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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verkleinern oder Vergrößern eines Gasvolumens durch Zwangsverdrängung, mit einem ersten und einem zweiten Zylinder. Der erste und der zweite Zylinder weisen jeweils einen Durchbruch auf, der sich vom Innenraum des jeweiligen Zylinders durch die Zylinderaußenwand erstreckt. Die Durchbrüche bilden in der vorliegenden Erfindung einen Strömungskanal zur direkten Weiterleitung eines Arbeitsmediums zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder aus.
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Derartige Vorrichtungen, die beispielsweise als Stirlingmotoren ausgebildet sein können, sind Arbeitsmaschinen, die häufig zur Bereitstellung von elektrischer Energie dienen. Große Vorteile dieser Maschinen sind in erster Linie ein relativ hoher Wirkungsgrad des theoretischen Kreisprozesses und die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten bei der Zufuhr von thermischer Energie. Bei Stirlingmaschinen kann die Wärmezufuhr sowohl durch Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe erfolgen als auch mittels konzentrierter Solarstrahlung. Damit bietet dieses Antriebsprinzip vielfältige Einsatzmöglichkeiten und kann bei entsprechender Brennstoffauswahl (beispielsweise Biomasse), verbunden mit einem hohen Wirkungsgrad, auch wesentlich zur Reduzierung des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 bei der Erzeugung und Umwandlung von Energie beitragen.
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Hinsichtlich ihrer Ausführungsform können Stirlingmotoren in einen sog. Alpha-Typ, einen Beta-Typ und einen Gamma-Typ eingeteilt werden. Während der Alpha-Typ zweizylindrig ausgebildet ist, beinhaltet der Beta-Typ lediglich einen Zylinder mit einer Kaltzone und einer Heißzone. Eine Mischform aus Alpha- und Beta-Typ bildet der sog. Gamma-Typ, der einen Verdrängerzylinder mit einer heißen und einer kalten Zone aufweist und zudem einen, hinsichtlich seines Volumens zumeist kleiner ausgebildeten Arbeitszylinder.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen zum Verkleinern oder Vergrößern eines Gasvolumens bekannt. Beispielsweise wird in der
US 5,782,084 A eine Wärmekraftmaschine offenbart, die nach dem Stirling-Prinzip arbeitet. Die Wärmekraftmaschine umfasst zwei Zylinder, die über ein Rohr zum Austausch eines Arbeitsmediums miteinander verbunden sind. Durch die Rohrverbindung wird ein Totraum ausgebildet. Dieser hat negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.
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Das
US-Patent US 5,085,054 A offenbart ein Dichtsystem bei einem Stirling-Motor. Der Stirling-Motor umfasst einen ersten Zylinder und eine zweiten Zylinder, in denen jeweils ein Kolben oszilliert. Am ersten und am zweiten Kolben ist jeweils eine Pleuelstange angeordnet, die jeweils gelenkig mit einem Kurbeltrieb verbunden ist. Der erste und der zweite Zylinder weisen jeweils einen Durchbruch auf, der sich vom Innenraum des jeweiligen Zylinders durch die Zylinderaußenwand erstreckt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum Verkleinern oder Vergrößern eines Gasvolumens bereit zu stellen, die einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist. Weiter soll die Vorrichtung hinsichtlich ihrer Bauform einfach ausgebildet sein und kostengünstig realisierbar sein.
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Die obige Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere als Stirlingmotor ausgebildet sein und umfasst einen ersten Zylinder mit einem ersten Kolben und einen zweiten Zylinder mit einem zweiten Kolben. Der Stirlingmotor der vorliegenden Erfindung kann in der sog. Alpha-Konfiguration ausgebildet sein. Vorzugsweise jedoch ist der Stirlingmotor in der Gamma-Konfiguration ausgebildet. Die beiden kommunizierenden Zylinder der vorliegenden Erfindung können hinsichtlich ihres Volumens unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise kann der erste Zylinder ein größeres Volumen aufweisen als der zweite Zylinder. Besonders in der Gamma-Konfiguration kann es von Vorteil sein, das Volumen des ersten Zylinders größer zu wählen als das Volumen des zweiten Zylinders, wenn der erste Zylinder als Verdrängerzylinder und der zweite Zylinder als Arbeitszylinder ausgebildet ist.
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Weiter können der erste und/oder der zweite Kolben als Regenerator ausgebildet sein. Dies kann dadurch erfolgen, indem zur Ausgestaltung des jeweiligen Kolbens Materialien mit hoher Wärmekapazität und geringer Wärmeausdehnung gewählt werden. Beispielsweise kommen zur Ausgestaltung des Kolbens Materialien auf Kupferbasis in Frage. Zudem ist beispielsweise eine Vielzahl von Legierungen geeignet, die dem Fachmann bekannt sind und daher nicht explizit erwähnt werden. Ist ein Kolben als Regenerator ausgebildet, so kann der Stirlingmotor mit höheren Temperaturen betrieben werden, woraus ein zusätzlicher verbesserter Wirkungsgrad resultiert.
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Der erste Zylinder und der zweite Zylinder weisen jeweils einen Durchbruch auf, der sich vom Innenraum des jeweiligen Zylinders durch die Zylinderaußenwand erstreckt. Der Verlauf des Durchbruchs durch die Zylinderaußenwand kann homogen oder inhomogen ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Verlauf des jeweiligen Durchbruchs geradlinig und/oder kurvenartig ausgebildet sein. Der Durchmesser der Durchbrüche kann im Rahmen seines Verlaufes variieren. Der mittlere Durchmesser des Durchbruchs durch die erste Zylinderaußenwand und der mittlere Durchmesser des Durchbruchs durch die zweite Zylinderaußenwand können unterschiedlich ausgebildet sein.
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Mittels der Durchbrüche wird ein Strömungskanal zur direkten Weiterleitung eines Arbeitsmediums zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder ausgebildet. Dies kann dadurch erfolgen, indem der Durchbruch durch die erste Zylinderaußenwand am Durchbruch durch die zweite Zylinderaußenwand angeordnet wird. Auf einen zusätzlichen Strömungskanal, wie bei herkömmlichen Stirlingmotoren der Alpha- oder Gamma-Konfiguration vorhanden, kann hierdurch verzichtet werden. Die Weiterleitung des Arbeitsmediums erfolgt demnach direkt.
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Auch können zwischen den beiden Durchbrüchen Dichtmittel vorhanden sein, um einen Austritt des Arbeitsmediums während der Weiterleitung zu unterbinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine erste Achse A vorhanden, die durch den ersten Zylinder und parallel zur Zylinderaußenwand des ersten Zylinders verläuft und eine zweite Achse B, die durch den zweiten Zylinder und parallel zur Zylinderaußenwand des zweiten Zylinders verläuft, wobei die Achse A und die Achse B einen Winkel α einschließen für den gilt: α < 90°. Durch diese Anordnung ergeben sich weitere Vorteile, wie beispielsweise die Möglichkeit, den Phasenwinkel innerhalb bestimmter Grenzen zu variieren und so im Vergleich zu herkömmlichen Stirlingmotoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Winkel α zumindest annäherungsweise 35°.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Stirlingmotors liegen die durch den ersten Zylinder verlaufende erste Achse und die durch den zweiten Zylinder verlaufende zweite Achse windschief zueinander, wodurch die beiden Zylinder näher zueinander rücken können, wodurch wiederum der zwischen den beiden Zylindern verlaufende Strömungskanal kürzer ausgebildet sein kann. Der Abstand der beiden Achsen kann vorzugsweise wenigstens 20% eines Durchmessers eines der beiden Zylinder entsprechen. Wäre der Abstand geringer, kann durch den Versatz kein nennenswerter Raumgewinn erzielt werden, der die Zylinder näher zueinander rücken lassen würde. Der Abstand kann sinnvoller Weise auch größer sein, ist jedoch zweckmäßigerweise immer im Zusammenhang mit der Neigung der beiden Achsen der Zylinder gegeneinander zu wählen, da nur bei einer abgestimmten Konstruktion der maximale Effekt aufgrund der bestmöglichen Kompaktheit der Bauform erzielt werden kann.
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Der erste Zylinder oder der zweite Zylinder können als Verdrängerzylinder ausgebildet sein. Der Verdrängerzylinder kann in einen ersten und in einen zweiten Bereich unterteilt sein. Dem ersten Bereich kann eine Heizvorrichtung zugeordnet sein. Weiter ist es möglich dem zweiten Bereich eine Kühlvorrichtung zuzuordnen. In dieser Ausführungsform kann der zweite Zylinder als Arbeitszylinder ausgebildet sein. Das Volumen des ersten Zylinders kann hierbei größer gewählt werden als das Volumen des zweiten Zylinders. Grundsätzlich gilt bei allen Konfigurationen, dass mit zunehmender Temperaturabsenkung mittels der Kühlvorrichtung der Wirkungsgrad des Stirlingmotors gesteigert werden kann.
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Weiter können Mittel am ersten und/oder am zweiten Bereich angeordnet sein, so dass der erste Bereich vom zweiten Bereich thermisch isoliert ist. Zur Isolation kommen beispielsweise Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit in Betracht.
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Zudem ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung am ersten und am zweiten Zylinder jeweils mindestens eine Pleuelstange angeordnet. Die Pleuelstangen sind gelenkig mit einem Kurbeltrieb verbunden. Der Kurbeltrieb kann über eine Welle verfügen, die mit weiteren Vorrichtungen, beispielsweise zum Erzeugen von Elektrizität, verbunden sein kann.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Stirlingmotors mit Gamma-Konfiguration gemäß bekanntem Stand der Technik.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Stirlingmotors der erfindungsgemäßen Art.
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3 zeigt eine weitere schematische Ansicht des Stirlingmotors.
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4 zeigt anhand einer perspektivischen Ansicht des Stirlingmotors den Aufbau und die räumliche Zuordnung der beiden Zylinder zueinander.
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5 zeigt eine Detailansicht des Stirlingmotors gemäß 4.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele da, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
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Die schematische Ansicht der 1 zeigt eine Ausführungsform eines Stirlingmotors 1 in einer sog. Gamma-Konfiguration, wie sie aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Der Stirlingmotor 1 besitzt einen Verdrängerzylinder 3 mit einem ersten Kolben 13 und einen Arbeitszylinder 5 mit einem zweiten Kolben 15. Der Verdrängerzylinder 3 und der Arbeitszylinder 5 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel um 90° versetzt angeordnet. Am ersten Kolben 13 und am zweiten Kolben 15 ist jeweils eine Pleuelstange 9 angeordnet, die mit einem freien Ende gelenkig mit dem Kurbeltrieb 11 verbunden ist. Zum Austausch eines Arbeitsmediums ist am Verdrängerzylinder 3 und am Arbeitszylinder 5 ein Überströmrohr 7 angeordnet.
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Die Querschnittdarstellung der 2 zeigt eine Ausführungsform eines Stirlingmotors 1 der erfindungsgemäßen Art. Der Verdrängerzylinder 3 weist einen Durchbruch 17 auf, der sich vom Innenraum des Verdrängerzylinders 3 durch die Zylinderaußenwand erstreckt. Ebenso weist der Arbeitszylinder 5 einen Durchbruch 19 auf, der sich vom Innenraum des Arbeitszylinders 5 durch die Zylinderaußenwand erstreckt. Der Durchbruch 17 und der Durchbruch 19 bilden einen Strömungskanal zur direkten Weiterleitung eines Arbeitsmediums vom Verdrängerzylinder 3 zum Arbeitszylinder 5 aus. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verdrängerzylinder 3 am Arbeitszylinder 5 angeordnet.
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Schließlich zeigt die 3 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Stirlingmotors 1. Angedeutet ist eine erste Achse A, die durch den Verdrängerzylinder 3 und parallel zur Zylinderaußenwand des Verdrängerzylinders 3 verläuft. Weiter ist eine zweite Achse B angedeutet, die durch den Arbeitszylinder 5 und parallel zur Zylinderaußenwand des Arbeitszylinders 5 verläuft. Die Achse A und die Achse B schließen einen Winkel ein, der im gezeigten Ausführungsbeispiel 35° beträgt.
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Die 4 zeigt anhand einer perspektivischen Ansicht des Stirlingmotors den Aufbau und die räumliche Zuordnung der beiden Zylinder 3 und 5 zueinander. Die 5 zeigt eine Detailansicht des Stirlingmotors gemäß 4. Wie anhand der 4 und 5 verdeutlicht wird, müssen die Achsen A und B der beiden Zylinder 3 und 5 keineswegs innerhalb einer gemeinsamen Ebene liegen. So liegen bei dem gezeigten Stirlingmotor 1 die durch den ersten Zylinder 3 verlaufende erste Achse A und die durch den zweiten Zylinder 5 verlaufende zweite Achse B windschief zueinander, wodurch die beiden Zylinder 3 und 5 einen relativ kleinen Zylinderwinkel (z. B. 35° oder kleiner, vgl. 3) aufweisen und dennoch relativ nahe zueinander rücken können. Der zwischen den beiden Zylindern 3 und 5 verlaufende Strömungskanal 7 kann dadurch sehr kurz ausfallen, was Vorteile für den mit dem Stirlingmotor 1 zu erreichenden Wirkungsgrad hat. Der Abstand der beiden Achsen A und B kann vorzugsweise wenigstens 20% des Durchmessers eines der beiden Zylinder 3 oder 5 entsprechen, wie dies in den 4 und 5 angedeutet ist. Der Abstand kann auch größer gewählt werden, wodurch sich ggf. ein noch geringerer Neigungswinkel zwischen den Achsen A und B erzielen lässt. Der Abstand ist zweckmäßigerweise immer im Zusammenhang mit der Neigung der beiden Achsen A und B der Zylinder 3 und 5 gegeneinander zu wählen, da nur bei einer abgestimmten Konstruktion der maximale Effekt aufgrund der bestmöglichen Kompaktheit der Bauform erzielt werden kann.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stirlingmotor
- 3
- Verdrängerzylinder
- 5
- Arbeitszylinder
- 7
- Überströmrohr
- 9
- Pleuelstangen
- 11
- Kurbeltrieb
- 13
- Erster Kolben
- 15
- Zweiter Kolben
- 17
- Durchbruch Verdrängerzylinder
- 19
- Durchbruch Arbeitszylinder
- A
- Erste Achse
- B
- Zweite Achse
