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Dokumentenidentifikation DE3602634A1 30.07.1987
Titel Regenerative Wärmemaschine
Anmelder Krauch, Helmut, Prof. Dr.rer.nat., 6900 Heidelberg, DE
Erfinder Krauch, Helmut, Prof. Dr.rer.nat., 6900 Heidelberg, DE
Vertreter Meyer Graf von Roedern, G., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 6900 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 29.01.1986
DE-Aktenzeichen 3602634
Offenlegungstag 30.07.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.07.1987
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
IPC-Nebenklasse F02G 1/053   F24J 3/00   F02F 3/00   F02F 1/00   F02B 63/04   F02G 5/04   F25B 1/00   F23D 14/18   B60H 1/00   F01C 1/20   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine regenerative Wärmemaschine, insbesondere einen Stirlingmotor, eine nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärmepumpe, eine eine Mischform zwischen einem Stirling- und Vuilleumierbetrieb ermöglichende Maschine zur wahlweisen oder kombinierten Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Energie und/oder Wärme und/oder Kälte, oder einen Wärme-Nutzenergiewandler beispielsweise in Form eines Wärme-Druckwandlers mit wenigstens einem in einem regenerativen thermodynamischen Arbeitskreis liegenden aufladbaren Druckspeicher, oder mit einem anderen Nutzenergiespeicher beispielsweise in Form eines Schwungrads.

Regenerative Wärmemaschinen haben einen geschlossenen thermodynamischen Arbeitskreis, in dem ein Arbeitsmedium, meist Helium, zirkuliert. Ihnen wird in einem Heißteil Wärmeenergie zugeführt, wobei die externe Verbrennung verschiedenster Brennstoffe die wichtigste Wärmequelle darstellt. Solarenergie und nukleare Energie sind alternative Wärmequellen. Die Wärmeenergie wird an einen Erhitzerkopf der regenerativen Wärmemaschine abgegeben, der von dem thermodynamischen Arbeitsmedium, insbesondere Helium, angeströmt oder durchströmt wird, so daß die Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen wird.

Der Erhitzerkopf ist ein Kernelement einer jeden regenerativen Wärmemaschine, da er extremen Anforderungen genügen muß. Er muß beständig gegen hohe Temperaturen sein, da im Interesse eines hohen Wirkungsgrads ein möglichst großes Temperaturgefälle zwischen Heißteil und Kaltteil der Wärmemaschine aufgebaut werden sollte. Brennraumtemperaturen von z.Zt. 750°C bis 800°C sollten nach Möglichkeit noch gesteigert werden, wobei realistische Zielvorstellungen bei 1200°C liegen. Bei Erhitzung mit einer Flamme muß der Erhitzerkopf chemisch beständig und korrosionsfest sein, damit er durch die Flammgase nicht angegriffen und auf die Dauer zerstört wird. Weiter muß der Erhitzerkopf hohen Drucken des thermodynamischen Arbeitsmediums standhalten, die während des Arbeitszyklus schwanken und bei Verwendung von Helium bis 150 bar betragen können. Die Heliumdichtigkeit des Erhitzerkopfs stellt weitere Anforderungen an das Material, und schließlich muß auch dessen Bearbeitbarkeit mit vertretbarem Aufwand möglich sein, insbesondere um kleinvolumige Heliumkanäle, Rippen oder Rillen in dem Erhitzerkopf auszubilden, die einerseits eine effektive Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium gewährleisten, andererseits aber die Toträume der Wärmemaschine klein halten.

Erhitzerköpfe regenerativer Wärmemaschinen werden nach dem Stand der Technik aus verschweißten warmfesten Stahlröhrchen aufgebaut. Damit ist ein hoher Fertigungsaufwand verbunden. Stahl ist außerdem unter den erwähnten extremen Belastungen nicht hinreichend temperatur- und oxidationsbeständig, und nicht zuletzt haben bekannte Erhitzerköpfe zu große Toträume, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad der Wärmemaschine in nachteiliger Weise erniedrigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine regenerative Wärmemaschine der genannten Art anzugeben, deren Erhitzerkopf bei guter Bearbeitbarkeit extremen Temperaturen und Drucken standhält, korrosionsbeständig ist und durch Erhöhung der Betriebstemperatur und Verringerung der Toträume eine Steigerung des Wirkungsgrads der Wärmemaschine ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Wärmemaschine mit einem wenigstens zum Teil aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder reaktionsgesintertem mit Silizium infiltriertem Siliziumcarbid (Silizium-Siliziumcarbid; SiSiC) bestehenden Erhitzerkopf ausgerüstet ist.

Insbesondere SiSiC ist ein Material, das den an den Erhitzerkopf einer regenerativen Wärmemaschine gestellten Anforderungen in hervorragender Weise genügt. Man kann einen Formling des Erhitzerkopfs mit sinterkeramischen Verfahren aus SiC-Kohlenstoffmischungen herstellen. Durch Reaktionssintern erhält man feinporöse Körper, die bei hohen Temperaturen mit schmelzflüssigem Silizium infiltriert werden. Der freie Kohlenstoff reagiert dabei mit dem Silizium unter Bildung von SiC, und die Restporen werden durch die Schmelze gefüllt. Der vorgesinterte Formling läßt sich mit Hartwerkzeugen bearbeiten, wobei man insbesondere kleinvolumige Strömungskanäle bohren oder aufbohren kann. Beim anschließenden Nachsintern erfolgt praktisch keine Wärmeverformung. Der erhaltene Erhitzerkopf aus SiSiC ist extrem hart, hochbeständig gegen Erosion, Korrosion und Oxidation, temperaturbeständig bis 1400°C und gasdicht. Die chemische Beständigkeit von SiSiC erlaubt es, im Heißteil der Wärmemaschine beliebige Brennmaterialien, insbesondere auch schwefelhaltige Brennstoffe, zu verwenden. SiSiC ist dabei bis 1400°C vollkommen beständig und zunderfrei. Hervorzuheben ist weiter die ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit von SiSiC, die bei niedrigen Temperaturen fast dreimal höher ist als die von Stahl, und zu einem effektiven Wärmeübergang auf das thermodynamische Arbeitsmedium in dem erfindungsgemäßen Erhitzerkopf führt. SiSiC hat gute Selbstlaufeigenschaften, was die problemlose Führung eines Kolbens im Erhitzerkopf ermöglicht, eine geringe Wärmedehnung, hervorragende Thermoschock-Beständigkeit, hohe Warmfestigkeit, geringe Kriechdehnung bei hohen Temperaturen, und nicht zuletzt eine niedrige Dichte. Dank aller dieser Eigenschaften ist ein konstruktiv unaufwendiger Aufbau einer kompakten, robusten Wärmekraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad und langen Standzeiten möglich.

Ein bevorzugtes alternatives Material für den Erhitzerkopf ist Steatit, ein keramischer Werkstoff aus der Grundlage von mineralischem Talk. Dichte Aggregate von Talk sind Speckstein, Topf- oder Lavezstein. Zur Herstellung von Steatitkeramik wird Talk fein gemahlen und bei höherer Temperatur gepreßt. Dabei erhaltene Rohlinge lassen sich gut bearbeiten, und insbesondere lassen sich problemlos feine Bohrungen, Rippen und Rillen anbringen. Danach wird der Formling bei ca. 1250°C gesintert, wobei er seine Abmessungen mit hoher Genauigkeit beibehält. Das erhaltene Keramikteil zeichnet sich durch gute Temperaturbeständigkeit und chemische Resistenz aus.

Für den Erhitzerkopf kommen auch andere nichtoxidische und oxidische Keramikmaterialien in Betracht, beispielsweise Aluminiumsilikate. Alle diese Materialien sind deutlich spröder als Stahl, und sie halten Zugbelastungen schlechter aus. Bei der Formgebung des Erhitzerkopfs sind daher einfache geometrische Formen und große Wanddicken zu bevorzugen.

Die Wärmemaschine kann einen Zylinder haben, dessen Wand aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder SiSiC, oder aus oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, besteht, oder an der Innenseite mit nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, beschichtet ist. Für einen solchen Zylinderaufbau ist insbesondere auf die guten Selbstlaufeigenschaften von SiSiC hinzuweisen, die einen schmiermittelfreien Betrieb eines Kolbens in einem abgeschlossenen Gassystem bei guter Dichtigkeit über große Betriebslebensdauern hinweg ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Wärmemaschine kann einen Kolben haben, der ganz oder zum Teil aus mit Kohlenstoffasern bewehrtem Graphit (Kohlefasergraphit, CfC), oder auch aus reinem Graphit ohne Faserverstärkung besteht. Graphit und CfC zeichnen sich durch eine gute Temperaturbeständigkeit und hohe mechanische Stabilität bei geringem spezifischem Gewicht aus. Man gewährleistet so kleine Kolbenschwungmassen. Weiter haben Graphit und CfC gute Wärmeisolationseigenschaften, und nicht zuletzt sind diese Materialien mit nichtoxidischer oder oxidischer Keramik verträglich. Man kann einen Kolben an seiner Oberfläche mit nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, beschichten, beispielsweise indem man SiSiC oder Steatit auf den Graphitkörper oder CfC-Körper aufsintert und in einem Warmprozeß nachbehandelt. Man erhält so leichtgewichtige Kolben von extrem hoher Abriebfestigkeit und Temperaturbeständigkeit.

Die erwähnten keramischen Materialien sind für einen thermischen Regenerator geeignet. Es besteht daher die Möglichkeit, einen oder mehrere thermische Regeneratoren einstückig mit dem erfindungsgemäßen Erhitzerkopf auszubilden, was zu einem herstellungstechnisch besonders einfachen, einzelteilarmen Aufbau führt.

Durch entsprechende Auslegung des Erhitzerkopfes und des thermodynamischen Arbeitskreises kann erreicht werden, daß das thermodynamische Arbeitsmedium beim Austritt aus dem Erhitzerkopf einen anderen Weg nimmt, als beim Eintritt in den Erhitzerkopf. Insbesondere läßt sich so eine Bypass-Strömung erzeugen, bei der das Arbeitsmedium direkt über einen thermischen Regenerator in den Kaltteil der Wärmemaschine gelangt, ohne in größerem Umfang Wärme vom Erhitzerkopf aufzunehmen. Die Wärmeaufnahme erfolgt dann im wesentlichen nur beim Einströmen in den Erhitzerkopf. Bei den noch nachstehend behandelten Kreiskolbenmaschinen kann die Bypass-Strömung durch geeignete Schlitzführung im Zylindergehäuse gesteuert werden. Man minimiert so den Strömungswiderstand und optimiert den thermischen Wirkungsgrad der Wärmemaschine.

Die erfindungsgemäße Wärmemaschine kann zwei mechanisch gekoppelte, phasenverschoben in relativ zueinander orthogonaler Richtung schwingende Kolben oder Kolbensysteme haben. Eine solche Kreuzkolbenmaschine zeichnet sich durch einen kompakten, maschinell im wesentlichen in sich ausgeglichenen Aufbau und eine entsprechend hohe Laufruhe aus, und sie erlaubt es, mit vergleichsweise einfachen Getriebemitteln eine um annähernd 90° phasenverschobene Schwingungsbewegung der Kolben bzw. Kolbensysteme zu erreichen, wie sie in Vuilleumier- und Stirling- Einheiten vielfach angestrebt wird.

Die Kolben oder Kolbensysteme der Kreuzkolbenmaschine können über ein Exzentergetriebe mit Kurbelarm und außenliegender Welle, über ein Abingdon-Kreuz-Getriebe oder über ein gekoppeltes kardanisches Räderpaar mit 90°- angewinkelter Halterung und doppelter Wellenführung nach außen gekoppelt sein. Auch andere Getriebebauformen sind möglich. Die nach außen geführte Welle ist vorzugsweise antriebsmäßig mit der Welle eines Arbeitsaggregats, insbesondere eines kombinierten elektrischen Generators und Elektromotors verbunden. Letzterer kann als Startmotor der Wärmemaschine dienen, sowie eine elektrische Energieerzeugung ermöglichen, für die man insbesondere durch geeignete Dimensionierung der Kolbenflächen im Vuilleumier-Prozeß der Wärmemaschine einen Teilstirlingprozeß überlagern kann. Es ist auch möglich, zwei Stirlingmotoren in Kreuzkolbenbauweise über ein gemeinsames Getriebe zusammenzukoppeln, wobei entweder beide Stirlingmotoren zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie dienen oder ein Stirlingmotor als Antriebsaggregat des anderen, einen Wärme- oder Kälteprozeß durchführenden Stirlingmotors arbeitet. Man kann mehrere derartige Einheiten modular vorzugsweise unter Winkelversatz zur Optimierung der Laufruhe an eine gemeinsame Welle koppeln.

In einer alternativen Bauform der erfindungsgemäßen Wärmemaschine sind zwei phasenverschoben entlang einer gemeinsamen Längsachse schwingende Kolben oder Kolbensysteme vorgesehen. Diese lineare Anordnung hat den Vorteil einer guten Trennung von Heißteil und Kaltteil der Wärmemaschine. Weiter erreicht man einen kompakten, gut einbaufähigen Aufbau.

Die erfindungsgemäße lineare Wärmemaschine kann eine Freikolbenanordnung haben, bei der die Kolben ohne mechanische Verbindung nach außen allein auf Gaspolstern schwingen. Mit diesem Aufbau geht ein Minimum an Dichtungsproblemen und Verschleiß einher, und man erreicht einen problemlosen Langzeitbetrieb in einem abgeschlossenen Gassystem. Eine Auskopplung von Energie aus der Wärmemaschine kann beispielsweise mittels eines elektrischen Lineargenerators erfolgen, der zugleich als Linearmotor die Funktion eines Startmotors übernehmen kann.

Statt eine Freikolbenanordnung vorzusehen, können die Kolben- oder Kolbensysteme der erfindungsgemäßen linearen Wärmemaschine aber auch mechanisch gekoppelt sein. Vorzugsweise überlappen die Kolben hierzu einander im Bereich eines axialen Endabschnitts, und man sieht in dem Überlappungsbereich ein zwischen den Kolben wirkendes Getriebe vor. Dieser Aufbau zeichnet sich durch kleine Toträume im thermodynamischen Arbeitskreis aus. In einer bevorzugten Bauform sind die Endabschnitte der Kolben gegenüber einem normalerweise kreiszylindrischen Verdrängerabschnitt im Querschnitt verkleinert, und insbesondere näherungsweise knapp halbzylindrisch. Das die Kolben koppelnde Getriebe befindet sich zwischen den knapp halbzylindrischen Endabschnitten, wo es platzsparend untergebracht ist. Es versteht sich, daß für den Aufbau des Getriebes reibungsarme, selbstschmierende Materialien von guter Temperaturbeständigkeit Verwendung finden, beispielweise Zahnräder aus Perlon.

Das die Kolben koppelnde Getriebe sollte zur Steuerung der Kolbenbewegung wenigstens einen, auf einer geschlossenen nichtkreisförmigen, vorzugsweise elliptischen Bahn bewegten Gelenkpunkt haben. Insbesondere kann das Getriebe ein Kurbelgetriebe mit einer an je einem der Kolben angelenkten Schwinge sein, deren zweiter Anlenkpunkt auf der geschlossenen nichtkreisförmigen Bahn umläuft. Durch diese nichtkreisförmige, annähernd elliptische Bahn des Getriebes erreicht man bei annähernd 90° Phasenverschiebung zwischen den Kolben ein "Anecken" des im pV-Diagramm durchlaufenden thermodynamischen Zyklus, wodurch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Wärmemaschine erhöht wird. Die Getriebekopplung der linear schwingenden Kolben kann so ausgelegt sein, daß sie im wesentlichen eine Führungsfunktion zur Optimierung des thermodynamischen Arbeitskreises erfüllt, während die Kolben weiterhin im wesentlichen auf Gaspolstern schwingen. Ähnlich wie bei einem Freikolbenaufbau, kann dabei wenigstens einer der Kolben mit einem elektrischen Lineargenerator oder kombinierten elektrischen Lineargenerator und Linearmotor zusammenarbeiten, um elektrische Energie zu gewinnen und/oder die Wärmemaschine anzuwerfen. Natürlich kann aber auch das die linear schwingenden Kolben koppelnde Getriebe dazu dienen, mechanische Energie von der Wärmemaschine abzunehmen, insbesondere indem diese eine rotierende Welle treibt.

In einer alternativen Bauform hat die erfindungsgemäße Wärmemaschine einen oder mehrere in je einem Zylindergehäuse umlaufende Kreiskolben. Insbesondere können zwei oder drei Kreiskolben vorgesehen sein, die möglicherweise winkelversetzt mit axialem Abstand an derselben Welle angeordnet sind und in Zylinderräumen arbeiten, die über vorzugsweise parallel zur Welle sich erstreckende, regenerative Wärmetauscher enthaltende Leitungen gasdynamisch miteinander verbunden sind. Es ist eine Kreiskolbenanordnung nach dem Wankelprinzip mit wenigstens einem in einem trochoidenförmigen Gehäuse exzentrisch gelagerten Drehkolben denkbar, wobei letzterer einen Grundriß im wesentlichen in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit gerundeten Kanten hat. Doch sind auch andere Kreiskolbenanordnungen möglich, beispielsweise mit wenigstens einem im Grundriß mandelförmigen oder schmetterlingsförmigen Kreiskolben. Letzterer ist allerdings aus Dichtungsgründen mehr für Vuilleumier-, und weniger für Stirling-Wärmemaschinen geeignet.

In einer weiteren möglichen Kreiskolbenanordnung sind pro Zylindergehäuse zwei ineinandergreifende Kreiskolben vorgesehen, von denen einer im Grundriß malteserkreuzförmig und der andere im Grundriß doppelt eingeschnürt knochenförmig ist. Der knochenförmige Kreiskolben läuft dabei mit doppelter Drehzahl wie der malteserkreuzförmige Kreiskolben um, so daß er dessen vier periphere Aussparungen nacheinander ausgreift. Eine solche Kreiskolbenanordnung ist insbesondere unter Verwendung von Dichtleisten abdichtbar, so daß sie für mit hoher Drehzahl laufende Stirling-Wärmemaschinen gut geeignet ist.

Wärmemaschinen der beschriebenen Art haben alle Vorteile, die eine Drehkolbenmaschine gegenüber einem herkömmlichen Kolben-Zylinder-Aggregat auszeichnen. Insbesondere entfallen die Kurbelwelle oder andere Getriebemittel zur Umlenkung einer hin- und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung. Man hat einen verschleißarmen, höchst kompakten Aufbau mit wenig Einzelteilen, und trifft in dem geschlossenen thermodynamischen Arbeitskreis einer regenerativen Wärmemaschine auf weniger Dichtprobleme, als dies beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor der Fall ist. Im Boden des Zylindergehäuses, der von dem zugehörigen Kreiskolben überstrichen wird, kann wenigstens ein Schlitz vorgesehen sein, durch den ein zur Steuerung des Arbeitsprozesses herangezogener Durchtritt des thermodynamischen Arbeitsmediums erfolgt. Man erreicht so eine Strömungsführung, aufgrund derer der Eintritt und Austritt des thermodynamischen Arbeitsmediums nicht auf demselben Weg erfolgt. Vorzugsweise sind der oder die Schlitze in ihrer Größe verstellbar. Man kann so durch eine konstruktiv unaufwendige Schlitzsteuerung die periodischen Druckänderungen des thermodynamischen Arbeitsmediums optimieren und gegebenenfalls unter Verwendung einer Bypass- Strömung dem Vuilleumier-Betrieb einen Stirling-Betrieb überlagern, mittels dessen die erfindungsgemäße Wärmemaschine selbstanlaufend gestaltet und zur Abgabe von Wärme, Kälte und elektrischer Energie in vorgebbaren Anteilen verwendet werden kann.

Eine bevorzugte Bauform einer solchen Kombimaschine hat ein Gehäuse mit darin phasenverschoben periodisch bewegten Kolben, die einen heißen Arbeitsraum,wenigstens einen warmen Arbeitsraum und einen kalten Arbeitsraum abteilen, wobei der heiße und kalte Arbeitsraum strömungsmäßig über je einen thermischen Regenerator mit dem warmen Arbeitsraum verbunden sind, und in dem kaltseitigen Arbeitskreis ein verstellbares Drosselventil liegt, durch das sich eine zur Energieerzeugung nutzbare Druckdifferenz zwischen dem kalten Arbeitsraum und dem warmen Arbeitsraum aufbauen läßt. Das Drosselventil kann dabei insbesondere von einem im Querschnitt veränderlichen Schlitz in dem Teil des Bodens eines Zylindergehäuses gebildet werden, der von einem Kreiskolben überstrichen wird. Bei den anderen erwähnten regenerativen Wärmemaschinen mit herkömmlicher Kolben-Zylinder-Anordnung kommt als Drosselventil beispielsweise ein Drossel- Schieberventil in Betracht. Die aufgebaute Druckdifferenz kann zum Treiben des kaltseitigen Kolbens genutzt werden, wodurch die Wärmemaschine insbesondere selbstanspringend und selbstlaufend sein kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß der kaltseitige Kolben mit einem elektrischen Generator, insbesondere einem elektrischen Lineargenerator zur elektrischen Energieerzeugung zusammenwirkt, oder daß mechanische Energie vorzugsweise von einer rotierenden Welle der Wärmemaschine abgenommen wird. In den Arbeitskreisen der Wärmemaschine können auch ein oder mehrere zeitabhängig schaltende, insbesondere periodisch schaltende Sperrventile liegen, die den Strom des thermodynamischen Arbeitsmediums zeitweise unterbrechen. Auch hierdurch lassen sich die periodischen Druckschwankungen in dem geschlossenen thermodynamischen Arbeitskreis optimieren, etwa dahingehend, daß stets ein erreichbares Druckmaximum auf einen Arbeitskolben wirkt, wodurch man im Ergebnis eine Steigerung des Wirkungsgrads der Wärmemaschine erreicht.

Der Heißteil der erfindungsgemäßen Wärmemaschine kann dem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Wärme entziehen. Damit wird Energie gewonnen, die sonst ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben wird, und der Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugmotors entsprechend erhöht. Es sei angemerkt, daß herkömmliche Turbolader nur den Abgasdruck ausnutzen, nicht aber die Abgaswärme, so daß die erfindungsgemäße Wärmemaschine auch in Kombination mit einem solchen Turbolader effektiv eingesetzt werden kann.

Überdies kann man eine Nachverbrennung der Abgase mit einer gegen der Erhitzerkopf der erfindungsgemäßen Wärmemaschine gerichteten Gebläseflamme durchführen. Eine solche Nachverbrennung kommt insbesondere für Dieselmotoren in Betracht. Man vermindert so in vorteilhafter Weise den Rußanteil im Abgas, der in die Umgebung abgegeben wird, und erreicht unter zusätzlicher Energiegewinnung eine annähernd vollständige Verbrennung des Dieselkraftstoffs.

Die im Abgasstrom des Kraftfahrzeugmotors liegende Wärmemaschine kann als Generator zur elektrischen Energieversorgung des Kraftfahrzeugs und/oder als Kühlaggregat zur Klimatisierung des Fahrgastraums dienen. Für letztere Anwendung kann sie sowohl einen nach dem Vuilleumier -Prinzip arbeitenden Kühlkreis enthalten, als auch als Wärme-Druckwandler arbeiten, der einen in seinem Druckspeicher aufgebauten Überdruck zum Antrieb einer Pumpe ausnutzt, die in einem konventionellen Kompressions-Expanions- Kühlkreis liegt. Die mit Abgas-Abwärme geheizte regenerative Wärmemaschine gemäß der Erfindung genügt in hervorragender Weise den Bedürfnissen der modernen Motortechnik insbesondere des Dieselmotors. Man kann von einer Nutzenergiebilanz des Kraftfahrzeugs ausgehen, nach der ca. 90% der genutzten Energie als mechanische Antriebsenergie, ca. 9% als Energie zur Erwärmung und Kühlung des Fahrgastraums, und ca. 1% als elektrische Energie anfällt. Die Erzeugung dieses geringen Anteils elektrischer Energie setzt bei Verwendung eines herkömmlichen elektrischen Generators (Lichtmaschine) die zum Fahrzeugantrieb zur Verfügung stehende Motorleistung beträchtlich herab, während sie andererseits erfindungsgemäß ohne weiteres aus der Abgaswärme gewonnen werden kann. Bei Dieselmotoren kommt hinzu, daß es die zunehmend auch bei Personenkraftwagen zum Einsatz kommende Kapselung des Motorraums schwieriger macht, den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs effektiv zu heizen. Die erfindungsgemäße regenerative Wärmemaschine ist geeignet, auch dieses Problem zu lösen, und den Fahrgastraum mit der aus der Abgaswärme gewonnenen Energie wahlweise zu heizen oder zu kühlen.

Eine weitere bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Wärmemaschine ergibt sich in Zusammenhang mit Wasserstoff als Energieträger. Der Heißteil der Wärmemaschine kann mit einer Wasserstoffflamme auf der gewünschten, sehr hohen Betriebstemperatur, beispielsweise ca. 1400°C, gehalten werden. Entnimmt man den Wasserstoff einem Behälter, in den der Wasserstoff unter hohem Druck in flüssigem Zustand auf Vorrat gehalten wird, so besteht die Möglichkeit, den Kaltteil der Wärmemaschine durch die Verdunstungskälte des Wasserstoffs abzukühlen, die anfällt, wenn man den flüssigen Wasserstoff vor seiner Verbrennung in den gasförmigen Zustand überführt. Die dabei erreichte Temperaturdifferenz zwischen Heißteil und Kaltteil übertrifft die aller bekannter regenerativer Wärmemaschinen, und entsprechend hoch ist der Wirkungsgrad, zu dessen Abschätzung man den theoretischen Carnot-Wirkungsgrad mit einem für regenerative Wärmemaschinen gegenwärtig erreichbaren technologischen Multiplikator von ca. 0,6 ansetzen kann.

Die Kühlung mit verdunstendem Wasserstoff kommt auch dann in Betracht, wenn die erfindungsgemäße Wärmemaschine dazu eingesetzt wird, dem Abgas eines Wasserstoffmotors Wärme zu entziehen. Da Wasserstoffmotoren einen Zukunftsantrieb für Kraftfahrzeuge darstellen, ergeben sich auch in diesem Zusammenhang vielfältige Anwendungen zur Versorgung eines Kraftfahrzeugs mit Heizwärme und/oder Kälte und/oder elektrischer Energie.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung führt man in dem Erhitzerkopf eine katalytische Verbrennung durch. Als Brennmaterial kommen insbesondere verschiedene Kohlenwasserstoffgase und -Gasgemische in Betracht. Mögliche Katalysatoren sind Eisen(III)oxid, Vanadium oder Vanadium(V)oxid, jeweils auf keramische Träger aufgebrachtes Platin oder Platinoxid, und Silber-Kupfer-Katalysatoren. Der jeweils verwendete Katalysator kann an die Brennraumgeometrie des Erhitzerkopfs so angepaßt sein, daß man einen optimalen Wärmeübergang erhält. Die katalytische Verbrennung ist vollständig und schadstoffarm, und insbesondere wird die Stickoxidbildung auch bei sehr hohen Brennraumtemperaturen inhibiert.

Mehr konventionelle Anwendungen der erfindungsgemäßen regenerativen Wärmemaschine liegen in Blockheizkraftwerken mittlerer Energie, beispielsweise bis ca. 400 kW, zur Netzversorgung mit elektrischer Energie und Wärme. Doch kann die Wärmemaschine auch als Hausenergiesystem zur dezentralen Versorgung eines Hauses oder einer gewerblichen Einheit mit Wärme und/oder Kälte und/oder elektrischer Energie dienen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer Kreuzkolbenmaschine, bei der von einem umlaufenden, die Kreuzkolben verbindenden Kurbelglied Energie zum Antrieb der Welle eines elektrischen Generators abgenommen wird;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt der Kreuzkolbenmaschine;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Getriebes der Kreuzkolbenmaschine;

Fig. 4 die schematische Darstellung einer im wesentlichen nach dem Vuilleumier-Prinzip arbeitenden regenerativen Wärmemaschine, die als Kombimaschine zur wahlweisen und kombinierten Erzeugung von Wärme und/oder Kälte und/oder elektrischer Energie ausgelegt und mit einem Ellipsengetriebe versehen ist;

Fig. 5 die schematische Darstellung einer möglichen Kolbenbauform der Wärmemaschine nach Anspruch 4;

Fig. 6 eine Schnittansicht des Zylindergehäuses einer regenerativen Wärmemaschine mit einem im Grundriß schmetterlingsförmigen Kreiskolben;

Fig. 7a bis d entsprechende Schnittansichten des Zylindergehäuses einer regenerativen Wärmemaschine mit zwei ineinandergreifenden Kreiskolben, von denen einer einen malteserkreuzförmigen, und der andere einen doppelt eingeschnürt knochenförmigen Grundriß hat.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Kreuzkolbenmaschine mit vier periodisch veränderlichen Arbeitsräumen, in denen sich miteinander gekoppelte Kolben bewegen. Das Gesamtvolumen der Arbeitsräume ist zeitlich konstant, und die Volumenänderungen der einzelnen Arbeitsräume sind um ca. 90° gegeneinander phasenverschoben.

Wie man insbesondere Fig. 2 entnimmt, sind die Arbeitsräume kreiszylindrisch, wobei die Zylindermittelachsen je zweier gegenüberliegender Arbeitsräume zusammenfallen, während sich die gemeinsamen Zylindermittelachsen der paarweise einander zugeordneten Arbeitsräume unter einem Winkel von 90° kreuzen. In den Arbeitsräumen bewegt sich ein Kolbensystem mit je zwei in axialem Abstand an einer gemeinsamen Kolbenstange starr angeordneten Kolben. Die Kolbenstangen kreuzen sich unter 90° und sind mittels eines Kupplungsglieds 10 aneinander angelenkt. Man erhält so ein schwingungsfähiges System, dessen Kupplungsglied 10 während der Schwingung um den geometrischen Mittelpunkt zwischen den Anlenkpunkten der Kolbenstangen dreht, wobei dieser Mittelpunkt zugleich eine Kreisbahn durchläuft. Dies ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. P1 ist der Anlenkpunkt eines harmonisch entlang der Y-Achse des gezeigten Koordinatensystems schwingenden Kolbensystems, und P2 der entsprechende Anlenkpunkt des mit 90° Phasenverschiebung harmonisch entlang der X-Achse schwingenden Kolbensystems. Der Mittelpunkt M des Kupplungsglieds läuft auf einem Kreis um, dessen Radius dem halben Abstand 1 zwischen den Anlenkpunkten P1und P2 entspricht. Das Kupplungsglied dreht sich dabei entgegen der Bahnrichtung des Mittelpunkts mit derselben Frequenz um sich selbst.

Der heiße Arbeitsraum 12 der Wärmemaschine wird stirnseitig von einem aus SiSic bestehenden Erhitzerkopf 14 verschlossen. Der Erhitzerkopf 14 hat einen auf gleicher Achse mit dem heissen Arbeitsraum 12 liegenden Flammraum 16, in den eine Flamme schlägt, radiale Rauchgasdurchtrittskanäle 18 und einen radial außen liegenden Abgassammelraum 20. Weiter wird der Erhitzerkopf 14 von einem im wesentlichen axial sich erstreckenden Kanalsystem 22 durchsetzt, durch das das Arbeitsmedium des regenerativen Wärmekreises, insbesondere Helium, strömt. Das Helium wird von dem in dem heißen Arbeitsraum 12 abgedichtet geführten Kolben 24 durch stirnseitige Öffnungen des heißen Arbeitsraums 12 in das Kanalsystem 22 verdrängt bzw. dadurch angesaugt, wobei sich das Helium in dem Erhitzerkopf 14 auf eine hohe Temperatur erwärmt. Radial außen liegende stirnseitige Mündungen des Kanalsystems 22 führen an einen thermischen Regenerator 26, über den eine Verbindung zu den warmen Arbeitsräumen 28, 30 der Wärmemaschine hergestellt wird. Letztere gehören zu dem quer zu der Längsmittelachse des heißen Arbeitsraums 12 orientierten Kolben-Zylinder-System. In den warmen Arbeitsräumen 28, 30 arbeiten die Kolben 32, 34. In axialer Verlängerung des heißen Arbeitsraums 12 und bezüglich der Gelenkverbindung 10 diametral gegenüber liegt der kalte Arbeitsraum 36 mit dem darin abgedichtet hin- und herbeweglichen Kolben 38. Der kalte Arbeitsraum 36 kommuniziert über Leitungen 40 und darin liegende thermische Regeneratoren 42 mit den warmen Arbeitsräumen 28, 30. Kühlrippen 44 an den Zylinderwänden des kalten 36 und der warmen Arbeitsräume 28, 30 sorgen für einen effektiven Wärmeaustausch mit der Umgebung.

Die beschriebene Kreuzkolbenmaschine kann im reinen Vuilleumier- Betrieb als Wärmepumpe arbeiten. Dabei wird das Arbeitsmedium im heißen Arbeitsraum 12 ständig auf hoher Temperatur gehalten, so daß sich mit dem Volumen des kalten Arbeitsraums auch der Druck des Arbeitsmediums in allen Arbeitsräumen annähernd zugleich periodisch verändert. In dem kalten Arbeitsraum 36, dessen Volumenverlauf demjenigen des heißen Arbeitsraums 12 um 90° nacheilt, steigt nun der Druck bei kleinem Volumen, und sinkt der Druck bei großem Volumen. Die Wärmeaufnahme bei fallendem Druck übersteigt daher bei weitem die Wärmeabgabe bei steigendem Druck. In dem kalten Arbeitsraum 36 nimmt daher das Arbeitsmedium ebenfalls Wärme aus der Umgebung auf, und zwar auf tiefem Temperaturniveau. Das kaltseitige Ende der Wärmemaschine kann daher zu Kühlzwecken eingesetzt werden. Im Bereich der warmen Arbeitsräume 28, 30 schließlich wird die gesamte zugeführte Wärme bei einem mittleren Temperaturniveau beispielsweise zu Heizzwecken abgeführt.

Durch entsprechende Dimensionierung der wirksamen Kolbenflächen und/oder eine geeignete Ventilanordnung im thermodynamischen Arbeitskreis, insbesondere in Gestalt eines im kalten Arbeitskreis liegenden verstellbaren Drosselventils oder periodisch öffnender und schließender, im Arbeitskreis liegender Sperrventile, läßt sich die beschriebene Kreuzkolbenmaschine auch in einem thermodynamischen Arbeitszyklus betreiben, bei dem dem Vuilleumier-Zyklus ein Teil-Stirling-Zyklus überlagert ist. Die Maschine kann dadurch selbst anlaufen und selbstlaufend ausgelegt sein und nach Art eines Stirlingmotors mechanische Energie abgeben, die sich beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators nutzen läßt. Man hat so eine Kombimaschine, die bei externer Verbrennung in einem regenerativen thermodynamischen Arbeitskreis wahlweise und in vorgebbaren Anteilen Wärme und/oder Kälte und/oder elektrische Energie abgibt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an das Kupplungsglied 10 der Kreuzkolbenmaschine eine Welle 46 angekoppelt ist, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schwungscheibe 48 trägt. Ein Stift 50 an dem Kupplungsglied 10 steht im Bereich des Drehmittelpunkts von dem Kupplungsglied 10 ab, um den das Kupplungsglied 10 rotiert, und der dabei gleichzeitig in einer Kreisbahn umläuft. Die Welle 46 ist über einen Kurbelarm 52 an den Stift 50 angekoppelt, wobei durch ein Wälzlager gewährleistet ist, daß sich der Stift 50 reibungsarm in dem Kurbelarm 52 drehen kann. Die Welle 46 ist mit einem elektrischen Generator 54 gekoppelt, der zugleich als Elektromotor ausgelegt sein kann und in vorteilhafter Weise als Startmotor der Wärmemaschine dient.

Der Heißteil der Wärmemaschine gemäß Fig. 1 ist in einer Haube 56 gekapselt, die insbesondere einen Luftvorerwärmer enthält. 58 ist ein Lufteinlaß, und 60 ein Abgasauslaß in der Haube 56. Die Brennstoffzuführung ist nicht näher dargestellt.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine alternative Bauform der erfindungsgemäßen Wärmemaschine, bei der zwei Kolben kollinear entlang einer gemeinsamen Längsmittelachse in je einer zugehörigen Zylinderlaufbuchse schwingen. Der Kolben 62 teilt in seiner Zylinderlaufbuchse einen auf hoher Temperatur T2 gehaltenen heißen Arbeitsraum 12 und einen auf mittlerer Temperatur T0 liegenden warmen Arbeitsraum 28 ab, die über einen thermischen Regenerator 64 miteinander verbunden sind. Der andere Kolben 66 teilt in seiner Zylinderlaufbuchse den auf niedriger Temperatur T1 liegenden kalten Arbeitsraum 36 und einen zweiten warmen Arbeitsraum 30 ab. Letztgenannte Arbeitsräume sind über einen thermischen Regenerator 68 verbunden, wobei warmseitig in der Verbindungsleitung ein einstellbares Drosselventil 70 liegt. Die warmen Arbeitsräume 28, 30 kommunizieren über eine Leitung 72.

Die Kolben 62, 66 schwingen mit näherungsweise 90° Phasenverschiebung in den zugehörigen Zylinderlaufbuchsen, wobei wiederum ein thermodynamisches Arbeitsmedium, insbesondere Helium, zwischen den einzelnen Arbeitsräumen hin- und hergeschoben wird und einen Arbeitszyklus im wesentlichen nach dem Vuilleumier-Prinzip leistet. Durch Veränderung der Einstellung des Drosselventils 70 läßt sich aber an dem im Kaltteil laufenden Kolben 66 eine Druckdifferenz aufbauen, dank derer die Wärmemaschine mechanische Energie oder elektrische Energie abgeben kann, und damit wenigstens teilweise als Stirlingmotor arbeitet. Fig. 4 illustriert exemplarisch die Anordnung eines Lineargenerators 74 im Hubbereich des Kolbens 66. Letzterer trägt ein Induktionselement 76, das mit dem Lineargenerator 74 zur Erzeugung nutzbarer elektrischer Energie zusammenwirkt. Der Lineargenerator 74 kann zugleich als Linearmotor ausgelegt sein, der die erfindungsgemäße Wärmemaschine mit kurzfristiger äußerer elektrischer Energiezufuhr startet.

Statt des in Fig. 1 und 2 illustrierten Sinustriebs ist in Fig. 4 ein elliptisches Getriebe angedeutet, das die Kolben 62, 66 der Wärmemaschine koppelt. An jedem der Kolben 62, 66 greift ein Gelenkteil 78 an, dessen anderer Gelenkpunkt 80 auf einer elliptischen, und allgemein auf einer geschlossenen nichtkreisförmigen Bahn umläuft. Das kann durch ein Getriebe realisiert sein, das eine Kulisse aufweist, an der ein den Anlenkpunkt 80 tragender Laufkörper entlangläuft. In einer alternativen Bauform besteht das Getriebe aus einem viergliedrigen, umlauffähigen Gebilde mit zwei senkrecht zueinander zwangsgeführten, mit 90° Phasenversetzung schwingenden Longituginalpendelgliedern und mit einem diese verbindenden Lenker, an dem sich die Anlenkpunkte 80 befinden. Letzteres Getriebe hat den bekannten Aufbau eines Ellipsenzirkels, so daß die Anlenkpunkte 80 die bevorzugte elliptische Bahn durchlaufen. Verglichen mit dem vorbehandelten Sinustrieb, erlaubt es die beschriebene Anordnung, den im pV-Diagramm durchlaufenen thermodynamischen Zyklus anzuecken und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrads zu erzielen.

Die Wärmemaschine der Fig. 4 wird bevorzugt in einer Bauform realisiert, bei der sich die axialen Endabschnitte der Kolben 62, 66 überlappen, und das die Kolben 62, 66 koppelnde Getriebe in diesem Überlappungsbereich angeordnet ist. Fig. 5 zeigt schematisch einen entsprechenden Kolben 62, 66, der einen kreiszylindrischen Verdrängerabschnitt 82 und einen daran angeformten, halbzylindrischen abgeplatteten Montageabschnitt 84 hat. Die Kolben 62, 66 überlappen einander mit den Montageabschnitten, 84, deren ebene Begrenzungsflächen 86 dabei einander zugekehrt sind und das Getriebe zwischen sich aufnehmen.

Fig. 6 schließlich zeigt einen Blick in das Zylindergehäuse einer als Kreiskolbenmaschine ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmemaschine, deren Kreiskolben 88 eine Schmetterlingsform hat. Fig. 7 ist die entsprechende Darstellung einer Kreiskolbenmaschine mit zwei ineinandergreifenden Kreiskolben (90, 92), von denen der eine (90) einen malteserkreuzförmigen, und der andere (92) einen doppelt eingeschnürt knochenförmigen Grundriß hat. Letzterer Kreiskolben (92) rotiert mit der doppelten Drehzahl wie der malteserkreuzförmige Kreuzkolben (90), und er greift die peripheren Aussparungen des malteserkreuzförmigen Kreiskolbens (90) aus, wie dies den verschiedene Phasen der Bewegung zeigenden Abbildungen Fig. 7(a) bis Fig. 7(d) zu entnehmen ist.

  • Liste der Bezugszeichen

    10 Kupplungsglied

    12 heißer Arbeitsraum

    14 Erhitzerkopf

    16 Flammraum

    18 Rauchgaskanal

    20 Abgassammelraum

    22 Kanalsystem

    24 Kolben

    26 Regenerator

    28, 30 warmer Arbeitsraum

    32, 34 Kolben

    36 kalter Arbeitsraum

    38 Kolben

    40 Leitung

    42 Regenerator

    44 Kühlrippe

    46 Welle

    48 Schwungscheibe

    50 Stift

    52 Kurbelarm

    54 Generator

    56 Haube

    58 Lufteinlaß

    60 Abgasauslaß

    62 Kolben

    64 Regenerator

    66 Kolben

    68 Regenerator

    70 Drosselventil

    72 Leitung

    74 Lineargenerator

    76 Induktionselement

    78 Gelenkteil

    80 Anlenkpunkt

    82 Verdrängerabschnitt

    84 Montageabschnitt

    86 Begrenzungsfläche

    88, 90, 92 Kreiskolben


Anspruch[de]
  1. 1. Regenerative Wärmemaschine, insbesondere Stirlingmotor, nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärmepumpe, eine Mischform zwischen einem Stirling- und Vuilleumierbetrieb ermöglichende Maschine zur wahlweisen oder kombinierten Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Energie und/oder Wärme und/oder Kälte, oder Wärme-Nutzenergiewandler beispielsweise in Form eines Wärme-Druckwandlers mit wenigstens einem in einem regenerativen thermodynamischen Arbeitskreis liegenden Druckspeicher, oder mit einem anderen Nutzenergiespeicher beispielsweise in Form eines Schwungrads, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmemaschine mit einem wenigstens zum Teil aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltriertem Siliziumcarbid (Silizium-Siliziumcarbid; SiSiC), oder aus oxidischer Keramik insbesondere Steatit, bestehenden Erhitzerkopf (14) ausgerüstet ist.
  2. 2. Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zylinder hat, dessen Wand aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder SiSiC, oder aus oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, besteht oder an der Innenseite mit nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, beschichtet ist.
  3. 3. Wärmemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kolben (24, 32, 34, 38, 62, 66, 88) hat, der ganz oder zum Teil aus Graphit und insbesondere mit Kohlenstoffasern bewehrtem Graphit (Kohlefasergraphit, CfC) besteht.
  4. 4. Wärmemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben an seiner Oberfläche mit nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, beschichtet ist.
  5. 5. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einstückig mit dem Erhitzerkopf (14) wenigstens ein thermischer Regenerator (26, 64) ausgebildet ist.
  6. 6. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das thermodynamische Arbeitsmedium beim Austritt aus dem Erhitzerkopf (14) einen anderen Weg nimmt, als beim Eintritt in den Erhitzerkopf (14).
  7. 7. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch zwei mechanisch gekoppelte, phasenverschoben in relativ zueinander orthogonaler Richtung schwingende Kolben oder Kolbensysteme (24, 38; 32, 34).
  8. 8. Wärmemaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben oder Kolbensysteme (24, 38; 32, 34) über ein Exzentergetriebe mit Kurbelarm und außenliegender Welle, über ein Abingdon-Kreuz-Getriebe oder über ein doppeltes kardanisches Räderpaar mit 90°-angewinkelter Halterung und doppelter Wellenführung nach außen gekoppelt sind, und daß die nach außen geführte Welle antriebsmäßig mit der Welle (46) eines Arbeitsaggregats, insbesondere eines kombinierten elektrischen Generators und Elektromotors (54), verbunden ist.
  9. 9. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch zwei phasenverschoben entlang einer gemeinsamen Längsachse schwingende Kolben (62, 66) oder Kolbensysteme.
  10. 10. Wärmemaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Freikolbenanordnung.
  11. 11. Wärmemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (62, 66) oder Kolbensysteme mechanisch gekoppelt sind.
  12. 12. Wärmemaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben einander im Bereich eines axialen Endabschnitts (84) überlappen, und daß in dem Überlappungsbereich ein zwischen den Kolben wirkendes Getriebe angeordnet ist.
  13. 13. Wärmemaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte (84) der Kolben (62, 64) gegenüber einem vorzugsweise kreiszylindrischen Verdrängerabschnitt (82) im Querschnitt verkleinert, und insbesondere abgeplattet teilzylindrisch sind.
  14. 14. Wärmemaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zur Steuerung der Kolbenbewegung wenigstens einen, auf einer geschlossenen nichtkreisförmigen, vorzugsweise elliptischen Bahn bewegten Gelenkpunkt (80) hat.
  15. 15. Wärmemaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Kurbelgetriebe mit einer an je einem der Kolben (62, 64) angelenkten Schwinge (78) ist, deren zweiter Anlenkpunkt (80) auf der geschlossenen nichtkreisförmigen Bahn umläuft.
  16. 16. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kolben (62, 64) mit einem elektrischen Lineargenerator (74) oder kombinierten elektrischen Lineargenerator und Linearmotor (74) zusammenarbeitet.
  17. 17. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen oder mehrere in je einem Zylindergehäuse umlaufende Kreiskolben (88) hat.
  18. 18. Wärmemaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere, insbesondere zwei oder drei winkelversetzt mit axialem Abstand an derselben Welle angeordnete Kreiskolben (88) hat, die in Zylinderräumen arbeiten, die über vorzugsweise parallel zur Welle sich erstreckende, regenerative Wärmetauscher enthaltende Leitungen gasdynamisch miteinander verbunden sind.
  19. 19. Wärmemaschine nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch eine Kreiskolbenanordnung nach dem Wankelprinzip mit wenigstens einem in einem trochoidenförmigen Gehäuse exzentrisch gelagerten Drehkolben, der einen Grundriß im wesentlichen in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit gerundeten Kanten hat.
  20. 20. Wärmemaschine nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch einen im Grundriß mandelförmigen oder schmetterlingsförmigen Kreiskolben (88).
  21. 21. Wärmemaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylindergehäuse zwei ineinandergreifende Kreiskolben vorgesehen sind, von denen einer malteserkreuzförmig, und der andere doppelt eingeschnürt knochenförmig ist.
  22. 22. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Kreiskolben (88) überstrichenen Boden des/der Zylindergehäuse (s) wenigstens ein Schlitz vorgesehen ist, durch den ein zur Steuerung des Arbeitsprozesses herangezogener Durchtritt des thermodynamischen Arbeitsmediums erfolgt.
  23. 23. Wärmemaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz in der Größe verstellbar ist.
  24. 24. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit darin phasenverschoben periodisch bewegten Kolben (24, 32; 34, 38; 62, 66; 88) die einen heißen Arbeitsraum (12), wenigstens einen warmen Arbeitsraum (28, 30) und einen kalten Arbeitsraum (36) abteilen, wobei der heiße und kalte Arbeitsraum (12, 36) strömungsmäßig über je einen thermischen Regenerator (64, 68) mit dem warmen Arbeitsraum (28, 30) verbunden sind, und in dem kaltseitigen Arbeitskreis ein verstellbares Drosselventil (70) liegt, durch das sich eine zur Energieerzeugung nutzbare Druckdifferenz zwischen dem kalten Arbeitsraum (36) und dem warmen Arbeitsraum (28, 30) aufbauen läßt.
  25. 25. Wärmemaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz zum Treiben des kaltseitigen Kolbens (38, 66) genutzt ist, wodurch die Wärmemaschine insbesondere selbstanspringend und selbstlaufend sein kann.
  26. 26. Wärmemaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der kaltseitige Kolben (38, 66) mit einem elektrischen Generator, insbesondere einem elektrischen Lineargenerator (74) zur elektrischen Energieerzeugung zusammenwirkt.
  27. 27. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitskreisen ein oder mehrere zeitabhängig, insbesondere periodisch schaltende Sperrventile liegen, die den Strom des thermodynamischen Arbeitsmediums zeitweise unterbrechen.
  28. 28. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Heißteil dem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Wärme entzieht.
  29. 29. Wärmemaschine nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Nachverbrennung der Abgase mit einer gegen den Erhitzerkopf (14) gerichteten Gebläseflamme durchführt.
  30. 30. Wärmemaschine nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Generator zur Versorgung des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie treibt.
  31. 31. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Kühlaggregat zur Klimatisierung des Kraftfahrzeug-Fahrgastraums dient.
  32. 32. Wärmemaschine nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen nach dem Vuilleumier-Prinzip arbeitenden Kühlkreis enthält.
  33. 33. Wärmemaschine nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Wärme-Druckwandler arbeitet und mit einem in ihrem Druckspeicher aufgebauten Überdruck eine in einem konventionellen Kompressions-Expansionskühlkreis liegende Pumpe antreibt.
  34. 34. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Heißteil durch Verbrennung von Wasserstoffgas erhitzt wird, der in flüssigem Zustand und unter Druck auf Vorrat gehalten ist, und daß ihr Kaltteil durch Verdunstung des Wasserstoffs vor seiner Verbrennung gekühlt ist.
  35. 35. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Erhitzerkopf eine katalytische Verbrennung abläuft.
  36. 36. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Blockheizkraftwerken mittlerer Energie, beispielsweise bis 400 kW, zur Netzversorgung mit elektrischer Energie und Wärme arbeitet.
  37. 37. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Hausenergiesystem arbeitet.






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