DE112010004335T5

DE112010004335T5 - Gamma-Typ Freikolben-Stirlingmaschinen Konfiguration

Info

Publication number: DE112010004335T5
Application number: DE112010004335T
Authority: DE
Inventors: David M. Berchowitz
Original assignee: Global Cooling Inc
Current assignee: Global Cooling Inc
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2030-07-03
Also published as: JP2012533018A; US8671677B2; JP5039244B1; DE112010004335B4; CN102472166B; GB2483585B; GB2483585A; KR101679182B1; US20110005220A1; WO2011005673A1; KR20120049254A; CN102472166A; GB201121294D0

Abstract

Eine verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine, welche eine Gamma-Konfiguration aufweist. Der Verdrängungskörper und jeder Kolben sind innerhalb Zylinders hin- und her bewegbar, wobei jeder Zylinder an seinem inneren Ende eine hindernisfreie Öffnung aufweist, welche in ein gemeinsames Volumen des Arbeitsraumes mündet. Das gemeinsame Volumen ist durch die Schnittfläche von Innenprojektionen des Verdrängungszylinders und der Kolbenzylinder definiert. Der Verdrängungskörper und die Kolben weisen jeweils einen Bereich der Hin- und Herbewegung auf, welcher in das gemeinsame Volumen hineinragt. Eine Verdrängungskörper-Antriebsstange und ihr Zylinder sind außerhalb des gemeinsamen Volumens und auf der dem Verdrängungskörper gegenüberliegenden Seite des gemeinsamen Volumens positioniert. Der Verdrängungskörper ist mit der Verdrängungskörper-Antriebsstange durch eine Verdrängungskörper-Verbindungsstange verbunden. Erfindungswesentlich weisen der Verdrängungskörper und die Kolben komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile auf, welche auf ihren inneren Enden ausgebildet sind, welche das Totvolumen der Gamma-konfigurierten Maschine wesentlich reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung liegt auf dem Gebiet der Freikolben-Stirlingmaschinen und richtet sich insbesondere auf eine verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine der Gamma-Klasse, welche das normalerweise mit der Gamma-Konfiguration verbundene Totvolumen minimiert.
In einer Stirlingmaschine wird ein Arbeitsgas in einem Arbeitsraum begrenzt, welcher einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum umfasst. Das Arbeitsgas wird wechselweise expandiert und komprimiert, um entweder Arbeit zu verrichten oder Wärme zu pumpen. Jede Stirlingmaschine weist zumindest zwei Kolben auf, von denen einer als ein Verdrängungskörper und der andere als ein Antriebskolben und oft nur als Kolben bezeichnet wird. Der hin- und her fahrende Verdrängungskörper bewegt ein Arbeitsgas zwischen dem Kompressionsraum und dem Expansionsraum, welche in Fluidverbindung durch einen Wärmeabnehmer, einen Regenerator und einen Wärmeausstoßer stehen, zyklisch hin und her. Das Hin- und Herbewegen verändert zyklisch den relativen Anteil des Arbeitsgases im jeweiligen Raum. Gas, welches sich im Expansionsraum befindet und Gas, welches durch einen Wärmeaustauscher (der Abnehmer) zwischen dem Regenerator und dem Expansionsraum in den Expansionsraum fließt, nimmt von den umgebenden Oberflächen Wärme auf. Gas, welches sich im Kompressionsraum befindet, und Gas, welches durch einen Wärmeaustauscher (der Austauscher) zwischen dem Regenerator und dem Kompressionsraum in den Kompressionsraum fließt, stößt Wärme an umgebende Oberflächen ab. Der Gasdruck ist im Wesentlichen im gesamten Arbeitsraum zu jedem Zeitpunkt der gleiche, weil die Expansions- und Kompressionsräume durch einen Pfad, der einen relativ niedrigen Fließwiderstand aufweist, miteinander verbunden sind. Jedoch variiert der Druck des Arbeitsgases in dem Arbeitsraum als Ganzes zyklisch und periodisch. Wenn sich das meiste Arbeitsgas im Kompressionsraum befindet, wird Wärme aus dem Gas abgegeben. Befindet sich das meiste Gas im Expansionsraum, nimmt das Gas Wärme auf. Dies ist zutreffend für eine Maschine, welche als Wärmepumpe oder als Motor arbeitet. Die einzige Anforderung, um zwischen produzierter Arbeit oder gepumpter Wärme zu unterscheiden, liegt in der Temperatur, bei der der Expansionsprozess durchgeführt wird. Wenn die Expansionsprozesstemperatur höher ist als die Temperatur des Kompressionsraums, wird die Maschine dazu neigen, Arbeit zu produzieren, so dass sie als Motor arbeitet, und wenn die Expansionsprozesstemperatur niedriger als die Kompressionsraumtemperatur ist, wird die Maschine Wärme von einer kalten Quelle zu einem warmen Wärmeableiter pumpen.
Stirlingmaschinen können demnach konstruiert werden, um die oben genannten Prinzipien zu nutzen und um bereitzustellen: Entweder (1) einen Motor, welcher einen Kolben und einen Verdrängungskörper aufweist, welcher durch Applizieren einer externen Wärmeenergiequelle an den Expansionsraum und Ableitung von Wärme aus dem Kompressionsraum angetrieben wird und damit geeignet sind, Hauptantriebsmaschine für einen mechanischen Betriebszustand zu sein, oder (2) eine Wärmepumpe, bei welcher der Arbeitskolben (und gelegentlich der Verdrängungskörper) zyklisch durch eine Hauptantriebsmaschine angetrieben wird, um Wärme aus einem Expansionsraum in einen Kompressionsraum zu pumpen und damit geeignet ist, Wärmeenergie von einer kälteren Masse zu einer wärmeren Masse zu pumpen. Der Wärmepumpenmodus erlaubt Stirlingmaschinen, zur Kühlung eines Objektes verwendet zu werden, welche in thermischer Verbindung zu ihrem Expansionsraum stehen, einschließlich cryogenen Temperaturen oder zur Beheizung eines Objektes, wie beispielsweise einem häuslichen Heizungs-Wärmetauscher, welcher in thermischer Verbindung zu seinem Kompressionsraum steht. Somit wird der Ausdruck Stirling„maschine” verwendet, um gattungsmäßig sowohl Stirlingmotoren als auch Stirling-Wärmepumpen zu umfassen, wobei Letztere gelegentlich als Kühler bezeichnet werden.
Bis etwa 1965 wurden Stirlingmaschinen als kinematisch angetriebene Maschinen konstruiert, was bedeutete, dass der Kolben und der Verdrängungskörper durch eine mechanische Verbindung miteinander verbunden waren, üblicherweise Verbindungsstangen und Kurbelstangen bzw. Kurbelwellen. Die Freikolben-Stirlingmaschine wurde seinerzeit von William Beale erfunden. In der Freikolben-Stirlingmaschine sind die Kolben nicht an eine mechanische Antriebsstange gekoppelt. Eine Freikolben-Stirlingmaschine ist ein thermomechanischer Oszillator und einer seiner Kolben, der Verdrängungskörper, wird durch die Arbeitsgas-Druckvariationen und Differenzen in Räumen oder Kammern in der Maschine angetrieben. Der Arbeitskolben wird entweder durch einen hin- und herbewegten Antriebsmotor angetrieben, wenn die Stirlingmaschine in ihrer Wärmepumpen-Betriebsart betrieben wird oder treibt eine hin- und her bewegbare mechanische Belastung an, wenn die Stirlingmaschine als Motor betrieben wird.
Wie aus dem Stand der Technik wohl bekannt, gibt es drei grundsätzliche Konfigurationen von Stirlingmaschinen. Die Alpha-Konfiguration weist zumindest zwei Kolben in separaten Zylindern auf, und der durch jeden Kolben begrenzte Expansionsraum ist mit einem Kompressionsraum verbunden, welcher durch einen anderen Kolben in einem anderen Zylinder begrenzt ist. Diese Verbindungen sind in einem Regelkreis angeordnet, welcher die Expansions- und Kompressionsräume von mehreren Zylindern verbindet. Der Beta-Stirling weist einen einzelnen Arbeitskolben auf, welcher innerhalb desselben Zylinders wie ein Verdrängungskolben angeordnet ist. Ein Gamma-Stirling ist einem Beta-Stirling ähnlich, weist jedoch einen Arbeitskolben auf, welcher in einem separaten Zylinder langsseits des Verdrängungskolbenzylinders montiert ist.
Wie bekannt, müssen in Freikolben-Stirlingmotoren und -kühlern sowohl der Verdrängungskörper als auch der Kolben mit minimaler Reibung frei betrieben werden können. Da Öl oder ähnliche Schmiermittel zur Verwendung in Stirling Motoren unpraktisch sind, werden im Allgemeinen berührungslose Lager verschiedener Arten angewandt. Manche Forscher verwenden radial unbiegsame flache Federn, um beweglichen Teile zu stützten und so Kontakt während des Betriebes zu vermeiden, während andere statische Gas-Führungen verwendet haben. All diese Verfahren erfordern sehr enge Toleranzen, um übermäßige Leckverluste und mechanischen Kontakt zwischen den beweglichen Teilen zu vermeiden. In der Standard-Verdrängungskolben Beta-Anordnung bedingen die Präzisionsanforderungen des Verdrängungskörpers und des Kolbens einander, da die Verdrängungskörper-Stange den Kolben durchdringt. Die koaxiale Ausrichtung der Verdrängungskörper-Stange innerhalb des Kolbens stellt zusätzliche Anforderungen an die Präzision sowohl im Verdrängungskörper als auch im Kolben und ist daher ein starker Kostenfaktor.
Diese Probleme können der Beta-Typ Freikolben-Stirlingmaschine aus dem Stand der Technik, wie in 1 veranschaulicht, entnommen werden. Ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 10 weist einen Kolben 12 auf, welcher hin- und her bewegbar in einem Zylinder 14 und einem Verdrängungskörper 16 mit einer Verdrängungskörperstange 18 angeordnet ist, welche abdichtend durch den Kolben 12 gleitet. Das Ende der Verdrängungskörperstange 18 ist mit einer planaren Feder 20 verbunden. Der Arbeitsraum umfasst einen Expansionsraum 22 in Fluidverbindung mit einem Kompressionsraum 24 durch die Wärmetauscher 26 und 28 sowie einen Regenerator 30. Dies veranschaulicht das Problem der Aufrechterhaltung der simultanen Fluchtung von allen gekoppelten zylindrischen Oberflächen in einer Weise, die eine minimale Reibung zwischen Ihnen, aber auch ein abdichtendes Eingreifen zwischen ihnen aufweist. All diese zylindrischen Oberflächen müssen koaxial ausgerichtet sein und die Räume zwischen Ihnen müssen klein genug sein, um eine Gasdichtung zwischen Ihnen bereit zu stellen und groß genug, um Reibung zwischen ihnen zu minimieren und eine praktische Ausrichtung zu ermöglichen.
In der Beta-Anordnung nach 1 wird jede der hin- und her beweglichen Komponenten präzise in ihrem Zylinder ausgerichtet. Die Verdrängungskörperstange 18 durchdringt den Kolben 12 mit einer Passung, welche Rundlaufpräzision entlang ihrer Länge mit dem Kolben erfordert und daher präzise an dem Verdrängungskörper und der planaren Feder 20 innerhalb einer Konzentrizitäts- und Rechtwinkligkeitgrenze angeschlossen sein, um den Verdrängungskörper und den Kolben während der Bewegung nicht zu verklemmen. Ein linearer Generator 35 ist herkömmlich an den Kolben 12 angeschlossen. Da sich der Kolben und der Verdrängungskörper koaxial bewegen, ergibt sich ein Kräfteungleichgewicht auf das Gehäuse 10, welches herkömmlich durch eine dynamische Auswuchtmaschine 32 ausgeglichen wird, welche an das Gehäuse 10 angeschlossen ist, um die axialen Schwingungen, welche aus den axial hin- und her beweglichen Massen resultieren, zu minimieren.
Die bekannte Gamma-Konfiguration bewältigt dieses Ausrichtungsproblem durch Anordnung des Verdrängungskörpers und des Kolbens in separaten Zylindern, so dass sich ihre individuellen Präzisionsanforderungen nicht gegenseitig überlagern wie im Fall der Beta-Konfiguration. Jedoch besteht ein Nachteil der Gamma-Anordnung darin, dass sie ein größeres Totvolumen als die Beta-konfigurierte Maschine aufweist. Des weiteren ergibt sich in den meisten Gamma-Maschinen aus dem Stand der Technik aus der Platzierung des Kolbens und des Verdrängungskörpers in separaten Zylindern ein oszillierendes Drehmoment und eine Kraft auf das Gehäuse, welche schwieriger auszugleichen sind als die einzelne oszillierende axiale Kraft auf das Gehäuse in der Beta-Maschine. Letzteres Problem wurde zumindest in einer Ausführung, welche in der offenen Literatur veröffentlicht wurde, identifiziert, wo zwei entgegengesetzte Kolben verwendet werden, um die oszillierende Drehmomentkomponente auf das Gehäuse zu entfernen.
Ein zweites Problem, welches mit Beta-Freikolben Maschinen verbunden ist, besteht darin, dass die im Allgemeinen verwendete dynamische Ausgleichstechnik diese Maschinen zum Betrieb bei einer einzelnen Frequenz degradiert. Die Durchführung eines Einzelfrequenzbetriebes für Motoren ist schwierig und erfordert, dass die Maschine frequenzstabilisiert wird, beispielsweise durch direkte elektrische Netzanbindung. Bei Kühlern ist der Einzelfrequenzbetrieb leicht einzurichten, da die Maschinen elektrisch angetrieben werden. Jedoch gibt es auch bei diesen Maschinen gelegentlich einen thermodynamischen Vorteil durch Veränderung der Betriebsfrequenz, welche nicht möglich ist, wenn eine dynamische Auswuchtmaschine verwendet wird. Eine ideale Konfiguration für eine Freikolben-Stirlingmaschine würde aufweisen:

a. Nicht mehr als erforderliche Präzision für guten thermodynamischen Betrieb.
b. Ein minimales Totvolumen.
c. Ausgleichen bzw. Balancieren unter allen Betriebsbedingungen einschließlich verschiedenen Betriebsfrequenzen.

Es ist daher Aufgabe und Charakteristikum der Erfindung, eine Freikolben-Stirlingmaschine in einer Gamma-Konfiguration bereitzustellen, welche Arbeitskolben mit Massen und Orientierungen zum Ausgleich der Schwingungskräfte der Kolben aufweist und, besonders wichtig, dass Tot(ungepfeilt)-Volumen des Arbeitsraumes, um die Größe und Masse der Maschine zu reduzieren und ihre Effizienz zu verbessern.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist eine verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine, welche eine Gamma-Konfiguration aufweist. Die Maschine beinhaltet einen Verdrängungskörper, welcher ein inneres Ende aufweist und innerhalb eines Verdrängungszylinders entlang einer Verdrängungskörperachse hin- und her bewegbar ist. Zwei oder mehr Arbeitskolben sind in einer ausgeglichenen bzw. vorgesteuerten Konfiguration zum Ausgleich ihrer Impulsvektoren angeordnet, um Schwingungen zu minimieren. Jeder Kolben weist ein inneres Ende auf und ist innerhalb eines Zylinders mit einem inneren Ende hin- und her bewegbar. Jeder Zylinder weist an seinem inneren Ende eine hindernisfreie Öffnung auf, welche in ein gemeinsames Volumen des Arbeitsraumes mündet. Das gemeinsame Volumen ist durch die Schnittfläche von Innenprojektionen des Verdrängungszylinders und der Kolbenzylinder definiert. Der Verdrängungskörper und die Kolben weisen jeweils einen Bereich der Hin- und Herbewegung auf, welcher in das gemeinsame Volumen hineinragt. Eine Verdrängungskörper-Antriebsstange, welche wie ein Kolben wirkt, ist in einem Antriebsstangenzylinder hin- und her bewegbar. Die Verdrängungskörper-Antriebsstange und ihr Zylinder sind außerhalb des gemeinsamen Volumens und auf der dem Verdrängungskörper gegenüberliegenden Seite des gemeinsamen Volumens positioniert. Der Verdrängungskörper ist mit der Verdrängungskörper-Antriebsstange durch eine Verdrängungskörper-Verbindungsstange verbunden. Der Verdrängungskörper und die Kolben weisen komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile auf, welche auf ihren inneren Enden ausgebildet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht in axialer Schnittebene einer Beta-Konfiguration einer Freikolben-Stirlingmaschine gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine schematische Ansicht in axialer Schnittebene einer Ausführung der Erfindung.
3. zeigt eine schematische Ansicht in axialer Schnittebene einer weiteren Ausführung der Erfindung.
4 zeigt eine schematische Ansicht in axialer Schnittebene noch einer weiteren Ausführung der Erfindung.
5 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche die Anordnung der Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 veranschaulicht.
6A zeigt eine perspektivische Ansicht des Gehäuses einer Ausführungsform der Erfindung, welche zwei gegenüberliegende Kolben aufweist.
6B zeigt in perspektivischer Ansicht das Gehäuse einer Ausführungsform der Erfindung, welche drei Kolben aufweist.
6C zeigt in perspektivischer Ansicht das Gehäuse einer Ausführungsform der Erfindung, welche vier Kolben aufweist.
7 ist eine diagrammatische Ansicht im Horizontalschnitt, welche die komplementären Kopplungs-Oberflächenprofile auf den Kolben der in 2 und 6A dargestellten Ausführungsformen zeigt.
8 ist eine diagrammatische Ansicht im Horizontalschnitt, welche die komplementären Kopplungs-Oberflächenprofile auf den Kolben nach der in 6B darstellten Ausführungsform zeigt.
9 ist eine diagrammatische Ansicht im Horizontalschnitt, welche die komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile auf den Kolben nach der in 6C dargestellten Ausführung zeigt.
Zur Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, welche in den Zeichnungen dargestellt ist, wird aus Klarheitsgründen auf spezifische Terminologie zurückgegriffen. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf die spezifischen Ausdrücke begrenzt ist, und es wird verstanden werden, dass jeder spezifische Ausdruck sämtliche technischen Äquivalente beinhaltet, welche in ähnlicher Weise fungieren, um einen ähnlichen Zweck zu erfüllen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung verwendet die Gamma-Konfiguration im Freikolben-Betriebszustand mit zwei oder mehreren Kolben und einem einzelnen Verdrängungskörper. Die Kolben sind vorzugsweise in rechten Winkeln zur Verdrängungskörper-Bewegung angeordnet. Um das Totvolumen zu minimieren, ist die Verdrängungskörper-Antriebsfläche auf der Verdrängungskörper-Feder vorgesehen, welche unterhalb der Kolben montiert ist, so dass die Kolben nicht eingreifen oder kontaktieren müssen und damit die Verdrängungskörper-Antriebsstange wie in konventionellen Beta-Maschinen aufnehmen. Dies ermöglicht den Kolben, einander bis zu einem minimalen Abstand anzunähern. Die Verdrängungskörper- und Kolbenbewegungen können konstruiert sein, einander zu kreuzen bzw. zu schneiden, um eine größere Totvolumen-Reduktion zu erzielen. Die Kolben sind bemessen, positioniert und hin- und her bewegbar, um ihre Netto-Kräfte, welche auf das Gehäuse der Maschine wirken und Schwingungen verursachen, auszugleichen. Damit wird ein wesentlicher, wenngleich unvollständiger Ausgleich erzielt. Der Verdrängungskörper verbleibt unausgeglichen, ist jedoch im Allgemeinen, verglichen mit der Gesamtmasse der Maschine, von geringer Masse so dass die restliche Bewegung tatsächlich recht gering und in vielen Fällen akzeptabel ist. Die Verdrängungskörper-Amplitude (etwa 5–10 mm) geteilt durch das Massenverhältnis aus der Gesamtmaschine zum Verdrängungskörper (etwa 20–50) ergibt die verbleibende Schwingungsamplitude. Wird zusätzlicher Ausgleich benötigt, kann eine konventionelle dynamische Auswuchtmaschine verwendet werden, welche jedoch von viel geringerer Masse und Größe ist, da lediglich die Kraft aus den Verdrängungskörper-Bewegungen auszugleichen wäre. Bei den Kolben handelt es sich um separate Anordnungen, welche mechanisch nicht miteinander oder dem Verdrängungskörper wechselwirken. In der Tat kann die Verdrängungskörperanordnung vollständig von den Kolben getrennt sein.
2 veranschaulicht eine verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine, welche eine Gamma-Konfiguration aufweist und die Erfindung verkörpert. Die Stirlingmaschine nach 2 weist einen Verdrängungskörper 40 auf, welcher ein inneres Ende 42 aufweist. Der Verdrängungskörper 40 ist innerhalb eines Verdrängungskörper-Zylinders 44 entlang einer Verdrängungskörper-Achse 46 hin und her bewegbar. Der Verdrängungskörper 40 separiert einen Arbeitsraum in einen Kompressionsraum 48 und einem Expansionsraum 50.
Zwei Arbeitskolben 52 und 54 sind in einer ausgeglichenen Konfiguration angeordnet, um ihre Impulsvektoren auszugleichen. In dieser Ausführungsform besteht die ausgeglichene Anordnung darin, dass sich beide Kolben entlang einer Achse 56 innerhalb ihrer jeweiligen Zylinder 58 und 60 hin- und her bewegen. Die Kolben bewegen sich in entgegengesetzter Beziehung hin und her, so dass sie in dem Sinne in Phase arbeiten, dass sich beide zur selben Zeit inwärts bewegen und beide zur selben Zeit auswärts bewegen. Mit anderen Worten weisen beide während des Betriebes den gleichen Winkel ihrer periodischen, ungefähr sinusförmigen Bewegung bezüglich eines Punktes zwischen Ihnen auf. Jeder Kolben weist ein inneres Ende 62, 64 auf. Der Ausdruck „inneres” wird verwendet, um allgemein anzuzeigen, dass der zentrale Bereich der Maschine zwischen den Kolben und dem Verdrängungskörper Hegt. Die Kolbenzylinder 58 und 60 sowie der Verdrangungskörperzylinder 44 weisen an ihrem inneren Ende jeweils eine hindernisfreie Öffnung in ein gemeinsames Volumen des Arbeitsraumes auf.
Der Ausdruck „gemeinsames Volumen” wird verwendet, um einen Teil des inneren Volumens des Arbeitsraumes zu beschreiben, welcher durch die Schnittfläche von Innenprojektionen des Verdrängungskörperzylinders und des Kolbenzylinders definiert ist. Wenn alle Zylinder geometrisch inwärts projizieren, schneiden sie einander englang gebogener Linien. Wenn diese gebogenen Linien des Schnittes durch imaginäre Oberflächen, welche sich zwischen benachbarten Schnittflächen erstrecken, zusammengeführt werden, umgeben und definieren die imaginären Oberflächen ein Raumvolumen, welches in einer Extension oder Projektion aller Zylinder beinhaltet ist. Wenn sich der Verdrängungskörper oder ein Kolben hinreichend inwärts bewegt und teilweise aus seinem Zylinder ragt, kann er das gemeinsame Volumen erreichen. In den Ausführungsformen der Erfindung weisen der Verdrängungskörper und die Kolben einen Bereich der Hin- und Herbewegung auf, welcher sich in das gemeinsame Volumen erstreckt. In der Erfindung gibt es kein strukturelles Objekt, welches sich inwärts in eine Projektion von Zylindern zwischen den Kolben und des gemeinsamen Volumens oder zwischen dem Verdrängungskörper und dem gemeinsamen Volumen erstreckt. Eine derartige Projektion würde die Hin- und Herbewegung des Verdrängungskörpers oder der Kolben in das gemeinsame Volumen behindern. Daher gibt es in der Erfindung einen hindernisfreien bzw. freigängigen Pfad, welcher sich von jedem der Zylinder in das gemeinsame Volumen erstreckt. Obwohl nicht notwendig, fügen sich die Kolben- und Verdrängungskörperzylinder-Wände bevorzugt entlang ihrer Schnittlinien aneinander, können sich jedoch nicht jenseits der Schnittlinien erstrecken, ohne den Eingang bzw. das Einfahren eines anderen Kolbens oder des Verdrängungskörpers in das gemeinsame Volumen zu behindern.
Die Ausdrücke „Tot”volumen oder -raum und „ungepfeiltes” Volumen oder Raum werden ebenfalls verwendet. In allen Gamma-konfigurierten Stirlingmaschinen fixierten das innere Ende des Verdrängungskörpers und das innere Ende jedes Kolbens (bilden eine Begrenzung) einen(s) Teil(s) des Arbeitsraumes. Der Begrenzungskörper und jeder Kolben bewegen sich in ihren jeweiligen Zylindern entlang eines Bereichs der Hin- und Herbewegung, welche als eine Funktion der Arbeitsbedingungen variiert, hin und her. Jedoch gibt es immer einen inneren Raum oder Volumen, welches ungepfeilt ist, weil sie niemals durch den Verdrängungskörper oder einen Kolben erfasst werden. Dieser ungepfeilte Raum wird als toter oder ungepfeilter Raum oder Volumen bezeichnet. Eine Beta-Freikolben-Stirlingmaschine aus dem Stand der Technik kann derart konfiguriert sein, dass es keinen Totraum gibt, weil der sich Verdrängungskörper und der Kolben zu verschiedenen Zeiten und Phasen des Zyklus in das gleiche zylindrische Volumen hinein bewegen (dieses belegen) können. Jedoch gibt es in Gamma-Freikolben-Stirlingmaschinen immer einen Totraum, und dieser ist in Maschinen aus dem Stand der Technik vergleichsweise groß. Da es, soweit bekannt, notwendig ist, Kollisionen zwischen den Kolben oder zwischen dem Verdrängungskörper und einem oder mehreren Kolben zu vermeiden, wird der Bereich des Hin- und Herbewegens der Kolben und des Verdrängungskörpers in Gamma-Maschinen aus dem Stand der Technik weit auseinander gehalten und kommt dem gemeinsamen Volumen niemals auch nur nahe. Die Erfindung minimiert den Totraum durch Konfigurieren der Komponenten der Gamma-Freikolben-Stirlingmaschine, so dass diese befähigt sind, das gemeinsame Volumen zu besetzen und durch Formgebung der sich hin- und her bewegenden Verdrängungskörpers und Kolben können sich diese einander innerhalb des gemeinsamen Volumens mit einem Minimum an Volumen zwischen den inneren Enden des Verdrängungskörpers und der Kolben einander annähern. Ein geringes Totvolumen bleibt notwendig, um die Vermeidung von Kollisionen zu gewährleisten.
Zurückkommend zur Beschreibung der Ausführungsform gemäß 2 ist eine Verdrängungskörper-Antriebsstange 66 innerhalb eines Antriebsstangenzylinders 68 hin- und her bewegbar. Die Verdrängungskörper-Antriebsstange 66 und der Verdrängungskörper-Antriebsstangenzylinder 68 werden außerhalb des gemeinsamen Volumens und auf der dem Verdrängungskörper 40 entgegengesetzten Seite des gemeinsamen Volumens positioniert. Der Verdrängungskörper 40 ist mit der Verdrängungskörper-Antriebsstange 66 durch eine Verdrängungskörper-Verbindungsstange 70 verbunden.
Obwohl dem Fachmann bekannt, wird angenommen, dass es wünschenswert wäre, die Funktion der Verdrängungskörper-Antriebsstange zu erklären. In einer Freikolben-Stirlingmaschine variiert der Gasdruck in dem Arbeitsraum zyklisch und ungefähr sinusförmig. Der Gasdruck im Arbeitsraum wird auf eine Querschnittsfläche der Kolben und des Verdrängungskörpers ausgeübt, um die Antriebskräfte, welche diese bewegen, bereitzustellen. Da der Arbeitsraum-Gasdruck zyklisch variiert, treiben die Gasdruck-Variationen die Kolben und den Verdrängungskörper in ihrer zyklischen Bewegung an, obwohl der Verdrängungskörper zu den Kolbenphasen verschoben ist. Die Antriebskraft auf jedem Kolben ist aus der Querschnittsfläche des Kolbens in einer Ebene senkrecht zu seiner Bewegungsachse multipliziert mit dem Arbeitsraum-Druck leicht erkennbar.
Im Stand der Technik erstreckt sich eine Stange gleichen Längsdurchmessers gänzlich zwischen dem Verdrängungskörper und entweder einer Gasfeder oder einem Rückprall- bzw. Gegendruckraum. Beispielsweise erstreckt sich in der Beta-konfigurierten Maschine gemäß 1 die Verdrängungskörperstange 18 in den Rückprallraum 33. Gleiches erfolgt in den aus dem Stand der Technik bekannten Gamma-Maschinen. Der Rückprallraum oder eine Gasfeder stehen in keiner signifikanten Kommunikation mit dem Arbeitsraum, obwohl dort sehr kleine Verbindungen zur Zentrierung vorhanden sein können (für diese Diskussion unbedeutend). Der Verdrängungskörper wird in Hin- und Herbewegung durch den zyklisch variierenden Arbeitsraumdruck, welcher auf die Querschnittsfläche der Verdrängungskörperstange in einer Ebene senkrecht zu seiner Bewegungsachse ausgeübt wird, angetrieben. Infolgedessen arbeitet die Verdrängungskörperstange wie ein Kolben. Diese Querschnittsfläche der Verdrängungskörperstange kann als Verdrängungskörper-Antriebsfläche bezeichnet werden.
In der Erfindung wird der Verdrängungskörper in gleicher Weise in Hin- und Herbewegung angetrieben. Jedoch werden in der Erfindung die Verdrängungskörper-Antriebsstange 66 und der Verdrängungskörper-Antriebsstangenzylinder 68 außerhalb des gemeinsamen Volumens und auf der dem Verdrängungskörper 40 entgegengesetzten Seite des gemeinsamen Volumens positioniert. Dies geschieht, damit die Verdrängungskörper-Antriebsstange 66 und der Verdrängungskörper-Antriebsstangenzylinder 68 außerhalb des gemeinsamen Raumes und damit an einem Ort angeordnet sind, wo die Kolben nicht mit ihnen kollidieren können. Infolgedessen wird der Ausdruck „Verdrängungskörper-Antriebsstange” angenommen, um jenen Kolben zu bezeichnen, auf welchen Arbeitsraumdruckvariationen die Kraft ausüben, welche den Verdrängungskörper in Hin- und Herbewegung antreibt. Der Ausdruck „Verdrängungskörper-Verbindungsstange” wird angenommen, um die mechanische Verbindung zu bezeichnen, welche die Verdrängungskörper-Antriebsstange mit dem Verdrängungskörper verbindet. In der Erfindung kann die Verdrängungskörper-Verbindungsstange derart aufgebaut sein, dass sie einen kleinen Durchmesser oder Dicke aufweist, wesentlich kleiner als die Verdrängungskörper-Antriebsstange, wobei dies geschieht, um den Kolben eine maximale Auslenkung in das gemeinsame Volumen zu ermöglichen. Die Stange mit dem breiten Durchmesser braucht sich nicht gänzlich durch das gemeinsame Volumen zu erstrecken.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der Verdrängungskörper und die Kolben komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile aufweisen, welche auf ihren inneren Enden ausgebildet sind. Der Ausdruck „komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile” bedeutet, dass die End- bzw. Bodenoberflächen der Kolben und Verdrängungskörper Formen und Positionen aufweisen, um sich einander mit geringen oder minimalen Volumina zwischen den Kopplungsoberflächen annähern zu können. In dieser Weise können die sich hin- und her bewegenden Komponenten maßgeblich weit in das gemeinsame Volumen hinein bewegen, so dass das gemeinsame Volumen nicht länger ein toter oder ungepfeilter Raum ist.
Wieder zurückkehrend zu 2 stellt das innere Ende 42 des Verdrängungskörpers einen Konus in der bevorzugten Ausführungsform dar. Um den Abstand zu minimieren, mit welchem der Verdrängungskörper die Kolben anfahren kann, wo das innere Ende des Verdrängungskörpers ein konisches Profil aufweist, sind die komplementären Kopplungs-Oberflächenprofile auf den Kolben Segmente 72 und 74 eines Konus.
Das innere Ende 42 des Verdrängungskörpers ist konisch geformt, um die Bewegung der Kolben 52 und 54 zu schneiden, welche ihrerseits geformt sind, die Verdrängungskörper-Bewegungen ohne Kollision aufzunehmen bzw. zu tolerieren. Das Ausmaß der Schnittfläche liegt in der Wahl des Konstrukteurs. Keine Schnittlinie bzw. Durchdringung bzw. Überschneidung resultiert in einem Maximum an ungepfeilten Volumen, während maximale Durchdringung bzw. Kreuzung bzw. Überschneidung in minimalen, ungepfeilten Volumina resultiert. Die Verdrängungskörper-Antriebsstange 66 ist jenseits der Erstreckung der Kolben gelegen.
Bezüglich 7 können die Kolben auch ausgespart bzw. zurückgesetzt bzw. vertieft sein, um Kollisionen mit der Verdrängungskörper-Verbindungsstange 70 zu vermeiden. Die Kolben 52 und 54 können eine kleine Kerbung (z. B. einen halbzylindrischen Ausschnitt) 76, 77 zusätzlich zu den konischen Oberflächen 72 und 74 aufweisen, um Kollisionen mit der Verbindungsstange 70 zu vermeiden. Selbstverständlich können die Kerbe oder der Ausschnitt andere Formen aufweisen. Es ist daher bevorzugt, dass das innere Ende jedes Kolbens eine Kavität mit einem Oberflächenprofil, welches in Größe und Position komplementär zu der Verdrängungskörper-Verbindungsstange ist, aufweist. Diese Kavitäten oder Ausschnitte ermöglichen es den Kolben, sich einander in minimaler Distanz zu nähern. Minimal bedeutet gering, welches eine Wahl der Konstruktion ist, wobei weiterhin die Kollision mit der Verdrängungskörperstange vermieden werden muss. Selbstverständlich kann die Verdrängungskörper-Verbindungsstange alternativ den gleichen Durchmesser wie die Verdrängungskörper-Antriebsstange aufweisen, mit einer Kavität oder einem zylindrischen Ausschnitt in den Kolben, welche den erforderlichen größeren Durchmesser aufweisen.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, hat die zyklische Bewegung des Verdrängungskörpers die zyklische Bewegung der Kolben zur Folge. Daher sind der Verdrängungskörper und die Kolben nicht nur zur Vermeidung von Kollisionen geformt, sondern die Kolben können auch Teile des gleichen Raumes/Volumens wie der Verdrängungskörper zu unterschiedlichen Zeiten besetzen, wie beispielsweise in der Beta-Maschine, weil der Verdrängungskörper sich nach außen bewegt, wenn sich die Kolben noch immer nach innen bewegen. Das Ausmaß, mit dem jeder Kolben und der Verdrängungskörper in das gemeinsame Volumen fahren, liegt in der Wahl des Konstrukteurs. Je weiter die Maschine konstruiert ist, um ihr Näherkommen einander sowie die Annäherung an die Verbindungsstange zu ermöglichen, desto größer ist zwar die Reduktion des Totvolumens, aber umso größer ist auch das Risiko, dass der Betrieb außerhalb des konstruierten Bereichs der Hin- und Herbewegung gelangt und in einer Kollision resultiert.
Bezüglich 2 sind die Rückschnellräume 80, 82 und 84, wie aus dem Stand der Technik bekannt, miteinander verbunden, beispielsweise durch Röhren oder Durchgänge innerhalb des Gehäuses 86. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, weist der Druck in den Rückschnellräumen einen ungefähr konstanten Druckwert auf. Jedoch ist, wie unten diskutiert, bei Verwendung einer Gasfeder die Kammer der Gasfeder nicht mit dem Rückschnellraum verbunden.
Die mechanischen Planarfedern 78 sind an die Verdrängungskörper-Antriebsstange 66 angeschlossen. Der Verdrängungskörper und die Kolben fahren in einer Zylinderanordnung, welche lediglich einstückig mit schneidenden Achsen für die Verdrängungskörper- und Kolbenzylinder sein kann. Die Kolben können mit linearen Generatoren, Gaskompressoren und/oder anderen mechanischen Rasten oder mit Motoren verbunden sein, welche die Kolben abhängig davon, ob die Maschine ein Motor oder ein Kühler (Wärmepumpe) ist, antreibt.
Die Synchronizität der Kolbenbewegungen wird durch einen gemeinsamen Arbeitsraum, einen gemeinsamen Rückschnellraum und einen gemeinsamen Generator/Motorverbindung erzielt.
Die inneren Enden der Kolben und des Verdrängungskörpers können wahlweise andere komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile aufweisen. Beispielsweise können sie treppenstufige Profile aufweisen. Als weitere Alternative kann der Verdrängungskörper ein einfacher zylindrischer Formkörper mit beispielsweise einem planaren Ende senkrecht zu seiner Achse sein und jeder Kolben kann einen komplementären halbzylindrischen Ausschnitt, welcher entlang einer radial zu dem zylindrischen Kolben ausgerichtet ist, aufweisen. Falls es zwei oder mehrere Kolben gibt, wie im Folgenden diskutiert, können die Kolben eine Aussparung (Ausschnitte) für die anderen Kolben aufweisen, ebenso wie Kavitäten oder Ausschnitte, welche komplementär zu der Verdrängungskörper-Verbindungsstange sind. Die Rotationswanderung der Kolben während des Betriebs, welche eine Falschausrichtung der komplementären Kopplungs-Oberflächenprofile verursachen würde, wird durch eine planare Feder oder einen linearen Generator unterbunden.
3 veranschaulicht einen Gegenkolben-Gamma konfigurierten Motor, welcher ähnlich der Ausführung gemäß 2, mit der Ausnahme, dass dieser eine Gasfeder 88 zur Bereitstellung der Federwirkung für den Verdrängungskörper anstatt einer planaren Feder aufweist. Die Verdrängungskörper-Antriebsstange 90 ist mit einem Gasfederkolben 92, welcher in einen Gasfederzylinder 94 gleitet, um eine konventionelle Gasfeder zu bilden, verbunden. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Verdrängungskörper-Antriebsstange 90, mit deren Querschnittsfläche die Verdrängungskörperantriebsfläche definiert ist, sowie den Gasfederkolben 92 kompakt als selbsttragende Karosserie auszubilden. Sowohl die Verdrängungskörper-Antriebsstange 90 als auch der Gasfederkolben 92 werden außerhalb des gemeinsamen Volumens und auf der dem Verdrängungskörper 95 entgegengesetzten Seite des gemeinsamen Volumens positioniert. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine Gasfeder zu verwenden. Die Gasfedermaschine sichert die Einregelung unabhängig vom Druck und toleriert somit Druckänderungen durch, beispielsweise, Umgebungstemperaturen mit größerer Leichtigkeit als es ein mechanisch gefiederter Verdrängungskörper tun würde. Da die Gasfeder ihre Federrate direkt dem Druck entsprechend angleicht und da weiterhin sich die Nettofederraten der Kolben ebenfalls direkt entsprechend dem Druck angleichen, wird eine derartige Maschine mit Änderungen im Ladungsdruck in Abstimmung gehalten. Dies ist insbesondere für Maschinen nützlich, welche großen Schwankungen der Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, wie es beispielsweise für einen Solar-Umwandler unter Wüstenbedingungen erforderlich sein kann. Nicht gezeigt, aber üblicherweise in gasgefederten Komponenten enthalten, ist eine mechanische Feder, wie beispielsweise eine Planarfeder, um eine zentrierende Kraft bereitzustellen, so dass die Komponente nicht durch Gravitation oder differenzielle Leckstellen aus der Mittelstellung quer durch den Gasfederkolben 92 driftet.
4 zeigt eine Ausführung der Gamma-Gegenkolbenmaschine mit einem gasgefederten Verdrängungskörper, wie dem in 3 dargestellten. Die Maschine treibt entgegengesetzte Linearkompressoren 96 und 98 an, welche ihre Kompressionskolben 100 und 102 direkt an die Stirling Maschinenkolben 104 und 106 angeschlossen aufweisen, wie es für Wärmepumpen-Anwendungen von Nutzen sein kann, wie in US-Patent 6,701,721 beschrieben, welches hierin durch Referenz mit aufgenommen ist. Wie die Maschine gemäß 3, treibt auch die Maschine gemäß 4 lineare Generatoren an, wie sie in Verbindung mit US-Patent 6,701,721 zur Anwendung in Wärmepumpen benutzt werden kann. Da der Hauptdruck mit den Betriebsbedingungen der Wärmepumpe variiert, ist es in diesem Fall wesentlich, einen gasgefederten Verdrängungskörper einzusetzen, um das Einregeln offen zu halten.
5 zeigt, wie eine Gamma-Gegenkolbenmaschine zur Ausführung der Erfindung aufgebaut werden kann. Die Verdrängungskörper- und Kolbenanordnungen sind vollständig getrennt und können unabhängig voneinander ausgerichtet werden. Der Verdrängungskörper ist innerhalb seines eigenen Zylinders separat ausgerichtet, um eine Verdrängungskörper-Unteranordnung 120 zu bilden, welche in dem Gehäuse 124 angeordnet wird. Die Kolben-Unteranordnungen 126 und 128 sind in vergleichbarer Weise ausgerichtet und an dem Gehäuse 124 befestigt. Keine dieser Unteranordnungen erfordert eine Präzisionsausrichtung mit Bezug aufeinander. Die Heißkammer-Anordnung, wenn ein Motor, andernfalls die Kältekammer, wenn ein Kühler) 122 bilden die abgeschlossene Hülle der Maschine. Eine Flanschbefestigung 130 für einen Brenner, wenn ein Motor) oder für einen Dewar-Gefäß (wenn ein Kühler) ist ebenfalls dargestellt. Der einzelne Expansionsraum bietet leichten Zugang zu den warmen (oder kalten) Ende der Maschine.
Wie in 6 dargestellt, kann eine Gamma-Freikolben-Stirlingmaschine, welche die Erfindung ausführt, mit mehr als zwei der Gegenkolben konfiguriert werden, wie in 2, 3 und 4 veranschaulicht. Jede Anzahl an Kolben größer als zwei kann verwendet werden, sofern sie in praktischer Weise aufgenommen und in einer Weise angeordnet werden, dass sich ihre Impulsvektoren auf Null summieren und damit ihre Schwingungskomponenten ausbalancieren oder aufheben. Die Darstellungen in 6 zeigen die Außengehäuse für charakteristische Anordnungen von zwei, drei und vier Kolben.
6A zeigt die Anordnung einer Zwei-Kolbenausführung, wie dargestellt in 2, 3 und 4. Der Verdrängungskörper-Rohr- bzw. Gehäuseanteil 140 ist in einem rechten Winkel zu der Bewegungsachse der Kolben in den gegenüberliegenden Kolbenrohrteilen 142 orientiert. Damit Maschinen mit zwei oder mehreren Kolben identische Leistung, Druck und Frequenz aufweisen, sollte die gesamte Querschnittsfläche, welche von den Kolben für jede Konfiguration bereit gestellt wird, identisch sein. So würde eine Drei-Kolbenmaschine von identischer Leistung, Druck und Frequenz individuelle Kolben mit 2/3 der Fläche der Zwei-Kolbenmaschine aufweisen und die Vier-Kolbenmaschine würde individuelle Kolbenflächen mit der Hälfte der Zwei-Kolbenmaschine aufweisen.
6B veranschaulicht die Anordnung von drei Kolben innerhalb der Rohr- bzw. Gehäuseteile 148, 150 und 152. Die Kolben bewegen sich entlang von Achsen, welche koplanar und gleichwinklig um die Bewegungsachse des Verdrängungskörpers 146 beabstandet sind. Wie in 8 dargestellt, können die drei Kolben 160, 162 und 164 mit komplementären Kopplungsoberflächenprofilen, welche konisch profilierte Oberflächen 166, 168 und 170 aufweisen, welche komplementär zu einem Verdrängungskörper sind, welcher eine konische Oberfläche an seinem inneren Ende aufweist, bereit gestellt werden. In ähnlicher Weise können die drei Kolben 160, 162 und 164 mit Ausschnitten, welche komplementär zu einer Verdrängungskörper-Verbindungsstange sind, bereit gestellt werden. Damit sich die drei Kolben 160, 162 und 164 einander nahe in dem zentralen gemeinsamen Volumen annähern können, können die Enden der Kolben zusätzlich auch Endoberflächen, wie beispielsweise die planaren Endoberflächen 174 und 176, in einem Winkel von beispielsweise 60° zu ihrer Bewegungsachse aufweisen, so dass die gegenüberliegenden Endoberflächen jedes Kolbens 120° aufeinander stehen. Selbstverständlich können andere komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile verwendet werden.
6C zeigt eine Anordnung mit vier Kolben, welche sich entlang koplanarer Achsen, welche einnder mit 90°-Winkeln beabstandet sind, wobei jede Achse die Bewegungsachse des Verdrängungskörpers in einem 90° Winkel schneidet. Das gleiche Konzept zur Bereitstellung komplementärer Kopplungs-Oberflächenprofilen auf den Kolben und dem Verdrängungskörper ist für die Vier-Kolbenanordnung in 9 veranschaulicht. Obwohl es vier Kolben und ihre vier Zylinder gibt, sind diese identisch, so dass lediglich einer beschrieben wird. Ein Kolben 180, welcher sich in seinem Zylinder 182 hin- und her bewegt, weist ein komplementäres Kopplungs-Oberflächenprofil 184 auf, welches ein Segment eines Konus zur Aufnahme eines Verdrängungskörpers ist, welcher ein konisches inneres Ende aufweist. Ebenfalls weist er einen halbzylindrischen Ausschnitt oder Kanal 186 auf, um ein Kopplungs-Oberflächenprofil auszubilden, welches komplementär zu der Verdrängungskörper-Verbindungsstange 188 ist. Zusätzlich weist das Ende des Kolbens 180 planare Endoberflächen 190 und 192 in 90° zueinander auf, um allen vier Kolben jeweils eine enge Annäherung ohne Kollision zu ermöglichen.
Es gibt weitere ausbalancierte Anordnungen für drei oder mehr Kolben. Jede Anzahl von Kolben kann mit Bewegungsachsen, welche einschließlich einer dreidimensionalen Anordnung gleichwinklig beabstandet sind, angeordnet werden. Zusätzlich können Kolben angeordnet werden, um sich entlang von Achsen mit anderen relativen Orientierungen hin- und her zu bewegen. Kolben mit unterschiedlichen Massen können ebenfalls verwendet werden, wobei die Anforderung zum Ausgleichen der Schwingungen darin besteht, dass ihre Impulsvektoren sich auf Null summieren.
Selbst ohne jeden Schwingungsausgleichsregler verbleibt als einzige Restschwingung einer Maschine gemäß der Erfindung jene Schwingung, welche aus dem Impuls des Verdrängungskörpers und des folgenden Reaktionsimpulses des Gehäuses bzw. Ummantelung resultiert. Es ist daher wünschenswert, die Masse des Verdrängungskörpers soweit wie praktisch möglich zu reduzieren, weil der Verdrängungskörper die einzige Komponente ist, welche Schwingung verursacht. Da die Amplitude der Gehäuseschwingung proportional zur Masse des Verdrängungskörpers multipliziert mit der Amplitude des Verdrängungskörpers, geteilt durch die Gesamtmasse der Restmaschine, multipliziert mit der Amplitude des Gehäuses ist, ist die Schwingungsamplitude proportional dem Verhältnis der Verdrängungskörpermasse zur Masse der Restmaschine. Es ist daher ein Leistungsanreiz, die Masse des Verdrängungskörpers so gering wie möglich zu konstruieren, relativ zur Gesamtmasse der Maschine.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, dass, obwohl eine typische Gamma-konfigurierte Freikolben-Stirlingmaschine ein großes und damit unerwünschtes Totvolumen aufweist, die Ausführungen der Erfindung das Totvolumen stark reduzieren und nahezu eliminieren, während die übrigen Vorteile der Gamma-Konfiguration beibehalten werden. Diese Reduzierung des Totvolumens ergibt eine höhere Kapazität pro Einheit an Maschinenvolumen (d. h. die Gesamtgröße der Maschine). Die Reduzierung verbessert die spezifische Kapazität der Maschine, wobei die spezifische Kapazität als die Arbeit oder Leistung pro Volumeneinheit der Maschine definiert ist, ob als Motor oder als Kühler/Wärmepumpe betrieben.
Der bildliche Vergleich der Zeichnungen gemäß 1 und 2 erlaubt einen Vergleich einer konventionellen Beta-konfigurierten Freikolben-Stirlingmaschine im Größenvergleich mit einer Zwei-Kolbenmaschine, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, wobei beide Maschinen für identische Leistung, Frequenz und Druck konstruiert sind. Die Minimierung der ungepfeilten Verdrängungskörper- und Kolbenzylindervolumina wird durch Formgebung des Verdrängungskörpers und der Kolben derart erreicht, dass ihre Bewegungen einander ohne körperliche Kollisionen schneiden bzw. kreuzen. Offensichtlich ist die Gegenkolben-Gamma-Maschine gemäß 2 kürzer und kompakter als die Beta-konfigurierte Maschine gemäß 1. In einer Konstruktionsstudie wies eine 1 Kw Gegenkolben-Gamma-Maschine 20 kg weniger Masse auf als die äquivalente, konventionelle Beta-Maschine mit gleichem Druck und Frequenz. Die Schwingungsniveaus der Gegenkolben-Gamma (Maschine) ohne jeden Vibrationsausgleicher waren vergleichbar denen der Beta-Maschine mit einem daran angeschlossenen Vibrationsausgleicher.
Die detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ist grundsätzlich als Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beabsichtigt und dient nicht der Darstellung der einzigen Ausführungsform, in welcher die vorliegende Erfindung konstruiert oder verwendet werden kann. Die Beschreibung gibt die Konstruktionen, Funktionen, Mittel und Verfahren zur Durchführung der Verbindung in Verbindung mit den veranschaulichten Ausführungsformen wieder. Es ist jedoch zu verstehen, dass die gleichen oder äquivalenten Funktionen oder Merkmale durch verschiedene Ausführungsformen erzielt werden können, welche ebenfalls im Sinne und Bereich der Erfindung umfasst sind und dass verschiedene Modifizierungen angenommen werden können, ohne von der Erfindung oder dem Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6701721 [0044, 0044]

Claims

Verbesserte Freikolben-Stirlingmaschine, welche eine Gamma-Konfiguration aufweist und einen Verdrängungskörper (40; 95) beinhaltet, welcher ein inneres Ende (42) aufweist und innerhalb eines Verdrängungszylinders (44) entlang einer Verdrängungskörperachse (46) hin- und herbewegbar ist, und einen Arbeitsraum in einen Kompressionsraum (48) und einen Expansionsraum (50) separiert, wobei die Verbesserung umfasst: (a) mindestens zwei Arbeitskolben (52, 54), welche in einer ausgeglichenen Konfiguration zum Ausgleich ihrer Impulsvektoren angeordnet sind, wobei jeder Kolben (52, 54) ein inneres Ende (62, 64) aufweist und innerhalb eines Zylinders (58, 60) mit einem inneren Ende (62, 64) hin- und herbewegbar ist, und die Zylinder (58, 60) an ihrem inneren Ende (62, 64) jeweils eine hindernisfreie Öffnung in ein gemeinsames Volumen des Arbeitsraumes aufweisen, und das gemeinsame Volumen durch die Schnittfläche von Innenprojektionen des Verdrängungszylinders (44) und der Kolbenzylinder (58, 60) definiert ist, wobei der Verdrängungskörper (40; 95) und die Kolben (52, 54) jeweils einen Bereich der Hinundherbewegung aufweisen, welcher in das gemeinsame Volumen hineinragt; und (b) eine Verdrängungskörper-Antriebsstange (66; 90), welche in einem Antriebsstangenzylinder (68) hin- und herbewegbar ist, wobei die Verdrängungskörper-Antriebsstange (66) und der Antriebsstangenzylinder (68) außerhalb des gemeinsamen Volumens und auf der dem gemeinsamen Volumen gegenüberliegenden Seite von dem Verdrängungskörper (40; 95) positioniert sind, und der Verdrängungskörper (40; 95) mit der Verdrängungskörper-Antriebsstange (66; 90) durch eine Verdrängungskörper-Verbindungsstange (70) verbunden ist.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 1, wobei der Verdrängungskörper (40; 95) und die Kolben (52, 54) komplementäre Kopplungs-Oberflächenprofile, welche auf ihren inneren Enden (42) ausgebildet sind, aufweisen.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei die Verdrängungskörper-Verbindungsstange (70) einen geringeren Durchmesser oder Dicke als die Verdrängungskörper-Antriebsstange (66) aufweist.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei das innere Ende (62, 64) jedes Kolbens (52, 54) ein Oberflächenprofil aufweist, welches in Größe und Position zu der Verdrängungskörper-Verbindungsstange (70) komplementär ist.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei das innere Ende (42) des Verdrängungskörpers (40; 95) ein konisches Profil aufweist und die komplementären Kopplungs-Oberflächenprofile auf den Kolben Segmente (72, 74) eines Konus sind.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei es mindestens drei (160, 162, 164) der ausgeglichenen Kolben gibt.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei es mindestens vier (180; 52, 54) der ausgeglichenen Kolben gibt.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei die Verdrängungskörper-Verbindungsstange (70) einen geringeren Durchmesser oder Dicke als die Verdrängungskörper-Antriebsstange (66) aufweist und das innere Ende (62, 64) jedes Kolbens (52, 54) eine Kavität (76, 77) mit einem Oberflächenprofil aufweist, welches in Größe und Position zu der Verdrängungskörper-Verbindungsstange (70) komplementär ist.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 8, wobei das innere Ende (42) des Verdrängungskörpers (40) ein konisches Profil aufweist und die komplementären Kopplungs-Oberflächenprofile auf den Kolben Segmente (72, 74) eines Konus sind.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 9, wobei es mindestens drei (160, 162, 164; 52, 54) der ausgeglichenen Kolben gibt.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 10, wobei es mindestens vier (180; 52, 54) der ausgeglichenen Kolben gibt.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei der Verdrängungskörper (40) zur Verdrängungskörperresonanz an eine mechanische Feder (78) oder eine Gasfeder (88) oder an beides gefedert ist.
Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, wobei die Kolben (52, 54; 104, 106) an einen linearen Motor/Generator oder einen linearen Kompressor (96, 98) oder an beides gekoppelt sind.