DE102006043250A1

DE102006043250A1 - Mehrfachzylinder-Freikolben-Stirlingmaschinen und -Wärmepumpen in Alpha-Anordnung mit abgestuften Kolben

Info

Publication number: DE102006043250A1
Application number: DE102006043250A
Authority: DE
Inventors: David M. Athens Berchowitz; Yong-Rak Athens Kwon
Original assignee: Global Cooling BV
Current assignee: Global Cooling BV
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2026-09-12
Also published as: JP4542532B2; DE102006043250B4; CN1932273A; GB2430238A; GB2430238B; JP2007077985A; GB0615747D0; CN1932273B; US7171811B1

Abstract

Eine verbesserte Freikolben-Sterlingmaschine, die wenigstens drei Kolbenserien aufweist, die in einer Alpha-Sterling-Anordnung verbunden sind. Jeder Zylinder ist abgestuft, so dass er eine innere Wand mit einem relativ größeren Durchmesser aufweist und eine koaxiale innere Wand mit einem relativ kleineren Durchmesser. Jeder Kolben ist ebenso abgestuft, so dass er einen ersten Kolbenbestandteil aufweist, der eine Endfläche hat, die in eine axiale Richtung gerichtet ist und zusammenpassend hin- und herbewegbar in der Zylinderwand mit dem kleineren Durchmesser und einen zweiten Kolbenbestandteil, der eine Endfläche hat, welche in die gleiche axiale Richtung zeigt und zusammenpassend hin- und herbewegbar in der Zylinderwand mit dem größeren Durchmesser ist. Einer der Kolbenflächen begrenzt den Kompressionsraum und die andere Endfläche begrenzt den Expansionsraum. Vorzugsweise weist jeder gestufte Kolben periphere Zylinderwände auf, die axial anliegen und an einer Schulter, die die Endflächen des Kolbenbestandteils mit dem größeren Durchmesser bildet, verbunden sind. Sterlingmaschinen mit diesen gestuften Merkmalen sind ebenso in verschiedenartigen gegenüberliegenden und doppelten Anordnungen angeordnet, einschließlich Anordnungen mit nur einer Last oder einer Antriebsmaschine für jedes gegenüberliegende Paar von Kolben. Durch die Verbindung von Expansions- und Kompressionsräumen einer linearen Vierzylinderanordnung mit einer 1,3,2,4-Serienfrequenz wird ein verbesserter ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Stirlingmaschinen und Wärmepumpen und spezieller auf Verbesserungen bei Freikolben-Mehrfachzylinder-Stirlingmaschinen und -Wärmepumpen, die in einer Alpha-Anordnung angeordnet sind.

Stirlingmaschinen sind seit nahezu zwei Jahrhunderten bekannt, waren aber in den vergangenen Jahrzehnten aufgrund der Vorteile, die sie bieten, Gegenstand einer beträchtlichen Entwicklung. In einer Stirlingmaschine ist ein Arbeitsgas in einem Arbeitsraum eingegrenzt, der aus einem Expansionsraum und einem Kompressionsraum besteht. Das Arbeitsgas wird wechselweise expandiert und komprimiert, um entweder Arbeit zu verrichten oder Wärme zu pumpen. Stirlingmaschinen bewegen ein Arbeitsgas periodisch zwischen dem Kompressionsraum und dem Expansionsraum, welche in Fluidverbindung über einen Akzeptor, Regenerator und Rejektor verbunden sind. Der Hin- und Hertransport wird üblicherweise durch Kolben durchgeführt, die sich in Zylindern hin- und herbewegen und periodisch den relativen Anteil des Arbeitsgases in jedem Raum ändern. Gas, das sich im Expansionsraum befindet, und/oder Gas, das durch einen Wärmetauscher (der Akzeptor) zwischen dem Regenerator und dem Expansionsraum in den Expansionsraum fließt, nimmt Wärme von umgebenden Oberflächen auf. Gas, das im Kompressionsraum ist und/oder Gas, das durch einen Wärmetauscher (den Rejektor) zwischen dem Regenerator und dem Kompressionsraum in den Kompressionsraum fließt, gibt Wärme an die umgebenden Oberflächen ab. Der Gasdruck ist im Wesentlichen in beiden Räumen zu jeder Zeit gleich, weil diese durch eine Verbindung, die einen relativ geringen Durchflusswiderstand aufweist, verbunden sind. Nichtsdestotrotz verändert sich der Druck des Arbeitsgases im Arbeitsraum als Ganzes periodisch. Wenn der größte Teil des Arbeitsgases im Kompressionsraum ist, wird Wärme vom Gas abgegeben. Wenn der größte Teil des Arbeitsgases im Expansionsraum ist, nimmt das Gas Wärme auf. Dies ist immer richtig, unabhängig davon, ob die Maschine als Wärmepumpe oder als Kraftmaschine arbeitet. Die einzige Voraussetzung, um zwischen produzierter Arbeit oder gepumpter Wärme zu unterscheiden ist die Temperatur, bei welcher der Expansionsprozess durchgeführt wird. Wenn diese Expansionsprozesstemperatur höher als die Temperatur des Kompressionsraums ist, dann wird die Maschine eingesetzt, um Arbeit zu produzieren, und wenn diese Expansionsprozesstemperatur niedriger als die Kompressionsraumtemperatur ist, dann wird die Maschine Wärme von einer kalten Quelle zu einer warmen Abgabestelle pumpen.

Stirlingmaschinen können daher entworfen werden, um die oben genannten Prinzipien zu nutzen, um entweder (1) eine Maschine zur Verfügung zu stellen, welche Kolben aufweist, die durch Anlegen einer externen Quelle von Wärmeenergie zum Expansionsraum angetrieben werden und Wärme vom Kompressionsraum weg transportieren oder (2) eine Wärmepumpe, die Kolben aufweist, welche periodisch durch eine Antriebsmaschine angetrieben werden, um Wärme vom Expansionsraum zum Kompressionsraum zu pumpen. Die Wärmepumpenbetriebsart erlaubt es, Stirlingmaschinen zum Kühlen, einschließlich auf cryogene Temperaturen, eines Objekts, das sich in thermischer Verbindung mit seinem Expansionsraum befindet, oder zum Heizen eines Objekts, wie beispielsweise einen Wärmetauscher für eine Heizung für ein Wohngebäude, das sich in thermischer Verbindung mit ihrem Kompressionsraum befindet, zu nutzen. Daher wird der Begriff Stirling-„Maschine" generisch genutzt und umfasst sowohl Stirlingmaschinen als auch Stirling-Wärmepumpen.

Bis 1965 wurden Stirlingmaschinen als kinematisch angetriebene Maschinen konstruiert, was bedeutet, dass die Kolben über eine mechanische Verbindung miteinander verbunden waren, typischerweise verbindende Kurbelwellen und Kurbelstangen. Dann wurde die Freikolben Stirlingmaschine durch William Beale erfunden. Bei der Freikolben-Stirlingmaschine sind die Kolben nicht durch eine mechanische Antriebsverbindung verbunden. Freikolben-Stirlingmaschinen werden als mechanische Oszillatoren konstruiert, und einer ihrer Kolben, üblicherweise als Verdränger bezeichnet, wird durch die Änderungen des Arbeitsgasdrucks in der Maschine angetrieben. Sie bieten eine Vielzahl von Vorzügen, einschließlich der Steuerung ihrer Frequenz und Phase und ihnen fehlt die Notwendigkeit für eine Dichtung zwischen den beweglichen Teilen, um die Vermischung von Arbeitsgas und schmierenden Ölen zu verhindern.

Stirlingmaschinen sind in einer Vielzahl von Bauformen entwickelt worden. Eine übliche Form einer modernen Stirlingmaschine ist die Alpha-Anordnung, die auch als Rinia, Siemens oder Doppelarbeitende Anordnung bezeichnet wird. Bei der Alpha-Konfiguration gibt es wenigstens zwei Kolben in getrennten Zylindern und der Expansionsraum, der durch jeden Kolben begrenzt wird, ist mit einem Kompressionsraum verbunden, der durch einen anderen Kolben in einem anderen Zylinder begrenzt wird. Diese Verbindungen sind in einer seriellen Schleife angeordnet, welche die Expansions- und Kompressionsräume von einer Mehrzahl von Zylindern verbindet. Die Verbindung von jedem Expansionsraum zum Kompressionsraum, der mit einem anderen Kolben verbunden ist, beinhaltet typischerweise in serieller Reihenfolge: (1) einen Wärmetauscher für das Aufbringen von Wärme auf das Arbeitsgas (2) einen Regenerator und (3) einen Wärmetauscher für das Entfernen von abgegebener Wärme von dem Arbeitsgas. Ihre Expansions- und Kompressionsräume wurden verbunden durch Übergänge von identischer Länge, die in einer Viererbox-Anordnung resultieren, welche in 1 dargestellt ist. Genauer zeigt 1 eine konventionelle, alpha-angeordnete Viererbox-Anordnung von vier Kolben 10, die in vier parallelen Zylindern gleitend angeordnet sind. Ein Expansionsraum 14 jedes Zylinders 12 ist mit einem Kompressionsraum 16 eines anderen Zylinders 12 verbunden, um eine seriell verbundene geschlossene Schleife zu bilden. Jede Verbindung ist durch folgende serielle Anordnung verbunden: (1) ein Akzeptorwärmetauscher A, der Wärme von einer externen Quelle aufnimmt und diese auf das Arbeitsgas im Expansionsraum 14 überträgt; (2) ein Regenerator R; und (3) ein Rejektor-Wärmetauscher K, der abgegebene Wärme vom Kompressionsraum 16 überträgt und an eine externe Masse abgibt. Der Stand der Technik hat diese Maschinen in dieser Viererbox-Anordnung in den kinematischen Varianten dieser Maschine angeordnet. Diese Anordnung ist übermäßig einschränkend, da sie vier bewegliche Teile plus den begleitenden Kurbelwellenmechanismus benötigt und durch die Notwendigkeit, dass die Zylinder an jeder Ecke eines Quadrats angeordnet werden.

Im Allgemeinen sind Alpha-Stirlingmaschinen als kinematisch angetriebene Maschinen konstruiert worden. Die Synchronisierung der Kurbelwellenhübe waren so, dass die relative Phase zwischen den Kolben immer 90° beträgt. Dies hat die Leistungssteuerung bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit auf reine Druckregelung oder Hubsteuerung begrenzt.

William Beale hat 1976 eine Freikolbenmaschine in Alpha-Anordnung vorgeschlagen. Nichtsdestotrotz sind, soweit bekannt ist, keine anderen Anordnungen von Freikolben-Stirlingmaschinen mit einer Vielzahl von Zylindern offenbart als die einfache Vierzylinder Variante, die ursprünglich von Beale vorgeschlagen wurde. Die Vorteile der Freikolbenversion der Alpha-Maschine sind die Vorteile, die der Freikolbenanordnung zufallen, nämlich: keine Ölschmierung, keine mechanischen Komponenten, einfache Ausführung der Gaslager, Anpassung durch Hubanpassung und hermetisches Abdichten der Maschine gegen Leckage von Arbeitsgas. Die Alpha-Anordnung wurde immer als eine übermäßig komplizierte Ausführung der Freikolben-Stirlingmaschine gesehen, wenn sie mit der konventionellen Verdrängerkolben- oder Beta-Anordnung verglichen wurde.

Der Vollständigkeit halber, die zweite Stirlinganordnung ist die Beta-Stirlinganordnung, die durch einen Verdränger und Kolben im selben Zylinder charakterisiert wird. Die dritte ist die Gamma-Stirlinganordnung, die durch Anordnung des Verdrängers und Kolbens in unterschiedlichen Zylindern charakterisiert wird. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Freikolben-Stirlingmaschinen in Alpha-Anordnung.

Die übliche Bauart eines einzelnen n-ten Elements einer Stirlingmaschine in Alpha-Anordnung im Freikolbenverfahren ist in 2 gezeigt. Ein Kolben 20 ist gleitfähig ineinander passend in einem Zylinder 22 angeordnet und begrenzt einen Expansionsraum 24 an seiner oberen Endfläche 26. Eine Kolbenstange 28 erstreckt sich durch ein Lager 30 in eine Verbindung mit einer Feder 32 und einem symbolischen Dämpfungszylinder 34, der die Dämpfung darstellt. Die ringförmige Endfläche 36 des Kolbens 20 grenzt an einen Kompressionsraum 38. Ein Kompressionsraumanschluss 40 verbindet in serieller Anordnung zu den verbundenen Wärmetauschern und dem Regenerator eines anderen ähnlichen Elements und durch diese zum Expansionsraum eines anderen Zylinders. Ein Anschluss 42 führt von den in serieller Anordnung verbundenen Wärmetauschern 44 und 46 und dem Regenerator 48 zum Kompressionsraum eines anderen Zylinders. 2 stellt nur die Stirlingmaschine dar. Eine Last ist ebenso mit der Kolbenstange 28 im Fall einer Stirlingmaschine und ein Antriebsmotor ist mit der Kolbenstange 28 im Fall einer Stirling-Wärmepumpe verbunden. Die Pfeile, die in 2 vom Kolben wegführen und nach oben zeigen bestimmen, ebenso wie ähnliche Pfeile in anderen Figuren, die Richtungskonvention für eine positive Kolbenverschiebung oder einen Hub.

Es ist eindeutig und allgemein bekannt, dass die Alpha-Maschinen in die Vielkolbenformen, die in 3 gezeigt sind, zusammengefasst werden können, um bis zu fünf Zylinder aufzuweisen, die wie beschrieben verbunden sind, obwohl es auch mehr sein könnten. Neben jedem Vielkolbenbeispiel aus 3 ist ein Zeigerdiagramm, das die zyklischen Kolbenbewegungen und die zyklischen Expansions- und Kompressionsraumvolumina des zugehörigen Beispiels darstellt. Der Phasenwinkel zwischen dem Expansionsraumvolumen und dem Kompressionsraumvolumen bei einer Stirlingmaschine ist von entscheidender Wichtigkeit, weil Leistung und Effizienz eine Funktion dieses Phasenwinkels sind. Bei frühen Alpha-Stirlingmaschinen war der Volumenphasenwinkel durch die Anordnung der Zylinder und die Verbindung der Kolben durch die Verbindungsstangen zu einer Kurbelwelle bei 90° fixiert. Allerdings ist der bevorzugte Phasenwinkel für jede Stirlingmaschine im Bereich von 90° bis 140°. Dies kann unter Bezug auf 14 gesehen werden, welche Graphen von Leistung und Effizienz als Funktion des Volumenphasenwinkels darstellt. Es ist wünschenswert, die Stirlingmaschine nahe den Scheitel-Punkten sowohl des Effizienzgraphen als auch des Leistungsgraphen zu betreiben. Geringere und höhere Volumenphasenwinkel führen zu Beeinträchtigungen bei Effizienz und Leistung. Die schwächere Arbeitsleistung bei geringen Volumenphasenwinkeln ist bedingt durch hohe Verluste beim Fluss, hohe Verluste in der Hysterese und schwacher Kapazität (Leistung oder Wärmetransport) pro Volumeneinheit. Der am meisten zu bevorzugende Phasenwinkel liegt im Allgemeinen bei etwa 120°. Der Volumenphasenwinkel ist eine Funktion der Beziehungen zwischen Expansionsraum- und Kompressionsraumvolumenphasen zur Kolbenbewegung. Diese Beziehungen sind eine Funktion der Maschinenstrukturen, und daher ist der Volumenphasenwinkel zwischen dem Expansionsraumvolumen und einem verbundenen Kompressionsraumvolumen eine Funktion der Maschinenstruktur.

In den Zeigerdiagrammen aus 3 ist der Volumenphasenwinkel α in jedem Fall für eine einzelne Gruppen von Expansions- und Kompressionsraumvolumenvariation dargestellt und wäre der gleiche für die übrigen Gruppen im gleichen Beispiel. Gemäß Konvention ist α der Winkel, um den das Expansionsraumvolumen dem Kompressionsraumvolumen voraus läuft. Im Fall der konventionellen Konstruktion, die in den 1–3 dargestellt ist, sind die Expansionsraumvolumenvariationen in Gegenphase mit den Kolbenbewegungen, während die Kompressionsraumvolumenänderungen in Phase mit den Kolbenbewegungen sind. Wie in den Zeigerdiagrammen von 3 gezeigt, würde eine Dreizylinderversion der konventionellen Alpha-Zusammenstellung einen schlechten Volumenphasenwinkel bei 60° aufweisen. Eine Vierzylinderversion würde einen Volumenphasenwinkel von 90° aufweisen und eine Fünfzylinderversion würde einen Volumenphasenwinkel von 108° aufweisen. Um einen Volumenphasenwinkel von 120° zu erreichen, würden mit der konventionellen Alphaanordnung sechs Zylinder benötigt.

Zusätzlich zur Erwünschtheit des Erreichens eines höchst effizienten Volumenphasenwinkels ist es ebenso wünschenswert, die Anzahl der Bauelementteile, die für eine Stirlingmaschine benötigt werden, zu reduzieren und ihr Gewicht und Volumen zu minimieren. Jede Beta-Stirlinganordnung weist zwei wesentliche bewegliche Teile auf und muss in den meisten Fällen auch ausgewuchtet werden, beispielsweise durch eine Resonanzauswuchtmasse, die an dem Gehäuse angebracht wird. Wie gesehen benötigt die Alpha-Anordnung vier wesentliche bewegte Teile, vier Kolben, um einen akzeptablen Phasenwinkel aufzuweisen. Eine zweite Schwierigkeit der Alpha-Freikolbenanordnung ist, dass sie vier lineare Alternatoren (oder Motoren im Falle einer Wärmepumpe) benötigt, weil einer für jeden Kolben gebraucht wird. Lineare Alternatoren sind verglichen mit ihren rotierenden Pendants etwas sperrig gewesen und dies hat im Stand der Technik zu der Einstellung geführt, dass die Alpha-Maschine sperrig und die Zylinder ungünstig weit voneinander entfernt sein könnten, was zu einer schweren Maschine führt. Das Auswuchten einer konventionellen Alpha-Anordnung ist ebenfalls nicht trivial und wurde anscheinend in der öffentlichen Literatur noch nicht aufgegriffen.

Eine ideale Lösung der Alpha-Freikolbenkomplexität wäre eine Vorrichtung, die: ohne zusätzliche Komplikationen das Leistungs/Gewichtverhältnis der Freikolben-Stirlingmaschine verbessert und dadurch die Kosten der Vorrichtung verringert; die Anzahl der bewegten Teile reduziert; kompakte Mittel zur Verbindung einer Last an die Maschine zur Verfügung stellt, so dass die Zylinder nicht zu weit voneinander entfernt sind; und einfache Mittel zum Auswuchten zur Verfügung stellt oder die nicht im Gleichgewicht befindlichen Kräfte reduziert. Die vorgeschlagene Erfindung scheint diese Probleme in einer einfachen und praktischen Art und Weise zu reduzieren oder zu lösen.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist eine verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine des Typus, der jeden Kolben hin und her beweglich in einem zugeordneten ineinander passenden Zylinder aufweist und der jeden Kolben und Zylinder angrenzend an einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum aufweist, wobei die Räume in einer Alpha-Stirlinganordnung verbunden sind. Bei der Verbesserung gibt es wenigstens drei Kolben/Zylinderelemente, und jeder Zylinder ist als abgestufter Zylinder ausgebildet, der eine Innenwand mit einem größeren Durchmesser und eine koaxiale Innenwand mit einem kleineren Durchmesser aufweist. Jeder Kolben ist ein abgestufter Kolben, der ein erstes Kolbenelement, welches eine Endfläche aufweist, die in eine axiale Richtung zeigt und welches ineinander greifend hin- und herbewegbar in der Zylinderwand mit dem kleineren Durchmesser ist, und ein zweites Kolbenelement, das eine Endfläche aufweist, die in die selbe axiale Richtung zeigt und ineinander greifend hin- und herbewegbar in der Zylinderwand mit dem größeren Durchmesser ist, umfasst. Eine dieser Kolbenendflächen begrenzt den Kompressionsraum und die andere begrenzt den Expansionsraum. Vorzugsweise weist der gestufte Kolben äußere zylindrische Wände auf, die axial aneinander anliegend sind und an einer Schulter, die die Endfläche des Kolbenelements mit dem größeren Durchmesser bildet, verbunden sind. Diese Kolben- und Zylinderanordnung ermöglicht es einer Stirlingmaschine in Alpha-Anordnung mit drei Kolben einen optimalen Volumenphasenwinkel aufzuweisen, wobei die Anzahl der Teile und das Gewicht reduziert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER UNTERSCHIEDLICHEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung einer alpha-angeordneten Stirlingmaschine aus dem Stand der Technik in einer Viererbox-Anordnung.
2 ist eine Darstellung eines einzelnen Elements einer alpha-angeordneten Stirlingmaschine aus dem Stand der Technik.
3 ist eine Darstellung von vier möglichen alternativen alpha-angeordneten Vielkolbenmaschinen.
4 ist eine Darstellung eines einzelnen Elements einer alpha-angeordneten Vielkolben-Stirlingmaschine, die die vorliegende Erfindung ausführt.
5 ist eine Darstellung von drei möglichen alternativen alpha-angeordneten Vielkolbenmaschinen, welche die vorliegende Erfindung ausführen.
6 ist eine Endansicht einer alpha-angeordneten Stirlingmaschine mit drei Zylindern die die vorliegende Erfindung ausführt.
7 ist eine Schnittdarstellung der Maschine, die in 6 dargestellt wird, die im Wesentlichen entlang der Linie 7-7 aus 6 geschnitten wurde.
8 ist eine Darstellung, die eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit vier Kolben darstellt, in welcher die Expansions- und Kompressionsräume zum Minimieren der Vibrationen verbunden sind.
9 ist ein Paar von Zeigerdiagrammen, die das Unwuchtmoment der Ausführungsform aus 8 und einer ähnlichen alternativen Ausführungsform darstellen.
10 ist eine Ansicht, teilweise in Schnittdarstellung, die eine entgegengesetzte Alpha-Anordnung darstellt, welche die vorliegende Erfindung ausführt, und entweder an eine Duplexanordnung, bei welcher eine Seite eine Maschine und die andere eine Wärmepumpe ist, oder als doppelte Zylinderanordnung, die drei lineare Alternatoren (oder Motoren) antreibt (oder angetrieben wird) anpassbar ist.
11 ist eine Endansicht der Ausführungsform, die in 10 dargestellt ist.
12 ist eine Endansicht einer Stirlingmaschine, die die Erfindung ausführt und eine Rankine Kompressorlast antreibt.
13 ist eine Schnittdarstellung der Ausführungsform, die in 12 dargestellt ist, die im Wesentlichen entlang der Linie 13-13 aus 12 geschnitten wurde.
14 ist ein Paar von Graphen, die die Leistung und Effizienz als Funktion des Volumenphasenwinkels darstellen.
15 ist eine Darstellung, die eine alternative mögliche Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt ist, wird um der Klarheit willen spezifische Terminologie verwendet. Es ist aber nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf den derart ausgewählten spezifischen Begriff eingeschränkt wird und es ist selbstverständlich, dass jeder spezifische Begriff alle technischen Äquivalente umfasst, die in einer ähnlichen Art und Weise arbeiten, um einen ähnlichen Zweck zu erreichen. Zum Beispiel wird das Wort „verbunden" oder ähnliche Begriffe oft benutzt. Diese sind nicht beschränkt auf direkte Verbindungen sondern beinhalten Verbindungen durch andere Elemente, wenn eine derartige Verbindung durch den Fachmann als äquivalent erkannt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
4 zeigt ein einzelnes n-tes Element, das die vorliegende Erfindung ausführt, zur Verbindung in einer Mehrzylinder-Alphakonfigurierten-Stirlingmaschine, die n Wiederholungen des Elements aus Figur A aufweist. Ein Zylinder 50 ist ein abgestufter Zylinder, der eine innere Wand 52 mit einem größeren Durchmesser und eine koaxiale innere Wand 54 mit einem kleineren Durchmesser aufweist. Ein Kolben 56 ist ein abgestufter Kolben, der ein erstes Kolbenelement 58 und ein zweites Kolbenelement 60 umfasst. Das erste Kolbenelement 58 ist ineinander passend in der Zylinderwand 54 mit dem kleineren Durchmesser hin- und herbewegbar und weist eine Endfläche 62 auf, die in eine axiale Richtung zeigt. In der dargestellten Ausführungsform zeigt die Endfläche 62 aufwärts und begrenzt den Expansionsraum 64. Das zweite Kolbenelement 60 ist ineinander passend in der Zylinderwand 52 mit dem größeren Durchmesser hin- und herbewegbar und weist eine ringförmige Endfläche 66 auf, die in dieselbe axiale Richtung wie die Endfläche 62 zeigt. In der dargestellten Ausführungsform begrenzt die Endfläche 66 den Kompressionsraum 68. Da die Funktion dieser Räume umgekehrt werden kann ist es nur notwendig, dass eine der Endflächen den Kompressionsraum begrenzt und die andere Endfläche den Expansionsraum begrenzt. Der Kolben ist abgestuft und begrenzt die beiden Arbeitsräume, nämlich den Kompressionsraum und den Expansionsraum, oder bildet eine Wand derselben, so dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens das Volumen dieser beiden Räume ändert. 4 zeigt ebenso einen Regenerator 70 und zwei Wärmetauscher 72 und 74, die mit Ausnahme ihrer Anordnung bezüglich des abgestuften Zylinders 50 von konventioneller Art sind. Sie befinden sich in Verbindungswegen zu den Expansions- und Kompressionsräumen von anderen Nachbildungen des Kolben/Zylinderelements, um die Räume seriell in eine Alpha-Stirlinganordnung wie im Stand der Technik zu verbinden.
Die bevorzugte Struktur des abgestuften Kolbens ist wie in 4 dargestellt. Er weist äußere zylindrische Wände auf, die axial aneinander angrenzen und an einer Schulter, die die Endfläche 66 des Kolbenelements 60 mit dem größeren Durchmesser bildet, miteinander verbunden sind. Nichtsdestotrotz sind andere Anordnungen möglich. Es ist nicht notwendig, dass die Kolbenelemente aneinander angrenzend sind, wobei die Endfläche 66 eine Schulter darstellt, welche sie verbindet. 15 zeigt zum Beispiel einen abgestuften Kolben 80, der ein Kolbenelement 82 mit einem kleineren Durchmesser und ein Kolbenelement 84 mit einem größeren Durchmesser aufweist, die durch eine Stange 86 welche die beiden verbindet, getrennt sind. Die Endflächen 88 und 90 arbeiten wie oben beschrieben, aber diese Ausführungsform hat den Nachteil, unnötigen Totraum direkt zwischen den beiden Kolbenelementen einzuführen, was die Effizienz und Leistung verringert. Dementsprechend können die Zylinder ebenso zwischengeschaltete strukturelle Merkmale anstelle von aneinander angrenzenden Zylinderwänden aufweisen.
Eine entscheidend wichtige und wertvolle Folge der abgestuften Kolben/Zylinderstruktur der vorliegenden Erfindung ist die Art und Weise, in der es die Phasenbeziehung zwischen dem Expansionsraumvolumen und dem Kompressionsraumvolumen des gleichen Zylinders ändert. Eine andere wichtige und wertvolle Folge ist, dass der abgestufte Kolben es erlaubt, dass die Expansionsraum und Kompressionsraumvolumina unterschiedlich und jeweils für maximale Leistung ausgelegt sind. Konventionelle Alpha-Maschinen weisen identische Expansions- und Kompressionsvolumenänderungen auf, weil die Kolbenfläche, die auf jede wirkt denselben Durchmesser und dieselbe Verschiebung aufweist. Mit dem abgestuften Kolben dagegen gibt es zwei Kolbenelemente mit abweichenden Durchmessern. Obwohl sie die gleiche lineare Verschiebung oder Hub aufweisen, kann der Konstrukteur die Durchmesser der beiden Kolbenelemente auswählen und derart die beiden Volumenverschiebungen auswählen, eine für den Expansionsraum und die andere für den Kompressionsraum.
Der Vergleich der Zeigerdiagramme aus 3 und 5 zeigt den Phasenwechsel, der aus dem abgestuften Kolben resultiert. Jeder Kolben weist zwei zugeordnete Volumenzeiger auf, V_c für seinen Kompressionsraum und V_e für seinen Expansionsraum, aber nicht alle sind dargestellt. Die Zeichnungen aus 3 und 5 zeigen zwei Volumenzeiger, V_c und V_e, und diese sind ein Expansionsvolumenzeiger für einen Kolben und der Kompressionsvolumenzeiger für den Kompressionsraum (eines anderen Kolbens), der mit dem Expansionsraum durch einen Regenerator und Wärmetauscher verbunden ist. Aufgrund von Platzbeschränkungen sind nur zwei repräsentative Volumenzeiger in jedem Zeigerdiagramm dargestellt. Der Winkel zwischen dem Volumenzeiger für den Expansionsraum des einen Kolbens und dem Volumenzeiger für den Kompressionsraum des anderen Kolbens, mit welchem der Expansionsraum verbunden ist, ist der Volumenphasenwinkel α. Ein komplettes, aber zweifellos unlesbares Zeigerdiagramm würde zwei Volumenzeiger für jeden Kolben aufweisen. Es würde derselbe Winkel Alpha zwischen den Zeigern von jedem Paar von verbundenen Expansions- und Kompressionsräumen auftreten. Es sollte angemerkt werden, dass „in Phase" und „180° außer Phase" davon abhängen, welche Richtung als die Plus-Richtung der Verschiebung ausgewählt wird, sodass alle Phasenbetrachtungen um 180° verschieden sind, wenn die Richtung, die als Plus ausgewählt ist, umgedreht wird.
Im Stand der Technik, wie er in den 1–3 dargestellt ist, und bezüglich auf 2 ist ein Volumenzeiger in Phase mit der Verschiebung seines Kolbens und einer ist 180° außer Phase mit der Verschiebung seines Kolbens. Das Volumen des Expansionsraums 24 ist in Gegenphase mit der Kolbenverschiebung und das Volumen des Kompressionsraums 38 ist in Phase mit der Kolbenverschiebung. Mit anderen Worten, wenn der Kolben 20 in die positive Richtung (hoch in 2) verschoben wird, verringert sich das Volumen des Expansionsraums 24 und vergrößert sich das Volumen des Kompressionsraums 38. Dies ist auch in den Zeigerdiagrammen von 3 dargestellt. In der Ausführungsform mit drei Kolben aus dem Stand der Technik sind die Verschiebungszeiger X₁, X₂ und X₃ der drei Kolben zum Beispiel 120° voneinander entfernt. Die Volumenzeiger für den Expansionsraum von Kolben 1 und den Kompressionsraum von Kolben 2 sind gezeigt, da diese beiden Räume ein Beispiel von zwei verbundenen Räumen sind. Der Volumenzeiger V_e des Expansionsraums von Kolben 1 ist 180° außer Phase mit dem Verschiebungszeiger X₁ für Kolben 1, aber der Volumenzeiger V_c für den Kompressionsraum von Kolben 20 ist in Phase mit dem Verschiebungszeiger X₂ für Kolben 2. Die Phasendifferenz ist der Volumenphasenwinkel von 60°. Dies ist ein sehr unvorteilhafter Volumenphasenwinkel.
Aber bei der vorliegenden Erfindung, wie sie in 5 dargestellt ist, ist die Volumenphase sowohl für den Expansionsraum als auch für den Kompressionsraum des gleichen Zylinders in Gegenphase (180° außer Phase) mit der Verschiebung ihres zugeordneten Kolbens. Bei der Erfindung verringern sich sowohl das Expansionsraumvolumen also auch das Kompressionsraumvolumen, wenn der Kolben sich in die positive Richtung (in den Figuren hoch) bewegt. Dieser Unterschied im Phasenverhalten der Räume jedes Zylinders ermöglicht es, dass eine Ausführungsform der Erfindung, die nur drei Zylinder aufweist, den höchst vorteilhaften Volumenphasenwinkel 120° zwischen der Volumenphase des Expansionsraums eines Zylinders und der Volumenphase des Kompressionsraums mit welchen dieser verbunden ist. Dies erlaubt im Gegensatz zum Stand der Technik, welcher in seiner Dreizylinderform höchst kompromissbeladen ist, einen effizienten Betrieb als Dreizylindervorrichtung. Die Anordnung mit abgestuften Kolben bietet den Vorteil, eine Alpha-Anordnung mit drei bewegten Teilen und höchst vorteilhaftem Volumenphasenverhalten zu ermöglichen. Um die Volumenphase von 120° mit dem Stand der Technik zu erreichen, muss die Anzahl der beweglichen Teile auf sechs erhöht werden. Dies kann viel zu viel Komplexität sein, insbesondere bei kleinen Maschinen.
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Vielzylinder-Freikolben-Stirlingmaschinen, die entweder als Wärmepumpen oder als Maschinen (Antriebsmotoren) nutzbar sind, zu gestalten und die abgestufte Kolbenanordnung der vorliegenden Erfindung ausführen. Viele Anordnungen sind analog zu dem Stand der Technik oder bilden diesen nach, abhängig, vom Zweck der konkreten Maschine. Es gibt keine mechanischen Antriebsmechanismen oder Verbindungen wie beispielsweise Kolbenstangen und Kurbelwellen, die die Kolben einer Freikolbenmaschine verbinden. Die beweglichen Teile werden durch die Gaskräfte im Fall der Maschine und durch Linearmotoren im Fall der Wärmepumpe angetrieben. Alternative Lasten können an den Kolben im Fall einer Maschine angebracht werden, einschließlich einer anderen Stirlingmaschine, derselben Gestaltung, welche als Wärmepumpe angetrieben würde (Duplexanordnung).
Eine Anordnung aus drei Zylindern mit abgestuften Kolben würde zum Beispiel normalerweise triangular gestaltet werden, wie in den 6 und 7 gezeigt, mit den drei Längsachsen lateral voneinander entfernt und an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Dies ergibt die kürzeste Distanz zwischen jedem Zylinder und somit das geringste Totvolumen. Die Ausführungsform aus den 6 und 7 stellt drei identische Stirling-Wärmepumpenelemente dar, die durch drei Linearmotoren angetrieben werden. Nur eines der drei Stirling-Wärmepumpenelemente und eines der Linearmotorelemente wird beschrieben, weil die beiden anderen jeweils identisch sind. Ihre Kompressions- und Expansionsräume sind wie oben beschrieben verbunden und für die Ausführungsform mit drei Zylindern in 5 dargestellt. Die Endfläche 78 eines abgestuften Kolbens 81 grenzt an den zylindrischen Expansionsraum 83 an, und seine ringförmige Schulter bildet eine ringförmige Endfläche 85, die an einen ringförmigen Kompressionsraum 87 angrenzt. Wie im Stand der Technik üblich, umgeben ein Regenerator 89, ein Wärmetauscher 91 zur Aufnahme von Wärme von einer Masse und ein Wärmetauscher 92 zur Abgabe von Wärme an eine Masse ringförmig die Außenseite eines Zylinders 94. Der abgestufte Kolben 81 ist an einem hin und her beweglichen Magnetträger 96, der periphere Magneten 98 aufweist, welche den hin und her beweglichen Teil eines konventionellen Linearmotors bilden, befestigt. Der abgestufte Kolben 81 und der Magnetträger 96 sind an einer zentralen Stange 98 befestigt, die mit einer ebenen Feder 100 verbunden ist. Wie im Stand der Technik bekannt ist, ist die Hauptfunktion der Feder 100, eine zentrierende Kraft auf den Kolben 81 zur Verfügung zu stellen, um während des Betriebs eine mittlere Kolbenzentrumsposition aufrecht zu erhalten. Die Gaskräfte, die auf den Kolben wirken, wirken als eine Gasfeder, welche zusammen mit der flachen Feder 100, auf die hin und her bewegende Masse einwirken, um ein Resonanzsystem bereitzustellen. Eine Ankerwicklung 102 ist ringförmig in dem stationären Gehäuse 104 gewickelt, um den Stator eines Linearmotors zu bilden.
Natürlich kann die Stirlingmaschine, die in den 6 und 7 dargestellt ist auch als Stirling-Kraftmaschine betrieben werden. Die drei Linearmotoren, die die drei abgestuften Kolben angetrieben haben, können als drei lineare Alternatoren betrieben werden, um elektrische Energieerzeugung zur Verfügung zu stellen, oder durch andere Lasten ersetzt werden, wie zum Beispiel ein Kühlgerät oder ein Luftkompressor oder eine Hydraulik oder eine Wasserpumpe.
Als ein weiteres Beispiel möglicher Alpha-Stirlinganordnungen zeigt 8 eine Vierzylinderversion in Reihenschaltung mit abgestuften Kolben, die einige Vorteile dem Auswuchten aufweist. Die abgestuften Zylinder und Kolben und die übrigen Strukturen jedes Kolben/Zylinderelements sind wie die vorher beschriebenen und dargestellten. Der Vorteil beim Auswuchten zur Minimierung der Vibrationen wird durch eine Verbindung der Zylinder erreicht, die sich leicht von der in den 3, 5, 6 und 7 gezeigten unterscheidet.
Die vier Kolben 1, 2, 3 und 4 sind in einer physischen Sequenz von 1, 2, 3 und 4 in Reihe angeordnet. Die Verbindung der Zylinderexpansions- und Kompressionsräume ist analog zur „Zündreihenfolge" einer üblichen Verbrennungsmaschine. Mit anderen Worten, da der Volumenphasenwinkel von 90° mit der Vierzylinderversion immer erreicht wird, ist es möglich, den Kompressionsraum des Zylinders 1 mit dem Expansionsraum des Zylinders 3, den Kompressionsraum von Zylinder 2 mit dem Expansionsraum von Zylinder 4, den Kompressionsraum von Zylinder 3 mit dem Expansionsraum von Zylinder 2 und schließlich den Kompressionsraum von Zylinder 4 mit dem Expansionsraum von Zylinder 1 zu verbinden. Diese Verbindung wird im Gegensatz zu der konventionellen 1-2-3-4-Verbindung aus dem Stand der Technik als eine 1-3-2-4-Verbindung bezeichnet. Die 1-3-2-4-Verbindung ist in 8 gezeigt und durch große, horizontale Pfeile dargestellt.
Zunächst wird die 1-2-3-4-Verbindung betrachtet. Die Kolben 1 und 3 sind in Gegenphase zueinander und die Kolben 2 und 4 sind in Gegenphase zueinander. Also sind die Kolben 1 und 3 180° außer Phase zueinander und die Kolben 2 und 4 sind 180° außer Phase miteinander. Die 1-3-Kombination führt zu einem Moment (oder einem Kräftepaar) das 90° außer Phase mit der 2-4-Kombination ist. Dies ist in 9 gezeigt. Hierbei ist es wichtig, dass die Länge des Hebelarms jedes Moments oder Kräftepaares der Abstand zwischen den Achsen der hin und her Bewegung der Kolben 1 und 3 oder der Kolben 2 und 4 ist. Dieser Hebelarm ist der Abstand zwischen zwei Kolben, die durch einen dazwischen liegenden Zylinder getrennt sind. Diese beiden Momente (M13 und M24) werden kombiniert, um die Unwuchtkraft zu bilden, die auf die Maschine, die in der konventionellen 1, 2, 3, 4 Sequenz verbunden ist, einwirkt.
Wenn nun die 1-3-2-4-Verbindung betrachtet wird, ist es klar, dass die beiden 180° Kräftepaare von nebeneinander liegenden Kolbenanordnungen gebildet werden, und in M1-2 und M3-4 resultieren. Bei ähnlichen bewegten Massen in beiden Fällen ist der Hebelarm in der 1-3-2-4-Verbindung etwa von der halben Länge des Hebelarms in der 1-2-3-4-Verbindung. Daher weist die 1-3-2-4-Verbindung das halbe Auswuchtdrehmoment der 1-2-3-4-Verbindung, wie in 9 gezeigt, auf. Natürlich weist die 1-3-2-4 aufgrund der längeren Verbindungswege einen Nachteil des größeren Totvolumens auf, aber dies dürfte bei den meisten Anwendungen nicht von wesentlicher Bedeutung sein. Dieses Konzept kann ebenso bei Reihenschaltungen aus nicht abgestuften Kolbenanordnungen oder konventionellen Alpha-Anordnungen angewendet werden, um das Gleichgewicht zu verbessern und Vibration zu verringern.
Eine Vielzahl von Möglichkeiten für Antrieb oder Last existieren sowohl für den abgestuften Kolben als auch für konventionelle Alpha-Maschinen.
Lineare Motoren oder Alternatoren können mit jedem Kolben verbunden werden. Dies erfordert einen dreiphasigen Strom im Fall der Dreizylinderversion und zweiphasigen Strom im Fall der Vierzylinderversion. Es werden nur zwei Phasen benötigt, da es möglich ist, zwei Paare der Alternatorspulen in entgegengesetzte Richtungen zu wickeln, so dass die 180° gegenphasigen Spannungen automatisch erzeugt werden.
Die 10 und 11 stellen einen ersten Gerätesatz von drei Zylinder/Kolbenelementen 106, 108 und 110 dar, die in einer Alpha-Anordnung wie oben beschrieben verbunden sind, um eine erste Stirlingmaschine 111 zu bilden. Sie sind verbunden mit einer gegenüberliegenden, gespiegelten zweiten Stirlingmaschine 113, die ebenso drei Stirlingmaschinenzylinder/Kolbenelemente 112, 114 und 116 aufweist, die in Alpha-Anordnung wie oben beschrieben verbunden sind. Die gegenüberliegenden Kolben sind über eine Koppelung verbunden, wie beispielsweise der dargestellte Verbindungsstab 118. Gegenüberliegend und gespiegelt bedeutet daher, dass jedes Zylinder/Kolbenelement und seine zugeordneten Wärmetauscher und Regeneratoren ein axial gegenüberliegendes und gegensinnig orientiertes Zylinder/Kolbenelement und zugeordnete Wärmetauscher und Regenerator aufweisen, obwohl es nicht notwendig ist, dass die beiden gespiegelten Maschinen oder Elemente identisch sind. Jedes Paar von gegenüberliegenden Kolben bewegt sich in die gleiche Richtung hin und her, aber wenn ein Kolben sich an seinem oberen Totpunkt befindet, befindet sich der axial gegenüberliegende Kolben an seinem tiefen Totpunkt. Eine gegenüberliegende Anordnung, bei der einen Maschine ein Motor und die andere eine Wärmepumpe ist, wird Duplexanordnung genannt. Es gibt ebenso hybride Anordnungen, bei denen beide Seiten gegenüberliegende, gespiegelte Motoren sind, die drei oder mehr gemeinsame lineare Alternatoren antreiben oder bei denen beide Seiten gegenüberliegende, gespiegelte Wärmepumpen sind, die durch drei oder mehr gemeinsame Linearmotoren angetrieben werden.
In der Ausführungsform aus den 10 und 11 ist eine Mehrzahl von Antriebsmaschinen oder Lasten, wie beispielsweise ein Motor oder linearer Alternator 120, jeweils antriebsmäßig verbunden zu einer anderen Kolbenkoppelung, wie beispielsweise dem Verbindungsstab 118, und sind vorzugsweise im Raum zwischen den Kolben angeordnet. In 10 ist nur ein Element jeder der gegenüberliegenden Stirlingmaschinen dargestellt und beschrieben, weil die anderen beiden Elemente jeweils identisch sind. Jedes Element weist die Bauteile auf, die vorangehend beschrieben sind. Ein abgestufter Kolben 122 ist passend gleitfähig in einem Zylinder 123 angeordnet und über eine Verbindungsstange 118 mit seinem gegenüberliegenden abgestuften Kolben 124 verbunden, welcher passend gleitfähig in seinem Zylinder 125 angeordnet ist. Die Antriebsmaschine oder Last 120 ist eine stationäre, ringförmige Ankerwicklung 126 mit Magneten 128, die an einem beweglichen inneren Eisenkern 129 befestigt sind, welcher seinerseits an dem Verbindungsstab 118 befestigt ist. Diese Struktur kann eine Last darstellen, wenn sie als linearer Alternator betrieben wird und die gegenüber liegenden Stirlingmaschinen als Stirlingmotoren betrieben werden, um die Magneten 128 in hin und her Bewegung anzutreiben. Die gleiche Struktur kann ein Linearmotor sein, wenn eine Wechselspannung auf die Ankerwindung aufgebracht wird und die Stirlingmaschinen, die als Stirling-Wärmepumpen arbeiten, antreibt.
Die drei Zylinder jeder der gegenüber liegenden Stirlingmaschinen sind physisch auf drei parallelen, longitudinalen Achsen der Hin- und Herbewegung angeordnet, die auf den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Dies erlaubt es beiden Stirlingmaschinen, dieselben Vorteile, die in Verbindung mit der ähnlichen Anordnung, die in den 6 und 7 gezeigt ist, vorzuweisen. Zusätzlich wird nur ein Satz von Linearmotoren oder Alternatoren durch die Konstruktion einer zweiten Stirlingmaschine in Gegenüberstellung zu einer ersten Stirlingmaschine benötigt, sodass diese doppelten Dienst leisten, indem jeder zwei Kolben antreibt oder von zwei Kolben angetrieben wird. Infolgedessen werden das Gewicht und die Kosten der zur Verfügungstellung eines linearen Alternators oder Linearmotors für jeden Kolben vermieden.
Auf die gleiche Art und Weise können gegenüber liegende Stirlingmaschinen, die jeweils vier Kolben und Zylinder aufweisen, konstruiert werden, sowohl in einer Viererbox-Anordnung oder in einer Reihenanordnung, wie vorhergehend beschrieben, und sie benötigen dennoch nur vier lineare Alternatoren oder Linearmotoren. Dies erreicht die vorher beschriebenen Vorteile in Verbindung mit der Vierzylinderanordnung gemäß der Erfindung und halbiert ebenso die Anzahl der Alternatoren oder Motoren.
Weil die gegenüber liegenden Stirlingmaschinen, die in den 10 und 11 dargestellt sind, jeweils als Stirlingmotor oder Stirling-Wärmepumpe betrieben werden können, kann zusätzlich eine als Motor und die andere als Wärmepumpe betrieben werden. In Folge dessen kann die Ausführungsform aus den 10 und 11 eine Duplexanordnung sein, wobei die Stirlingmaschine sowohl die Stirling-Wärmepumpe als auch einen Alternator antreibt. Als weitere Alternative kann der zwischengeschaltete Alternator entfernt werden, um eine Duplexanordnung zur Verfügung zu stellen, bei der der Stirlingmotor nur eine Stirling-Wärmepumpe antreibt.
Die Ausführungsform mit vier Zylindern, die oben beschrieben ist, kann ebenso in der gleichen Duplexanordnung verbunden werden, um die Vorteile von beidem zu erreichen. In der Tat können die gegenüber liegenden und Duplexanordnungen, die oben beschrieben sind, ebenso bei konventionellen Alpha-Anordnungen aus dem Stand der Technik, die die abgestuften Kolben und Zylinder der vorliegenden Erfindung nicht nutzen, angewandt und genutzt werden.
Die 12 und 13 zeigen, dass eine Anzahl von Rankine Kompressoren, die gleich der Anzahl der Kolben des Stirlingmotors sind, jeweils direkt durch einen Alpha-Freikolbenmotor angetrieben werden können. In diesem Fall würde die Durchmischung der Arbeitsgase wie im US-Patent 6,701,721, das hiermit als Referenz eingeführt wird, offenbart gehandhabt. Mit Bezug auf die 12 und 13 ist ein Stirlingmotor 130 mit einem linearen Alternator 132 verbunden, um diesen anzutreiben, und die Kombination aus Motor und Alterantor ist wie bei der Wärmepumpe und dem Linearmotor aus den 6 und 7 konstruiert und wird daher nicht weiter beschrieben. Es gibt drei Motor/Alternatorpaare, die entlang drei longitudinalen Achsen angeordnet sind, wie bei den 6 und 7 beschrieben. Zusätzlich ist aber der zentrale Kolbenstab 134 ebenso verbunden mit einem Kompressorkolben 136, der abgedichtet hin und her bewegbar in einem Kompressorzylinder 138 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung treibt der effiziente, alpha-angeordnete Stirlingmotor mit drei Zylindern sowohl den Alternator als auch den Kompressor an, um die auf den Motor aufgebrachte Wärmeenergie sowohl in elektrische Energie als auch Kühlleistung umzuwandeln. Dies kann nützlich sein, weil der Kompressor nicht immer in der Lage ist, die gesamte Leistung aufzunehmen, die durch die Stirlingmaschine produziert wird. Derart kann der Alternator als ein Laststabilisator, der mechanische Energie aufnimmt, benutzt werden, indem die kombinierte Last des Kompressors und Alternators die Leistung ausgleicht, die durch den Stirlingmotor entwickelt wird. Der Alternator ist ebenso nützlich, um den Motor zu starten, da er gleichfalls als Motor arbeitet.
Aus den obigen Beschreibungen der Ausführungsformen der Erfindung kann gesehen werden, dass die Alphaanordnung mit drei Zylindern und abgestuften Kolben folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweist:

a. Im Vergleich mit den konventionellen Beta-Anordnungen (die Standardanordnungen für Verdrängerkolben), hat die Alpha-Anordnung mit drei Zylindern und abgestuften Kolben den Vorteil, drei identische bewegliche Komponenten aufzuweisen, wohingegen die Beta-Anordnung üblicherweise drei unterschiedliche bewegliche Komponenten, einen Kolben, einen Verdränger und eine Resonanzausgleichsmasse, aufweist.
b. Sie weist einen bei weitem besseren Volumenphasenwinkel (für die beste Kombination aus Leistung und Effizienz) verglichen mit einer konventionellen Alpha-Anordnung mit drei oder vier Zylindern auf. Die Anordnung wird daher wesentlich kompakter sein.
c. Sie ist ausgewuchtet in der axialen Bewegungsrichtung, weil genauso viel Masse sich positiv bewegt wie sich negativ bewegt. Es gibt eine taumelnde Umwuchtkraft, aber dies ist wesentlich weniger ernst als die relativ große lineare Umwuchtkraft einer nicht ausgewuchteten Beta-Maschine.
d. Sie wird ein Kräftepaar im System haben, das eine resultierende taumelnde oder präzessierende Bewegung um einen festen Punkt verursacht. Dies würde davon abhängen, wie die Zylinder angeordnet sind. Wenn sie wie in den 6 und 7 angeordnet sind, würden die Unwuchtkräfte ein taumelndes Kräftepaar auf dem System verursachen. Dies kann durch eine Anzahl einfacher konventioneller Mittel ausgeglichen werden.
e. Der gestufte Kolben erlaubt es, die Expansionsraum- und Kompressionsraumvolumina beliebig für maximale Leistung auszuwählen. Konventionelle Alpha-Maschinen weisen nahezu identische Expansions- und Kompressionsvoluminaänderungen auf.
f. Es gibt nur drei identische bewegliche Teile. Wenn perfektes Gleichgewicht benötigt wird, kann eine zweite Maschine in Gegenüberstellung angeordnet werden oder ein Ausgleichsmassensystem kann angewendet werden. Ein Ausgleichsmassensystem kann eine einfache Pendelmasse am Ende einer auskragenden Feder sein, die konstruiert ist, in einer taumelnden Art und Weise bei der Betriebsfrequenz der Maschine mit zu schwingen.
g. Die Maschine weist keine Abstimmungsschwierigkeiten auf. Wenn die thermodynamischen Voraussetzungen und die mechanische Effizienz gut sind, wird die Maschine als Motor laufen oder als Wärmepumpe arbeiten. Der Betrieb leicht oberhalb oder auf der natürlichen Resonanzfrequenz der Maschine wird der vorteilhafteste Arbeitspunkt für die Konstruktion des linearen Motors sein. Dieser Resonanzpunkt ist gegeben durch: ω0 = √K/m (in radiant/s)

Hierbei ist:

m: die Masse eines Kolbens
K: die resultierende Federkraft auf den Kolben durch Gasdruck und externe Federn, gegeben durch:

Worin:

K_ext: die externe Feder auf den Kolben darstellt, üblicherweise mechanisch.
A_e: der Expansionsraumbereich des Kolbens ist
A_c: der Kompressionsraumbereich des Kolbens ist
: Die Druckänderung im vorhergehenden Zylinder im Bezug auf die Kolbenbewegung ist
: Die Druckänderung im Bezug auf die Kolbenbewegung ist.

h. Die Maschine ist wirklich umkehrbar. Wenn sie in eine Richtung betrieben wird, wird sie Wärme von einer Seite auf die andere pumpen. Wenn die Bewegung umgekehrt wird, werden die Funktionen der Expansions- und Kompressionsräume ausgetauscht, und sie wird Wärme in die umgekehrte Richtung pumpen. Wenn sie freigegeben wird, wird sie als Motor entsprechend des Temperaturdifferentials über die Maschine laufen.

Andere allgemeine Vorteile der Alpha-Anordnung, die nicht spezifisch für die Dreizylindermaschine mit abgestuften Kolben sind, aber trotzdem bisher niemals aufgezeigt wurden, sind:

a. Wenn eine zweite Maschine in Gegenüberstellung angeordnet wird, wird bei doppelter Leistung nur ein Satz von Linearmotoren oder Alternatoren benötigt. Zum Beispiel benötigt eine Vierzylindermaschine in Gegenüberstellung nur vier lineare Motoren oder Alternatoren, obwohl sie acht Zylinder aufweist.
e. Duplex- oder Doppelzylinderanordnungen können einfach durch die Addition einer zweiten Maschine in Gegenüberstellung zu der ersten gebildet werden.
f. Das Ausgleichen des Taumelkraftpaares ist möglich mit einer Pendelmasse am Ende einer frei auskragenden Feder

Zusammenfassung:
Eine verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine weist wenigstens drei Kolben auf, die in serieller Verbindung in einer Alpha-Stirlinganordnung verbunden sind. Jeder Zylinder ist abgestuft, sodass er eine innere Wand mit einem relativ größeren Durchmesser und eine koaxiale innere Wand mit einem relativ kleineren Durchmesser aufweist. Jeder Kolben ist ebenso abgestuft, sodass er ein erstes Kolbenelement aufweist, das eine Endfläche aufweist die in eine axiale Richtung zeigt und passend hin und her bewegbar in der Zylinderwand mit dem kleineren Durchmesser angeordnet ist, und ein zweites Kolbenelement aufweist, das eine Endfläche aufweist, die in dieselbe axiale Richtung zeigt und passend hin und her bewegbar in der Zylinderwand mit dem größeren Durchmesser angeordnet ist. Eine der Kolbenendflächen grenzt an den Kompressionsraum und die andere Endfläche grenzt an den Expansionsraum. Vorzugsweise weist jeder abgestufte Kolben periphere Zylinderwände auf, die axial aneinander liegend sind und an einer Schulter, die die Endfläche des Kolbenelements mit dem größeren Durchmesser bildet, verbunden sind. Stirlingmaschinen mit diesen abgestuften Merkmalen sind ebenso angeordnet in verschiedenen gegenüber liegenden und Duplex-Anordnungen, einschließlich Anordnungen mit nur einer Last oder einer Antriebsmaschine für jedes gegenüber liegende Kolbenpaar. Verbesserte Auswuchtung oder Vibrationsreduzierung wird durch die Verbindung der Expansions- und Kompressionsräume einer Vierzylinder in Reihenanordnung in einer 1, 3, 2, 4 Seriensequenz erreicht. Ausführungsformen mit drei Zylindern stellen einen äußerst vorteilhaften Volumenphasenwinkel von 120° zur Verfügung und sind vorteilhaft physisch mit drei parallelen longitudinalen Achsen der hin und her Bewegung an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert offenbart worden sind, ist es selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne sich vom Geist der Erfindung oder dem Schutzumpfang der nachfolgenden Ansprüche zu entfernen.

Claims

Verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine (111), die wenigstens drei Kolben (56, 81, 122, 124) aufweist, welche jeweils hin- und herbewegbar in einem passenden Zylinder (50, 94, 123, 125) angeordnet sind, wobei jeder Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) einen Expansionsraum (64, 83) und einen Kompressionsraum (68, 87) begrenzen und die Räume seriell in einer Alpha Stirling Anordnung verbunden sind, wobei die Verbesserung folgendes umfasst: a) jeder Zylinder (50, 94, 123, 125) ist ein abgestufter Zylinder (50, 94, 123, 125), der eine innere Wand (52) mit einem relativ größeren Durchmesser und eine koaxiale innere Wand (54) mit einem relativ kleineren Durchmesser aufweist; b) jeder Kolben (56, 81, 122, 124) ist ein abgestufter Kolben (56, 81, 122, 124), der i) ein erstes Kolbenelement (58), das eine Endfläche (62, 81) aufweist, die in eine axiale Richtung gerichtet ist, und das zusammenpassend in der Zylinderwand (54) mit dem kleineren Durchmesser hin- und herbewegbar ist, aufweist; und ii) ein zweites Kolbenelement (60), das eine Endfläche (66, 85) aufweist, die in die selbe axiale Richtung gerichtet ist, und das zusammenpassend in der Zylinderwand (52) mit dem größeren Durchmesser hin- und herbewegbar ist, aufweist; und c) eine der Endflächen (62, 66, 81, 85) an den Kompressionsraum (68, 87) angrenzt und die andere Endfläche (62, 66, 81, 85) an den Expansionsraum (64, 83) angrenzt.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 1, wobei der abgestufte Kolben (56, 81, 122, 124) periphere Zylinderwände aufweist, die axial aneinander anliegend und ein einer Schulter verbunden sind, welche die Endfläche (66, 85) des Kolbenelements mit dem größeren Durchmesser bildet.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Stirlingmaschine drei Zylinder (50, 94, 123, 125) und zugehörige abgestufte Kolben (56, 81, 122, 124) aufweist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 3, wobei die drei Zylinder (50, 94, 123, 125) körperlich mit drei parallelen longitudinalen Achsen der Hin- und Herbewegung an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Stirlingmaschine (111) vier Zylinder (50, 94, 123, 125) und zugehörige abgestufte Kolben (56, 81, 122, 124) aufweist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 5, wobei die Zylinder (50, 94, 123, 125) in Reihe in einer körperlichen Sequenz von 1, 2, 3 und 4 angeordnet sind und wobei die Expansions- (64, 83) und Kompressionsräume (68, 87) seriell in einer Alpha Anordnung in der Sequenz 1, 3, 2, 4 verbunden sind, wobei das benachbarte Paar 1 und 2 miteinander um 180° aus der Phase betrieben wird und das benachbarte Paar 3 und 4 miteinander um 180° aus der Phase betrieben wird.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 1 oder 2, die weiterhin Folgendes aufweist: a) eine gegenüberliegende gespiegelte zweite Stirlingmaschine (111) wie in Anspruch 1 oder 2 beschrieben, wobei jeder abgestufte Kolben (56, 81, 122, 124) einer ersten Stirlingmaschine (111) über eine Koppelung (118) mit einem abgestuften Kolben (56, 81, 122, 124) der zweiten Stirlingmaschine (111) verbunden ist; und b) eine Mehrzahl von Antriebsmaschinen oder Lasten (120), wobei jede Antriebsmaschine oder Last (120) mit einer unterschiedlichen Koppelung (118) verbunden ist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 7, wobei die gegenüberliegende Stirlingmaschine (111) als Stirlingmotor arbeitet und ein linearer Alternator als Last (120) mit jeder Koppelung (118) verbunden ist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 8, wobei jede der gegenüberliegenden Stirlingmaschinen (111) drei Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) aufweist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 9, wobei die drei Zylinder (50, 94, 123, 125) jeder Stirlingmaschine (111) körperlich mit drei parallelen longitudinalen Achsen der Hin- und Herbewegung an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 8, wobei jede der gegenüberliegenden Stirlingmaschinen (111) vier Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) aufweist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 7, wobei die gegenüberliegende Stirlingmaschine (111) als Stirling-Wärmepumpen arbeiten und ein Linearmotor als Antriebsmaschine (120) mit jeder Koppelung (118) verbunden ist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 12, wobei jede der gegenüberliegenden Stirlingmaschinen (111) drei Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) aufweist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 13, wobei die drei Zylinder (50, 94, 123, 125) jeder Stirlingmaschine (111) körperlich mit drei parallelen longitudinalen Achsen der Hin- und Herbewegung an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 12, wobei jede der gegenüberliegenden Stirlingmaschinen (111) vier Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) aufweist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 1 oder 2, die als Stirlingmotor arbeitet und weiterhin eine zweite gegenüberliegende Stirlingmaschine (111), wie in Anspruch 1 oder 2 beschrieben, aufweist, welche als Stirling-Wärmepumpe arbeitet und mit der ersten verbunden ist, um eine Duplex-Anordnung zu bilden, wobei jeder abgestufte Kolben (56, 81, 122, 124) des Stirlingmotors über eine Koppelung (118) mit einem abgestuften Kolben (56, 81, 122, 124) der Stirling-Wärmepumpe verbunden ist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 16, wobei jede der gegenüberliegenden Stirlingmaschinen (111) drei Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) aufweist.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 17, wobei die drei Zylinder (50, 94, 123, 125) jeder Stirlingmaschine (111) körperlich mit drei parallelen longitudinalen Achsen der Hin- und Herbewegung an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
Stirlingmaschine (111) gemäß Anspruch 18, wobei jede der gegenüberliegenden Stirlingmaschinen (111) vier Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) aufweist.
Verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine (111) in Alpha-Anordnung, die wenigstens drei Kolben (56, 81, 122, 124) und wenigstens drei Zylinder (50, 94, 123, 125) aufweist, wobei jeder Kolben (56, 81, 122, 124) hin- und herbewegbar in einem passenden Zylinder angeordnet ist und jeder Kolben (56, 81, 122, 124) und Zylinder (50, 94, 123, 125) an einen Expansionsraum (64, 83) und einen Kompressionsraum (68, 87) angrenzt und der Expansionsraum (64, 83) in jedem Zylinder (50, 94, 123, 125) seriell in einer Alpha Stirling Anordnung über einen Regenerator (89) mit einem Kompressionsraum (68, 87) in einem anderen Zylinder (50, 94, 123, 125) verbunden ist und der Kompressionsraum (68, 87) in jedem Zylinder (50, 94, 123, 125) seriell in einer Alpha Stirling Anordnung über einen Regenerator (89) mit dem Expansionsraum (64, 83) in einem anderen Zylinder (50, 94, 123, 125) verbunden ist, wobei die Verbesserung Folgendes aufweist: a) jeder Zylinder (50, 94, 123, 125) ist ein abgestufter Zylinder (50, 94, 123, 125), der eine innere Wand mit einem relativ kleineren Durchmesser und eine koaxiale innere Wand mit einem relativ größeren Durchmesser aufweist; b) jeder Kolben (56, 81, 122, 124) ist ein abgestufter Kolben (56, 81, 122, 124), der i) ein erstes Kolbenelement, das eine Endfläche (62, 81) aufweist, die in eine axiale Richtung gerichtet ist, und das zusammenpassend in der Zylinderwand (54) mit dem kleineren Durchmesser hin- und herbewegbar ist, aufweist; und ii) ein zweites Kolbenelement, das eine Endfläche (66, 85) aufweist, die in die selbe axiale Richtung gerichtet ist, und das zusammenpassend in der Zylinderwand (52) mit dem größeren Durchmesser hin- und herbewegbar ist, aufweist; und c) eine der Endflächen (62, 66, 81, 85) jedes Kolbens (56, 81, 122, 124) grenzt an den Kompressionsraum (68, 87) in dem Zylinder (50, 94, 123, 125), in dem der Kolben (56, 81, 122, 124) sich hin- und herbewegt, an und die andere Endfläche (62, 66, 81, 85) jedes Kolbens (56, 81, 122, 124) grenzt an den Expansionsraum (64, 83) in dem Zylinder (50, 94, 123, 125), in dem der Kolben (56, 81, 122, 124) sich hin- und herbewegt, an.