DE3709014A1 - Stirlingmasschine mit in einem gasdichten innenraum eines gehaeuses befindlichen drehkolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stirlingmaschine mit Drehkolben, bei der in einem gasdichten Innenraum eines Gehäuses zwei Kolbenanordnungen hintereinander untergebracht sind, die jeweils aus einzelnen Drehkolben aufgebaut sind.

Die Stirlingmaschine ist als sogenannter Heißgasmotor oder Stirlingmotor als Wärmekraftmaschine bekannt, sie kann aber ebenso als Wärmepumpe eingesetzt werden. Sie gehört neben der Dampfmaschine zu den ältesten Wärmekraftmaschi­ nen. Ihr thermodynamischer Prozeß besteht idealisiert aus vier Zustandsän­ derungen: Kompression bei niedriger Temperatur (Isotherme mit Wärmeabfuhr); Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (Isochore); Expansion bei hoher Tempe­ ratur (Isotherme mit Wärmezufuhr) und Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen (Isochore). Das Arbeitsgas ist meist Helium und wird in dem geschlossenen, von den Kolben begrenzten Arbeitsraum hoch verdichtet, es werden Arbeits­ drücke von 140 bar und mehr erreicht.

Die Vorteile eines derartigen Heißgasmotors liegen in der äußeren Wärmezu­ fuhr, die eine kontinuierliche Verbrennung beliebiger Brennstoffe bei hohem Luftüberschuß zuläßt, wodurch das Abgas schadstoffarm ist und sich eine geringe Geräuschentwicklung einstellt. Der Wirkungsgrad ist gut und liegt oberhalb von Motoren mit innerer Verbrennung.

Der geschlossene Arbeitsprozeß erfordert einen heißen und einen kalten Raum, eine der beiden Kolbenanordnungen arbeitet mit dem heißen Raum zusammen, die andere mit dem kalten Raum.

Die Entwicklungsprobleme von Stirlingmotoren liegen derzeit hauptsächlich in der Gestaltung und Haltbarkeit des Erhitzers und der möglichst hermetischen Dichtung des Gehäuses gegen Gasverlust. Nachteilig sind auch der hohe Bau­ aufwand und die hohen Herstellungskosten.

Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, die derzeit bekannten Stirlingmaschinen dahingehend weiter zu verbessern, daß die Abdichtung des Gehäuses gegen Gasverluste verbessert wird, der mechanische Aufbau vereinfacht wird und die Gestaltung und Haltbarkeit des Erhitzers verbessert wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stirlingmaschine mit Drehkolben, bei der in einem gasdichten Innenraum eines Gehäuses zwei Kolbenanordnungen hintereinander untergebracht sind, die jeweils aus mindestens drei einzelnen Drehkolben aufgebaut sind,

• - die mit ihnen zugeordneten, im Gehäuse drehgelagerten, durch ihre Mittel­ achsen verlaufenden und über ein Getriebe untereinander drehsynchronisier­ ten Wellen drehfest verbunden sind,
• - die jeweils mit diesen Wellen im gleichen Drehsinn drehbar sind,
• - die als gerade Prismen ausgeführt sind, wobei ihre Stirnflächen durch mehrere Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien begrenzt sind, die jeweils untereinander gleiche Bogenlänge haben, abwechselnd an Verbindungspunkten aneinandergesetzt sind und an diesen Verbindungspunkten tangential inein­ ander übergehen und
• - deren Stirnflächen jeweils miteinander fluchtend axial angeordnet sind,

wobei der radiale Abstand der Achsen der Wellen jeder Kolbenanordnung im wesentlichen durch die Summe aus den beiden unterschiedlichen Radien be­ stimmt ist, die beiden Kolbenanordnungen durch eine von der Außenseite des Gehäuses zugängige Welle miteinander verbunden sind und die erste Kolbenan­ ordnung gegenüber der zweiten Kolbenanordnung um einen Winkel β verdreht angeordnet sind, und jede Kolbenanordnung mindestens einen inneren Arbeits­ raum und zusammen mit dem Gehäuse einen äußeren Raum begrenzt, wobei zumin­ dest die inneren Arbeitsräume der beiden Kolbenanordnungen miteinander über eine Leitung, in der ein Regenerator angeordnet ist, verbunden sind.

Anstelle der bisher bei Stirlingmaschinen üblichen Hubkolben werden Dreh­ kolben eingesetzt. Hierdurch vereinfachen sich die mechanischen Bewegungsab­ läufe, die Dichtigkeitsprobleme und der Aufbau. Darüber hinaus lassen sich mit Drehkolben ausgebildete Stirlingmaschinen günstig auswuchten, im allge­ meinen günstiger als mit Hubkolben arbeitende Stirlingmaschinen, so daß neben den dabei erzielten mechanischen Vorteilen auch die Laufruhe verbes­ sert wird.

Bei ihrer Rotationsbewegung um ihre Wellen berühren sich die einzelnen Drehkolben jeder Kolbenanordnung und bilden dadurch einen axialen, inneren Arbeitsraum, dessen Querschnittsfläche sich bei der koordinierten Drehbe­ wegung des Drehkolbens verändert. Die Drehkolben müssen nicht unmittelbar miteinander in Berührung stehen und dadurch zwischen sich eine Abdichtung bewirken, vielmehr können auch zwischen ihnen Dichtleisten angeordnet sein, die die Abdichtung zwischen den Mantelflächen einander benachbarter Drehkol­ ben übernehmen. Hierzu wird auf die Anmeldung vom gleichen Tage des gleichen Anmelders "Rotationskolbenmaschine mit Dichtleisten" verwiesen. Entscheidend ist lediglich, daß die Abstände der beiden am nächsten benachbarten Mantel­ linien zweier benachbarter Drehkolben stets und unabhängig von der synchronen Drehposition beider Drehkolben den gleichen Abstand voneinander haben.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Drehkolben als gerade Prismen, deren Erzeugende der Mantelflächen durch aneinandergesetzte Kreisbögen unter­ schiedlicher Radien begrenzt sind, ermöglicht eine einfache und präzise Herstellung, ein günstiges Arbeitsverhalten, insbesondere hinsichtlich des Abriebs, und eine in weiten Grenzen durch das Verhältnis der Radien ein­ stellbare Verdichtung, die durch das Verhältnis von Maximalvolumen zu Mini­ malvolumen bestimmt ist. Dieses Verhältnis kann dadurch besonders groß gewählt werden, daß das Verhältnis der beiden Radien der die Stirnflächen der geraden Prismen begrenzenden Kreisbogenstücke besonders groß gewählt wird. Andererseits kann bei einem kleinen Verhältnis, beispielsweise einem Verhältnis von drei zu eins, das Minimalvolumen dadurch herabgesetzt werden, daß in den von den Drehkolben begrenzten Raum, der seinerseits ein gerades Prisma ist, ein entsprechend geformter Körper (der die Form eines geraden Prismas hat) hineinragt. Dieser kann zugleich der Verbesserung der Wärme­ übertragung in den entsprechenden Arbeitsraum dienen.

Die erfindungsgemäße Stirlingmaschine läßt sich dadurch kompakt aufbauen, daß die beiden Arbeitsbereiche, die durch die beiden Drehkolbenanordnungen gebildet werden, axial hintereinander angeordnet werden. Zur Vermeidung von Wärmeübertragungen sind sie voneinander durch geeignete Mittel thermisch isoliert. Hierdurch verliert das Gehäuse aber nicht seine Kompaktheit, es kann im wesentlichen als zylindrisches Teil ausgeführt werden, dem an einer Zylinderfläche Wärme zugeführt, an der anderen Zylinderfläche Wärme abge­ führt (Kälte zugeführt) wird.

Die beiden einzelnen Kolbenanordnungen sind um einen Winkel β gegeneinander winkelversetzt. Hierdurch wird eine Phasenverschiebung zwischen den Kolben­ bewegungen der beiden Kolbenanordnungen erzielt, wie sie für den Arbeitsab­ lauf einer Stirlingmaschine notwendig ist.

Besonders günstig wirkt sich der äußere Raum aus, der zwischen der Wandung des Innenraums des Gehäuses und den Außenflächen jeder Kolbenanordnung jeweils ausgebildet wird. Dieser äußere Raum kann entweder als Arbeitsraum eingesetzt werden, wobei er mit dem entsprechenden Raum der anderen Drehkol­ benanordnung über eine mit Regenerator ausgestattete Leitung verbunden wird und unter Druck mit Gas gefüllt ist, oder er wird einfach nur mit Gas unter Druck gefüllt. Da das Gehäuse nach außen hin dicht ist, kann dieser äußere Raum kein Gas nach außen hin verlieren. Niemals absolut abzudichten ist aber die gegebenenfalls mit einer Dichtung versehene Berührungsstelle benachbar­ ter Drehkolben, also die Trennung zwischen innerem Arbeitsraum und dem besprochenen äußeren Raum. Der innere Arbeitsraum muß zwangsläufig mit Gas unter Druck - gewählt wird ein möglichst leichtes Gas - gefüllt sein. Wird nun der äußere Raum mit demselben Gas gefüllt und dort ein ausreichender Druck vorgegeben, so spielt sich bei nie zu vermeidenden Lecks an den Berüh­ rungsflächen der Drehkolben ein hin- und hergehender Gasaustausch ein, der zu reproduzierbaren Druckwerten in beiden Räumen führt, so daß auf Dauer konstante, vorhersehbare Arbeitsbedingungen vorliegen. Auf jeden Fall geht kein Gas nach außen verloren, es findet lediglich ein Gasaustausch zwischen den beiden Räumen statt. Dieser kann nun durch Einstellung des Druckes im äußeren Raum in Abhängigkeit vom Druck im inneren Arbeitsraum so gesteuert werden, daß im inneren Arbeitsraum tatsächlich die gewünschten Druckverhält­ nisse vorliegen.

Wird dagegen der äußere Raum nicht mit Gas gefüllt, aber nach außen hin hermetisch abgedichtet, so füllt er sich auf die Dauer mit Gas, dabei sinkt aber der Arbeitsdruck im inneren, gasgefüllten Arbeitsraum, bis sich wieder das beschriebene Gleichgewicht einstellt.

Die soeben beschriebenen Vorgänge bewirken eine sehr günstige Gasdichtheit und präzise Momentandrucke in den einzelnen Räumen. Gasverluste sind ausge­ schaltet.

In vorzugsweiser Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß jede der beiden Kolbenanordnungen nicht nur einen inneren Arbeitsraum begrenzt, sondern mindestens ein zusätzlicher, typischerweise zwei zusätzliche Dreh­ kolben vorgesehen sind, die ansonsten völlig identisch zu den anderen Dreh­ kolben ausgebildet und angeordnet sind, aber ihrerseits zusammen mit anderen Drehkolben derselben Kolbenanordnung einen zweiten inneren Arbeitsraum be­ grenzen. Die Kolbenbewegung und die geometrische Anordnung ist dabei beson­ ders einfach, wenn die beiden inneren Arbeitsräume im Gegentakt zueinander arbeiten. Dann aber ist das Volumen des äußeren Raumes stets konstant, so daß es besonders günstig als Druckpuffer - wie oben beschrieben - eingesetzt werden kann und für präzise vorgegebene Druckwerte in den einzelnen Arbeits­ räumen sorgt.

Durch die zusätzlichen Drehkolben jeder Kolbenanordnung wird zwar der mecha­ nische Aufwand erhöht, die Anzahl der für den Stirlingprozeß verwendbaren Arbeitsräume wird aber ebenfalls vergrößert, so daß die Gesamtleistung des Motors erhöht werden kann.

In vorzugsweiser Weiterbildung der Erfindung ist der Innenraum des Gehäuses ein gerades Prisma, dessen Querschnitt durch eine der Anzahl der Kolben entsprechende Zahl von Kreisbögen begrenzt ist, deren Radius etwas größer ist als die größere Halbachse der Drehkolben. Der Querschnitt des Innenraums hat hierdurch eine Kleeblattform. Durch geeignete Auswahl der Radien kann das Verdichtungsverhältnis des äußeren Raumes in weiten Grenzen vorgewählt werden, es kann - will man den äußeren Raum als Arbeitsraum benutzen - möglichst hochgetrieben werden oder - will man den äußeren Raum lediglich als Druckpuffer benutzen - relativ klein eingestellt werden.

Die Drehkolben sind stets rotationssymmetrisch, vorgezogen werden Drehkolben mit einer Rotationssymmetrie von 180 Grad oder von 120 Grad. Bei einer Drehsymmetrie von 180 Grad sind die Querschnitte der Drehkolben im wesent­ lichen ellipsenähnlich. Bei einer Drehsymmetrie von 120 Grad ähneln die Querschnitte der Drehkolben einem gleichseitigen Dreieck mit abgerundeten Ecken. Dieser Körper hat drei große und dementsprechend drei kleine Halb­ achsen. Höhere Rotationssymmetrien sind möglich, beispielsweise Rotations­ symmetrien von 90 Grad (vier große Halbachsen, vier kleine Halbachsen) usw.

Vorzugsweise werden pro Kolbenanordnung drei oder vier einzelne Drehkolben vorgesehen, wenn mit einem einzigen inneren Arbeitsraum gearbeitet werden soll. Bei zwei inneren Arbeitsräumen, die im Gegentakt zueinander arbeiten, werden typischerweise vier bis sechs einzelne Drehkolben pro Kolbenanordnung eingesetzt.

Die Kolben mit der 120 Grad-Drehsymmetrie sind unrunde Körper mit konstantem Durchmesser, ihr Durchmesser ist durch die Summe der beiden Radien bestimmt. Im Extremfall, Durchmesserverhältnis unendlich, ist der Radius des kleineren Kreises Null. Dann ist der Querschnitt des Kolbens durch ein sogenanntes Bogendreieck bestimmt, dessen Bögen ihr Zentrum in der dem jeweiligen Kreis­ bogen gegenüberliegenden, spitzen Ecke haben.

Vorzugsweise beträgt der Winkel β, um den die beiden Drehkolbenanordnungen gegeneinander verdreht sind, 80 Grad bis 100 Grad dividiert durch die Anzahl der Drehkolbenvorsprünge (entsprechend der Anzahl der großen Halbachsen). Vorzugsweise liegt der Verdrehwinkel bei 90 Grad dividiert durch die Anzahl der genannten Vorsprünge. Durch Variation des Verdrehwinkels β kann das Arbeitsverhalten der erfindungsgemäßen Stirlingmaschine eingestellt werden. Hierzu wird vorgeschlagen, daß die beiden Kolbenanordnungen, die durch eine Welle miteinander drehverbunden sind, gegeneinander winkelverstellt werden können. Dadurch kann - auch während des praktischen Betriebes - der Verdreh­ winkel β eingestellt werden und die Stirlingmaschine jeweils in dem günstig­ sten Bereich betrieben werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden näher erläutert werden. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Stirlingmotor nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 eine Ansicht auf eine Stirnseite eines Drehkolbens, wie er in den Anordnungen nach den Fig. 1 bis 4 eingesetzt ist,

Fig. 6 ein Schnittbild ähnlich Fig. 2, jedoch bei anderer Ausbildung des Innenraums und der Drehkolben,

Fig. 7 eine Darstellung entsprechend Fig. 3, jedoch zum Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 6 passend,

Fig. 8 ein Schnittbild ähnlich Fig. 6, jedoch mit vier Drehkolben und

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines Stirlingmotors mit einstell­ barem Verdrehwinkel.

In den Fig. 1 bis 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt, das im folgenden näher erläutert wird. Es zeigt eine als Motor betriebene Stirling­ maschine, bei der in einem gasdichten Innenraum 20 eines im wesentlichen zylindrischen Gehäuses 22 zwei Kolbenanordnungen 24, 26 gleichachsig hin­ tereinander untergebracht sind, die jeweils aus vier einzelnen Drehkolben 28 aufgebaut sind. Die linke Kolbenanordnung 24 ist über eine linke, scheiben­ förmige Gehäusewand 30 mit einer Wärmequelle 32 verbunden, die Wärmezufuhr ist durch Pfeile 32 dargestellt. Die rechte Kolbenanordnung 26 befindet sich auf geringerer Temperatur.

Alle Drehkolben 28 sind identisch ausgebildet. Sie haben jeweils eine jedem Drehkolben 28 zugeordnete und im Gehäuse 22 drehgelagerte Welle 34, die in den Fig. 2 bis 5 besser sichtbar ist. Die Welle 34 läuft jeweils durch die geometrische Mittelachse der Drehkolben 28 und ist mit dem zugeordneten Drehkolben 28 drehfest verbunden. Die Wellen sind in gleichem Drehsinn (siehe Pfeile 36) drehbar. Fig. 4 zeigt, daß jede der vier Wellen 34 der vier Drehkolben 28 jeder Kolbenanordnung 24 bzw. 26 mit einem Stirnzahnrad 38 drehfest verbunden ist. Die vier Stirnzahnräder 38 sind durch ein zentri­ sches Zahnrad 40, mit dem sie alle in Eingriff stehen, bewegungssynchroni­ siert.

Die einzelnen Drehkolben 28 sind gerade Prismen. Ihre Stirnflächen bzw. ihre Querschnittsflächen sind durch mehrere Kreisbögen 42, 44 mit zwei unter­ schiedlichen Radien R und r begrenzt. Die Kreisbogenstücke 42 haben unter­ einander die gleiche Bogenlänge, ebenso haben die Kreisbogenstücke 44 unter­ einander die gleiche Bogenlänge. Kreisbogenstücke 42, 44 unterschiedlicher Radien sind jeweils an Verbindungspunkten 46 aneinandergesetzt, an diesen Verbindungspunkten 46 gehen sie tangential ineinander über. Die Drehkolben 28 jeder Kolbenanordnung 24, 26 sind so angeordnet, daß ihre Stirnflächen miteinander fluchten. Die Stirnflächen gleiten an entsprechenden ebenen Innenflächen des Gehäuses 22, die Abdichtung an diesen Stellen wird dadurch vereinfacht, daß die Drehkolben 28 reine Drehbewegungen ausführen, so daß übliche Drehdichtungen verwendet werden können.

Die Konstruktion der Stirnseiten bzw. Querschnittsflächen der Drehkolben 28 ist aus Fig. 5 ersichtlich: Gezeigt ist der Fall eines Drehkolbenquer­ schnittes mit 180 Grad-Drehsymmetrie, wodurch sich insgesamt eine etwa ellipsenförmige Fläche ergibt. Sie hat demgemäß zwei Haupthalbachsen und zwei Nebenhalbachsen, die jeweils von dem Mittelpunkt ausgehen, dieser ist der Schnittpunkt der Achslinie 48 der zugehörigen Welle 34 mit der Papier­ ebene. Die beiden Haupthalbachsen stehen 180 Grad zueinander, dies gilt auch für die Nebenhalbachsen, die im Winkel von 90 Grad zu den beiden Haupthalb­ achsen stehen.

Für die Konstruktion wird um die Achslinie 48 ein Kreis mit dem Radius r _T geschlagen, der die beiden 90 Grad zueinander stehenden Haupt- und Neben­ achslinien in insgesamt vier Punkten 50 bis 56 schneidet. Um die Schnitt­ punkte 54, 56 mit den Nebenachslinien wird ein Kreisbogen mit dem großen Radius R geschlagen. Um die beiden Punkte 50 und 52, die die Schnittpunkte des Kreises mit dem Radius r _T mit den beiden Hauptachslinien sind, werden Kreise mit dem kleineren Radius r geschlagen. Die Radien hängen über die folgende Formel miteinander zusammen:

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 5 ist n gleich zwei, die entsprechenden Drehkolben 28 haben zwei "Vorsprünge", ihre Rotationssymme­ trie ist entsprechend 180 Grad. Dahingehend haben die noch zu besprechenden Drehkolben 28 in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 6, 7 bzw. nach Fig. 8 drei "Vorsprünge", hier ist n gleich drei, die Drehsymmetrie ist bei 120 Grad.

Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, wie die vier einzelnen Drehkolben 28 angeordnet werden. Benachbarte Drehkolben 28 werden um 90 Grad gegenein­ ander winkelversetzt. Der axiale Abstand ihrer Wellen ist gleich der Summe aus ihrer Haupthalbachse und ihrer Nebenhalbachse. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 hat die Haupthalbachse die Länge r + r _T . Die Nebenhalbachse hat die Länge R - r _T . Demgemäß ist der Abstand der Wellen 34 R + r. Diese Gleichung gilt allgemein auch für höhere Drehsymmetrien.

Durch Vergleich der Fig. 2 und 3 erkennt man, daß die linke Kolbenan­ ordnung 24, die in Fig. 2 gezeigt ist, gegenüber der rechten Kolbenanord­ nung 26, die in Fig. 3 gezeigt ist, eine Phasenverschiebung β aufweist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel 45 Grad beträgt und beim praktischen Einsatz ±10 Grad um diesen Wert schwanken kann. Die vier Drehkolben 28 begrenzen untereinander (und mit den angesprochenen ebenen Innenwänden des Gehäuses 22 an ihren Stirnflächen) einen inneren Arbeitsraum 58 und gemein­ sam mit der Innenwandung des Innenraums 20 einen äußeren Raum 60.

Der innere Arbeitsraum 58 hat im Zustandsbild nach Fig. 2 sein Minimal­ volumen, dementsprechend hat der äußere Raum 60 sein Maximalvolumen. Bei Fortsetzung der Drehbewegung der Drehkolben 28 im Sinne der Pfeile 36 (gleichsinnige Drehbewegung aller Drehkolben 28) vergrößert sich der innere Arbeitsraum 58 im wesentlichen (zeitlich) nach einer Sinusfunktion. Ebenso verhält sich auch der äußere Raum 60, er folgt im wesentlichen auch einer Sinusfunktion. Nur ist bei ihm das Verhältnis zwischen Maximalvolumen und Minimalvolumen deutlich geringer ausgeprägt als beim inneren Arbeitsraum 58.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Momentanbild für die rechte Kolbenanordnung 26, die mechanisch und zeitmäßig zur Darstellung gemäß Fig. 2 paßt, hat der innere Arbeitsraum 58 (der rechten Kolbenanordnung 26) einen Zwischenwert, sein Volumen verringert sich bei Weiterführung der Drehbewegung der vier Drehkolben 28 im Sinne der Pfeile 36 und erreicht nach etwa 45 Grad Drehung der einzelnen Wellen 34 die Minimalkonfiguration, wie sie in Fig. 2 darge­ stellt ist. Demgemäß eilt also die rechte Kolbenanordnung 26 der linken Kolbenanordnung 24 um 45 Grad Phasenverschiebung nach. Allgemein beträgt die Phasenverschiebung 90 Grad dividiert durch die Anzahl der "Vorsprünge" pro Drehkolben 28, also im gezeigten Ausführungsbeispiel 45 Grad.

Die beiden inneren Arbeitsräume 58 der beiden Kolbenanordnungen 24, 26 sind durch eine Leitung 62, in die ein Regenerator 64 eingeschaltet ist, mitein­ ander verbunden. Ebenso sind die beiden äußeren Räume 60 über eine Leitung 66, in die ein Regenerator 68 eingeschaltet ist, miteinander verbunden. Alle Räume 58, 60 werden damit als Arbeitsräume für den Stirlingprozeß benutzt. Über Pfeile 70 ist angedeutet, wie der rechten Drehkolbenanordnung 26 Kühl­ wasser zugeführt wird, das in dem Hohlraum 72 umläuft.

Die beiden Kolbenanordnungen 24, 26 sind durch scheibenförmige Isolierkörper voneinander thermisch getrennt. Wie Fig. 1 zeigt, sind auf einer einzigen Welle 34 jeweils ein Drehkolben 28 der linken Kolbenanordnung 24 und ein Drehkolben 28 der rechten Drehkolbenanordnung 26 befestigt. Diese beiden Drehkolben 28 einer Welle 34 sind 45 Grad zueinander verdreht, wodurch die beschriebene Phasenverschiebung erreicht wird. Eine der vier Wellen 34 ist nach außen geführt, hierzu wird eine Magnetkupplung 74 bekannter Bauart verwendet. Dadurch treten im Bereich der Durchführung dieser Welle 34 keine Dichtigkeitsprobleme auf.

Der Innenraum 20 des Gehäuses 22 wird jeweils durch Kreisbögen begrenzt, die um die Achslinien 48 der Wellen 34 geschlagen sind und einen größeren Radius haben als die Haupthalbachse r + r _T . Die Ausbildung des Innenraums 20 ist jedoch nicht kritisch, die beschriebene Form ermöglicht aber ein geringes Volumen des äußeren Raums 60.

Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 unterscheidet sich prinzi­ piell nicht von dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Es zeigt die Verwendung von Drehkolben 28 mit drei "Vorsprüngen", also eine Rotationssym­ metrie von 120 Grad. In diesem Fall werden lediglich drei Drehkolben 28 pro Kolbenanordnung 24 bzw. 26 eingesetzt, dementsprechend sind auch nur drei Wellen 34 vorgesehen. Sie werden ähnlich wie in der Darstellung gemäß Fig. 4 durch ein zentrales Zahnrad miteinander drehsynchronisiert, eine der drei Wellen wird wiederum über eine Magnetkupplung nach außen geführt. Eine zentrische, von außen zugängliche Welle kann dadurch erzielt werden, daß man an dem zentrischen Zahnrad 40 angreift.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 sind die auf jeweils einer Welle 34 angeordneten Drehkolben 28 der beiden Kolbenanord­ nungen 24, 26 um den Winkel 30 Grad gegeneinander versetzt, hierdurch wird eine Phasenverschiebung von 30 Grad erzielt. Sie kann allgemein 30 Grad ± 10 Grad betragen.

In Fig. 8 ist prinzipiell die Anordnung gemäß Fig. 6 gezeigt, jedoch ist ein vierter Drehkolben 76 hinzugefügt. Die mit diesem in Berührung stehenden beiden mittleren Drehkolben 28 bilden mit ihm einen zweiten inneren Arbeits­ raum 78, der erste innere Arbeitsraum 58, der durch die drei Drehkolben 28 gebildet wird, ist beibehalten. Die beiden inneren Arbeitsräume 58, 78 arbeiten im Gegentakt zueinander. Die gezeigte Anordnung ermöglicht also eine Stirlingmaschine mit zwei inneren Arbeitsräumen. Dementsprechend ist auch die andere Kolbenanordnung ausgebildet, es werden jeweils zwei separate Leitungen zur Verbindung der einzelnen inneren Arbeitsräume 58, 78 einge­ setzt, die jeweils einen eigenen Generator haben (nicht dargestellt). Die Anordnung gemäß Fig. 8 hat den Vorteil, daß das Volumen des äußeren Raumes 60 stets konstant ist. Dieser Raum kann somit bevorzugt als Druckpuffer für die Dichtigkeit verwendet werden, bei Bewegung der Drehkolben 28, 76 wirkt er nicht als Gasfeder.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist schließlich gezeigt, wie zwei Teil­ stücke 80, 82 des Gehäuses 22 axial gegeneinander verdreht werden können, siehe Pfeile 84. Das Teilstück 80 enthält die linke Kolbenanordnung 24, das Teilstück 82 die rechte Kolbenanordnung 26. Durch Verdrehen des zweiten Teilstücks 82 gegenüber dem ersten Teilstück 80 wird die Phasenverschiebung zwischen den beiden Kolbenanordnungen 24, 26 eingestellt. Hierzu sind die beiden Kolbenanordnungen jeweils mit einem Getriebe entsprechend Fig. 4 ausgestattet, deren Zahnräder 40 durch eine zentrische Welle miteinander verbunden sind.

Claims (13)

1. Stirlingmaschine mit Drehkolben (28), bei der in einem gasdichten Innenraum (20) eines Gehäuses (22) zwei Kolbenanordnungen (24, 26) hintereinander untergebracht sind, die je­ weils aus mindestens drei einzelnen Drehkolben (28) aufgebaut sind,

• - die mit ihnen zugeordneten, im Gehäuse (22) drehgelagerten, durch ihre Mittelachsen verlaufenden und über ein Getriebe untereinander drehsynchronisierten Wellen (34) drehfest verbunden sind,
• - die jeweils mit diesen Wellen (34) im gleichen Drehsinn (36) drehbar sind,
• - die als gerade Prismen ausgeführt sind, wobei ihre Stirnflächen durch mehrere Kreisbögen (42, 44) mit zwei unterschiedlichen Radien R, r begrenzt sind, die jeweils bei gleichen Radien untereinander gleiche Bogenlänge haben, abwechselnd an Verbindungspunkten (46) aneinandergesetzt sind und an diesen Verbindungspunkten (46) tangential ineinander übergehen und
• - deren Stirnflächen jeweils miteinander fluchtend axial angeordnet sind,

wobei der radiale Abstand der Achslinien (48) der Wellen (34) jeder Kolbenanordnung (24, 26) im wesentlichen durch die Summe aus den beiden unterschiedlichen Radien, also R + r bestimmt ist, die beiden Kolbenan­ ordnungen (24, 26) durch eine von der Außenseite des Gehäuses (22) zugängige Welle miteinander drehverbunden sind und die erste Kolbenan­ ordnung (24) gegenüber der zweiten Kolbenanordnung (26) um einen Winkel β verdreht angeordnet ist, und jede Kolbenanordnung (24, 26) mindestens einen inneren Arbeitsraum (58) und zusammen mit dem Gehäuse (22) einen äußeren Raum (60) begrenzt, wobei zumindest die inneren Arbeitsräume (58) der beiden Kolbenanordnungen (24, 26) miteinander über eine Leitung (62), in die ein Regenerator (64) eingeschaltet ist, verbunden sind.

2. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äuße­ ren Räume (60) der beiden Kolbenanordnungen (24, 26) ebenfalls mitein­ ander über eine Leitung (66), in die ein Regenerator (68) eingeschaltet ist, verbunden sind.

3. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Räume (60) hermetisch von der Umgebung abschließbar sind und mit einem Druckgas gefüllt sind, das dem Gas im inneren Arbeitsraum (58) entspricht, wobei vorzugsweise unter einem Mitteldruck gefüllt wird, der kleiner ist als der maximale, aber größer ist als der mini­ male Arbeitsdruck im umschlossenen inneren Arbeitsraum (58).

4. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenraum (20) entsprechend den Konturen der Drehbewegung der Drehkolben (28) geformt ist und vorzugsweise einen Querschnitt aufweist, der durch eine der Anzahl der Drehkolben (28) entsprechende Zahl von Kreisbögen begrenzt ist, deren Radius etwas größer ist als die größere Halbachse der Drehkolben.

5. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolben (28) rotationssymmetrisch um 180 Grad oder um 120 Grad ausgebildet sind.

6. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß pro Kolbenanordnung (24, 26) drei oder vier Drehkolben (28) vorgesehen sind.

7. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolben unrunde Körper mit konstantem Durchmesser sind.

8. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verdrehwinkel β einen Wert hat, der 90 Grad dividiert durch die Anzahl der Drehkolbenvorsprünge eines Drehkolbens (28) zuzüg­ lich ±20 Grad, vorzugsweise 90 Grad dividiert durch die Anzahl der Drehkolbenvorsprünge eines Drehkolbens (28) beträgt.

9. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verhältnis der Durchmesser R zu r möglichst groß ist, vorzugsweise größer als drei zu eins gewählt wird.

10. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die von der Außenseite des Gehäuses (22) zugängige Welle über eine Magnetkupplung mit einer der Wellen (34) verbunden ist.

11. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß pro Kolbenanordnung (24, 26) durch zusätzliche, iden­ tische und gleich angeordnete Drehkolben (76) mindestens ein weiterer innerer Arbeitsraum (78) geschaffen ist.

12. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Kolbenanordnungen (24, 26) gegeneinander win­ kelverstellbar angeordnet sind (Fig. 9).