DE112010004186T5 - Schmiermittelfreie Freikolben-Stirlingmaschine reduzierter Masse mit hin- und her gehendem Kolben, antriebskoppelnd verbunden mit rotierendem elektromagnetischem Wandler, der sich rotatorisch schwingend bewegt - Google Patents

Schmiermittelfreie Freikolben-Stirlingmaschine reduzierter Masse mit hin- und her gehendem Kolben, antriebskoppelnd verbunden mit rotierendem elektromagnetischem Wandler, der sich rotatorisch schwingend bewegt Download PDF

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Abstract

Freikolben-Stirlingmaschine, antriebsgekoppelt an mindestens einen rotierenden elektromagnetischen Wandler. Wenigstens eine Riemenscheibe ist in einer Ebene eines sich hin- und her bewegenden Kolbenverbindungsstabes angeordnet. Wenigstens eine Bewegung übertragende Antriebsverbindung verbindet den Verbindungsstab mit der Riemenscheibe mit Hilfe wenigstens zweier Gurtbänder, so dass sich die Riemenscheibe in rotatorisch schwingender Bewegung bewegt. Die beiden Gurtbänder erstrecken sich entlang einer bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe bis hin zu einer Verbindung mit der Kolbenstange an zwei voneinander beabstandeten Stellen. Die Riemenscheibe ist verbunden mit einem rotierenden elektromagnetischen Wandler, so dass beide sich in rotatorisch schwingender Bewegung bewegen. Vorzugsweise lagert eine Kolbenfeder den Kolben resonant bei einer Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine und eine Torsionsfeder lagert die Riemenscheibe resonant in rotatorischer Schwingung bei der Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist gerichtet auf Stirlingmaschinen, sowohl Stirling-Motoren als auch Stirling-Kältemaschinen oder -Wärmepumpen, welche mit elektromagnetischen Wandlern antriebsgekoppelt sind, die Wandler in Form von rotierenden elektrischen Motoren und Generatoren dienen zur Erzeugung elektrischer Leistung oder nutzen die elektrische Leistung, um eine Freikolben-Stirlingmaschine als Kältemaschine oder Wärmepumpe zu anzutreiben. Die Erfindung liefert eine Art und Weise zu deren Konstruktion, die deren Masse reduziert und die Reibung im die Bewegung übertragenden Antrieb zwischen diesen eliminiert und dadurch die Notwendigkeit von Schmiermitteln eliminiert, die das Arbeitsgas der Stirlingmaschine verschmutzen. Die Erfindung verbessert die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Kosten der mit dem Wandler gekoppelten Stirlingmaschine, während ebenso die Möglichkeit einer Schmiermittelverschmutzung des vermieden wird. Die Erfindung verspricht ein größeres Verhältnis von Leistung zur Masse, wodurch die Größe, das Gewicht und das Volumen der gekoppelten Geräte vermindert wird durch die Verwendung eines rotierenden Wandlers und beseitigt die Notwendigkeit eines Schmiermittels durch die Verwendung einer Antriebskopplung, die keine Reibung aufweist und daher Schmiermittel nicht benötigt. Die Erfindung weist die Vorteile von rotierenden Generatoren/Motoren auf ohne den Nachteil von Schmiermitteln, die das Arbeitsgas verschmutzen. Die Erfindung ist besonders geeignet für Alpha-Typ Stirlingmaschinen, kann aber auch auf Beta-Typ Stirlingmaschinen angewendet werden.
  • Stirlingmaschinen und insbesondere Freikolben-Stirlingmaschinen sind im Stand der Technik sehr gut bekannt, deshalb werden die Details bezüglich deren Arbeitsweise in diesem Patent nicht beschrieben. Die vorliegende Erfindung nutzt die Technologie, die aus dem Stand der Technik für Komponenten von Stirlingmaschinen der Erfindung bekannt ist, außer in dem Maße, dass Strukturen und Veränderungen beschrieben sind. Dementsprechend nutzt die vorliegende Erfindung Technologie, welche im Stand der Technik für rotierende elektromagnetische Wandler bekannt ist, außer dass die mit der Erfindung benutzten rotierenden elektromagnetischen Wandler in einer Art und Weise betrieben werden, die von der üblichen Betriebsweise abweicht.
  • Freikolben-Stirling Maschinen sind die einzige Form von Stirlingtechnologie, die eine lange zuverlässige Lebensdauer gezeigt haben. Für praktische Umsetzungen einer Stirlingmaschine, die mit einem elektromagnetischen Wandler für die Erzeugung elektrischer Leistung verbunden ist, wurde von allen Fachleuten im Stand der Technik stets eine Art von Lineargenerator benutzt.
  • Die 1 und 2 zeigen Beispiele solcher Ausführungsformen gemäß Stand der Technik einer Stirlingmaschine, die mit einem linearen elektromagnetischen Wandler antriebsgekoppelt ist.. 1 zeigt eine herkömmliche Beta-Typ Freikolben-Stirlingmaschine oder Wärmepumpe, die mit einem linearen Generator oder Motor antriebsgekoppelt ist. Diese Konfiguration war bisher die übliche Vorgehensweise für Freikolben-Ausführungsformen. Der Verdränger 1 befördert das Gas zwischen dem Expansionsraum 2 und dem Kompressionsraum 3, während der Kolben 4 das Gas komprimiert, wenn es sich größtenteils im Kompressionsraum befindet und es ausdehnt, wenn es sich größtenteils im Expansionsraum befindet. Ein linearer Generator oder Motor 5 nimmt die Ausgangsleistung auf oder stellt die Eingangsleistung zur Verfügung, abhängig davon, ob die Maschine entsprechend ein Motor (Antriebsaggregat) oder eine Wärmepumpe ist. Da die sich bewegenden Magnete 7 des linearen Generators oder Motors 5 direkt mit dem Kolben 4 verbunden sind, sind die Amplituden des Kolbens 4 und der Magnete 7 identisch. Die Spitzengeschwindigkeit des Kolbens 4 und der Magnete 7 sind deshalb ebenso identisch. Die Ausgleichsmasse 6 ist an oder nahe der Betriebsfrequenz resonant gelagert, um die verbleibenden Vibrationen zu reduzieren. Die Beta-Typ-Anordnung leidet an einer zentralen Schwierigkeit dahingehend, dass sie schwerlich auf höhere Leistungen zu skalieren ist. Bei höheren Leistungen, über etwa 1 kW, wird die Maschine außerordentlich groß. Die Alpha-Typ-Anordnung ist die bevorzugte Ausführungsform für höhere Leistungen, aber lineare Generatoren/Motoren lassen sich nicht gut auf höhere Leistungen skalieren und führen daher zu großen sperrigen Ausführungsformen und/oder der Notwendigkeit teuerer Materialien, wie z. B. kobalthaltiger Legierungen für die magnetischen Flusspfade.
  • Um das Freikolben-Konzept auf Alpha-Typ-Stirlingmaschinen anzuwenden, können lineare Generatoren/Motoren 124 zu jedem Kolben hinzugefügt werden, wie im US Patent 7,171,811 von Berchowitz und Kwon oder wie gezeigt durch US Patent 7,134,279 von White et al., wie in 2 dargestellt. Jedoch besitzen lineare Generatoren oder Motoren eine große Masse verglichen mit rotierenden Generatoren oder Motoren und sind daher schwierig auf Alpha-Typ-Stirlingmaschinen anzuwenden, insbesondere in höheren Leistungsbereichen von mehreren Kilowatt oder höher. Genauer gesagt sind „Leistungsdichte” und „spezifische Leistung” Ausdrücke, die für einen Konstruktionsparameter benutzt werden, der das Verhältnis von Durchschnitts- oder Maximalleistung zur Masse beschreibt. Obwohl es wünschenswert ist, die größte praktische Leistungsdichte (Leistung pro Masseneinheit) zu erreichen, besitzen lineare elektromagnetische Wandler eine niedrigere Leistungsdichte als rotierende elektromagnetische Wandler. Daher wäre es wünschenswert, eine praktische Art und Weise zur Verfügung zu haben, um eine Alpha-Typ-Stirlingmaschine an einen rotierenden elektromagnetischen Wandler zu koppeln.
  • 2 zeigt eine 4-Zylinder-Alpha-Maschine, ausgerüstet mit einem Freikolbenantrieb, der lineare Generatoren an jedem Kolben entsprechend US Patent 7,134,279 benutzt. Da die Lineargeneratoren sperrig sind, werden die Kolbenachsen weiter auseinander gedrängt, als es unter thermodynamischen und packungstechnischen Gesichtspunkten ideal wäre. 2 zeigt die Kolbenanordnungen 118 und Lineargeneratoranordnungen 124 für eine 4-Zylinder-Alpha-Typ Freikolben-Stirlingmaschine. Die Zeichnung ist dem US Patent 7,134,279 entnommen und entsprechend nummeriert. Zusätzliche Gasfedern 228 sind vorgesehen. Hebelgetriebene Alpha-Typ-Maschinen leiden unter der Notwendigkeit von Ölschmierung, extrem dichten Dichtungen, welche das Arbeitsgas vom Öl trennen und der sich daraus ergebenden Abnutzung, was zu geringer Betriebslebensdauer und geringer Zuverlässigkeit führt. Bis jetzt gibt es keine praktischen Mechanismen für Alpha-Typ-Maschinen, welche die innewohnende Zuverlässigkeit von Beta-Typ Freikolben-Maschinen aufweisen.
  • Die meisten Alpha-Typ Stirling-Maschinen hoher Leistung haben Hebelmechanismen benutzt, die rotierende Generatoren antreiben. Jedenfalls weisen auch Alpha-Typ-Maschinen erhebliche Probleme mit Reibung in deren Bewegung umsetzenden Mechanismen auf, welche die Hin- und Herbewegung von deren Kolben in rotatorische Bewegung umsetzen. Die Bewegungsumsetzungsmechanismen die sie benutzen, erfordern herkömmliche Schmierung mit herkömmlichen petroleumbasierten oder anderen Schmiermitteln. Sie verbrauchen außerdem viel Leistung, um Reibung zu überwinden und die Reibung verursacht, dass diese zu früh verschleißen. Diese Maschinen aus dem Stand der Technik litten unter großen Schwierigkeiten, das Arbeitsgas des Stirlingkreislaufs (üblicherweise Helium oder Wasserstoff) vom Ölschmiermittel zu trennen, welches notwendig ist, um deren Bewegung übertragende Mechanismen zu schmieren. Die Dichtungen, welche das Arbeitsfluid vom Öl trennen, leiden unter hoher Reibung, welche zu Leistungsverlusten und schnellem Verschleiß führt. Wie aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist, benötigen Freikolben-Maschinen selbst keine Ölschmierung und daher auch keine Öl zurückhaltenden Dichtungen. Idealerweise, wenn Alpha-Typ-Maschinen langlebig und zuverlässig werden sollen, ist es notwendig, einen Mechanismus zu finden, der all die Vorteile ölfreien Betriebs bietet, die derzeit bei den Beta-Typ-Freikolben-Maschinen erfreuen, jedoch ohne die geringen spezifischen Leistungen (Leistungsdichten) die mit Lineargeneratoren einhergehen.
  • Daher ist es ein grundlegender Gegenstand und ein Zweck der Erfindung, eine Alpha-Typ-Stirling-Maschine zur Verfügung zu stellen, welche in einer Art und Weise an einen rotierenden elektromagnetischen Wandler antriebsgekoppelt ist, die die praktische Barriere, diese zu kombinieren, eliminiert, welche da ist die hohe Reibung und die daraus folgende Notwendigkeit von Schmiermitteln, um eine sich daraus ergebende gekoppelte Stirling Maschine und elektromagnetischen Wandler bereitzustellen, welche kein Erfordernis einer Ölschmierung, reibungsfreien Betrieb, wenig Verschleiß der Mechanik und hohe Leistungsdichte aufweist.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist eine antriebsgekoppelte Freikolben-Stirlingmaschine und wenigstens ein rotierender elektromagnetischer Wandler. Wenigstens eine Riemenscheibe, und vorzugsweise zwei Riemenscheiben, sind in einer Ebene des Verbindungsstabes angeordnet und weisen eine Rotationsachse senkrecht zur Ebene auf. Die Riemenscheibe weist eine bogenförmige randseitige Oberfläche auf, welche sich angrenzend zum Verbindungsstab erstreckt. Wenigstens eine Bewegung übertragende Antriebsverbindung verbindet antreibend den Verbindungsstab mit der Riemenscheibe mit Hilfe mindestens zweier Gurtbänder, so dass die Riemenscheibe sich in rotatorisch schwingender Bewegung bewegt. Ein Gurtband ist an einer Seite der Riemenscheibe befestigt, welche vom Kolben abgewandt ist und erstreckt sich in einer ersten Richtung entlang der randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab an einer Stelle entlang des Verbindungsstabes, die dem Kolben näher ist als die Rotationsachse der Riemenscheibe. Ein weiteres Gurtband ist an einer Seite der Riemenscheibe befestigt, die dem Kolben zugewandt ist und erstreckt sich entgegen der ersten Richtung entlang der randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab an einen Stelle entlang des Verbindungsstabes, die weiter vom Kolben entfernt ist als die Rotationsachse der Riemenscheibe. Eine mechanische Antriebsverbindung zwischen jeder Riemenscheibe und einem rotierenden elektromagnetischen Wandler verursacht sowohl beim rotierenden elektromagnetischen Wandler als auch bei der Riemenscheibe, sich in rotatorisch schwingender Bewegung zu bewegen. Vorzugsweise ist eine Kolbenfeder mit dem Kolben verbunden, um den Kolben in seiner Hin- und Herbewegung bei einer Betriebsfrequenz der Stirling Maschine resonant zu lagern und ist eine Torsionsfeder mit der Riemenscheibe verbunden, um die Riemenscheibe in rotatorischer Schwingung bei der Betriebsfrequenz der Stirling Maschine resonant zu lagern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Ansicht im Axialschnitt einer Beta-Typ Freikolben-Stirlingmaschine gemäß Stand der Technik.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht der grundlegenden Komponenten einer 4-Kolben Alpha-Typ Freikolben-Stirlingmaschine gemäß Stand der Technik.
  • 3 ist eine Ansicht im Vertikalschnitt einer 4-Kolben Alpha-Typ Freikolben-Stirlingmaschine gemäß der Erfindung.
  • 4 ist eine perspektivische Ansicht der grundlegenden Komponenten der Ausführungsform der Erfindung aus 3.
  • 5 ist eine schematische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus 2, die das Prinzip der Arbeitsweise der Erfindung zeigt.
  • 6 ist eine Ansicht im Schnitt im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse eines rotierenden Generators oder Motors mit acht Polen, der in Ausführungsformen der Erfindung benutzt und in rotatorisch schwingender Bewegung betrieben werden kann.
  • 7 zeigt eine Ansicht im Axialschnitt einer Beta-Typ Freikolben-Stirlingmaschine gemäß der Erfindung.
  • 8 ist ein Diagramm, das die thermodynamische Verbindung und Kolbenpositionierung der Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 zeigt.
  • 9 ist ein Phasendiagramm, das die relative Phasen der sich hin- und herbewegenden Kolben in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 10 ist eine perspektivische Darstellung gemäß 4, jedoch mit elektromagnetischen Wandlern, die mit der Stirling Maschine bewegungsgekoppelt sind.
  • 11 ist eine perspektivische Ansicht aus dem Betrachtungswinkel gemäß 4 und zeigt eine Bewegung übertragende Antriebsverbindung, die einen Verbindungsstab mit einer Riemenscheibe mit Hilfe von mindestens zwei Gurtbändern antriebskoppelnd verbindet.
  • 12 ist ein Diagramm in Seitenansicht, das einen zwischen zwei Riemenscheiben verbundenen elektromagnetischen Wandler zeigt.
  • Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche in den Zeichnungen gezeigt ist, wird aus Klarheitsgründen auf spezifische Terminologie zurückgegriffen werden. Jedoch ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf die so gewählten spezifischen Ausdrücke beschränkt ist und es ist zu verstehen, dass jeder spezifische Ausdruck alle technischen Äquivalente mit einschließt, welche in ähnlicher Art und Weise arbeiten, um einen ähnlichen Zweck zu erreichen. Beispielsweise wird das Wort „verbunden” oder hierzu ähnliche Begriffe oft verwendet. Diese sind nicht beschränkt auf eine direkte Verbindung, sondern schließen Verbindungen durch andere Strukturen ein, wenn eine solche Verbindung durch Fachleute als gleichwertig erkannt wird. Fachleute werden erkennen, dass es eine Vielzahl, und in der Zukunft mögen zusätzliche auftreten, alternativer Strukturen gibt, welche als gleichwertig durch den Stand der Technik erkannt werden, da sie die gleiche Funktion bereitstellen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In diese Anmeldung durch Referenzierung eingeschlossen sind: Die vorläufige Anmeldung 61/255525 des derzeitigen Erfinders, eingereicht 10/28/2009; US Patent 5,753,985 ; US Patent 7,134,279 ; und US Patent 7,171,811 , bei welchem der derzeitige Erfinder Miterfinder ist.
  • Definitionen
  • Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Ausdrücke verwendet. Obwohl die Definition und Reichweite dieser Ausdrücke Fachleuten bekannt ist, mag es hilfreich sein, etwas Erklärung für diese bereitzustellen.
  • „Stirlingmaschinen, Stirlingmotoren, Stirlingkühlerwärmepumpen”. Wie im Stand der Technik wohl bekannt, ist in einer Stirlingmaschine ein Arbeitsgas in einem Arbeitsraum eingeschlossen, der einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum aufweist. Das Arbeitsgas wird abwechselnd expandiert und komprimiert, um entweder Arbeit zu leisten oder Wärme zu pumpen. Das Arbeitsgas wird zyklisch zwischen dem Kompressionsraum und dem Expansionsraum befördert, welche wiederum in fluidischer Verbindung durch einen Erhitzer, einen Generator und einen Kühler verbunden sind. Die Beförderung verändert zyklisch die relativen Verhältnisse von Arbeitsgas in jedem Raum. Gas, welches sich im Expansionsraum befindet, und Gas welches durch den Wärmetauscher (Erhitzer) zwischen dem Regenerator und dem Expansionsraum in den Expansionsraum hineinströmt, nimmt Wärme von umgebenden Oberflächen auf. Gas, welches sich im Kompressionsraum befindet und Gas, welches durch den Wärmetauscher (Kühler) zwischen dem Regenerator und dem Kompressionsraum in den Kompressionsraum hineinströmt, gibt Wärme an umgebende Oberflächen ab. Der Gasdruck ist zu jedem Zeitpunkt im gesamten Arbeitsraum nahezu gleich, da die Expansions- und Kompressionsräume durch einen Pfad mit relativ niedrigem Strömungswiderstand verbunden sind. Jedoch verändert sich der Druck des Arbeitsgases im Arbeitsraum im gesamten zyklisch und periodisch. Wenn sich der Großteil des Arbeitsgases im Kompressionsraum befindet, wird Wärme vom Gas abgegeben. Wenn sich der Großteil des Arbeitgases im Expansionsraum befindet, nimmt das Gas Wärme auf. Dies gilt, egal ob die Maschine als Wärmepumpe oder als Motor arbeitet. Das einzige Erfordernis, um zwischen erzeugter Arbeit oder gepumpter Wärme zu unterscheiden, ist die Temperatur, bei welcher der Ausdehnungsvorgang durchgeführt wird. Wenn diese Temperatur des Ausdehnungsprozesses höher ist als die Temperatur des Kompressionsraumes, neigt die Maschine dazu, Arbeit zu erzeugen, so dass sie als Motor arbeiten kann, und falls diese Temperatur des Expansionsprozesses niedriger ist als die Temperatur des Kompressionsraumes, dann wird die Maschine Wärme von einer kalten Quelle zu einer warmen Wärmesenke pumpen.
  • Wie ebenfalls im Stand der Technik wohl bekannt ist, gibt es drei prinzipielle Konfigurationen von Stirlingmaschinen. Der Alpha-Typ weist mindestens zwei Kolben in separaten Zylindern auf und der Ausdehnungsraum, der von jedem Kolben begrenzt ist, ist verbunden mit einem Kompressionsraum, der von einem anderen Kolben in einem anderen Zylinder begrenzt ist. Diese Verbindungen sind in einer seriellen Schleife angeordnet, die die Expansions- und Kompressionsräume mehrere Zylinder verbindet. Der Beta-Typ weist einen einzelnen Leistungskolben auf, der im selben Zylinder mit einem Verdrängerkolben angeordnet ist. Ein Gamma-Typ Stirling ist ähnlich zu einem Beta-Typ Stirling, weist jedoch einen Leistungskolben auf, der in einem separaten Zylinder längsseits des Verdrängerkolbenzylinders angeordnet ist.
  • Stirlingmaschinen können in einer von zwei Betriebsarten arbeiten um entweder bereitzustellen: (1) eine Maschine, deren ein oder mehrere Kolben angetrieben werden durch Anlegen einer externen Quelle von Wärmeenergie an den Expansionsraum und die Wärme weg vom Kompressionsraum transportieren und daher in der Lage sind, als Antriebsaggregat für eine mechanische Last zu arbeiten, oder (2) eine Wärmepumpe, bei der ein oder mehrere Leistungskolben (und manchmal ein Verdrängerkolben) zyklisch durch ein Antriebsaggregat angetrieben sind, um Wärme vom Expansionsraum zum Kompressionsraum zu pumpen und daher in der Lage sind, Wärmeenergie von einer kühleren Masse zu einer wärmeren Masse zu pumpen. Der Wärmepumpenbetrieb erlaubt Stirlingmaschinen, zur Kühlung eines Objekts in thermischer Verbindung mit dem Expansionsraum benutzt zu werden, einschließlich auf kryogenene Temperaturen, oder um ein Objekt aufzuwärmen, beispielsweise ein Wärmetauscher eine Hausheizung, das in thermischer Verbindung mit seinem Kompressionsraum steht. Daher wird der Ausdruck Stirling-„maschine” allgemein benutzt, um sowohl Stirlingmotoren als auch Stirlingwärmepumpen, letztere manchmal als Kühler bezeichnet, einzuschließen. Sowohl Stirlingmotoren als auch Stirlingwärmepumpen sind beide grundsätzlich dieselben Leistungswandlerstrukturen, die fähig sind, Leistung in beiden Richtungen zwischen zwei Typen von Leistung, mechanischer und thermischer Leistung, zu wandeln.
  • „Elektromagnetische Wandler”. Wie im Stand der Technik bekannt, sind sowohl ein elektrischer Motor als auch ein Generator ungefähr dieselben grundlegenden Geräte. Sie sind elektromagnetische Wandler mit einem Stator, der gewöhnlich eine Ankerwicklung aufweist, und einem rotierenden oder sich hin- und her bewegenden Element, welches Magnete, üblicherweise Permanentmagnete enthält. Sie wandeln Leistung in beiden Richtungen zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Leistung. Eine Motor/Generatoranordnung kann mechanisch durch ein Antriebsaggregat angetrieben werden, um elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen oder ein Motor/Generator kann von einer Quelle mit elektrischer Wechselleistung angetrieben werden, um als Motor zu arbeiten, der eine mechanische Ausgangsgröße liefert.
  • In der Folge sind auch eine Stirlingmaschine und eine Motor/Generatoranordnung Energiewandler, welche jeweils auf jede der zwei Arten betrieben werden können. Sie können antriebskoppelnd miteinander verbunden werden, wobei der eine Teil als Antriebsaggregat arbeitet und der andere Teil Arbeit verrichtet, entweder elektrische Leistung erzeugt oder Wärme transportiert. In dieser Erfindung ist der elektromagnetische Wandler ein rotierender Generator/Motor, der entweder in rotatorisch oszillierender Bewegung von der Stirlingmaschine angetrieben ist, die als Stirlingmotor arbeitet, um elektrische Leistung zu erzeugen, oder der Generator/Motor wird als elektrischer Motor betrieben, der von elektrischer Leistung in einer rotierend oszillierenden Bewegung angetrieben ist und der die Stirling Maschine antreibt, um Wärme zu transportieren und dadurch eine Wärmepumpe oder einen Kühler bereitzustellen.
  • Der Generator/Motor, der in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, kann ein konventioneller Rotationsmotor oder -generator von einem Typ sein, welcher weitläufig kommerziell verfügbar ist, obwohl er in dieser Erfindung in rotatorisch oszillierender Bewegung betrieben wird. Natürlich kann er auch einen modifizieren Aufbau aufweisen, welcher speziell an die Erfindung angepasst ist.
  • „Kolbenstab”. Wie in dieser Beschreibung benutzt, ist ein „Verbindungsstab” eine im Wesentlichen starre Verbindung, welche einen Kolben mit einem anderen Bauteil verbindet. Im allgemeinen ist ein Verbindungs-”stab” ein massiver zylindrischer Stab, jedoch ist es nicht notwendig, dass der Verbindungsstab über seinem gesamten Querschnitt aus solidem Material besteht und es ist nicht notwendig, dass er eine zylindrische Außenoberfläche oder überhaupt eine symmetrische Außenoberfläche aufweist, wenn er im Querschnitt betrachtet wird. Beispielsweise kann ein Verbindungsstab ein Rohr sein und/oder im Querschnitt ein I-Profil oder L-Profil aufweisen. Daher wird der Ausdruck „Stab” benutzt, ist aber nicht beschränkt auf einen soliden Stab, sondern schließt auch andere Formen von starren Verbindungsarmen ein, einschließlich mehrerer kleinerer Arme, welche zusammen mechanisch wie ein einziger Verbindungsarm wirken.
  • „Resonant lagern” bedeutet, dass eine Feder mit einem Körper verbunden ist oder an diesen angeschlossen ist und die Feder und die Masse des Körpers derartige Eigenschaften aufweisen, welche ein resonantes System bilden, welches eine Resonanzfrequenz aufweist. Die Federkonstante, Kraftkonstante oder Torsionskoeffizient der Feder steht derart im Verhältnis zur gesamten Masse des Körpers, dass diese eine natürliche Schwingungsfrequenz aufweisen, entweder eine Drehschwingung (für rotatorisch schwingenden Körper) oder eine lineare (hin- und her bewegende) Schwingung. Die Resonanzfrequenz der Körper in der Erfindung ist die Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine. Wenn die oszillierende Bewegung eines oder mehrerer Körper in einem resonanten System beschrieben wird, wird die grundlegende Struktur, wie eben der Kolben oder eine Riemenscheibe, manchmal bezeichnet als resonant gelagert. Jedoch sollte dies stets so verstanden werden, dass die effektive Masse eines Körpers in einem resonanten System die Massen aller Strukturen mit einschließt, welche daran befestigt sind und sich zusammen mit dieser bewegen. In Bezug auf die resonante Lagerung des Kolbens, schließt die Kolbenmasse die Masse der Kolbenstange sowie andere Massen, die am Kolben oder an der Kolbenstange angebracht sind, mit ein. In Bezug auf die resonante Lagerung der Riemenscheibe, schließt die Masse auch Massen ein, die starr mit der Riemenscheibe verbunden sind, einschließlich starr angebrachter Komponenten des rotierenden elektromagnetischen Wandlers.
  • „Federn” werden in der vorliegenden Erfindung benutzt, um die oszillierenden und sich hin- und herbewegenden Massen resonant zu lagern. Der Ausdruck „Feder” schließt ein mechanische Federn (wie Schraubenfedern, Blattfedern, ebene Federn, Spiral- oder Wickelfedern), Gasfedern, wie gebildet durch einen Kolben mit einer Wand, die sich in einem abgeschlossenen Volumen bewegt, elektromagnetische Federn und andere Feder, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind oder Kombinationen derselben. Gasfedern schließen auch das Arbeitsgas im Arbeitsraum einer Stirlingmaschine ein und können, in manchen Ausführungsformen, auch den rückwärtigen Raum einschließen, da das Gas eine Federkraft an einer sich bewegenden Wand eines abgeschlossenen Raumes bewirkt, wenn sich das Volumen des Raumes ändert. Wie Fachleuten bekannt ist, ist eine Feder grundsätzlich eine Struktur oder eine Kombination von Strukturen, die eine Kraft auf zwei Körper ausübt, welche proportional zum Versatz des einen Körpers in Bezug auf den anderen ist. Die Proportionalitätskonstante, welche die Federkraft zu dem Versatz in Beziehung setzt, wird Federkonstante, Kraftkonstante oder Torsionskoeffizient genannt.
  • Um das rotierende elektromagnetische Wandlerbauteil der Erfindung, die beschrieben wird, resonant zu lagern, wird eine Torsionsfeder bevorzugt, jedoch kann auch eine Spiral- oder Wickelfeder, ähnlich der Spiralfeder einer Uhr, benutzt werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen
  • 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Ansichten und erläutern Gesichtspunkte der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die bevorzugte Ausführungsform ist eine Alpha-Typ Freikolben-Stirlingmaschine mit vier Kolben, P1, P2, P3 und P4, die in parallelen Zylindern angeordnet sind, wobei deren zentrale Achsen an den Ecken eines Rechtecks liegen. Jedoch sind die 3 und 5 Seitenansichten und daher sind nur die Kolben P1 und P2 sichtbar. Die Beziehungen zwischen den Kolben P1 und P2 und die Strukturen, die in den 3 und 5 sichtbar sind und den Kolben P1 und P2 zugeordnet sind und mit diesen zusammenwirken, sind grundsätzlich die gleichen für die Kolben P3 und P4, wenn nichts anderes erwähnt oder für Fachleute offensichtlich ist. Die bevorzugte Ausführungsform der 3, 4 und 5 wird nun zunächst generalisiert beschrieben. Die Beschreibung wird dann vertieft, um zusätzliche Informationen zu liefern.
  • Die 3–5 zeigen eine Freikolben-Stirlingmaschine 10, welche an mindestens einen rotierenden elektromagnetischen Wandler antriebsgekoppelnd angeschlossen ist. Jedoch sind die rotierenden elektromagnetischen Wandler weggelassen, um andere Komponenten zu zeigen und selbst dargestellt in den 6, 10 und 12. Diese Komponenten sind eingeschlossen in einem Gehäuse 14. Die Stirlingmaschine enthält wenigstens einen Kolben, welcher sich in seinem Zylinder hin- und herbewegt und weist einen am Kolben befestigten Verbindungsstab auf. Die Freikolben-Stirlingmaschine 10 der 3–5 ist eine Alpha-Typ-Maschine und weist vier Kolben P1, P2, P3 und P4 auf. Es gibt vier Verbindungsstäbe R1, R2, R3 und R4, wobei jeder Verbindungsstab mit einem der Kolben verbunden ist.
  • Die Zylinder und deren Kolben sind thermodynamisch verbunden, um bei Phasenwinkeln von 0°, 90°, 180° und 270° zu arbeiten. Diese thermodynamischen Verbindungen sind die selben, wie sie herkömmlich in aus dem Stand der Technik bekannten Alpha-Typ Freikolben-Stirlingmaschinen benutzt werden. Obwohl die thermodynamischen Verbindungen gemäß der Erfindung denen des Standes der Technik entsprechen, ist die physikalische Anordnung der Zylinder und Kolben unterschiedlich zur gewöhnlichen Platzierung gemäß Stand der Technik und ist wichtig in der vorliegenden Erfindung. Dies wird nun weiter erläutert. Wie im Stand der Technik bekannt, ist bei einer Alpha-Typ Stirlingmaschine der Kompressionsraum jedes Zylinders, an einem Ende jedes Kolbens, in einer Reihenschaltung durch einen Kühler, einen Regenerator und einen Erhitzer mit dem Expansionsraum eines anderen Zylinders und dessen Kolben verbunden. Dies ist dargestellt in 1 des US Patents 7,171,811 . Alle vier Zylinder und Kolben sind in dieser Weise nach Art einer Perlenkette verbunden. Die Verbindung dieser Expansions- und Kompressionsräume nach dieser Art wird als thermodynamische Verbindung der Stirlingmaschine bezeichnet. Weiterhin bezogen auf 1 des US Patents 7,171,811 ist zu erkennen, dass die Achsen der Hin- und Herbewegung der Kolben parallel verlaufen und die Kolben an den Ecken eines Quadrats angeordnet sind. Bewegt man sich auf einem Pfad entlang des Quadrats ist die Phase jedes Kolbens um 90° Grad zur Phase des nächsten Kolbens entlang des Pfades versetzt. Jedes Paar von Kolben entlang einer beliebigen Seite des Quadrats arbeitet mit einem 90° Grad Phasenversatz zwischen diesen.
  • Obwohl dieselbe thermodynamische Verbindung in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, unterscheidet sich die physikalische Positionierung der Kolben und deren Zylinder und kann als umgeordnet angesehen werden derart, dass Kolben entlang einer Seite des Quadrats mit einer Phasendifferenz von 180° Grad zueinander arbeiten und dass Kolben entlang der gegenüberliegenden Seite des Quadrates mit 180° Grad Phasendifferenz zueinander arbeiten. Dies bedeutet gleichermaßen, dass die Phase von Kolben entlang einer Seite des Quadrats mit 90° (oder 270° Grad) außerhalb der Phase mit den Kolben entlang der gegenüberliegenden Seite des Quadrats arbeiten. Diese Phasenbeziehungen sind dargestellt durch ein Phasendiagramm in 9. Eine wichtige Eigenschaft der Erfindung ist, dass es ein Zylinderpaar gibt, deren Achsen der Hin- und Herbewegung und deren entsprechende Kolbenstangen in einer Ebene liegen und sich mit 180° Grad zueinander hin- und herbewegen, und dass es ein zweites Paar von Kolben gibt, deren Achsen der Hin- und Herbewegung und deren betreffende Kolbenstangen in einer Ebene liegen und sich mit 180° Grad zueinander hin- und herbewegen. Obwohl es nicht notwendig ist, dass das erste Paar von Kolben und Zylindern einen speziellen physikalischen Positionierungszusammenhang zueinander haben, ist es wünschenswert, dass alle Kolben sich entlang paralleler Achsen hin- und herbewegen, die in symmetrischer Art angeordnet sind, um Vibrationen zu minimieren. Die thermodynamische Verbindung der Erfindung ist schematisch in 3 durch Linien dargestellt, welche Strömungswege repräsentieren, und die sich von einem Ende eines jeden Kolbens durch einen Rahmen, welcher eine Reihenschaltung aus Kühler, Regenerator und Erhitzer darstellt, über eine Linie bis zum gegenüberliegenden Ende eines anderen Kolbens fortsetzen. Diese thermodynamische Verbindung der Erfindung zusammen mit der physikalischen Anordnung der Kolben und ihrer Zylinder ist ebenfalls schematisch in 8 dargestellt. Das Paar der Kolben P1 und P2 kann hier als Vorwärts- oder Vorderpaar bezeichnet werden, da sie in den 3 und 5 sichtbar sind. Sie arbeiten bei einer 180° Grad Phasenbeziehung zueinander. Das Paar der Kolben P3 und P4 kann hier als Rückpaar bezeichnet werden. Sie arbeiten bei einem 180° Grad Phasenbeziehung zueinander. Das Ergebnis all dessen ist, dass in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Kolben physikalisch derart angeordnet sind, um die Kolbenstangen eines ersten Paares von Kolben, welche bei 0° und 180° arbeiten, in einer ersten Ebene zu platzieren und die Kolbenstange eines zweiten Paares von Kolben, welche bei 90° und 270° arbeiten, in einer zweiten Ebene zu platzieren.
  • Kolbenfedern
  • Jeder Kolben ist mit einer Kolbenfeder verbunden, um den Kolben und die Massen, welche starr mit den Kolben verbunden sind, resonant zu lagern. bei der geplanten Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine. Folglich wählt der Entwickler für jeden Kolben eine Kombination einer Proportionalitätskonstante für die Feder und einer sich hin- und herbewegenden Gesamtmasse, um ein resonantes System bei der gewünschten Betriebsfrequenz der Maschine bereitzustellen. In der Ausführungsform der 3–5 ist jeder der Kolben P1, P2, P3 und P4 resonant gelagert durch eine Kombination von Federn, welche alle eine Teilfederkraft am Kolben anlegen. Diese Federn sind hauptsächlich ein Paar ebener Federn, in zweiter Linie das Arbeitsgas. Beispielsweise ist der Kolben P1 hauptsächlich resonant gehalten durch zwei ebene Federn 20 und 22, welche verbunden sind zwischen dem Kolbenstab R1 und dem Gehäuse 14 oder alternativ mit einer Struktur die relativ zum Gehäuse fixiert ist. Der Kolben P2 ist resonant gehalten durch die beiden ebenen Federn 24 und 26, welche zwischen dem Kolbenstab R2 und dem Gehäuse 14 befestigt sind. Die ebenen Federn sorgen ebenfalls für eine radiale Unterstützung der Kolbenstangen. Wie in 4 zu sehen ist, sind die Kolben P3 und P4 in der gleichen Weise resonant gehalten und unterstützt. Wie am besten in 4 zu erkennen ist, existieren zwei Riemenscheiben 28 und 30. Das Paar ebener Federn zum resonanten Lagern jedes Kolbens ist vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten der Riemenscheibe positioniert, welche an die Kolbenstange angrenzt, mit welcher das Paar der ebenen Federn verbunden ist. Beispielsweise ist die ebene Feder 20 oberhalb der Riemenscheibe 28 angeordnet und die ebene Feder 22 liegt unterhalb der Riemenscheibe 22.
  • Riemenscheiben
  • Die Erfindung weist mindestens eine Riemenscheibe auf, welche in der Ebene wenigstens eines Verbindungsstabes ausgerichtet ist. Die ein oder mehrere Riemenscheiben besitzen eine Rotationsachse, welche senkrecht zu dieser Ebene verläuft. Wie oben erläutert, sind in der bevorzugten Ausführungsform gemäß 3–5 die Kolben physikalisch derart angeordnet, dass die Kolbenstangen eines ersten Paares von Kolben, welche bei Phasen von 0° und 180° arbeiten in einer ersten Ebene angeordnet sind und die Kolbenstangen eines zweiten Paares von Kolben, welche bei Phasen von 90° Grad und 270° Grad arbeiten, in einer zweiten Ebene angeordnet sind. Folglich ist die erste Riemenscheibe 28 in einer ersten Ebene zwischen den Kolbenstangen R1 und R2 des ersten Paares der Kolben P1 und P2 angeordnet, die zweite Riemenscheibe 30 ist in einer zweiten Ebene zwischen den Kolbenstangen R3 und R4 des zweiten Paares der Kolben P3 und P4 angeordnet. Jede Riemenscheibe 28 und 30 weist auch eine bogenförmige randseitige Oberfläche 32, 34 auf, welche sich angrenzend zu mindestens einem und vorzugsweise zwei Verbindungsstäben erstreckt. „Angrenzend an den Verbindungsstab” bedeutet dass diese nahe, direkt benachbart zu diesem liegt, so dass die von den Gurtbändern verursachte Zugkraft (weiter unten beschrieben) auf die Kolbenstange und die Kraft die die Kolbenstange auf die Gurtbänder ausübt jeweils Richtungen haben, die so parallel wie möglich zur Mittelachse des Kolbens verlaufen, um eine seitliche Belastung auf die Kolbenstange zu vermeiden (d. h., Kräfte zu vermeiden, welche eine Komponente aufweisen, die radial zur Kolbenachse wirkt). Nach der Beschreibung dieser Gurtbänder wird ersichtlich sein, dass ein gewisser Platz zwischen der Riemenscheibe und der äußeren Oberfläche des Verbindungsstabes vorhanden sein muss, jedoch nur genug, um ein Gurtband zwischen diesen zu erlauben. Die äußere randseitige Oberfläche der Riemenscheiben kann Furchen oder Kanäle in der bogenförmigen randseitigen Oberfläche der Riemenscheibe aufweisen, um die Gurtbänder aufzunehmen.
  • Gurtband-Antriebsverbindung
  • In Ausführungsformen der Erfindung ist jede Verbindungsstange verbunden mit einer Bewegung übertragenden Antriebsverbindung, welche den Verbindungsstab antreibend mit der Riemenscheibe verbindet. Jede Bewegung übertragende Antriebsverbindung weist zwei Gurtbänder auf, jedes angeschlossen an zwei Stellen an der Riemenscheibe und verbunden mit seiner zugeordneten Kolbenstange an zwei Stellen an der Kolbenstange. In der Ausführungsform der 3–5 ist das Vorderpaar der Kolbenstangen R1 und R2 jeweils durch eine solche Antriebsverbindung mit der Riemenscheibe 28 verbunden. Entsprechend sind die Kolbenstäbe R3 und R4 jeweils durch eine solche Antriebsverbindung mit der Riemenscheibe 30 verbunden. Da es vier Kolbenstangen gibt, gibt es vier Bewegung übertragende Antriebsverbindungen, wobei jede Antriebsverbindung jeweils eine Verbindungsstange mit der angrenzenden Riemenscheibe in ihrer jeweiligen Ebene verbindet. Der Zweck der Antriebsverbindungen ist, zwischen der Hin- und Herbewegung der Kolbenstangen und der rotatorisch oszillierenden Bewegung der Riemenscheiben zu übersetzen. Dies erlaubt der Hin- und Herbewegung der Kolben, die rotierend oszillierenden Bewegung der Riemenscheiben anzutreiben oder von dieser angetrieben zu werden.
  • Die 4, 5 und 11 erläutern die Gurtbänder der Bewegung übertragenden Antriebsverbindungen, welche jede Verbindungsstange mit einer Riemenscheibe antreibend verbinden. Im Diagramm der 5 ist ein Paar von Gurtbändern schematisch dargestellt durch eine ausgezogene schwarze Linie und ein anderes Paar von Gurtbändern ist dargestellt durch eine gestrichelte schwarze Linie. Bezüglich der Verbindung der Verbindungsstange R1 mit der Riemenscheibe 28 ist ein Gurtband 42 befestigt an der Seite der Riemenscheibe 28, welche abgewandt vom Kolben P1 ist. „Abgewandt” bedeutet diejenige Seite der Riemenscheibe, welche ferner oder weiter entfernt ist vom Kolben, welche in den 3–5 die untere Seite der Riemenscheibe ist. Das Gurtband 42 ist an der Riemenscheibe 28 an einer Stelle 48 befestigt, wie durch Schweißen oder mehr vorzugsweise durch einen schlüssellochförmigen Schlitz, in welchen das Gurtband 42 eingeführt ist und dann darin gehalten ist durch einen Passstift, welcher nachgiebig in einen kreisförmigen Lochabschnitt des Schlitzes passt und der sich nicht radial auswärts durch einen engere Abschnitt des Schlitzes bewegen kann, der sich radial auswärts des kreisförmigen Loches befindet. Es gibt natürlich viele andere Möglichkeiten, um das Gurtband an der Riemenscheibe zu befestigen. Das erste Gurtband 42 erstreckt sich in einer ersten Richtung (in diesem Fall im Uhrzeigersinn) entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberfläche 32 der Riemenscheibe 28 bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab R1 an einer Stelle 44 entlang des Kolbenstabes P1, welche näher am Kolben P1 liegt als die Rotationsachse 46 der Riemenscheibe.
  • Ein weiteres Gurtband 40 ist an einer Seite der Riemenscheibe befestigt, welche dem Kolbens zugewandt ist, in der gleichen Weise wie das Band 42 an der Riemenscheibe befestigt ist. „Zugewandt” bedeutet diejenige Seite der Riemenscheibe, die näher dem Kolben ist, was, in den 3–5 die obere Seite der Riemenscheibe ist. Das Gurtband 40 ist an der Riemenscheibe an der Stelle befestigt und erstreckt sich entgegen der ersten Richtung (entgegen dem Uhrzeigersinn) entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe 28 bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab R1 an der Stelle 52 entlang des Kolbenstabes R1, welche weiter entfernt vom Kolben P1 ist als die Rotationsachse 46 der Riemenscheibe.
  • Die Kolbenstange R2 ist ebenso mit der Riemenscheibe 28 durch ein weiteres Paar von Gurtbändern verbunden. Das Gurtband 56 erstreckt sich von einer festen Verbindung mit der Kolbenstange R2 an der Stelle 60 und entlang der randseitigen bogenförmigen Oberfläche 32 der Riemenscheibe 28 in Richtung des Uhrzeigersinns bis hin zur Verbindung mit der Riemenscheibe 28 an der Stelle 48. In ähnlicher Weise erstreckt sich ein zweites Gurtband 58 von der Verbindung mit der Kolbenstange R2 am Punkt 62 in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn entlang der randseitigen bogenförmigen Oberfläche 32 der Riemenscheibe 28 bis zur Verbindung mit der Riemenscheibe an der Stelle 50. Die Kolbenstangen R3 und R4 sind mit der rückwärtigen Riemenscheibe 30 durch in ähnlicher Weise aufgebaute und angeordnete Gurtbänder verbunden.
  • Obwohl die mit jeder Kolbenstange verbundenen Gurtbänder funktionell als zwei Gurtbänder beschrieben sind, welche sich in entgegen gesetzte Richtungen teilweise um eine randseitige bogenförmige Oberfläche einer Riemenscheibe erstrecken, ist es vorteilhaft, falls zwei Kolbenstangen antriebskoppelnd mit derselben Riemenscheiben verbunden sind, die beiden Gurtbänder, welche die beiden entfernten Enden der Kolbenstangen mit der Riemenscheibe verbinden, aus einem integralen Stück Gurtbandmaterial zu bilden, welches in seiner Mitte an der Riemenscheibe befestigt ist. In ähnlicher Weise sind vorzugsweise die beiden Gurtbänder, die beiden zugewandten Enden der Kolbenstangen mit der abgewandten Seite der Riemenscheibe verbinden, aus einem integralen Stück Gurtbandmaterial gefertigt, welches in seiner Mitte an der Riemenscheibe befestigt ist. Mit anderen Worten können die Gurtbänder, welche an einer Seite der Riemenscheibe befestigt sind, welche abgewandt von den Kolben liegt, aus einem einzigen Stück Gurtbandmaterial gebildet werden, welches sich etwa um eine Gesamtheit von ungefähr 180° entlang der randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe erstreckt, an welcher sie befestigt sind. In ähnlicher Weise sind die Gurtbänder, die an einer Seite der Riemenscheibe befestigt sind, welche den Kolben zugewandt ist, vorteilhafterweise aus einem einzigen Stück Gurtbandmaterial gebildet, welches sich um eine Gesamtheit von ungefähr 180° entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe erstreckt, an welcher sie befestigt sind. Folglicherweise, obschon jedes Gurtband sich funktionell und konzeptionell um 90° Grad um die Riemenscheibe herum erstreckt, erstreckt sich das einzige Stück Gurtmaterial, welches zwei Gurtbänder bildet, um eine Gesamtheit von 180°.
  • Alternativ könnte sich jedes Gurtband auch um weniger als 90° Grad um die Riemenscheibe herum erstrecken, jedoch würde das den Winkelbereich der Schwingung auf eine kleinere 'Winkelamplitude der Schwingung begrenzen. Wenn sich jedes Gurtband um 90°, d. h. um eine Gesamtheit von 180° für die kombinierten integralen Gurtbänder, erstreckt, beträgt der maximale Bereich ist angularer Schwingung nahezu 180° Grad. Jedoch ist zu bedenken, dass während des normalen Betriebs der Ausführungsformen der Erfindung die Winkelamplitude der Schwingung veränderlich sein wird und oft kleiner als 180° Grad sein wird, abhängig vom Leistungserfordernis der Ausführungsform.
  • Es sollte klar sein, dass im Betrieb Zugkräfte auf die Gurtbänder ausgeübt werden. Es ist ebenso offensichtlich, dass die beiden Gurtbänder, welche mit jeder Kolbenstange verbunden sind, ihre Zugkräfte auf die Riemenscheibe (wenn die Kolben die Riemenscheibe antreiben) in jeweils entgegen gesetzten Rotationsrichtungen übertragen; was bedeutet, dass sie Drehmomente in entgegengesetzten Richtungen bewirken. Dieselben beiden Gurtbänder befinden sich auch in einer festen Verbindung mit dem selben starren Kolbenstab. Um jedwedes Spiel oder Flattern in den Gurtbandverbindungen zwischen der Kolbenstange und der Riemenscheibe zu verhindern, ist es wünschenswert, dass jedes Gurtband in einem elastisch vorgespannten Zustand angebracht ist. Da das bevorzugte Gurtbandmaterial Metall ist, wie rostfreier Stahl, und Metall eine gewisse Elastizität aufweist, sind die Gurtbänder vorzugsweise in ihrer Zugspannung vorbelastet, soweit als ihre elastische Grenze im Betrieb nicht überschritten wird.
  • Es ist ebenso wünschenswert, dass an jedem Kolbenstab einer flachen ebene Oberfläche angeformt ist, wie die Oberfläche 64, welche ihrer angrenzenden Riemenscheibe zugewandt ist. Jede flache ebene Oberfläche ist positioniert und erstreckt sich entlang der Kolbenstange, um an den Gurtbändern anzuliegen, die mit der Kolbenstange verbunden sind, an welcher die Fläche angeformt ist.
  • Der Ausdruck „Gurtband” wird benutzt um die zugbeanspruchte Komponente der Erfindung zu beschreiben. Jedoch kann das Gurtband eine Form aufweisen, welche mehr allgemeinen beschrieben ist als Kabel, Draht, Band oder Gurt. Das Gurtband der Erfindung hat die Eigenschaft dass es einer Zugbelastung widersteht, so kann es eine Zugkraft von einem Ort zu einem anderen übertragen, es ist ausreichend dehnbar, um nicht zu ermüden und sich zu verschlechtern, und es hat nur eine geringe Dehnbarkeit, so dass es sich nicht dehnen kann und kein Spiel erlaubt, und es ist ausreichend dünn, um sich um die Riemenscheibe zu biegen, ohne seine elastische Grenze zu überschreiten, so dass es nicht ermüdet. Die bevorzugte Gestalt ist, dass seine Breite deutlich größer ist als seine Dicke, was zu den genannten Attributen beiträgt. Jedoch könnte es andere Querschnittsformen aufweisen, wie ein kreisförmiges Kabel. Obwohl Metall das bevorzugte Material ist, können verschiedene andere Materialien, wie Verbundwerkstoffe, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, benutzt werden.
  • Jedes antreibende Gurtband kann ein integrales einstückiges Gurtband sein, wobei die beiden Gurtbänder, die an jeder Kolbenstange befestigt sind, axial versetzt angeordnet sind, so dass sie Seite an Seite an der bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe liegen. Jedoch würde diese Konstruktion der Gurtbänder dazu führen, dass die Gurtbänder ein Drehmoment um eine diametrale Achse, welche sich zwischen den Punkten erstreckt, an denen die Riemenscheibe den Kolbenstäben am nächsten ist (horizontal in den Figuren), auf die Riemenscheibe ausüben. Daher ist vorteilhafterweise ein Gurtband unterteilt in parallele, voneinander beabstandete Teil-Gurtbänder, welche zusammen wie ein einziges Gurtband arbeiten. Das andere Gurtband ist ein einzelnes Gurtband, welches zwischen den beiden Gurtband-Komponenten des geschlitzten Gurtbandes arbeitet.
  • Ein derartiges geschlitztes Gurtband ist in 11 gezeigt. Das geschlitzte Gurtband kann sich entweder entlang der zugewandten oder der abgewandten Seite der Riemenscheibe erstrecken, wobei sich das einzelne Gurtband entlang der anderen Seite erstreckt. Zusätzlich können das geschlitzte und das einzelne Gurtband auf den beiden Riemenscheiben identisch oder gegenläufig orientiert sein. 11 zeigt Gurtbänder, die sich entlang der rückwärtigen Riemenscheibe 30 erstrecken, zeigt diese aber entgegengesetzt orientiert als in 4 dargestellt. In Bezug auf 11 ist das Gurtband 358 geschlitzt in zwei äußere Gurtbänder 358A und 358B, die sich beide abwärts und entlang der bogenförmigen randseitigen Oberfläche der Riemenscheibe erstrecken bis hin zur festen Verbindung mit der Riemenscheibe am Stift 348. Vorzugsweise setzt sich dasselbe Gurtbandmaterial als zwei Teil-Gurtbänder entlang der randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe 30 fort bis hin zur Verbindung mit der Kolbenstange R3, dadurch, dass diese an die Kolbenstange R3 geklemmt sind durch eine Klemmplatte 370, die durch Maschinenschrauben 372 und 374 an der Kolbenstange R3 befestigt ist. Das andere Gurtband 356 ist ein einzelnes Stück Gurtbandmaterial, welches zwischen den geschlitzten Komponenten 358A und 358B hindurchläuft und sich entlang der zugewandten (oberen) bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe 30 erstreckt und an der Riemenscheibe durch den Stift 350 befestigt ist. Das Gurtbandmaterial, welches das Gurtband 356 bildet, setzt sich vom Stift 350 entlang der bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe fort und bis hin zu einer festen Verbindung mit der Kolbenstange R3 und ist an der Kolbenstange R3 fixiert durch die Klemmplatte 376, welche an der Kolbenstange R3 durch Maschinenschrauben 378 und 380 befestigt ist. Diese gespaltene Konstruktion balanciert die Kräfte aus, welche auf die Riemenscheibe durch die Gurtbänder ausgeübt werden, während sie den Gurtbändern erlaubt, sich aneinander vorbei zu bewegen ohne aneinander zu gleiten und sich gegenseitig zu stören.
  • Torsionsfedern
  • Eine unterschiedliche Torsionsfeder ist mit jeder Riemenscheibe verbunden und lagert die Riemenscheibe und die mit der Riemenscheibe starr verbundenen Massen resonant in rotierender Schwingung bei der Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine. Jede Torsionsfeder erstreckt sich von ihrer zugeordneten Riemenscheibe zu einer festen Verbindung mit dem Gehäuse. Bezugnehmend auf die 3 und 4 erstreckt sich eine Torsionsfeder 66 von ihrer festen Verbindung mit der Riemenscheibe 28 zu einer festen Verbindung mit dem Gehäuse 14. Die bevorzugte Torsionsfeder ist ein Stab oder eine Stange, wie dargestellt. Die Torsionsfeder 66 ist am Gehäuse befestigt durch Bolzen durch Öffnungen in einer Nabe 70. In ähnlicher Weise erstreckt sich eine Torsionsfeder 68 von ihrer festen Verbindung mit der Riemenscheibe 30 zu einer festen Verbindung mit dem Gehäuse 14 mit Hilfe einer Nabe 72. Alternativ könnten die in den Zeichnungen gezeigten Torsionsfedern ersetzt werden durch starre Achsen, welche Drehbewegung der Riemenscheiben auf einem Lager und einem anderen Typ von Feder erlauben, wie einer Spiral- oder Wickelfeder, welche für das resonante Lagern der Riemenscheibe benutzt wird. Jedoch ist dies nicht bevorzugt, teilweise weil es aufwendiger ist und eine Riemenscheibe, die durch ein Lager geführt ist ein Reibungs- und Schmierproblem verursachen würde.
  • Rotierender Wandler
  • Es gibt eine mechanische Antriebsverbindung zwischen jeder Riemenscheibe und einem rotierenden elektromagnetischen Wandler, so dass jeder rotierende elektromagnetische Wandler in rotierend schwingender Bewegung durch die Riemenscheibe angetrieben ist. Im Fall von zwei Riemenscheiben ist jede an einen unterschiedlichen rotierenden elektromagnetischen Wandler angeschlossen, so dass ein rotierender elektromagnetischer Wandler an eine der Riemenscheiben antriebskoppelnd verbunden ist und der zweite rotierende elektromagnetische Wandler antriebskoppelnd mit der anderen der Riemenscheiben verbunden ist. Wie im Stand der Technik bekannt, weist ein rotierender elektromagnetischer Wandler üblicherweise einen Rotor und einen Stator auf. Jeder der beiden kann antriebskoppelnd mit der Riemenscheibe verbunden sein und das andere Teil, für jeden Wandler, ist mit dem Gehäuse verbunden, um der Riemenscheibe zu erlauben, das eine Teil bezüglich des anderen Teils in rotatorisch schwingender Bewegung zu bewegen, wobei das andere Teil stationär gehalten wird.
  • 10 entspricht 4, zeigt jedoch zusätzlich die beiden rotierenden elektromagnetischen Wandler 402 und 404. Deren Rotoren sind verbunden mit den Riemenscheiben, z. B. durch Befestigen einer Nabe an der Rotorwelle (wie die Nabe 70 in 4) und Anbolzen der Nabe an der Riemenscheibe, so dass die Bolzen und Naben die mechanische Verbindung zwischen dem Wandler und der Riemenscheibe bilden. Diese Anordnung zur Verbindung des Rotors mit der Riemenscheibe kann die selbe sein wie in der Anordnung, die in 12 gezeigt ist und unten beschrieben wird. Der Stator ist dann am Gehäuse fixiert, beispielsweise durch Arme 406 und 408, welche am Stator befestigt sind und sich auswärts bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Gehäuse erstrecken.
  • Ein dritter elektromagnetischer Wandler kann zwischen den beiden Riemenscheiben antriebskoppelnd verbunden werden, wie in 12 gezeigt ist. In diesem Fall ist der Rotor mit einer Riemenscheibe verbunden und der „Stator” ist mit der anderen verbunden, so dass sowohl der Rotor als auch der Stator von einer unterschiedlichen Riemenscheibe in rotatorisch schwingender Bewegung angetrieben werden, oder die Riemenscheiben antreiben. Bezugnehmend auf 12 ist der Stator 420 eines rotierenden elektromagnetischen Wandlers an der Riemenscheibe 28 befestigt. Die Rotorwelle 422 ist befestigt an einer Nabe 424, welche an der Riemenscheibe 30 befestigt ist. Die Verwendung eines dritten elektromagnetischen Wandlers verbessert die Leistungsdichte der mit dem rotierenden elektromagnetischen Wandler gekoppelten Freikolben-Stirlingmaschine, da diese die aufsummierte Leistungsdichte der Gesamtzahl elektromagnetischer Wandler erhöht. Die Leistungsdichte ist erhöht, da sie die Leistungserzeugung oder die aufgenommene Motorleistung zwischen mehreren rotierenden elektromagnetischen Wandlern verteilt, so dass jeder eine kleinere Anteil der gesamten Leistung erzeugt oder verbraucht. Im Ergebnis kann jeder elektromagnetische Wandler kleiner und daher mit höherer Leistungsdichte ausgeführt werden. Falls jede Riemenscheibe um 180° Grad schwingt, schwingt der elektromagnetische Wandler, welcher zwischen diesen angeschlossen ist, mit 360° und ihre Bewegungen sind 90° Grad außerhalb der Phase.
  • Obwohl der bevorzugte rotierende elektromagnetische Wandler ein nichtkommutierender elektrischer Generator oder Motor ist, könnte ein kommutierter Gleichstrommotor benutzt werden. Z. B. kann ein zweipoliger Gleichstrommotor benutzt werden, dessen Bürsten so positioniert sind, dass sie während der rotatorischen Schwingung nie bis zu einem Punkt rotieren, an dem sie schalten (kommutieren). Ausführungsformen der Erfindung erfordern einen elektromagnetischen Wandler mit einem Permanentmagneten oder Elektromagneten, um ein magnetisches Feld zur Verfügung zu stellen, und eine Ankerwicklung mit relativ rotatorisch schwingender Bewegung zwischen seinem magnetischen Feld und der Ankerwicklung.
  • Einzelheiten zum Alpha-Typ
  • Die 3–5 werden nun nochmals betrachtet, um zusätzliche Sichtweisen und Informationen zu liefern. 3 zeigt die vorliegende Erfindung, wie sie aussehen kann, wenn sie in einer größeren Alpha-Typ Stirlingmaschine installiert ist. Die Ansicht ist eine Endansicht, so dass nur ein Paar der Kolben sichtbar ist und dieses Paar befindet sich am äußersten Punkt seiner Rotation gegen den Uhrzeigersinn oder am maximalen differenziellen Arbeitshub. Die Kolbenanordnungen sind in ihren linearen Bewegungen durch planare Federn geführt, während die schwingende Riemenscheibe rotatorisch durch die Torsionsfeder und die zugbelasteten Gurtbänder geführt ist, welche zwischen den Kolbenstäben und der Riemenscheibe befestigt sind. Das Paar gezeigter Kolben ist sowohl miteinander als auch mit der schwingenden Riemenscheibe verbunden, so dass diese 180° phasenversetzt arbeiten. Das zweite Paar Kolben ist identisch aufgebaut und arbeitet daher ebenso 180° phasenversetzt zueinander. Jedes der beiden Paare von Kolbenanordnungen arbeitet 90° Grad phasenversetzt zueinander, so dass der 90° thermodynamische Phaseversatz, der günstig für eine Vier-Kolben Alpha-TypStirlingmaschine ist, erreicht werden kann. Die zwei Kolben in dieser Ansicht sind nicht miteinander durch die thermodynamische Kreisverbindungen verbunden.
  • Dies bedeutet, dass es zwei Zwei-Kolben-Kombinationen gibt, welche 180° Grad phasenversetzt zueinander arbeiten. Die Zwei-Kolben-Kombinationen arbeiten 90° Grad phasenversetzt zueinander. In 3 sind die Kolben P1 und P2 eines der 180° phasenversetzten Paare und sind an den Endpunkten ihrer Arbeitszyklen gezeigt. Das zweite Paar ist in dieser Ansicht nicht sichtbar. Der thermodynamische Kreis ist verbunden zwischen 90° phasenversetzten Räumen in der Weise, wie in 4 dargestellt und oben beschrieben. Ebene Federn 20 und 22 unterstützen und führen die Verbindungsstange R1 und ebene Federn 24 und 26 unterstützen und führen die Verbindungsstange R2. Die ebenen Federn dienen einem zweiten Zweck, und zwar jedwede zusätzliche benötigte Federung bereitzustellen, oberhalb derjenigen welche durch die Gasdrücke bereitgestellt wird, so dass die sich linear bewegende Anordnung von Kolben und Verbindungsstab bei der Betriebsfrequenz resonant gelagert ist. Die Federkräfte balancieren daher die Trägheitskräfte aus. Die Riemenscheibe 28 ist auf einer Torsionsfeder 66 angebracht, so dass die Rotationsträgheit durch die Torsionsfeder bei der Betriebsfrequenz ausbalanciert ist. Die zugbelasteten Gurtbänder im Randbereich der Riemenscheibe sind mit den Kolben in der Weise verbunden, wie sie deutlicher in 4 gezeigt ist.
  • 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht den Schwingungsmechanismus, welcher auf zwei Paaren von Kolben basiert, wobei jedes Paar 90° zueinander arbeitet. Die Kolben sind resonant gehalten und geführt durch ebene Federanordnungen wie oben beschrieben, während die Riemenscheiben durch Torsionsfedern platziert und resonant gehalten sind. Zugbelastete Gurtbänder verbinden jedes Kolbenpaar mit ihrer zugeordneten Riemenscheibe. Die beiden Riemenscheiben wiederum sind verbunden mit einem rotatorisch schwingenden Generator oder Motor. Ein dritter Generator oder Motor kann zwischen den Riemenscheiben angeordnet sein, falls nötig.
  • Bezugnehmend auf 4 sind zugbelastete Gurtbänder mit der Riemenscheibe 28 durch Stifte 48 und 50 verbunden. Die Stifte fixieren die zugbelasteten Gurtbänder an der Riemenscheibe, so dass keine relative berührende Bewegung zwischen der Riemenscheibe und den zugbelasteten Gurtbändern auftritt. Klemmen auf den Verbindungsstäben stellen in ähnlicher Weise sicher, dass es keine relative berührende Bewegung zwischen den Gurtbändern und den Verbindungsstäben gibt. Die vordere schwingende Anordnung mit Kolben P1 und P2 ist in ihrer maximalen Position entgegen dem Uhrzeigersinn gezeigt, so dass ebene Federn 24 und 26 maximal in Richtung der „Einwärts”-Richtung ausgelenkt gezeigt sind, während ebene Federn 20 und 22 maximal bezüglich der „Auswärts”-Richtung ausgelenkt sind. Da die rückwärtige schwingende Anordnung mit den Kolben P3 und P4 90° phasenversetzt mit der vorderen schwingenden Anordnung ist, sind alle ebenen Federn in der rückwärtigen Anordnung unausgelenkt und die Anordnung befindet sich in ihrer Mittelposition, wenn sich die vordere Anordnung entweder in der „einwärtigen” oder der „auswärtigen” Maximalposition befindet. Während die planaren Federn zusammen mit den Gasdruckkräften die Kolbenanordnungen resonant lagern, lagern die Torsionsfedern die rotatorische Trägheit der rotierenden Komponenten einschließlich der Riemenscheiben resonant. Durch resonantes Lagern der linearen Komponenten separat von den rotierenden Komponenten, werden nur die Arbeitskräfte durch die zugbelasteten Gurtbänder übertragen. Die Arbeitskräfte sind viel kleiner als die Inertial- und Federkräfte. Die vorderen und rückseitigen Torsionsfedern sind am Gehäuse befestigt durch Flansche oder Naben 70 und 72. Die Arbeits-Ankopplung, entweder zugeführt oder abgeführt, wird an den Riemenscheiben 28 und 30 abgegriffen, welche an einen rotatorisch oszillierenden elektromechanischen Wandler angeschlossen sind, allgemein bezeichnet als nicht-kommutierender elektrischer Motor oder Generator. Die thermodynamischen Zyklen sind gebildet zwischen 90° phasenversetzten Kolben, wie dargestellt durch die geraden Pfeile oberhalb der Kolben.
  • 5 ist eine Darstellung eines Kolbenpaares, welche den Ort der zugbelasteten Gurtbänder zeigt und wie diese rotatorisch schwingende Bewegung auf die Riemenscheibe weitergeben. In diesem Fall sind Gaslager für die Führung der Kolbenstangen gezeigt. Die Kolben P1 und P2 (wie die Kolben P3 und P4) sind durch Lager 104 und 106 geführt. Diese Lager sind vorzugsweise Gas-Lager, um die Anordnung abnutztungsfrei zu halten. Die Details der Gas-Lager sind nicht gezeigt, da sie aus dem Stand der Technik wohlbekannt sind. Für ein Antriebsaggregat, d. h. wenn Arbeit von den Kolben geliefert wird, wird der Kolben in der „Auswärts”-Richtung 108 durch den zyklischen Gasdruck gedrängt. Dieses setzt das zugbelastete Gurtband 40 unter Zug, angedeutet durch die gestrichelte Linie, und zieht es in Richtung 110, wobei es die Riemenscheibenanordnung 28 auf ihrer Torsionsfeder 66 in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert. Das zugbelastete Gurtband 58 zieht ebenso am zweiten Kolben P2, so dass dieser sich in der „Einwärts”-Richtung 112 bewegt. Wenn die Kolben sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, bleiben die zugbelasteten Gurtbänder 40 und 58 weiterhin die Zug-Mittel, da, als ein Antriebsaggregat, die Ausgangskraft von den Kolben bereitgestellt wird und die „Einwärts”-Bewegung widerstandsbehaftet ist, weil diese mit Gastransfer und Kompression verbunden ist. Die zugbelasteten Gurtbänder 42 und 56 liefern keine bedeutende Kraft an die Kolben in der Konfiguration als Antriebsaggregat, sondern dienen vielmehr dazu, die Riemenscheibenanordnung 28 an ihrer relativen Position in Bezug auf die Kolbenverbindungsstäbe zu halten und zu platzieren. Jedoch wird in der Wärmepumpen-Konfiguration Arbeit an das System geliefert und die zugbelasteten Gurtbänder 40, 42, 56 und 58 gelangen alternativ unter Zugbelastung, abhängig von der Richtung der Bewegung. Während des Betriebs werden sich die Zugkräfte in den zugbelasteten Gurtbändern zyklisch ändern, sowohl für das Antriebsaggregat oder die Wärmepumpe und diese Kräfte sind nicht symmetrisch.
  • In der oben bezeichneten Weise sind die linear schwingenden Komponenten separat von den rotatorisch schwingenden Komponenten resonant gelagert. Dies dient dazu, die Kräfte auf die zugbelasteten Gurtbänder zu minimieren. Wenn sowohl die Kolben als auch die Riemenscheiben resonant gelagert sind, sind die Kräfte auf die Gurtbänder relativ klein. Die Federn speichern und geben Energie abwechselnd ab, so dass sie abwechselnd Arbeit aufnehmen oder leisten. Die Federn legen Kräfte an die sich hin- und herbewegenden und die rotatorisch schwingenden Massen an. Wenn die Kolben und die Riemenscheiben resonant gelagert sind, ist die einzige Kraft, die durch die Gurtbänder angelegt wird, die zusätzliche Arbeit, die während eines Zyklus zugeführt wird. Der Großteil der Kraft zum Beschleunigen der rotatorisch schwingenden und sich hin- und herbewegenden Massen kommt von den Federn und der Großteil der absorbierten Energie und der Kraft zum Bremsen der rotatorisch schwingenden und sich hin- und herbewegenden Massen, wird an die Federn angelegt. Natürlich können praktische Überlegungen dazu führen, die linearen und rotatorisch schwingenden Komponenten in einer verschiedenen Mischung resonant zu lagern. Jedoch kann die gesamte resonant lagernde Federkraft für sowohl lineare als auch rotierende Komponenten alleine vom Arbeitsgas kommen, in welchem Fall es keine Notwendigkeit für eine Torsionsfeder oder eine Kolbenfeder gäbe. Auf der anderen Seite ist zusätzliche Federung wünschenswert, wie in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gezeigt. In allen Fällen, in denen die linearen und rotatorischen Komponenten nicht separat resonant gelagert sind, ergeben sich höhere Kräfte an den zugbelasteten Gurtbändern. Im Fall von Wärmepumpen, wenn die Maschine angetrieben wird, ist es immer möglich, Resonanz zu vertreiben, was zu höheren Kräften in den zugbelasteten Gurtbändern führt. Normale Ingenieurs-Entwurfstätigkeit ist notwendig, um sicherzustellen, dass die zugbelasteten Gurtbänder und deren Befestigungen nicht überbelastet werden.
  • In Ausführungsformen der Erfindung ist der rotatorisch schwingende Ausgang angeschlossen an einen Generator oder Motor ähnlich dem, der in 6 gezeigt ist, als Beispiel für einen nicht kommutierten Generator oder Motor. 6 zeigt einen rotatorisch schwingenden Generator oder Motor mit acht Polen. Das Eisen kann hierbei flachgepacktes Laminations-Material sein. Die radiale Entfernung zu den Magneten kann angepasst sein für eine optimale Benutzung von Material und Packung. Die „+” und „–” Zeichen zeigen die Richtung der Windungen an und Pfeile zeigen die Richtung der Magnetisierung der Magnete an. Der Magnetring schwingt rotatorisch zurück und vor mit der Bewegung der Riemenscheiben. Es gibt viele verschiedene Konfigurationen von elektromechanischen Wandlern, die für diese Anwendung funktionieren werden. Dies ist nur ein Beispiel.
  • Das Eisen besteht aus einem äußeren Ring 240 und einem inneren Eisen 241. Permanentmagnete 242, die entsprechend der Pfeile radial magnetisiert sind, sind physikalisch verbunden mit dem rotatorisch schwingenden Ausgang vom Antriebsmechanismus. Die Magnete sind daher in rotatorisch schwingender Weise angetrieben, wie durch Pfeil 244 gezeigt, und unterwerfen das Eisen alternierenden magnetischen Feldern, die Ströme in den Windungen induzieren, die von ,+ nach ,–' in den Fenstern 243 verlaufen. In einem Motor wird den Windungen ein Wechselstrom bereitgestellt und dies erzeugt ein wechselndes Windungsfeld im Eisen, welches die Magnete veranlasst, sich in rotatorisch schwingender Weise zu bewegen. Rotatorisch oszillierende Generatoren oder Motoren haben zwei Hauptvorteile gegenüber linearen Generatoren oder Motoren. Erstens erlaubt das rotatorisch schwingende Design, dass das Eisen aus einem flachgepackten Laminations-Vorrat hergestellt wird, was die Packungsdichte gegenüber radial gepackten Laminationen eines Linearmotors erheblich erhöht. Zweitens kann die Magnetgeschwindigkeit beliebig erhöht werden (innerhalb praktischer Grenzen), durch Setzen der Magnete auf einen größeren Radius als die Ausgangsriemenscheibe. Dies erhöht die Leistungsdichte gegenüber dem Linearmotor, in welchem die Kolbengeschwindigkeit und die Magnetgeschwindigkeit identisch sein müssen. Redlich offenbart im US Patent 5,753,985 einen alternativen rotatorisch schwingenden Generator oder Motor.
  • Beta Typ Anordnung
  • 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, angewendet auf eine Freikolben-Stirlingmaschine des Beta-Typs. Wie im in 1 gezeigten Stand der Technik weist die Beta-Typ Stirlingmaschine ein Gehäuse 80, einen Kolben 82 und einen Verdränger 84 mit einer Verdrängerstange 86 auf, welche sich durch eine zentrale Bohrung im Kolben 82 erstreckt. Der Kolben 82 besitzt eine Kolbenstange 88 welche an ihrem oberen Ende am Kolben 82 fixiert ist. Die Kolbenstange kann ein Rohr sein, durch welches der Verdrängerstab sich hin- und herbewegt, wobei ein Paar von sich abwärts erstreckenden Armen an ihren oberen Enden am Kolben 82 befestigt ist, oder von anderer Form sein.
  • Obwohl eine einzelne Riemenscheibe benutzt werden kann, würde dies unausgeglichene Kräften und Vibrationen verursachen. Deshalb weist die bevorzugte Beta-Typ-Ausführung der Erfindung zwei Riemenscheiben 90, 92 auf, welche in einer Ebene ausgerichtet sind, welche die Achse der Kolbenverbindungsstange 88 einschließt. Die Riemenscheiben 90 und 92 weisen eine Rotationsachse senkrecht zu dieser Ebene auf. Beide Riemenscheiben besitzen eine bogenförmige randseitige Oberfläche, welche sich angrenzend an den Verbindungsstab 88 erstreckt. Zwei Bewegung übertragende Antriebsverbindungen verbinden antriebskoppelnd den Kolbenverbindungsstab 88, eine zu jeder der beiden Riemenscheiben. Jede der beiden Bewegung übertragenden Antriebsverbindungen weist wenigstens zwei Gurtbänder auf und sind ausgeführt wie die Antriebsverbindungen welche oben für die Alpha-Typ Stirlingmaschine beschrieben sind.
  • Ein Gurtband 93 ist mit schlüssellochförmigem Schlitz und Stift 91 an einer Seite der Riemenscheibe 92 befestigt, welche abgewandt vom Kolben 82 ist, und erstreckt sich in einer ersten Richtung (entgegen dem Uhrzeigersinn) entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe 92 bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab 88 an einer Stelle 94 entlang des Kolbenstabes 88, welcher näher dem Kolben 82 ist als die Rotationsachse 95 der Riemenscheibe. Ein zweites Gurtband 96 ist mit schlüssellochförmigem Schlitz und Stift 97 an einer Seite der Riemenscheibe 92 befestigt, welche dem Kolben 82 zugewandt ist, und erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung (im Uhrzeigersinn) entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe 92 bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab 88 an einer Stelle 98 entlang des Kolbenstabes 88, welche weiter vom Kolben 82 entfernt ist als die Rotationsachse 95 der Riemenscheibe. Gurtbänder 99 und 100 sind in der gleichen Weise zwischen dem Verbindungsstab 88 und der Riemenscheibe 90 verbunden. Obwohl die gezeigten Gurtbänder sich jeweils etwa 90° entlang der bogenförmigen Oberfläche ihrer zugeordneten Riemenscheibe erstrecken, könnten sie sich beide in dieser Ausführungsform um 180° Grad erstrecken, um einen maximalen Bereich rotatorischer Schwingung von 360° zu erlauben. Torsionsfedern 101 und 102 sind verbunden mit jeder Riemenscheibe und dem Gehäuse 80 in derselben Weise wie in den 3–5 gezeigt, und halten ihre zugeordneten Riemenscheiben und mit der Riemenscheibe starr verbundene Massen resonant in rotatorischer Schwingung bei der Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine.
  • Jede der Riemenscheiben 90 und 92 weist auch eine mechanische Antriebsverbindung zwischen jeder Riemenscheibe und einem rotierenden elektromagnetischen Wandler auf, und treibt den rotierenden elektromagnetischen Wandler in rotatorisch schwingender Bewegung an. Obwohl die elektromagnetischen Wandler in 7 nicht gezeigt sind, können sie angeschlossen werden wie diese, die für die Alpha-Typ-Ausführungsform beschrieben wurden oder in irgendeiner anderen Art und Weise, welche aus dieser Beschreibung für einen Fachmann offensichtlich wäre.
  • Die Riemenscheiben können weiterhin Ausgleichsmassen aufweisen, so dass keine verbleibenden Kräfte auf das Gehäuse der Maschine übertragen werden. Es kann Vorteile haben, den rotatorisch schwingenden Mechanismus auf Beta-Typ Freikolben-Stirling-Antriebsaggregate und Wärmepumpen zu übertragen. Bezugnehmend auf 7 sind Verdränger 84 und Kolben 82 die sich hin- und herbewegenden Elemente einer Beta-Typ Stirlingmaschine. Kolben 82 weist eine Erweiterung auf, die eine Kolbenstange 88 unterhalb des Kolbens bildet, um die zugbelasteten Gurtbänder aufzunehmen und zu verankern. (unterschieden durch ausgezogene und gestrichelte Linien) Die zugbelasteten Gurtbänder sind auch verbunden mit den beiden Riemenscheiben. Torsionsfedern 101 und 102 können bei der rotatorischen Resonanz unterstützen. Ein einzigartiger Aspekt der Erfindung, wie hier gezeigt, ist die Anbringung von Ausgleichsmassen 302 und 304, jede fixiert auf einer unterschiedlichen der Riemenscheiben. Die Ausgleichsmassen 302 und 304 bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen zum Kolben und können benutzt werden, um die vertikale Reaktionskraft des Kolbens auszugleichen. Aufgrund von Symmetrie erzeugen die Ausgleichsmassen 302 und 304 keine Kräfte von Seite zu Seite. Generatoren oder Motoren einer Art und Weise, wie zuvor beschrieben, können benutzt werden, um Leistung aus der Maschine zu entziehen oder dieser zuzuführen, abhängig davon, ob sie ein Antriebsaggregat oder eine Wärmepumpe ist. Obwohl die Ausgleichsmassen 302 und 304 vorzugsweise an den Riemenscheiben 90 und 92 fixiert sind, können sie am rotatorisch schwingenden Generator oder Motor befestigt sein oder an irgendeiner anderen Masse, welche an den Antriebsscheiben fixiert ist und rotierend mit diesen schwingt.
  • Diese ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ist grundlegend gedacht als eine Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und ist nicht dazu beabsichtigt, die einzige Form zu repräsentieren, in welcher die vorliegende Erfindung konstruiert oder benutzt werden kann. Die Beschreibung legt in Verbindung mit den dargestellten Ausführungsformen die Gestaltung, Funktion, Mittel und Methoden dar, um die Erfindung umzusetzen. Es sollte jedoch verständlich sein, dass die selben oder entsprechende Funktionen und Merkmale durch andere Ausführungsformen herbei geführt werden können, für welche beabsichtigt ist, dass diese ebenso innerhalb der grundlegenden Idee und der Reichweite der Erfindung angesprochen sind, und dass verschiedenen Modifikationen angewendet werden können, ohne von der Erfindung oder der Reichweite der folgenden Ansprüche wegzuführen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • US 5753985 [0023, 0064]

Claims (18)

  1. Freikolben-Stirlingmaschine, antriebsgekoppelt mit wenigstens einem rotierenden elektromagnetischen Wandler, mit einem Gehäuse, wobei die Stirlingmaschine wenigstens einen, sich in seinem Zylinder hin und her bewegenden Kolben enthält und einen am Kolben befestigten Verbindungsstab umfasst, wobei die mit dem Wandler gekoppelte Freikolben-Stirlingmaschine genauer umfasst: a) wenigstens eine Riemenscheibe, die in einer Ebene des Verbindungsstabes ausgerichtet ist und die eine Rotationsachse senkrecht zur Ebene aufweist, wobei die Riemenscheibe eine bogenförmige randseitige Oberfläche aufweist, die sich angrenzend am Verbindungsstab erstreckt; b) wenigstens eine Bewegung übertragende Antriebsverbindung, welche den Verbindungsstab mit der Riemenscheibe antriebskoppelnd mit Hilfe wenigstens zweier Gurtbänder verbindet, und welche die Riemenscheibe zu einer rotatorisch oszillierenden Bewegung der Riemenscheibe antreibt oder von dieser angetrieben wird, i) wobei ein Gurtband an einer Seite der Riemenscheibe befestigt ist, die vom Kolben abgewandt ist und sich in einer ersten Richtung (im oder entgegen dem Uhrzeigersinn) entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberläche der Riemenscheibe erstreckt bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab an einer Stelle entlang des Verbindungsstabes, die dem Kolben näher ist als die Rotationsachse der Riemenscheibe, ii) wobei ein anderes Gurtband an einer Seite der Riemenscheibe befestigt ist, die dem Kolben zugewandt ist und sich entgegen der ersten Richtung entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberläche der Riemenscheibe erstreckt bis hin zu einer festen Verbindung mit dem Verbindungsstab an einer Stelle entlang des Verbindungsstabes, die weiter vom Kolben entfernt ist als die Rotationsachse der Riemenscheibe; c) und eine mechanische Antriebsverbindung zwischen jeder Riemenscheibe und einem rotierenden elektromagnetischem Wandler, wobei der rotierende elektromagnetische Wandler und die Riemenscheibe in rotatorisch oszillierender Bewegung bewegt werden.
  2. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: a) eine Kolbenfeder, verbunden mit einem Kolben, wobei die Kolbenfeder den Kolben und starr mit diesem verbundene Massen bei einer Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine resonant lagert; und b) eine Torsionsfeder, verbunden mit jeder Riemenscheibe, die die Riemenscheibe und starr mit dieser verbundene Massen in rotierender Bewegung bei der Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine resonant lagert.
  3. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 2, wobei a) die Freikolben-Stirlingmaschine eine Alpha-Typ-Maschine mit vier Kolben und Verbindungsstäben ist, die thermodynamisch verbunden sind, um bei Phasenwinkeln von 0°, 90°, 180° und 270° zu arbeiten, wobei die Kolben physikalisch so angeordnet sind, dass sich die Kolbenstäbe eines ersten Paares von Kolben, die bei 0° und 180° arbeiten, in einer ersten Ebene befinden und dass sich die Kolbenstäbe eines zweiten Paares von Kolben, die bei 90° und 270° arbeiten, in einer zweiten Ebene befinden; b) eine erste Riemenscheibe in der ersten Ebene zwischen den Kolbenstäben des ersten Paares von Kolben angeordnet ist, c) eine zweite Riemenscheibe in der zweiten Ebene zwischen den Kolbenstäben des zweiten Paares von Zylindern angeordnet ist; d) mindestens vier Bewegung übertragende Antriebsverbindungen, jede Antriebsverbindung wie vorhergehend genannt, wobei ein Verbindungsstab mit der angrenzenden Riemenscheibe in seiner Ebene antriebskoppelnd verbunden wird.
  4. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 3, wobei jedes Gurtband in elastisch vorgespanntem Zustand angebracht ist.
  5. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 4, wobei jede Riemenscheibe an einer anderen Torsionsfeder befestigt ist, und sich jede Torsionsfeder von ihrer zugeordneten Riemenscheibe zu einer festen Verbindung mit dem Gehäuse erstreckt.
  6. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 5, wobei jede Torsionsfeder ein Stab oder eine Stange ist.
  7. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 4, wobei die Gurtbänder, die an einer Seite der Riemenscheibe befestigt sind, die vom Kolben abgewandt ist, aus einer einzigen Länge von Bandmaterial gebildet sind, das sich insgesamt um etwa 180° entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe, mit der sie verbunden sind, erstreckt, und die Gurtbänder, die an einer Seite der Riemenscheibe befestigt sind, die dem Kolben zugewandt ist, aus einem einzigen Länge von Bandmaterial gebildet sind, das sich insgesamt um etwa 180° entlang einer randseitigen bogenförmigen Oberfläche der Riemenscheibe, mit der sie verbunden sind, erstreckt.
  8. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 7, wobei es einen zweiten rotierenden elektromagnetischen Wandler gibt, einer der rotierenden elektromagnetischen Wandler ist antriebskoppelnd verbunden mit einer der Riemenscheiben, und der zweite rotierende elektromagnetische Wandler ist antriebskoppelnd verbunden mit der anderen der Riemenscheiben.
  9. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 8, wobei es einen dritten rotierenden elektromagnetischen Wandler gibt, der antriebskoppelnd zwischen beiden Riemenscheiben verbunden ist.
  10. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 8, wobei die resonant lagernde Kolbenfeder, die mit jedem Kolben verbunden ist, ein Paar ebener Federn enthält, von denen sich jede zwischen einer festen Position relativ zum Gehäuse zur Verbindung mit dem ihr zugeordneten Kolbenstab erstreckt, wobei das Paar ebener Federn für jeden Kolben an entgegengesetzten Seiten der Riemenscheibe angeordnet ist, die an den Kolbenstab angrenzt, mit welchem das Paar ebener Federn verbunden ist.
  11. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 10, wobei jeder Kolbenstab eine flache ebene Oberfläche aufweist, die seiner angrenzenden Riemenscheibe zugewandt ist, jede flache ebene Oberfläche ist so angeordnet und erstreckt sich entlang des Kolbenstabes, dass sie an den Gurtbändern anliegt, die mit dem Kolbenstab verbunden sind, an dem die Oberfläche angeformt ist.
  12. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 11, wobei jede Torsionsfeder ein Stab oder eine Stange ist.
  13. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 12, wobei es einen dritten rotierenden elektromagnetischen Wandler gibt, der antriebskoppelnd zwischen beiden Riemenscheiben verbunden ist.
  14. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 1, wobei die Freikolben-Stirlingmaschine eine Beta-Typ-Stirlingmaschine ist.
  15. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 14, weiterhin umfassend a) eine Kolbenfeder, verbunden mit einem Kolben, wobei die Kolbenfeder den Kolben und starr mit diesem verbundene Massen bei einer Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine resonant lagert; und b) eine Torsionsfeder, verbunden mit jeder Riemenscheibe, die die Riemenscheibe und starr mit dieser verbundene Massen in rotierender Bewegung bei der Betriebsfrequenz der Stirlingmaschine resonant lagert.
  16. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 15, wobei a) eine zweite Riemenscheibe auf der der ersten Riemenscheibe gegenüberliegenden Seite des Kolbenstabes platziert ist, b) eine zweite Bewegung übertragende Antriebsverbindung die Verbindungsstange mit der zweiten Riemenscheibe antriebskoppelnd verbindet.
  17. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 16, wobei jedes Gurtband in elastisch vorgespanntem Zustand angebracht ist.
  18. Freikolben-Stirlingmaschine gekoppelt mit rotierendem elektromagnetischem Wandler nach Anspruch 17, wobei jede Torsionsfeder ein Stab oder eine Stange ist.
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