DE3723948A1 - Regenerative waermemaschine in kreuzkolbenbauweise mit magnetisch gefuehrten freikolben - Google Patents
Regenerative waermemaschine in kreuzkolbenbauweise mit magnetisch gefuehrten freikolbenInfo
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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.
- 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 (22)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873723948 DE3723948A1 (de) | 1987-05-08 | 1987-07-20 | Regenerative waermemaschine in kreuzkolbenbauweise mit magnetisch gefuehrten freikolben |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3715402 | 1987-05-08 | ||
DE19873723948 DE3723948A1 (de) | 1987-05-08 | 1987-07-20 | Regenerative waermemaschine in kreuzkolbenbauweise mit magnetisch gefuehrten freikolben |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3723948A1 true DE3723948A1 (de) | 1988-11-24 |
Family
ID=25855361
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873723948 Withdrawn DE3723948A1 (de) | 1987-05-08 | 1987-07-20 | Regenerative waermemaschine in kreuzkolbenbauweise mit magnetisch gefuehrten freikolben |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3723948A1 (de) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |