DE102012109832B4

DE102012109832B4 - Free piston machine and double cylinder free piston machine

Info

Publication number: DE102012109832B4
Application number: DE201210109832
Authority: DE
Inventors: Frank Cordes
Original assignee: Stirling Concepts Ug
Current assignee: Stirling Concepts Ug
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: DE102012109832A1

Abstract

Doppelzylinderfreikolbenmaschine mit: einem ersten Zylinder (2) zur Aufnahme eines Arbeitsmediums mit einer Kolbenachse (6), die entlang einer Zentralachse (10) des ersten Zylinders (2) verläuft, und einem ersten Drehschieberkolben (4) und einem zweiten Drehschieberkolben (5) zum Komprimieren und Entspannen des Arbeitsmediums in einem Arbeitsraum (2a) des ersten Zylinders (2), wobei jeder Drehschieberkolben (4, 5) eine Achsendurchführung (7) aufweist, die die Kolbenachse (6) umschließt, so dass jeder Drehschieberkolben (4, 5) jeweils um die Zentralachse (10) des ersten Zylinders (2) drehbar ist, und einem zu dem ersten baugleichen zweiten Zylinder (35), wobei die zwei Zylinder (2, 35) über eine Fluidverbindung (41) zum Austausch von Arbeitsmedium miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch wenigstens einen als Generator oder als Motor betriebenen elektromechanischen Wandler (8) zwischen der Kolbenachse (6) und der Achsendurchführung (7) jedes Drehschieberkolbens (4, 5).Double-cylinder free-piston machine with: a first cylinder (2) for receiving a working medium with a piston axis (6) which runs along a central axis (10) of the first cylinder (2), and a first rotary slide piston (4) and a second rotary slide piston (5) for Compressing and relaxing the working medium in a working space (2a) of the first cylinder (2), each rotary vane piston (4, 5) having an axis passage (7) which surrounds the piston axis (6) so that each rotary vane piston (4, 5) each can be rotated about the central axis (10) of the first cylinder (2) and a second cylinder (35) which is identical in construction to the first, the two cylinders (2, 35) being connected to one another via a fluid connection (41) for exchanging working medium , characterized by at least one electromechanical converter (8) operated as a generator or as a motor between the piston axis (6) and the axis bushing (7) of each rotary slide piston (4, 5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Doppelzylinderfreikolbenmaschine, in der zwei einfache Freikolbenmaschinen mit jeweils wenigstens einem Zylinder, in welchem zwei Drehschieberkolben ein Arbeitsmedium periodisch komprimieren und entspannen, miteinander verbunden sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Doppelzylinderfreikolbenmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a double-cylinder free-piston machine in which two simple free-piston machines, each having at least one cylinder, in which two rotary valve pistons compress and relax a working medium periodically, are connected to one another. In particular, the invention relates to a double-cylinder free-piston engine according to the preamble of claim 1.

Freikolbenmaschinen sind dem Prinzip nach bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einer Zylinderkammer, in der sich ein oder mehrere Kolben frei bewegen können. Die Kraft auf den Kolben wird über einen Wandler abgeführt bzw. zugeführt, je nachdem ob die Maschine als Generator (Wärmezufuhr von außen und Erzeugen eines elektrischen Stroms) oder als Wärmepumpenmotor (Speisung mit einem elektrischen Strom und Erzeugen einer Bewegung im Arbeitsmedium) benutzt wird.Free-piston machines are known in principle. They consist essentially of a cylinder chamber in which one or more pistons can move freely. The force on the piston is dissipated via a converter, depending on whether the machine is used as a generator (heat supply from outside and generating an electric current) or as a heat pump motor (feeding with an electric current and generating a movement in the working medium).

Ein aus DE 43 15 046 A1 bekannter Freikolbenmotor umfasst wenigstens einen Wandler mit wenigstens einem Zylinder. Ein Wandler ist mit einem Anker und einem Stator versehen, und die Kolbenstange ist mit dem Anker verbunden. Ein Federsystem ist vorgesehen, das mit dem Kolben zusammenwirkt. Beim Arbeitshub des Kolbens wird Energie gespeichert, und beim Verdichtungshub wird die gespeicherte Energie an den Kolben abgegeben.On off DE 43 15 046 A1 known free-piston engine comprises at least one converter with at least one cylinder. A transducer is provided with an armature and a stator, and the piston rod is connected to the armature. A spring system is provided which cooperates with the piston. Energy is stored during the piston's power stroke and the stored energy is delivered to the piston during the compression stroke.

Aus US 2008/0178847 A1 ist eine Freikolbenwärmekraftmaschine bekannt. Diese Maschine umfasst zwei Kolben aus jeweils zwei oder mehreren Flügeln in Form eines symmetrischen Sterns, der mit der zentralen Welle verbunden ist. Die Kolben sind in dem zylindrischen Hohlraum gelagert, der durch zwei konzentrische zylindrische Flächen und zwei Ebenen an den Enden definiert wird. Die Flügel der beiden Kolben werden alternierend in dem Hohlraum bewegt. Wenn sich die Kolben in Gegenrichtung bewegen, bilden sich variable Arbeitskammern zwischen den Flügeln. Die externen Last- bzw. Antriebskräfte werden entweder über koaxiale Wellen, über radiale Verbindungen oder über planare oder zylindrische Ringe direkt in die Kolben eingekoppelt.Out US 2008/0178847 A1 is a free piston heat engine known. This machine comprises two pistons each of two or more wings in the form of a symmetrical star, which is connected to the central shaft. The pistons are supported in the cylindrical cavity defined by two concentric cylindrical surfaces and two planes at the ends. The wings of the two pistons are alternately moved in the cavity. As the pistons move in the opposite direction, variable working chambers form between the wings. The external load or drive forces are coupled either via coaxial shafts, via radial connections or via planar or cylindrical rings directly into the pistons.

Durch die Verbindung von zwei Freikolbenmaschinen erhält man eine Vorrichtung, die als Wärmekraftmaschine oder als Wärmepumpe eingesetzt werden kann. Diese kann nach verschiedenen Prinzipien betrieben werden. Insbesondere kann der Arbeitsprozess nach dem Stirling-Prinzip ablaufen. Stirling-Maschinen sind dem Prinzip nach bekannt und werden als Wärmepumpe z. B. in Heizungsanlagen oder z. B. bei Kältemaschinen eingesetzt. Die Stirling-Maschine umfasst ein (gasförmiges) Arbeitsmedium zwischen zwei Wärmereservoirs. Das Arbeitsmedium durchläuft einen isothermen-isochoren Kreisprozess, in welchem Wärmeenergie in Bewegungsenergie umgewandelt wird bzw. Bewegungsenergie zum Aufbau einer Wärmedifferenz genutzt wird. In einer Form der Stirling-Maschine (sog. Alpha-Stirling-Maschine) bewegen sich ein Verdrängerkolben und ein Arbeitskolben jeweils in einem eigenen Zylinder und sind über ein Schwungrad miteinander verbunden. Zwischen Verdrängerkolben und Arbeitskolben wird das Arbeitsmedium verschoben. Grundsätzlich kann eine solche Stirling-Maschine als Motor oder als Wärmepumpe betrieben werden: als Motor wandelt die Stirling-Maschine Wärmeenergie in Bewegungsenergie um, bei der Nutzung der Stirling-Maschine als Wärmepumpe wird mittels mechanischer Arbeit Wärmeenergie aus einem Wärmereservoir in ein anderes Wärmereservoir transportiert.The combination of two free-piston machines gives a device that can be used as a heat engine or as a heat pump. This can be operated according to different principles. In particular, the working process can proceed according to the Stirling principle. Stirling machines are known in principle and are used as heat pump z. B. in heating systems or z. B. used in refrigerators. The Stirling engine includes a (gaseous) working fluid between two heat reservoirs. The working medium undergoes an isothermal-isochoric cycle in which heat energy is converted into kinetic energy or kinetic energy is used to build up a heat difference. In one form of the Stirling engine (so-called Alpha Stirling engine), a displacement piston and a working piston each move in their own cylinder and are connected to each other via a flywheel. Between displacer and working piston, the working fluid is moved. In principle, such a Stirling engine can be operated as a motor or as a heat pump: as a motor, the Stirling engine converts thermal energy into kinetic energy. When the Stirling engine is used as a heat pump, heat energy is transported from a heat reservoir to another heat reservoir by mechanical work.

Eine Achtkammer-Schwingflügel-Stirling-Maschine zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärme oder zur Wärmetransformation durch Zuführung von mechanischer oder elektrischer Energie ist aus DE 20 2006 018 123 U1 bekannt. Die Achtkammer-Schwingflügel-Stirling-Maschine umfasst zwei Hohlzylinder mit je zwei segmentartigen Stegen, die zusammen mit den durch die Rotationsachse der Hohlzylinder drehbar gelagerten Wellen die Zylinder in je zwei gleichgroße Kammern unterteilen, und jede der Wellen durchstößt mindestens je eine der geschlossenen Stirnseiten der Zylinder.An eight-chamber swing-wing Stirling engine for generating mechanical or electrical energy from heat or for heat transformation by supplying mechanical or electrical energy is out DE 20 2006 018 123 U1 known. The eight-chamber swing-wing Stirling machine comprises two hollow cylinders, each with two segment-like webs, which, together with the rotatably supported by the axis of rotation of the hollow cylinder shafts subdivide the cylinders into two equally sized chambers, and each of the shafts penetrates at least one of the closed end faces of the Cylinder.

Ein Nachteil bei dem genannten Stand der Technik besteht darin, dass eine Kraftübertragung auf die beiden Kolbenvorrichtungen nur über ein nach außen geführtes Getriebe möglich ist. Ein solches nach außen geführtes Getriebe setzt entsprechende Achsendurchführungsöffnungen in der Arbeitskammer voraus. Diese Achsendurchführungsöffnungen müssen abgedichtet sein, damit sich die Leckrate des Arbeitsmediums nicht erhöht. Durch die Abdichtungen der Achsendurchführungsöffnungen kommt es jedoch zu größerer Reibung und damit zu Leistungsverlusten. Der Wirkungsgrad der Maschine wird darüber hinaus auch durch die Anzahl der Luftspalte zwischen Kolben und Zylinderwand bzw. durch das Verhältnis von Luftspaltlänge zu Arbeitsvolumen begrenzt.A disadvantage of the cited prior art is that a power transmission to the two piston devices is possible only via a gear guided to the outside. Such an outwardly guided gear requires appropriate Achsendurchführungsöffnungen in the working chamber. These Achsendurchführungsöffnungen must be sealed so that the leak rate of the working fluid does not increase. Due to the seals of the Achsendurchführungsöffnungen, however, it comes to greater friction and thus power losses. The efficiency of the machine is also limited by the number of air gaps between the piston and cylinder wall or by the ratio of air gap length to working volume.

Ferner ist der Hub der Maschine dadurch beschränkt, dass der Aufbau der Schwingflügel sternförmig ist.Furthermore, the stroke of the machine is limited by the fact that the structure of the swing vanes is star-shaped.

Aus DE 102 48 785 B4 ist ein Zwei-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp mit ineinander laufenden Kolben bekannt. In einem Zylindergrundkörper ist ein axial beweglicher hohler Doppel-Verdränger aus zwei fest verbundenen Verdrängern so angeordnet, dass die beiden äußeren Kolbenseiten jedes einzelnen Verdrängers für die Verdrängerwirkung über Erhitzer, Regenerator und Kühler verbunden sind. In dem Doppel-Verdränger ist ferner ein Doppel-Arbeitskolben aus zwei fest verbundenen Arbeitskolben axial beweglich so angeordnet, dass sich jeder einzelne Arbeitskolben in einem der beiden Verdränger des Doppel-Verdrängers bewegen kann.Out DE 102 48 785 B4 is a two-cycle hot gas engine of the positive displacement type with reciprocating pistons known. In a cylinder base body, an axially movable hollow double displacer of two firmly connected displacers is arranged so that the two outer sides of each piston displacer for positive displacement via heater, regenerator and radiator are connected. In the double displacer further comprises a double-working piston of two fixedly connected working piston is arranged axially movable so that each individual working piston can move in one of the two displacer of the double displacer.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Doppelzylinderfreikolbenmaschine zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik geringere Verluste und damit einen höheren Wirkungsgrad aufweist und mit hohem Wirkungsgrad als Wärmekraftmaschine eingesetzt werden kann.The object of the invention is to provide a double-cylinder free-piston engine, which has lower losses and thus a higher efficiency compared to the prior art and can be used with high efficiency as a heat engine.

Die Aufgabe wird durch die Doppelzylinderfreikolbenmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the double-cylinder free-piston machine with the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are subject of the dependent claims.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Arbeitsvolumen soweit wie möglich hermetisch abzuschließen, um jede Art von Leckage des Arbeitsmediums zu vermeiden. Um andererseits Bewegungsenergie dem geschlossenen System zuführen zu können oder aus diesem zu gewinnen, wird ein elektromechanischer Wandler in die beweglichen Teile in dem Arbeitsvolumen integriert, der elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt oder umgekehrt. Der Transport elektrischer Energie in einer hermetisch abgedichteten Maschine ist anders als bei mechanischer Energie ohne große Verluste möglich. Da der elektromechanische Wandler aber den Bewegungsablauf der Komponenten in dem Arbeitsvolumen nicht beeinträchtigen darf und eine möglichst große Oberfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehen sollte, wird der Wandler erfindungsgemäß in das Drehgelenk zwischen den beweglichen Komponenten integriert, so dass sich ein sehr kompakter Aufbau ergibt, der thermisch sehr gut mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke gekoppelt werden kann.The invention is based on the idea to hermetically complete the working volume as much as possible in order to avoid any kind of leakage of the working medium. On the other hand, in order to be able to supply kinetic energy to or from the closed system, an electromechanical transducer is integrated into the moving parts in the working volume, which converts electrical energy into kinetic energy or vice versa. The transport of electrical energy in a hermetically sealed machine is possible unlike mechanical energy without great losses. However, since the electromechanical transducer must not interfere with the movement of the components in the working volume and the largest possible surface for the heat exchange should be available, the transducer is integrated according to the invention in the hinge between the movable components, so that a very compact structure results, which can be thermally coupled very well with a heat source and a heat sink.

Die gattungsgemäße Freikolbenmaschine, von der die Erfindung ausgeht, ist ausgestattet mit wenigstens einem Zylinder zur Aufnahme eines Arbeitsmediums mit einer Kolbenachse, die entlang einer Zentralachse des Zylinders verläuft, und einem ersten Drehschieberkolben und einem zweiten Drehschieberkolben zum Komprimieren und Entspannen des Arbeitsmediums in einem Arbeitsraum des Zylinders, wobei jeder Drehschieberkolben eine Achsendurchführung aufweist, die die Kolbenachse umschließt, so dass der Drehschieberkolben jeweils um die Zentralachse des Zylinders drehbar ist.The generic free piston engine, from which the invention proceeds, is equipped with at least one cylinder for receiving a working medium having a piston axis which extends along a central axis of the cylinder, and a first rotary valve piston and a second rotary valve piston for compressing and relaxing the working medium in a working space of the Cylinder, wherein each rotary valve piston has an axle passage which surrounds the piston axis, so that the rotary valve piston in each case about the central axis of the cylinder is rotatable.

Erfindungsgemäß wird die Freikolbenmaschine dadurch weitergebildet, dass sie wenigstens einen als Generator oder als Motor betriebenen elektromechanischen Wandler zwischen der Kolbenachse und der Achsendurchführung des Drehschieberkolbens umfasst.According to the invention, the free-piston engine is further developed in that it comprises at least one operated as a generator or as a motor electromechanical transducer between the piston axis and the Achsendurchführung the rotary valve piston.

Durch die Verlagerung des elektrischen Wandlers in die gemeinsame Welle der Kolben, wird der Aufbau der Maschine kompakter gestaltet. Aufgrund dieses kompakten Aufbaus können die Zylinderwand und die Zylinderdeckel als Wärmetauscher genutzt werden. Ferner sind bei dem bevorzugten Aufbau der Maschine nur Drehlager und keine sonstigen Lager vorgesehen. Damit entfällt jede Kontaktreibung in der Maschine, und es erhöht sich ihr Wirkungsgrad entsprechend.By shifting the electrical transducer into the common shaft of the pistons, the structure of the machine is made more compact. Due to this compact design, the cylinder wall and the cylinder cover can be used as a heat exchanger. Furthermore, in the preferred construction of the machine, only rotary bearings and no other bearings are provided. This eliminates any contact friction in the machine, and it increases their efficiency accordingly.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Freikolbenmaschine umfasst der elektromechanische Wandler wenigstens ein Spulensystem und wenigstens ein Permanentmagnetsystem zum Erzeugen wenigstens eines Magnetfeldes. Vorzugsweise ist das Permanentmagnetsystem mechanisch mit der beweglichen Achsendurchführung des Drehschieberkolbens verbunden und das Spulensystem mechanisch mit der feststehenden Kolbenachse verbunden.In a preferred embodiment of the free-piston machine, the electromechanical converter comprises at least one coil system and at least one permanent magnet system for generating at least one magnetic field. Preferably, the permanent magnet system is mechanically connected to the movable axle passage of the rotary valve piston and the coil system is mechanically connected to the fixed piston axis.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das Permanentmagnetsystem mechanisch mit dem ersten Drehschieberkolben verbunden und das Spulensystem mechanisch mit dem zweiten Drehschieberkolben verbunden, und das Spulensystem ist in dem Magnetfeld des Permanentmagnetsystems angeordnet.In an alternative preferred embodiment, the permanent magnet system is mechanically connected to the first rotary valve piston and the coil system is mechanically connected to the second rotary valve piston, and the coil system is arranged in the magnetic field of the permanent magnet system.

Aufgrund der Verwendung des Permanentmagneten ist bei diesen Ausführungsformen der schaltungstechnische Aufwand außerhalb der Maschine sehr gering.Due to the use of the permanent magnet, the circuit complexity outside of the machine is very low in these embodiments.

Insbesondere liegen bei den beiden oben genannten bevorzugten Ausführungsformen der Freikolbenmaschine der gemeinsame Schwerpunkt des Permanentmagnetsystems und des ersten Drehschieberkolbens und der gemeinsame Schwerpunkt des Spulensystems und des zweiten Drehschieberkolbens jeweils auf der Zentralachse des Zylinders. Damit werden die Drehlager der Maschine im Betrieb wenig belastet, und es wird eine besonders große Laufruhe der Maschine erreicht.In particular, in the two above-mentioned preferred embodiments of the free-piston engine, the common center of gravity of the permanent magnet system and the first rotary valve piston and the common center of gravity of the coil system and the second rotary valve piston are respectively on the central axis of the cylinder. Thus, the rotary bearing of the machine are little loaded during operation, and it is achieved a particularly great smoothness of the machine.

In einer bevorzugten alternativen Ausführungsform der Freikolbenmaschine umfasst der elektromechanische Wandler wenigstens ein erstes Spulensystem und wenigstens ein zweites Spulensystem zum Erzeugen wenigstens eines Magnetfeldes, wobei das wenigstens eine erste Spulensystem mechanisch mit einem ersten Drehschieberkolben verbunden ist und das wenigstens eine zweite Spulensystem mechanisch mit einem zweiten Drehschieberkolben verbunden ist. Durch die elektrische Erzeugung der beiden notwendigen Magnetfelder ist die maximale Flexibilität bei der Ansteuerung der Maschine gewährleistet. Auch bei dieser Ausführungsform liegt der Schwerpunkt von Drehschieberkolben und Spulensystem vorzugsweise jeweils auf der Zentralachse.In a preferred alternative embodiment of the free-piston machine, the electromechanical converter comprises at least a first coil system and at least one second coil system for generating at least one magnetic field, wherein the at least one first coil system is mechanically connected to a first rotary valve piston and the at least one second coil system is mechanically connected to a second rotary valve piston connected is. The electrical generation of the two necessary magnetic fields ensures maximum flexibility in controlling the machine. Also in this embodiment, the focus of rotary valve piston and coil system preferably each on the central axis.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Freikolbenmaschine arbeiten die beiden Drehschieberkolben gegen einen Gasdruck in einem Rückraum des Zylinders. Auf diese Art wird die oszillierende Bewegung der zwei Drehschieberkolben im Zylinder unterstützt. Durch den Einsatz von Gas im Rückraum des Zylinders anstelle von mechanischen Federelementen für den Rücktrieb der einzelnen Kolben wird Material und damit Gewicht eingespart, und die Frage nach Materialermüdung bei den Rückstellelementen erübrigt sich.In a further preferred embodiment of the free-piston engine, the two rotary valve pistons work against a gas pressure in a rear space of the cylinder. In this way, the oscillating movement of the two rotary valves in the cylinder is supported. The use of gas in the back of the cylinder instead of mechanical spring elements for the return of each piston material and thus weight is saved, and the question of material fatigue in the return elements is unnecessary.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Freikolbenmaschine ist diese ausgestattet mit wenigstens einer Zylinderöffnung zum temporären Austausch des Arbeitsmediums in dem Zylinder, einem Ein-/Auslassventil zum Öffnen und Schließen der Zylinderöffnung während einer jeweils vorgegebenen Öffnungsdauer und Schließdauer und einer Wandlersteuerung zum Steuern der Winkelamplitude der Drehschieberkolben. Bei diesem Aufbau kann das Arbeitsmedium im Zylinder abhängig von der Winkelamplitude ausgetauscht werden. Dies ist insbesondere von Interesse bei der Kombination von zwei Freikolbenmaschinen zu einer Doppelfreikolbenmaschine mit wechselseitigem Austausch des Arbeitsmediums.In a further preferred embodiment of the free-piston engine this is equipped with at least one cylinder opening for temporary replacement of the working medium in the cylinder, an inlet / outlet valve for opening and closing the cylinder opening during a respective predetermined opening duration and closing time and a converter control for controlling the angular amplitude of the rotary valve piston , In this construction, the working medium in the cylinder can be exchanged depending on the angle amplitude. This is of particular interest in the combination of two free-piston machines to a double-free piston machine with reciprocal exchange of the working medium.

Die Freikolbenmaschine wird insbesondere zum Aufbau einer Doppelzylinderfreikolbenmaschine verwendet, bei der die Zylinderöffnungen von zwei Freikolbenmaschinen über eine Fluidverbindung zum Austausch von Arbeitsmedium zwischen den beiden Zylindern miteinander verbunden sind. Die Doppelzylinderfreikolbenmaschine ist geeignet als Wärmepumpe, Kältemaschine oder Wärmekraftmaschine.The free-piston engine is used in particular for constructing a double-cylinder free-piston engine, in which the cylinder openings of two free-piston engines are connected to one another via a fluid connection for exchanging working fluid between the two cylinders. The double-cylinder free-piston machine is suitable as a heat pump, chiller or heat engine.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Doppelzylinderfreikolbenmaschine ist der Zylinder der einen Freikolbenmaschine mit einer äußeren Wärmequelle und der Zylinder der anderen Freikolbenmaschine mit einer äußeren Wärmesenke thermisch verbunden, so dass die Doppelzylinderfreikolbenmaschine als Wärmekraftmaschine zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie betrieben wird.In a preferred embodiment of the double-cylinder free-piston engine, the cylinder of one free piston engine is thermally connected to an external heat source and the cylinder of the other free piston engine is connected to an outer heat sink so that the double cylinder free piston engine is operated as a heat engine to convert thermal energy to electrical energy.

Insbesondere arbeitet die Doppelzylinderfreikolbenmaschine dabei als Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip, mit dem sich ein relativ hoher thermischer Wirkungsgrad erreichen lässt.In particular, the double-cylinder free-piston machine works as a heat engine according to the Stirling principle, with which a relatively high thermal efficiency can be achieved.

Um den Wirkungsgrad der nach dem Stirling-Prinzip arbeitenden Doppelzylinderfreikolbenmaschine weiter zu erhöhen, umfasst bei der Doppelzylinderfreikolbenmaschine die Fluidverbindung vorzugsweise einen Regenerator mit einer vorgegebenen Wärmekapazität zum Speichern von Wärmeenergie beim Durchtritt des Arbeitsmediums durch die Fluidverbindung zwischen den beiden Zylindern.In order to further increase the efficiency of the Stirling double-cylinder free-piston engine, in the double-cylinder free-piston engine, the fluid communication preferably includes a regenerator having a predetermined heat capacity for storing heat energy as the working fluid passes through the fluid communication between the two cylinders.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Doppelzylinderfreikolbenmaschine werden die Frequenz und die Winkelamplitude der Drehschieberkolben in den beiden Zylindern sowie ihre Phase zueinander durch eine elektronische Wandlersteuerung vorgegeben. Durch die flexible Einstellung der Phasenlage der beiden Teilmaschinen über die gemeinsame elektronische Steuerung lässt sich die Leistung der Maschine in Abhängigkeit von der gerade anliegenden Last dynamisch anpassen. Grundsätzlich sind außerdem Bewegungsabläufe realisierbar, die von einer reinen Sinusform abweichen (z. B. diskontinuierlich).In a further preferred embodiment of the double-cylinder free-piston machine, the frequency and the angle amplitude of the rotary valve pistons in the two cylinders and their phase to one another are predetermined by an electronic converter control. Due to the flexible adjustment of the phase position of the two sub-machines via the common electronic control system, the power of the machine can be dynamically adjusted as a function of the currently applied load. In principle, it is also possible to implement motion sequences which deviate from a pure sinusoidal shape (for example, discontinuously).

Vorzugsweise wird bei der Freikolbenmaschine bzw. bei der Doppelzylinderfreikolbenmaschine ein Edelgas und insbesondere Helium als Arbeitsgas verwendet. Die Verwendung von Edelgas als Arbeitsmedium kommt der Leistungsausbeute zugute und reduziert die Risiken für die Umwelt beim Betrieb der Maschine.Preferably, in the free-piston machine or in the double-cylinder free-piston machine, a noble gas and in particular helium is used as working gas. The use of inert gas as a working medium benefits the power yield and reduces the environmental risks involved in operating the machine.

Insgesamt hat die Erfindung u. a. den Vorteil, dass die mechanisch bewegten Komponenten lediglich gegenüber den dynamischen Druckschwankungen während des Arbeitsprozesses abgedichtet werden müssen. Dies erfolgt vorzugsweise durch einfache Spalt- oder Labyrinthdichtungen. Abdichtungen mechanisch bewegter Komponenten, die einer hohen statischen Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsgas und dem Rückraum oder der Umwelt standhalten müssen, sind nicht notwendig. Auf diese Art wird durch die Erfindung eine elektrisch angetriebene Freikolbenmaschine geschaffen, die insbesondere für den Betrieb als Wärmepumpe (z. B. in Heizungsanlagen) oder als Kühlaggregat (z. B. in Kältemaschinen) geeignet ist.Overall, the invention has u. a. the advantage that the mechanically moving components need only be sealed against the dynamic pressure fluctuations during the working process. This is preferably done by simple gap or labyrinth seals. Seals of mechanically moving components, which must withstand a high static pressure difference between the working gas and the back space or the environment, are not necessary. In this way, the invention provides an electrically driven free piston machine which is particularly suitable for operation as a heat pump (eg in heating systems) or as a cooling unit (eg in refrigerating machines).

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention, reference being made to the accompanying drawings.

1 zeigt im Längsschnitt schematisch eine erste Ausführungsform der Freikolbenmaschine. 1 shows in longitudinal section schematically a first embodiment of the free-piston engine.

2 zeigt die erste Ausführungsform der Freikolbenmaschine nach 1 im Querschnitt. 2 shows the first embodiment of the free-piston engine 1 in cross section.

3 zeigt eine Ausführungsform des elektromechanischen Wandlers nach 1 schematisch im Längsschnitt. 3 shows an embodiment of the electromechanical transducer according to 1 schematically in longitudinal section.

4 zeigt die Ausführungsform des elektromechanischen Wandlers nach 3 im Querschnitt. 4 shows the embodiment of the electromechanical transducer after 3 in cross section.

5 zeigt im Längsschnitt schematisch eine zweite Ausführungsform der Freikolbenmaschine. 5 shows in longitudinal section schematically a second embodiment of the free-piston engine.

6 zeigt die zweite Ausführungsform der Freikolbenmaschine nach 5 im Querschnitt. 6 shows the second embodiment of the free-piston engine 5 in cross section.

7 zeigt im Längsschnitt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Doppelzylinderfreikolbenmaschine. 7 shows in longitudinal section schematically an embodiment of the double-cylinder free-piston machine according to the invention.

8 zeigt die Ausführungsform der Doppelzylinderfreikolbenmaschine nach 7 im Querschnitt. 8th shows the embodiment of the double-cylinder free-piston machine 7 in cross section.

Die Zeichnung ist nicht maßstäblich. Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen in den Figuren versehen, soweit nichts anderes gesagt ist.The drawing is not to scale. Identical or equivalent elements are provided with the same reference numerals in the figures, unless otherwise stated.

1 zeigt im Längsschnitt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Freikolbenmaschine 1. Die Freikolbenmaschine umfasst einen Zylinder 2 zur Aufnahme eines Arbeitsmediums. In dem Zylinder 2 sind wenigstens zwei Drehschieberkolben 4 und 5 um eine Kolbenachse 6 drehbar angeordnet. Die Drehschieberkolben 4, 5 erstrecken sich von der Achse 6 bis zu einer Innenwandung 3 des Zylinders 2. Die Drehschieberkolben liegen ausreichend dicht an der Innenwand 3 an, so dass nur sehr wenig von dem Arbeitsmedium an den Drehschiebern 4, 5 vorbeiströmen kann, wenn sich diese um die Kolbenachse 6 drehen. Um ein Vorbeiströmen des Arbeitsmediums an den Drehschiebern 4, 5 noch weiter zu verringern, sind die Drehschieberkolben an ihrem der Zylinderwandung 3 zugewandten Ende mit entsprechenden Spalt- oder Labyrinthdichtungen versehen, die einen hohen Strömungswiderstand für das Arbeitsmedium erzeugen (nicht gezeigt). Auf diese Art wird der Innenraum des Zylinders durch die beiden Drehschieberkolben 4, 5 in einen Arbeitsraum 2a und einen Rückraum 2b unterteilt, die strömungstechnisch weitgehend voneinander isoliert sind. Das Arbeitsmedium verteilt sich auf den Arbeitsraum 2a und den Rückraum 2b im Zylinder 2. 1 shows a longitudinal section schematically a preferred embodiment of a free-piston engine 1 , The free piston engine comprises a cylinder 2 for receiving a working medium. In the cylinder 2 are at least two rotary valves 4 and 5 around a piston axis 6 rotatably arranged. The rotary valve pistons 4 . 5 extend from the axis 6 up to an inner wall 3 of the cylinder 2 , The rotary valve pistons are sufficiently close to the inner wall 3 so that very little of the working fluid on the rotary valves 4 . 5 can flow past, if this around the piston axis 6 rotate. To prevent the working medium from flowing past the rotary valves 4 . 5 To further reduce, the rotary valve pistons are at their the cylinder wall 3 facing end provided with corresponding gap or labyrinth seals that produce a high flow resistance for the working fluid (not shown). In this way, the interior of the cylinder through the two rotary valve piston 4 . 5 in a workroom 2a and a back room 2 B divided, which are largely isolated from each other in terms of flow. The working medium is distributed over the working space 2a and the back room 2 B in the cylinder 2 ,

Die Drehbewegung der beiden Drehschieberkolben 4 und 5 um die Kolbenachse 6 wird jeweils durch einen eigenen elektromechanischen Wandler 8 bewirkt, der als Motor oder als Generator betrieben werden kann. Sowohl der erste Drehschieberkolben 4 als auch der zweite Drehschieberkolben 5 sind auf der Kolbenachse 6 drehbar gelagert. Dazu ist jeder Drehschieberkolben 4 bzw. 5 mit einer Achsendurchführung 7 versehen, die jeweils einen Abschnitt der gemeinsamen Kolbenachse 6 umschließt. Die beiden Abschnitte der Kolbenachse 6, die von dem Drehschieberkolben 4 bzw. von dem Drehschieberkolben 5 umschlossen werden, liegen in axialer Richtung hintereinander auf der Achse 6. Die Kolbenachse 6 verbindet die beiden Deckel des Zylinders 2 miteinander und trägt so zur mechanischen Stabilität der Freikolbenmaschine bei.The rotational movement of the two rotary valve pistons 4 and 5 around the piston axis 6 is each by its own electromechanical transducer 8th causes, which can be operated as a motor or as a generator. Both the first rotary valve piston 4 as well as the second rotary valve piston 5 are on the piston axis 6 rotatably mounted. This is every rotary valve piston 4 respectively. 5 with an axle passage 7 each having a portion of the common piston axis 6 encloses. The two sections of the piston axis 6 coming from the rotary valve piston 4 or from the rotary valve piston 5 are enclosed in the axial direction one behind the other on the axis 6 , The piston axis 6 connects the two covers of the cylinder 2 together and thus contributes to the mechanical stability of the free-piston engine.

Durch die Drehbewegung der beiden Drehschieberkolben 4 und 5 um die Kolbenachse 6 wird das Arbeitsmedium in dem Arbeitsraum 2a komprimiert und entspannt. Zum Einfüllen, Ablassen oder zum temporären Austausch des Arbeitsmediums ist eine Zylinderöffnung in einem Deckel des Zylinders 2 vorgesehen, die mit einem Ein-/Auslassventil 9 verschlossen und geöffnet wird. Das Öffnen des Ventils 9 ist dabei mit der Drehschieberkolbenbewegung synchronisiert. 2 zeigt die Freikolbenmaschine im Querschnitt. Die Zylinderöffnung 11, hinter der sich das Ventil 9 befindet, ist gestrichelt in Draufsicht dargestellt. Die Kolbenachse 6 in 2 ist als Hohlachse ausgeführt.By the rotational movement of the two rotary valve pistons 4 and 5 around the piston axis 6 becomes the working medium in the working space 2a compressed and relaxed. For filling, draining or temporary replacement of the working fluid is a cylinder opening in a lid of the cylinder 2 provided with an inlet / outlet valve 9 closed and opened. Opening the valve 9 is synchronized with the rotary valve piston movement. 2 shows the free piston engine in cross section. The cylinder opening 11 behind which is the valve 9 is shown in dashed lines in plan view. The piston axis 6 in 2 is designed as a hollow axle.

Die Drehschieberkolben 4 und 5 sind symmetrisch zu einer Zylinderachse 10 angeordnet, die als Kreuz in 2 dargestellt ist. Um diese Zylinderachse 10 vollführen die beiden Drehschieberkolben 4, 5 spiegelsymmetrisch in Bezug auf die gestrichelt eingezeichnete vertikale Linie eine oszillierende Bewegung. Dabei wird das Arbeitsmedium, das sich in dem Arbeitsraum 2a unter den beiden Drehschieberkolben befindet, je nach Bewegungsrichtung der Drehschieberkolben komprimiert oder entspannt, und gegebenenfalls über die Zylinderöffnung 11 aus dem Arbeitsraum 2a abgelassen oder in den Arbeitsraum 2a zugeführt. Oberhalb der beiden Drehschieberkolben 4, 5 in dem Rückraum 2b wirkt das Arbeitsmedium als Puffer oder Dämpfer, gegen den die Drehschieberkolben 4, 5 arbeiten, wenn sie das Arbeitsmedium entspannen. Im Rückraum 2b stellt das Arbeitsmedium damit eine Art Gasfeder da, die die oszillierende Bewegung der beiden Schieber 4, 5 unterstützt.The rotary valve pistons 4 and 5 are symmetrical to a cylinder axis 10 arranged as a cross in 2 is shown. Around this cylinder axis 10 perform the two rotary valve pistons 4 . 5 mirror-symmetric with respect to the dashed vertical line an oscillating motion. In doing so, the working medium that is in the working space 2a is located below the two rotary piston, depending on the direction of movement of the rotary valve piston compressed or relaxed, and optionally on the cylinder opening 11 from the workroom 2a drained or in the workroom 2a fed. Above the two rotary valves 4 . 5 in the back room 2 B the working medium acts as a buffer or damper against which the rotary valve pistons 4 . 5 work when they relax the working medium. In the back room 2 B represents the working medium thus a kind of gas spring there, the oscillating movement of the two slides 4 . 5 supported.

Die Form der Drehschieberkolben 4, 5 entspricht in der in 2 dargestellten Ausführungsform einem Kreissegment, dessen Radius im wesentlichen dem Innenradius des Zylinders 2 gleicht. Das Kreissegment endet an seiner Spitze dabei in der kreisförmigen Achsendurchführung 7, die die Kolbenachse 6 umschließt. An dem der Achsendurchführung 7 gegenüberliegenden Kreisbogen des Drehschieberkolbens sind wie bereits erwähnt vorzugsweise Dichtungen angeordnet, die den Durchtritt von Arbeitsmedium von der einen Seite des Drehschieberkolbens auf die andere Seite verhindern. Die Erfindung ist aber nicht auf die Form von Kreissegmenten für die Drehschieberkolben 4, 5 beschränkt. Andere Formen für die Drehschieberkolben sind ebenfalls denkbar. So kann jeder Drehschieberkolben auch korkenzieherförmig in sich gebogen sein.The shape of the rotary valve piston 4 . 5 corresponds in the in 2 illustrated embodiment of a circular segment whose radius is substantially the inner radius of the cylinder 2 like. The circle segment ends at its tip in the circular axle passage 7 that the piston axis 6 encloses. At the axle passage 7 As already mentioned, preferably opposite seals are arranged opposite arc of the rotary valve piston, which prevent the passage of working fluid from one side of the rotary valve piston to the other side. However, the invention is not limited to the shape of circular segments for the rotary valve pistons 4 . 5 limited. Other shapes for the rotary valve piston are also conceivable. Thus, each rotary valve piston can also be corkscrew bent in itself.

Die Koordinate, die die Position der beiden Drehschieberkolben 4, 5 vollständig beschreibt, ist der Winkel α zwischen dem Drehschieberkolben 4, genauer der Winkelhalbierenden des den Drehschieberkolben beschreibenden Kreissegments, und einer durch die Zentralachse 10 und senkrecht zu ihr gelegten Symmetrieachse zwischen den beiden Drehschieberkolben 4, 5. Der Winkel α der beiden Drehschieberkolben 4, 5 durchläuft im Betrieb der Freikolbenmaschine bei der dargestellten Ausführungsform den Bereich zwischen etwa 10° und 170°, wobei diese beiden Werte von 10° und 170° im wesentlichen von dem Öffnungswinkel des Kreissegments bestimmt werden, das die Form der Drehschieberkolben beschreibt.The coordinate representing the position of the two rotary valve pistons 4 . 5 fully describes, is the angle α between the rotary valve piston 4 , more precisely the bisector of the Rotary valve piston descriptive circle segment, and one through the central axis 10 and perpendicular to its axis of symmetry between the two rotary valve piston 4 . 5 , The angle α of the two rotary valve piston 4 . 5 during operation of the free-piston engine in the illustrated embodiment, the range between about 10 ° and 170 °, these two values of 10 ° and 170 ° are essentially determined by the opening angle of the circular segment, which describes the shape of the rotary valve piston.

Die Zylinderöffnung 11 in dem Deckel des Zylinders 2 ist länglich geformt und erstreckt sich radial von der Zylinderachse 10 nach außen. Dabei verbreitert sie sich vorzugsweise mit zunehmendem Abstand von der Zylinderachse 10. Mit dieser erfindungsgemäßen Form der Zylinderöffnung 11 wird erreicht, dass der Drehschieberkolben 4 ab einem vorgegebenen Winkel α die Zylinderöffnung 11 abdeckt und jeden Austausch des Arbeitsmediums durch die Öffnung 11 verhindert.The cylinder opening 11 in the lid of the cylinder 2 is elongated and extends radially from the cylinder axis 10 outward. It widens preferably with increasing distance from the cylinder axis 10 , With this inventive shape of the cylinder opening 11 is achieved that the rotary valve piston 4 from a predetermined angle α the cylinder opening 11 covers and any replacement of the working fluid through the opening 11 prevented.

Insbesondere können statt einer Zylinderöffnung 11 zwei Zylinderöffnungen vorgesehen werden (nicht gezeigt), wobei die beiden Zylinderöffnungen bezüglich der Symmetrieachse spiegelsymmetrisch angeordnet und geformt sind. Auf diese Art kann man einen diskontinuierlichen Austausch des Arbeitsmediums erreichen, ohne dass der Bewegungsablauf der Drehschieberkolben dafür von einem im wesentlichen Sinusförmigen Verlauf abweichen müsste. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Verwendung der Freikolbenmaschine 1 in einem Stirling-Motor von Interesse und wird weiter unten in Zusammenhang mit der Doppelzylinderfreikolbenmaschine genauer erläutert.In particular, instead of a cylinder opening 11 two cylinder openings are provided (not shown), wherein the two cylinder openings are arranged and shaped mirror-symmetrically with respect to the axis of symmetry. In this way, one can achieve a discontinuous exchange of the working medium, without the movement of the rotary valve piston would have to deviate from a substantially sinusoidal course. This is especially true with regard to the use of the free piston engine 1 in a Stirling engine of interest and will be explained in more detail below in connection with the double-cylinder free-piston engine.

Der elektromechanische Wandler 8 wird im folgenden anhand von 3 genauer beschrieben. Die Achse 6 wird innerhalb der Achsendurchführung 7 durch den Drehschieberkolben geführt, hier ist es der zweite Drehschieberkolben 5, so dass dieser um die Achse 6 drehbar ist. Dies und das folgende gilt für den ersten Drehschieberkolben 4 analog. Gelagert ist der Drehschieberkolben 5 mittels Wellenlager 12 auf der Achse 6. Zwischen dem ersten Drehschieberkolben 4 und zweiten Drehschieberkolben 5 besteht ein kleiner Abstand 13, wobei diese Lücke groß genug ist, damit sich die Drehschieberkolben nicht in ihrer Bewegung stören, und klein genug, damit wenig Arbeitsmedium hindurchtritt. Gegebenenfalls wird die Lücke 13 zusätzlich abgedichtet (nicht gezeigt).The electromechanical converter 8th will be explained below by means of 3 described in more detail. The axis 6 is within the axis execution 7 passed through the rotary valve piston, here it is the second rotary valve piston 5 so that this around the axis 6 is rotatable. This and the following applies to the first rotary valve piston 4 analogous. Mounted is the rotary valve piston 5 by means of shaft bearings 12 on the axis 6 , Between the first rotary valve piston 4 and second rotary valve piston 5 there is a small gap 13 with this gap being large enough so that the rotary valve pistons do not interfere with their movement and small enough for little working fluid to pass through. If necessary, the gap will 13 additionally sealed (not shown).

Ein Drehmoment des Drehschieberkolbens 5 um die Achse 6 wird durch zwei Magnetfelder bewirkt, von denen in der dargestellten Ausführungsform des Wandlers 8 eines durch ein Spulensystem 14 und eines durch einen Permanentmagneten 15 erzeugt wird. Das Spulensystem 14 ist mechanisch fest mit der Achse 6 verbunden (nicht gezeigt), und der Permanentmagnet 15 ist mechanisch fest mit dem Drehschieber 5 verbunden. Außerdem ist der Permanentmagnet magnetisch mit einem ersten Polschuh 16 und einem zweiten Polschuh 17 verbunden. Die beiden Polschuhe 16, 17 führen die Magnetfeldlinien des Permanentmagneten so, dass das Spulensystem 14 für eine optimale Krafterzeugung positioniert ist. Das Spulensystem wird von einer Wandlersteuerung 18 außerhalb des Zylinders 2 über Zufuhrleitungen 19 angesteuert. Die Zufuhrleitungen werden bei dieser Ausführungsform innen durch die Achse 6 nach außen geführt. Für die Aufnahme der Zufuhrleitungen 19 ist die Achse 6 wie bereits erwähnt als Hohlachse ausgeführt.A torque of the rotary valve piston 5 around the axis 6 is effected by two magnetic fields, of which in the illustrated embodiment of the transducer 8th one through a coil system 14 and one through a permanent magnet 15 is produced. The coil system 14 is mechanically fixed to the axle 6 connected (not shown), and the permanent magnet 15 is mechanically fixed with the rotary valve 5 connected. In addition, the permanent magnet is magnetic with a first pole piece 16 and a second pole piece 17 connected. The two pole shoes 16 . 17 lead the magnetic field lines of the permanent magnet so that the coil system 14 is positioned for optimal power generation. The coil system is powered by a converter control 18 outside the cylinder 2 via supply lines 19 driven. The supply lines are in this embodiment inside through the axis 6 led to the outside. For receiving the supply lines 19 is the axis 6 as already mentioned executed as a hollow shaft.

4 zeigt einen Querschnitt durch den elektromechanischen Wandler 8. Durch die Achse 6 verlaufen die Zuführungen 19 zwischen dem Spulensystem 14 und der Wandlersteuerung 18. Von dem Permanentmagneten 15 wird ein statisches Magnetfeld erzeugt, welches über die Polschuhe 16 und 17 innerhalb der Achsendurchführung 7 des Drehschiebers an die vorgegebenen Orte geleitet wird und in vorgegebener Weise verteilt wird. In der Ausführungsform nach 3 und 4 umgibt der Polschuh 16 den gesamten Innenraum der Achsendurchführung 7. Der Polschuh 17 umgibt hingegen mit einem bestimmten Abstand die Achse 6, so dass letztere frei drehbar gegenüber dem Polschuh 17 ist. In dem Raum zwischen der Achse 6 und dem Polschuh 17 verlaufen die Rückleitungen des Spulensystems 14, wohingegen die Hinleitungen des Spulensystems 14 zwischen dem Polschuh 16 und dem Polschuh 17 verlegt sind. 4 shows a cross section through the electromechanical transducer 8th , Through the axis 6 are the feeders 19 between the coil system 14 and the converter control 18 , From the permanent magnet 15 a static magnetic field is generated, which over the pole pieces 16 and 17 within the axle passage 7 the rotary valve is passed to the predetermined locations and distributed in a predetermined manner. In the embodiment according to 3 and 4 surrounds the pole piece 16 the entire interior of the axle duct 7 , The pole piece 17 surrounds the axis with a certain distance 6 so that the latter is freely rotatable relative to the pole piece 17 is. In the space between the axis 6 and the pole piece 17 run the return lines of the coil system 14 whereas the forerunners of the coil system 14 between the pole piece 16 and the pole piece 17 are laid.

Das Magnetfeld zwischen den beiden Polschuhen 16, 17 verläuft radial. Wenn ein Strom durch das Spulensystem 14 fließt, übt das Magnetfeld des Permanentmagneten 15 folglich eine Kraft auf die Hinleitungen des Spulensystems 14 aus und drängt sie in eine Richtung, die von der Stromrichtung abhängt. Auf diese Art wird ein Drehmoment auf die Achse 6 ausgeübt. Als Beispiel sei der magnetische Nordpol mit dem Polschuh 16 verbunden und der magnetische Südpol mit dem Polschuh 17 verbunden. Dann verlaufen die Feldlinien radial von außen nach innen. Fließt der Strom in den oberen Leitern 14 in die Zeichenebene hinein, so wird auf die Leiter eine Kraft ausgeübt, die die Leiter in der Zeichnung nach links treibt. Tauscht man die magnetischen Pole aus oder lässt man den Strom in die andere Richtung fließen, so dreht die Kraft ihr Vorzeichen um, d. h. die Kraft wirkt dann nach rechts. Da die Spule 14 mechanisch mit der Kolbenachse 6 und der Permanentmagnet 15 mit dem Drehschieberkolben 5 verbunden ist, wird durch die Kraft ein entsprechendes Drehmoment zwischen Kolbenachse 6 und Drehschieberkolben 5 aufgebaut.The magnetic field between the two pole shoes 16 . 17 runs radially. When a current through the coil system 14 flows, exerts the magnetic field of the permanent magnet 15 thus a force on the forward lines of the coil system 14 and pushes them in a direction that depends on the current direction. In this way, a torque is applied to the axle 6 exercised. As an example, the magnetic north pole with the pole piece 16 connected and the magnetic south pole with the pole piece 17 connected. Then the field lines run radially from outside to inside. The current flows in the upper conductors 14 into the drawing plane, a force is exerted on the ladder, which drives the ladder in the drawing to the left. If one exchanges the magnetic poles or lets the current flow in the other direction, then the force reverses its sign, ie the force then acts to the right. Because the coil 14 mechanically with the piston axis 6 and the permanent magnet 15 with the rotary valve piston 5 is connected by the force of a corresponding torque between the piston axis 6 and rotary valve piston 5 built up.

Bei der Ausführungsform nach 1 bis 4 sind beide Drehschieberkolben 4, 5 über den elektromechanischen Wandler 8 direkt mit der Kolbenachse 6 gekoppelt. Dieser Antrieb kann folglich als „absoluter Antrieb” bezeichnet werden, da die Stellung jedes Drehschieberkolbens gegenüber der Kolbenachse 6 mittels Wandler 8 eindeutig und unabhängig eingestellt werden kann. Das bedeutet, dass für jeden Drehschieberkolben ein eigener Wandler bzw. Antrieb 8 benötigt wird, dem der Winkel α des jeweiligen Drehschieberkolbens 4 oder 5 in Bezug auf die feststehende Kolbenachse 6 vorgegeben wird. In 5 und 6 ist hingegen eine Ausführungsform der Freikolbenmaschine mit einem „relativen Antrieb” dargestellt. Die Freikolbenmaschine 20 in 5 gleicht in ihren Hauptkomponenten weitestgehend der Freikolbenmaschine 1 in 1. Die Freikolbenmaschine 20 umfasst analog zur Maschine 1 einen Zylinder 21 zur Aufnahme eines Arbeitsmediums. Der Zylinder weist eine Zentralachse 25 auf, um die zwei Drehschieberkolben 23, 24 drehbar gelagert sind. Die zwei Drehschieberkolben 23, 24 erstrecken sich jeweils zwischen der Zentralachse 25 und einer Innenfläche 22 des Zylinders 21. Die Drehschieberkolben 23, 24 weisen jeweils eine Achsendurchführung 26 bzw. 27 für die Achse 25 auf. Ein Ventil 29 ist vorgesehen für den temporären Austausch von Arbeitsmedium im Zylinder 21. In the embodiment according to 1 to 4 are both rotary valves 4 . 5 over the electromechanical transducer 8th directly with the piston axis 6 coupled. This drive can thus be referred to as "absolute drive", since the position of each rotary valve piston with respect to the piston axis 6 by means of converter 8th can be set clearly and independently. This means that for each rotary valve piston its own converter or drive 8th is needed, the angle α of the respective rotary valve piston 4 or 5 with respect to the fixed piston axis 6 is given. In 5 and 6 On the other hand, an embodiment of the free-piston engine is shown with a "relative drive". The free piston machine 20 in 5 is similar in its main components largely the free piston engine 1 in 1 , The free piston machine 20 includes analogous to the machine 1 a cylinder 21 for receiving a working medium. The cylinder has a central axis 25 on to the two rotary valves 23 . 24 are rotatably mounted. The two rotary valves 23 . 24 each extend between the central axis 25 and an inner surface 22 of the cylinder 21 , The rotary valve pistons 23 . 24 each have an axle bushing 26 respectively. 27 for the axis 25 on. A valve 29 is intended for the temporary replacement of working fluid in the cylinder 21 ,

In 6 ist die Ausführungsform der Freikolbenmaschine 20 im Querschnitt gezeigt. Durch die beiden Drehschieberkolben 23, 24 wird der Zylinderinnenraum in einen Arbeitsraum 21a und einen Rückraum 21b unterteilt. Die Drehschieberkolben 23, 24 sind jeweils mit einer Achsendurchführung 26 bzw. 27 versehen. Die Achsendurchführung 26 ist kleiner im Durchmesser als die Achsendurchführung 27, so dass sie von letzterer aufgenommen werden kann. Die Achsendurchführung 26 ist gleichzeitig größer im Durchmesser als die Kolbenachse 25, so dass diese von der Achsendurchführung 26 aufgenommen werden kann. Dementsprechend weist die äußere Achsendurchführung 27 mit dem größten Durchmesser Aussparungen auf, in denen der Drehschieberkolben 23 mit seiner Achsendurchführung 26 die Achse 25 umschließt. Die Achse 25 ist analog zu der Freikolbenmaschine 1 starr und fest mit den beiden Deckelflächen des Zylinders 21 verbunden. Lediglich die Drehschieberkolben 23, 24 sind beweglich in dem Zylinder 21.In 6 is the embodiment of the free piston engine 20 shown in cross section. Through the two rotary valves 23 . 24 the cylinder interior becomes a working space 21a and a back room 21b divided. The rotary valve pistons 23 . 24 are each with an axle bushing 26 respectively. 27 Mistake. The axle feedthrough 26 is smaller in diameter than the axle bushing 27 so she can be picked up by the latter. The axle feedthrough 26 is also larger in diameter than the piston axis 25 so this from the axle bushing 26 can be included. Accordingly, the outer axle bushing has 27 with the largest diameter recesses in which the rotary valve piston 23 with its axle passage 26 the axis 25 encloses. The axis 25 is analogous to the free piston machine 1 rigid and firm with the two cover surfaces of the cylinder 21 connected. Only the rotary valve piston 23 . 24 are movable in the cylinder 21 ,

Bei dieser Ausführungsform 20 der Freikolbenmaschine ist nur ein Wandler bzw. Antrieb 28 notwendig, um die beiden Drehschieberkolben 23, 24 in eine Position zu bringen, in welcher sie einen vorgegebenen Winkel zueinander einnehmen. Der Antrieb 28 definiert also nur die relative Stellung der beiden Drehschieberkolben 23, 24 in Bezug zueinander, während die beiden Antriebe 8 bei der Freikolbenmaschine 1 die absolute Stellung der Drehschieberkolben 4, 5 in Bezug auf die Achse 6 definieren.In this embodiment 20 the free piston engine is only a converter or drive 28 necessary to the two rotary valve pistons 23 . 24 in a position in which they take a predetermined angle to each other. The drive 28 So only defines the relative position of the two rotary valve piston 23 . 24 in relation to each other while the two drives 8th at the free piston machine 1 the absolute position of the rotary valve piston 4 . 5 in relation to the axis 6 define.

Der Wandler 28 ist vom Prinzip her genauso aufgebaut wie der in 3 gezeigte Wandler 8. Lediglich entspricht beim (nicht dargestellten) Wandler 28 die hohlförmige Achse 6 in 3 der Achsendurchführung 26, und die Achsendurchführung 7 entspricht der Achsendurchführung 27. In der Achsendurchführung 26 verläuft die (nicht gezeigte) Kolbenachse 25. Im übrigen bleiben alle anderen Komponenten des Wandlers in 3 in Form und Funktion erhalten. Dementsprechend erzeugt der Wandler 28 zwischen der Achsendurchführung 26 und 27 ein Drehmoment, durch das der Drehschieberkolben 23 gegenüber dem Drehschieberkolben 24 verdreht wird.The converter 28 is basically the same structure as the one in 3 shown converter 8th , Only corresponds to the (not shown) converter 28 the hollow axis 6 in 3 the axle passage 26 , and the axle feedthrough 7 corresponds to the axle bushing 27 , In the axle passage 26 extends the piston axis (not shown) 25 , Otherwise, all other components of the converter remain in 3 preserved in form and function. Accordingly, the converter generates 28 between the axle bushing 26 and 27 a torque through which the rotary valve piston 23 opposite the rotary valve piston 24 is twisted.

Aufgrund der Druckgleichheit auf der Vorderseite und der Rückseite der beiden Drehschieberkolben 23 und 24 im Arbeitsraum 21a wie auch im Rückraum 21b und bei gleichgroßen Massen der Druckschieber ist der Ausschlag der Drehschieberkolben 23, 24 symmetrisch. Durch äußere Störungen (z. B. Reibung in einem Lager) wird dieses Gleichgewicht verändert, und es tritt eine relative Verdrehung gegenüber der Symmetrieachse auf. Daher ist eine Zentrierung der beiden Drehschieberkolben 23, 24 bei dieser Ausführungsform allgemein notwendig. In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist daher ein Stopper 30 mit Dämpfern 31 auf seinen beiden Seiten vorgesehen. Der Stopper 30 stellt sicher, dass die Position der Drehschieberkolben 23 und 24 in dem Zylinder 21 definiert ist. In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform sind an dem Stopper 30 Federelemente angebracht, die zur zusätzlichen Abstandsregulierung des jeweiligen Drehschieberkolbens von dem Stopper 30 dienen.Due to the equal pressure on the front and the back of the two rotary piston valves 23 and 24 in the workroom 21a as in the back room 21b and for equally large masses of the pressure slide is the rash of the rotary valve piston 23 . 24 symmetrical. External disturbances (eg friction in a bearing) alter this balance and cause relative rotation with respect to the axis of symmetry. Therefore, a centering of the two rotary valve piston 23 . 24 generally necessary in this embodiment. In the in 6 embodiment shown is therefore a stopper 30 with dampers 31 provided on both sides. The stopper 30 Make sure the position of the rotary valve piston 23 and 24 in the cylinder 21 is defined. In a further, not shown embodiment are on the stopper 30 Spring elements attached to the additional distance regulation of the respective rotary valve piston of the stopper 30 serve.

Der Ausschlag der beiden Drehschieberkolben 23 und 24 lässt sich wieder durch den Winkel α vollständig beschreiben, der gegenüber dem Stopper 30 gemessen wird.The rash of the two rotary valve pistons 23 and 24 can be fully described again by the angle α, the opposite to the stopper 30 is measured.

Weitere Ausführungsformen der Freikolbenmaschine unterscheiden sich im Hinblick auf die Nullpunktzentrierung, beispielsweise indem sogenannte Zentrier-Leckagen genutzt werden, bei denen eine kleine Verbindung zwischen Arbeitsraum und Rückraum die Kolben kontinuierlich und symmetrisch zur Nullpunktlage ausrichtet (nicht gezeigt).Other embodiments of the free-piston engine differ with regard to the zero-point centering, for example by using so-called centering leakages, in which a small connection between the working space and the rear space aligns the pistons continuously and symmetrically with respect to the zero point position (not shown).

Bei beiden Ausführungsformen der Freikolbenmaschine 1 und 20 können die Magnetfelder durch einen Permanentmagneten und eine Spule oder durch zwei Spulen erzeugt werden. Je nach der Verwendung von Spulen oder Permanentmagneten ergeben sich unterschiedliche Gewichtsverteilungen in den Wandlern bzw. Antrieben, die entsprechend austariert werden müssen. Idealerweise wird dies durch entsprechende Bestückung der Drehschieberkolben mit (nicht gezeigten) Auswuchtungsgewichten erreicht, wobei die Gewichtsverteilung immer so gewählt wird, dass der Schwerpunkt des Wandlers und des Drehschieberkolbens auf der Zentralachse 10 liegt. Dann ist ein praktisch vibrationsfreier Betrieb der Freikolbenmaschine gewährleistet.In both embodiments of the free-piston engine 1 and 20 The magnetic fields can be generated by a permanent magnet and a coil or by two coils. Depending on the use of coils or permanent magnets, different weight distributions result in the transducers or drives, which must be balanced accordingly. Ideally, this will achieved by appropriate equipping the rotary valve piston with balancing weights (not shown), wherein the weight distribution is always chosen so that the center of gravity of the transducer and the rotary valve piston on the central axis 10 lies. Then a virtually vibration-free operation of the free-piston engine is guaranteed.

Ferner kann der Wandler 8 bzw. 28 als Antrieb zum Erzeugen von Bewegungsenergie oder als Generator zum Erzeugen eines elektrischen Stroms verwendet werden.Furthermore, the converter 8th respectively. 28 be used as a drive for generating kinetic energy or as a generator for generating an electric current.

Grundsätzlich können die Freikolbenmaschinen mit unterschiedlichen Arbeitsmedien betrieben werden. Insbesondere wird als Arbeitsmedium eine Gasmischung mit wenigstens einem Edelgas verwendet. Vorzugsweise enthält das Edelgas als eine Komponente Helium. Damit ist eine hohe Leistungsausbeute der Maschine gewährleistet, und im Falle eines Lecks der Maschine ist eine ernste Belastung der Umwelt quasi ausgeschlossen.Basically, the free-piston machines can be operated with different working media. In particular, a gas mixture with at least one inert gas is used as the working medium. Preferably, the noble gas contains helium as a component. This ensures a high power output of the machine, and in case of a leak of the machine a serious pollution of the environment is virtually eliminated.

Zwei nach dem oben beschriebenen Prinzip aufgebaute Freikolbenmaschinen bilden eine Doppelzylinderfreikolbenmaschine, wenn sie so zusammengeschaltet werden, dass das Arbeitsmedium zwischen den beiden Maschinen austauschbar ist. Eine derartige Doppelzylinderfreikolbenmaschine wird im folgenden anhand von 7 und 8 erläutert.Two free-piston machines constructed according to the above-described principle form a double-cylinder free-piston machine when they are interconnected so that the working fluid is interchangeable between the two machines. Such a double-cylinder free-piston engine is described below with reference to 7 and 8th explained.

7 zeigt schematisch eine Doppelzylinderfreikolbenmaschine 33 im Längsschnitt. Die Doppelzylinderfreikolbenmaschine 33 umfasst zwei baugleiche Freikolbenmaschinen 1 und 34 nach dem oben beschriebenen Typ und damit zwei Zylinder 2 und 35, zwei Wärmetauscher 42 und 43, vier integrierte elektromechanische Wandler 8 und 39 vom „absoluten Typ”, eine elektronische Steuerung 44 und vier Drehschieberkolben 4, 5, 36 und 37 mit (nicht gezeigten) Luftspaltdichtungen. Die Freikolbenmaschine 1 steht in thermischem Kontakt mit einem Wärmebad 42, die Freikolbenmaschine 34 steht in thermischem Kontakt mit einem Wärmebad 43. Die Wärmebäder 42, 43 sind durch zwei Gruppen von Heiz- und Kühlschlangen beidseitig der jeweiligen Zylinder in der Zeichnung angedeutet. 7 schematically shows a double-cylinder free piston machine 33 in longitudinal section. The double cylinder free piston machine 33 includes two identical free-piston machines 1 and 34 after the type described above and thus two cylinders 2 and 35 , two heat exchangers 42 and 43 , four integrated electromechanical transducers 8th and 39 of the "absolute type", an electronic control 44 and four rotary valves 4 . 5 . 36 and 37 with air gap seals (not shown). The free piston machine 1 is in thermal contact with a heat bath 42 , the free piston machine 34 is in thermal contact with a heat bath 43 , The thermal baths 42 . 43 are indicated by two groups of heating and cooling coils on both sides of the respective cylinder in the drawing.

Die beiden Freikolbenmaschinen 1, 34 sind durch eine Fluidverbindung 41 miteinander verbunden, über die das Arbeitsmedium zwischen den beiden Zylindern 2 und 35 ausgetauscht werden kann. Der Austausch des Arbeitsmediums zwischen den beiden Freikolbenmaschinen wird im wesentlichen von den Druckverhältnissen in den beiden Zylindern 2, 35 vorgegeben.The two free-piston machines 1 . 34 are through a fluid connection 41 connected to each other via which the working medium between the two cylinders 2 and 35 can be exchanged. The replacement of the working fluid between the two free-piston engines is essentially the pressure conditions in the two cylinders 2 . 35 specified.

Auf diese Art kann eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Wärmezufuhr (z. B. durch externe Verbrennung) realisiert werden. Insbesondere kann die Doppelzylinderfreikolbenmaschine als Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip arbeiten. Dabei entsprechen die beiden Drehschieberkolben 4, 5 der ersten Freikolbenmaschine 1 dem ersten Kolben einer Stirling-Maschine nach dem α-Typ (d. h. einer Stirling-Maschine ohne Verdrängerkolben, auch Zwei-Kolben-Maschine genannt), und die beiden Drehschieberkolben 36, 37 der zweiten Freikolbenmaschine 34 entsprechen dem zweiten Kolben der Stirling-Maschine nach dem α-Typ.In this way, a heat engine with external heat input (eg by external combustion) can be realized. In particular, the double-cylinder free-piston machine can operate as a heat engine according to the Stirling principle. The two rotary valve pistons correspond 4 . 5 the first free piston machine 1 the first piston of an α-type Stirling engine (ie, a Stirling engine without a displacer, also called a two-piston engine), and the two rotary valves 36 . 37 the second free piston machine 34 correspond to the second piston of the Stirling machine according to the α-type.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades der Stirling-Maschine ist in der Ausführungsform der Doppelzylinderfreikolbenmaschine nach 7 die Fluidverbindung 41 mit einem Regenerator versehen. Der Regenerator hat eine vorgegebene Wärmekapazität zum Speichern von Wärmeenergie, die das Arbeitsmedium beim Durchtritt durch die Fluidverbindung zwischen den beiden Zylindern 2, 35 an den Regenerator abgibt. Als Wärmekraftmaschine wird die Doppelzylinderfreikolbenmaschine durch den Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle 42 und der Wärmesenke 43 angetrieben. Die Doppelzylinderfreikolbenmaschine wandelt die Wärmeenergie in Bewegungsenergie um, wobei die Doppelzylinderfreikolbenmaschine vorzugsweise als Stirlingmotor arbeitet. Die Bewegungsenergie wird von den beiden elektromechanischen Wandlern 8 und 39 im ersten Zylinder 2 bzw. dem zweiten Zylinder 35 in elektrische Energie umgewandelt, die dann über Zuleitungen 45 an eine Motor- bzw. Generatorsteuerung 44 weitergeleitet wird.To increase the efficiency of the Stirling engine is in the embodiment of the double-cylinder free-piston engine after 7 the fluid connection 41 provided with a regenerator. The regenerator has a predetermined heat capacity for storing thermal energy, which the working fluid passes through the fluid communication between the two cylinders 2 . 35 gives to the regenerator. As a heat engine, the double-cylinder free-piston engine becomes the temperature difference between the heat source 42 and the heat sink 43 driven. The double-cylinder free-piston machine converts the heat energy into kinetic energy, the double-cylinder free-piston machine preferably operating as a Stirling engine. The kinetic energy is provided by the two electromechanical transducers 8th and 39 in the first cylinder 2 or the second cylinder 35 converted into electrical energy, which is then transmitted through leads 45 to a motor or generator control 44 is forwarded.

Beim idealen Stirling-Prozess darf das Arbeitsmedium während der isothermen Kompression nicht aus dem Arbeitsraum 2a in die Fluidverbindung 41 entweichen.In the ideal Stirling process, the working fluid must not escape the working space during isothermal compression 2a in the fluid connection 41 escape.

Das bedeutet, dass die beiden Freikolbenmaschinen 2 und 34 idealerweise den Zugang zur Fluidverbindung 41 über einen etwas ausgedehnten Zeitraum versperren und somit diskontinuierlich arbeiten. Um diesem Idealzustand möglichst nahezukommen, ist die Zylinderöffnung 11 (in 2) vor der Fluidverbindung 41 wie in 2 dargestellt geformt und angeordnet. Bei einem vorgegebenen Winkel α wird die Öffnung 11 durch den Drehschieberkolben 4 abgedeckt. Dieser Winkel α ist erreicht, wenn sich der Drehschieberkolben 4 der Stellung mit der größten Kompression nähert. Um den Zeitraum, während dessen die Fluidverbindung 41 verschlossen ist, möglichst lang auszudehnen, ist die Öffnung möglichst weit ab von der Symmetrieachse zwischen den beiden Drehschieberkolben angeordnet. So ist sichergestellt, dass der Drehschieberkolben 4 bei seiner Bewegung nach oben (Abnahme des Winkels α) die Öffnung 11 erst spät freigibt. Um andererseits einen möglichst großen Durchsatz des Arbeitsmediums durch die Öffnung 11 zu erlauben, ist die Öffnung 11 in radialer Richtung über praktisch den gesamten Arbeitsraum 2a ausgedehnt. Die Geometrie der Öffnung ist noch dadurch optimiert, dass sich die Öffnung 11 mit radialem Abstand von der Zentralachse 10 des Zylinders 2 verbreitert. Im einzelnen richtet sich die Form und Ausrichtung der Öffnung in Bezug auf den Zylinderdeckel nach der geometrischen Form der Drehschieberkolben.That means that the two free-piston machines 2 and 34 ideally, access to the fluid connection 41 block over a somewhat extended period and thus work discontinuously. To get close to this ideal state as possible, the cylinder opening 11 (in 2 ) before the fluid connection 41 as in 2 shown shaped and arranged. At a given angle α, the opening becomes 11 through the rotary valve piston 4 covered. This angle α is reached when the rotary valve piston 4 approaching the position with the greatest compression. To the period during which the fluid connection 41 is closed, as long as possible to expand, the opening is arranged as far as possible from the axis of symmetry between the two rotary valve piston. This ensures that the rotary valve piston 4 in its upward movement (decrease of the angle α) the opening 11 releases only late. On the other hand, the largest possible throughput of the working medium through the opening 11 to allow is the opening 11 in the radial direction over virtually the entire working space 2a extended. The geometry of the opening is further optimized by the fact that the opening 11 with radial distance from the central axis 10 of the cylinder 2 widened. In particular, the shape and orientation of the opening with respect to the cylinder cover depends on the geometric shape of the rotary valve piston.

Mit den genannten Maßnahmen wird erreicht, dass in den dem Fachmann geläufigen pV- und TS-Diagrammen zur Beschreibung des Stirling-Prozesses die Übergänge zwischen Expansion/Kompression und Wärmeaufnahme/Wärmeabgabe möglichst spitz zulaufen. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Maschine.With the measures mentioned it is achieved that the transitions between expansion / compression and heat absorption / heat dissipation run as sharply as possible in the pV and TS diagrams familiar to the person skilled in the art for the description of the Stirling process. This increases the efficiency of the machine.

Soweit wurde die Stirling-Maschine als Stirling-Motor beschrieben. Ebenso gut kann die Doppelzylinderfreikolbenmaschine als Wärmepumpe arbeiten, wenn die elektromechanischen Wandler 8, 39 mit Wechselstrom beaufschlagt werden. Dann werden die Drehschieberkolben 4, 5, 36 und 37 je nach Spannung, die an den beiden Wandlern 8, 39 anliegt, ausgelenkt, und das Arbeitsmedium wird entsprechend den Druck- und Temperaturverhältnissen in den beiden Zylindern 2, 35 über den Regenerator ausgetauscht. Der genaue Spannungsverlauf an den Wandlern 8, 39 kann über die Generatorsteuerung 44 vorgegeben werden, so dass insbesondere auch die Winkelamplitude der Drehschieberkolben 4, 5; 36, 37 in den beiden Zylindern 2, 35 sowie ihre Phase zueinander einstellbar ist. Die Winkelamplitude des ersten Zylinders 2 ist in 8 mit α angegeben, die Phase der ersten Freikolbenmaschine gegenüber der zweiten Maschine ist mit φ angegeben. Die Drehschieberkolben 36, 37 der zweiten Maschine sind in der Darstellung der 8 gestrichelt dargestellt.So far, the Stirling engine has been described as a Stirling engine. Just as well, the double-cylinder free-piston machine can work as a heat pump when the electromechanical converter 8th . 39 be charged with alternating current. Then the rotary valve pistons 4 . 5 . 36 and 37 depending on the voltage applied to the two transducers 8th . 39 is applied, deflected, and the working fluid is in accordance with the pressure and temperature conditions in the two cylinders 2 . 35 exchanged over the regenerator. The exact voltage curve at the transducers 8th . 39 can via the generator control 44 are given, so that in particular the angular amplitude of the rotary valve piston 4 . 5 ; 36 . 37 in the two cylinders 2 . 35 as well as their phase is adjustable to each other. The angle amplitude of the first cylinder 2 is in 8th indicated by α, the phase of the first free piston engine relative to the second machine is indicated by φ. The rotary valve pistons 36 . 37 the second machine are in the representation of 8th shown in dashed lines.

Insgesamt bestehen wesentliche Eigenschaften der Erfindung unter anderem darin, dass gegenüber dem Stand der Technik nach US 2008/01789847 A1 ein innen liegender elektromechanischer Wandler verwendet wird. Der Wandler 8 bzw. 28 kann bei oszillierendem Betrieb kommutatorlos aufgebaut werden, was eine erhöhte Wartungsfreiheit sicherstellt. Insbesondere kann der Motor ein eisenloser Motor sein.Overall, essential features of the invention include, inter alia, that over the prior art according to US 2008/01789847 A1 an internal electromechanical transducer is used. The converter 8th respectively. 28 can be built without commutation in oscillating operation, which ensures increased freedom from maintenance. In particular, the engine may be an ironless engine.

Auf einen symmetrisch-sternförmigen Aufbau der Drehschieberkolben wird in einer bevorzugten Ausführungsform verzichtet. Der Vorteil besteht darin, dass die Luftspaltlänge zwischen jedem Drehschieberkolben und der Innenwand des Zylinders halb so lang ist wie bei dem sternförmigen Aufbau. Die Verluste der Maschine können damit weiter reduziert werden.On a symmetrical-star-shaped structure of the rotary valve piston is omitted in a preferred embodiment. The advantage is that the air gap length between each rotary valve piston and the inner wall of the cylinder is half as long as in the star-shaped structure. The losses of the machine can thus be further reduced.

Wenn die Doppelzylinderfreikolbenmaschine nach dem Stirling-Prinzip als Wärmepumpe verwendet wird, ist nur ein (elektrischer) Antrieb notwendig. Der Antrieb ist sehr kompakt in der Stirling-Maschine untergebracht, da er integraler Bestandteil der Zentralwelle ist. Dadurch ist ein Einbau von Bezugsstützen mit Federn oder Dämpfern möglich, mit denen der Absolutwinkel α(min) der beiden Schieber eingestellt werden kann. Die Schieberflügel führen dann eine reziproke Bewegung aus.If the double-cylinder free-piston machine is used according to the Stirling principle as a heat pump, only one (electric) drive is necessary. The drive is housed very compactly in the Stirling engine, since it is an integral part of the central shaft. As a result, an installation of reference supports with springs or dampers is possible with which the absolute angle α (min) of the two slides can be adjusted. The slider blades then perform a reciprocal movement.

Die Drehschieberkolben werden vorzugsweise noch bezüglich ihrer Form optimiert, wobei den Strömungsverhältnissen in dem Zylinder Rechnung getragen wird. So werden die Drehschieberkolben insbesondere (leicht) schraubenförmig ausgeführt, so dass ein dünnerer Aufbau gewählt werden kann, der letztendlich zu einem größeren Verstellbereich (Amplitude) des Winkels α führt.The rotary valve pistons are preferably still optimized in terms of their shape, taking into account the flow conditions in the cylinder. In particular, the rotary valve pistons are (slightly) helically designed, so that a thinner structure can be selected, which ultimately leads to a larger adjustment range (amplitude) of the angle α.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern lässt sich auch auf andere Art und Weise umsetzen. So wurde in Zusammenhang mit 3 das Spulensystem 14 als mit der feststehenden Achse 6 fest verbunden beschrieben, während das Permanentmagnetsystem 15, 16, 17 als fest verbunden mit der beweglichen Achsdurchführung 7 in dem Drehschieberkolben 5 dargestellt wurde. Es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass diese Zuordnung auch umgedreht werden kann, so dass das Spulensystem 14 fest mit der beweglichen Achsendurchführung 7 in dem Drehschieberkolben 5 verbunden ist, während das Permanentmagnetsystem 15, 16, 17 fest mit der feststehenden Achse 6 verbunden ist. Bei allen Arten der Umsetzung der Erfindung in die Praxis werden jedoch elektrische Kontakte vorzugsweise mit stehenden Elementen angestrebt, während das Permanentmagnetsystem vorzugsweise mit bewegten Elementen verbunden wird. Auf diese Weise lassen sich Schleifringe und dergleichen, die einem Verschleiß unterworfen sind und gewartet werden müssen, vermeiden.The invention is not limited to the embodiments described here, but can also be implemented in other ways. So was related to 3 the coil system 14 as with the fixed axis 6 firmly connected while the permanent magnet system 15 . 16 . 17 as firmly connected to the moving axle feedthrough 7 in the rotary valve piston 5 was presented. However, it is understood by those skilled in the art that this assignment can also be reversed, so that the coil system 14 fixed with the moving axle passage 7 in the rotary valve piston 5 is connected while the permanent magnet system 15 . 16 . 17 fixed to the fixed axle 6 connected is. In all ways of putting the invention into practice, however, electrical contacts are preferably aimed at with stationary elements, while the permanent magnet system is preferably connected to moving elements. In this way, slip rings and the like, which are subject to wear and need to be maintained, avoid.

Ferner wurden die Ausführungsformen der Freikolbenmaschine in der Zeichnung mit einer Öffnung 11 dargestellt. Zum Erhöhen des Durchsatzes des Arbeitsmediums können aber zwei spiegelsymmetrisch angeordnete und geformte Öffnungen in dem Deckel des Zylinders 2 vorgesehen werden. Dann übernehmen beide Drehschieberkolben 4, 5 die Funktion des Öffnen und Schließens der Öffnung 11 für den Austausch von Arbeitsmedium.Further, the embodiments of the free-piston engine in the drawing with an opening 11 shown. To increase the throughput of the working medium but two mirror-symmetrically arranged and shaped openings in the lid of the cylinder 2 be provided. Then take over both rotary valves 4 . 5 the function of opening and closing the opening 11 for the exchange of working medium.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Freikolbenmaschine mit absolutem AntriebFree piston engine with absolute drive
22: Zylinder für Arbeitsmedium; 2a Arbeitsraum, 2b RückraumCylinder for working medium; 2a Working space, 2 B backcourt
33: ZylinderinnenwandCylinder inner wall
44: erster Drehschieberkolbenfirst rotary valve piston
55: zweiter Drehschieberkolbensecond rotary valve piston
66: Kolbenachsepiston axis
77: Achsendurchführung in DrehschieberkolbenAxle passage in rotary valve piston
88th: integrierter elektromechanischer Wandler für AbsolutantriebIntegrated electromechanical transducer for absolute drive
99: Ein-/AuslassventilInlet / outlet valve
1010: Zentralachse von Innen- und Außenwelle des ZylindersCentral axis of inner and outer shaft of the cylinder
1111: Öffnung zum temporären Austausch des ArbeitsmediumsOpening for temporary replacement of the working medium
1212: Wellenlagershaft bearing
1313: Spalt/LückeSlit / gap
1414: Spulensystemcoil system
1515: PermanentmagnetsystemPermanent magnet system
1616: Polschuh außenPole shoe outside
1717: Polschuh innenPole shoe inside
1818: Wandlersteuerungconverter control
1919: Zuleitungsupply
2020: Freikolbenmaschine mit relativem AntriebFree-piston machine with relative drive
2121: Zylinder für Arbeitsmedium; 21a Arbeitsraum, 21b RückraumCylinder for working medium; 21a Working space, 21b backcourt
2222: ZylinderinnenwandCylinder inner wall
2323: erster Drehschieberkolbenfirst rotary valve piston
2424: zweiter Drehschieberkolbensecond rotary valve piston
2525: Kolbenachsepiston axis
2626: Welle an erstem KolbenWave on first piston
2727: Achsendurchführung zweiter KolbenAxle bushing second piston
2828: integrierter elektromechanischer Wandler für Relativantriebintegrated electromechanical converter for relative drive
2929: Ein-/AuslassventilInlet / outlet valve
3030: Stopperstopper
3131: Dämpferdamper
3232: Öffnung zum temporären Austausch von ArbeitsmediumOpening for temporary replacement of working medium
3333: Doppelzylinderfreikolbenm.Doppelzylinderfreikolbenm.
3434: zweite Freikolbenmaschine mit absolutem Antriebsecond free-piston machine with absolute drive
3535: Zylinder für ArbeitsmediumCylinder for working medium
3636: erster Drehschieberkolben von zweiter Freikolbenmaschinefirst rotary valve piston of second free piston engine
3737: zweiter Drehschieberkolben von zweiter Freikolbenmaschinesecond rotary valve piston of second free piston engine
3838: Kolbenachse zweiter ZylinderPiston axis second cylinder
3939: integrierter elektromechanischer Wandler in zweitem Zylinderintegrated electromechanical converter in second cylinder
4040: Achsendurchführung im zweiten ZylinderAxle bushing in the second cylinder
4141: Fluidverbindungfluid communication
4242: äußere Wärmequelleexternal heat source
4343: äußere Wärmesenkeouter heat sink
4444: DoppelwandlersteuerungDouble transducer control
4545: Zuleitung DoppelwandlersteuerungSupply line double converter control
αα: Winkelamplitude DrehschieberAngular amplitude rotary valve
φφ: Phasenwinkel FreikolbenmaschinenPhase angle free piston machines

Claims

Double-cylinder free-piston machine with: a first cylinder ( 2 ) for receiving a working medium with a piston axis ( 6 ) along a central axis ( 10 ) of the first cylinder ( 2 ), and a first rotary valve piston ( 4 ) and a second rotary valve piston ( 5 ) for compressing and relaxing the working medium in a work space ( 2a ) of the first cylinder ( 2 ), each rotary valve piston ( 4 . 5 ) an axle bushing ( 7 ), which the piston axis ( 6 ), so that each rotary valve piston ( 4 . 5 ) each about the central axis ( 10 ) of the first cylinder ( 2 ) is rotatable, and one to the first identical second cylinder ( 35 ), the two cylinders ( 2 . 35 ) via a fluid connection ( 41 ) are connected to each other for the exchange of working medium, characterized by at least one operated as a generator or motor electromechanical transducer ( 8th ) between the piston axis ( 6 ) and the axis bushing ( 7 ) of each rotary valve piston ( 4 . 5 ).

Double-cylinder free-piston machine according to claim 1, in which the electromechanical converter ( 8th ) at least one coil system ( 14 ) and at least one permanent magnet system ( 15 . 16 . 17 ) for generating at least one magnetic field, wherein the permanent magnet system ( 15 . 16 . 17 ) mechanically with the axle bushing ( 7 ) of each rotary valve piston ( 4 . 5 ) and the coil system ( 14 ) mechanically with the piston axis ( 6 ) and is arranged in the magnetic field of the permanent magnet system.

Double-cylinder free-piston machine according to claim 1, in which the electromechanical converter ( 8th ) at least one coil system ( 14 ) and at least one permanent magnet system ( 15 . 16 . 17 ) for generating at least one magnetic field, wherein the permanent magnet system ( 15 . 16 . 17 ) mechanically with the first rotary valve piston ( 4 ) and the coil system ( 14 ) mechanically with the second rotary valve piston ( 5 ) and is arranged in the magnetic field of the permanent magnet system.

Double-cylinder free-piston machine according to claim 2 or 3, in which the common center of gravity of the permanent magnet system ( 15 . 16 . 17 ) and the first rotary valve piston ( 4 ) and the common focus of the coil system ( 14 ) and the second rotary valve piston ( 5 ) each on the central axis ( 10 ) of the cylinder ( 2 ) lie.

Double-cylinder free-piston machine according to one of the preceding claims, in which the two rotary valve pistons ( 4 . 5 ) against a gas pressure in a backspace ( 2 B ) of the cylinder ( 2 ) work.

Double-cylinder free-piston machine according to one of the preceding claims, in which the working medium contains at least one noble gas.

A double-cylinder free-piston machine according to claim 6, wherein said at least one noble gas is helium.

Double-cylinder free-piston machine according to one of the preceding claims, in which the first cylinder ( 2 ) with an external heat source ( 42 ) and the second cylinder ( 35 ) with an outer heat sink ( 43 ) is thermally connected, so that the double-cylinder free-piston machine is operated as a heat engine for converting heat energy into electrical energy.

Double-cylinder free-piston machine according to claim 8, which operates as a heat engine according to the Stirling principle.

Double-cylinder free-piston machine according to claim 9, in which the fluid connection ( 41 ) a regenerator having a predetermined heat capacity for storing heat energy as the working fluid passes through the fluid communication between the two cylinders ( 2 . 35 ).

Double-cylinder free-piston machine according to one of the preceding claims, wherein the frequency, the angular amplitude of the rotary valve piston ( 4 . 5 . 36 . 37 ) in the two cylinders ( 2 . 35 ) and their phase to each other by an electronic converter control ( 44 ).