindest einer der Kammeranordnungen, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, als Funktion der zumindest einen ermittelten Zustandsgröße geändert wird, wodurch der angenäherte Carnot-Prozess modifiziert und besser an veränderliche Randbedingungen, wie beispielsweise die zur Verfügung stehende Wärmeenergie, angepasst werden kann. Dies bedeutet, dass abfolgende Durchläufe des Kreisprozesses in Bezug auf ihre Zustandspunkte unterschiedlich sein können.
Anstelle der direkten Ermittlung einer thermodynamischen Zustandsgröße bzw. zusätzlich kann zumindest eine Messgröße, insbesondere die Position von einem der Kolben, die auf einen der Kolben wirkende Kraft durch das Arbeitsmedium oder die für den Kreisprozess zur Verfügung stehende obere oder untere Prozesstemperatur, ermittelt werden, die mit einer thermodynamischen Zustandsgröße eines der in der Kammeranordnung befindlichen Arbeitsmedien zusammenhängt, und der zeitliche Verlauf eines der Arbeitsvolumina zumindest einer der Kammeranordnungen, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, als Funktion der zumindest einen ermittelten Messgröße geändert werden. Dabei ist es belanglos, ob aus der ermittelten Messgröße tatsächlich eine thermodynamische Zustandsgröße abgeleitet wird und/oder ob dafür noch andere Messgrößen oder Spezifikationen erforderlich wären.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen dabei im Einzelnen:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit drei Kolben, die jeweils mit einer Kurvenscheibe verbunden sind;
Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht eines alternativen Wärmeübertragungskörpers für den Einsatz in einer Kammer einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine;
Fig. 3a eine schaubildliche Ansicht eines spiralenförmigen Wärmeübertragungskörpers;
Fig. 3b bzw. 3c jeweils schaubildliche Teilschnittansichten des Wärmeübertragungskörpers gemäß Fig. 3a in einer Kammer in einer teilweise offenen bzw. einer vollständig komprimierten Stellung;
Fig. 4a bzw. 4b schematische Grundrisse zweier verschiedener Kammergeometrien, mit kreisrunden bzw. elliptischen Grundflächen;
Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht eines Rollelements mit seitlichen Führungsrollen;
Fig. 6 eine teilweise Schnittansicht eines alternativen Rollelements mit zwei Profilrollen;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer drehsymmetrischen Kurvenscheibe, mit welcher drei Kolben verbunden sind, entlang einer Drehachse;
Fig. 8 eine schematische Teilschnittansicht durch eine Vorrichtung mit zwei artverwandten Kolben verschiedener Kammeranordnungen, einer gemeinsamen Motor-Generator-Einheit und zwischengeschaltetem Zahnradgetriebe und links-/rechtsläufigem Doppelkugelgewindetrieb;
Fig. 9 ein Temperatur-Entropie-Diagramm des idealen Carnot-Prozesses;
Fig. 10 ein Druck-Volumen-Diagramm des idealen Carnot-Prozesses;
Fig. 11 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit drei Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes;
Fig. 12 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit zwei Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes;
Fig. 13 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit zwei Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes, wobei die Zustandsänderungen im Vergleich zu Fig. 12 in anderen Kammern stattfinden;
Fig. 14 eine weitere Variante des zeitlichen Verlaufs der einzelnen Teil-Arbeitsvolumina;
Fig. 15 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit vier Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes; und
Fig. 16a-c schematisch verschiedene Arten von Federelementen zur Unterstützung eines Betätigungsmittels.

In Fig. 1 ist eine Kolbenmaschine 1 zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit gezeigt. Die Kolbenmaschine 1 besitzt drei Kammern 2, 3, 4 mit jeweils einem der jeweiligen Kammer 2, 3, 4 zugeordneten Kolben 5, 6, 7. Die drei Kammern 2, 3, 4 bilden zusammen die einzige Kammeranordnung 8 der Kolbenmaschine 1. Die Kammern 2, 3, 4 sind durch Verbindungskanäle 9, 10 zwischen den Kammern 2 und 3 bzw. 3 und 4 verbunden, wobei zwischen den beiden äußeren Kammern 2, 4 kein direkter Verbindungskanal existiert, sondern diese beiden Kammern 2, 4 nur durch die mittlere Kammer 3 hindurch miteinander kommunizieren. Die die Kammern 2, 3, 4 verbindenden Verbindungskanäle 9, 10 sind zur Vermeidung von Schadraum (Totraum) mit möglichst kleinen, jedoch den Anforderungen einer tunlichst widerstandslosen Durchströmbarkeit gerechten Volumina ausgestattet.
In jeder Kammer 2, 3, 4 ist ein einziger Kolben 5, 6, 7 angeordnet. Die Querschnitte der Kolben 5, 6, 7 sind jedoch zwischen den Kammern 2, 3, 4 unterschiedlich. Jeder Kolben 5, 6, 7 ist mit einem Betätigungsmittel in Form einer Kurvenscheibe 11, 12, 13 verbunden, wobei die drei Kurvenscheiben 11, 12, 13 mit einer gemeinsamen Achse 14 drehfest verbunden sind. Die Kurvenscheiben 11, 12, 13 steuern die Bewegung des jeweiligen Kolbens 5, 6, 7 bzw. sind für die Kraftübertragung vom und zum Kolben 5, 6, 7 eingerichtet. Die Achse 14 der Kurvenscheiben 11, 12, 13 ist in einem Rahmengestell 15 gelagert, welches zugleich die Kammeranordnung 8 trägt. Die Kolben 5, 6, 7 sind dabei senkrecht über der Achse 14 der Kurvenscheiben 11, 12, 13 angeordnet und über Verbindungselemente 16 mit den Kurvenscheiben 11, 12, 13 verbunden.
Die Verbindung der Kolben 5, 6, 7 mit den Kurvenscheiben 11, 12, 13 funktioniert hauptsächlich über bogenförmige Rollelemente 17, welche an den Kurvenscheiben 11, 12, 13 gelagert sind und über Kolbenstangen 18 mit den Kolben 5, 6, 7 in Verbindung stehen. Die Rollelemente 17 (vgl. Fig. 5 für eine detaillierte Darstellung) sind außerdem auch an seitlichen Führungsschienen 19 gelagert, um etwaige Verluste bei der Kraftübertragung, beispielsweise in Form von seitlichen Kraftkomponenten, zu verhindern. Jeweils zwei seitlich an den Rollelementen 17 angebrachte Führungsrollen 20 (vgl. Fig. 5) stehen mit einer Führungsschiene 19 auf jeder Seite in Kontakt.
Die Kurvenscheiben 11, 12, 13 weisen umfangseitig abschnittsweise eine mit radial veränderlichem Abstand zur Drehachse 14 der Kurvenscheibe 11, 12, 13 offene Profilnut 21 auf, in die jeweils eine Profilrolle 22 der Rollelemente 17 eingreift. Die Profilnut 21 wird dabei durch eine im Vergleich zur Kurvenscheibe 11, 12, 13 dünnere Seitenwand 23, welche die Kurvenscheibe 11, 12, 13 radial nach außen vergrößert, und durch eine im Wesentlichen dem Außenrand 24 der Kurvenscheibe 11, 12, 13 im Verlauf folgende Außenwand 25 gebildet. Die Funktion der Außenwand 25 ist es dabei, neben den von der Kurvenscheibe 11, 12, 13 ausgeübten Druckkräften auf den Kolben 5, 6, 7 auch Zugkräfte ausüben zu können. In Abschnitten 26, welche jeweils einer Totphase des der jeweiligen Kurvenscheibe 11, 12, 13 zugeordneten Kolbens 5, 6, 7 entsprechen, d.h. einer vollständig in die jeweilige Kammer 2, 3, 4 geschobenen Stellung des Kolbens 5, 6, 7, kann die Profilnut 21 deshalb unterbrochen und die Profilrolle 22 lediglich am Außenrand 24 der Kurvenscheibe 11, 12, 13 gelagert sein, da ausgehend von dieser Position keine Zugkräfte seitens des Kolbens 5, 6, 7 möglich sind.
Die Oberseite jedes Rollelements 17 ist starr über ein Justierelement 27, mittels dem der Abstand zwischen dem Rollelement 17 und dem Kolben 5, 6, 7 exakt einstellbar ist, mit einer Kolbenstange 18 verbunden. Am anderen Ende der Kolbenstange 18 ist der eigentliche Kolben 5, 6, 7 angeordnet, wobei die drei Kolben 5, 6, 7 ihren unterschiedlichen Aufgaben entsprechend unterschiedlich konstruiert sind. Zwei der Kolbenstangen 18 der Kolben 5, 6 sind mit je einem Mantel 18' umgeben, welcher die Kolbenstange gegenüber der Umgebung thermisch isoliert.
Der linke Kolben 5 ist in einer warmen Kammer 2 angeordnet, d.h. die Arbeitstemperatur dieser Kammer 2 ist höher als die der kalten Kammer 4 auf der rechten Seite. Dementsprechend ist der Kolben 5, wie auch die Seitenwand 28 der warmen Kammer 2 nach außen isoliert, was durch Isolationsschichten 29 angedeutet ist, wobei in der Isolationsschicht 29 mehrere verspiegelte Wärmeschutzbleche integriert sind, um eine Wärmeübertragung durch Strahlung zu minimieren. Die Isolationsschicht 29 selbst besteht aus Aerogel. Es besteht aber auch die Möglichkeit das Aerogel zu entfernen und den dadurch frei werdenden Raum zu evakuieren, da dieser Raum stabil und luftdicht ausgeführt ist. Anstelle des Aerogels können aber auch andere verfügbare Isolationsmaterialien wie beispielsweise Mineralwolle verwendet werden. Zudem sind die linke und mittlere Kammer 2, 3 der Kammeranordnung 8 lediglich jeweils über drei Stifte 29', welche ihrerseits hohl sind und aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit bestehen, distanziert mit dem Grundkörper 8' der Kammeranordnung 8 verbunden. Die innere Oberfläche des Grundkörpers 8' der Kammeranordnung 8 und die äußere Oberfläche der linken und mittleren Kammer 2, 3 spannen sozusagen zwischen ihnen den Raum auf, welcher von der Isolationsschicht 29 eingenommen wird. Im oberen Teil der Kammer 2 ist ein Wärmeübertragungskörper 30 fest angeordnet, welcher von einem Heizraum 31 umgeben ist. Der Wärmeübertragungskörper 30 trennt somit den Heizraum 31 von der übrigen Kammer 2 bzw. vom Teil-Arbeitsvolumen 33 der warmen Kammer 2. Zur zum Kolben 5 gewandten Unterseite hin weist der Wärmeübertragungskörper 30 Wärmeübertragungsflächen 34 zur Vergrößerung der Oberfläche der warmen Kammer 2 auf, indem die untere Oberfläche einem gezackten Verlauf folgt, wobei die schrägen in der warmen Kammer 2 befindlichen Wärmeübertragungsflächen 34 der Zacken so angeordnet sind, dass deren obere und untere Kanten 35, 36 jeweils in einer Ebene liegen und in der Draufsicht mit der Achse eines Verbindungskanals 9 zur mittleren Kammer 3 einen rechten Winkel einschließen. An der gegenüberliegenden Oberseite des Kolbens 5 ist ein komplementärer Wärmeübertragungskörper 37 angeordnet, der folglich ebenfalls gezackt ist und mit dem Kolben 5 bewegt wird, wobei dessen Zacken schlüssig in die Zwischenräume der Zacken des oberen Wärmeübertragungskörpers 30 einführbar sind, so dass bei vollständig in die Kammer 2 geführtem Kolben 5 im Wesentlichen kein Totraum zwischen den Wärmeübertragungskörpern 30, 37 verbleibt. Demzufolge ist das Teil-Arbeitsvolumen der warmen Kammer 2 durch die beiden Wärmeübertragungskörper 30, 37 und die innere Oberfläche der Seitenwand 28 der Kammer 2 bzw. des Zylinders begrenzt. Der Heizraum 31 weist beidseitig Leitungsanschlüsse 38, 39 auf, welche den Zu- und Abtransport eines Heizmediums, beispielsweise warmer Luft oder Flüssigkeit, in bzw. aus dem Heizraum 31 ermöglichen, so dass die Temperatur des oberen Wärmeübertragungskörpers 30 sowie des unteren Wärmeübertragungskörpers 37, welcher mit ersterem während einer Totphase über eine große Fläche in Kontakt steht, praktisch auf jene des Heizmediums gebracht werden kann. Dabei weisen sowohl die Leitungsanschlüsse 38, 39 wie auch die obere Seite des Heizraums 31 die gleiche Isolierung 29 auf wie die Seitenwand 28 der warmen Kammer 2 und der Kolben 5.
Der Verbindungskanal 9 zur mittleren Kammer 3 ist in der Seitenwand 28 der warmen Kammer 2 etwa auf Höhe der Unterkanten 36 der Zacken des oberen, unbeweglichen Wärmeübertragungskörpers 30 angeordnet. Um bei der Kompression der warmen Kammer 2 den Fluss des Arbeitsmediums durch den Verbindungskanal 9 und in die mittlere Kammer 3 zu erleichtern, sind die unteren Spitzen des oberen Wärmeübertragungskörpers 30 sowie die Füße (d.h. im unteren Bereich der Zacken) des unteren Wärmeübertragungskörpers 37 von schmalen Durchtrittskanälen 40 durchsetzt, welche eine Abkürzung des Flusses des Arbeitsmediums ermöglichen. Bei einer vollständig komprimierten Stellung des Kolbens 5, d.h. wenn der Kolben 5 vollständig in die Kammer 2 eingeführt ist (vgl. Kolben 7 in der kalten Kammer 4), münden die Durchtrittskanäle 40 der beiden Wärmeübertragungskörper 30, 37 jeweils in Durchtrittskanäle 40 des jeweils anderen Wärmeübertragungskörpers 37, 30. Vorzugsweise liegen in dieser Stellung alle Durchtrittskanäle 40 in einer Ebene und auf der Höhe des Verbindungskanals 9.
Die mittlere Kammer 3, welche durch den kurzen Verbindungskanal 9, welcher lediglich lang genug ist, um die Seitenwände 28, 41 der warmen Kammer 2 und der mittleren Kammer 3 auf kürzestem Weg zu durchqueren, mit der warmen Kammer 2 verbunden ist, weist ebenfalls eine kreisrunde Grundfläche auf, die jedoch mehr als doppelt so groß ist wie jene der warmen Kammer 2. Der Verbindungskanal 9 steckt dabei jeweils mit einem kugelförmigen Ende gelenkig und etwas verschiebbar in den Seitenwänden 28, 41 der warmen Kammer 2 und der mittleren Kammer 3, wodurch eine geringfügige Positionsänderung der warmen und mittleren Kammer 2, 3 während des Betriebes berücksichtigt wird. Der Innenraum der mittleren Kammer 3 ist rein zylindrisch, d.h. es sind keinerlei Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung der Oberfläche vorgesehen. Im Gegenteil ist sowohl die Seitenwand 41 der Kammer 3 als auch die obere Innenfläche sowie die Innenseite des Kolbens 6, d.h. die dem Teil-Arbeitsvolumen der mittleren Kammer 3 zugewandte Seite des in der Kammer 3 angeordneten Kolbens 6, isoliert, so dass ein Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium so weit wie möglich vermieden wird. Der Kolben 6 reduziert in der dargestellten komprimierten Stellung das verfügbare Teil-Arbeitsvolumen der Kammer 3 im Wesentlichen auf Null, wobei die flache Oberseite des Kolbens 6 an der oberen flachen Innenseite der Kammer 3 schlüssig anliegt. Damit bei der Kompression das Arbeitsmedium problemlos die Kammer 3 verlassen kann, ist die obere flache Innenseite der Kammer 3 auf der Höhe des Verbindungskanals 9 zur warmen Kammer 2 angeordnet.
Gegenüberliegend dem Verbindungskanal 9 zur warmen Kammer 2 weist die Seitenwand 41 der mittleren Kammer 3 einen weiteren Verbindungskanal 10 auf, welcher das Teil-Arbeitsvolumen der mittleren Kammer 3 mit jenem der kalten Kammer 4 verbindet. Die beiden Verbindungskanäle 9, 10 liegen vorzugsweise auf derselben Höhe und in diesem Beispiel sogar auf einer Linie. Zum verbesserten Abtransport des Arbeitsmediums weist die obere Innenseite der Kammer 3 eine umfangseitige Vertiefung in der Art einer äußeren Abflussrinne 42 auf, so dass vom Kolben 6 während der Kompression nach außen gedrängtes Arbeitsmedium durch die ringförmige Abflussrinne 42 zu einem der seitlichen Verbindungskanäle 9, 10 gelangen kann. Diese Abflussmöglichkeit ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da je nach Position im Kreisprozess jeweils nur der Abfluss durch einen der beiden der Verbindungskanäle 9, 10 vorgesehen bzw. möglich ist, so dass das Arbeitsmedium durch die Abflussrinne 42 auch von einer Seite besser zur anderen gelangen kann.
Die mit der mittleren Kammer 3 verbundene und der warmen Kammer 2 gegenüberliegende kalte Kammer 4 weist mit der warmen Kammer 2 vergleichbare Wärmeübertragungskörper 43, 44 auf, deren gezackte Oberfläche schräge Wärmeübertragungsflächen 45 zur Vergrößerung der Oberfläche der Kammer-Innenseite bildet. Im Unterschied zur warmen Kammer 2 ist hier weder die Seitenwand 46 der Kammer 4 noch deren Oberseite 47 oder der Kolben 7 nach außen isoliert. Im Gegenteil sind nach allen Seiten Konvektoren 48 mit der Kammer 4 und dem Kolben 7 verbunden, so dass die Arbeitstemperatur der kalten Kammer 4 möglichst gleich der Umgebungstemperatur der Kolbenmaschine 1 gehalten werden kann. Die Konvektoren 48 haben eine grundsätzlich mit den Wärmeübertragungskörpern 43, 44 vergleichbare, gezackte Form, wobei deren Kanten jedoch im rechten Winkel auf die Kanten der in der Kammer 4 angeordneten Wärmeübertragungskörper 43, 44 ausgerichtet sind. Anstelle der Konvektoren 48 könnten selbstverständlich auch andere bekannte Wärmetauscher zum Einsatz kommen.
Dreht sich die Achse 14 in die eine Richtung, sodass der angenäherte Carnot-Prozess rechtsläufig durchfahren wird, so kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 als Kraftmaschine (Motor) betrieben werden, wobei an der Achse 14 mechanische Arbeit abgegeben wird, der warmen Kammer 2 (dem Arbeitsmedium) bei der oberen Prozesstemperatur Wärme zugeführt wird und die kalte Kammer 4 bei der unteren Prozesstemperatur Wärme als sogenannte Abwärme an die Umgebung abgibt, um die Entropiebilanz auszugleichen. Dreht sich die Achse 14 in die andere Richtung, sodass der angenäherte Carnot-Prozess linksläufig durchfahren wird, so kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 als Arbeitsmaschine (Kältemaschine, Wärmepumpe) betrieben werden, wobei an der Achse 14 mechanische Arbeit zugeführt wird, der kalten Kammer 4 bei der unteren Prozesstemperatur Wärme zugeführt wird bzw. die kalte Kammer 4 der äußeren Umgebung bei der unteren Prozesstemperatur Wärme entzieht und die warme Kammer 2 bei der oberen Prozesstemperatur Wärme als Nutzwärme oder Abwärme, je nach Anwendung und Betrachtungsweise, abgibt, um die Entropiebilanz wiederum auszugleichen. Die Formen bzw. Konturen der Kurvenscheiben 11, 12, 13 bzw. die von diesen festgelegten Bewegungsprofilen sind nicht nur jeweils zwischen den äußeren Kammern 2, 4 und der mittleren Kammer 3 sondern auch zwischen den äußeren Kammern 2, 4 unterschiedlich, wobei sich der Unterschied der Bewegungsprofile der den äußeren Kammern 2, 4 zugeordneten Kolben 5, 7 vor allem durch ihren gegenläufigen Richtungssinn zeigt.
In Fig. 2 ist ein girlandenartiger Wärmeübertragungskörper 49 in einer teilweise expandierten Stellung gezeigt. Wie aus der Abbildung eindeutig ersichtlich, übersteigt die Oberfläche dieses Wärmeübertragungskörpers 49 seine Grundfläche um ein Vielfaches. Der girlandenartige Wärmeübertragungskörper 49 ist aus einem Stapel mehrerer ringförmiger Scheiben 50 aufgebaut, welche untereinander nach beiden Seiten, d.h. mit den beiden benachbarten Scheiben 50, verbunden sind. Der Außenumfang aller Scheiben 50 ist dabei gleich, jedoch nimmt der Radius des inneren Randes 51 von oben nach unten im Stapel zu, d.h. die unterste ringförmige Scheibe 50 ist schmäler als die Scheiben 50 darüber. Die girlandenartige Struktur wird dadurch erzielt, dass die Verbindungen 52 zu den benachbarten Scheiben 50 jeweils nur entlang einer durch den Mittelpunkt der Scheiben 50 verlaufenden Verbindungslinie gebildet sind und die Verbindungslinien an der Ober- und Unterseite jeder Scheibe 50 sich queren, insbesondere im rechten Winkel.
Eine Variante eines girlandenartigen Wärmeübertragungskörpers 49 ist in Fig. 3a gezeigt, wobei dieser Wärmeübertragungskörper 53 im Wesentlichen die Form einer Spirale aufweist. In einer teilweise expandierten Stellung, wie in Fig. 3a abgebildet, trägt jede Windung der Spirale zur Vergrößerung der Oberfläche bei, d.h. die Flächen jeder einzelnen Windung bilden die Wärmeübertragungsflächen 54 für ein dazwischen vorhandenes bzw. die Spirale umhüllendes Arbeitsmedium. Wie auch bei dem zuvor beschriebenen Wärmeübertragungskörper 49 nimmt der Innenradius der Spirale von oben nach unten zu, so dass die Spirale einen konischen Innenraum 55 bildet.
In Fig. 3b und 3c ist der spiralförmige Wärmeübertragungskörper 53 gemäß Fig. 3a in einer Kammer 56 mit einem Kolben 57 angeordnet dargestellt. Anstelle des spiralförmigen Wärmeübertragungskörpers 53 könnte hier ebenso gut der Wärmeübertragungskörper 49 gemäß Fig. 2 eingesetzt werden, so dass die folgende Beschreibung für den anderen Wärmeübertragungskörper 49 analog anwendbar ist. Der gezeigte Wärmeübertragungskörper 53 kann sowohl nach oben hin mit der Innenseite der Kammer 56 als auch nach unten hin mit der Oberseite des Kolbens 57 verbunden sein. Eine derartige Verbindung ist erforderlich, wenn die Stellung des freien Zustandes des Wärmeübertragungskörpers 53 kleiner ist als die maximal expandierte Stellung in der Kammer 56, da in diesem Fall der Wärmeübertragungskörper 53 entgegen der von ihm ausgeübten Federkraft auseinander gezogen werden muss. In Fig. 3b ist eine teilweise expandierte Stellung gezeigt. Im Inneren des Wärmeübertragungskörpers 53 ist ein konischer Zapfen 58 ersichtlich, welcher in den vom Wärmeübertragungskörper 53 gebildeten konischen Innenraum 55 hinein ragt, wobei der Radius des Zapfens 58 an dessen Unterseite 59 dem Innenradius der untersten Schicht 60 des Wärmeübertragungskörpers 53 entspricht. Außerdem entspricht der Radius des Zapfens 58 am oberen Ende 61 dem Innenradius der obersten Schicht 62 des Wärmeübertragungskörpers 53. Somit füllt der Zapfen 58 in einer komprimierten Stellung den Wärmeübertragungskörper 53 vollständig aus, wie in Fig. 3c zu erkennen ist. Dabei liegen die Schichten 63 des Wärmeübertragungskörpers 53 direkt aneinander an, so dass im Wesentlichen kein Totraum in der betreffenden Kammer 56 verbleibt.
Anstelle der bisher dargestellten zylindrischen Grundflächen sind für die Kammern selbstverständlich auch andere Formen denkbar. Beispielsweise zeigen die Fig. 4a und 4b eine Gegenüberstellung zweier Kammern 64, 65 bzw. 66, 67 mit kreisrunden bzw. elliptischen Grundflächen, wobei die Flächen dem Betrag nach gleich sind. Wie aus der Gegenüberstellung erkennbar ist, ist bei gleich langen Verbindungskanälen 68 bzw. 69 zwischen den zueinander zugewandten Seitenwänden der elliptischen Kammern 66, 67 mehr Platz als bei den kreisrunden Kammern 64, 65, so dass die elliptischen Kammern 66, 67 besser thermisch voneinander isoliert werden können als die kreisrunden Kammern 64, 65.
In Fig. 5 ist eines der Rollelemente 17 gemäß Fig. 1 vergrößert dargestellt. Das Rollelement 17 besteht im Wesentlichen aus einem bogen- bzw. brückenförmigen Grundkörper 70 mit zwei Seitenwänden 71, 72 und einem Brückenelement 73, welches die beiden Seitenwände 71, 72 verbindet. Zwischen den beiden Seitenwänden 71, 72 ist an einer Seite eine Profilrolle 22 gelagert, so dass zwischen der Profilrolle 22 und der gegenüberliegenden Seitenwand 72 ein Abstand verbleibt. An der Außenseite der beiden Seitenwände 71, 72 sind jeweils zwei kleinere Führungsrollen 20 gelagert, deren Achsen gegenüber einer Achse der Profilrolle 22 angewinkelt sind, jedoch mit dieser vorteilhaft in einer Ebene liegen. Sämtliche Rollen 22, 20 sind mit weitgehend reibungsfreien Kugellagern ausgestattet. An der Oberseite des Brückenelements 73 ist ein Anschlussstift 74 gebildet, welcher eine Durchtrittsöffnung 75, beispielsweise für einen Kupplungszapfen, aufweist, und für die Verbindung mit einer Kolbenstange 18 (vgl. Fig. 1) eingerichtet ist.
Eine verbesserte Variante des Rollelements 17 gemäß Fig. 5 ist in Fig. 6 gemeinsam mit einer Schnittansicht der Profilnut 21 einer Kurvenscheibe 11 gezeigt, wobei dieses Rollelement 76 anstelle einer einzelnen Profilrolle 22 zwei unabhängige Profilrollen 77, 78 unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Die größere Profilrolle 78 ist dabei zur Anlage an einem Außenrand 24 der Kurvenscheibe 11 eingerichtet, während die kleinere Profilrolle 77 zur Anlage an der Außenwand 25 der Profilnut 21 eingerichtet ist. Dementsprechend rotieren die beiden Profilrollen 77, 78 bei einer Bewegung der Kurvenscheibe 11 in entgegengesetzte Drehrichtungen. Der Vorteil einer derartigen Rollenanordnung liegt darin, dass die beiden Profilrollen 77, 78 - im Gegensatz zu einer einzelnen Profilrolle 22, die abwechseln am Außenrand 24 der Kurvenscheibe 11 und an der Außenwand 25 der Profilnut 21 anliegt - ihre Drehrichtung zu keinem Zeitpunkt während einer vollständigen Umdrehung der Kurvenscheibe 11 ändern müssen.
In Fig. 7 ist schematisch eine Erweiterungsmöglichkeit der Kolbenmaschine 1 gemäß Fig. 1 gezeigt. Dabei können neben der in Fig. 1 gezeigten Kolbenanordnung 8 zwei weitere Kolbenanordnungen 79, 80 symmetrisch um die Drehachse 81 der Kurvenscheibe 82 angeordnet sein, wobei drei gleichartige Kolben 83, 84, 85 der verschiedenen Kolbenanordnungen 8, 79, 80 mit einer gemeinsamen Kurvenscheibe 82 verbunden sind. Die Kurvenscheibe 82 weist dabei eine den Kolbenanordnungen 8, 79, 80 entsprechende Symmetrie, in diesem Fall eine dreizählige Drehsymmetrie, auf. Bei einer derartigen Kolbenmaschine 86 werden in den Kammeranordnungen 8, 79, 80 zeitgleich die gleichen Zustandsänderungen gleicher Kreisprozesse ausgeführt, wodurch auf die Kurvenscheibe 82 immer gleich große und symmetrisch auf die Kurvenscheibe 82 gerichtete Kräfte wirken, so dass keine resultierende radiale Kraft auf die Drehachse 81 wirkt und somit Verluste, beispielsweise in den Lagern der Drehachse 81, reduziert werden können und ein nahezu vibrationsloser Betrieb einer derartigen Kolbenmaschine gegeben ist. Des Weiteren heben sich auch die Massenträgheitswirkungen der Kolben 83, 84, 85 der Kammeranordnungen 8, 79, 80 auf. Um eine gleichartige Wirkung mittels eines anderen Aufbaus zu erreichen, könnte anstelle der Kurvenscheibe 82 ein Kurvenring mit einem am inneren Durchmesser platzierten Kurvenelement verwendet werden, wobei sich die symmetrisch angeordneten Kammeranordnungen mittig um die Drehachse des Ringes befänden, wobei die Rollelemente nach außen auf die Kurvenelemente des Kurvenrings gerichtet wären.
Fig. 8 zeigt einen teilweise Schnittansicht einer Kolbenmaschine 87 mit gegenüberliegenden Kammeranordnungen, von denen hier lediglich schematisch die artverwandten Kolben 88 mit ihrem gemeinsamen Betätigungsmittel 89, einer Motor-Generator-Einheit, welche sowohl zur Aufbringung als auch zur Aufnahme von Drehmomenten eingerichtet ist, gezeigt sind. Dem Betätigungsmittel 89 und den dem Betätigungsmittel 89 zugeordneten Kolben 88 ist ein gemeinsames Zahnradgetriebe 90 mit den Zahnrädern 91, 92 und jeweils eine Kugelgewindespindel 93 zwischengeschaltet, wobei die eine linksläufig und die andere rechtsläufig ist. Beide Kugelgewindespindeln 93 weisen gleiche Steigung und Gangzahl auf, sind drehfest miteinander verbunden bzw. sind als eine einzige Doppelkugelgewindespindel mit gegenläufigen Gewinden zu verstehen, welche über zwei Lagerstellen 94 gelagert ist. Die Muttern 95, wobei eine Mutter 95 und eine Kugelgewindespindel 93 zusammen den Kugelgewindetrieb bilden, sind jeweils über ein zwischen zwei Rollen 96 gelagertes Führungsgestell 97 mit den Kolben 88 verbunden. Die lineare Bewegung zumindest eines der Kolben 88 wird dabei mithilfe einer Wegmessung 98 aufgezeichnet. Bei dieser Anordnung heben sich die Massenträgheitskräfte der Kolben 88, ihre gleiche Ausführung natürlich vorausgesetzt, sowie die damit starr verbundenen Elemente, deren gleiche Ausführung ebenfalls vorausgesetzt, auf.
Wie eingangs ausführlich dargelegt, ist der - grundsätzlich bekannte - Vergleichsprozess der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine der Carnot-Prozess. Das in Fig. 9 gezeigte Diagramm 99 beschreibt qualitativ den Zusammenhang zwischen Temperatur und Entropie des Arbeitsmediums während eines Durchgangs des Kreisprozesses. Die dem Arbeitsmedium innewohnende Entropie ist auf der Abszissenachse 100 aufgetragen, während die Temperatur des Arbeitsmediums auf der Ordinatenachse 101 aufgetragen ist. Die vier Kanten 102, 103, 104, 105 des rechteckigen Verlaufs 106 des Kreisprozesses repräsentieren jeweils eine Zustandsänderung des Arbeitsmediums und verbinden vier Zustandspunkte 107 in den Ecken des Rechtecks. Die zur Abszissenachse 100 parallelen Kanten 102, 104 entsprechend dabei isothermen Zustandsänderungen 102, 104 bei einer oberen Temperatur To und einer unteren Temperatur Tu und die zur Ordinatenachse 101 parallelen Kanten 103, 105 entsprechen isentropen Zustandsänderungen 103, 105 bei verschiedenen Entropie-Niveaus. Je nachdem, ob die Kolbenmaschine 1 zur Umwandlung von Wärme in Arbeit bzw. zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit eingesetzt wird, folgt der sich während des Prozesses verändernde thermodynamische Zustand des Arbeitsmediums dem Rechteck 106 im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn.
In Fig. 10 ist derselbe - grundsätzlich bekannte - Kreisprozess wie in Fig. 9 in einem anderen Koordinatensystem bzw. Diagramm dargestellt. An der Abszissenachse 108 dieses p-V-Diagramms 109 ist das Arbeitsvolumen des Arbeitsmediums und an der Ordinatenachse 110 dessen Druck aufgetragen. Im Prozessdurchlauf aufeinander folgende Zustandspunkte 107 liegen sowohl bei unterschiedlichen Druck- als auch Volumenniveaus, d.h. es gibt weder eine isobare noch eine isochore Zustandsänderung. Die beiden isothermen Zustandsänderungen 102, 104 sind als durchgezogene Linien und die beiden isentropen Zustandsänderungen 103, 105 als gestrichelte Linien eingezeichnet. Wie aus diesem Diagramm 109 besonders gut ersichtlich, sind bei dem dargestellten Carnot-Prozess die Volumenänderungen, den absoluten Differenzwert betreffend, während der isothermen Zustandsänderungen 102, 104 unterschiedlich groß, insbesondere ist die erforderliche Volumenänderung bei der höheren Temperatur To - d.h. in der warmen Kammer 2 - erheblich kleiner als jene bei der niedrigeren Temperatur Tu - d.h. in der kalten Kammer 4. Außerdem ist auch die Volumenänderung während der isentropen Zustandsänderungen 103, 105 davon abhängig, ob es sich um die isentrope Kompression oder die isentrope Expansion handelt: beispielsweise ist bei einer Wärmekraftmaschine (dargestellter Prozess, rechtsdrehend) die Volumenänderung während der isentropen Kompression 105 kleiner als während der isentropen Expansion 103. An der Abszissenachse 108 sind zum Vergleich mit den folgenden Figuren die Arbeitsvolumina V1, V2, V3, V4 in den vier Zustandspunkten 107 eingezeichnet und auf der Ordinatenachse 110 sind der Vollständigkeit halber die dazugehörenden Drücke p1, p2, p3, p4 eingezeichnet.
Die Fig. 11 bis 15 zeigen jeweils ein qualitatives Diagramm der Teil-Arbeitsvolumen der Kammern einer Kammeranordnung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine in Abhängigkeit von der Zeit und für einen vollständigen Durchlauf 113 bzw. vollständiges Arbeitsspiel. Auf der Ordinatenachse 111, auf der die Teil-Arbeitsvolumina aufgetragen sind, sind außerdem zur Orientierung jeweils die im Diagramm in Fig. 10 eingezeichneten Volumenniveaus V1, V2, V3, V4 bei den Zustandspunkten 107 eingezeichnet. Auf der Abszissenachse 112, auf der die Zeit bzw. die Position innerhalb des Durchlaufes 113 aufgetragen ist, sind außerdem die Zustandsänderungen, wie in den Diagrammen in Fig. 9 und Fig. 10 bezeichnet, aufgetragen, wobei während mancher Zeit-Abschnitte, etwa wenn das Arbeitsmedium in einem Zustandspunkt 107 verharrt, keine Zustandsänderung stattfindet.
In Fig. 11 ist der Verlauf der Teil-Arbeitsvolumina der drei Kammern 2, 3, 4 bei einer Kolbenmaschine 1 gemäß Fig. 1 dargestellt. Die durchgezogene Linie 114 repräsentiert das Teil-Arbeitsvolumen bzw. dessen Verlauf in der warmen Kammer 2, die gestrichelte Linie 115 das Teil-Arbeitsvolumen in der kalten Kammer 4 und die gepunktete Linie 116 das Teil-Arbeitsvolumen in der mittleren Kammer 3. Am Ursprung der Zeitachse 112 befindet sich das Arbeitsmedium zur Gänze in der warmen Kammer 2 und expandiert während des ersten Zeitabschnitts 102 (natürlich näherungsweise) isotherm, d.h. es wird Wärmeenergie zugeführt. Sobald die isotherme Expansion 102 abgeschlossen ist, wird das Arbeitsmedium aus der warmen Kammer 2 in die mittlere Kammer 3 befördert, indem das Teil-Arbeitsvolumen der warmen Kammer 2 komprimiert und jenes der mittleren Kammer 3 gleichzeitig mit derselben Rate expandiert wird. Der thermodynamische Zustand des Arbeitsmediums ändert sich währenddessen nicht, d.h. trotz gleichbleibenden Arbeitsvolumens V2 stellt dieser Übergang keine isochore Zustandsänderung dar, weil dieser Vorgang aufgrund der kurzen Zeitdauer und der bereits beschriebenen Ausführung der mittleren Kammer 3 als adiabat zu verstehen ist. Sobald das Arbeitsmedium vollständig in die mittlere Kammer 3 befördert ist und das Teil-Arbeitsvolumen 114 der warmen Kammer 2 somit auf Null gefallen ist, beginnt in der mittleren Kammer 3 die isentrope Expansion 103 bzw. deren Zeitabschnitt, welche deutlich schneller als die isotherme Expansion 102 abläuft, so dass ein Wärmeaustausch möglichst vermieden wird. Sobald das Arbeitsmedium das maximale Arbeitsvolumen V3 erreicht hat, wird es - in analoger Weise wie zuvor - von der mittleren Kammer 3 in die kalte Kammer 4 befördert, wo anschließend die isotherme Kompression 104 stattfindet und Wärmeenergie vom Arbeitsmedium an die Kammer 4 und in Folge an die Umgebung abgegeben wird. Danach wechselt das Arbeitsmedium erneut in die mittlere Kammer 3, in welcher nach dem Kammerwechsel die isentrope Kompression 105 stattfindet. Nach einem erneuten Kammerwechsel zurück in die warme Kammer 2 beginnt der nächste Durchlauf 113. Wie aus dem Verlauf der Teil-Arbeitsvolumina ersichtlich ist, ist zu jedem Zeitpunkt zumindest entweder das Teil-Arbeitsvolumen 114 der warmen Kammer 2 oder jenes 115 der kalten Kammer 4 im Wesentlichen Null. Während der isentropen Zustandsänderungen 103, 105 sind sogar beide Teil-Arbeitsvolumina 114, 115 im Wesentlichen Null. Außerdem kann aus dem Diagramm in Fig. 11 abgelesen werden, dass die beiden isentropen Zustandsänderungen 103, 105 erheblich weniger Zeit benötigen als die beiden isothermen Zustandsänderungen 102, 104, wobei die isentrope Expansion 103 zugleich den größten Volumenbereich und einen der kleinsten Zeitabschnitte überstreicht, sodass die Rate der Volumenänderung während der isentropen Expansion 103 eine der größten ist. Weiters ist aus dem Diagramm in Fig 11 ersichtlich, dass sich das Arbeitsvolumen im Wesentlichen immer auf die Teil-Arbeitsvolumina 114, 115, 116 von einer oder zwei Kammern 2, 3, 4 aufteilt.
Die Diagramme in Fig. 12 bis 14 zeigen Verläufe der Teil-Arbeitsvolumina einer Kolbenmaschine mit einer oder mehreren Kolbenanordnungen mit jeweils lediglich zwei Kolben. Bei zwei Kammern kann es - im Unterschied zum in Verbindung mit Fig. 11 dargestellten Betrieb einer 3-Kammer-Maschine - keinen separaten Kolben für die isentropen Zustandsänderungen 103, 105 geben. Da die isentropen Zustandsänderungen 103, 105 somit in einer, einer der Prozesstemperaturen To, Tu unterliegenden und vorzugsweise Wärmeübertragungsflächen 34, 45 aufweisenden Kammer 2, 4 stattfinden müssen, kann ein Wärmeaustausch nur über eine möglichst hohe Geschwindigkeit der Zustandsänderung 103, 105 unterbunden werden. Außerdem muss das Arbeitsmedium naturgemäß direkt von der warmen Kammer in die kalte Kammer bzw. umgekehrt befördert werden.
Bei dem Verfahren gemäß Fig. 12 findet nach der isothermen Expansion 102 auch die isentrope Expansion 103 noch in der warmen Kammer statt und das Arbeitsmedium wird bei maximalem Volumen V3 während eines Kammerwechsels 117 in die kalte Kammer 4 befördert. Dort folgt der isothermen Kompression 104 auch noch die isentrope Kompression 105 bevor ein Kammerwechsel 118 zurück in die warme Kammer vollzogen wird. Die Kammerwechsel 117, 118 folgen demgemäß immer einer isentropen Zustandsänderung 103, 105.
Im Unterschied zu Fig. 12 werden bei einem Verfahren gemäß Fig. 13 die Kammerwechsel 117, 118 vor den isentropen Zustandsänderungen 103, 105 durchgeführt. Demzufolge läuft die isentrope Expansion 103 bereits in der kalten Kammer 4 unmittelbar vor der isothermen Kompression 104 ab und nach einem Kammerwechsel 118 folgt die isentrope Kompression 105 sowie direkt danach die nächste isotherme Expansion 102 in der warmen Kammer. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass nur die kalte Kammer das maximale Volumen V3 fassen muss und der Kammerquerschnitt entsprechend angepasst werden kann.
Während bei den bisherigen Verfahren und Betriebsmodi der Wechsel des Arbeitsmediums von einer Kammer in die nächste als eigener Arbeitsschritt - jedoch ohne Änderung des thermodynamischen Zustands des Arbeitsmediums - durchgeführt wird, findet bei dem Verfahren gemäß Fig. 14 ein Kammerwechsel gleichzeitig mit einer isentropen Zustandsänderung statt. An die isotherme Expansion 102, welche naturgemäß in der warmen Kammer vonstatten geht, beginnt sofort eine Kompression der warmen Kammer, welche mit einer deutlich schnelleren Expansion der kalten Kammer einhergeht. Das Arbeitsvolumen wird somit in Summe erhöht, was bei entsprechend hoher Geschwindigkeit eine isentrope Expansion annähert. Am Ende dieses kombinierten Kammerwechsels 119 kann sofort die isotherme Kompression 104 beginnen. Sobald diese abgeschlossen ist, erfolgt der zweite Kammerwechsel 120 parallel zur isentropen Kompression, d.h. die kalte Kammer komprimiert deutlich schneller als die warme Kammer expandiert. Am Ende dieses Vorgangs befindet sich das isentrop komprimierte Arbeitsmedium bereits wieder vollständig in der warmen Kammer. Dieses Verfahren kommt somit effektiv mit nur vier Arbeitsschritten während eines Durchlaufes 113 aus.
Es sind auch Mischformen der in den Diagrammen der Fig. 12 bis 14 dargestellten Verfahren möglich, auf die wegen ihrer partiellen Analogien zu den bereits erläuterten Verfahren nicht mehr näher eingegangen wird.
Der Betrieb einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit vier Kammern ist schließlich in Fig. 15 schematisch anhand der Verläufe der Teil-Arbeitsvolumina dargestellt. Dabei ist eine eigene Kammer jeweils für die isentrope Expansion 103 sowie die isentrope Kompression 105 vorgesehen. Das Arbeitsmedium kreist dabei in einer Richtung durch die vier Kammern (die warme Kammer kann direkt mit der kalten Kammer über einen weiteren Verbindungskanal verbunden sein), wobei jeweils separate Arbeitsschritte für die thermodynamisch statischen Kammerwechsel 121, 122, 123, 124 vorgesehen sind. Im Diagramm ist der Verlauf des Teil-Arbeitsvolumens in der warmen Kammer 114, in der kalten Kammer 115 sowie in der isentrop expandierenden Kammer 125 und der isentrop komprimierenden Kammer 126 gezeigt. Wenn die isotherme Kompression 104 genau bei der Hälfte des Arbeitsspieles 113 beginnt bzw. der Expansions-Teil und der Kompressions-Teil eines Durchlaufes 113 gleich lange dauern, können bei einer solchen Anordnungen auch zwei Arbeitsvolumina gleichzeitig in einer Kammeranordnung arbeiten, wobei sich die Arbeitsvolumina immer in bzw. zwischen gegenüberliegenden Kammern befinden und die Verbindungskanäle mit Ventilen ausgestattet sein müssten. Ab einer Kammeranordnung mit 6 Kammern sind zwei bzw. mehrere Arbeitsvolumina bei noch mehr Kammern auch ohne Ventile möglich.
Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele können im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auf fachmännische Weise modifiziert oder erweitert werden. Beispielsweise kann anstelle der äußeren Wärmezufuhr mithilfe eines Heizmediums auch eine innere Verbrennung in einer der Kammern vorgesehen sein, welche etwa durch eine zeitlich veränderbare Menge des zugeführten Kraftstoffes an das Bewegungsprofil des in der warmen Kammer angeordneten Kolbens angepasst werden kann. Weitere Möglichkeiten der Wärmeübertragung auf einen der Kolben, wie z.B. gebündeltes Sonnenlicht oder eine von außen auf einen Wärmeübertragungskörper gerichtete Flamme, liegen ebenfalls im Rahmen dessen, was der Fachmann als Verwendung in Betracht zieht.
Der Ausführlichkeit halber sei erwähnt, dass die in den Fig. 11 bis 15 dargestellten zeitlichen Abläufe der Teil-Arbeitsvolumina unter Berücksichtigung der jeweiligen in Hubrichtung projizierten Kolbenfläche als zeitliche Abläufe der Kolbenstellungen innerhalb ihrer Kammern verstanden werden können, was wiederum den Bewegungsprofilen der jeweiligen Kolben entspricht. Beginnt und endet ein Bewegungsprofil jeweils während eines Totphasenabschnittes, so ergeben diese Totphasenabschnitte zusammen eine Totphase.
In Fig. 16a-c sind Federelemente 127, 128, 129, 130 zur Unterstützung eines Betätigungsmittels 131 dargestellt. In Fig. 16a sind ein gegenläufig betriebener Kolben 132 und eine Schraubenfeder 128 gezeigt. Der Kolben 132 ist dabei in einem geschlossenen Zylinder 133 aufgenommen, so dass mit jeder Bewegung des Kolbens 132 eine Kompression oder Dekompression eines im Zylinder 133 gehaltenen Kompressionsmediums 134 einhergeht. Beide Federelemente 127, 128 sind über einen Holm 135 und eine Wippe 136 mit einer Führungsgabel 137 verbunden, welche derart mit einer Kolbenstange 138 des Kolbens 139 der Kolbenmaschine gekoppelt ist, dass eine lineare Kolbenbewegung des Kolbens 139 auf eine Schwenkbewegung des Holms 135 übertragen wird und umgekehrt. Anhand des Hebelarms bezüglich der Wippe 136 kann das Ausmaß der Unterstützung durch die Federelemente 127, 128 konstruktionsbedingt bestimmt werden. In Fig. 16b ist das Federelement 129 direkt in den Zylinder 140 des Kolbens 139 integriert. Dabei ist unterhalb des Kolbens 139 eine geschlossene Kammer 141 mit einem Kompressionsmedium 134 vorgesehen. Fig. 16c zeigt ein magnetisches Federelement 130, welches mit einander anziehend ausgerichteten Ringmagneten 142, 143 gebildet ist. Die Ringmagneten 142, 143 sind kreisförmig um die Kolbenstange 138 angeordnet und unterstützen eine Kompressionsbewegung des Kolbens 139 während sie einer Dekompressionsbewegung Energie entziehen und als potentielle Energie zwischenspeichern.
Die Einsatzgebiete der Erfindung, d.h. der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens, sind vielfältig. Insbesondere kommen je nach Ausführung und Betriebsart der Kolbenmaschine Verwendungen als Antrieb für einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder zur direkten Erzeugung elektrischer Energie mittels der etwaig als Betätigungsmittel verwendeten Motor-Generator-Einheit oder als Wärmepumpe, z.B. für ein Einfamilienhaus oder als Kältemaschine für industrielle Anwendungen, in Betracht.

Claims

Kolbenmaschine (1) zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit, mit zumindest einer Kammeranordnung (8), welche zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal (9, 10) verbundene Kammern (2, 3, 4) aufweist, wobei zumindest zwei der Kammern (2, 4) voneinander im Wesentlichen thermisch isoliert sind und unterschiedliche Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen aufweisen, und mit in den jeweiligen Kammern (2, 3, 4) beweglich angeordneten, für ein Arbeitsmedium undurchlässigen Kolben (5, 6, 7) zur Änderung eines von der Kammer (2, 3, 4) und dem Kolben (5, 6, 7) begrenzten Teil-Arbeitsvolumens, wobei zumindest eine der Kammern (2, 4) Wärmeübertragungsflächen (34, 45) zur Vergrößerung ihrer Oberfläche aufweist, wobei die Kolben (5, 6, 7) bzw. damit verbundene Elemente mit Betätigungsmitteln zur Festlegung von Bewegungsprofilen für jeden der Kolben (5, 6, 7) verbunden sind, wobei die Betätigungsmittel zur Festlegung von zumindest zwei unterschiedlichen Bewegungsprofilen der Kolben (5, 6, 7) der Kammeranordnung (8) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammeranordnung (8) drei Kammern (2, 3, 4) aufweist, wobei eine mittlere der drei Kammern (3) durch den zumindest einen Verbindungskanal (9, 10) mit den beiden Kammern (2, 4) mit unterschiedlichen Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen verbunden ist und ein größeres Fassungsvermögen als jene der beiden Kammern (2) mit einer verhältnismäßig hohen Arbeitstemperatur aufweist, wobei die mittlere Kammer (3) aufgrund ihrer Formgebung, im arithmetischen Mittel einen größeren Abstand zwischen einem beliebig klein angenommenen Volumenteilchen ihres auf ein Bezugsvolumen ausgedehnten Teil-Arbeitsvolumens und ihrer das Teil-Arbeitsvolumen begrenzenden inneren Kammeroberfläche aufweist als zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal (9, 10) verbundenen Kammern (2, 4), wobei das Bezugsvolumen das kleinere der beiden von den miteinander verglichenen Kammern (3, 2 bzw. 3, 4) betriebsmäßig erreichten maximalen Teil-Arbeitsvolumina ist und die das Teil-Arbeitsvolumen begrenzende innere Kammeroberfläche selbstverständlich auch die etwaigen Wärmeübertragungsflächen (34, 45) zur Vergrößerung der Oberfläche der Kammer (2, 4) und die das Teil-Arbeitsvolumen berandenden Flächenbereiche des in der Kammer (2, 3, 4) angeordneten Kolbens (5, 6, 7) umfasst und wobei sich der Abstand als Länge der kürzesten Verbindungslinie definiert.
Kolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Betätigungsmittel (89) eine Motor-Generator-Einheit aufweist und der bzw. die dem Betätigungsmittel (89) zugeordnete(n) Kolben (88) bzw. damit verbundene Elemente mit dem Läufer der Motor-Generator-Einheit verbunden ist bzw. sind.
Kolbenmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Betätigungsmittel (89) und dem ihm zugeordneten Kolben (88) ein Übersetzungsgetriebe, insbesondere ein pantographartiges Koppelgetriebe, oder ein Kugelgewindetrieb (93 und 95) zwischengeschaltet ist.
Kolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Kammer (3) aufgrund ihrer Formgebung, im arithmetischen Mittel einen zumindest 1,5 mal größeren Abstand zwischen einem beliebig klein angenommenen Volumenteilchen ihres auf das Bezugsvolumen ausgedehnten Teil-Arbeitsvolumens und ihrer das Teil-Arbeitsvolumen begrenzenden inneren Kammeroberfläche aufweist als zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal (9, 10) verbundenen Kammern (2, 4).
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Kolben (5, 6, 7) mit einem Federelement, insbesondere einem magnetischen, mechanischen oder gasförmigen Federelement zur Unterstützung des dem Kolben (5, 6, 7) zugeordneten Betätigungsmittels verbunden ist.