DE3723948A1

DE3723948A1 - Regenerative waermemaschine in kreuzkolbenbauweise mit magnetisch gefuehrten freikolben

Info

Publication number: DE3723948A1
Application number: DE19873723948
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Rer Nat Krauch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1988-11-24

Description

Die Erfindung betrifft eine regenerative Wärmemaschine, insbesondere nach dem Stirling-Prozeß arbeitende, einfach- oder doppeltwirkende Wärme-Kraft-Maschine, Wärmepumpe, ein- oder mehrstufig arbeitende Kältemaschine, nach dem Vuilleumier- Prozeß arbeitende Wärmepumpe oder Kältemaschine, eine Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlaubende Maschine zur wahlweisen, frei einstellbar kombinierbaren Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder Kühlleistung, bei der zwei rechtwinklig zueinander angeordnete, sich jeweils gegenüberliegende Kolbenpaare durch ein Getriebe bestimmte harmonische Bewegungen in ihren Zylindern ausführen, wodurch die veränderlichen Arbeitsräume der regenerativen Wärmemaschine gebildet werden.

Eine solche regenerative Wärmemaschine ist der nachveröffentlichten Patentanmeldung P 36 02 634.4 (Anwaltsakte PG 1139) zu entnehmen.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Bauweisen bekannt, die o. g. Maschinen und ihre Triebwerke betreffen. Das sind zum Beispiel: Maschinen mit Reihen oder V-Anordnung der Zylinder, mit Kreuzkopfgetriebe; Maschinen in Reihen oder Boxeranordnung mit Rhombengetrieben; Maschinen mit Taumel- oder Schrägscheibengetriebe und quadratisch- paralleler Anordnung der Zylinder.

Es wurden weiter verschiedene Anordnungen von Kurbelschleifen sowie vielfältige Dreh- und Kreiskolben-Bauarten vorgeschlagen.

Bei allen bekannten in Wärmemaschinen der genannten Art besteht eine direkte mechanische Kopplung zwischen den Kolben und dem sie führenden Getriebe. Hierzu greifen Kolbenstangen an den Kolben an. Bei einem außerhalb der thermodynamischen Arbeitsräume liegenden Getriebe müssen die Kolbenstangen unter Abdichtung durch die Wand der Wärmemaschine hindurchgeführt werden, das zu Dichtungs- und Schmierproblemen sowie zu Reibungsverlusten führt. Legt man aber das Getriebe in das thermodynamische Arbeitssystem, so sind die Toträume der Wärmemaschine groß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmemaschine der genannten Art anzugeben, bei der die Abdichtung der Arbeitsräume problemlos zu bewerkstelligen ist und die sich durch minimale Toträume auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmemaschine gelöst, deren Kolben magnetisch geführte Freikolben sind. Die Kolben können mit Führungsmagneten zusammenwirken, die über ein Getriebe verbunden sind und im wesentlichen harmonische Bewegungen ausführen. Bei dieser Anordnung wird die herkömmliche direkte mechanische Verbindung zwischen Kolben und Getriebe durch eine magnetische Kopplung ersetzt. Es ist eine die Toträume minimierende Anordnung des Getriebes außerhalb der thermodynamischen Arbeitsräume möglich, ohne daß Dichtungsprobleme an bewegten mechanischen Teilen entstehen.

Die einander gegenüberliegenden Kolben zugeordneten Führungsmagnete sind vorzugsweise zu einer kinematischen Einheit verbunden, und die rechtwinklig zueinander angeordneten kinematischen Einheiten über das Getriebe gekoppelt.

Das Getriebe befindet sich vorzugsweise außerhalb des hermetisch abgedichteten Gehäuses der Wärmemaschine. Es kann in einem geeigneten Getriebegehäuse aufgenommen sein. Das Getriebe kann unter anderem ein Kurbelschleifengetriebe oder ein hypozykloidisches Exzenter-Kurbelgetriebe, insbesondere ein Parson-Getriebe sein. Da bei diesen Getrieben die Bewegungen der Kolben rein harmonisch sind, ist ein vollständiger Ausgleich der Massenkräfte und Momente leicht möglich, beispielsweise durch ein mit einer Kurbelwelle umlaufendes Ausgleichsgewicht.

Das Parson-Getriebe hat vorzugsweise einen Läufer mit starr verbundenen Exzenterkreisscheiben, die mit parallelen, versetzten Achsen angeordnet sind und drehbar in Kreuzköpfen einsitzen, die mit dem einen bzw. anderen der rechtwinklig zueinander angeordneten Paare von Führungsmagneten gekoppelt sind.

Die Exzenterkreisscheiben sind vorzugsweise in Achsrichtung versetzt und einander teilweise überlappend miteinander verbunden.

Der Läufer kann eine den Achsen der Exzenterkreisscheiben parallele, in der geometrischen Mitte zwischen diesen Achsen liegende Drehachse haben.

In einer ersten Variante des Parson-Getriebes sind die Kreuzköpfe und die Führungsmagnete über Stangen starr miteinander verbunden. Die Linearführung der kinematischen Einheiten erfolgt durch Stangenlager oder die Führungsmagnete an den Zylindern selbst. Die quer zur Bewegungsrichtung der Kolben auftretenden Reaktionskräfte werden dann von den Zylindern oder, falls dies zu Stabilitätsproblemen führt, von den Stangen und ihren Lagern aufgenommen. Es versteht sich, daß die beteiligten Bauelemente dazu genügend biegesteif ausgelegt sein müssen, damit die Kräfte klemmfrei übertragen werden können. Dies einmal vorausgesetzt, zeichnet sich dieses Parson-Getriebe durch einen unaufwendigen Aufbau aus.

In der zweiten Variante des Parson-Getriebes erfolgt die Geradführung der kinematischen Einheiten an den Kreuzköpfen. Letztere sind hierzu an linearen Führungsbahnen geführt, die vorzugsweise an dem Getriebegehäuse ausgebildet sind. Die Reaktionskräfte werden so schon im Getriebegehäuse aufgenommen. Damit können die Führungsmagnete mit den Kreuzköpfen durch beidseitig gelenkig gelagerte, biegemomentenfreie Stangen verbunden werden. Insgesamt ist so eine leichtere, materialsparende Bauweise möglich.

Ähnliches gilt für eine dritte Variante des Parson-Getriebes, bei der die Linearführung der kinematischen Einheiten durch ein kardanisches Räderpaar mit zwei Zahnrädern bewirkt wird. Eines der Zahnräder hat eine Außenverzahnung und ist mit dem Läufer fest so verbunden, daß seine Achse mit der Drehachse des Läufers zusammenfällt und die Achsen der beiden Exzenter auf dem Wälzkreis des Zahnrads liegen. Das andere Zahnrad ist getriebegehäusefest angeordnet und hat eine Innenverzahnung mit gerade der doppelten Zähnezahl des ersten Zahnrads. Wälzt sich nun das erste Zahnrad bei der Drehung des Läufers in dem zweiten Zahnrad ab, so führt es die Exzenterkreisscheiben gerade und harmonisch. So können auch hier die Führungsmagnete mit gelenkigen, biegemomentenfreien Stangen an die Exzenterkreisscheiben angebunden werden.

Die Drehachse des Läufers kann die Anlenkachse einer Kurbelwelle bilden, die um eine dieser Drehachse parallele, die Längsachse beider kinematischer Einheiten in ihrem projektiven Schnittpunkt senkrecht schneidende Kurbelwellendrehachse drehbar gelagert ist. Diese Anordnung erlaubt eine einfache Drehmoment auskopplung an der Kurbelwelle, und auch ein eventuell erforderliches Anwerfen der Wärmemaschine gestaltet sich sehr einfach.

Die Länge der Kurbel, d. h. der Abstand zwischen der Kurbelwellen drehachse und der die Anlenkachse der Kurbelwelle bildenden Drehachse des Läufers ist bei dem Parson-Getriebe gleich dem Abstand der letzteren Achse von den Achsen der Exzenterkreisscheiben.

Der Läufer weist vorzugsweise eine Achsbohrung auf, und er ist auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert. Diese Bauform ist besonders herstellungs- und montagefreundlich.

Die Kurbelwelle kann aus einem Hauptzapfen, einer ersten Kurbel, dem Hubzapfen, einer parallel im Abstand zur ersten Kurbel sich erstreckenden zweiten Kurbel und einem mit dem ersten Hauptzapfen auf gleicher Achse liegenden zweiten Hauptzapfen bestehen, wobei alle genannten Teile starr miteinander verbunden sind. Diese Bauform ist besonders praktisch, insbesondere wenn es darum geht, mehrere Wärmemaschinen in Kreuzkolbenbauweise miteinander zu koppeln.

Bei dem beschriebenen Getriebe drehen die beiden Exzenterkreisscheiben um die Anlenkachse der Kurbelwelle, die ihrerseits mit gleicher Frequenz in entgegengesetzter Drehrichtung um die Kurbelwellendrehachse umläuft. Die Exzenterkreisscheiben liegen daher deutlich außermittig zur Kurbelwellendrehachse. In einer bevorzugten Bauform des Parson-Getriebes ist daher ein Ausgleichsgewicht vorgesehen, das diese Exzentrizität ausbalanciert. Man erreicht so einen guten Ausgleich der wirkenden Massenkräfte und Momente und einen einwandfreien Rundlauf der Wärmemaschine. Das Ausgleichsgewicht kann fest mit der Kurbelwelle verbunden sind, wobei sein Schwerpunkt auf der der Anlenkachse gegenüberliegenden Seite der Kurbelwellendrehachse liegt.

Das Ausgleichsgewicht kann ein Zylinderscheibensegment oder eine mit Erleichtungsbohrungen versehene Zylinderscheibe sein, deren Mittelachse die Kurbelwellendrehachse ist. Die Mantelfläche des Ausgleichsgewichts bildet vorzugsweise eine Führungsfläche zum Zweck der Lagerung. Die Führungsfläche arbeitet vorzugsweise mit einer am Gehäuse der Wärmemaschine ausgebildeten, stationären Lauffläche zusammen. Das Ausgleichsgewicht übernimmt so in vorteilhafter Weise zugleich eine Führungsfunktion.

Die hochtemperaturbeständigen Bauteile der erfindungsgemäßen Wärmemaschine können ganz oder teilweise aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltriertem Siliziumcarbid (Silizium-Siliziumcarbid; SiSiC), oder aus oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, bestehen. Diese keramischen Materialien sind gut bearbeitbar, korrosions beständig, und sie halten extremen Drücken und Temperaturen Stand. Hervorzuheben sind weiterhin die hohe thermische Leitfähigkeit von SiSiC und die guten Selbstlaufeigenschaften dieses Materials.

Wenigstens ein Kolben der erfindungsgemäßen Wärmemaschine kann zum Teil aus Graphit, und insbesondere mit Kohlenstoffasern bewehrtem Graphit (Kohlefasergraphit, CfC) bestehen, wobei er an seiner Oberfläche mit nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, beschichtet sein kann. Graphit und CfC zeichnen sich durch eine gute Temperaturbeständigkeit und hohe mechanische Stabilität bei geringem spezifischem Gewicht aus. Man gewährleistet so kleine Kolbenschwungmassen. Weiter haben Graphit und CfC gute Wärmeisolationseigenschaften. Eine keramische Beschichtung des aus Graphit oder CfC bestehenden Kolbenkörpers stellt eine extrem hohe Abriebfestigkeit und Temperaturbeständigkeit sicher.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Teilweise schematisch zeigt

Fig. 1 ein thermodynamisches Schema eines einfachwirkenden Stirlingmotors in Kreuzkolbenbauweise;

Fig. 2 ein thermodynamisches Schema eines doppeltwirkenden Stirlingmotors in Kreuzkolbenbauweise;

Fig. 3 ein thermodynamisches Schema einer Vuilleumier- Wärmepumpe in Kreuzkolbenbauweise;

Fig. 4 die Draufsicht auf eine regenerative Wärmemaschine in Kreuzkolbenbauweise mit magnetisch geführten Freikolben, wobei als Führungsgetriebe ein Kurbel schleifengetriebe vorgesehen ist;

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen der Zylinder der Wärmemaschine nach Fig. 4;

Fig. 6 den im wesentlichen aus zwei Exzenterkreisscheiben bestehenden Läufer eines alternativ als Führungsgetriebe vorgesehenen Parson-Getriebes;

Fig. 7 denselben Läufer mit in Kreuzköpfen einsitzenden Exzenterkreisscheiben;

Fig. 8 eine axiale Projektion der Anordnung nach Fig. 7;

Fig. 9 eine Variante des Parson-Getriebes, bei dem die Linearführung der kinematischen Einheiten an den Kreuzköpfen erfolgt; und

Fig. 10 eine weitere Variante des Parson-Getriebes, bei der zur Linearführung der kinematischen Einheiten ein kardanisches Räderpaar vorgesehen ist.

Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen regenerative Wärmemaschinen in Kreuzkolbenbauweise. Bei Fig. 1 handelt es sich um einen einfachwirkenden Stirlingmotor mit zwei Arbeitssystemen 10, 20. Die Arbeitssysteme 10, 20 sind oben und links bzw. unten und rechts angeordnet. Zu dem ersten Arbeitssystem 10 gehört der Arbeitszylinder 11 mit dem Arbeitskolben 12 und der Verdrängerzylinder 13 mit dem Verdrängerkolben 14. Zu dem zweiten Arbeitssystem 20 gehört der Arbeitszylinder 21 mit dem Arbeitskolben 22 und der Verdrängerzylinder 23 mit dem Verdrängerkolben 24. Die Arbeitszylinder 11, 21 liegen einander diametral auf gleicher Achse gegenüber, und ebenso die Verdrängerzylinder 13, 23.

Die Arbeitskolben 12, 22 sind in nachstehend näher beschriebener Weise magnetisch und getriebemäßig gekoppelt, so daß sie eine schwingungsfähige kinematische Einheit bilden. In derselben Weise sind die Verdrängerkolben 14, 24 gekoppelt, so daß sie eine zweite schwingungsfähige kinematische Einheit bilden. Die Achsen der Einheiten kreuzen einander unter 90°.

Die Zylinderräume oberhalb, d. h. auf der dem Getriebegehäuse 30 abgewandten Seite der Verdrängerkolben 14, 24 sind die heißen Arbeitsräume V _H1, V _H2 der Arbeitssysteme 10, 20. Die kalten Arbeitsräume V _K1, V _K2 werden von den Zylinderräumen unterhalb der Verdrängerkolben 14, 24 zusammen mit den Zylinderräumen oberhalb der Arbeitskolben 12, 22 gebildet, mit denen sie durch Kanäle und Leitungen 17, 27 verbunden sind. Die Ringspalte um die Verdrängerkolben 14, 24 stellen thermische Regeneratoren R₁, R₂ dar, die bei deren Bewegung von dem thermodynamischen Arbeitsmedium durchströmt werden. Fig. 1 zeigt schematisch Erhitzer E1, E₂ und Kühler K₁, K₂ auf der heißen bzw. kalten Seite der Regeneratoren R₁, R₂.

In Fig. 2 ist ein doppeltwirkender Stirlingmotor gezeigt, der bei praktisch gleichem Raum die doppelte Leistung erbringt, wie ein einfachwirkender Stirlingmotor. Man erkennt vier durch Indizes 1 bis 4 identifizierte Arbeitssysteme, die je einem der Zylinder 51, 61, 71, 81 zugeordnet sind. In den Zylindern 51, 61, 71, 81 arbeiten paarweise zu kinematischen Einheiten gekoppelte Kolben 52, 62, 72, 82, oberhalb derer sich heiße Arbeitsräume V _H, und unterhalb derer sich kalte Arbeitsräume V _k befinden. Der heiße Arbeitsraum eines Zylinders ist jeweils über einen thermischen Regenerator R räumlich zyklisch mit dem kalten Arbeitsraum VK des benachbarten Zylinders verbunden. Erhitzer E und Kühler K sind wie schon oben in Fig. 1 schematisch angedeutet.

In Fig. 3 ist eine Vuilleumier-Wärmepumpe in Kreuzkolbenbauweise mit paarweise zu kinematischen Einheiten gekoppelten Kolben dargestellt. Sie hat oberhalb eines Kolbens 90 einen heißen Arbeitsraum V _H, oberhalb eines benachbarten Kolbens 91 einen kalten Arbeitsraum V _k, und oberhalb der beiden anderen Kolben 92, 93 miteinander verbundene warme Arbeitsräume V _W. Die Zylinderräume unterhalb der Kolben 90, 91, 92, 93 sind miteinander verbunden. Von dem heißen Arbeitsraum V _H führt eine Leitung über einen Wärmetauscher WT₁, an dem bei hoher Temperatur ein Antriebswärmestrom _H eingekoppelt wird, einen heißen thermischen Regenerator R _H und einen zweiten Wärmetaucher WT₂ zu dem gemeinsamen Raum 30 unterhalb der Kolben 90, 91, 92, 93. Über eine Verzweigung, in der ein Wärmetauscher WT₃, ein kalter thermischer Regenerator R _K und ein Wärmetauscher WT₄ liegen, ist dieser Raum 30 zugleich an den kalten Arbeitsraum V _K angeschlossen. An dem letztgenannten Wärmetaucher WT₄ wird bei niedriger Temperatur ein Umgebungswärmestrom _K eingekoppelt, während an den Wärmetauschern WT₂ und WT₃ bei mittlerer Temperatur ein Heizwärmestrom _W abgenommen werden kann.

Die Kolben 12, 14, 22, 24, 52, 62, 72, 82, 90, 91, 92, 93 sind magnetisch geführte Freikolben. Sie wirken mit Führungsmagneten zusammen, die ihrerseits über ein Getriebe gekoppelt sind, so daß sie harmonische Bewegungen ausführen. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Führungsmagnete 100 Ringe, die axial verschieblich außen auf den Zylindern 101 der Wärmemaschine aufsitzen. Die einander gegenüberliegenden Führungsmagnete 100 sind über Stangen 102, 103 starr miteinander verbunden. Die Stangen 102, 103 erstrecken sich auf der Höhe der Zylinderachsen außen an den Zylindern 101 entlang. Sie sind in geradlinig beweglich in festen Stangenlagern 104 geführt. Eine jede Stange 102, 103 trägt in ihrem Mittelbereich eine Kurbelschleife 105, die zu einem Kurbelschleifengetriebe mit einer Kurbel 106 und einem Gleitstein 107 gehört. Das Kurbelschleifengetriebe zwingt die je zwei Führungsmagnete 100 enthaltenden kinematischen Systeme in harmonische, um 90° phasenverschobene Schwingungen, die von den magnetisch angekoppelten Kolben 108 mitgemacht werden. Die bei der Linearführung der kinematischen Einheiten auftretenden Reaktionskräfte werden von den Stangenlagern 104 aufgenommen, die Teil eines Getriebegehäuses sein können. Die gesamte Getriebe anordnung liegt außerhalb der thermodynamischen Arbeitskreise.

Alternativ zu dem Kurbelschleifengetriebe können Parson- Getriebe verschiedener Bauart Verwendung finden, wie sie in Fig. 6 bis Fig. 10 illustriert sind. Die Getriebe haben einen Läufer 34, der zwei in stirnseitiger Anlage stehende, einander teilweise überlappende Exzenterkreisscheiben 35 aufweist, die fest miteinander verbunden sind. Die Exzenter kreisscheiben 35 sitzen drehbar in Kreuzköpfen 31, 32 ein, die im Mittelbereich der mit den Führungsmagneten 100 verbundenen Stangen 102, 103 vorgesehen sind. Der Läufer 34 ist drehbar auf dem Hubzapfen einer Kurbelwelle 36 gelagert, die aus einem ersten Hauptzapfen 37, einer ersten Kurbel 38, dem Hubzapfen, einer im Abstand zu der ersten Kurbel 38 sich parallel dazu erstreckenden zweiten Kurbel 39 und einem mit dem ersten Hauptzapfen 37 auf gleicher Achse liegenden zweiten Hauptzapfen 40 besteht. Die Zapfen der Kurbelwelle 36 sind parallel zu den Achsen der Exzenterkreisscheiben 35 orientiert. Die geometrischen Verhältnisse können im einzelnen Fig. 8 entnommen werden. Die Achsen der kinematischen Einheiten sind hier mit x und y bezeichnet. Die Führungsmagnete 100 und die damit verbundenen Kreuzköpfe 31 bzw. 32 bewegen sich längs dieser Achsen x, y. K ist die Kurbelwellendrehachse, d. h. die Mittelachse der Hauptzapfen 37, 40 der Kurbelwelle 36. Die Kurbelwellendrehachse K erstreckt sich senkrecht zu den Systemachsen x, y durch deren projektiven Kreuzungspunkt hindurch. A₁ und A₂ sind die Mittelachsen der zentrisch und drehbar in den Kreuzköpfen 31, 32 einsitzenden Exzenter kreisscheiben 35. Diese Achsen erstrecken sich parallel zu der Kurbelwellendrehachse K, und sie treffen die Bewegungsachse x bzw. y der zugehörigen kinematischen Einheit. M ist die Anlenkachse der Kurbelwelle 36 an den Läufer 34, d. h. die Mittelachse des Hubzapfens, an dem der Läufer 34 drehbar gelagert ist. Diese Anlenkachse M erstreckt sich parallel und genau in der Mitte zwischen den Mittelachsen A₁, A₂ der Exzenterkreisscheiben 35. Die Länge der Kurbeln 38, 39, d. h. der Abstand zwischen der Kurbelwellendrehachse K und der Anlenkachse M ist gleich dem Abstand, den diese Anlenkachse M von den Mittelachsen A₁, A₂ der Exzenterkreis scheiben 35 hat.

Bei einer um 90° phasenverschobenen harmonischen Schwingung der kinematischen Einheiten läuft die Anlenkachse M der Kurbelwelle 36 auf einem Kurbelkreis 41 um. Man erkennt das leicht, wenn man in der Projektion der Fig. 5 die folgende Zeitabhängigkeit ansetzt:

A₁= (1 · sin ω t, 0) A₂= (0, 1 · cos ω t) M= ½ (A₁ + A₂) = ½ (sin ω t, cos ω t)

Bei einer Linearbewegung der kinematischen Einheiten in Richtung der Pfeile 42, 43 erfolgt die Kurbelwellendrehung in Pfeilrichtung 44. Die Exzenterkreisscheiben 35 drehen sich dabei in den Kreuzköpfen 31, 32, und der aus beiden Exzenterkreisscheiben 35 zusammengesetzte Läufer 34 vollführt insgesamt eine Drehung um die Anlenkachse M. Ein entsprechender Exzenterkreis ist bei 45 angedeutet, und die Drehrichtung durch den Pfeil 46 wiedergegeben. Die Exzenterdrehung ist gegenläufig zur Umlaufdrehung der Anlenkachse M, und sie erfolgt mit derselben Frequenz.

Das beschriebene Parson-Getriebe setzt nach alledem die um 90° phasenverschobene harmonische Schwingung zweier kinematischer Einheiten in eine Kurbelwellendrehung um. Der aus den beiden Exzenterkreischeiben 35 bestehende Läufer 34 kommt in allen Phasen der Bewegung außermittig bezüglich der Kurbelwellendrehachse K zu liegen. Wie in Fig. 1 dargestellt, empfiehlt sich daher die Anbringung eines Ausgleichsgewichts 47, das fest mit der Kurbelwelle 36 verbunden sein kann. Der Schwerpunkt des Ausgleichsgewichts 47 liegt auf der der Anlenkachse M gegenüberliegenden Seite der Kurbeldrehachse K. Das Ausgleichsgewicht 47 hat gemäß Fig. 1 einen im wesentlichen halbkreisförmigen Grundriß. Ganz allgemein kann das Ausgleichsgewicht ein Zylinderscheibensegment sein, und auch eine mit Erleichterungsbohrungen versehene Zylinderscheibe ist als Ausgleichsgewicht geeignet. Die Mittelachse des Ausgleichsgewicht ist jeweils die Kurbelwellendrehachse K. Seine Mantelfläche kann als Führungsfläche zum Zweck der Lagerung ausgebildet sein und mit einer fest am Getriebegehäuse ausgebildeten Lauffläche zusammenarbeiten.

Es ist eine Vielzahl von Varianten des Parson-Getriebes möglich, die sich nach der Art der Geradführung der linear bewegten schwingungsfähigen Einheiten einteilen lassen, wobei immer dieselbe Kinematik zugrunde liegt. Bei dem bislang behandelten Ausführungsbeispiel wird die Geradführung durch die Stangen 102, 103 in Stangenlagern 104 bewirkt. Hierzu können aber auch die Führungsmagnete 100 an den Zylindern 101 selbst herangezogen werden, sofern dies nicht zu Stabilitätsproblemen führt. Die beteiligten Bauelemente müssen genügend biegesteif ausgelegt sein, damit die Kräfte klemmfrei übertragen werden können.

Bei einer in Fig. 9 gezeigten Variante sind die Kreuzköpfe 31, 32 mit geraden Führungsflächen versehen, und es sind Gleitbahnen 48 am Getriebegehäuse ausgebildet, an denen die Kreuzköpfe 31, 32 geführt sind. Die auftretenden Reaktions kräfte werden somit schon von dem Getriebegehäuse aufgenommen. Damit können die Führungsmagnete 100 mit den Kreuzköpfen 31, 32 durch beidseitig gelenkig gelagerte, biegemomentenfreie Stangen 102, 103 verbunden werden.

Bei der in Fig. 10 schematisch illustrierten Variante wird die Geradführung der Anlenkpunkte A₁, A₂ für die Stangen 102, 103 durch ein kardanisches Räderpaar 49, 50 bewirkt. Dazu ist ein mit einer Außenverzahnung versehendes Zahnrad 49 fest mit dem Läufer 34 verbunden, so daß seine Achse mit der Drehachse M des Läufers zusammenfällt, während die Achsen A₁, A₂ der Exzenterkreisscheiben 35 auf dem Wälzkreis des Zahnrads 49 liegen. Das Zahnrad kämmt mit einem stillstehenden, fest mit dem Getriebegehäuse 30 verbundenen Zahnrad 50 mit Innenverzahnung, das gerade die doppelte Zähnezahl hat, wie das Zahnrad 49 mit Außenverzahnung. Wälzt sich letzteres in dem Zahnrad 50 mit Innerverzahnung ab, so führt es die Exzenterkreisscheiben 35 des Läufers 34 gerade und harmonisch. Auch hier können also die Führungsmagnete 100 mit gelenkigen, biegemomentenfreien Stangen 102, 103 an die Exzenterkreisscheiben 35 angebunden werden.

Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß können insbesondere durch eine im thermodynamischen Arbeitskreis liegende, einstellbare Drosselventilanordnung realisiert werden.

Liste der Bezugszeichen

10 - Arbeitssystem
11 - Arbeitszylinder
12 - Arbeitskolben
13 - Verdrängerzylinder
14 - Verdrängerkolben
17 - Leitung
20 - Arbeitssystem
21 - Arbeitszylinder
22 - Arbeitskolben
23 - Verdrängerzylinder
24 - Verdrängerkolben
27 - Leitung
30 - gemeinsamer Arbeitsraum
31 - Kreuzkopf
32 - Kreuzkopf
33 - Montageansatz
34 - Läufer
35 - Exzenterkreisscheibe
36 - Kurbelwelle
37 - Hauptzapfen
38 - Kurbel
39 - Kurbel
40 - Hauptzapfen
41 - Kurbelkreis
42 - Pfeil
43 - Pfeil
44 - Pfeil
45 - Exzenterkreis
46 - Pfeil
47 - Ausgleichsgewicht
48 - Gleitbahn
49 - Zahnrad
50 - Zahnrad
51 - Zylinder
52 - Kolben
61 - Zylinder
62 - Kolben
71 - Zylinder
72 - Kolben
81 - Zylinder
82 - Kolben
90 - Kolben
91 - Kolben
92 - Kolben
93 - Kolben
100 - Führungsmagnet
101 - Zylinder
102 - Stange
103 - Stange
104 - Stangenlager
105 - Kurbelschleife
106 - Kurbel
107 - Gleitstein
108 - Kolben

Claims

1. Regenerative Wärmemaschine, insbesondere nach dem Stirling-Prozeß arbeitende, einfach- oder doppeltwirkende Wärme-Kraft-Maschine, Wärmepumpe, ein- oder mehrstufig arbeitende Kältemaschine, nach dem Vuilleumier- Prozeß arbeitende Wärmepumpe oder Kältemaschine, eine Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier- Prozeß erlaubende Maschine zur wahlweisen, frei einstellbar kombinierten Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder Kühlleistung, bei der zwei rechtwinklig zueinander angeordnete, sich jeweils gegenüberliegende Kolbenpaare durch ein Getriebe bestimmte harmonische Bewegungen in ihren Zylindern ausführen, wodurch die veränderlichen Arbeitsräume der regenerativen Wärmemaschine gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (12, 14, 22, 24, 52, 62, 72, 82, 90, 91, 92, 93, 108) magnetisch geführte Freikolben sind.

2. Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (108) mit Führungsmagneten (100) zusammenwirken, die über ein Getriebe verbunden sind und im wesentlichen harmonische Bewegungen ausführen.

3. Wärmemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Kolben (108) zugeordneten Führungsmagnete (100) zu einer kinematischen Einheit verbunden und die rechtwinklig zueinander angeordneten kinematischen Einheiten über das Getriebe gekoppelt sind.

4. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe außerhalb eines hermetisch dichten Gehäuses der Wärmemaschine liegt.

5. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Kurbelschleifengetriebe ist.

6. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein hypozykloidisches Exzenter-Kurbelgetriebe, insbesondere ein Parson-Getriebe, ist.

7. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe einen Läufer (34) mit zwei starr verbundenen Exzenterkreisscheiben (35) hat, die mit parallelen, versetzten Achsen (A₁, A₂) angeordnet sind und drehbar in Kreuzköpfen (31, 32) einsitzen, die mit dem einen bzw. anderen der rechtwinklig zueinander angeordneten Paare von Führungsmagneten (100) gekoppelt sind.

8. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterkreisscheiben (35) in Achsrichtung versetzt und einander teilweise überlappend miteinander verbunden sind.

9. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (34) eine den Achsen (A₁, A₂) der Exzenterkreisscheiben (35) parallele, in der geometrischen Mitte zwischen diesen Achsen (A₁, A₂) liegende Drehachse (M) hat.

10. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzköpfe (31, 32) und Führungsmagnete über Stangen starr miteinander verbunden sind, und daß eine Linearführung der kinema tischen Einheiten durch ein Stangenlager oder die Führungsmagnete an den Zylindern (11, 13, 21, 23) selbst erfolgt.

11. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzköpfe (31, 32) an vorzugsweise einem Getriebegehäuse ausgebildeten linearen Führungsbahnen (48) geführt sind.

12. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linearführung der kinematischen Einheiten durch ein kardanisches Räderpaar (49, 50) bewirkt wird, von denen eines (49) eine Außenverzahnung hat und mit dem Läufer (34) fest so verbunden ist, daß seine Achse mit der Drehachse M des Läufers (34) zusammenfällt und die Achsen (A₁, A₂) der beiden Exzenterkreisscheiben auf dem Wälzkreis des Zahnrads (49) liegen, während das andere (50) getriebegehäusefest angeordnet ist und eine Innenverzahnung mit der doppelten Zähnezahl ist.

13. Wärmemaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzköpfe (31, 32) über beidseitig gelenkig gelagerte Stangen (102, 103) mit den Führungsmagneten (100) verbunden sind.

14. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (M) des Läufers (34) die Anlenkachse einer Kurbelwelle (36) bildet, die um eine dieser Drehachse (M) parallele, die Längsachse (x, y) beider kinematischer Einheiten in ihrem projektivem Schnittpunkt senkrecht schneidende Kurbelwellendrehachse (K) drehbar gelagert ist.

15. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Kurbel (38, 39), d. h. der Abstand zwischen der Kurbelwellendrehachse (K) und der die Anlenkachse der Kurbelwelle (36) bildenden Drehachse (M) des Läufers (34) gleich dem Abstand der letzteren Drehachse (M) von den Achsen (A₁, A₂) der Exzenterkreisscheiben (35) ist.

16. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (34) eine Achsbohrung aufweist und drehbar an einem Hubzapfen der Kurbelwelle (36) gelagert ist.

17. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (36) aus einem ersten Hubzapfen (37), einer ersten Kurbel (38), dem Hubzapfen, einer parallel im Abstand zur ersten Kurbel (38) sich erstreckenden zweiten Kurbel (39) und einem mit dem ersten Hauptzapfen (37) auf gleicher Achse liegenden zweiten Hauptzapfen (40) besteht.

18. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Ausgleichsgewicht (47) enthält.

19. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgewicht (47) fest mit der Kurbelwelle (36) verbunden ist, wobei sein Schwerpunkt auf der der Anlenkachse (M) gegenüberliegenden Seite der Kurbelwellendrehachse (K) liegt.

20. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgewicht (47) ein Zylinderscheibensegment oder eine mit Erleichterungs bohrungen versehene Zylinderscheibe ist, deren Mittelachse die Kurbelwellendrehachse (K) ist, und daß die Mantelfläche des Ausgleichsgewichts (47) eine Führungsfläche zum Zweck der Lagerung bildet.

21. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ihre temperaturbeanspruchten Bauteile ganz oder teilweise aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltriertem Siliziumcarbid; SiSiC, oder aus oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, bestehen.

22. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer ihrer Kolben (12, 14, 22, 24, 52, 62, 72, 82, 90, 91, 92, 93) zum Teil aus Graphit, und insbesondere mit Kohlenstoffasern bewertem Graphit (Kohlefasergraphit, CfC) besteht, wobei er an seiner Oberfläche mit nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, beschichtet sein kann.