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. Der Verdrängerzylinderabschnitt,
der Arbeitszylinderabschnitt und der 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 zwei Kammern, von denen eine erste der beiden Kammern von dem
Verdrängerkolben
und dem Arbeitskolben begrenzt ist. Die beiden Kammern sind über einen
den Verdrängerkolben überbrückenden
Nebenschlussweg für das
Arbeitsgas miteinander verbunden.
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.
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.
Es
ist Aufgabe der Erfindung eine insbesondere als Motor arbeitende
Heißgasmaschine
anzugeben, die bei einfacher Konstruktion einen hohen Wirkungsgrad
hat.
Die
Erfindung geht aus von einer Heißgasmaschine umfassend:
- – 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,
- – eine
Erhitzeranordnung zum Erwärmen
des Arbeitsgases in einer zweiten der beiden Kammern,
- – eine
den Verdrängerkolben
in dem Verdrängerzylinderabschnitt
oszillierend hin- und herbewegende Antriebsanordnung und
- – 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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im
Betrieb des Druckfluidmotors entspannt sich das Druckfluid, und
kühlt den
Motor ab, mit der Folge, dass der Druckfluidmotor vielfach erwärmt werden
muss, um ihn auf hinreichender Betriebstemperatur zu halten. In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist deshalb vorgesehen, dass der
Druckfluidmotor 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.
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.
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.
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.
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 Verdrängerzylinder
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.
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei
zeigt:
1 einen Axiallängsschnitt
durch eine Zylinder-Kolben-Einheit einer entsprechend einem Stirling-Kreisprozess
arbeitenden Heißgasmaschine;
2 einen Axialquerschnitt
durch einen Verdrängerkolben
der Zylinder-Kolben-Einheit,
gesehen entlang einer Linie II-II in 1;
3 einen Axialquerschnitt
durch den Zylinderkopf eines Verdrängerzylinderabschnitts der Zylinder-Kolben-Einheit,
gesehen entlang einer Linie III-III in 1;
4 eine unter Verwendung
von mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten aufgebaute Motoranordnung
und
5 einen Axiallängsschnitt
durch eine Variante der Zylinder-Kolben-Einheit aus 1.
Die
in den 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 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 1 bei 9' dargestellte,
dem Verdrängerzylinderabschnitt 11 benachbarte
Totpunktstellung einnimmt, variiert.
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 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.
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.
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 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.
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.
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.
Die
vorstehend erläuterte
Zylinder-Kolben-Einheit 1 arbeitet in einem Stirling-Kreisprozess. In
den in der 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 1 dargestellte
Totpunktstellung geschoben. Der Stirling-Kreisprozess beginnt dann
erneut.
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.
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 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.
Wie
die 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 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.
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 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.
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.
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.
Die
anhand der 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. 4 zeigt eine unter Verwendung
mehrerer solcher Zylinder-Kolben-Einheiten bzw. Module aufgebaute
Motoranordnung 89. Die Motoranordnung umfasst zumindest
ein Paar der anhand der 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
Arbeitskolben 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.
Die
Kolben-Zylinder-Einheiten 1 der 4 unterscheiden sich von der Einheit
der 1 bis 3 im Wesentlichen nur dadurch,
dass den beiden Einheiten 1 ein gemeinsames, den Erhitzungsraum 43 bildendes
Gehäuse 41 zugeordnet
ist.
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.
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.
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.
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. Im Ausführungsbeispiel
der 4 wird dies dadurch
erreicht, dass die im 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
des 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.
Im
Folgenden wird eine Variante der anhand der 1 bis 3 erläuterten
Zylinder-Kolben-Einheit 1 beschrieben. Gleich wirkende
Komponenten sind hierzu mit den Bezugszahlen der 1 bis 3 bezeichnet.
Zur Erläuterung
dieser Komponenten wird auf die Beschreibung der 1 bis 3 Bezug
genommen.
Die
Zylinder-Kolben-Einheit 1 der 5 unterscheidet sich von derjenigen der 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 4,
diskontinuierlich entsprechend den beiden Totpunktstellungen des
Verdrängerkolbens 13 gesteuert.
Es versteht sich, dass auch die Zylinder-Kolben-Einheit der 5 in der Motoranlage 89 der 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 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.