DE2524479C2

DE2524479C2 - Freikolben-Stirlingmaschine

Info

Publication number: DE2524479C2
Application number: DE2524479A
Authority: DE
Inventors: William Taylor Athens Ohio Beale
Original assignee: Research Corp
Current assignee: Research Corp
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1975-06-03
Publication date: 1985-03-28
Also published as: NL176389B; IN142409B; NL7506744A; FR2273939A1; DE2524479A1; SE430089B; IL47347A0; IL47347A; GB1503992A; FR2273939B1; JPS517350A; IT1038670B; JPS56619B2; US3937018A; NL176389C; SE7506296L; CA1015960A; AU8185075A; ZA753251B

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolben-Stirlingmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches.

Freikolben-Stirlingmaschinen dieser Gattung, die als Antriebsmotor, Kühlvorrichtung und/oder Wärmepumpe verwendet werden können, sind aus der Veröffentlichung »SA E Paper 730 647«, W. Beale u. a.: Free-Piston Stirling Engines — A Progress Report, 1973, bekannt. Für einen einwandfreien Betrieb von Freikolben-Stirlingmaschinen ist es wichtig, daß der Verdrängerkolben /u ganz bestimmten Zeitpunkten der Bewegung des Arbeitskolbens in Bewegung gesetzt wird, weil eine ungünstige Phaseneinstellung der Bewegungen des Verdrängerkolbens gegenüber den Bewegungen des Arbeitskolbens eine schlechte Verteilung der heißen und kalten Gase während Expansion und Kompression hervorruft und zu einer den Wärmewirkungsgrad verringernden thermischen Hysterese führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorbekannte Freikolben-Stirlingmaschine derart zu verbessern, daß mit einfachen Mitteln sichergestellt wird, daß die hin- und hergehenden Bewegungen des Verdrängerkolbens im genau richtigen Zeitpunkt der Bewegungen des Arbeitskolbens einsetzen, um den Übergang der Gase zwischen den heißen und kalten Zylinderräumen ilcs Verdrängerkolbcns vollständiger zu gestalten und ilen Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Freikolben-Stirlingmaschine der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches gelöst.

Durch die Erfindung wird verhindert, daß der Ver

drängerkolben bei Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens an beiden Enden seiner Hubbewegungen vorzeitig in Bewegung gesetzt werden kann, weil die in dem axialen Gaskanal vorgesehenen Rückschlagventile den Gasdruck in dem Ringraum der Arbeitszylinderzone, in den der ringförmige Abschnitt des Arbeitskolbens jeweils eingetaucht ist, auf einem Wert halten, der nicht gerin-' ger als der Druck im Gasrückprallraum der Arbeitskolbenzyiinderzone ist, die mit der Arbeitszylinderzone, in

ίο der der ringförmige Abschnitt vergrößerten Durchmessers des Arbeitskolbens hin- und herbewegbar ist, in Verbindung steht. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Rückschlagventile sorgen automatisch für den ge-"wünschten Druckausgleich durch den radialen Gaska- naL

In der Zeichnung ist in einem Längsschnitt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Freikolben-Stirlingmaschine dargestellt Die Freikolben-Stirlingmaschine 10 enthält in einem

Gehäuse 14 in einer Verdrängerkolbenzylinderzone D2ö einen Verdrängerkoiben Di6 und in einer Ar-

beitskolbenzylinderzone P 22 einen Arbeitskolben P18.

Die Verdrängerkolbenzylinderzone D 20 hat eine Wärmetausch- und Regeneratoreinrichtung 24 mit ei-

nem Erwärmungsabschnitt 26, einem Regeneratorabschnitt 28 und einem Kühlabschnitt 30. Der Erwärmungsabschnitt 26 steht mit einem Ringraum 32 der Verdrängerkolbenzylinderzone D 2G über einen Zylinderraum 34 in Verbindung, während der Kühlabschniit über einen Zylinderrjum 36 mit dem entgegengesetzten Ende der Verdrängerkolbenzylinderzone D 20 verbunden ist

Am Verdrängerkoiben D16 ist eine Kolbenstange 38 befestigt, die durch eine Bohrung 40 im oberen Ende 42 des Arbeitskolbens P18 geführt ist Am freien Ende der Kolbenstange 38 ist ein Steuerkolben 44 angeordnet, der in einem im Arbeitskolben P18 befindlichen Steuerzylinder 46 hin- und herbewegt wenden kann. Der Steuerzylinder 46 hat an seinen eragegekgesetzten Enden Ringräume 48 und 50, die einen etwas größeren Durchmesser als der Steuerkolben 44 haDen und in die der Steuerkolben 44 am Ende seiner hin- und hergehenden Bewegungen eintauchen kann. Die Ringräume 48 und SO liegen in axialer Richtung um die Länge des ge wünschten Arbeitshubes A des Arbeitskolbens P18 voneinander entfernt

Das untere Ende 52 des Arbeitskolbens P18 ragt in einen Gasrückprallraum 54 des Gehäuses 14. Am unteren Ende des Arbeitskolbens P18 ist eine Kolbenstange

so 56 angebracht, die mittels einer Fahenbalgdichtung 58 abgedichtet durch das untere Stirnende 60 des Gehäuses 14 nach außen geführt ist.

Der Arbeitskolben P18 ist mit einem ringförmigen Abschnitt 62 vergrößerten Durchmessers versehen, der in einem erweiterten Zylinderraum 64 der Arbeitszylinderzone P22 liegt. An den einander gegenüberliegenden Enden des Zylinderabschnittes 64 befinden sich Ringräume 66 und 68 geringeren Durchmessers, in die der ringförmige Abschnitt 62 in den Endstellungen des Arbeitskolbens P18 eintaucht. Die obere Stirnfläche 70 des ringförmigen Abschnittes 62 steht über einen im Arbeitskolben P18 befindlichen Kanal 72. mit dem Ringraum 48 in Verbindung, während die gegenüberliegende Stirnfläche 74 des ringförmigen Abschnittes 62 durch einen im Arbeitskolben P18 befindlichen weiteren Kanal 76 mit dem Ringraum 50 des Steuerzylinders 46 verbunden ist. Eine im Gehäuse 14 vorgesehene Bohrung 78 verbindet den Gasrückprallraum 54 mit dem

Zylinderabschnitt 64. in welchem der ringförmige Abschnitt 62 des Arbeitskolbens P18 liegt.

Der ringförmige Abschnitt 62 des Arbeitskolbens P18 enthält einen als Bohrung ausgebildeten axialen Gaskanal 80 und einen radial zu diesem verlaufenden und in denselben mündenden, ebenfalls als Bohrung ausgebildeten radialen Gaskanal 82. An den beiden Enden des G askanals 80 ist jeweils ein als KJappenventil ausgebildetes Rückschlagventil 84 und 86 vorgesehen. Diese Anordnung gewährleistet, daß der Druck in den Ringräumen 48 und 50 und in den Ringräumen 66 und 68 nicht niedriger als der Druck im Gasrückprallraum 54 sein kann, weil ein Druckausgleich durch die Kanäle 72, 76 und 78 bzw. 80,82 und 88 gewährleistet ist Dadurch wird eine vorzeitige Rückbewegung des Verdrängerkolbens D16 vermieden, wenn der Arbeitskolben P18 an einem Cnde seines Hubes zurückprallt und dadurch der Gasdruck in den betreffenden Ringräumen verringert werden könnte.

Nachfolgend wird die Freikolben-Stjrlingmaschine für den Fall beschrieben, daß sie als Motor arbeitet Hierbei wird dem Erwärmungsabschnitt 26 Wärme zugeführt, wobei sich der Verdrängerkolben D16 und der Arbeitskolben P18 in Richtung zum Stirnende 60 des Gehäuses 14 bewegen und die Zylinderzonen D 20 und P "22 mit Wasserstoffgas unter einem Druck von beispielsweise 14 M Pa gefüllt werden.

Wenn der Arbeitskolben P18 mit seinem Ende 52 in den Gasrückprallraum 54 in Richtung zuun Stirnende 60 des Gehäuses 14 tiefer eintaucht, wird im Gasrückprallraum 54 und in dem Zylinderabschnitt 64 Gas eingeschlossen. Sobald der ringförmige Abschnitt 62 in den Ringraum 66 eintaucht, wird auch in diesen Gas eingeschlossen, das durch den Kanal 76 in den Ringraum 50 verdrängt wird. Der Steuerkolben 44 befindet sich bei diesen Bewegungen des Verdrängerkolbens D16 und des Arbeitskolbens P18 im Ringraum 50. Aufgrund des erhöhten Drucks im Ringraum 50 wird der Steuerkolben 44 in Richtung zum Ringraum 48 getrieben, so daß der Verdrängerkolben D16 sich in Richtung zum Ringraum 32 der Verdrängerkolbenzylinderzone D 20 bewegt. Nach Beginn der Bewegung des Verdrängerkolbens D 16 treibt der Druck im Gasrückprallraum 54 den Arbeitskolben P18 in Gegenrichtung vom Stirnende 60 des Gehäuses 14 fön. Der Arbeitskoüten P18 und der Verdrängerkolben D16 setzen diese Bewegung fort, bis im Ringraum 68 eingeschlossenes Gas durch den Gaskanal 72 in den Ringraum 48 gedrückt wird. Der dort dadurch aufgebaute und Wf den Steuerkolben 44 wirkende Gasdruck bewirkt eine Umkehr der Bewegung des Verdrängerkolbens D16 in Richtung zum Stirnende 60 des Gehäuses 14. Dadurch wird wiederum eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens P18 hervorgerufen, wodurch ein neuer Arbeitszyklus eingeleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Freikolben-Stirlingmaschine mit einem Verdrängerkolben und einem Arbeitskolben, die je in einer entsprechenden Zylinderzone hin- und herbewegbar angeordnet sind, mit Mitteln zum Zu- und Abführen von Wärme zu bzw. von entgegengesetzten Enden der Verdrängerkolbenzylinderzone und mit Phaseneinstell- bzw. Antriebseinleitmitteln für den Verdrängerkolben mit einer an ihrem einen Ende mit einem Ende des Verdrängerkolbens verbundenen Kolbenstange, die an ihrem anderen Ende einen in einem aktive Räume aufweisenden Steuerzylinder im Arbeitskolben geführten kleinen Steuerkolben trägt, wobei der Steuerzylinder an zum Steuerkolben entgegengesetzten Seiten an Strömungskanäle angeschlossen ist, die zum Einleiten einer Bewegung des Verdrängerkolbens an einem geeigneten Punkt der Arbei$kclbenbewegung mit abwechselnden Quellen von durch den Arbeitskciben komprimiertem Gas verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Abschnitt (62) vergrößerten Durchmessers des Arbeitskolbens (P 18). der in den Endstellungen des Arbeitskolbens jeweils in einen Ringraum (66,68) der Arbeitszylinderzone eintaucht, einen axialen Gaskanal (80) enthält, welcher an einen von der Mantelfläche des ringförmigen Abschnittes ausgehenden radialen Gaskanal (82) angeschlossen ist und an seinen Enden mit vom Kanal hi/ durchgängigen Rückschlagventilen (84,86) versehen ist.