WÄRMEKRAFTMASCHINE

Wärmekraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine.

Es ist bekannt, dass Wärmekraftmaschinen mit einem geschlossenen Gaskreislauf, die bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke betrieben werden, große Wärmetauschflächen zur Übertragung der benötigten Wärme aufwei- sen (siehe beispielsweise DE 41 09 289 A1 oder EP 0 801 219 B1). Auch sind Wärmekraftmaschinen bekannt, wobei das Arbeitsgas Wärmetauscher und ggf. Regeneratoren durchströmt, die eine hohe Wärmeübertragungsdichte aufweisen (siehe beispielsweise die ursprüngliche Stoddard-Maschine aus 1933 (US 1 ,926,463 A) oder die moderneren Maschinen der Firma Stirling Biopower Inc. Aus DE 43 07 211 A1 ist eine Bauart bekannt, wobei das Arbeitsgas durch einen kontinuierlich rotierenden Verdrängerkolben in der ersten Periodenhälfte von der warmen zur kalten Seite des Arbeitsraums bewegt wird und in der zweiten Periodenhälfte von der kalten zur warmen Seite weitergedreht wird.

Die US 3,509,718 A beschreibt eine Wärmekraftmaschine mit zwei epitrochodial geform- ten Gehäusen, in denen jeweils Verdrängerkolben mit, ohne ihre Stirnseiten, dreiseitiger Oberfläche auf einer exzentrischen Welle rotieren, wobei das Arbeitsgas zwischen von den Gehäuseteilen und den Verdrängerkolben gebildeten Arbeitsräumen hin- und herbewegt wird. Aufgrund unterschiedlicher Drücke in den verschiedenen Arbeitsräumen sind allerdings Dichtungen notwendig, die einem starken Verschleiß unterworfen sind.

Die EP 0 691 467 A1 zeigt einen Heißgasmotor mit einem in einem geschlossenen Gehäuse beweglichen Verdrängerkolben. Der Verdrängerkolben rotiert um einen in seinem Inneren axial beweglich gelagerten Arbeitskolben. Konstruktionsbedingt ist diese Bauform insbesondere bei großen Arbeitsraumvolumina sehr aufwendig.

Ein Problem bei den Wärmekraftmaschinen mit großen Wärmetauschflächen bleibt die geringe Wärmeübertragung und damit die geringe mechanische Leistung, die bezogen auf das Maschinenvolumen bei optimalen Drehzahlen erzielt werden kann. Bei den Wärmekraftmaschinen, wobei das Arbeitsgas einen oder mehrere Wärmetauscher durchströmt, bleibt das Problem, dass bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ein großer Durchfluss des Arbeitsgases erforderlich ist, um nennens- werte mechanische Leistungen zu erreichen, und dass bei den bekannten Bauarten große Strömungsverluste entstehen. Die aus DE 43 07 211 A1 bekannte Bauart mit einem rotierenden Verdrängerkolben hat sowohl das Problem der geringen Wärmeübertragung durch die zylindrische Gehäusewand als auch das Problem des geringen Wirkungsgrads, da die Wärme bei dieser Bauart nicht oder nur in geringem Maße regeneriert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, die bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke eine deutlich höhere mechanische Leistung bezogen auf das Maschinenvolumen sowie gerin- gere Strömungsverluste, dh einen höheren Wirkungsgrad, als die bekannten Ausführungen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege- ben.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine umfasst einen ersten Verdrängerkolben und einen zweiten Verdrägerkolben, wobei je eine Oberfläche des ersten Verdrängerkolbens und des zweiten Verdrängerkolbens, die einander zugewandt sind, einen mit einem Ar- beitsgas gefüllten Arbeitsraum begrenzen, wobei in dem Arbeitsraum zwischen dem ersten Verdrängerkolben und dem zweiten Verdrängerkolben zwei Wärmetauscheranordnungen, die jeweils eine Wärmequelle und eine Wärmesenke umfassen, angeordnet sind und die Wärmetauscheranordnungen von dem Arbeitsgas durch- oder umströmt werden können, wobei der erste Verdrängerkolben und/oder der zweite Verdrängerkolben und/oder die Wärmetauscheranordnungen drehbar um eine Achse gelagert sind, und wobei Mittel vorgesehen sind, die einer Rotationsbewegung des Arbeitsgases relativ zu den Wärmetauscheranordnungen um die Achse entgegenwirken. Auf diese Weise kann das Arbeitsgas, beispielsweise Luft, während eines Arbeitstaktes der Wärmekraftmaschine von einem Bereich des Arbeitsraumes in einen anderen Bereich des selben Arbeitsraumes verscho- ben werden, wobei ein erster Teil des Arbeitsgases eine der Wärmetauscheranordnungen durchströmt und der zweite Teil des Arbeitsgases gleichzeitig eine zweite Wärmetauscheranordnung durchströmt und beide Teile des Arbeitsgases dabei Energie abgeben beziehungsweise aufnehmen, die in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Verdrängerkolben synchron rotieren, dh in diesel- be Drehrichtung. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Verdrängerkolben in entgegengesetzten Drehrichtungen rotieren oder dass nur einer oder keiner der beiden Verdrängerkolben rotiert. Die Veränderung der Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten der Verdrängerkolben beeinflusst die Rotation des Arbeitsgases um die Achse, die insbesondere eine axiale Achse sein kann, und damit den Wirkungsgrad.

Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die den Arbeitsraum begrenzende Oberfläche des ersten Verdrängerkolbens konvex gewölbt ist und die den Arbeitsraum begrenzende Oberfläche des zweiten Verdrängerkolbens konkav gewölbt ist. Auf diese Weise wird das Arbeitsgas gegenüber der Drehachse der Verdrängerkolben, die insbesondere eine axiale Achse sein kann, in radialer Richtung nach innen beziehungsweise außen ver- schoben.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die den Arbeitsraum begrenzenden Oberflächen des ersten Verdrängerkolbens und des zweiten Verdrängerkolbens im Wesentlichen Zylindermantelflächen sind, deren Symmetrieachsen nicht mit der Achse zusammen- fallen. Derartige Oberflächen lassen sich besonders einfach fertigen, so dass der Aufbau der Wärmekraftmaschine insgesamt besonders einfach ist.

Es kann auch vorgesehen sein, dass der erste Verdrängerkolben und der zweite Verdrängerkolben in einem Gehäuse eine Drehbewegung mit gleicher Frequenz ausführen, dass eine Gehäusewand des Gehäuses zusammen mit den einander zugewandten Oberflächen des ersten Verdrängerkolbens und des zweiten Verdrängerkolbens den Arbeitsraum begrenzen, dass die den Arbeitsraum begrenzenden Oberflächen des ersten Verdrängerkolbens und des zweiten Verdrängerkolbens sowohl konvexe als auch konkave Bereiche aufweisen und die konvexen beziehungsweise konkaven Bereiche des einen Verdränger- kolbens konkaven beziehungsweise konvexen Bereichen des jeweils anderen Verdrängerkolbens entsprechen beziehungsweise gegenüberliegen, und dass die räumliche Anordnung und Anzahl der konvexen bzw. konkaven Bereiche des ersten Verdrängerkolbens und des zweiten Verdrängerkolbens der Anordnung und Anzahl der Wärmetauscheranordnungen entspricht und zu jedem konvexen Bereich eines Verdrängerkolbens eine Wärmequelle auf der Seite dieses Verdrängerkolbens gehört und zu jedem konkaven Bereich desselben Verdrängerkolbens eine Wärmesenke auf der Seite dieses Verdrängerkolbens gehört. Auf diese Weise wird eine Bewegung des Arbeitsgases während eines Arbeitstaktes parallel zur Drehachse der Verdrängerkolben, die insbesondere eine axiale Achse sein kann, induziert. Eine Drehbewegung gleicher Frequenz schließt dabei nicht aus, dass die Frequenz zeitlich veränderbar ist. - A -

Es kann auch vorgesehen sein, dass der erste Verdrängerkolben einstückig mit dem zweiten Verdrängerkolben gefertigt ist. Somit sind der erste und der zweite Verdrängerkolben starr miteinander verbunden, so dass nur eine einzige Mechanik zur Bewegung der Verdrängerkolben notwendig ist.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmetauscheranordnungen einen Regenerator umfassen. Auf diese Weise wird die Effizienz der Wärmekraftmaschine insgesamt erhöht.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Mittel, die eine Rotationsbewegung des Ar- beitsgases um die Achse abbremsen, ein Gebläse oder einen Lüfter umfassen. Durch die Verwendung eines Gebläses oder eines Lüfters, der der von den Verdrängerkolben induzierten Rotationsbewegung des Arbeitsgases durch einen in die entgegengesetzte Richtung weisenden Arbeitsgasstrom entgegenwirkt, lässt sich die Rotationsbewegung zumindest dämpfen.

Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die Mittel, die eine Rotationsbewegung des Arbeitsgases um die Achse abbremsen, eine Platte umfassen, die in einer Fläche quer zu den Verdrängerkolben beziehungsweise quer zu den Wärmetauscheranordnungen hin- und herbewegbar ist. Auf diese Weise ist ein die Rotationsbewegung des Arbeitsgases bremsendes Hindernis in dem Arbeitsraum platzierbar, welches nützlicherweise einen möglichst großen Querschnitt des Arbeitsraumes verschließt.

Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass die Mittel, die eine Rotationsbewegung des Arbeitsgases um die Achse abbremsen, eine Platte umfassen, die um eine Be- festig u ngsachse rotiert. Auch auf diese Weise ist ein die Rotationsbewegung des Arbeitsgases bremsendes Hindernis in dem Arbeitsraum platzierbar.

In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Mittel, die eine Rotationsbewegung des Arbeitsgases um die Achse abbremsen, eine weitere Platte umfassen, die bezüglich der Platte in entgegengesetzter Richtung um die Befestigungsachse rotiert. Auf diese Weise kann die Bremswirkung verbessert werden, da das Hindernis einen größeren Querschnitt des Arbeitsraumes in der unerwünschten Strömungsrichtung versperrt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Mittel, die einer Rotationsbewegung des Ar- beitsgases um die Achse relativ zu den Wärmetauscheranordnungen entgegenwirken, die

Wärmetauscheranordnungen umfassen, die synchron mit dem Arbeitsgas um die Achse rotieren. Die Rotation des oder der Verdrängerkolben induziert eine Rotationsbewegung des Arbeitsgases um die Achse in dem Arbeitsraum aufgrund von "Mitschleppeffekten". Diese induzierte Rotation ist insbesondere von der Form der Oberflächen der Verdrängerkolben, der Form des Arbeitsraumes sowie der Rotationsgeschwindigkeiten der Verdrän- gerkolben abhängig und wird sich im Betrieb auf einen festen Wert beziehungsweise einen festen zeitlichen Verlauf einpendeln. Es ist denkbar den Wert beziehungsweise den Verlauf zu bestimmen und die Wärmetauscheranordnungen entsprechend um die Achse mitzubewegen. Auf diese Weise wird die Rotation des Arbeitsgases relativ zu den Wärmetauscheranordnungen um die Achse ausgeglichen. Die Bestimmung des Wertes bezie- hungsweise des Verlaufs kann wahlweise im Vorfeld theoretisch oder experimentell erfolgen. Es ist allerdings auch möglich, über einen im Arbeitsraum angeordneten Sensor die Rotationsgeschwindigkeit des Arbeitsgases zu bestimmen und die Rotation der Wärme- tauscheranodnungen entsprechend zu steuern.

Es kann vorgesehen sein, dass der erste Verdrängerkolben und der zweite Verdrängerkolben komplett innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, und dass zwischen den Rändern des ersten und/oder zweiten Verdrängerkolbens und dem Gehäuse sowie zwischen den Rückseiten des ersten und/oder zweiten Verdrängerkolbens und dem Gehäuse ein Gasspalt vorgesehen ist, der einen Druckausgleich zwischen dem Arbeitsraum und den Rückseiten des ersten und/oder zweiten Verdrängerkolbens erlaubt. Dies erlaubt eine besonders leichte Bauweise der Verdrängerkolben, da diese nur noch durch den anstehenden Staudruck der zu verdrängenden Luftvolumina belastet werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein von dem zweiten Verdrängerkolben und einem dritten Verdrängerkolben begrenzter weiterer Arbeitsraum vorgesehen ist, wobei der Arbeitsraum und der weitere Arbeitsraum Rücken an Rücken so angeordnet sind, dass die Rückseite des zweiten Verdrängerkolbens gleichzeitig eine den weiteren Arbeitsraum begrenzende Oberfläche bildet, und dass der dritte Verdrängerkolben und/oder in dem weiteren Arbeitsraum angeordnete Wärmetauscheranordnungen drehbar um die Achse gela- gert sind. Das Vorsehen eines weiteren Arbeitsraumes erhöht die Leistung der Wärmekraftmaschine.

Nützlicherweise kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass ein Gasaustausch zwischen dem Arbeitsraum und dem weiteren Arbeitsraum möglich ist, und dass die Wär- metauscheranordnungen so angeordnet sind, dass sich mindestens ein Arbeitsraum bei gemeinsamer Rotation der Verdrängerkolben im Wärmekraftbetrieb und mindestens ein Arbeitsraum sich im Wärmepumpenbetrieb befindet.

Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass der Arbeitsraum und der weitere Arbeits- räum unterschiedlich groß ausgebildet sind.

Die beschriebene Wärmekraftmaschine liefert mechanische Leistung unter Aufnahme von Wärme aus einer Wärmequelle und Abgabe von Wärme an eine Wärmesenke auf einem niedrigeren Temperaturniveau. Dabei kann die Maschine vorteilhafterweise mindestens zwei vom Arbeitsgas durch- oder umströmte Anordnungen aufweisen, die jeweils aus einer Wärmequelle, eventuell einem Regenerator und einer Wärmesenke aufgebaut sein können. Zusammen wird eine solche Anordnung aus Wärmequelle und Wärmesenke im Folgenden als Wärmetauscheranordnung bezeichnet, unabhängig davon, ob ein Regenerator vorhanden ist.

Das Arbeitsgas wird in der beschriebenen Wärmekraftmaschine durch einen oder mehrere Verdrängerkolben von der warmen Seite durch die Wärmetauscheranordnungen zur kalten Seite der Maschine und zurück hin- und herbewegt. In der beschriebenen Wärmekraftmaschine können zwei Verdrängerkolben zum Einsatz kommen, die jedoch keine Hubbewegung sondern eine Drehbewegung mit exakt gleicher Frequenz ausführen.

Der Arbeitsraum, worin sich das Arbeitsgas befindet, wird einerseits von der stationären Gehäusewand und andererseits von den rotierenden Oberflächen der Verdrängerkolben abgegrenzt. In einer Ausführungsform der Wärmekraftmaschine hat das Gehäuse die Form eines Zylinders mit einer Aussparung an der Achse entlang und schließen die Verdrängerkolben den Zylinder an den Stirnseiten ab. Die Rotation der Verdrängerkolben findet in azimutaler Richtung um eine Achse statt, die insbesondere eine axiale Achse sein kann.

Die Oberfläche der Verdrängerkolben kann vorteilhafterweise eine Anzahl konvexer und gleich viele konkave Bereiche aufweisen, wobei die konkaven bzw. konvexen Bereiche konvexen bzw. konkaven Bereichen des jeweils anderen Verdrängerkolbens gegenüberliegen. Durch geeignete Bremsvorrichtungen wird das Arbeitsgas daran gehindert, von den rotierenden Verdrängerkolben mitgeschleppt zu werden. Somit führt das Arbeitsgas gar keine oder eine im Vergleich zu den Verdrängerkolben nur langsame Rotation um die Achse aus. Der Teil des Arbeitsgases, an dem ein konvexer Bereich der Oberfläche des ersten Verdrängerkolbens vorbeirotiert, wird in Richtung des konkaven Bereichs der Oberfläche des zweiten, gegenüberliegenden Verdrängerkolbens verschoben. Die Wärmetauscheranordnungen sind stationär im Raum zwischen den beiden Verdrängerkolben angeordnet. Der oben erwähnte Teil des Arbeitsgases strömt aufgrund der beschriebenen Ver- Schiebung durch eine Wärmetauscheranordnung hindurch. Gleichzeitig wird ein anderer Teil des Arbeitsgases von einem vorbeirotierenden konvexen Bereich des zweiten Verdrängerkolbens zum konkaven Bereich des ersten Verdrängerkolbens bewegt und strömt somit in entgegengesetzter Richtung durch eine andere Wärmetauscheranordnung. Die zuerst bzw. zuletzt genannten Wärmetauscheranordnungen sind bezüglich der Wär- mequellen und Wärmesenken mit entgegengesetzter Orientierung in der Maschine eingebaut, so dass beide Teile des Arbeitsgases gleichzeitig erwärmt werden. Je nachdem wie viele konvexe Bereiche jeweils ein Verdrängerkolben aufweist, sind bei dieser Ausführungsform entsprechend viele solche Paare von Wärmetauscheranordnungen in der Maschine eingebaut. In dem Moment, in dem ein konkaver Bereich des ersten Verdränger- kolbens am erstgenannten Teil des Arbeitsgases vorbeirotiert, dreht sich der Prozess um und es werden alle zuvor erwärmten Teile des Arbeitsgases gleichzeitig abgekühlt. Oder anders ausgedrückt: Es wird das Arbeitsgas durch einen vorbeirotierenden konvexen bzw. konkaven Bereich der Oberfläche eines Verdrängerkolbens in Richtung des entsprechenden konkaven bzw. konvexen Bereiches der Oberfläche des gegenüberliegenden Verdrängerkolbens bewegt und dabei eine Wärmetauscheranordnung, bestehend aus einer Wärmequelle eventuell einem Regenerator und einer Wärmesenke, in dieser bzw. in umgekehrter Richtung durch- oder umströmt, wobei die Form und Anordnung der Wärmetauscheranordnungen so an die Form und Anordnung der konvexen bzw. konkaven Bereiche der Verdrängerkolben angepasst sind, dass der Arbeitsraum sich in bestimmten Zeit- räumen während der Verdrängerumdrehung annähernd vollständig auf der Seite der Wärmequellen befindet und in anderen Zeiträumen annähernd vollständig auf der Seite der Wärmesenken befindet, und wobei mindestens ein Arbeitskolben den Arbeitsraum vorwiegend in dem Zeitraum, worin das Arbeitsgas erwärmt wird oder sich annähernd vollständig auf der warmen Seite befindet, vergrößert und vorwiegend im Zeitraum, worin das Arbeitsgas abgekühlt wird oder sich annähernd vollständig auf der kalten Seite befindet, verkleinert.

Die obige Beschreibung ist unabhängig davon gültig, ob zuerst die Erwärmung oder zuerst die Abkühlung stattfindet.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Wärmequellen, die Regeneratoren und die Wärmesenken eine flache Bauform haben und mit geringem Zwischenabstand parallel zueinander und annähernd senkrecht zur Richtung der Hin- und Herbewegung des Arbeitsgases angeordnet sind, und dass die Gesamtdicke der aus Wärmequelle, Regenerator und Wärmesenke bestehenden Wärmetauscheranordnungen gering ist im Vergleich zum Abstand zwischen den beiden Verdrängerkolbenoberflächen. Vorteilhafterweise beträgt die Gesamtdicke einer Wärmetauscheranordnung zwischen 5 und 15% des Abstandes zwischen den beiden Verdrängerkolbenoberflächen.

In der beschriebenen Wärmekraftmaschine werden Wärmequelle und Wärmesenke je- weils im selben Takt des Gaskreislaufs vom Arbeitsgas durchströmt. Deshalb wird zweckmäßig ein Regenerator zwischen Wärmequelle und Wärmesenke angeordnet, um direkte Wärmeverluste von der Wärmequelle zur Wärmesenke, welche nicht zur Erzeugung mechanischer Energie beitragen, zu reduzieren. Der Regenerator sorgt dafür, dass kaltes Gas nicht direkt mit der Wärmequelle in Kontakt kommt. Aufgrund der großflächigen Bauweise stellt der Regenerator in der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine nur einen geringen Strömungswiderstand dar und kann seine Rolle zur Regeneration von Wärme optimal erfüllen. So wird der Wärmequelle Wärme nahe dem hohen Temperaturniveau entnommen und an die Wärmesenke Wärme nahe dem niedrigen Temperaturniveau abgegeben. Die Maschine hat dementsprechend einen guten Wirkungsgrad.

Unter Arbeitskolben ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jedes Organ zu verstehen, das geeignet ist, das Arbeitsvolumen zu ändern, zB eine Membran, ein einendig geschlossener Faltenbalg, eine Flüssigkeitssäule oder eine Gassäule.

Die beschriebene Wärmekraftmaschine kann mindestens einen Arbeitskolben aufweisen, der das Volumen des Arbeitsraums vorwiegend in dem Zeitraum, in welchem das Arbeitsgas erwärmt wird oder sich annähernd vollständig auf der warmen Seite befindet, vergrößert und vorwiegend im Zeitraum, in welchem das Arbeitsgas abgekühlt wird oder sich annähernd vollständig auf der kalten Seite befindet, verkleinert. Je nachdem in welchem Zeitraum die Volumenveränderung genau stattfindet, arbeitet die Wärmekraftmaschine im Extremfall mit isochoren Wärmetauschvorgängen und adiabatischen Kompressions- bzw. Expansionsvorgängen oder aber mit einer Expansion vorwiegend unter Wärmezufuhr und einer Kompression vorwiegend unter Wärmeabfuhr. Die beschriebene Wärmekraftmaschine kann aufgrund der konstruktiv oder steuerungstechnisch festzulegenden Phasen- Verschiebung zwischen Verdrängern einerseits und Arbeitskolben andererseits sowie aufgrund des Arbeitskolbenhubs auf bestimmte Parameter abzielen, wie beispielsweise eine maximale mechanische Energieerzeugung pro Umdrehung oder eine maximale Druckamplitude oder andere Fachleuten bekannte Eigenschaften.

In einer bevorzugten Ausführung der beschriebenen Wärmekraftmaschine findet die Be- wegung des Arbeitskolbens in einem Stutzen statt, der mit dem Gehäuse verbunden ist und mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht. Die Verdrängerkolben können ein Kolbenhemd haben, welches verhindert, dass Arbeitsgas aus dem Gehäuse entweicht, wenn ein konvexer Bereich eines Verdrängerkolbens am Arbeitskolbenstutzen vorbeirotiert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der beschriebenen Wärmekraftmaschine weist mindestens zwei Arbeitskolben auf. Ein Arbeitskolben vergrößert das Arbeitsraumvolumen vorwiegend im Zeitraum, in welchem sich das Arbeitsgas annähernd vollständig auf der warmen Seite befindet. Der zweite Arbeitskolben vergrößert das Arbeitsraumvolumen vorwiegend im Zeitraum, in welchem das Arbeitsgas erwärmt wird. So wird die Form des thermodynami- sehen Gaskreislaufs geändert.

Am Übergang zwischen Gehäuse und dem Stutzen des letztgenannten Arbeitskolbens kann in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung eine Wärmetauscheranordnung mit der Wärmequelle auf der Seite des Stutzens angebracht werden. Der Übergang vom Gehäuse zum Stutzen ist außerdem vorteilhaft so gestaltet, dass nur Arbeitsgas aus dem kalten Bereich des Gehäuses in den Stutzen strömen kann, zum Beispiel mit einer Blende. So kann der Wirkungsgrad der Maschine weiter positiv beeinflusst werden. Mit Bezug auf die stattfindenden annähernd idealen thermodynamischen Prozesse, kann ein Arbeitskolben des erstgenannten Typs als adiabatischer Arbeitskolben und ein Arbeitskolben des zuletzt genannten Typs als isobarer Arbeitskolben bezeichnet werden.

Der Einsatz eines isobaren Arbeitskolbens führt dazu, dass das vom adiabatischen Arbeitskolben komprimierte Gas während des Erwärmungstaktes nicht weiter komprimiert wird. Dadurch wird verhindert, dass das Arbeitsgas mit allzu stark erhöhter Temperatur auf die Wärmesenke trifft, und es wird der Wirkungsgrad der Maschine erhöht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der beschriebenen Wärmekraftmaschine ist der Arbeitskolben fest mit einer Kolbenstange verbunden, die eine hin- und herdrehende Bewegung um eine Achse ausführt. Diese Achse nimmt die Querkräfte der Pleuelstange auf, so dass der Arbeitskolben nur die Druckkräfte des Arbeitsgases sowie die eigenen Trägheitskräfte aufnehmen muss. So kann der Arbeitskolben kostengünstig als eine dünne Platte ausgebildet sein, die beispielsweise gewölbt sein kann, um einen Totraum in dem Stutzen zu verkleinern.

Das von einem adiabatischen Arbeitskolben beeinflusste Volumen kann aufgrund der Bau- form der beschriebenen Wärmekraftmaschine von den Verdrängerkolben nicht vollständig in den Erwärmungs- und Abkühlungsprozess einbezogen werden. Das nicht in den Er- wärmungs- und Abkühlungsprozess einbezogene Volumen stellt einen Schadraum oder Totraum dar und reduziert den optimal erreichbaren Wirkungsgrad der Maschine. Somit hat diese Maschine vor allem im Falle eines niedrigen Expansions- bzw. Kompressions- faktors einen guten Wirkungsgrad. Da bei einem Gaskreislauf mit geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke auch ein niedriger Kompressionsfaktor verwendet wird, verursacht der konstruktiv bedingte Totraum in dieser Wärmekraftmaschine, die für den Betrieb bei geringen Temperaturdifferenzen optimiert ist, keinen großen Nachteil.

Einen zweiten Schadraum bilden die vom Arbeitsgas durchströmten Wärmetauscheranordnungen. Deshalb haben diese Wärmetauscheranordnungen in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine eine möglichst flache und im Vergleich zur Breite des Arbeitsraums dünne Bauform. Die Wärmequelle, der Regenerator und die Wärmesenke in einer Wärmetauscheranordnung sind flach und parallel zueinander mit möglichst geringem Zwischenabstand angeordnet. Bevorzugt sind Wärmequellen und Wärmesenken als Flüssigkeit-Gaswärmetauscher, zB als Lamellenwärmetauscher, und der Regenerator als Gas-Festkörperwärmetauscher ausgebildet. Dadurch, dass die Wärmetauscheranordnungen aufgrund der Bauweise der erfindungsgemäßen Wärme- kraftmaschine eine große Querschnittsfläche aufweisen, können sie so ausgebildet werden, dass sie für das Arbeitsgas nur einen geringen Strömungswiderstand darstellen.

Ein drittes Schadvolumen bilden die Teile des Arbeitsgases, die sich vor einem konvexen Bereich der Verdrängerkolben befinden aber die entsprechende Wärmetauscheranord- nung nicht durchströmen. In der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine können die konvexen und konkaven Bereiche der Verdrängerkolben zusammen eine einer Sinuswelle ähnliche Form haben, bei der diese Art des Schadvolumens klein ist. Das Schadvolumen kann durch das Abflachen der Gipfel und der Täler der Sinuswelle noch kleiner gemacht werden. Allerdings ist der Übergang zwischen den kon- vexen und konkaven Bereichen in dem Fall steiler, wodurch es möglicherweise schwieriger wird zu verhindern, dass das Arbeitsgas teilweise mit den Verdrängerkolben mitrotiert. Zwischen dem Arbeitskolben und dem Stutzen bzw. zwischen den rotierenden Verdrängerkolben bzw. deren Kolbenhemd und der Gehäusewand können geeignete Dichtungen, zum Beispiel Wellendichtringe, angebracht sein, die dem Stand der Technik entsprechen können. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können diese Dichtungen jedoch teilweise entfallen, das heißt es ist dort ein schmaler Spalt vorhanden. Aufgrund der oben erwähnten geringen Kompressionsfaktoren ist der Leistungsverlust aufgrund des geringfügig aus dem Spalt leckenden Arbeitsgases gering. Der Mittelwert des Gasdrucks im Maschinenkreislauf fällt im Falle der Verwendung von Spaltdichtungen nahezu mit dem Umgebungsdruck zusammen.

Bei einer weiteren Ausführungsform können die Verdrängerkolben und deren Drehachse konstruktiv besonders leicht und kostengünstig gebaut werden, da die verhältnismäßig großflächigen Verdrängerkolben keiner einseitigen Druckbelastung ausgesetzt sind.

Durch den Einsatz von zwei oder auch mehr Arbeitsräumen kann bei gleichbleibender Leistung die Rotationsfrequenz der Verdrängerkolben niedriger gewählt werden. Dadurch reduzieren sich die mit der Bauform der Maschine zusammenhängenden Strömungsverluste.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der beschriebenen Wärmekraftmaschine kann die Abbremsvorrichtung, die das Arbeitsgas daran hindert, mit den Verdrängerkolben mitzurotieren, aus einem oder mehreren Gebläsen oder Lüftern bestehen, die zB am Außenumfang des zylindrischen Gehäuses angebracht und beispielsweise über tangentia- Ie Rohrverbindungen mit dem Gehäuse verbunden sein können. Diese Gebläse oder Lüfter beschleunigen das Arbeitsgas in die der Verdrängerkolbenrotation entgegengesetzte Richtung durch das Gehäuse. Es ist auch möglich, einen Propellor im konkaven Bereich an einem Verdränger anzubringen und mitrotieren zu lassen.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der beschriebenen Wärmekraftmaschine besteht die Abbremsvorrichtung, die das Arbeitsgas daran hindert, mit den Verdrängerkolben mitzurotieren, aus mindestens einer Platte, die in einer Fläche quer zu den Verdrängerkolben bzw. quer zu den Wärmetauscheranordnungen rotiert oder hin- und herbewegt wird. Die Platte ist so geformt und deren Rotations- bzw. Hin- und Herbewegung ist so gestaltet, dass sie einen möglichst großen Bereich des Arbeitsraumquerschnitts in der unerwünschten Rotationsrichtung blockiert aber während ihrer Bewegung zu keinem Zeitpunkt die Verdrängerkolben berührt. In einer Weiterbildung kommen zwei in entgegengesetzter Richtung rotierende Platten zum Einsatz. So kann im zeitlichen Mittel ein größerer Bereich des Arbeitsraumquerschnitts blockiert werden. Dadurch, dass die Platten senkrecht zur Rotationsbewegung der Verdrängerkolben bzw. zur abzubremsenden Gasströmung ste- hen, muss für den Antrieb der Platten nur eine sehr geringe mechanische Leistung aufgebracht werden.

Es ist bekannt, wie die vom Arbeitskolben erbrachte Leistung wirtschaftlich nutzbar gemacht werden kann, beispielsweise über einen Generator zur Stromproduktion. Es sind auch vielfache Möglichkeiten bekannt, einen geringen Teil der Leistung des Arbeitskolbens zu verwenden, um die Drehbewegung der Verdrängerkolben kontinuierlich anzutreiben. Diese Antriebsleistung muss lediglich die geringen Strömungsverluste des Arbeitsgases ausgleichen, die durch die relative Bewegung zwischen Verdrängerkolben und Arbeitsgas entstehen.

Es ist ebenfalls bekannt, dass eine Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Gaskreislauf im Umkehrbetrieb (dh in entgegengesetzter Drehrichtung) unter Aufnahme von mechanischer Leistung auch als Wärmepumpe betrieben werden kann. Auf die Nutzung der beschriebenen Wärmekraftmaschine als Wärmepumpe wird deshalb nicht näher eingegan- gen und insbesondere wird unter dem Begriff einer Wärmekraftmaschine auch eine Wärmepumpe verstanden. In den Ansprüchen 14 und 15 sind allerdings besondere Kombinationen von miteinander verbundenen Arbeitsräumen beschrieben, wodurch Vuilleumier- Wärmepumpen entstehen, wobei der Arbeitskolben entfällt und nur eine minimale mechanische Leistung zum Antrieb der Verdrängerkolben benötigt wird.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine senkrecht zu einer Achse;

Figur 2 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine senkrecht zu einer Achse; Figur 3 einen Schnitt durch ein Gehäuse, Verdrängerkolben, Wärmetauscheranordnungen und Arbeitskolben; Figur 4 eine beispielhafte perspektivische Zeichnung der Form eines Verdrängerkolbens;

Figur 5 einen Schnitt durch die Fläche der Wärmetauscheranordnungen in einer

Ausführungsform mit einem Arbeitskolben; Figur 6 einen Schnitt durch die Fläche der Wärmetauscheranordnungen in einer

Ausführungsform mit zwei Arbeitskolben;

Figuren 7, 8, 9 eine schematische Darstellung von konvexen und konkaven Bereichen der Verdrängerkolben und der Wärmetauscheranordnungen zu verschiedenen Zeitpunkten; Figur 10 eine Detailsicht eines Arbeitskolbens einer Kolbenstange, einer Pleuelstange und einer Kurbelwelle;

Figuren 11 , 12 zwei rotierende Abbremsplatten zu verschiedenen Zeitpunkten;

Figur 13 zwei rotierende Abbremsplatten in der Ansicht von Fig. 7;

Figur 14 eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine; Figur 15 eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine;

Figur 16 eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine.

In den folgenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Teile.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine senkrecht zu einer Achse. Die Achse 36, die in dieser und in allen folgenden Figuren beispielsweise eine axiale Achse sein kann, verläuft senkrecht zur dargestellten Schnittebene. Ein erster Verdrängerkolben 12 und ein zweiter Verdrängerkolben 14 sind bezüglich der Achse 36 drehbar gelagert. Die einander zugewandten Oberflächen 16, 18 des ersten Verdrängerkolbens 12 und des zweiten Verdrängerkolbens 14 begrenzen dabei einen Arbeitsraum 22 in bezüglich der Achse 36 radialer Richtung. Der Arbeitsraum 22 stellt ein zusammenhängendes einteiliges Volumen dar, so dass sich keine Druckgradienten innerhalb des Arbeitsraumes 22 aufbauen beziehungsweise entstehende Druckunter- schiede schnell abgebaut werden. Eine Fläche beziehungsweise ein Flächenbereich kann im Folgenden beispielsweise als konvex bezeichnet werden, wenn zwei beliebige auf der Oberfläche beziehungsweise auf dem Flächenbereich liegende Punkte jeweils durch eine Gerade miteinander verbindbar sind, die nicht in den von der Oberfläche beziehungsweise dem Flächenbereich begrenzten Arbeitsraum hineinragt. Hierzu im Gegensatz kann eine Oberfläche beziehungsweise ein Flächenbereich beispielsweise als konkav, das heißt als nicht konvex, bezeichnet werden, wenn nicht alle auf der Oberfläche beziehungsweise auf dem Flächenbereich liegenden Punkte jeweils durch eine Gerade miteinander verbunden werden können, die nicht in den durch die Oberfläche beziehungsweise dem Flächenbereich begrenzten Arbeitsraum hineinragt. Dementsprechend ist die Oberfläche 16 konvex und die Oberfläche 18 konkav. Die Bezeichnungen konvex und konkav werden allerdings auch dann auf eine Oberfläche beziehungsweise einen Flächenbereich entsprechend angewendet und verstanden, wenn die genannten Bedingungen im Wesentlichen, beispielsweise bis auf Fugen, Natstellen oder produktionstechnische Not- beziehungsweise Unge- nauigkeiten, erfüllt sind. In dem Arbeitsraum 22 sind zwei Wärmetauscheranordnungen 24, 26 stationär angeordnet, die gemeinsam im Wesentlichen bezüglich der Achse 36 ei- nen konzentrischen Kreisring bilden. Die Wärmetauscheranordnungen 24, 26 umfassen in üblicher Weise in radialer Richtung eine Wärmequelle und eine Wärmesenke, wobei zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke ein Regenerator angeordnet sein kann. Die radiale Abfolge von Wärmequelle und Wärmesenke ist dabei bei der Wärmetauscheranordnung 26 bezüglich der Wärmetauscheranordnung 24 vertauscht. Die Wärmetauscher- anordnungen 24 und 26 erstrecken sich jeweils um 180° in Richtung des Polarwinkels bezüglich der Achse 36. Die dargestellte Wärmekraftmaschine 10 umfasst weiterhin ein Gehäuse 38 welches den zweiten Verdrängerkolben 14 einhüllt. An einem oder an beiden Enden der Verdrängerkolben 12, 14 kann das Gehäuse 38 den Arbeitsraum 22 abschließen. Das Gehäuse 38 kann somit eine oder beide Stirnflächen des ringzylinderförmigen Arbeitsraumes 22 begrenzen. Es ist auch möglich, dass der erste Verdrängerkolben 12 und der zweite Verdrängerkolben 14 einstückig gefertigt sind und dabei eine der Stirnflächen des Arbeitsraumes 22 verschließen. An einer Stirnfläche des Arbeitsraumes 22 kann in nicht dargestellter Weise ein Arbeitskolben angeordnet sein, über den die Arbeitsleistung der Wärmekraftmaschine 10 entnommen werden kann. Die Wärmetauscheranord- nungen 24, 26 können über in dieser Schnittansicht nicht dargestellte Verbindungsleitungen einen Temperaturgradienten aufbauen. Weiterhin werden der erste Verdrängerkolben 12 und der zweite Verdrängerkolben 14 in nicht dargestellter Weise synchron um die Achse 36 angetrieben. Im Inneren des Arbeitsraumes 22 ist eine Platte 52 dargestellt, die in radialer Richtung zwischen dem ersten Verdrängerkolben 12 und dem zweiten Verdrän- gerkolben 14 hin- und herbewegbar ist und die eine Rotationsbewegung des in dem Arbeitsraum 22 vorhandenen Arbeitsgases um die Achse 36 abbremst. Dabei kann die Platte 52 beispielsweise durch eine nicht sichtbare, an einer Stirnseite des Arbeitsraumes 22 angeordnete Mechanik synchron mit dem ersten Verdrängerkolben 12 und dem zweiten Verdrängerkolben 14 bewegt werden, ohne dass die Platte 52 die Verdrängerkolben 12, 14 berührt. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Platte 52 beispielsweise mit Hilfe von rollenden Kugeln zwischen dem ersten Verdrängerkolben 12 und dem zweiten Verdrän- gerkolben 14 gelagert ist und während der Drehbewegung der Verdrängerkolben 12, 14 von diesen in dem Arbeitsraum 22 in radialer Richtung hin- und herbewegt wird. Bei der dargestellten ersten Ausführungsform ist der Arbeitsraum 22 zylinderringförmig und die den Arbeitsraum 22 begrenzenden Oberflächen 16, 18 bilden im Wesentlichen zylinder- mantelförmige Flächen, die exzentrisch um die Achse 36 rotieren. Die Rotation der Verdrängerkolben 12, 14 kann in der gleichen Drehrichtung oder in entgegengesetzten Drehrichtungen wahlweise mit gleichen oder verschiedenen Drehgeschwindigkeiten erfolgen, die auch zeitlich variieren können. Auf diese Weise ist die Rotation des Arbeitsgases um die Achse 36 beeinflussbar. Es ist dementsprechend insbesondere möglich, dass die Mittel, die einer Rotationsbewegung des Arbeitsgases relativ zu den Wärmetauscheranordnungen 24, 26 um die Achse 36 entgegenwirken, die Verdrängerkolben 12, 14 umfassen, die in entgegengesetzter Richtung um die Achse 36 rotieren. Wenn die Wärmetauscheranordnungen 24, 26 drehbar um die Achse 36 gelagert sind, kann der relativen durch die eine Rotation der Wärmetauscheranordnungen 24, 26 Drehung des Arbeitsga- ses bezüglich der Wärmetauscheranordnungen entgegengewirkt werden. Es ist sogar möglich, falls die Platte 52 mit den Wärmetauscheranordnungen 24, 26 mitrotiert, die Verdrängerkolben 12, 14 zu fixieren, was in etwa einer kinematischen Umkehr entspricht. Die im Zusammenhang mit Figur 1 gemachten Aussagen zu Drehrichtungen und Rotationsgeschwindigkeiten der Verdrängerkolben 12, 14 und der Wärmetauscheranordnungen sind sinngemäß auf die übrigen Ausführungsformen übertragbar, auch wenn sie dort nicht explizit erwähnt sind.

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine senkrecht zu einer Achse. Bei der dargestellten zweiten Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 10 ist in radialer Richtung außerhalb des zweiten Verdrängerkolbens 14 ein dritter Verdrängerkolben 62 angeordnet, so dass zwischen dem zweiten Verdrängerkolben 14 und dem dritten Verdrängerkolben 62 ein weiterer Arbeitsraum 64 entsteht, in welchen ebenfalls Wärmetauscheranordnungen 68, 70 stationär angeordnet sind. Auch der weitere Arbeitsraum 64 ist ein zusammenhängendes einteiliges Volumen. Weiterhin ist ebenfalls eine Platte 52 in dem weiteren Arbeitsraum 64 dargestellt, die eine Rotationsbewegung des in dem weiteren Arbeitsraum 64 vorhandenen Arbeitsgases um die Achse 36, die insbesondere eine axiale Achse sein kann, bremst. Der zweite Verdrängerkolben 14 weist auf seiner Außenseite eine konvexe Oberfläche 66 auf, die den weiteren Arbeitsraum 64 in radialer Richtung nach innen beschränkt. Der Arbeitsraum 22 und der weitere Arbeitsraum 64 können beispielsweise im Bereich der Stirnflächen der Wärmekraftmaschine, dh an den Enden der Verdrängerkolben 12, 14, 62 miteinander in Verbindung stehen. Die übrigen in Figur 2 dargestellten Komponenten entsprechen bereits aus der Figur 1 bekannten Komponenten.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein Gehäuse 38 mit Verdrängerkolben 12, 14, Wärme- tauscheranordnungen 24, 26 und einem adiabatischen Arbeitskolben 20. Das Gehäuse 38 hat die Form eines Zylinders mit einer Aussparung an der Achse entlang. Die Verdrängerkolben 12, 14 sind in den Stirnseiten des Zylinders angeordnet. Es gibt genau zwei Wärmetauscheranordnungen 24, 26. Beide sind in der Symmetriefläche senkrecht zu einer Achse 36, die beispielsweise eine axiale Achse sein kann, des Zylinders angeordnet. Sie sind durch einen Spalt getrennt um Wärmeleitungsverluste zu vermeiden. Jede Wärmetauscheranordnung 24, 26 umfasst azimutal jeweils einen Sektor von etwa 180°. Eine Wärmetauscheranordnung 24, 26 kann aus einer Wärmequelle 28, einem Regenerator 48 und einer Wärmesenke 32 bestehen. Die erste Wärmetauscheranordnung 24 hat ihre Wärmequelle 28 auf der Seite des ersten Verdrängerkolbens 12 und die zweite Wärme- tauscheranordnung 26 hat ihre Wärmequelle 30 auf der Seite des zweiten Verdrängerkolbens 14. Die Achse 36 der Verdrängerkolben 12, 14 fällt mit der geometrischen Achse des Gehäuses 38 zusammen, so dass die Verdrängerkolben 12, 14 gegenüber dem Gehäuse 38 azimutal rotieren. Da die beiden Verdrängerkolben 12, 14 mit exakt gleicher Frequenz rotieren, ist es zweckmäßig, dass beide Verdrängerkörper auf derselben Achse 36 mon- tiert bzw. einstückig gefertigt werden. Die Verdrängerkolben 12, 14 weisen jeweils einen konvexen und einen konkaven Oberflächenbereich auf, wobei die Höhe des konvexen bzw. die Tiefe des konkaven Bereiches annähernd einer Sinusfunktion des azimutalen Winkels entspricht. Die maximale Höhe des konvexen Bereiches ist so gewählt, dass die Verdrängerkolben 12, 14 in dem Bereich fast die Wärmetauscheranordnungen 24, 26 be- rühren bzw. an sie heranreichen. Der minimale Abstand zwischen den Verdrängerkolben 12, 14 und den Wärmetauscheranordnungen 24, 26 kann dabei weniger als 1 % des Abstandes zwischen den Verdrängerkolben 12, 14 betragen. Der Arbeitskolben 20 ist in einem Stutzen 72 an der Seitenwand des Gehäuses 38 angeordnet, der über die Aussparung in der Gehäusewand 40 mit dem Arbeitsraum 22 verbunden ist. Die Verdrängerkol- ben 12, 14 weisen an der Seitenwand des Gehäuses 38 entlang ein zylindrisches Kolbenhemd auf, das verhindert, dass das Arbeitsgas aus dem Gehäuse 10 entweicht.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Zeichnung der Form eines Verdrängerkolbens 12. Die Oberfläche 16 des dargestellten ersten Verdrängerkolbens 12 weist dabei einen konvexen Bereich 44 und einen konkaven Bereich 46 auf. Figuren 5 und 6 zeigen einen Schnitt durch Figur 3 in der Ebene der Wärmetauscheranordnungen. Umgekehrt ist Figur 3 ein Schnitt AB durch Figur 5. Der Schnitt AB ist gegenüber der Zylinderachse ganz leicht seitlich versetzt. Sonst wäre in Figur 3 aufgrund des Spalts zwischen den beiden Wärmetauscheranordnungen keine Wärmetauscherord- nung zu sehen. Figur 5 zeigt eine Ausführungsform mit lediglich einem adiabatischen Arbeitskolben 20 und Figur 6 zeigt eine Ausführungsform mit einem adiabatischen Arbeitskolben 20 und einem weiteren isobaren Arbeitskolben 76, der an einer anderen azimutalen Position als der adiabatische Arbeitskolben 20 am Gehäuse 38 angeordnet ist. In Figur 6 ist insbesondere sichtbar, wie eine weitere Wärmetauscheranordnung 74 am Übergang zwischen dem Gehäuse 38 und dem Stutzen des weiteren isobaren Arbeitskolbens 76 eingebaut ist, so dass nur warmes Gas in den Stutzen einströmt bzw. nur kaltes Gas in das Gehäuse 38 zurückströmt.

Figuren 7, 8, 9 enthalten eine schematische Darstellung der sinusähnlichen Wölbung der Verdrängerkolbenoberflächen 16, 18 und deren Bewegung mit Bezug auf stationäre Wärmetauscheranordnungen 24, 26. Diese Darstellung kommt zustande durch eine Zylinderprojektion auf die Gehäusewand und das Abrollen der zylindrischen Abbildung in der Fläche der Zeichnung. Figur 7 zeigt die Verdrängerkolben 12, 14 zum Zeitpunkt wo sich nahezu das gesamte Arbeitsgas auf der Seite der Wärmesenken 32, 34 befindet. Figur 9 zeigt die Verdrängerkolben 12, 14 zum Zeitpunkt wo nahezu das gesamte Arbeitsgas sich auf der Seite der Wärmequellen 28, 30 befindet. Figur 8 zeigt die Verdrängerkolben 12, 14 in einer Position zwischen den beiden Zeitpunkten; die Verdrängerkolben 12, 14 bewegen sich mit gleicher Geschwindigkeit relativ zu den Wärmetauscheranordnungen 24, 26 mit den Wärmequellen 28, 30 und den Wärmesenken 32, 34, zwischen denen ein Regenera- tor 48, 50 zum Trennen von Wärmequelle 28, 30 und Wärmesenke 32, 34 angeordnet ist, von links nach rechts. Weiterhin ist die Platte 52 zum Bremsen des Arbeitsgases dargestellt, die zwischen den Verdrängerkolben 12, 14 hin- und herbewegt wird.

Figur 10 zeigt einen Arbeitskolben 20 mit einer Kolbenstange 78, einer Pleuelstange 82 und einer Kurbelwelle 84. Eine Drehachse 80, um die sich die Kolbenstange 78 hin- und herdreht, nimmt die Querkräfte der Pleuelstange 82 auf. Wie Figur 10 entnommen werden kann, kann der Stutzen 72, innerhalb dessen sich der Arbeitskolben 20 bewegt, aufgrund der Drehbewegung der Kolbenstange 78 eine gebogene Form aufweisen.

Figur 11 zeigt eine Draufsicht rotierender Platten 54, 58, die als Abbremsplatten wirken. Ihre Rotationsfrequenz ist identisch mit der Frequenz der Verdrängerkolben 12, 14. Bei- spielsweise können die Platten 54, 58 über eine dünne Antriebsstange mit Zahnrädern von der Achse 36 der Verdrängerkolben 12, 14 angetrieben werden. Die Rotationsebenen der beiden Platten 54, 58 sind leicht versetzt gegenüber einander angeordnet, so dass die Platten 54, 58 in ihrer entgegengesetzten Bewegung um eine Befestigungsachse 56 an- einander vorbei rotieren können. Figur 12 zeigt die Positionen der Platten 54, 58 zu einem späteren Zeitpunkt während der Rotationsperiode. Figur 13 zeigt die Positionen der Platten 54, 58 in der Darstellungsform von Figur 7, so dass klar wird, wie die Platten 54, 58 das Arbeitsgas daran hindern, mit den Verdrängerkolben12, 14 mit zu rotieren. Für die Platten 54, 58 gilt, dass sie so geformt sein sollen, dass sie einen möglichst großen Be- reich des Arbeitsraumquerschnitts blockieren aber während ihrer Bewegung zu keinem Zeitpunkt die Verdrängerkolben 12, 14 berühren. Man erkennt aus Figur 11 und 12, dass zu den Zeitpunkten, bei denen der Abstand der Wärmetauscheranordnungen 24, 26 zu den beiden Verdrängerkolben 12, 14 gemessen in der Ebene der Platten 54, 58 gleich groß ist, eine maximale Blockierung des Arbeitsraumquerschnitts vorliegt. Dies ist optimal, da die Verdrängerkolbenoberflächen 16, 18 zu diesem Zeitpunkt und an dieser Stelle mit dem steilsten Winkel am Arbeitsgas vorbei rotieren und somit den größten Strömungswiderstand in azimutaler Richtung verursachen.

Figur 14 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine. Der Spalt zwi- sehen den Verdrängerkolben 12, 14 und dem Gehäuse 38 ist hier größer als bei der Ausführungsform gemäß Figur 3. Dennoch ist das Arbeitsgasvolumen, welches sich in Gasspalten 60 bzw. hinter den Verdrängerkolben 12, 14 befindet, vernachlässigbar gering im Vergleich zum Volumen des Arbeitsraums 22.

Figur 15 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine. Der zweite Verdrängerkolben 14 hat in dieser Ausführung kein Kolbenhemd bzw. bildet keinen geschlossenen Körper.

Figur 16 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine.

Die beschriebenen Wärmekraftmaschinen haben viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Dadurch, dass die Wärmetauscheranordnungen bei den beschriebenen Wärmekraftmaschinen vom Arbeitsgas durchströmt werden, kann eine im Verhältnis zum Ma- schinenvolumen viel größere Wärmeübertragung als bei den herkömmlichen Wärme- kraftmaschinen mit flachen Wärmetauschflächen erreicht werden. Dadurch, dass sich die Wärmetauscheranordnungen räumlich zwischen den beiden Verdrängerkolben befinden und das Arbeitsgas somit auf seinem Weg von der einen zur anderen Seite der Wärmetauscheranordnung weder einen Strömungsrichtungswechsel erfährt noch eine wesentliche Verengung des Strömungskanals durchströmen muss, sind die Strömungsverluste in der beschriebenen Wärmekraftmaschine wesentlich geringer als bei den herkömmlichen Maschinen. Dieser Vorteil kommt besonders stark bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zum tragen, da in dem Fall ein großer Gasdurchfluss benötigt wird und die mechanische Leistung der Maschine im Vergleich zur aufgenommenen Wärme gering ist. Die Strömungsverluste durch Reibung des Arbeitsgases an den Verdrängerkolbenoberflächen können durch das Vorsehen weiterer Arbeitsräume und die Reduzierung der Rotationsfrequenz minimiert werden.

Dadurch, dass das Funktionsprinzip der beschriebenen Wärmekraftmaschinen in einem großen Bereich unabhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke sowie von der Betriebsdrehzahl ist, kann die Maschine in einem großen Drehzahlbereich sowie Temperaturdifferenzbereich mit annähernd konstantem thermischen Wirkungsgrad betrieben werden. Dabei kann die mechanische Leistung sehr einfach über die Drehzahl dem Wärmeangebot angepasst werden. Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke bestimmt die Druckamplitude und damit die mechanische Energie pro Umdrehung bei gegebenem Kompressionsfaktor.

Dadurch, dass die Verdrängerkolben eine gleichmäßige Drehbewegung ausführen, hat die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine auch in großen Ausführungen eine große Lauf- ruhe, so dass die Bauteile nur wenig belastet werden, entsprechend leicht und kostengünstig ausgeführt werden können und nur einem geringen Verschleiß unterliegen.

Dadurch, dass die Dichtungen als schmale Spaltdichtung ausgelegt sein können, werden Verschleiß und mechanische Reibungsverluste minimiert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der mittlere Arbeitsgasdruck dann dem Umgebungsdruck entspricht und der Arbeitskolben somit sowohl im Expansionstakt als auch im Kompressionstakt Nutzarbeit leistet und dadurch beispielsweise kein Schwungrad benötigt wird.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann somit zur wirtschaftlichen Erzeugung mechanischer Leistung aus vielfach vorhandenen Wärmequellen auf niedrigem Temperaturniveau, beispielsweise aus thermischer Solarenergie aus herkömmlichen, nicht- fokussierenden Solaranlagen oder aus Abwärme von Maschinen oder aus warmem Wüstensand während der kalten Nacht, eingesetzt werden. Aufgrund der geringen Investitionskosten können Anlagen zur Erzeugung mechanischer Energie aus Abwärme mit dieser Wärmekraftmaschine trotz des geringen Carnot-Wirkungsgrads bei Wärmequellen mit geringem Temperaturniveau wirtschaftlicher arbeiten als beispielsweise herkömmliche Anlagen mit organischem Rankine-Zyklus, die typischerweise einen höheren Wirkungsgrad aber auch deutlich höhere Investitionskosten aufweisen. Wird als Wärmequelle eine thermische Solaranlage einfacher Bauart, wie beispielsweise für Schwimmbaderwärmung üblich, verwendet, können die Gesamtinvestitionskosten pro elektrischer Leistungseinheit bei Anlagen mit dieser Wärmekraftmaschine geringer sein als bei herkömmlichen Fotovol- taikanlagen.

Schließlich wird auf die Möglichkeit hingewiesen, mittels der Vuilleumier-Wärmepumpe gemäß Figur 16 eine thermische Solaranlage auch im Winter zur Erzeugung von Wärme auf einem nützlichen Temperaturniveau zu verwenden und so die Jahresarbeitszahl deutlich zu erhöhen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombina- tion für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10 Wärmekraftmaschine

12 erster Verdrängerkolben

14 zweiter Verdrängerkolben

16 Oberfläche

18 Oberfläche

20 Arbeitskolben

22 Arbeits räum

24 Wärmetauscheranordnung

26 Wärmetauscheranordnung

28 Wärmequelle

30 Wärmequelle

32 Wärmesenke

34 Wärmesenke

36 Achse

38 Gehäuse

40 Gehäusewand

44 konvexer Bereich

46 konkaver Bereich

48 Regenerator

50 Regenerator

52 Platte

54 Platte

56 Befestigungsachse

58 weitere Platte

60 Gasspalt

62 dritter Verdrängerkolben

64 weiterer Arbeitsraum

66 Oberfläche

68 Wärmetauscheranordnung

70 Wärmetauscheranordnung

72 Stutzen

74 weitere Wärmetauscheranordnung 76 weiterer Arbeitskolben

78 Kolbenstange

80 Drehachse

82 Pleuelstange

84 Kurbelwelle