DE19752996C2 - Regeneratorlose Stirlingmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirlingmaschine gemäß Patentanspruch 1 und insbesondere eine Stirlingmaschine, bei der der bei konventionellen Stirlingmaschinen verwendete Regenerativ­ wärmetauscher oder Regenerator durch ein neuartiges Wirkprinzip ersetzt wurde.

Stirling-Motoren, -Kältemaschinen und -Wärmepumpen sind seit langer Zeit Stand der Tech­ nik. Bei einem Stirlingprozeß durchläuft ein gasförmiges Arbeitsmedium einen geschlossenen Kreislauf und wird z. B. zwischen zwei zylindrischen Räumen von einem "Verdränger" genannten Kolben laufend hin- und hergeschoben. Der Verdrängerkolben ist mit dem Arbeitskolben z. B. über ein Getriebe verbunden, das die Bewegung beider Kolben synchronisiert und ihren Arbeitsablauf steu­ ert. Im Falle eines Stirling-Motors werden z. B. Grund- und Deckfläche des Verdrängerzylinders durch Kühlung bzw. Wärmezufuhr auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten, während bei einer Stirling-Kälte­ schine bzw. Stirling-Wärmepumpe die Kolben von einem externen Motor angetrieben werden und dadurch z. B. die äußere Umgebung der Grundfläche des Verdrängerzylinders abgekühlt bzw. die äußere Umgebung der Deckfläche des Verdrängerzylinders erwärmt wird.

Der ideale Stirling-Prozeß ist ein Kreisprozeß, wie er beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist. Zwi­ schen den Punkten 1 und 2 expandiert das Arbeitsmedium bei einer relativ hohen Temperatur isotherm, und es wird zwischen den Punkten 3 und 4 bei einer relativ niedrigen Temperatur isotherm komprimiert. Bei den Zustandsänderungen 4 nach 1 und 2 nach 3 wird dem Ar­ beitsmedium bei konstantem Volumen Wärme zugeführt oder entzogen. Diese Zustandsände­ rungen sind in der Praxis Verschiebevorgänge, bei denen z. B. das Arbeitsgas innerhalb des Verdrängerzylinders unter Konstanthaltung seines Volumens von einer Verdrängerzylinder- Hälfte in die andere verschoben wird. Damit die dem Arbeitsmedium bei der Zustandsände­ rung 2 nach 3 entzogene Wärmemenge nicht verlorengeht, wird sie bei konventionellen Stir­ lingmaschinen in einem Regenerativwärmetauscher oder Regenerator gespeichert und kann bei der nächsten isochoren Zustandsänderung 4 nach 1 dem Arbeitsmedium durch den Rege­ nerator wieder zugeführt werden. Bei den Verschiebevorgängen wird das Arbeitsmedium durch den Regenerator gepreßt und gibt je nach der Richtung der Zustandsänderung eine be­ stimmte Wärmemenge ab oder nimmt eine bestimmte Wärmemenge auf.

Bei Ausführungsformen konventioneller Stirling-Maschinen strömt das Arbeitsmedium bei den Verschiebevorgängen z. B. durch ein zwischen den zylindrischen Räumen angeordnetes externes Verbindungsrohr, in dem sich der Regenerator befindet. In solchen Fällen besteht der Regenerator z. B. aus Kupferwolle. Es gibt jedoch auch Ausführungsformen, die ohne ein der­ artiges, den Regenerator enthaltendes externes Verbindungsrohr auskommen und bei denen stattdessen der Verdrängerkolben für das Arbeitsmedium durchlässig ist und somit gleichzei­ tig als Regenerator wirkt.

Aus der Patentschrift DE-PS 90 853 ist eine auf dem Stirling-Kreispro­ zeß (Fig. 5) basierende, doppelt-wirkende Maschine mit einem Arbeits­ kolben und mit einem Paar oder mehreren Paaren Verdrängerkolben bekannt. Diese Maschine funktioniert wie die erfindungsgemäße Ma­ schine ohne das konventionelle Bauelement "Regenerator". Sie besitzt aber im Unterschied zur erfindungsgemäßen Maschine kein Regenerator- Äquivalent, so daß die innere Wärme verlorengeht.

Die Verwendung eines Regenerators hat sich im Stand der Technik bislang als einzige Lösung angeboten, um die bei der isochoren Zustandsänderung 2 nach 3 abgegebene Wärmemenge zu speichern und sie bei der isochoren Zustandsänderung 4 nach 1 möglichst vollständig dem Arbeitsmedium wieder abzugeben. Alle im Stand der Technik verwendeten Regeneratoren haben jedoch den Nachteil, daß sie dem durchströmenden Arbeitsmedium einen Strömungs­ widerstand entgegenstellen und somit den Kreisprozeß tendenziell behindern. Der Strö­ mungswiderstand ist dabei umso größer, je größer die gewünschte Wärmespeicherkapazität des Regenerators ist, da sich diese bei einem gegebenen Material, beispielsweise Kupfer, nur durch Vergrößerung der Regeneratoroberfläche erhöhen läßt, was bei dem gewählten Beispiel durch Kupferwolle realisiert wird. Der Regenerator hat somit auch negative Auswirkungen auf die Funktionsweise einer Stirlingmaschine, was bereits beim Konzipieren der Maschine berücksichtigt werden muß.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stirlingmaschine anzugeben, die konz­ ipiert werden kann, ohne auf Beschränkungen dieser Art Rücksicht nehmen zu müssen. Ins­ besondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den bei konventionellen Stirlingma­ schirren üblichen Regenerator zu ersetzen.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Stirlingmaschine weist eine Anzahl von zwei oder mehr Teilsystemen auf, die ein Arbeitsmedium enthalten und in denen jeweils ein Stirling-Kreisprozeß durchführbar ist, wobei die Teilsysteme derart in Reihe miteinander ver­ bunden sind, das erste Teilsystem derart mit einer Vorwärmkammer und das letzte Teilsystem derart mit einer Vorkühlkammer verbunden ist,
daß im Betrieb alle Teilsysteme bis auf das erste die für ihre isochore Erwärmung nötige Wärmemenge von dem vorangestellten Teilsystem erhalten, während das erste Teilsystem diese Wärmemenge von der Vorwärmkammer erhält und das letzte Teilsystem die entspre­ chende Wärmemenge bei ihrer isochoren Abkühlung an die Vorkühlkammer abgibt,
oder daß im Betrieb alle Teilsysteme bis auf das erste die für ihre isochore Erwärmung nötige Wärmemenge von dem vorangestellten Teilsystem erhalten, während das erste Teilsystem mindestens einen Teil dieser Wärmemenge von der Vorwärmkammer erhält und den restli­ chen Teil von einem Wärmetauscher erhält und das letzte Teilsystem mindestens einen Teil dieser Wärmemenge bei ihrer isochoren Abkühlung an die Vorkühlkammer und den restlichen Teil an den Wärmetauscher abgibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Zustandsänderungen, isotherme Expansion, isochore Abkühlung, isother­ me Kompression und isochore Erwärmung, auf die Bezug genommen wird, zu einem idealen Stirling-Prozeß gehören und nur näherungsweise realisiert werden können.

Es zeigen:

Fig. 1A bis 1H die verschiedenen Zustände eines Kreisprozesses einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stirlingmaschine;

Fig. 2A bis 2H die verschiedenen Zustände eines Kreisprozesses einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stirlingmaschine;

Fig. 3A bis 3H die verschiedenen Zustände eines Kreisprozesses einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stirlingmaschine;

Fig. 4A bis 4H die verschiedenen Zustände eines Kreisprozesses einer zweiten Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen Stirlingmaschine;

Fig. 5 ein Druck(p)-volumen(V)-Diagramm eines idealen Stirling-Kreisprozesses, der von einer realen Maschine nur näherungsweise so durchlaufen wird.

Die Abbildungen sind nicht maßstabsgetreu.

In den Fig. 1A bis 1H ist ein Kreisprozeß einer ersten Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Stirlingmaschine dargestellt.

Fig. 1A zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stirlingmaschine am Beginn der isothermen Expansion eines ersten Teilsystems bzw. der isothermen Kompres­ sion eines zweiten Teilsystems. Das erste Teilsystem besteht im wesentlichen aus einer ersten Verdrängerkammer 10, in der ein erster Verdrängerkolben 11 bewegbar angeordnet ist. Das zweite Teilsystem besteht im wesentlichen aus einer zweiten Verdrängerkammer 20, in der ein zweiter Verdrängerkolben 21 bewegbar angeordnet ist. Die Verdrängerkammern 10 und 20 stehen an einem Ende mit einer Wärmequelle 30 und an dem entgegengesetzten Ende mit einer Kältequelle oder einem Kühler 40 in Kontakt. Die Verdrängerkolben 11 und 21 bewegen sich im Gegentakt zueinander, sind also stets um 180° zueinander phasenverschoben. Jeder Verdrängerkolben 11, 21 ist in seiner Verdrängerkammer 10, 20 dicht bezüglich des Arbeits­ mediums eingepaßt. Die Verdrängerkolben schließen also dicht in Bezug zum Arbeitsmedium mit den jeweiligen Seitenwänden der Verdrängerkammern 10, 20 ab. Die erste Verdränger­ kammer 10 ist durch eine Leitung 12 mit einer ersten Arbeitskammer 13 verbunden, in der ein erster Arbeitskolben 14 bewegbar angeordnet ist. Ebenso ist die zweite Verdrängerkammer 20 durch eine Leitung 22 mit einer zweiten Arbeitskammer 23 verbunden, in der ein zweiter Ar­ beitskolben 24 bewegbar angeordnet ist. Die Arbeitskolben 14, 24 sind mechanisch miteinan­ der gekoppelt. Anstelle der zwei Arbeitskammern 13, 23 kann auch eine einzelne, in zwei Teilräume unterteilte Arbeitskammer (doppelt-wirkender Arbeitszylinder) verwendet werden, in der ein einzelner Arbeitskolben hin- und herbewegt wird. Die Leitungen 12, 22 münden jeweils etwa auf halber Höhe in die Verdrängerkammern 10, 20. Die Verdrängerkolben 11, 21 sind dabei jeweils so bemessen, daß sie in jeder ihrer Endpositionen die Einmündung der Leitungen 12, 22 nicht oder nicht vollständig überdecken, so daß der den Verdrängerkolben 11, 21 gegenüberliegende Teilraum der Verdrängerkammer 10, 20 mit der Leitung 12, 22 in Verbindung steht. Ferner sind die beiden Verdrängerkammern 10, 20 im oberen und unteren Bereich durch Verbindungsleitungen 51, 52 miteinander verbunden, die durch Ventile ver­ schließbar sind.

Ferner sind der obere und der untere Teilraum jeder Verdrängerkammer 10, 20 jeweils durch eine Bypassleitung 16, 26 miteinander verbunden. Die beiden Bypassleitungen 16, 26 werden in einem Wärmetauscher 60 derart aneinander vorbeigeführt, daß ein optimaler Wärmeüber­ gang zwischen ihnen stattfinden kann. Die Bypassleitungen 16, 26 sind ebenfalls durch Ven­ tile verschließbar. In der ersten Bypassleitung 16 des ersten Teilsystems ist eine Vorwärm­ kammer 17 angeordnet, während in der zweiten Bypassleitung des zweiten Teilsystems eine Vorkühlkammer 27 angeordnet ist. Die Vorwärmkammer 17 steht auf einer Seite mit der Wärmequelle 30 in Kontakt, während die Vorkühlkammer 27 auf einer Seite mit der Kälte­ quelle 40 in Kontakt steht. In der Vorwärmkammer 17 ist ein Kolben 17A bewegbar angeord­ net und in der Vorkühlkammer 27 ist ein Kolben 27A bewegbar angeordnet. Beide Kammern sind so dimensioniert, daß der Teilraum, der dem in einer Endposition befindlichen Kolben gegenübersteht, genauso groß ist wie der Halbraum der Verdrängerkammern. Weiterhin sind Bypassleitungen 17B und 27B vorhanden, durch die in einem Teilraum einer Vorwärm- oder Vorkühlkammer enthaltenes Arbeitsgas in den jeweils anderen Teilraum der Kammer gescho­ ben werden kann. Auch diese Bypassleitungen sind durch Ventile verschließbar. Sämtliche Ventile und die Verdrängerkolben der Vorwärmkammer und der Vorkühlkammer werden durch die Bewegung der Arbeitskolben aktiviert.

Innerhalb des ersten und zweiten Teilsystems der Stirlingmaschine 100 ist ein geeignetes Ar­ beitsmedium einem Kreisprozeß unterworfen. Oberhalb der Verdrängerkammern 10, 20 ist eine Wärmequelle 30, beispielsweise ein Sonnenkollektor, angeordnet. Unterhalb der Ver­ drängerkammern 10, 20 befindet sich eine Kältequelle oder ein Kühler 40, der beispielsweise durch ein von Kühlwasser laufend durchströmtes wendelförmiges Kupferrohr realisiert wer­ den kann.

Durch die beschriebene Anordnung werden zwei Teilsysteme geschaffen, die je für sich den Stirling-Kreisprozeß mit einer Phasenverschiebung von 180° durchlaufen und somit stets um einen halben Umlauf in dem Druck(p)-Volumen(V)-Diagramm, wie in Fig. 5 dargestellt, von­ einander getrennt sind.

In allen Figuren sind die Kolben als gegenüber der Kammerwand dichtende Kolben darge­ stellt. Es können aber auch von der Kammerwand beabstandete Kolben verwendet werden, die mit dieser durch bewegliche Membranen, beispielsweise die in der DE-PS 42 16 839 be­ schriebenen Rollmembranen, verbunden sind.

Im folgenden werden in den Fig. 1A bis 1H für die erste Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Stirlingmaschine die Zustandsänderungen während eines Kreisprozesses be­ schrieben, wobei angenommen wird, daß das Arbeitsmedium Luft ist.

In dem Zustand der Fig. 1A befindet sich der erste Verdrängerkolben 11 im unteren Teilraum der ersten Verdrängerkammer 10 und im oberen Teilraum der ersten Verdrängerkammer 10 befindet sich Luft, die durch die Wärmequelle 30 erwärmt wird. Die Luft dehnt sich infolge der Erwärmung bei einer relativ hohen Temperatur aus (isotherme Expansion). Sie strömt infolgedessen durch die Leitung 12, dringt durch die linksseitige Öffnung der ersten Arbeits­ kammer 13 in diese ein und schiebt den ersten Arbeitskolben 14 nach rechts.

In der zweiten Verdrängerkammer 20 befindet sich der zweite Verdrängerkolben 21 im oberen Teilraum und die im unteren Teilraum befindliche Luft steht mit dem Kühler 40 in wärmelei­ tendem Kontakt. Die zweite Verdrängerkammer 20 steht über die Leitung 22 mit der zweiten Arbeitskammer 23 in Verbindung. Der zweite Arbeitskolben 24 bewegt sich durch die me­ chanische Kopplung mit dem ersten Arbeitskolben 14 ebenfalls nach rechts und komprimiert dabei die Luft des zweiten Teilsystems bei einer relativ niedrigen Temperatur (isotherme Kompression). In Fig. 1B ist der Zustand am Ende der isothermen Expansion bzw. Kompres­ sion dargestellt.

In den Fig. 1C und 1D sowie 1G und 1H sind die isochoren Zustandsänderungen darge­ stellt. Wie einleitend beschrieben, werden diese Zustandsänderungen bei einer konventionel­ len Stirlingmaschine mit Hilfe eines Regenerators durchgeführt, der bei der Abkühlung des Arbeitsmediums von diesem eine bestimmte Wärmemenge aufnimmt und diese bei der Er­ wärmung des Arbeitsmediums wieder an dieses abgibt. Bei der erfindungsgemäßen Stirling­ maschine werden die isochoren Zustandsänderungen durch Austauschprozesse zwischen den Teilsystemen durchgeführt, wie im folgenden beschrieben wird.

Die Fig. 1C und 1D zeigen den Zustand bei Beginn und Ende der isochoren Abkühlung des ersten Teilsystems bzw. Erwärmung des zweiten Teilsystems. Die Ventile der Verbin­ dungsleitungen 51, 52 zwischen den Verdrängerkammern 10, 20 werden geöffnet. Dann be­ wegt sich der erste Verdrängerkolben 11 nach oben und schiebt die heiße Luft der ersten Ver­ drängerkammer 10 durch das geöffnete Ventil der Verbindungsleitung 51 in den oberen Teil­ raum der zweiten Verdrängerkammer 20, wobei gleichzeitig der zweite Verdrängerkolben 21 sich nach unten bewegt und die kalte Luft der zweiten Verdrängerkammer 20 durch das geöff­ nete Ventil der unteren Verbindungsleitung in den unteren Teilraum der ersten Verdränger­ kammer 10 schiebt.

Gleichzeitig mit den Bewegungen der Verdrängerkolben 11, 21 finden Bewegungen der Kol­ ben 17A der Vorwärmkammer 17 und 27A der Vorkühlkammer 27 statt. Die im unteren Teil­ raum der Vorwärmkammer 17 enthaltene Luft wird durch die nach unten gerichtete Bewegung des Kolbens 17A durch das geöffnete Ventil der Bypassleitung 17B in den oberen Teilraum der Vorwärmkammer 17 geschoben, damit diese Luftmenge durch die Wärmequelle 30 erhitzt werden kann. Gleichermaßen wird die im oberen Teilraum der Vorkühlkammer 27 enthaltene Luft durch die nach oben gerichtete Bewegung des Kolbens 27A durch das geöffnete Ventil der Bypassleitung 27B in den unteren Teilraum der Vorkühlkammer 27 geschoben, damit diese Luftmenge durch die Kältequelle 40 abgekühlt werden kann.

Fig. 1E und 1F zeigen den Zustand bei Beginn und bei Ende der isothermen Kompression des ersten Teilsystems bzw. der isothermen Expansion des zweiten Teilsystems. Die Ventile in den Verbindungsleitungen 51, 52 zwischen den Verdrängerkammern 10, 20 werden wieder geschlossen. Der nun folgende Vorgang entspricht der Zustandsänderung zwischen Fig. 1A und Fig. 1B, wobei nun aber das zweite Teilsystem die isotherme Expansion und das erste Teilsystem die isotherme Kompression ausführen und die Arbeitskolben 14, 24 in den Ar­ beitszylindern 13, 23 sich nach links bewegen.

Fig. 1G und 1H zeigen den Zustand bei Beginn und bei Ende der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems und der isochoren Abkühlung des zweiten Teilsystems. Im Unterschied zu der Zustandsänderung zwischen Fig. 1C und Fig. 1D findet hier aber kein Stoffaustausch zwi­ schen den beiden Teilsystemen statt. Die Ventile der Verbindungsleitungen 51, 52 zwischen den Verdrängerkammern 10, 20 bleiben demnach geschlossen und die Ventile der Bypasslei­ tungen 16 und 26 werden geöffnet. Der Verdrängerkolben 11 der ersten Verdrängerkammer 10 bewegt sich nach unten und schiebt die kalte Luft des unteren Halbraums der Verdränger­ kammer 10 in die erste Bypassleitung 16. Gleichzeitig bewegt sich bei geschlossenem Ventil der Bypassleitung 17B der Kolben 17A der Vorwärmkammer 17 nach oben und schiebt da­ durch die in der Vorwärmkammer 17 vorgewärmte Luft in den oberen Halbraum der Verdrän­ gerkammer 10. Gleichermaßen bewegt sich der Verdrängerkolben 21 der zweiten Verdränger­ kammer 20 nach oben und schiebt die heiße Luft des oberen Halbraums der Verdrängerkam­ mer 20 in die zweite Bypassleitung 26. Gleichzeitig bewegt sich bei geschlossenem Ventil der Bypassleitung 27B der Kolben 27A der Vorkühlkammer 27 nach unten und schiebt dadurch die in der Vorkühlkammer 27 vorgekühlte Luft in den unteren Halbraum der Verdränger­ kammer 20. Die in die Bypassleitungen 16 und 26 geschobenen Luftmengen strömen im Wärmetauscher 60 aneinander vorbei. Dabei strömt die heiße Luft durch das in der Zeichnung beispielhaft als Rohrschlange dargestellte Teilstück der Bypassleitung 26, gibt dabei eine be­ stimmte Wärmemenge an die in einer die Rohrschlange umgebenden Kammer der Bypasslei­ tung 16 strömende kalte Luft ab und strömt dann in den oberen Teilraum der Vorkühlkammer 27, der durch die simultane nach unten gerichtete Bewegung des Kolbens 27A freigegeben wird. Die in der Bypassleitung 16 strömende kalte Luft nimmt in dem Wärmetauscher eine der Güte des Wärmetauschers entsprechende Wärmemenge von der heißen Luft auf und strömt dann in den unteren Teilraum der Vorwärmkammer 17, der durch die simultane nach oben gerichtete Bewegung des Kolbens 17A freigegeben wird.

In Fig. 1H ist der Zustand bei Ende der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems bzw. isochoren Abkühlung des zweiten Teilsystems dargestellt. Nun werden die Ventile der By­ passleitungen wieder geschlossen und der Kreisprozeß kann wie in Fig. 1A von neuem begin­ nen.

Es ist zu beachten, daß während eines Kreisprozesses zwischen beiden Teilsystemen gleiche Volumina an Luftmengen ausgetauscht werden. Dies wird dadurch erreicht, daß zu Beginn die Stoffmenge des zweiten Teilsystems gerade um die Menge dünner ist, die sich am Ende der isothermen Expansion des ersten Teilsystems im Arbeitszylinder 13 befindet. Somit befinden sich bei Beginn der in Fig. 1C, 1D dargestellten, durch Stoffaustausch realisierten isochori­ schen Zustandsänderungen gleiche Stoffmengen in den Verdrängerkammern 10 und 20.

Der Wärmetauscher 60 ermöglicht es, die heiße Luft aus der zweiten Verdrängerkammer 20 bereits etwas abzukühlen, bevor diese in die Vorkühlkammer 27 geschoben wird, so daß die - weitere Abkühlung in der Vorkühlkammer 27 mit entsprechend geringerem Aufwand erfolgen kann. Entsprechend wird die kalte Luft aus der ersten Verdrängerkammer 10 im Wärmetau­ scher 60 bereits etwas vorgewärmt, so daß die weitere Erwärmung, in der Vorwärmkammer 17 mit entsprechend geringerem Aufwand erfolgen kann. Theoretisch könnte die Stirlingma­ schine daher auch ohne Wärmetauscher 60 benutzt werden - allerdings mit geringerem Wir­ kungsgrad. Es muß dann aber dafür Sorge getragen werden, daß die Vorwärmkammer mit entsprechend mehr Heizenergie bzw. die Vorkühlkammer mit entsprechend mehr Kühlenergie beaufschlagt werden kann.

Die erfindungsgemäße Stirlingmaschine muß mindestens aus zwei Teilsystemen bestehen. Die Anzahl der Teilsysteme kann beliebig größer 2 sein. In den Fig. 2A bis 2H ist eine entsprechende erste Modifikation der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stir­ lingmaschine mit 4 Teilsystemen dargestellt. Insoweit nicht weitere Bezugszeichen eingeführt wurden, gelten für gleiche oder funktionsgleiche Teile dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1A.

Eine derartige Stirlingmaschine 200 enthält vier Verdrängerkammern 210, 220 und 230, 240, die mit entsprechenden vier Arbeitskammern verbunden sind. Die Verdrängerkammern 210 und 220 sowie die Verdrängerkammern 230 und 240 sind miteinander durch Verbindungslei­ tungen in ebensolcher Weise verbunden wie die Verdrängerkammern 10 und 20 der Stirling­ maschine 100 der vorhergehenden Ausführungsform. Außerdem ist die Verdrängerkammer 220 mit der Verdrängerkammer 230 durch Verbindungsleitungen 251 und 252 verbunden. Nur das erste und das vierte Teilsystem, also die Verdrängerkammern 210 und 240, sind mit By­ passleitungen versehen und wärmemäßig durch Vorwärm- und Vorkühlkammern sowie einem Wärmetauscher miteinander gekoppelt. Die Vorwärmkammer 250 steht an ihrer oberen Seite in Fig. 2A mit einer Wärmequelle in Kontakt, während die Vorkühlkammer 260 an ihrer unteren Seite mit einer Kältequelle in Kontakt steht.

Im folgenden wird ein Kreisprozeß in der Stirlingmaschine 200 beschrieben, wobei zum Teil auf die Beschreibung des Kreisprozesses der Stirlingmaschine 100 der vorhergehenden Aus­ führungsform Bezug genommen wird.

In dem Zustand der Fig. 2A sind die Ventile der Verbindungsleitungen 251, 252 und die Ven­ tile der zu dem Wärmetauscher führenden Bypassleitungen geschlossen. Die Stirlingmaschine 200 befindet sich am Beginn der isothermen Expansion der Verdrängerkammern 210, 230 und der isothermen Kompression der Verdrängerkammern 220, 240. Dieser Vorgang läuft analog dem in Verbindung mit Fig. 1A, 1B beschriebenen ab und braucht daher hier nicht weiter er­ läutert zu werden. Fig. 2B zeigt den Zustand am Ende der isothermen Expansion bzw. iso­ thermen Kompression der entsprechenden Teilsysteme.

In den Fig. 2C, 2D findet analog der Zustandsänderung in den Fig. 1C, 1D die isochore Abkühlung bzw. Erwärmung durch Stoffaustausch zwischen den Verdrängerkam­ mern 210 und 220 und zwischen den Verdrängerkammern 230 und 240 statt. Dazu werden die Ventile der Verbindungsleitungen zwischen den Verdrängerkammern 210 und 220 bzw. 230 und 240 geöffnet, während die Ventile der Verbindungsleitungen 251 und 252 geschlossen bleiben. Durch die gegenläufige Bewegung der Verdrängerkolben im ersten und zweiten Teilsystem bzw. im dritten und vierten Teilsystem werden die heißen und kalten Luftmengen zwischen diesen Teilsystemen ausgetauscht. Auch dieser Prozeß wurde bereits eingehend in Verbindung mit Fig. 1C, 1D beschrieben.

Der Übergang zwischen Fig. 2E und Fig. 2F beschreibt den Vorgang der isothermen Kompres­ sion in den Verdrängerkammern 210, 230 bzw. der isothermen Expansion in den Verdränger­ kammern 220, 240. Zur Erläuterung kann diesbezüglich auf die Beschreibung der Fig. 1E, 1F verwiesen werden.

Die Fig. 2G, 2H zeigen den Vorgang der isochoren Erwärmung des ersten und dritten Teilsystems und der isochoren Abkühlung des zweiten und vierten Teilsystems. Hierbei wer­ den jetzt die Ventile der Verbindungsleitungen 251, 252 und die Ventile der den Wärmetau­ scher enthaltenden Bypassleitungen geöffnet. Dann wird bezüglich des ersten und des vierten Teilsystems in Verbindung mit den Vorwärm- und Vorkühlkammern derselbe Prozeß durch­ geführt, wie er im Zusammenhang mit der Zustandsänderung zwischen Fig. 1G und Fig. 1H beschrieben wurde. Die zweiten und dritten Teilsysteme hingegen vollführen einen Stoffaus­ tausch durch die geöffneten Verbindungsleitungen 251, 252 und die entgegengesetzte Bewe­ gung der Verdrängerkolben in den Verdrängerkammern 220, 230. Nach Abschluß werden die Ventile in den Verbindungsleitungen 251, 252 und die Ventile der den Wärmetauscher ent­ haltenden Bypassleitungen wieder geschlossen und der Kreisprozeß kann wieder in Fig. 2A von neuem beginnen.

In den Fig. 3A bis 3H ist eine zweite Modifikation der ersten Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen Stirlingmaschine mit 3 Teilsystemen dargestellt. Insoweit nicht weitere Be­ zugszeichen eingeführt wurden, gelten für gleiche oder funktionsgleiche Teile dieselben Be­ zugszeichen wie in Fig. 1A.

Eine derartige Stirlingmaschine 300 ist im wesentlichen aus drei Verdrängerkammern 310, 320 und 330 aufgebaut. Die Verdrängerkammern sind in ebensolcher Weise wie die Verdrän­ gerkammern 10 und 20 der Stirlingmaschine 100 mit entsprechenden drei Arbeitskammern verbunden und bilden mit diesen drei Teilsysteme. Die Verdrängerkammern 310 und 320 sind miteinander durch Verbindungsleitungen 341 und 342 in ebensolcher Weise verbunden wie die Verdrängerkammern 10 und 20 der ersten Ausführungsform. Das gleiche gilt für die Ver­ drängerkammern 320 und 330, die durch Verbindungsleitungen 351 und 352 miteinander ver­ bunden sind. Die beiden äußeren Verdrängerkammern 310 und 330 sind mit Bypassleitungen versehen und wärmemäßig durch Vorwärm- und Vorkühlkammern sowie einem Wärmetau­ scher miteinander gekoppelt. Die Vorwärmkammer 350 steht an ihrer oberen Seite in Fig. 3A mit einer Wärmequelle in Kontakt, während die Vorkühlkammer 360 an ihrer unteren Seite mit einer Kältequelle in Kontakt steht.

Im folgenden wird ein Kreisprozeß in der Stirlingmaschine 300 beschrieben, wobei in großen Teilen auf die Beschreibung des Kreisprozesses der Stirlingmaschine 100 Bezug genommen wird.

In dem Zustand der Fig. 3A sind die Ventile der Verbindungsleitungen 341, 342, 351, und 352 und die Ventile der zu dem Wärmetauscher führenden Bypassleitungen geschlossen. Die Stir­ lingmaschine 300 befindet sich am Beginn der isothermen Expansion des ersten Teilsystems mit der Verdrängerkammer 310 und der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems mit der Verdrängerkammer 320. In dem dritten Teilsystem mit der Verdrängerkammer 330 findet ebenfalls eine isotherme Expansion statt. Die über ein äußeres Gestänge miteinander verbun­ denen Arbeitskolben der drei den Verdrängerkammern zugehörigen Arbeitskammern bewegen sich nach rechts. Fig. 3B zeigt den Zustand am Ende isothermen Expansion des ersten und dritten Teilsystems bzw. der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems.

In den Fig. 3C bis 3D sind die isochoren Zustandsänderungen beschrieben. In dem ersten und dem dritten Teilsystem findet eine isochore Abkühlung statt, während das zweite Teilsy­ stem eine isochore Erwärmung erfährt. Zwischen den Verdrängerkammern 310 und 320 findet ein Stoffaustausch statt. Dazu werden die Ventile der Verbindungsleitungen 341 und 342 zwi­ schen den Verdrängerkammern 310 und 320 geöffnet und durch die gegenläufige Bewegung der Verdrängerkolben werden die heißen und kalten Luftmengen zwischen diesen ausge­ tauscht. Gleichzeitig wird die Bypassleitung der Vorwärmkammer geöffnet und der Kolben der Vorwärmkammer bewegt sich nach unten, um die in dem unteren Teilraum der Vorwärm­ kammer befindliche Luftmenge in den oberen Teilraum zu schieben. Der Verdrängerzylin­ der 330 wiederum tauscht die Luftmenge mit dem Vorkühlzylinder aus, indem sich der Kol­ ben des Verdrängerzylinders 330 nach oben bewegt und dadurch die heiße Luft durch den Wärmetauscher in den oberen Teilraum des Vorkühlzylinders schiebt. Gleichzeitig bewegt sich der Kolben des Vorkühlzylinders nach unten und schiebt dabei die im unteren Teilraum befindliche Kaltluft in den Kaltraum der Verdränger­ kammer 330.

Der Übergang zwischen Fig. 3E und Fig. 3F beschreibt den Vorgang der isothermen Kompres­ sion in dem ersten und dem dritten Teilsystem und der isothermen Expansion in dem zweiten Teilsystem.

In den Fig. 3G bis 3H sind nun wieder isochore Zustandsänderungen beschrieben. In dem ersten und dem dritten Teilsystem findet eine isochore Erwärmung statt, während das zweite Teilsystem eine isochore Abkühlung erfährt. Der Stoffaustausch findet hier aber im Unter­ schied zu der Zustandsänderung in Fig. 3C und 3D zwischen dem zweiten und dem dritten Teilsystem statt. Zu diesem Zweck werden die Ventile der Verbindungsleitungen 351 und 352 zwischen den Verdrängerkammern 320 und 330 geöffnet und durch die gegenläufige Bewe­ gung der Verdrängerkolben werden die heißen und kalten Luftmengen zwischen diesen aus­ getauscht. Gleichzeitig wird die Bypassleitung der Vorkühlkammer geöffnet und der Kolben der Vorkühlkammer bewegt sich nach oben um die in dem oberen Teilraum der Vorkühl­ kammer befindliche Luftmenge in den unterm Teilraum zu schieben. Der Verdrängerzylin­ der 310 tauscht die Luftmengen mit dem Vorwärmzylinder aus, indem sich der Kolben des Verdrängerzylinders 310 nach unten bewegt und dadurch diente Luft durch die geöffnete Bypassleitung und den Wärmetauscher in den unteren Teilraum des Vorwärmzylinders schiebt, was ermöglicht wird durch die gleichzeitige Bewegung des Kolbens des Vorwärmzylinders nach oben, wodurch die im oberen Teilraum des Vorwärmzylin­ ders befindliche heiße Luft in den Heißraum der Verdrängerkammer 310 geschoben wird.

Bei einer Reihe von n Teilsystemen, wobei n eine ganze Zahl < 2 ist, sieht die den Fig. 2G, 2H entsprechende Zustandsänderung so aus, daß bis auf das erste und das letzte Teilsy­ stem alle dazwischenliegenden Teilsysteme die für ihre isochore Erwärmung bzw. Abkühlung nötige Wärmemenge bzw. Kältemenge vom benachbarten Teilsystem erhalten. Das erste bzw. letzte Teilsystem bekommt diese Wärmemenge bzw. Kältemenge zum Teil übenden Wärme­ tauscher und zum ergänzenden Teil von der Vorwärm- bzw. der Vorkühlkammer. Damit läßt sich ein dem Regenerator-Wirkungsgrad analoger Parameter definieren, der angibt, welcher Teil der bei der isochoren Abkühlung freiwerdenden Wärmemenge für die isochore Erwär­ mung zur Verfügung steht. Wenn angenommen wird, daß die Bypassleitungen keinen Wär­ metauscher enthalten, ergibt sich dieser Nutzungsgrad der inneren Wärme zu 50% bei einer aus 2 Teilsystemen bestehenden Maschine, zu 66²/₃% bei 3 Teilsystemen, zu 75% bei 4 Teilsystemen, zu 80% bei 5 Teilsystemen, 90% bei 10 Teilsystemen u. s. w. (alle Werte sind als ideale Grenzwerte zu betrachten).

In den Fig. 4A bis 4H ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stirling­ maschine dargestellt. In dieser Stirlingmaschine besteht jedes Teilsystem aus einem Zylinder, der durch eine wärmeisolierende Wand in einen von der Kältequelle kalt gehaltenen Kom­ pressionsraum und in einen von der Wärmequelle heiß gehaltenen Expansionsraum unterteilt ist. Die Volumina der Heißräume der beiden Teilsysteme sind so zu wählen, daß das Volumen des heißen Arbeitsgases im expandierten Zustand am Ende der isothermen Expansion des ersten (oberen) Teilsystems gleich dem Volumen des heißen Arbeitsgases im komprimierten Zustand am Anfang der isothermen Expansion des zweiten (unteren) Teilsystems ist. Weiter­ hin sind die Volumina der Kalträume der beiden Teilsysteme so zu wählen, daß das Volumen des kalten Arbeitsgases im komprimierten Zustand am Ende der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems gleich dem Volumen des kalten Arbeitsgases im expandierten Zustand am Anfang der isothermen Kompression des ersten Teilsystems ist.

In der Fig. 4A ist diese vierte Ausführungsform am Beginn der isothermen Expansion des er­ sten Teilsystems und der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems dargestellt. In dem ersten Heißraum 411 des ersten Zylinders 410 bzw. Teilsystems, dem ersten Kaltraum 412 des ersten Zylinders 410, dem zweiten Heißraum 421 des zweiten Zylinders 420 bzw. Teilsystems und dem zweiten Kaltraum 422 des zweiten Zylinders sind jeweils Kolben K11, K12, K21 und K22 bewegbar angeordnet. Die Kolben sind dicht bezüglich des Arbeitsmediums in die Zylinder eingepaßt, schließen also dicht in Bezug zum Arbeitsmedium mit den jeweiligen Seitenwänden der Zylinder ab. Auch bei dieser Ausführungsform können aber auch Kolben verwendet werden, die mit der Kammerwand durch Membranen verbunden sind. Zwischen den Heißräumen 411, 421 und den Kalträumen 412, 422 der beiden Zylinder 410, 420 befin­ det sich die wärmeisolierende Wand 430. Die beiden Heißräume stehen mit einer Wärme­ quelle 450 und die beiden Kalträume stehen mit einer Kältequelle 460 in Kontakt.

Heißraum 411 und Kaltraum 412 des ersten Teilsystems sind über eine erste Bypassleitung 413 miteinander verbunden. Ebenso sind Heißraum 421 und Kaltraum 422 des zweiten Teil­ systems über eine zweite Bypassleitung 423 miteinander verbunden. Die Bypassleitungen 413, 423 sind durch Ventile V1, V2 verschließbar. Sie werden in einem Wärmetauscher 440 derart aneinander vorbeigeführt, daß ein optimaler Wärmeübergang zwischen ihnen stattfinden kann. In der ersten Bypassleitung 413 des ersten Teilsystems ist eine Vorwärmkammer 414 ange­ ordnet, während in der zweiten Bypassleitung 423 des zweiten Teilsystems eine Vorkühl­ kammer 424 angeordnet ist. Die Vorwärmkammer 414 steht auf einer Seite mit der Wärme­ quelle 450 in Kontakt, während die Vorkühlkammer 424 auf einer Seite mit der Kältequelle 460 in Kontakt steht. In der Vorwärmkammer 414 ist ein Kolben K4 bewegbar angeordnet, und in der Vorkühlkammer 424 ist ein Kolben K3 bewegbar angeordnet. Das Volumen der Vorwärmkammer 414 ist gleich dem Volumen des Heiß- oder Kaltraums des ersten Zylinders 410, und das Volumen der Vorkühlkammer 424 ist gleich dem Volumen des Heiß- oder Kaltraums des zweiten Zylinders. Weiterhin sind Bypassleitungen 415 und 425 vorhanden, durch die in einem Teilraum einer Vorwärm- oder Vorkühlkammer enthaltenes Arbeitsgas in den jeweils anderen Teilraum der Kammer verschoben werden kann und die durch Ventile V4 und V5 verschließbar sind.

Die beiden Heißräume 411, 421 sind durch eine erste Verbindungsleitung und die beiden Kalträume sind durch eine zweite Verbindungsleitung miteinander verbunden. Beide Verbin­ dungsleitungen sind durch ein gemeinsames Ventil V3 simultan verschließbar.

Im folgenden wird der Kreisprozeß bei dieser Ausführungsform anhand der Abb. 4A bis 4H dargestellt, wobei wieder wie zuvor angenommen wird, daß das Arbeitsgas Luft ist, was aber in Hinsicht auf das Neuar­ tige der erfindungsgemäßen Maschine ohne Bedeutung ist.

Fig. 4A und 4B zeigen den Beginn und das Ende der isothermen Expansion im Heißraum 411 des ersten Zylinders 410 und der isothermen Kompression im Kaltraum 422 des zweiten Zylinders 420. Die im Heißraum 411 des ersten Zylinders 410 befindliche Luft dehnt sich bei einer relativ hohen Temperatur aus (isotherme Expansion) und bewegt dabei den Kolben K11 an das linksseitige Ende des Heißraums 411. Da der Kolben K22 des Kaltraums 422 des zweiten Zylinders 420 mit dem Kolben K11 über ein externes Gestänge gekoppelt ist, bewegt sich gleichermaßen der Kolben K22 im Kaltraum des zweiten Zylinders nach links und kom­ primiert dabei die darin eingeschlossene Luft bei einer relativ niedrigen Temperatur (iso­ therme Kompression). Fig. 4B zeigt den Zustand am Ende der isothermen Expansion bzw. Kompression.

Fig. 4C und 4D zeigen den Zustand bei Beginn und bei Ende der isochoren Abkühlung des ersten Teilsystems bzw. der isochoren Erwärmung des zweiten Teilsystems. In dem in Fig. 4C gezeigten Zustand befinden sich gleiche Volumina an heißer bzw. kalter Luft im Heißraum 411 des ersten Teilsystems bzw. im Kaltraum 422 des zweiten Teilsystems. Dann wird das Ventil V3 zwischen den Teilsystemen geöffnet. Daraufhin bewegen sich die Kolben K11 und K12 nach rechts, wobei der Kolben K11 die heiße Luft in den Heißraum 421 des zweiten Zylinders 420 schiebt. Gleichzeitig bewegen sich die Kolben K22 und K21 synchron nach links, wobei der Kolben K22 die kalte Luft in den Kalt­ raum 412 des ersten Zylinders 410 schiebt. Bei diesen isochoren Zustandsänderun­ gen findet also ein Austausch des Arbeitsgases zwischen den beiden Teilsystemen statt. Fig. 4D zeigt den Zustand nach Beendigung der isochoren Zustandsänderungen. Gleichzeitig mit der isochoren Zustandsänderung in den Teilsystemen finden Bewegungen der Kolben K4 der Vorwärmkammer 414 und K3 der Vorkühlkammer 424 statt. Die im linken Teilraum der Vorwärmkammer 414 enthaltene Luft wird durch die nach links gerichtete Be­ wegung des Kolbens K4 durch das geöffnete Ventil der Bypassleitung 415 in den rechten Teilraum der Vorwärmkammer 414 geschoben, damit diese Luftmenge durch die Wärme­ quelle 450 erhitzt werden kann. Gleichermaßen wird die im rechten Teilraum der Vorkühl­ kammer 424 enthaltene Luft durch die nach rechts gerichtete Bewegung des Kolbens K3 durch das geöffnete Ventil der Bypassleitung 425 in den linken Teilraum der Vorkühlkammer 424 geschoben, damit diese Luftmenge durch die Kältequelle 460 abgekühlt werden kann.

Fig. 4E und 4F zeigen den Zustand bei Beginn und bei Ende der isothermen Kompression des ersten Teilsystems bzw. isothermen Expansion des zweiten Teilsystems. Das gemeinsame Ventil V3 der Verbindungsleitungen zwischen den Teilsystemen wird wieder geschlossen. Der folgende Vorgang entspricht der Zustandsänderung zwischen Fig. 4A und 4B, wobei nun aber das zweite Teilsystem durch Bewegung des Kolbens K21 in dem Heißraum 421 nach links eine isotherme Expansion und das erste Teilsystem durch Bewegung des Kolbens K12 in dem Kaltraum 412 nach links eine isotherme Kompression ausführen, deren Endzustand in Fig. 4F dargestellt ist.

Fig. 4G und 4H zeigen den Zustand bei Beginn und bei Ende der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems und der isochoren Abkühlung des zweiten Teilsystems. Die Ventile der Verbindungsleitungen zwischen den Teilsystemen sind geschlossen, und die Ventile V1 und V2 der Bypassleitungen 413 und 423 werden geöffnet. Die Kolben K11 und K12 des ersten Teilsystems bewegen sich synchron nach links. Dabei schiebt der Kolben K12 die kalte Luft in die erste Bypassleitung 413. Gleichzeitig bewegt sich bei geschlossenem Ventil V5 der Bypassleitung 415 der Kolben K4 der Vorwärm­ kammer 414 nach rechts und schiebt dadurch die heiße Luft in der Vorwärmkammer 414 in den Heißraum 411 des ersten Zylinders 410. Außerdem bewegen sich gleich­ zeitig mit den Kolben K11 und K12 die Kolben K21 und K22 des zweiten Teilsystems synchron nach rechts, wobei der Kolben K21 die heiße Luft in die zweite Bypass­ leitung 425 schiebt, und der Kolben K3 der Vorkühlkammer 424 bei geschlossenem Ventil V4 der Bypassleitung 425 nach links, wobei der Kolben K3 die kalte Luft in der Vorkühlkammer 424 in den Kaltraum 422 des zweiten Zylinders 420 schiebt. Die in die Bypassleitungen 413, 423 geschobenen Luftmengen strömen im Wärme­ tauscher 440 aneinander vorbei. Wie bereits bei Fig. 1G, 1H beschrieben ist, findet dabei ein Wärmeaustausch zwischen den Luftmengen der beiden Teilsysteme statt, die daraufhin in die Teilräume der Vorwärm- bzw. Vorkühlkammer einströmen, die durch die simultane Bewegung der Kolben K3 und K4 freigegeben werden.

Auch diese Ausführungsform kann aus einer Anzahl von Teilsystemen größer als 2 analog zu den in Fig. 2A bis 2H und Fig. 3A bis 3H beschriebenen Ausführungs­ formen aufgebaut werden.

Claims (9)

1. Stirlingmaschine (100, 200, 300, 400), umfassend
eine Anzahl von zwei oder mehr Teilsystemen (10, 20; 210, 220, 230, 240; 310, 320, 330; 410, 420), die ein Arbeitsmedium enthalten und in denen jeweils ein Stirling-Kreisprozeß mit den Zustandsänderungen isotherme Expansion, isochore Abkühlung, isotherme Kompression und isochore Erwärmung durchführbar ist, wobei die Teilsysteme derart in Reihe miteinander verbunden sind, das erste Teilsystem (10; 210; 310; 414) derart mit einer Vorwärmkammer (17; 250; 350; 414) und das letzte Teilsystem (20; 240; 330; 420) derart mit einer Vorkühl­ kammer (27; 260; 360; 424) verbunden ist,
daß im Betrieb alle Teilsysteme bis auf das erste die für ihre isochore Erwärmung nötige Wärmemenge von dem vorangestellten Teilsystem erhalten, während das erste Teilsystem diese Wärmemenge von der Vorwärmkammer erhält und das letzte Teilsystem die entspre­ chende Wärmemenge bei ihrer isochoren Abkühlung an die Vorkühlkammer abgibt,
oder daß im Betrieb alle Teilsysteme bis auf das erste die für ihre isochore Erwärmung nötige Wärmemenge von dem vorangestellten Teilsystem erhalten, während das erste Teilsystem mindestens einen Teil dieser Wärmemenge von der Vorwärmkammer erhält und den restli­ chen Teil von einem Wärmetauscher (60; 440) erhält und das letzte Teilsystem mindestens einen Teil dieser Wärmemenge bei ihrer isochoren Abkühlung an die Vorkühlkammer und den restlichen Teil an den Wärmetauscher abgibt.

2. Stirlingmaschine (100, 200) nach Anspruch 1, umfassend
eine geradzahlige Anzahl von Verdrängerkammern (10, 20; 210, 220, 230, 240), die jeweils auf einer Seite mit einer Wärmequelle (30) und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Kältequelle (40) in Kontakt stehen und in denen jeweils ein Verdrängerkolben (11, 21) zwi­ schen Wärme- und Kältequelle bewegbar angeordnet ist, wobei jede Verdrängerkammer (10, 20) durch eine Leitung (12, 22) mit einer Arbeitskammer (13, 23) zur Bildung eines Teilsy­ stems verbunden ist und in jeder Arbeitskammer jeweils ein Arbeitskolben (14, 24) bewegbar angeordnet ist, und die Verdrängerkammern jeweils an ihren der Wärmequelle (30) zuge­ wandten Enden durch erste Verbindungsleitungen (51; 251) und jeweils an ihren der Kälte­ quelle (40) zugewandten Enden durch zweite Verbindungsleitungen (52; 252) in Reihe mit­ einander verbunden sind;
wobei die Leitung (12, 22) jeweils derart in die Verdrängerkammer einmündet, daß sie mit dem dem Verdrängerkolben gegenüberliegenden Teilraum in Verbindung steht, wenn der Verdrängerkolben sich in einer Endposition befindet;
und die erste Verdrängerkammer (10; 210) eine erste Bypassleitung (16) aufweist, durch die ihr der Wärmequelle (30) zugewandter Teilraum mit ihrem der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum verbunden ist, wobei in der ersten Bypassleitung (16) eine Vorwärmkammer (17; 250) angeordnet ist, die auf einer Seite mit der Wärmequelle (30) in Kontakt steht, und in der ein Kolben (17A) bewegbar angeordnet ist, und deren der Wärmequelle (30) zuge­ wandter Teilraum mit ihrem der Wärmequelle (30) abgewandten Teilraum durch eine By­ passleitung (17B) verbunden ist;
und die letzte Verdrängerkammer (20; 240) eine zweite Bypassleitung (26) aufweist, durch die ihr der Wärmequelle (30) zugewandter Teilraum mit ihrem der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum verbunden ist, wobei in der zweiten Bypassleitung (26) eine Vorkühlkammer (27; 260) angeordnet ist, die auf einer Seite mit der Kältequelle (40) in Kontakt steht, und in der ein Kolben (27A) bewegbar angeordnet ist, und deren der Kältequelle (40) zugewandter Teil­ raum mit ihrem der Kältequelle (40) abgewandten Teilraum durch eine Bypassleitung (27B) verbunden ist;
wobei die Arbeitskolben paarweise derart mechanisch miteinander gekoppelt sind, daß eine isotherme Expansion des Arbeitsmediums in einem Teilsystem mit einer isothermen Kom­ pression des Arbeitsmediums in einem benachbarten Teilsystem verbunden ist,
und die Verbindungsleitungen (51, 52; 251, 252), die Bypassleitungen (16, 26) und die Bypassleitungen (17B, 27B) durch Ventile verschließbar sind, wobei die Ventile und die Kolben (17A, 27A) durch die Arbeitskolben (14, 24) derart aktivierbar sind,
daß
nach der isothermen Expansion des ersten Teilsystems und der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems die Ventile der Verbindungsleitungen (51, 52) zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsystem und innerhalb jeden nachfolgenden Paares von Teilsystemen und die Ventile der Bypassleitungen (17B, 27B) geöffnet werden und anschließend gleichzeitig mit den isochoren Zustandsänderungen der Kolben (17A) der Vorwärmkammer (17; 250) sich in den von der Wärmequelle (30) abgewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die geöffnete Bypassleitung (17B) in den der Wärmequelle (30) zugewandten Teilraum schiebt und gleichzeitig der Kolben (27A) der Vorkühlkammer (27; 260) sich in den von der Kältequelle (40) abgewandten Teil­ raum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die geöffnete Bypassleitung (27B) in den der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum schiebt und anschlie­ ßend die Ventile der Verbindungsleitungen (51, 52) und die Ventile der Bypassleitungen (17B, 27B) geschlossen werden, und daß
nach der isothermen Kompression des ersten Teilsystems und der isothermen Expansion des zweiten Teilsystems die Ventile der Bypassleitungen (16, 26) und die Ventile der Verbin­ dungsleitungen (251, 252) innerhalb jeden Paares von zwischen der ersten und der letzten Verdrängerkammer liegenden Verdrängerkammern geöffnet werden und bei den an­ schließenden isochoren Zustandsänderungen - gleichzeitig mit dem Positionswechsel der Verdrängerkolben (11, 21) - der Kolben (17A) der Vorwärmkammer (17; 250) sich in den der Wärmequelle (30) zugewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsgas über die geöffnete Bypassleitung (16) in den der Wärmequelle (30) zugewandten Teilraum der ersten Verdrängerkammer (10; 210) schiebt und gleichzeitig der Kolben (27A) der Vorkühlkammer (27) sich in den der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die geöffnete Bypassleitung (26) in den der Kältequelle (40) zugewand­ ten Teilraum der letzten Verdrängerkammer (20; 240) schiebt.

3. Stirlingmaschine (300) nach Anspruch 1, umfassend
eine ungeradzahlige Anzahl von Verdrängerkammern (310, 320, 330), die jeweils auf einer Seite mit einer Wärmequelle (30) und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Kältequelle (40) in Kontakt stehen und in denen jeweils ein Verdrängerkolben (11, 21) zwischen Wärme- und Kältequelle bewegbar angeordnet ist, wobei jede Verdrängerkammer (10, 20) durch eine Leitung (12, 22) mit einer Arbeitskammer (13, 23) zur Bildung eines Teilsystems verbunden ist und in jeder Arbeitskammer jeweils ein Arbeitskolben (14, 24) bewegbar angeordnet ist, und die Verdrängerkammern jeweils an ihren der Wärmequelle (30) zugewandten Enden durch erste Verbindungsleitungen (341; 351) und jeweils an ihren der Kältequelle (40) zuge­ wandten Enden durch zweite Verbindungsleitungen (342; 352) in Reihe miteinander verbun­ den sind;
wobei die Leitung (12, 22) jeweils derart in die Verdrängerkammer einmündet, daß sie mit dem dem Verdrängerkolben gegenüberliegenden Teilraum in Verbindung steht, wenn der Verdrängerkolben sich in einer Endposition befindet;
und die erste Verdrängerkammer (310) eine erste Bypassleitung (16) aufweist, durch die ihr der Wärmequelle (30) zugewandter Teilraum mit ihrem der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum verbunden ist, wobei in der ersten Bypassleitung (16) eine Vorwärmkammer (350) angeordnet ist, die auf einer Seite mit der Wärmequelle (30) in Kontakt steht, und in der ein Kolben (17A) angeordnet ist, und deren der Wärmequelle (30) zuge­ wandter Teilraum mit ihrem der Wärmequelle (30) abgewandten Teilraum durch eine By­ passleitung (17B) verbunden ist;
und die letzte Verdrängerkammer (330) eine zweite Bypassleitung (26) aufweist, durch die ihr der Wärmequelle (30) zugewandter Teilraum mit ihrem der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum verbunden ist, wobei in der zweiten Bypassleitung (26) eine Vorkühlkammer (360) angeordnet ist, die auf einer Seite mit der Kältequelle (40) in Kontakt steht, und in der ein Kolben (27A) angeordnet ist, und deren der Kältequelle (40) zugewand­ ter Teilraum mit ihrem der Kältequelle (40) abgewandten Teilraum durch eine Bypassleitung (27B) verbunden ist;
wobei eine gerade Anzahl von Teilsystemen paarweise derart mechanisch miteinander gekop­ pelt sind, daß eine isotherme Expansion des Arbeitsmediums in einem Teilsystem mit einer isothermen Kompression des Arbeitsmediums in einem benachbarten Teilsystem verbunden ist,
und die Verbindungsleitungen (341, 342; 351, 352), die Bypassleitun­ gen (16, 26) und die Bypassleitungen (17B, 27B) durch Ventile verschließbar sind, wobei die Ventile und die Kolben (17A, 27A) durch die Arbeitskolben (14, 24) derart akti­ vierbar sind, daß
nach der isothermen Expansion des ersten Teilsystems und der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems die Ventile der Verbindungsleitungen (341, 342) zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsystem und innerhalb jeden nachfolgenden Paares von Teilsystemen und das Ventil der zweiten Bypassleitung (26) geöffnet werden und bei den anschließenden isochoren Zustandsänderungen - gleichzeitig mit dem Positionswechsel der Verdränger (11, 21) - der Kolben (17A) der Vorwärmkammer (350) sich in den von der Wärmequelle (30) abgewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die geöffnete Bypassleitung (17B) in den der Wärmequelle (30) zugewandten Teilraum schiebt und gleichzeitig der Kolben (27A) der Vorkühlkammer (360) sich in den der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum be­ wegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die Bypassleitung (26) in den der Kältequelle (40) zugewandten Teilraum der letzten Verdrängerkammer (330) schiebt, und anschließend die Ventile der Verbindungsleitungen (341, 342), das Ventil der Bypassleitung (17B) und das Ventil der Bypassleitung (26) geschlossen werden, und daß nach der isothermen Kompression des ersten Teilsystems und der isothermen Expansion des zweiten Teilsystems die Ventile der Verbindungsleitungen (351, 352) zwischen dem zweiten und dem dritten Teilsystem und innerhalb jeden nachfolgenden Paares von Teilsystemen und das Ventil der ersten Bypassleitung (16) geöffnet werden und bei den anschließenden isochoren Zustandsänderungen - gleichzeitig mit dem Positionswechsel der Verdränger (11, 21) - der Kolben (27A) der Vorkühlkammer (360) sich in den von der Kältequelle (40) abgewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die geöffnete Bypassleitung (27B) in den der Käl­ tequelle (40) zugewandten Teilraum schiebt und gleichzeitig der Kolben (17A) der Vorwärmkammer (350) sich in den der Wärmequelle (30) zugewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die Bypassleitung (16) in den der Wärmequelle (30) zugewandten Teilraum der ersten Verdrängerkammer (310) schiebt.

4. Stirlingmaschine nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher die erste (13) und zweite Arbeits­ kammer (23) eines jeden Paares von Teilsystemen durch eine einzelne Arbeitskammer und der erste (14) und zweite Arbeitskolben (24) durch einen einzelnen Arbeitskolben ersetzt ist, der die Arbeitskammer in zwei Teilräume trennt.

5. Stirlingmaschine (400) nach Anspruch 1, umfassend
ein erstes Teilsystem, bestehend aus einem ersten Zylinder (410), der einen ersten Heißraum (411) und einen ersten Kaltraum (412) enthält,
ein zweites Teilsystem, bestehend aus einem zweiten Zylinder (420), der einen zweiten Heiß­ raum (421) und einen zweiten Kaltraum (422) enthält,
und Kolben (K11, K12, K21, K22), die in den Heiß- und Kalträumen bewegbar angeordnet sind,
wobei erster (411) und zweiter Heißraum (421) mit einer Wärmequelle (450) in Kontakt ste­ hen und durch eine erste Verbindungsleitung miteinander verbunden sind, und erster (412) und zweiter Kaltraum (422) mit einer Kältequelle (460) in Kontakt stehen und durch eine zweite Verbindungsleitung miteinander verbunden sind, und die Heißräume (411, 421) von den Kalträumen (421, 422) durch eine wärmeisolierende Wand voneinander getrennt sind,
und wobei Heiß (411)- und Kaltraum (412) des ersten Teilsystems durch eine erste Bypasslei­ tung (413) miteinander verbunden sind, die durch ein Ventil (V1) verschließbar ist und in der eine Vorwärmkammer (414) angeordnet ist, die auf einer Seite mit der Wärmequelle (450) in Kontakt steht, und in der ein Kolben (K4) bewegbar angeordnet ist, und deren der Wärmequelle zugewandter Teilraum mit ihrem der Wärmequelle abgewandten Teilraum durch eine Bypassleitung (415) verbunden ist,
und Heiß (421)- und Kaltraum (422) des zweiten Teilsystems durch eine zweite Bypassleitung (423) miteinander verbunden sind, die durch ein Ventil (V2) verschließbar ist und in der eine Vorkühlkammer (424) angeordnet ist, die auf einer Seite mit der Kältequelle (460) in Kontakt steht, und in der ein Kolben (K3) bewegbar angeordnet ist, und deren der Kältequelle zugewandter Teilraum mit ihrem der Kältequelle abgewandten Teilraum durch eine Bypassleitung (425) verbunden ist
wobei die Kolben (K11, K12, K21, K22) derart mechanisch miteinander gekoppelt sind, daß eine isotherme Expansion des Arbeitsmediums im Heißraum (411) mit einer isothermen Kompression des Arbeitsmediums im Kaltraum (422) gekoppelt ist und eine isotherme Ex­ pansion des Arbeitsmediums im Heißraum (421) mit einer isothermen Kompression des Ar­ beitsmediums im Kaltraum (412) gekoppelt ist,
und die Volumina der Heißräume (411, 421) sich so zueinander verhalten, daß das Volumen des heißen Arbeitsmediums im expandierten Zustand am Ende der isothermen Expansion des ersten Teilsystems gleich dem Volumen des heißen Arbeitsmediums im komprimierten Zu­ stand am Anfang der isothermen Expansion des zweiten Teilsystems ist,
und die Volumina der Kalträume (412, 422) sich so zueinander verhalten, daß das Volumen des kalten Arbeitsmediums im komprimierten Zustand am Ende der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems gleich dem Volumen des kalten Arbeitsmediums im expandierten Zustand am Anfang der isothermen Kompression des ersten Teilsystems ist,
und die Verbindungsleitungen, die Bypassleitungen (413, 423) und die Bypassleitungen (415, 425) durch Ventile (V1, V2, V3, V4, V5) verschließbar sind, wobei die Ventile und die Kolben (K3, K4) durch die Kolben (K11, K12, K21, K22) derart aktivierbar sind, daß nach der isothermen Expansion des ersten Teilsystems und der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems die Ventile (V3, V4, V5) der Verbindungsleitungen zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsystem und der Bypassleitungen (415, 425) geöffnet werden und an­ schließend der Kolben (K4) der Vorwärmkammer (414) sich in den von der Wär­ mequelle (450) abgewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die geöffnete Bypassleitung (415) in den der Wärmequelle (450) zuge­ wandten Teilraum schiebt und gleichzeitig der Kolben (K3) der Vorkühlkammer (424) sich in den von der Kältequelle (460) abgewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene Arbeitsmedium über die geöffnete Bypassleitung (425) in den der Kältequelle (460) zugewandten Teilraum schiebt,
nach der isothermen Kompression des ersten Teilsystems und der isothermen Expansion des zweiten Teilsystems die Ventile (V1, V2) der Bypassleitungen (413, 423) geöffnet werden und anschließend der Kolben (K4) der Vorwärmkammer (414) sich in den der Wärmequelle (450) zugewandten Teilraum bewegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene hei­ ße Arbeitsmedium in den Heißraum (411) schiebt, und gleichzeitig der Kolben (K3) der Vorkühlkammer (424) sich in den der Kältequelle (460) zugewandten Teilraum be­ wegt und dabei das in diesem Teilraum vorhandene kalte Arbeitsmedium in den Kaltraum (422) schiebt.

6. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welcher die Bypassleitungen (16, 26; 413, 423) derart aneinander vorbeigeführt werden, daß sie einen Wärmetauscher (60; 440) bilden.

7. Stirlingmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kolben in die Zylinder paßdicht eingesetzt sind und durch Schmiermittel gegenüber der Kammerwand ge­ dichtet sind.

8. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Kolben von der Kam­ merwand des Zylinders beabstandet und mit dieser durch eine bewegliche Membran, insbe­ sondere eine Rollmembran verbunden sind.

9. Stirlingmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wärmequelle ein Sonnenkollektor ist.