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BESCHREIBUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Verbesserungen an Hubkolben-Motorverdichtern.
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BESCHREIBUNG DES ZUGEHÖRIGEN STANDES DER TECHNIK
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Hubkolbenverdichter werden in verschiedenen industriellen Gebieten zur Verstärkung des Drucks eines Gases verwendet. Typische Anwendungen für Hubkolbenverdichter bestehen in Raffinerien, zum Beispiel in Reformer-, Hydrocracker- und Wasserstoffbehandlungsanlagen. Typische Anwendungen für Hubkolbenverdichter können auch in der Polymerindustrie, zur Herstellung von Ethylen und Derivaten vorgefunden werden.
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Hubkolbenverdichter sind gewöhnlich durch Elektromotoren angetrieben, die mit elektrischer Energie von einem elektrischen Energieverteilungsnetz versorgt werden. In einigen bekannten Ausführungsformen werden Hubkolbenverdichter durch Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Diesel- oder Otto-Kolbenmotoren, angetrieben. In anderen Anlagen werden Dampfturbinen verwendet, um die Hubkolbenverdichter anzutreiben. Eine große Menge der hochwertigen Energie wird somit gewöhnlich zum Antreiben der Verdichter benötigt. Motorverdichter, die Diesel- oder Otto-Verbrennungsmotoren verwenden, sind besonders komplex und kostspielig sowohl unter dem Gesichtspunkt der Herstellung als auch unter dem Gesichtspunkt der Instandhaltung.
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Außerdem weisen die Verbrennungsmotoren einen geringen Wirkungsgrad auf, wenn sie langsam drehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung schlägt einen verbesserten Hubkolben-Motorverdichter vor, der wenigstens einige der Probleme bekannter Motorverdichter löst oder mindert.
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Insbesondere besteht eines der objektiven technischen Probleme, die durch den durch die vorliegende Offenbarung vorgeschlagenen verbesserten Hubkolben-Motorverdichter gelöst werden, darin, wie eine integrierte Maschine, die einen Hubkolbenverdichter aufweist, mit einem Hochwirkungsgrad, wenn ihre Drehzahl gering ist, geschaffen werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Hubkolben-Motorverdichter einen Rahmen auf, in dem eine Kurbelwelle drehbar aufgenommen ist. Verdichterkolben sind antriebsmäßig mit der Kurbelwelle verbunden und werden dadurch in jeweiligen Verdichterzylindern hin- und hergehend bewegt. Der Kolben ist mit einem Kreuzkopf integral verbunden, der an einer Verbindungsstange gelenkig gelagert ist. Der Verbindungskopf ist eingerichtet, um die Bewegung der Kurbelwelle auf den Kreuzkopf zu übertragen, und der Kreuzkopf ist eingerichtet, um sich gemeinsam mit dem Kolben in dem Verdichtungszylinder geradlinig zu bewegen. Die Kurbelwelle wird durch einen eingebetteten Stirlingmotor drehend angetrieben. Der Stirlingmotor weiß wenigstens einen heißen Zylinder und einen kalten Zylinder auf, in denen sich ein jeweiliger heißer Kolben und ein jeweiliger kalter Kolben hin- und hergehend bewegen. Wärmeleistung wird dem heißen Zylinder zugeführt und teilweise in mechanische Leistung zum Antreiben des Hubkolbenverdichters umgewandelt. Die Drehzahl der Kurbelwelle liegt zwischen 150 und 1500 U/min.
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Eine Integration eines Stirlingmotors in einem Hubkolbenverdichter als eine Antriebsvorrichtung für den Hubkolbenverdichter ermöglicht es, Abwärme, zum Beispiel aus Verbrennungsabgas einer Gasturbine oder aus einer beliebigen sonstigen Quelle von Abwärme in einem industriellen Prozess, zu nutzen, um den Hubkolbenverdichter anzutreiben, wodurch hochwertige Energie, wie beispielsweise elektrische Energie oder fossiler Brennstoff, eingespart wird. In einigen Ausführungsformen kann Solarenergie als eine Wärmequelle verwendet werden. In einigen Ausführungsformen könnte ein ungenutzter Kaltflussstrom als eine kalte Quelle in Verbindung mit einer heißen Quelle unter Umgebungstemperatur oder mit einer heißen Quelle bei einer Temperatur, die höher als die Umgebungstemperatur ist, verwendet werden.
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Es wird mechanische Leistung an der Kurbelwelle zum Antreiben der Verdichterkolben mittels einer thermodynamischen zyklischen Transformation zur Verfügung gestellt, die durch ein Arbeitsfluid durchgeführt wird, das durch den Stirlingmotor gemäß einem geschlossenen Kreislauf verarbeitet wird, wobei das Arbeitsfluid Hochtemperaturwärme an der heißen Quelle aufnimmt und Niedertemperaturwärme an der kalten Quelle abgibt.
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Stirlingmotoren können bei einer relativen geringen Drehzahl mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden, was zum Antreiben großer Hubkolbenverdichter, insbesondere Hyper-Kompressoren, besonders nützlich ist.
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Unter den verschiedenen Vorteilen eines Stirlingmotors gegenüber einem Verbrennungsmotor sind die folgenden wert, erwähnt zu werden: es wird ein einfacheres Schmiersystem benötigt; es sind keine Zündkerzen, Luftfilter, Steuerketten und andere Komponenten des Zeitsteuerungssystems erforderlich; es werden keine Kraftstoffeinspritzsysteme verwendet; kostspielige fossile Brennstoff hoher Qualität werden nicht benötigt.
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Außerdem kann, weil die Größe von Stirlingzylinderbohrungen größer sein kann als die der Verbrennungszylinder, die gleiche Antriebsleistung, die benötigt wird, um einen Hubkolbenverdichter zu betreiben, mit einer geringeren Anzahl von Zylindern generiert werden, falls ein Stirlingmotor anstelle eines Verbrennungsmotors verwendet wird. Dies macht die gesamte Anordnung einfacher und kompakter. In einigen Ausführungsformen ist die Anzahl der Hubkolbenverdichterzylinder gleich der Anzahl von Stirlingmotorzylindern oder sogar kleiner als diese. Zum Beispiel kann ein Zweizylinder-Stirlingmotor einen Zwei- oder Vierzylinder-Hubkolbenverdichter betreiben.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann ein Hubkolben-Motorverdichter geschaffen sein, der aufweist: einen Rahmen; eine Kurbelwelle, die in dem Rahmen drehbar gelagert ist und mehrere Kurbelzapfen aufweist; wenigstens eine Verdichtungszylinder-Kolben-Anordnung, die einen Verdichtungszylinder und einen darin hin- und hergehenden Verdichtungskolben aufweist und die mit jeweiligen einem der Kurbelzapfen antriebsmäßig verbunden ist; einen eingebetteten Stirlingmotor, der aufweist: wenigstens eine Heißzylinder-Kolben-Anordnung, die einen heißen Zylinder mit einem heißen Kolben, der in dem heißen Zylinder gleitend aufgenommen ist, aufweist; eine heiße Quelle; wenigstens eine Kaltzylinder-Kolben-Anordnung, die einen kalten Zylinder mit einem kalten Kolben, der in dem kalten Zylinder gleitend aufgenommen ist, aufweist; eine kalte Quelle; eine Fluidverbindung zwischen dem kalten Zylinder und dem heißen Zylinder, durch die ein Arbeitsfluid von dem heißen Zylinder zu dem kalten Zylinder und umgekehrt strömt. Der heiße Kolben und der kalte Kolben sind antriebsmäßig mit wenigstens einem der Kurbelzapfen verbunden, so dass durch den Stirlingmotor erzeugte Leistung die wenigstens eine Verdichtungszylinder-Kolben-Anordnung antreibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft der hierin offenbarte Gegenstand ein Verfahren zum Antreiben eines Hubkolbenverdichters, das die Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Kurbelwelle mit mehreren Kurbelzapfen in einem Rahmen;
antriebsmäßiges Verbinden wenigstens eines Hubkolbens wenigstens eines Verdichtungszylinder-Kolben-Anordnung mit einer der Kurbelwelle;
Bereitstellen ein Stirlingmotors mit einer heißen Quelle, einer kalten Quelle, einem heißen Kolben und einem kalten Kolben;
antriebsmäßiges Verbinden des heißen Kolbens und des kalten Kolbens des Stirlingmotors mit der Kurbelwelle;
Zuführen von Wärmeleistung zu dem Stirlingmotor;
Umwandeln wenigstens eines Teils der Wärmeleistung in mechanische Nutzleistung in dem Stirlingmotor und Antrieben des Hubkolbens mit der mechanischen Leistung.
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Merkmale und Ausführungsformen sind hier nachstehend offenbart und sind in den beigefügten Ansprüchen, die einen integralen Teil der vorliegenden Beschreibung bilden, weiter angegeben. Die vorstehende Kurzbeschreibung gibt Merkmale verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an, damit die detaillierte Beschreibung, die folgt, besser verstanden wird und damit die vorliegenden Beiträge zu der Technik besser gewürdigt werden können. Es gibt natürlich weitere Merkmale der Erfindung, die hier nachstehend beschrieben sind und die in den beigefügten Ansprüchen angegeben sind. In dieser Hinsicht wird, bevor verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, verstanden werden, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details bezüglich des Aufbaus und bezüglich der Anordnungen der Komponenten, wie in der folgenden Beschreibung erläutert oder in den Zeichnungen veranschaulicht, beschränkt sind. Die Erfindung ist zu weiteren Ausführungsformen in der Lage und kann auf verschiedene Weise in die Praxis umgesetzt und ausgeführt werden. Ferner sollte verstanden werden, dass die Ausdrucksweise und Terminologie, die hierin verwendet wird, dem Zwecke der Beschreibung dient und nicht als beschränkend angesehen werden sollte.
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An sich werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die Konzeption, auf der die Offenbarung basiert, ohne weiteres als eine Basis zur Konstruktion weiterer Strukturen, Verfahren und/oder Systeme zur Ausführung der verschiedenen Zwecke der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Es ist deshalb wichtig, dass die Ansprüche derart betrachtet werden, dass sie derartige äquivalente Konstruktionen insofern mit einschließen, als sie nicht von dem Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine umfassendere Würdigung der offenbarten Ausführungsformen der Erfindung und viele begleitenden Vorteile von dieser werden leicht erhalten, wenn dieselbe durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, worin zeigen:
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1 eine schematische Perspektivansicht einer integrierten Hubkolbenverdichter- und Stirlingmotoranordnung;
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2 und 3 schematische Querschnittansichten gemäß den Linien II-II und III-III nach 1;
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4 bis 7 schematische Darstellungen von vier beispielhaften Ausführungsformen eine von Kurbelwellen- und relevanten Kolbenanordnungen gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen nimmt auf die beigefügten Zeichnungen Bezug. Die gleichen Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen kennzeichnen die gleichen oder ähnliche Elemente. Außerdem sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Ferner beschränkt die folgende detaillierte Beschreibung die Erfindung nicht. Stattdessen ist der Schutzumfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Eine Bezugnahme überall in der Beschreibung auf „eine einzelne Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ oder „einige Ausführungsformen“ bedeutet, dass das bestimmte Merkmal, die bestimmte Struktur oder Eigenschaft, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben ist, in wenigstens einer Ausführungsform des offenbarten Gegenstands enthalten ist. Somit bezieht die erscheinende Formulierung „in einer einzelnen Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ oder „in einigen Ausführungsformen“ an verschiedenen Stellen durch die Beschreibung hinweg nicht notwendigerweise auf die gleiche(n) Ausführungsform(en). Ferner können die bestimmten Merkmale, Strukturen und Eigenschaften in einer beliebigen geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformern miteinander kombiniert sein.
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1 veranschaulicht in schematisierter Weise einen Hubkolbenverdichter mit einem integrierten Stirlingmotor. Die Maschine 1 weist einen Rahmen oder ein Kurbelgehäuse 3 auf, in dem eine Kurbelwelle 5 angeordnet ist. Die Kurbelwelle 5 ist mit mehreren Hubkolben antriebsmäßig verbunden, die in jeweiligen Zylindern gleitend aufgenommen sind. Einige der Zylinder-Kolben-Anordnungen bilden einen Hubkolbenverdichterabschnitt 1A der Maschine 1, und wenigstens zwei Zylinder-Kolben-Anordnungen bilden einen Stirlingmotorabschnitt 1B. In einigen Ausführungsformen kann der Hubkolbenverdichterabschnitt 1A zwei Verdichtungszylinder-Kolben-Anordnungen 7A, 7B enthalten.
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Die Zylinder-Kolben-Anordnungen des Hubkolbenverdichterabschnitts 1A können parallel oder in Reihe miteinander verbunden sein. In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den 1 bis 3 veranschaulicht ist, sind die beiden Zylinder-Kolben-Anordnungen insofern in Reihe verbunden, als der Auslass der Druckseite der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung 7A mit dem Einlass der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung 7B strömungsmäßig verbunden ist. Ein Gas wird aufeinanderfolgend in den beiden Zylinder-Kolben-Anordnungen 7A, 7B verarbeitet, und folglich weist der Zylinder der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung 7B ein kleineres Volumen auf als der Zylinder der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung 7A.
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In anderen Ausführungsformen kann lediglich eine einzige Zylinder-Kolben-Anordnung oder können mehr als zwei Zylinder-Kolben-Anordnungen in dem Hubkolbenverdichterabschnitt 1A der Maschine 1 vorgesehen sein.
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Der Stirlingmotorabschnitt 1B der Maschine 1 weist eine Heißzylinder-Kolben-Anordnung 9 und eine Kaltzylinder-Kolben-Anordnung 11 auf.
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2 und 3 veranschaulichen schematische Schnittansichten gemäß zu der Kolbenhubrichtung der Maschine 1 parallelen Schnittebenen. In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den 2, 3 veranschaulicht ist, ist der Hubkolbenverdichter ein Kolbenverdichter mit Doppelwirkung. In anderen Ausführungsformen können einfach wirkende Hubkolbenverdichter verwendet werden.
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2 veranschaulicht eine Schnittansicht der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung 7A des Hubkolbenverdichterabschnitts 1A und eine Schnittansicht der Heißzylinder-Kolben-Anordnung 9 des Stirlingmotorabschnitts 1B. 3 veranschaulicht eine Schnittansicht der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung 7B und der Kaltzylinder-Kolben-Anordnung 11.
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Bezugnehmend auf 2 weist die erste Zylinder-Kolben-Anordnung 7A in einer Ausführungsform einen Zylinder 13A mit einem inneren zylindrischen Hohlraum 15A auf, der einen Kolben 17a aufnimmt. Der Kolben 17A bewegt sich hin- und hergehend innerhalb des Vorraums 5 entsprechend dem Doppelpfeil f17A.
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Der Hohlraum 15A weist ein Kopfende und ein kurbelwellenseitiges Ende auf, die durch jeweilige Verschlusselemente 19A und 21A verschlossen sein können. Die Verschlusselemente können an einer zylindrischen Trommel 23A festgehalten sein. Das Verschlusselement 21A kann mit einem Durchgang versehen sein, durch den sich eine Kolbenstange 25A erstrecken kann. Wellendichtungsbuchsen 27A können für eine Abdichtung rings um die Kolbenstange 25A sorgen. Der Kolben 17A unterteilt den inneren Hohlraum 15A des Zylinders 23A in eine jeweilige erste oder kopfendseitige Kammer 21A bzw. eine zweite oder kurbelwellenseitige Kammer 31A.
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Jede erste Kammer 29A und zweite Kammer 31A ist über jeweilige Ansaugventile und Auslassventile mit einem Ansaugkanal und einem Auslasskanal, nicht veranschaulicht, verbunden. In einigen Ausführungsformen können die Ansaugventile und die Auslassventile automatische Ventile, zum Beispiel sogenannte Ringventile oder dergleichen, sein. Ansaugventilanordnungen für die erste und die zweite Kammer 29A und 31A sind bei 33A bzw. 35A veranschaulicht. Die Anzahl der Ansaug- und Auslassventile für jede einzelne der beiden Kammern 29A und 31A kann unterschiedlich sein, je nach der Abmessung und der Konstruktion des Hubkolbenverdichters.
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Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 17A und der Kolbenstange 25A ist durch die Kurbelwelle 5 über eine jeweilige Verbindungsstange 37A gesteuert. Die Verbindungsstange 37A kann bei 39A an einem Kreuzkopf 41A gelenkig gelagert sein, der mit Kreuzkopfgleitschuhen 23A in gleitendem Kontakt mit Gleitflächen 44A versehen sein kann. Die Drehbewegung der Kurbelwelle 5 wird in eine hin- und hergehende geradlinige Bewegung des Kreuzkopfs 41A entsprechend dem Doppelpfeil f41A umgesetzt. Ein erstes Ende der Kolbenstange 25A ist mit dem Kreuzkopf 41A verbunden, und ein zweites Ende ist mit dem Kolben 17A verbunden, so dass sich der Kreuzkopf 41A und der Kolben 17A integral miteinander hin und her bewegen.
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Die Konfiguration mit der Verbindungsstange, dem Kreuzkopf und dem Kolben ermöglicht es, die mechanischen Beanspruchungen zu reduzieren, wenn der Hubkolbenverdichter eine Maschine mit großen Abmessungen ist.
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Das große Ende der Verbindungsstange 37A ist an einem Kurbelzapfen 5.1 der Kurbelwelle 5 gelagert. Ein benachbarter Kurbelzapfen 5.2 der Kurbelwelle 5 kann in einem Loch eines großen Endes einer Verbindungsstange 51 der Heißzylinder-Kolben-Anordnung 9 des Stirlingmotorabschnitts 1B in Eingriff stehen. Die Heißzylinder-Kolben-Anordnung 9 weist einen heißendseitigen Zylinder 53 und einen heißendseitigen Kolben 55 auf, der in dem heißendseitigen Zylinder 53 gleitend aufgenommen ist, wodurch eine Expansionskammer 56 ausgebildet ist. Der heißendseitige Kolben 55 ist über eine heißendseitige Kolbenstange 57 mit einem heißendseitigen Kreuzkopf 59 verbunden, der über Gleitschuhe 61 mit Gleitflächen 63 in gleitendem Kontakt steht. Der Kreuzkopf 59 ist bei 65 mit dem kleinen Ende der Verbindungsstange 51 schwenkbar verbunden. Wenn die Kurbelwelle 5 rotiert, bewegt sich der heißendseitige Kolben 55 im dem heißendseitigen Zylinder 53 hin und her.
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Indem nun auf 3 Bezug genommen wird, weist die zweite Zylinder-Kolben-Anordnung 7B des doppelt wirkenden Hubkolbenverdichters in einer Ausführungsform einen Zylinder 13B auf, der einen inneren zylindrischen Hohlraum 15B aufweist, der einen Kolben 17B aufnimmt. Der Kolben 17B bewegt sich hin- und hergehend innerhalb des Hohlraums 5 entsprechend dem Doppelpfeil f17B.
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Der Hohlraum 15B weist ein Kopfende und ein kurbelwellenseitiges Ende auf, die durch jeweilige Verschlusselemente 19B und 21B verschlossen sein können. Die Verschlusselemente können an einer zylindrischen Trommel 23B festgehalten sein. Das Verschlusselement 21B kann mit einem Durchgang versehen sein, durch den sich eine Kolbenstange 25B erstrecken kann. Wellendichtungsbuchsen 27B können für eine Abdichtung rings um die Kolbenstange 27B sorgen. Der Kolben 17B unterteilt den inneren Hohlraum 15B des Zylinders 23B in eine jeweilige erste oder kopfendseitige Kammer 29B und eine zweite oder kurbelwellenseitige Kammer 31B.
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Jede erste Kammer 29B und zweite Kammer 31B ist durch jeweilige Ansaugventile und Auslassventile mit einem Ansaugkanal und einem Auslasskanal, nicht veranschaulicht, verbunden. In einigen Ausführungsformen können die Ansaugventile und die Auslassventile automatische Ventile, zum Beispiel sogenannte Ringventile oder dergleichen, sein. Ansaugventilanordnungen für die erste und die zweite Kammer 29B und 31B sind bei 33B bzw. 35B veranschaulicht. Die Anzahl der Ansaug- und Auslassventile für jede einzelne der beiden Kammern 29B und 31B kann je nach der Abmessung und der Konstruktion des Hubkolbenverdichters unterschiedlich sein.
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Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 17B und der Kolbenstange 25B ist durch die Kurbelwelle 5 über eine jeweilige Verbindungsstange 37B gesteuert. Die Verbindungsstange 37B kann bei 39B an einem Kreuzkopf 41B gelenkig gelagert sein, der mit Kreuzkopfgleitschuhen 43B in gleitendem Kontakt mit Gleitflächen 45B versehen sein kann. Die Drehbewegung der Kurbelwelle 5 wird in eine hin- und hergehende geradlinige Bewegung des Kreuzkopfs 41B entsprechend dem Doppelpfeil f41B umgesetzt. Die Kolbenstange 25B kann mit dem Kreuzkopf 41B und dem Kolben 17B verbunden sein und überträgt die Bewegung von dem Kreuzkopf 41B auf den Kolben 17B.
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Das große Ende der Verbindungsstange 37B ist auf einem Kurbelzapfen 5.3 der Kurbelwelle 5 gelagert. Ein benachbarter Kurbelzapfen 5.4 der Kurbelwelle 5 kann in dem Loch eines großen Endes eine Verbindungsstange 71 der Kaltzylinder-Kolben-Anordnung 11 des Stirlingmotorabschnitts 1B in Eingriff stehen. Die Kaltzylinder-Kolben-Anordnung 11 weist einen kaltendseitigen Zylinder 73 und einen kaltendseitigen Kolben 75 auf, der in dem kaltendseitigen Zylinder 73 gleitend aufgenommen ist. Eine Kaltverdichtungskammer 74 ist zwischen dem kaltendseitigen Kolben 75 und dem kaltendseitigen Zylinder 73 ausgebildet. Der kaltendseitige Kolben 75 ist über eine kaltendseitige Kolbenstange 77 mit einem kaltendseitigen Kreuzkopf 79 verbunden, der über Gleitschuhe 61 mit Gleitflächen 83 in gleitendem Kontakt steht. Der kaltendseitige Kreuzkopf 79 ist bei 85 mit dem kleinen Ende der Verbindungsstange 71 schwenkbar verbunden. Während die Kurbelwelle 5 rotiert, bewegt sich somit der kaltendseitige Kolben 75 hin- und hergehend in dem kaltendseitigen Zylinder 73.
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Eine heiße Quelle, das heißt eine Wärmeenergiequelle, die bei 91 schematisch dargestellt ist, ist mit der Heißzylinder-Kolben-Anordnung 9 kombiniert und liefert Wärmeenergie bei einer hohen Temperatur zu einem Arbeitsfluid, das zyklisch von dem heißendseitigen Zylinder 53 zu dem kaltendseitigen Zylinder 73 und umgekehrt bewegt wird, während ein thermodynamischer Stirlingkreisprozess durchgeführt wird.
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Die heiße Quelle 91 kann einen Brenner aufweisen, wenn ein Brennstoff verbrannt wird, um Wärme zu erzeugen, die zum Bespiel über einen bei 62 schematisch veranschaulichten Wärmetauscher zu dem Arbeitsfluid des Stirlingmotors übertragen wird.
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In einigen Ausführungsformen kann die heiße Quelle ein Wärmerückgewinnungssystem sein, bei dem Abwärme auf ein Arbeitsfluid übertragen wird. Zum Beispiel kann Wärme von dem Verbrennungsabgas einer Gasturbine auf das Arbeitsfluid des Stirlingmotors übertragen werden. Eine gesonderte Wärmeübertragungsschleife (nicht veranschaulicht), bei der ein Wärmeübertragungsfluid umgewälzt wird, kann verwendet werden, um Wärme von der Abwärmequelle auf den Stirlingmotor zu übertragen. Diathermisches Öl, Wasser oder ein beliebiges sonstiges geeignetes Wärmeübertragungsfluid kann in der Schleife umgewälzt werden und Wärme mit dem Verbrennungsabgas aus einer Gasturbine auf einer Seite und mit dem Arbeitsfluid des Stirlingmotors auf der anderen Seite austauschen.
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Eine kalte Quelle oder Wärmesenke 93 ist mit der Kaltzylinder-Kolben-Anordnung 11 kombiniert. Wärme mit geringer Temperatur (das heißt Wärmeenergie mit einer Temperatur, die kleiner ist als die Temperatur der Wärmeenergie, die durch die heiße Quelle 91 bereitgestellt wird), wird aus dem Arbeitsfluid an der kalten Quelle 93 abgeführt. Ein Durchgang oder Kanal 94 verbindet den heißendseitigen Zylinder 53 mit dem kaltendseitigen Zylinder 73. Die kalte Quelle oder Wärmesenke 93 kann einen Wärmetauscher, zum Beispiel einen Luftwärmetauscher, aufweisen, worin das Arbeitsfluid des Stirlingmotors durch Abgabe von Wärme geringer Temperatur in Umgebungsluft gekühlt wird. Ein Wasserwärmetauscher kann ebenfalls als eine Wärmesenke verwendet werden, wodurch Wärme mit geringer Temperatur aus dem Arbeitsfluid des Stirlingmotors durch Umwälzung von kaltem Wasser abgeführt wird. An dem Kanal 94 kann eine Wärmerückgewinnungseinrichtung 96 angeordnet sein.
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In einigen Ausführungsformen kann die Wärmesenke eine kalte Quelle enthalten, bei der Wärme bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur, abgeführt wird. Zum Beispiel kann ein kaltes Fluid aus einem Expansionsprozess, ein Kältemittel eines Kältekreislaufs oder dergleichen als eine kalte Quelle verwendet werden. Eine kalte Quelle kann durch einen Widerverdampfungsprozess bereitgestellt werden, bei dem Wärme aus der kalten Quelle abgeführt und verwendet wird, um Flüssigerdgas (LNG, liquid natural gas) zu vergasen. In diesem Fall wird die Wärmeabfuhr aus der kalten Quelle des Stirlingmotors durch einen Wärmeaustausch mit einer Strömung eines ungenutzten kalten Fluids erzielt.
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In einigen Ausführungsformen, in denen die kalte Quelle eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur aufweist, kann die heiße Quelle eine Temperatur bei der Umgebungstemperatur aufweisen. Falls die Temperatur der kalten Quelle hinreichend niedriger ist als die Umgebungstemperatur, kann die heiße Quelle Umgebungsluft selbst sein.
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Gewöhnlich ist ein Temperaturabfall zwischen der heißen Quelle und der kalten Quelle von 200° oder mehr zum Betreiben eines Stirlingmotors, der in einem integrierten Hubkolben-Motorverdichter eingebettet ist, wie dem in den 1 bis 3 veranschaulichten, geeignet.
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Die Winkelpositionen der Kurbelzapfen 5.1–5.4 können anhand der 4 besser erkannt werden, wo lediglich die Mittellinie der Kurbelwelle 5 gemeinsam mit einer sehr schematischen Darstellung der Kolben, der Verbindungsstangen, der Kolbenstangen und der Kreuzköpfe der Maschine 1 veranschaulich ist. Die in 4 schematisch dargestellten Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie in den 1 bis 3 verwendet werden.
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Wie in den 2, 3 und 4 veranschaulicht, sind die beiden Kurbelzapfen 5.1, 5.2 winkelmäßig um 180° in Bezug aufeinander versetzt; die Kurbelzapfen 5.3, 5.4 sind um 180° in Bezug aufeinander versetzt; und die Kurbelzapfen 5.2 und 5.3 sind um 90° versetzt. Die beiden Kolben des Stirlingmotorabschnitts 1B sind somit bei 90° in Bezug aufeinander phasenverschoben. Der Stirlingmotor ist in der Hubkolbenmaschine als der Stirlingmotorabschnitt 1B vollständig integriert und benutzt die Kurbelwelle, den Rahmen, Lager und ein Schmiersystem (einschließlich der Schmierölpumpe und eines Kühlers, falls vorhanden) des Hubkolbenverdichterabschnitts 1B mit.
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In der schematischen Darstellung nach 4 ist die Wärme mit hoher Temperatur, die an der heißen Seite des Stirlingmotors geliefert wird, anhand eines Pfeils H1 dargestellt, und Wärme mit niedriger Temperatur, die von der kalten Seite des Stirlingmotors abgeführt wird, ist anhand eines Pfeils H2 dargestellt.
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Der Betrieb eines Stirlingmotors ist aus der Technik bekannt und wird hierin nicht in Einzelheiten beschrieben. Es genügt, darauf zu erinnern, dass, sobald die hin- und hergehende Bewegung des heißendseitigen Kolbens 55 in dem heißendseitigen Zylinder 53 und des kaltendseitigen Kolbens 75 in dem kaltendseitigen Zylinder 73 eingeleitet wird, diese dank der an dem heißen Ende gelieferten Wärmeleistung fortgeführt wird, die teilweise in mechanische Leistung umgewandelt wird, die an der Kurbelwelle zur Verfügung steht, während die nicht umgewandelte Wärmeenergie an der kalten Senke ausgegeben wird. Eine Energieumwandlung wird durch die zyklische thermodynamische Transformation durchgeführt, der das Arbeitsfluid unterzogen wird, das in dem geschlossenen System enthalten ist, das durch die beiden Zylinder-Kolben-Systeme 9, 11 den Wärmeregenerator 96, den Kühler 93, die Heizeinrichtung 92 sowie den Kanal 94, der diese miteinander verbindet, gebildet ist.
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Die mechanische Leistung, die auf diese Weise durch den Stirlingmotor erzeugt wird, der durch die beiden Zylinder-Kolben-Systeme 9, 11 und den relevanten Verbindungskanal, die heiße Quelle und die kalte Quelle gebildet ist, wird dazu verwendet, die Kurbelwelle 5 anzutreiben und das Gas in dem Hubkolbenverdichterabschnitt 1A der Hubkolbenmaschine 1 zu verdichten. An der Kurbelwelle 5 ist ein (nicht veranschaulichtes) Schwungrad vorgesehen, der darin unterstützt, die Kurbelwelle in einer kontinuierlichen Drehbewegung zu halten.
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Größere Maschinen, die eine größere Anzahl von Verdichterhubkolben und Stirlingmotorkolben enthalten, können auf der Basis des gleichen Konzeptes konstruiert werden. 5 veranschaulicht auf die gleiche schematische Weise wie 4 die Anordnung von einer Kurbelwelle, Kurbelzapfen, Verbindungsstangen, Kreuzköpfen und Kolben in einem integrierten Hubkolben-Motorverdichter, der vier Verdichterhubkolben und einen doppelten Stirlingmotor, einschließlich zweier Kaltzylinder-Kolben-Anordnungen und zweier Heißzylinder-Kolben-Anordnungen, enthält. Insbesondere ist in der Ausführungsform nach 5 eine Kurbelwelle 5 mit acht Kurbelzapfen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 und 5.8 veranschaulicht. Die Drehachse der Kurbelwelle 5 ist bei A-A veranschaulicht.
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In 5 sind die Komponenten und Elemente der vier Zylinder-Kolben-Systeme des Hubkolbenverdichterabschnitts 1A mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie in den 2 und 3 verwendet werden, gefolgt von den Buchstaben A, B, C, D für die vier Zylinder-Kolben-Anordnungen. In dieser Ausführungsform weist der Stirlingmotormaschinenabschnitt 1B vier Zylinder-Kolben-Einheiten, nämlich zwei Heißzylinder-Kolben-Anordnungen und zwei Kaltzylinder-Kolben-Anordnungen, auf. Die Komponenten der beiden Paare von Anordnungen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie für die Heiß- und Kaltzylinder-Kolben-Anordnungen 9 und 11 verwendet werden, die in den 1, 2 und 3 veranschaulicht sind, gefolgt von den Buchstaben A bzw. B. In einigen vorteilhaften Ausführungsformen sind die Positionen der beiden heißen Kolben und der beiden kalten Kolben in den zwei Paaren um 180° versetzt, d.h. der Kurbelzapfen 5.2, der mit dem heißen Kolben 55A antriebsmäßig verbunden ist, ist in Bezug auf den Kurbelzapfen 5.6 des heißen Kolbens 55B um 180° versetzt. Ebenso ist der kalte Kolben 75A mit dem Kurbelzapfen 5.4 antriebsmäßig verbunden, der winkelmäßig um 180° in Bezug auf den Kurbelzapfen 5.8 versetzt ist, der mit dem kalten Kolben 75B antriebsmäßig verbunden ist. Da der heiße Kolben und der kalte Kolben jedes Paars um 90° gegeneinander versetzt sein müssen, sind die Kurbelzapfen 5.2 und 5.4 um 90° zueinander phasenverschoben, und die Kurbelzapfen 5.6, 5.8 sind um 90° phasenverschoben.
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Die Struktur der Kurbelwelle 5 in 5 ist die gleiche wie in einem 8-Zylinder-Hubkolbenverdichter mit externem Antrieb. Der resultierende integrierte Motorverdichter verwendet deshalb den gleichen Rahmen 3 und die gleiche Kurbelwelle 5 eines existierenden 8-Zylinder-Hubkolbenverdichters, integriert jedoch einen eingebetteten Stirlingmotor, der einen Teil des Aufbaus und der Hilfseinrichtungen des Hubkolbenverdichterabschnitts, nämlich den Rahmen 3, die Kurbelwelle 5, Lager, einen Schmierkreislauf, etc., mit benutzt.
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In der schematischen Darstellung nach 5 ist Wärme mit hoher Temperatur, die an der heißen Seite des Stirlingmotors geliefert wird, durch Pfeile H1 und H3 dargestellt; Wärme mit niedriger Temperatur, die von der kalten Seite des Stirlingmotors abgeführt wird, ist durch die Pfeile H2 und H4 dargestellt.
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In einer Vier-Zylinder- oder Acht-Zylinder-Maschine kann die Kurbelwelle, die für den entsprechenden Hubkolbenverdichter mit vier bzw. acht Verdichtungszylinder-Kolben-Anordnungen ausgelegt ist, ohne Umkonstruktion der Kurbelwelle verwendet werden.
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In anderen Ausführungsformen kann eine integrierte Hubkolbenmaschine mit einem Stirlingmotorabschnitt und einem Hubkolbenverdichterabschnitt mit einer anderen Anzahl von Zylindern ausgelegt sein. Zum Beispiel kann eine Sechs-Zylinder-Maschine konstruiert werden, die zwei Stirlingmotorzylinder-Kolben-Anordnungen in einem Stirlingmotorabschnitt und vier Hubkolbenverdichterzylinder-Kolben-Anordnungen aufweist. Um die korrekte Phasenbeziehung der Stirlingmotorkolben zu erhalten, muss in diesem Fall jedoch eine spezielle Kurbelwelle konstruiert werden.
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Die Ausführungsformen gemäß den 1–5 enthalten Kurbelzapfen, von denen jeder eine einzelne Zylinder-Kolben-Anordnung, z.B. eine doppelt wirkende Zylinder-Kolben-Anordnung, antreibt.
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Es existieren bekannte Hubkolbenverdichter, in denen ein und derselbe Kurbelzapfen zwei gegenüberliegende Zylinder-Kolben-Anordnungen antreibt, die um 180° in Bezug aufeinander phasenverschoben sind. Gewöhnlich werden Ausführungsformen, bei denen ein einzelner Kurbelzapfen gegenüberliegende Kolben antreibt, in Hyper-Kompressoren verwendet.
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6 und 7 veranschaulichen in schematisierter Weise beispielhafte Strukturen einer Kurbelwelle zum Antreiben von integrierten Hubkolben-Motorverdichtern, die einen eingebetteten Stirlingmotor und mehrere Verdichterzylinder-Hubkolben-Anordnungen verwenden.
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Bezugnehmend auf 6 ist die Kurbelwelle 5 in einem (nicht veranschaulichten) Rahmen gelagert, und sie weist fünf Kurbelzapfen auf, die mit 5.1–5.5 bezeichnet sind. Die Kurbelzapfen 5.1–5.4 sind mit vier Paaren von Verdichterkolben antriebsmäßig verbunden, die allesamt mit 101 bezeichnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform nach 6 treibt jeder Kurbelzapfen 5.1–5.5 zwei gegenüberliegende Kolben 101 an, die um 180° versetzt sind. Jeder Kolben kann ein Teil eines einfach wirkenden Zylinder-Kolben-Systems sein. Jeder Kolben 101 kann mit dem jeweiligen Kurbelzapfen 5.1–5.4 mittels einer jeweiligen Kolbenstange 103, eines Kreuzkopfes 105 und einer Verbindungsstange 107 antriebsmäßig verbunden sein.
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Wie für Fachleute auf dem Gebiet der Hubkolbenverdichter und insbesondere der Hyper-Hubkolbenverdichter bekannt, kann in anderen Ausführungsformen jeder Kurbelzapfen mit einem Paar gegenüberliegender einfach wirkender Kolben mittels einer einzigen Verbindungsstange, die einen zentralen Kreuzkopf hin und her bewegt, antriebsmäßig verbunden sein. Kolbenstangen sind mit zwei entgegengesetzten Seiten des zentralen Kreuzkopfes verbunden und werden dadurch hin- und hergehend bewegt. An der Kolbenstange können zusätzliche Hilfskreuzköpfe angeordnet sein.
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In einigen Hyper-Verdichtern ist die Kolbenstange in dem Zylinder gleitend aufgenommen, und der Endabschnitt von dieser bildet den tatsächlichen Kolben.
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Die Zylinder-Kolben-Anordnungen können in einem Hubkolbenverdichterabschnitt 1A des integrierten Hubkolbenverdichters gruppiert sein.
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Die Kurbelwelle 5 wird durch einen Stirlingmotorabschnitt drehend angetrieben, der die gleiche Kurbelwelle und den gleichen Rahmen mit benutzt. Der Stirlingmotorabschnitt kann eine Heißzylinder-Kolben-Anordnung und eine Kaltzylinder-Kolben-Anordnung aufweisen, wie dies im Wesentlichen in der Technik bekannt ist. In 6 ist der Stirlingmotorabschnitt 1B in schematischer Weise durch einen heißen Kolben 109 und einen kalten Kolben 111 dargestellt, die in einem heißen Zylinder bzw. einem kalten Zylinder (nicht veranschaulicht) gleitend aufgenommen sind. Die Heißzylinder-Kolben-Anordnung und die Kaltzylinder-Kolben-Anordnung sind um 90° in Bezug aufeinander angeordnet. In der beispielhaften Ausführungsform nach 6 sind die beiden Zylinder-Kolben-Anordnungen des Stirlingmotors durch denselben Kurbelzapfen 5.5 angetrieben. Der Einfachheit wegen ist die Verbindung zwischen dem Kurbelzapfen 5.5 und den Kolben 109, 111 als nur eine jeweilige Verbindungsstange 112 enthaltend dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann stattdessen eine Antriebsverbindung, die eine Verbindungsstange, einen Kreuzkopf und eine Kolbenstange enthält, ziemlich in der gleichen Weise, wie unter Bezugnahme auf die 1–5 offenbart, verwendet werden.
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In einigen Ausführungsformen können die beiden Zylinder-Kolben-Anordnungen des Stirlingmotors parallel zueinander angeordnet und durch zwei verschiedene Kurbelzapfen angetrieben sein, die winkelmäßig um 90° in Bezug aufeinander versetzt sind.
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Pfeile H1 und H2 repräsentieren in schematischer Weise die Wärmeenergie mit hoher Temperatur, die zu dem heißen Ende des Stirlingmotors geliefert wird, und die Wärmeenergie mit niedriger Temperatur, die an dem kalten Ende des Stirlingmotors abgeführt wird.
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7 veranschaulicht eine ähnliche Ausführungsform, bei der der Stirlingmotorabschnitt 1B der integrierten Hubkolbenmaschine einen doppelten Stirlingmotor mit zwei Heißzylinder-Kolben-Anordnungen und zwei Kaltzylinder-Kolben-Anordnungen enthält. Die gleichen Bezugszeichen werden verwendet, um die gleichen oder äquivalenten Komponenten wie in 6 zu bezeichnen. Die heißendseitigen Kolben sind mit 109A und 109B bezeichnet, und die kaltendseitigen Kolben sind mit 111A, 111B bezeichnet. Pfeile H1 und H2 repräsentieren Wärme, die an der heißen Quelle des Stirlingmotors geliefert bzw. an der kalten Quelle des Stirlingmotors abgeführt wird. Die beiden Paare von Stirlingmotorzylinder-Kolben-Anordnungen sind um 180° winkelmäßig versetzt und sind durch zwei Kurbelzapfen 5.5 und 5.6 angetrieben.
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In einigen Ausführungsformen kann die Kurbelwelle 5 mit einer Drehzahl rotieren, die zwischen z.B. 150 und 1500 U/min liegt, wobei geringere Drehzahlen für Hyper-Verdichter besonders geeignet sind.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann ein Anlassermotor vorgesehen sein, der eine Drehung der Kurbelwelle 5 in Gang setzt. Zum Beispiel kann ein elektrischer Anlassermotor entweder an einem oder an dem anderen von den freien Enden der Kurbelwelle, außerhalb oder innerhalb des Rahmens 5 vorgesehen sein.
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Während die offenbarten Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstandes mit Besonderheit und Ausführlichkeit in Verbindung mit verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen in den Zeichnungen veranschaulicht und vorstehend umfassend beschrieben sind, wird von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, dass viele Modifikationen, Veränderungen und Weglassungen möglich sind, ohne substantiell von den neuen Lehren, den Prinzipien und Konzepten, wie sie hierin erläutert sind, und den Vorteilen des in den Ansprüchen angegebenen Gegenstands abzuweichen. Somit sollte der genaue Umfang der offenbarten Innovationen lediglich anhand der weitestgehenden Interpretationen der beigefügten Ansprüche bestimmt werden, um all derartige Modifikationen, Veränderungen und Weglassungen zu umfassen. Es können verschiedene Merkmale, Strukturen und Mittel der verschiedenen Ausführungsformen in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
