DE3223511A1

DE3223511A1 - Freikolben-stirlingmaschine

Info

Publication number: DE3223511A1
Application number: DE19823223511
Authority: DE
Inventors: William T. 45701 Athens Ohio Beale
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1982-06-24
Publication date: 1983-03-24
Also published as: US4404802A; JPS5847141A; DE3223511C2; CA1166024A; JPH0433986B2

Description

Andrejewskir Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung betrifft eine Freikolben-Stirlingmasohlne mit einem einen Arbeitsraum und einen Bezugsraum begrenzenden Gehäuse, wobei Arbeitsraum und Bezugsraum ein Gas enthalten, mit einem im Arbeitsraum hin und hergehenden Verdrängerkolben und einem mit dem Arbeitsraum in Fluid-Verbindung stehenden hin und hergehenden Kraftkolben.

Wenn der Kraftkolben und der Verdrängerkolben einer Freikolben Stirlingmaschine hin und her gehen, so besteht die Tendenz, daß ein ungleichförmiger Gasdurchfluß von dem einen Raum zum anderen entsteht, welcher, wenn er nicht gesteuert wird, einen! durchschnittlichen Druckanstieg in dem Raum hervorruft, in welohen das Gas einströmt, wodurch der Kraftkolben oder der Verdrängerkolben in der einen oder anderen Richtung innerhalb des Maschinengehäuses vorwärts gedrückt wird. Die Ursache | dafür besteht darin, daß der Gasstrom durch einen Ringspalt j zwischen einer zylindrischen Wandung und einer sich bewegenden! zylindrischen Oberfläche nicht sinusförmig verläuft, d.h. er j ist stärker bei einem hohen Druck als bei einem niedrigen j Druck. Gas wird ständig aus einem Raum, der einen höheren j Maximaldruck besitzt, in einen Raum strömen, der einen niedrigeren Maximaldruck besitzt, und es wird stets während des hohen Druckdifferentials mehr Gas ausströmen als während des niedrigen Druckdifferentials.

! Eine mittige Steuerschlitzanordnung liefert einen Korrektivstrom des Gases, wenn der Verdrängerkolben oder der Kraftkolben sich in der Mittellage befinden. Auf diese Weise können j extrem niedrige und extrem hohe Druokdifferentiale in einem

ο ο ο ο c 1 1 J. Z.Z.dJb_J_l

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

speziellen Raum vermieden werden, indem eine Gasdurchlässigkeit geschaffen wird, um extrem hohe Drücke abzubauen und ein Gaszustrom zur Erhöhung übermäßig niedriger Drücke zu schaffen.

In der Vergangenheit wurden hin und hergehende Bauteile genau in die richtige Lage gebracht und in der richtigen Lage gehalten, indem Ventile oder Kanäle im Maschinengehäuse vorgesehen wurden oder indem eine periodische Pluid-Verbindung zwischen einem Raum, welcher eine deutliche Druckschwankung erleidet, und einem Bezugsraum, in welchem der Gasdruck auf dem oder über dem mittleren Druck des Systems gehalten wird, geschaffen wird.

In der US-Patentschrift 3 899 888 vom I9. August 1975 wird eine Positionlerungs-Einriohtung für einen Kolben offenbart, bei welcher im Mittelbereich der Zylinderwandung, innerhalb welchem der Kolben hin und her geht, senkrechte Nuten aus-

gebildet sind. Diese Nuten wirken als Seitenkanäle mit einem j Strömungswiderstand, welcher in beiden Richtungen praktisch j gleich ist. Wenn der Kolben hin und her geht, hat der Gas- \

durchstrom durch die Nuten die Tendenz, den Mittelpunkt der j hin und hergehenden Bewegung des Kolben nahe dem Mittelpunkt ί d'ir Nuten zu halten. Ein Hauptnachteil dieser Anordnung i bosteht darin, daß zwischen der Zylinderwandung und der Außen-!

wandung des Kolbens eine Passung mit enger Toleranz vorgesehen¹ werden muß, damit die Pluld-Verbindung mit den Nuten genau in | der richtigen Kolbenlage entsteht. Eine derart enge Passung erfordert jedoch eine kostenaufwendige Bearbeitung oder ein Honen der inneren Maschinenwandung.

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

— 7 —

In der US-Patentschrift 4 I83 214 vom 15. Januar I98O wird
ein Verdrängerkolben offenbart, welcher eine zylindrische
Bohrung und ein darin ausgebildetes Gasfederungs-Abteil besitzt. Am Maschinengehäuse ist eine Stange am einen Ende
mittels eines Sternkreuzes befestigt. Das andere Ende sitzt
verschieblich in der zylindrischen Bohrung im Verdrängerkolben. Im Verdrängerkolben und in der feststehenden Stange
sind zentrale Steuerkanäle vorgesehen, sodaß die mittige
Position des Verdrängerkolbens eingehalten werden kann. Ein
Hauptnachteil dieser Anordnung besteht darin, daß das Sternkreuz die Bewegung des Kraftkolbens und des Verdrängerkolbens ; stört. Diese hin und hergehenden Bauteile neigen dazu, in \

1 einem bestimmten Punkt des Stirling-Zyklus zusammenzukommen. j

Da das Sternkreuz eine feststehende Position zwischen Kraft- >

kolben und Verdrängerkolben behält, ist es unmöglich, ein i

Überlappen des Kolbenhubes des Kraftkolbens und des Kolben- \

hubes des Verdrängerkolbens zu erreichen, was die Leistung j

und den Wirkungsgrad verringert. j

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Freikolben- 1 Stirlingmaschine in der Weise auszubilden, daß die aufgezeig- i ten Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen behoben ; werden, indem eine preisgünstiger herstellbare Freikolben- '■· Stirlingmaschine geschaffen wird, welche eine wirksame zen- j trale Schlitzsteuerung für den Kraftkolben und den Verdränger-I kolben besitzt, bei welcher der Kraftkolben und der Verdrän- j gerkolben sich um ihre Längsachse drehen können, um eine
hydrodynamische Schmierung zu erreichen, und bei welcher eine
Überlappung der beiden Kolbenhübe zwecks höherer Leistung und
höheren Wirkungsgrades erzielbar ist.

Andrejewski, Honke & Pattner, Patentanwälte in Essen

Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Freikolben-Stirlingmaschlne der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch, daß der Kraftkolben eine eine sich axial durch ihn erstreckende zylindrische Innenwandung besitzt, welche eine Mittelbohrung des Kolbens begrenzt, daß der Verdrängerkolben eine sich vom einen Kolbenende in einen Mittelbereich desselben erstreckende zylindrische Innenwandung besitzt, welche eine Mittelöffnung in diesem Kolben begrenzt, und daß im Gehäuse eine langgestreckte Zentrierstange befestigt ist und eine durchgehende äußere Lagerfläche liefert, auf welcher die beiden Kolben mit ihren zylindrischen Innenwandungen jeweils verschieblich angeordnet sind.

Vorzugsweise besitzt die Zentrierstange auch eine axial verlaufende zentrale Aushöhlung, die mit dem Bezugsraum in Fluid-Verbindung steht, sowie einen ersten und einen zweiten Durchlaß, welche eine Pluid-Verbindung zwischen der zentralen Aushöhlung und der äußeren Lagerfläche der Zentrierstange in den gewünschten Mittelpunkten der hin und hergehenden Bewegung des Kraftkolbens und Verdrängerkolbens liefern. Der Kraftkolben seinerseits kann einen von seiner zylindrischen Innenwandung zu einem Gas enthaltenden Arbeitsraum verlaufenden Kanal oder eine entsprechende Bohrung besitzen und der Verdrängerkolben kann ein ein Gas enthaltendes Abteil sowie einen Kanal oder eine Bohrung aufweisen, welche von seiner zylindrischen Innenwandung zu diesem Abteil verlaufen. Auf diese Welse wird eine periodische Pluid-Verbindung zwischen der zentralen Aushöhlung der Zentrierstange und dem Arbeitsraum sowie zwischen der zentralen Aushöhlung und dem Abteil

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

des Verdrängerkolbens hergestellt, wenn die beiden Kolben durch ihre gewünschten Mittelpunkte der hin und hergehenden Bewegung hindurchgehen.

Gegenüber der erstgenannten US-Patentschrift kann zwischen dem Kraftkolben und dem Gehäuse ein Spielsitz vorgesehen werden und preiswerte Kolbenringe können in diesen Kolben eingesetzt werden, da die Hauptlagerflaohen durch die äußere Lagerfläche der Zentrierstange und die zylindrischen Innenwandungen des Kraftkolbens und des Verdrängerkolbens geliefert werden. Da die Öffnungen in den hin und hergehenden Bauteilen wesentlich geringeren Durchmesser als das Maschinengehäuse haben, ist es wesentlich preiswerter, einen engen Gleitsitz zwischen der Zentrierstange und der inneren Kolbenwandung vorzusehen, wie dies erfindungsgemäß geschieht, statt zwischen dem Kolbenmantel und dem Maschinengehäuse, wie dies in der US-Patentschrift vorgesehen ist.

Gegenüber der zweitgenannten US-Patentschrift ist die feststehende Zentrierstange am Maschinengehäuse an einer Stelle befestigt, an welcher sie die Bewegung der hin und hergehenden Bauteile, d.h. der beiden Kolben, nicht stört. Zusätzlich erlaubt die Anordnung der erfindungsgemäßen Zentrierstange eine Verdrehung des Kraftkolbens und des Verdrängerkolbens, sodaß eine Drallschmierung möglich ist. Demgegenüber würde bei der genannten US-Patentschrift das Sternkreuz eine Drehbewegung der beiden Kolben stören und eventuell sogar dadurch beschädigt werden.

•^::;.; j;..:; ".1". ... 2223_5Χ1_Ί

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 10 -

Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigt

Fig.l eine schematische Ansicht einer Freikolben-Stirllngmaschine in der erfindungsgemäßen Ausbildung, bei welcher der Verdrängerkolben und der Kraftkolben axial fluchten;

Fig.2 eine schematische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels, bei welchem der Verdrängerkolben und der Kraftkolben nicht axial fluchteni und

Fig.3 einen Axialschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eier Erfindung.

Fig.l zeigt eine Freikolben-Stirlingmaschine IO mit einem Gehäuse 11, welches einen Arbeitsraum 12 und einen Prell- oder Bezugsraum 13 begrenzt. Diese beiden Räume enthalten ein Gas wie beispielsweise Luft, Wasserstoff, Helium oder dergleichen. Eia Verdrängerkolben 14 ist hin und her verschieblich in einem j Verdrängerzylinder 15 angeordnet, welcher durch einen Teil der| Innenwandung des Gehäuses 11 oder sonstwie im Arbeitsraum 12 ausgebildet ist. Ein Kraftkolben 16 ist hin und herführbar in einem Kraftkolben-Zylinder 17 angeordnet, welcher durch einen anderen und vorzugsweise überlappenden Bereich der Innejawandung des Gehäuses 11 gebildet wird oder sonstwie vorgesehen

i ist, um mit dem Arbeitsraum 12 in Fluid-Verbindung zu stehen, j Vorzugswelse sind der Verdrängerkolben IK und der Kraftkolben 16 axial ausgerichtet, wie dies in Flg.l dargestellt ist,

* η · *■

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 11 -

wenn es auch ohne weiteres möglich ist, daß sie nicht axial
ausgerichtet sind, wie dies in Pig.2 dargestellt ist, so lange
der Arbeitskolben in Pluid-Verbindung mit dem Arbeitsraum 12 , bleibt. .

Der Arbeitsraum 12 kann weiterhin in einen Heißraum 18 und
einen Kaltraum 19 unterteilt sein. Die Ausführungen gemäß Fig. Γ und 2 werden als Maschinen oder Motore durch Zufuhr von Hitze ! seitens einer Hitzequelle 20 zum zugeordneten Heißraum 1& und j der Wärmeentzug vom Kaltraum 19 mittels eines Wärmetauschers ■ oder Kühlkörpers 21 betrieben. Ein Regenerator 22 kann in her- 1 kömmlicher Weise vorgesehen werden, um die Übertragung von : Wärmeenergie zu verstärken. Wie jedem Fachmann bekannt, können ! Einrichtungen dieser allgemein beschriebenen Art für den j Antrieb von Linear-Wechselstromerzeugern oder Pumpen verwendet ; werden und können auch als Kühl- und Heizeinrichtungen betrie- ■ ben werden oder für andere Wärmepumpen-Anwendungen, indem der ; Kraftkolben 16 mit einer hin und hergehenden mechanischen j Energie beaufschlagt wird. Es versteht sich daher von selbst, j daß die erfindungsgemäße Ausbildung einer Freikolben-Stirlingmaschine mit Vorteil bei all' diesen Betriebsarten einer
Stirlingmaschine verwendet werden kann.

Wie Pig.l zeigt, ist eine langgestreckte Zentrierstange 2;5
mit ihrem einen Ende 24 im Gehäuse 11 befestigt und erstreckt
sich längs der Achse der hin und hergehenden Bewegung des
Verdrängerkolbens 14 und des Kraftkolbens 16. Die beiden Kolben besitzen jeweils zylindrische Innenwandungen 25 bezw. 26. Die
zylindrische Innenwandung 25 des Kraftkolbens verläuft axial

12235JJL₁

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 12 -

duroh diesen Kolben und begrenzt dadurch in ihm eine Mittelbohrung 27· Die zylindrische Innenwandung des Verdrängerkolbens 26 erstreckt sich andererseits vom einen Ende 28 des Verdrängerkolbens in einen Mittelbereich dieses Kolbens und begrenzt dadurch eine Mittelöffnung 29 in ihm.

Die Zentrierstange 23 besitzt eine äußere Lagerfläche 30, an welcher die zylindrische Innenwandung 25 des Kraftkolbens und die zylindrische Innenwandung 26 des Verdrängerkolbens verschiebllch anliegen. Sowohl die äußere Lagerfläche 30 wie die zylindrischen Innenwandungen der beiden Kolben sind maschinell derart bearbeitet, daß sich eine satte Anlage oder eine Feinpassung zwischen diesen Teilen ergibt, wenn die beiden Kolben sich gegenüber der feststehenden Zentrierstange 23 hin und her bewegen. Vorzugsweise vollführen der Kraftkolben 16 und de'-> Verdrängerkolben 14 auch eine Drehbewegung, während sie hl ι und her gehen, wodurch eine hydrodynamische oder Dralluoomierung zwischen ihren zylindrischen Innenwandungen 25 und ;jö und der äußeren Lagerfläche 30 der Zentrierstange erzielbar

lot- i

D1'3 erfindungsgemäß vorgesehene Peinpassung zwischen der ι Zeatrierstange und den zylindrischen Innenwandungen der Kolben j maoht es unnötig, zwischen der Außenwandung 31 des KraftkoLbens und der Innenwandung des Kraftkolben-Zylinders 17 eine Passung mit geringer Toleranz vorzusehen. Stattdessen kann vorzugsweise zwischen diesen Wandungen ein Spielsitz vorgesehen werden, und ein oder mehrere Kolbenringe 32 können In den Kolben eingesetzt werden, um den Gasdurchstrom zwischen

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 13 -

dem Bezugsraum 13 und dem Arbeltsraum 12 bni der hin und hergehenden Bewegung des Kolbens zu begrenzen. Kolbenringe sLnd zwischen dem Verdrängerkolben und dem Verdrängerkolben-ZyLinder! 15 nicht erforderlich, da das Regeneration;;system einen Gas- i strom zwischen dem Heißraum 18 und dem Kaltraum 19 bei hin und ι hergehender Bewegung des Verdrängerkolbens erfordert, wie dies

allgemein bekannt ist. ■.

Der Sitz mit enger Toleranz zwischen der äußeren Lagerfläche 30 der Zentrierstange und den zylindrischen Innenwandungen 25 \ bezw. 2.6 des Verdrängerkolbens und des Kraftkolbens kann vor- j zugsweise ausgenutzt werden, um eine zentrale Schlitzsteuerung j sowie das vorbeschriebene Lagersystem für die beiden Kolben j einer Freikolben-Stirlingmaschine zu ergeben. Zu diesem Zweck besitzt die Zentrierstange vorzugsweise eine axial verlaufende mittige Aushöhlung 33* welche mit dem Bezugs- oder Prellraum 13 über eine oder mehrere Öffnungen 3^ in Fluid-Verblndung steht. Auf diese Weise zirkuliert im Bezugsraum befindliches Gas ebenfalls in der mittigen Aushöhlung 33· Diese Aushöhlung ist am freien Ende 35 gegenüber dem festliegenden Ende 24 der Zentrierstange verschlossen.

Für den einwandfreien Betrieb dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es wichtig, daß der Bezugsraum 13 ein deutliches Volumen umschließt, sodaß die Druckschwankungen des darin befindlichen Gases vernachlässigbar sind. Im Idealfall wird das im Prellraum 13 befindliche Gas auf einem Durchschnittsdruck des gesamten Systems gehalten. Wäre das Volumen des Prellraumes so gering, daß darin befindliches Gas wet ent- j

"" : " "' 32235 U

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- l4 -

liehe Druckschwankungen erleiden würde* wenn der Kraftkolben hin und her geht, so müßte zweckmäßigerweise eine Pluid-Verbindung zwischen einem ein Hilfsgas enthaltenden Bezugsraum (Pig.2) und der zentralen Aushöhlung 33 der Zentrierstange vorgesehen werden, statt den Prellraum als ein Bezugsvolumen zu verwenden.

Eine Fluid-Verbindung zwischen der zentralen Aushöhlung 33 der Zentrierstange und ihrer äußeren Lagerfläche 30 wird durch einen ersten Durchlaß 36 bezw. einen zweiten Durchlaß 37 erreicht. Der erste Durchlaß 36 liegt in der äußeren Lagerfläche Im wesentlichen in dem gewünschten Mittelpunkt 38 der hin und hergehenden Bewegung des Kraftkolbens 16. Der zweite Durchlaß 37 liegt in der äußeren Lagerfläche im wesentlichen in dem gewünschten Mittelpunkt 39 der hin und hergehenden Bewegung des Verdrängerkolbens 14.

Der Kraftkolben 16 ist seinerseits vorzugsweise mit einem Kaaal oder einer Bohrung 40 versehen, welche von der zylindrisc ien Innenwandung 25 des Kolbens zum Arbeitsraum 12 verläuft. Oe? Kanal 40 mündet mit einer Öffnung 41 in die innere Kolbenwaidung, welche mit dem ersten Durchlaß 36 der Zentrlerstange fliehtet, wenn der Kraftkolben durch seinen gewünschten Mittel-! puikt der hin und hergehenden Bewegung hindurchgeht. Auf diese j Welse kann eine periodische Pluid-Verbindung zwischen dem j Arbeitsraum 12 und dem Bezugsraum I3 über die zentrale Ausheilung 33 der Zentrierstange erreicht werden. Vorzugsweise ist die Öffnung 4l als Ringnut in der inneren Kolbenwandung ausgebildet, sodaß eine genaue Übereinstimmung zwischen dem Kanal 40 und dem ersten Durchlaß 36 erreicht wird, wenn der ■ Kolben sich dreht.

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 15 -

Ira Mittelteil des Verdrängerkolbens 14 neben der zentralen _: Öffnung 29, welche durch die zylindrische Innenwandung 26 des

Verdrängerkolbens begrenzt wird, kann ein ein Gas enthaltendes ;

Abteil oder eine Gasfederung 42 ausgebildet sein. Wenn der |

Verdrängerkolben gegenüber dem freien Ende 55 der Zentrier- ■

stange hin und her geht, wird das im Abteil 42 befindliche Gas j

abwechselnd zusammengepreßt und expandiert. Wie Fig.l zeigt, ι

kann das freie Ende 55 auch mit einer Aushöhlung 45 versehen ^;

werden, welche mit dem Abteil 42 in Verbindung steht und als j

Zusatzraum dient, innerhalb welchem die Gasfederung tätig ist. ;

Auf in etwa analoge Weise wie der Kraftkolben kann der Ver- ' drängerkolben einen Kanal 44 aufweisen, welcher von der zylind-; rischen Innenwandung 26 zum Abteil 42 der Gasfederung verläuft.j Der Kanal 44 besitzt in der inneren Kolbenwandung eine öffnung j 45, welche mit dem zweiten Durchlaß 57 der Zentrierstange in j Übereinstimmung gerät, wenn der Verdrängerkolben seinen ge- j wünschten Mittelpunkt der hin und hergehenden Bewegung durch- j läuft. Auf diese Weise kann eine periodische Pluid-Verbindung i zwischen dem Gasfederungsabteil 42 und dem Bezugsraum 15 über ! die zentrale Aushöhlung der Zentrierstange gebildet werden. ; Vorzugsweise ist auch die Öffnung 45 als Ringnut in der Innen- i wandung 26 des Verdrängerkolbens ausgebildet, sodaß zwischen j dem Kanal 44 und dem zweiten Durchlaß 57 eine genaue Überein- J Stimmung erreicht wird, wenn der Kolben sich dreht.

Pig.2 zeigt eine Freikolben-Stirllngmaschine mit einem Verdrängerkolben 114 und einem Kraftkolben 116, welche jedoch
nicht axial zueinander ausgerichtet sind. Erfindungsgemäß ist
jedoch der Kraftkolben mit einer ersten Zentrierstange 125a

"" ".. "V ". .. 322-3.541

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 16 -

und der Verdrängerkolben mit einer zweiten Zentrierstange 123B versehen. In gleicher Welse wie die in Pig.l dargestellte Zentrierstange sind diese beiden Zentrierstangen gemäß Fig.2 an ihrem einen Ende im Gehäuse 111 befestigt und besitzen äußere Lagerflächen 130A bezw. lj5OB. Wie die Figur zeigt, finden für die zentrale Schlitzsteuerung und für die Lagerung der axial nicht zueinander ausgerichteten beiden Kolben im wesentlichen die gleichen Bauteile Verwendung, welche im wesentlichen auf die gleiche Weise wirken wie die axial ausgerichteten beiden Kolben gemäß Pig.l.

Theorie und Wirkungsweise.

Das im Prell- bezw. Bezugsraum befindliche Gas steht unter einem Durchschnittsdruok des gesamten Systems. Ganz allgemein sollte bei einer Preikolben-Stirlingmaschine mit einer deutlichen Druckschwankung jeder ein Gas enthaltende Raum mit dem Bezugsraum in der gewünsohten Mittellage der Einrichtung, welche die Druckänderung verursacht, verbunden sein, wie beispielsweise des Kraftkolbens oder des Verdränger kolbens. Die Notwendigkeit für diese periodische Fluid-Verbindung ergibt sich aus der Notwendigkeit, den ungleichförmigen Gasstrom von einem Raum zu einem anderen zu verschieben. Dieser ungleichförmige Gasstrom verursacht, wenn ] ihm nicht entgegengewirkt wird, einen mittleren Druckanstieg, j welcher den Kraftkolben oder den VerdrängerkQlben in der einen oder anderen Richtung verschiebt. Dieser Effekt wiede- ! rum ist das Resultat der Nicht-Linearität des Gasstromes j

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 17 -

duroh einen Ringspalt, wie dies eingangs beschrieben wurde. Gas wird stets aus jedem beliebigen Raum ausströmen, welcher unter asymmetrischen Druckschwankungen den höheren Maximal- ' druck besitzt.

Dadurch, daß der Verdrängerkolben eine Gasfederung erhält, wird die Dynamik des Laufes des Verdrängerkolbens in altbekannter Weise unterstützt. Wenn der Verdrängerkolben um : seinen Mittelpunkt im Takt hin und zurück läuft, steht das , Gas in der Gasfederung periodisch mit dem Prellraum an der Stelle in Verbindung, an welcher der Kanal des Verdrängerkolbens und der zweite Durchlaß der Zentrierstange miteinander übereinstimmen. Der Prellraum ist groß genug, sodaß der Druck des in ihm befindlichen Gases im wesentlichen konstant bleibt. ' Das Gas des Prellraumes wirkt daher derart auf die Gasfederung^ daß der Druck der Gasfederung in einem Bereich gehalten wird, ; welcher den Verdrängerkolben innerhalb des Arbeitsraumes in der richtigen Position hält. Wenn der Verdrängerkolben hin und , her läuft, wird der Gasdruck im Abteil der Gasfederung periodisch mit dem Gasdruck des Prellraumes beaufschlagt. Infolge- . dessen setzt der Verdrängerkolben seine hin und hergehende | Bewegung in dem gleichen begrenzten Raum fort. ,

i Auf in etwa gleiche Weise steht der Arbeitsraum periodisch in Fluid-Verbindung mit der zentralen Aushöhlung der Zentrier- ^! Stange und infolgedessen mit dem Prellraum über den Kanal des ' Kraftkolbens, welcher periodisch mit dem ersten Durchlaß in < der Zentrierstange in Übereinstimmung gerät. Ebenso wie die \ Gasfederung des Verdrängerkolbens steht der Arbeitsraum in '

Andreiewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 18 -

Fluid-Verbindung mit dem Prellraum im gewünschten Mittelpunkt der hin und hergehenden Bewegung des Kraftkolbens.

Die vorbeschriebene Wirkung der zentralen Schlitz- oder Kanal-i steuerung gewinnt zusätzlich an Bedeutung^, wenn der Kraftkolben mit einem Kolbenring versehen wird, welcher verschieblloh am Gehäuse anliegt. Die Verwendung eines Kolbenringes

zur Verminderung eines Gasstromes um den Außenmantel des ι Kraftkolbens ist äußerst zweckmäßig, da dadurch ein preis- |

werter Spielsitz zwischen dem Gehäuse und dem Außenmantel 1 dieses Kolbens vorgesehen werden kann. Allerdings kann bei I einem Kolbenring weitgehend nicht vorausgesagt werden, in
welcher Richtung er von einem Takt zum anderen Gas durchströmen läßt. Ohne das erfindungsgemäße System der zentralen
Schlitz- oder Kanalsteuerung würde der Kolben daher in der
einen Minute zu weit innen und in der nächsten Minute zu weit :

außen liegen. ι

Die Zentrierstange 1st außerdem erforderlich, wenn Kolbenringe verwendet werden sollen, da andererseits, wenn das \ Gehäuse im Gegensatz zur Zentrierstange für eine Schlitz- ! steuerung herangezogen würde, der Spielsitz zwischen Gehäuse
und Kolbenmantel es unmöglich machen würde, eine genaue Über- j

einstlmmung im Mittelpunkt der hin und hergehenden Bewegung | des Kolbens zu erreichen. Bei einem Spielsitz würde Gas in ! unvorhersehbarer Welse zwischen dem Prellraum und dem Arbeits-ΐ raum hin und her strömen. !

322 ob 1

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

- 19 -

Trotz der Tatsache, daß Kolbenringe in ihren Durchlaßeigenschaften unberechenbar sind, können sie bei der erl'indungagemäßen Ausbildung mit Vorteil verwendet werden, da die Wirkung der zentralen Schlitz- oder Kanalsteuerung über die eng sitzende Zentrierstange die unberechenbaren Nachteile der Kolbenringe überwindet.

Ein weiterer Vorteil eines Spielsitzes am Außendurchmesser des Kolbens besteht darin, daß dadurch ein Drall begünstigt wird, welcher die Gasschmierung an der eng tolerierten Zentrierstange bewirkt.

Selbstverständlich sind neben den vorbeschriebenen und in den Figuren dargestellten bevorzugten AusfUhrungsbeispielen der Erfindung verschiedene Abwandlungen in konstruktiven Einzelheiten möglich, so lange dabei das Erfindungsprinzip nicht verlassen wird.

Claims

Freikolben-Stirlingmaschine. Patentansprüche.

1.) Freikolben-Stirlingmaschine mit einem einen Arbeitsraum und einen Bezugsraum begrenzenden Gehäuse, wobei Arbeltsraum und Bezugsraum ein Gas enthalten, mit einem im Arbeitsraum hin und hergehenden Verdrängerkolben und einem mit dem Arbeitsraum in Fluid-Verbindung stehenden hin und hergehenden Kraftkolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftkolben (16) eine sich axial durch ihn erstreckende zylindrische Innenwandung (25) besitzt, welche eine Mittelbohrung (27) des

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Kolbens begrenzt, daß der Verdrängerkolben (14) eine sich vom einen Kolbenende (28) in einen Mittelbereich desselben erstreckende zylindrische Innenwandung (26) besitzt, welche eine Mittelöffnung (29) in diesem Kolben begrenzt, und daß im Gehäuse eine langgestreckte Zentrierstange (2J) befestigt ist und eine durchgehende äußere Lagerfläche (30) liefert, auf welcher die beiden Kolben (14, 16) mit ihren zylindrischen Innenwandungen (26 bezw. 25) jeweils verschieblich angeordnet sind.

2. Frelkolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierstange (23) eine axial verlaufende zentrale Aushöhlung (33) besitzt, die mit dem Bezugsraum (13) in PIuid-Verbindung steht, ferner einen eine Fluid- j Verbindung zwischen der zentralen Aushöhlung und der äußeren I Aushöhlung und der äußeren Lagerfläche (30) ergebenden ersten j Durchlaß (36), welcher in der äußeren Lagerfläche im wesentlichen in der Mitte (38) der hin und hergehenden Schwingung des Kraftkolbens (16) ausgebildet ist.

3· Preikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftkolben (16) einen von der inneren Kolbenwandung (25) zum Arbeitsraum (12) verlaufenden Kanal (40 aufweist, welcher in der inneren Kolbenwandung eine öffnung (41) besitzt, die mit dem ersten Durchlaß (36) in der Lagerfläche (30) der Zentrierstange (23) beim Durohgang des Kraftkolbens durch den Mittelpunkt seiner hin und hergehenden Bewegung fluchtet, wodurch eine periodisohe Pluid-Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und der zentralen Aushöhlung (33) der Zentrierstange herstellbar 1st.

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

— "5 —

4. Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch : gekennzeichnet, daß die Zentrierstange (23) eine axial ver- ' laufende zentrale Aushöhlung (33) besitzt, die mit dem Bezugs- j raum (13) in Fluid-Verbindung steht, und außerdem einen eine J Fluid-Verbindung zwischen der zentralen Aushöhlung und der ! äußeren Lagerfläche (30) bildenden zweiten Durchlaß (37)» ; welcher in der äußeren Lagerfläche im wesentlichen im gewUnsch-i ten Mittelpunkt der hin und hergehenden Bewegung des Ver- ! drängerkolbens (14) ausgebildet ist. j

5. Freikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich des Verdrängerkolbens (14) ein Gas enthaltendes Abteil (42) begrenzt und der Verdränge rkolben einen von seiner Innenwandung (26) zu diesem Abteil verlaufenden Kanal (44) aufweist, der in der Kolbeninnenwandung (26) eine Öffnung (45) besitzt, welche mit dem zweiten Durchlaß (37) in der äußeren Lagerfläohe (30) der Zentrierstange (23) fluchtet, wenn der Verdrängerkolben den gewünschten Mittelpunkt seiner hin und hergehenden Bewegung passiert, wodurch eine periodische Fluid-Verbindung zwischen dem Gasabteil und der zentralen Aushöhlung (33) der Zentrierstange herstellbar ist.

6. Freikolben-Stirlingmasohine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (114) und der Kraftkolben (116) nicht axial ausgerichtet sind und für Jeden von ihnen eine eigene Zentrierstange (123B bezw. 123A) vorgesehen i ist. '

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

7. Frelkolben-Stirllngmaschine nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß zwischen Gehäuse (11) und Kraftkolben (16) sowie zwischen Gehäuse und Verdrängerkolben (14) ein Spielsitz vorgesehen ist und der Kraftkolben einen oder mehrere Kolbenringe (22) trägt, welche gleitend am Gehäuse anliegen.

8. Preikolben-Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftkolben (16) und der Verdrängerkolben (14) außer ihrer hin und hergehenden Bewegung eine Drehbewegung vollführen.

9. Preikolben-Stirlingmaschine mit einem einen Arbeitsraum und einen Bezugsraum begrenzenden Gehäuse, wobei Arbeitsraum und Bezugsraum ein Gas enthalten, mit einem im Arbeitsraum hin und hergehenden Verdrängerkolben und einem mit dem Arbeitsraum in Fluld-Verblndung stehenden hin und hergehenden Kraftkolben, daduroh gekennzeichnet, daß der Kraftkolben (16) eine sich axial durch ihn erstreckende zylindrische Innenwandung (25) besitzt, welche eine Mittelbohrung (27) des Kolbens begrenzt, daß der Verdrängerkolben (14) eine sich von seinem einen Ende erstreckende und eine Mittelöffnung (29) in diesem Kolben begrenzende zylindrische Innenwandung (26) besitzt und daß im Gehäuse eine langgestreckte Zentrierstange (25) befestigt 1st und eine durchgehende äußere Lagerfläche (j50) liefert, auf welcher die beiden Kolben (14, 16) mit ihren zylindrischen Innenwandungen (26 bezw. 25) jeweils verschieb-Iich angeordnet sind.