DE202008010508U1

DE202008010508U1 - Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip

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Publication number: DE202008010508U1
Application number: DE202008010508U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: DE202008006454U1; DE112009001719A5; WO2009138056A9; WO2009138056A1

Abstract

Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip mit mindestens zwei in separaten Zylindern (2, 3) befindlichen durch eine Steuerung bewegungsmäßig miteinander gekoppelten Kolben (4, 5), von denen wenigstens einer in einem kühlbaren Kompressionszylinder (3) als Kompressionskolben (5) und einer in einem heizbaren Arbeitszylinder (2) als Arbeitskolben (4) geführt ist, und zwischen den Zylindern ein oder mehrere Gaskanäle (16) für das Arbeitsgas vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2, 3) und die Kolben (4, 5) auf Ringabschnitten liegen, wobei die Kolben berührungslos in den Zylindern schwenken und die aus den Zylindern herausragenden oder mit diesen abschließenden Kolbenenden über Schwenkarme (6, 7) o. dgl. auf einer außerhalb der Zylinder (2, 3) zwischen diesen angeordneten Mittelachse (8) oder Mittelachsen (8', 8'') geführt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip mit mindestens zwei in separaten Zylindern befindlichen, durch eine Steuerung bewegungsmäßig miteinander gekoppelten Kolben, von denen wenigstens einer in einem kühlbaren Kompressionszylinder als Verdränger und einer in einem heizbaren Arbeitszylinder als Arbeitskolben geführt ist und zwischen den Zylindern ein oder mehrere Gaskanäle für das Heißgas vorgesehen sind. Bei den bekannten Motoren dieser Art werden die Kolben direkt im Zylinder geführt. Da zumindest im heißen Arbeitszylinder hohe Temparaturen entstehen, kann einerseits kei ne Ölschmierung Anwendung finden und andererseits müssen sehr hochwertige Werkstoffe verwendet werden. Bei dem erforderlichen engen Spiel zwischen Kolben und Zylinder neigen die Zylinder einerseits durch Verziehen zu Verklemmungen und bei den sich überwiegend am oberen Teil der Kolben befindlichen Dichtungen kann es im nicht geschmierten Hochtemperaturbereich oft zu Dichtungsverlusten kommen, so dass der Wirkungsgrad in relativ kurzer Zeit erheblich absinkt. Zur Abhilfe hat man bereits Führungen der Kolben außerhalb der Zylinder vorgesehen, jedoch ergeben sich dabei größere Gewichtsmassen, welche wiederum den Wirkungsgrad des Motors negativ beeinflussen.
Um bei einem engen Spiel zwischen Kolben und Zylinder trotzdem eine sichere Führung der Kolben im Zylinder zu erreichen, liegen erfindungsgemäß die Zylinder und die Kolben auf Ringabschnitten, wobei die Kolben berührungslos in den Zylindern schwenken und die aus den Zylindern herausragenden oder mit diesen abschließenden Kolbenenden über Schwenkarme o. dgl. auf einer außerhalb der Zylinder zwischen diesen angeordneten Mittelachse oder Mittelachsen geführt sind. Durch diese Art der Führung der Kolben außerhalb der Zylinder berühren diese die Zylinder nicht, sodass jede Gefahr von Verklemmungen vermieden wird. Die zur Führung dienenden Schwenkarme können sehr leicht ausgeführt werden, sodass sich insgesamt sehr geringe Gewichtsmassen ergeben und man einen sehr ruhigen Lauf erreicht. Sind die Kolbenenden über Schwenkarme oder dergleichen auf zwei außerhalb der Zylinder zwischen diesen angeordneten Mittelachsen geführt, so sind die Kolben weiter voneinander beabstandet, wodurch eine verbesserte Abdämmungsmöglichkeit der Zylinder gegeben ist.
Da die Kolben unmittelbar an den Schwenkarmen befestigt sind, entfallen Kolbenbolzen und man kann daher Dichtungen an der Einlassseite der Zylinder, also entgegen der mit Temperatur beaufschlagten Seite, anbringen, so dass sie nur noch verhältnismäßig geringen Temperaturen ausgesetzt sind. Die Querschnitte der Kolben können rund oder viereckig sein.
Nach weiteren Merkmalen der Erfindung weisen die Kolben je einen Schwenkarm mit Lagerung auf und sind die Kolbenenden oder die Schwenkarme über Pleuel mit einer Schwungscheibe verbunden.
Um einen Motor mit besonders ruhigem Lauf und hohem Wirkungsgrad zu erreichen, besteht dieser aus zwei sich gegenüberliegenden, über Gaskanäle verbundenen Zylindern mit Kolben, von denen je ein Paar als heizbare Arbeitszylinder und das gegenüberliegende Paar als kühlbare Verdrängungszylinder ausgebildet sind. Dabei schwenken die über eine gemeinsame Schwungscheibe verbundenen Kolben jedes Kolbenpaars wechselseitig in die Zylinder ein bzw. aus, sind die Schwungscheiben der Kolbenpaare drehfest miteinander verbunden und dienen versetzt angeordnete Pleuel zu deren Steuerung.
Zweckmäßigerweise ist der Motor, um den Wirkungsgrad zu erhöhen einem luftdichten Gehäuse angeordnet, so dass mit hohen Gasdrücken gearbeitet werden kann. Vorzugsweise sind an den Schwenkarmen der Kolben Magnete vorgesehen, welche gegenüber außerhalb des Gehäuses feststehenden Spulen zur Stromerzeugung verschwenken. Außerdem kann auch auf diese Weise der Schwenkrhythmus von außen zusätzlich beeinflusst werden.
Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Heißgasmotors mit zwei Doppelzylindern mit je einem Kolbenpaar,
3 eine Draufsicht nach 2,
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors mit zwei Mittelachsen.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 sind in einem Gehäuse 1 auf zwei Ringabschnitten ein heizbarer Arbeitszylinder 2 und ein kühlbarer Kompressionszylinder 3 vorgesehen. In diesen Zylindern 2, 3 sind entsprechend geformte Kolben 4 und 5 auf Schwenkarmen 6 und 7 berührungslos geführt. Die Schwenkarme 6 und 7 sind außerhalb der Zylinder 2 und 3 auf einer zwischen diesen angeordneten Mittelachse 8 gelagert. Dabei sind sie so an den freien Enden der Kolben 4 und 5 angeordnet, dass sie bei eingefahrenen Kolben noch außerhalb der Zylinder liegen. Die beiden Schwenkarme 6 und 7 sind ihrerseits über Pleuel 10 und 11 bei 9 phasenverschoben mit einer Schwungscheibe 12 verbunden.
Durch die Verbindung der Kolben 4 und 5 mit den Schwenkarmen außerhalb der Zylinder 2 und 3 können Dichtungen 13 und 14 an der Einlassseite der Zylinder 2 und 3 angebracht werden, so dass sie nur verhältnismäßig geringen Temperaturen ausgesetzt sind. Das im System kursierende Arbeitsgas wird durch eine auf den Arbeitszylinder 2 einwirkende Heizquelle 15 erhitzt und kann über den Kühler 16, welcher gleichzeitig als Regenerator ausgebildet ist, in den Kompressionszylinder 3 strömen.
Der Motor nach 1 arbeitet nach dem üblichen Stirlingprinzip, wobei die thermische Ausdehnung des Arbeitsgases im Zylinder 2 den Kolben 4 aus diesem hinausschwenkt. Entsprechend gesteuert drückt dann der Kolben 5 das im Zylinder 3 vorhandene kühle Arbeitsgas über den Kühler 16 in den Zylinder 2. Der Kompressionskolben und der Verdrängerkolben bewegen sich dabei phasenverschoben, wobei die nutzbare Arbeit vom Arbeitskolben aufgebracht wird, während der Verdrängerkolben lediglich das Arbeitsgas verschiebt.
Beim Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3 handelt es sich um einen Doppelkolbenmotor, wobei sich jeweils zwei heizbare Arbeitszylinder 17 und 18 und zwei kühlbare Verdrängungszylinder 19 und 20 gegenüberliegen, welche über Gaskanäle 21 und 22 miteinander verbunden sind. Die Kolben 23 und 24 und die, aus der Zeichnung nicht ersichtlichen Kolben in den Verdrängungszylindern 19 und 20 sind jeweils an einem gemeinsamen Schwenkarm 25 befestigt, welche bei 26 bzw. 27 außerhalb der Zylinder 17 bis 20 schwenkbar gelagert sind. Über Pleuel 28 und 29 erfolgt dann phasenversetzt die Verbindung mit den gekoppelten Schwungscheiben 30 und 31.
Auch hier werden die Kompressionszylinder 17 und 18 durch eine Heizquelle 32 aufgeheizt und das Arbeitsgas über die Kühler bzw. Regeneratoren 21 und 22 in die Kompressionszylinder 19 und 20 übergeleitet. Auch hier kann von dem Vorteil Gebrauch gemacht werden, die Dichtungen 33 und 34 an den Eintrittsöffnungen für die Kolben 23 und 24, also im relativ niedrigen Temperaturbereich, anzuordnen.
Der gesamte Motor nach dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 kann in einem nicht dargestellten luftdichten Gehäuse angeordnet sein, so dass relativ hohe Gasdrücke verwendet werden können. Ausserdem sind an den Schwenkarmen 25 Magnete 35 und am Gehäuse feststehende Spulen 36 zur Stromerzeugung vorgesehen. Auf diese Weise kann auch der Schwenkrhythmus von außen zusätzlich beeinflusst werden.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 sind in einem Gehäuse 41 auf zwei Ringabschnitten ein heizbarer Arbeitszylinder 42 und ein kühlbarer Kompressionszylinder 43 vorgesehen. In diesen Zylindern 42, 43 sind entsprechend geformte Kolben 44 und 45 auf Schwenkarmen 46 und 47 berührungslos geführt. Die Schwenkarme 46 und 47 sind außerhalb der Zylinder 42 und 43 auf zwei zwischen diesen parallel angeordneten Mittelachsen 8', 8'' gelagert. Dabei sind sie so an den freien Enden der Kolben 44 und 45 angeordnet, dass sie bei eingefahrenen Kolben noch außerhalb der Zylinder liegen. Die beiden Schwenkarme 46 und 47 sind ihrerseits über Pleuel 50 und 51 bei 49 phasenverschoben mit einer Schwungscheibe 52 verbunden.
Durch die Verbindung der Kolben 44 und 45 mit den Schwenkarmen außerhalb der Zylinder 42 und 43 können Dichtungen 53 und 54 an der Einlassseite der Zylinder 42 und 43 angebracht werden, so dass sie nur verhältnismäßig geringen Temperaturen ausgesetzt sind. Das im System kursierende Arbeitsgas wird durch eine auf den Arbeitszylinder 42 einwirkende Heizquelle 55 erhitzt und kann über den Kühler 56, welcher gleichzeitig als Regenerator ausgebildet ist, in den Kompressionszylinder 43 strömen.
Der Motor nach 4 arbeitet nach dem üblichen Stirlingprinzip, wobei die thermische Ausdehnung des Arbeitsgases im Zylinder 42 den Kolben 44 aus diesem hinausschwenkt. Entsprechend gesteuert drückt dann der Kolben 45 das im Zylinder 43 vorhandene kühle Arbeitsgas über den Kühler 56 in den Zylinder 42.
Der Kompressionskolben und der Verdrängerkolben bewegen sich dabei phasenverschoben, wobei die nutzbare Arbeit vom Arbeitskolben aufgebracht wird, während der Verdrängerkolben lediglich das Arbeitsgas verschiebt.

Claims

Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip mit mindestens zwei in separaten Zylindern (2, 3) befindlichen durch eine Steuerung bewegungsmäßig miteinander gekoppelten Kolben (4, 5), von denen wenigstens einer in einem kühlbaren Kompressionszylinder (3) als Kompressionskolben (5) und einer in einem heizbaren Arbeitszylinder (2) als Arbeitskolben (4) geführt ist, und zwischen den Zylindern ein oder mehrere Gaskanäle (16) für das Arbeitsgas vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2, 3) und die Kolben (4, 5) auf Ringabschnitten liegen, wobei die Kolben berührungslos in den Zylindern schwenken und die aus den Zylindern herausragenden oder mit diesen abschließenden Kolbenenden über Schwenkarme (6, 7) o. dgl. auf einer außerhalb der Zylinder (2, 3) zwischen diesen angeordneten Mittelachse (8) oder Mittelachsen (8', 8'') geführt sind.
Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2, 3) an ihren Eintrittsöffnungen für die Kolben (3, 4) Dichtungen (13, 14) aufweisen.
Heißgasmotor nach einem oder beiden der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Kolben rund oder viereckig sind.
Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dass die Kolben (4, 5) je einen Schwenkarm (10, 11) mit Lagerung (8) aufweisen.
Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenenden oder die Schwenkarme (6, 7) über Pleuel (10, 11) mit einer Schwungscheibe (12) verbunden sind.
Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei sich gegenüberliegende über Gaskanäle (21, 22) verbundene Doppelzylinder (17–20) mit Kolben (23, 24), von denen je ein Paar als heizbare Arbeitszylinder (17, 18) und das gegenüberliegende Paar als kühlbare Verdrängungszylinder (19, 20) ausgebildet sind, wobei die über eine gemeinsame Schwungscheibe (25) verbundenen Kolben jedes Kolbenpaars wechselseitig in die Zylinder ein- bzw. ausschwenken, die Schwungscheiben der Kolbenpaare drehfest miteinander verbunden sind und versetzt angeordnete Pleuel (28, 29) zu deren Steuerung dienen.
Heißgasmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dass je zwei Kompressionskolben und je zwei Arbeitskolben (23, 24) auf je einem Doppelschwenkarm (25) angebracht sind, welcher im Mittelpunkt der Ringabschnitte je eine Lagerung (26) aufweist.
Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor in einem luftdichten Gehäuse angeordnet ist.
Heißgasmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schwenkarmen (25) der Kolben (23, 24) Magnete (35) vorgesehen sind, welche gegenüber außerhalb des Gehäuses feststehenden Spulen (36) zur Stromerzeugung verschwenken.
Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gaskanälen (21, 22) Regeneratoren eingesetzt sind.