SK283826B6 - Tepelný motor na premenu tepelnej a mechanickej energie - Google Patents

Abstract

Tepelný motor obsahuje kompresnú komoru (9, 11) s obsahom stláčaného plynu a prvý piest (5) na stláčanie plynu pohybom tohto prvého piestu do kompresnej komory (9, 11), spojený s hnacím ústrojenstvom upraveným na pohon prvého piestu (5) do kompresnej komory (9, 11) na stláčanie plynu. Motor ďalej obsahuje expanznú komoru (17, 19), s druhým piestom (7) na umožnenie rozpínania plynu pohybom druhého piestu (7) von z expanznej komory (17, 19), ústrojenstvo na prívod stlačeného plynu z kompresnej komory (9, 11) do expanznej komory (17, 19) a zahrievacie ústrojenstvo na zahrievanie stlačeného plynu z kompresnej komory (9, 11). S druhým piestom (7) je operatívne spojené prenosové ústrojenstvo na odoberanie výkonu motora a v kompresnej komore (9, 11) je umiestnené ústrojenstvo na vytváranie sprchy kvapaliny na ochladzovanie plynu pri stláčaní. ŕ

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka tepelného motora na premenu tepelnej a mechanickej energie, obsahujúceho kompresnú komoru s obsahom stlačeného plynu a prvý piest na stláčanie plynu pohybom tohto prvého piesta do kompresnej komory a hnacie ústrojenstvo prvého piesta v kompresnej komore na stláčanie plynu, expanznú komoru obsahujúcu druhý piest, prívodné ústrojenstvo stlačeného plynu z kompresnej komory do expanznej komory, zahrievacie ústrojenstvo na zahrievanie stlačeného plynu na výstupe z kompresnej komory’ a prenosové ústrojenstvo obsahujúce pevný člen spojený operatívne s druhým piestom na odoberanie výkonu motora.

Doterajší stav techniky

Takmer vo všetkých prípadoch je v oblasti výroby energií dôležitým hľadiskom pri posudzovaní jednotlivých technológií dosiahnutie čo najvyššej tepelnej účinnosti zariadenia na výrobu energie predovšetkým z toho dôvodu, že ceny palív sa asi z dvoch tretín podieľajú na celkových výrobných nákladoch pri výrobe energie. Okrem toho ohľady na životné prostredie, ktoré tiež zvyšuje náklady, vyžaduje väčšie zameranie pozornosti na dosiahnutie čo najvyššej účinnosti, aby sa čo najviac obmedzila tvorba oxidu uhličitého a iných nežiaducich emisií.

Vyššiu tepelnú účinnosť a nižšiu produkciu škodlivých emisií je možné všeobecne dosiahnuť skôr vo väčších výrobných jednotkách ako v malých zariadeniach. To je spôsobené skutočnosťou, že tepelné straty, trenie medzi pohyblivými časťami zariadenia a úniky pracovných tekutín sú v pomere k jednotke výkonu nižšie vo veľkých výrobných jednotkách ako v malých zariadeniach. Veľké výrobné jednotky si môžu tiež dovoliť použitie zložitejších zariadení, zatiaľ čo v menších výrobných jednotkách by použitie takýchto ďalších zariadení nebolo možné.

Z tohto hľadiska však nie je možné prehliadnuť, že sa objavujú niektoré podmienky, pri ktorých je výhodné použitie len malých výrobných jednotiek, pričom je dôležité, aby tieto zariadenia boli tiež čo najúčinnejšie a čo najšetrnejšie k životnému prostrediu. Táto situácia sa vyskytuje v mnohých častiach sveta, kde nie je k dispozícii elektrická sieť na zásobovanie elektrinou. Môže sa tiež stať, že konštrukcia elektrárne na dodávku elektrickej energie je už mimo finančných možností miestnych obyvateľov, alebo je možné, že dopyt po elektrickej energii bude taký nízky, že by sa už nedalo zdôvodniť budovanie ďalších výrobných zariadení na výrobu energií. Táto situácia sa objavuje vo väčšom počte menej vyspelých krajín a tiež v odľahlejších alebo riedko osídlených oblastiach alebo na ostrovoch vzdialených od pobrežia.

Ďalšia možnosť uplatnenia malých, ale účinných motorov sa prejaví v kombinovaných výrobných jednotkách na výrobu tepla a energie (CHP), Využívanie tepla spoločne s energiou vedie spravidla k vyššej celkovej energetickej účinnosti, ako by bola dosiahnuteľná pri odbere elektrickej energie z elektrickej siete. Pretože teplo nemôže byť prenášané hospodárne na väčšie vzdialenosti, je treba v systémoch na súčasnú výrobu energie a tepla zabezpečiť ich správne dimenzovanie, zodpovedajúce miestnym požiadavkám na dodávku tepla. Tieto skutočnosti vedú často k návrhu výrobných jednotiek s malou veľkosťou.

Riešenia podľa vynálezu môžu byť využité jednak ako tepelné motory a jednak po určitých úpravách ako tepelné čerpadlá. Tepelné čerpadlá prenášajú teplo z nízkotepel ných zdrojov tepla do tepelných nádrží obsahujúcich látku s vysokou teplotou. Napríklad pri chladnom počasí môže tepelné čerpadlo odoberať teplo z atmosférického vzduchu a pretransformovať ho na vyššiu teplotu, aby ním bolo možné vykurovať vnútorný priestor budovy. V alternatívnom vyhotovení pri teplom počasí môže tepelné čerpadlo pracovať ako klimatizačná jednotka, ktorá odoberá teplo z vnútorného vzduchu budovy a odvádza ho do okolitej atmosféry, aj keď je vonkajšia teplota vyššia ako teplota vnútri budovy. Tepelné čerpadlo môže byť okrem toho použité na chladenie vzduchu, aby v ňom dochádzalo ku kondenzácii vodných pár. Teplo odvedené z tepelného čerpadla môže byť potom využité na obnovenie teploty vzduchu, takže v tomto prípade môže byť využívané tepelné čerpadlo na vysúšanie vzduchu. Podobne ako v kombinovaných výrobných jednotkách na výrobu tepla a energie (CHP) je treba, aby veľkosť týchto tepelných čerpadiel bola navrhovaná v súlade s konkrétnymi miestnymi požiadavkami a konkrétnou miestnou potrebou tepla. V dôsledku toho bude väčšina kapacít tepelných čerpadiel využívaná vo forme skôr malých ako veľkých jednotiek.

Väčšina doteraz známych druhov tepelných čerpadiel, klimatizačných jednotiek alebo chladiacich systémov vyžaduje pre svoju činnosť vyparujúcu sa a kondenzujúcu látku, ktorá vrie pri vhodnej teplote, ako je napríklad pri jednej z chlórovaných a fluórovaných uhlíkových zlúčenín (CFC). O týchto látkach je známe, že ničia zemskú ozónovú vrstvu, ktorá chráni život ľudí a zvierat pred škodlivým ultrafialovým žiarením. Aj keď sú už známe niektoré náhrady CFC, niektoré z nich tiež poškodzujú ozónovú vrstvu, aj keď v menšej miere. Iné alternatívne látky majú zas nevýhodu spočívajúcu v ich horľavosti, jedovatosti, vysokej cene, nedostatočných termodynamických vlastnostiach alebo v tendencii zvyšovať globálne zahrievanie.

Dobre známe sú tiež motory a tepelné čerpadlá, založené na využití Stirlingovho cyklu. Jeden z typov Stirlingovho motora obsahuje kompresnú komoru a expanznú komoru, ktoré sú medzi sebou prepojené cez rekuperačný výmenník tepla, tvoriaci plynový priestor, v ktorom sa nachádza pracovný plyn. Pri ideálnom priebehu Stirlingovho cyklu sa pracovný plyn v kompresnej komore stláča piestom a prebieha v ňom izotermická kompresia, pričom kompresné teplo sa odvádza do nízkoteplotného zberača na zachytávanie tepla. Po ukončení tohto procesu sa chladný pracovný plyn vháňa do regenerátora, v ktorom sa pred svojím vstupom do expanznej komory predhreje. V expanznej komore sa nechá horúci stlačený pracovný plyn expandovať vytláčaním piesta z expanznej komory. V priebehu expanzie sa do pracovného plynu dodáva teplo, takže plyn expanduje izotermicky. Horúci stlačený vzduch sa potom pretláča v opačnom smere regenerátorom, v ktorom odovzdáva teplo ešte pred svojím prevedením do kompresnej komory pred začiatkom nového pracovného cyklu.

US-PS 4 148 195 opisuje tepelné čerpadlo ovládané teplom, ktoré vyžaduje zdroj tepla s vysokou teplotou, získavaného napríklad spaľovaním paliva, prípadne zdroj tepla s nízkou teplotou, napríklad atmosférický vzduch. Výstupný tepelný výkon sa získava pri strednej medziľahlej teplote. Účelom tohto tepelného čerpadla je premena určitého množstva tepelnej energie s vysokou teplotou na väčšie množstvo tepelnej energie so strednou teplotou. To sa dosiahne odoberaním tepelnej energie z nízkoteplotného tepelného zdroja. Čerpadlo ovládané teplom podľa US-PS 4 148 195 má uzavretý pracovný cyklus bez ventilov, ktoré by inak tento cyklus výrazne približovali k Stirlingovmu cyklu. Pracovný plyn je premiestňovaný medzi susednými expanznými a kompresnými komorami, vytvorenými v ra menách rúrok tvaru U, pomocou kvapalinových piestov, obsiahnutých v skupine štyroch vzájomne prepojených rúrok tvaru U a zapojených do uzatvoreného obvodu. Kvapalinové piesty prenášajú silu celým uzatvoreným obvodom priamo z expanujúceho plynu v expanznej komore do stláčaného plynu v susednej kompresnej komore, pričom expanzná komora a kompresná komora sú vytvorené vo vzájomne protiľahlých ramenách rovnakej rúrky tvaru U. Štyri rúrky tvaru U sú spojené prostredníctvom plynového priestoru s regenerátormi. Dva zo štyroch regenerátorov a im priradených objemov plynu pracujú v teplotnom rozsahu medzi vysokou teplotou a strednou teplotou. Druhé dva regenerátory a s nimi spojené objemy plynu pracujú v teplotnom rozsahu medzi nízkou teplotou a strednou teplotou. Cyklus pracuje takým spôsobom, že sila sa prenáša látkou kvapalinových piestov z objemov plynu, pracujúcich v rozsahu vysokých teplôt, do objemov plynu pracujúcich v rozsahu nízkych teplôt.

V materiáloch z 21. Inter-society Energy Conversion Engineering Conference je v časti 1 (1986) na str. 377 až 382 opísané Stirlingovo tepelné čerpadlo s tepelným ovládaním, ktoré má podobné konštrukčné riešenie ako tepelné čerpadlo podľa US-PS 4 148 195 a v ktorom je pracovný plyn zohrievaný alebo ochladzovaný odoberaním kvapaliny z kvapalinového piesta, ohrievaním alebo chladením mimo čerpadla a opätovným vstrekovaním kvapaliny do expanznej komory alebo do kompresnej komory vo forme aerosólu.

Jednou z nevýhod týchto známych tepelných čerpadiel je skutočnosť, že maximálna pracovná teplota vysokoteplotného zdroja tepla je veľmi nízka v porovnaní s teplotou, ktorú možno dosiahnuť modernými najpokrokovejšími technológiami na výrobu energii, napríklad plynovými turbínami s kombinovaným cyklom. Napríklad teplota tepla dodávaného do tepelného čerpadla je zrejme obmedzená na asi 400 °C, zatiaľ čo vstupná teplota plynu moderných plynových turbín je o niečo vyššia ako 1300 °C. V dôsledku toho je účinnosť premeny vysokotepclncj tepelnej energie na vnútornú prácu vnútri tepelného čerpadla s tepelným ovládaním nízka, ako by bolo možné predpokladať z úvah založených na Camotovej rovnici. Výsledkom toho je, že celkový koeficient výkonu je veľmi nízky.

Ďalšia nevýhoda tepelne ovládaného tepelného čerpadla podľa US-PS 4 184 195 spočíva v lom, že kvapalinové piesty musia byť príliš dlhé, aby sa dosiahol nízky vlastný kmitočet piesta. Vlastný kmitočet musí byť nízky, aby bol k dispozícii dostatok času na prenos tepla medzi kvapôčkami kvapaliny a plynom. Potrebná dĺžka kvapalinového piesta sa zvlášť ťažko zabezpečuje v malých zariadeniach pracujúcich s vysokými tlakmi. Tiež straty trením, ktoré vznikajú pri dlhých kvapalinových piestoch, sú považované za neprijateľne vysoké pri malých zariadeniach. Okrem toho je požadovaná vysoká hodnota pomeru dĺžky piesta k jeho zdvihu na odstránenie takzvanej kyvadlovej straty, ktorá vzniká z prenosu tepla z jedného konca kvapalinového piesta na jeho druhý koniec. Kyvadlové straty vznikajú preto, že oba konce každého kvapalinového piesta majú vzájomne rozdielnu teplotu a v dôsledku toho dochádza k určitému premiešavaniu kvapaliny a prenosu tepla.

US-PS 3 608 311 opisuje motor, ktorého činnosť je založená na Camotovom cykle, v ktorom sa plyn postupne stláča a expanduje v jedinom valci kvapalinovým posuvným telesom. Horúca a studená kvapalina z kvapalinového premiestňovacieho telesa sa striedavo vstrekuje do valca na ohrievanie plynu v priebehu časti expanzného procesu a na ochladenie plynu v priebehu časti kompresného procesu.

Jednou z nevýhod tohto známeho tepelného motora je skutočnosť, že výkon motora v jednom cykle je pomerne nízky, pretože motor na svoj chod vyžaduje vysoký kompresný pomer na zvýšenie teploty pracovného plynu na racionálnu hodnotu v priebehu adiabatického stláčania, pričom tento kompresný pomer je prakticky nedosiahnuteľný. Ďalšia nevýhoda tohto motora spočíva v tom, že pracovný plyn mení plynulo svoju teplotu z vysokej na nízku hodnotu a ostáva pritom v rovnakom valci počas celého procesu. Preto tiež steny valca menia svoju teplotu od nízkych po vysoké teploty, čo vyvoláva značné entropické zmeny a znižuje termodynamickú účinnosť motora.

Podstata vynálezu

Nedostatky týchto známych tepelných motorov odstraňuje motor podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že v kompresnej komore je umiestnené vstrekovacie ústrojenstvo, vyústené do kompresnej komory na vytváranie sprchy kvapaliny pri stláčaní plynu a separátor kvapaliny od stlačeného plynu opúšťajúceho kompresnú komoru.

Jedna z výhod tohto riešenia podľa vynálezu spočíva v tom, že teplo je efektívne privádzané do kvapaliny v kvapalinovej sprche pri najnižších teplotách celého pracovného cyklu tepelného motora. Okrem toho expanzia plynu prebieha v samostatnej expanznej komore, takže teploty každej komory a tým aj rôznych častí komory a piestov sa nemenia cyklicky medzi vysokými a nízkymi hodnotami a tým sa zlepšuje účinnosť.

Vo výhodnom vyhotovení tepelného motora podľa vynálezu je expanznej komore predradené zahrievacie ústrojenstvo na dodávku tepla do plynu v priebehu jeho stláčania. V tomto vyhotovení môže byť expanzný proces približne izotermický.

V inom výhodnom vyhotovení vynálezu zahrievacie ústrojenstvo tvorí výmenník tepla umiestnený v smere prúdenia predhrievaného plynu za výstupom z kompresnej komory na predhrievanie plynu teplom z plynu expandovancho v expanznej komore. Izotermickým expandovaním plynu v expanznej komore sa dosahuje spätné získanie časti tohto tepla v tepelnom výmenníku, ktorý jc využívaný na predhrievanie stlačeného plynu privádzaného z kompresnej komory pred jeho expanziou. Výmenníkom tepla môže byť v tomto výhodnom vyhotovení napríklad regeneračný výmenník tepla, ak expandovaný plyn z expanznej komory prúdi pozdĺž rovnakej prietokovej dráhy ako privádzaný stlačený plyn z kompresnej komory, alebo rekuperačný výmenník tepla, ak plyny prúdia pozdĺž rôznych prietokových dráh. Rekuperačný výmenník tepla je zvlášť výhodný v tých prípadoch, kde sa požaduje odovzdávanie tepla medzi dvoma kvapalinami a kde nie je žiaduce premiešavame plynov a/alebo kde sa vyskytujú dva plyny majúce podstatne odlišné tlaky.

Tepelný motor podľa vynálezu obsahuje výhodne vratné ústrojenstvo na vracanie expandovaného plynu, opúšťajúceho expanznú komoru, späť do kompresnej komory na opätovné stláčanie. Vratné ústrojenstvo môže byť oddelené od prvkov zaisťujúcich prívod stlačeného plynu do expanznej komory, prípadne môže pracovný plyn prúdiť v dvoch vzájomne opačných smeroch medzi kompresnou komorou a expanznou komorou po rovnakej dráhe. Výhodné vyhotovenie motora, ktorý má rovnaký' objem pracovného plynu plynulo recyklovaný medzi kompresnou komorou a expanznou komorou, bude v ďalšom opise označovaný ako motor s uzavretým pracovným cyklom. Pretože celý objem pracovného plynu je utesnene uzavretý vnútri motora, môže byť plyn vopred stlačený, takže minimálny tlak, ktorý sa vyskytuje v pracovnom plyne v priebehu celého pracovného cyklu, je podstatne väčší ako atmosférický tlak.

V ešte inom výhodnom vyhotovení vynálezu je tepelný motor opatrený ústrojenstvom na dodávanie tepla, obsahujúcom rozstrekovače na vytváranie sprchy horúcej kvapaliny v expanznej komore. Rozstrekovaná kvapalina použitá na vytváranie sprchy môže byť zahrievaná pomocou vonkajšieho výmenníka tepla a zdrojom tepla môže byť odpadové teplo, napríklad priemyselné odpadové teplo, solárna energia alebo teplo z chladiaceho systému na chladenie spaľovacej komory. Využitie horúcej kvapalinovej sprchy na prenos tepla do expanznej komory je najmä výhodné, ak je použité v motoroch s uzavretým pracovným cyklom, ktoré majú tepelný zdroj s pomerne nízkou teplotou. Kvapalinové sprchy totiž nie sú vhodné na použitie pri príliš vysokých teplotách.

Expanzné komory sú v ďalšom výhodnom vyhotovení vynálezu vytvorene vo forme spaľovacích komôr na spaľovanie paliva a zahrievacie ústrojenstvo plynu obsahuje plášť expanzných komôr na zohrievanie stlačeného plynu z kompresných komôr teplom vedeným naprieč najmenej jednej steny vymedzenej expanznými komorami. V spaľovacích expanzných komorách je uložený tretí piest spojený pohyblivo s prenosovým ústrojenstvom tvoreným ojnicou a kľukovým hriadeľom.

Alternatívne vyhotovenie motora podľa vynálezu obsahuje prvé ventilové prvky na ovládanie prívodu vzduchu alebo iného oxidačného plynu do kompresnej komory, druhé ventilové prvky na zamedzovanie vracania plynu z expanznej komory do kompresnej komory ústrojenstvom na prívod stlačeného plynu do expanznej komory a ústrojenstvo na dodávanie tepla zabezpečujúce prívod horľavého paliva do expanznej komory. V tomto výhodnom vyhotovení sa zmes paliva a horúceho stlačeného plynu v expanznej komore zapáli a po expanzii sa spaliny vyfukujú z motora cez tepelné výmenníkové prvky. Na začiatku každého cyklu je preto potrebný prívod čerstvého pracovného plynu. Výhodné vyhotovenie vynálezu, v ktorom je pracovný plyn v každom pracovnom cykle obnovovaný, je označované ako motor s otvoreným pracovným cyklom. Jedno z výhodných vyhotovení tohto druhu motora môže obsahovať regulačné ústrojenstvo na riadenie množstva dodávaného horľavého paliva za jednotku času do expanznej komory, aby sa zabezpečila v podstate izotermická expanzia.

Za výhodné sa všeobecne považuje, že prvý a druhý piest zabezpečuje dobré utesnenie pre pracovný plyn, čo je zvlášť dôležité v motoroch s uzavretým pracovným cyklom. Prvý piest a/alebo druhý piest môže obsahovať kvapalinu a tým sa odstraňujú problémy s tesnením, ktoré sa inak bežne vyskytujú v pevných piestoch. Výhodné vyhotovenie motora podľa vynálezu je opatrené dvojicou rúrok tvaru U, z ktorých každá obsahuje teleso kvapaliny ako piest, kompresnú komoru vytvorenú v každom ramene jednej rúrky, expanznú komoru vytvorenú v každom ramene druhej rúrky, ústrojenstvo na prívod stlačeného plynu z jednej z kompresných komôr do jednej z expanzných komôr a ústrojenstvo na prívod stlačeného plynu z inej kompresnej komory do ďalšej expanznej komory a samostatné prívodné ústrojenstvo na prívod stlačeného vzduchu z ďalšej kompresnej komory do ďalšej expanznej komory. V tomto konkrétnom vyhotovení dochádza k expanzii a ku kompresii dvakrát v jednom pracovnom cykle a vzájomné nastavenie polôh kvapalinových piestov je vyhotovené najmä tak, že expanzný proces v jednej z expanzných komôr poháňa kompresný proces v jednej z kompresných komôr. Toto je možné dosiahnuť vhodným spriahnutím medzi hnacím ústrojenstvom a prenosovým ústrojenstvom. V ďalšom výhodnom vyhotovení obsahuje motor podľa vynálezu ďalšiu dvojicu rúrok tvaru U, pričom pri prevádzke je jeden z kvapalinových piestov v jednej z rúrok, obsahujúcich expanzné komory, fázovo posunutý v podstate o 90° proti kvapalinovému piestu v zodpovedajúcej rúrke tvaru U, obsahujúcej ďalšie expanzné komory. V tomto riešení je treba oceniť, že motor poskytuje čistý pozitívny výkon v každom štádiu v priebehu kompletného pracovného cyklu motora a tým odpadá potreba použitia zotrvačníka alebo iných prostriedkov na udržiavanie chodu motora medzi jednotlivými silovými zdvihmi.

Ak je expandovaný plyn vytláčaný z expanznej komory pohybom druhého piesta do expanznej komory, zvyšuje sa tlak plynu. Výhodné konkrétne vyhotovenie motora podľa vynálezu obsahuje ústrojenstvo na zabezpečenie kvapalín s dvoma rôznymi teplotami na použitie v kvapalinovej sprche v expanznej komore a obsahuje tiež ústrojenstvo na vytváranie sprchy kvapaliny v priebehu stláčania plynu v expanznej komore na reguláciu teploty plynu. Teplota rozstrekovanej tekutiny je najmä taká, že teplota plynu zostáva konštantná v celom priebehu stláčania. Ak v ďalšom výhodnom vyhotovení druhý piest obsahuje kvapalinu, môžu byť prívodné prostriedky upravené na prívod kvapaliny z kvapalinového piesta priamo do ústrojenstva na rozstrekovanie kvapaliny.

Po stlačení plynu v kompresnej komore sa tlak plynu znižuje a plyn expanduje v dôsledku toho, že oba piesty sa pohybujú smerom von z príslušných komôr. Vo výhodnom vyhotovení vynálezu je motor opatrený ústrojenstvom na zabezpečenie kvapaliny s najmenej dvoma rôznymi teplotami v kvapalinovej sprche v kompresnej komore a obsahuje tiež ústrojenstvo na vytváranie sprchy kvapaliny v priebehu expanzie plynu v kompresnej komore na reguláciu teploty plynu. Teplota rozstrekovanej kvapaliny v sprche je výhodne taká, že teplota plynu sa udržiava v celom priebehu expanzie na konštantnej hodnote. Prvý piest obsahuje v ďalšom výhodnom vyhotovení kvapalinu a motor môže mať ústrojenstvo na dodávanie kvapaliny z prvého piesta priamo do ústrojenstva na rozstrekovanie kvapaliny.

V prípadoch, keď prvý piest obsahuje kvapalinu, môžu hnacie prvky obsahovať člen upravený na spoluprácu s prvým piestom, takže pohyb tohto člena sa prenáša na uvádzanie piesta do pohybu v najmenej jednom smere. Člen môže obsahovať pevný piest a môže byť ponorený v kvapalinovom pieste alebo môže plávať na hladine kvapalinového piesta. Pevný piest môže byť spriahnutý s hriadeľom prechádzajúcim stenou rúrky obsahujúcej kvapalinový piest.

Podobne ak jeden z druhých piestov obsahuje kvapalinu, môže obsahovať prenosové ústrojenstvo člen upravený na spoluprácu s týmto druhým piestom v tom zmysle, že pohyb kvapalinového piesta sa prenáša najmenej v jednom smere na druhý piest. Člen môže obsahovať pevný piest, ktorý je ponorený v kvapalinovom pieste alebo je upravený na plávanie na hladine kvapalinového piesta. S pevným piestom môže byť spojený hriadeľ, ktorý' prechádza stenou rúrky obsahujúcej pevný piest.

Tepelný motor podľa vynálezu obsahuje v inom konkrétnom vyhotovení prvý a druhý piest, ktoré obsahujú pevný materiál. Jedno z ďalších vyhotovení motora obsahuje dvojicu kompresných komôr a dvojicu expanzných komôr, pričom pri prevádzke sú piesty v kompresných komorách usporiadané na pohyb v podstate vo vzájomnej protifáze a piesty v expanzných komorách sú tiež usporiadané na pohyb v podstate vo vzájomnej protifáze. V alter natívnom vyhotovení motor obsahuje ďalšiu dvojicu kompresných komôr a ďalšiu dvojicu expanzných komôr, pričom pri prevádzke sú piesty jednej dvojice kompresných komôr usporiadané na činnosť v podstate s fázovým rozdielom 90° proti piestom druhej dvojice kompresných komôr a piesty v jednej dvojici expanzných komôr sú usporiadané na činnosť v podstate s fázovým rozdielom 90° proti piestom v druhej dvojici expanzných komôr.

Motor pracujúci v uzavretom cykle má tepelné výmenníkové prvky tvorené regenerátorom. Úlohou tohto regenerátora je zabezpečiť účinný prenos tepla do pracovného plynu a z pracovného plynu.

Motor podľa ďalšieho konkrétneho vyhotovenia obsahuje separačné ústrojenstvo upravené na oddeľovanie kvapaliny od plynu opúšťajúceho kompresnú komoru alebo každú z kompresných komôr. Pri vyhotovení pracujúcom s uzavretým cyklom môže byť separačné ústrojenstvo upravené tiež na oddeľovanie kvapaliny z plynu opúšťajúceho expanznú komoru alebo každú z expanzných komôr.

Tam, kde prvé piesty a/alebo druhé piesty obsahujú kvapalinu, je motor výhodne vybavený ústrojenstvom na napájanie rozstrekovacieho ústrojenstva alebo každého rozstrekovacieho ústrojenstva na vytváranie sprchy kvapalinou z kvapalinových piestov. Toto napájacie ústrojenstvo môže byť výhodne tvorené čerpadlom upraveným na pohon príslušným piestom.

V ďalšom konkrétnom vyhotovení obsahuje hnacie ústrojenstvo spojovacie ústrojenstvo spojené s prenosovým ústrojenstvom, takže pri prevádzke sa prvé a druhé piesty pohybujú vo vopred určenom fázovom vzťahu. Je vhodné, aby toto spojenie prvých a druhých piestov bolo uskutočnené napríklad mechanickými prostriedkami, najmä kľukovým hriadeľom, ktorý umožňuje dosiahnutie veľkých kompresných pomerov a pritom ešte súčasne je schopný spoľahlivo zaisťovať fázové nastavenie piestov. Fázový uhol medzi prvými a druhými piestami môže byť nastavený tak, že druhý piest predbieha prvý piest najmenej o 90°. V alternatívnom vyhotovení by mohli byť piest}' poháňané od seba nezávisle a môžu byť prispôsobené spoločne na spojenie akýmikoľvek spojovacími prvkami s vonkajším pohonom, ktorý by bol schopný vyvodiť značné sily proti tlaku vnútri príslušnej komory.

V ďalšom výhodnom vyhotovení môže motor podľa vynálezu obsahovať spaľovaciu komoru na spaľovanie paliva, pričom zahrievacie ústrojenstvá obsahujú zahrievacie prvky na zahrievanie stlačeného plynu vychádzajúceho z kompresnej komory teplom vedeným naprieč najmenej jednou plochou vymedzujúcou spaľovaciu komoru motora. Tým je možné motor podľa vynálezu ľahko upraviť na chladiace zariadenie pre konvenčné spaľovacie motory, v ktorých sa spaľuje benzín, nafta alebo plyn, súčasne so spätným získavaním tepla, ktoré je inak pri bežných spaľovacích motoroch odpadovým teplom, ktoré sa stráca v chladiči, pričom v tomto prípade je teplo premenené na využiteľnú energiu. V kompresnej komore sa produkuje chladný stlačený plyn a teplo stratené v stenách spaľovacej komory sa prevádza do stlačeného plynu a tým sa zaisťuje chladenie motora. Rovnaké metódy sa môžu využiť na spätné získanie tepla z výfukových plynov konvenčného spaľovacieho motora, napríklad vytvorením chladiacich kanálikov na vedenie stlačeného vzduchu vo výfukovom zberači alebo vybavením motora výmenníkom tepla, ktorým by výfukové plyny motora mohli prechádzať. Predhriaty stlačený plyn sa potom vháňa do expanznej komory, v ktorej expanduje a vytláča piest von z expanznej komory a tým produkuje využiteľnú mechanickú prácu. V jednom z výhodných vyhotovení môže byť expanzný piest spojený s vonkajším výstupným pohonom. Toto usporiadanie má výhodu spočívajúcu vo zvýšení účinnosti konvenčných spaľovacích motorov.

Riešenie tepelného motora sa môže využiť tiež na konštrukciu tepelného čerpadla, ktoré obsahuje expanznú komoru na expandujúci plyn a prvý piest umožňujúci expanziu plynu pohybom piesta von z expanznej komory, kompresnú komoru na stláčanie plynu a druhý piest na stláčanie plynu pohybom druhého piesta do kompresnej komory, ústrojenstvo na prívod plynu z jednej z expanzných komôr a z kompresných komôr do ďalšej komory a ústrojenstvo na vytváranie sprchy kvapaliny v kompresnej komore na pohlcovanie tepla z plynu z priebehu kompresie, a pevný člen operatívne spojený s druhým piestom poháňaným vonkajším zdrojom energie do kompresnej komory na stláčanie plynu.

Toto vyhotovenie tepelného čerpadla umožňuje, aby dopravované teplo bolo prevedené do vonkajšej tepelnej nádrže mimoriadne účinnej prostredníctvom látky použitej v rozprášenej sprche v horúcej kompresnej komore a súčasne môže byť poháňané vonkajším zdrojom energie, najmä elektromotorom, pomocou napríklad mechanického spojovacieho ústrojenstva, aby sa získalo tepelné čerpadlo s vyšším koeficientom výkonu, ako je to možné dosiahnuť pri doteraz známych tepelných čerpadlách.

Je výhodné, že tento druh tepelného čerpadla môže zaistiť tak kúrenie, ako i chladenie buď v uzavretom pracovnom cykle, alebo v otvorenom pracovnom cykle. Jedno z takýchto výhodných príkladných vyhotovení môže byť upravené na klimatizáciu, pri ktorej sa vzduch nasáva do kompresnej komory z vonkajšieho zdroja, stláča sa v podstate izotermicky pomocou kvapalinovej sprchy a prevádza sa potom do expanznej komory, v ktorej expanduje, takže vykonáva prácu a vracia časť energie použitej na kompresiu. Expanzia môže byť adiabatická, takže plyn sa ochladzuje a chladný vzduch sa potom môže vyfukovať z tepelného čerpadla, aby ochladzoval atmosféru v miestnosti. Alternatívne výhodné vyhotovenie tepelného čerpadla môže obsahovať prostriedky zaisťujúce dodávanie tepla do plynu v priebehu jeho expanzie v expanznej komore, takže expanzia je v podstate izotermická. Tento výsledok je možné výhodne dosiahnuť využitím kvapalinovej sprchy v expanznej komore. Teplo je absorbované z kvapôčok kvapaliny, ktoré sa tak ochladzujú a chladná kvapalina zo sprchy môže byť využitá na chladenie, napríklad na klimatizáciu. Vstrekovanie kvapalinovej sprchy do expanznej komory tiež predstavuje účinný prenos tepla z nízkoteplotného tepelného zdroja tak, že tepelné čerpadlo môže prečerpávať toto teplo do tepelnej nádrže s vyššou teplotou, ktorá potom môže byť už využitá na vykurovanie. Tepelné čerpadlo môže byť modifikované tak pre otvorený, ako aj pre uzavretý prevádzkový cyklus.

Praktické vyhotovenia tepelného motora a tepelného čerpadla môžu obsahovať ľubovoľný počet kompresných komôr a expanzných komôr, pričom počet kompresných komôr sa nemusí nutne rovnať počtu expanzných komôr.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie objasnený pomocou príkladov vyhotovení zobrazených na výkresoch, kde znázorňujú obr. 1 schematické zobrazenie prvého príkladného vyhotovenia vynálezu, obsahujúceho kvapalinové piesty a pracujúceho v uzavretom cykle, obr. 2 schematické zobrazenie druhého príkladného vyhotovenia vynálezu, obsahujúceho kvapalinové piesty a pracujúceho v otvorenom cykle, obr. 3 schematické zobrazenie tretieho príkladného vyhotovenia vynálezu, obsahujúceho pevné piesty a pracujúceho v otvorenom cykle, a obr. 4 schematické zobrazenie štvrtého príkladného vyhotovenia vynálezu, obsahujúceho pevné piesty a pracujúceho v otvorenom cykle.

Príklady uskutočnenia vynálezu

V príklade zobrazenom na obr. 1 je zariadenie tvorené dvojicou rúrok 1, 3 tvaru U, z ktorých každá obsahuje stĺpec kvapaliny tvoriaci kvapalinový piest 5, 7. V každom z ramien 13,15 prvej rúrky 1 tvaru U je vytvorená kompresná komora 9, 11 a v každom z ramien 21, 23 druhej rúrky 3 tvaru U je vytvorená expanzná komora 17, 19. Prvá kompresná komora 9 je prepojená cez prvý regenerátor 25 s prvou expanznou komorou 19 a druhá kompresná komora 11 je prepojená cez druhý regenerátor 27 s druhou expanznou komorou 17. V praktickom vyhotovení sú rúrky 1, 3 tvaru U natočené oproti polohe zobrazenej na obr. 1 o 90° proti sebe, aby oba regenerátory 25, 27 mali rovnakú dĺžku. Tieto dve rúrky 1, 3 tvaru U tak vytvárajú spoločne s oboma regenerátormi 25, 27 priestorový útvar pripomínajúci sedlo, takže sa tento útvar nazýva „sedlová slučka. Tepelný motor pozostávajúci z jedného prepojeného objemu plynu s jediným regenerátorom, s jednou kompresnou komorou a jednou expanznou komorou, z ktorých každá obsahuje tekutinový alebo pevný piest a každá je vybavená ústrojenstvami na dodávanie alebo odoberanie tepla, je preto označovaný ako „polovičná sedlová slučka“,

V oboch kompresných komorách 9, 11 a tiež v oboch expanzných komorách 17, 19 sú umiestnené rozstrekovacie ústrojenstvá na rozprašovanie kvapaliny. Kvapalina rozstrekovaná rozstrekovačmi 29, 31 v kompresných komorách 9, 11 je odoberaná najmä z objemu kvapaliny v prvej rúrke 1 tvaru U a kvapalina rozstrekovaná rozstrekovačmi 33, 35 v expanzných komorách 17, 19 je odoberaná najmä z objemu kvapaliny obsiahnutej v druhej rúrke 3 tvaru U. Kvapalina odoberaná z prvej rúrky 1 tvaru U môže byť pred vstrekovaním do kompresných komôr 9, 11 vedená neznázorneným chladičom a kvapalina odoberaná z druhej rúrky 3 tvaru U môže byť vedená pred vstrekovaním do expanzných komôr 17, 19 ohrievačom. Priestory tvorené kompresnými komorami 9, 11 a im zodpovedajúcimi expanznými komorami 19, 17, ktoré sú navzájom prepojené prostredníctvom príslušných regenerátorov 25, 27, sú vyplnené pracovným plynom. Medzi kompresnými komorami 9,11 a expanznými komorami 17,19 na jednej strane a príslušnými regenerátormi 25, 27 na druhej strane sú umiestnené separátory 37, 39, 41, 43, ktoré odstraňujú všetku kvapalinu z pracovného plynu ešte pred prechodom týchto látok regenerátormi 25, 27.

Každá z rúrok 1, 3 tvaru U je vybavená priamym úsekom 45, 47, ktorý spája navzájom vždy príslušnú dvojicu ramien 13, 15, 21, 23. Ku každému z kvapalinových piestov sú pripojené mechanické prostriedky na prenos sily do piestov alebo odvádzanie sily z piestov. V tomto príkladnom vyhotovení je v každom priamom úseku 45, 47 rúrok 1, 3 tvaru U uložený pevný piest 49, 51, ktorý’ sa môže voľne posúvať po priamej dráhe po dĺžke priameho úseku 45, 47, pričom po oboch jeho stranách je vytvorený kvapalinový piest. Ku každému pevnému piestu 49, 51 je pripojený hnací hriadeľ 53, 55, ktorý prechádza stenou príslušnej rúrky 1, 3 tvaru U a ktorý predstavuje prvky na pohon alebo prenos energie z kvapalinových piestov.

Dva hnacie hriadele 53, 55 sú spolu spojené prostredníctvom vonkajšieho hnacieho mechanizmu tak, že posuv každého z piestov 5 môže byť vyjadrený v priebehu času približne sínusoidou, pričom v oboch rúrkach 1, 3 tvaru 1J je medzi oboma piestami 5 udržiavaný vopred určený fázový vzťah. To je možné dosiahnuť napríklad spojením oboch hnacích hriadeľov 53, 55 s kľukovým hriadeľom, podobne ako je to pri benzínových alebo naftových spaľovacích motoroch.

Tepelný motor podľa vynálezu pracuje na princípe prechodu pracovného plynu termodynamickým cyklom, pri ktorom dochádza k opakovaným kompresiám a expanziám. Ku kompresiám dochádza, ak sa väčšina pracovného plynu dostala do kompresnej komory 9, 11, zatiaľ čo k expanzii dochádza, ak sa väčšina pracovného plynu dostala do expanznej komory 17, 19. To je možné dosiahnuť takým usporiadaním piestov 5 v kompresných komorách 9, 11, pri ktorých sú tieto piesty 5 vo fázovom posune 90°. Fázový uhol medzi piestami 7 v expanzných komorách 17, 19 alebo v kompresných komorách 9, 11 je 180°. Pri tomto konštrukčnom usporiadaní bude tvoriť expanzný proces v jednej z expanzných komôr 17, 19 pohon kompresného procesu v inej kompresnej komore 9, 11. Napríklad expanzia vnútri druhej expanznej komory' 19 bude ovládať kompresiu v druhej kompresnej komore 11a expanzia v prvej expanznej komore 17 bude ovládať kompresiu v prvej kompresnej komore 9.

V nasledujúcej časti opisu bude opísaný jeden celý cyklus tepelného motora len vo vzťahu k jednej kompresnej komore a k jednej expanznej komore, pričom počiatočnou operáciou je kompresia v prvej kompresnej komore 9. Na začiatku stláčania je kvapalinový piest 5 v prvej kompresnej komore 9 na spodnom úvrate svojej zdvihovej dráhy a piest 7 v prvej expanznej komore 19 je v stredovom bode svojej zdvihovej dráhy a pohybuje sa smerom nahor. Väčšia časť objemu pracovného plynu, ktorá sa nachádza medzi prvou kompresnou komoru 9 a druhou expanznou komorou 19, je vnútri prvej kompresnej komory 9. Stláčací piest 5 sa pohybuje do prvej kompresnej komory 9 a stláča pracovný plyn proti tlaku plynu, ktorý vzniká pri pohybe expanzného piesta 7 do druhej expanznej komory 19, Do kompresnej komory 9 sa vstrekuje studená kvapalina, ktorá v priebehu kompresie ochladzuje pracovný plyn. Kvapalina sa môže získať odoberaním kvapaliny zo studeného kvapalinového piesta 5 (to znamená z kompresného piesta 5) a nasledovným prechodom neznázorneným vonkajším chladičom pred vstrekovaním do kompresnej komory. Ak je stláčací piest 5 v prvej kompresnej komore 9 umiestnený v strednej polohe svojho zdvihu, bude expanzný piest 7 v druhej expanznej komore 19 v hornom úvrate svojho zdvihu a bude sa vracať do pohybu v opačnom smere. Počas pohybu kompresného piesta 5 nahor do kompresnej komory 9 pokračuje stláčanie pracovného plynu, ale v rovnakom čase začína studený stláčaný plyn prúdiť regenerátorom 25 smerom k druhej expanznej komore 19 bezprostredne po začatí pohybu expanzného piesta 7 smerom dole. Studený stlačený plyn, opúšťajúci prvú kompresnú komoru 9, je predhrievaný teplom z expandujúccho plynu, ktorý opúšťa expanznú komoru 19 na konci predchádzajúceho cyklu.

Ak dosiahne kompresný piest 5 v prvej kompresnej komore 9 spodný úvrat svojho zdvihu, expanzný piest 7 v druhej expanznej komore 19 je v strednej časti svojho zdvihu a pohybuje sa smerom nahor do expanznej komory 19, pričom stláčací piest 5 potom zmení smer svojho pohybu a celý cyklus sa opakuje.

Ako už bolo uvedené v predchádzajúcej časti, termodynamický cyklus v prvej kompresnej komore 9 a v druhej expanznej komore 19 je posunutý o 180° oproti priebehu cyklu v druhej kompresnej komore 11 a v prvej expanznej komore 17. Pri tomto riešení poháňa expanzný zdvih v druhej expanznej komore 19 kompresný zdvih v druhej kompresnej komore 11 a expanzný zdvih v prvej expanznej komore 17 ovláda kompresný zdvih v prvej kompresnej komore 9. V priebehu celého pracovného cyklu sa však vyskytujú body medzi kompresnými a expanznými zdvihmi, v ktorých sa ria výstupe motora neobjavuje žiadny užitočný výkon. Aby sa udržal chod motora v priebehu jedného celého pracovného cyklu, je možné použiť zotrvačník alebo je možné sa spoliehať na vlastnú zotrvačnosť piestov 5, 7, pokiaľ tieto piesty 5, 7 majú dostatočnú hmotnosť. Potreba použitia zotrvačníka môže odpadnúť vytvorením druhej sedlovej slučky, ktorej pracovný cyklus je fázovo posunutý' o 90° oproti pracovnému cyklu prvej sedlovej slučky. Tento výsledok je možné dosiahnuť pripojením vhodného vonkajšieho hnacieho mechanizmu. Toto príkladné vyhotovenie tepelného motora je potom schopné dodávať užitočný energetický výkon vo všetkých fázach pracovného cyklu.

Jedným z najdôležitejších znakov motora opísaného v predchádzajúcej časti opisu je použitie horúcich a studených postrekovacich kvapalín na udržiavanie teploty pracovného plynu vnútri každej komory na požadovanej úrovni. Ako už bolo uvedené v predchádzajúcej časti opisu, rozprašovanie kvapaliny sa môže robiť v priebehu celého pracovného cyklu, aj keď kvapalina prechádza výmenníkmi tepla len v priebehu časti vstrekovacieho cyklu. Dôvod tohto priebehu môže byť objasnený v spojitosti s každou komorou samostatne.

Pri kompresii spočíva funkcia rozprašovania kvapaliny v udržiavaní teploty pracovného plynu v kompresnej komore na čo najnižšej hodnote. Kvapalina by preto mala v priebehu tejto časti pracovného cyklu prechádzať vonkajším chladičom. Po expanzii pracovného plynu v neskoršej fáze pracovného cyklu má rozstrekovanie kvapaliny zamedziť prílišnému ochladzovaniu pracovného plynu. V priebehu tejto fázy pracovného cyklu je lepšie odoberať kvapalinu priamo z kvapalinového piesta a neochladzovať ju.

Pre expanznú komoru platia celkom opačné argumenty. V priebehu expanzie musí mať plyn čo najvyššiu teplotu a z tohto dôvodu by mala byť vedená rozstrekovaná kvapalina vonkajším ohrievačom. V priebehu kompresie je dôležité zamedziť zohriatiu plynu na príliš vysokú teplotu. V tejto fáze pracovného cyklu by teda mala byť kvapalina odoberaná priamo z kvapalinového piesta.

V jednom z príkladných vyhotovení vynálezu môže byť dosiahnuté čerpanie kvapaliny používanej na rozstrekovanie priamym využitím vratne posuvného pohybu piesta a hnacieho hriadeľa. Vnútri potrubia môže byť umiestnené čerpadlo, ktoré obsahuje malý piest, poháňaný kvapalinovým piestom, pevným piestom alebo hnacím hriadeľom, a ktoré jc upravené na posúvanie vnútri valca vybaveného spätnými ventilmi. V každom potrubí môže byť uložené jediné čerpadlo, ak ide o čerpadlo s oboma vstupnými koncami rovnakými, to znamená ak sa plniaci a výtlačný vstup nachádzajú na oboch koncoch čerpadla. Tým je možné privádzať kvapalinu striedavo z oboch strán, pričom druhá stranaje plniacou stranou. Jedno obojstranné čerpadlo môže obsluhovať dva injektory na vstrekovanie kvapaliny, spriahnuté s príslušnými čiastkovými potrubiami. Každý koniec čerpadla môže mať dva výstupy, z ktorých jeden vedie k rozstrekovacej dýze v jednej z komôr, spojenej s čiastkovým potrubím, zatiaľ čo druhý výstup vedie priamo k rozstrekovacej dýze v druhej komore. V tomto konštruk čnom usporiadaní môže byť síce rozstrekovanie kvapaliny udržiavané ako takmer kontinuálny proces, teplota vstrekovanej kvapaliny sa môže v priebehu jedného pracovného cyklu meniť podľa toho, či prechádza výmenníkom tepla alebo ním neprechádza.

Separátory umiestnené nad vstrekovacími dýzami na vytváranie postrekovacej sprchy, ktoré môžu obsahovať vlnité dosky, majú dôležitú úlohu v prenose tepla medzi rozstrekovanou kvapalinou a pracovným plynom, pretože vlnité povrchy sú ochladzované alebo ohrievané kontaktom s rozstrekovanou kvapalinou a prebiehajú cez celú kontaktnú plochu medzi pracovným plynom a kvapalinou. Ak je prúd plynu smerovaný v príslušnej komore nahor, potom je väčšina rozstrekovaných kvapôčok unášaná v danom čase nahor do separátora. V spodnom plynovom priestore bude ešte veľké množstvo kvapôčok, ktoré sa vytvorili predchádzajúcim vstrekovaním. Ak prúd smeruje dole, väčšina kvapaliny, ktorá sa oddelila na zvlnených doskách, bude stekať dole do komory. Tak sa predpokladá, že separátory budú opakovane zhromažďovať a potom vydávať kvapalinu, ktoráje na nich nanášaná. Separátory môžu byť navyše alebo v alternatívnom príkladnom vyhotovení upravené na vyvolávanie vírenia pracovného plynu, aby sa uľahčilo oddeľovanie kvapôčok kvapaliny pri súčasnom minimalizovaní tlakových strát v prúde plynu.

Separátory majú zaistiť potrebnú zmenu teploty pracovného plynu z horúceho plynu na studený a naopak termodynamicky účinným procesom. Regenerátory môžu obsahovať sústavu úzkych kanálikov s rôznymi tvarmi svojho priečneho prierezu, upravených na vytvorenie veľkých prenosových plôch na prenos tepla medzi plynom a materiálom regenerátora. Úzke kanáliky môžu byť vytvorené napríklad pomocou dosiek alebo rúročiek. Regenerátory uchovávajú teplo získavané z pracovného plynu, pokiaľ pracovný plyn v nich obracia smer svojho prúdenia, pričom v ďalšej fáze sa teplo vracia do pracovného plynu. Regenerátory by mali byť taktiež navrhnuté tak, aby sa čo najviac znížil pokles tlaku pozdĺž ich dĺžky.

Výber pracovného plynu a kvapaliny prenášajúcej teplo v kvapalinovom pieste je závislý od oblasti použitia motora a od rozsahu teplôt, ktorý motor potrebuje na svoju činnosť. Pretože motor pracuje v uzavretom cykle a kvapalinový piest tvorí dokonalé tesnenie, nie je voľba pracovného plynu obmedzená nutne dostupnosťou a cenou a môže byť vyberaná podľa svojich termodynamických vlastností. Pracovným plynom tak môže byť napríklad hélium alebo vodík, ktoré majú vynikajúce charakteristiky prenosu tepla. Prednostne môže byť volené hélium pred vodíkom najmä z bezpečnostných dôvodov, aj keď je tento plyn drahší ako vodík. Inou výhodou motorov s uzavretým cyklom je skutočnosť, že prevádzkové tlaky pracovného plynu môžu byť pomerne vysoké a môžu sa pohybovať v rozsahu od 1 MPa do 20 MPa.

Pri prevádzkových teplotách vyšších ako asi 200 °C môže byť ako látka prenášajúca teplo použitá voda. Pri vyšších teplotách by však voda nebola vhodnou látkou, pretože by bolo nutné použiť vysoké tlaky, aby sa voda udržala v kvapalnom stave. Pre prevádzkové teploty do asi 400 °C je možné použiť komerčné tekutiny na prenos tepla, ktoré sú tekuté taktiež pri nízkych teplotách. Je pravdepodobné, že pre tento rozsah vyšších pracovných teplôt bude ako pracovná tekutina opäť vybraté hélium. Pre prevádzkové teploty vyššie ako 40 °C je možné ako pracovný plyn použiť kvapalné kovy, napríklad eutektické zmesi sodíka a draslíka (NaK), spoločne s héliom. Eutektická zmes NaK zostáva kvapalná až do teploty -12 °C a jej bod varu je na 785 °C pri atmosférickom tlaku. Roztavené soli tvoria možné alternatívy kvapalných kovov pre vyššie teploty. Kvôli možným technickým problémom, spojeným s konštrukčným návrhom motorov vhodných na použitie s horúcimi kvapalinami, ktoré majú teplotu vyššiu ako 400 °C, môže byť výhodnejšie nepoužívať príliš horúce kvapaliny. Teplo môže byť prevádzané do motora namiesto kvapalinou stenami tepelného výmenníka, čo umožňuje pohon motora zo zdrojov tepla, ktoré majú oveľa vyššiu teplotu, vrátane spaľovania paliva. Palivom môže byť v tomto prípade tiež vykurovací olej, uhlie, biomasa alebo domáci odpad, pretože produkty spaľovania sa nedostávajú dovnútra motora. Z tohto dôvodu je konštrukčné vytvorenie tepelného motora, ktoré využíva vstrekovanie horúcej kvapaliny, veľmi vhodné na generovanie energie zo zdrojov tepla, majúcich pomerne nízku teplotu, napríklad z priemyselného odpadového tepla alebo zo slnečnej energie.

Tepelný motor s uzatvoreným cyklom môže byť modifikovaný tak, že pracuje ako tepelné čerpadlo, v ktorom je mechanická energia využívaná na čerpanie tepla zo zdroja s nízkou teplotou do vysokotepelného kondenzátora. V tomto prípade dochádza na rozdiel od tepelného motora ku kompresii pracovného plynu, ak je tento plyn horúci a expanzia prebieha, ak je pracovný plyn studený. Jedno z príkladných vyhotovení tepelného čerpadla môže byť opísané na príklade znázornenom na obr. 1. V tomto príkladnom vyhotovení je mechanická energia, potrebná na pohon tepelného čerpadla, dodávaná pevným piestom 49, 51 prostredníctvom hnacích hriadeľov 53, 55. Na rozdiel od tepelného motora vedie kvapalinový piest 5 v kompresnej komore 9, 11 piest 7 v priradenej expanznej komore 17, 19 vo vopred učenom fázovom uhle, napríklad v uhle 90°, namiesto opačného usporiadania. V príkladnom konštrukčnom vyhotovení tepelného čerpadla podľa obr.l sú v komorách 9, 11 využívané rozstrekovače 29, 31 na prenos tepla zo zdroja tepla s nízkou teplotou do tepelného čerpadla. Chladná kvapalina sa vstrekuje v priebehu expanzie pracovného plynu v komorách do komôr 9, 11, pričom expanzia je podporovaná kvapalinovými piestami 5. V priebehu tejto expanzie sa prevádza teplo z rozstrekovanej kvapaliny do pracovného plynu a expanzný proces môže byť približne izotermický. Len čo je teplo odobraté z kvapôčok rozstrekovanej kvapaliny, zlúčia sa ochladené kvapôčky s kvapalinou kvapalinového piesta 5, ktorého teplota sa v dôsledku toho zníži. Chladná kvapalina z kvapalinového piesta 5 sa prevádza do vhodného neznázomeného výmenníka tepla, v ktorom sa zo zdroja tepla dodá kvapaline potrebné množstvo tepla. Zdrojom tepla pre chladnú kvapalinu môže byť napríklad atmosférický vzduch, pôda, voda v rieke, v mori alebo inom vodnom zdroji. Inou možnosťou na získavanie tepla z tepelného zdroja je využitie odsávaného výstupného vzduchu klimatizačných zariadení. Zdrojom tepla môže byť taktiež odpadová voda z kúpeľní a podobných zariadení. Toto riešenie predstavuje obrátenie činnosti výmenníka tepla v tepelnom motore, v ktorom výmenníky tepla prevádzajú teplo z kvapaliny do zásobníka s nízkou teplotou obsahu.

Rozstrekovače 33, 35 kvapaliny v komorách 17, 19 rozstrekujú horúcu kvapalinu do komôr v priebehu kompresie pracovného plynu, ktorá je vyvodzovaná kvapalinovým piestom 5. Rozstrekovanie horúcej kvapaliny má zaistiť pohlcovanie tepla v pracovnom plyne, ktorý absorbuje teplo produkované prácou pri stláčaní. Po kompresii dochádza k odovzdávaniu tepla medzi kvapôčkami kvapaliny, ktoré sa pri rozstrekovaní zohriali, a kvapalinovým piestom 5, ktorého teplota sa tým zvyšuje. Horúca kvapalina z kvapalinového piesta 5 sa prevádza do neznázomeného vhodného výmenníka tepla, v ktorom sa teplo prevádza z kva paliny do miesta jeho využitia. Tento priebeh je opakom činností výmenníka tepla v tepelnom motore, v ktorom výmenník tepla prevádza teplo zo zdroja tepla do kvapaliny. Teplo môže byť dodávané napríklad horúcovodným systémom, podobným systému používanému na dodávanie horúcej vody v mnohých domácnostiach. V alternatívnom vyhotovení môže byť teplo dodávané vzduchovým potrubným systémom.

Jeden cyklus tepelného čerpadla vo vzťahu k jednej z komôr 9 a k jednej z priradených komôr 19 prebieha nasledovne, začínajúc od horného úvratu kvapalinového piesta 7 v horúcej komore 19, v ktorej sa kvapalinový piest 7 začína pohybovať v opačnom smere.

Len čo dosiahne kvapalinový piest 7 svoj horný úvrat v horúcej komore 19, dosiahne kvapalinový piest 7 v studenej komore 9 stredný bod svojho zdvihu a pohybuje sa von zo studenej komory 9. Pri pokračujúcom pohybe kvapalinového piesta 7 von zo studenej komory 9 dochádza k expanzii chladného plynu a súčasne je do tejto studenej komory 9 vstrekovaná chladná kvapalina pomocou prvého rozstrekovača 29. Pracovný plyn v komore 9 absorbuje teplo z rozstrekovanej kvapaliny a plyn expanduje približne izotermický. Ak dosiahne kvapalinový piest 7 v studenej komore 9 spodný úvrat svojho zdvihu a obráti smer svojho pohybu, príde kvapalinový piest 7 v horúcej komore 19 do stredného bodu svojho zdvihu a pohybuje sa von z komory 19, pričom chladný pracovný plyn je vytláčaný z komory a prechádza regenerátorom 25, v ktorom je predhriaty teplom z pracovného plynu, ktorý opúšťa horúcu komoru na konci predchádzajúceho cyklu a ktorý vstupuje do horúcej komory 19. Ak dosiahne kvapalinový piest 7 v horúcej komore 19 spodný úvrat svojho zdvihu a obracia smer svojho pohybu, je do horúcej komory 19 vstrekovaná horúca kvapalina z dýz rozstrekovača 35. V tomto bode dosiahne kvapalinový piest 7 v komore 9 svoju strednú polohu uprostred dĺžky svojho zdvihu a väčšina pracovného plynu je v horúcej komore 19. Kvapalinový piest 7 v komore 19 sa pohybuje smerom hore do komory a stláča pracovný plyn. Teplo vznikajúce pri kompresii sa prevádza do kvapôčok kvapaliny v horúcej sprche, pričom kompresný proces môže byť približne izotermický. Len čo dosiahne kvapalinový piest 7 v komore 19 stredný bod svojho zdvihu, dostane sa kvapalinový piest 7 v chladnej komore 9 do horného úvratu svojho zdvihu a začne sa pohybovať v opačnom smere. Pri pokračujúcom pohybe kvapalinového piesta do komory 19 je pracovný plyn vytláčaný z komory a je pretláčaný regenerátorom 25, ktorému odovzdáva svoje teplo. Chladný plyn opúšťajúci regenerátor 25 sa vracia do studenej komory, kde začína opäť nový cyklus.

Ak sa piest 5 studenej komory 9 pohybuje do komory 9 a vytláča plyn von, zvyšuje sa tlak plynu, čo vedie k zvyšovaniu teploty plynu. V priebehu stláčania plynu môže byť do studenej komory 9 rozstrekovaná kvapalina, aby sa zamedzilo nadmernému ohrievaniu plynu a najmä, aby sa teplota udržiavala na konštantnej hodnote. Ak je použitý kvapalinový piest 5, môže byť kvapalina určená na rozstrekovanie odoberaná výhodne priamo z kvapalinového piesta 5. Podobne, ak sa piest v horúcej komore pohybuje von z komory a nasáva plyn do jej vnútorného priestoru, klesá tlak plynu a tým má plyn tendenciu znižovať svoju teplotu. Aby' sa tomu zamedzilo, jc možné rozstrekovať do horúcej komory v priebehu expanzie plynu kvapalinu, aby sa tak udržiavala teplota plynu na konštantnej hodnote. Ak je použitý kvapalinový' piest, môže byť kvapalina na rozstrekovanie v sprche výhodne získavaná priamym odberom z kvapalinového piesta.

Podobne ako v tepelnom motore môžu byť aj v tepelnom čerpadle použité dve sedlové slučky, opísané v predchádzajúcej časti, ktoré sú proti sebe fázovo predradené o 90“. Pracovným plynom je výhodne plyn, ktorý' neprechádza fázovou premenou, to znamená kondenzáciou alebo vyparovaním, v rozsahu prevádzkových teplôt a tlakov používaných pri tepelných čerpadlách. Pracovným plynom môže byť napríklad podobne ako pri tepelných motoroch hélium alebo vodík. Kvapalinou zabezpečujúcou prenos tepla môže byť voda, ku ktorej môže byť pridaná nemrznúca zmes, ak môže mať zdroj studenej kvapaliny nízku teplotu. Ak je používaný ako zdroj tepla vzduch, tak môže byť nutné pravidelné odmrazovanie výmenníka tepla.

Tepelné čerpadlo môže byť využívané napríklad v domácnostiach alebo v priemyselných aplikáciách na klimatizáciu, chladenie, vykurovanie vnútorných priestorov alebo ohrev vody. Účinnosť tepelného čerpadla je spravidla vyjadrená koeficientom výkonu, ktorý je obráteným pomerom množstva elektrickej energie potrebnej na ohrev. Koeficient výkonu tiež závisí od teplôt tepelných zdrojov a od požadovaného prívodu tepla. Na ohrev vody na vykurovanie vnútorných priestorov budovy alebo na podobné využitie v domácnostiach môže byť konvenčné tepelné čerpadlo schopné dosiahnuť koeficient výkonu okolo 3. Cyklus tepelného čerpadla, opísaného v predchádzajúcej časti, predpokladá dosiahnutie koeficientu výkonu pri využití v domácnostiach okolo 3,5, ak má zdroj tepla teplotu tesne nad bodom mrazu. Dosiahnuteľný koeficient výkonu by mal byť okolo 4, ak je teplota zdroja tepla zvýšená napríklad použitím solárnych panelov alebo rekuperáciou tepla z odpadových vôd v domácnosti. V alternatívnom vyhotovení môže tepelné čerpadlo, opísané v predchádzajúcej časti, odoberať teplo z atmosféry aj pri teplotách tesne nad bodom mrazu, aby tak vytváral v potrubí vykurovacieho systému teplý vzduch na vykurovanie priestoru pri koeficiente výkonu okolo 4. Koeficient výkonu môže byť zvýšený nad hodnotu 4, ak je teplo získavané z odpadových vôd, z použitého klimatizačného vzduchu alebo zo solárnych vykurovacích systémov.

Pri ďalšom príkladnom vyhotovení tepelného motora môže byť na dodávanie tepla pracovnému plynu využité spaľovanie paliva. Horľavé palivo je v tomto príkladnom vyhotovení injektované do expanznej komory, v ktorej sa zmiešava s horúcim stlačeným vzduchom a zapáli sa. Palivom je najmä čisté palivo, napríklad plyn alebo ľahký destilačný olej. Príkladné vyhotovenie tejto konštrukčnej alternatívy tepelného motora je schematicky zobrazené na obr. 2. Rad znakov tohto príkladného vyhotovenia z obr. 2 je podobných príkladnému vyhotoveniu z obr. 1 a preto sú obdobné súčiastky označené rovnakými vzťahovými značkami.

Tepelný motor zobrazený na obr. 2 obsahuje dvojicu rúrok 1, 3 tvaru U, z ktorých každá je čiastočne naplnená kvapalinou, pričom tieto náplne kvapaliny slúžia ako kvapalinový piest 5, 7. V ramenách 13,15 jednej z rúrok 1 tvaru U sú vytvorené kompresné komory 9, 11 a spaľovacie expanzné komory 17, 19 sú vytvorené v ramenách 21, 23 druhej rúrky 3 tvaru U. Jedna z kompresných komôr 11 je prepojená s jednou zo spaľovacích komôr 17 cez výmenník tepla, ktorým je najmä regenerátor 27, a druhá z kompresných komôr 9 je spojená s druhou spaľovacou expanznou komorou 19 prostredníctvom iného výmenníka tepla, ktorým môže byť tiež regenerátor 25. Kompresné komory 9, 11 sú opatrené vstupnými ventilmi na prívod plynu, napríklad vzduchu alebo iného oxidačného plynu do komôr, ktoré môžu byť napríklad spätnými ventilmi. Každá kompresná komora 9, 11 je opatrená rozstrekovačom 29, 31 kvapa liny, pričom rozstrekovaná kvapalina je odoberaná rovnako ako v predchádzajúcom príklade z kvapalinového piesta 5. Ďalší ventil 61,63 je umiestnený medzi kompresnou komorou 9,11a regenerátorom 25, 27, aby sa zamedzilo návratu spalín zo spaľovacích komôr 19, 17 cez regenerátory 25, 27 do kompresných komôr 9, 11. Medzi ďalším ventilom 61, 63 a regenerátorom 25, 27 je umiestnený výfukový otvor 65, 67, ktorého otváranie a zatváranie je ovládané výfukovým ventilom 69, 71, aby bolo možné odvádzať výfukové plyny po prechode regenerátormi 25, 27 a odovzdanie tepla regenerátorom 25, 27. Vstupný otvor 73, 75 na prívod paliva je upravený na každej spaľovacej komore 17, 19 a umožňuje tak prívod paliva do spaľovacích expanzných komôr 17, 19. Každý výfukový ventil 69, 71 je ovládaný neznázomeným časovým mechanizmom.

Jeden pracovný cyklus prebieha v jednej kompresnej komore 9 a k nej priradenej spaľovacej expanznej komore 19 nasledovne. Ak hladina kvapaliny v kompresnej komore 9 poklesne do bodu, v ktorom klesne aj vnútorný tlak na nižšiu hodnotu ako je na druhej strane spätného vstupného ventilu 57, otvorí sa tento spätný vstupný ventil 57 a oxidačný plyn môže byť nasávaný dovnútra. Ak je zdrojom vzduchu atmosférický vzduch, otvorí sa spätný vstupný ventil 57, ak je tlak vnútri kompresnej komory 9 menší ako atmosférický tlak. Len čo piest v kompresnej komore 9 dosiahne stredný bod svojho zdvihu a klesne podeň, dosiahne piest 7 v spaľovacej komore 19 najnižší bod svojho zdvihu a začne sa vracať v opačnom smere. Výfukový ventil 65 sa potom otvorí a pri pohybe piesta 7 do spaľovacej expanznej komory 19 sú splodiny spaľovania vytláčané regenerátorom 25, ktorému odovzdávajú v priebehu tohto procesu svoje teplo. Spätný ventil 61 zamedzuje vstup spalín do kompresnej komory 9.

Ak piest 7 v spaľovacej expanznej komore 19 dosiahne stredný bod svojho zdvihu a prejde zaň, dosiahne kompresný piest 5 spodný bod svojho zdvihu a obracia svoj pohyb do opačného smeru. Ak kompresný piest 5 dosiahne svoj spodný úvrat a začne sa pohybovať smerom nahor, vstupný ventil sa uzavrie, takže nasiaty oxidačný plyn môže byť stláčaný. Rozstrekovaná kvapalina udržuje plyn tesne nad hodnotou okolitej teploty a tým zaisťuje približne izotermickú kompresiu. V priebehu kompresie je piest 5 medzi svojím spodným úvratom a stredným bodom svojho zdvihu, zatiaľ čo expanzný piest 7 pokračuje vo svojom pohybe do expanznej komory 19 a vytláča horúce spaliny výfukovým otvorom 65 cez regenerátor 25. Ak tlak v kompresnej komore 9 prekročí hodnotou tlaku v spaľovacej expanznej komore 19, spätný ventil 61 spájajúci obidve komory 9, 19 sa otvorí a studený stlačený plyn prechádza regenerátorom a odoberá z neho teplo, takže má na vstupe do spaľovacej expanznej komory 19 vysokú teplotu. Piest 7 v spaľovacej expanznej komore 19 otáča smer svojho pohybu a pohybuje sa smerom von zo spaľovacej expanznej komory 19, zatiaľ čo kompresný piest 5 dosahuje horný úvrat svojho zdvihu v kompresnej komore 9. Tesne predtým, ako kvapalinový piest 5 dosiahne horný úvrat svojho zdvihu v kompresnej komore 9 a krátko predtým ako piest 7 v spaľovacej komore 19 dosiahne stredný bod svojho zdvihu, je do spaľovacej expanznej komory 19 vstrekované palivo, ktoré sa zapáli buď spontánne alebo pomocou zapaľovacieho plamienka, alebo neznázomenej zapaľovacej sviečky. V určitom bode dráhy pokračujúceho pohybu piesta 7 von zo spaľovacej komory 19 sa prívod paliva vypne. Rýchlosť prívodu paliva môže byť regulovaná, aby sa dosiahla približne izotermická expanzia. Kompresný piest 5 sa potom uvedie do pohybu v opačnom smere a pri tomto posuve sa nasáva čerstvý privádzaný plyn do komory 9 a keď sa piest 7 v spaľovacej expanznej komore 19 priblíži k spodnej úvrati svojho zdvihu, otvorí sa výfukový ventil 69 vo výfukovom otvore 65 a celý cyklus sa opakuje.

Aby sa nemusel použiť zotrvačník, môže byť tepelný motor vybavený dvoma sedlovými slučkami, ktoré sú vo svojich činnostiach vzájomne fázovo posunuté o 90°. Pre motor s uzavretým pracovným cyklom jc možné použiť mechanický hnací systém. Kvapalinou tvoriacou kvapalinový piest v potrubiach obsahujúcich spaľovacie komory a kompresné komory môže byť olej, voda alebo aj iná kvapalina. Kvapaliny v oboch rúrkach nemusia byť nevyhnutne rovnaké. Plaváky 22, 24, ktoré sú vytvorené z pevného materiálu plávajúceho na hladine kvapalinového piesta 7 v každej spaľovacej expanznej komore 17, 19 môžu byť upravené na obmedzenie kontaktu spalín s kvapalinou. Toto zariadenie môže byť tiež vybavené niektorými ústrojenstvami na chladenie stien spaľovacej expanznej komory.

Tak motor s uzavretým cyklom, ako aj motor s otvoreným cyklom, opísané v predchádzajúcej časti opisu, produkujú pracovný výkon, ktorý umožňuje pôsobiť značne veľkými vratnými silami s nízkou frekvenciou, napríklad s frekvenciou okolo 1Hz. Ak sú tieto motory využívané na výrobu elektrickej energie, je potrebné tieto motory vybaviť ústrojenstvami, ktoré sú schopné premeniť mechanickú energiu s nízkou rýchlosťou posuvu na vhodnú formu pohonu elektrického generátora. Pre malé výrobné energetické jednotky s generovaným výkonom do asi 1 MW by bolo možné využiť pomaly sa otáčajúci kľukový hriadeľ, spojený prostredníctvom vhodného prevodového ústrojenstva s generátorom elektrickej energie. V alternatívnom vyhotovení je možné využiť hypocyklický prevodový mechanizmus alebo slimákový pohon. V prípade použitia hypocyklického prevodového ústrojenstva je hnací hriadeľ motora spojený s plančtovým kolesom, ktoré má na svojom vonkajšom obvode ozubenie. Planétové koleso sa odvaľuje okolo vnútorného obvodu pevne uloženého kolesa, ktoré má zuby na vnútornej strane svojej obvodovej plochy. Planétové koleso je osadené na ramene, ktoré sa pri odvaľovaní planétového kolesa otáča okolo vnútornej strany pevného ozubeného kolesa. Otáčajúce sa rameno poháňa generátor prostredníctvom prevodového mechanizmu na prevod do rýchla. Tým sa dosiahne rovnaký druh pohybu ako pri použití kľukového hriadeľa, ale s dosiahnutím výhody spočívajúcej v odstránení veľkých bočných tlakov, ktoré sa nutne objavujú pri kľukovom hriadeli. Riešenie podľa vynálezu umožňuje tiež vytvoriť hypocvklické prevodové ústrojenstvo, ktoré je omnoho kompaktnejšie ako konvenčné kľukové hriadele. V alternatívnom vyhotovení by mohol byť motor upravený na čerpanie hydraulickej kvapaliny do turbín napojených na generátor. Táto technika by bola vhodná tak pre veľké, ako pre malé energetické jednotky.

V inom výhodnom príkladnom vyhotovení vynálezu môže byť kvapalinový piest nahradený pevným piestom. I keď je možné použiť pevné piesty v motoroch s uzavretým cyklom, v ktorých pracovný plyn prechádza dozadu a dopredu medzi expanznou komorou a kompresnou komorou, môže pôsobiť ťažkosti zodpovedajúce utesneniu uzavretého objemu tlakového plynu, udržiavaného v systéme pod vysokým tlakom a tvoreného héliom alebo vodíkom. Tesnenie je menej kritickým detailom motorov s otvoreným pracovným cyklom, pri ktorých sa v každom cykle privádza čerstvý vzduch alebo iný oxidačný plyn a v dôsledku toho by mohlo byť použitie pevných piestov menej vhodným riešením pre tento prípad. Jedno z takýchto možných príkladných vyhotovení tepelného motora je zobrazené na obr. 3.

Na obr. 3 je zobrazené ďalšie príkladné vyhotovenie motora 100, ktorý má štyri valce 113, 115, 121, 123. V každom valci je uložený piest 112, 114, 122, 124 spojený s kľukovým hriadeľom 169 ojníc 171. V tomto príkladnom vyhotovení je tepelný motor 100 orientovaný tak, že ojnice 171 sú nad valcami. Vo dvoch valcoch 113, 115 sú vytvorené kompresné komory 109, 111, zatiaľ čo v ostatných dvoch valcoch 121, 123 sú vytvorené expanzné komory 117, 119. Každá z expanzných komôr má vstupný otvor

156, 158 na prívod plynu, ovládaný vstupnými ventilmi

157, 159, a výfukový otvor 173, 175 na odvádzanie stlačeného plynu. Prívodné potrubie 177, 179 na prívod plynu spája kompresnú komoru 109, 111 s príslušnou expanznou komorou 119, 117 cez vstupné otvory 181, 183, z ktorých každý je ovládaný vstupným ventilom 185, 187 na ovládanie vstupu plynu do expanznej komory 119, 117. Každá expanzná komora 117,119 má výfukový otvor 167, 165 na výfukové plyny, ktorých odvádzanie je ovládané výfukovými ventilmi 193, 191. Všetky vstupné a výstupné otvory sú situované do blízkosti spodného konca expanzných a kompresných komôr.

Do každej kompresnej komory 109, 111 vyúsťujú vstrekovacie ventily 129, 131 na vstrekovanie kvapalinovej sprchy do každej kompresnej komory 109, 111 v priebehu kompresie. Vnútri každej kompresnej komory 109, 111 je tiež umiestnený separátor 137, 139, ktorý má odstraňovať kvapalinu zo stláčaného plynu ešte predtým, ako plyn opustí kompresnú komoru 109, 111. Separátor 137, 139 je umiestnený vždy nad výfukovým otvorom 173, 175 na vyfukovanie stlačeného plynu. V tomto príkladnom vyhotovení tepelného motora 100 môžu byť využité rôzne separátory, základnou požiadavkou však je, aby tento separátor bol čo najmenší a najkompaktnejší, a aby v ňom nedochádzalo k veľkým poklesom tlaku v plyne vstupujúcom do komory alebo v stlačenom plyne opúšťajúcom komoru. Aby separátor nespôsoboval pokles tlaku v prúde nasávaného a vstupujúceho plynu, môže byť vstupný otvor na prívod plynu umiestnený na strane separátora, privrátenej k piestu. Aby sa dosiahli malé tlakové straty, môže mať separátor skupinu malých vírivých lopatiek upevnených na krátkom úseku rúrky a uložených v krátkom diele rúrky, majúcom spoločnú os. Takto vyvolané vírenie plynu spôsobuje odhadzovanie vstupujúcich kvapôčok kvapaliny smerom von a ich zhromažďovanie na stene rúrky. Separátory s lopatkami vyvolávajúcimi vírenie sú často používané v generátoroch alebo vyvíjačoch pary a prihrievačoch pary tlakových vodných reaktorov.

Každý separátor 137,139 je spojený potrubím 201, 203 s vonkajším chladičom 197, 199. Prúd kvapaliny privádzaný zo separátora do chladiča je riadený pomocou ventilov 205, 207, ktoré môžu byť tvorené spätnými ventilmi. Ochladená kvapalina sa vracia z kompresnej komory potrubím 209, 211, ukončeným vstrekovacími ventilmi 131, ktoré môžu byť spätnými ventilmi. Prúd kvapaliny týmto okruhom môže byť poháňaný cyklickými zmenami tlaku v kompresnej komore, ktorými je kvapalina pretláčaná spätnými ventilmi v požadovanom smere. Nad hladinou kvapaliny v chladiči je treba udržiavať priestor na plyn, aby sa umožnil priebeh opísaného procesu. To je možné zabezpečiť vybavením chladiča kontrolným ústrojenstvom na sledovanie hladiny kvapaliny, napríklad guľovým ventilom, osadeným vo vonkajšom chladiči. Do vonkajšieho chladiča môže byť vyústený samostatný prívod kvapaliny, aby bolo možné nahrádzať úbytky kvapaliny, ktorá sa stráca v prúde plynu privádzaného do spaľovacej komory. Nahradzovanie kvapaliny môže byť riadené pomocou snímača sledujúceho výšku hladiny, pokiaľ je tento snímač použitý.

Separátor a chladiaci obvod, opísaný v predchádzajúcej časti opisu, zabezpečuje oddeľovanie kvapôčok kvapaliny od plynu, recirkuláciu a čerpanie ochladenej kvapaliny vo forme sprchy jemných kvapôčok do kompresnej komory bez použitia vonkajšieho čerpadla. Podobné usporiadanie môže byť využité v tepelných motoroch s kvapalinovými piestmi. Pre niektoré aplikácie môže byť vhodné, ak sa proti prúdu vstrekovanej kvapaliny nebudú používať spätné ventily, ale ak je vstrekovanie riadené napríklad pomocou vačky, ktorá je schopná lepšie ovládať načasovanie rozstrekovania kvapaliny. Načasovanie je optimalizované najmä vzhľadom na rozdiel tlakov medzi chladičom a kompresnou komorou a celkový čas trvania pohybu kvapôčok vnútri komory. V alternatívnom príkladnom vyhotovení môžu byť použité vnútorné alebo vonkajšie čerpadlá na pohon prúdu kvapaliny rozstrekovacími injektormi. V tomto prípade sú čerpadlá najmä mechanicky spriahnuté s piestnicami, takže samostatné zdroje energie už nie sú potrebné. Rozstrekovacie čerpadlá sa ukazujú byť vhodnejšími na využitie v spojení s motormi alebo tepelnými čerpadlami, v ktorých je použitý kvapalinový piest, pretože tieto zariadenia majú nižšiu pracovnú rýchlosť. V týchto prípadoch môže byť čas dopravy kvapôčok kratší v porovnaní s časom potrebným na dokončenie jedného cyklu motora.

Každá expanzná komora 119, 117 obsahuje regeneračný výmenník 125, 127 tepla, ktorý je usporiadaný tak, že plyn prechádza týmto výmenníkom 125, 127 tepla pred vstupom do expanznej komory vstupným otvorom alebo pred výstupom plyn z expanznej komory výstupným otvorom. Každá expanzná komora má palivový vstrekovací ventil 174, 176, ovládaný vhodným časovacím ústrojenstvom a zapaľovaciu sviečku 178 na zapaľovanie zmesi paliva a plynu, ktorá môže byť využívaná na štartovanie motora alebo tak na naštartovanie motora ako i na udržiavanie jeho chodu.

Regeneračný výmenník tepla môže pozostávať z veľkého počtu paralelných kanálikov s malým priemerom a krátkou dĺžkou a pripomínajú svojím tvarom voštinovú konštrukciu. Výmenník tepla je uložený vnútri spaľovacej komory, aby sa zjednodušil konštrukčný návrh a obmedzil nevyužitý objem plynu na minimum, ale na niektoré príkladné vyhotovenia je výhodnejšie použitie samostatného regenerátora.

Komory sú usporiadané do dvojíc a každá z týchto dvojíc komôr obsahuje jednu kompresnú komoru, ktorou sa privádza studený stlačený plyn do jednej expanznej komory. Pracovné cykly dvojíc komôr sú proti sebe predradené o 180°. V tomto príkladnom vyhotovení sa toto vzájomné predradenie dosahuje vhodným konštrukčným návrhom kľukového hriadeľa 169. V každej dvojici predbieha expanzný proces v expanznej komore kompresný proces v kompresnej komore o vopred stanovený fázový posuv, ktorý je v tomto príkladnom vyhotovení najmä 90°. Fázový· uhol je taktiež v tomto prípade pevne nastavený konštrukčným vytvorením kľukového hriadeľa 169. Pri tomto konštrukčnom vyhotovení dochádza ku kompresii vo chvíli, kedy sa do kompresnej komory dostala väčšina plynu a k expanzii dochádza po premiestnení prevažnej časti objemu plynu do expanznej komory. Tiež v tomto prípade poháňa expanzný proces, prebiehajúci v expanznej komore jednej dvojice komôr, priamo kompresný proces, prebiehajúci v kompresnej komore druhej dvojice komôr.

Pracovný cyklus jednej dvojice komôr prebieha nasledovne, začínajúc od prívodu plynu do kompresnej komory 109: Len čo dosiahne kompresný piest 112 spodný úvrat svojho zdvihu v kompresnej komore 109, to znamená najvzdialenejší bod od kľukového hriadeľa 169, otvorí sa vstupný otvor 157 na vstup plynu a plyn sa nasáva do kompresnej komory 109 v dôsledku vysúvania piesta 112 z tejto kompresnej komory 109. Súčasne sa uzavrie v expanznej komore 119 vstupný otvor 181 na stlačený plyn a do expanznej komory 119 sa začne vstrekovať palivo v okamihu, kedy expanzný piest 122 dosiahne svoj stredový zdvih a pohybuje sa von z expanznej komory 119. Zmes paliva a vzduchu v expanznej komore 119 sa zapáli a splodiny horenia expandujú a tým poháňajú expanzný piest 122 k hornému bodu jeho zdvihu, to znamená do miesta, ktoré sa nachádza najbližšie ku kľukovému hriadeľu 169.

Expanzný piest 122 potom obráti smer svojho pohybu a výfukový ventil 193 sa otvorí, výfukové plyny môžu prechádzať výmenníkom 125 tepla a sú vypúšťané výfukovým otvorom 189. Plyn pokračuje vo svojom nasávaní do kompresnej komory 109, pokiaľ kompresný piest 112 nedosiahne horný bod svojho zdvihu, kedy sa vstupný ventil 157 na vstup plynu uzavrie. Kompresný piest 112 obráti smer svojho pohybu a začína sa pohybovať dovnútra kompresnej komory 109, do ktorej sa od určitého okamihu začne rozstrekovať chladná kvapalina, ktorá ochladzuje plyn v priebehu jeho stláčania.

Len čo dosiahne kompresný piest 112 stredný bod svojho zdvihu, dostane sa expanzný piest 122 do spodného úvratu svojho zdvihu v expanznej komore 119 a prechádza do opačného smeru pohybu. V tomto okamihu sa výfukový ventil 191 uzavrie a vstupný ventil 185 na stlačený plyn sa otvorí a umožní sa prívod chladného stlačeného plynu z kompresnej komory 109 do expanznej komory 119. Stlačený plyn prechádza výmenníkom 125 tepla, v ktorom je predhriaty teplom získaným z výfukových plynov.

Keď dosiahne kompresný piest 112 v kompresnej komore 109 spodný úvrat svojho zdvihu, uzavrie sa vstupný otvor 181 na prívod stlačeného plynu do expanznej komory 119 a do tejto expanznej komory 119 sa začne vstrekovať palivo, ktoré sa zmiešava s predhriatym stlačeným plynom a zapáli sa. Splodiny horenia expandujú a tlačia expanzný piest 122 nahor k hornému úvratu jeho zdvihu a celý cyklus sa opakuje. Kvapalina odstraňovaná zo stlačeného plynu pred jeho výstupom z kompresnej komory 109 je vytláčaná z kompresnej komory 109 ventilom 205. Kvapalina je pred svojím vrátením a vstrekovaním do kompresnej komory 109 ochladzovaná vo vonkajšom chladiči 197.

V ďalšej dvojici komôr lll, 117 prebieha podobný cyklus, ale ako bolo uvedené v predchádzajúcej časti, pracovné cykly v oboch dvojiciach komôr sú proti sebe fázovo posunuté o 180°. Takýto motor by mohol bežať uspokojivo, ak by jeho pohyb bol v priebehu jedného pracovného cyklu podporovaný veľkým zotrvačníkom. Motor však môže obsahovať dve súpravy štyroch valcov, spojených s jediným kľukovým hriadeľom, kde je činnosť každej skupiny štyroch valcov posunutá oproti činnosti ďalšej skupiny o fázový uhol 90°. Tým je umožnený pozitívny pohon motora vo všetkých fázach pracovného cyklu, čo má ten dôsledok, že na zabezpečenie plynulého chodu motora nie je nutné použiť zotrvačník.

Okrem toho je možné navrhnúť taký motor, ktorý obsahuje jednu kompresnú komoru a jednu expanznú komoru, ak sú k dispozícii prostriedky na zabezpečenie chodu motora v priebehu celého jedného pracovného cyklu medzi expanzným zdvihom a kompresným zdvihom.

Usporiadanie motora s pevným piestom môže byť také, aké je zobrazené na obr. 3, to znamená s kľukovým hriadeľom 169 nad valcami. To má výhodu spočívajúcu v tom, že oddeľovanie a odstraňovanie kvapôčok kvapaliny z valca je podporované zemskou gravitáciou. Na druhej strane je nevýhodou tohto zariadenia obťažnejšie mazanie kľukového hriadeľa 169 a okrem toho sa tu môžu vyskytnúť ďalšie nevýhody tohto usporiadania. V alternatívnom vyhotovení

SK 283826 Β6 vynálezu spočíva podstata nového usporiadania v umiestnení kľukového hriadeľa pod valcami a v úprave konštrukčného vyhotovenia piesta v tom zmysle, aby piest vytláčal spotrebovanú postrekovú kvapalinu von cez ventil vedúci k expanznému piestu. Ústrojenstvo na oddeľovanie kvapaliny by potom mohlo byť usporiadané v potrubí vedúcom do expanznej komory. Alternatívna metóda oddeľovania kvapaliny na usporiadanie motora s kľukovým hriadeľom umiesteným pod valcami je upravená na piest, ktorý vytláča kvapalinu cez vnútorný prepad na hornom konci valca. Kvapalina môže byť v takomto prípade odvádzaná vlastnou váhou a týmto usporiadaním sa tiež odstraňuje potreba použiť rozmerné potrubia a vonkajší separátor.

Výhoda použitia pevných piestov namiesto kvapalinových piestov je v tom, že by bolo možné udržiavať motor v chode pri vyšších rýchlostiach. Tým sa dosahuje vyšší výkon danej jednotky veľkosti, takže tento motor by mohol byť vhodný na využitie nielen v stabilných staniciach na výrobu energie, ale tiež na mobilné aplikácie, napr. na lodiach alebo motorových vozidlách. Tesnenie piestov nebude v tomto prípade také dobré ako keby boli použité kvapalinové piesty, ale tesnenie nie je v motoroch s otvoreným pracovným cyklom také dôležité ako v motoroch pracujúcich v uzavretom cykle. Je možné tiež navrhnúť motor, majúci v kompresných komorách tak kvapalinové, ako i pevné piesty, napr. v kompresných komorách môžu byť kvapalinové piesty a v spaľovacích komorách pevné piesty.

Obr. 4 obsahuje ďalšie príkladné vyhotovenie tepelného motora, ktorý je podobný príkladu z obr. 3, ale má niekoľko modifikácií a úprav, ktoré majú zlepšiť celkovú činnosť motora, vrátané zvýšenia účinnosti a podstatne väčšieho výkonu prejavujúceho sa pri vyššej pracovnej rýchlosti.

Tepelný motor, zobrazený na obr. 4, obsahuje dvojicu kompresných valcov 113, 115, z ktorých každý má rozstrekovacie ústrojenstvo na rozstrekovanie kvapaliny a recirkulačné ústrojenstvo, dvojicu expanzných alebo spaľovacích valcov 121,123, pričom na tieto časti motora sa vzťahuje podrobnejší opis uvedený v predošlej časti pri objasňovaní príkladu na obr. 3, súčasti obsiahnuté v príklade na obr. 4, ktoré sú analogické so súčasťami v príklade podľa obr. 3, sú označené rovnakými vzťahovými značkami. V ďalšej časti sú opísané tie modifikácie tepelného motora, zásluhou ktorých sa dosahuje lepšia činnosť príkladného usporiadania tepelného motora podľa obr. 4.

V tomto príkladnom vyhotovení boli separátory 137, 139 vlhkosti vybraté z vnútorného priestoru kompresných komôr 109, 111 a umiestnené na vonkajšej strane týchto kompresných komôr 109, 111 a boli zaradené do prívodných potrubí 177, 179 na prívod stlačeného vzduchu medzi výfukový otvor 173, 175 kompresných komôr a vstupné otvory 165, 167 na horúci stlačený vzduch expanzných komôr 119, 117. Umiestnením separátorov 137, 139 vlhkosti mimo kompresných komôr sa odstraňuje mŕtvy priestor vnútri komôr, ktorý by sa tu inak vyskytoval v priebehu kompresného intervalu a spôsoboval by nižší kompresný pomer. Tento motor je doplnený výstupnými ventilmi 204, 206 na stlačený plyn, ktoré majú oddeliť kompresné komory 109,111 od objemu kanálikov uzavretých vo vonkajších potrubiach, vedúcich od výfukových otvorov 173, 175 kompresných komôr 109, 111 k vstupným otvorom kompresných komôr a ktoré majú regulovať výsledný tlak stlačeného plynu v každej z kompresných komôr ešte pred odvedením plynu do príslušnej expanznej komory a tiež na reguláciu času prietoku stlačeného plynu do expanzných komôr. Ako pridaním výstupných ventilov 204, 206, taktiež premiestnením separátorov 137, 139 vlhkosti z vnútorného priestoru kompresných komôr je umožnené dosiahnuť podstatne vyššie kompresné pomery.

Rekuperačné výmenníky 125, 127 tepla, ktoré sú v príkladnom vyhotovení podľa obr. 3 umiestnené vnútri kompresných komôr, boli nahradené vonkajšími rekuperačnými výmenníkmi 244, 246 tepla, umiestnenými v príklade na obr. 4 na vonkajšej strane expanzných komôr. Tým sa opäť výrazne redukuje mŕtvy objem vnútri expanzných komôr, takže energia expanzie horúceho stlačeného vzduchu, privádzaného do expanzných komôr, nie je znehodnocovaná primárnou expanziou do mŕtveho objemu výfukových plynov z predchádzajúceho pracovného cyklu, zachyteného vnútri rekuperačných výmenníkov tepla, a tým sa znižuje teplota plynu. Pri tomto usporiadaní je možné dosiahnuť vnútri expanznej komory podstatne vyššie teploty.

Rekuperačné výmenníky 244, 246 tepla sú vždy spojené s príslušným prívodným potrubím 177, 179 na prívod stlačeného plynu medzi zodpovedajúci separátor 137, 139 vlhkosti a vstupný otvor 181, 183 na prívod horúceho stlačeného plynu do príslušných expanzných komôr a sú určené na predhrievanie chladného stlačeného plynu z kompresných komôr výfukovým plynom, opúšťajúcim expanzné komory výfukovými otvormi 165, 167. Zvýšený kompresný pomer, ktorý je možné dosiahnuť motorom podľa obr. 4 znamená, že pomer absolútnej teploty pred expanziou a po nej je tiež zvýšený. Teplota po expanzii sa zdá byť podobná hodnotám dosahovaným v oboch príkladných vyhotoveniach tepelných motorov podľa obr. 3 a 4, pretože je určená materiálom výmenníka tepla. Pretože je špičková teplota motora zobrazeného na obr. 4 vyššia, bude tiež priemerná teplota tepla pridávaného v priebehu expanzie vyššia. Toto zlepšenie umožňuje dosiahnuť vyššie rozdiely tlakov a vyššie dosiahnuteľné teploty v priebehu jedného cyklu, pričom teplo sa odvádza pri najnižšej teplote z celého cyklu a dodáva sa pri najvyššej teplote, čo vedie k zvýšeniu výkonu motora.

Na obr. 4 je zobrazená ďalšia modifikácia príkladného vyhotovenia motora podľa vynálezu, v ktorom prebieha rekuperácia odpadového alebo prebytočného tepla v rôznych častiach pracovného cyklu a premena tohto tepla na využiteľnú energiu, aby sa zvýšila účinnosť motora. Každý zo spaľovacích valcov 123, 121 je v tomto vyhotovení obklopený chladiacim plášťom 212, 214 na získavanie tepla odvádzaného obvodovými stenami spaľovacích valcov 121, 123. Do prívodného potrubia 177, 179 na prívod stlačeného plynu je medzi separátor 137, 139 vlhkosti a rekuperačný výmenník 244, 246 tepla zapojené obtokové potrubie 208, 210 na prívod chladného stlačeného vzduchu z kompresných komôr 109, 111 do chladiaceho plášťa 212, 214. Obtokové potrubie 208, 210 je pripojené k chladiacemu plášťu 212, 214 v blízkosti jeho spodného konca, kde je teplota stien spaľovacích komôr najnižšia. Motor má dvojicu expanzných valcov 220, 222, v ktorých sú uložené príslušné piesty 224, 226, spojené taktiež ojnicami 171 s kľukovým hriadeľom 169. Každá z expanzných komôr má vstup plynu ovládaný vstupným ventilom 232, 234, a výstupným otvorom 236, 238 na odvádzanie plynu, regulovaný výstupným ventilom 240, 242. Vstupný otvor 216, 218 je spojený s bodom v blízkosti horného konca chladiaceho plášťa 212, 214, ktorého najvyššia časť obklopuje výstupný otvor a prebieha až ku hornej strane rekuperačného výmenníka 244, 246 tepla, kde sa predpokladá, že teplota je najvyššia.

Pri tomto usporiadaní je teplo unikajúce do stien spaľovacej komory v jej hornej časti zachytávané a premieňané na využiteľnú energiu usmernením časti chladného stlačeného plynu z kompresných komôr do stien spaľovacích komôr. Stlačený vzduch je podstatne účinnejší ako chladia ca látka, ako vzduch pri atmosférickom tlaku. Chladný stlačený vzduch vstupuje do chladiaceho plášťa v blízkosti jeho spodného konca, aby sa najprv ochladili steny spaľovacej komory na teplotu nižšiu ako je teplota určená druhom použitého mazacieho oleja. Stlačený plyn je hnaný nahor vnútri chladiaceho plášťa smerom k hornému koncu spaľovacej komory a pritom do seba absorbuje teplo a tým postupne zvyšuje svoju teplotu. Stlačený vzduch, ktorý v priebehu tohto chladiaceho procesu pohltil určité množstvo tepla, je potom využívaný na chladenie teplejších častí celého systému, napríklad hlavy valca a ventilov. Nakoniec sa horúci stlačený vzduch prerušovane odvádza z chladiaceho systému otvorením vstupného ventilu do expanznej komory, v ktorej tento stlačený plyn expanduje a pritom vytláča príslušný piest z komory, takže sa získava prídavná mechanická práca.

Pretože v praxi je tepelná kapacita výfukových plynov vyfukovaných zo spaľovacích komôr všeobecne väčšia ako tepelná kapacita stlačeného plynu z kompresných komôr, bude vo výfukových plynoch obsiahnuté väčšie množstvo tepla ako je potrebné množstvo na predhriatie chladného stlačeného plynu v rekuperačných výmenníkoch tepla. Prebytok tepla môže byť využívaný na stláčanie väčšieho množstva plynu ako je potrebné na správny priebeh spaľovacieho procesu a na usmerňovanie tohto plynu do rekuperačných výmenníkov tepla, v ktorých je plyn predhrievaný prebytočným teplom, získavaným z výfukových plynov, následne sa tento predhriaty stlačený plyn usmerňuje do najmenej jednej expanznej komory.

Výhodou tejto konštrukčnej obmeny je zníženie výstupnej teploty výfukových plynov a zvýšenie využitia energie obsiahnutej v palive.

V ktoromkoľvek z ďalších príkladných vyhotovení motora je možné využiť najmenej jednu expanznú komoru na spätné získavanie odpadového alebo prebytočného tepla z rôznych častí motora.

Príkladné vyhotovenie tepelného motora zobrazené na obr. 4 je v podstate súmerné podľa zvislej strednej osi A, pričom pravá polovina tepelného motora podľa tohto príkladného vyhotovenia je zrkadlovým obrazom jeho ľavej poloviny. V tomto príkladnom vyhotovení sú tri piesty naľavo od strednej osi A fázovo posunuté o 180° proti trom piestom motora umiestneným vpravo od strednej osi A, pretože sa predpokladá, že toto usporiadanie bude pôsobiť čo najmenším krútiacim momentom na kľukový hriadeľ 169. V tomto príkladnom vyhotovení sú teda piesty, uložené v spaľovacích komorách v každej polovine motora, usporiadané pomocou kľukového hriadeľa 169 tak, že vedú zodpovedajúce piesty v kompresných komorách vo fázovom posune okolo 90°. Tým sa vyvodzuje na kľukový hriadeľ značný krútiaci moment v čase, kedy je tento moment najviac potrebný na dosiahnutie vysokého tlaku v kompresnej komore. Konštrukčné riešenie podľa tohto príkladného vyhotovenia má tiež tú možnú výhodu, že stlačený vzduch je nasávaný do spaľovacej komory z prívodného potrubia a výmenník tepla, ktorý je umiestnený pred prívodom plynu, je doplňovaný plynom po otvorení výstupných ventilov v kompresnej komore.

V ďalšej časti opisu bude opísaný celý pracovný cyklus tepelného motora podľa obr. 4, ktorý má na ľavej strane od strednej osi A len tri valce, pričom činnosť druhej poloviny motora podľa príkladu z obr. 4 je fázovo posunutá o 180° proti pravej strane motora. V tomto príkladnom vyhotovení je použitý ako oxidačný plyn na spaľovanie vzduch, i keď je možné použiť aj iné druhy plynov.

Ak dosiahne piest 112 v kompresnej komore 109 svoju hornú koncovú polohu v priebehu svojho zdvihu a začne sa pohybovať v opačnom smere, uzavrie sa výstupný ventil 204 a otvorí sa vstupný ventil 157, ktorý uvoľní možnosť nasávať atmosférický vzduch vstupnými otvormi 145 na prívod vzduchu. V okamihu, keď dosiahne kompresný piest 112 horný bod dráhy svojho zdvihu, nachádza sa piest 122 v spaľovacej komore a piest 224 v expanznej komore v stredných polohách svojich zdvihových dráh a pohybujú sa smerom dolu. Spaľovacia komora obsahuje v tomto okamihu stlačené horúce spaliny, ktoré expandujú a vytláčajú piest von z komory. Podobne obsahuje expanzná komora 228 horúci stlačený vzduch, ktorý tiež expanduje a vytláča expanzný piest 224 von z komory. Výstupné ventily tak pri spaľovacej komore, ako tiež pri expanznej komore sú uzavreté, pričom tiež vstupné otvory môžu byť uzavreté.

Ak dosiahne kompresný piest 112 stredný bod dráhy svojho pohybu, prídu piesty v spaľovacej a expanznej komore 228 do spodného úvratu svojho zdvihu a začnú sa pohybovať v opačnom smere. V tomto okamihu sa otvorí tak výfukový ventil 191 v spaľovacej komore, ako aj výstupný ventil 240 v expanznej komore. Pri pohybe piestov do príslušných komôr sú spaliny vytláčané zo spaľovacej komory výfukovým otvorom 165 a prechádzajú rekuperačným výmenníkom 244 tepla von do okolitej atmosféry. Podobne je expandovaný plyn vytláčaný z expanznej komory výstupným otvorom 236 na výstup plynu.

Ak je to požadované, je možno dosiahnuť redukciu oxidov dusíka vo výfukových plynoch vstrekovaním čpavku v mieste proti prúdu plynu pred výmenníkom tepla alebo priamo do neho, prípadne umiestnením katalytického povrchu dovnútra vlastného výmenníka tepla.

Ak dosiahnu piesty 112, 224 v spaľovacej a expanznej komore 119, 228 stredný bod svojho zdvihu, dosiahne kompresný piest 112 spodný úvrat svojho zdvihu a obráti smer svojho pohybu. V tomto okamihu sa vstupný ventil 157 na ovládanie prívodu vzduchu uzavrie a do kompresnej komory 109 sa vstrekuje chladná kvapalina vstrekovacou dýzou na vstrekovanie kvapaliny, takže vzduch v kompresnej komore 109 je stláčaný približne izotermicky.

Ak piesty 122, 224 dosiahnu horný úvrat svojho zdvihu, príslušný výfukový ventil 191 a výstupný ventil 240 sa uzavrú a k nim príslušné vstupné ventily 185, 232 na prívod vzduchu sa otvoria a umožnia privádzanie predhriateho stlačeného vzduchu do komôr prostredníctvom vstupných otvorov 181, 216. Vo vopred určenom okamihu sa vstupný ventil, zabezpečujúci prívod predhriateho stlačeného vzduchu do spaľovacej komory uzavrie a do expanznej komory 119 sa začne vstrekovať vstrekovacím ventilom 174 palivo. Na zapálenie paliva je možno použiť zapaľovači zdroj 178, napr. zapaľovacie sviečky 178, pripadne môže k zapáleniu dôjsť spontánne pri zmiešaní paliva s predhriatym stlačeným vzduchom. Piest 122 je potom vytláčaný zo spaľovacej komory 119 tlakom horúcich spalín, ktoré sa ochladia do istej miery v dôsledku vykonanej práce, prenesenej na piest 122.

Vstupný ventil 232 na ovládanie prívodu plynu do expanznej komory 228 sa vo vopred určenom bode tiež uzavrie a vzduch expanduje adiabaticky a poháňa pritom piest 224 smerom dole a von z expanznej komory 228.

Ak sa priblíži piest 112 v kompresnej komore 109 k hornému úvratu svojho zdvihu, otvorí sa výstupný ventil 204 na ovládanie výstupu stlačeného plynu a zmes vzduchu a rozstrekovaná kvapalina je vytlačená z kompresnej komory 109 do separátora 137 vlhkosti, v ktorom sa oddelí kvapalina od vzduchu. Separátor 137 vlhkosti je dimenzovaný nielen na oddeľovanie vzduchu od kvapaliny, ale tiež má slúžiť ako zásobník kvapaliny a akumulátor tlaku na stlačený vzduch.

Zo separátora 137 vlhkosti odteká kvapalina do vonkajšieho chladiča 197, v ktorom je teplo absorbované v priebehu stláčacieho procesu uvoľňované do okolitej atmosféry alebo do iného tepelného zberača. Kvapalina prúdi z vonkajšieho chladiča 197 späť k vstrekovaciemu ventilu 129 na vstrekovanie kvapaliny, ktorý ovláda vstrekovanie kvapaliny v priebehu stláčacej operácie. Pretože vstrekovanie kvapaliny prebieha normálne v čase, kedy je tlak v kompresnej komore nižší ako je jeho maximálna hodnota, malo by byť možné dosiahnuť dostatočné vstrekovanie v priebehu tohto časového intervalu. Potom sa tlak zvýši na hodnotu vstrekovacieho tlaku a prúd vstrekovanej kvapaliny sa preruší, pričom pri tomto prerušení by už malo byť v kompresnej komore dostatočné množstvo kvapôčok kvapaliny. V dôsledku toho môže piest 112 kompresnej komory 109 tvoriť ústrojenstvo na čerpanie kvapaliny okolo chladiaceho obvodu a jej vedenie vstrekovacími dýzami na vstrekovanie kvapaliny.

Chladný stlačený vzduch prúdi zo separátora 137 vlhkosti do prvého rekuperačného výmenníka 244 tepla, v ktorom je predhrievaný výfukovými plynmi z expanznej komory 119.

Ak je piest 112 v kompresnej komore 109 v hornom úvrate svojho zdvihu uzavrie sa výstupný ventil 204 na ovládanie výstupu stlačeného plynu a vzduchový vstupný ventil 157 sa otvorí a celý cyklus sa opakuje.

Fázová poloha piestov v rôznych komorách nie je príliš rozhodujúca, ak má motor dostatočne veľký zotrvačník na udržiavanie svojho pohybu. Ale všeobecne sa pokladá za výhodnejšie vyrovnanie krútiaceho momentu na kľukovom hriadeli, aby sa prevádzkové napätia obmedzili na minimálne hodnoty, udržal sa pravidelný rovnomerný chod a obmedzili sa vibrácie. Fázovanie piestov tiež ovplyvní „odplyňovanie“, to znamená prúd vzduchu z kompresnej komory do spaľovacej komory a zmeny tlaku v separátore vlhkosti a vo výmenníku tepla. Aj keď fázový uhol medzi piestmi v spaľovacích komorách a piestmi v kompresných komorách je v príkladnom vyhotovení podľa obr. 4 okolo 90“, môžu byť v iných príkladných vyhotoveniach fázové uhly iné, ale voľba fázových uhlov je záležitosť na dlhodobú optimalizáciu z hľadiska praktických skúseností a meraní.

Aj keď má príkladné vyhotovenie podľa obr. 4 dva odlučovače vlhkosti a dva výmenníky tepla, môže mať tepelný motor menší počet odlučovačov vlhkosti a/alebo tepelných výmenníkov, takže môže mať len jeden odlučovač vlhkosti a/alebo výmenník tepla, ktoré sú umiestnené medzi dva alebo viac valcov. To sa môže prejaviť v znížení veľkosti týchto častí, v rovnomernejšom prúdení vzduchu a pravdepodobnom znížení nákladov.

Ďalšie príkladné vyhotovenie tepelného motora s otvoreným prevádzkovým cyklom môže mať cyklus doplnený turbodúchadlom, ako je to často pri benzínových a zápalných motorov. Turbodúchadlo môže pozostávať z rotačného kompresora a rotačného expandéra, uloženého na rovnakom hriadeli ako kompresor. Kompresor zvyšuje tlak atmosférického vzduchu pred prívodom do izotermickej kompresnej komory. Kompresor je poháňaný najmä expandérom, ktorý je umiestnený medzi výfukovým otvorom spaľovacej komory a vstupným otvorom na vstup spalín do výmenníka tepla. Celkovým prínosom turbodúchadla má byť zvýšenie priemerného tlaku plynu tak v kompresných komorách, ako aj v spaľovacích komorách, takže motor určitej veľkosti potom dodáva vyšší výkon. Použitie turbodúchadla môže viesť k miernemu zníženiu účinnosti motora kvôli pomerne nižšej účinnosti rotačného kompresora a expandéra a pretože turbokompresor stláča plyn skôr adiaba ticky ako izotermicky. Ale použitie turbodúchadla môže byť napriek tomu výhodné, pretože znížená účinnosť môže byť nahradená veľkým zvýšením výstupného výkonu motora rovnakej veľkosti.

Aj keď príkladné vyhotovenie motora, znázornené na obr. 4, zobrazuje kľukový hriadeľ poháňajúci generátor 247, môže byť motor v alternatívnom vyhotovení použitý na pohon podvozkových kôl cestných alebo koľajových vozidiel alebo lodných skrutiek lodi.

V alternatívnom príkladnom vyhotovení môžu byť piesty spriahnuté dohromady a poháňané rotačným mechanickým systémom, iným ako je kľukový hriadeľ, napríklad hypocyklickou prevodovkou.

V ešte inom výhodnom vyhotovení môže byť výhodné usporiadať motor tak, že kompresný proces prebieha v kompresných komorách nižšou rýchlosťou ako spaľovanie v spaľovacích komorách. Inými slovami, motor môže byť usporiadaný tak, že za jednotku času prebehne viac spaľovacích cyklov ako kompresných cyklov. To je možné dosiahnuť použitím vhodného prevodu medzi kľukovým hriadeľom kompresnej komory a kľukovým hriadeľom spaľovacej komory. Ak motor obsahuje tiež vzduchovú expanznú komoru na spätné získavanie nadbytočného alebo odpadového tepla v rôznych častiach pracovného cyklu, je možné tiež vyhotoviť motor tak, že cyklus s expanziou vzduchu je rýchlejší ako izotermický kompresný cyklus. Výhodu takého vyhotovenia možno vidieť v tom, že kompresný proces môže byť vždy udržiavaný na malých rýchlostiach, aby bol dostatok času na prenos tepla medzi plynom a kvapôčkami kvapaliny tak, aby kompresný proces mohol byť vždy v podstate izotermický a aby tak boli tepelné straty v jednom cykle zo spaľovacej komory čo najviac znížené a tým sa zvýšila účinnosť a súčasne výkon motora.

V alternatívnom príkladnom vyhotovení môže byť tepelný motor na premenu tepelnej a mechanickej energie podľa vynálezu upravený na chladenie konvenčných benzínových, zápalných alebo plynových motorov, aby sa spätne získavalo teplo, ktoré by sa potom mohlo premeniť na užitočnú energiu. Vo svojej základnej forme obsahuje toto riešenie kompresnú komoru a v nej uložený piest na izotermické stláčanie plynu, pri ktorom v priebehu kompresie prebieha vstrekovanie kvapalinovej sprchy, pričom ďalšou súčasťou tohto riešenia je expanzná komora, v nej uložený piest, spojený buď s výstupným pohonným ústrojenstvom motora, alebo s niektorým ďalším pohonom, ktorému by mohlo prospieť dodávanie prídavnej energie a výmenník tepla na predhrievanie chladného stlačeného plynu, prichádzajúceho z izotermickej kompresnej komory, teplom vznikajúcim v motore, ktoré by inak bolo odpadovým teplom; súčasťou tohto riešenia je aj ústrojenstvo na prívod predhriateho stlačeného plynu do expanznej komory. Výmenník tepla môže byť jednoducho tvorený kanálikom vytvoreným v stenách spaľovacej komory, aby sa umožnila cirkulácia stlačeného vzduchu pred jeho privedením do expanznej komory. Izotermické kompresné a expanzné komory môžu mať podobné telesné vytvorenie ako v príklade na obr. 4, pričom hlavný rozdiel oproti príkladu z obr. 4 spočíva v tom, že všetok izotermicky stlačený vzduch je využívaný na rekuperáciu tepla a nielen jeho časť, ako to bolo v predchádzajúcom príklade.

Každý z motorov, opísaných v predchádzajúcej časti, môže byť podľa potreby ľahko upravený na použitie v kombinovaných systémoch na výrobu tepla a elektrickej energie. Použitie nekondenzujúceho plynu ako pracovného plynu poskytuje omnoho širší rozsah pri voľbe prevádzkových teplôt ako pri pracovných cykloch s kondenzujúcou parou. Systém je jednoducho nastavený na vracanie tepla pri vyššej teplote ako by mohla byť pri výrobe iba elektrickej energie.

Inou možnosťou, ktorá by mohla byť využitá na výrobu maximálneho množstva tepla pri nízkej teplote nosnej látky, využiteľného na sušenie, vykurovanie vnútorných priestorov alebo na ohrev vody, je upravenie tepelného motora na pohon tepelného čerpadla. Teplo odvádzané z motora môže byť zdrojom tepla pre látku s nízkou teplotou. Okrem toho môže mechanický výstup motora slúžiť na pohon tepelného čerpadla, ktorým je možné získať ďalšie teplo. Výpočty naznačujú, že by bolo možné produkovať spaľovacím motorom s otvoreným pracovným cyklom až dvojnásobné množstvo tepla, obsiahnutého v nosiči tepla s nižšou teplotou, ako je spotrebovávané podľa kalorickej hodnoty paliva. Prídavné teplo môže byť do zariadenia čerpané z okolitej atmosféry, zo zeme alebo z veľkého objemu vody.

Tepelný motor upravený na tepelné čerpadlo so vstrekovaním tak horúcej, ako aj chladnej kvapalinovej sprchy by bolo veľmi vhodné na využitie v domácnostiach alebo aj v priemysle a na ohrev vody. Riešením podľa vynálezu sa otvára možnosť návrhu tepelných čerpadiel pracujúcich pri omnoho vyšších teplotách. Výhodou tohto špeciálneho druhu tepelných čerpadiel je skutočnosť, že tieto čerpadlá nie sú tak tesne viazané na určitý rozsah teplôt ako v prípade tepelných čerpadiel, ktoré sú založené na odparovaní kvapaliny a kondenzácii jej pár.

Iné príkladné vyhotovenie tepelného motora vo forme tepelného čerpadla môže mať ventily, takže môže pracovať v otvorenom pracovnom cykle, podobnom ako bol v príkladoch podľa obr. 2, 3 a 4. Ale v tomto prípade by nedochádzalo k žiadnemu spaľovaniu v expanznej komore a čerpadlo by nebolo vybavené akoukoľvek formou rekuperačných alebo regeneračných výmenníkov tepla alebo vstrekovaním kvapôčok kvapaliny do chladnej expanznej komory. Vzduch môže expandovať v expanznej komore napríklad adiabaticky. V kompresnej komore by mohol byť vzduch stláčaný izotermicky pomocou piesta a použitím sprchy z kvapôčok kvapaliny, pričom prebytok tepla by mohol byť prevedený do konvenčného odvodu tepla. Tento druh tepelného čerpadla by mohol byť používaný pre klimatizačné jednotky na úpravu vzduchu alebo ventilačné jednotky, pri ktorých expandovaný vzduch opúšťa systém podstatne chladnejší ako je vstupujúci vzduch. Systém by však nebol príliš vhodný na čerpanie tepla do budov zo studenej okolitej atmosféry, pretože by vznikal problém s tvorbou ľadu vnútri expanznej komory.

Ďalšie príkladné vyhotovenie tepelného čerpadla by mohlo byť podobné konštrukciám opísaným v predchádzajúcich častiach opisu, ale bez kvapalinového piesta, pričom celá kompresná a expanzná operácia by bola realizovaná iba s využitím pevných piestov. Zariadenie môže mať kvapalinové tesnenie bez nutnosti použitia kvapalinových piestov.

Odborníkom v tomto odbore je zrejmé veľké množstvo alternatívnych mechanických usporiadaní na premenu lineárneho pohybu piesta na rotačný pohyb hnacieho hriadeľa. Ak je použitý kvapalinový piest a mechanický pohon obsahuje hnací alebo prenosový hriadeľ, prechádzajúci stenou potrubia, ako je to znázornené na obr. 1 a 2, je nutné umiestniť medzi stenu a vratne pohyblivý hnací hriadeľ. Ale toto riešenie môže byť spojené s jednou nevýhodou spočívajúcou v tom, že medzi tesnením a hnacím hriadeľom môže byť značné trenie. Alternatívne konštrukčné riešenie, ktoré by malo redukovať veľkosť trenia, obsahuje ozubnicu s pastorkom, uloženú vnútri vodorovného úseku potrubia. Pastorok je uložený otočné a jeho os je kolmá na smer po hybu piesta, pričom hrebeňová tyč je vhodne spriahnutá alebo spojená s pevným piestom alebo s pevnými piestmi. Pastorok môže byť upravený na pohon otočného hriadeľa, ktorý prechádza dierou v stene potrubia, vybavenou nutným tesnením, a prenáša výkon z piesta na vonkajšiu stranu. Pevný piest, ktorý je pohyblivo spriahnutý s kvapalinovým piestom, je upravený na vykonávanie posuvného pohybu v dvoch vzájomne opačných smeroch v prvom alebo druhom ramene potrubia, pričom v jednom potrubí je možné umiestniť aj viac piestov, nie je nutné používať len jeden takýto pevný piest.

V alternatívnom príkladnom vyhotovení môže byť prevádzaný lineárny pohyb piesta na rotačný pohyb hnacieho hriadeľa osadením niektorého druhu kvapalinových skrutiek, napríklad vrtuľových alebo turbínových listov vnútri potrubia, ktoré sú otočné upevnené na hnacom hriadeli, ktorý prechádza potrubím. V tomto prípade je hnací hriadeľ rovnobežný so smerom pohybu piesta. Tam, kde sú vo dvoch sedlových slučkách použité hnacie hriadele pohyblivé v dvoch opačných smeroch vratnými pohybmi, môže byť výhodné spriahnuť hnací hriadeľ jednej kompresnej slučky s hnacím hriadeľom druhej expanznej slučky. Namiesto mechanického hnacieho systému je možné tiež použiť hydraulický systém. Pri tomto usporiadaní predchádzajúceho prípadu by mohol každý kombinovaný hnací hriadeľ sedlovej slučky poháňať vonkajší vratne pohyblivý piest vnútri vonkajšieho hydraulického valca na čerpanie hydraulickej kvapaliny. Vopred určený fázový uhol, napríklad 90°, medzi dvoma kombinovanými hnacími hriadeľmi by mohol byť dosiahnutý správnym nastavením okamihu otvorenia ventilov v hydraulických valcoch tak, aby sa zamedzilo prílišnému vzdialeniu každého z hriadeľov z požadovanej polohy v určitom štádiu cyklu.

V motoroch alebo tepelných čerpadlách, v ktorých sú použité kvapalinové piesty, môžu byť použité pevné plaváky, ktoré plávajú na hladine kvapalinových piestov.

Odborníkom v odbore týchto motorov sú zrejmé ďalšie možné modifikácie príkladných vyhotovení, ktoré neprekračujú rámec vynálezu.

Claims (52)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tepelný motor na premenu tepelnej a mechanickej energie, obsahujúci kompresnú komoru (9, 11, 109, 111) s obsahom stlačeného plynu, prvý piest (5, 112, 114) na stláčanie plynu pohybom tohto prvého piesta (5, 112, 114) do kompresnej komory (9, 11, 109, 111) a hnacie ústrojenstvo prvého piesta (5, 112, 114) v kompresnej komore (9, 11, 109, 111) na stláčanie plynu, expanznú komoru (17, 19, 117, 119, 228, 230) obsahujúcu druhý piest (7, 120, 122, 224, 226), prívodné ústrojenstvo stlačeného plynu z kompresnej komory (9, 11, 109, 111) do expanznej komory (17, 19, 117, 119, 228, 230), zahrievacie ústrojenstvo na zahrievanie stlačeného plynu na výstupe z kompresnej komory (9, 11, 109, 111) a prenosové ústrojenstvo obsahujúce pevný člen spriahnutý operatívne s druhým piestom (7, 120, 122, 224, 226) na odoberanie výkonu motora, vyznačujúci sa tým, že v kompresnej komore (9, 11, 109, 111) je umiestnené vstrekovacie ústrojenstvo (29, 31, 129, 131), vyústené do kompresnej komory (9, 11, 109, 111) na vytváranie sprchy kvapaliny pri stláčaní plynu a separátor (37, 39, 137, 139) na oddeľovanie kvapaliny od stlačeného plynu opúšťajúceho kompresnú komoru.
2. 2. Tepelný motor podľa nároku 1,vyznačujúci sa t ý m , že expanznej komore (17, 19, 117, 119) je predradené zahrievacie ústrojenstvo na dodávku tepla do plynu v priebehu jeho stláčania.
3. 3. Tepelný motor podľa nároku 2, vyznačujúci sa t ý m , že zahrievacie ústrojenstvo obsahuje výmenník (125, 127, 244, 246) tepla, umiestnený v smere prúdenia predhrievaného plynu za výstupom z kompresnej komory (9, 11, 109, 111) na predhrievanie plynu teplom z plynu expandovaného v expanznej komore (17, 19, 117, 119).
4. 4. Tepelný motor podľa nároku 3,vyznačujúci sa t ý m , že výmenníkom tepla je regenerátor (25, 27) vradený do dráhy expandovaného plynu medzi expanznou komorou (17,19) a kompresnou komorou (9, 11).
5. 5. Tepelný motor podľa nároku 4, vyznačujúci sa t ý m , že regenerátory (25, 27) sú vytvorené vo forme chladiacich ústrojenstiev a sú umiestnené pred vstupom plynu do kompresnej komory (9, 11).
6. 6. Tepelný motor podľa nároku 4, vyznačujúci sa t ý m , že regenerátory (25, 27) na chladenie plynu obsahujú výmenníkové jednotky na výmenu tepla.
7. 7. Tepelný motor podľa nárokov 2 až 6, vyznačujúci sa tým, že zahrievacie ústrojenstvo na dodávanie tepla obsahuje rozstrekovače (33, 35) horúcej kvapaliny v expanznej komore (17, 19).
8. 8. Tepelný motor podľa nároku 7, vyznačujúci sa t ý m , že rozstrekovače (33, 35) sú napojené na prívodné potrubia kvapalín so vzájomne rozdielnymi teplotami.
9. 9. Tepelný motor podľa nároku 8, vyznačujúci sa t ý m , že rozstrekovače (33, 35) na vytváranie sprchy kvapaliny v expanznej komore (17, 19) majú ovládacie ústrojenstvo aktivovateľné v priebehu stláčania plynu vnútri expanznej komory na regulovanie teploty plynu.
10. 10. Tepelný motor podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že expanzné komory (117, 119) sú vytvorené vo forme spaľovacích komôr na spaľovanie paliva a zahrievacie ústrojenstvo plynu obsahuje plášť (212, 214) expanzných komôr (117, 119) na zohrievanie stlačeného plynu z kompresných komôr (109, 111) teplom vedeným naprieč najmenej jednej steny vymedzenej expanznými komorami (117, 119).
11. 11. Tepelný motor podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že v spaľovacích expanzných komorách (117, 119) je vždy uložený tretí piest (120, 122) spojený pohyblivo s prenosovým ústrojenstvom tvoreným ojnicou (171) a kľukovým hriadeľom (169).
12. 12. Tepelný motor podľa nároku 2 alebo 3, vyznajú j ú c i sa tým, že do vstupu spaľovacieho plynu do kompresnej komory (9, 11, 109, 111) sú vradené prvé ventily (57, 59, 157, 159) na ovládanie prívodu spaľovacieho plynu a do výstupu expanznej komory (17, 19, 117, 119) sú osadené druhé ventily (61, 63, 205, 207, 185, 187) na zamedzenie vrátenia expandovaného plynu, pričom zahrievacie ústrojenstvo na dodávanie tepla obsahuje prívodné otvory (73, 75) a vstrekovacie ventily (174, 176) na prívod paliva, vyústené do expanznej komory (17, 19, 117, 119).
13. 13. Tepelný motor podľa nároku 12, vyznačujúci sa tým, že zahrievacie ústrojenstvo obsahuje regulačné ústrojenstvo rýchlosti prúdenia palivovej zmesi do expanznej komory (17, 19, 117, 119).
14. 14. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 13, v y z n a čujúci sa tým, že medzi kompresné komory (9, 11, 109, 111) a expanzné komory (17, 19, 117, 119) sú do prepojovacích častí umiestnené ventily (61, 63, 185, 187, 204, 206) na regulovanie prietoku plynu.
15. 15. Tepelný motor podľa nároku 14, vyznačujúci sa tým, že ventily umiestnené na výstupe kompresnej komory (9, 11, 109, 111) sú tvorené výstup nými ventilmi (204, 206).
16. 16. Tepelný motor podľa nároku 14 alebo 15, vyzná č ii j ú c i sa tým, že ventily umiestnené na vstupe expanznej komory (17, 19, 117, 119) sú tvorené vstupnými ventilmi (185, 187), umiestnenými medzi zahrievacie ústrojenstvo a expanzné komory (17, 19, 117, 119).
17. 17. Tepelný motor podľa nárokov lažl 6, vyznačuj ú c i sa tým, že k expanzným komorám (117, 119) sú cez vstupné otvory (216, 218) a/alebo prívodné potrubia (177, 179) pripojené ďalšie expanzné komory (228, 230) na expanziu plynu, v ktorých sú uložené ďalšie piesty (224, 226), pričom pred ďalšími expanznými komorami (228, 230) je zapojené predhrievacie ústrojenstvo stlačeného plynu.
18. 18. Tepelný motor podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že predhrievacie ústrojenstvo obsahuje chladiace plášte (212, 214), ktorými je tvorená najmenej jedna obvodová plocha expanzných komôr (117, 119).
19. 19. Tepelný motor podľa nároku 17 alebo 18, vyznačujúci sa tým, že predhrievacie ústrojenstvo obsahuje rekuperačné výmenníky (244, 246) tepla na predhrievanie stlačeného plynu expandovaným plynom z expanzných komôr (117, 119).
20. 20. Tepelný motor podľa nárokov 17 až 19, vyznačujúci sa tým, že ďalšie piesty (224, 226) sú spojené s prenosovým ústrojenstvom tvoreným kľukovým hriadeľom (169) aojnicou (171).
21. 21. Tepelný motor podľa nárokov 14 až 20, vyznačujúci sa tým, že ďalšia expanzná komora (228, 230) je opatrená vstupnými ventilmi (232, 234), vrodenými do dráhy stlačeného plynu medzi predhrievacím ústrojenstvom a ďalšou expanznou komorou (228, 230).
22. 22. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 21, v y z nečujúci sa tým, že hnacie ústrojenstvo obsahuje spojovacie ústrojenstvo piestov (112, 114, 120, 122, 224, 226) spojené s prenosovým ústrojenstvom na prenos pohybu a piesty (112, 114, 120, 122, 224, 226) sú umiestnené vo vopred určených fázových vzťahoch.
23. 23. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 22, v y z n a čujúci sa tým, že hnacie ústrojenstvo obsahuje pevný piest (51) v expanznej komore (17, 19) a s ním spojený hnací hriadeľ (55), ktorý je spojený prenosovým ústrojenstvom a druhým hnacím hriadeľom (53) s druhým pevným piestom (49) v kompresnej komore (9, 11).
24. 24. Tepelný motor podľa nároku 22 alebo 23, vyznačujúci sa tým, že prenosové ústrojenstvo obsahuje kľukový hriadeľ (169), spojený s hnacím ústrojenstvom a ďalšími prvkami prenosového ústrojenstva.
25. 25. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 24, v y z n a čujúci sa tým, že piesty uložené v kompresnej komore (9, 11) a v expanznej komore (17, 19) sú tvorené kvapalinovými piestmi (5, 7) pozostávajúcimi zo stĺpcov kvapaliny nachádzajúcich sa v rúrkach (1, 3), ktoré sú súčasťami úložnej sústavy obklopujúcej najmenej jeden z kvapalinových piestov (5, 7), pričom úložná sústava obsahuje na každom svojom konci jednu z kompresných komôr (9,11) a expanzných komôr (17, 19).
26. 26. Tepelný motor podľa nároku 25, vyznač u júci sa tým, že rúrky (1, 3) úložnej sústavy sú vytvarované do tvaru U.
27. 27. Tepelný motor podľa nároku 26, v y z n a č u júci sa tým, že úložná sústava obsahuje dvojicu rúrok (1, 3) tvaru U, z ktorých každá rúrka (1, 3) obsahuje dávku kvapaliny tvoriacu kvapalinový piest (5, 7), pričom jedna z rúrok (1) má kompresnú komoru (9, 11) vytvorenú v každom ramene a druhá rúrka (3) má expanznú komoru (17, 19) vytvorenú v obidvoch ramenách, úložná sústava ďalej obsahuje prevádzací prvý prepojovací regenerátor (25) na prevádzanie stlačeného plynu z jednej kompresnej komory (9) do jednej z expanzných komôr (19) a prevádzací druhý prepojovací regenerátor (27) na prevod stlačeného plynu l inej kompresnej komory (11) do ďalšej expanznej komory (17).
28. 28. Tepelný motor podľa nároku 27, vyznačujúci sa tým, že úložná sústava obsahuje ďalšiu dvojicu rúrok (1,3) tvaru U, pričom pri prevádzke je jeden z kvapalinových piestov (7) v jednej z rúrok (3), obsahujúcich expanzné komory (17,19), fázovo posunutý o 90° proti ďalšiemu kvapalinovému piestu (7) v zodpovedajúcej rúrke (3) tvaru U, obsahujúcej ďalšie expanzné komory (17, 19).
29. 29. Tepelný motor podľa nárokov 25 až 28, v y značujúci sa tým, že v stĺpci kvapaliny prvého kvapalinového piesta (5) alebo každého z prvých kvapalinových piestov (5) je uložený hnací prvok hnacieho ústrojenstva, spolupracujúci s prvým kvapalinovým piestom (5).
30. 30. Tepelný motor podľa nároku 29, vyznačujúci sa tým, že hnací prvok je tvorený pevným piestom (49).
31. 31. Tepelný motor podľa nároku 30, vyznačujúci sa tým, že s pevným piestom (49) je spojený hriadeľ (53) prechádzajúci stenou prvej rúrky (1), obsahujúcej kvapalinový piest (5).
32. 32. Tepelný motor podľa nárokov 25 až 31, vyznačujúci sa tým, že v stĺpci kvapaliny druhého kvapalinového piesta (7) alebo každého z druhých kvapalinových piestov (7) je uložený prenosový prvok prenosového ústrojenstva, spolupracujúci s druhým kvapalinovým piestom (7).
33. 33. Tepelný motor podľa nároku 32, vyznačujúci sa tým, že prenosový prvok je tvorený pevným piestom (51).
34. 34. Tepelný motor podľa nároku 33, vyznačujúci sa tým, že s pevným piestom (51) je spojený hriadeľ (55) prechádzajúci stenou rúrky (3) obsahujúcej druhý kvapalinový piest (7).
35. 35. Tepelný motor podľa nárokov 25 až 34, v y značujúci sa tým, že obsahuje prívodné ústrojenstvo na prívod najmenej jednej kvapaliny z kvapalinových piestov (5, 7) do rozstrekovačov (29, 31, 33, 35) na vytvorenie sprchy.
36. 36. Tepelný motor podľa nároku 35, vyznačujúci sa tým, že prívodné ústrojenstvo obsahuje čerpadlo poháňané kvapalinovými piestmi (5, 7).
37. 37. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 27, v y z n a čujúci sa tým, že prvé a druhé piesty (112, 114, 120, 124, 224,226) obsahujú pevný materiál.
38. 38. Tepelný motor podľa nároku 37, vyznačujúci sa tým, že piesty (112, 114, 120, 122, 224, 226) sú uložené v dvojici kompresných komôr (109, 111) a v dvojici expanzných komôr (117, 119, 228, 230), pričom piesty (112, 114) v kompresných komorách (109, 111) a piesty (120, 122, 224, 226) v expanzných komorách (117, 119, 224, 226) sú umiestnené vo vzájomne opačnej fáze pohybu.
39. 39. Tepelný motor podľa nároku 38, vyznačujúci sa tým, že obsahuje ďalšiu dvojicu kompresných komôr (109, 111) a ďalšiu dvojicu expanzných komôr (117, 119), pričom pri prevádzke sú piesty (112, 114) v jednej dvojici kompresných komôr (109, 111) uložené vo fázovom posune 90° proti piestom druhej dvojice kompresných komôr a piesty (120, 122) v jednej dvojici expanzných komôr (117, 119) sú umiestnené vo fázovom posune

    90° proti piestom (120, 122) v druhej dvojici expanzných komôr (117,119).
40. 40. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 39, v y z n a čujúci sa tým, že tepelné výmenníkové jednotky obsahujú výmenníky (125, 127) tepla.
41. 41. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 39, v y z n a čujúci sa tým, že tepelné výmenníkové jednotky obsahujú rekuperačné výmenníky (244,246) tepla.
42. 42. Tepelný motor podľa nárokov 1 až41,vyznačujúci sa tým, že mimo vnútorného priestoru kompresných komôr (9, II, 109, 111) sú umiestnené separátory (37, 39, 41, 43, 137, 139) na oddeľovanie kvapaliny od plynu.
43. 43. Tepelný motor podľa nárokov 7až 9, vyznačujúci sa tým, že za rozstrekovačmi (33, 35) sú mimo vnútorný priestor expanznej komory (17, 19) umiestnené separátory (41, 43) vystupujúceho plynu.
44. 44. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 43, v y z n a čujúci sa tým, že prívodné ústrojenstvo na prívod kvapalín je napojené na jednej strane na dva zdroje kvapalín so vzájomne rozdielnymi teplotami a na druhej strane je spojené s rozstrekovačmi (29, 31) v kompresných komorách (9, 11).
45. 45. Tepelný motor podľa nároku 44, vyznačujúci sa tým, že prívodné ústrojenstvo kvapalín je na strane odvrátenej od zdrojov kvapalín pripojené na rozstrekovač (29, 31) sprchy kvapaliny v kompresnej komore (9,11) alebo v každej kompresnej komore (9, 11).
46. 46. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 45, v y z n a čujúci sa t ý m , že s prvým piestom (112, 114) je spojený prvý kľukový hriadeľ (169) a s druhým piestom (120, 122, 224, 226) je spojený druhý kľukový hriadeľ (169).
47. 47. Tepelný motor podľa nároku 46, vyznačujúci sa tým, že medzi prvý a druhý kľukový hriadeľ (169) je vradený ozubený prevod na zaistenie dlhšieho času potrebného na dokončenie jedného kompresného zdvihu v kompresnej komore (109, 111) ako je čas potrebný na dokončenie expanzného zdvihu v expanznej komore (117, 119).
48. 48. Tepelný motor podľa nároku 47, vyznačujúci sa tým, že v kompresných komorách (109, 111) je uložený vždy jeden kompresný piest (112, 114) spojený s prvým kľukovým hriadeľom (169) a v skupine expanzných komôr (117, 119, 228, 230) je uložený vždy jeden expanzný piest (120, 122, 224, 226), spojený s druhým kľukovým hriadeľom (169).
49. 49. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 48, v y z n a čujúci sa tým, že do vstupov plynu do kompresných komôr (109, 111) sú osadené vstupné ventily (157, 159) a do prívodných potrubí (177, 179) spájajúcich kompresné komory (109, 111) s expanznými komorami (117, 119) sú osadené druhé ventily (185, 187) na zamedzenie vracania plynu z expanznej komory (117, 119) do kompresnej komory (109, 111) prívodným potrubím (177, 179) a pred vstup do kompresnej komory (109, 111) je vradené turbodúchadlo na zvyšovanie tlaku plynu.
50. 50. Tepelný motor podľa nároku 49, vyznačujúci sa tým, že turbodúchadlo obsahuje rotačný kompresor a rotačný expandér prichytený na rovnakom rotačnom hriadeli.
51. 51. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 50, v y z n a čujúci sa tým, že ústrojenstvo na dodávku tepla do plynu obsahuje vstrekovacie ústrojenstvo paliva so vstrekovacími ventilmi (174, 176) vyústenými do expanznej komory (117, 119), rekuperačné výmenníky (224, 246) na prehrievanie stlačeného plynu z kompresnej komory (109, 111) teplom výfukových plynov z expanznej komory (117, 119) a rotačný expander umiestnený medzi výfukovým výstupom expanznej komory (117, 119) a vstupom výfukových plynov do rekuperačných výmenníkov (244, 246) tepla.
52. 52. Tepelný motor podľa nárokov 1 až 51,vyznačujúci sa t ý m, že medzi druhé piesty (120, 122, 224, 226) a elektrický generátor (247) je vradený hnací hriadeľ (169).