DE19959687C2

DE19959687C2 - Wärmekraftmaschine mit drehbeweglichen Zylindern

Info

Publication number: DE19959687C2
Application number: DE1999159687
Authority: DE
Inventors: Andreas Gimsa
Original assignee: Individual
Current assignee: Stirling Technologie Institut Potsdam Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: DE19959687A1

Abstract

Kolbenmotor, dessen einer oder mehrere Kolben durch wechselseitige Druckerhöhung und Druckverminderung eines Arbeitsmediums in Schwingung geraten und dabei einen oder mehrere den Kolben zugeordnete bewegliche Zylinder antreiben. Die Druckänderung erfolgt durch rhytmische Erhitzung und Kühlung des Arbeitsmediums in den Zylindern über an ihnen befestigte Wärmeübertragungsflächen. Die Zylinder geraten durch die Kolben dergestalt in Schwingung, daß sie nacheinander wechselseitig von einem mit dem Motorgehäuse bzw. mit der Umgebung fest verbundenen Erhitzer und einem ebenfalls mit dem Motorgehäuse fest verbundenen spiegelbildlich zum Erhitzer liegenden Kühler gelangen. Dabei umschließen Erhitzer und Kühler mit einem definierten Flächenanteil die Laufbahnen der Zylinder. DOLLAR A Die Kolben besitzen eine kraftschlüssige Verbindung (z. B. Pleuel an der Kröpfung einer Kurbelachse) zum Motorgehäuse bzw. zur Umgebung, um die zyklische Bewegung des Zylinders nach einem bestimmten Bewegungsmuster zu erzwingen. Die Zylinder sind drehbar auf einem fest mit dem Motorgehäuse bzw. der Umgebung verbundenen Führungsbauteil (z. B. eine scheibenförmige Kurbelachse) gelagert und leiten über ihren Drehpunkt die Kraft weiter bzw. nehmen sie bei Systemumkehr auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Aus der DE 43 01 036 A1 ist bereits eine Wärmekraftmaschine mit äusserer Ver brennung, bei der die Kolben über eine Drehschiebersteuerung abwechselnd mit er hitztem oder gekühltem Arbeitsmedium beaufschlagt werden bekannt.

Ausgehend von dieser Wärmekraftmaschine, liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, die durch die Drehschiebersteuerung beim Stand der Technik verursachten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird mit Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung ist ein langsam laufender, geräuscharmer Kolbenmotor mit bewegli chem Zylinder und konstanter Schwingungsperiode bzw. Drehzahl, der mit einer äu sseren Temperaturdifferenz arbeitet. Wegen des langsamen Laufes kann der Ein fluss von Fliehkräften auf die beweglichen Zylinder und die darin schwingenden Kol ben vernachlässigt werden. Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemässen Wärme kraftmaschine wird an folgendem Beispiel erläuter: Ein beidseitig geschlossener Hohlzylinder, der im Mittelpunkt seiner beiden Enden vergleichbar mit einer Kinder wippe drehbar gelagert und damit beweglich ist, enthält ein Gas und einen im Zylin der druckdichten Kolben. Der Zylinder liegt im Ruhezustand parallel zu Erdoberfläche und der Kolben befindet sich in der Zylindermitte.

Durch Abwärtsbewegung der einen Zylinderseite in eine Wärmequelle (Systeman stoss) rutscht der Kolben, je nach Gasdichte mehr oder weniger, durch seine Schwerkraft in Richtung dieser Wärmequelle. Es erfolgt eine Erwärmung und Druc kerhöhung des Gases in der einen Hälfte des durch den Kolben geteilten Zylinders im Vergleich zum Gasdruck auf der anderen kühleren Zylinderhälfte und der Kolben entfernt sich im Zylinder von der Wärmequelle über den Zylinderdrehpunkt hinaus Anschliessend verliert der Zylinder durch die auf den verlagerten Kolben wirkende Erdanziehungskraft seine in eine Richtung gekippte Position. Die warme Seite be wegt sich mit einer Wippbewegung von der Wärmequelle weg, hinein in den Kühler, der in Reichweite einer Zylinder-Schwingungsamplitude über dem Erhitzer angeordnet ist. Das Gas kühlt sich ab und der Kolben kommt durch die jetzt negative Druck differenz in die Wärmequelle zurück. Der Kreisprozess ist geschlossen.

Beider Erfindung findet eine Systembedingte Frequenzregelung der Zylinderbewe gung statt: Wenn die Frequenz ansteigt, kann wegen zu kurzer Verweilzeit nicht mehr so gut erhitzt und gekühlt werden, die Frequenz sinkt mit der abfallenden Druckdifferenz am Kolben. Wenn die Frequenz abfällt, ist durch die längere Verweil zeit im Kühler und Erhitzer die Druckdifferenz am Kolben grösser und die Frequenz steigt.

Die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine weist folgenden Aufbau auf: Ein ge schlossener, druckdichter, mit Arbeitsmedium gefüllter Zylinder so in einem äusseren Gehäuse mit Erhitzer und Kühler gelagert, dass seine Drehbewegung möglich ist, enthält mindestens einen im Zylinder druckdichten Kolben, der durch wechselnden Druck an mindestens einer seiner Seiten ebenfalls periodisch im Zylinder laufen kann. Das Arbeitsmedium, vorzugsweise mit hoher Volumenausdehnungszahl, muss durch Temperaturänderung einen höheren oder niedrigeren Druck an jeweils einer Kolbenseite im Vergleich zur anderen aufbauen können, der vorrangig über sich an schliessende Volumenänderung mit der Kolbenbewegung wieder abgebaut wird. Der Zylinder besitzt an mindestens einem Ende Wärmeübertragungsflächen, die das Ar beitsmedium von aussen je nach Stellung dieses Zylinderendes bezüglich Erhitzer oder Kühler, erwärmen oder abkühlen.

Der Kolben muß eine kraftschlüssige bewegliche Verbindung zum Motorgehäuse besitzen um die zyklische von dieser Anordnung sich abstoßende Bewegung des Zylinders nach einem bestimmten Bewegungsmuster zu erzwingen und damit sicher zustellen, daß mindestens eines mit Wärmeübertragungsflächen ausgerüstetes Zy linderende wechselseitig vom Erhitzer zum Kühler gelangt und die o. g. Druckände rung an mindestens einer Kolbenseite im Zylinder erfolgt. Das Bewegungsmuster ist durch die bewegliche Verbindungsart, bspw. über eine Achse, Kugellager, Zahnrä der oder Magnetkupplung, zwischen Kolben und Motorgehäuse gestaltbar. Die me chanische Energie, die der Motor aus Wärmeenergie umwandelt, kann am bewegli chen Zylinder, bspw. an einer fest mit ihm verbundenen Achse, in Flucht mit seinem Drehpunkt, abgenommen werden. Am Kühler kann Wärmeenergie, bspw. bei Ent nahme von warmem Heizungswasser und gleichzeitiger Zuführung des kalten Rück laufwassers, entnommen werden (Kraft-Wärme-Kopplung).

Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann die Zuordnung einer beliebig in der Natur vorkommenden oder durch den Menschen erzeugten Wärmequelle zum Erhitzer und einer beliebig in der Natur vorkommenden oder durch den Menschen erzeugten Wärmesenke zum Kühler erfolgen.

Es ist möglich, daß im Zylinder des Motors Gase, Flüssigkeiten oder andere dehnba re Stoffe genutzt werden.

Die Erfindung erlangt eine sinnvolle Ausbildung dadurch, daß der Erhitzer und Kühler mit jeweils halbem Volumenanteil zusammen einen über die Durchmesserlinie zwei geteilten Zylinderring definierter Stärke mit umlaufendem Schlitz für die Zylinderlauf bahn bilden, in dessen Mittelpunkt der Drehpunkt eines oder mehrerer Zylinder liegt. Die Zylinder-Wärmeübertragungsflächen sind für die beste Wärmeübertragung mit der Gesamtheit ihrer Form und Fläche dem jeweils halbringförmigen Erhitzer und Kühler angepaßt und so angeordnet, daß sie bei der Zylinderbewegung immer in je weils abstandsgleicher thermischer Verbindung mit ihnen stehen.

Das Kurbelgehäuse als ringförmiger Hohlzylinder kann in vorteilhafter Weise an sei nem Umfang einen oder mehrere fest mit ihm verbundene Zylinder mit darin befindli chen Kolben zeiger- bis sternförmig aufnehmen. Dabei wird für einen konstanten Kolbengegendruck im Kurbelgehäuse ein Druckverbund zu den angeschlossenen Zylinderenden hergestellt. Dieses konstante Druckniveau bleibt systembedingt auch bestehen, wenn mehrere Kolben sich unterschiedlich weit vom gemeinsamen Dreh punkt entfernt haben, da das Gesamtvolumen im Kurbelgehäuse sich nicht ändert. Das hohle System Kurbelgehäuse- angeschlossene Zylinder ist druckdicht gegen das Motorgehäuse. Das Kurbelgehäuse besitzt ein Innenlager, um auf der nachfol gend aufgeführten Kurbelachse rotieren zu können.

Als Kurbelachse wird im folgenden ein Bauteil bezeichnet, daß ähnlich einer Kurbel welle eine Kröpfung in bestimmtem Abstand zum Mittelpunkt für die drehbar gela gerte Aufnahme einer oder mehrerer Pleuelstangenenden von Hubkolben besitzt. Der doppelte Abstand des Mittelpunkts einer Kurbelachse zum Befestigungspunkt des Pleuels an seiner Kröpfung entspricht einer Kolbenamplitude. Diese Kurbelachse ist scheibenförmig und besitzt über den Umfang ein Außenlager, auf dem das In nenlager des Kurbelgehäuses mit den beweglichen Zylindern rotieren kann. Die Kur belachse ist druckdicht durch das Kurbelgehäuse geführt und im Zentrum zwischen Erhitzer und Kühler fest mit der Motorgehäusewand verbunden.

Die Erfindung erlangt eine sinnvolle Ausbildung dadurch, daß bei vorgenannter An ordnung von Erhitzer und Kühler sowie Kurbelgehäuse und Kurbelachse ein rohrförmiger Zylinder, der vergleichbar mit einem Uhrzeiger an dem einen Zylinderende drehbar gelagert ist und an dem anderen Zylinderende Wärmeübertragungsflächen besitzt, einen Kolben mit Pleuel beinhaltet und durch ihn angetrieben wird. Die me chanische Energie kann in Flucht mit dem Drehpunkt auf der gegenüberliegenden Seite des Zylinders an einer mit ihm fest verbundenen Achse entnommen werden. Ebenso erhält die Erfindung eine sinnvolle Ausbildung dadurch, daß bei vorgenann ter Anordnung von Erhitzer und Kühler sich in einem rohrförmigen Zylinder mit mittle rem Drehpunkt, zwei mit ihren Unterseiten im Druckverbund stehende Kolben im gleichen Richtungssinn bewegen. Durch diese prinzipielle Anordnung erlangt die Er findung auch eine sinnvolle Ausbildung dadurch, daß eine beliebige Anzahl von Zy lindern sternförmig um den Drehpunkt der gemeinsamen Kurbelachse angeordnet wird und alle in ihnen laufenden Kolben mit den zugehörigen Pleueln an der einen Kurbelachsenkröpfung angeschlossen werden.

Eine weitere sinnvolle Erfindungsausbildung besteht darin, daß in so einem Erhitzer- und Kühlersystem, mit mehreren flächig-parallelen, umlaufenden Schlitzen als Zylin derlaufbahnen in Flucht zur Kurbelwelle, mehrere sternförmige Ringe aus Zylindern parallel angeordnet werden.

Sämtliche beschriebenen Hubkolben mit Pleueln sind für einen größeren Abstand zum Drehpunkt der Zylinder auch mit Kolbenstangen ausrüstbar.

Alle beschriebenen Zylinder können an mindestens einem Ende unter den Wärme übertragungsflächen mit dem Zylinderinnenraum direkt verbundene mehr oder weni ger ausgeprägte Druckkammern besitzen. Das bedeutet eine dementsprechende Anpassung der beschriebenen umlaufenden Schlitze in Kühlern und Erhitzern für die Zylinderlaufbahnen.

Alle die genannten Anordnungen sind geeignet, beliebige Wärmequellen und Wär mesenken zu nutzen, die auf für Motoren mit Erhitzer und Kühler bekannte Weise verwendet werden.

Die Erfindung erhält eine sinnvolle Ausbildung dadurch, daß als Wärmesenke ein Gewässer und als Wärmequelle Solarstrahlung sowie Luft genutzt werden. Eine diesbezügliche Anordnung läßt sich schwimmend auf das Meer bringen. Hierbei wird lediglich ein wasserdichtes, ggf. wegen geringerer Zylinderreibung evakuiertes Ge häuse für den Motor mit integriertem Generator benötigt, das im unteren Eintauchbe reich einen hohen Wärmeleitwert und im oberen, die Außenluft berührenden Bereich eine hohe Lichtdurchlaßzahl besitzt. Die Zylinderenden müssen anstelle von Heiz- bzw. Kühlflächen, Absorberflächen erhalten. Mit Gewichten läßt sich die benötigte definierte Eintauchtiefe im Wasser erreichen.

Die Systemumkehr, also der Aufbau eines Motors zum Betrieb als Wärmepumpe bzw. Kältemaschine, ist eine weitere sinnvolle Erfindungsausbildung. So kann bspw. zur Nutzung in einem Fließgewässer, die beschriebene sternförmige Anordnung der Zylinder mit ausgeprägter Form einer Wasserturbine erfolgen. Wird der Zylinderring mit einer Ringhälfte in den Fluß getaucht und mit der Flußströmung angetrieben, er fahren alle diagonal durch den Fluß laufenden Zylinder von unten eine konstante Temperaturbeaufschlagung. Je nach Drehrichtung ist es nun möglich, den Fluß in Fließrichtung oder das über dem Fluß liegende Medium zu erhitzen bzw. zu kühlen. Bei der beschriebenen sternförmigen Anordnung der Zylinder mit ausgeprägter Form eines Windrades lassen sich bei seinem Antrieb durch Luftströmung, Temperaturdif ferenzen zweier Luftbereiche erzeugen.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt die

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine im Querschnitt

In der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform der Wärmekraftmaschine sind im Zylinder 2 zwei Kolben 1 angeordnet, die über Pleuel 8 mit der Kröpfung 6 der Kur belachse 7 verbunden sind. Die Hubräume sind mit einem Arbeitsmedium 3 gefüllt, das sich über die Wärmeübertragungsflächen 4 beim Durchgang durch den Erhitzer 11 erwärmt und beim Durchgang durch den Kühler 12 abkühlt. Durch die dabei be wirkte Druck- und Volumenveränderung wird der Zylinder 2, der über die Lagerung 10 auf der Kurbelachse 7 gelagert ist, um den Zylinderdrehpunkt 9 gedreht.

Bezugszeichenliste

1

Kolben

2

Zylinder

3

Arbeitsmedium

4

Wärmeübertragungsfläche

5

Kurbelgehäuse

6

Kröpfung

7

Kurbelachse

8

Pleuel

9

Zylinderdrehpunkt

10

Lagerung

11

Erhitzer

12

Kühler

Claims

1. Wärmekraftmaschine mit mindestens einem drehbeweglichen Zylinder und in diesem linearbeweglichen Kolben mit einem Erhitzer und einem Kühler, die mit einem definierten Flächenanteil die Laufbahnen der Zylinder umschliessen, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (3) druckdicht zwischen Kolben (1) und Zylinder (2) eingeschlos sen ist.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehpunkt der Kolben (Kröpfung 6) vom Zylinderdrehpunkt (9) einen definierten Abstand hat.

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (3) aus phasenveränderlichen Stoffen wie beispielsweise Methanol besteht.

4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (3) aus in Losungsmitteln gelösten Stoffen besteht.

5. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (5) druckdicht gegen die Umgebung ausgebildet ist.

6. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (5) zum Ausgleich von Leckverlusten Arbeitsmedium (3) eines definierten Druckes enthält.

7. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (5) ein beliebiges flüssiges oder gasförmiges Medium eines defi nierten Druckes enthält.

8. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer (11) und der Kühler (12) mit annähernd jeweils halbem Volumenanteil zusammen einen über die Durchmesserlinie zweigeteilten Zylinderring definierter Stärke mit umlaufendem Schlitz für die Zylinderlaufbahnen bilden, in dessen Mittel punkt der Drehpunkt (9) eines oder mehrerer Zylinder (2) liegt.

9. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kurbelachse (7) aufweist, die mittig zwischen Erhitzer (11) und Kühler (12) in fester Verbindung mit dem Motorgehäuse oder der Umgebung angeordnet ist, und die ähnlich einer Kurbelwelle eine Kröpfung (6) in bestimmtem Abstand zum Mittel punkt für die drehbar gelagerte Aufnahme einer oder mehrerer Pleuelstangenenden von Kolben (1) enthält, wobei die Kurbelachse (7) scheibenförmig ausgebildet ist und über den Umfang ein Aussenlager besitzt, auf dem das Innenlager des Kurbelgehäu ses (5) mit den beweglichen Zylindern (2) rotieren kann.

10. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylinder (2), die sternförmig um den Drehpunkt (9) der gemeinsamen Kur belachse (7) angeordnet sind, vorgesehen sind, wobei alle Kolben (1) mit den zuge hörigen Pleueln (8) an einer Kurbelachsenkröpfung (6) angeschlossen sind.

11. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung von einem oder mehreren Erhitzer- und Kühlsystemen mehrere sternförmige Ringe aus Zylindern (2) parallel angeordnet sind.

12. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung einer beliebig in der Natur vorkommenden oder durch den Menschen erzeugten Wärmequelle zum Erhitzer (11) mit dafür angepaßter Form und einer be liebig in der Natur vorkommenden oder durch den Menschen erzeugten Wärmesenke zum Kühler (12) mit dafür angepaßter Form erfolgt, wobei Wärmequelle und Wärme senke auch direkt Erhitzer (11) und Kühler (12) sein können.

13. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung stehende und fließende Gewässer oder anders geartete flüssige Medien mit oder ohne zusätzliche Wärmeübertrager, mit oder ohne zusätzliche Pumpen di rekt oder indirekt genutzt werden.

14. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung Luft oder Gas mit oder ohne zusätzliche Wärmeübertrager, mit oder oh ne zusätzliche Gebläse direkt oder indirekt genutzt werden.

15. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle Solarstrahlung und/oder Luft genutzt wird.

16. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als auf dem Meer schwimmender Generatorsatz verwendet wird, wobei sie ein wasserdichtes, gegebenenfalls wegen geringerer Zylinderreibung evakuiertes Ge häuse, das im unteren Eintauchbereich einen hohen Wärmeleitwert und im oberen, die Aussenluft berührenden Bereich eine hohe Lichtdurchlasszahl besitzt, aufweist.

17. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Zylinder (2) mit den Wärmeübertragungsflächen zur besseren Wärmeüber tragung ohne geschlossenes Gehäuse direkt durch das Wasser laufen.

18. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2) durch einen äusseren mechanischen Antrieb in Drehung versetzt werden, so dass je nach Drehrichtung der Zylinder (2) am Kühler (12) oder Erhitzer (11) Wärme entnommen oder zugeführt wird.

19. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsflächen (4) am Zylinder (2) als Wasserturbinenschaufeln ausgebildet sind.

20. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsflächen (4) am Zylinder (2) als Windrotorblätter ausgebildet sind.