DE2738617A1

DE2738617A1 - Thermokompressor

Info

Publication number: DE2738617A1
Application number: DE19772738617
Authority: DE
Inventors: Mark Schuman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-26
Publication date: 1978-03-02
Also published as: AR213445A1; SE7709568L; IN146990B; CH629573A5; CA1068118A; IE45664B1; JPS5329435A; GB1546558A; IT1082615B; IL52803A0; MX146390A; ATA621677A; IE45664L; IL52803A; BE858125A; ZA775124B; NL7709236A; AU2815177A; SU793416A3; FR2363006A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H Wek:kmann, Dip)..-Phys. Dr.K.Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

LOBT I MÜNCHEN 16, DEN

POSTFACH 160120 MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 913921/22

Herr Mark Schuman
101 G Street, S.W.
Washington, D.C. 20024

Thermokompressor

809809/1012

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Energiekonverter, insbesondere auf Wärmekraftmaschinen unter Ausnutzung eines regenerativen Strömungsmedium-Zyklus und insbesondere auf einen Sterling-Thermokompressor mit freiem Kolben zum Pumpen eines strömenden Mediums oder zur anderweitigen Zuführung eines differentiellen oszillierenden Drucks zu einer Last.

Es sind bereits verschiedene thermisch angetriebene Kolbenanordnungen mit einem oder mehreren freien oder halbfreien Kolben angegeben worden, in denen ein Gas oder ein anderes kompressibles strömendes Medium abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt wird, um einen pulsierenden Strömungsmediumdruck zum Pumpen eines strömenden Mediums oder zum anderweitigen Antrieb einer durch ein Strömungsmedium angetriebenen Last zu erzeugen. Ein künstliches Herz, ein linearer Stromgenerator mit freiem Kolben, ein durch ein Strömungsmedium angetriebener Rotationsmotor zum Antrieb eines Rotations-Stromerzeugers und eine Strömungsmedium-Pumpe für Kühlzwecke sind Beispiele für Anwendungen oder Lasten derartiger Vorrichtungen.

Vorrichtungen der vorgenannten Art sind in den US-PS Re 27 740, 3 767 325, 3 782 859, 3 807 904, 3 899 888 und 4 012 910 beschrieben. Bei bestimmten Ausführungsformen dieser Vorrichtungen wird der freie Kolben durch ein Strömungsmedium angetrieben, das in einer Verzögerungsheizkammer erhitzt wird. Auf diese Weise 1st eine sehr einfache Auslegung eines Thermokompressors mit einem einzigen freien Kolben als einziges sioh bewegendes Teil möglich. In Sterling-Vorrichtungen (welche beispielsweise in den obengenannten US-PS 3 767 325 und 3 782 859 beschrieben sind) 1st eine Vereinfachung in dem Sinne möglich, daß die Verzögerungs-Heizkammer, welche hinter einem einen Wärmespeicher enthaltenden Zylinder-Nebenschluß vorgesehen ist, nicht nur zur verzögerten Aufheizung zwecks Antriebs des freien Kolbens"" während dessen Rücklauf sondern auch als Stirling-Heizkammer zur Aufheizung des durch den Nebenschluß in das heiße Ende

809809/1012

des Zylinders während des Freilaufs des Kolbens dient.

Da sich die Verzögerungs-Heizkammer Jedoch hinter dem Nebenschluß befindet, ist es bei Stirling-Vorrichtungen möglicherweise schwierig, das gesamte strömende Medium, das durch den Nebenschluß in das heiße Ende des Zylinders strömt, in die Verzögerungs-Heizkammer zu bringen und durch diese strömen zu lassen, um in dieser aufgeheizt zu werden, während sich der Kolben im Nebenschlußbereich des Zylinders nach oben bewegt. Daher kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung schlecht und die Ausgangsleistung klein sein. Es ist bereits in Betracht gezogen worden, dieses Problem teilweise durch verschiedene Dimensionierungsmerkmale zu lösen. Dabei handelt es sich u.a. um die Anordnung der heißen Nebenschlußleitung unter einem Winkel gegen die Heizkammer-Einlaßöffnung, so daß der DUseneffekt der heißen Nebenschlußleitung das strömende Medium, das in einer Heizkammer-Einlaßöffnung einer Heizkammer-Einlaßleitung eintritt, in einem definierten Strom zu halten sucht. Das Strömungsmedium fließt dann in die Heizkammer hinein und durch diese hindurch und wird über eine Helzkammer-Auslaßleitung zum heißen Ende des Zylinders zurückgeführt. Dabei wird jedoch das strömende Medium duroh den Strömungswiderstand in der Heizkammer und deren Einlaß- und Ausgangsleitung geringfügig verzögert. Weiterhin kann der Strom des strömenden Mediums, das im heißen Ende des Zylinders gegen die Einlaßöffnung strömt, aufgeweitet und diffuser werden, was u.a. von der Trägheit und dem Diffusionsvermögen des strömenden Arbeltsmediums abhängt. Der nur beschränkt wirksame DUseneffekt kann im Zusammenwirken mit dem Strömungswiderstand dazu führen, daß ein wesentlicher Teil des strömenden Mediums nicht in die Einlaßöffnung und damit in die Heizkammer eintritt. Beispielsweise kann die Heizkammer-Einlaßöffnung in der Zylinderseitenwand oder in einer ebenen __ Abschlußwand und in bezug auf die heiße Nebenschlußleitung etwa auf der gegenüberliegenden Seite der Zylinderachse liegen, d.h., sie liegt in einem Abstand von der heißen Nebenschlußleitung,

809809/1012

welche etwa gleich einem Zylinderdurchmesser 1st.

Unter Berücksichtigung der vorstehend erläuterten Zusammenhänge 1st es daher zweckmäßig, den Abstand zwischen der heißen Nebenschlußleitung und der Heizkammer-Einlaßöffnung wesentlich zu verringern, so daß für ein gegebenes strömendes Arbeitsmedium ein wesentlich größerer Teil des aus der heißen Nebeneohlußleitung austretenden strömenden Mediums in die Heizkammer eintritt und diese durchströmt, während sich der Kolben im Nebenschlußberelch des Zylinders nach oben bewegt, wodurch die Druokzunahme während dieses Teils des Zyklus des Thermokompressors verstärkt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Thermokompressor mit frei oszillierendem Kolben anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Thermokompressor der in Rede stehenden Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

Einen Zylinder, in den ein freier Kolben derart eingepaßt ist, daß er bei seiner Hin- und Herbewegung zwischen einem Heißen und einem kalten Zylinderende eine gleitfähige Dichtung mit dem Zylinder bildet,

einen Zylinder-Nebenschluß, der für einen Teil des Zylinders eine Nebenleitung bildet, so daß ein kompressibles strömendes Medium bei freier Bewegung des Kolbens in gegenläufigen Richtungen zwischen den Zylinderenden abwechselnd zwischen dem heißen und kalten Ende des Zylinders hin- und herströmen kann,

eine einen Wärmespeicher enthaltende Einrichtung Im Zylinder-Nebenschluß zur Abkühlung des in das kalte Zylinderende fließenden strömenden Mediums und zur Aufheizung des in das heiße Zylinderende fließenden strömenden Mediums, wodurch eine zyklische

809809/1012

Strömungsmedium-Druckänderung zum Antrieb einer Last erzeugt wird,

eine hinter dem Zylinder-Nebenschluß vorgesehene Heizkammer als Teil einer Heizeinrichtung, welche mit dem heißen Ende des Zylinders über eine Heizkammer-Einlaßöffnung im heißen Ende des ZyIin· ders kommuniziert,

eine Aufeinanderfolge des Wärmespeichers, einer heißen Nebenschlußleitung und einer in der. Seltenwand des Zylinders vorgesehenen heißen Nebenschlußöffnung im Zylindernebenschluß, wodurch das über die heiße Nebenschlußöffnung aus dem heißen Ende des Zylinder-Nebenschlusses austretende Strömungsmedium während des ersten Teils des Oszillationszyklus, während dem der Kolben sich im Nebenschlußbereich des Zylinders gegen das kalte Zylinderende bewegt, in einem definierten Strom in das heiße Zylinderende strömt,

eine Einrichtung zu einer solchen Einstellung und Ausrichtung der heißen Nebenschlußleitung und der Heizkammer-Einlaßöffnung relativ zueinander und relativ zum heißen Ende des Zylinders, daß der Durchtritt des über die Heizkammer-Einlaßöffnung in die Heizkammer eintretenden strömenden Mediums zwecks dessen Aufheizung in der Heizkammer während des ersten Teils des Oszillationszyklus erleichtert wird,

ein Abblocken der heißen Nebenschlußöffnung durch den Kolben während eines RUoklaufteils des Oszillationszyklus, wobei das strömende Medium komprimiert und vom heißen Zylinderende zwecke Aufheizung in die Heizkammer gedrückt wird, um zu expandieren und den Kolben gegen das kalte Zylinderende zu treiben,

eine Einrichtung zur Umkehrung der Kolbenbewegung am kalten Zylinderende,

809809/1012

und eine Vorrichtung in der Einstell- und Ausrichteinrichtung zur Einstellung der Heizkammer-Einlaßöffnung im heißen Ende des Zylinders an einer solchen Stelle, daß ihr Abstand von der heißen Nebenschlußöffnung gleich einem kleinen Bruchteil des Radius des Zylinders ist, wodurch der Durchtritt des strömenden Mediums in die Heizkammer weiter erleichtert und damit die Aufheizung des strömenden Mediums während des ersten Teils des Oszillationszyklus verstärkt wird.

Im vorstehend definierten Thennokompressor führt der freie Kolben eine oszillatorische Bewegung zwischen dem heißen und dem kalten Zylinderende aus, wobei sich diese beiden Enden an der Unter- und Oberseite des Zylinders befinden, wenn dieser zur Vermeidung von mechanischer Reibung vertikal angeordnet wird. Der einen axialen Teil des Zylinders überbrückende Nebenschluß enthält einen Wärmespeicher und eine Kühlkammer, wobei die letztere über der ersteren angeordnet ist. Außerhalb des Nebenschlusses ist eine Verzögerungs- Heizkammer vorgesehen, welche mit dem Bodenteil bzw. dem heißen Ende des Zylinders kommuniziert. Die abwechselnde Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kolbens im Nebenschlußbereich treibt Gas abwärts und aufwärts durch den Nebenschluß, wodurch eine abwechselnde Aufheizung und Abkühlung des Gases erfolgt und damit eine zyklische Druckvariation erzeugt wird, welche zum Antrieb einer Last ausnutzbar ist. Durch den Kolben hinter dem Nebenschluß am oberen und unteren Ende des Zylinders gefangenes Gas bildet gasförmige Kompressionsfedern, welche zur Umkehr der Kolbenbewegung dienen. Die Verzögerungs-Heizkammer heizt das Gas im unteren Kompressionsraum auf, wodurch der Kolben mit ausreichender Energie zur Aufrechterhaltung der Oszillation nach oben getrieben wird. Nach unten durch den Nebenschluß strömendes Gas wird bei Bewegung des Kolbens durch den Nebenschlußbereich des Zylinders nach oben in einem Strom in _ das heiße Ende des Zylinders geführt, wobei dieser Strom über die Heizkammer-Einlaßöffnung in die Heizkammer gerichtet ist.

809809/1012

Das erhitzte Gas strömt frei in das heiße Ende des Zylinders zurück» während sich der Kolben noch aufwärts bewegt.

Im Gegensatz zu bisherigen Vorschlägen ist die Heizkamraer-Einlaflöffnung In einem Abstand von der heißen Nebenschlußleitung angeordnet, welcher gleich einem kleinen Bruchteil des Zylinderradius ist. Dies wird durch eine becherförmige Ausbildung des Kolbens ermöglicht, dessen offenes Ende nach unten gerichtet ist, so daß der Kolben mit dem die Heizkammer-Einlaßöffnung oder die Heizkammer-Einlaßleitung bildenden Elementen körperlich in Kontakt gelangen kann. Diese Teile liegen im hohlen Teil des Kolbens, während dieser am unteren heißen Ende des Zylinders seine Bewegungsrichtung umkehrt. Die Heizkammer-Einlaßleitung ist daher bis in das Volumen des Zylinderabschnittes gerichtet, der durch die Innenfläche der Kolbenseitenwand definiert wird, während der Kolben im unteren Bereich seines Hubes am weitesten vom kalten Ende des Zylinders entfernt ist. Damit kann die Heizkammer-Einlaßöffnung sehr nahe an der heißen Kebensohlußöffnung heißen Nebenschlußleitung angeordnet werden, wobei lediglich eine Trennug durch den dünnwandigen Teil der Kolbenseitenwand vorhanden ist. Unabhängig von der Wahl des strömenden Arbeitsaediums kann daher praktisch das gesamte strömende Arbeitsmedium, das während der Wegbewegung des Kolbens vom heißen Ende des Zylinders über die heiße Nebenschlußöffnung in das heiße Ende des Zylinders strömt, auch über die Heizkammer-Einlaßöffnung und die Heizkammer-Einlaßleitung in die Heizkammer strömen, um in dieser aufgeheizt zu werden, während sich der Kolben noch vom heißen Ende des Zylinders wegbewegt.

Beim erfindungsgemäßen Thermokompressor ist also die Heizkammer-Einlaßöffnung weit näher an der heißen Nebenschlußöffnung angeordnet, um während der Aufwärtsbewegung des freien Kolbens eine größere Menge an strömendem Medium, das aus der heißen Nebenschlußleitung ausströmt und in das heiße Ende des Zylinders einströmt, einzufangen und aufzuheizen.

809809/1012

Der frei oszillierende Kolben ist an seiner unteren heißen Seite konkav ausgebildet, um während der Rücklaufphase des Oszillationszyklus einen unnötigen Kontakt zwischen dem Kolben und der Heizkammer-Einlaßleitung zu vermeiden, welche in das Bewegungsvolumen hineinreicht, das durch den durch die konkav· Kolbenfläche gebildeten KoIbenhohlraum definiert ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist an der heißen Absohlußwand des Zylinders ein vorspringender Ansatz vorgesehen, welcher die Einlaßleitung der Verzögerungsheizkammer enthält.

Die Einlaßleitung und die Einlaßöffnung der Heizkammer liegen näher an der Zylinderachse als die Kolbenseitenwand, wobei die Kolbenseitenwand als Hülse wirkt, welche die Einlaßöffnung und die Einlaßleitung während eines kleinen Teils des Oszillationszyklus umgibt, wodurch die Einlaßöffnung und die Einlaßleitung sehr nahe an der heißen Nebenschlußöffnung des Zylinder-Nebenschlusses angeordnet werden können, ohne daß die Einlaßleitung durch den Kolben beeinträchtigt wird. Damit wird die Kolbenbewegung nicht behindert, wodurch das im Nebenschluß nach unten strömende Gas wirksamer erhitzt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Pig. der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Flg. 1 einen teilweise geschnittenen Aufriß eines erfindungsgemäßen Stirling-Thermokompressors mit freiem Kolben; und

Fig. 2 eine Teilansicht der Ausführungsform nach Fig. 1 mit einer anderen möglichen Leitungsführung zur Erleichterung der Umkehr der Kolbenbewegung und der verzögerten Aufheizung bei Vermeidung einer Übersteuerung des Kolbens.

809809/1012

Fig. 1 zeigt einen geschlossenen Zylinder 1 mit einer Seitenwand 2 kreisförmigen Querschnittes sowie mit Abschlußwänden 3 und 4 am oberen und unteren Zylinderende. Die untere heiße Abschlußwand 4 mit einem einstückig an ihr vorgesehenen vorspringenden Ansatz 5 versehen, welcher als starres zylindrisches Teil ausgebildet sein kann und auf einer kurzen Strecke axial nach oben gegen das kalte Ende des Zylinders gerichtet ist. Im Zylinder 1 ist ein freier, becherförmig ausgebildeter Kolben 6 vorgesehen, dessen offenes Ende-nach unten gerichtet ist, so daß er sich etwa bis zum Boden des Zylinders bewegen kann, ohne mit dem Ansatz 5 in Kontakt zu treten. Ein Kolbenseitenwand 7 bildet eine lose gleitende Dichtung mit der Innenfläche der Zylinderseitenwand 2, so daß die Bildung eines Differenzdrucks in Axialrichtung über dem Kolben 6 erleiohtert wird. Der Kolben oszilliert zwischen dem heißen und kalten Ende des Zylinders an seiner Unter- bzw. Oberseite und trennt diese Bereich voneinander.

Am Zylinder 1 ist ein Nebenschluß 10 vorgesehen, welcher einen Teil und nur einen Teil der axialen Länge des Zylinders überbrückt. Dieser Nebenschluß erleichtert die freie Bewegung des Kolbens zwischen den Umkehrkammern an den sich gegenüberliegenden Enden des Zylinders sowie die abwechselnde externe Aufheizung und Abkühlung des strömenden Arbeitsmediums während zweier Bewegungsabschnitte des Oszillationszyklus. Der Zylinder-Nebenschluß 10 enthält in Folge eine kalte Nebensohlußöffnung 11 in der Zylinderseitenwand im kalten Ende des Zylinders, eine kalte Nebenschlußleitung 12, eine Kühlkammer 13, eine Leitung 14, einen Wärmespeicher 15 sowie eine unter einem Winkel verlaufende heiße Nebenschlußleitung 16, welche in einer heißen Nebenschlußöffnung 17 in der Zylinderseitenwand 2 am heißen Ende des Zylinders endet. Der Nebenschluß 10 ermöglicht ein Abwärtsfließen eines Gases oder eines anderen strömenden Arbeitsmediums vom kalten Ende des Zylinders zu dessen heißem Ende, während der ~"~* Kolben sich im Nebenschlußbereich des Zylinders nach oben bewegt. Dieser Aufwärtsbewegungs-Abschnitt des Oszlllationszyklus

809809/1012

kann willkürlich als erster Bewegungsabschnitt des Zyklus der Kolbenoszillations betrachtet werden.

Der Düseneffekt der unter einem Winkel verlaufenden heißen Nebenschlußleitung 16 bewirkt, daß das über die öffnung 17 aus dem heißen Ende des Nebenschlusses austretende Gas in einem definierten Strom in das heiße Ende des Zylinders eintritt, welcher über einen den Ansatz 5 umgebenden ringförmigen Bereich 18 durch die heiße Nebenschlußleitung in einer Heizkammer-Einlaßöffnung 20 gerichtet wird. Die Haupt-Strömungsachse der heißen Nebenschlußleitung verläuft etwa durch das Zentrum der Einlaßöffnung 20. Die durch die zylindrische Außenfläche 9 des Ansatzes 5 definierte Einlaßöffnung 20 liegt sehr nahe an der heißen Nebenschlußöffnung 17. Der Oasstrom verläuft sodann durch eine Heizkammer-Einlaßleitung 21 durch einen Teil des Ansatzes 5 in eine Heizkammer 24. Diese Heizkammer 24 kommuniziert über die Heizkammer-Einlaßleitung 21 mit dem heißen Ende des Zylinders.

Die Heizkammer-Einlaßleitung 21 verläuft von der Heizkammer 24 in den Ansatz 5 und endet in der Heizkammer-Einlaßöffnung 20 in der Zylinderaußenfläche des Ansatzes, wodurch sie mit dem heißen Zylinderende über die Einlaßöffnung 20 kommuniziert. Die Offnungen 17 und 20 sind relativ zueinander und relativ zum Zylinder so angeordnet, daß eine die Zylinderachse enthaltende und durch das Zentrum einer der Offnungen verlaufende Ebene durch das Zentrum der anderen Öffnung verläuft, wobei darüber hinaus die Hauptströmungsachsen der Leitungen 16 und 21 im Bereich der Offnungen 17 und 20 ebenfalls in der gleichen Ebene liegen.

Die Heizkammer 24, welche durch einen Heizstab bzw. ein Heizrohr 25 von außen geheizt wird, besitzt scheibenförmige Heizrippen 26 mit zwischen diesen liegenden Oasdurchlässen 27 zur Aufheizung_ des über die Heizkammer-Einlaßleitung 21 in die Kammer 24 fließenden Oasstroms. Zur Erleichterung des Eintritts und der Aufheizung dieses Gases in der Heizkammer ist eine Heizkammer-

809809/1012

Auslaßleitung 28 so angeordnet, daß das Gas in der Heizkammer nach oben über diese Leitung 28 durch den Ansatz 5 und zurück in das heiße Ende des Zylinders unter den Kolben strömen kann. Die Auslaßleitung 28 endet in einer öffnung 29 in einer oberen Horizontalfläche 30 des Ansatzes 5.

Die Innenfläche der Außenwand der Verzögerungs-Heizkammer 24 besitzt einen Steg 31* der wie ein Teil eines Kolbenrings geformt ist und auf einem Teil der Innenseite der Heizkammer gegenüber einer der Rippen 26 im mittleren Bereich des Heizrippensatzes verläuft. Dieser Steg 31 und die ihm benachbarte Heizrippe engt den Gasstromweg in der Heizkammer so ein« daß sich dieser Strom teilt und in Fig. 1 gesehen, nach unten über die auf der rechten Seite der Heizkammer vorgesehene Heizrippen strömt, wonach er auf der linken Seite der Heizkammer nach oben in die Auslaßleitung 28 strömt, welche das geheizte Gas in das heiße Ende des Zylinders zurückführt, während sich der Kolben noch nach oben bewegt. Der Steg 31 erzeugt daher eine größere und gleichförmigere Weglänge für das durch die Heizkammer strömende Gas, wodurch während des ersten Bewegungsabschnittes des Oszillationszyklus die Wärmeübertragung auf das durch die Heizkammer strömende Gas vergrößert wird. Die Aufheizung des Gases im Wärmespeicher und in der Heizkammer bewirkt eine Druckzunahme im heißen und kalten Zylinderende sowie im Nebenschluß, wodurch über eine Lastöffnung 33 und eine. Lastleitung 3^ ein Strom kühlen Gases aus dem Thermokompressor zu einer nicht dargestellten Last hervorgerufen wird. Die Lastöffnung 33 liegt in der oberen Zylinderseitenwand gegenüber der kalten Nebenschlueöffnung 11, d.h., diese beiden öffnungen liegen im kalten Ende des Zylinders, vorzugsweise in derselben Querebene senkrecht zur Längsachse des Zylinders.

Der Kolben bewegt sich weiter aufwärts, bis seine Seitenwand sich über die öffnungen 11 und 33 bewegt und sie damit blockiert, wodurch der Strom im Nebenschluß und in der Lastleitung blockiert

809809/1012

- Iß -

wird. Damit endet der erste Bewegungsabschnitt des Oszillationszyklus wonach eine Umkehr der Bewegung im Oszillationszyklus im kalten Bereich erfolgt. Das oberhalb des Kolbens gefangene kalte Gas im kalten Ende des Zylinders wirkt als Kompressionsfeder auf das kalte Ende bzw. die kalte Fläche des Kolbens, so daß die Aufwärtsbewegung des Kolbens gestoppt und eine Umkehr der Kolbenbewegung vom kalten Ende des Zylinders zum heißen Ende des Zylinders erfolgt, d.h.,das Volumen des kalten Endes des Zylinders nimmt nicht mehr ab und beginnt zuzunehmen.

Wenn sich die Bewegungsrichtung des Kolbens nach unten umkehrt, gibt seine Seitenwand 7 die kalte Nebenschlußöffnung 11 und die Lastöffnung 33 frei, wodurch der kalte Umkehrabschnitt des Oszillationszyklus endet und der zweite Bewegungsabschnitt des Oszillationszyklus beginnt. Wenn sich der Kolben durch den Nebenschlußbereich des Zylinders nach unten bewegt, wird heißes Gas vom heißen Ende des Zylinders durch den Wärmespeicher und die Kühlkammer im Nebenschluß in das kalte Ende des Zylinders gedrückt. Die daraus resultierende Abkühlung des heißen Gases im Wärmespeicher und in der Kühlkammer bewirkt eine Druckabnahme im heißen und kalten Zylinderende sowie im Nebenschluß, welche kühles Gas über die Lastleitung 34 und die öffnung 33 von der Last in das kalte Ende des Zylinders zieht. Der Wärmespeicher verstärkt die Amplitude des oszillierenden Drucks, da er während Jedes Oszillationszyklus Wärme aus dem Gas speichert und an das Gas abgibt, wodurch der Wirkungsgrad des Thermokompressors erhöht wird. Im Wärmespeicher bildet sich in vertikaler Aufwärtsrichtung ein negativer Temperaturgradient aus. Während des Oszillationszyklus schwankt die mittlere Temperatur des Wärmespeichers und die Größe des Temperaturgradienten ebenfalls aufwärts und abwärts. . —

Während der Kolben sich weiter nach unten bewegt, wirkt ein zylinderförmiger dünnwandiger Absohnitt 37 der Kolbenseiten-

809809/1012

wand 7 als Hülse, welche sich Über den Ansatz 5 bewegt und in den ringförmigen Bereich 18 eintritt, der durch den Ansatz und die Zylinderseitenwand am heißen Ende des Kolbens gebildet wird. Wenn der dünnwandige Abschnitt 37 der Kolbenseitenwand 7 über die heiße Nebenschiuflöffnung 17 läuft und diese blockiert, wodurch wiederum der Gasstrom im Nebenschluß blockiert wird, ist der zweite Bewegungsabschnitt des Oszillationszyklus beendet und es beginnt eine heiße Bewegungs-Umkehrphase des Oszillationszyklus. Während dieser Phase des Zyklus läuft der Kolbenabschnitt 37 zwischen der heißen Nebenschlußöffnung 17 und der Heizkammer-Einlaßöffnung 20. Die heiße Bewegungsumkehr wird dadurch hervorgerufen, daß der Kolben Gas im heißen Ende des Zylinders zwischen sich und der ZyIInder-Abschlußwand 4 sowie in der Heizkammer 24 fängt und komprimiert, wobei dieses Gas eine heiße Gas-Bewegungsumkehr-Kammer bildet. Diese Kammer umfaßt die Heizkammer 24, ihre Einlaß- und Ausgangsleitung 21 und 28, den Zylinderbereich oberhalb des Ansatzes 5 und unterhalb des dickwandigen festen zentralen Abschnittes 39 des Kolbens, den nicht vom Kolbenabsohnltt 37 eingenommenen Teil des ringförmigen Bereiches 18 sowie eine möglicherweise vorgesehene kurze Leitung 41, welche den ringförmigen Bereich 18 mit der Heizkammer-Auslaßleitung 28 Im Ansatz 5 verbindet.

Die kurze Leitung 41 kann zweckmäßig sein, um Gas im unteren Teil des ringförmigen Bereiches zu fangen, wodurch eine Übersteuerung des Kolbens vermieden wird, bei welcher er am Ansatz oder am Boden des Zylinders, d.h. an der heißen Abschlußwand 4 anstoßen könnte. Iat die Leitung 41 zu diesem Zweck vorgesehen, so muß wenigstens im unteren Teil des ringförmigen Bereiches 18 eine gewisse Dichtung zwischen der Innenfläche des dünnwandigen Abschnittes 37 des Kolbens und der Außenfläche 9 des Ansatzes vorhanden sein. Diese Dichtung muß jedoch bei weiten nicht so gut sein wie die Dichtung zwischen Kolben und Zylinder, da der untere Teil des ringförmigen Bereiches unter der Leitung 41 für eine kleine Bewegungsumkehr-Kammer als steife Konpresslons-

809809/1012

feder wirkt, um eine überschüssige Bewegung des Kolbens unter der Leitung 41 zu dämpfen. Aus diesem Grund muß der Präszisionsgrad der Durchmesser, der Kreisförmigkeit und der Konzentrizltät der Außenfläche 9 des Ansatzes und der Innenfläche des dünnwandigen Abschnittes 37 des Kolbens sowohl auf absoluter Basis als auch in bezug aufeinander oder In bezug auf die Innenfläche der zylindrischen Seitenwand nicht groß sein. Darüber hinaus muß zwischen dem Ansatz und des Kolbenabschnittes 37 keine Gleitdichtung vorhanden sein, da das Einfangen von Gas in der heißen Bewegungsumkehr-Kanuner selbst ausreichen kann, um eine Übersteuerung des Kolbens bei variabler Last für den Thermokompressor zu vermeiden.

In einem frühen Abschnitt der heißen Bewegungsumkehrphase des Oszillationszyklus komprimiert der Kolben relativ kühles Gas und drückt es vom heißen Ende des Zylinders über die Leitungen 28 und 41 und/oder 21 In die Heizkammer 24. Die Heizkammer ist gemäß thermischen Verzögerungsprinzipien ausgebildet, um das Gas während der heißen Bewegungsumkehrphase des Oszillationszyklus kontinuierlich aufzuheizen, wodurch der Gasfedereffekt verstärkt wird, um den Kolben mit einer Geschwindigkeit und einer kinetischen Energie, die zur Aufrechterhaltung der Oszillation ausreicht, gegen das kalte Zylinderende zu treiben. Die Heizkammer sowie möglicherweise einige andere Flächen, wie beispielsweise die Oberfläche des Ansatzes und der In Ihm befindlichen Leitungen geben während der heißen Bewegungsumkehr-Phase eine ausreichende thermische Energie ab, so daß die kinetische Energie des Kolbens am Ende der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus ausreichend größer als seine kinetische Energie am Beginn dieser Phase ist, wodurch die Kolbenoszillation trotz geringer Reibungs-, thermischer. Vibrations- und Pumpverluste aufrechterhalten bleibt. Wäre dies nicht der Fall, so würden diese Verluste die Kolbenbewegung nach und nach stoppen.

809809/1012

Eine der Oründe dafür, warum das wegen der heißen Bewegungsumkehr-Phase In die Heizkammer gedrückte Gas relativ kalt« d.h., kälter als die Rippen 26 der Heizkammer 1st, beruht darauf, daß das während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus nach unten in den Nebenschluß gedrückte Gas niemals durchgehend und vollständig in der Heizkammer aufgeheizt wird. Ein weiterer Grund ist darin zu sehen, daß eine geringfügige unvermeidbare Abkühlung des Gases im heißen Ende des Zylinders an den Innenwänden des Kolbens und des Zylinders erfolgt. Da jedoch das Verhältnis von Fläche zu Volumen im heißen Zylinderende klein ist, 1st auch diese Abkühlung entsprechend klein. Ein zusätzlicher Grund, warum das Gas relativ kalt 1st, besteht darin, daß im Thermokompressor unter Last aufgrund der Abkühlung des Gases, das bei Abwärtsbewegung des Kolbens im Nebenschluß nach oben strömt, ein Druckabfall vorhanden 1st. Dieser Druckabfall während der zweiten Bewegungsphase des Oszillationszyklus bewirkt einen im wesentlichen adiabatischen Temperaturabfall des größten Teils des Gases im heißen Ende des Zylinders, so daß das Gas unmittelbar vor der heißen Bewegungsumkehr-Phase relativ kalt wird. Damit wird der thermisch verzögerte Antrieb des Kolbens in der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus durch die Verzögerungs-Heizkammer 24 erleichtert und verstärkt.

Ein thermisch verzögerter Antrieb des freien Kolbens ist in der ÜS-PS j$ 807 904 beschrieben. Im Thermokompressor gemäß vorliegender Erfindung spielt die Heizkammer 24 jedoch eine doppelte Rolle. Während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus wirkt sie näherungsweise als gewöhnliche Stirling-Heizkammer, während sie während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus als Verzögerungs-Heizkammer wirkt. Es ist daher zu erwarten, daß die optimale Ausgestaltung in ~~ einem Kompromiß zwischen der optimalen Lösung für die beiden Arten von Kammern unter speziellen Betriebsbedingungen liegt.

809809/1012

Der in seiner Bewegungsrichtung umgekehrte Kolben 6 wird durch das geheizte Gas, das in der Heiζkammer expandiert und aus der Heizkammer über die Leitungen 21 und 41 und/oder 21 austritt nach oben getrieben, bis seine Seitenwand die heiße Nebenschlußöffnung 17 freigibt, wonach die heiße Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus endet und die erste Bewegungsphase des nächsten Zyklus der Kolbenoszlllations beginnt, wobei das Gas wiederum durch den Nebenschluß nach unten strömt, um im Wärmespeicher und weiterhin in der Heizkammer aufgeheizt zu werden.

Die Anordnung kann durch einen einzigen Druckimpuls des Arbeitsgases, der unter dem Kolben zur Wirkung gebracht wird, gestartet werden, wobei der Kolben durch den auf seine Unterseite bzw. seine heiße Seite wirkenden Impuls nach oben getrieben wird. Ein Starter 45, welcher über eine Leitung 46 mit der Heizkammer 24 verbunden 1st, dient als Quelle für derartige Gasdruckimpulse. Das Gas für den Startirapuls kann vom Bereich oberhalb des Kolbens abgezogen werden. Ein ausreichend starker, oberhalb des Kolbens wirkender Saugimpuls kann ebenfalls für den Start der Kolbenoszillations herangezogen werden.

Die heiße Nebenschlußleitung 16 verläuft unter einem Winkel gegen das heiße Ende des Zylinders, wodurch der aus der Austrittsöffnung 17 austretende definierte Arbeitsmediumstrom eine Geschwindigkeitskomponente besitzt, welche parallel zur Zylinderachse in Richtung vom kalten Ende zum heißen Ende des Zylinders (in Pig. 1 gesehen nach unten) verläuft. Handelt es sich dabei um einen spitzen Winkel relativ zu einer Normalen zur Zylinderachse, so kann der Abstand zwischen den Zentren der heißen Nebenschlußöffnung 17 und der Heizkammer-Einlaßöffnung 20 etwa das 2- bis 3-fach der Wanddicke des dünnwandigen Abschnittes 37 der Kolbenseitenwand betragen. Dieser Abstand ist gleich einem kleinen Bruchteil des Radius des Zylinders.Wird die Lei^ tung 16 nicht in einem sehr spitzen Winkel geführt, wo ist der Abstand zwischen den öffnungen 17 und 20 etwa gleich dem 1-bis 2-fachen der Dicke des Kolbenabschnitts 37. Der Winkel des

809809/1012

Nebenschlusses 1st jedoch wahlfrei; 1st die Leitung 16 überhaupt nicht winklig angeordnet, wobei die HauptStromachse senkrecht zur Zylinderachse verläuft, so kann der Abstand zwischen den Offnungen 10 und 20 etwa gleich der Wanddicke des Kolbenabschnittes 37 sein. Da die Wanddicke des Kolbenabschnittes kleiner als 1/10 des Radius des Zylinders 1 sein kann, wird ersichtlich, daß der Abstand zwischen den Öffnungen 17 und 20 etwa gleich 1/10 oder um eine Größenordnung kleiner als der Zylinderradius sein.kann, wobei für praktisch alle strömenden Arbeitsmedien das gesamte, aus der Öffnung 17 austretende strömende Medium während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus aufeinanderfolgend durch den ringförmigen Bereich 18, in die Heizkammer-Einlaßöffnung, durch die Heizkammer-Einlaßleltung 21 und in die Heizkammer 24 strömt, um in dieser während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus aufgeheizt zu werden. Der größte Teil des strömenden Mediums fließt während dieser ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus über die Leitung 28 in das heiße Ende des Zylinders zurück. Dieses Ein- und Ausströmen in die bzw. aus der Heizkammer wird durch geeignete Einstellung und Ausrichtung der Leitungen 16 und 21 sowie der Offnungen 17 und 20 einschließlich der Ausrichtung der Hauptstromachse des Teils der Leitung 21 im Bereich der Öffnung 20 zur Hauptstromaohse der Leitung 16 erleichtert.

Anstelle der vertikalen Ausrichtung der Zylinderachse gemäß Fig. mit an der Unterseite des Zylinders angeordneter Heizkämmer, wobei die Reibung zwischen Kolben und Zylinder minimal gehalten und das Starten der Anordnung erleichtert wird, sind auch andere Orientierungen der Anordnung möglich.

Durch den erfindungsgemäßen Thermokompressor können verschiedenartige Lasten angetrieben werden. Ein Beispiel ist ein linearer Stromgenerator mit freiem Kolben, welcher durch den osz!liierenden Druok in der Leitung 34 angetrieben wird. Ein weiteres

809809/1012

Beispiel ist ein Rotationsmotor, welcher einen konventionellen Rotations-Stromgenerator antreibt. An die Leitung Jk können zwei Regulierventile sowie ein Hochdruck- und ein Niederdruck-Speichertank angeschlossen werden, um einen stationären Differenzdruck zum Antrieb des Rotationsmotors zu erzeugen. Der Thermokompressor kann beispielsweise durch Solarenergie, durch Abfackelflammen bei Bodenschatzgewinnung, durch Abwärme, durch brennenden Müll oder durch andere Wärmequellen ausreichender Temperatur mit Leistung versorgt werden. Ein Wechselstromgenerator kann dabei Wechselstrom oder Gleichstrom für Häuser, Fahrzeuge, motorgetriebene Wasserpumpen in fern liegenden Bereichen oder für andere Arten von Lasten liefern.

Die Dicke des ringförmigen Bereiches 18 ist gleich der Differenz der Radien der Innenfläche der Zylinderseitenwand und der zylindrischen Außenfläche 9 des Ansatzes 5» Wie oben ausgeführt» muß diese Dicke lediglich um so viel größer als die Dicke des dünnwandigen Kolbenabschnittes 37 sein, wobei ein solches Spiel gewährleistet ist, daß der Abschnitt 37 nicht mit dem Ansatz in Kontakt tritt oder eine unzulässige Reibung im ringförmigen Bereich 18 erfährt. Die Dicke des ringförmigen Bereiches muß daher lediglich gleich einem kleinen Bruchteil des Radius des Zylinders sein, wobei seine Abmessung den Durchtritt des Strömungsmediums von der öffnung 17 In die öffnung 20 bei minimalem Verlust an Strömungsmedium aus dem Strom erleichtert. Um den Durchtritt des strömenden Mediums welter zu erleichtern, ist die öffnung 20 geringfügig größer als die öffnung 16, während der Durchmesser der Leitung 21 geringfügig größer als der Durchmesser der Leitung 16 ist, wobei der Strom von der heißen Nebenschlußleitung bei seinem Durchtritt durch den ringförmigen Bereich geringfügig difundieren kann und dennoch in die Heizkammer-Einlaßöffnung und die Heizkammer-Einlaßleitung eintrit.t, um bei seinem Durchlauf durch die Heizkammer während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus aufgeheizt zu werden.

809809/1012

Das strömende Arbeltsmedium kann ein Gas, wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium oder ein anderes kompressibles strömendes Medium sein. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, ein Wasser-Luft-Geraiseh zu verwenden, wenn - neben anderen Faktoren ausreichend Luft in das Wasser gebracht werden kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Thermokompressors, insbesondere des relativ kurzen Abstandes zwischen der heißen Nebenschlußöffnung und der Heizkammer-Einlaßöffnung gelten die obigen Ausführungen hinsichtlich des vollständigen Durchtritts des strömenden Mediums vom Nebenschluß in die Heizkammer während ■ der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus, unabhängig von der Wahl des strömenden Arbeltsmediums.

Im weiten Sinne kann der erfindungsgemäße Thermokompressor bzw. Energiekonverter als Stirkling-Anordnung betrachtet werden, da er zur Erzeugung einer zyklischen Druckänderung zwecks Arbeitsleistung auf eine Last ein strömendes Arbeltsmedium abwechselnd und regenerativ aufheizt und abkühlt. Der tatsächliche thermodynamische Zyklus hängt jedoch von der speziellen Auslegung und den Betriebsbedingungen einschließlich der Natur des strömenden Arbeitsmediums und der Last ab, so daß generell auch eine Abweichung von einem wahren Stirling-Zyklus zu erwarten ist.

Da die Heizkammer-Einlaß- und -Ausgangsleitung getrennt In das heiße Ende des Zylinders münden, tritt das während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus von der Heizkammer über die Auslaßöffnung in das heiße Ende des Zylinders strömende Gas nicht mit dem vom heißen Ende des Zylinder-Nebenschlusses In die Heizkammer strömende Medium in Wechselwirkung. Dies trifft auch noch zu, wenn der größte Teil des Ansatzes entfernt wird, so daß nur noch zwei dünnwandige, als Heizkammer-Einlaß- und -Auslaßleitung dienende Rohre verbleiben. Bei einer derartigen Strukturänderung besteht Jedoch die Tendenz zur Vergrößerung des Totvolumens im heißen Ende des Zylinders, so daß beispielsweise das vom Kolben nicht entfernte Gas nicht mehr nutzbar ist, wodurch der Maschinenwirkungsgrad verkleinert wird und für

809809/1012

eine gegebene Last eine Vergrößerung der Abmessungen erforderlich ist. Eine derartige Strukturänderung ist möglich, wobei es jedoch schwieriger ist, den Kolben so zu gestalten, daß das heiße Ende des Zylinders entleert wird und ein großer Prozentsatz des darin befindlichen Gases während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus in die Heizkammer gedrückt wird. Der Kolben kann dann so geteilt werden, daß er in bezug auf den Zylinder eine feste Dreh- bzw. Azimutstellung erhält, wobei eine speziell gestaltete Ausnehmung' an der Unterseite des Kolbens während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus immer über die beiden Leitungen gleitet und das Volumen des heißen Endes des Zylinders Werte in einem minimalen Bereich einnimmt. Neben der anhand von Fig. 1 beschriebenen bevorzugten AusfUhrungsform des Ansatzes sind also auch andere Ausführungsformen möglich, die jedoch eine größere Komplexität in der Herstellung und im Betrieb bedingen.

Da die Heizkammer-Einlaßöffnung nahe an der heißen Nebenschlußöffnung liegt, sind für die Heizkammer-Auslaßleitung 28 und die Heizkammerauslaßöffnung 29 mehrere mögliche Stellungen und Orientierungen möglich, ohne daß eine ins Gewicht fallende Wechselwirkung zwischen dem aufgeheizten, zum Zylinder zurückgeführten strömenden Medium und dem aus der heißen Nebenschlußöffnung austretenden strömenden Medium eintritt. Wenn Jedoch der ringförmige Bereich um den Ansatz etwa die gleiche Dioke wie der dünnwandige Kolbenabschnitt besitzt, wird es notwendig, daß der Zylinderbereich zwischen der unleren Fläche des Kolbens und der oberen Fläche 30 des Ansatzes während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus mit der Heizkammer kommuniziert, so daß der Kolben das in diesem Zylinderbereich gefangene Gas zur nachfolgenden Aufheizung und zum Antreiben des Kolbens in Heizkammer treiben kann. Unter diesen Umständen 1st es zweckmäßig, daß die Heizkammer-Auslaßleitung nach oben durch den Ansatz läuft und in der öffnung 29 in der oberen Fläche 30 des Ansatzes endet,

809809/1012

wenn nicht dem dünnwandigen Kolbenabschnitt sondern dem zentralen Teil des freien Kolbens gegenüberliegt. Unter diesen Bedingungen 1st es weiter zweckmäßig, daß der Teil des ringförmigen Bereichs 18 unter dem Kolbenabschnitt 37 während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus mit der Heizkammer kommuniziert, so daß der Kolben dieses Gas während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus in die Heizkammer drücken kann. Dies 1st eine Funktion der kurzen Leitung 41.

Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Thermokompressors ist in der hinter dem Nebenschluß liegenden Heizkammer 24 zu sehen, weil dadurch das Gas primär in der Heizkammer erhitzt wird, während es durch den Nebenschluß In das heiße Ende desSyIInders strömt. Dies steht im Gegensatz zu einer typischen St i rl ing Naschine, wobei das Gas aufgeheizt wird, während es durch den Nebenschluß in das kalte Ende des Zylinders zurückströmt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Thermokompressors ist für viele Anwendungsfälle darin zu sehen, daß der freie Kolben selbst-oszillierend ist, wobei die Kolbenoszillation sowohl bei überlastung als auch bei Leerlauf aufrechterhalten bleibt. Es 1st dabei keine Rückkopplung von einer Last erforderlich.'Es muß beispielsweise kein träges Arbeitselement, wie beispielsweise ein schwerer Arbeitskolben, vorhanden sein. Beispielsweise läuft der in Fig. 1 dargestellte Thermokompressor auch weiter, wenn die Lastleitung vollständig blockiert wird oder direkt in die Atmosphäre mündet. Wie oben erläutert, kann der dargestellte Thermokompressor bei Verwendung von lediglieh zwei Regulierventilen und geeigneten zugehörigen Leitungen einen Hochdruck- und einen Niederdruck-Speichertank speisen, ohne daß ein Arbeitekolben erforderlich ist. Der Differenzdruck in den Tanks kann dann zum Antrieb einer Rotationsmaschine, beispielsweise eines Rotationsmotors zum Antrieb eines Rotations-Stromgenerators ausgenützt werden. Die beiden vorstehend angegebenen Beispiele erläutern lediglich zwei von mehreren Faktoren, die bei der

809809/1012

Festlegung in Betracht gezogen werden müssen, welche Art von Energiewandlung für einen gegebenen Anwendungsfall am besten geeignet ist.

Die Umkehrbewegung des Kolbens am kalten Ende des Zylinders kann auch andersartig ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine Gasumkehrkammer geringeren Durchmessers (durch Verwendung eines kurzen Stabes auf der kalten Kolbenfläche oder auf der kalten Zylinderabschlußwand, welcher das in einem angepaßten zylindrischen Raum im gegenüberl inenden Element gefangene Gas komprimiert), eine mechanische Feder, ein den Kolben anstoßendes magnetisches Feld oder lediglich die Schwerkraft zur Anwendung kommen. Im letzteren Fall wird zweckmäßig der Zylinder höher und der Nebenschluß länger ausgebildet.

Es ist weiterhin zu bemerken, daß die Begriffe "heiß", "warm", "kühl" und "kalt" lediglich relativ zu verstehen sind. Beispielsweise kann das "kalte" Ende des Zylinders im Betrieb beträchtlich heiß sein, wobei jedoch dann das heiße Ende des Zylinders noch heißer ist.

Wird der Thermokompressor an eine Last angeschlossen, welche das strömende Medium kühlt oder wird ein kaltes strömendes Medium durch den Thermokompressor gepumpt, so kann die Kühlkammer 13 im Nebenschluß entfallen.

Fig. 2 zeigt ehe weitere Ausfuhrungsform zur Erleichterung der Bewegungsumkehr des freien Kolbens am heißen Ende, bei der ebenfalls ein Anstoßen des Kolbens an der heißen Abschlußwand vermieden wird. Bei dieser Ausführungsform kann anstelle der kurzen Leitung 41 eine Leitung 51 vorgesehen werden, um Gas im unteren Teil des ringförmigen Bereiches l8 zu fangen. Die Leitung 51 — kommuniziert mit dem ringförmigen Bereich 18 über eine öffnung 52 in der ZyIinderseitenwand an einer Stelle, welche in einem kurzen Abstand über dem Boden des ringförmigen Bereiches liegt.

809809/1012

Die Leitung 51 kommuniziert an ihrem anderen Ende mit der Heizkammer-Ausgangsleitung 28 Über eine Öffnung 53 in der Wand der Auslaßleitung 28 zwischen der heißen Abschlußwand 4 und der Heizkäramer 24. Daher kommuniziert die Heizkammer mit dem ringförmigen Bereich 18 des heißen Endes des Zylinders Über die Leitungen 28 und 51· Die Heizkammer-Auslaßleitung 28 kommuniziert mit dem heißen Zylinderende Über die Offnungen 29 und 52. Der Kolbenabschnitt 37 blockiert die Öffnung 52 um Gas im unteren Teil des ringförmigen Bereiches zu fangen, so daß eine kleine Bewegungsumkehr-Kammer gebildet wird, welche als steife Gaskompressionsfeder zur Vermeidung einer Übersteuerung des Kolbens wirkt. Die Leitung 51 entspricht in ihrer Funktion der Leitung 41. Ein Vorteil der Leitung 51 im Vergleich zur Leitung 41 ist jedoch darin zu sehen, daß die Außenfläche des Kolbenabschnittes 37 den Gasstrom in der Leitung 51 blockiert, während bei der Leitung 41 die Innenfläche des Kolbenabschnittes 37 den Strom blockiert. Die Gleitdichtung zwischen den Seitenwänden des Kolbens und des Zylinders ist normalerweise besser als diejenige zwischen dem Kolbenabschnitt 37 und der Außenfläche 9 des Ansatzes. Liegt die durch den Abschnitt 37 zu blockierende Öffnung in der Zylinderseltenwand und nicht im Ansatz, so besitzen auch die beiden parallelen Leckwege auf der Innenseite und der Außenseite des Abschnittes 37 bessere relative Längen für einen besseren Abgleich zwischen sich und dem unteren Gesamtleckbereich des gefangenen Gases, d.h., die schlechtere Dichtungsfläche hat die größere Dichtungslänge. Zur Reduzierung von Gasverlusten und damit verbundenen Kolbenenergieverlusten 1st es daher zweckmäßiger, daß eine solche Leitung durch die Außenfläche des Kolbenabsohnittes 37 und nicht durch dessen Innenfläche blockiert wird. Die Verwendung der Leitung 51 anstelle der Leitung 41 führte daher zu einer Verminderung der Anforderungen an die Kreisförmigkeit der Ansatzfläche 9 und der Innenfläche des Kolbenabschnittes 37, an die Genauigkeit der Durchmesser dieser beiden Flächen und an die Konzentrizität

809809/1012

hinsichtlich der Zwischenfläche Kolben-Zylinder. Wie oben bereits ausgeführt, kann jedoch die durch die Heizkammer 24 und das heiße Ende des Zylinders gebildete Bewegungsumkehrkammer zur Vermeidung einer Übersteuerung des Kolbens ausreichend sein, wobei dann weder die Leitung 41 noch die Leitung 51 erforderlich ist. Das im ringförmigen Bereich 18 durch den Kolbenabschnitt belastete Gas strömt dann frei im Raum zwischen der Außenfläche 9 des Ansatzes und der Innenfläche des Kolbenabschnittes 37 nach oben, wobei dieser Raum ausreichend weit ist, um einen freien Aufwärtsstrom des Gases im Bereich des Ansatzes zu ermöglichen. Bejmerfindungsgemäßen Thermokompressor ist entweder eine der Leitungen 41 und 51 oder keine dieser Leitungen vorhanden. Beide Leitungen zusammen werden nicht verwendet.

Die kurze Leitung 41 kann durch eine oder mehrere vertikale Nuten (nicht dargestellt) in der Außenfläche 9 des Ansatzes ersetzt werden, welche sich von der Ansatzfläche 30 bis zu eine, kurzen Abstand vom Boden des ringförmigen Bereiches 18 nach unten erstrecken. Die Nuten ermöglichen, daß das vom Kolbenabschnitt bewegte Gas nach oben in den Zylinderbereich unmittelbar über der Ansatzfläche 30 strömt. Sollte die Gaskompressionsfeder im unteren Teil des ringförmigen Bereiches nicht erforderlich sein,, so können die Nuten vollständig bis zum Boden des ringförmigen Bereiches verlaufen. Die Nuten laufen dabei nicht durch die Heizkammer-Einlaßöffnung 20 und ermöglichen, daß die Einlaßöffnung sehr nahe am Weg der Innenfläche des Kolbenabschnittes 37 und damit sehr nahe an der heißen Nebenschlußöffnung 17 liegt, so daß der aus dem heißen Ende des Nebenschlusses während der Aufwärtsbewegung des Kolbens austretende Gasstrom wirksam von der Einlaßöffnung aufgenommen wird.

Die Verwendung der Nuten oder einer der Leitungen 41 oder 51 _ kann zu einer geringen, auf den Kolben in Richtung der Zylinderseitenwand oder des Ansatzes wirkenden Querkraft führen, welche

809809/1012

durch den Druck des strömenden Mediums in den Nuten oder einer der Leitungen zusammen mit dem Druck des asymmetrisch aus der Gaskompressionsfeder am Boden des ringförmigen Bereichs austretenden strömenden Mediums hervorgerufen werden. Falls diese Querkraft zu Problemen führt, beispielsweise zu einer Verlangsamung der Kolbenbewegung oder zu einer größeren Reibung und Abnutzung zwischen Kolben und Zylinder, so kann sie dadurch ausgeglichen werden, daß ein Paar gleichartiger Nuten oder ein Paar gleichartiger Leitungen auf entgegengesetzten Seiten der Zylinderachse verwendet wird. Entsprechend kann auch ein Paar von heißen Nebenschlußleitungen und heißen Nebenschlußöffnungen auf entgegengesetzten Seiten des Zylinders verwendet werden, falls ein derartiges Problem durch das Vorhandensein der heißen Nebenschlußöffnung hervorgerufen wird. An einem thermisch mit Leistung versorgten Modell konnte Jedoch die freie Kolbenbewegung und ein thermisch verzögerten Antrieb des freien Kolbens nachgewiesen werden. Die Zylinderseitenwand besitzt aber eine Öffnung, welche periodisch durch den Kolben überlaufen und blockiert wird, was zu einer geringen Querkraft im oben beschriebenen Sinne führt. Dabei konnte jedoch keine Erhöhung der Reibung zwischen Kolben und Zylinder oder ein anderer nachteiliger Einfluß auf die Kolbenoszillation beobachtet werden.

Die öffnung 52 der Leitung 51 ist auf der der heißen Nebenschlußöffnung 17 abgewandten Seite des Zylinders angeordnet. Damit wird die Länge des Leokweges zwischen den Offnungen 52 und 17 vergrößert, wodurch Leckverluste zwischen diesen beiden öffnungen während einer Kolbenübersteuerung, d.h., in der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus, während der die öffnung durch den Kolbenabschnitt 37 blockiert ist, reduziert werden.

Die Leitungen 41 und 51 müssen nicht notwendigerweise in derselben Ebene wie die Leitungen 16 und 21 liegen, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt 1st.

809809/1012

JZ

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Thermokompressor, gekennzeichnet durch einen Zylinder (1), In den ein freier Kolben (6) derart eingepaßt ist, daß er bei seiner Hin- und Herbewegung zwischen einem heißen und einem kalten Zylinderende ein gleitfähige Dichtung mit dem Zylinder (l) bildet,

einen Zylinder-Nebenschluß (10), der für einen Teil des Zylinders (l) eine Nebenleitung bildet, so daß ein kompressibles strömendes Medium bei freier Bewegung des Kolbens (6) in gegenläufigen Richtungen zwischen den Zylinderenden abwechselnd zwischen dem heißen und kalten Ende des Zylinders (1) hin- und herströmen kann,

eine einen Wärmespeicher (15) enthaltende Einrichtung im Zylinder-Nebenschluß (10) zur Abkühlung des in das kalte Zylinderende fließenden Strömenden Mediums und zur Aufheizung des in das heiße Zylinderende fließenden strömenden Mediums, wodurch eine zyklische Strömungsmedium-Druckänderung zum Antrieb einer Last erzeugt wird,

eine hinter dem Zylinder-Nebenschluß (10) vorgesehene Heizkammer (24) als Teil einer Heizeinrichtung, welche mit dem heißen Ende des Zylinders (1) über eine Heizkammer-Binlaßöffnung (20) im heißen Ende des Zylinders (1) kommuniziert,

eine Aufeinanderfolge des Wärnetspeichers (15) einer heißen Nebenschlußleitung (16) und einer in der Seitenwand (2) des Zylinders (1) vorgesehenen heißen Nebensohlußöffnung (17) im Zylinder-Nebenschluß (10), wodurch das über die heiße .__ Nebenschlußöffnung (17) aus dem heißen Ende des Zylinder-Nebenschlusses (10) austretende Strömungsmedium während

809809/1012

ORIGINAL INSPECTED

der ersten Phase des Oszillationszyklus, während welcher der Kolben (6) sich im Nebenschlußbereich des Zylinders (1) gegen das kalte Zylinderende bewegt, in einem definierten Strom in das heiße Zylinderende strömt,

eine Einrichtung zu einer solchen Einstellung und Ausrichtung der heißen Nebenschlußleitung (16) und der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) relativ zueinander und relativ zum heißen Ende des Zylinders (l),daß der Durchtritt des über die Heizkammer-Einlaßöffnung (20) in die Heizkammer (24) eintretenden strömenden Mediums zwecks dessen Aufheizung in der Heizkammer während der ersten Phase des Oszillationszyklus erleichtert wird,

ein Abblocken der heißen Nebenschlußöffnung (17) durch den Kolben (6) während einer Rücklaufphase des Oszillationszyklus, wobei das strömende Medium komprimiert und vom heißen Zylinderende zwecks Aufheizung in die Heizkammer (24) gedrückt wird, um zu expandieren und den Kolben (7) gegen das kalte Zylinderende zu treiben,

IT

eine Einrichtung zur Umkehrung der Kolbenbewegung am kalten Zylinderende,

und durch eine Vorrichtung in der Einstellung - und Ausrichteinrichtung zur Einstellung der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) im heißen Ende des Zylinders (1) an einer solchen Stelle, daß ihr Abstand von der heißen NebensohlußÖffnung (17) gleich einem kleinen Bruchteil des Radius des Zylinders (1) ist, wodurch der Durchtritt des strömenden Mediums in die Heizkammer (24) welter erleiohtert und damit die Aufheizung des strömenden Mediums während der ersten Phase des Oszillationszyklus verstärkt wird.

809809/1012

2. Thermokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (6) an seinem heißen Ende einen dünnwandigen Kolbenabschnitt (37) besitzt, welcher zwischen der heißen Nebenschlußöffnung (17) und der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) verläuft und das Blockleren der heißen Nebenschlußöffnung (17) während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus bewirkt.

3. Thermokompressor. nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der heißen Nebenschlußöffnung (17) und der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) etwa gleich der Wanddicke des Kolbenabschnittes (37) ist.

4. Thermokorapressor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der heißen Nebenschlußöffnung (17) und der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) etwa gleich dem 1- bis 2-fachen der Wanddicke des Kolbenabschnittes (37) ist.

5. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (6) an seinem heißen Ende eine dem heißen Ende des Zylinders (1) gegenüberliegende konkav geformte Fläche besitzt, um das Blockieren der heißen Nebenschlußöffnung (17) zu erleichtern, ohne daß im Normalbetrieb ein Kontakt mit der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) auftritt.

6. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (6) becherförmig ausgebildet ist und daß das offene Ende des Bechers dem heißen Ende des Zylinders (1) gegenüberliegt.

7. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einer heißen Abschlußwand (4) am heißen Ende des Zylinders (1) ein in Richtung gegen den """ Kolben (6) verlaufender Ansatz (5) vorgesehen ist und daß

809809/1012

2733617

die Heizkammer-Einlaßöffnung (20) in der Außenfläche (9) des Ansatzes (5) im Bereich der heißen Nebenschlußöffnung (17) vorgesehen ist.

8. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Abschnitt (37) des Kolbens (6) an dessen heißem Ende während der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus als Hülse über die Außenfläche (9) des Ansatzes- (5) greift.

9. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Nut in der Außenfläche (9) des Ansatzes (5).

10. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer-Einlaßöffnung (20) und die heiße Nebenschlußöffnung (17) so orientiert angeordnet sind, daß die Hauptströmungsachse der heißen Nebenschlußleltung (16) etwa durch das Zentrum der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) verläuft.

11. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer (24) mit dem heißen Ende des Zylinders (1) über eine HeIzkammer-Auslaßöffnung (29) im heißen Ende des Zylinders (1) kommuniziert.

12. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (29) in einer Fläche des Ansatzes (5) liegt, welche etwa dem zentralen Teil des Kolbens (6) gegenüberliegt.

13. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (29) so angeordnet und der Kolben (6) so geformt ist, daß die Verbindung zwischen

809809/1012

der Heizkammer (24) und dem heißen Ende des Zylinders (1) wenigstens während eines wesentlichen Teils der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus aufrechterhalten wird.

14. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer-Einlaßöffnung (20) so angeordnet ist, daß das durch die Ausnehmung im Kolben (6) definierte Bewegungsvolumen sich während der heißen Bewegungsumkehrphase des Oszillationszyklus ausreichend weit in einer vom kalten Zylinderende weg verlaufenden Richtung gegen das heiße Zylinderende bewegt, um die Heizkammer-Einlaßöffnung (50) in das Bewegungsvolumen aufzunehmen.

15. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsvolumen während eines Bruchteils des Oszillationszyklus auch die Auslaßöffnung (29) in der Verbindung zwischen Heizkammer (24) und heißem Zylinderende aufnimmt.

16. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Kühlkammer (13) In Zylinder-Nebenschluß (10) zwischen dem Wärmespeicher (15) und dem kalten Ende des Zylinders (1).

17· Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die vom kalten zum heißen Zylinderende verlaufende heiße Nebenschlußleitung (16) unter einem solchen Winkel zu einer Normalen zur Zylinderachse verläuft, daß das vom heißen Ende des Nebenschlusses (10) über die heiße Nebenschlußöffnung (17) in den Zylinder (1) fließende strömende Medium eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Zylinderachse besitzt.

809809/1012

18. Thermolcompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer (24) so ausgebildet ist, daß das strömende Medium während der heißen Bewegungsurakehr-Phase des Oszillationszyklus kontinuierlich in ihr aufgeheizt wird, um am Ende der heißen Bewegungsumkehr-Phase des Oszillationszyklus eine größere kinetische Kolbenenergie als am Beginn der heißen Bewegungsumkehr-PhBe des Oszillationszyklus zu erzeugen.

19. Thermokcrapressor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch die kontinuierliche Aufheizung eines zur Aufrechterhaltung der Kolbenoszillation ausreichende Wärmeenergie erzeugt wird.

20. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 19» dadurch gekennzeichnet, daß das kompressible strömende Medium ein Gas oder ein Flüssigkeits-Gas-Geraisch ist und daß die Einstell- und Ausrichteinrichtung unabhängig von der Art des strömenden Mediums während der ersten Bewegungsphase des Oszillationszyklus eine Aufheizung praktisch des gesamten strömenden Mediums, das aus der heißen Nebenschlußöffnung (17) in das heiße Ende des Zylinders (1) strömt, durch die Heizkammer (24) erleichtert.

21. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der heißen Nebenschlußöffnung (17) und der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) etwa gleich einem Zehntel des Radius des Zylinders (1) 1st.

22. Thermokompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 20« dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der heißen Nebenschlußöffnung (17) und der Heizkammer-Einlaßöffnung (20) kleiner als ein Zehntel des Radius des Zylinders (1) "

809809/1012