DE102013015836B4

DE102013015836B4 - Heißgasmotor (Stirling-Motor) mit gewichtsausgeglichenem, über zwei Exzenter bewegtem Verdränger

Info

Publication number: DE102013015836B4
Application number: DE102013015836.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Buchbauer; Petra Wüst
Original assignee: Peter Buchbauer
Current assignee: BUCHBAUER, PETER, DE
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: DE102013015836A1

Abstract

Stirlingmotor mit einem in einem Verdrängergehäuse (2) bewegbaren Verdränger (1) zum Verschieben von Arbeitsgas von einem heißen Bereich in einen kalten Bereich des Verdrängergehäuses (2) und umgekehrt, und mit einem Arbeitszylinder (7), in dem wenigstens ein mit Arbeitsgas beaufschlagbarer Arbeitskolben (6) hin- und herbeweglich ist, der mit dem Verdränger (1) über einen Kurbeltrieb mechanisch gekoppelt ist, wobei der Kurbeltrieb ein Paar mit Gegengewichten (3) versehene Kurbelwellen aufweist, an die über Kurbeln (4, 5) sowohl der oder die Arbeitskolben (6) exzentrisch angeschlossen ist bzw. sind als auch der Verdränger (1) exzentrisch angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verdränger (1) zwei drehfest mit den Kurbelwellen verbundene Kurbeln (4) im Abstand voneinander drehbar gelagert sind, derart, dass der Verdränger (1) in dem Verdrängergehäuse (2) die Koppel eines Doppelkurbeltriebes ist, und die Kurbelwellen über einen Riemen (9), eine Kette oder Zahnräder gekoppelt sind und sich in gleicher Drehrichtung drehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Heißgasmotoren nach dem Prinzip von „Robert Stirling“, des Typs „Beta“ und „Gamma“, bestehen im Wesentlichen aus folgenden Bestandteilen: Arbeitskolben, Verdränger und Regenerator. Motoren des Typs „Alpha“ haben zwei Arbeitskolben und einen Regenerator. Arbeitskolben und Verdränger sind meistens mechanisch gekoppelt und führen bei industriellen Anwendungen eine meist oszillierende Bewegung aus. Die oszillierende Bewegung führt zu Vibrationen und damit zu Leistungseinbußen. Es gibt vorgestellte Ausführungen, bei welchen sowohl der Arbeitsteil eine rotierende Bewegung (ähnlich dem System „Wankel“) als auch der Verdränger (in Form eines Halbmondes) eine rein rotierende Bewegung durchführen. Beide Ausführungsformen haben sich in der Praxis allerdings nicht durchgesetzt. Die Dichtheitsprobleme des „Wankelsystems“ im Arbeitsbereich sind bekanntlich schwer beherrschbar und eine reine Rotation des Verdrängers bewirkt eine schlechte Zirkulation des Arbeitsgases vom heißen in den kalten Bereich des Verdrängergehäuses (und umgekehrt), so dass nur ein schlechter Wärmetausch stattfindet.
Ein Stirlingmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der DE 12 33 206 B bekannt. Bei diesem Stirlingmotor sind der Verdränger und der Arbeitskolben in einem gemeinsamen Zylinder, der das Verdrängergehäuse und den Arbeitszylinder in sich vereinigt, mit einem Phasenunterschied linear hin-und herbeweglich. An dem Verdränger und an dem Arbeitskolben ist jeweils eine Triebstange mit einem ihrer beiden Enden befestigt. Das jeweils andere Ende der beiden Triebstangen ist über weitere Triebstangen und Kurbeln exzentrisch an zwei mit Gegengewichten versehenen Kurbelwellen angeschlossen, die durch an ihnen befestigte, ineinandergreifende Zahnräder miteinander gekuppelt und synchron in entgegengesetzten Richtungen mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehbar sind. Die lineare Hin-und Herbewegung des Verdrängers dieses bekannten Stirlingmotors ist eine oszillierende Bewegung, die, wie bereits einleitend erwähnt, leistungsmindernde Vibrationen des Motors hervorruft.
Ein Stirlingmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist auch aus der US 3 074 229 A bekannt. Dieser Stirlingmotor weist zwei entgegengesetzt drehbare Kurbelwellen sowie zwei, drei oder vier Zylinder auf, wobei in jedem der Zylinder ein Verdränger und ein Arbeitskolben mit einem Phasenunterschied linear hin- und herbeweglich sind. An jedem Verdränger ist eine Verdrängerstange mit einem Ende befestigt, und an jedem Arbeitskolben ist eine Kolbenstange mit einem Ende befestigt. Die anderen Enden der Verdrängerstangen und Kolbenstangen sind an die beiden Kurbelwellen über Kurbeln und Joche exzentrisch angeschlossen. Auch bei diesem Stirlingmotor sind die beiden Kurbelwellen über an ihnen befestigte, ineinandergreifende, gleich große Zahnräder miteinander gekuppelt, so dass sich die Kurbelwellen im Betrieb synchron mit gleicher Winkelgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen drehen. Ferner sind Gegengewichte an den Kurbelwellen befestigt. Durch den Einsatz mehrerer Zylinder kann dieser Stirlingmotor sehr gut ausbalanciert werden. Dennoch wird durch die lineare Hin-und Herbewegung der Verdränger die Laufruhe und damit die Leistung des Motors beeinträchtigt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Stirlingmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszubilden, dass er im Betrieb möglichst wenig Vibrationen erzeugt und dennoch leistungsstark ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass, wie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben, an dem Verdränger zwei drehfest mit den Kurbelwellen verbundene Kurbeln im Abstand voneinander drehbar gelagert sind, derart, dass der Verdränger in dem Verdrängergehäuse die Koppel eines Doppelkurbeltriebes ist und die Kurbelwellen über einen Riemen, eine Kette oder Zahnräder gekoppelt sind und sich in gleicher Drehrichtung drehen.
Der Verdränger des erfindungsgemäßen Stirlingmotors bewirkt eine ähnlich gute Zirkulation des Arbeitsgases, wie bei einem oszillierenden, d.h. linear hin-und herbeweglichen Verdränger.
Um die oszillierenden Massen des Arbeitskolbens auszugleichen, kann der Motor auf einfache Weise als Gegenkolben-Maschine ausgeführt werden, da die beiden den Verdränger mit dem oder den Arbeitskolben koppelnden Kurbelwellen gleichzeitig als Antriebswellen genutzt werden können. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind daher im Arbeitszylinder zwei Arbeitskolben angeordnet, die sich gegenläufig bewegen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Stirlingmotors nach der Erfindung in der Perspektive, und die
2/1 bis 2/4 schematisch den Bewegungsablauf des Verdrängers im Verdrängergehäuse anhand von vier verschiedenen Stellungen des Verdrängers auf einem Umlauf.

Wie insbesondere 1 zeigt, ist der Verdränger 1 an zwei rotierenden Exzentern oder Kurbeln 4 angebracht und kann mittels Gegengewichten 3 vollkommen ausgewuchtet werden. Der Verdränger 1 kann ein Körper beliebiger Form sein.
Die Exzenter 4 sind über einen Riemen 9, eine Kette oder Zahnräder gekoppelt und laufen in gleicher Drehrichtung. Der Verdränger bewirkt durch die in den 2/1 bis 2/4 anhand von vier verschiedenen Stellungen des Verdrängers auf einem Umlauf schematisch dargestellte pedalartige Bewegung eine ähnlich gute Zirkulation des Arbeitsgases, wie bei einem oszillierenden, d. h. linear hin-und hergehenden Verdränger. Um die oszillierenden, d.h. linear hin-und hergehenden Massen des Arbeitskolbens 6 auszugleichen, kann der Motor auf einfache Weise, wie in 1 gezeigt, als Gegenkolben-Maschine ausgeführt werden, da die beiden den Verdränger 1 mit den Arbeitskolben 6 koppelnden Kurbelwellen gleichzeitig als Antriebswellen genutzt werden können. Der oder die Arbeitskolben 6 können aber auch in jeder beliebigen Richtung angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

1: Verdränger
2: Verdrängergehäuse
3: Gegengewicht
4: Kurbel
5: Kurbel
6: Arbeitskolben
7: Arbeitszylinder
8: Regenerator
9: Riemen

Claims

Stirlingmotor mit einem in einem Verdrängergehäuse (2) bewegbaren Verdränger (1) zum Verschieben von Arbeitsgas von einem heißen Bereich in einen kalten Bereich des Verdrängergehäuses (2) und umgekehrt, und mit einem Arbeitszylinder (7), in dem wenigstens ein mit Arbeitsgas beaufschlagbarer Arbeitskolben (6) hin- und herbeweglich ist, der mit dem Verdränger (1) über einen Kurbeltrieb mechanisch gekoppelt ist, wobei der Kurbeltrieb ein Paar mit Gegengewichten (3) versehene Kurbelwellen aufweist, an die über Kurbeln (4, 5) sowohl der oder die Arbeitskolben (6) exzentrisch angeschlossen ist bzw. sind als auch der Verdränger (1) exzentrisch angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verdränger (1) zwei drehfest mit den Kurbelwellen verbundene Kurbeln (4) im Abstand voneinander drehbar gelagert sind, derart, dass der Verdränger (1) in dem Verdrängergehäuse (2) die Koppel eines Doppelkurbeltriebes ist, und die Kurbelwellen über einen Riemen (9), eine Kette oder Zahnräder gekoppelt sind und sich in gleicher Drehrichtung drehen.
Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitszylinder (7) zwei Arbeitskolben (6) angeordnet sind, die sich gegenläufig bewegen.