DE102014107308A1

DE102014107308A1 - Doppelzylinder-Stirling-Motor, Mehrzylinder-Stirling-Motor sowie Elektroenergie-Erzeugungssystem

Info

Publication number: DE102014107308A1
Application number: DE102014107308.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-05-24
Also published as: EP3146190B1; DE102014107308B4; EP3146190A1; WO2015177035A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelzylinder-Stirling-Motor mit einem Paar gegenüberliegender Verdrängungszylinder mit je einem heißen Bereich und einem kalten Bereich und einem zwischen diesen Bereichen bewegbaren Verdrängungskolben, wobei die Verdrängungskolben der Verdrängungszylinder durch eine starre Kolbenstange mechanisch gekoppelt sind. Ferner ist jedem Verdrängungszylinder mindestens ein Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben zugeordnet, der durch eine in dem Verdrängungszylinder bewirkbare Druckänderung eines Arbeitsgases bewegbar ist, wobei diese Bewegung durch eine Bewegungsumsetzeinrichtung in eine Drehung einer Drehwelle umgesetzt wird. Den Verdrängungszylindern ist entweder je Doppelzylinder ein gemeinsamer Arbeitszylinder zugeordnet, oder jedem Verdrängungszylinder ist ein separater Arbeitszylinder zugeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelzylinder-Stirling-Motor mit einem Paar voneinander gegenüberliegenden Verdrängungszylindern und mindestens einem Arbeitszylinder. Mit dem Begriff des Doppelzylinders wird in der vorliegenden Anmeldung durchweg die Bereitstellung von zwei gegenüberliegenden Verdrängungszylindern mit je einem Verdrängungskolben für einen Motor nach dem Stirling-Prinzip verwendet, wobei die Verdrängungskolben der Verdrängungszylinder durch eine starre Kolbenstange mechanisch gekoppelt sind.
Der Einsatz eines Stirling-Motors, auch Heißgasmotor genannt, wird heutzutage als ein geeigneter Weg zur besonders effizienten Realisierung einer Wärme-Kraft-Kopplung angesehen. Grundsätzlich basiert das Prinzip des Stirling-Motors darauf, dass dem Motor von außen Wärme zugeführt wird, um ein in dem Stirling-Motor dauerhaft aufgenommenes Arbeitsgas zu erwärmen. Genauer genommen hat der Stirling-Motor zwei unterschiedliche Temperaturzonen, nämlich einen so genannten heißen Bereich und einen so genannten kalten Bereich, die sich gegenüberliegend zueinander in einem Verdrängungszylinder des Stirling-Motors befinden. Der heiße Bereich und der kalte Bereich erwärmen bzw. kühlen das in dem Verdrängungszylinder eingeschlossene Arbeitsgas, das zwischen diesen Bereichen abwechselnd hin- und herbewegt und damit abwechselnd erhitzt und abgekühlt wird. Mit den Temperaturunterschieden des Arbeitsgases geht eine unterschiedliche Ausdehnung des Arbeitsgases und somit eine Druckwelle einher, die einen in dem Arbeitszylinder aufgenommenen Arbeitskolben translatorisch bewegt. Die gemäß dem Stirling-Prinzip erzeugte translatorische Bewegung wird anschließend vorteilhaft in Rotationsenergie umgesetzt.
Zur besseren Verdeutlichung der Wirkungsweise eines Motors nach dem Stirling-Prinzip und insbesondere zum Aufzeigen der Probleme, die bei der Realisierung eines derartigen Motors entstehen und durch die vorliegende Erfindung gelöst werden sollen, wird im Folgenden der grundsätzliche Aufbau und der Arbeitszyklus eines Stirling-Motors am Beispiel eines Einzylinder-Stirling-Motors erläutert.
Der Einzylinder-Stirling-Motor ist beispielhaft in 1A veranschaulicht. Der in 1A dargestellte Einzylinder-Stirling-Motor verkörpert aus der Sichts des Erfinders den Stand der Technik, bei dem ein Verdrängungskolben 11 eines Verdrängungszylinders 10 des Einzylinder-Stirling-Motors entlang einer Verdrängungsachse 41 parallel zur Lotrechten, also vertikal, bewegt wird, und ein Arbeitskolben 21 eines Arbeitszylinders 20 des Einzylinder-Stirling-Motors im wesentlichen entlang einer Arbeitsachse 25 orthogonal zur Lotrechten, also horizontal, bewegt wird. Genauer genommen umfasst der in 1A dargestellte Einzylinder-Stirling-Motor den Verdrängungszylinder 10, der einen heißen Bereich 12, einen kalten Bereich 13 und den zwischen diesen Bereichen 12 und 13 entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbaren Verdrängungskolben 11 aufweist, und der mit einer Kolbenstange 30 mechanisch gekoppelt ist, und den Arbeitszylinder 20 mit dem entlang der Arbeitsachse 25 bewegbaren Arbeitskolben 21. Innerhalb des Verdrängungszylinders 10 und des Arbeitszylinders 20, die durch eine Gasleitung 18 gasleitend miteinander verbunden sind, befindet sich ein Arbeitsgas. Der Arbeitskolben 21 ist durch eine Druckänderung des Arbeitsgases entlang der Arbeitsachse 25 bewegbar, und dessen translatorische Bewegung entlang der Arbeitsachse 25 wird durch eine Bewegungsumsetzeinrichtung in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Einzylinder-Stirling-Motors um eine Drehachse 39 der Drehwelle umgesetzt. Die Bewegungsumsetzeinrichtung ist zusammengesetzt aus einer durch den Arbeitskolben 21 bewegbaren Arbeitskolbenstange 22, einem damit mechanisch verbundenen Arbeitskolbenpleuel 23, das wiederum über eine Gelenkeinrichtung 33, die radial exzentrisch von der Drehachse 39 der Drehwelle beabstandet ist, mit der Drehwelle bzw. einem an der Drehwelle angebrachten Kurbelrad 37 mechanisch verbunden ist.
Der Verdrängungskolben 11 ist mit der Kolbenstange 30 gekoppelt, die von einem Linear-Führungslager 31 entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbar gehalten wird, das zwischen dem Verdrängungszylinder 10 und der Drehachse 39 angeordnet ist. Die Kolbenstange 30 ist mit einem Verdrängungspleuel 34 verbunden, das wiederum mit der Gelenkeinrichtung 33 mechanisch verbunden ist, so dass diese Komponenten als Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der Kolbenstange 30 entlang der Verdrängungsachse 41 und der Drehbewegung der Drehwelle ausgelegt sind.
Um zu der beanspruchten Erfindung zu gelangen, hat der Erfinder den aus seiner Sicht als Stand der Technik bekannten und in 1A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor zu dem in 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor weiterentwickelt. Die bezüglich 1A eingeführten Bezugszeichen gelten unverändert auch für die in 1B dargestellten Komponenten des Einzylinder-Stirling-Motors, so dass identische Bezugszeichen in 1A und 1B identische Komponenten der jeweils gezeigten Einzylinder-Stirling-Motoren bezeichnen. Diese Handhabung der Zuordnung von Bezugszeichen und Komponenten gilt übrigens auch für alle Ausführungsformen der Erfindung. Der in 1B gezeigte weiterentwickelte Einzylinder-Stirling-Motor ist für eine Arbeitsweise ausgebildet, bei der der Verdrängungskolben 11 im wesentlichen orthogonal zur Lotrechten, also horizontal, entlang der Verdrängungsachse 41 bewegt wird, und der Arbeitskolben 21 entlang der Arbeitsachse 25 vertikal bewegt wird. Die konstruktive Weiterentwicklung des in 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors gegenüber dem in 1A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor besteht darin, dass die Kolbenstange 30, wie in 1B dargestellt, so verlängert ist, dass das Linear-Führungslager 31 des Einzylinder-Stirling-Motors von 1B nicht mehr zwischen dem Verdrängungszylinder 10 und der Drehachse 39 angeordnet ist, sondern dass die Drehachse 39 zwischem dem Verdrängungszylinder 10 und dem Linear-Führungslager 31 angeordnet ist. Ferner ist bei dem in 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor die Kolbenstange 30 über einen Fortsatz 32 mit dem Verdrängungspleuel 34 verbunden.
Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des in 1A und 1B gezeigten Einzylinder-Stirling-Motors wird der aus vier Arbeitstakten je Umdrehung der Drehwelle bestehende Arbeitszyklus des Einzylinder-Stirling-Motors im Folgenden erläutert. Der in 2A bis 2D beispielhaft dargestellte Motor ist dabei identisch mit dem in 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden lediglich einige der in 1B eingeführten und verwendeten Bezugszeichen weggelassen. Ferner wurden in 2A bis 2D von der Gelenkeinrichtung 33 zu durchlaufende Winkelpositionen mit den Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 bezeichnet.
In einem ersten, in 2A dargestellten Takt des Arbeitszyklus des Einzylinder-Stirling-Motors wird der Arbeitskolben 21 durch seinen unteren Totpunkt bewegt, wobei die für diese Bewegung erforderliche Energie in einem mit der Drehwelle verbundenen Schwungrad 38 (siehe 1B) gespeichert ist bzw. entnommen/umgewandelt wird. Bei dem im 2A bis 2D dargestellten Arbeitszyklus wird davon ausgegangen, dass die Drehwelle sich gegen den Uhrzeigersinn dreht und somit die Gelenkeinrichtung 33 auf einer gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Kreislaufbahn bewegt wird. Folglich wird im ersten Takt des Arbeitszyklus aufgrund der Kopplung der Gelenkeinrichtung 33 über die Kolbenstange 30 der Verdrängungskolben 11 in Richtung des kalten Bereichs 13 bewegt. Dabei verschiebt der Verdrängungskolben 11 das Arbeitsgas zu dem heißen Bereich 12, wobei das Arbeitsgas in dem Verdrängungszylinder durch einen zwischen dem Verdrängungskolben und Innenwänden des Verdrängungszylinders bereitgestellten Spalt und/oder durch Öffnungen/Löcher in dem Verdrängungskolben strömt. Der Arbeitskolben verrichtet in diesem Arbeitstakt keine Arbeit. Das von dem kalten Bereich 13 zu dem heißen Bereich 12 verschobene Arbeitsgas wird folglich aufgeheizt, was in einer Druckerhöhung des Arbeitsgases resultiert, das innerhalb des Verdrängungszylinders und dem damit über eine Gasleitung verbundenen Arbeitszylinder aufgenommen ist.
In einem in 2B veranschaulichten zweiten Takt des Arbeitszyklus wird der Arbeitskolben 21 aufgrund der mit Bezug zu dem ersten Takt erläuterten Druckerhöhung des Arbeitsgases in Richtung des oberen Totpunktes gedrückt und verrichtet dabei Arbeit. Die translatorische Bewegung des Arbeitskolbens wird über die Bewegungsumsetzeinrichtung in Rotationsenergie umgesetzt, so dass die Drehwelle sich aufgrund des Arbeit verrichtenden Kolbens um die Drehachse 39 dreht. Der Verdrängungskolben wird bei dem in 2B dargestellten zweiten Takt des Arbeitszyklus von der Winkelposition 2 zu der Winkelposition 3 bewegt, so dass der Verdrängungskolben dicht an den kalten Bereich 13 bewegt wird und somit die Verschiebung des Arbeitsgases zu dem heißen Bereich 12 fortsetzt.
In dem in 2C dargestellten dritten Takt des Arbeitszyklus (Bewegung von der Winkelposition 3 zu der Winkelposition 4) wird der Arbeitskolben durch den oberen Totpunkt mit Hilfe der in dem Schwungrad 38 gespeicherte Energie bewegt. Der Verdrängungskolben wird nun entlang der Verdrängungsachse von dem kalten Bereich 13 zu dem heißen Bereich 12 bewegt, so dass das Arbeitsgas von dem heißen Bereich 12 in den kalten Bereich 13 verschoben wird. Daher beginnt das Arbeitsgas, sich abzukühlen und einen Unterdruck zu erzeugen. Der Arbeitskolben 21 verrichtet in dem dritten Takt keine Arbeit.
In dem in 2D dargestellten vierten Takt des Arbeitszyklus (Bewegung von der Winkelposition 4 zu der Winkelposition 1) wird der Arbeitskolben aufgrund des erzeugten Unterdrucks in Richtung des unteren Totpunkts gezogen und verrichtet dabei Arbeit. Der Verdrängungskolben wird nah zu dem heißen Bereich ausgelenkt und verschiebt somit das Arbeitsgas weiter in den kalten Bereich, so dass die Abkühlung und die Unterdruckerzeugung fortgesetzt werden können, bis der Arbeitskolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat, und der Arbeitszyklus beginnend mit dem ersten Takt (siehe 2A) kontinuierlich wie oben geschildert wiederholt wird.
Allgemein ist es für den Einsatz von Stirling-Motoren im Kontext einer Wärme-Kraft-Kopplung besonders wichtig, dass diese effizient und sowohl mit niedrigen Temperaturen als auch mit einer niedrigen Differenz zwischen der an dem heißen Bereich vorherrschenden Temperatur und der an dem kalten Bereich vorherrschenden Temperatur betrieben werden können.
Dem effizienten Einsatz des oben geschilderten Einzylinder-Stirling-Motors steht vor allen Dingen entgegen, dass dieser nur in zwei der vier Arbeitstakte eines Arbeitszyklus über seinen Arbeitskolben Arbeit verrichtet, und in den anderen zwei Takten der Arbeitskolben über den unteren bzw. oberen Totpunkt mit Hilfe der in dem Schwungrad gespeicherten Energie bewegt werden muss. Bei einer Anordnung mehrerer der oben geschilderten Einzylinder-Stirling-Motoren, die mit einem relativen Taktversatz zueinander betrieben werden, kann erreicht werden, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens einer der Arbeitskolben Arbeit verrichtet, so dass kein Schwungrad zur Bewegung eines Arbeitskolbens durch einen Totpunkt erforderlich ist. Dieser Vorteil trifft besonders für Motoren mit vier oder mehr Zylindern zu.
Bei einer gekoppelten Anordnung mehrfacher Einzylinder-Stirling-Motoren gemäß dem oben dargestellten Typ vervielfachen sich aber auch die Reibungsverluste und die bewegten Massen entsprechend der bereitgestellten Zylinderanzahl. Diese Nachteile stehen der Entwicklung eines hocheffizienten Stirling-Motors mit einem Einsatzgebiet niedriger Temperaturen und niedriger Temperaturdifferenzen im Weg.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen effizienten Stirling-Motor mit mehr als einem Zylinder bereitzustellen, der auf vorteilhafte Weise die Vervielfachung der oben erwähnten Reibungsverluste und unnötig bewegten Massen reduziert bzw. verhindert. Ferner soll ein mit dem erfindungsgemäßen Stirling-Motor versehenes Elektroenergie-Erzeugungssystem bereitgestellt werden.
Die Aufgabe der folgenden Erfindung wird durch einen Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1, einen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 10 und/oder ein Elektroenergie-Erzeugungssystem gemäß Anspruch 16 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Doppelzylinder-Stirling-Motor ist ausgestattet mit einem Paar voneinander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern, wobei jeder der Verdrängungszylinder einen heißen Bereich (bzw. Heißbereich), insbesondere eine heiße Platte, einen kalten Bereich (bzw. Kaltbereich), insbesondere eine kalte Platte, und einen zwischen diesen Bereichen entlang einer Verdrängungsachse bewegbaren Verdrängungskolben aufweist, und wobei die Verdrängungskolben des Paares durch eine entlang der Verdrängungsachse bewegbare starr ausgebildete Kolbenstange miteinander mechanisch gekoppelt sind, mindestens einem Arbeitszylinder, wobei jedem Verdrängungszylinder ein Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben zugeordnet ist (einem Arbeitszylinder können jedoch mehrere Verdrängungszylinder zugeordnet sein), wobei der Arbeitskolben durch eine bewirkbare Druckänderung eines Arbeitsgases, das innerhalb des Verdrängungszylinders und des damit gasleitend verbundenen Arbeitszylinders eingeschlossen aufgenommen ist, entlang einer Arbeitsachse bewegbar ist, einer Bewegungsumsetzeinrichtung zum Umsetzen einer Bewegung des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsachse in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Doppelzylinder-Stirling-Motors um eine Drehachse der Drehwelle, einer Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der starren Kolbenstange entlang der Verdrängungsachse und der Drehbewegung der Drehwelle.
Gemäß einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors ist beiden Verdrängungszylindern ein gemeinsamer Arbeitszylinder zugeordnet.
Gemäß einer zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors ist jedem der beiden Verdrängungszylinder jeweils ein separater Arbeitszylinder zugeordnet, wobei die Arbeitszylinder bevorzugt zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei die Bewegungsumsetzeinrichtung ferner zum Umsetzen der Bewegungen der beiden Arbeitszylinder entlang der Arbeitsachse in die Drehbewegung der Drehwelle ausgebildet ist.
Mit dem Begriff spiegelsymmetrisch ist dabei gemeint, dass die zwei Verdrängungszylinder derart gegenüberliegend angeordnet sind, dass die kalten Bereiche der Verdrängungszylinder zueinander benachbart und zwischen den heißen Bereichen der Verdrängungszylinder angeordnet sind. Alternativ können auch die heißen Bereiche der Verdrängungszylinder zueinander benachbart und zwischen den kalten Bereichen der Verdrängungszylinder angeordnet sein.
Mit dem Begriff gegenüber ist gemeint, dass die Verdrängungszylinder und insbesondere Verdrängungskolben in aneinander entgegen gesetzte Richtungen im Sinne der Kolbenanordnung eines Boxer-Motors angeordnet bzw. ausgerichtet sind.
Die Begriffe des heißen Bereiches und des kalten Bereiches verweisen darauf, dass an dem heißen Bereich eines Verdrängungszylinders eine höhere Temperatur als an dem kalten Bereich des Verdrängungszylinders anliegt bzw. an dem heißen Bereich Wärmeenergie zugeführt wird, während an dem kalten Bereich Wärmeenergie abgeführt wird.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors ist, dass die zwei Verdrängungszylinder gegenüberliegend zueinander angeordnet und durch die entlang der Verdrängungsachse bewegbare starre Kolbenstange mechanisch miteinander gekoppelt sind, so dass bei einer Bewegung des Verdrängungskolbens des ersten Verdrängungszylinders von dem kalten Bereich des Verdrängungszylinders zu dem heißen Bereich des Verdrängungszylinders gleichzeitig der Verdrängungskolben des zweiten Verdrängungszylinders von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich, bevorzugt mit dem identischen Bewegungsausmaß, bewegt wird.
Im Vergleich zu einer zweifachen Anordnung des in 1B veranschaulichten Einzylinder-Stirling-Motors ermöglicht diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Doppelzylinder-Stirling-Motors die Eliminierung einer ansonsten doppelt vorzusehenden Kolbenstange (siehe 1B Kolbenstange 30), und somit auch den Wegfall der damit unnötig bewegten Masse, und ferner das komplette Wegfallen der aus 1B bekannten Linear-Führungslager 31 und der damit verbundenen Reibungsverluste bei einer Bewegung der Kolbenstangen. Außerdem können dank der erfindungsgemäßen starren Kolbenstange die Komplexität einer Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln der Bewegung der Kolbenstange und der Drehbewegung der Drehwelle und die damit einhergehenden bewegten Massen und Reibungsverluste reduziert werden.
Ferner ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Arbeitszylinder, die den zwei Verdrängungszylindern zugeordnet sind, auf besonders vorteilhafte Weise ausgebildet sind. Gemäß einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors ist nämlich beiden Verdrängungszylindern ein gemeinsamer Arbeitszylinder zugeordnet. Durch diesen gemeinsamen, doppelt wirkenden Arbeitszylinder kann die Bewegungsumsetzeinrichtung besonders effizient ausgestaltet werden, da nur die translatorische Bewegung eines einzigen Arbeitskolbens in eine rotatorische Bewegung der Drehwelle umgesetzt werden muss. Dadurch können die in der Bewegungsumsetzeinrichtung auftretenden Reibungsverluste und bewegten Massen deutlich reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist diese erfindungsgemäße Ausbildung auch deshalb, weil nur Reibungsverluste und bewegte Massen eines einzigen Arbeitskolbens und nicht von zwei Arbeitskolben effizienzmindernd anfallen.
Gemäß der zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors wird für jeden Verdrängungszylinder ein separater Arbeitszylinder bereitgestellt. Besonders in Kombination mit der starren Kolbenstange ermöglicht diese erfindungsgemäße Ausbildungsform eine Realisierung der Bewegungsumsetzeinrichtung mit reduzierten Reibungsverlusten und reduzierten bewegten Massen, da die durch die Arbeitskolben erzeugte Bewegungsenergie an einer einzelnen radial exzentrisch an der Drehachse der Drehwelle beabstandeten Position auf die Drehwelle aufgebracht werden kann.
Ferner bieten beide der oben aufgeführten Alternativen der wesentlichen Erfindungsmerkmale den Vorteil, dass in jedem Takt ein Arbeitskolben Arbeit verrichtet, so dass ein an der Drehwelle angebrachtes Schwungrad zur Überwindung bzw. zum Durchlaufen der Totpunkte des bzw. der Arbeitskolben entfallen kann, insbesondere wenn mindestens zwei der erfindungsgemäßen, eine gemeinsame Drehwelle antreibenden Doppelzylinder-Stirling-Motoren zum Einsatz kommen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Kopplungseinrichtung ein Pleuel, das die Kolbenstange mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppelt. Gemäß der oben erwähnten ersten Alternative umfasst gemäß einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform, die Bewegungsumsetzeinrichtung ein Pleuel, das den gemeinsamen Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppelt. Gemäß der oben erwähnten zweiten Alternative kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform die Bewegungsumsetzeinrichtung zwei Pleuel umfassen, die jeweils einen unterschiedlichen der beiden Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppeln. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine Realisierung der Kopplungseinrichtung bzw. Bewegungsumsetzeinrichtung mit reduzierten Reibungsverlusten und bewegten Massen.
Gemäß einer Weiterbildung der zuvor erwähnten Kopplungseinrichtung und/oder Bewegungsumsetzeinrichtung sind das Pleuel der Kopplungseinrichtung und für die erste Alternative das Pleuel der Bewegungsumsetzeinrichtung bzw. für die zweite Alternative die Pleuel der Bewegungsumsetzeinrichtung mit derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung zur mechanischen Kopplung verbunden. Dieselbe Gelenkeinrichtung ist hierbei insbesondere eine Kurbel. Aufgrund der Verwendung einer einzigen Gelenkeinrichtung zur gemeinsamen Verwendung für die Kopplungseinrichtung und die Bewegungsumsetzeinrichtung können die Reibungsverluste und die bewegten Massen nochmals reduziert werden. Dadurch wird ein besonders effizienter Doppelzylinder-Stirling-Motor ermöglicht
Gemäß einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Verdrängungsachse und die Arbeitsachse zu der Drehachse der Drehwelle senkrecht ausgerichtet. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Realisierung der Kopplungseinrichtung und der Bewegungsumsetzeinrichtung, so dass unnötig bewegte Massen entfallen.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor für einen Einsatz von Helium als das Arbeitsgas ausgebildet bzw. ist mit Helium als das Arbeitsgas ausgestattet.
In allen Ausführungsformen des beanspruchten Stirling-Motors ist jeder Verdrängungszylinder mit einem Arbeitsgasdurchlass derart ausgestaltet, dass zur Realisierung des Stirling-Prinzips in einem der oben beschriebenen vier Arbeitstakte das in dem Inneren des Verdrängungszylinders aufgenommene Arbeitsgas von der Seite des heißen Bereichs zu der Seite des kalten Bereichs, durch den Verdrängungskolben hindurch und/oder an diesem vorbei, und in umgekehrter Richtung strömen kann. Dazu kann der Arbeitsgasdurchlass durch einen mit Durchlässen von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich versehenen Verdrängungskolben, eine Bereitstellung eines Spaltes zwischen dem Verdrängungskolben und der Innenwand des Verdrängungszylinders, eine Arbeitsgas-Bypass-Leitung zum Umlenken einer in dem Raum zwischen dem heißen Bereich und dem Verdrängungskolben aufgenommenen Arbeitgasmenge um den Verdrängungskolben herum, also auf die andere Seite des Verdrängungskolbens, zu dem Raum zwischen dem Verdrängungskolben und dem kalten Bereich und in umgekehrter Richtung, oder durch eine beliebige Kombination davon realisiert sein. Der in der Beschreibung der Ausführungsformen erwähnte Spalt zwischen dem Verdrängungskolben eines Verdrängungszylinders und den Innenwänden dieses Verdrängungszylinders, beispielhaft in den Figuren als Spalt 17, 17A, 17B dargestellt, steht beispielhaft für eine dieser Realisierungsmöglichkeiten des Arbeitsgasdurchlasses.
Bei Bereitstellung eines Spaltes als Arbeitsgasdurchlass kann dieser beliebig klein gewählt werden, vorausgesetzt dass der Spalt ein Durchströmen des Arbeitsgases und eine Bewegung des Verdrängungskolbens entlang der Verdrängungsachse zulässt.
In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist mindestens einer der Verdrängungskolben als Regenerator dadurch ausgebildet, dass der Verdrängungskolben mit Durchlässen für das Arbeitsgas versehen ist, die mit einem Regeneratormaterial, bevorzugt Stahlwolle, verfüllt sind. Durch diese zusätzlichen fakultativen Merkmale des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors kann dessen Effizienz weiter gesteigert werden und außerdem kann die für den effizienten Betrieb erforderliche obere Temperatur und auch die erforderliche Temperaturdifferenz verringert werden. Der erfindungsgemäße Doppelzylinder-Stirling-Motor kann aber auch ohne Regenerator ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der ersten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors hat der gemeinsame Arbeitszylinder zwei durch den Arbeitskolben räumlich getrennte Gasräume zur Aufnahme des Arbeitsgases, die jeweils gasleitend mit einem Gasraum zur Aufnahme des Arbeitsgases eines unterschiedlichen der Verdrängungszylinder verbunden sind. Dadurch kann besonders vorteilhaft der zu einem Zeitpunkt auf einer Seite des Arbeitskolbens herrschende Überdruck mit einem auf der anderen Seite herrschenden Unterdruck gekoppelt werden, so dass die Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie besonders effizient erfolgen kann.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der zweiten Alternative ist ein Gasraum des ersten Verdrängungszylinders gasleitend mit einem Gasraum des zugeordneten ersten Arbeitszylinders verbunden, und separat davon ist ein Gasraum des zweiten Verdrängungszylinders gasleitend mit einem Gasraum des diesem zugeordneten zweiten Arbeitszylinders verbunden.
Die oben erwähnte gasleitende Verbindung (in den Figuren als Gasleitung mit Bezugszeichen 18, 18A bzw. 18B bezeichnet) zwischen Gasräumen kann für beide Alternativen auch dadurch realisiert werden, dass die Gasräume direkt aneinander gasleitend angrenzen, ohne dass zwischen diesen ein zusätzlich bereitgestellter Leitungsabschnitt vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein Hubvolumen des Arbeitszylinders gegeben, durch das auf eine untere Temperatur des Arbeitsgases normierte Produkt eines halben Hubvolumens des Verdrängungszylinders, eines Dichtigkeitskoeffizienten und einer Differenz einer oberen Temperatur des Arbeitsgases und der unteren Temperatur des Arbeitsgases.
Die Herleitung dieses erfindungsgemäß erkannten Zusammenhangs wird im Folgenden erläuternd dargestellt. Dabei bezieht sich der Begriff des Hubvolumens auf das umschlossene Volumen, das sich aus dem zurücklegbaren Weg eines einzelnen Kolbens, also eines Verdrängungskolbens oder eines Arbeitskolbens, und der wirksamen Kolbenquerschnittsfläche ergibt. Der Kolbenhub bezeichnet dabei den Weg, der zwischen den beiden äußersten Stellungen eines Kolbens zurückgelegt wird, also den Weg zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Abstimmung des Hubvolumens der Verdrängungszylinder und der Arbeitszylinder für die Leistungsfähigkeit des Stirling-Motors besonders wichtig ist. Ein zu kleines Hubvolumen des Arbeitszylinders reduziert die Leistung, da sich die durch den Arbeitsdruck bewirkte Kraft auf den Arbeitskolben aus dem Produkt von Druck und Fläche des Kolbens ergibt. Ein zu großes Hubvolumen bewirkt, dass der Druck nicht ausreicht, den Arbeitskolben kontinuierlich zu bewegen. Das Hubvolumen des Arbeitszylinders, V_A, ist so auszulegen, dass am Ende des Einfuhrtaktes des Arbeitszylinders, also im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens, der Druck fast vollständig aufgebraucht ist, ansonsten muss beim abschließenden Ausfahren des Arbeitskolbens anfänglich noch gegen den Druck gearbeitet werden, was die Bewegung der Kolben abbremst.
Steht der Arbeitszylinder an dem oberen Totpunkt, so steht gleichzeitig der Verdrängungszylinder genau in der Mitte zwischen dem heißen Bereich und dem kalten Bereich. Die Temperatur T_M des Arbeitsgases zu diesem Zeitpunkt beträgt daher: T_M = (T_O + T_U)/2. Dabei bezeichnet T_O die obere und T_U die untere Temperatur.
Die Temperaturdifferenz zu der unteren Temperatur des Arbeitsgases ist dann: ∆T_M = T_M – T_U = (T_O + T_U)/2 – T_U = (T_O – T_U)/2 = 0,5·∆T
Die dadurch entstehende Druckdifferenz ∆p (in bar) wäre, wenn der Arbeitszylinder kein Hubvolumen hätte, unter Berücksichtigung eines später detaillierter erläuterten Dichtigkeitskoeffizienten DK: ∆p = DK·(∆T_M/T_U) = 0,5·DK·∆T/T_U
Dieser Druck soll durch Einfahren des Arbeitszylinders verbraucht werden. Also muss sich das Arbeitsgas genau um V_A ausdehnen. Somit gilt:
∆p = V_A/V_V (dabei ist V_A das Hubvolumen des Arbeitszylinders und V_V das Hubvolumen des Verdrängungszylinders)
bzw. V_A = V_V·∆p = V_V·0,5·DK·∆T/T_U
Somit ergibt sich als Auslegungsregel des Hubvolumens des Arbeitszylinders im Verhältnis zu dem Hubvolumen des Verdrängungszylinders der folgende Zusammenhang: V_A = V_V·0,5·DK·∆T/T_U
In der obigen Formel bezeichnet V_A das Hubvolumen des Arbeitszylinders und V_V das Hubvolumen des Verdrängungszylinders. T_O bezeichnet die obere Temperatur des Arbeitsgases in Kelvin. ∆T bezeichnet die Differenz T_O – T_U in Kelvin.
DK ist der Dichtigkeitskoeffizient und drückt die Dichtheit des für die Aufnahme des Arbeitsgases vorgesehenen Gesamtsystems, bestehend aus Verdrängungszylinder 10, Arbeitszylinder 20 und Gasleitung 18, aus. DK ist daher abhängig von der Abdichtung des Motors, insbesondere von Kolbenstangen und Arbeitszylinder. Ferner hängt DK von der Art des Arbeitsgases bzw. dessen Molekülgröße ab.
Mit Hilfe von DK kann der tatsächliche Maximaldruck (P_I) aus dem theoretischen Maximaldruck (P_T) berechnet werden: P_I = DK·P_T
DK kann bei stehendem Motor empirisch ermittelt werden aus dem Startdruck P₀ nach Befüllen des Systems mit Druckluft bzw. einem Druckgas bis etwa zum Niveau von P_T und dem Druck im System nach einer halben Taktzeit P₁, wobei die Taktzeit in Sekunden sich berechnet aus 1/Drehzahl pro Sekunde.
DK ergibt sich dann wie folgt: DK = P₁/P₀.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform sind der Doppelzylinder-Stirling-Motor und insbesondere dessen Drehwelle schwungradfrei ausgestaltet. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Vermeidung bewegter Massen und reduziert die für eine Betriebsfähigkeit des Stirling-Motors erforderliche obere Temperatur bzw. erforderliche Temperaturdifferenz.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor als Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motor ausgebildet und dann auch zur Erzeugung von Rotationsenergie fähig, wenn die Temperatur des heißen Bereichs unterhalb von 120 ° C, insbesondere 100 ° C liegt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch einen Mehrzylinder-Stirling-Motor gelöst, der aus einer Mehrzahl von n, wobei n mindestens zwei ist, der zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motoren zusammengesetzt ist, wobei die jeweiligen Drehwellen der einzelnen Doppelzylinder-Stirling-Motoren der den Mehrzylinder-Stirling-Motor bildenden Mehrzahl durch eine Gesamtdrehwelle ausgebildet sind. Die Gesamtdrehwelle kann einstückig ausgebildet sein oder kann auch mehrstückig ausgebildet sein, vorausgesetzt, dass die mehreren Teilstücke mechanisch miteinander verbunden sind. Ferner sind zu einem Vergleichszeitpunkt die jeweiligen Auslenkungen der Verdrängungskolben zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils um 1/n, also den Kehrwert der Zahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren, die den Mehrzylinder-Stirling-Motor bilden, des Hubwegs der Verdrängungskolben zueinander versetzt bzw. haben einen Taktversatz von 180/n Grad bezüglich der Bewegung der Verdrängungskolben zueinander. Dadurch kann ein besonders gleichmäßiger Betrieb des Mehrzylinder-Stirling-Motors und somit ein besonders effizienter Betrieb des Motors erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor kann folglich als Vierzylinder-Stirling-Motor, Sechszylinder-Stirling-Motor, Achtzylinder-Stirling-Motor, Zehnzylinder-Stirling-Motor, usw. ausgebildet sein.
Der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor kann ferner so ausgebildet sein, dass die Gelenkeinrichtungen zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle, die wie oben erläutert ausgebildet sein kann, um 180/n Grad zueinander angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind. Durch diese Anordnung und Ausbildung der Gelenkeinrichtungen können die Reibungsverluste und die bewegten Massen reduziert werden, und ferner wird ein besonders gleichmäßiger Motorbetrieb ermöglicht.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Realisierung des Mehrzylinder-Stirling-Motors ist dieser als Vierzylinder-Stirling-Motor durch eine mechanisch gekoppelte Anordnung von zwei der oben erläuterten erfindungsgemäßen Zweizylinder-Stirling-Motoren ausgebildet. Dabei ist eine Auslenkung der Verdrängungskolben des ersten Doppelzylinder-Stirling-Motors zu einer Auslenkung der Verdrängungskolben des zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motors um einen halben Hubweg der Verdrängungskolben versetzt bzw. hat einen Taktversatz von 90 Grad. Ferner sind die Gelenkeinrichtungen der zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 90 Grad zueinander versetzt angebracht und sind von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, angebracht. Der erfindungsgemäße Vierzylinder-Stirling-Motor stellt einen sehr guten Kompromiss zwischen der Anzahl der verwendeten Zylinder, dem Materialaufwand und dem gleichmäßigen Betrieb bzw. Lauf des Stirling-Motors bereit.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Mehrzylinder-Stirling-Motor als Platten-Stirling-Motor ausgebildet, wobei eine Mehrzahl räumlich benachbarter heißer Bereiche (12A, 12C; 12B, 12D) bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet ist und/oder eine Mehrzahl räumlich benachbarter kalter Bereiche (13A, 13C; 13B, 13D) bevorzugt als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet ist.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Mehrzylinder-Stirling-Motor und insbesondere dessen Gesamtdrehwelle schwungradfrei ausgestaltet, so dass die bewegten Massen auf ein Minimum reduziert sind.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Elektroenergie-Erzeugungssystem bereit mit einem der zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motoren oder Mehrzylinder-Stirling-Motoren und einen an die Drehwelle bzw. Gesamtdrehwelle des Stirling-Motors gekoppelten Elektrogenerator zur Umwandlung der Rotationsenergie der Welle des Stirling-Motors in elektrische Energie. Dadurch kann ein besonders effizientes Elektroenergie-Erzeugungssystem realisiert werden, das Wärmeenergie mit Hilfe eines Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motors in elektrische Energie umwandelt.
In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus mindestens zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Im Folgenden werden zur weiteren Darstellung des Kontextes der Erfindung und ihrer Ausführungsformen die beigefügten Figuren erläutert, in denen
1A: eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Stirling-Motors zeigt, der als Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung dient;
1B: eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Stirling-Motors zeigt, der als Weiterentwicklung des in 1A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors als verbesserter Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung dient;
2A–2D: eine Abfolge von vier Arbeitstakten eines Arbeitszyklus des in 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors veran schaulichen;
3: eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Doppelzy linder-Stirling-Motors gemäß der ersten Alternative zeigt;
4: eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Doppelzy linder-Stirling-Motors gemäß der zweiten Alternative zeigt;
5: eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Vierzylin der-Stirling-Motors zeigt.
In 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors gemäß der ersten Alternative gezeigt. In 3 bezeichnen dieselben oder ähnliche Bezugszeichen, die bereits zur Erläuterung der 1 verwendet worden sind, dieselben oder ähnliche Komponenten wie in 1.
Der in 3 gezeigte Doppelzylinder-Stirling-Motor umfasst zwei Verdrängungszylinder 10A und 10B. Der Verdrängungszylinder 10A hat einen heißen Bereich 12A, einen kalten Bereich 13A und einen zwischen diesen Bereichen 12A und 13A entlang einer Verdrängungsachse 41 bewegbaren Verdrängungskolben 11A. Entsprechendes gilt für den zweiten Verdrängungszylinder 10B, wobei die weiteren Komponenten mit dem Buchstaben B für den zweiten Verdrängungszylinder anstelle des zuvor bezüglich des ersten Verdrängungszylinders 10A verwendeten Buchstabens A gelten.
Die Verdrängungskolben 11A und 11B sind durch eine entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbare starre Kolbenstange 40 miteinander gekoppelt. Die Kolbenstange 40 ist durch zwei Lager 29A und 29B beweglich gelagert und gegenüber dem Gasraum 15A bzw. 15B arbeitsgasundurchlässig abgedichtet. Ferner ist der gemeinsame Arbeitszylinder 20 mit einem Arbeitskolben 21, der entlang einer Arbeitsachse 25 bewegbar ist, wie in 3 gezeigt, gemäß der ersten Alternative der Erfindung versehen. Eine lineare bzw. translatorische Bewegung des Arbeitskolbens 21 wird über eine Arbeitskolbenstange 22 an ein damit verbundenes Arbeitskolbenpleuel 23 weitergegeben, das an seinem anderen Ende mit einer Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden ist, die radial exzentrisch an einem Kurbelrad 37 angebracht ist. Das Kurbelrad 37 ist mit der Drehwelle des Doppelzylinder-Stirling-Motors mechanisch verbunden.
Die Kolbenstange 40 ist mit einem von dieser radial abstehenden Fortsatz 32 versehen, an dessen radial abstehenden Ende ein Pleuel 34 drehbar gelagert ist. Das andere Ende des Pleuels 34 ist an der Gelenkeinrichtung 33 drehbar befestigt. Der Fortsatz 32, insbesondere das Pleuel 34 und die Gelenkeinrichtung 33, hier durch eine Kurbel verkörpert, bilden die Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln der Bewegung der Kolbenstange 40 und der Drehbewegung der Drehwelle. Die Bewegungsumsetzeinrichtung wird hingegen durch die Arbeitskolbenstange 22, insbesondere das daran drehbar angebrachte Pleuel 23 und die Gelenkeinrichtung 33 verkörpert.
Wie in 3 veranschaulicht, ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor, insbesondere bei Gruppierung von mindestens zwei Doppelzylindern, nur mit einem Kurbelrad 37 aber nicht mit einem Schwungrad (zum Vergleich siehe Bezugszeichen 38 in 1) versehen. Die Drehachse der Drehwelle ist mit dem Bezugszeichen 39 bezeichnet.
Der gemeinsame Arbeitszylinder 20 weist zwei durch den Arbeitskolben 21 räumlich getrennte Gasräume 24A und 24B auf. Der Gasraum 24A des Arbeitszylinders 20 ist über eine Gasleitung 18A gasleitend mit einem Gasraum 15A des ersten Verdrängungszylinders 10A verbunden, die zusammen einen nach außen abgeschlossenen Raum aufspannen, in dem eine dem ersten Verdrängungszylinder 10A zugeordnete Arbeitsgasmenge nach außen unentweichbar eingeschlossen ist. Der zweite Gasraum 24B des Arbeitszylinders 20 ist über eine Gasleitung 18B mit einem Gasraum 15B des zweiten Verdrängungszylinders 10B verbunden. In dem zweiten Gasraum 24B des Arbeitskolbens 21, der zweiten Gasleitung 18B und dem zweiten Gasraum 15B des zweiten Verdrängungszylinders 10B ist eine zweite Arbeitsgasmenge nach außen unentweichbar eingeschlossen.
Das Pleuel 34 und das Pleuel 23 sind an derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung 33 drehbar angebracht. Die Verdrängungsachse 41 und die Arbeitsachse 25 sind senkrecht zu der Drehachse 39 der Drehwelle ausgerichtet.
Zwischen dem ersten Verdrängungskolben 11A und der Innenwand des ersten Verdrängungszylinders 10A ist ein Spalt 17A bereitgestellt. Auch zwischen dem zweiten Verdrängungskolben 11B des zweiten Verdrängungszylinders 10B ist ein Spalt 17B bereitgestellt. Die in 3 abgebildeten Spalte 17A und 17B stellen den zuvor erwähnten Arbeitsgasdurchlass dar, wurden aus Gründen einer vereinfachten Darstellung lediglich als Spalte dargestellt, und können allgemein erfindungsgemäß, wie bereits zuvor erwähnt, durch einen mit Durchlässen von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich versehenen Verdrängungskolben, eine Bereitstellung eines Spaltes zwischen dem Verdrängungskolben und der Innenwand des Verdrängungszylinders, eine Arbeitsgas-Bypass-Leitung zum Umlenken einer in dem Raum zwischen dem heißen Bereich und dem Verdrängungskolben aufgenommenen Arbeitgasmenge um den Verdrängungskolben herum, also auf die andere Seite des Verdrängungskolbens, zu dem Raum zwischen dem Verdrängungskolben und dem kalten Bereich und in umgekehrter Richtung, oder durch eine beliebige Kombination davon realisiert sein. Bei einer Realisierung der Arbeitsgasdurchlässe als Spalte sind diese relativ eng ausgebildet, und ferner ist der jeweilige Verdrängungskolben mit Durchlässen versehen und als Regenerator ausgebildet (bevorzugt sind die Durchlässe dazu mit einem Material, bevorzugt Stahlwolle, verfüllt), so dass der Großteil der verdrängten Arbeitsgasmenge durch den Verdrängungskolben hindurch auf die andere Seite des Verdrängungskolbens gelangt und nur ein, bevorzugt um mindestens eine Größenordnung, kleinerer Teil der verdrängten Arbeitsgasmenge durch den Spalt auf die die andere Seite des Verdrängungskolbens gelangt. Die Erläuterungen dieses Absatzes bezüglich der in 3 dargestellten Spalte gelten auch für die in den anderen Figuren dargestellten Spalte.
In 4 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Doppelzylinder-Stirling-Motors gemäß der zweiten Alternative veranschaulicht. Bezüglich der Erläuterung von 4 wird zur Vermeidung einer redundanten Erläuterung nur auf die von 3 unterschiedlichen Merkmale der 4 eingegangen.
Anders als bei der in 3 gezeigten Ausführungsform gemäß der ersten Alternative umfasst der in 4 beispielhaft veranschaulichte Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß der zweiten Alternative zwei räumlich getrennte Arbeitszylinder 20A und 20B. In dem ersten Arbeitszylinder 20A ist ein erster Arbeitskolben 21A entlang der Arbeitsachse 25 bewegbar. Der Arbeitskolben 21A ist über eine Arbeitskolbenstange 22A mit einem Pleuel 23A drehbar verbunden, das wiederum an einer Gelenkeinrichtung 33 drehbar angebracht ist. Der zweite Arbeitszylinder 20B umfasst einen zweiten Arbeitskolben 21B, der über eine Arbeitskolbenstange 22B mit einem Pleuel 23B drehbar verbunden ist, das wiederum mit der Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden ist.
Im Gegensatz zu der in 3 veranschaulichten Ausführungsform sind bei der in 4 veranschaulichten Ausführungsform insgesamt drei Pleuel 34, 23A und 23B mit der Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden. Die Gelenkeinrichtung 33 ist als Kurbel ausgebildet und radial exzentrisch an einem Kurbelrad 37 angebracht, das mechanisch mit der um die Drehachse 39 drehbaren Drehwelle verbunden ist.
5 veranschaulicht beispielhaft einen erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motor, der aus zwei erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motoren zusammengesetzt ist. In 5 bezeichnen die bereits bezüglich 3 und 4 erläuterten Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Komponenten, so dass zur Vermeidung einer redundanten Erläuterung im Folgenden nur wesentliche Unterschiede bzw. Fortbildungen der Ausführungsform gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erläutert werden sollen.
Der in 5 gezeigte Vierzylinder-Stirling-Motor umfasst eine Kolbenstange 40AB (entlang einer ersten Verdrängungsachse 41AB), an deren Enden jeweils ein Verdrängungskolben 11A bzw. 11B angebracht ist, und eine Kolbenstange 40CD (entlang einer zweiten Verdrängungsachse 41CD), an deren Enden jeweils ein Verdrängungskolben 11C bzw. 11D angebracht ist. Die Auslenkung des Verdrängungskolbens 11A ist zu jedem Zeitpunkt um die Hälfte des Hubwegs des Verdrängungskolbens 11A relativ zu der Auslenkung des Verdrängungskolbens 11C versetzt. Entsprechendes gilt für die Auslenkungen bezüglich der Verdrängungskolbens 11B und 11D.
Ein heißer Bereich 12A des ersten Verdrängungszylinders 10A und ein heißer Bereich 12C des räumlich zu dem ersten Verlängerungszylinder 10A räumlich benachbarten Verdrängungszylinders 10C sind bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet, wie auch die heißen Bereiche 12B und 12D bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet sind. Entsprechendes gilt für die kalten Bereiche 13A und 13B, die bevorzugt als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet sind bzw. für die kalten Bereiche 13B und 13D, die bevorzugt als eine weitere kalte Platte ausgebildet sind.
An den jeweiligen Enden einer Gesamtdrehwelle 36 ist jeweils ein Kurbelrad 37AB bzw. 37CD zentrisch fixiert. An dem Kurbelrad 37AB ist radial exzentrisch eine Gelenkeinrichtung 33AB angebracht, deren Bewegung über ein Pleuel 34AB an die Kolbenstange 40AB gekoppelt wird. Entsprechendes gilt für das Kurbelrad 37CD und eine dieser zugeordneten Gelenkeinrichtung 34CD und die Kolbenstange 40CD. Anstelle der zuvor beschriebenen Gesamtdrehwelle mit den Kurbelrädern kann auch eine Kurbelwelle vorgesehen sein.
Zu besseren Übersichtlichkeit sind die Arbeitskolben des erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motors in 5 nicht dargestellt. Die Erfindung sieht verschiedene Ausführungsformen bezüglich der Anzahl und der Anordnung der Arbeitszylinder vor. Für die Verdrängungszylinder 10A und 10B kann ein gemeinsamer Arbeitszylinder vorgesehen sein, oder für jeden dieser Verdrängungszylinder kann ein separater Arbeitszylinder vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für die Verdrängungszylinder 10C und 10D. Die Erfindung umfasst auch einen Vierzylinder-Stirling-Motor, bei dem für zwei Verdrängungszylinder einer Doppelzylinder-Anordnung ein gemeinsamer Arbeitszylinder und für die zwei anderen Verdrängungszylinder jeweils ein separater Arbeitszylinder vorgesehen ist. Bei einer Ausführungsform des Vierzylinder-Stirling-Motors mit zwei gemeinsamen Arbeitszylindern sind diese bevorzugt in gleicher oder entgegengesetzter Richtung zueinander angeordnet. Die Arbeitskolben des erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motors sind so angeordnet und mechanisch mit den Verdrängungskolben gekoppelt, dass während des Betriebs des Vierzylinder-Stirling-Motors ständig mindestens einer der Arbeitskolben Arbeit verrrichtet. Deshalb benötigt der Vierzylinder-Stirling-Motor kein Schwungrad.
Die Verdrängungsachsen 41AB und 41CD, entlang derer die Kolbenstangen 40AB bzw. 40CD auslenkbar bzw. bewegbar sind, sind parallel zueinander und senkrecht zu der Drehachse 39 der Gesamtdrehwelle 36 ausgerichtet.
Wie beispielhaft in 5 gezeigt, sind gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Vierzylinder-Stirling-Motors die Verdrängungskolben bevorzugt entlang horizontal ausgerichteter Verdrängungsachsen bewegbar und/oder sind die Arbeitskolben bevorzugt entlang vertikal ausgerichteter Arbeitsachsen bewegbar. Die dieser bevorzugten Ausführungsform zugrunde liegende Ausrichtung der Verdrängungszylinder und/oder Arbeitszylinder gilt erfindungsgemäß auch für Stirling-Motoren, die aus mehr als zwei der erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motoren zusammengesetzt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor als Sternmotor so ausgebildet, dass mindestens zwei Paare von einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern, also mindestens zwei Doppelzylinder, um eine Umfangsrichtung der, sich bevorzugt vertikal erstreckenden, Gesamtdrehwelle zueinander, bevorzugt in einem selben Winkel, versetzt angeordnet sind. Die Ausbildung als Sternmotor ermöglicht eine besonders vorteilhafte Anordnung der Gesamtdrehwelle und der bewegten Kolben des Mehrzylinder-Stirling-Motors, da somit die Auswirkungen der Gewichskraft der bewegten Teile des Mehrzylinder-Stirling-Motors reduziert werden können.
Bezugszeichenliste

1, 2, 3, 4: Winkelposition
10, 10A, 10B, 10C, 10D: Verdrängungszylinder
11, 11A, 11B, 11C, 11D: Verdrängungskolben
12, 12A, 12B, 12C, 12D: heißer Bereich
13, 13A, 13B, 13C, 13D: kalter Bereich
15, 15A, 15B: Gasraum
17, 17A, 17B: Spalt
18, 18A, 18B: Gasleitung
20, 20A, 20B: Arbeitszylinder
21, 21A, 21B: Arbeitskolben
22, 22A, 22B: Arbeitskolbenstange
23, 23A, 23B: Arbeitskolbenpleuel
24, 24A, 24B: Gasraum
25: Arbeitsachse
29, 29A, 29B: Lager
30: Kolbenstange
31: Linear-Führungslager
32: Fortsatz
33, 33AB, 33CD: Gelenkeinrichtung
34, 34AB, 34CD: Verdrängungspleuel
36: Gesamtdrehwelle
37, 37AB, 37CD: Kurbelrad
38: Schwungrad
39: Drehachse
40, 40AB, 40CD: Kolbenstange, starr bzw. durchgehend
41, 41AB, 41CD: Verdrängungsachse

Claims

Doppelzylinder-Stirling-Motor, mit einem Paar von einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern (10A, 10B), wobei jeder der Verdrängungszylinder einen heißen Bereich (12A, 12B), insbesondere einen heiße Platte, einen kalten Bereich (13A, 13B), insbesondere eine kalte Platte, und einen zwischen diesen Bereichen entlang einer Verdrängungsachse (41) bewegbaren Verdrängungskolben (11A, 11B) aufweist, und wobei die Verdrängungskolben des Paares durch eine entlang der Verdrängungsachse bewegbare starre Kolbenstange (40) miteinander mechanisch gekoppelt sind, mindestens einem Arbeitszylinder (20; 20A, 20B), wobei jedem Verdrängungszylinder ein Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben (21; 21A, 21B) zugeordnet ist, der durch eine in dem Verdrängungszylinder bewirkbare Druckänderung eines Arbeitsgases entlang einer Arbeitsachse (25) bewegbar ist, einer Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33; bzw. 22A, 22B, 23A, 23B, 33) zum Umsetzen einer Bewegung des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsachse (25) in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Doppelzylinder-Stirling-Motors um eine Drehachse (39) der Drehwelle, einer Kopplungseinrichtung (32, 34, 33) zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der starren Kolbenstange (40) entlang der Verdrängungsachse (41) und der Drehbewegung der Drehwelle, wobei gemäß einer ersten Alternative beiden Verdrängungszylindern ein gemeinsamer Arbeitszylinder (20), und bevorzugt die Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33), zugeordnet ist, oder gemäß einer zweiten Alternative beiden Verdrängungszylindern jeweils ein separater Arbeitszylinder (20A, 20B) zugeordnet ist, die bevorzugt zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, und die Bewegungsumsetzeinrichtung (22A, 22B, 23A, 23B, 33) ferner zum Umsetzen der Bewegungen der beiden Arbeitszylinder entlang der Arbeitsachse in die Drehbewegung der Drehwelle ausgebildet ist.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung ein Pleuel (34) umfasst, das die Kolbenstange (40) mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppelt, und/oder dass gemäß der ersten Alternative die Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33) ein Pleuel (23) umfasst, das den gemeinsamen Arbeitskolben (21) mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppelt, oder dass gemäß der zweiten Alternative die Bewegungsumsetzeinrichtung (22A, 22B, 23A, 23B, 33) zwei Pleuel (23A, 23B) umfasst, die jeweils einen unterschiedlichen der beiden Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppeln.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel (34) der Kopplungseinrichtung und das/die Pleuel (23; 23A, 23B) der Bewegungsumsetzeinrichtung mit derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, zur mechanischen Kopplung verbunden sind.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungsachse (41) und die Arbeitsachse (25) senkrecht zu der Drehachse (39) der Drehwelle ausgerichtet sind.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelzylinder-Stirling-Motor für einen Einsatz von Helium als das Arbeitsgas ausgebildet ist bzw. mit Helium als das Arbeitsgas ausgestattet ist, und/oder dass die Verdrängungskolben als Regenerator ausgebildet sind.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß der ersten Alternative der gemeinsame Arbeitszylinder (20) zwei durch den Arbeitskolben (21) räumlich getrennte Gasräume (24A, 24B) aufweist, die jeweils gasleitend mit einem Gasraum (15A, 15B) eines unterschiedlichen der Verdrängungszylinder verbunden sind, oder dass gemäß der zweiten Alternative jeweilige Gasräume (15A, 15B) der Verdrängungszylinder gasleitend mit einem jeweiligen Gasraum (24A, 24B) des zugeordneten Arbeitszylinders verbunden sind.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubvolumen des Arbeitszylinders gegeben ist durch das auf eine untere Temperatur des Arbeitsgases normierte Produkt eines halben Hubvolumens des Verdrängungszylinders, eines Dichtigkeitskoeffizienten und einer Differenz einer oberen Temperatur des Arbeitsgases und der unteren Temperatur des Arbeitsgases.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelzylinder-Stirling-Motor, insbesondere dessen Drehwelle, schwungradfrei ausgestaltet ist.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Motor als Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motor ausgebildet ist und auch dann zur Erzeugung von Rotationsenergie fähig ist, wenn die Temperatur des heißen Bereiches unterhalb von 120 °C, insbesondere 100 °C, liegt.
Mehrzylinder-Stirling-Motor mit einer Mehrzahl von n, aber mindestens zwei, Doppelzylinder-Stirling-Motoren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Drehwellen der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren durch eine Gesamtdrehwelle (36) ausgebildet sind, und dass jeweilige Auslenkungen der Verdrängungskolben zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils um 1/n des Hubwegs der Verdrängungskolben zueinander versetzt sind bzw. einen Taktversatz von 180/n Grad zueinander haben.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkeinrichtungen zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 180/n Grad zueinander versetzt angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor durch einen ersten Doppelzylinder-Stirling-Motor und einen zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motor als ein Vierzylinder-Stirling-Motor ausgebildet ist, dass eine Auslenkung der Verdrängungskolben des ersten Doppelzylinder-Stirling-Motors zu einer Auslenkung der Verdrängungskolben des zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motors um einen halben Hubweg der Verdrängungskolben versetzt ist bzw. einen Taktversatz von 90 Grad hat, und dass die Gelenkeinrichtungen der zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 90 Grad zueinander versetzt angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor als Platten-Stirling-Motor ausgebildet ist, wobei eine Mehrzahl räumlich benachbarter heißer Bereiche (12A, 12C; 12B, 12D) als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet ist und/oder eine Mehrzahl räumlich benachbarter kalter Bereiche (13A, 13C; 13B, 13D) als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet ist.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor, insbesondere dessen Gesamtdrehwelle, schwungradfrei ausgestaltet ist.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor als Sternmotor so ausgebildet, dass mindestens zwei Paare von einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern um eine Umfangsrichtung der, sich bevorzugt vertikal erstreckenden, Gesamtdrehwelle zueinander, bevorzugt in einem selben Winkel, versetzt angeordnet sind.
Elektroenergie-Erzeugungssystem mit einem Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche und einem an die Drehwelle des Stirling-Motors gekoppelten Elektrogenerator zur Umwandlung der Rotationsenergie der Welle des Stirling-Motors in elektrische Energie.