DE3015815A1

DE3015815A1 - Heissgasmotor

Info

Publication number: DE3015815A1
Application number: DE19803015815
Authority: DE
Inventors: Ivo Prof.Dipl.-Ing.Dr.techn. Zagreb Kolin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-04-11
Filing date: 1980-04-24
Publication date: 1981-10-29
Also published as: YU100980A; DE3015815C2; US4444011A

Description

DipUPhys. RICHARD LUYKEN

ο.Prof.Dipl.-ing. Dr. techn.

Ivo Kolin · JU 7749

Zagreb/Jugoslawien ²⁴* ^April ¹⁹⁸°

L/Kdg

Heißgasmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor mit mindestens einer Kammer, deren eine Seite wärmebeaufschlagt ist, während die andere Seite demgegenüber gekühlt ist und mit einem in dieser Kammer zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende verschiebliehen, von einem Kurbeltrieb angetriebenen Verdränger und einem an die Kammer angeschlossenen Motorteil, das die DruckSchwankungen in der Kammer in kinetische Energie umsetzt.

Heißgasmotoren dieser Art, wie sie auf Stirling zurückgehen, besitzen einen langen Metallzylinder, welcher an der einen Seite mit Flammen geheizt und an der anderen mit einem Wassermantel gekühlt ist und in dem sich ein mit einem Kurbeltrieb verbundener Verdrängerkolben befindet, während an den Zylinder ein Kolbenmotor angeschlossen ist, der die Druckschwankungen im Zylinder in kinetische Energie umsetzt, wobei die Kurbel für den Verdrängerkolben gegen die Kurbel des Arbeitskolbens um 9o° versetzt ist.

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Man erreicht damit, daß sich die Luft oder ein anderes Arbeitsgas vorwiegend im kalten Raum komprimiert und aus dem heißen Raum expandiert. Da die Expansion der heißen Luft mehr Energie schafft als die Verdichtung der kalten Luft verbraucht, ergibt sich als Differenz die abzugebende Motorleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgasmotor dieser Art anzugeben, bei dem die konstruktiv und arbeitsmäßig bedingten.Wärmeverluste herabgesetzt sind und der deshalb auch bei niedrigeren Temperaturdifferenzen sicher zu arbeiten vermag und damit noch vielfach verlorengehende Abwärmen auszunutzen vermag.

Dies wird erfindunqsgomiiß dadurch erreicht, daß die Kammer jeweils von einem wärmeisolierten Gehäuse gebildet ist, in dem einander gegenüberliegend mit Abstand vom Gehäuse Metallwände angeordnet sind, deren eine durch das in den Zwischenraum zwischen der Wand und dem Gehäuse einströmende Wärmemittel erwärmt, während die andere Wand durch das in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der Wand einströmende Kühlmittel gekühlt ist und daß der Verdränger, als zwischen diesen Wänden hin-: und herbewegliche Verdrängerplatte aus wärmeisoliertem Stoff ausgebildet ist, daß die Kammer mit einem Membranmotor versehen ist, der an den Uberströmraum , der seitlich vom Verdrängerplattenrand vorgesehen ist, angeschlossen ist und daß dieser Motor neben dem Schwungrad einen dicht mit dem Gehäuse verbundenen, durch eine Drehdurch-

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INSPECTEn

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führung eingeführten Schubstangentrieb antreibt, der durch Federvorspannung bistabil bezüglich der Lage der Verdrängerplatte an der kalten Metallwand bzw. an der warmen MetallwRDd vorgespannt ist.

Vorteilhaft ist in dem Uberströmraum ein Regenerator vorgesehen.

Vorzugsweise besteht der Regenerator aus einer dichten Drahtnet zanordnung .

Die Membran ist zweckmäßig durch zwei steife Platten, an denen die Kolbenstange des Membranmotors angreift, verstärkt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht nach der Erfindung darin, daß der bistabil vorgespannte Kurbeltrieb eine Schubstange enthält, die mit einer Feder vorgespannt ist, deren eines Ende an der Schubstange und deren anderes Ende an dem Hebelarm

Gabelzinken einer Gabel befestigt ist, zwischen deren ein auf einem Antriebsarm des Membranmotorteils angeordneter Mitnehmer entsprechen« dem Hub der Membran verschieblich ist, wobei durch die Federvorspannung zwei stabile Stellungen vorgegeben sind.

Die Verwendung eines wärmeisolierten Gehäuses vermindert die Wärmeverluste, die bei den Heißgasmotoren nach dem Stand der Technik an den klassischen Metallzylindern entstehen. Als Wärmemittel können bei dem erfindungsgemäßen Motor nicht' nur Ver-

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ORIGINAL INSPECTED

brennungsgase verwendet werden, sondern eine beliebig erwärmte Flüssigkeit, die vielfach als Abwärme zur Verfügung steht, kann in den Zwischenraum zwischen der Metallwand und dem Gehäuse als Wärmemittel eingeführt werden und kann rezÄulieren gelassen werden, so daß nur die tatsächlich im Heißgasmotor entnommene Wärme ersetzt zu werden braucht. Durch den bistabilen Antrieb kann ein schneller Umwurf der aus wärmeisolierendem Stoff bestehenden leichten Verdrängerplatte erreicht werden, wobei durch einen Regenerator im Uberströmraum der Wirkungsgrad weiter verbessert werden kann. Bei den bekannten Motoren, bei denen sich der Verdrängerkolben kontinuierlich in der Phase um 9o gegen den Kolben des Motorteils versetzt bewegt, kann :nan ie eine thermodynamisch reine isothermische Situation erhalten, bei der die ganze Luft oder das Gas entweder warm oder kalt sind, sondern es ergibt oich jedesmal eine Mischung von warmer und kalter Luft. Eine Folge davon ist, daß die Expansion dieser Mischung weniger Arbeit leistet als es bei ausschließlich warmer Luft der Fall wäre. Außerdem verbraucht die Kompression der Mischung mehr Arbeit als bei ausschließlich kalter Luft nötig wäre. Auf diese Weise ist die Differenz, die als nützliche Arbeit zur Verfügung steht, verringert. Durch den erfindungsgemäßen raschen Umwurf der Luft liefert die Expansion der ganzen Masse der ausschließlich warmen Luft mehr Arbeit und erfordert die Kompression weniger Arbeit, so daß die nützliche Differenz größer ist. Der Prozeß ist also auf isothermische Weise beiderseitig verbessert, indem einmal die Expan-sion mehr Arbeit liefert

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und andererseits die Kompression weniger Arbeit erfordert, wodurch sich die Motorleistung bei gleichem Wärmeaufwand vergrößert.

Dies ermöglicht die Nutzung von Quellen niedriger Temperaturen, welche in der Natur und in der Umwelt reichlich vorhanden sind, wie z.B. von geothermalen Quellen oder von Sonnenenergie über das von flachen Sonnenkollektoren gelieferte warme Wasser. Dank der geringen konstruktiven und arbeitsmäßig bedingten Verluste kann

ο der erfindungsgemäße Motor schon bei Temperaturen unter loo C erfolgreich betrieben werden. Die Erfindung ermöglicht dabei die Nutzung heißen Wassers aus isolierten Reservoiren, wobei das Wasser z.B. tagsüber durch Sonnenenergie aufgewärmt werden kann und der Motor auch nach Sonnenuntergang dem Reservoir die Wärmeenergie entziehen und beispielsweise einen Elektrogenerator die ganze Nacht durch treiben kann. So kann auf indirekte Weise das Problem der Energiespeicherung für die Elektrizitätsproduktion gelöst werden. Dasselbe gilt auch für den Betrieb von Bewässerungspumpen mittels Sonnenenergie während der Nacht oder an bewölkten Tagen.

Eine solche Rezirkulation des heißen Wassers ist von großem Vorteil, weil die ungenützte Wärme wieder in das isolierte Reservoir zurückkehrt und nicht in die Umgebung dissipiert wird. Demgegenüber werfen die Motoren mit Innenverbrennung Auspuffgase mit noch hohen Temperaturen in die Atmosphäre, was ihren Wirkungsgrad wesentlich vermindert wegen der unwiederbringlich verlorengehenden Wärmeenergie

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Mit der beim erfindungsgemäßen Heißgasmotor möglichen Rezirkulation des warmen Wassers kann die Wärme immer von neuem so lange ausgenutzt werden, bis die Temperatur des Wassers nicht zu tief abgesunken ist. Eine solche Wärmezirkulation vergrößert wesentlich die Ausnutzung der Wärmeenergie.

Der erfindungsgemäße Motor kann jedoch nicht nur bei niedrigen, sondern auch bei hohen Temperaturen arbeiten. Die Vorteile der Rezirkulation kann man auch dann weiter ausnutzen, wenn man

z.B.
anstelle warmen Wassers heißes öl von viel höherer Temperatur oder flüssiges Metall wie in Atomreaktoren ils Wärmemittel verwendet.

Ein besonderer Vorteil des orfindungsgemäßen Heißgasmotors ist auch die einfache Konstruktion, da der Motor keine Elemente besitzt, die mit Präzisionstoleranzen ausgeführt werden müssen. Das Gehäuse kann in einfacher Weise aus Kunststoff hergestellt werden, was praktischer und billiger als die Herstellung der Zylinder aus Metall ist.

Die Ausbildung der Kammern aus flachen wärmeisolierenden Gehäusen ermöglicht eine wesentliche Vergrößerung der heißen und kalten Oberfläche im Verhältnis zu dem klassischen langen Zylinder, bei den bekannten Motoren beispielsweise vom Lehmann-Typ. Dort entwickelt sich der Wärme-übergang an der inneren zylindrischen Oberfläche. In_-dem erfindungsgemäß der Motor gleichsam

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auf der ganzen Länge durch die Kammern durchschnitten ist, ist die gesamte Oberfläche bei gleicher Länge viel größer und je dünner dabei die Kammer sind, desto größer wird der Faktor der Flächenvergrößerung und folglich ist auch bei derselben Größe des Motors die Leistung größer.

Die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Heißgasmotors sind außerordentlich vielseitig, weil die Zuführung der Wärme nicht von Erdölderivaten abhängt, sondern auch durch Sonnenenergie, Nuklearenergie, geothermale Quellen oder andere mög-

usw. liehe Brennstoffe , wie Alkohol, Biomasse erfolgen kann.

Der erfindungsgemäße Heißgasmotor kann in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Wärmedifferenz für verschiedene Zwecke gebraucht werden=Da die Motorleistung der Arbeitstemperatur proportional ist, können Motoren, sofern sie mit hohen Temperaturen arbeiten, klein und sehr raumsparend ausgebildet werden* Wenn sie mit niedrigen Temperaturen arbeiten sollen, können sie entsprechend ausgebildet werden und verlangen dann auch mehr Raum. Dafür kann man dann die in der Natur meistens vorhandenen Quellen niedriger Temperatur verwenden und diese Motoren könnten das von flachen Sonnenkollektoren auf eine Temperatur von 80 C ewärmte Wasser ausnutzen, können dann aber natürlich nicht so kompakt sein wie die Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge. Sie können aber ohne weiteres Bewässerungspumpen, Elektrogeneratoren, Zirkulationspumpen für eine Zentralheizung, Wärmepumpen und ähnliche Maschinen treiben, überall wo entsprechender Platz für den Motor vorhanden ist.

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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematisch Ansicht in perspektivischer Darstellung

eines Heißgasmotors mit zwölf Kammern und Fig. 2 schematisch eine teilweise geschnittene Darstellung durch

eine Kammer mit Membranmotor und Verdräncjerplattenantrleb und Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles in in Fig. 1, wobei ein Teil der Kammerwand teilweise weggebrochen ist.

Die Kammern des erfindungsgemäßen Heißgasmotors sind jeweils von einem wärmeisolierten Gehäuse 1 gebildet, in dem einander gegenüberliegend mit Abstand vom Gehäuse Metallwände 2 angeordnet sind, deren eine durch das in den Zwischenraum zwischen dieser

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Metallwand und dem Gehäuse einströmende Wärmemittel 3 erwärmt

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wird/ während die andere Metallwand durch das in den Zwischenraum

zwischen dem Gehäuse 1 und dieser Metallwand einströmende Kühl-

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mittel gekühlt ist. Zwischen den Metallplatten ist - in Fig. 2

an der kalten Wand anliegend gezeigt-eine hin- und hergehende Platte angeordnet, die als Verdrängerplatte dient. Diese Platte

Antriebsstange
ist über eine mit einem Kurbeltrieb verbunden, der

in einen Ansatz an dem Gehäuse 1 mit dessen Innenraum in Verbindung stehend untergebracht ist und dessen Welle durch eine DrehdurchfUhrung 8 dicht nach außen durchgeführt ist, auf die außen eine Kurbel 7 aufgesetzt ist, auf die eine Schubstange 19 einwirkt. Der überströmraum,der seitlich vom Rand der Verdränger-

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platte 5 vorgesehen ist, ist mit einem dichten Drahtnetz als Regenerator 6 gefüllt und an diesen Raum ist ein Membranmotor mit einer wannenförmigen Motorkammer 9 angeschlossen, auf der eine Membran 1o aufgespannt ist, die in der Mitte durch zwei steife Platten 11 verstärkt ist, an denen so gleichsam die Kolbenstange 12 des Membranmotors angreift. Diese Kolbenstange wirkt auf einen einseitig ortsfest angelenkten Hebel 13 in kurzem Abstand von dessen Anlenkpunkt, dessen anderes Ende mit einer Kurbelstange 14 , die am Schwungrad 15 des Motors angelenkt ist, in Verbindung steht. Der Hebelarm 13 besitzt weiter zwischen den Anlenkpunkten für die Kolbenstange 12 und die Kurbelstange 14 einen Mitnehmer 16, der zwischen den Gabelzinken einer ortsfest angelenkten Gabel 17 angeordnet ist. Das andere freie Ende der Gabel ist über eine Feder 18 mit der Schubstange 19 des Kurbeltriebs für die Verdrängerplatte 5 derart verbunden, daß sie in einer Stellung der Membran die Verdrängerplatte an die kalte Metallwand 2 und in einer anderen Stellung der Membran an die warme Metallwand 2 anlegt, wodurch die Stellung der Verdrängerplatte 5 bistabil vorgespannt ist und durch die Federspannung wie bei einem Wippschalter ein schneller übergang von der einen - an der kalten Wand anliegenden Stellung - in die andere - an der warmen Wand anliegenden Stellung - erreicht werden kann.

Die Zeit, in der die Verdrängerplatte 5 eine Zwischenstellung einnimmt und in der eine Vermischung der Luft von beiden Seiten erfolgen könnte, ist daher außerordentlich gering und die

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vom Wärmemittal zugeführte Wärme wird fast ausschließlich von

der Metallwand zur Leistung nützlicher Expansionsarbeit in

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die Motorkammer übertragen. Das Wärmemittel 3 kann dann,nachdem ihm durch die Expansionsarbeit in der Kammer Wärme entzogen ist, so daß es um wenige Grade abgekühlt ist, wieder in ein Reservoir zurückgeführt werden und so kann es rezirkulieren, bis die brauchbare Wärmeenergie aus dem Reservoir verbraucht ist.

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Claims

PATENTANWALT Dip!.-Rhys/ RICHARD LUYKEN

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24. April 19 8o

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Patentansprüche

I₅) Heißgasmotor mit mindestens einer Kammer, deren eine Seite wärmebeaufschlagt ist, während die andere Seite demgegemüber gekühlt ist und mit einem in dieser Kammer zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende verschieblichen, von einem Kurbeltrieb angetriebenen Verdränger und einem an die Kammer angeschlossenen Motorteil, das die Druckschwankungen in der Kammer in kinetische Energie umsetzt, d a d u r ch

jeweils

gekennzeichnet , daß die Kammer von einem wärmeisolierten Gehäuse (1) gebildet ist, in dem einander gegenüberliegend mit Abstand vom Gehäuse Metallwände (2) angeordnet sind, deren eine durch das in den Zwischenraum zwischen der Wand (2) und dem Gehäuse (1) einströmende Wärmemittel (3) erwärmt, während die andere Wand durch das in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse (1) und der Wand einströmende Kühlmittel (4) gekühlt ist und daß der Verdränger als zwischen diesen Wänden hin- und herbewegliche Verdrängerplatte (5) aus wärmeisolierendem Stoff ausgebildet ist, daß die Kammer mit einem Membranmotor (9 bis 15) verschon ist, der an den Uberstromraum, der seitlich vom Verdrängerplattenrand vorgesehe

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ist, angeschlossen ist und daß dieser Motor neben dem Schwungrad (15) einen dicht mit dem Gehäuse verbundenen, durch eine Drehdurchführung (8) eingeführten Schubstangentrieb (7) antreibt, der durch Federvorspannung bistabil bezüglich der Lage der Verdrängerplatte (5) an der kalten Metallwand (2) bzw. an der warmen Metallwand (2) vorgespannt ist.
2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Uberströmraum ein Regenerator (6) vorgesehen ist.
3. Heißgasmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator (6) aus einer dichten Drahtnetzanordnung besteht.
4. Heißgasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die über der wannenförmigen Motorkammer (9) angeordnete Membran (1o) durch zwei steife Platten (11), an denen eine Kolbenstange (12) des Membranmotors angreift, verstärkt ist.
5. Heißgasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabil vorgespannte Kurbeltrieb (7) eine Schubstange (19) enthält, die mit einer Feder (18) vorgespannt ist, deren eines Ende an der Schubstange (19) und deren anderes Ende an dem Hobelarm einer Gabel (17) befestigt ist, zwischen deren Gabelzinken ein auf einem Hebelarm (13) des Membranmotorteils angeordneter Mitnehmer (16) entsprechend dem Hub der Membran (1o) verschieblich ist, wobei durch die Federvorspannung zwei stabile Stellungen vorgegeben sind. "" "

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