EP2273093B1 - Thermal engine - Google Patents

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EP2273093B1
EP2273093B1 EP10164742.8A EP10164742A EP2273093B1 EP 2273093 B1 EP2273093 B1 EP 2273093B1 EP 10164742 A EP10164742 A EP 10164742A EP 2273093 B1 EP2273093 B1 EP 2273093B1
Authority
EP
European Patent Office
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piston
working
heat transmission
heat
chamber
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP10164742.8A
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German (de)
French (fr)
Other versions
EP2273093A1 (en
Inventor
Alexander Ivanovich Samarin
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Mona Intellectual Property Establishment
Original Assignee
Mona Intellectual Property Establishment
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Filing date
Publication date
Priority claimed from CH9062009A external-priority patent/CH701246A2/en
Application filed by Mona Intellectual Property Establishment filed Critical Mona Intellectual Property Establishment
Publication of EP2273093A1 publication Critical patent/EP2273093A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2273093B1 publication Critical patent/EP2273093B1/en
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
    • F02G2243/34—Regenerative displacers having their cylinders at right angle, e.g. "Robinson" engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/30—Displacer assemblies

Definitions

  • the present invention describes a heat transfer piston for a heat engine with a first working piston, and a heat engine with a driven flywheel or a crankshaft with a closed total interior, which can be filled with a working fluid and pressure sealed, comprising at least a first working chamber with a linearly movable first working piston at least one first heat transfer chamber having a linearly movable first heat transferring piston having a piston head and a piston pin, a first heat exchanger connected to the first working chamber and the first heat transfer chamber, and a first cooling device, wherein the first working piston and the first heat transferring piston are mechanically coupled together ,
  • Heat engines such as Stirling engines have long been known and offer a way to convert thermal energy into mechanical work, with a fairly high efficiency and long maintenance-free operating times are possible due to the design.
  • the document EP0850353 discloses heat engines in the form of a Stirling engine, wherein the working medium undergoes a cyclic process in which heat energy is partially converted into mechanical work.
  • the improvement of the operation of the heat engine EP0850353 was achieved by means for adjusting the piston stroke and the swashplate angle. These means are carried out electrically and cause the heat engine must be equipped with a motor and other components. Such heat engines are so complex and executed by a variety of components, making them more cumbersome to use and error prone.
  • the working medium passed through a plurality of thin tubes with a large total surface outside the chambers, wherein the heat energy was transferred.
  • the operating pressure had to be increased accordingly, resulting in a mechanical load of the plurality of tubes.
  • a reciprocating engine which has a piston with piston head having a plurality of ribs.
  • the ribs protrude in a linear up and down movement of the piston head in the working space, wherein the ribs protrude without contact between the wedges shaped walls of the working space.
  • the working medium is located between the wedge-shaped ribs of the piston head and the working space, wherein the heat flow between the ribs results by heat conduction.
  • the working piston described ensures during the lifting movement for a heat transmission, wherein the heat transmission is achieved by heat conduction during the lifting movement.
  • the ribs must be brought as close to each other as possible, resulting in narrow gaps and undesirable turbulence of the working medium. Also, it is according to the US4271669 so far only possible to use helium or argon gas as the working medium.
  • the present invention provides a novel way to exchange heat energy with low dead volume. Due to the reduced use of a plurality of thin tubes for heat exchange, the resulting torques on the pistons are smaller than in prior art motors.
  • the present invention has for its object to provide a mechanical heat engine in the manner of a Stirling engine, which allows use of air as the working medium, with a sufficiently high efficiency can be achieved, being dispensed with additional electrical controls and consumers.
  • the flywheel 21 may be connected, for example, to a device for utilizing the mechanical output energy or to an electrical generator for conversion into electrical energy.
  • a first heat transfer chamber 1, a second heat transfer chamber 2, a first working chamber 5 and a second working chamber 6 are arranged.
  • the particular hollow cylindrical shaped chambers 1, 2, 5, 6 each form an internal displacement.
  • the first heat transfer chamber 1 is connected outside the base flange 100 via a first heat exchanger 9 to the first working chamber 5.
  • the second heat transfer chamber 2 is connected outside the base flange 100 via a second heat exchanger 10 to the second working chamber 6.
  • a first cooling device 11 and a second cooling device 12 run. While the first heat transfer chamber 1 is connected to the second working chamber 6 via the first cooling device 11, the second heat transfer chamber 2 is connected to the first working chamber 5 via the second cooling device 12.
  • the heat transfer chambers 1, 2, the heat exchangers 9, 10, and the working chambers 5, 6 and the cooling devices 11, 12 form a coherent closed and gas-tight overall interior, which is filled with a working fluid.
  • the inventive heat engine 0 can be used with the use of air, but also of pure nitrogen or oxygen as the working medium.
  • the heat exchangers 9, 10 outside the base flange 100 and the cooling devices 11, 12 are designed in the form of a plurality of tubes. While the cooling devices 11, 12 within the base flange 100 are in thermal contact with a coolant, the heat exchangers 9, 10 are in thermal contact with an external heat source.
  • the heat exchangers 9, 10 are connected to a heat source during operation of the heat engine 0, so that the working medium located within the heat exchangers 9, 10 is heated.
  • the heat energy supplied from outside through the heat source heats the side of the heat engine 0, on which the heat exchangers 9, 10 are located, to a temperature T 2 > T 1 .
  • the type of heat source plays no role for the inventive heat engine and can be selected depending on the location of the heat engine and accessibility.
  • the cooling devices 11, 12 arranged inside the base flange 100 are cooled by means of a coolant to the temperature T 1 , so that the working medium circulating inside the cooling devices 11, 12 is cooled accordingly.
  • the coolant for example water, can be introduced into the base flange 100 through a coolant inlet 22 and a coolant outlet 23 and correspondingly exchanged.
  • the heat exchangers 9, 10 opposite side of the base flange 100 along the longitudinal axis L is a guide slot 101 attached.
  • the flywheel 21 is rotatably mounted.
  • a joint attachment 20 which carries a universal joint 19, releasably secured.
  • a swash plate 18 in the form of a cross with the universal joint 19 is cooperatively connected and tiltably mounted on the universal joint 19.
  • a receptacle for a coupling rod 25 is arranged in each case. The coupling rod 25 is thus pivotally connected to the swash plate 18 on a first side.
  • the four coupling rods 25 are connected on the base flange 100 facing the second side in each case with a first heat transfer piston 3, a second heat transfer piston 4, a first piston 7 and a second working piston 8.
  • the pistons 3,4,7,8 each have a piston pin and a piston head, wherein the piston pin is cooperatively connected to a coupling rod 25.
  • the first heat transferring piston 3 moves linearly into and out of the first heat transferring chamber 1 in turn.
  • the stationary swash plate 18 is tilted differently.
  • An attached to the swash plate 18 or integrally formed shaft 17 is mounted in an eccentric bore 240 in an eccentric disc 24.
  • the bearing of the shaft 17 takes place in a shaft bearing 241 within the eccentric bore 240.
  • the eccentric 24 is carried by deflection of the shaft 17 and set in rotation.
  • An integrally formed on the eccentric 24 drive shaft 103 is ball-bearing performed by the guide slot 101.
  • the bearing of the drive shaft 103 in the guide slot 101 takes place in a bearing 102, preferably a ball bearing 102.
  • the flywheel 21 mounted on the drive shaft 103 is correspondingly set in rotation by the piston movement. The deflection of the pistons 3,4,7,8 thus leads to a tilting movement of the swash plate 18, which leads by means of eccentric disc 24 in a rotational movement of the drive shaft 103 and the flywheel 21 attached thereto.
  • the shaft longitudinal axis 170 during the reciprocal strokes of the pistons 3,4,7,8 makes a precession about the longitudinal axis L and thus to the universal joint 19, wherein the flywheel 21 is rotated by the storage of the shaft 17.
  • the kinetic energy of the flywheel 21 leads to a continuous operation, wherein the tilting movement and the precession movements of the shaft 17 by mechanically performed work due to the temperature difference, is constantly maintained by means of the heat supply of the first and second heat exchanger 9, 10.
  • the inventive heat engine 0 has heat transfer chambers 1, 2 with significantly greater lengths and / or diameters and thus larger displacements, as the corresponding first and second working chambers 5, 6. Accordingly, the diameter and cross-sectional areas of the piston heads of the heat transfer pistons 3, 4 are greater than that Diameter and cross-sectional areas of the piston heads of the working piston 7, 8.
  • the piston head of the segmented and slotted first and second heat transfer pistons 3, 4 has a slightly smaller diameter than the inside diameter of the corresponding first and second heat transfer chambers 1, 2, so that a radial distance between heat transfer pistons 3, 4 and respective heat transfer chamber 1, 2 guaranteed is.
  • thermodynamic cycle Due to the arrangement described above, pressure and temperature of the working medium hardly change during the movement of the first and second working pistons 5, 6. Due to the size difference between the heat transfer chamber and the working chamber, the working medium does not pass through a classically known continuous thermodynamic cycle.
  • FIG. 6 is a central connecting line B, which runs along the centers of the first and second heat transfer chamber 1, 2, as well as through the longitudinal axis L.
  • Another connecting line C runs along the centers of the first and second working chamber 5, 6 and traverses the longitudinal axis L.
  • an angle ⁇ is clamped between the central connecting line B and the further connecting line C.
  • heat engines 0 can be adapted to specific requirements.
  • the arrangement of the pistons can be adjusted to achieve maximum performance or maximum efficiency.
  • thermodynamic cycle of the inventive heat engine 0 explained in four cycles. Due to the alternating arrangement of the working pistons 7, 8 and heat transfer pistons 3, 4 described above, during operation of the heat engine 0, either the working pistons 7, 8 or the heat transfer pistons are simultaneously deflected linearly in opposite directions.
  • FIGS. 8a to 7d show a section through all four chambers 1, 2, 5, 6 along the line D, which is shown folded into the plane of the paper.
  • the displacement, which are filled with working fluid under highest pressure, are marked with "+” - sign.
  • displacements are marked with "-" signs, in which the pressure is minimal.
  • Figure 7a shows the movement of the first working piston 7 and the second working piston 8, during the rotation of the eccentric disc 24 from 0 ° to 90 °.
  • the working medium in the first heat transfer chamber 1, in the first heat exchanger 9, in the upper hot region of the first working chamber 5 and in the lower cold region of the second working chamber 6 is under high pressure. Due to the segmentation of the first heat transferring piston 3, which was previously heated, the working medium could be additionally heated.
  • the first heat transferring piston 3 is at the cooled lower stop of the first heat transfer chamber 1, while the first working piston 7 is centrally deflected within the first working chamber 5.
  • the working medium can flow through the longitudinal slots 13 from the hot side of the heat transferring piston 3 in the direction of the first cooling device 11 into the lower cold region of the second
  • the second segmented heat transfer piston 4 is located at the beginning of the upper hot stop the second heat transfer chamber 2.
  • the working fluid can under low pressure from the working chamber 6 through the second heat exchanger 10 through the longitudinal slots 13 in the cold region of second heat transfer chamber 2 and the second cooling device 12 to flow into the cold region of the first working chamber 5.
  • the first working piston 7 is deflected to the lower cold stop and the second working piston 8 to the upper hot stop, wherein a relaxation of the working medium takes place.
  • first and second heat transfer pistons 3, 4 are moved linearly opposite. While the first heat transferring piston 3 is in an upward movement toward the first heat exchanger 9, the second heat transferring piston 4 moves toward the cold lower stopper of the second heat transferring chamber 2.
  • a low pressure prevails in the first heat transfer chamber 1, the first heat exchanger 9 and in the upper region of the first working chamber 5.
  • a high pressure of the working medium prevails accordingly in the second heat transfer chamber 2, the second heat exchanger 10 and the second working chamber 6. Due to these pressure differences, the first working piston is deflected in the direction of the first heat exchanger 9 and the second working piston in the direction of the second heat exchanger 10, wherein mechanical work is again performed.
  • a further deflection of the swash plate 18 from 270 ° to 360 ° leads the first heat transfer piston 3 in the direction of the cold stop and the second heat transfer piston 4 in the direction the hot stop, with the first working piston 7 at the hot stop and the second working piston 8 is at the cold stop.
  • the heat transfer pistons 3, 4 are able to absorb a lot of heat energy and deliver it to the working medium during the process, whereby precooling or preheating of the working medium takes place.
  • the amount of heat energy that can be absorbed by the heat transfer pistons 3, 4 is significantly greater than the work performed in the thermodynamic cycle.
  • FIG. 8 shows a pV diagram of the known ideal clockwise Stirling process, wherein 3 ⁇ 4 an isothermal expansion with the addition of heat 4 ⁇ 1 isochronous cooling 1 ⁇ 2 an isothermal compression with supplied volume change and 2 ⁇ 3 isochoric heating is a closed loop process and the convertible mechanical work represents the area under the cycles.
  • the pressure occurring in the first working chamber 5 and the second working chamber 6 during the compression of the working medium is about 6 to 7 MPa. Due to the use of air as the working medium, the requirements for the seal of the entire interior of the heat engine 0 are not particularly high.
  • the chambers 1, 2.5, 6 and pistons 3, 4, 7, 8 stainless steel is used, wherein solder joints are connected to a solder containing copper and magnesium.
  • the hollow design of the first and second working piston 7, 8. The necessary stability is given and due to minimized weight optimum power transmission is possible.
  • mineral fibers in particular basalt fibers, are introduced into the interior of the working pistons 7, 8.
  • the basalt fibers are in amorphous form and have a heat-protective effect, a mechanical reinforcing effect.
  • piston guides are formed, through which the piston pin guided by a bore stabilized guided linearly in the corresponding chambers are moved alternately.
  • the linear movement of the pistons 3,4,7,8 is converted into rotational movement of the swash plate 18, the eccentric disc 24 and ultimately the flywheel 21. Due to the type of coupling shown here, the pistons 3,4,7,8 can also be deflected by rotation of the flywheel 21.
  • the inventive heat engine 0 form. Accordingly, further heat transfer pistons and working piston would have to be provided, which are movably mounted in the additional chambers.
  • the mechanism for decoupling the linear piston movement and conversion into a rotational movement for driving the flywheel 21 must be matched to the number of pistons used in each case.
  • this first heat transferring piston 3 was installed in known commercial Stirling engines and heat engines according to a Stirling engine and experimented with it. In this case, known heat engines with only a first heat transfer chamber 1 were used. The efficiency of such Heat engines are not particularly high when using pistons according to the prior art. After installation of a segmented heat transfer piston 3 in a heat transfer chamber 1 and the use of air as a working medium good results could be achieved with a similar high efficiency, such as in standard operation, for example with helium gas.
  • crank drive 40 For transmitting the linear translational movement of the pistons 3, 4, 7, 8 into a rotational movement, the crank drive 40 explained below can be used. In addition to the drive of a flywheel 21 so that the drive of a crankshaft 400 is possible.
  • the crank mechanism 40 allows a good power transmission during operation of the heat engine 0, which by design is a simple juxtaposition of several heat engines 0 or more pairs of working piston 7, 8 and heat transfer pistons 3, 4 is possible.
  • the crank mechanism 40 includes the crankshaft 400, which is rotatably arranged in a stationary manner in a crank drive housing 41 on at least one crankshaft bearing 401.
  • At least one lifting element 403 is connected to the crankshaft 400 via a crankpin 4010, which is mounted eccentrically to the axis of rotation of the crankshaft 400 on the crankshaft 400 and thus can put the crankshaft 400 in a rotary motion.
  • the lifting element 403 has a transverse bar 4031, at the ends of which in each case a working piston 7 and a heat transferring piston 3 are arranged.
  • By means of joints 405 two double-jointed rods 404 are rotatably mounted via rolling bearings 407 at the ends of the crossbar 4031.
  • the pistons 3, 4, 7, 8 in turn mounted by roller bearings by means of fork couplings 406 movably attached to the double joint rods 404.
  • a pivot lever 402 is pivotally mounted in a pivot lever bearing 4022 on the crank drive housing 41 and movable on the projecting into the crank drive housing 41 side with a pivot rod 4021, preferably supported by roller bearings, connected to the lifting element 403.
  • the lifting elements 403 according to arrow mark A in FIG. 9b pivoted depending on the deflection of the adjacent suspended piston and out due to the eccentric attachment to the crank pin 4010 of the crankshaft 400 in the direction perpendicular to the crankshaft axis up and down.
  • the distance of the suspension of the piston 7 and the piston 3 an optimal power transmission to the crankshaft 400 due to the phase shift of the pistons can be achieved.
  • the pistons 3, 7 and the pistons 4, 8 are each fastened to the crankshaft 400 at different crank pins, so that a necessary phase shift of the piston pairs relative to each other can be achieved.
  • the pivot lever 402 By the coupling of the pivot rod 4021 on the lifting element 403, the pivot lever 402 is carried along with the up and down movement and pivoted about the pivot lever bearing 4022 accordingly.
  • the Pivot lever 402 is forked here, wherein each one of the piston or piston rods is guided by the forked portion of the pivot lever 402 feasible.
  • the phase shift of the movable piston can be adjusted.
  • the pivotal movement of the front pivot lever 402 is defined by the arrow mark D and the pivotal movement of the rear pivot lever 402 'is defined by the arrow mark E.
  • heat engines 0 can be linearly coupled to one another via the crank mechanism 40 on a crankshaft 400, so that as in FIG. 10a
  • two heat engines 0 may be coupled in a crankcase 41, as known from V-engines.
  • pistons 3, 7 of a first heat engine 0 and pistons 3 ', 7' of a second heat engine 0 are aligned differently via two adjacent transverse beams 4031 and 4031 ', but arranged on the same crank pin 4010.
  • the pistons 4, 8 and 4 ', 8' are arranged indirectly adjacent to the crankshaft 400 directly.
  • the lifting elements 403 must be arranged on the crankshaft 400 in accordance with the prevailing phase shift of the piston movement. Again, the lifting elements 403 each perform a combined pivoting movement and a movement perpendicular to the crankshaft axis.
  • crank mechanisms 40 each two heat engines 0, 0 'and 0 ", 0"' in each case a crankcase 41st are arranged.

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  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Wärmeübertragungskolben für eine Wärmekraftmaschine mit einem ersten Arbeitskolben, sowie eine Wärmekraftmaschine mit einem angetriebenen Schwungrad oder einer Kurbelwelle mit einem geschlossenen Gesamtinnenraum, welcher mit einem Arbeitsmedium füllbar und druckdicht verschliessbar ist, umfassend mindestens eine erste Arbeitskammer mit einem linear bewegbaren ersten Arbeitskolben,mindestens eine erste Wärmeübertragungskammer mit einem linear bewegbaren ersten Wärmeübertragungskolben, der einen Kolbenkopf und einen Kolbenbolzen aufweist, einen mit der ersten Arbeitskammer und der ersten Wärmeübertragungskammer verbundenen ersten Wärmetauscher, sowie eine erste Kühlvorrichtung, wobei der erste Arbeitskolben und der erste Wärmeübertragungskolben mechanisch miteinander gekoppelt sind.The present invention describes a heat transfer piston for a heat engine with a first working piston, and a heat engine with a driven flywheel or a crankshaft with a closed total interior, which can be filled with a working fluid and pressure sealed, comprising at least a first working chamber with a linearly movable first working piston at least one first heat transfer chamber having a linearly movable first heat transferring piston having a piston head and a piston pin, a first heat exchanger connected to the first working chamber and the first heat transfer chamber, and a first cooling device, wherein the first working piston and the first heat transferring piston are mechanically coupled together ,

Stand der TechnikState of the art

Wärmekraftmaschinen, beispielsweise Stirlingmotoren sind schon seit langem bekannt und bieten eine Möglichkeit thermische Energie in mechanische Arbeit umzusetzen, wobei ein recht hoher Wirkungsgrad und aufgrund der Bauart lange wartungsfreie Betriebszeiten möglich sind.Heat engines, such as Stirling engines have long been known and offer a way to convert thermal energy into mechanical work, with a fairly high efficiency and long maintenance-free operating times are possible due to the design.

Obwohl bislang bekannte derartige Wärmekraftmaschinen Vorteile wie die fehlende Beschränkung auf eine bestimmte Wärmequelle aufweisen, werden diese noch nicht im grösseren Masse kommerziell eingesetzt, da der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschinen noch sehr weit von dem Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren entfernt ist.Although hitherto known such heat engines have advantages such as the lack of restriction to a specific heat source, they are not yet used commercially on a large scale, since the efficiency of the heat engines is still very far removed from the efficiency of internal combustion engines.

Das Dokument EP0850353 offenbart Wärmekraftmaschinen in Form eines Stirlingmotors, wobei das Arbeitsmedium einen Kreisprozess durchläuft, in welchem Wärmeenergie teilweise in mechanische Arbeit umgewandelt wird.The document EP0850353 discloses heat engines in the form of a Stirling engine, wherein the working medium undergoes a cyclic process in which heat energy is partially converted into mechanical work.

Es ist eine Mehrzahl von Kammern in Zylinderform und Kolben vorgesehen, welche miteinander mechanisch gekoppelt sind, wobei sich die Kolben während des Betriebs im Wesentlichen gegenphasig zueinander bewegen. Durch eine abwechselnde Erhitzung mittels Wärmetauscher und Kühlung eines Arbeitsmediums mittels Kühlvorrichtungen innerhalb der Kammern, sind korrespondierend Kolben linear hin- und herbewegbar. Die lineare Bewegung der Kolben wird eine mechanische Kopplung mittels einer Taumelplatte in eine Rotationsbewegung umgewandelt. Die Taumelplatte treibt eine Antriebswelle an, welche mit einer Last mechanisch verbindbar ist. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wurden diverse Massnahmen getroffen, beispielsweise wurde die Abdichtung der Kolben verbessert. Durch die geeignete Wahl von Hochtemperaturmaterialien für die Kammern und Kolben, konnte die Temperaturdifferenz zwischen der heissen Seite der Wärmetauscher und der kalten Seite der Kühlvorrichtungen gefahrlos erhöht werden, womit die resultierende mechanische Arbeit erhöht wurde.There are a plurality of chambers in cylindrical shape and piston provided which are mechanically coupled to each other, wherein the pistons move during operation substantially in opposite phase to each other. By an alternating heating by means of heat exchangers and cooling of a working medium by means of cooling devices within the chambers, corresponding piston reciprocating linearly. The linear motion of the pistons converts a mechanical coupling into a rotary motion by means of a swashplate. The swash plate drives a drive shaft, which is mechanically connectable to a load. To increase the efficiency of various measures have been taken, for example, the sealing of the piston has been improved. By suitably selecting high temperature materials for the chambers and pistons, the temperature difference between the hot side of the heat exchangers and the cold side of the cooling devices could be safely increased, thus increasing the resulting mechanical work.

Die Verbesserung des Betriebs der Wärmekraftmaschine aus EP0850353 wurde durch Mittel zur Einstellung des Kolbenhubs und des Taumelscheibenwinkels erreicht. Diese Mittel sind elektrisch ausgeführt und führen dazu, dass die Wärmekraftmaschine mit einem Motor und weiteren Bauteilen ausgestattet werden muss. Derartige Wärmekraftmaschinen sind damit komplexer und mittels einer Vielzahl von Bauteilen ausgeführt, womit diese umständlicher zu bedienen und fehleranfälliger werden.The improvement of the operation of the heat engine EP0850353 was achieved by means for adjusting the piston stroke and the swashplate angle. These means are carried out electrically and cause the heat engine must be equipped with a motor and other components. Such heat engines are so complex and executed by a variety of components, making them more cumbersome to use and error prone.

Bisher wurde zur Optimierung der Wärmeleitung bzw. Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium, das Arbeitsmedium durch eine Vielzahl von dünnen Röhrchen mit einer grossen Gesamtoberfläche ausserhalb der Kammern geführt, wobei die Wärmeenergie übertragen wurde. Um höhere Leistungen zu erzielen musste der Betriebsdruck entsprechend erhöht werden, woraus eine mechanische Belastung der Vielzahl von Röhrchen resultiert.So far, to optimize the heat conduction or heat transfer to the working medium, the working medium passed through a plurality of thin tubes with a large total surface outside the chambers, wherein the heat energy was transferred. In order to achieve higher performance, the operating pressure had to be increased accordingly, resulting in a mechanical load of the plurality of tubes.

Würdigung von US4271669Appreciation of US4271669

Aus der US4271669 geht eine Hubkolbenmaschine hervor, welche einen Arbeitskolben mit Kolbenkopf aufweist mit einer Mehrzahl von Rippen. Die Rippen ragen bei linearer Auf- und Abbewegung des Kolbenkopfes in den Arbeitsraum, wobei die Rippen zwischen die als Keile geformten Wände des Arbeitsraumes berührungslos hineinragen. Das Arbeitsmedium befindet sich zwischen den keilförmigen Rippen des Kolbenkopfes und des Arbeitsraumes, wobei der Wärmefluss zwischen den Rippen durch Wärmeleitung resultiert. Der beschriebene Arbeitskolben sorgt bei der Hubbewegung für eine Wärmetransmission, wobei die Wärmetransmission durch Wärmeleitung während der Hubbewegung erreicht wird. Um eine möglichst gute Wärmeübertragung zu gewährleisten müssen die Rippen einander möglichst nahe gebracht werden, was zu engen Spalten und unerwünschten Verwirbelungen des Arbeitsmediums führt. Auch ist es gemäss der US4271669 bislang nur möglich Helium oder Argongas als Arbeitsmedium zu verwenden.From the US4271669 goes out a reciprocating engine, which has a piston with piston head having a plurality of ribs. The ribs protrude in a linear up and down movement of the piston head in the working space, wherein the ribs protrude without contact between the wedges shaped walls of the working space. The working medium is located between the wedge-shaped ribs of the piston head and the working space, wherein the heat flow between the ribs results by heat conduction. The working piston described ensures during the lifting movement for a heat transmission, wherein the heat transmission is achieved by heat conduction during the lifting movement. In order to ensure the best possible heat transfer, the ribs must be brought as close to each other as possible, resulting in narrow gaps and undesirable turbulence of the working medium. Also, it is according to the US4271669 so far only possible to use helium or argon gas as the working medium.

Die vorliegende Erfindung schafft eine neuartige Möglichkeit Wärmeenergie bei geringem Totvolumen auszutauschen. Durch den verringerten Einsatz einer Vielzahl von dünnen Röhrchen zum Wärmetausch sind die resultierenden Momente auf die Kolben kleiner, als bei Motoren des Stands der Technik.The present invention provides a novel way to exchange heat energy with low dead volume. Due to the reduced use of a plurality of thin tubes for heat exchange, the resulting torques on the pistons are smaller than in prior art motors.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine mechanische Wärmekraftmaschine nach Art eines Stirling-Motors zu schaffen, welche eine Benutzung von Luft als Arbeitsmedium erlaubt, wobei eine ausreichend hohe Effizienz erreichbar ist, wobei auf zusätzliche elektrische Steuerungen und Verbraucher verzichtet wird.The present invention has for its object to provide a mechanical heat engine in the manner of a Stirling engine, which allows use of air as the working medium, with a sufficiently high efficiency can be achieved, being dispensed with additional electrical controls and consumers.

Diese Aufgabe und zusätzlich die Verbesserung des bei der Wärmeleitung stattfindenden Austauschs von Wärmeenergie ohne Erhöhung des sogenannten Totvolumens, wobei das Arbeitsmedium vor dem Aufheizprozess nicht unnötigerweise abgekühlt wird, löst die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine.This task and in addition the improvement of the heat conduction occurring exchange of heat energy without increasing the so-called dead volume, wherein the working fluid is not unnecessarily cooled before the heating process, solves the inventive heat engine.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Figur 1
zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wärmekraftmaschine mit einem erstem und einem zweiten Wärmetauscher im Vordergrund, während
Figur 2
eine perspektivische Ansicht einer Wärmekraftmaschine von der Schwungrad-Seite zeigt.
Figur 3
zeigt eine teilweise längs geschnittene Ansicht einer Wärmekraftmaschine mit Schnitt durch eine erste Wärmeübertragungskammer und eine erste Arbeitskammer, während
Figur 4
eine Schnittansicht durch die Wärmekraftmaschine entlang der zentralen Verbindungslinie B durch die erste und zweite Arbeitskammer zeigt.
Figur 5
zeigt eine detaillierte perspektivische teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Wärmeübertragungskolbens in einer ersten Wärmeübertragungskammer.
Figur 6
zeigt einen Querschnitt durch eine Wärmeübertragungskammer gemäss Linie A-A aus Figur 4.
Figuren 7a bis 7d
stellen eine teilweise geschnittene Darstellung entlang einer Kreislinie D aus Figur 6 dar, wobei die unterschiedlichen Takte der Wärmekraftmaschine dargestellt sind.
Figur 8
zeigt ein p-V-Diagramm eines idealen rechtsläufigen Stirling-Prozesses, sowie eines, unter idealen Umständen erreichbaren, idealen pseudo-Kreisprozesses gemäss 1-5- 3-6.
Figur 9a
zeigt eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer Wärmekraftmaschine mit Kurbeltrieb innerhalbe eines Kurbeltriebgehäuses, während
Figur 9b
eine perspektivische Ansicht des Kurbeltriebes mit gekoppelten Kolben zeigt.
Figur 10a
zeigt eine perspektivische Ansicht zweier Wärmekraftmaschinen an eine Kurbelwelle gekoppelt, während
Figur 10b
eine perspektivische Ansicht der gekoppelten Kolben gemäss Figur 10a ohne Kurbeltriebgehäuse zeigt.
Figur 11
zeigt eine perspektivische Ansicht von insgesamt vier gekoppelten Wärmekraftmaschinen.
A preferred embodiment of the subject invention will be described below in conjunction with the accompanying drawings.
FIG. 1
shows a perspective view of a heat engine with a first and a second heat exchanger in the foreground, while
FIG. 2
shows a perspective view of a heat engine from the flywheel side.
FIG. 3
shows a partially longitudinal sectional view of a heat engine with a section through a first heat transfer chamber and a first working chamber, while
FIG. 4
a sectional view through the heat engine along the central connecting line B through the first and second working chamber shows.
FIG. 5
shows a detailed perspective partially sectioned view of a first heat transfer piston in a first heat transfer chamber.
FIG. 6
shows a cross section through a heat transfer chamber along the line AA FIG. 4 ,
FIGS. 7a to 7d
make a partially sectioned view along a circle D from FIG. 6 , wherein the different clocks of the heat engine are shown.
FIG. 8
shows a pV diagram of an ideal clockwise Stirling process, as well as an achievable under ideal circumstances, ideal pseudo-cycle process according to 1-5- 3-6.
FIG. 9a
shows a perspective partially sectional view of a heat engine with crank mechanism within a crankcase, while
FIG. 9b
a perspective view of the crank mechanism with coupled piston shows.
FIG. 10a
shows a perspective view of two heat engines coupled to a crankshaft while
FIG. 10b
a perspective view of the coupled piston according to FIG. 10a without crankcase shows.
FIG. 11
shows a perspective view of a total of four coupled heat engines.

Beschreibungdescription

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine 0 in Form eines Stirlingmotors 0, welche ein Schwungrad 21 durch Ausnutzung eines thermodynamischen Kreisprozesses antreibt, ist in den beiliegenden Figuren gezeigt und wird im Folgenden detailliert beschrieben. Das Schwungrad 21 kann beispielsweise mit einer Vorrichtung zur Nutzung der mechanischen Ausgangsenergie oder mit einem elektrischen Generator zur Umwandlung in elektrische Energie verbunden sein.A preferred embodiment of a heat engine 0 according to the invention in the form of a Stirling engine 0, which drives a flywheel 21 by utilizing a thermodynamic cyclic process, is shown in the attached figures and will be described in detail below. The flywheel 21 may be connected, for example, to a device for utilizing the mechanical output energy or to an electrical generator for conversion into electrical energy.

An einen Basisflansch 100 sind eine erste Wärmeübertragungskammer 1, eine zweite Wärmeübertragungskammer 2, eine erste Arbeitskammer 5 und eine zweite Arbeitskammer 6 angeordnet. Die insbesondere hohlzylindrisch geformten Kammern 1, 2, 5, 6 bilden jeweils einen inneren Hubraum. Die erste Wärmeübertragungskammer 1 ist ausserhalb des Basisflansches 100 über einen ersten Wärmetauscher 9 mit der ersten Arbeitskammer 5 verbunden. Die zweite Wärmeübertragungskammer 2 ist ausserhalb des Basisflansches 100 über einen zweiten Wärmetauscher 10 mit der zweiten Arbeitskammer 6 verbunden.To a base flange 100, a first heat transfer chamber 1, a second heat transfer chamber 2, a first working chamber 5 and a second working chamber 6 are arranged. The particular hollow cylindrical shaped chambers 1, 2, 5, 6 each form an internal displacement. The first heat transfer chamber 1 is connected outside the base flange 100 via a first heat exchanger 9 to the first working chamber 5. The second heat transfer chamber 2 is connected outside the base flange 100 via a second heat exchanger 10 to the second working chamber 6.

Innerhalb des Basisflansches 100 (in Figur 6 dargestellt) verlaufen eine erste Kühlvorrichtung 11 und eine zweite Kühlvorrichtung 12. Während die erste Wärmeübertragungskammer 1 über die erste Kühlvorrichtung 11 mit der zweiten Arbeitskammer 6 verbunden ist, ist die zweite Wärmeübertragungskammer 2 über die zweite Kühlvorrichtung 12 mit der ersten Arbeitskammer 5 verbunden. Die Wärmeübertragungskammern 1, 2, die Wärmetauscher 9, 10, sowie die Arbeitskammern 5, 6 und die Kühlvorrichtungen 11, 12 bilden einen zusammenhängenden geschlossenen und gasdichten Gesamtinnenraum, welcher mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist.Within the base flange 100 (in FIG. 6 a first cooling device 11 and a second cooling device 12 run. While the first heat transfer chamber 1 is connected to the second working chamber 6 via the first cooling device 11, the second heat transfer chamber 2 is connected to the first working chamber 5 via the second cooling device 12. The heat transfer chambers 1, 2, the heat exchangers 9, 10, and the working chambers 5, 6 and the cooling devices 11, 12 form a coherent closed and gas-tight overall interior, which is filled with a working fluid.

Durch die abwechselnde Verbindung der Wärmeübertragungskammern 1, 2 über Wärmetauscher 9, 10 und Kühlvorrichtungen 11, 12 entsteht ein geschlossener Gesamtinnenraum. Die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine 0 ist unter Einsatz von Luft, aber auch von reinem Stickstoff oder Sauerstoff als Arbeitsmedium einsetzbar.By the alternate connection of the heat transfer chambers 1, 2 via heat exchangers 9, 10 and cooling devices 11, 12 creates a closed overall interior. The inventive heat engine 0 can be used with the use of air, but also of pure nitrogen or oxygen as the working medium.

Die Wärmetauscher 9, 10 ausserhalb des Basisflansches 100 und die Kühlvorrichtungen 11, 12 sind in Form einer Mehrzahl von Röhrchen ausgeführt. Während die Kühlvorrichtungen 11, 12 innerhalb des Basisflansches 100 mit einem Kühlmittel in thermischem Kontakt sind, sind die Wärmetauscher 9, 10 mit einer externen Wärmequelle in thermischem Kontakt. Die Wärmetauscher 9, 10 sind während des Betriebes der Wärmekraftmaschine 0 mit einer Wärmequelle verbunden, sodass das innerhalb der Wärmetauscher 9, 10 befindliches Arbeitsmedium aufgeheizt wird. Die von aussen durch die Wärmequelle zugeführte Wärmeenergie heizt die Seite der Wärmekraftmaschine 0, auf welcher sich die Wärmetauscher 9, 10 befinden, auf eine Temperatur T2 > T1 auf. Die Art der Wärmequelle spielt für die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine keine Rolle und ist je nach Einsatzort der Wärmekraftmaschine und Zugänglichkeit wählbar.The heat exchangers 9, 10 outside the base flange 100 and the cooling devices 11, 12 are designed in the form of a plurality of tubes. While the cooling devices 11, 12 within the base flange 100 are in thermal contact with a coolant, the heat exchangers 9, 10 are in thermal contact with an external heat source. The heat exchangers 9, 10 are connected to a heat source during operation of the heat engine 0, so that the working medium located within the heat exchangers 9, 10 is heated. The heat energy supplied from outside through the heat source heats the side of the heat engine 0, on which the heat exchangers 9, 10 are located, to a temperature T 2 > T 1 . The type of heat source plays no role for the inventive heat engine and can be selected depending on the location of the heat engine and accessibility.

Die innerhalb des Basisflansches 100 angeordneten Kühlvorrichtungen 11, 12 werden mittels eines Kühlmittels auf die Temperatur T1 gekühlt, sodass das innerhalb der Kühlvorrichtungen 11, 12 zirkulierende Arbeitsmedium entsprechend abgekühlt wird. Das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, ist durch einen Kühlmitteleinlass 22 und einen Kühlmittelauslass 23 in den Basisflansch 100 einbringbar und entsprechend austauschbar.The cooling devices 11, 12 arranged inside the base flange 100 are cooled by means of a coolant to the temperature T 1 , so that the working medium circulating inside the cooling devices 11, 12 is cooled accordingly. The coolant, for example water, can be introduced into the base flange 100 through a coolant inlet 22 and a coolant outlet 23 and correspondingly exchanged.

Auf der, den Wärmetauschern 9, 10 gegenüberliegenden Seite des Basisflansches 100 entlang der Längsachse L ist eine Führungskulisse 101 befestigt. An einer innerhalb der Führungskulisse 101 befestigten Koppelmechanik ist das Schwungrad 21 rotierbar gelagert.On the, the heat exchangers 9, 10 opposite side of the base flange 100 along the longitudinal axis L is a guide slot 101 attached. At a mounted within the guide slot 101 coupling mechanism, the flywheel 21 is rotatably mounted.

An der Führungskulisse 101 ist eine Gelenkbefestigung 20, welche ein Kardangelenk 19 trägt, lösbar befestigt angeordnet. Mit dem Kardangelenk 19 ist eine Taumelplatte 18 in Form eines Kreuzes mit dem Kardangelenk 19 zusammenwirkend verbunden und kippbar auf dem Kardangelenk 19 gelagert. An jeder der vier Ecken der ortsfest angeordneten Taumelplatte 18 in Form eines Kreuzes ist jeweils eine Aufnahme für einen Koppelstab 25 angeordnet. Der Koppelstab 25 ist damit schwenkbewegbar mit der Taumelplatte 18 auf einer ersten Seite verbunden.On the guide slot 101 is a joint attachment 20 which carries a universal joint 19, releasably secured. With the universal joint 19, a swash plate 18 in the form of a cross with the universal joint 19 is cooperatively connected and tiltably mounted on the universal joint 19. At each of the four corners of the stationary arranged swash plate 18 in the form of a cross a receptacle for a coupling rod 25 is arranged in each case. The coupling rod 25 is thus pivotally connected to the swash plate 18 on a first side.

Die vier Koppelstäbe 25 sind auf der dem Basisflansch 100 zugewandten zweiten Seite jeweils mit einem ersten Wärmeübertragungskolben 3, einem zweiten Wärmeübertragungskolben 4, einem ersten Arbeitskolben 7 und einem zweiten Arbeitskolben 8 verbunden. Die Kolben 3,4,7,8 weisen jeweils einen Kolbenbolzen und einen Kolbenkopf auf, wobei der Kolbenbolzen mit jeweils einem Koppelstab 25 zusammenwirkend verbunden ist. Im Betrieb der Wärmekraftmaschine 0 bewegt sich der erste Wärmeübertragungskolben 3 linear in die erste Wärmeübertragungskammer 1 abwechselnd hinaus und hinein. Gleiches gilt für den zweiten Wärmeübertragungskolben 4 und die zweite Wärmeübertragungskammer 2 und den ersten und zweiten Arbeitskolben 7, 8 in die korrespondierende erste und zweite Arbeitskammer 5, 6.The four coupling rods 25 are connected on the base flange 100 facing the second side in each case with a first heat transfer piston 3, a second heat transfer piston 4, a first piston 7 and a second working piston 8. The pistons 3,4,7,8 each have a piston pin and a piston head, wherein the piston pin is cooperatively connected to a coupling rod 25. In operation of the heat engine 0, the first heat transferring piston 3 moves linearly into and out of the first heat transferring chamber 1 in turn. The same applies to the second heat transfer piston 4 and the second heat transfer chamber 2 and the first and second working piston 7, 8 in the corresponding first and second working chamber 5, 6th

Durch die mechanische Kopplung der einzelnen Kolben 3,4,7,8 über die Koppelstäbe 25 an der Taumelplatte 18, werden die Kolben 3,4,7,8 in einer festen Phasenverschiebung in die Kammern 1, 2, 5, 6 hinein und aus diesen heraus bewegt. Dabei sind der erste und zweite Arbeitskolben 7, 8 und der erste und zweite Wärmeübertragungskolben 3, 4 jeweils an gegenüberliegenden Armen der kreuzförmigen Taumelplatte 18 angeordnet. Jeder Wärmeübertragungskolben 3, 4 ist jeweils von den Arbeitskolben 7, 8 benachbart an der Taumelplatte 18 angeordnet.Due to the mechanical coupling of the individual pistons 3,4,7,8 via the coupling rods 25 on the swash plate 18, the piston 3,4,7,8 in a fixed phase shift in the chambers 1, 2, 5, 6 in and out moved this out. Here are the first and second piston 7, 8 and the first and second Heat transfer pistons 3, 4 respectively disposed on opposite arms of the cross-shaped swash plate 18. Each heat transfer piston 3, 4 is arranged in each case by the working piston 7, 8 adjacent to the swash plate 18.

Durch die Bewegung wird die ortsfeste Taumelplatte 18 unterschiedlich verkippt. Ein an der Taumelplatte 18 befestigter oder angeformter Schaft 17 ist in einer exzentrischen Bohrung 240 in einer Exzenterscheibe 24 gelagert. Die Lagerung des Schafts 17 erfolgt in einem Schaftlager 241 innerhalb der exzentrischen Bohrung 240. Durch die Kippbewegungen der Taumelplatte 18 wird der Schaft 17 entsprechend ausgelenkt. Die Exzenterscheibe 24 wird durch Auslenkung des Schafts 17 mitgeführt und in Rotation versetzt.By the movement, the stationary swash plate 18 is tilted differently. An attached to the swash plate 18 or integrally formed shaft 17 is mounted in an eccentric bore 240 in an eccentric disc 24. The bearing of the shaft 17 takes place in a shaft bearing 241 within the eccentric bore 240. By the tilting movements of the swash plate 18 of the shaft 17 is deflected accordingly. The eccentric 24 is carried by deflection of the shaft 17 and set in rotation.

Eine an der Exzenterscheibe 24 angeformte Antriebswelle 103 ist kugelgelagert durch die Führungskulisse 101 durchgeführt. Die Lagerung der Antriebswelle 103 in der Führungskulisse 101 erfolgt in einem Lager 102, bevorzugt ein Kugellager 102. Das auf der Antriebswelle 103 befestigte Schwungrad 21 wird entsprechend durch die Kolbenbewegung in Rotation versetzt. Die Auslenkung der Kolben 3,4,7,8 führt damit zu einer Kippbewegung der Taumelplatte 18, welche mittels Exzenterscheibe 24 in eine Rotationsbewegung der Antriebswelle 103 und des daran befestigten Schwungrads 21 führt.An integrally formed on the eccentric 24 drive shaft 103 is ball-bearing performed by the guide slot 101. The bearing of the drive shaft 103 in the guide slot 101 takes place in a bearing 102, preferably a ball bearing 102. The flywheel 21 mounted on the drive shaft 103 is correspondingly set in rotation by the piston movement. The deflection of the pistons 3,4,7,8 thus leads to a tilting movement of the swash plate 18, which leads by means of eccentric disc 24 in a rotational movement of the drive shaft 103 and the flywheel 21 attached thereto.

Wie in Figur 4 angedeutet macht die Schaftlängsachse 170 während der abwechselnden Hubbewegungen der Kolben 3,4,7,8 eine Präzessionsbewegung um die Längsachse L und damit um das Kardangelenk 19, wobei durch die Lagerung des Schafts 17 das Schwungrad 21 in Rotation versetzt wird. Die kinetische Energie des Schwungrades 21 führt zu einem kontinuierlichen Betrieb, wobei die Kippbewegung und die Präzessionsbewegungen des Schafts 17 durch mechanisch geleistete Arbeit aufgrund des Temperaturunterschiedes, mittels der Wärmezufuhr des ersten und zweiten Wärmetauschers 9, 10 ständig aufrechterhalten wird.As in FIG. 4 indicated the shaft longitudinal axis 170 during the reciprocal strokes of the pistons 3,4,7,8 makes a precession about the longitudinal axis L and thus to the universal joint 19, wherein the flywheel 21 is rotated by the storage of the shaft 17. The kinetic energy of the flywheel 21 leads to a continuous operation, wherein the tilting movement and the precession movements of the shaft 17 by mechanically performed work due to the temperature difference, is constantly maintained by means of the heat supply of the first and second heat exchanger 9, 10.

Die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine 0 weist Wärmeübertragungskammern 1, 2 mit deutlich grösseren Längen und/oder Durchmessern und damit grösseren Hubräumen auf, als die korrespondierenden ersten und zweiten Arbeitskammern 5, 6. Entsprechend sind die Durchmesser und Querschnittsflächen der Kolbenköpfe der Wärmeübertragungskolben 3, 4 grösser als die Durchmesser und Querschnittsflächen der Kolbenköpfe der Arbeitskolben 7, 8.The inventive heat engine 0 has heat transfer chambers 1, 2 with significantly greater lengths and / or diameters and thus larger displacements, as the corresponding first and second working chambers 5, 6. Accordingly, the diameter and cross-sectional areas of the piston heads of the heat transfer pistons 3, 4 are greater than that Diameter and cross-sectional areas of the piston heads of the working piston 7, 8.

In den Figuren 3 und 4 wird eine spezielle Ausgestaltung der Wärmeübertragungskolben 3, 4 deutlich. Die Kolbenköpfe der Wärmeübertragungskolben 3, 4 sind jeweils segmentiert und geschlitzt ausgeführt ist, wodurch eine vergrösserte Oberfläche zur Übertragung von Wärme zwischen Arbeitsmedium und Kolbenkopf resultiert.In the Figures 3 and 4 is a special embodiment of the heat transfer pistons 3, 4 clearly. The piston heads of the heat transfer pistons 3, 4 are each segmented and slotted, resulting in an increased surface area for the transfer of heat between the working fluid and the piston head.

Der Kolbenkopf der segmentierten und geschlitzten ersten und zweiten Wärmeübertragungskolben 3, 4 weist einen etwas kleineren Durchmesser auf, als die lichte Weite der korrespondierenden ersten und zweiten Wärmeübertragungskammer 1, 2, sodass ein radialer Abstand zwischen Wärmeübertragungskolben 3, 4 und jeweiliger Wärmeübertragungskammer 1, 2 garantiert ist.The piston head of the segmented and slotted first and second heat transfer pistons 3, 4 has a slightly smaller diameter than the inside diameter of the corresponding first and second heat transfer chambers 1, 2, so that a radial distance between heat transfer pistons 3, 4 and respective heat transfer chamber 1, 2 guaranteed is.

In Figur 5 sind Längsschlitze 13 im Kolbenkopf des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 etwa parallel zum Kolbenbolzen des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 verlaufend erkennbar. Durch diese Längsschlitze 13 kann Arbeitsmedium aus Richtung des ersten Wärmetauschers 9 vom geheizten Teil 15 der ersten Wärmeübertragungskammer 1 in Richtung Kolbenbolzen passieren. Das Arbeitsmedium hat im Bereich des geheizten Teils 15 eine Temperatur T2. Querschlitze 14 erschweren die Wärmeleitung durch den segmentierten Wärmeübertragungskolben 3 zwischen dem geheizten Teil 15 und dem gekühlten Teil 16 der ersten Wärmeübertragungskammer 1. Durch die Ausgestaltung der deutlich grösseren Wärmeübertragungskammer 1 im Vergleich zur ersten Arbeitskammer 5 und die segmentiert ausgestalteten Wärmeübertragungskolben 3, 4 weicht das resultierende p-V-Diagramm der erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine 0 vom bekannten Stirling-p-V-Diagramm deutlich ab.In FIG. 5 Longitudinal slots 13 in the piston head of the first heat transfer piston 3 are approximately parallel to the piston pin of the first heat transfer piston 3 recognizable running. Through these longitudinal slots 13 working medium from the direction of the first heat exchanger 9 can pass from the heated part 15 of the first heat transfer chamber 1 in the direction of the piston pin. The working medium has a temperature T 2 in the region of the heated part 15. Transverse slots 14 complicate the heat conduction the segmented heat transfer piston 3 between the heated part 15 and the cooled part 16 of the first heat transfer chamber 1. Due to the design of the significantly larger heat transfer chamber 1 compared to the first working chamber 5 and the segmented designed heat transfer pistons 3, 4 deviates the resulting pV diagram of the inventive heat engine 0 from the known Stirling pV diagram clearly.

Aufgrund der oben beschriebenen Anordnung ändern sich Druck und Temperatur des Arbeitsmediums während der Bewegung der ersten und zweiten Arbeitskolben 5, 6 kaum. Aufgrund des Grössenunterschiedes zwischen Wärmeübertragungskammer und Arbeitskammer durchläuft das Arbeitsmedium keinen klassisch bekannten kontinuierlichen thermodynamischen Kreisprozess.Due to the arrangement described above, pressure and temperature of the working medium hardly change during the movement of the first and second working pistons 5, 6. Due to the size difference between the heat transfer chamber and the working chamber, the working medium does not pass through a classically known continuous thermodynamic cycle.

In Figur 6 ist eine zentrale Verbindungslinie B, welche entlang der Zentren der ersten und zweiten Wärmeübertragungskammer 1, 2, sowie durch die Längsachse L verläuft. Eine weitere Verbindungslinie C, läuft entlang der Mitten der ersten und zweiten Arbeitskammer 5, 6 und quert die Längsachse L. Zwischen der zentralen Verbindungslinie B und der weiteren Verbindungslinie C wird ein Winkel α aufgespannt. Versuche haben gezeigt, dass bei der Wahl des Winkels α im Bereich 90° bis 140° gute Ergebnisse erzielt werden können. Durch unterschiedliche relative Ausrichtungen der Kammern und entsprechend mittelbare Befestigung der Kolben an der Taumelplatte 18 können erfindungsgemässe Wärmekraftmaschinen 0 an spezielle Anforderungen angepasst werden. Neben einem platzsparenden Aufbau, kann die Anordnung der Kolben auf die Erreichung einer maximalen Leistung oder maximalen Effizienz abgestimmt eingestellt werden.In FIG. 6 is a central connecting line B, which runs along the centers of the first and second heat transfer chamber 1, 2, as well as through the longitudinal axis L. Another connecting line C, runs along the centers of the first and second working chamber 5, 6 and traverses the longitudinal axis L. Between the central connecting line B and the further connecting line C, an angle α is clamped. Experiments have shown that in the choice of the angle α in the range 90 ° to 140 ° good results can be achieved. By different relative orientations of the chambers and corresponding indirect attachment of the piston to the swash plate 18 according to the invention heat engines 0 can be adapted to specific requirements. In addition to a space-saving design, the arrangement of the pistons can be adjusted to achieve maximum performance or maximum efficiency.

Im Folgenden wird anhand der Figuren 7a bis 7d der thermodynamische Zyklus der erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine 0 in vier Takten erläutert. Aufgrund der oben beschriebenen abwechselnden Anordnung der Arbeitskolben 7, 8 und Wärmeübertragungskolben 3, 4 werden beim Betrieb der Wärmekraftmaschine 0 entweder die Arbeitskolben 7, 8 oder die Wärmeübertragungskolben gleichzeitig in entgegen gesetzte Richtungen linear ausgelenkt.The following is based on the FIGS. 7a to 7d the thermodynamic cycle of the inventive heat engine 0 explained in four cycles. Due to the alternating arrangement of the working pistons 7, 8 and heat transfer pistons 3, 4 described above, during operation of the heat engine 0, either the working pistons 7, 8 or the heat transfer pistons are simultaneously deflected linearly in opposite directions.

Die Figuren 8a bis 7d zeigen einen Schnitt durch alle vier Kammern 1, 2, 5, 6 entlang der Linie D, welcher in die Papierebene geklappt dargestellt ist. Die Hubräume, welche mit Arbeitsmedium unter höchstem Druck gefüllt sind, sind mit "+"-Zeichen gekennzeichnet. Entsprechend sind Hubräume mit "-"-Zeichen gekennzeichnet, in denen der Druck minimal ist.The FIGS. 8a to 7d show a section through all four chambers 1, 2, 5, 6 along the line D, which is shown folded into the plane of the paper. The displacement, which are filled with working fluid under highest pressure, are marked with "+" - sign. Correspondingly, displacements are marked with "-" signs, in which the pressure is minimal.

1. Takt1st bar

Figur 7a zeigt die Bewegung des ersten Arbeitskolbens 7 und des zweiten Arbeitskolbens 8, während der Rotation der Exzenterscheibe 24 von 0° bis 90°. Das Arbeitsmedium in der ersten Wärmeübertragungskammer 1, im ersten Wärmetauscher 9, im oberen heissen Bereich der ersten Arbeitskammer 5 und im unteren kalten Bereich der zweiten Arbeitskammer 6 steht unter hohem Druck. Durch die Segmentierung des ersten Wärmeübertragungskolbens 3, welcher zuvor erwärmt wurde, konnte das Arbeitsmedium zusätzlich erwärmt werden. Der erste Wärmeübertragungskolben 3 ist am gekühlten unteren Anschlag der ersten Wärmeübertragungskammer 1, während der erste Arbeitskolben 7 mittig innerhalb der ersten Arbeitskammer 5 ausgelenkt ist. Durch die Segmentierung des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 kann das Arbeitsmedium durch die Längsschlitze 13 von der heissen Seite des Wärmeübertragungskolbens 3 in Richtung der ersten Kühlvorrichtung 11 strömen bis in den unteren kalten Bereich der zweiten Arbeitskammer 6 unterhalb des zweiten Arbeitskolbens 8. Der zweite segmentierte Wärmeübertragungskolben 4 befindet sich zu Beginn am oberen heissen Anschlag der zweiten Wärmeübertragungskammer 2. Das Arbeitsmedium kann unter niedrigem Druck von der Arbeitskammer 6 durch den zweiten Wärmetauscher 10 durch die Längsschlitze 13 in den kalten Bereich der zweiten Wärmeübertragungskammer 2 und die zweite Kühlvorrichtung 12 bis in den kalten Bereich der ersten Arbeitskammer 5 strömen. Figure 7a shows the movement of the first working piston 7 and the second working piston 8, during the rotation of the eccentric disc 24 from 0 ° to 90 °. The working medium in the first heat transfer chamber 1, in the first heat exchanger 9, in the upper hot region of the first working chamber 5 and in the lower cold region of the second working chamber 6 is under high pressure. Due to the segmentation of the first heat transferring piston 3, which was previously heated, the working medium could be additionally heated. The first heat transferring piston 3 is at the cooled lower stop of the first heat transfer chamber 1, while the first working piston 7 is centrally deflected within the first working chamber 5. By segmenting the first heat transferring piston 3, the working medium can flow through the longitudinal slots 13 from the hot side of the heat transferring piston 3 in the direction of the first cooling device 11 into the lower cold region of the second The second segmented heat transfer piston 4 is located at the beginning of the upper hot stop the second heat transfer chamber 2. The working fluid can under low pressure from the working chamber 6 through the second heat exchanger 10 through the longitudinal slots 13 in the cold region of second heat transfer chamber 2 and the second cooling device 12 to flow into the cold region of the first working chamber 5.

2. Takt2nd bar

Es folgt ein zweiter Takt durch die Rotation der Taumelscheibe von 90° bis 180°. Aufgrund der mechanischen Kopplung der vier Kolben 3, 4, 7, 8 an der Taumelplatte 18 wird der erste Arbeitskolben 7 bis zum gekühlten Anschlag nach unten gezogen, während der zweite Arbeitskolben 8 bis zum geheizten Anschlag nach oben gedrückt wird. Aufgrund des Druckunterschiedes findet eine Bewegung des ersten Arbeitskolbens 7 nach unten und des zweiten Arbeitskolbens 8 nach oben, jeweils in Richtung des niedrigeren Druckes des Arbeitsmediums, statt. Durch eine Expansion des Arbeitsmediums wird damit effektiv Arbeit verrichtet.It follows a second clock by the rotation of the swash plate from 90 ° to 180 °. Due to the mechanical coupling of the four pistons 3, 4, 7, 8 on the swash plate 18, the first working piston 7 is pulled down to the cooled stop, while the second working piston 8 is pressed up to the heated stop. Due to the pressure difference is a movement of the first working piston 7 down and the second working piston 8 upwards, respectively in the direction of lower pressure of the working medium instead. An expansion of the working medium effectively does work.

Am Schluss der ersten Bewegung ist der erste Arbeitskolben 7 bis zum unteren kalten Anschlag und der zweite Arbeitskolben 8 bis zum oberen heissen Anschlag ausgelenkt, wobei eine Entspannung des Arbeitsmediums stattfindet.At the end of the first movement, the first working piston 7 is deflected to the lower cold stop and the second working piston 8 to the upper hot stop, wherein a relaxation of the working medium takes place.

Durch eine weitere Drehung der Taumelplatte 18 werden die gegenüberliegend angeordneten erste und zweite Wärmeübertragungskolben 3, 4 gegengleich linear verschoben. Während der erste Wärmeübertragungskolben 3 in einer Aufwärtsbewegung in Richtung ersten Wärmetauscher 9 ist, bewegt sich der zweite Wärmeübertragungskolben 4 in Richtung des kalten unteren Anschlags der zweiten Wärmeübertragungskammer 2.By a further rotation of the swash plate 18, the oppositely arranged first and second heat transfer pistons 3, 4 are moved linearly opposite. While the first heat transferring piston 3 is in an upward movement toward the first heat exchanger 9, the second heat transferring piston 4 moves toward the cold lower stopper of the second heat transferring chamber 2.

Durch die Längsschlitze 13 des ersten Wärmeübertragungskolbens 3 strömt erwärmtes Arbeitsmedium, welches seine Wärmeenergie an den Wärmeübertragungskolben 3 abgibt, wodurch das Arbeitsmedium abkühlt. Durch die grosse Fläche des Wärmeübertragungskolbens 3 wird dem Arbeitsmedium derart viel Wärme entzogen, das der Druck in der ersten Wärmeübertragungskammer 1 stark abnimmt.Through the longitudinal slots 13 of the first heat transfer piston 3 heated working fluid flows, which emits its heat energy to the heat transfer piston 3, whereby the working fluid cools. Due to the large surface area of the heat transferring piston 3, so much heat is removed from the working medium that the pressure in the first heat transfer chamber 1 decreases sharply.

Durch die Bewegung des zweiten, in Takt 1 aufgeheizten, Wärmeübertragungskolbens 4 in Richtung des gekühlten Anschlags der ersten Wärmeübertragungskammer 2 strömt kaltes Arbeitsmedium durch den segmentierten Wärmeübertragungskolben 4. Wärmeenergie wird an das Arbeitsmedium abgegeben, wodurch das Arbeitsmedium bei der Strömung in Richtung des zweiten Wärmetauschers 10 bereits vorgewärmt wird. Durch die Abgabe der Wärmeenergie durch den zweiten Wärmeübertragungskolben 4 erhöht sich der Druck in der zweiten Wärmeübertragungskammer 2.By the movement of the second, heated in clock 1, heat transfer piston 4 in the direction of the cooled stop of the first heat transfer chamber 2 cold working fluid flows through the segmented heat transfer piston 4. heat energy is released to the working fluid, whereby the working fluid in the flow in the direction of the second heat exchanger 10th already preheated. By the discharge of the heat energy through the second heat transferring piston 4, the pressure in the second heat transfer chamber 2 increases.

3. Takt3rd bar

Wie in Figur 7c deutlich, herrscht ein niedriger Druck in der ersten Wärmeübertragungskammer 1, dem ersten Wärmetauscher 9 und im oberen Bereich der ersten Arbeitskammer 5 vor. Ein hoher Druck des Arbeitsmediums herrscht entsprechend in der zweiten Wärmeübertragungskammer 2, dem zweiten Wärmetauscher 10 und der zweiten Arbeitskammer 6 vor. Durch diese Druckunterschiede wird der erste Arbeitskolben in Richtung des ersten Wärmetauschers 9 und der zweite Arbeitskolben in Richtung des zweiten Wärmetauschers 10 ausgelenkt, wobei wieder mechanische Arbeit verrichtet wird.As in FIG. 7c clearly, a low pressure prevails in the first heat transfer chamber 1, the first heat exchanger 9 and in the upper region of the first working chamber 5. A high pressure of the working medium prevails accordingly in the second heat transfer chamber 2, the second heat exchanger 10 and the second working chamber 6. Due to these pressure differences, the first working piston is deflected in the direction of the first heat exchanger 9 and the second working piston in the direction of the second heat exchanger 10, wherein mechanical work is again performed.

4. Takt4 tact

Eine weitere Auslenkung der Taumelscheibe 18 von 270° bis 360° führt den ersten Wärmeübertragungskolben 3 in Richtung des kalten Anschlags und den zweiten Wärmeübertragungskolben 4 in Richtung des heissen Anschlags, wobei sich der erste Arbeitskolben 7 am heissen Anschlag und der zweite Arbeitskolben 8 am kalten Anschlag befindet.A further deflection of the swash plate 18 from 270 ° to 360 ° leads the first heat transfer piston 3 in the direction of the cold stop and the second heat transfer piston 4 in the direction the hot stop, with the first working piston 7 at the hot stop and the second working piston 8 is at the cold stop.

Die Wärmeübertragungskolben 3, 4 sind in der Lage viel Wärmeenergie aufzunehmen und während des Prozesses an das Arbeitsmedium abzugeben, wodurch eine Vorkühlung bzw. eine Vorheizung des Arbeitsmediums stattfindet. Die von den Wärmeübertragungskolben 3, 4 aufnehmbare Wärmeenergiemenge ist dabei deutlich grösser, als die bei dem thermodynamischen Kreisprozess verrichtete Arbeit.The heat transfer pistons 3, 4 are able to absorb a lot of heat energy and deliver it to the working medium during the process, whereby precooling or preheating of the working medium takes place. The amount of heat energy that can be absorbed by the heat transfer pistons 3, 4 is significantly greater than the work performed in the thermodynamic cycle.

Aufgrund der durch die segmentiert ausgebildeten Wärmeübertragungskolben 3, 4 wird mehr Wärmeenergie an das Arbeitsmedium abgegeben, als beim bekannten klassischen Stirling-Kreisprozess. Dadurch kann mehr mechanische Arbeit verrichtet werden und somit ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.Due to the segments formed by the heat transfer pistons 3, 4 more heat energy is released to the working medium, as in the known classic Stirling cycle. As a result, more mechanical work can be done and thus a higher efficiency can be achieved.

Figur 8 zeigt ein p-V-Diagramm des bekannten idealen rechtsläufigen Stirling-Prozesses, wobei
3 → 4 eine isotherme Expansion unter Zuführung von Wärme
4 → 1 eine isochore Abkühlung
1 → 2 eine isotherme Kompression mit zugeführter Volumenänderung und
2 → 3 eine isochore Erwärmung
ein geschlossener Kreisprozess ist und die umwandelbare mechanische Arbeit die Fläche unter den Zyklen darstellt. FIG. 8 shows a pV diagram of the known ideal clockwise Stirling process, wherein
3 → 4 an isothermal expansion with the addition of heat
4 → 1 isochronous cooling
1 → 2 an isothermal compression with supplied volume change and
2 → 3 isochoric heating
is a closed loop process and the convertible mechanical work represents the area under the cycles.

Mit der hier vorgestellten Vorrichtung kann ein abgewandelter Prozess durchgeführt werden, wobei ein idealer pseudo-Kreisprozess gemäss 1-5-3-6 möglich ist. Dieser Prozess beschreibt im Idealfall ein Rechteck, wobei bei einem konstanten Druck p1 eine Volumenverkleinerung bei der Temperatur T1 durchlaufen wird (1→ 5). Anschliessend wird bei einem konstanten Volumen V1 eine Kompression von p1 auf p2 durchgeführt (5 → 3). Beim Druck p2 findet eine Volumenvergrösserung von V1 auf V2 statt (3 → 6). Bevor eine isochore Abkühlung bei gleichzeitiger Druckminderung von p2 auf p1 stattfindet (6 → 1). Auch hier wird die mechanisch umsetzbare Arbeit durch die Fläche unterhalb des Zyklus beschrieben, wobei die schraffierte Fläche den zusätzlichen Anteil der Arbeit angibt. Aus Figur 8 wird deutlich, dass die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine 0 zu einem höheren erreichbaren Wirkungsgrad führt, wobei die Prozessparameter Druck, Temperatur und Volumenänderung bekannten Stirling-Kreisprozessen entsprechen.With the device presented here, a modified process can be carried out, whereby an ideal pseudo cycle process according to 1-5-3-6 is possible. This process ideally describes a rectangle, wherein at a constant pressure p1 a volume reduction at the temperature T1 is run through (1 → 5). Subsequently, at a constant volume V1, a compression from p1 to p2 is carried out (5 → 3). At pressure p2, the volume increases from V1 to V2 (3 → 6). Before an isochore cooling with simultaneous pressure reduction from p2 to p1 takes place (6 → 1). Again, the work that can be done mechanically is described by the area below the cycle, where the hatched area indicates the additional amount of work. Out FIG. 8 It is clear that the inventive heat engine 0 leads to a higher achievable efficiency, the process parameters pressure, temperature and volume change correspond to known Stirling cycles.

Damit die Wärmekraftmaschine 0 minimale Vibrationen während des Betriebs aufweist und eine dynamische Unwucht aufgrund der rotierenden Exzenterscheibe 24, deren Rotationsachse nicht mit einer der stabilen Hauptträgheitsachsen übereinstimmt, auszugleichen, ist die Exzenterscheibe unsymmetrisch mit einer Verdickung versehen. Diese Verdickung ist in Figur 4 deutlich erkennbar und bildet ein Ausgleichsgewicht.So that the heat engine 0 has minimal vibrations during operation and a dynamic unbalance due to the rotating eccentric disc 24 whose axis of rotation does not coincide with one of the stable main axes of inertia, compensate for the eccentric unbalanced with a thickening. This thickening is in FIG. 4 clearly recognizable and forms a balance weight.

Der in der ersten Arbeitskammer 5 und der zweiten Arbeitskammer 6 während der Verdichtung des Arbeitsmediums auftretende Druck beträgt etwa 6 bis 7 MPa. Aufgrund der Nutzung von Luft als Arbeitsmedium sind die Anforderungen an die Dichtung des Gesamtinnenraums der Wärmekraftmaschine 0 nicht besonders hoch. Für die Kammern 1, 2,5, 6 und Kolben 3, 4, 7, 8 wird Edelstahl eingesetzt, wobei Lötstellen mit einem Kupfer und Magnesium enthaltenen Lot verbunden sind.The pressure occurring in the first working chamber 5 and the second working chamber 6 during the compression of the working medium is about 6 to 7 MPa. Due to the use of air as the working medium, the requirements for the seal of the entire interior of the heat engine 0 are not particularly high. For the chambers 1, 2.5, 6 and pistons 3, 4, 7, 8 stainless steel is used, wherein solder joints are connected to a solder containing copper and magnesium.

Vorteilhaft ist die hohle Ausführung des ersten und zweiten Arbeitskolbens 7, 8. Die notwendige Stabilität ist gegeben und aufgrund minimierten Gewichts ist eine optimale Kraftübertragung möglich. Um die Arbeitskolben 7, 8 vor der auftretenden Hitze zu schützen, werden in weiteren Ausführungsformen Mineralfasern, insbesondere Basaltfasern in das Innere der Arbeitskolben 7, 8 eingebracht. Die Basaltfasern liegen in amorpher Form vor und haben neben einer Hitzeschutzwirkung einen mechanisch verstärkenden Effekt.Advantageously, the hollow design of the first and second working piston 7, 8. The necessary stability is given and due to minimized weight optimum power transmission is possible. To the working piston 7, 8 before the occurring heat too In other embodiments, mineral fibers, in particular basalt fibers, are introduced into the interior of the working pistons 7, 8. The basalt fibers are in amorphous form and have a heat-protective effect, a mechanical reinforcing effect.

An der oberen Seite des Basisflansches 100, der Führungskulisse 101 zugewandt, sind Kolbenführungen angeformt, durch welche die Kolbenbolzen durch eine Bohrung stabilisiert geführt linear in die entsprechenden Kammern abwechselnd bewegt werden. Die lineare Bewegung der Kolben 3,4,7,8 wird in Rotationsbewegung der Taumelplatte 18, der Exzenterscheibe 24 und letztlich des Schwungrades 21 umgesetzt. Durch die hier gezeigte Art der Kopplung können die Kolben 3,4,7,8 aber auch durch Rotation des Schwungrades 21 ausgelenkt werden.On the upper side of the base flange 100, facing the guide slot 101, piston guides are formed, through which the piston pin guided by a bore stabilized guided linearly in the corresponding chambers are moved alternately. The linear movement of the pistons 3,4,7,8 is converted into rotational movement of the swash plate 18, the eccentric disc 24 and ultimately the flywheel 21. Due to the type of coupling shown here, the pistons 3,4,7,8 can also be deflected by rotation of the flywheel 21.

In weiteren Ausführungsformen können mehr als zwei Paare aus Wärmeübertragungskammer und zugeordneter und über einen Wärmetauscher verbundene Arbeitskammer die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine 0 bilden. Entsprechend müssten weitere Wärmeübertragungkolben und Arbeitskolben vorgesehen sein, welche in den zusätzlichen Kammern bewegbar gelagert sind. Die Mechanik zur Auskopplung der linearen Kolbenbewegung und Umwandlung in eine Rotationsbewegung zum Antrieb des Schwungrades 21 muss auf die Anzahl der verwendeten Kolben jeweils abgestimmt sein.In further embodiments, more than two pairs of heat transfer chamber and associated and connected via a heat exchanger working chamber, the inventive heat engine 0 form. Accordingly, further heat transfer pistons and working piston would have to be provided, which are movably mounted in the additional chambers. The mechanism for decoupling the linear piston movement and conversion into a rotational movement for driving the flywheel 21 must be matched to the number of pistons used in each case.

Bei der Entwicklung des segmentiert ausgeführten ersten Wärmeübertragungskolbens 3 wurde dieser erste Wärmeübertragungskolben 3 in bekannte handelsübliche Stirling-Motoren und Wärmekraftmaschinen gemäss eines Stirling-Motors eingebaut und damit experimentiert. Dabei wurden bekannte Wärmekraftmaschinen mit nur einer ersten Wärmeübertragungskammer 1 benutzt. Der Wirkungsgrad solcher Wärmkraftmaschinen ist bei Benutzung von Kolben gemäss Stand der Technik nicht besonders hoch. Nach dem Einbau des einen segmentierten Wärmeübertragungskolbens 3 in die eine Wärmeübertragungskammer 1 und der Benutzung von Luft als Arbeitsmedium konnten gute Ergebnisse erreicht werden, mit ähnlich hohem Wirkungsgrad, wie beim Standardbetrieb beispielsweise mit Heliumgas.In the development of the segmented executed first heat transferring piston 3, this first heat transferring piston 3 was installed in known commercial Stirling engines and heat engines according to a Stirling engine and experimented with it. In this case, known heat engines with only a first heat transfer chamber 1 were used. The efficiency of such Heat engines are not particularly high when using pistons according to the prior art. After installation of a segmented heat transfer piston 3 in a heat transfer chamber 1 and the use of air as a working medium good results could be achieved with a similar high efficiency, such as in standard operation, for example with helium gas.

Damit wurde gezeigt, dass eine Verwendung von Luft als Arbeitsmedium durch die Benutzung eines segmentierten ersten Wärmeübertragungskolben 3 in bekannten Stirling-Motoren erfolgreich durchführbar ist. Die grossen Probleme, die bei bekannten Stirling-Motoren aufgrund der Benutzung von Helium auftreten, können damit durch eine Verwendung des ersten segmentierten Wärmeübertragungskolbens 3 und die Verwendung von Luft, umgangen werden. Die anfänglich benutzten Wärmeübertragungskolben 3 wiesen bereits wie oben beschrieben, eine Mehrzahl von Längsschlitzen 13 und/oder Querschlitzen 14 auf.Thus, it has been shown that a use of air as a working medium by the use of a segmented first heat transfer piston 3 in known Stirling engines is successfully carried out. The major problems that occur in known Stirling engines due to the use of helium can thus be circumvented by using the first segmented heat transfer piston 3 and the use of air. The initially used heat transfer pistons 3 already had a plurality of longitudinal slots 13 and / or transverse slots 14 as described above.

Zur Übertragung der linearen translatorischen Bewegung der Kolben 3, 4, 7, 8 in eine Drehbewegung ist der im Folgenden erläuterte Kurbeltrieb 40 einsetzbar. Neben dem Antrieb eines Schwungrades 21 ist damit auch der Antrieb einer Kurbelwelle 400 möglich. Der Kurbeltrieb 40 erlaubt eine gute Kraftübertragung beim Betrieb der Wärmekraftmaschine 0, wobei konstruktionsbedingt eine einfache Aneinanderreihung mehrerer Wärmekraftmaschinen 0 bzw. mehrerer Paare von Arbeitskolben 7, 8 und Wärmeübertragungskolben 3, 4 möglich ist.For transmitting the linear translational movement of the pistons 3, 4, 7, 8 into a rotational movement, the crank drive 40 explained below can be used. In addition to the drive of a flywheel 21 so that the drive of a crankshaft 400 is possible. The crank mechanism 40 allows a good power transmission during operation of the heat engine 0, which by design is a simple juxtaposition of several heat engines 0 or more pairs of working piston 7, 8 and heat transfer pistons 3, 4 is possible.

Der Kurbeltrieb 40 umfasst die Kurbelwelle 400, die in einem Kurbeltriebgehäuse 41 auf mindestens einem Kurbelwellenlager 401 rotierbar ortsfest angeordnet ist. Mit der Kurbelwelle 400 ist über einen Hubzapfen 4010 mindestens ein Hubelement 403 verbunden, welches exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle 400 auf der Kurbelwelle 400 gelagert ist und damit die Kurbelwelle 400 in eine Drehbewegung versetzen kann. Das Hubelement 403 weist einen Querbalken 4031 auf, an dessen Enden jeweils ein Arbeitskolben 7 und ein Wärmeübertragungskolben 3 angeordnet sind. Mittels Gelenken 405 sind zwei Doppelgelenkstäbe 404 drehbewegbar über Wälzlager 407 an den Enden des Querbalkens 4031 befestigt. Auf der dem Querbalken 4031 abgewandten Seite des Hubelementes 403 sind die Kolben 3, 4, 7, 8 wiederum durch Wälzlager gelagert mittels Gabelkopplungen 406 bewegbar an den Doppelgelenkstäben 404 befestigt.The crank mechanism 40 includes the crankshaft 400, which is rotatably arranged in a stationary manner in a crank drive housing 41 on at least one crankshaft bearing 401. At least one lifting element 403 is connected to the crankshaft 400 via a crankpin 4010, which is mounted eccentrically to the axis of rotation of the crankshaft 400 on the crankshaft 400 and thus can put the crankshaft 400 in a rotary motion. The lifting element 403 has a transverse bar 4031, at the ends of which in each case a working piston 7 and a heat transferring piston 3 are arranged. By means of joints 405 two double-jointed rods 404 are rotatably mounted via rolling bearings 407 at the ends of the crossbar 4031. On the side facing away from the crossbar 4031 side of the lifting element 403, the pistons 3, 4, 7, 8 in turn mounted by roller bearings by means of fork couplings 406 movably attached to the double joint rods 404.

Jeweils ein Schwenkhebel 402 ist schwenkbar in einem Schwenkhebellager 4022 am Kurbeltriebgehäuse 41 befestigt und an der in das Kurbeltriebgehäuse 41 hineinragenden Seite mit einem Schwenkstab 4021 bewegbar, bevorzugt durch Wälzlager gelagert, mit dem Hubelement 403 verbunden.In each case, a pivot lever 402 is pivotally mounted in a pivot lever bearing 4022 on the crank drive housing 41 and movable on the projecting into the crank drive housing 41 side with a pivot rod 4021, preferably supported by roller bearings, connected to the lifting element 403.

Beim Betrieb der Wärmekraftmaschine und der periodischen Auslenkung der Kolben 3, 4, 7, 8 wird das Hubelemente 403 gemäss Pfeilmarkierung A in Figur 9b, je nach Auslenkung der benachbart aufgehängten Kolben verschwenkt und aufgrund der exzentrischen Befestigung am Hubzapfen 4010 der Kurbelwelle 400 in Richtung senkrecht zur Kurbelwellenachse auf und ab geführt. Durch Wahl des Abstandes der Aufhängung des Kolbens 7 und des Kolbens 3 kann eine optimale Kraftübertragung auf die Kurbelwelle 400 aufgrund der Phasenverschiebung der Kolben erreicht werden. Die Kolben 3, 7 und die Kolben 4, 8 sind jeweils an unterschiedlichen Hubzapfen an der Kurbelwelle 400 befestigt, damit eine notwendige Phasenverschiebung der Kolbenpaare zueinander erreichbar ist.During operation of the heat engine and the periodic deflection of the pistons 3, 4, 7, 8, the lifting elements 403 according to arrow mark A in FIG. 9b pivoted depending on the deflection of the adjacent suspended piston and out due to the eccentric attachment to the crank pin 4010 of the crankshaft 400 in the direction perpendicular to the crankshaft axis up and down. By choosing the distance of the suspension of the piston 7 and the piston 3, an optimal power transmission to the crankshaft 400 due to the phase shift of the pistons can be achieved. The pistons 3, 7 and the pistons 4, 8 are each fastened to the crankshaft 400 at different crank pins, so that a necessary phase shift of the piston pairs relative to each other can be achieved.

Durch die Kopplung des Schwenkstabs 4021 am Hubelement 403, wird der Schwenkhebel 402 mit der auf und ab Bewegung mitgeführt und entsprechend um das Schwenkhebellager 4022 verschwenkt. Der Schwenkhebel 402 ist hier gegabelt ausgeführt, wobei jeweils einer der Kolben bzw. Kolbenstangen durch den gegabelten Bereich des Schwenkhebels 402 führbar gelagert ist. Auch durch die Anordnung der Schwenkhebel 402 am Kurbeltriebgehäuse 41 kann die Phasenverschiebung der beweglichen Kolben eingestellt werden. Die Schwenkbewegung des vorderen Schwenkhebels 402 ist durch die Pfeilmarkierung D und die Schwenkbewegung des hinteren Schwenkhebels 402' ist durch die Pfeilmarkierung E definiert.By the coupling of the pivot rod 4021 on the lifting element 403, the pivot lever 402 is carried along with the up and down movement and pivoted about the pivot lever bearing 4022 accordingly. Of the Pivot lever 402 is forked here, wherein each one of the piston or piston rods is guided by the forked portion of the pivot lever 402 feasible. Also by the arrangement of the pivot lever 402 on the crankcase 41, the phase shift of the movable piston can be adjusted. The pivotal movement of the front pivot lever 402 is defined by the arrow mark D and the pivotal movement of the rear pivot lever 402 'is defined by the arrow mark E.

Konstruktionsbedingt sind mehrere Wärmekraftmaschinen 0 über den Kurbeltrieb 40 an einer Kurbelwelle 400 linear koppelbar, sodass wie in Figur 10a beispielsweise zwei Wärmekraftmaschinen 0 in einem Kurbeltriebgehäuse 41, wie von V-Motoren bekannt, gekoppelt sein können. Um diese Kopplung möglichst auf engstem Raum zu bewerkstelligen sind jeweils Kolben 3, 7 einer ersten Wärmekraftmaschine 0 und Kolben 3', 7' einer zweiten Wärmekraftmaschine 0 benachbart über zwei benachbarte Querbalken 4031 und 4031' unterschiedlich ausgerichtet, aber am gleichen Hubzapfen 4010 angeordnet. Ebenso sind die Kolben 4, 8 und 4', 8' indirekt an der Kurbelwelle 400 direkt benachbart angeordnet. Damit auch hier eine optimale Kraftübertragung erreicht werden kann, müssen die Hubelemente 403 entsprechend der herrschenden Phasenverschiebung der Kolbenbewegung an der Kurbelwelle 400 angeordnet sein. Auch hier führen die Hubelemente 403 jeweils eine kombinierte Schwenkbewegung sowie eine Bewegung senkrecht zur Kurbelwellenachse durch.Due to the design, several heat engines 0 can be linearly coupled to one another via the crank mechanism 40 on a crankshaft 400, so that as in FIG FIG. 10a For example, two heat engines 0 may be coupled in a crankcase 41, as known from V-engines. In order to accomplish this coupling as possible in the smallest possible space, pistons 3, 7 of a first heat engine 0 and pistons 3 ', 7' of a second heat engine 0 are aligned differently via two adjacent transverse beams 4031 and 4031 ', but arranged on the same crank pin 4010. Likewise, the pistons 4, 8 and 4 ', 8' are arranged indirectly adjacent to the crankshaft 400 directly. So that an optimal force transmission can also be achieved here, the lifting elements 403 must be arranged on the crankshaft 400 in accordance with the prevailing phase shift of the piston movement. Again, the lifting elements 403 each perform a combined pivoting movement and a movement perpendicular to the crankshaft axis.

Wie in Figur 11 gezeigt, kann eine modulare Anordnung mehrerer Wärmekraftmaschinen 0, 0', 0", 0"' an einer Kurbelwelle 400 einfach durchgeführt werden, wobei die Kurbeltriebe 40 jeweils zweier Wärmekraftmaschinen 0, 0' und 0", 0"' in jeweils einem Kurbeltriebgehäuse 41 angeordnet sind.As in FIG. 11 a modular arrangement of a plurality of heat engines 0, 0 ', 0 ", 0"' on a crankshaft 400 can be easily performed, wherein the crank mechanisms 40 each two heat engines 0, 0 'and 0 ", 0"' in each case a crankcase 41st are arranged.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

00
WärmekraftmaschineHeat engine
11
Erste Wärmeübertragungskammer
3 erster Wärmeübertragungskolben (geschlitzt) Länge und Durchmesser grösser als erster ArbeitskolbenFirst heat transfer chamber
3 first heat transfer piston (slotted) length and diameter larger than the first working piston
22
Zweite Wärmeübertragungskammer
4 zweiter Wärmeübertragungskolben (geschlitzt) Länge und Durchmesser grösser als zweiter ArbeitskolbenSecond heat transfer chamber
4 second heat transfer piston (slotted) length and diameter larger than second working piston
55
Erste Arbeitskammer
7 erster ArbeitskolbenFirst working chamber
7 first working piston
66
Zweite Arbeitskammer
8 zweiter ArbeitskolbenSecond working chamber
8 second working piston
99
Erster Wärmetauscher/HeizaggregatFirst heat exchanger / heating unit
1010
Zweiter Wärmetauscher/HeizaggregatSecond heat exchanger / heating unit
1111
Erste KühlvorrichtungFirst cooling device
1212
Zweite KühlvorrichtungSecond cooling device
1313
Längsschlitzelongitudinal slots
1414
Querschlitzetransverse slots
1515
Obere Kolbenlage (Nähe Heizaggregat)Upper piston position (near heating unit)
1616
Untere Kolben (Nähe Kühlvorrichtung)Lower piston (near cooler)
1717
Schaft
170 Schaftlängsachseshaft
170 shaft longitudinal axis
1818
Taumelplatteswash plate
1919
Kardangelenkuniversal joint
2020
GelenkbefestigungA pivot mount
2121
Schwungradflywheel
2222
KühlmitteleinlassCoolant inlet
2323
Kühlmittelauslasscoolant outlet
2424
Exzenterscheibe
240 exzentrische Bohrung
241 Schaftlager
242 Zapfeneccentric
240 eccentric bore
241 shaft bearing
242 cones
2525
Koppelstabcoupling rod
100100
Basisflanschbase flange
101101
Führungskulisse
1010 Kulissenlagerguide link
1010 scenery bearing
102102
Lagercamp
103103
Antriebswelledrive shaft
LL
Längsachselongitudinal axis
BB
Zentrale Verbindungslinie zwischen erster und zweiter ArbeitskammerCentral connecting line between the first and second working chamber
CC
Zentrale Verbindungslinie zwischen erster und zweiter VerdrängerkammerCentral connecting line between the first and second displacement chamber
αα
Winkel zwischen B und CAngle between B and C
4040
Kurbeltrieb
400 Kurbelwelle
4010 Hubzapfen
401 Kurbelwellenlager (starr)
402 Schwenkhebel gegabelt einer pro Paar)
4021 Schwenkstab
4022 Schwenkhebellager
403 Hubelement mit
4031 Querbalken
404 Doppelgelenkstab
405 Gelenk
406 Gabelkopplung
407 Wälzlagercrankshaft
400 crankshaft
4010 crankpin
401 crankshaft bearing (rigid)
402 swivel lever forked one per pair)
4021 swivel bar
4022 swivel lever bearing
403 lifting element with
4031 crossbeams
404 double joint rod
405 joint
406 fork coupling
407 rolling bearings
4141
KurbeltriebgehäuseCrankshaft housing
AA
Schwenkbewegungsrichtung des Querbalkens 4031Pivoting movement direction of the transom 4031
DD
Schwenkbewegung des vorderen SchwenkhebelsPivoting movement of the front pivot lever
Ee
Schwenkbewegung des hinteren SchwenkhebelsPivoting movement of the rear pivot lever

Claims (11)

  1. A thermal engine (0) with a driven flywheel (21) or a crankshaft (400) with a closed total interior that can be filled with a working medium and can be closed in a pressure-tight manner, comprising
    at least one first working chamber (5) with a linearly movable first working piston (7),
    at least one first heat transmission chamber (1) with a linearly movable first heat transmission piston (3) that has a piston head,
    a first heat exchanger (9) that is connected to the first working chamber (5) and the first heat transmission chamber (1),
    and a first cooling device (11),
    wherein the first working piston (7) and the first heat transmission piston (3) are mechanically coupled to one another,
    characterized in that
    the first heat transmission piston (3) has a piston head that is configured in a segmented and/or slotted manner and has a contact surface that is enlarged, with respect to the first working piston (7), between the first heat transmission piston (3) and the surrounding working medium, whereby thermal energy can be emitted from the first heat transmission piston (3) to the working medium, wherein air can be used as a working medium.
  2. The thermal engine (0) according to claim 1, characterized in that the piston head of the first heat transmission piston (3) has a plurality of longitudinal slots (13), whereby a flow of the working medium through the piston head from the region of the first heat exchanger (9) in the direction of a piston pin can be achieved.
  3. The thermal engine (0) according to claim 1, characterized in that the piston head of the first heat transmission piston (3) has a plurality of transverse slots (14) which makes the heat conduction difficult through the segmented first heat transmission piston (3) between a heated part (15) and a cooled part (16) of the first heat transmission chamber (1).
  4. The thermal engine (0) according to claim 1, characterized in that the cross-sectional areas of the first heat transmission chamber (1) and of the first heat transmission piston (3) are larger than the cross-sectional areas of the first working chamber (5) and the first working piston (7).
  5. The thermal engine (0) according to any one of the preceding claims, characterized in that the closed total interior additionally comprises at least one second working chamber (6) with a linearly movable second working piston (8) and at least one second heat transmission chamber (2) with a linearly movable second heat transmission piston (4), wherein
    the first working chamber (5) and the first heat transmission chamber (1) are connected in a coupled manner via the first heat exchanger (9), and the second working chamber (6) and the second heat transmission chamber (2) are connected in a coupled manner via a second heat exchanger (10),
    the first cooling device (11) is arranged between the second working chamber (6) and the first heat transmission chamber (1), and a second cooling device (12) is arranged between the first working chamber (5) and the second heat transmission chamber (2),
    and the four pistons (3, 4, 7, 8) are mechanically coupled to one another by means of a wobble plate (18), and the second heat transmission piston (4) has a piston head that is configured in a segmented and/or slotted manner and has a contact surface that is enlarged, with respect to the second working piston (8), between the heat transmission piston (4) and the surrounding working medium so that heat energy can be emitted from the heat transmission pistons (3, 4) to the working medium.
  6. The thermal engine (0) according to claim 5, characterized in that the chambers (1, 2, 5, 6) and the first and second cooling devices (11, 12) are arranged in a base flange (100), and the cooling devices (11, 12) inside the base flange (100) are in thermal contact with a coolant.
  7. The thermal engine (0) according to claim 5, characterized in that
    an angle α in the range of from 90° to 140° is spanned between
    a central connecting line (B) which runs along the centres of the first and second heat transmission chambers (1, 2) and through the longitudinal axis (L),
    and a further connecting line (C) which runs along the centres of the first and second working chambers (5, 6) and through the longitudinal axis (L).
  8. The thermal engine (0) according to any one of the preceding claims, characterized in that in each case one pair of first heat transmission piston (3) and first working piston (7) are fastened on two opposite sides of a lifting element (403), wherein by arranging the lifting element (403) on a crank pin (4010), the crankshaft (400) can be set in rotation.
  9. The thermal engine (0) according to claim 8, characterized in that the lifting element (403) can be moved up and down perpendicular to the crankshaft axis by means of a pivoting lever (402) that is pivotable about a pivoting lever bearing (4022) on the crank drive housing (41).
  10. The thermal engine (0) according to any one of the preceding claims, characterized in that the thermal engine comprises at least two pairs of heat transmission chambers (1, 2) and working chambers (5, 6) with the corresponding heat transmission pistons (3, 4) and working pistons (7, 8), wherein each of the heat transmission pistons have segmented piston heads.
  11. The thermal engine (0) according to the claims 9 and 10, characterized in that the further pair of second heat transmission piston (4) and second working piston (8) are fastened on two opposite sides of a second lifting element (403'), wherein both lifting elements (403, 403') are arranged on the crankshaft (400) and can be pivoted in a phase-shifted manner by the four pistons.
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