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Die
Erfindung betrifft eine Stirlingmotoranordnung mit einem Grundkörper,
dem mehrere Kolbenpaare zugeordnet sind, die jeweils einen Arbeitskolben
und einen Verdrängerkolben umfassen, wobei der Arbeitskolben
linearbeweglich in einem Zylinder aufgenommen ist und mit dem Zylinder
einen größenvariablen Arbeitsraum bestimmt und
der Verdrängerkolben linearbeweglich in einem Zylinder
aufgenommen ist und mit dem Zylinder einen größenvariablen
Verdrängerraum bestimmt, der kommunizierend mit dem Arbeitsraum
verbunden ist, wobei Mittelachsen benachbarter Zylinder einen spitzen
Winkel einschließen; sowie mit einer am Grundkörper
angeordneten Getriebeeinrichtung zur Kopplung der linearbeweglichen
Arbeitskolben mit einer drehbar gelagerten Abtriebswelle, deren
Rotationsachse quer zur Bewegungsrichtung der Kolbenpaare ausgerichtet
ist.
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Mit
Hilfe einer derartigen Stirlingmotoranordnung kann bereitgestellte
thermische Energie in Form von Wärmeenergie mit einem hohen
Wirkungsgrad in Bewegungsenergie, beispielsweise zum Antreiben eines
elektrischen Generators, gewandelt wer den. Zum Betreiben der Stirlingmotoranordnung ist
lediglich eine Temperaturdifferenz, beispielsweise zwischen der
Temperatur eines Wärmeträgerfluids und der Temperatur
eines Kühlfluids notwendig, um die Bewegungsenergie zu
erzeugen: Die Wärmeenergie kann beispielsweise durch Verbrennung
eines Primärenergieträgers oder durch Sonnenenergie oder
Erdwärme bereitgestellt werden.
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Für
einen vorteilhaften Wirkungsgrad der Umsetzung thermischer Energie
in Bewegungsenergie sind die Anordnung der Arbeitskolben und Verdrängerkolben
sowie deren kinematische Verknüpfung mit einer Abtriebswelle
von Bedeutung. In der Regel findet in der Stirlingmotoranordnung
eine Wandlung der linearen Bewegung des Arbeitskolbens in eine Rotationsbewegung
einer Abtriebswelle statt
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Bei
einem aus der
DE
10 2004 059 928 A1 bekannten Stirling-Sternmotor wird die
Linearbewegung zwischen den jeweils strahlenförmig nach
außen ausgerichteten Arbeitskolben und einer drehbar gelagerten,
mehrfach gekröpften Kurbelwelle durch beweglich an den
Arbeitskolben und an der Kurbelwelle gelagerten Pleuelstangen übertragen.
Hierbei müssen durch die rotatorischen Relativbewegungen der
Pleuelstangen gegenüber dem Arbeitskolben und gegenüber
der Kurbelwelle gewisse Reibungsverluste in Kauf genommen werden,
die den Gesamtwir kungsgrad der bekannten Stirlingmotoranordnung beeinträchtigen.
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Aus
der
DE 196 16 256
A1 ist ein Stirlingmotorgetriebe bekannt, bei dem die Wandlung
der Linearbewegung des Arbeitskolbens in eine Rotationsbewegung
der Abtriebswelle mittels einer Doppelexzenterscheibe vorgenommen
wird. An der Doppelexzenterscheibe greifen sowohl ein Arbeitskolbenpleuel
als auch ein Verdrängerkolbenpleuel an. Auch bei dieser Anordnung
treten reibungsbedingte Verluste auf Grund der Schwenkbewegungen
zwischen Arbeitskolben, Verdrängerkolben, zugeordneten
Pleueln und der Abtriebswelle auf.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stirlingmotoranordnung
bereitzustellen, die eine Umsetzung der Linearbewegung des Arbeitskolbens in
die Rotationsbewegung der Abtriebswelle mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird für eine Stirlingmotoranordnung der eingangs
genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei ist vorgesehen, dass die Getriebeeinrichtung als Planetengetriebe ausgebildet
ist, bei dem mehrere Planetenräder drehbar an einem mit
der Abtriebswelle gekoppelten Sonnenrad angeordnet sind und für
eine Abwälzbewegung an einem das Sonnenrad umgebenden Hohlrad
ausgebildet sind, wobei die Planetenräder auf zueinander
parallelen und parallel zur Abtriebs welle ausgerichteten Planetenwellen
angeordnet sind, die jeweils eine zur Anlage an einem zugeordneten
Arbeitskolben ausgebildete Nockeneinrichtung tragen, die zur Umsetzung
einer Linearbewegung des Arbeitskolbens in eine Rotationsbewegung
der zugeordneten Planetenwelle und des damit gekoppelten Sonnenrads
ausgebildet sind.
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Hierbei
sind die Planetenräder, die zugehörigen Nockeneinrichtungen,
das Sonnenrad und das Hohlrad derart aufeinander abgestimmt, dass
eine Relativbewegung zwischen dem Arbeitskolben und der Nockeneinrichtung
als, vorzugsweise schlupffreie, Abwälzbewegung stattfindet.
Durch die Gestaltung der Kraftübertragung zwischen Arbeitskolben und
Nockeneinrichtung als Abwälzbewegung wird ein hoher Wirkungsgrad
zwischen der vom Arbeitskolben bereitgestellten Kraft und dem dadurch
an der Abtriebswelle bewirkten Drehmoment erzielt. Reibungsbehaftete
Relativbewegungen bei der Übertragung der Kraft vom Arbeitskolben
auf die Abtriebswelle, wie sie bei schwenkbeweglich zueinander gelagerten
Kolben-/Pleuelanordnungen vorliegen, können bei geeigneter
Gestaltung der Arbeitskolben und der Nockeneinrichtungen zumindest
nahezu vollständig vermieden werden. Vorzugsweise ist die
Nockeneinrichtung derart ausgebildet, dass sie im Rahmen der Planetenbewegung
um das Sonnenrad, bei der es sich um die Überlagerung zweier
Rotationsbewegungen handelt, im Wesentlichen eine sinusartige Bewe gung
des Arbeitskolbens hervorruft. Gegebenenfalls wird durch geeignete
Modifikation der Geometrie der Nockeneinrichtung eine bereichsweise Abweichung
von einer sinusartigen Bewegung des Arbeitskolbens hervorgerufen,
um den Wirkungsgrad des Stirling-Kreisprozesses zu erhöhen.
Diese Möglichkeit zur Änderung der Bewegung des
Arbeitskolbens durch Anpassung der Geometrie der Nockeneinrichtung
ist neben der Reibungsverminderung ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Stirlingmotoranordnung gegenüber einer Kopplung des Arbeitskolbens
und der Abtriebswelle mittels Pleuelstangen, die keine derartige
Bewegungsanpassung ermöglicht.
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Durch
die Ausgestaltung der Getriebeeinrichtung als Planetengetriebe,
bei dem die Planetenwellen im Hohlrad umlaufend angeordnet sind,
lässt sich die gewünschte Abwälzbewegung
zwischen Arbeitskolben und Nockeneinrichtung bevorzugt bei einer
mit mehreren Kolbenpaaren ausgerüsteten Stirlingmotoranordnung
vorteilhaft verwirklichen. Zudem wird durch die Krafteinwirkung
der Arbeitskolben auf die jeweils zugeordnete Nockeneinrichtung
und die rotatorische Relativbewegung zwischen den Planetenrädern
und dem mit der Abtriebswelle gekoppelten Sonnenrad eine Untersetzung
der Bewegung der Antriebskolben bewirkt. Somit kann die Stirlingmotoranordnung
für unterschiedliche Anwendungen direkt ohne nachgeschaltetes
und den Wirkungsgrad verschlechterndes Reduktionsgetriebe eingesetzt werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Zweckmäßig
ist es, wenn die Planetenwellen in gleicher Winkelteilung drehbar
am Umfang des Sonnenrads gelagert sind und jeweils ein Planetenrad
tragen, das an einem Umfangsbereich, insbesondere am Außenumfang,
für einen Verzahnungseingriff in das Hohlrad ausgebildet
ist. Durch die Anordnung der Planetenwellen in gleicher Winkelteilung am
Umfang des Sonnenrads ist sichergestellt, dass die Bewegungen der
vorzugsweise sternförmig in gleicher Winkelteilung angeordneten
Arbeitskolben in synchronisierter Weise auf die Abtriebswelle übertragen
werden können. Die drehbare Lagerung der Planetenwellen
am Umfang des Sonnenrads kann mit Hilfe geeigneter Lagermittel,
beispielsweise Kugel- oder Nadellager, verwirklicht werden. Alternativ ist
das Sonnenrad mit einer außen umlaufenden Verzahnung versehen,
die gegenüberliegend zur Innenverzahnung des Hohlrads angeordnet
ist. Hierbei überbrücken die Planetenräder
einen zwischen Sonnenrad und Hohlrad ausgebildeten Ringspalt und greifen
dabei sowohl in die Verzahnung des Sonnenrads als auch in die Verzahnung
des Hohlrads kraftübertragend ein.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die kommunizierende
Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem Verdrängerraum,
die insbesondere als Rohrleitung ausgebildet ist, eine Regeneratoreinrichtung
zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie kommunizierend eingeschleift
ist. Der Regeneratoreinrichtung kommt die Aufgabe zu, die in dem
vom Arbeitskolben verdrängten Fluid enthaltene Wärmeenergie
zeitweilig zwischenzuspeichern und bei einem Fluidstrom vom Verdrängerkolben
zum Arbeitskolben wieder an das Fluid abzugeben, wodurch ein verbesserter
Wirkungsgrad der Stirlingmotoranordnung erzielt werden kann.
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Bevorzugt
sind Mittelachsen der Arbeitskolben in einer gemeinsamen Arbeitskolbenebene
angeordnet, die quer zur Rotationsachse der Abtriebswelle ausgerichtet
ist und Mittelachsen der Verdrängerkolben sind in einer
gemeinsamen Verdrängerkolbenebene angeordnet, die parallel
beabstandet zur Arbeitskolbenebene angeordnet ist. Somit finden
die linearen Bewegungen der Arbeitskolben in einer ersten Ebene
statt, während die linearen Bewegungen der Verdrängerkolben
in einer zweiten Ebene stattfinden, die parallel beabstandet zur
ersten Ebene angeordnet ist. Durch diese räumliche Auftrennung
zwischen den Arbeitskolben und den Verdrängerkolben kann
eine vorteilhafte Wärmezufuhr zu den Arbeitskolben und
eine vorteilhafte Wärmeabfuhr von den Verdrängerkolben
vorgesehen werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn jede Planetenwelle jeweils eine erste Nockeneinrichtung
trägt, die dem Arbeitskolben zugeordnet ist und eine dazu
längs der Rotationsachse beabstandet angeordnete, zweite Nockeneinrichtung
trägt, die dem Verdrängerkolben zugeordnet ist,
wobei die Nockeneinrichtungen für eine zumindest bereichsweise
Bewegungskopplung zwischen dem Arbeitskolben und dem Verdrängerkolben
einer Kolbengruppe ausgebildet sind. Der Nockeneinrichtung für
den Arbeitskolben kommt einerseits die Aufgabe zu, den Arbeitskolben
aus einer unteren Totpunktstellung in Richtung einer oberen Totpunktstellung
der linearen Bewegung zu bewegen und andererseits ausgehend von
der oberen Totpunktstellung die bei der Expansion des zwischen Arbeitskolben
und Verdrängerkolben oszillierenden Fluids auftretende
Arbeit auf die Abtriebswelle zu übertragen. Der Nockeneinrichtung
für den Verdrängerkolben kommt die Aufgabe zu,
das zeitweilig im Verdrängerraum befindliche Fluid durch
entsprechende Bewegung der Verdrängerkolbens in Richtung
des Arbeitsraums zu verdrängen.
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Zweckmäßig
ist es, wenn die Arbeitskolben und/oder die Verdrängerkolben
in gleicher Winkelteilung um das Sonnenrad angeordnet sind. Hierdurch wird
die Synchronisierung der Bewegung der Getriebeeinrichtung zwischen
den einzelnen Kolbenpaaren vereinfacht. Besonders vorteilhaft ist
es, wenn die Anzahl, die Anordnung und die Zykluszeiten für
die Kolbenpaa re derart gewählt sind, dass auf die Abtriebswelle
der Stirlingmotoranordnung stets ein im Wesentlichen gleichbleibendes
Drehmoment ausgeübt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der
Arbeitskolben eines Kolbenpaars in einem Arbeitszylinder aufgenommen,
der als einseitig geschlossene Hülse ausgebildet und bereichsweise
im Grundkörper aufgenommen ist. Vorzugsweise ist der Arbeitszylinder
auswechselbar am Grundkörper angebracht, so dass im Reparaturfall
ein einfacher Austausch einzelner Arbeitszylinder vorgenommen werden
kann. Sowohl der Grundkörper als auch der Arbeitszylinder
können als einfache Bauteile gestaltet werden, die zu günstigen
Herstellungskosten beziehbar sind. Vorzugsweise ist der Arbeitszylinder mit
einer entsprechenden Gewindeeinrichtung unmittelbar in den Grundkörper
eingeschraubt oder durch eine separate Haltevorrichtung ortsfest
und lösbar mit dem Grundkörper verbunden.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein über
den Grundkörper radial nach außen abragender Abschnitt
des Arbeitszylinders in einem fluiddurchströmbaren Gehäuse
aufgenommen ist und/oder dass der Grundkörper im Bereich
des Arbeitszylinders von einem Strömungskanal für
ein Fluid durchsetzt ist. Für eine effiziente Wärmezufuhr
zu den Arbeitszylindern ist ein Fluidraum vorgesehen, der den Grundkörper
bereichsweise, insbesondere abdichtend, umgibt und in den die Arbeitszylinder
hineinragen. Der Fluidraum wird von einem als Wärmeübertragungsmedium
dienenden Fluid, beispielsweise Flüssigkeit oder Heißdampf
oder Heißgas, durchströmt, das von einer Wärmequelle
erwärmt wird und die Wärme an die Arbeitszylinder
abgibt. Vorzugsweise sind sämtliche Arbeitszylinder der
Stirlingmotoranordnung im gleichen Fluidraum aufgenommen, wodurch
eine gleichmäßige und somit effiziente Wärmeversorgung
der Arbeitszylinder gewährleistet werden kann.
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Zweckmäßig
ist es, wenn der Verdrängerkolben eines Kolbenpaars in
einem Verdrängerzylinder aufgenommen ist, der als einseitig
geschlossene Hülse ausgebildet ist und bereichsweise im
Grundkörper aufgenommen ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein über den Grundkörper
radial nach außen abragender Abschnitt des Verdrängerzylinders
in einem fluiddurchströmbaren Gehäuse aufgenommen und/oder
der Grundkörper ist im Bereich des Verdrängerzylinders
von einem Strömungskanal für ein Fluid durchsetzt.
Hierdurch wird ein Fluidraum für ein Kühlfluid,
beispielsweise für eine Kühlflüssigkeit
oder ein Kühlgas, bereitgestellt. Das Kühlfluid
ermöglicht eine effektive Kühlung der Außenhaut
des Verdrängerzylinders und somit eine effiziente Wärmeabfuhr aus
dem Arbeitsfluid, das zwischen dem Arbeitsraum und dem Verdrängerraum
oszilliert.
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Zweckmäßig
ist es, wenn eine Mittelachse eines Verdrängerzylinders
einen spitzen Winkel mit der Mittelachse des zugeordneten Arbeitszylinders einschließt.
Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise die für
den oszillierenden Fluidaustausch zwischen Arbeitsraum und Verdrängerraum
notwendige Phasenverschiebung für die linearen Bewegungen
des Arbeitskolbens und des Verdrängerkolbens mittels der
auf der Planetenwelle angeordneten Nockeneinrichtungen erzielen.
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Bevorzugt
weist der Grundkörper einen ersten Grundkörperabschnitt
zur Aufnahme der Arbeitszylinder und einen längs der Rotationsachse
benachbart angeordneten zweiten Grundkörperabschnitt auf,
wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörperabschnitt
ein, vorzugsweise mit einem Isolationsmaterial ausgefüllter,
Isolationsspalt ausgebildet ist. Mit einer derartigen Auftrennung
des Grundkörpers in zwei Grundkörperabschnitte
kann ein unerwünschter Wärmeübergang
zwischen den Arbeitszylindern und den Verdrängerzylindern
vermieden werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad für die
Stirlingmotoranordnung erhöht. Besonders vorteilhaft ist
es, wenn der Isolationsspalt zwischen den Grundkörperabschnitten
mit einem Isolationsmaterial ausgefüllt ist, das auch eine
Strahlungswärmeübertragung zwischen den beiden
Grundkörperabschnitten unterbindet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass Mittelachsen der Arbeitskolben und Mittelachsen der Verdrängerkolben in
einer gemeinsamen Bewegungsebene angeordnet sind, die quer zu einer
Rotationsachse der Abtriebswelle ausgerichtet ist. Hierdurch kann
eine Stirlingmotoranordnung mit einer längs der Rotationsachse geringen
Ausdehnung verwirklicht werden, da sämtliche Kolben in
der gleichen Bewegungsebene angeordnet sind.
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Als
weitere Ausgestaltung der Erfindung sind benachbarte Kolbenpaare
jeweils mit den Arbeitskolben oder mit den Verdrängerkolben
zueinander benachbart. Hierdurch kann eine vorteilhafte Wärmezufuhr
an die Arbeitskolben und/oder eine vorteilhafte Wärmeabfuhr
von den Verdrängerkolben erreicht werden, da jeweils zwei
Kolben der entsprechenden Type von einem gemeinsamen Fluidraum umfasst sein
können.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer Stirlingmotoranordnung,
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2 eine
Vorderansicht der Stirlingmotoranordnung gemäß 1,
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3a eine
schematische Darstellung einer Getriebeeinrichtung der Stirlingmotoranordnung
in einer ersten Funktionsstellung und
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3b die
schematische Darstellung der Getriebeeinrichtung gemäß der 3a in
einer zweiten Funktionsstellung.
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Eine
Stirlingmotoranordnung 1 gemäß den 1 und 2 umfasst
einen exemplarisch als regelmäßiges Vieleck ausgeführten,
zweigeteilten Grundkörper 2, eine Abtriebswelle 3 und
drehbar an der Abtriebswelle 3 gelagerte Planetenwellen 4.
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Der
Grundkörper 2 ist von einer Getriebeausnehmung 5 durchsetzt,
die zur Aufnahme der Abtriebswelle 3 und der daran drehbar
gelagerten Planetenwellen 4 vorgesehen ist und die sich
längs einer Mittelachse 6 der Abtriebswelle 3 erstreckt.
Quer zur Mittelachse 6 sind im Grundkörper 2 in
gleicher Teilung radial erstreckte Zylinderbohrungen 7 ausgebildet,
die zur Aufnahme von endseitig geschlossenen Zylinderhülsen 8 dienen.
Die Zylinderbohrungen 7 sind in zwei nicht näher
dargestellten, voneinander beabstandeten Ebenen des aus zwei Grundkörperabschnitten 10, 18 gebildeten
Grundkörpers 2 angeordnet.
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Ausgehend
von einer Stirnseite 9 des ersten Grundkörperabschnitts 10 erstreckt
sich in Richtung der Mittelachse 6 ein hülsenförmig
ausgebildetes Hohlrad 11, das mit einer Innenverzahnung 14 versehen
ist. Das Hohlrad 11 ist drehfest mit dem ersten Grundkörperabschnitt 10 verbunden.
Es weist an eifern Außenumfang eine zylindrische Oberfläche
auf, die zur Aufnahme eines rotationssymmetrisch napfförmig
ausgebildeten Lagerschilds 15 vorgesehen ist, das auf das
Hohlrad 11 aufgesteckt und mit diesem drehfest verbunden
werden kann. Das Lagerschild 15 trägt in einer
zentrisch angeordneten Ausnehmung ein exemplarisch als Kugellager
ausgebildetes Drehlager 16 für die Lagerung der
Abtriebswelle 3.
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An
einer der Stirnseite 9 des ersten Grundkörperabschnitts 10 abgewandten
Stirnseite 17 des zweiten Grundkörperabschnitts 18 ist
ein nicht näher dargestelltes, exemplarisch ebenfalls als
Kugellager ausgebildetes Drehlager angeordnet, das die zweite Lagerstelle
für die Abtriebswelle 3 bildet.
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Die
Planetenwelle 4 trägt zwei in Richtung der Mittelachse 6 voneinander
beabstandete Nockeneinrichtungen 19 und 20, die
drehfest auf der Planetenwelle 4 angeordnet sind und die
exemplarisch um 90° versetzt zueinander ausgerichtet sind. Bei
der vorliegenden Ausführungsform weisen beide Nockeneinrichtungen 19, 20 in
einer senkrecht zur Mittelachse 6 ausgerich teten Querschnittsebene
den gleichen, rautenähnlichen Querschnitt auf.
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Jede
der Planetenwellen 4 ist an jeweils zwei auf die Abtriebswelle 3 aufgesetzten
Sonnenscheiben 21, 22 mittels einer exemplarisch
als Kugellager ausgeführten Lagereinrichtung 23, 24 drehbeweglich gelagert.
Zur Aufnahme der Lagereinrichtungen 23, 24 weisen
die Sonnenscheiben 21, 22 jeweils parallel zur
Mittelachse 6 und konzentrisch zueinander ausgerichtete
Lagerausnehmungen 27, 28 auf.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind im ersten Grundkörperabschnitt 10 und
im zweiten Grundkörperabschnitt 18 jeweils acht
Zylinderbohrungen 7 ausgebildet. Die Stirlingmotoranordnung 1 weist
somit insgesamt jeweils acht in der 2 näher
dargestellte Arbeitskolben 29 und acht Verdrängerkolben 30 auf,
die acht Kolbenpaare bilden. Dabei sind sämtliche Arbeitskolben 29 in
dem ersten Grundkörperabschnitt 10 aufgenommen,
während sämtliche Verdrängerkolben im
zweiten Grundkörperabschnitt 18 aufgenommen sind.
Die exemplarisch dargestellten Mittelachsen 31 der Arbeitskolben 29,
die senkrecht zur Mittelachse 6 des Grundkörpers 2 ausgerichtet
sind, bestimmen eine erste, nicht näher dargestellte Arbeitskolbenebene.
Die Mittelachsen 32 der Verdrängerkolben 30,
die im zweiten Grundkörperabschnitt 18 senkrecht
zur Mittelachse 6 ausgerichtet sind, bestimmten eine zweite,
nicht näher dargestellte Verdrängerkolbenebene.
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Für
eine verbesserte Übersicht ist in der 1 nur
eine Kolbenpaarung dargestellt, die einen Arbeitszylinder 35 mit
einem darin aufgenommenen, in der 2 näher
dargestellten Arbeitskolben 29 und einen Verdrängerzylinder 36 mit
einem darin aufgenommenen, in der 2 näher
dargestellten Verdrängerkolben 30 umfasst. Weiterhin
sind dem Kolbenpaar eine zwischen Arbeitszylinder 35 und
Verdrängerzylinder 36 angeordnete Verbindungsleitung 37 und
ein kommunizierend mit der Verbindungsleitung 37 gekoppelter
Regenerator 38 zugeordnet.
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Wie
aus der 2 entnommen werden kann, begrenzen
der Arbeitskolben 29 und der Arbeitszylinder 35 einen
Arbeitsraum 39, während der Verdrängerkolben 30 und
der Verdrängerzylinder 36 einen Verdrängerraum 40 begrenzen.
Der Arbeitsraum 39 und der Verdrängerraum 40 sind über
die Verbindungsleitung 37, in die der Regenerator 38 kommunizierend
eingeschleift ist, miteinander verbunden. Somit kann über
die Verbindungsleitung 37 ein Fluidaustausch zwischen dem
Arbeitsraum 39 und dem Verdrängerraum 40 stattfinden.
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Aus
der 2 geht hervor, wie eine Kraftübertragung
zwischen Arbeitskolben 29 und Nockeneinrichtung 19 stattfindet.
In der 2 befindet sich der Arbeitskolben 29 im
oberen Totpunkt und somit am oberen Umkehrpunkt zwischen der linearen
Aufwärtsbewegung und der linearen Abwärtsbewegung. In
diesem Zustand liegt die radial nach innen gewandte Stirnfläche 41 auf
dem Krümmungsscheitelpunkt der rautenartig ausgebildeten
Nockeneinrichtung 19 auf. Im Arbeitsraum 39 findet
auf Grund der Wärmezufuhr einer nicht dargestellten Wärmequelle eine
Expansion des eingeschlossenen Arbeitsfluids statt. Da, wie nachstehend
zur 3 näher beschrieben wird,
zeitgleich eine Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 30 stattfindet, übt
das Arbeitsfluid eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf
den Arbeitskolben 29 aus, die über die Stirnfläche 41 auf die
Nockeneinrichtung 19 übertragen wird. Aufgrund der
drehbaren Lagerung der mit der Nockeneinrichtung 19 gekoppelten
Planetenwelle 4 wird hierdurch ein Drehmoment auf die Planetenwelle 4 bewirkt. Durch
das Drehmoment findet einerseits Abwälzbewegung des mit
der Planetenwelle 4 gekoppelten Planetenrads 42 auf
der Innenverzahnung 14 des Hohlrads 11 statt,
wodurch eine Verlagerung der Planetenwelle 4 auf einer
Kreisbahn um die Mittelachse 6 stattfindet. Andererseits
findet eine Abwälzbewegung der Nockeneinrichtung 19 auf
der Stirnfläche 41 des Arbeitskolbens 29 statt.
Die hierbei auftretende Bewegung der Planetenwelle 4 resultiert
somit aus einer Überlagerung zweier Rotationsbewegungen. Ein
Drehpunkt der ersten Rotationsbewegung liegt auf der Mittelachse 6 der
Abtriebswelle 3, ein Drehpunkt der zweiten Rotationsbewegung
liegt auf der Mittelachse 43 der Planetenwelle 4.
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Die
Mittelachsen 31 der Arbeitskolben 29 sind in gleicher
Winkelteilung zueinander angeordnet, gleiches gilt für
die Mittelachsen 32 der Verdrängerkolben 30.
Die Mittelachsen 31, 32 eines Kolbenpaars aus
einem Arbeitskolben 29 und einem Verdrängerkolben 30 schließen
in einer Projektionsebene, deren Flächennormale parallel
zur Mittelachse 6 ausgerichtet ist, einen spitzen Winkel
ein. Dadurch ergibt sich in Kombination mit der versetzten Anordnung
der Nockeneinrichtungen 19 und 20 auf der Planetenwelle 4 eine
für den Stirlingprozess vorteilhafte Kopplung zwischen
den Bewegungsanläufen für den Arbeitskolben 29 und
den Verdrängerkolben 30.
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Der
erste Grundkörperabschnitt 10 kann von einem nicht
dargestellten ersten Fluidgehäuse umgeben sein, das zusammen
mit dem ersten Grundkörperabschnitt 10 und den
Arbeitszylindern 35 einen geschlossenen Fluidraum ausbildet,
durch den ein wärmebeaufschlagtes Wärmeträgerfluid,
beispielsweise ein Heizgas oder eine Heizflüssigkeit, hindurchströmen
kann und die Arbeitszylinder 35 mit Wärme versorgt.
In gleicher Weise kann der zweite Grundkörperabschnitt 18 von
einem nicht dargestellten zweiten Fluidgehäuse abdichtend
umgeben sein, das zusammen mit dem zweiten Grundkörperabschnitt
und den Verdrängerzylindern einen zweiten Fluidraum bildet,
durch den ein Kühlfluid, beispielsweise ein Kühlgas
oder eine Kühlflüssigkeit, hindurchströmt.
Hierdurch wird die Kühlung der Verdrängerzylinder 36 gewährleistet.
Durch die Auftrennung des Grundkörpers 2 in zwei
Grundkörperabschnitte 10 und 18 wird
eine vorteilhafte Separierung zwischen den wärmebeaufschlagten
Arbeitszylindern und den kühlungsbeaufschlagten Verdrängerzylindern
gewährleistet, woraus ein vorteilhafter Wirkungsgrad für
die Stirlingmotoranordnung resultieren kann.
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Aus
den 3a und 3b geht
in schematischer Weise hervor, wie ein Zusammenwirken der Arbeitskolben 29 mit
den Nockeneinrichtungen 19 auf den Planetenwellen 4 in
Zusammenwirkung mit dem Hohlrad 11 und den Planetenrädern 42 stattfinden
kann. Aus Vereinfachungsgründen sind bei der Darstellung
der 3a und 3b sämtliche
Arbeitskolben 29 und Verdrängerkolben 30 jeweils
synchronisiert. Eine derartige Synchronisierung sämtlicher
Arbeitskolben 29 und Verdrängerkolben 30 ist nicht
zwingend. Alternativ kann beispielsweise vorgesehen sein, dass einander
gegenüberliegend angeordnete Arbeitskolben 29 bzw.
Verdrängerkolben 30 im Gegenlauf bewegt werden.
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Aus
der Darstellung der 3a geht hervor, dass die Planetenräder 42 mit
ihrem Außenumfang jeweils in die nicht näher dargestellte
Innenverzahnung 14 des schematisch angedeuteten Hohlrades 11 eingreifen
und jeweils drehbar an den Sonnenscheiben 21 der Abtriebswelle 3,
die als Sonnenrad dient, ge lagert sind. Wie in der 3a durch
den Drehrichtungspfeil 44 angegeben ist, dreht sich die Abtriebswelle 3 exemplarisch
gegen den Uhrzeigersinn, während sich die Planetenräder 42 auf
Grund der Abwälzbewegung am Hohlrad 11 jeweils
im Uhrzeigersinn um die jeweilige Planetenwelle 4 drehen. Sämtliche
Arbeitskolben 29 sind gemäß der Darstellung
der 3a in der Kompressionsstellung angeordnet, in
der der Arbeitsraum minimal ist und in der auf Grund der Wärmezufuhr
an den nicht dargestellten Arbeitszylinder eine Expansion des Arbeitsfluids unmittelbar
bevorsteht. Bei dieser Expansion des Arbeitsfluids wird der Arbeitskolben 29 in
radialer Richtung nach innen verdrängt und übt
dabei eine Druckkraft auf die Nockeneinrichtung 19 aus.
Durch die Rotation der Abtriebswelle 3 gegen den Uhrzeigersinn und
die damit einhergehende Rotation der Planetenräder 42 im
Uhrzeigersinn wälzen sich die Nockeneinrichtungen 19 auf
den Stirnflächen 41 des Arbeitskolbens 29 ab.
Hierdurch wird ausgehend von der dargestellten Stellung der Nockeneinrichtung 19 ein Hebelarm
bezogen auf die Planetenwelle 4 bereitgestellt. Die auf
diesen Hebelarm einwirkende Druckkraft des Arbeitskolbens 29 bewirkt
ein Drehmoment auf die Planetenwelle 4 und das damit gekoppelte Planetenrad 42.
Durch dieses Drehmoment wird eine in Umlaufrichtung wirkende Kraft
auf Sonnenscheiben 21 ausgeübt, die in einem Drehmoment
auf die Abtriebswelle 3 resultiert. Die Abtriebswelle führt
aufgrund dieses Drehmoments eine Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn
fort.
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Da
durch die Abwälzbewegung der Planetenräder 42 am
Hohlrad 11 eine Ausweichbewegung der Nockeneinrichtung 19 gegenüber
dem linear beweglichen Arbeitskolben 29 stattfindet, kann
dieser in radialer Richtung nach innen verschoben werden. Dabei
findet eine Abwälzbewegung der Nockeneinrichtung 19 auf
der Stirnfläche 41 des Arbeitskolbens 29 bis
hin zu der in 3b dargestellten Stellung statt.
In der Stellung gemäß 3b befinden
sich die Arbeitskolben 29 in der unteren Totpunktstellung,
in der für einen kurzen Moment jeweils zwei Nockeneinrichtungen 19 an
der Stirnfläche 41 anliegen. Während
die eine Nockeneinrichtung 19 anschließend den
Berührkontakt zur Stirnfläche 41 verliert,
drängt die andere Nockeneinrichtung 19 den Arbeitskolben 29 aus
der dargestellten unteren Totpunktstellung wieder radial nach außen
in Richtung der oberen Totpunktstellung, wie sie in 3a dargestellt
ist.
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In
der unteren Totpunktstellung des Arbeitskolbens 29 gemäß der 3b ist
das Volumen des Arbeitsraums 39 maximal. Zum gleichen Zeitpunkt befindet
sich der nur gestrichelt dargestellte Verdrängerkolben 30 auf
Grund der Krafteinwirkung der ebenfalls nur mit gestrichelt dargestellten
Nockeneinrichtung 20 in der oberen Totpunktstellung, in
der der Verdrängerraum 40 ein minimales Volumen
aufweist.
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Bei
der weiteren Rotation der Abtriebswelle 3 gegen den Uhrzeigersinn
wird einerseits durch die fortdauernde Rotation des Planetenrads 42 im
Uhrzeigersinn der Arbeitskolben 29 aus der unteren Totpunktposition
in Richtung der oberen Totpunktposition verschoben, so dass das
Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum in den Verdrängerraum
verschoben wird. Auf Grund der Gestaltung der gestrichelt dargestellten
Nockeneinrichtung 20 und der Rotation des Planetenrads 42 im
Uhrzeigersinn kann der Verdrängerkolben 30 aus
der oberen Totpunktstellung in Richtung der unteren Totpunktstellung
verschoben werden, wodurch der Verdrängerraum vergrößert
wird und das Arbeitsfluid zumindest teilweise im Verdrängerraum
abgekühlt werden kann.
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Bei
einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung
sind der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben konzentrisch
in einem gemeinsamen Zylinder angeordnet und werden beispielsweise durch
unterschiedliche Nockeneinrichtungen angesteuert, die in parallel
beabstandet zur Mittelachse angeordneten Bewegungsebenen ausgebildet
sind und insbesondere direkt aneinander grenzen. Hierdurch kann
eine besonders kompakte Gestaltung der Stirlingmotoranordnung erreicht
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004059928
A1 [0004]
- - DE 19616256 A1 [0005]