Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasverdichter, bei dem die Energiezufuhr mittels einer äußeren Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen er¬ folgt und diese in eine adäquate Kompressionsarbeit ver- wandelt wird. Es soll möglichst effektiv das gas- oder dampfförmige Arbeitsmedium in zwei Druckbehältern un¬ terschiedlichen Druckes separiert werden, und dieses Druckpotential soll zur Erzeugung mechanischer Arbeit oder zum Betrieb einer Wärmepumpe bzw. einer Kältema- schine ausgenutzt werden. Im Gegensatz zum bekannten Stirling-Motor besteht der Gasverdichter aus dem ther- momechanisehen Konverter und einem separaten Expansions¬ motor, in dem die durch den Konverter erzeugte Druck¬ differenz in mechanische Arbeit verwandelt wird. Hierbei wird Hochdruckgas, vorzugsweise Helium oder Wasserstoff als Arbeitsmedium für den Druckkonverter und die an die Druckspeicher angeschlossene Kraft- oder Kältemaschine verwendet. Dies bringt für den praktischen Betrieb den Nachteil mit sich, daß bei hohen Arbeitsdrücken, die im Interesse eines geringen Leistungsgewichtes anzustre¬ ben sind, eine zuverlässige Abdichtung des Arbeitsme¬ diums in Kraft- oder Kältemaschine unmöglich wird. Es sind ferner bislang keine gebräuchlichen Expansionsma¬ schinen bekannt, die einen Trockengasbetrieb erlauben.

Die vorliegende Erfindung vermeidet beide Nachteile, indem zwischen thermomechanischem Konverter und dem Expansionsmotor bzw. der Kältemaschine eine Trennvor¬ richtung geschaltet wird, wodurch für die Druckerzeugung im Konverter und für die Expansionsvorrichtung verschie- dene und unterschiedliche Arbeitsmedien angewandt werden können. Vorzugsweise werden im Konverter Heliumgas von hohem Druck und im Expansionskreis ein Gas-ölgemisch verwendet, das eine ölgeschmierte und druckdichte Expan-

sionsmaschine anzuwenden erlaubt.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Gasver¬ dichters;

Fig. 2 ein Diagramm des Druckverlaufs des Arbeitsgases;

Fig. 3 ein Diagramm des Voluιt ^* endurchsatzes des thermomechanischen Konverters;

Fig. 4 eine Teilansicht einer geänderten Ausführungsform;.

Fig. 5 eine Teilansicht einer weiteren Aus¬ führungsform.

Der Gasverdichter besteht aus dem Arbeitszylinder 1, in dem der schlecht wärmeleitende Verdrängerkolben 2, der an der durch den Zylinderboden druckdicht geführten Kol¬ benstange 3 befestigt ist über eine Kr.>»uzkopfführung so¬ wie das Pleuel 4 von der Kurbelwelle 5 etwa sinusförmig zwischen oberen und unterem Totpunkt bewegt wird. Die zum Betrieb erforderliche Wärmeleistung wird dem Arbeits¬ zylinder 1 über den Rippenwärmetauscher 6 im Inneren der Brennkammer 7 zugeführt. Z linderköpf und der untere Zy¬ linderraum 8 sind über den thermischen Regenerator 9, den Kühler 10 und besagten Rippenwärmetauscher 6 verbun¬ den, so daß auf dem Verdrängerkolben 2 lediglich der Druckunterschied lastet, der durch die Störmungsverluste in den Wärmetauschern 6, 10 und im Regenerator 9 verur¬ sacht wird. Die thermische Isolation der auf hoher Tem-

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peratur (400 bis 800°C) befindlichen Teile ist in Fig.1 nur angedeutet; sie ist aber zu einem Teil für den bei der Umsetzung von Heiz- in Druckenergie erzielten Wir¬ kungsgrad verantwortlich.

Der untere Arbeitsraum 8 des Zylinders 1 ist mit dem Medienseparator verbunden, der in Fig. 1 als geteilter flacher Druckbehälter dargestellt . ist, der aus zwei Kugelkalotten 11a, 11b besteht, die gasdicht durch die elastische Membran 12 getrennt sind. Die Kalotte 11b ist über die Rückschlagventile 13, 14 mit unterschiedlicher Durchströmrichtung mit dem Druckbehälter 15 bzw. mit dem druckdichten Kurbelgehäuse 16 verbunden, in dem der Elektromotor 17 für den Antrieb des Verdrängerkol¬ bens angeordnet ist. Zwischen dem Hochdruckbehälter 15 und dem als Niederdruckbehälter fungierenden Kurbelge¬ häuse 16 ist der Expansionsmotor 18 geschaltet, dessen Mengenstrom durch das Regelventil 19 einzustellen ist.

Da die im Arbeitszylinder 1 und angeschlossenem Teilvo¬ lumen 11a des Medienseparators enthaltene Gasmenge kon- stant ist, wird sich der darin einstellende Gasdruck periodisch ändern, wenn der Verdrängerkolben 2 zwischen den Totpuhktlagen hin- und hergeschoben wird.

In Fig. 2 ist der Druckverlauf im Arbeitsgas dargestellt für den Fall, daß im Druckbehälter 15 ein höherer Druck herrscht als dem Maximalwert im Arbeitszylinder ent¬ spricht und das Ventil 19 geschlossen ist. Die mit dem Kammervolumen 11b des Fluidseparators verbundenen Kom¬ ponenten 15, 16 "und 18 sind mit einem Gas-Ölgemisch ge¬ füllt; als Druckgas sind außer Helium oder Wasserstoff auch Stickstoff oder Kohlendioxid geeignet, da ihre kine .matische Zähigkeit merklich größer und der Adiabatenex¬ ponent kleiner als bei Helium sind. Letzterer bewirkt

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eine geringere TemperaturabSenkung des Arbeitsmediums während der Entspannung im Expansionsmotor 18.

Befindet sich der Verdrängerkolben 2 im unteren Totpunkt und damit die Hauptmenge des Arbeitsgases im oberen Zy- linderabschnitt, so erreicht der Gasdruck seinen Maximal¬ wert und wird das Kammervolumen 11b soweit zusammenge¬ preßt, bis der Gasdruck im Zylinder 1 mit dem Druck p, im Behälter 15 übereinstimmt, das Rückschlagventil 14 bleibt währenddessen geschlossen. Bei der Aufwärtsbewe- gung des Verdrängerkolbens 2 nimmt der Gasdruck ab und wird nach Erreichen des im Kurbelgehäuse 16 herrschende Druckes p das Ventil geöffnet und das Gas-ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt; die Membran 12 liegt im Extrem¬ fall an der Innenwand von 11a an.

Bei geöffnetem Ventil 19 wird dem Expansionsmotor 18 das Gas-ölgemisch mit dem Druck p, zugeführt und verläßt die¬ sen mit dem Druck p . Bezeichnet man den durchgesetzten Volumenstrom mit V ⁿ (m3/s) , so beträgt die im Expander erzeugte mechanische Leistung P = (p _h - p _n ) V =Δp.V, wenn dieser das Druckgefälle Δp = p, - p verarbeitet.

Bei großem Volumendurchsatz wird sich das Druckg ^* efälle im Konverter verringern, wie aus dem gestrichelten Druck¬ verlauf in Fig. 2 der über dem Kurbelwinkel t> aufgetra- gen ist, hervorgeht. Beim Kurbelwinkel φ, öffnet sich das Ventil 13 und wird während der Phase , < ψ < 2 TI das Kammervolumen 11b des Fluidseparators in den Hoch¬ druckbehälter 15 gepumpt. Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 sinktder Gasdruck und erreicht beim Phasenwinkel φ den im Kurbelgehäuse 16 herrschenden

Druck p . Zwischen φ <φ<TI bleibt das Ventil 14 geöffnet und wird Gas-ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt. Mit zunehmendem Volumenstrom V , d.h. mit wachsender Drehzahl

n des Expanders 18 nimmt die Druckdifferenz (p _τ _-p ) ⁿ ab, da sich die Öffnungswinkel bzw. , nach kleine¬ ren Kurbelwinkeln verlagern.

Aus dem angeführten Zusammenhang resultiert zwischen Λp und V: Für V=0, d.h. im Stillstand des Expansionsmo¬ tors, wirdap und damit das erzeugte Drehmoment seinen Höchstwert erreichen. Nimmt die zu V proportionale Dreh¬ zahl zu, so nimmt zwarΔP ab, doch erreicht das Produkt Δp.V=P (Leistung) einen Maximalwert, der bei hohen Dreh- zahlen wieder abnimmt. In Fig. 3 sind über dem Volumen¬ durchsatz V des thermomechanischen Konverters bzw. über der Drehzahl des Expanders 18 Drehmoment D und Leistung P aufgetragen. Die Leistungscharakteristik der Maschine, die aus Konverter und Expansionsmotor' besteht, entspricht der eines Hauptschluß-Elektromotors; bei der Anwendung für den Antrieb eines Fahrzeuges erübrigen sich daher die Kupplungsvorrichtung und ein Schaltgetriebe.

Im Primärkreis, d.h. im Arbeitszylinder 1 mit ange¬ schlossenen Wärmetauschern 7, 9 und Regenerator 8 fin- det anstelle von Helium- oder Wasserstoffgas der über¬ hitzte Dampf einer kondensierbaren Substanz, z.B. Pro- pylen, fluorierte Kohlenwasserstoffe,Anwendung« Der Vor¬ teil dieser im Bereich der Sattdampfzustände stark vom idealen Gasverhalten abweichenden Stoffe besteht für den Primärkreis darin, daß für dasselbe Druckverhältnis p, / p eine niedrigere Heiz emperatur T_ für den Wärmetau¬ scher 6(Fig. 1) angewandt werden kann und dadurch Wärme- leitungs- und Abstrahlverluste des Zylinders 1 verrin¬ gert werden.

Im Sekundärkreis des Fluidseparators, der neben den

Druckpuffern den Expansionsmotor oder eine WärmemasChi¬ ne enthält, kann ein beliebiges Arbeitsmedium benutzt

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werden. Als solches bietet ein Gemisch aus Stickstoff oder Kohlendioxid und Mineralöl den Vorteil, daß eine relativ hohe Arbeitsfrequenz in Wandler und Separator angewandt werden kann und für den Sekundärkreis die 5 unabdingbare Schmierung und Abdichtung des Expansions¬ motors gewährleistet wird. Gleichzeitig verringert sich mit einem mehratomigen Arbeitsmedium im Sekundärkreis wegen des kleineren Adiabatenexponenten die beim Kom¬ pressionstakt im Separator entstehende Temperaturer- 10 höhung und die bei der arbeitsleistenden Entspannung im motor auftretende Temperaturemiedrigung. Letztere kann dazu genutzt werden, um mit Hilfe eines zusätzlichen Wärmetauschers die im Kühler 10 abzuführende Wärmelei- . stung zu verringern.

15 Im Sekundärkreis wird anstelle des Kurbelgehäuses 16 ein zweiter Druckbehälter an das ^" Rückschlagventil 14 angeschlossen, in den das expandierte Arbeitsmedium aus dem Expander 18 vom Druck p strömt. Da die gebräuchli- chen Expansionsmotoren bei Umkehr der Drehrichtung als

20 Pumpe wirken, kann diese Eigenschaft zusammen mit be¬ sagten Druckspeichern dazu benutzt werden, um bei einem von einem solchen Expansionsmotor angetriebenen Fahrzeug - • die während des Bremsvorganges entstehende Bremsenergie zu speichern. Hierzu werden erfindungsgemäß die zum Ex-

25 pander führenden Gasleitungen mit Hilfe eines besonderen Umschaltventils vertauscht.

In einer weiteren konstruktiven Ausführung,die verein¬ facht in Fig. 4 dargestellt ist, befindet sich auch der Expansionsmotor 1-8 im Kurbelgehäuse 16. Seine Abtriebs- 30 achse 20 ist gasdicht aus diesem herausgeführt. Der Ex¬ pansionsmotor 18 ist an den elektrischen Motor-Generator 17 gekuppelt und treibt nach dem Anlassen nicht nur die Kurbelwelle 5 bzw. den Verdrängerkolben 2 an, sondern

kann auch alternativ und regelbar elektrische Energie erzeugen, die gespeichert werden kann.

Der Expansionsraotor 18 ist nicht an den Standort des thermomechanischen Konverters gebunden, sondern kann mittels flexibler Hochdruckschläuche über die lösbaren Kupplungen 21, 22 an das Regelventil 19 bzw. an das Kur¬ belgehäuse 16 angeschlossen werden. Ferner ist auch der Parallelbetrieb mehrerer gleichartiger Expander möglich, deren Drehzahl sich selbsttätig entsprechend dem abge- gebenen Drehmoment einstellt. Es ergeben sich vielsei¬ tige Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten des Fahr¬ zeugantriebes, der fahrbaren und stationären Hebezeuge, der Förderanlagen u.a..

Die Leistungsfähigkeit und Abmessungen dieser neuartigen Wärmekraftmaschine läßt sich aus theoretischen Überlegun¬ gen und praktischen Ergebnissen ableiten: Mit einem Hub- volumen von 1 dm , einer Heiztemperatur T_ ^* =500°C, einem Maximaldruck p,=100 bar beträgt bei einer Drehzahl von 1500 1/min die theoretische mechanische Leistung etwa 25 kW; praktisch wird dieser Wert durch den Wirkungsgrad des Konverters und des Expansionsmotors .nur zu etwa 65% erreicht.

Größere Leistungen werden als Mehrzylindermaschinen aus¬ geführt; die gegenseitige Ausrichtung der Zylinder und die Phasenlage der Verdrängerkolben werden zweckmäßig derart gewählt, daß a) sich die freien Massenkräfte kom¬ pensieren, b) die unteren Arbeitsräume 8 der Zylinder mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkolben mit der Gas¬ seite 11a eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden, und c) die Hochtemperaturwärmetauscher 6 aller Arbeits¬ zylinder in einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet sind

Eine spezielle Konstruktion des Fl idseparators, die den in Fig. 1 gezeigten im Vorteil dann ersetzt, wenn die mittleren Arbeitsdrücke im Primär- und Sekundärkreis verschieden sein sollen, ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist. in dem druckfestem Ge¬ häuse 23 mit den Rückschlagventilen 13,14 der Diffe¬ rentialkolben 24, 25 zwischen den Endlagern frei ^• verschiebbar. - Das von der Rückseite des Kolbens 24 und dem Gehäuse 23 eingeschlossene Volumen ist z.B. mit dem Fluid des Sekundärkreises gefüllt und wird mit dem Druckbehälter 26 verbunden, in dem der konstante, ein¬ stellbare Kompensationsdruck p herrscht. Die Extrem¬ drücke p' und p' im Sekundärkreis werden im Vergleich zu denen im Primärkreis im Verhältnis der entsprechenden Kolbenguerschni.tte übersetzt. Durch Wahl des passenden Kompensationsdruckes p lassen sich die in Fig. 2 einge¬ tragenen Drücke nach unten verschieben und kann der Mi¬ nimaldruck p . etwa zu Null kompensiert, werden.

Es lassen sich im Vergleich zur konventionellen Wärme- kraftmaschine folgende Vorteile herausstellen:

1) Die beschriebene Wärmekraftmaschine wird durch äußere Zufuhr von thermischer Energie betrieben, wobei als ' Primä:- ^* energieträger flüssige, gasförmige und feste Brennstoffe genutzt werden können. Die bei ihrer Ver- brennung auftretenden relativ niedrigen Betriebstem¬ peraturen von maximal 800°C ergeben im Vergleich zum herkömmlichen Otto- oder Dieselmotor nur etwa ein Zehntel der Schadstoffemission an Stickoxiden und Kohlenmonoxid.

«_ 2) Der in der beschriebenen Wärmekraftmaschine ablaufen¬ de Arbeitsprozeß spielt sich in einem kleinen Druck¬ verhältnis von etwa 1:2 ab, wobei die wenigen beweg¬ lichen Teile, wie Verdrängerkolben, nur gegen geringe dynamische Druckdifferenzen abgedichter zu werden

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brauchen, was sich in einer langen Lebensdauer und hoher Betriebssicherheit niederschlägt.

3) Während im Primärkreis vorzugsweise inertes Helium unter hohem Druck angewandt wird, werden im ange- koppelten Sekundärkreis für den Betrieb des oder der Expansionsmotoren passende Gas-Ölgemische als Arbeitsmedium benutzt, welche eine zusätzliche Dicht- und Schmierfunktion erfüllen.

4) Bei der Anwendung auf den Fahrzeugantrieb läßt sich auf einfachste Art der Einzelradantrieb realisieren, da die Expansionsmotoren über flexible Druckschläuche an die gemeinsamen Druckbehälter angeschlossen werden. Durch Vertauschen von Zu- und Rückleitung der einzel¬ nen Motoren mit Hilfe herkömmlicher Umschaltventile kann die Bremsenergie als Druckenergie in den Druck¬ behältern gespeichert werden.