DE3530000A1 - Freikolbenmaschine nach dem stirlingprozess - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Freikolbenmaschine nach Art des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Bei Freikolbenmaschinen nach dem Stirlingprozeß, welche z.B. als Lineargeneratoren oder Wärmepumpen ausgeführt sein können, wird auf eine kinematische Zwangssteuerung des Verdränger- und Arbeitskolbens, beispielsweise über ein Rhombengetriebe oder eine Taumelscheibe, verzich­ tet, wodurch diese Maschinen einfacher, leichter und besser abzudichten sind als andere Bauformen für den Stirlingprozeß. Dabei bilden Verdränger- und Arbeits­ kolben sich gegenseitig beeinflussende Feder-/Masse- Systeme, auf welche die Prozeßgaskräfte, Reibungskräf­ te, Kräfte infolge Leistungsaufnahme oder -abgabe sowie gezielte Federkräfte einwirken. Die Summe aller dieser Kräfte soll bewirken, daß die Kolben oszillierende Be­ wegungen in Richtung ihrer Längsachse um eine im we­ sentlichen feste Mittellage ausführen, ohne sich zu be­ rühren und ohne gegen gehäuseseitige Begrenzungen zu stoßen. Darüber hinaus sind die Bewegungen beider Kol­ ben so abzustimmen, daß die für den Stirlingprozeß vor­ gesehene Phasenverschiebung zwischen Verdränger- und Arbeitskolben möglichst genau verwirklicht wird. Dabei werden die genannten Federkräfte durch mechanische Fe­ dern oder häufiger durch Gasfedern erzeugt. Hinsicht­ lich der Einleitung (Starten) und Aufrechterhaltung der Bewegung ist besonders der Verdrängerkolben problema­ tisch, weil auf seiner Ober- und Unterseite zu jedem Zeitpunkt - zumindest annähernd - der gleiche Druck herrscht (mit dem Prozeßverlauf entsprechenden zykli­ schen Schwankungen).

Aus der DE-OS 25 24 479 ist eine bezüglich der vorlie­ genden Erfindung gattungsgleiche Freikolbenmaschine be­ kannt, deren Konstruktion hauptsächlich auf eine mög­ lichst gute Annäherung der Verdrängerkolbenbewegung - insbesondere hinsichtlich der Phasenlage - an den theo­ retisch optimalen Verlauf abzielt. Zu diesem Zweck ist der Verdrängerkolben mit einer Kolbenstange versehen, welche bis in einen Hohlraum des Arbeitskolbens reicht und dort einen Hilfskolben trägt. Der Arbeitskolben be­ sitzt ein gestuftes Kolbenhemd, welches mit einer ge­ stuften Ausnehmung im Zylinder zusammenwirkt, ebenso wirkt der Hilfskolben mit dem gestuften Hohlraum im Arbeitskolben zusammen. Dabei besitzen die Zylinderaus­ nehmung und der Arbeitskolbenhohlraum unwirksame, mitt­ lere Bereiche vergrößerten Durchmessers und als Gasfe­ dern wirkende, zum jeweiligen Kolben abdichtende Endbe­ reiche in Form von Ringräumen. Je ein äußerer und ein innerer Ringraum sind durch Gaskanäle im Arbeitskolben miteinander verbunden, so daß bei Annäherung des Ar­ beitskolbens an seine Totpunkte ein Druckimpuls den Hilfskolben und den damit verbundenen Verdrängerkolben in entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß die Kolbenstange mit Hilfs­ kolben die Masse des Verdrängerkolbens und damit auch die Gesamtmasse spürbar erhöht, wobei die Abdichtung der Kolbenstange im Arbeitskolben zusätzliche Reibungs­ verluste mit sich bringt, und daß die Bearbeitung der zahlreichen Stufen- und Dichtflächen teuer und mit re­ lativ großen Toleranzen verbunden ist, wodurch Rei­ bungs- bzw. Leckageverluste zunehmen.

Weiterhin sind Freikolbenmaschinen bekannt, bei denen nur eine Gasfeder im Inneren des Verdrängerkolbens vor­ gesehen ist, und zwar zwischen einer gehäusefesten Füh­ rungsstange und einer topfförmigen Ausnehmung der Ver­ drängerkolbenunterseite. Diese einfache Gasfeder be­ sitzt unterschiedliche Kennlinien in Zug- und Druck­ richtung, verbunden mit der Gefahr des axialen Kolben­ wanderns. Infolge der kleinen Federfläche sind hohe Fe­ derdrücke erforderlich, was zu erhöhten Leckage- oder Reibungsverlusten führt. Infolge der Toleranzkette vom Gehäuse über die Führungsstange bis zur Dichtfläche im Kolbeninneren bzw. vom Gehäuse über den Kolben bis zur Dichtfläche wird die Abdichtung der Gasfeder zusätzlich erschwert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gegenüber dem Stand der Technik einfachere, leichtere, leckage- und somit verlustärmere Kolbenlagerung für eine Frei­ kolbenmaschine nach dem Stirlingprozeß zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Pa­ tentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Einbeziehung des kolbeninneren Hohlraumes in das Gasfedervolumen ist es möglich, mit minimalen Druckamplituden zu arbeiten. Trotz dadurch erforderli­ cher Maximierung der Gasfeder-Wirkflächen zur Erzielung der gewünschten Federkraft reduzieren sich die Gasfe­ der-Leckverluste, da die Dichtspaltlängen (Umfang der Kolben-/Zylinderdichtflächen am jeweils maximalen Stu­ fendurchmesser) lediglich linear mit dem äußeren Gas­ federdurchmesser wachsen, die Druckamplituden dagegen quadratisch abnehmen. Infolgedessen reduziert sich auch der Energiebedarf für den Kolbenantrieb. Der Verdrän­ gerkolben eignet sich deshalb besonders gut für die er­ findungsgemäßen Maßnahmen, weil er aufgrund seiner Funktion meist als dünnwandiger, großvolumiger Hohlkör­ per ausgeführt ist. Durch das Weglassen der Führungs­ stange für den Verdrängerkolben wird Gewicht gespart und die Konstruktion vereinfacht.

Die Ansprüche 2 bis 7 enthalten bevorzugte Ausgestal­ tungen der Erfindung.

Die in Anspruch 2 gekennzeichnete Maßnahme dient dazu, den mittleren Kolbeninnendruck (gleich dem mittleren Gasfederdruck) ständig dem Prozeßgasdruck anzupassen. Dadurch wird zum einen der dünnwandige, druckempfindli­ che Verdrängerkolben geschützt und zum anderen die Durchströmung der Gasfederdichtspalte auf ein Minimum reduziert.

Die in den Ansprüchen 4 und 5 gekennzeichneten Merkmale (Ringnut) sollen ausschließen, daß die Druckausgleichs­ bohrungen in Kolben und Zylinder verschlossen werden, wenn der Kolben sich im Zylinder um seine Achse dreht und die entsprechenden Bohrungen nicht mehr fluchten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt. Dabei zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch den oberen Zylinderbereich und den Ver­ drängerkolben einer Freikolbenmaschine.

Fig. 2 den qualitativen Druck-/Wegverlauf für die bei­ den Gasfedern des Verdrängerkolbens.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der im Durchmesser mehr­ fach gestufte Kolben 2 im ebenfalls gestuften Zylinder 1 so angeordnet, daß als Gasfedern wirkende Ringräume 3 und 4 entstehen. Der obere Ringraum 3 ist über Bohrun­ gen 8 mit der oberen Kammer 5 im Kolbeninneren volu­ metrisch verbunden, der untere Ringraum 4 über Bohrun­ gen 9 mit der unteren Kammer 6. Zwischen den beiden Kammern 5 und 6 ist die gasdichte Trennwand 7 angeord­ net, so daß die Räume 3, 5 und 8 zusammen das obere Gasfedervolumen bilden, die Räume 4, 6 und 9 das untere Gasfedervolumen. Als Federflächen wirken dabei die ra­ dialen Kreisringflächen zwischen dem jeweils größten und kleinsten Durchmesser der Ringräume 3 und 4. Gegen­ über den Prozeßgasräumen oberhalb und unterhalb des Kolbens 2 sind die Gasfedern über geeignete Kolben-/ Zylinderpassungen mit ggf. zusätzlichen Dichtelementen (Kolbenringe etc.) abgedichtet, wobei zugunsten der Reibungsarmut keine vollständige Abdichtung möglich ist. Für den Prozeßgastransport sind Kanäle 13 in den Zylinder 1 integriert, welche auch die Wärmeaustausch und die Wärmespeicherelemente 14, 15 und 16 aufnehmen. Bei einem Freikolbenmotor wären diese Elemente der Er­ hitzer 14, der Regenerator 15 und der Kühler 16, wobei die schematische Darstellung nach Fig. 1 natürlich nichts über deren wirkliche Lage und Größe aussagt. Fig. 1 zeigt den Verdrängerkolben in einer mittleren Lage zwischen seinen Totpunkten. In dieser Stellung stehen beide Kammern 5, 6 über radiale Bohrungen 10, 11 in Kolben 2 und Zylinder 1 mit dem Prozeßgas (Kanäle 13) in Verbindung, wodurch der mittleren Gasfe­ derdruck bei jedem Kolbendurchgang durch die Mittel­ stellung an den Prozeßgasdruck angeglichen wird. Falls die Bohrungen 10, 11 infolge Verdrehens des Kolbens 2 im Zylinder 1 nicht fluchten, ist der Gasdurchlaß durch die umlaufende Ringnut 12 im Zylinder dennoch sicherge­ stellt, wobei die Ringnut auch im Kolbenhemd angeordnet sein kann. Durch die schräge Anordnung der Trennwand 7 mündet ein Teil der Bohrungen 10 in die obere Kammer 5, der andere Teil in die untere Kammer 6. Der Bereich des Arbeitskolbens wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in die Darstellung nach Fig. 1 aufgenommen.

ln Fig. 2 ist für beide Gasfedern der Verlauf des Fe­ derdruckes p über dem Kolbenhub s qualitativ darge­ stellt. Die Werte s _max (+) und s _min (-) entsprechen dem maximalen Kolbenhub von der Mittellage s = 0 aus. Dabei bedeutet (+) eine Kolbenbewegung nach oben, (-) eine Bewegung nach unten. Durch die geringen Druck­ amplituden Δ p infolge der großen Federvolumina erge­ ben sich annähernd lineare Federkennlinien zwischen den beiden Totpunkten. Der mittlere Federdruck p _m bei s = 0 stimmt mit dem jeweiligen Prozeßgasdruck überein. Durch unterschiedliche Wahl der Kennlinien für die obere und untere Feder über das Federvolumen und die Federfläche kann die Kolbenbewegung hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Wanderungstendenz gezielt be­ einflußt werden.

Claims (7)

1. Freikolbenmaschine nach dem Stirlingprozeß, bei welcher wenigstens einer der Kolben, vorzugsweise der Verdrängerkolben, ein im Durchmesser mehrfach gestuftes Kolbenhemd aufweist, welches weitgehend gasdicht in den Zylinder eingepaßt ist und mit entsprechenden Stufen in der Zylinderwand zwei als Gasfedern wirkende Ringräume bildet, wobei dieser Kolben in seinem Inneren einen Hohlraum besitzt, welcher über Kanäle mit den Ringräu­ men zwischen Kolben und Zylinder verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hohlraum im Kolbeninneren durch eine gasdichte Trennwand (7) in zwei Kammern (5 und 6) unterteilt ist, und daß jeweils eine Kammer mit einem der beiden Ringräume (3 und 4) in Verbindung steht.

2. Freikolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenhemd und im Zylinder (1) Kanäle angeordnet sind, welche bei jedem Durchgang des Kolbens (2) durch eine annähernd mittige Lage zwischen seinen Totpunkten - kurzzeitig - beide Kammern (5 und 6) im Kolbeninneren mit dem Prozeßgasvo­ lumen verbinden.

3. Freikolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in Kol­ ben und Zylinder als radiale Bohrungen (10 und 11) in einer Ebene senkrecht zur Kolben- bzw. Zylinderachse ausgeführt sind.

4. Freikolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (10) aus dem Kolbeninnenraum in eine äußere Ringnut des Kol­ benhemdes münden.

5. Freikolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (11) durch den Zylinder (1) in eine Ringnut (12) der Zylin­ derinnenwand münden.

6. Freikolbenmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die gasdichte Trennwand (7) im Kolbenin­ nenraum schräg zur Kolbenachse steht und die Ebene der radialen Bohrungen (10) in das Kolbeninnere so schnei­ det, daß ein Teil der Bohrungen (10) in die obere Kammer (5) und der andere Teil der Bohrungen (10) in die untere Kammer (6) des Kolbeninnenraumes mündet.

7. Freikolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Trenn­ wand (7) als ebene Platte mit elliptischer Außenkontur ausgeführt ist.