DE10024123A1

DE10024123A1 - Stirling cycle machine has displacement and working pistons moved with same stroke and same phase position, displacement piston has smaller diameter than working piston, and expansion chamber has dead volume

Info

Publication number: DE10024123A1
Application number: DE2000124123
Authority: DE
Inventors: J Franz Obermoser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-11-29

Abstract

The Stirling cycle machine has displacement and working pistons are moved with the same stroke and same phase position. The displacement piston has a smaller diameter than the working piston, and the expansion chamber has a dead volume(20). The displacement and working pistons are formed as one unit as a stepped piston(8). The stepped piston acts upon a crankshaft through a connecting rod(10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stirlingmaschine umfassend einen Expansionsraum, einen Kompressionsraum, einen Verdrängerkolben, der diese Räume voneinander trennt, eine Erhitzer-Regenerator-Kühleranordnung, die die beiden Räume miteinander verbindet sowie einem Arbeitkolben, der koaxial zum Verdrängerkolben angeordnet ist.The present invention relates to a Stirling engine comprising a Expansion space, a compression space, a displacement piston, this A heater-regenerator-cooler arrangement that separates the rooms connects both rooms with each other and a working piston, which is coaxial to the Displacement piston is arranged.

Diese Anordnung wird im allgemeinen als β-Typ bezeichnet und hat wegen der koaxialen Anordnung der beiden Kolben gegenüber anderen Ausführungen den Vorteil eines relativ unkomplizierten äußeren Aufbaus. Nachteilig ist jedoch, dass die Antriebsstange für den Verdrängerkolben durch den Arbeitskolben hindurch geführt werden muß, was eine hochpräzise und komplizierte Mechanik erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil liegt in der, im Vergleich zum Ottomotor, niedrigen erreichbaren Drehzahl wodurch auch die Leistung pro Masse relativ niedrig ausfällt. Trotz der allgemein anerkannten Vorteile einer Stirlingmaschine konnten sich bisherige Ausführungen daher noch nicht am Markt durchsetzen.This arrangement is commonly referred to as the β type and has because of the coaxial arrangement of the two pistons compared to other designs Advantage of a relatively uncomplicated external structure. The disadvantage, however, is that the Drive rod for the displacement piston is guided through the working piston must be, which requires a highly precise and complicated mechanics. On Another disadvantage is the low achievable compared to the gasoline engine Speed, which means that the output per mass is relatively low. Despite the previously recognized advantages of a Stirling engine could be Therefore, do not yet implement designs on the market.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, Maschinen der gattungsgemäßen Art mit einem möglichst einfachen Kurbeltrieb auszustatten, ihnen gleichzeitig einen höheren Drehzahlbereich zu erschließen und so die Produktionskosten zu senken, die Leistung pro Gewicht zu erhöhen und die Anwendungsbereiche zu erweitern.The aim of the present invention is therefore to use machines of the generic type to provide the simplest possible crank drive, at the same time a higher one Open up the speed range and thus reduce the production costs Increase performance per weight and expand the application areas.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass Verdrängerkolben und Arbeitskolben gleichphasig und mit gleichem Hub betrieben werden, dass der Verdrängerkolben einen geringeren Durchmesser aufweist als der Arbeitskolben und dass im Expansionsraum ein Totvolumen vorgesehen ist. Dadurch wird es möglich, beide Kolben über ein gemeinsames Pleuel mit einer Kurbelwelle zu verbinden. This aim is achieved according to the invention in that displacement pistons and Working pistons are operated in phase and with the same stroke that the Displacement piston has a smaller diameter than the working piston and that a dead volume is provided in the expansion space. This makes it possible Connect both pistons to a crankshaft using a common connecting rod.

Grundlage für diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ist die Erkenntnis, dass Expansionsraum und Kompressionsraum Gasfedern darstellen, welche zusammen mit der Gasmasse in der Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung ein schwingungsfähiges System darstellen, welches - angeregt durch den Arbeitskolben - bei einer bestimmten Drehzahl in Resonanz gerät, wobei sich dieses Schwingungssystem dann mit 90° Phasenversatz zum anregenden Kolben bewegt.The basis for this configuration according to the invention is the knowledge that Expansion space and compression space represent gas springs, which together with the gas mass in the heater-regenerator-cooler arrangement is an oscillatory one Represent system, which - stimulated by the working piston - in a certain speed resonates, this vibration system then moved to the exciting piston with 90 ° phase offset.

Bei einer herkömmlichen Maschine dieser Art addiert sich diese Phasenverschiebung mit der vom Verdränger erzeugten Phasenverschiebung zu 180°, wodurch spätestens bei der Resonanzdrehzahl die Leistung auf Null abfällt. Bei einer erfindungsgemäßen Maschine hingegen wird der ideale Wert von 90° Phasenverschiebung bei der Resonanzdrehzahl erreicht.In a conventional machine of this type, this phase shift adds up with the phase shift generated by the displacer to 180 °, whereby at the latest the power drops to zero at the resonance speed. In an inventive The machine, on the other hand, becomes the ideal value of 90 ° phase shift at the Resonance speed reached.

Aufgrund der höheren Drehzahl erreicht eine erfindungsgemäße Maschine trotz stark vereinfachtem Aufbau im Vergleich zu einer herkömmlichen Maschine gleicher Größe eine deutlich höhere Leistung. Bei herkömmlichen Maschinen verschiebt man im allgemeinen den Leistungsabfall in etwas höhere Drehzahlbereiche durch den Einsatz von Helium als Arbeitsgas, wodurch die Maschine auch aufgrund von Dichtungsproblemen teuer wird. In einer erfindungsgemäßen Maschine kann durch die bewußte Nutzung der Resonanzen ein beliebiges inertes Gas als Arbeitsmedium genommen werden, was eine weitere Kostenreduktion darstellt.Due to the higher speed, a machine according to the invention achieved despite strong simplified structure compared to a conventional machine of the same size a significantly higher performance. With conventional machines you move in general the drop in performance in somewhat higher speed ranges through the use of helium as the working gas, which also makes the machine Sealing problems becomes expensive. In a machine according to the invention, the conscious use of the resonances of any inert gas as a working medium be taken, which represents a further cost reduction.

Die wesentlichen Vorteile einer erfindungsgemäßen Maschine sind daher der einfachere Aufbau, die höhere Leistung pro Masse sowie der mögliche Einsatz von billigeren Arbeitsmedien. Der einfache Aufbau, die Verwendung von billigerem Arbeitsmedium und die höhere Leistungsdichte einer erfindungsgemäßen Maschine ermöglichen so eine weitere Verbreitung der Stirlingmaschine. Die Anwendungen beinhalten die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische, mechanische oder hydraulische Energie, sowie die Umwandlung von elektrischer, mechanischer oder hydraulische Energie in thermische Energie. Das gute Verhältnis von Leistung zu Gewicht ermöglicht auch Anwendungen in mobilen Bereichen wie Verkehr und Kleingeräte. The main advantages of a machine according to the invention are therefore simpler structure, the higher performance per mass and the possible use of cheaper working media. The simple structure, the use of cheaper Working medium and the higher power density of a machine according to the invention thus enable the Stirling engine to spread further. The applications involve the conversion of thermal energy into electrical, mechanical or hydraulic energy, as well as the conversion of electrical, mechanical or hydraulic energy into thermal energy. The good ratio of performance Weight also enables applications in mobile areas such as traffic and Small appliances.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen in der bevorzugten Ausführungsform; darin zeigt:Further advantages and features emerge from the following description of a Embodiment in connection with the accompanying drawings in the preferred embodiment; therein shows:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Maschine im Querschnitt in der bevorzugten Ausführungsform und Fig. 2 schematisch den Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehzahl bei einer herkömmlichen Maschine und einer erfindungsgemäßen Maschine. Fig. 1 shows a machine according to the invention in cross section in the preferred embodiment and Fig. 2 schematically shows the course of the torque as a function of the speed in a conventional machine and a machine according to the invention.

In der Fig. 1 zeigt: (2) die Erhitzerröhrchen, (4) den Regenerator, (6) die Kühlerröhrchen, (7) den Stufenkolben im Hochpunkt (gestrichelt), (8) den Stufenkolben im Tiefpunkt, (10) die Pleuelstange, (11) das Gehäuse, (12) die Kolbenringe, (14) den Kompressionsraum, (16) den Kühlwasserkreislauf, (18) den Expansionsraum und (20) das Totvolumen im Expansionsraum.In Fig. 1 shows: (2) the heating pipes (4), the regenerator (6) the condenser tubes (7) of the stepped piston in the high point (dotted line), (8) the stepped piston in the low point (10) the connecting rod, ( 11 ) the housing, ( 12 ) the piston rings, ( 14 ) the compression chamber, ( 16 ) the cooling water circuit, ( 18 ) the expansion chamber and ( 20 ) the dead volume in the expansion chamber.

Aufgrund des Totvolumens (20) im Expansionsraum (18) bewirkt eine Kompressionsbewegung des Stufenkolbens (8) immer eine Verdrängung in Richtung des Expansionsraums (18). Diese Verdrängung ist bei niedrigen Drehzahlen gleichphasig mit der Kompression, es wird also keine Leistung erzeugt. Mit steigender Drehzahl eilt die Kompression der Verdrängung immer weiter voraus und erreicht bei der Eigenfrequenz f_c des Arbeitsmediums die ideale Phasenverschiebung von 90°.Because of the dead volume ( 20 ) in the expansion space ( 18 ), a compression movement of the stepped piston ( 8 ) always causes a displacement in the direction of the expansion space ( 18 ). At low speeds, this displacement is in phase with the compression, so no power is generated. With increasing speed, the compression rushes ahead of the displacement and reaches the ideal phase shift of 90 ° at the natural frequency f _{c of} the working medium.

Die Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehzahl bei einer herkömmlichen Maschine (1) und einer erfindungsgemäßen Maschine (2). mit der Resonanzfrequenz f_c des Arbeitsmediums. Fig. 2 shows schematically the course of the torque as a function of the speed in a conventional machine ( 1 ) and a machine according to the invention ( 2 ). with the resonance frequency f _{c of} the working medium.

Aufgrund der Phasenverschiebung der Resonanzschwingung in Abhängigkeit der Drehzahl fällt das Drehmoment einer herkömmlichen Stirlingmaschine bei steigender Drehzahl, während das Drehmoment einer erfindungsgemäßen Maschine sein Maximum bei f = f_c erreicht. Eine erfindungsgemäße Maschine kann daher mit höheren Drehzahlen arbeiten als herkömmliche Maschinen und dementsprechend leichter gebaut werden.Due to the phase shift of the resonance oscillation as a function of the speed, the torque of a conventional Stirling engine drops with increasing speed, while the torque of a machine according to the invention reaches its maximum at f = f _c . A machine according to the invention can therefore work at higher speeds than conventional machines and can accordingly be built lighter.

Claims

1. The present invention relates to a Stirling engine comprising an expansion space, a compression space, a displacement piston which separates these spaces from one another, a heater-regenerator-cooler arrangement which connects the two spaces to one another and a working piston which is arranged coaxially to the displacement piston, characterized in that that displacer and working piston are moved with the same stroke and the same phase position, the displacer piston has a smaller diameter than the working piston and the expansion space has a dead volume.

2. Stirling engine according to claim once characterized in that displacer and working pistons are designed as a component in the form of a stepped piston.

3. Stirling engine according to claim one and two, characterized in that this stepped piston acts on a crankshaft via a connecting rod.

4. Stirling engine according to claim one and two, characterized in that this stepped piston is designed as a free piston.