WO2007110184A2 - Hot-gas engine - Google Patents

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WO2007110184A2
WO2007110184A2 PCT/EP2007/002499 EP2007002499W WO2007110184A2 WO 2007110184 A2 WO2007110184 A2 WO 2007110184A2 EP 2007002499 W EP2007002499 W EP 2007002499W WO 2007110184 A2 WO2007110184 A2 WO 2007110184A2
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WO2007110184A3 (en
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Josef Gail
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Josef Gail
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00Constructional features
    • F02G2270/42Displacer drives
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2280/00Output delivery
    • F02G2280/50Compressors or pumps

Definitions

  • the invention relates to a working according to the Stirling hot gas engine.
  • Displacer cylinder section Displacer cylinder section, the working cylinder section and the
  • Working pistons together define a closed, with a working gas, such as air, filled gas process space whose volume varies according to the oscillating displacement movement of the working piston.
  • the displacer divides the gas process space into two
  • Displacement piston and the working piston is limited.
  • the two chambers are connected to one another via a bypass path for the working gas bridging the displacer piston.
  • Such an arrangement forms a working machine which operates according to the Stirling cycle when, by means of a heater arrangement, the working gas is heated in a second of the two chambers and cooled by means of a cooling arrangement in the first of the two chambers.
  • the working piston is provided with an output arrangement, while the displacer piston is oscillated back and forth by a drive arrangement in the Verdrängerzylinderabites.
  • the movement phases of the displacement piston and the working piston are coordinated so that the state of the working gas in the gas process space at least approximately corresponding to the existing of two isotherms and two isochores Stirling cycle itself changes.
  • the displacer displaces heated working gas into the first chamber as it reciprocates in the second chamber and displaces cooled working gas back into the second chamber in the first chamber.
  • the alternating heating and cooling of the working gas causes an alternately increasing and decreasing the working gas pressure, which leads to the oscillating displacement movement of the working piston.
  • a regenerator ie to arrange a heat storage that stores a portion of the heat while the displacer displaces the heated working gas from the second chamber into the first chamber and the stored heat the working gas returns when it flows back cooled from the first chamber into the second chamber.
  • the bypass path runs outside the displacement cylinder section, wherein the regenerator often has the shape of a wire mesh body.
  • the power piston operates via a connecting rod on an output crankshaft.
  • the displacer piston is coupled via a connecting rod with the crankshaft, wherein the displacer associated crankshaft crank the crank throw of the working piston is offset by 90 degrees leading.
  • the displacement movement of the displacement piston coupled directly to the output crankshaft continuously follows a sinusoidal time profile. This deteriorates the efficiency of the machine.
  • the invention is based on a hot gas machine comprising:
  • a heater arrangement for heating the working gas in a second of the two chambers
  • the drive arrangement of the displacement piston is designed as a controllable third drive whose movement stroke is forcibly changed relative to the movement stroke of the working piston.
  • the drive of the displacer performs the movement stroke of the working piston.
  • the clock rate and possibly the phase position of the movement stroke of the displacer relative to the movement stroke of the working piston can thus be changed differently than with mechanical coupling of the displacer drive to the working piston output simply.
  • the movement sequence of the displacer piston can be designed to increase the efficiency of the machine also readily discontinuous.
  • the external drive comprises a via a piston rod connected to the displacer Druckfluid- drive cylinder to which via a controlled by a control control valve assembly pressure fluid with zwangsammlung predetermined clock frequency and / or forcibly predetermined clock phase can be fed.
  • This is preferably a hydraulic drive cylinder.
  • the drive cylinder may be single-acting, especially when the displacer cylinder is associated with a return spring.
  • double-acting drive cylinders are preferred because they enable jerky-discontinuous positioning movements of the displacer piston in both actuating directions.
  • the external drive may, however, also be an electric motor connected to the displacer piston via a crank mechanism, whose output rotational speed and / or output phase can be predetermined by means of a control. It goes without saying that the electric motor can also be operated discontinuously here, in particular if it is a stepping motor.
  • the displacer cylinder portion and the working cylinder portion may have staggered or inclined cylinder axes in a conventional manner as far as the cylinder portions for the formation of the common gas process space are connected to each other.
  • particularly simple constructions can be obtained if the displacement cylinder section and the working cylinder section are arranged coaxially next to one another. Such constructions are stable and occupy comparatively little space. In such a construction, the displacer piston and the working piston are axially opposite.
  • the output arrangement of the drive piston on the one hand and the external drive of the displacer on the other hand can be connected separately in such a construction from opposite sides with the piston.
  • the piston rod associated with the displacer piston then has to be led out of the displacer cylinder section through the region of the heating arrangement, which can lead to sealing problems.
  • the external drive is arranged on the side opposite the displacement cylinder axially facing away from the working cylinder portion and is accordingly connected via a piston rod through the working piston with the displacer.
  • the output arrangement of the working piston may conventionally be an output crankshaft.
  • the output arrangement comprises a fluid pressure pump driven by the working piston.
  • the fluid pressure pump is preferably in driving connection with a pressure fluid motor and drives the pressure fluid motor preferably via a fluid Print buffer on. In this way, power fluctuations on both the output side of the pressure fluid motor and on the side of the hot gas engine can be better compensated. A stable operating condition is achieved which can quickly track load change changes and / or desired power changes.
  • the fluid pressure pump and the pressure fluid motor are preferably compressed air units.
  • the pressure fluid motor is in driving connection with the fluid pressure pumps of a plurality of cylinder-piston units, which feed the pressure fluid motor to each other in parallel, optionally via a common fluid pressure buffer memory.
  • the cylinder-piston units are expediently mutually identical modular units, so that in the modular system hot gas engines of different power can be constructed. As low it has proven in this context, when the cylinder-piston units are used in pairs and are controlled so that the displacer of the pair move in opposite phases. This leads to a more uniform utilization of the energy supply to the third-party drives. Especially if these are hydraulic third-party drives.
  • the third-party drives moving their displacer pistons are synchronously controlled with one another.
  • this can be achieved by synchronous control of the control valve assemblies.
  • the displacers are moved by electric motors via crank gear, this is most easily achieved by a common electric motor drives several crank gears.
  • the arrangement is such that the displacers are moved in pairs in opposite phases. It is understood that the working pistons of several cylinder Piston units can be synchronized with each other, for example, by several working piston on a common crankshaft.
  • working piston which is preferred, are designed as freely oscillating working pistons, they can be synchronized with each other via pressure fluid cylinders coupled to the working pistons, for example in pairs, so that the forward movement of a working piston forcibly causes a reciprocation of the other working piston via a pressure fluid connection of the pressure fluid cylinders.
  • a particularly simple synchronization of a hot gas engine with a plurality of cylinder-piston units can be achieved if at least one pair of cylinder-piston units are provided, the working piston are designed to be free-swinging and their displacement piston moving third-party drives as double-acting pressure fluid drive cylinder, in particular hydraulic Drive cylinders are formed, the pressure chambers are connected to synchronous synchronization via connecting lines with one of the pressure chambers of the other pressure fluid drive cylinder of the pair.
  • the connecting lines are expediently connected so that the displacer swing in push-pull, although a common mode vibration is possible.
  • the pairwise mutual pressure fluid control of the cylinder-piston units can also be used in other than the above-described hot gas engines and has independent inventive significance.
  • the Druekfluidmotor is in heat exchange connection with the cooling arrangement of at least one piston-cylinder unit of the type described above, so that the dissipated via the cooling arrangement heat can be utilized for heating the expansion-cooled pressure fluid motor.
  • the heat exchange connection can be a closed Heat transfer circuit with an example forcibly circulating heat exchange fluid include.
  • the pressure fluid motor is arranged in spatial proximity to the piston-cylinder unit, so that the heat exchange is achieved by heat conduction or by an air-convection flow.
  • the fluid pressure pump has a coaxially to the working cylinder section adjacent to this arranged pump cylinder section with an inlet valve and an outlet valve and connected to the working piston, sealed in the pump cylinder portion displaceable pump piston.
  • the working cylinder section is in this case preferably tightly connected to the pump cylinder section.
  • the working piston and the pump piston may be connected to a common piston rod, which is sealed on the working piston axially remote from the side of the pump piston in a cylinder head displaced. This improves the guidance of the working piston and the pump piston.
  • the working piston can be resiliently biased on its side facing away from the first chamber by a compression spring to the first chamber, so that it "drives” the fluid pressure pump “flying.”
  • the compression spring can be easily accommodated in the piston rod common to the working piston and the pump piston ,
  • Independent inventive meaning also has a preferred embodiment in which the displacer is guided radially in the displacer cylinder portion and at its periphery to form the bypass path a plurality substantially axially extending, the two chambers has interconnecting grooves.
  • the grooves increase the surface area of the bypass path so that the displacer piston as such has the effect of a regenerator without the need for additional heat storage means outside the displacer cylinder section. It is understood that in the grooves additional, the heat exchange surface increasing measures may be taken, such as wire nets or slats or the like may be inserted.
  • the remaining between the grooves webs form guide surfaces, which lead the displacer in its displacement movement with relatively little play in the displacement cylinder section.
  • These grooves preferably extend obliquely to the axial direction of the displacer piston, ie on helical lines around the piston axis, in order to prevent the webs from digging wear paths into the displacer cylinder portion.
  • the working gas is heated in the second chamber.
  • the second chamber is closed on the side facing away from the displacer by a heatable by means of the heater cylinder head, which is a variety to the second chamber has open substantially axially extending channels.
  • the channels may be formed by bores or slots and increase the heat exchange area available in the second chamber.
  • the channels may be in fluid communication with each other at their ends remote from the displacer, so that pressure differences within the second chamber lead to gas flows in the channels.
  • the gas circulation in the channels can also take place forcibly when the displacer piston, facing the cylinder head, carries at least one pump location, to which a respective pump chamber in fluid communication with the channels is assigned in the cylinder head.
  • the measures for enlargement explained above the heat exchange effect in the second chamber also have independent inventive significance.
  • the channels open to the second chamber are interconnected within the cylinder head.
  • the cylinder head is expediently designed as a heat exchange body, which in addition to the leading working gas, the former channels in heat exchange contact with these stationary containing a heat transfer fluid second channels. This idea, too, has independent inventive significance. In such a heat exchange body, a very large number of first and second channels can be formed, which significantly increases the heat exchange performance of the cylinder head.
  • first channels to the displacer open into the second chamber, they can open on the side facing away from the displacer axially together in a connected to the bypass path collecting space of the cylinder head. This simplifies the construction of the cylinder head.
  • the second channels expediently run transversely to the first channels and are preferably arranged in a hot air path of the heater arrangement, in particular in the exhaust path of a burner. It is understood that not only gas but also liquids can be used as the heat transfer fluid. In transversely extending first and second channels, the working gas on the one hand and the heat transfer fluid on the other hand can be supplied particularly easily. In order to keep the flow resistance of the channels low, they are preferably designed as rectilinear channels.
  • the channels may be cylindrical holes of the heat exchange body. However, in order to be able to approach comparatively large channel surfaces as closely as possible without impairing the mechanical stability of the heat exchange body, the first and / or second channels are preferred as flat in the channel cross-section Schlitzliter. Splitting channels formed.
  • the first channels are expediently each in groups in mutually parallel planes of alignment.
  • the first channels in adjacent planes are staggered with respect to each other. The same can also apply to the second channels.
  • the gap channels can also be incorporated into an integral heat exchanger body designed as a block.
  • the heat exchange body may also be formed as a cast block, in which the channels are already poured in the casting process. Since the incorporation or pouring of a plurality of narrow channels can be complicated, it is provided in a preferred embodiment that the heat exchange body is formed as a stack of a plurality of plates, of which at least the plates lying in the interior of the stack on at least one of their flat sides to form the channels include a plurality of juxtaposed and spaced apart grooves, which are covered by an adjacent plate in the stack plate to form the channels. The grooves can be worked into the plates. But even here, the plates can be designed as castings, in which the grooves are already formed during the casting process.
  • the plates can only be grooved on a flat side, the grooves in the stack being covered by the groove-free surface of the overlying plate. Alternatively, however, grooves may also be present on opposite sides of the plates. In the stack of plates, adjacent grooves may each add to or become channels groove-free plates and both sides grooved plates alternately inserted into the stack.
  • first channels and the second channels are separated by plate walls, it is sufficient for the overall sealing of the channels against each other when in the stack adjacent plates are sealed against each other along their peripheral edges. Appropriately, this is done by a tight weld, which also attaches the plates in the stack at the same time.
  • the heat exchange body is a part produced separately from the rest of the cylinder head.
  • the heat exchange body can be made in this way from a good heat conducting material, while the remaining part of the cylinder head provides for its mechanical stability.
  • the cylinder head is preferably designed as a cast part, in which the heat exchange body produced as a separate part is cast.
  • the cylinder head provides for a cross-sectional adaptation seen in the axial direction of the displacer piston. While the displacer usually has a circular cross section, the heat exchange body preferably has a rectangular cross section, in particular a square cross section. The edge lengths of the rectangular cross section are larger than the diameter of the circular cross section of the displacer to increase the heat exchange capacity of the heat exchange body.
  • the cylinder head forms here on the side facing the displacer in the over the circular cross-section protruding corner regions of the rectangular cross-section leading into the second chamber collecting chambers for the working gas.
  • FIG. 1 shows an axial longitudinal section through a cylinder-piston unit of a hot gas engine operating in accordance with a Stirling cycle
  • FIG. 2 shows an axial cross section through a displacement piston of the cylinder-piston unit, seen along a line M-II in FIG. 1;
  • FIG. 1 shows an axial longitudinal section through a cylinder-piston unit of a hot gas engine operating in accordance with a Stirling cycle
  • FIG. 2 shows an axial cross section through a displacement piston of the cylinder-piston unit, seen along a line M-II in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an axial cross section through the cylinder head of a displacement cylinder section of the cylinder-piston unit, as seen along a line III-III in FIG. 1;
  • FIG. 4 illustrates a motor assembly constructed using multiple cylinder-piston units
  • FIG. 5 shows an axial longitudinal section through a variant of the cylinder-piston unit from FIG. 1;
  • FIG. 6 shows an axial longitudinal section through a further variant of the cylinder-piston unit.
  • Fig. 7 is a perspective view of a heat exchange body of the cylinder-piston unit of Fig. 6 and
  • FIG. 8 shows a hydraulic control for a pair of cylinder-piston units joined together to form a working unit according to FIG. 6.
  • the illustrated in Figures 1 to 3 hot gas engine comprises a cylinder-piston unit 1 with a working cylinder section 3, in which a sealed by a seal 5 against the inner shell 7 of the working cylinder section 3 working piston 9 is displaceable.
  • a displacement cylinder section 11 adjoins the working cylinder section 3 coaxially, in which in turn a displacer piston 13 is axially displaceable.
  • the displacer cylinder section 11 is closed on the side remote from the working cylinder section 3 by a cylinder head 15 and, together with the working cylinder section 3 and the working piston 9, defines a generally with the 17th designated gas process space whose volume corresponding to the displacement movement of the working piston 9 between the maximum volume shown in Figure 1, wherein the working piston 9 is the displacer cylinder section 11 located away and a minimum volume at which the working piston 9 that shown in Figure 1 at 9 1 , the displacer cylinder 11 adjacent to the dead center position varies.
  • the displacement piston 13 divides the gas process chamber 17 into two chambers 19 and 21 whose volume ratio changes depending on the position of the displacement piston 13.
  • the chamber 19 defined by the working piston 9 and the displacer piston 13 is maximum, while the chamber 21 located on the side of the displacer piston 13 facing away from the working piston 9 is minimal. If the displacement piston 13 is displaced into the other dead center position of the displacer piston 13 indicated at 13 ', the volume of the chamber 19 is minimal and that of the chamber 21 is maximum.
  • the gas process chamber 17 is filled with a closed volume of pressurized working gas, for example air, but preferably helium. Between the inner jacket 23 of the displacer cylinder section 11 and the circumference of the displacer 13, a bypass path 25, explained in more detail below, is provided, via which the working gas is displaced out of the chamber 19 into the chamber 21 and back, depending on the stroke position of the displacer piston 13.
  • a bypass path 25 explained in more detail below
  • the displacer 13 is forcibly reciprocated via an external drive, here in the form of a hydraulic cylinder 27 forcibly and discontinuously between its two dead center positions.
  • the hydraulic cylinder 27 is determined by a subsequently explained in more detail with reference to FIG 4 control with a forcibly Clock frequency and / or forcibly controlled clock phase controlled.
  • the hydraulic cylinder 27 is designed as a double-acting cylinder and arranged on the displacer cylinder section 11 axially facing away from the working cylinder section 3.
  • a piston 33 is coaxially displaceable coaxially to the displacer 13, which is coupled via a at 35 against the working process space 17 sealed, displaceable by the piston 9 extending piston rod 37 with the displacer 13 ,
  • Position sensors 39 detect the end positions of the piston 33 and thus the dead center positions of the displacer 13th
  • the displacer cylinder portion 11 and its cylinder head 15 are provided on the outer sides thereof for enlarging the heat exchange surfaces with ribs 45 or the like.
  • the heating space 43 is charged with hot gas, for example, from a gas or oil burner. It is understood that any other heat source is suitable. In particular, waste heat from another process can be used. The waste heat can optionally also be supplied by direct thermal contact with the displacer cylinder section 11 or the cylinder head 15.
  • the chamber 19 of the working process chamber 17 formed between the displacer piston 13 and the working piston 9 is enclosed by a cooling arrangement 47 which cools the working gas displaced by the displacer piston 13 into the chamber 19.
  • the cooling arrangement 47 is formed as a fluid cooling jacket, which encloses the working cylinder section 3 and a part of the displacement cylinder section 11.
  • the cooling fluid which is preferably a cooling fluid, for example water, is supplied or removed via ports 49, 51.
  • the cooling jacket 47 extends in the illustrated Embodiment substantially over the entire stroke of the working piston 9 in order to avoid sealing problems on the piston.
  • the above-described cylinder-piston unit 1 operates in a Stirling cycle.
  • the displacement piston 13 has displaced the working gas heated in the chamber 21 into the chamber 19 in which it is cooled and, accordingly, the pressure in the working gas decreases.
  • the hydraulic cylinder 27 displaces the displacer 13 into the dead center position 13 ', wherein the cooled working gas is displaced from the chamber 19 via the bypass path 25 into the chamber 21, in which it is reheated.
  • This increases in the working process space 17, the pressure of the working gas and the working piston 9 is pushed under compression of the compression spring 53 and under work again in the dead center position shown in Figure 1.
  • the Stirling cycle begins again.
  • the working piston 9 forms a free-swinging piston which is directly coupled to a fluid pressure pump.
  • the fluid pressure pump may be a hydraulic pump.
  • an air-pressure pump 55 is provided, the cylinder 57 fixed on the displacement piston 13 axially opposite side and at 59 sealed equiaxial to the working cylinder section 3 to this.
  • a piston 61 is displaceable sealed, which is connected via a sleeve-shaped, the compression spring 53 enclosing the piston rod 63 fixed to the working piston 9.
  • the piston rod 63 is in a centric projection 65 of a cylinder 57 on the working cylinder section 3 far side final cylinder head 67 sealed slidably guided.
  • the projection 65 carries position sensors 69 of the control explained in more detail below, which detect the dead center positions of the piston rod 63 and thus of the working piston 9.
  • position sensors 69 of the control explained in more detail below, which detect the dead center positions of the piston rod 63 and thus of the working piston 9.
  • the cylinder head 67 there are further provided an air inlet port 71 provided with an intake valve and an exhaust port 73 provided with an air exhaust valve.
  • the hydraulic cylinder 27 is screwed into the piston-remote end of the projection 65.
  • the clock rate at which the hydraulic cylinder 27 moves the displacer piston 13 determines the operating frequency of the working piston and thus the pumping power of the air pressure pump 55. Since the working piston 9 can oscillate freely, its stroke can be adapted to the energy supplied in accordance with the Stirling cycle , which leads to a stable operation. It is also advantageous that the cylinder 57 of the air pressure pump 55 sealed connects to the working cylinder section 3, since then the piston 61 in addition to the seals 5 of the working piston 9 reduces pressure losses of working gas, which is particularly advantageous for helium as working gas. In particular, the gap 71 between the working piston 9 and the piston 61 can be kept at a certain overpressure, which additionally counteracts a working gas loss.
  • the cylinder 57 can, as shown in Figure 1 have a larger inner diameter than the working cylinder section 3, whereby on the one hand, the pumping power of the air pressure pump 55 can be increased and on the other hand in the course of the piston movement, an overpressure in the gap 71 is generated.
  • the displacer 13 is provided on its outer periphery with a plurality of circumferentially distributed helically arranged grooves 75 with interposed, also helical ridges 77.
  • the webs 77 lead with little play the displacer piston 13 at the indicated in Figure 2 at 79 inner surface of the displacer cylinder section 11, while the entirety of the grooves 75 forms the bypass path 25.
  • the grooves 75 increase the surface of the displacer 13, which thus forms a conventional regenerator in Stirling machines.
  • the regenerator stores a portion of the heat of the working gas as it is displaced into the cooled chamber 19 by the displacer 13 from the chamber 21 in which it was heated.
  • the regenerator can also be provided in a bypass line connecting the chambers 19 and 21 outside the displacement cylinder section 11.
  • the residence time of the working gas in the chamber 21 is relatively short.
  • the cylinder head 15 is on its side facing the displacer 13, as shown in Figures 1 and 3, with a plurality of axially extending, the displacer 13 toward open channels 81, here in the form of holes , Mistake.
  • the channels 81 are connected at their ends facing away from the displacer 13 by connecting channels 83 with each other and with a centric chamber 85, in which a projecting from the displacer 13 Pumpfortsatz 87 in the cylinder head 15 adjacent dead center position of the displacer 13 is immersed.
  • the Pumpfortatz 87 provides during the approach of the displacer 13 to the dead center position for a working gas flow in the channels 81, 83 and thus due to the increased heat exchange surfaces for improving the heating of the working gas. If necessary, the chamber 85 and the pump set 87 can be omitted.
  • the channels 81 are arranged in rows, with the connecting channels 83 each of the channels 81 of two adjacent Cut rows. In this way, the remaining material for the heat transfer in the base of the cylinder head 15 material cross section can be made sufficiently large.
  • the piston 9 is designed as a free-swinging piston. It is understood that the working piston 9 but also forcibly coupled with an output, such as a crank output.
  • the hydraulic cylinder 27 is disposed on the side facing away from the displacer 13 of the working piston 9. It is understood that the hydraulic cylinder 27 may also be arranged on the side of the cylinder head 15. Although a closed working piston 9 can be used in this way, the seals which are then required for sealing the piston rod of the displacement piston 13 are arranged on the hot side of the displacement cylinder section 11, which can lead to sealing problems.
  • FIG. 4 shows a motor arrangement 89 constructed using a plurality of such cylinder-piston units or modules.
  • the motor arrangement comprises at least one pair of cylinder-piston units 1 explained with reference to FIGS. 1 to 3, which are controlled by an electronic control unit 91 Hydraulic control valve 93 are connected to a hydraulic pressure source 95.
  • the hydraulic pressure source 95 conventionally comprises a hydraulic pump 97 with a pressure relief valve 99 and a filter 101 in a return line.
  • the control valve 93 is formed as a switching valve, which connects the pressure output of the hydraulic pump 97 alternately with the pressure ports 29 of the double-acting hydraulic cylinder 27, so that alternately the Displacer 13 are moved away from Häkolbe ⁇ 9 away.
  • the control valve 93 connects the pressure input 29 of each not connected to the high pressure output of the hydraulic pump 97 port 29 with the leading through the filter 101 to the hydraulic tank 103 return line.
  • the hydraulic cylinders 27 of the pair are pressurized in this way in antiphase.
  • the opposite direction of actuation associated ports 31 of the hydraulic cylinder 27 are connected in pairs via one line 105 to each other, wherein the line 105 associated system is also filled with pressurized hydraulic fluid.
  • the actively actuated by the pressure of the hydraulic pump 97 hydraulic cylinder 27 ensures in this way for the retrieval of each other hydraulic cylinder.
  • the position sensors 39 and 69 are connected to the controller 91 and provide the synchronization of the piston movements.
  • the piston-cylinder units 1 of FIG. 4 differ essentially from the unit of FIGS. 1 to 3 only in that the two units 1 are assigned a common housing 41 forming the heating space 43.
  • the antiphase working air pressure pumps 55 suck in ambient air via connected to the air inlets 71 air filter 107 and are connected via their compressed air outlets 73 parallel to each other to a compressed air buffer memory 109, from which a compressed air motor 111 is fed.
  • the air motor 111 has a housing 113 in which a cylinder rotor 115 is rotatably mounted with a plurality of cylinders 117 arranged distributed in the circumferential direction. When the rotor rotates, the pairs of pistons coupled via eccentric disks 119 to a crankshaft 121 drive the crankshaft 121 in a rotating manner.
  • Figure 4 shows the engine system 89 with only two cylinder-piston units 1. It is understood that more than two units can be provided, as indicated by lines at 127. Although for mass balance and vibration freedom of the system out of phase working pairs of such units are preferred, the number of units may also be chosen to be odd.
  • the compressed air expands in the course of the rotor rotation. Accordingly, the air motor 111 is cooled. Accordingly, the air motor 111 must be externally heated when a desired operating temperature is to be maintained.
  • Cooling jacket 47 of the piston-cylinder units 1 in the cooling of the chamber 19 dissipated heat in a cooling circuit provided in the housing 113, indicated at 129 heat exchanger for heating the
  • the heat exchanger 129 is connected to the connections 49, 51 in a closed heat exchanger circuit. It is understood that the heat exchanger circuit may optionally comprise a circulation pump.
  • the cylinder-piston unit 1 of Figure 5 differs from that of Figures 1 to 3 essentially only in that instead of the double-acting hydraulic cylinder 27 and its components 29 to 33 and 39, the piston rod 37 of the displacer 13 via a connecting rod 131st is connected to a driven by an electric motor 133 crank 135.
  • the crank far end of the connecting rod 131 engages a carriage 137, which is guided coaxially to the piston rod 37 on a guide 65 connected to the guide 139 slidably.
  • the electric motor 133 which is preferably a stepper motor, is controlled by an electronic controller, similar to the controller 91 of FIG. 4, discontinuously corresponding to the two dead center positions of the displacer piston 13.
  • the cylinder-piston unit of Figure 5 can be operated in the engine system 89 of Figure 4.
  • the electric motor 133 can be used for the control of a plurality of cylinder-piston units 1, for example by 133 several crankshaft arms are provided on the output shaft of the electric motor. Again, the crankshaft arms, as indicated at 135 'in Figure 5 by 180 degrees offset from each other to achieve pairwise out of phase operation of the units 1. It is understood that the electric motor 133 together can drive the displacers of more than two units 1. It is also understood that instead of an electric motor, a pneumatic or hydraulic motor with a rotating crank output can be used.
  • FIG. 6 shows a variant of the cylinder-piston unit 1 explained with reference to FIGS. 1 to 3, which differs from this unit essentially in that the two chambers 19, 21 of the working process space 17 are replaced by a regenerator 141 arranged outside the displacement cylinder section 11, which is arranged in a bypass path formed by lines 143, 145 for the working process gas, are interconnected.
  • the bypass path is hereby guided by a heat exchange body 147 which is contained in the cylinder head 15 and heats the working gas.
  • the remaining construction of the cylinder-piston unit 1 corresponds to the variant of Figures 1 to 3.
  • regenerator 141 is conventional in design and may be divided into a heating zone and a cooling zone, for example, the heat exchange body 147 allows efficient heating of the working gas in the chamber 21.
  • the heat exchange body 147 includes a plurality in the direction of displacement of the displacer 13 rectilinearly extending first channels 149 which are open on the side of the displacer 13 to the chamber 21 and on the side remote from the displacer 13 in one of a roof wall 151 of the cylinder head 15 limited with the shunt line 145 connected collecting space 153 open.
  • a plurality of second channels 155 extends through the cylinder head 15 and the heat exchange body 147 transversely to the displacement direction of the displacer 13, here perpendicular to the plane of the figure 6.
  • the channels 155 are optionally on collecting spaces from outside the cylinder head 15 accessible so that they can be traversed by hot gas or hot liquid for the heating of the working gas.
  • the channels 155 are expediently arranged in the exhaust path of a burner or the like.
  • FIG. 7 shows details of the heat exchange body 147.
  • the channels 149 and 155 are formed as gap channels which are flat in cross-section and lie with their flat sides next to one another and only separated by webs 157 and 159 extending along the channels, in mutually parallel alignment planes.
  • the narrow side width of the channels lying in the exhaust path 155 is hereby slightly larger than the narrow side width of the channels 149.
  • Flattening levels with channels 149 alternate here with planes of flattening of the channels 155, so that the channels 149 are separated from the channels 155 by narrow flat walls 161.
  • the narrow side width of the channels 149 is a few millimeters, z. B. 1 to 3 mm.
  • the heat exchange body 147 may consist of an integral block of material of a highly conductive material, such as a metal alloy, in which the channels 149, 155 are incorporated. Since, in particular, the channels 149 have a very small narrow side width, for example only 1 mm, the production of an integral heat exchanger body can be complicated. In order to simplify the production of the heat exchange body 147, this is made up of a stack of plates 163 which on their opposite flat sides in the direction of the channels 149 on the one hand and 155 on the other hand extending grooves 165 and 167, respectively. In the stack of plates 163, the grooves 165 of adjacent plates 163 and the grooves 167 of adjacent plates 163 are opposite and limit in this way the channels 149 and 155. The plates 163 are flat on each other and are only along their peripheral edges by welds 169, for example Electron welds tightly connected.
  • welds 169 for example Electron welds tightly connected.
  • the channels 149, 155 can also be realized by a different division of the grooves 165, 167.
  • the plates 163 may only be provided on one of their flat sides with grooves 165 or 167, which is then supplemented by the groove-free flat side of the adjacent plate 163 to the channel 149 and 155, respectively.
  • both sides grooved plates 163 and total groove-free plates in alternately follow each other in the stack.
  • the plates 163 are molded parts with embedded grooves.
  • the cylinder head 15 is preferably a cast molding, wherein expediently the heat exchange body 147 prepared in advance separately and then poured in the production of the cylinder head 15 with.
  • the materials of the heat exchange body 147 and the cylinder head 15 may be different and selected according to the desired thermal conductivity and mechanical strength, respectively.
  • Seen in the direction of displacement of the displacer 13 has this circular cross section, while the heat exchange body 147 has the simpler manufacturability because of square cross-section.
  • the edge length of the square cross section is in this case selected to be approximately equal to the diameter of the displacer piston 13.
  • collecting chambers 171 are provided in the corner regions, which exceed the circular cross section of the displacer cylinder section 11, adjacent to the displacer piston 13, which also allow these regions of the heat exchanger body 147 to be used for heating the working gas.
  • the hot gas engine explained with reference to FIGS. 6 and 7 is likewise designed as a module, similar to the hot gas engine of FIGS. 1 to 3, and is suitable for constructing a motor arrangement using a plurality of such modules, as has already been explained with reference to FIG.
  • a control valve controlled by an electronic control valve may be provided, as shown in FIG.
  • FIG. 8 shows a simplified embodiment which permits a pairwise synchronization of two cylinder-piston units 1 without a hydraulic pressure source.
  • FIG. 8 shows the double-acting hydraulic cylinders 27 of the pair of cylinder-piston units 1, which are not shown in more detail.
  • the hydraulic connections 29 of the displacers remote pressure chambers are connected via a connecting line 173 together.
  • the ports 31 of the displacer adjacent pressure chambers connects a line 175.
  • the pressure chambers and connecting lines 173, 175 are completely filled with hydraulic fluid. The displacers of the two cylinder-piston units are thus controlled in push-pull.
  • the working piston 5 can freely swing against the force of the compression springs 53.
  • a compression spring 177 is arranged in the hydraulic cylinder 27.
  • the compression spring 177 serves as a stop buffer, which absorbs the displacer in one of its end positions.
  • the position of the compression spring 177 can be adjusted by means of a set screw 181. With a sufficiently large spring travel length of the compression springs 177, these compression springs can also be utilized for the complete recovery of the displacer, wherein by adjusting the bias and the swing characteristics of the displacer can be adjusted.
  • Figure 8 can also be used for cylinder-piston units according to Figures 1 to 3 and in conjunction with a motor according to Figure 4.

Abstract

A cylinder/piston unit (1) working according to the Stirling cycle is proposed in which a freely oscillating working piston (9) drives a fluid pressure pump (55), whereas a displacer piston (13) is moved externally in a positive manner with a predeterminable motion cycle by an external drive, for example, a double-acting hydraulic cylinder (27).

Description

Heißgasmaschine Hot gas engine
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine nach dem Stirling-Verfahren arbeitende Heißgasmaschine.The invention relates to a working according to the Stirling hot gas engine.
Herkömmliche Stirling-Motoren haben eine Zylinder-Kolben-Einheit mit einem Arbeitszylinderabschnitt, in welchem ein Arbeitskolben abgedichtet verschiebbar geführt ist und einen Verdrängerzylinderabschnitt, in welchem ein Verdrängerkolben verschiebbar geführt ist. DerConventional Stirling engines have a cylinder-piston unit with a working cylinder section, in which a working piston is guided displaceably sealed and a Verdrängerzylinderabschnitt, in which a displacer piston is slidably guided. Of the
Verdrängerzylinderabschnitt, der Arbeitszylinderabschnitt und derDisplacer cylinder section, the working cylinder section and the
Arbeitskolben begrenzen gemeinsam einen abgeschlossenen, mit einem Arbeitsgas, beispielsweise Luft, gefüllten Gasprozessraum, dessen Volumen entsprechend der oszillierenden Verschiebebewegung des Arbeitskolbens variiert. Der Verdrängerkolben unterteilt den Gasprozessraum in zweiWorking pistons together define a closed, with a working gas, such as air, filled gas process space whose volume varies according to the oscillating displacement movement of the working piston. The displacer divides the gas process space into two
Kammern, von denen eine erste der beiden Kammern von demChambers, of which a first of the two chambers of the
Verdrängerkolben und dem Arbeitskolben begrenzt ist. Die beiden Kammern sind über einen den Verdrängerkolben überbrückenden Nebenschlussweg für das Arbeitsgas miteinander verbunden.Displacement piston and the working piston is limited. The two chambers are connected to one another via a bypass path for the working gas bridging the displacer piston.
Eine solche Anordnung bildet eine entsprechend dem Stirling-Kreisprozess motorisch arbeitende Arbeitsmaschine, wenn mittels einer Erhitzeranordnung das Arbeitsgas in einer zweiten der beiden Kammern erwärmt und mittels einer Kühlanordnung in der ersten der beiden Kammern gekühlt wird. Der Arbeitskolben ist mit einer Abtriebsanordnung versehen, während der Verdrängerkolben von einer Antriebsanordnung in den Verdrängerzylinderabschnitt oszillierend hin- und herbewegt wird. Die Bewegungsphasen des Verdrängerkolbens und des Arbeitskolbens sind so aufeinander abgestimmt, dass sich der Zustand des Arbeitsgases in dem Gasprozessraum zumindest angenähert entsprechend dem aus zwei Isothermen und zwei Isochoren bestehenden Stirling-Kreisprozess sich ändert. Der Verdrängerkolben verschiebt bei seiner Hin- und Herbewegung in der zweiten Kammer erwärmtes Arbeitsgas in die erste Kammer und verdrängt in der ersten Kammer abgekühltes Arbeitsgas zurück in die zweite Kammer. Die wechselweise Erwärmung und Abkühlung des Arbeitsgases bedingt eine wechselweise Erhöhung und Erniedrigung des Arbeitsgasdrucks, was zur oszillierenden Verschiebebewegung des Arbeitskolbens führt. Um den Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu erhöhen ist es üblich in dem Nebenschlussweg zum Verdrängerkolben einen Regenerator, d. h. einen Wärmespeicher anzuordnen, der einen Teil der Wärme speichert, während der Verdrängerkolben das erhitzte Arbeitsgas aus der zweiten Kammer in die erste Kammer verdrängt und die gespeicherte Wärme an das Arbeitsgas zurückgibt, wenn es abgekühlt aus der ersten Kammer in die zweite Kammer zurückströmt. Üblicherweise verläuft der Nebenschlussweg außerhalb des Verdrängerzylinderabschnitts, wobei der Regenerator vielfach die Form eines Drahtnetzkörpers hat.Such an arrangement forms a working machine which operates according to the Stirling cycle when, by means of a heater arrangement, the working gas is heated in a second of the two chambers and cooled by means of a cooling arrangement in the first of the two chambers. The working piston is provided with an output arrangement, while the displacer piston is oscillated back and forth by a drive arrangement in the Verdrängerzylinderabschnitt. The movement phases of the displacement piston and the working piston are coordinated so that the state of the working gas in the gas process space at least approximately corresponding to the existing of two isotherms and two isochores Stirling cycle itself changes. The displacer displaces heated working gas into the first chamber as it reciprocates in the second chamber and displaces cooled working gas back into the second chamber in the first chamber. The alternating heating and cooling of the working gas causes an alternately increasing and decreasing the working gas pressure, which leads to the oscillating displacement movement of the working piston. In order to increase the efficiency of the cycle, it is common in the bypass path to the displacer a regenerator, ie to arrange a heat storage that stores a portion of the heat while the displacer displaces the heated working gas from the second chamber into the first chamber and the stored heat the working gas returns when it flows back cooled from the first chamber into the second chamber. Usually, the bypass path runs outside the displacement cylinder section, wherein the regenerator often has the shape of a wire mesh body.
Bei herkömmlichen Stirling-Motoren arbeitet der Arbeitskolben über ein Pleuel auf eine Abtriebs-Kurbelwelle. Auch der Verdrängerkolben ist über ein Pleuel mit der Kurbelwelle gekuppelt, wobei die dem Verdrängerkolben zugeordnete Kurbelwellenkröpfung der Kurbelwellenkröpfung des Arbeitskolbens um 90 Grad voreilend versetzt ist. Die Verschiebebewegung des direkt mit der Abtriebskurbelwelle gekuppelten Verdrängerkolbens folgt kontinuierlich einem sinusförmigen Zeitverlauf. Dies verschlechtert den Wirkungsgrad der Maschine. Darüber hinaus lassen sich bei diesem herkömmlichen Kurbelwellen-Abtrieb Unwucht und Vibrationen der Maschine nur schwer vermeiden. Zur Verbesserung des Massenausgleichs ist es in diesem Zusammenhang auch bekannt bei einem so genannten „Rhombentriebwerk" den Antrieb des Verdrängerkolbens einerseits und den Abtrieb des Abtriebskolbens andererseits auf zwei miteinander gekuppelte, jedoch gegensinnig rotierende Kurbelwellen aufzuteilen. Solche Triebwerke haben sich in der Praxis als zu teuer erwiesen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wurde versucht den Verdrängerkolben diskontinuierlich anzutreiben. Der Verdrängerkolben wurde hierbei von einem Nockenantrieb bewegt, der seinerseits von der Abtriebs-Kurbelwelle des Arbeitskolbens angetrieben wird. Auch hierbei handelt es sich um vergleichsweise aufwendige Konstruktionen.In conventional Stirling engines, the power piston operates via a connecting rod on an output crankshaft. Also, the displacer piston is coupled via a connecting rod with the crankshaft, wherein the displacer associated crankshaft crank the crank throw of the working piston is offset by 90 degrees leading. The displacement movement of the displacement piston coupled directly to the output crankshaft continuously follows a sinusoidal time profile. This deteriorates the efficiency of the machine. In addition, it is difficult to avoid imbalance and vibrations of the machine in this conventional crankshaft output. To improve the mass balance, it is also known in this context in a so-called "Rhombentriebwerk" the drive of the displacer on the one hand and the output of the output piston on the other hand divided into two mutually coupled, but counter-rotating crankshafts Such engines have in practice as too expensive proved. To improve the efficiency was trying to drive the displacer discontinuously. The displacer was moved by a cam drive, which in turn is driven by the output crankshaft of the working piston. Again, these are comparatively expensive constructions.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine insbesondere als Motor arbeitende Heißgasmaschine anzugeben, die bei einfacher Konstruktion einen hohen Wirkungsgrad hat.It is an object of the invention to provide a particular operating as a motor hot gas engine, which has a high efficiency with a simple construction.
Die Erfindung geht aus von einer Heißgasmaschine umfassend:The invention is based on a hot gas machine comprising:
- eine Zylinder-Kolben-Einheit mit einem Arbeitszylinderabschnitt, in welchem ein Arbeitskolben abgedichtet verschiebbar geführt ist und einem Verdrängerzylinderabschnitt, in welchem ein Verdrängerkolben verschiebbar geführt ist, wobei der Verdrängerzylinderabschnitt, der Arbeitszylinderabschnitt und der Arbeitskolben gemeinsam einen abgeschlossenen, mit einem Arbeitsgas gefüllten Gasprozessraum begrenzen, dessen Volumen entsprechend der Verschiebebewegung des Arbeitskolbens variiert und der Verdrängerkolben den Gasprozessraum in zwei Kammern unterteilt, von denen eine erste der beiden Kammern von dem Verdrängerkolben und dem Arbeitskolben begrenzt ist und wobei die beiden Kammern über einen den Verdrängerkolben überbrückenden Nebenschlussweg für das Arbeitsgas miteinander verbunden sind, - eine Kühlanordnung zum Kühlen des Arbeitsgases in der ersten der beiden Kammern,- A cylinder-piston unit with a working cylinder section in which a working piston is guided displaceably sealed and a Verdrängerzylinderabschnitt in which a displacer is guided displaceably, wherein the Verdrängerzylinderabschnitt, the working cylinder section and the working piston together define a closed, filled with a working gas gas process space whose volume varies according to the displacement movement of the working piston and the displacer divides the gas process space into two chambers, of which a first of the two chambers is delimited by the displacer piston and the working piston and wherein the two chambers are interconnected via a bypass path bridging the displacer piston for the working gas a cooling arrangement for cooling the working gas in the first of the two chambers,
- eine Erhitzeranordnung zum Erwärmen des Arbeitsgases in einer zweiten der beiden Kammern,a heater arrangement for heating the working gas in a second of the two chambers,
- eine den Verdrängerkolben in dem Verdrängerzylinderabschnitt oszillierend hin- und herbewegende Antriebsanordnung und- An oscillating the displacer piston in the displacement cylinder section reciprocating drive assembly and
- eine mit dem Arbeitskolben verbundene Abtriebsanordnung. Zur Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe ist vorgesehen, dass die Antriebsanordnung des Verdrängerkolbens als steuerbarer Fremdantrieb ausgebildet ist, dessen Bewegungstakt relativ zum Bewegungstakt des Arbeitskolbens zwangsweise änderbar ist.- An output assembly connected to the working piston. To achieve the above-mentioned object, it is provided that the drive arrangement of the displacement piston is designed as a controllable third drive whose movement stroke is forcibly changed relative to the movement stroke of the working piston.
Bei einer solchen Heißluftmaschine führt der Antrieb des Verdrängerkolbens den Bewegungstakt des Arbeitskolbens. Die Taktrate und gegebenenfalls die Phasenlage des Bewegungstakts des Verdrängerkolbens relativ zum Bewegungstakt des Arbeitskolbens lassen sich damit anders als bei mechanischer Kupplung des Verdrängerkolbenantriebs zum Arbeitskolbenabtrieb einfach ändern. Insbesondere lässt sich der Bewegungsablauf des Verdrängerkolbens zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Maschine auch ohne weiteres diskontinuierlich gestalten.In such a hot air machine, the drive of the displacer performs the movement stroke of the working piston. The clock rate and possibly the phase position of the movement stroke of the displacer relative to the movement stroke of the working piston can thus be changed differently than with mechanical coupling of the displacer drive to the working piston output simply. In particular, the movement sequence of the displacer piston can be designed to increase the efficiency of the machine also readily discontinuous.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Fremdantrieb einen über eine Kolbenstange mit dem Verdrängerkolben verbundenen Druckfluid- Antriebszylinder, dem über eine von einer Steuerung gesteuerte Steuerventilanordnung Druckfluid mit zwangsweise vorbestimmter Taktfrequenz oder/und zwangsweise vorbestimmter Taktphase zuführbar ist. Bevorzugt handelt es sich hierbei um einen Hydraulik-Antriebszylinder. Der Antriebszylinder kann einfach wirkend sein, insbesondere wenn dem Verdrängerzylinder eine Rückholfeder zugeordnet ist. Doppelt wirkende Antriebszylinder sind jedoch bevorzugt, da sie in beiden Stellrichtungen ruckartig-diskontinuierliche Stellbewegungen des Verdrängerkolbens ermöglichen.In a preferred embodiment, the external drive comprises a via a piston rod connected to the displacer Druckfluid- drive cylinder to which via a controlled by a control control valve assembly pressure fluid with zwangsweise predetermined clock frequency and / or forcibly predetermined clock phase can be fed. This is preferably a hydraulic drive cylinder. The drive cylinder may be single-acting, especially when the displacer cylinder is associated with a return spring. However, double-acting drive cylinders are preferred because they enable jerky-discontinuous positioning movements of the displacer piston in both actuating directions.
Bei dem Fremdantrieb kann es sich aber auch um einen über ein Kurbelgetriebe mit dem Verdrängerkolben verbundenen Elektromotor handeln, dessen Abtriebsdrehzahl oder/und Abtriebsphase mittels einer Steuerung zwangsweise vorbestimmbar ist. Es versteht sich, dass auch hier der Elektromotor diskontinuierlich betrieben werden kann, insbesondere wenn es sich um einen Schrittmotor handelt. Der Verdrängerzylinderabschnitt und der Arbeitszylinderabschnitt können in an sich bekannter Weise gegeneinander versetzte oder geneigte Zylinderachsen haben, soweit die Zylinderabschnitte für die Bildung des gemeinsamen Gasprozessraums miteinander verbunden sind. Zu besonders einfachen Konstruktionen gelangt man allerdings, wenn der Verdrängerzylinderabschnitt und der Arbeitszylinderabschnitt gleichachsig nebeneinander angeordnet sind. Solche Konstruktionen sind stabil und nehmen vergleichsweise wenig Bauraum ein. In einer solchen Konstruktion liegen sich der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben axial gegenüber.The external drive may, however, also be an electric motor connected to the displacer piston via a crank mechanism, whose output rotational speed and / or output phase can be predetermined by means of a control. It goes without saying that the electric motor can also be operated discontinuously here, in particular if it is a stepping motor. The displacer cylinder portion and the working cylinder portion may have staggered or inclined cylinder axes in a conventional manner as far as the cylinder portions for the formation of the common gas process space are connected to each other. However, particularly simple constructions can be obtained if the displacement cylinder section and the working cylinder section are arranged coaxially next to one another. Such constructions are stable and occupy comparatively little space. In such a construction, the displacer piston and the working piston are axially opposite.
Die Abtriebsanordnung des Antriebskolbens einerseits und der Fremdantrieb des Verdrängerkolbens andererseits können bei einer solchen Konstruktion gesondert voneinander von sich gegenüberliegenden Seiten her mit den Kolben verbunden werden. Allerdings muss dann die den Verdrängerkolben zugeordnete Kolbenstange durch den Bereich der Erhitzungsanordnung aus dem Verdrängerzylinderabschnitt herausgeführt werden, was zu Abdichtungsproblemen führen kann. Als günstiger hat es sich herausgestellt, wenn der Fremdantrieb auf der dem Verdrängerzylinderabschnitt axial abgewandten Seite des Arbeitszylinderabschnitts angeordnet ist und dementsprechend über eine Kolbenstange durch den Arbeitskolben hindurch mit dem Verdrängerkolben verbunden ist.The output arrangement of the drive piston on the one hand and the external drive of the displacer on the other hand can be connected separately in such a construction from opposite sides with the piston. However, the piston rod associated with the displacer piston then has to be led out of the displacer cylinder section through the region of the heating arrangement, which can lead to sealing problems. As a cheaper it has been found when the external drive is arranged on the side opposite the displacement cylinder axially facing away from the working cylinder portion and is accordingly connected via a piston rod through the working piston with the displacer.
Bei der Abtriebsanordnung des Arbeitskolbens kann es sich in herkömmlicher Weise um eine Abtriebs-Kurbelwelle handeln. In einer wesentlichen Verbesserung, die auch selbstständige erfinderische Bedeutung besitzt, ist vorgesehen, dass die Abtriebsanordnung eine von dem Arbeitskolben angetriebene Fluid-Druckpumpe umfasst. Verglichen mit dem herkömmlichen Abtrieb über eine Kurbelwelle hat dies den Vorteil, dass der Hub des Arbeitskolbens sich freischwingend einstellen kann und nicht durch eine definierte Kurbelwellenkröpfung vorgegeben ist. Die Fluid- Druckpumpe steht bevorzugt in Treibverbindung mit einem Druckfluidmotor und treibt den Druckfluidmotor bevorzugt über einen Fluid- Druckpufferspeicher an. Auf diese Weise können Leistungsschwankungen sowohl auf der Abtriebsseite des Druckfluidmotors als auch auf der Seite der Heißgasmaschine besser ausgeglichen werden. Es wird ein stabiler Betriebszustand erreicht, der Lastwechseländerungen oder/und gewünschten Leistungsänderungen rasch folgen kann. Bei der Fluid- Druckpumpe und dem Druckfluidmotor handelt es sich bevorzugt um Druckluftaggregate.The output arrangement of the working piston may conventionally be an output crankshaft. In a substantial improvement, which also has independent inventive significance, it is provided that the output arrangement comprises a fluid pressure pump driven by the working piston. Compared with the conventional output via a crankshaft, this has the advantage that the stroke of the working piston can adjust itself free-swinging and is not predetermined by a defined Kurbelwellenkröpfung. The fluid pressure pump is preferably in driving connection with a pressure fluid motor and drives the pressure fluid motor preferably via a fluid Print buffer on. In this way, power fluctuations on both the output side of the pressure fluid motor and on the side of the hot gas engine can be better compensated. A stable operating condition is achieved which can quickly track load change changes and / or desired power changes. The fluid pressure pump and the pressure fluid motor are preferably compressed air units.
In einer bevorzugten Ausgestaltung steht der Druckfluidmotor in Treibverbindung mit den Fluid-Druckpumpen mehrerer Zylinder-Kolben- Einheiten, die den Druckfluidmotor zueinander parallel gegebenenfalls über einen gemeinsamen Fluid-Druckpufferspeicher speisen. Bei den Zylinder- Kolben-Einheiten handelt es sich zweckmäßigerweise um untereinander gleiche Moduleinheiten, so dass im Baukastensystem Heißgasmotoren unterschiedlicher Leistung aufgebaut werden können. Als günstig hat es sich in diesem Zusammenhang erwiesen, wenn die Zylinder-Kolben- Einheiten paarweise eingesetzt werden und so gesteuert werden, dass die Verdrängerkolben des Paars sich gegenphasig bewegen. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Auslastung der Energiezufuhr zu den Fremdantrieben. Insbesondere wenn es sich bei diesen um hydraulische Fremdantriebe handelt.In a preferred embodiment, the pressure fluid motor is in driving connection with the fluid pressure pumps of a plurality of cylinder-piston units, which feed the pressure fluid motor to each other in parallel, optionally via a common fluid pressure buffer memory. The cylinder-piston units are expediently mutually identical modular units, so that in the modular system hot gas engines of different power can be constructed. As low it has proven in this context, when the cylinder-piston units are used in pairs and are controlled so that the displacer of the pair move in opposite phases. This leads to a more uniform utilization of the energy supply to the third-party drives. Especially if these are hydraulic third-party drives.
Um einen hinreichenden Massenausgleich bei der Bewegung der Kolben zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass bei mehreren Zylinder-Kolben- Einheiten die deren Verdrängerkolben bewegenden Fremdantriebe miteinander synchron gesteuert werden. Bei Verwendung von Druckfluid- Antriebszylindern lässt sich dies durch synchrone Steuerung der Steuerventilanordnungen erreichen. Soweit die Verdrängerkolben durch Elektromotore über Kurbelgetriebe bewegt werden, lässt sich dies am einfachsten dadurch erreichen, dass ein gemeinsamer Elektromotor mehrere Kurbelgetriebe antreibt. Zweckmäßigerweise ist die Anordnung so getroffen, dass die Verdrängerkolben paarweise gegenphasig bewegt werden. Es versteht sich, dass auch die Arbeitskolben mehrerer Zylinder- Kolben-Einheiten miteinander synchronisiert werden können, beispielsweise indem mehrere Arbeitskolben auf eine gemeinsame Kurbelwelle arbeiten. Selbst wenn die Arbeitskolben, was bevorzugt ist, als frei schwingende Arbeitskolben ausgebildet sind, können diese über mit den Arbeitskolben gekoppelte Druckfluidzylinder miteinander synchronisiert werden, beispielsweise paarweise, so dass die Hinbewegung eines Arbeitskolbens über eine Druckfluidverbindung der Druckfluidzylinder zwangsweise eine Herbewegung des anderen Arbeitskolbens bewirkt.In order to achieve a sufficient mass balance during the movement of the pistons, it is preferably provided that, in the case of several cylinder-piston units, the third-party drives moving their displacer pistons are synchronously controlled with one another. When using pressure fluid drive cylinders, this can be achieved by synchronous control of the control valve assemblies. As far as the displacers are moved by electric motors via crank gear, this is most easily achieved by a common electric motor drives several crank gears. Conveniently, the arrangement is such that the displacers are moved in pairs in opposite phases. It is understood that the working pistons of several cylinder Piston units can be synchronized with each other, for example, by several working piston on a common crankshaft. Even if the working piston, which is preferred, are designed as freely oscillating working pistons, they can be synchronized with each other via pressure fluid cylinders coupled to the working pistons, for example in pairs, so that the forward movement of a working piston forcibly causes a reciprocation of the other working piston via a pressure fluid connection of the pressure fluid cylinders.
Eine besonders einfache Synchronisierung einer Heißgasmaschine mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten lässt sich erreichen, wenn wenigstens ein Paar Zylinder-Kolben-Einheiten vorgesehen sind, deren Arbeitskolben freischwingend ausgebildet sind und deren die Verdrängungskolben bewegende Fremdantriebe als doppelt wirkende Druckfluid-Antriebszylinder, insbesondere Hydraulik-Antriebszylinder ausgebildet sind, deren Druckräume zur Gleichlaufsynchronisierung über Verbindungsleitungen mit je einem der Druckräume des anderen Druckfluid-Antriebszylinders des Paars verbunden sind. Die Verbindungsleitungen sind zweckmäßigerweise so angeschlossen, dass die Verdrängerkolben im Gegentakt schwingen, wenngleich auch eine Gleichtaktschwingung möglich ist. Die paarweise gegenseitige Druckfluidsteuerung der Zylinder-Kolben-Einheiten lässt sich auch bei anderen als den vorstehend erläuterten Heißgasmaschinen einsetzen und hat selbständige erfinderische Bedeutung.A particularly simple synchronization of a hot gas engine with a plurality of cylinder-piston units can be achieved if at least one pair of cylinder-piston units are provided, the working piston are designed to be free-swinging and their displacement piston moving third-party drives as double-acting pressure fluid drive cylinder, in particular hydraulic Drive cylinders are formed, the pressure chambers are connected to synchronous synchronization via connecting lines with one of the pressure chambers of the other pressure fluid drive cylinder of the pair. The connecting lines are expediently connected so that the displacer swing in push-pull, although a common mode vibration is possible. The pairwise mutual pressure fluid control of the cylinder-piston units can also be used in other than the above-described hot gas engines and has independent inventive significance.
Im Betrieb des Druckfluidmotors entspannt sich das Druckfluid, und kühlt den Motor ab, mit der Folge, dass der Druekfluidmotor vielfach erwärmt werden muss, um ihn auf hinreichender Betriebstemperatur zu halten. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist deshalb vorgesehen, dass der Druekfluidmotor in Wärmetauschverbindung mit der Kühlanordnung zumindest einer Kolben-Zylinder-Einheit der vorstehend erläuterten Art steht, so dass die über die Kühlanordnung abzuführende Wärme zur Erwärmung des expansionsgekühlten Druckfluidmotors ausgenutzt werden kann. Die Wärmetauschverbindung kann einen geschlossenen Wärmeübertragungskreis mit einem beispielsweise zwangsweise zirkulierenden Wärmetauschfluid umfassen. Im Einzelfall kann es aber auch genügen, wenn der Druckfluidmotor in räumlicher Nähe zu der Kolben- Zylinder-Einheit angeordnet ist, so dass der Wärmetausch durch Wärmeleitung oder durch eine Luft-Konvenktionsströmung erreicht wird.During operation of the pressure fluid motor, the pressure fluid relaxes, and cools the engine, with the result that the Druekfluidmotor often has to be heated to keep it at a sufficient operating temperature. In a preferred embodiment it is therefore provided that the Druekfluidmotor is in heat exchange connection with the cooling arrangement of at least one piston-cylinder unit of the type described above, so that the dissipated via the cooling arrangement heat can be utilized for heating the expansion-cooled pressure fluid motor. The heat exchange connection can be a closed Heat transfer circuit with an example forcibly circulating heat exchange fluid include. In individual cases, it may also be sufficient if the pressure fluid motor is arranged in spatial proximity to the piston-cylinder unit, so that the heat exchange is achieved by heat conduction or by an air-convection flow.
In einer bevorzugten Ausgestaltung hat die Fluid-Druckpumpe einen zum Arbeitszylinderabschnitt gleichachsig neben diesem angeordneten Pumpzylinderabschnitt mit einem Einlassventil und einem Auslassventil und einem mit dem Arbeitskolben verbundenen, in dem Pumpzylinderabschnitt abgedichtet verschiebbaren Pumpkolben. Der Arbeitszylinderabschnitt ist hierbei bevorzugt mit dem Pumpzylinderabschnitt dicht verbunden. Dies hat den Vorteil, dass der Pumpkolben mit zur Abdichtung des Arbeitskolbens beiträgt und Leckage an Arbeitsgas verhindert. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn statt Luft als Arbeitsgas zur Erhöhung des Wirkungsgrads Helium benutzt wird. Es versteht sich, dass der Pumpzylinderabschnitt zur Leistungssteigerung der Pumpe einen größeren Innendurchmesser haben kann als der Arbeitszylinderabschnitt.In a preferred embodiment, the fluid pressure pump has a coaxially to the working cylinder section adjacent to this arranged pump cylinder section with an inlet valve and an outlet valve and connected to the working piston, sealed in the pump cylinder portion displaceable pump piston. The working cylinder section is in this case preferably tightly connected to the pump cylinder section. This has the advantage that the pump piston contributes to the sealing of the working piston and prevents leakage of working gas. This is particularly advantageous if instead of air as a working gas to increase the efficiency of helium is used. It is understood that the pump cylinder section for increasing the performance of the pump may have a larger inner diameter than the working cylinder section.
Der Arbeitskolben und der Pumpkolben können mit einer gemeinsamen Kolbenstange verbunden sein, die auf der dem Arbeitskolben axial abgewandten Seite des Pumpkolbens in einem Zylinderkopf abgedichtet verschiebbar ist. Dies verbessert die Führung des Arbeitskolbens und des Pumpkolbens. Der Arbeitskolben kann auf seiner von der ersten Kammer axial abgewandten Seite von einer Druckfeder zur ersten Kammer hin federnd vorgespannt sein, so dass er die Fluid-Druckpumpe „fliegend" antreibt. Die Druckfeder lässt sich problemlos in der dem Arbeitskolben und dem Pumpkolben gemeinsamen Kolbenstange unterbringen.The working piston and the pump piston may be connected to a common piston rod, which is sealed on the working piston axially remote from the side of the pump piston in a cylinder head displaced. This improves the guidance of the working piston and the pump piston. The working piston can be resiliently biased on its side facing away from the first chamber by a compression spring to the first chamber, so that it "drives" the fluid pressure pump "flying." The compression spring can be easily accommodated in the piston rod common to the working piston and the pump piston ,
Selbstständige erfinderische Bedeutung hat auch eine bevorzugte Ausgestaltung, bei welcher der Verdrängerkolben in dem Verdrängerzylinderabschnitt radial geführt ist und an seinem Umfang zur Bildung des Nebenschlusswegs eine Vielzahl im Wesentlichen axial verlaufender, die beiden Kammern miteinander verbindender Nuten aufweist. Die Nuten vergrößern die Oberfläche des Nebenschlusswegs, so dass der Verdrängerkolben als solcher die Wirkung eines Regenerators hat, ohne dass zusätzliche Wärmespeichermittel außerhalb des Verdrängerzylinderabschnitts erforderlich sind. Es versteht sich, dass in den Nuten zusätzliche, die Wärmetauschfläche erhöhende Maßnahmen getroffen sein können, beispielsweise Drahtnetze oder Lamellen oder dergleichen eingefügt sein können. Die zwischen den Nuten verbleibenden Stege bilden Führungsflächen, die den Verdrängerkolben bei seiner Verschiebebewegung mit vergleichsweise geringem Spiel in den Verdrängerzylinderabschnitt führen. Diese Nuten verlaufen bevorzugt schräg zur Achsrichtung des Verdrängerkolbens, also auf Schraubenlinien um die Kolbenachse, um zu verhindern, dass die Stege Abnutzungsbahnen in den Verdrängerzylinderabschnitt eingraben.Independent inventive meaning also has a preferred embodiment in which the displacer is guided radially in the displacer cylinder portion and at its periphery to form the bypass path a plurality substantially axially extending, the two chambers has interconnecting grooves. The grooves increase the surface area of the bypass path so that the displacer piston as such has the effect of a regenerator without the need for additional heat storage means outside the displacer cylinder section. It is understood that in the grooves additional, the heat exchange surface increasing measures may be taken, such as wire nets or slats or the like may be inserted. The remaining between the grooves webs form guide surfaces, which lead the displacer in its displacement movement with relatively little play in the displacement cylinder section. These grooves preferably extend obliquely to the axial direction of the displacer piston, ie on helical lines around the piston axis, in order to prevent the webs from digging wear paths into the displacer cylinder portion.
Das Arbeitsgas wird in der zweiten Kammer erwärmt. Um auch bei hoher Taktfrequenz die Heißgasmaschine das Arbeitsgas in der zweiten Kammer hinreichend rasch erwärmen zu können, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die zweite Kammer auf der dem Verdrängerkolben axial abgewandten Seite durch einen mittels der Erhitzeranordnung erwärmbaren Zylinderkopf abgeschlossen ist, der eine Vielzahl zur zweiten Kammer hin offene im Wesentlichen axial sich erstreckende Kanäle aufweist. Die Kanäle können durch Bohrungen oder Schlitze gebildet sein und vergrößern die in der zweiten Kammer verfügbare Wärmetauschfläche. Um die Gaszirkulation in den Kanälen zu verbessern, können die Kanäle an deren dem Verdrängerkolben axial abgewandten Enden miteinander in Strömungsverbindung stehen, so dass Druckunterschiede innerhalb der zweiten Kammer zu Gasströmungen in den Kanälen führen. Die Gaszirkulation in den Kanälen kann auch zwangsweise erfolgen, wenn der Verdrängerkolben dem Zylinderkopf axial zugewandt wenigstens einen Pumpfortsatz trägt, dem in dem Zylinderkopf jeweils eine in Strömungsverbindung mit den Kanälen stehende Pumpkammer zugeordnet ist. Die vorstehend erläuterten Maßnahmen zur Vergrößerung der Wärmetauschwirkung in der zweiten Kammer haben auch selbstständige erfinderische Bedeutung.The working gas is heated in the second chamber. In order to heat the working gas in the second chamber sufficiently quickly, even at high cycle frequency, it is provided in a preferred embodiment that the second chamber is closed on the side facing away from the displacer by a heatable by means of the heater cylinder head, which is a variety to the second chamber has open substantially axially extending channels. The channels may be formed by bores or slots and increase the heat exchange area available in the second chamber. In order to improve the gas circulation in the channels, the channels may be in fluid communication with each other at their ends remote from the displacer, so that pressure differences within the second chamber lead to gas flows in the channels. The gas circulation in the channels can also take place forcibly when the displacer piston, facing the cylinder head, carries at least one pump location, to which a respective pump chamber in fluid communication with the channels is assigned in the cylinder head. The measures for enlargement explained above the heat exchange effect in the second chamber also have independent inventive significance.
Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel des Zylinderkopfs sind die zur zweiten Kammer offenen Kanäle innerhalb des Zylinderkopfs miteinander verbunden. Der Arbeitsgasdurchsatz durch die Kanäle und damit die Wärmetauschleistung kann beträchtlich verbessert werden, wenn die zu der zweiten Kammer offenen Kanäle in dem die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindenden Nebenschlussweg für das Arbeitsgas liegen. Der Zylinderkopf ist hierbei zweckmäßigerweise als Wärmetauschkörper ausgebildet, der zusätzlich zu den das Arbeitsgas führenden, erstgenannten Kanälen in Wärmetauschkontakt mit diesen stehende ein Wärmeträgerfluid führende zweite Kanäle enthält. Auch diese Idee hat selbständige erfinderische Bedeutung. In einem solchen Wärmetausch körper kann eine sehr große Anzahl erste und zweite Kanäle eingeformt werden, was die Wärmetauschleistung des Zylinderkopfs beträchtlich erhöht.In the above-described embodiment of the cylinder head, the channels open to the second chamber are interconnected within the cylinder head. The working gas flow through the channels and thus the heat exchange performance can be significantly improved if the channels open to the second chamber are in the first chamber connecting the second chamber to the working gas bypass path. The cylinder head is expediently designed as a heat exchange body, which in addition to the leading working gas, the former channels in heat exchange contact with these stationary containing a heat transfer fluid second channels. This idea, too, has independent inventive significance. In such a heat exchange body, a very large number of first and second channels can be formed, which significantly increases the heat exchange performance of the cylinder head.
Während die ersten Kanäle zum Verdrängerkolben hin frei in die zweite Kammer münden, können sie auf der dem Verdrängerkolben axial abgewandten Seite gemeinsam in einen mit dem Nebenschlussweg verbundenen Sammelraum des Zylinderkopfs münden. Dies vereinfacht die Konstruktion des Zylinderkopfs.While the first channels to the displacer open into the second chamber, they can open on the side facing away from the displacer axially together in a connected to the bypass path collecting space of the cylinder head. This simplifies the construction of the cylinder head.
Die zweiten Kanäle verlaufen zweckmäßigerweise quer zu den ersten Kanälen und sind bevorzugt in einem Heißluftweg der Erhitzeranordnung, insbesondere im Abgasweg eines Brenners angeordnet. Es versteht sich, dass als Wärmeübertragungsfluid nicht nur Gas, sondern auch Flüssigkeiten genutzt werden können. Bei quer zueinander verlaufenden ersten und zweiten Kanälen kann das Arbeitsgas einerseits und das Wärmeträgerfluid andererseits besonders einfach zugeführt werden. Um den Strömungswiderstand der Kanäle gering zu halten, sind diese bevorzugt als geradlinige Kanäle ausgebildet. Bei den Kanälen kann es sich um zylindrische Bohrungen des Wärmetauschkörpers handeln. Um jedoch vergleichsweise große Kanaloberflächen aneinander möglichst eng annähern zu können, ohne die mechanische Stabilität des Wärmetauschkörpers zu beeinträchtigen, sind die ersten und/oder zweiten Kanäle bevorzugt als im Kanalquerschnitt flache Schlitzbzw. Spaltkanäle ausgebildet. Die ersten Kanäle liegen hierbei zweckmäßigerweise jeweils in Gruppen in zueinander parallelen Fluchtungsebenen. Entsprechendes gilt für die zweiten Kanäle, sodass die ersten und zweiten Kanäle lediglich durch flache Trennwände vergleichsweise geringer Dicke voneinander getrennt sind und sich über die in den Fluchtungsebenen zwischen benachbarten Kanäle verbliebenen Stege aneinander abstützen. Um die Abstützwirkung zu verbessern, sind die ersten Kanäle in benachbarten Ebenen auf Lücke gegeneinander versetzt. Entsprechendes kann auch für die zweiten Kanäle gelten.The second channels expediently run transversely to the first channels and are preferably arranged in a hot air path of the heater arrangement, in particular in the exhaust path of a burner. It is understood that not only gas but also liquids can be used as the heat transfer fluid. In transversely extending first and second channels, the working gas on the one hand and the heat transfer fluid on the other hand can be supplied particularly easily. In order to keep the flow resistance of the channels low, they are preferably designed as rectilinear channels. The channels may be cylindrical holes of the heat exchange body. However, in order to be able to approach comparatively large channel surfaces as closely as possible without impairing the mechanical stability of the heat exchange body, the first and / or second channels are preferred as flat in the channel cross-section Schlitzbzw. Splitting channels formed. The first channels are expediently each in groups in mutually parallel planes of alignment. The same applies to the second channels, so that the first and second channels are separated from each other only by flat partitions of comparatively small thickness and are supported on the webs remaining in the planes of alignment between adjacent channels. In order to improve the supporting effect, the first channels in adjacent planes are staggered with respect to each other. The same can also apply to the second channels.
Auch die Spaltkanäle können in einen integralen, als Block ausgebildeten Wärmetauschkörper eingearbeitet sein. Der Wärmetauschkörper kann auch als Gussblock ausgebildet sein, in den die Kanäle bereits im Gießvorgang eingegossen werden. Da das Einarbeiten oder Eingießen einer Vielzahl enger Kanäle aufwendig sein kann, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass der Wärmetauschkörper als Stapel einer Vielzahl Platten ausgebildet ist, von denen zumindest die im Inneren des Stapels liegenden Platten auf wenigstens einer ihrer Flachseiten zur Bildung der Kanäle mehrere nebeneinander und im Abstand voneinander angeordneten Nuten enthalten, die durch eine im Stapel benachbarte Platte zur Bildung der Kanäle überdeckt sind. Die Nuten können in die Platten eingearbeitet werden. Aber auch hier können die Platten als Gussteile ausgebildet sein, in die die Nuten bereits beim Gießvorgang eingeformt werden. Die Platten können lediglich auf einer Flachseite mit Nuten versehen sein, wobei die Nuten in dem Stapel durch die nutfreie Fläche der darüberliegenden Platte abgedeckt werden. Alternativ können aber auch auf gegenüberliegenden Seiten der Platten Nuten vorhanden sein. In dem Plattenstapel können sich benachbarte Nuten jeweils zu Kanälen ergänzen oder aber es werden nutfreie Platten und beidseitig mit Nuten versehene Platten abwechselnd in den Stapel eingelegt.The gap channels can also be incorporated into an integral heat exchanger body designed as a block. The heat exchange body may also be formed as a cast block, in which the channels are already poured in the casting process. Since the incorporation or pouring of a plurality of narrow channels can be complicated, it is provided in a preferred embodiment that the heat exchange body is formed as a stack of a plurality of plates, of which at least the plates lying in the interior of the stack on at least one of their flat sides to form the channels include a plurality of juxtaposed and spaced apart grooves, which are covered by an adjacent plate in the stack plate to form the channels. The grooves can be worked into the plates. But even here, the plates can be designed as castings, in which the grooves are already formed during the casting process. The plates can only be grooved on a flat side, the grooves in the stack being covered by the groove-free surface of the overlying plate. Alternatively, however, grooves may also be present on opposite sides of the plates. In the stack of plates, adjacent grooves may each add to or become channels groove-free plates and both sides grooved plates alternately inserted into the stack.
Da die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle durch Plattenwände von- einander getrennt sind, genügt es für die Gesamtabdichtung der Kanäle gegeneinander, wenn in dem Stapel benachbarte Platten entlang ihrer Umfangsränder gegeneinander abgedichtet werden. Zweckmäßigerweise erfolgt dies durch eine dichte Schweißnaht, die die Platten in dem Stapel zugleich auch aneinander befestigt.Since the first channels and the second channels are separated by plate walls, it is sufficient for the overall sealing of the channels against each other when in the stack adjacent plates are sealed against each other along their peripheral edges. Appropriately, this is done by a tight weld, which also attaches the plates in the stack at the same time.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Wärmetauschkörper um ein vom restlichen Zylinderkopf separat hergestelltes Teil. Der Wärmetauschkörper kann auf diese Weise aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt werden, während der restliche Teil des Zylinderkopfs für dessen mechanische Stabilität sorgt. Der Zylinderkopf ist bevorzugt als Gussteil ausgebildet, in den der als separates Teil hergestellte Wärmetauschkörper eingegossen ist. Der Zylinderkopf sorgt für eine Querschnittsanpassung gesehen in Achsrichtung des Verdrängerkolbens. Während der Verdrängerkolben üblicherweise Kreisquerschnitt hat, hat der Wärmetauschkörper bevorzugt Rechteckquerschnitt, insbesondere quadratischen Querschnitt. Die Kantenlängen des Rechteckquerschnitts sind zur Vergrößerung der Wärmetauschkapazität des Wärmetauschkörpers größer als der Durchmesser des Kreisquerschnitts des Verdrängerkolbens. Der Zylinderkopf bildet hierbei auf der dem Verdrängerkolben zugewandten Seite in dem über den Kreisquerschnitt überstehenden Eckbereichen des Rechteckquerschnitts in die zweite Kammer führende Sammelräume für das Arbeitsgas.Expediently, the heat exchange body is a part produced separately from the rest of the cylinder head. The heat exchange body can be made in this way from a good heat conducting material, while the remaining part of the cylinder head provides for its mechanical stability. The cylinder head is preferably designed as a cast part, in which the heat exchange body produced as a separate part is cast. The cylinder head provides for a cross-sectional adaptation seen in the axial direction of the displacer piston. While the displacer usually has a circular cross section, the heat exchange body preferably has a rectangular cross section, in particular a square cross section. The edge lengths of the rectangular cross section are larger than the diameter of the circular cross section of the displacer to increase the heat exchange capacity of the heat exchange body. The cylinder head forms here on the side facing the displacer in the over the circular cross-section protruding corner regions of the rectangular cross-section leading into the second chamber collecting chambers for the working gas.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:In the following the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Hereby shows:
Fig. 1 einen Axiallängsschnitt durch eine Zylinder-Kolben-Einheit einer entsprechend einem Stirling-Kreisprozess arbeitenden Heißgasmaschine; Fig. 2 einen Axialquerschnitt durch einen Verdrängerkolben der Zylinder- Kolben-Einheit, gesehen entlang einer Linie M-Il in Fig. 1 ;1 shows an axial longitudinal section through a cylinder-piston unit of a hot gas engine operating in accordance with a Stirling cycle; FIG. 2 shows an axial cross section through a displacement piston of the cylinder-piston unit, seen along a line M-II in FIG. 1; FIG.
Fig. 3 einen Axialquerschnitt durch den Zylinderkopf eines Verdrängerzylinderabschnitts der Zylinder-Kolben-Einheit, gesehen entlang einer Linie Ill-Ill in Fig. 1 ;3 shows an axial cross section through the cylinder head of a displacement cylinder section of the cylinder-piston unit, as seen along a line III-III in FIG. 1;
Fig. 4 eine unter Verwendung von mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten aufgebaute Motoranordnung;FIG. 4 illustrates a motor assembly constructed using multiple cylinder-piston units; FIG.
Fig. 5 einen Axiallängsschnitt durch eine Variante der Zylinder-Kolben- Einheit aus Fig. 1 ;5 shows an axial longitudinal section through a variant of the cylinder-piston unit from FIG. 1;
Fig. 6 einen Axiallängsschnitt durch eine weitere Variante der Zylinder- Kolben-Einheit;6 shows an axial longitudinal section through a further variant of the cylinder-piston unit.
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauschkörpers der Zylinder-Kolben-Einheit aus Fig. 6 undFig. 7 is a perspective view of a heat exchange body of the cylinder-piston unit of Fig. 6 and
Fig. 8 eine hydraulische Steuerung für ein Paar zu einer Arbeitseinheit zusammengeschlossene Zylinder-Kolben-Einheiten gemäß Fig. 6.8 shows a hydraulic control for a pair of cylinder-piston units joined together to form a working unit according to FIG. 6.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Heißgasmaschine umfasst eine Zylinder-Kolben-Einheit 1 mit einem Arbeitszylinderabschnitt 3, in welchem ein durch eine Dichtung 5 gegen den Innenmantel 7 des Arbeitszylinderabschnitts 3 abgedichteter Arbeitskolben 9 verschiebbar ist. An den Arbeitszylinderabschnitt 3 schließt gleichachsig ein Verdrängerzylinderabschnitt 11 an, in welchem seinerseits ein Verdrängerkolben 13 axial verschiebbar ist. Der Verdrängerzylinderabschnitt 11 ist auf der dem Arbeitszylinderabschnitt 3 axial abgewandten Seite durch einen Zylinderkopf 15 abgeschlossen und begrenzt zusammen mit dem Arbeitszylinderabschnitt 3 und dem Arbeitskolben 9 einen allgemein mit 17 bezeichneten Gasprozessraum, dessen Volumen entsprechend der Verschiebebewegung des Arbeitskolbens 9 zwischen dem in Figur 1 dargestellten maximalen Volumen, bei welchem der Arbeitskolben 9 dem Verdrängerzylinderabschnitt 11 entfernt gelegen ist und einem minimalen Volumen, bei welchem der Arbeitskolben 9 die in Figur 1 bei 91 dargestellte, dem Verdrängerzylinderabschnitt 11 benachbarte Totpunktstellung einnimmt, variiert.The illustrated in Figures 1 to 3 hot gas engine comprises a cylinder-piston unit 1 with a working cylinder section 3, in which a sealed by a seal 5 against the inner shell 7 of the working cylinder section 3 working piston 9 is displaceable. A displacement cylinder section 11 adjoins the working cylinder section 3 coaxially, in which in turn a displacer piston 13 is axially displaceable. The displacer cylinder section 11 is closed on the side remote from the working cylinder section 3 by a cylinder head 15 and, together with the working cylinder section 3 and the working piston 9, defines a generally with the 17th designated gas process space whose volume corresponding to the displacement movement of the working piston 9 between the maximum volume shown in Figure 1, wherein the working piston 9 is the displacer cylinder section 11 located away and a minimum volume at which the working piston 9 that shown in Figure 1 at 9 1 , the displacer cylinder 11 adjacent to the dead center position varies.
Der Verdrängerkolben 13 unterteilt den Gasprozessraum 17 in zwei Kammern 19 und 21, deren Volumenverhältnis sich abhängig von der Position des Verdrängerkolbens 13 ändert. In der in Figur 1 dargestellten Totpunktstellung des Verdrängerkolbens 13 ist die durch den Arbeitskolben 9 und den Verdrängerkolben 13 begrenzte Kammer 19 maximal, während die auf der dem Arbeitskolben 9 abgewandten Seite des Verdrängerkolbens 13 gelegene Kammer 21 minimal ist. Wird der Verdrängerkolben 13 in die bei 13' angedeutete andere Totpunktstellung des Verdrängerkolbens 13 verschoben, so ist das Volumen der Kammer 19 minimal und das der Kammer 21 maximal.The displacement piston 13 divides the gas process chamber 17 into two chambers 19 and 21 whose volume ratio changes depending on the position of the displacement piston 13. In the dead center position of the displacer piston 13 shown in FIG. 1, the chamber 19 defined by the working piston 9 and the displacer piston 13 is maximum, while the chamber 21 located on the side of the displacer piston 13 facing away from the working piston 9 is minimal. If the displacement piston 13 is displaced into the other dead center position of the displacer piston 13 indicated at 13 ', the volume of the chamber 19 is minimal and that of the chamber 21 is maximum.
Der Gasprozessraum 17 ist mit einem abgeschlossenen Volumen eines unter Druck stehenden Arbeitsgases, beispielsweise Luft, vorzugsweise aber Helium, gefüllt. Zwischen dem Innenmantel 23 des Verdrängerzylinderabschnitts 11 und dem Umfang des Verdrängerkolbens 13 ist ein nachfolgend noch näher erläuterter Nebenschlussweg 25 vorgesehen, über den das Arbeitsgas abhängig von der Hubposition des Verdrängerkolbens 13 aus der Kammer 19 in die Kammer 21 und zurück verdrängt wird.The gas process chamber 17 is filled with a closed volume of pressurized working gas, for example air, but preferably helium. Between the inner jacket 23 of the displacer cylinder section 11 and the circumference of the displacer 13, a bypass path 25, explained in more detail below, is provided, via which the working gas is displaced out of the chamber 19 into the chamber 21 and back, depending on the stroke position of the displacer piston 13.
Der Verdrängerkolben 13 wird über einen Fremdantrieb, hier in Form eines Hydraulikzylinders 27 zwangsweise und diskontinuierlich zwischen seinen beiden Totpunktstellungen oszillierend hin- und herbewegt. Der Hydraulikzylinder 27 wird von einer nachfolgend anhand von Figur 4 noch näher erläuterten Steuerung mit einer zwangsweise vorbestimmten Taktfrequenz oder/und zwangsweise vorbestimmten Taktphase gesteuert. Der Hydraulikzylinder 27 ist als doppelt wirkender Zylinder ausgebildet und auf der dem Verdrängerzylinderabschnitt 11 axial abgewandten Seite des Arbeitszylinderabschnitts 3 angeordnet. In dem Hydraulikzylinder 27, dessen Hydraulikanschlüsse bei 29, 31 dargestellt sind, ist gleichachsig zum Verdrängerkolben 13 ein Kolben 33 verschiebbar, der über eine bei 35 gegen den Arbeitsprozessraum 17 abgedichtete, durch den Arbeitskolben 9 verschiebbar sich erstreckende Kolbenstange 37 mit dem Verdrängerkolben 13 gekuppelt ist. Positionssensoren 39 erfassen die Endstellungen des Kolbens 33 und damit die Totpunktstellungen des Verdrängerkolbens 13.The displacer 13 is forcibly reciprocated via an external drive, here in the form of a hydraulic cylinder 27 forcibly and discontinuously between its two dead center positions. The hydraulic cylinder 27 is determined by a subsequently explained in more detail with reference to FIG 4 control with a forcibly Clock frequency and / or forcibly controlled clock phase controlled. The hydraulic cylinder 27 is designed as a double-acting cylinder and arranged on the displacer cylinder section 11 axially facing away from the working cylinder section 3. In the hydraulic cylinder 27, whose hydraulic connections are shown at 29, 31, a piston 33 is coaxially displaceable coaxially to the displacer 13, which is coupled via a at 35 against the working process space 17 sealed, displaceable by the piston 9 extending piston rod 37 with the displacer 13 , Position sensors 39 detect the end positions of the piston 33 and thus the dead center positions of the displacer 13th
Die Kammer 21 und zumindest ein Teil des sie begrenzenden Verdrängerzylinderabschnitts 11 ragen in einem durch ein Gehäuse 41 umgrenzten Erhitzungsraum, der das in der Kammer 21 sich befindende Arbeitsgas erwärmt. Der Verdrängerzylinderabschnitt 11 und sein Zylinderkopf 15 sind auf deren Außenseiten zur Vergrößerung der Wärmetauschflächen mit Rippen 45 oder dergleichen versehen. Der Erhitzungsraum 43 wird mit Heißgas beispielsweise aus einem Gas- oder Ölbrenner beschickt. Es versteht sich, dass jede andere Wärmequelle geeignet ist. Insbesondere kann Abwärme eines anderen Prozesses genutzt werden. Die Abwärme kann gegebenenfalls auch durch direkten Wärmekontakt mit dem Verdrängerzylinderabschnitt 11 oder dem Zylinderkopf 15 zugeführt werden.The chamber 21 and at least part of the displacer cylinder portion 11 delimiting it protrude into a heating space delimited by a housing 41 which heats the working gas in the chamber 21. The displacer cylinder portion 11 and its cylinder head 15 are provided on the outer sides thereof for enlarging the heat exchange surfaces with ribs 45 or the like. The heating space 43 is charged with hot gas, for example, from a gas or oil burner. It is understood that any other heat source is suitable. In particular, waste heat from another process can be used. The waste heat can optionally also be supplied by direct thermal contact with the displacer cylinder section 11 or the cylinder head 15.
Die zwischen dem Verdrängerkolben 13 und dem Arbeitskolben 9 gebildete Kammer 19 des Arbeitsprozessraums 17 ist von einer Kühlanordnung 47 umschlossen, die das von dem Verdrängerkolben 13 in die Kammer 19 verdrängte Arbeitsgas kühlt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kühlanordnung 47 als Fluid-Kühlmantel ausgebildet, der den Arbeitszylinderabschnitt 3 und einen Teil des Verdrängerzylinderabschnitts 11 umschließt. Das Kühlfluid, bei dem es sich bevorzugt um eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser handelt, wird über Anschlüsse 49, 51 zu- bzw. abgeführt. Der Kühlmantel 47 erstreckt sich im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen über den gesamten Hubweg des Arbeitskolbens 9, um Dichtprobleme an dem Kolben zu vermeiden.The chamber 19 of the working process chamber 17 formed between the displacer piston 13 and the working piston 9 is enclosed by a cooling arrangement 47 which cools the working gas displaced by the displacer piston 13 into the chamber 19. In the illustrated embodiment, the cooling arrangement 47 is formed as a fluid cooling jacket, which encloses the working cylinder section 3 and a part of the displacement cylinder section 11. The cooling fluid, which is preferably a cooling fluid, for example water, is supplied or removed via ports 49, 51. The cooling jacket 47 extends in the illustrated Embodiment substantially over the entire stroke of the working piston 9 in order to avoid sealing problems on the piston.
Die vorstehend erläuterte Zylinder-Kolben-Einheit 1 arbeitet in einem Stirling-Kreisprozess. In den in der Figur 1 dargestellten Totpunktstellungen des Verdrängerkolbens 13 und des Arbeitskolbens 9 hat der Verdrängerkolben 13 das in der Kammer 21 erhitzte Arbeitsgas in die Kammer 19 hinein verdrängt, in der es abgekühlt wird und dementsprechend der Druck in dem Arbeitsgas abnimmt. Eine zwischen dem Arbeitskolben 9 und einem zum Arbeitszylinderabschnitt 3 festen Anschlag, hier an dem Hydraulikzylinder 27 eingespannte, die Kolbenstange 37 umschließende Schraubendruckfeder 53 verschiebt den Arbeitskolben 9 in seine das Volumen der Kammer 19 verringernde Totpunktstellung 9'. In einem nächsten Schritt des Stirling-Kreisprozesses verschiebt der Hydraulikzylinder 27 den Verdrängerkolben 13 in die Totpunktstellung 13', wobei das abgekühlte Arbeitsgas aus der Kammer 19 über den Nebenschlussweg 25 in die Kammer 21 verdrängt wird, in der es erneut erhitzt wird. Damit steigt in dem Arbeitsprozessraum 17 der Druck des Arbeitsgases und der Arbeitskolben 9 wird unter Kompression der Druckfeder 53 und unter Arbeitsleistung wieder in die in Figur 1 dargestellte Totpunktstellung geschoben. Der Stirling-Kreisprozess beginnt dann erneut.The above-described cylinder-piston unit 1 operates in a Stirling cycle. In the dead center positions of the displacement piston 13 and of the working piston 9 shown in FIG. 1, the displacement piston 13 has displaced the working gas heated in the chamber 21 into the chamber 19 in which it is cooled and, accordingly, the pressure in the working gas decreases. A between the piston 9 and a fixed to the working cylinder section 3 stop, here clamped to the hydraulic cylinder 27, the piston rod 37 enclosing helical compression spring 53 moves the piston 9 in its the volume of the chamber 19 reducing dead center 9 '. In a next step of the Stirling cycle process, the hydraulic cylinder 27 displaces the displacer 13 into the dead center position 13 ', wherein the cooled working gas is displaced from the chamber 19 via the bypass path 25 into the chamber 21, in which it is reheated. This increases in the working process space 17, the pressure of the working gas and the working piston 9 is pushed under compression of the compression spring 53 and under work again in the dead center position shown in Figure 1. The Stirling cycle begins again.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Arbeitskolben 9 einen frei schwingenden Kolben, der mit einer Fluid-Druckpumpe direkt gekuppelt ist. Bei der Fluid-Druckpumpe kann es sich um eine Hydraulikpumpe handeln. Im vorliegenden Fall ist jedoch eine Luft-Druckpumpe 55 vorgesehen, deren Zylinder 57 auf der dem Verdrängerkolben 13 axial abgewandten Seite fest und bei 59 abgedichtet gleichachsig zum Arbeitszylinderabschnitt 3 an diesen anschließt. In dem Zylinder 57 ist ein Kolben 61 abgedichtet verschiebbar, der über eine hülsenförmige, die Druckfeder 53 umschließende Kolbenstange 63 fest mit dem Arbeitskolben 9 verbunden ist. Die Kolbenstange 63 ist in einem zentrischen Ansatz 65 eines den Zylinder 57 auf der dem Arbeitszylinderabschnitt 3 fernen Seite abschließenden Zylinderkopfs 67 abgedichtet verschiebbar geführt. Der Ansatz 65 trägt Positionssensoren 69 der nachfolgend noch näher erläuterten Steuerung, die die Totpunktstellungen der Kolbenstange 63 und damit des Arbeitskolbens 9 erfassen. In dem Zylinderkopf 67 sind ferner ein mit einem Einlassventil versehener Lufteinlassanschluss 71 und ein mit einem Luftauslassventil versehener Auslassanschluss 73 vorgesehen. Der Hydraulikzylinder 27 ist in das kolbenferne Ende des Ansatzes 65 eingeschraubt.In the illustrated embodiment, the working piston 9 forms a free-swinging piston which is directly coupled to a fluid pressure pump. The fluid pressure pump may be a hydraulic pump. In the present case, however, an air-pressure pump 55 is provided, the cylinder 57 fixed on the displacement piston 13 axially opposite side and at 59 sealed equiaxial to the working cylinder section 3 to this. In the cylinder 57, a piston 61 is displaceable sealed, which is connected via a sleeve-shaped, the compression spring 53 enclosing the piston rod 63 fixed to the working piston 9. The piston rod 63 is in a centric projection 65 of a cylinder 57 on the working cylinder section 3 far side final cylinder head 67 sealed slidably guided. The projection 65 carries position sensors 69 of the control explained in more detail below, which detect the dead center positions of the piston rod 63 and thus of the working piston 9. In the cylinder head 67, there are further provided an air inlet port 71 provided with an intake valve and an exhaust port 73 provided with an air exhaust valve. The hydraulic cylinder 27 is screwed into the piston-remote end of the projection 65.
Die Taktrate, mit der der Hydraulikzylinder 27 den Verdrängerkolben 13 bewegt, bestimmt die Arbeitsfrequenz des Arbeitskolbens und damit die Pumpleistung der Luft-Druckpumpe 55. Da der Arbeitskolben 9 hierbei frei schwingen kann, kann sich sein Hub der entsprechend dem Stirling- Kreisprozess zugeführten Energie anpassen, was zu einer stabilen Betriebsweise führt. Von Vorteil ist auch, dass der Zylinder 57 der Luft- Druckpumpe 55 abgedichtet an den Arbeitszylinderabschnitt 3 anschließt, da dann der Kolben 61 zusätzlich zu den Dichtungen 5 des Arbeitskolbens 9 Druckverluste an Arbeitsgas verringert, was insbesondere bei Helium als Arbeitsgas von Vorteil ist. Insbesondere kann der Zwischenraum 71 zwischen dem Arbeitskolben 9 und dem Kolben 61 auf einem gewissen Überdruck gehalten werden, was zusätzlich einem Arbeitsgasverlust entgegenwirkt. Der Zylinder 57 kann, wie dies in Figur 1 dargestellt ist einen größeren Innendurchmesser haben als der Arbeitszylinderabschnitt 3, wodurch einerseits die Pumpleistung der Luft-Druckpumpe 55 erhöht werden kann und andererseits im Verlauf der Kolbenbewegung ein Überdruck in dem Zwischenraum 71 erzeugt wird.The clock rate at which the hydraulic cylinder 27 moves the displacer piston 13 determines the operating frequency of the working piston and thus the pumping power of the air pressure pump 55. Since the working piston 9 can oscillate freely, its stroke can be adapted to the energy supplied in accordance with the Stirling cycle , which leads to a stable operation. It is also advantageous that the cylinder 57 of the air pressure pump 55 sealed connects to the working cylinder section 3, since then the piston 61 in addition to the seals 5 of the working piston 9 reduces pressure losses of working gas, which is particularly advantageous for helium as working gas. In particular, the gap 71 between the working piston 9 and the piston 61 can be kept at a certain overpressure, which additionally counteracts a working gas loss. The cylinder 57 can, as shown in Figure 1 have a larger inner diameter than the working cylinder section 3, whereby on the one hand, the pumping power of the air pressure pump 55 can be increased and on the other hand in the course of the piston movement, an overpressure in the gap 71 is generated.
Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist der Verdrängerkolben 13 auf seinem Außenumfang mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter schraubenlinienförmig angeordneter Nuten 75 mit dazwischen angeordneten, gleichfalls schraubenlinienförmigen Stegen 77 versehen. Die Stege 77 führen mit geringem Spiel den Verdrängerkolben 13 an der in Figur 2 bei 79 angedeuteten Innenfläche des Verdrängerzylinderabschnitts 11 , während die Gesamtheit der Nuten 75 den Nebenschlussweg 25 bildet. Die Nuten 75 vergrößern die Oberfläche des Verdrängerkolbens 13, der damit einen bei Stirling-Maschinen üblichen Regenerator bildet. Der Regenerator speichert einen Teil der Wärme des Arbeitsgases, wenn es vom Verdrängerkolben 13 aus der Kammer 21 , in der es erhitzt wurde, in die gekühlte Kammer 19 verdrängt wird. Wird das gekühlte Arbeitsgas von der Kammer 19 wieder in die Kammer 21 verdrängt, so wird die so zwischengespeicherte Wärme zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Maschine an das Arbeitsgas zurückgegeben. Es versteht sich, dass die Regenerierungsleistung durch die Anzahl und Tiefe der Nuten 75 festgelegt wird. Zusätzlich können in den Nuten 75 weitere Wärmetauschflächen, beispielsweise in Form von Lamellen oder einem Drahtnetz oder dergleichen vorgesehen sein. Es versteht sich ferner, dass der Regenerator auch in einer außerhalb des Verdrängerzylinderabschnitts 11 die Kammern 19 und 21 verbindenden Nebenschlussleitung vorgesehen sein kann.As shown in Figures 1 and 2, the displacer 13 is provided on its outer periphery with a plurality of circumferentially distributed helically arranged grooves 75 with interposed, also helical ridges 77. The webs 77 lead with little play the displacer piston 13 at the indicated in Figure 2 at 79 inner surface of the displacer cylinder section 11, while the entirety of the grooves 75 forms the bypass path 25. The grooves 75 increase the surface of the displacer 13, which thus forms a conventional regenerator in Stirling machines. The regenerator stores a portion of the heat of the working gas as it is displaced into the cooled chamber 19 by the displacer 13 from the chamber 21 in which it was heated. If the cooled working gas is displaced from the chamber 19 back into the chamber 21, the thus cached heat to improve the efficiency of the machine is returned to the working gas. It is understood that the regeneration performance is determined by the number and depth of the grooves 75. In addition, 75 further heat exchange surfaces, for example in the form of slats or a wire mesh or the like may be provided in the grooves. It is further understood that the regenerator can also be provided in a bypass line connecting the chambers 19 and 21 outside the displacement cylinder section 11.
Bei schnell laufenden Maschinen ist die Verweilzeit des Arbeitsgases in der Kammer 21 relativ kurz. Um dennoch für hinreichende Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas zu sorgen, ist der Zylinderkopf 15 auf seiner dem Verdrängerkolben 13 zugewandten Seite, wie die Figuren 1 und 3 zeigen, mit einer Vielzahl axial verlaufender, zum Verdrängerkolben 13 hin offener Kanäle 81 , hier in Form von Bohrungen, versehen. Die Kanäle 81 sind an ihren dem Verdrängerkolben 13 abgewandten Enden durch Verbindungskanäle 83 miteinander und mit einer zentrischen Kammer 85 verbunden, in die ein vom Verdrängerkolben 13 abstehender Pumpfortsatz 87 in der dem Zylinderkopf 15 benachbarten Totpunktstellung des Verdrängerkolbens 13 eintaucht. Der Pumpfortsatz 87 sorgt während der Annäherung des Verdrängerkolbens 13 an die Totpunktstellung für eine Arbeitsgasströmung in den Kanälen 81 , 83 und damit auf Grund der vergrößerten Wärmetauschflächen für eine Verbesserung der Erwärmung des Arbeitsgases. Die Kammer 85 und der Pumpfortsatz 87 kann gegebenenfalls entfallen. Die Kanäle 81 sind in Reihen angeordnet, wobei die Verbindungskanäle 83 jeweils die Kanäle 81 von zwei benachbarten Reihen schneiden. Auf diese Weise kann der für die Wärmeübertragung in der Grundfläche des Zylinderkopfs 15 verbleibende Materialquerschnitt hinreichend groß gemacht werden.For high-speed machines, the residence time of the working gas in the chamber 21 is relatively short. In order nevertheless to ensure adequate heat transfer to the working gas, the cylinder head 15 is on its side facing the displacer 13, as shown in Figures 1 and 3, with a plurality of axially extending, the displacer 13 toward open channels 81, here in the form of holes , Mistake. The channels 81 are connected at their ends facing away from the displacer 13 by connecting channels 83 with each other and with a centric chamber 85, in which a projecting from the displacer 13 Pumpfortsatz 87 in the cylinder head 15 adjacent dead center position of the displacer 13 is immersed. The Pumpfortatz 87 provides during the approach of the displacer 13 to the dead center position for a working gas flow in the channels 81, 83 and thus due to the increased heat exchange surfaces for improving the heating of the working gas. If necessary, the chamber 85 and the pump set 87 can be omitted. The channels 81 are arranged in rows, with the connecting channels 83 each of the channels 81 of two adjacent Cut rows. In this way, the remaining material for the heat transfer in the base of the cylinder head 15 material cross section can be made sufficiently large.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kolben 9 als frei schwingender Kolben ausgebildet. Es versteht sich, dass der Arbeitskolben 9 aber auch zwangsweise mit einem Abtrieb gekuppelt sein kann, beispielsweise einem Kurbel-Abtrieb.In the illustrated embodiment, the piston 9 is designed as a free-swinging piston. It is understood that the working piston 9 but also forcibly coupled with an output, such as a crank output.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hydraulikzylinder 27 auf der dem Verdrängerkolben 13 abgewandten Seite des Arbeitskolbens 9 angeordnet. Es versteht sich, dass der Hydraulikzylinder 27 auch auf der Seite des Zylinderkopfs 15 angeordnet sein kann. Auf diese Weise kann zwar ein geschlossener Arbeitskolben 9 verwendet werden, doch sind die dann zur Abdichtung der Kolbenstange des Verdrängerkolbens 13 erforderlichen Dichtungen auf der heißen Seite des Verdrängerzylinderabschnitts 11 angeordnet, was zu Abdichtproblemen führen kann.In the illustrated embodiment, the hydraulic cylinder 27 is disposed on the side facing away from the displacer 13 of the working piston 9. It is understood that the hydraulic cylinder 27 may also be arranged on the side of the cylinder head 15. Although a closed working piston 9 can be used in this way, the seals which are then required for sealing the piston rod of the displacement piston 13 are arranged on the hot side of the displacement cylinder section 11, which can lead to sealing problems.
Die anhand der Figuren 1 bis 3 erläuterte Heißgasmaschine erlaubt die Erzeugung einer Druckfluidströmung, hier von Druckluft. Die Kolben- Zylinder-Einheit 1 ist hierbei als Modul ausgebildet, der für sich funktionsfähig ist. Figur 4 zeigt eine unter Verwendung mehrerer solcher Zylinder-Kolben-Einheiten bzw. Module aufgebaute Motoranordnung 89. Die Motoranordnung umfasst zumindest ein Paar der anhand der Figuren 1 bis 3 erläuterten Zylinder-Kolben-Einheiten 1 , die über ein von einer elektronischen Steuerung 91 gesteuertes Hydrauliksteuerventil 93 an eine Hydraulikdruckquelle 95 angeschlossen sind. Die Hydraulikdruckquelle 95 umfasst herkömmlich eine Hydraulikpumpe 97 mit einem Überdruckventil 99 und einem Filter 101 in einer Rückführleitung. Das Steuerventil 93 ist als Umschaltventil ausgebildet, welches den Druckausgang der Hydraulikpumpe 97 wechselweise mit den Druckanschlüssen 29 des doppelt wirkenden Hydraulikzylinders 27 verbindet, so dass wechselweise die Verdrängerkolben 13 vom Arbeitskolbeπ 9 weg verschoben werden. Das Steuerventil 93 verbindet den Druckeingang 29 des jeweils nicht mit dem Hochdruckausgang der Hydraulikpumpe 97 verbundenen Anschluss 29 mit der über das Filter 101 zum Hydrauliktank 103 führenden Rückführleitung. Die Hydraulikzylinder 27 des Paars werden auf diese Weise gegenphasig druckbeaufschlagt. Die der entgegengesetzten Betätigungsrichtung zugeordneten Anschlüsse 31 der Hydraulikzylinder 27 sind paarweise über je eine Leitung 105 miteinander verbunden, wobei das der Leitung 105 zugeordnete System gleichfalls mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid gefüllt ist. Der vom Druck der Hydraulikpumpe 97 aktiv betätigte Hydraulikzylinder 27 sorgt auf diese Weise für das Rückholen des jeweils anderen Hydraulikzylinders. Die Positionssensoren 39 und 69 sind mit der Steuerung 91 verbunden und sorgen für die Synchronisierung der Kolbenbewegungen.The illustrated with reference to Figures 1 to 3 hot gas engine allows the generation of a pressurized fluid flow, in this case of compressed air. The piston-cylinder unit 1 is in this case designed as a module which is functional on its own. FIG. 4 shows a motor arrangement 89 constructed using a plurality of such cylinder-piston units or modules. The motor arrangement comprises at least one pair of cylinder-piston units 1 explained with reference to FIGS. 1 to 3, which are controlled by an electronic control unit 91 Hydraulic control valve 93 are connected to a hydraulic pressure source 95. The hydraulic pressure source 95 conventionally comprises a hydraulic pump 97 with a pressure relief valve 99 and a filter 101 in a return line. The control valve 93 is formed as a switching valve, which connects the pressure output of the hydraulic pump 97 alternately with the pressure ports 29 of the double-acting hydraulic cylinder 27, so that alternately the Displacer 13 are moved away from Arbeitskolbeπ 9 away. The control valve 93 connects the pressure input 29 of each not connected to the high pressure output of the hydraulic pump 97 port 29 with the leading through the filter 101 to the hydraulic tank 103 return line. The hydraulic cylinders 27 of the pair are pressurized in this way in antiphase. The opposite direction of actuation associated ports 31 of the hydraulic cylinder 27 are connected in pairs via one line 105 to each other, wherein the line 105 associated system is also filled with pressurized hydraulic fluid. The actively actuated by the pressure of the hydraulic pump 97 hydraulic cylinder 27 ensures in this way for the retrieval of each other hydraulic cylinder. The position sensors 39 and 69 are connected to the controller 91 and provide the synchronization of the piston movements.
Die Kolben-Zylinder-Einheiten 1 der Figur 4 unterscheiden sich von der Einheit der Figuren 1 bis 3 im Wesentlichen nur dadurch, dass den beiden Einheiten 1 ein gemeinsames, den Erhitzungsraum 43 bildendes Gehäuse 41 zugeordnet ist.The piston-cylinder units 1 of FIG. 4 differ essentially from the unit of FIGS. 1 to 3 only in that the two units 1 are assigned a common housing 41 forming the heating space 43.
Die gegenphasig arbeitenden Luft-Druckpumpen 55 saugen Umgebungsluft über an die Lufteinlässe 71 angeschlossene Luftfilter 107 an und sind über ihre Druckluftauslässe 73 zueinander parallel an einen Druckluft- Pufferspeicher 109 angeschlossen, aus dem ein Druckluftmotor 111 gespeist wird. Der Druckluftmotor 111 hat ein Gehäuse 113, in dem ein Zylinderläufer 115 mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Zylindern 117 drehbar gelagert ist. Bei Rotation des Läufers treiben die über Exzenterscheiben 119 mit einer Kurbelwelle 121 gekuppelten Kolbenpaare die Kurbelwelle 121 rotierend an. Die am Außenumfang des Rotors über einen Einlassspalt 123 zugeführte Druckluft entspannt sich im Verlauf der Drehbewegung des Rotors 115 und verlässt den Druckluftmotor 111 über einen Auslassspalt 125. Konstruktive Einzelheiten eines solchen Druckluftmotors sind in EP 0 477 256 B1 beschrieben, wobei jedoch an Stelle von Druckluft ein durch Zündung expandierendes Kraftstoff-Luft- Gemisch eingesetzt wird. Weitere Einzelheiten sind in DE 196 11 824 C1 anhand eines Motors beschrieben, der jedoch als Arbeitsgas an Stelle von Druckluft unter Druck stehenden Dampf ausnutzt.The antiphase working air pressure pumps 55 suck in ambient air via connected to the air inlets 71 air filter 107 and are connected via their compressed air outlets 73 parallel to each other to a compressed air buffer memory 109, from which a compressed air motor 111 is fed. The air motor 111 has a housing 113 in which a cylinder rotor 115 is rotatably mounted with a plurality of cylinders 117 arranged distributed in the circumferential direction. When the rotor rotates, the pairs of pistons coupled via eccentric disks 119 to a crankshaft 121 drive the crankshaft 121 in a rotating manner. The compressed air supplied on the outer circumference of the rotor via an inlet gap 123 relaxes in the course of the rotational movement of the rotor 115 and leaves the compressed air motor 111 via an outlet gap 125. Constructive details of such a compressed air motor are described in EP 0 477 256 B1, however Place of compressed air is used by ignition expanding fuel-air mixture. Further details are described in DE 196 11 824 C1 by means of an engine, which, however, utilizes pressurized steam instead of compressed air as working gas.
Es versteht sich, dass auch andere Typen von Druckluftmotoren eingesetzt werden können, wie zum Beispiel Motorturbinen oder dergleichen. Es versteht sich ferner, dass das System auch auf hydraulischer Basis arbeiten kann, wenn der Druckspeicher 109, der Motor 111 und die Fluidpumpen 55 zur Förderung eines hydraulischen Fluids geeignet sind.It is understood that other types of air motors may be used, such as engine turbines or the like. It is also understood that the system can also operate on a hydraulic basis when the pressure accumulator 109, the motor 111 and the fluid pumps 55 are suitable for delivering a hydraulic fluid.
Figur 4 zeigt die Motoranlage 89 mit lediglich zwei Zylinder-Kolben- Einheiten 1. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Einheiten vorgesehen sein können, wie dies durch Leitungen bei 127 angedeutet ist. Wenngleich für den Massenausgleich und die Vibrationsfreiheit der Anlage gegenphasig arbeitende Paare solcher Einheiten bevorzugt sind, kann die Anzahl der Einheiten aber auch ungerade gewählt sein.Figure 4 shows the engine system 89 with only two cylinder-piston units 1. It is understood that more than two units can be provided, as indicated by lines at 127. Although for mass balance and vibration freedom of the system out of phase working pairs of such units are preferred, the number of units may also be chosen to be odd.
In Druckluftmotoren der vorstehenden Art expandiert die Druckluft im Verlauf der Rotordrehung. Dementsprechend wird der Druckluftmotor 111 abgekühlt. Der Druckluftmotor 111 muss dementsprechend extern erwärmt werden, wenn eine gewünschte Betriebstemperatur eingehalten werden soll.In compressed air motors of the above type, the compressed air expands in the course of the rotor rotation. Accordingly, the air motor 111 is cooled. Accordingly, the air motor 111 must be externally heated when a desired operating temperature is to be maintained.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 wird dies dadurch erreicht, dass die imIn the embodiment of Figure 4, this is achieved in that the in
Kühlmantel 47 der Kolben-Zylinder-Einheiten 1 bei der Kühlung der Kammer 19 abzuführende Wärme in einem Kühlkreislauf einem im Gehäuse 113 vorgesehenen, bei 129 angedeuteten Wärmetauscher zur Erwärmung desCooling jacket 47 of the piston-cylinder units 1 in the cooling of the chamber 19 dissipated heat in a cooling circuit provided in the housing 113, indicated at 129 heat exchanger for heating the
Motors 111 zugeführt wird. Der Wärmetauscher 129 ist hierzu in einem geschlossenen Wärmetauscherkreislauf mit den Anschlüssen 49, 51 verbunden. Es versteht sich, dass der Wärmetauscherkreislauf gegebenenfalls eine Umwälzpumpe umfassen kann.Motors 111 is supplied. For this purpose, the heat exchanger 129 is connected to the connections 49, 51 in a closed heat exchanger circuit. It is understood that the heat exchanger circuit may optionally comprise a circulation pump.
Im Folgenden werden Varianten der anhand der Figuren 1 bis 3 erläuterten Zylinder-Kolben-Einheit 1 beschrieben. Gleich wirkende Komponenten sind hierzu mit den Bezugszahlen der Figuren 1 bis 3 bezeichnet. Zur Erläuterung dieser Komponenten wird auf die Beschreibung der Figuren 1 bis 3 Bezug genommen. Soweit nicht anders erläutert, können auch die Varianten der Zylinder-Kolben-Einheiten mit einer Steuerung bzw. einem Motor gemäß Figur 4 betrieben werden.In the following, variants of the cylinder-piston unit 1 explained with reference to FIGS. 1 to 3 will be described. Equally effective components are designated by the reference numbers of Figures 1 to 3. To explain these components, reference is made to the description of Figures 1 to 3. Unless otherwise stated, the variants of the cylinder-piston units can be operated with a controller or a motor according to Figure 4.
Die Zylinder-Kolben-Einheit 1 der Figur 5 unterscheidet sich von derjenigen der Figuren 1 bis 3 im Wesentlichen nur dadurch, dass an Stelle des doppelt wirkenden Hydraulikzylinders 27 und seiner Komponenten 29 bis 33 und 39 die Kolbenstange 37 des Verdrängerkolbens 13 über ein Pleuel 131 mit einer von einem Elektromotor 133 angetriebenen Kurbel 135 verbunden ist. Das kurbelferne Ende des Pleuels 131 greift an einem Schlitten 137 an, der gleichachsig zur Kolbenstange 37 an einer mit dem Ansatz 65 verbundenen Führung 139 verschiebbar geführt ist. Der Elektromotor 133, bei dem es sich bevorzugt um einen Schrittmotor handelt, wird von einer elektronischen Steuerung, ähnlich der Steuerung 91 aus Figur 4, diskontinuierlich entsprechend den beiden Totpunktstellungen des Verdrängerkolbens 13 gesteuert. Es versteht sich, dass auch die Zylinder-Kolben-Einheit der Figur 5 in der Motoranlage 89 der Figur 4 betrieben werden kann. Auch hier kann der Elektromotor 133 für die Steuerung mehrerer Zylinder-Kolben-Einheiten 1 genutzt werden, beispielsweise indem auf der Abtriebswelle des Elektromotors 133 mehrere Kurbelwellenarme vorgesehen sind. Auch hier sind die Kurbelwellenarme, wie dies bei 135' in Figur 5 angedeutet ist um 180 Grad gegeneinander versetzt, um paarweise gegenphasigen Betrieb der Einheiten 1 zu erreichen. Es versteht sich, dass der Elektromotor 133 gemeinsam die Verdrängerkolben von auch mehr als zwei Einheiten 1 antreiben kann. Auch versteht sich, dass an Stelle eines Elektromotors ein pneumatischer oder hydraulischer Motor mit rotierendem Kurbelabtrieb genutzt werden kann. An Stelle eines Kurbelabtriebs kann auch ein Nockenabtrieb oder dergleichen in den vorstehend erläuterten Varianten eingesetzt werden, soweit der Nockenhub dem gewünschten Verdrängerkolbenhub genügt. Figur 6 zeigt eine Variante der anhand der Figuren 1 bis 3 erläuterten Zylinder-Kolben-Einheit 1 , die sich von dieser Einheit im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die beiden Kammern 19, 21 des Arbeitsprozessraums 17 über einen außerhalb des Verdrängerzylinderabschnitts 11 angeordneten Regenerator 141 , der in einem durch Leitungen 143, 145 gebildeten Nebenschlussweg für das Arbeitsprozessgas angeordnet ist, miteinander verbunden sind. Der Nebenschlussweg ist hierbei durch einen in dem Zylinderkopf 15 enthaltenen, das Arbeitsgas erhitzenden Wärmetauschkörper 147 geführt. Die verbleibende Konstruktion der Zylinder- Kolben-Einheit 1 entspricht der Variante der Figuren 1 bis 3.The cylinder-piston unit 1 of Figure 5 differs from that of Figures 1 to 3 essentially only in that instead of the double-acting hydraulic cylinder 27 and its components 29 to 33 and 39, the piston rod 37 of the displacer 13 via a connecting rod 131st is connected to a driven by an electric motor 133 crank 135. The crank far end of the connecting rod 131 engages a carriage 137, which is guided coaxially to the piston rod 37 on a guide 65 connected to the guide 139 slidably. The electric motor 133, which is preferably a stepper motor, is controlled by an electronic controller, similar to the controller 91 of FIG. 4, discontinuously corresponding to the two dead center positions of the displacer piston 13. It is understood that the cylinder-piston unit of Figure 5 can be operated in the engine system 89 of Figure 4. Again, the electric motor 133 can be used for the control of a plurality of cylinder-piston units 1, for example by 133 several crankshaft arms are provided on the output shaft of the electric motor. Again, the crankshaft arms, as indicated at 135 'in Figure 5 by 180 degrees offset from each other to achieve pairwise out of phase operation of the units 1. It is understood that the electric motor 133 together can drive the displacers of more than two units 1. It is also understood that instead of an electric motor, a pneumatic or hydraulic motor with a rotating crank output can be used. Instead of a crank output and a cam output or the like can be used in the above-described variants, as far as the cam lift meets the desired Verdrängerkolbenhub. FIG. 6 shows a variant of the cylinder-piston unit 1 explained with reference to FIGS. 1 to 3, which differs from this unit essentially in that the two chambers 19, 21 of the working process space 17 are replaced by a regenerator 141 arranged outside the displacement cylinder section 11, which is arranged in a bypass path formed by lines 143, 145 for the working process gas, are interconnected. The bypass path is hereby guided by a heat exchange body 147 which is contained in the cylinder head 15 and heats the working gas. The remaining construction of the cylinder-piston unit 1 corresponds to the variant of Figures 1 to 3.
Während der Regenerator 141 herkömmlich ausgebildet ist und beispielsweise in eine Heizzone und eine Kühlzone unterteilt sein kann, erlaubt der Wärmetauschkörper 147 eine effiziente Erwärmung des Arbeitsgases in der Kammer 21.While the regenerator 141 is conventional in design and may be divided into a heating zone and a cooling zone, for example, the heat exchange body 147 allows efficient heating of the working gas in the chamber 21.
Der Wärmetauschkörper 147 enthält eine Vielzahl in Verschieberichtung des Verdrängerkolbens 13 geradlinig sich erstreckende erste Kanäle 149, die auf der Seite des Verdrängerkolbens 13 zur Kammer 21 hin offen sind und auf der vom Verdrängerkolben 13 abgewandten Seite in einem von einer Dachwand 151 des Zylinderkopfs 15 begrenzten, mit der Nebenschlussleitung 145 verbundenen Sammelraum 153 münden. Quer zu den Kanälen 149 und gesondert von diesen Kanälen erstreckt sich eine Vielzahl zweiter Kanäle 155 durch den Zylinderkopf 15 und den Wärmetauschkörper 147 hindurch quer zur Verschieberichtung des Verdrängerkolbens 13, hier senkrecht zur Zeichnungsebene der Figur 6. Die Kanäle 155 sind gegebenenfalls über Sammelräume von außerhalb des Zylinderkopfs 15 zugänglich, sodass sie von Heißgas oder heißer Flüssigkeit für die Erwärmung des Arbeitsgases durchströmt werden können. Zweck- mäßigerweise sind die Kanäle 155 im Abgasweg eines Brenners oder dergleichen angeordnet.The heat exchange body 147 includes a plurality in the direction of displacement of the displacer 13 rectilinearly extending first channels 149 which are open on the side of the displacer 13 to the chamber 21 and on the side remote from the displacer 13 in one of a roof wall 151 of the cylinder head 15 limited with the shunt line 145 connected collecting space 153 open. Transverse to the channels 149 and separate from these channels, a plurality of second channels 155 extends through the cylinder head 15 and the heat exchange body 147 transversely to the displacement direction of the displacer 13, here perpendicular to the plane of the figure 6. The channels 155 are optionally on collecting spaces from outside the cylinder head 15 accessible so that they can be traversed by hot gas or hot liquid for the heating of the working gas. The channels 155 are expediently arranged in the exhaust path of a burner or the like.
Figur 7 zeigt Einzelheiten des Wärmetauschkörpers 147. Die Kanäle 149 und 155 sind als im Querschnitt flache Spaltkanäle ausgebildet und liegen mit ihren Flachseiten nebeneinander und lediglich durch längs der Kanäle verlaufende Stege 157 bzw. 159 getrennt in zueinander parallelen Fluchtungsebenen. Die Schmalseitenbreite der im Abgasweg liegenden Kanäle 155 ist hierbei etwas größer als die Schmalseitenbreite der Kanäle 149. Fluchtungsebenen mit Kanälen 149 wechseln hierbei mit Fluchtungsebenen der Kanäle 155 ab, sodass die Kanäle 149 jeweils durch schmale flache Wände 161 von den Kanälen 155 getrennt sind. Die Schmalseitenbreite der Kanäle 149 beträgt einige wenige Millimeter, z. B. 1 bis 3 mm.FIG. 7 shows details of the heat exchange body 147. The channels 149 and 155 are formed as gap channels which are flat in cross-section and lie with their flat sides next to one another and only separated by webs 157 and 159 extending along the channels, in mutually parallel alignment planes. The narrow side width of the channels lying in the exhaust path 155 is hereby slightly larger than the narrow side width of the channels 149. Flattening levels with channels 149 alternate here with planes of flattening of the channels 155, so that the channels 149 are separated from the channels 155 by narrow flat walls 161. The narrow side width of the channels 149 is a few millimeters, z. B. 1 to 3 mm.
Der Wärmetauschkörper 147 kann aus einen integralen Materialblock aus einem gut leitenden Material, beispielsweise einer Metalllegierung bestehen, in den die Kanäle 149, 155 eingearbeitet sind. Da insbesondere die Kanäle 149 eine sehr geringe Schmalseitenbreite, beispielsweise lediglich 1 mm haben, kann die Herstellung eines integralen Wärmetauschkörpers aufwendig sein. Um die Herstellung des Wärmetauschkörpers 147 zu vereinfachen, ist dieser aus einem Stapel von Platten 163 aufgebaut, die auf ihren einander gegenüberliegenden Flachseiten in Richtung der Kanäle 149 einerseits bzw. 155 andererseits verlaufende Nuten 165 bzw. 167 enthalten. Im Stapel der Platten 163 liegen sich die Nuten 165 benachbarter Platten 163 sowie die Nuten 167 benachbarter Platten 163 gegenüber und begrenzen auf diese Weise die Kanäle 149 bzw. 155. Die Platten 163 liegen plan aufeinander und sind lediglich entlang ihrer Umfangsränder durch Schweißnähte 169, beispielsweise Elektronenschweißnähte dicht miteinander verbunden.The heat exchange body 147 may consist of an integral block of material of a highly conductive material, such as a metal alloy, in which the channels 149, 155 are incorporated. Since, in particular, the channels 149 have a very small narrow side width, for example only 1 mm, the production of an integral heat exchanger body can be complicated. In order to simplify the production of the heat exchange body 147, this is made up of a stack of plates 163 which on their opposite flat sides in the direction of the channels 149 on the one hand and 155 on the other hand extending grooves 165 and 167, respectively. In the stack of plates 163, the grooves 165 of adjacent plates 163 and the grooves 167 of adjacent plates 163 are opposite and limit in this way the channels 149 and 155. The plates 163 are flat on each other and are only along their peripheral edges by welds 169, for example Electron welds tightly connected.
Es versteht sich, dass die Kanäle 149, 155 auch durch eine andere Aufteilung der Nuten 165, 167 realisiert werden können. Beispielsweise können die Platten 163 lediglich auf einer ihrer Flachseiten mit Nuten 165 oder 167 versehen sein, die dann durch die nutfreie Flachseite der benachbarten Platte 163 zum Kanal 149 bzw. 155 ergänzt wird. Auch können beidseitig mit Nuten versehene Platten 163 und insgesamt nutfreie Platten in dem Stapel abwechselnd aufeinander folgen.It is understood that the channels 149, 155 can also be realized by a different division of the grooves 165, 167. For example, the plates 163 may only be provided on one of their flat sides with grooves 165 or 167, which is then supplemented by the groove-free flat side of the adjacent plate 163 to the channel 149 and 155, respectively. Also, both sides grooved plates 163 and total groove-free plates in alternately follow each other in the stack.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei den Platten 163 um Gussformteile mit eingegossenen Nuten. Auch bei dem Zylinderkopf 15 handelt es sich bevorzugt um ein Gussformteil, wobei zweckmäßigerweise der Wärmetauschkörper 147 vorab gesondert hergestellt und dann bei der Herstellung des Zylinderkopfs 15 mit eingegossen wird. Die Materialien des Wärmetauschkörpers 147 und des Zylinderkopfs 15 können unterschiedlich sein und entsprechend der gewünschten Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise mechanischen Festigkeit ausgewählt werden.Conveniently, the plates 163 are molded parts with embedded grooves. Also, in the cylinder head 15 is preferably a cast molding, wherein expediently the heat exchange body 147 prepared in advance separately and then poured in the production of the cylinder head 15 with. The materials of the heat exchange body 147 and the cylinder head 15 may be different and selected according to the desired thermal conductivity and mechanical strength, respectively.
Gesehen in Verschieberichtung des Verdrängerkolbens 13 hat dieser Kreisquerschnitt, während der Wärmetauschkörper 147 der einfacheren Herstellbarkeit wegen quadratischen Querschnitt hat. Die Kantenlänge des Quadratquerschnitts ist hierbei etwa gleich dem Durchmesser des Verdrängerkolbens 13 gewählt. Wie Figur 6 zeigt, sind in den den Kreisquerschnitt des Verdrängerzylinderabschnitts 11 übersteigenden Eckbereiche dem Verdrängerkolben 13 benachbart Sammelräume 171 vorgesehen, die es erlauben auch diese Bereiche des Wärmetauschkörpers 147 für die Erwärmung des Arbeitsgases auszunutzen.Seen in the direction of displacement of the displacer 13 has this circular cross section, while the heat exchange body 147 has the simpler manufacturability because of square cross-section. The edge length of the square cross section is in this case selected to be approximately equal to the diameter of the displacer piston 13. As FIG. 6 shows, collecting chambers 171 are provided in the corner regions, which exceed the circular cross section of the displacer cylinder section 11, adjacent to the displacer piston 13, which also allow these regions of the heat exchanger body 147 to be used for heating the working gas.
Auch die anhand der Figuren 6 und 7 erläuterte Heißgasmaschine ist, ähnlich der Heißgasmaschine der Figuen 1 bis 3 als Modul ausgebildet und eignet sich zum Aufbau einer Motoranordnung unter Verwendung mehrerer solcher Module, wie dies anhand der Figur 4 bereits erläutert wurde. Für die Steuerung der Zylinder-Kolben-Einheiten 1 beziehungsweise Module kann wiederum ein von einer elektronischen Steuerung gesteuertes Hydrauliksteuerventil vorgesehen sein, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Figur 8 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform, die ohne Hydraulikdruckquelle eine paarweise Synchronisierung von je zwei Zylinder-Kolben-Einheiten 1 erlaubt. Figur 8 zeigt die doppelt wirkenden Hydraulikzylinder 27 des Paars der nicht näher dargestellten Zylinder-Kolben-Einheiten 1. Mit 37 sind die mit dem Verdrängerkolben 13 verbundenen Kolbenstangen bezeichnet, die, wie bereits anhand der Figuen 1 bis 3 erläutert abgedichtet, jedoch verschiebbar die Arbeitskolben 5 der Einheiten 1 durchsetzen. Die Hydraulikanschlüsse 29 der den Verdrängerkolben fern gelegenen Druckräume sind über eine Verbindungsleitung 173 miteinander verbunden. Die Anschlüsse 31 der den Verdrängerkolben benachbarten Druckräume verbindet eine Leitung 175. Die Druckkammern und Verbindungsleitungen 173, 175 sind vollständig mit Hydraulikfluid gefüllt. Die Verdrängerkolben der beiden Zylinder-Kolben-Einheiten werden damit im Gegentakt gesteuert.The hot gas engine explained with reference to FIGS. 6 and 7 is likewise designed as a module, similar to the hot gas engine of FIGS. 1 to 3, and is suitable for constructing a motor arrangement using a plurality of such modules, as has already been explained with reference to FIG. For controlling the cylinder-piston units 1 or modules, in turn, a control valve controlled by an electronic control valve may be provided, as shown in FIG. FIG. 8 shows a simplified embodiment which permits a pairwise synchronization of two cylinder-piston units 1 without a hydraulic pressure source. FIG. 8 shows the double-acting hydraulic cylinders 27 of the pair of cylinder-piston units 1, which are not shown in more detail. 37 denotes the piston rods connected to the displacement piston 13, which as already explained with reference to FIGS. 1 to 3, but displaceably pass through the working pistons 5 of the units 1. The hydraulic connections 29 of the displacers remote pressure chambers are connected via a connecting line 173 together. The ports 31 of the displacer adjacent pressure chambers connects a line 175. The pressure chambers and connecting lines 173, 175 are completely filled with hydraulic fluid. The displacers of the two cylinder-piston units are thus controlled in push-pull.
Wie anhand der Figuren 1 bis 3 und 6 erläutert, können die Arbeitskolben 5 gegen die Kraft der Druckfedern 53 freischwingen. Auf der dem Verdrängerkolben 13 fernen Seite des Kolbens 33 ist in dem Hydraulikzylinder 27 eine Druckfeder 177 angeordnet. Die Druckfeder 177 dient als Anschlagpuffer, der den Verdrängerkolben in einer seiner Endstellungen abfedert. Eine auf der dem Verdrängerkolben zugewandten Seite des Kolbens 33 in dem Hydraulikzylinder 27 angeordnete Druckfeder puffert den Verdrängerkolben in seiner anderen Endstellung. Die Position der Druckfeder 177 kann mittels einer Stellschraube 181 justiert werden. Bei hinreichend großer Federweglänge der Druckfedern 177 können diese Druckfedern auch zur vollständigen Rückstellung des Verdrängerkolbens ausgenutzt werden, wobei durch Einstellen der Vorspannung auch die Schwingeigenschaften des Verdrängerkolbens justiert werden können.As explained with reference to Figures 1 to 3 and 6, the working piston 5 can freely swing against the force of the compression springs 53. On the displacer piston 13 far side of the piston 33, a compression spring 177 is arranged in the hydraulic cylinder 27. The compression spring 177 serves as a stop buffer, which absorbs the displacer in one of its end positions. A on the displacer side facing the piston 33 arranged in the hydraulic cylinder 27 compression spring buffers the displacer in its other end position. The position of the compression spring 177 can be adjusted by means of a set screw 181. With a sufficiently large spring travel length of the compression springs 177, these compression springs can also be utilized for the complete recovery of the displacer, wherein by adjusting the bias and the swing characteristics of the displacer can be adjusted.
Es versteht sich, dass die Anordnung der Figur 8 auch für Zylinder-Kolben- Einheiten gemäß den Figuren 1 bis 3 sowie in Verbindung mit einem Motor gemäß Figur 4 eingesetzt werden kann. It is understood that the arrangement of Figure 8 can also be used for cylinder-piston units according to Figures 1 to 3 and in conjunction with a motor according to Figure 4.

Claims

Ansprüche claims
1. Heißgasmaschine umfassend:1. Hot gas engine comprising:
- eine Zylinder-Kolben-Einheit (1) mit einem Arbeitszylinderabschnitt (3), in welchem ein Arbeitskolben (9) abgedichtet verschiebbar geführt ist und einem Verdrängerzylinderabschnitt (11 ), in welchem ein Verdrängerkolben (13) verschiebbar geführt ist, wobei der Verdrängerzylinderabschnitt (11), der Arbeitszylinderabschnitt (3) und der Arbeitskolben (9) gemeinsam einen abgeschlossenen, mit einem Arbeitsgas gefüllten Gasprozessraum (17) begrenzen, dessen Volumen entsprechend der Verschiebebewegung des Arbeitskolbens (9) variiert, und der Verdrängerkolben (13) den Gasprozessraum (17) in zwei Kammern (19, 21 ) unterteilt, von denen eine erste (19) der beiden Kammern (19, 21 ) von dem Verdrängerkolben (13) und dem Arbeitskolben (9) begrenzt ist und wobei die beiden Kammern (19, 21 ) über einen den Verdrängerkolben (13) überbrückenden Nebenschlussweg (25) für das Arbeitsgas miteinander verbunden sind,- A cylinder-piston unit (1) having a working cylinder section (3) in which a working piston (9) is guided displaceably sealed and a Verdrängerzylinderabschnitt (11), in which a displacer piston (13) is displaceably guided, wherein the Verdrängerzylinderabschnitt ( 11), the working cylinder section (3) and the working piston (9) together define a closed, filled with a working gas gas process space (17) whose volume varies according to the sliding movement of the working piston (9), and the displacer (13) the gas process space (17 ) in two chambers (19, 21), of which a first (19) of the two chambers (19, 21) of the displacer piston (13) and the working piston (9) is limited and wherein the two chambers (19, 21) are connected to one another via a bypass path (25) for the working gas bridging the displacer piston (13),
- eine Kühlanordnung (47) zum Kühlen des Arbeitsgases in der ersten (19) der beiden Kammern (19, 21),a cooling arrangement (47) for cooling the working gas in the first (19) of the two chambers (19, 21),
- eine Erhitzeranordnung (41 , 43, 45) zum Erwärmen desa heater arrangement (41, 43, 45) for heating the
Arbeitsgases in einer zweiten (21) der beiden Kammern (19, 21),Working gas in a second (21) of the two chambers (19, 21),
eine den Verdrängerkolben (13) in dem Verdrängerzylinderabschnitt (11) oszillierend hin- und herbewegende Antriebsanordnung (27; 133, 135) unda drive assembly (27, 133, 135) oscillating reciprocatingly the displacer piston (13) in the displacer cylinder portion (11) and
- eine mit dem Arbeitskolben (9) verbundene Abtriebsanordnung (55), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung des Verdrängerkolbens (13) als steuerbarer Fremdantrieb (27; 133, 135) ausgebildet ist, dessen Bewegungstakt relativ zum Bewegungstakt des Arbeitskolbens (9) zwangsweise änderbar ist.a driven arrangement (55) connected to the working piston (9), characterized in that the drive arrangement of the displacement piston (13) is designed as a controllable external drive (27; 133, 135) whose movement stroke is forcibly changeable relative to the movement stroke of the working piston (9).
2. Heißgasmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fremdantrieb einen über eine Kolbenstange (37) mit dem Verdrängerkolben (13) verbundenen Druckfluid-Antriebszylinder (27) umfasst, dem über eine von einer Steuerung (91 ) gesteuerte Steuerventilanordnung (93) Druckfluid mit zwangsweise vorbestimmter2. Hot gas machine according to claim 1, characterized in that the external drive via a piston rod (37) with the displacer (13) connected to the pressure fluid drive cylinder (27), via a control of a (91) controlled control valve assembly (93) pressurized fluid with forcibly predetermined
Taktfrequenz oder/und zwangsweise vorbestimmter Taktphase zuführbar ist.Clock frequency and / or forcibly predetermined clock phase can be fed.
3. Heißgasmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfluid-Antriebszylinder (27) ein doppelt wirkender3. Hot gas machine according to claim 2, characterized in that the pressure fluid drive cylinder (27) has a double-acting
Antriebszylinder ist.Drive cylinder is.
4. Heißgasmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfluid-Antriebszylinder (27) ein Hydraulik- Antriebszylinder ist.4. hot gas machine according to claim 2 or 3, characterized in that the pressure fluid drive cylinder (27) is a hydraulic drive cylinder.
5. Heißgasmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fremdantrieb einen über ein Kurbelgetriebe (133) mit dem Verdrängerkolben (13) verbundenen Elektromotor (133) umfasst, dessen Abtriebsdrehzahl oder/und Abtriebsphase mittels einer5. Hot gas machine according to claim 1, characterized in that the external drive via a crank gear (133) with the displacer (13) connected to the electric motor (133) whose output speed and / or output phase by means of a
Steuerung (91 ) zwangsweise vorbestimmbar ist.Control (91) is forcibly beforehand.
6. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerung (91 ) wenigstens ein eine vorbestimmte6. Hot gas machine according to one of claims 2 to 5, characterized in that the controller (91) at least one of a predetermined
Bewegungsstellung der Fremdsteuerung (27) erfassender Positionssensor (39) zugeordnet ist. Movement position of the third-party control (27) is detected associated position sensor (39).
7. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerzylinderabschnitt (11 ) und der Arbeitszylinderabschnitt (3) gleichachsig nebeneinander angeordnet sind und der Fremdantrieb (27; 133, 135) auf der dem Verdrängerzylinderabschnitt (11 ) axial abgewandten Seite des Arbeitszylinderabschnitts (3) angeordnet ist.7. Hot gas machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the displacement cylinder section (11) and the working cylinder section (3) are coaxially arranged side by side and the foreign drive (27; 133, 135) on the displacement cylinder section (11) axially facing away from side of the working cylinder section (3) is arranged.
8. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylinder-Kolben-Einheiten (1) vorgesehen sind, deren die8. Hot gas machine according to one of claims 1 to 7, characterized in that a plurality of cylinder-piston units (1) are provided, whose
Verdrängerkolben (13) bewegende Fremdantriebe (27; 133, 135) miteinander synchron gesteuert werden.Displacement piston (13) moving third-party drives (27, 133, 135) are synchronously controlled with each other.
9. Heißgasmaschine nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Paar Zylinder-Kolben-Einheiten (1) vorgesehen sind, deren Arbeitskolben (5) freischwingend ausgebildet sind und deren die Verdrängerkolben (13) bewegende Fremdantriebe (27) als doppelt wirkende Druckfluid-Antriebszylinder, insbesondere Hydraulikantriebs- zylinder ausgebildet sind, deren Druckräume zur Gleichlauf- synchronisierung über Verbindungsleitungen (173, 175) mit je einem der Druckräume des anderen Druckfluid-Antriebszylinders des Paars verbunden sind.9. hot gas machine according to claim 1 or the preamble of claim 1, characterized in that at least one pair of cylinder-piston units (1) are provided, the working piston (5) are designed to be free-running and their displacement piston (13) moving third-party drives (27 ) are formed as a double-acting pressure fluid drive cylinder, in particular hydraulic drive cylinder whose pressure chambers for synchronization synchronization via connecting lines (173, 175) are each connected to one of the pressure chambers of the other pressure fluid drive cylinder of the pair.
10. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebsanordnung eine von dem Arbeitskolben angetriebene Fluid-Druckpumpe (55) umfasst.10. Hot gas engine according to one of claims 1 to 9 or the preamble of claim 1, characterized in that the output arrangement comprises a driven by the working piston fluid pressure pump (55).
11. Heißgasmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Druckpumpe einen zum Arbeitszylinderabschnitt (3) gleichachsig neben diesem angeordneten Pumpzylinderabschnitt (57) mit einem Einlassventil (71 ) und einem Auslassventil (73) und einen mit dem Arbeitskolben (9) verbundenen, in dem Pumpzylinderabschnitt (57) abgedichtet verschiebbaren Pumpenkolben (61) umfasst.11. hot gas machine according to claim 10, characterized in that the fluid pressure pump to the working cylinder section (3) coaxially next to this arranged pump cylinder section (57) with an inlet valve (71) and an outlet valve (73) and a comprising with the working piston (9), in the pump cylinder section (57) sealed displaceable pump piston (61).
12. Heißgasmaschine nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinderabschnitt (3) mit dem Pumpzylinderabschnitt (57) dicht verbunden ist.12. Hot gas machine according to claim 11, characterized in that the working cylinder section (3) with the pump cylinder section (57) is tightly connected.
13. Heißgasmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpzylinderabschnitt (57) einen größeren Innendurchmesser hat als der Arbeitszylinderabschnitt (3).13. hot gas machine according to claim 11 or 12, characterized in that the pump cylinder portion (57) has a larger inner diameter than the working cylinder portion (3).
14. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (9) und der Pumpkolben (61 ) mit einer gemeinsamen14. Hot gas machine according to one of claims 9 to 13, characterized in that the working piston (9) and the pump piston (61) with a common
Kolbenstange (63) verbunden sind, die auf der dem Arbeitskolben (9) axial abgewandten Seite des Pumpkolbens (61 ) in einem Zylinderkopf (67) abgedichtet verschiebbar ist.Piston rod (63) are connected, which is sealed on the working piston (9) axially facing away from the pump piston (61) in a cylinder head (67) slidably.
15. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (9) auf seiner von der ersten Kammer (19) axial abgewandten Seite von einer Druckfeder (53) zur ersten Kammer (19) hin federnd vorgespannt ist.15. Hot gas machine according to one of claims 9 to 14, characterized in that the working piston (9) is resiliently biased on its from the first chamber (19) axially facing away from a compression spring (53) to the first chamber (19) towards.
16. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Druckpumpe (55) eine Luft- Druckpumpe ist.16. Hot gas machine according to one of claims 9 to 15, characterized in that the fluid pressure pump (55) is an air pressure pump.
17. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Druckpumpe (55) in Treibverbindung mit einem Druckfluidmotor (111 ) steht. 17. hot gas machine according to one of claims 9 to 16, characterized in that the fluid pressure pump (55) is in driving connection with a pressure fluid motor (111).
18. Heißgasmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet dass die Treibverbindung zwischen der Fluid-Druckpumpe (55) und dem Druckfluidmotor (111 ) einen Fluid-Druckpufferspeicher (109) enthält.18. hot gas machine according to claim 17, characterized in that the drive connection between the fluid pressure pump (55) and the pressure fluid motor (111) includes a fluid pressure buffer memory (109).
19. Heißgasmaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfluidmotor (111 ) in Treibverbindung mit den Fluid- Druckpumpen (55) mehrerer Zylinder-Kolben-Einheiten (1) steht.19. Hot gas engine according to claim 17 or 18, characterized in that the pressure fluid motor (111) is in driving connection with the fluid pressure pumps (55) of a plurality of cylinder-piston units (1).
20. Heißgasmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einheiten (1 ) als untereinander gleiche Moduleinheiten ausgebildet sind.20. hot gas machine according to claim 19, characterized in that the cylinder-piston units (1) are formed as mutually identical modular units.
21. Heißgasmaschine nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Fremdantriebe (27; 133, 135) wenigstens eines Paars der Zylinder-Kolben-Einheiten (1 ) so gesteuert sind, dass die Verdrängerkolben (13) des Paars sich gegenphasig bewegen. 021. Hot gas engine according to claim 19 or 20, characterized in that the controllable third drives (27; 133, 135) of at least one pair of cylinder-piston units (1) are controlled so that the displacement piston (13) of the pair move in opposite phase , 0
22. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfluidmotor (111 ) in Wärmetauschverbindung mit der Kühlanordnung (47) zumindest einer Kolben-Zylinder-Einheit (1 ) steht. 522. Hot gas engine according to one of claims 17 to 21, characterized in that the pressure fluid motor (111) is in heat exchange connection with the cooling arrangement (47) of at least one piston-cylinder unit (1). 5
23. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 22 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (13) in dem Verdrängerzylinderabschnitt (11 ) radial geführt ist und an seinem Umfang zur Bildung des o Nebenschlusswegs (25) eine Vielzahl im Wesentlichen axial verlaufender, die beiden Kammern (19, 21) miteinander verbindender Nuten (75) aufweist. 23. hot gas machine according to one of claims 1 to 22 or the preamble of claim 1, characterized in that the displacer (13) in the Verdrängerzylinderabschnitt (11) is guided radially and at its periphery to form the o bypass path (25) a plurality in Has substantially axially extending, the two chambers (19, 21) interconnecting grooves (75).
24. Heißgasmaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nuten (75) und ihre Tiefe so gewählt sind, dass die Nuten (75) einen Regenerator bilden.24. hot gas machine according to claim 23, characterized in that the number of grooves (75) and their depth are chosen so that the grooves (75) form a regenerator.
25. Heißgasmaschine nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (75) schräg zur Achsrichtung des Verdrängerkolbens (13) verlaufen.25. Hot gas machine according to claim 23 or 24, characterized in that the grooves (75) extend obliquely to the axial direction of the displacement piston (13).
26. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (21) auf der dem Verdrängerkolben (13) axial abgewandten Seite durch einen mittels der Erhitzeranordnung (41 , 43) erwärmbaren Zylinderkopf (15) abgeschlossen ist, der eine Vielzahl zur zweiten Kammer (21 ) hin offene, im Wesentlichen axial sich erstreckende Kanäle (81 ) aufweist.26. Hot gas machine according to one of claims 1 to 25 or the preamble of claim 1, characterized in that the second chamber (21) on the said displacer (13) axially facing away by a means of the heater assembly (41, 43) heatable cylinder head ( 15) is completed, which has a plurality of the second chamber (21) open, substantially axially extending channels (81).
27. Heißgasmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kanäle (81 ) an deren dem Verdrängerkolben (13) axial abgewandten Enden in Strömungsverbindung miteinander stehen.27. hot gas machine according to claim 26, characterized in that at least a part of the channels (81) at their the displacer (13) axially opposite ends are in flow communication with each other.
28. Heißgasmaschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (81) über quer verlaufende Kanäle (83) in Strömungsverbindung miteinander stehen.28. Hot gas machine according to claim 27, characterized in that the channels (81) via transversely extending channels (83) are in fluid communication with each other.
29. Heißgasmaschine nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (13) dem Zylinderkopf (15) axial zugewandt wenigstens einen Pumpfortsatz (87) trägt, dem in dem Zylinderkopf (15) jeweils eine in Strömungsverbindung mit den Kanälen (81 , 83) stehende Pumpkammer (85) zugeordnet ist.29. Hot gas engine according to claim 27 or 28, characterized in that the displacement piston (13) axially facing the cylinder head (15) carries at least one pump location (87), in which the cylinder head (15) in each case one in fluid communication with the channels (81, 83) is assigned standing pump chamber (85).
30. Heißgasmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zu der zweiten Kammer (21 ) offenen Kanäle (149) in dem die erste Kammer (19) mit der zweiten Kammer (21 ) verbindenden Nebenschlussweg (143, 145) für das Arbeitsgas liegen und dass der Zylinderkopf (15) als Wärmetauschkörper (147) ausgebildet ist, der zusätzlich zu den das Arbeitsgas führenden, erstgenannten Kanälen30. Hot gas machine according to claim 26, characterized in that the channels (149) open to the second chamber (21) are in the bypass passage (143, 145) for the working gas connecting the first chamber (19) to the second chamber (21), and in that the cylinder head (15) acts as a heat exchange body (147 ) is formed, in addition to the working gas leading, the former channels
(149) in Wärmetauschkontakt mit diesem stehende, ein Wärmeträgerfluid führende zweite Kanäle (155) enthält.(149) contains in heat exchange contact with this standing, a heat transfer fluid leading second channels (155).
31. Heißgasmaschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten . Kanäle (149) auf der dem Verdrängerkolben (13) axial abgewandten Seite gemeinsam in einem mit dem Nebenschlussweg (143, 145) verbundenen Sammelraum (153) des Zylinderkopfs (15) münden.31. hot gas machine according to claim 30, characterized in that the first. Channels (149) on the said displacer (13) axially facing away from one another in a connected to the bypass path (143, 145) collecting space (153) of the cylinder head (15) open.
32. Heißgasmaschine nach Anspruch 30 oder 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kanäle (155) quer zu den ersten Kanälen (149) verlaufen und in einem Heißluftweg der Erhitzeranordnung, insbesondere im Abgasweg eines Brenners angeordnet sind.32. Hot gas machine according to claim 30 or 31, characterized in that the second channels (155) extend transversely to the first channels (149) and are arranged in a hot air path of the heater arrangement, in particular in the exhaust path of a burner.
33. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (149) und/oder zweiten (155) Kanäle geradlinige Kanäle sind.33. hot gas machine according to one of claims 30 to 32, characterized in that the first (149) and / or second (155) channels are rectilinear channels.
34. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (149) und/oder zweiten (155) Kanäle als im Kanalquerschnitt flache Spaltkanäle ausgebildet sind.34. Hot gas machine according to one of claims 30 to 33, characterized in that the first (149) and / or second (155) channels are formed as flat in the channel cross-section channels.
35. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauschkörper (147) als Stapel einer Vielzahl Platten (163) ausgebildet ist, von denen zumindest die im Inneren des Stapels liegenden Platten (163) auf wenigstens einer ihrer Flachseiten zur Bildung der Kanäle (149, 155) mehrere nebeneinander und im Abstand voneinander angeordnete Nuten (165, 167) enthalten, die durch eine im Stapel benachbarte Platte (163) zur Bildung der Kanäle (149, 155) überdeckt sind.35. hot gas machine according to one of claims 30 to 34, characterized in that the heat exchange body (147) as a stack of a plurality of plates (163) is formed, of which at least lying in the interior of the stack plates (163) on at least one of its flat sides to form the channels (149, 155) a plurality of juxtaposed and spaced apart grooves (165, 167) containing by a stack adjacent plate (163) to form the channels (149, 155) are covered.
36. Heißgasmaschine nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stapel benachbarte Platten (163) entlang ihrer Umfangsränder gegeneinander abgedichtet sind, insbesondere durch eine dichte Schweißnaht (169) aneinander befestigt sind.36. hot gas machine according to claim 35, characterized in that in the stack adjacent plates (163) are sealed against each other along their peripheral edges, in particular by a tight weld (169) are fastened together.
37. Heißgasmaschine nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (163) als Gussteile ausgebildet sind.37. hot gas machine according to claim 35 or 36, characterized in that the plates (163) are formed as castings.
38. Heißgasmaschine nach Anspruch 30 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (15) als Gussteil ausgebildet ist, in dem der Wärme- tauschkörper (147) als separat hergestelltes Teil eingegossen ist.38. hot gas machine according to claim 30 to 37, characterized in that the cylinder head (15) is designed as a casting, in which the heat exchange body (147) is cast as a separately manufactured part.
39. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 30 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass gesehen in Achsrichtung des Verdrängerkolbens (13) der Verdränger- kolben (13) Kreisquerschnitt und der Wärmetauschkörper (147) Rechteckquerschnitt, insbesondere quadratischen Querschnitt hat.39. hot gas machine according to one of claims 30 to 38, characterized in that seen in the axial direction of the displacer (13) of the displacer piston (13) circular cross-section and the heat exchange body (147) has a rectangular cross-section, in particular square cross-section.
40. Heißgasmaschine nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturlänge des Rechteckquerschnitts größer als der Durchmesser des Kreisquerschnitts ist und der Zylinderkopf (15) auf der dem40. hot gas machine according to claim 39, characterized in that the contour length of the rectangular cross section is greater than the diameter of the circular cross section and the cylinder head (15) on the
Verdrängerkolben (13) zugewandten Seite in dem über dem Kreisquerschnitt überstehenden Eckbereichen des Rechteckquerschnitts in die zweite Kammer führende Sammelräume (171) bildet. Displacement piston (13) side facing in the over the circular cross-section protruding corner regions of the rectangular cross-section leading into the second chamber collecting spaces (171).
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