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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Stirlingmaschine mit zumindest einem doppelt wirkenden Verdränger- oder Arbeitskolben..
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HINTERGRUND
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Bei Stirlingmaschinen können drei grundlegende Typen unterschieden werden, die als Alpha-Typ, Beta-Typ und Gamma-Typ bezeichnet werden. Darüber hinaus wird beim Alpha-Typ noch zwischen einfachwirkenden und doppeltwirkenden Maschinen unterschieden. Von allen diesen Typen ist eine Vielzahl spezifischer Bauweisen bekannt. Die verschiedenen Typen und Bauweisen von Stirlingmaschinen haben unter verschiedenen Gesichtspunkten jeweils Vor- und Nachteile. Verschiedenste Varianten und Bauformen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Publikation
DE 259 159 A zeigt ein Verdrängergebläse auf Grundlage einer Stirlingmaschine, bei der das Pleuel an einem doppeltwirkenden Kolben angelenkt ist. Die Publikation
GB 2 243 192 A zeigt ebenfalls eine Stirlingmaschine. Die Publikation
US 4 183 219 A beschreibt eine Stirlingmaschine mit Mitteln zum Verändern des Expansionsverhältnisses. Die Publikation
GB 1 313 393 A beschriebt eine Vorrichtung, bei der zwischen Kolben und Zylinder eine Rollmembrane angeordnet ist.
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Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Stirlingmaschine zu schaffen, welche gewisse Nachteile von Stirlingmaschinen mit Verdrängerkolben (Beta- und Gamma-Typ) oder mit doppeltwirkenden Arbeitskolben (doppeltwirkender Alpha-Typ) vermeidet.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die oben genannte Aufgabe wird durch die Stirlingmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird eine Stirlingmaschine beschrieben, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einen Kurbeltrieb mit einem Pleuel sowie einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben aufweist. Der Stufenkolben hat einen ersten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser und ist zumindest teilweise hohl. Das Pleuel verläuft innen durch den zweiten Abschnitt hindurch und ist im ersten Abschnitt des Stufenkolbens angelenkt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:
- 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ.
- 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ.
- 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben.
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben.
- 5 zeigt eine alternative Kopplung zwischen Stufenkolben und Kurbeltrieb einer Stirlingmaschine gemäß 4.
- 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Beta-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt exemplarisch den Aufbau einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ. Die Wirkungsweise einer solchen Stirlingmaschine vom Gamma-Typ beruht darauf, dass beispielsweise ein über einen Kurbeltrieb (mit Kurbelwelle
10 und Pleuel
12) betätigter Verdrängerkolben
VK in einem Verdrängerzylinder
VZ das Arbeitsgas wechselweise über Wärmetauscher (Erhitzer
E), Regenerator
R und Kühler
K zwischen einer „heißen“ Seite
H und einer „kühlen“ Seite
C des Verdrängerzylinders
VZ hin und her befördert. Die dabei entstehenden Druckänderungen wirken auf einen Arbeitskolben
AK (rechts in
1), der die resultierenden Kräfte auf die Kurbelwelle
10 überträgt und dort ein Drehmoment erzeugt. Die Kolbenstange
13 des Verdrängerkolbens
VK ist über eine Durchführung aus dem Verdrängerzylinder
VZ herausgeführt (Dichtung
30) und über ein kurzes Pleuel
12 mit der Kurbelwelle
10 verbunden. Der mit 90 Grad hinter dem Verdrängerkolben
VK nachlaufende Arbeitskolben
AK ist über eine Leitung
L mit dem Verdrängerzylinder
VZ verbunden. Nicht dargestellt sind Einrichtungen zur Führung des Pleuelkopfes zwecks Aufnahme der Seitenkraft. Verschiedene Beispiele sind in den Publikationen
WO 2009/082997A2 und
DE 102 29 442 A1 beschrieben.
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Eine mit dem im Verdrängerzylinder
VZ angeordneten Verdrängerkolben
VK beim Gamma-Typ (siehe
1) vergleichbare Konstruktion wird bei einer doppeltwirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ (auch Siemens-Typ genannt) verwendet, die in
2 exemplarisch dargestellt ist. Anders als der Gamma-Typ aus
1 weist eine doppeltwirkende Stirlingmaschine vom Alpha-Typ allerdings keinen separaten Verdrängerkolben bzw. Verdrängerzylinder, sondern mehrere miteinander verbundene Arbeitskolben-Arbeitszylindereinheiten. Dabei ist - wie in
2 dargestellt - das heiße Ende
H eines Arbeitszylinders
AZ jeweils über Erhitzer
E, Regenerator
R und Kühler
K mit dem kalten Ende
C des nächsten Arbeitszylinders
AZ' verbunden. Insofern funktioniert dieser Typ nur bei Maschinen mit mehreren Zylindern. Häufig werden - wie in
2 gezeigt - vier Kolben-Zylindereinheiten eingesetzt, die jeweils gleich aufgebaut sind und deren Kolben um jeweils 90 Grad (bezogen auf eine volle Umdrehung der Kurbelwelle) phasenversetzt arbeiten. Die Winkelpositionen der einzelnen Arbeitskolben sind in
2 eingezeichnet. Es sind auch Maschinen mit mehr als vier Kolben-Zylindereinheiten möglich. Nicht dargestellt sind Einrichtungen zur Führung des Pleuelkopfes zwecks Aufnahme der Seitenkraft. Die dargestellte doppeltwirkende Stirlingmaschine wird auch als Siemens-Heißgasmotor bezeichnet. Verschiedene weitere Beispiele sind in den Publikationen
US 3,940,934 ,
US 4,069,671 und
US 4,195,554 beschrieben
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Beiden Beispielen aus 1 und 2 ist gemeinsam, dass der Kolben (Verdrängerkolben VK beim Gamma-Typ, vgl. 1, bzw. der Arbeitskolben AK beim doppelt-wirkenden Alpha-Typ, vgl. 2) innerhalb eines gasdichten, mit Arbeitsgas gefüllten Zylinders (Verdrängerzylinder VZ beim Gamma-Typ bzw. Arbeitszylinder AZ beim doppeltwirkenden Alpha-Typ) bewegt wird. Die Kolbenkraft wird über eine am Kolben VK bzw. AK befestigte Kolbenstange 13 übertragen. Die Kolbenstange 13 ist in den dargestellten Beispielen am kühlen Ende C des Zylinders VZ bzw. AZ durch eine Öffnung geführt und abgedichtet (siehe 1, Dichtung 30). Das nach außen geführte Ende der Kolbenstange 13 kann mit einem Pleuel eines Kurbeltriebes (Pleuel 12, Kurbelwelle 10) verbunden sein, der die oszillierenden Bewegungen vorgibt. Der Begriff Kolbenstange bezeichnet in Bezug auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Stange, die mit dem jeweiligen Kolben starr (nicht schwenkbar) verbunden ist, sodass die Kolbenstange sich nur entlang der Kolbenlängsachse S bewegen kann. Im Gegensatz dazu ist ein Pleuel gegenüber der Kolbenlängsachse S schwenkbar gelagert.
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Bei den dargestellten Konstruktionen nimmt die Kolbenstange 13 im Bereich der Durchführung aus dem Zylinder VZ (vgl. 1) bzw. AZ (vgl. 2) jene Seitenkräfte auf, welche von der Schrägstellung des Pleuels 12 verursacht werden. Diese Seitenkräfte können in Bezug auf die Lagerung der Kolbenstange 13 problematisch sein. In manchen Konstruktionen werden daher zusätzliche Längsführungen - beispielsweise Kreuzkopfführungen - angebracht, um die Kolbenstange 13 zu entlasten. Derartige Maschinenelemente können jedoch zu einer Vergrößerung der Bauhöhe der gesamten Anordnung führen, weshalb meist relativ kurze Pleuel 12 eingesetzt werden. Diese wiederum bewirken ein ungünstiges Verhältnis von Kurbelradius rK zu Pleuellänge lp (Lambda-Wert, siehe 1), was sich sowohl in Bezug auf hohe Seitenkräfte als auch auf einen hohen Anteil von Massenkräften zweiter Ordnung auswirkt. Darüber hinaus kann es für den thermodynamischen Prozess der Stirlingmaschine ungünstig sein, wenn die Kolbenbewegung stark von einem sinusförmigen Verlauf abweicht.
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Bei ölgeschmiertem Kurbeltrieb kann es erforderlich sein, entlang der Kolbenstange 13 Maßnahmen zu treffen, damit das Öl nicht in den Prozessraum bzw. in das Arbeitsgas gelangen kann. Solche Abdichtungen können zusätzlich zur Verlängerung der Bauhöhe der Stirlingmaschine beitragen.
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3 zeigt exemplarisch ein verbessertes Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ. Das dargestellte Beispiel ist im Wesentlichen gleich wie das Beispiel aus 1, jedoch weist der Verdrängerkolben VK an seinem unteren Ende (an der „kühlen“ Seite C) statt der Kolbenstange 13 einen Hohlzylinder (Rohr) mit einem Außendurchmesser d auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser D des oberen Teils des Kolbens VK. In anderen Worten, der Kolben VK ist ein (doppeltwirkender) Stufenkolben, der einen ersten Abschnitt S1 mit einen größeren Durchmesser D und einen zweiten Abschnitt S2 mit einem kleineren Durchmesser d aufweist (siehe Detaildarstellung in 3).
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Der als Stufenkolben ausgebildete Verdrängerkolben VK ist zumindest teilweise hohl, und der Hohlzylinder mit Durchmesser d (Abschnitt S2 des Stufenkolbens) ermöglicht eine Durchführung für eine ausreichend lange Pleuelstange 12, deren oberes Ende im Inneren des Stufenkolbens VK im Bereich des größeren Durchmessers D (Abschnitt S1 des Stufenkolbens VK) an diesem angelenkt ist. Die Pleuelstange 12 ist also nicht am unteren Ende des Kolbens VK mit diesem verbunden, sondern reicht weit in den Kolben VK bis in den Abschnitt S1 hinein. Im Vergleich zu dem Beispiel aus 1 kann dadurch die Pleuelstange 12 deutlich länger ausgeführt werden.
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Die Schwenkachse des Pleuels 12 ist mit A bezeichnet. Das Pleuel 12 kann mittels unterschiedlicher Typen von Lagern im Kolben angelenkt sein. Beispielsweise kann ein zylindrisches Gleitlager oder Wälzlager verwendet werden. Alternativ kann ein sphärisches Gelenklager verwendet werden. Dieses kann z.B. am oberen Ende des Pleuels 12 angeordnet sein.
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Zur Aufnahme der Kolben-Seitenkraft senkrecht zur Mittelachse S des Verdrängerzylinders VZ kann es sinnvoll sein, sowohl im Bereich des großen Durchmessers D (Abschnitt Si) des Stufenkolbens VK als auch im Bereich des kleinen Durchmessers d (Abschnitt S2 ) jeweils ein Führungselement F (Gleitflächen) vorzusehen. Wegen des niedrigen Verhältnisses Kurbelradius/Pleuellänge ist die Kolbenkraft senkrecht zur Kolbenmittelachse S verhältnismäßig gering. Da sich diese Kraft auf die beiden Führungsflächen F aufteilt, tritt eine äußerst geringe spezifische Flächenbelastung der Gleitflächen auf. Diese Anordnung erlaubt die Verwendung von ölfreien Gleitelementen als Führungselemente F, beispielsweise aus PTFE-Graphit-Compounds mit niedrigem Reibungskoeffizienten. Die beiden Gleitelemente F sorgen darüber hinaus für eine exakte Linearführung des Kolbens VK und verhindern Kippbewegungen, wie sie bei einteiligen oder eng beabstandeten Führungselementen auftreten können.
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Die Dimensionierung der Durchmesser des Stufenkolbens VK kann beispielsweise derart erfolgen, dass der kleinere Durchmesser d des Stufenkolbens (Außendurchmesser Hohlzylinder) etwa 70% vom größeren Durchmesser D des Stufenkolbens aufweist, entsprechend einer Flächenaufteilung der sich bildenden Kreisringfläche ((D2-d2)×π/4) im Verhältnis zu der vom Hohlzylinder definierten Kreisfläche (d2×π/4) von rund 1:1. Zwischen dem zweiten Abschnitt S2 des Stufenkolbens VK und der Zylinderoberfläche befindet sich ein Ringvolumen, welches im Betrieb mit gekühltem Arbeitsgas gefüllt ist. Der Bereich unterhalb der Stufe des Stufenzylinders ist demnach die „kühlen Seite“ C des Stufenkolbens VK bzw. des Verdrängerzylinders VZ. Das Zylindervolumen im Verdrängerzylinder VZ oberhalb des Stufenkolbens VK ist im Betrieb mit heißem Arbeitsgas gefüllt. Der Bereich oberhalb des ersten Abschnitts S1 des Stufenkolbens VK ist demnach die „heiße Seite“ H.
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Im zweiten Abschnitt S2 des Stufenkolbens VK ist ein Dichtring 20 angeordnet. Gleichermaßen ist im ersten Abschnitt S1 des Stufenkolbens VK ein weiterer Dichtring 21 angeordnet. Der Dichtring 21 dichtet die heiße Seite H gegen die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ ab, wohingegen der Dichtring 20 die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ gegen einen darunter liegenden Pufferraum P abdichtet (vgl. auch 5, wobei dort der Stufenkolben ein Arbeitskolben einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine ist und als Dichtringe Kolbenringe vorgesehen sind). Im dargestellten Fall einer Gamma-Maschine sind die heiße Seite H und die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ über Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K verbunden, weswegen auf beiden Seiten im Wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Der Dichtring 21 dient also im Wesentlichen dazu, ein Durchströmen (Leckage) von Prozessgas zwischen dem Stufenkolben VK und der Zylinderinnenwand zu verhindern. Im Gegensatz dazu muss die am Arbeitskolben AK angeordnete Dichtung 22 den Arbeitsraum des Arbeitszylinders AZ gegen einen darunter liegenden Pufferraum P abdichten, weshalb die Dichtung 22 in der Regel als Kolbenring ausgebildet sein wird.
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4 zeigt exemplarisch ein verbessertes Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer doppelt wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ. Von dieser Kolben-Zylindereinheit können mehrere (z.B. vier wie in dem Beispiel aus 2) zu einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine gekoppelt werden. Das dargestellte Beispiel ist im Wesentlichen gleich wie die Kolben-Zylindereinheiten in dem Beispiel aus 2, jedoch weisen die Arbeitskolben AK, AK' an ihrem unteren Ende (an der „kühlen“ Seite C) statt der Kolbenstangen 13 jeweils einen Hohlzylinder (Rohr) mit Durchmesser d auf, der kleiner ist als der Durchmesser D des oberen Teils des jeweiligen Kolbens AK, AK'. Für sich genommen können die Arbeitskolben AK im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen gleich konstruiert sein wie der als Stufenkolben ausgebildete Verdrängerkolben VK in dem vorherigen Beispiel aus 3, und auf die dazugehörige obige Beschreibung wird Bezug genommen. Die Funktionsweise der beiden Motortypen in 3 und 4 ist jedoch unterschiedlich (vgl. obige Beschreibung der 1 und 2). Die als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben AK können sich von dem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben VK aus dem vorherigen Beispiel jedoch beispielsweise in den Dichtungen unterscheiden. Die Dichtringe 20 und 21 können im vorliegenden Fall als Kolbenringe ausgebildet sein und müssen dem Druckunterschied zwischen der heißen Seite H (Expansionsraum) und der kühlen Seite C (Kompressionsraum) der Arbeitszylinder AZ, AZ' standhalten.
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Bei ölgeschmiertem Kurbeltrieb besteht die Möglichkeit, Ölabstreifelemente A (Ölabstreifringe) im Bereich der Führung des kleinen Kolbendurchmessers (Abschnitt S2 ) anzubringen, ohne die Baulänge der Maschine wesentlich zu vergrößern. Ein niedriger Lambda-Wert (rK/lP ) ermöglicht eine annähernd sinusförmige Kolbenbewegung einhergehend mit geringen Massenkräften zweiter Ordnung und einen günstigen Verlauf der Gasmassenströmung durch Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K. In der Darstellung gemäß 4 befindet sich der Arbeitskolben AK ungefähr in Mittelstellung, weshalb an der Kurbelwelle 10 keine Kröpfung sichtbar ist.
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Bei manchen Konstruktionen von Stirlingmaschinen wird das Getriebe (vgl. 5, Getrieberaum G) nicht als Pufferraum genutzt, sondern arbeitet unter atmosphärischem Druck. In solchen Fällen muss der Pufferraum (der unter dem Druck des Arbeitsgases steht) gegen den Getrieberaum abgedichtet werden, was mit einer Kolbenstange beispielsweise mittels speziellen Dichtelementen erfolgt. Bewährt hat sich dabei die sog. „Leningrader Dichtung“, bei der Dichtelemente mit einer Feder vorgespannt sind. Zwei konisch ausgeführte Scheiben pressen das Dichtelement gegen die Kolbenstange, um die Dichtfunktion einzuleiten. Ein derartiges Dichtelement ist an sich bekannt.
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Ein solches Beispiel ist in
5 dargestellt.
5 zeigt eine Kolben-Zylindereinheit einer doppelt wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ. Mehrere dieser Kolben-Zylindereinheiten (z.B. vier wie in dem Beispiel aus
2) können zu einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine gekoppelt werden. Um Bauhöhe einzusparen, ist gemäß dem dargestellten Beispiel ein doppeltwirkender Stufenkolben als Arbeitskolben
AK vorgesehen. Der Stufenkolben
AK weist wie in den vorherigen Beispielen einen ersten Abschnitt
S1 mit einem größeren Durchmesser
D und einen zweiten Abschnitt
S2 mit einem kleineren Durchmesser
d auf, wobei der Stufenkolben
AK zumindest teilweise (zumindest im Bereich des zweiten Abschnitts
S2 mit Durchmesser
d) hohl ist. Anders als in dem Beispiel aus
4 ist jedoch der Stufenkolben
AK nicht direkt mit einem Pleuel eines Kurbeltriebs verbunden, sondern weist (wie in dem Beispiel aus
2) eine Kolbenstange
13 auf. Anders als in dem Beispiel aus
2 können jedoch die Führungs- und Dichtelemente der Kolbenstange
13 innerhalb des dem Kurbeltrieb zugewandten Kolbenschaftes des Stufenkolbens (Abschnitt
S2 mit Außendurchmesser
d) angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Kolbenstange
13 z.B. über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle in gleicher oder ähnlicher Weise verbunden sein wie in dem Beispiel aus
2 (mit den damit verbundenen Nachteilen). Alternativ dazu kann die Kolbenstange
13 mit einem Schiefscheibentriebwerk oder Taumelscheibentriebwerk gekoppelt sein. Derartige Getriebe sind z.B. aus den Publikationen
GB 2174457 A oder
WO 2010/093666 A2 bekannt.
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Der dem Kurbeltrieb (Kurbelwelle 10, vgl. z.B. 2) zugewandte zweite Abschnitt S2 des Stufenkolbens AK mündet in einem Pufferraum P für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine. Eine Trennwand 33 trennt das Kurbelgehäuse zwischen Pufferraum P und Getrieberaum G, in dem die Kurbelwelle angeordnet ist (in 5 nicht dargestellt, vgl. 1). Die mit dem Stufenkolben AK verbundene Kolbenstange 13 ist durch eine Öffnung in der Trennwand 33 durchgeführt. Die Dichtung umfasst eine mit der Trennwand 33 starr verbundene Hülse 31, durch die die Kolbenstange 13 hindurch verläuft. Innerhalb der Hülse 31 ist ein ringförmiges Dichtelement 35 um die Kolbenstange 13 herum angeordnet. Das Dichtelement 35 wird entlang der Längsachse S der Kolbenstange 13 (Zylinderachse S) zwischen zwei konisch ausgebildeten Scheiben 34 geklemmt. Die dafür nötige Vorspannkraft wird von einer Feder 32 erzeugt, die innerhalb der Hülse 31 um die Kolbenstange 13 herum angeordnet sein kann (z.B. im Falle einer Spiralfeder) und die auf die Scheiben 34 eine Kraft entlang der Längsachse S der Kolbenstange 13 ausübt. In den Beispielen gemäß 2 und 4 erfolgt keine Trennung zwischen Pufferraum P und Getrieberaum G und der Kurbeltrieb ist in dem Pufferraum angeordnet. Das vorliegende Beispiel erlaubt hingegen eine Trennung von Pufferraum P und Getrieberaum G, sodass das Getriebe unter Umgebungsdruck arbeiten kann. Eine Konstruktion gemäß 2 würde theoretisch keinen Pufferraum benötigen. Bei dem vorliegenden Beispiel gemäß 5 kann ein separater Pufferraum P von Vorteil sein, da andernfalls der untere Kolbenabschnitt S2 aufgrund seiner Größe zu hohe Kräfte auf die darunterliegende Atmosphäre erzeugen würde.
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Ein Stufenkolben wie er in den obigen Beispielen einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ und vom (doppeltwirkenden) Alpha-Typ beschrieben wurde, lässt sich auch in einer Stirlingmaschine vom Beta-Typ einsetzen. Ein Beispiel einer Beta-Maschine ist in 6 dargestellt. Ähnlich wie eine Gamma-Maschine (vgl. 3) weist eine Beta-Maschine einen Verdrängerkolben VK sowie einen Arbeitskolben AK auf. Anders als im Beispiel gemäß 3 bewegen sich Verdrängerkolben VK und Arbeitskolben AK jedoch im selben Zylinder Z. Der Verdrängerkolben VK ist wie bei der Gamma-Maschine (vgl. 3) als Stufenkolben ausgebildet, wobei das Pleuel 12, welches den Stufenkolben VK mit der Kurbelwelle 10 verbindet, durch den zweiten Abschnitt S2 des (zumindest teilweise hohlen) Stufenkolbens VK hindurch verläuft und im ersten Abschnitt S1 des Stufenkolbens VK angelenkt ist. Die dargestellte Ausgestaltung des Verdrängerkolbens VK ermöglicht die Verwendung eines vergleichsweise langen Pleuels 12 und eine Verbesserung des Lambda-Wertes. Zur Aufnahme der Kolben-Seitenkraft senkrecht zur Mittelachse S des Zylinders Z kann im Bereich des großen Durchmessers D (Abschnitt Si) des Stufenkolbens VK ein Führungselement F (Gleitflächen) vorgesehen sein. In Bezug auf den als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben VK wird im Übrigen auf die Beschreibung zu 3 verwiesen.
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Der Arbeitskolben AK ist als ringförmiger Kolben (Ringkolben) ausgeführt und bewegt sich koaxial zum Verdrängerkolben VK. Der Außendurchmesser des Ringkolbens AK ist mit DA bezeichnet und der Innendurchmesser des Ringkolbens entspricht (abgesehen vom Kolbenspiel) dem kleinen Durchmesser d des Stufenkolbens VK. Der Abschnitt S2 des Stufenkolbens VK mit dem kleineren Durchmesser d ist durch den Ringkolben AK hindurchgeführt. Die Dichtringe (Kolbenringe) können am Ringkolben AK angeordnet sein, einmal außen dichtend (Dichtung 22a) einmal innen dichtend (Dichtung 22b). Gleichermaßen können die Führungs-Gleitflächen F am Ringkolben AK (innen und außen) angeordnet sein. Andere Gestaltungen sind diesbezüglich aber ebenso möglich, z.B. die Anordnung des Kolbenrings 22b am Stufenkolben VK im Abschnitt S2 oder die Anordnung der Führungs-Gleitflächen F am Zylinder Z.
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Wie in 6 dargestellt ist der als Ringkolben ausgestaltete Arbeitskolben AK über zwei symmetrisch zur Mittelachse S angeordnete Pleuel 11a, 11b mit der Kurbelwelle 10 gekoppelt. Um mehr Platz für die Anlenkung der oberen Enden der Pleuel 11a, 11b zu erhalten, ist der Zylinder Z stufenförmig ausgebildet, was einen größeren Außendurchmesser DA des Ringkolbens AK im Vergleich zum Außendurchmesser D des Abschnitts S1 des Stufenkolbens VK erlaubt. Die durch den größeren Außendurchmesser DA gewonnene Kolbenfläche (Ringfläche (DA 2-d2)×π/4) kann genutzt werden, den Kolbenhub des Arbeitskolbens entsprechend zu verkleinern. Damit kann man bei den Pleueln 11a, 11b, die zwangsläufig kürzer sind als das Pleuel 12, ein ähnlich günstiges Lambda erreichen wie beim Pleuel 12 des Verdrängerkolbens VK. Die Kolbenflächen (Ringflächen) von Stufenkolben (Verdrängerkolben VK) und Ringkolben (Arbeitskolben AK) und die zugehörigen Kolbenhübe können so gewählt werden, dass das Verhältnis der Hubvolumina ca. 1:1 beträgt. In der Darstellung gemäß 6 befindet sich der Verdrängerkolben VK ungefähr auf halbem Hub, weshalb an der Kurbelwelle 10 keine Kröpfung sichtbar ist. Wie bei Gamma-Maschinen auch, eilt der Verdrängerkolben VK dem Arbeitskolben AK um etwa 90 Grad (in Bezug auf die Winkelstellung der Kurbelwelle 10) vor. Die Kurbelwelle 10 ist wie im Beispiel gemäß 3 im Pufferraum P angeordnet.
