DE102005039417A1 - 4-Zyklen-Stirlingmotor mit 2 Doppelkolbeneinheiten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt einen 4-Zyklen-Stirlingmotor mit zwei Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, jeweils bestehend aus einem Expansionskolben, der über eine Kolbenstange fest mit einem Kompressionskolben verbunden ist und deren Kolbenstangenverlängerungen jeweils auf der Seite des Kompressionskolbens mit dem Getriebe in mechanischer Verbindung stehen.

Description

  • Doppelt wirkende 4-Zyklen-Stirling-Motoren sind in verschiedenen Varianten der Siemens-Anordnung bekannt. Bei diesen Motoren liegen 4 Zylinder nebeneinander und diese besitzen jeweils einen Expansions- und einen Kompressionsraum.
    •
  • Beschreibung
  • Die Erfindung beschreibt einen 4-Zyklen-Stirlingmotor (4ZM) mit 2 Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, jeweils bestehend aus einem Expansionskolben der über eine Kolbenstange fest mit einem Kompressionskolben verbunden ist und deren Kolbenstangenverlängerungen jeweils am Kompressionskolben angebracht sind und diese mit dem Getriebe in mechanischer Verbindung stehen.
  • Die Zyklenverbindungen nach 1 sind so hergestellt, dass jeder Zyklus einen Stirling-Motor-Prozess ausführen kann. In 1 findet mit Abwärtsbewegung der ersten Doppelkolbeneinheit und der hinterher eilenden zweiten Doppelkolbeneinheit im Zyklus 1 die Expansion statt, im Zyklus 2 die Kompression, im Zyklus 3 die isochore Wärmezufuhr und im Zyklus 4 die isochore Wärmeabfuhr. Der Drehkraftverlauf an der Kurbelwelle ist dadurch sehr ausgeglichen und durchweg positiv.
  • Da jeweils der erste Kolben einer Doppelkolbeneinheit als Führung für den zweiten genutzt werden kann, besteht die Möglichkeit ohne Kolbenringe mit definiertem Ringspalt zu arbeiten.
  • Es lässt sich ein Erhitzer einsetzen, bei dem 4 hintereinander liegende Einrohrspiralen in einem hohlen Gussgrundkörper angeordnet sind. Der Brenner kann sich innerhalb des Gussgrundkörpers befinden.
  • Zur gleichmäßigen Anströmung der Regeneratormatrix aus dünneren Arbeitsgasverbindungsrohren des 4ZM aber auch von anderen Stirlingmotoren lässt sich vor der Matrix ein Strömungskörper einbauen, der einen geringen beidseitigen Strömungswiderstand hat, das Gas gleichmäßig verteilt und vorzugsweise eine Kugel ist.
  • Um ein einfaches Wechseln der Dichtungen in der jeweiligen Zylindermitte zu ermöglichen, können diese in Form von Kolbenringen (19) auf den Kolbenstangen (3) und (8) ausgeführt werden. Dieses System ist auch für andere doppelt wirkende Stirlingmotoren mit hintereinander arbeitenden Kolben geeignet.
  • Die Zyklenkurzschlussventile (27) und (28) lassen sich zur Regelung des Motors im Teillastbetrieb nutzen.
  • Vorteile
  • Gegenüber dem doppelt wirkenden 4-Zylen-Stirling-Motor ergeben sich folgende Vorteile
    • • Einfacheres Getriebe und weniger mechanische Reibung
    • • Geringe Vermischungsverluste des Arbeitsgases
    • • Geringe Wärmeleitungsverluste insbesondere im Bereich der Zylinderwand
    • • Kompakterer Aufbau
    • • Variationsmöglichkeit des Expansionsraumes gegenüber dem Kompressionsraum
    • 1
    Expansionskolben der ersten Doppelkolbeneinheit
    2
    Kompressionskolben der ersten Doppelkolbeneinheit
    3
    Kolbenstange der ersten Doppelkolbeneinheit
    4
    Kolbenstangenverlängerung der ersten Doppelkolbeneinheit
    5
    Zylindergehäuse
    6
    Expansionskolben der zweiten Doppelkolbeneinheit
    7
    Kompressionskolben der zweiten Doppelkolbeneinheit
    8
    Kolbenstange der zweiten Doppelkolbeneinheit
    9
    Kolbenstangenverlängerung der zweiten Doppelkolbeneinheit
    10
    4-Zyklen-Erhitzer
    11
    Regenerator Zyklus 1
    12
    Regenerator Zyklus 2
    13
    Regenerator Zyklus 3
    14
    Regenerator Zyklus 4
    15
    Kühler Zyklus 1
    16
    Kühler Zyklus 2
    17
    Kühler Zyklus 3
    18
    Kühler Zyklus 4
    19
    Kolbenstangenringe zur Abdichtung
    20
    Thermische Isolation
    21
    Kolbenstangendichtung
    22
    Linearführung
    23
    Pleuel
    24
    Kurbelwelle
    25
    Generator
    26
    Kurbelgehäuse
    27
    Zyklenkurzschlussventil Zyklus 1 mit Zyklus 2
    28
    Zyklenkurzschlussventil Zyklus 3 mit Zyklus 4
    Z1
    Zyklus 1
    Z2
    Zyklus 2
    Z3
    Zyklus 3
    Z4
    Zyklus 4

Claims (5)

  1. 4-Zyklen-Stirlingmotor mit 2 Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkolbeneinheiten jeweils aus einem Expansionskolben der über eine Kolbenstange fest mit einem Kompressionskolben verbunden ist bestehen und deren Kolbenstangenverlängerungen jeweils auf der Seite des Kompressionskolbens mit dem Getriebe in mechanischer Verbindung stehen.
  2. 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein spezieller Erhitzer (10) so ausgebildet ist, dass 4 hintereinander liegende Einrohrspiralen in einem hohlen Gussgrundkörper angeordnet sind.
  3. 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1 oder Stirlingmotor allgemein, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichmäßigen Anströmung der Regeneratormatrix aus einem dünneren Arbeitsgasverbindungsrohr vor der Matrix ein Strömungskörper eingebaut ist, der das Gas gleichmäßig verteilt, einen geringen beidseitigen Strömungswiderstand hat und vorzugsweise eine Kugel ist.
  4. 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1 oder doppelt wirkender Stirlingmotor mit hintereinander arbeitenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen in der Zylindermitte in Form von Kolbenringen auf den Kolbenstangen ausgeführt werden.
  5. 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zyklenkurzschlussventile (27) und (28) eingebaut werden um bspw. eine Regelung des Motors im Teillastbetrieb zu ermöglichen.
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