DE3723950A1

DE3723950A1 - Regenerative waermemaschine mit einem hypozykloidischen exzenter-kurbelgetriebe

Info

Publication number: DE3723950A1
Application number: DE19873723950
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Krauch; Peter Feulner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-02-03
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1988-08-11

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 Vuilleu mier-Prozeß arbeitende Wärmepumpe oder Kältemaschine, eine Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlau bende Maschine zur wahlweisen, frei einstellbar kombinierba ren Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder Kühl leistung, bei der zwei rechtwinklig zueinander angeordnete, sich jeweils gegenüberliegende Kolbenpaare durch ein Getriebe bestimmte harmonische Bewegungen in ihren Zylindern ausfüh ren, wodurch die veränderlichen Arbeitsräume der regenerati ven Wärmemaschine gebildet werden.

Eine solche regenerative Wärmemaschine ist der nachveröffent lichten Patentanmeldung P 36 02 634.4 (Anwaltsakte PG1139) zu entnehmen.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Bauweisen be kannt, die o. g. Maschinen und ihre Triebwerke betreffen. Das sind zum Beispiel: Maschinen mit Reihen oder V-Anord nung der Zylinder, mit Kreuzkopfgetriebe; Maschinen in Rei hen 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 vorgeschla gen.

All diesen ist das Problem gemeinsam, den Übertritt des thermodynamischen Arbeitsmediums in das das Getriebe enthal tende Gehäuse sowie den Übertritt des Schmiermittels in die thermodynamischen Arbeitsräume zuverlässig zu verhin dern, wobei das letztere als nach dem Stand der Technik beherrschbar angesehen werden kann. Es wurde schon in der Vergangenheit erwogen, den Kurbelgehäuseraum mit dem Ar beitsmedium bei einem Druck, der etwa dem Mittel des schwan kenden Arbeitsdruckes entspricht, zu füllen, um die Abdich tung der thermodynamischen Arbeitsräume zu erleichtern. Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Druckniveaus führt dies jedoch dazu, daß die Kurbelgehäuse einen wesent lichen Anteil am Gesamtgewicht der Maschine und damit auch am Konstruktionsaufwand ausmachen. Somit wird der Nutzen, den ein gesteigerter Arbeitsdruck in Gestalt der erhöhten spezifischen Leistung mit sich bringt, zunichte gemacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine regenerative Wärmema schine der genannten Art anzugeben, die sich durch einen äußerst kompakten Getriebeaufbau und eine einfache Drehmo mentauskopplung auszeichnet und bei der das Getriebegehäuse in unaufwendiger Weise einwandfrei gegen die thermodynami schen Arbeitsräume abgedichtet und gegebenenfalls mit unter einem mittleren Druck stehendem thermodynamischem Arbeits medium gefüllt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer regenerativen Wärmemaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Getriebe ein hypozykloidisches Exzenter-Kurbelgetriebe, insbesondere ein Parson-Getriebe, ist.

Der kompakte Aufbau des erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Getriebes erlaubt eine entsprechend gedrängte Bauweise der regenerativen Wärmemaschine, dank derer die Totvolumina der thermodynamischen Arbeitsräume, und insbesondere die sie verbindenden Leitungsvolumina sehr klein gehalten wer den können. Das wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad der Wärmemaschine aus. Allenfalls mit Taumelscheibengetrie ben sind nach dem Stand der Technik ähnlich kompakte Getrie beaufbauten erreichbar. Gegenüber diesen besteht, da es aus Gründen der thermischen Ähnlichkeit nicht möglich ist, die Kolbenabmessungen beliebig zu vergrößern, jedoch erfin dungsgemäß der Vorteil, daß Maschinen der beschriebenen Bauart infolge der kurzen, sehr steif ausgeführten Kurbel wellen zu größeren Einheiten kombiniert werden können.

Da, vom Getriebe bestimmt, die Bewegungen der Kolben rein harmonisch sind, ist ein vollständiger Ausgleich der Massen kräfte und Momente leicht möglich, beispielsweise durch ein mit der Kurbelwelle umlaufendes Ausgleichsgewicht.

Insbesondere bei der Anwendung der vorgeschlagenen Bauweise auf cryogene Kühlmaschinen mit mehrstufiger Arbeitsweise ergibt sich erfindungsgemäß infolge der durch die Anordnung bedingten Entfernung der Vorteil der guten Möglichkeiten zur Wärmeisolierung der Expansionsräume.

Das erfindungsgemäß verwendete Getriebe hat vorzugsweise einen Läufer mit zwei starr verbundenen Exzenterkreisschei ben, die mit parallelen, versetzten Achsen angeordnet sind und drehbar in Kreuzköpfen einsitzen, die mit dem einen bzw. anderen der rechtwinklig zueinander angeordneten Kol benpaare 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 Kreuz köpfe und die Kolbenstangen starr miteinander verbunden. Die Linearführung der schwingungsfähigen Systeme erfolgt durch ein Kolbenstangenlager oder die Kolben in den Zylin dern selbst. Die quer zur Bewegungsrichtung der Kolben auf tretenden Reaktionskräfte werden dann von den Kolben selbst oder, falls dies zu Dichtungs- oder anderen Problemen führt, von den Kolbenstangen und ihren Lagern aufgenommen. Es ver steht 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 einer zweiten Variante des Parson-Getriebes erfolgt die Geradführung der schwingungsfähigen Systeme an den Kreuz köpfen. Letztere sind hierzu an linearen Führungsbahnen geführt, die vorzugsweise an dem Getriebegehäuse ausgebil det sind. Die Reaktionskräfte werden so schon im Getriebe gehäuse aufgenommen. Damit können die Kolben mit den Kreuz köpfen durch beidseitig gelenkig gelagerte, biegemomenten freie Kolbenstangen verbunden werden. Insgesamt ist so eine leichtere, materialsparende Bauweise möglich.

Ähnliches gilt für eine dritte Variante des Parson-Getriebes, bei der die Linearführung der schwingungsfähigen Systeme 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 bei den 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 kön nen auch hier die Kolben mit gelenkigen, biegemomentenfreien Kolbenstangen an die Exzenterkreisscheiben angebunden wer den.

Die Drehachse des Läufers kann die Anlenkachse einer Kurbel welle bilden, die um eine dieser Drehachse parallele, die Längsachse beider Kolbenpaare in ihrem projektiven Schnitt punkt senkrecht schneidende Kurbelwellendrehachse drehbar gelagert ist. Diese Anordnung erlaubt eine einfache Drehmo mentauskopplung 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 Kurbel wellendrehachse 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 liegen den zweiten Hauptzapfen bestehen, wobei alle genannten Teile starr miteinander verbunden sind. Diese Bauform ist beson ders praktisch, insbesondere wenn es darum geht, mehrere Wärmemaschinen in Kreuzkolbenbauweise miteinander zu koppeln.

Bei dem beschriebenen Getriebe drehen die beiden Exzenter kreisscheiben um die Anlenkachse der Kurbelwelle, die ihrer seits mit gleicher Frequenz in entgegengesetzter Drehrich tung um die Kurbelwellendrehachse umläuft. Die Exzenterkreis scheiben liegen daher deutlich außermittig zur Kurbelwel lendrehachse. In einer bevorzugten Bauform des Parson-Ge triebes 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 Aus gleichsgewicht kann fest mit der Kurbelwelle verbunden sein, wobei sein Schwerpunkt auf der der Anlenkachse gegenüber liegenden Seite der Kurbelwellendrehachse liegt.

Das Ausgleichsgewicht kann ein Zylinderscheibensegment oder eine mit Erleichterungsbohrungen versehene Zylinder scheibe sein, deren Mittelachse die Kurbelwellendrehachse ist. Die Mantelfläche des Ausgleichsgewichts bildet vorzugs weise eine Führungsfläche zum Zweck der Lagerung. Die Füh rungsfläche 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 erfindungsge mäßen Wärmemaschine können ganz oder teilweise aus nicht oxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Silizium nitrit oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltriertem Siliziumcarbid (Silizium-Siliziumcarbid; SiSiC), oder aus oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, bestehen. Diese keramischen Materialien sind gut bearbeitbar, korrosionsbe ständig, und sie halten extremen Drücken und Temperaturen Stand. Hervorzuheben sind weiterhin die hohe thermische Leitfähigkeit von SiSiC und die guten Selbstlaufeigenschaf ten dieses Materials.

Wenigstens ein Kolben der erfindungsgemäßen Wärmemaschine kann ganz oder 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 Sta bilität bei geringem spezifischem Gewicht aus. Man gewähr leistet so kleine Kolbenschwungmassen. Weiter haben Graphit und CfC gute Wärmeisolationseigenschaften. Eine keramische Beschichtung des aus Graphit oder CfC bestehenden Kolben körpers stellt eine extrem hohe Abriebfestigkeit und Tem peraturbeständigkeit sicher.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnun gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Teilweise schematisch zeigen:

Fig. 1 das Demonstrationsmodel eines einfach wirkenden Stirlingmotors in Kreuzkolbenbauweise mit Parson- Getriebe, bei dem die Linearführung der schwin gungsfähigen Systeme an Kolbenstangenlagern er folgt;

Fig. 2 ein thermodynamisches Schema dieses Stirlingmotors;

Fig. 3 den im wesentlichen aus zwei Exzenterkreisscheiben bestehenden Läufer des Parson-Getriebes mit einer daran angelenkten Kurbel;

Fig. 4 denselben Läufer mit in Kreuzköpfen einsitzen den Exzenterkreisscheiben, wobei an den Kreuz köpfen unter 90° sich kreuzende Kolbenstangen an greifen; und

Fig. 5 eine axiale Projektion der Anordnung nach Fig. 4.

Fig. 6 eine Variante des Parson-Getriebes, bei dem die Linearführung der schwingungsfähigen Systeme an den Kranzköpfen erfolgt;

Fig. 7 eine weitere Variante des Parson-Getriebes, bei der zur Linearführung der schwingungsfähigen Sys teme ein kardanisches Räderpaar vorgesehen ist;

Fig. 8 ein thermodynamisches Schema eines doppeltwirken den Stirling-Motors in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-Getriebe; und

Fig. 9 ein thermodynamisches Schema einer Vuilleumier- Wärmepumpe in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-Ge triebe.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine regenerative Wärmemaschine in Kreuzkolbenbauweise. Es handelt sich um einen einfach wirkenden Stirlingmotor mit zwei Arbeitssystemen 10, 20 und einem mittig angeordneten Getriebegehäuse 30. Die Ar beitssysteme 10, 20 sind oben und links bzw. unten und rechts von dem Getriebegehäuse 30 angeordnet. Zu dem ersten Ar beitssystem 10 gehört der Arbeitszylinder 11 mit dem Arbeits kolben 12 und der Verdrängerzylinder 13 mit dem Verdränger kolben 14. Zu dem zweiten Arbeitssystem gehört der Arbeits zylinder 21 mit dem Arbeitskolben 22 und der Verdränger zylinder 23 mit dem Verdrängerkolben 24. Die Arbeitszylin der 11, 21 liegen einander diametral auf gleicher Achse gegenüber, und ebenso die Verdrängerzylinder 13, 23.

Die Arbeitskolben 12, 22 sind mittels axialer Kolbenstangen 15, 25 mit einem Kreuzkopf 31 starr verbunden und bilden damit eine schwingungsfähige kinematische Einheit. Desgleichen sind die Verdrängerkolben 14, 24 mit einem zweiten Kreuzkopf 32 starr verbunden, so daß sie eine zweite schwingungsfähi ge kinematische Einheit bilden. Die Achsen der Einheiten kreuzen einander unter 90°, kommen aber in verschiedenen Ebenen parallel zu der Zeichenebene der Fig. 1 zu liegen; insbesondere sind die Kreuzköpfe 31, 32 entsprechend ver setzt.

Die Zylinderräume oberhalb, d. h. auf der dem Getriebege häuse 30 abgewandten Seite der Verdrängerkolben 14, 24 sind die heißen Arbeitsräume V _{H 1}, V _{H 2} der Arbeitssysteme 10, 20. Die kalten Arbeitsräume V _{K 1}, V _{K 2} werden von den Zylin derräumen 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 R ₁, R ₂ dar, die bei deren Bewegung von dem thermodynamischen Arbeitsmedium durch strömt werden. Fig. 2 zeigt schematisch Erhitzer E ₁, E ₂ und Kühler K ₁, K ₂ auf der heißen bzw. kalten Seite der Re generatoren R ₁, R ₂.

Die in dem Getriebegehäuse 30 befindlichen Kreuzköpfe 31, 32 haben die Form von Kreisringen mit diametral einander gegenüberliegenden Montageansätzen 33, an denen die Kolben stangen 15, 16, 25, 26 angreifen. Die mit den Verdränger kolben 14, 24 verbundenen Kolbenstangen 16, 26 sind unter Abdichtung in das Getriebegehäuse 30 geführt. Für die mit den Arbeitskolben 12, 22 verbundenen Kolbenstangen 15, 25 ist hingegen keine abgedichtete Durchführung vorgesehen, da die Abdichtung der kalten Arbeitsräume V _{K 1}, V _{K 2} durch die Arbeitskolben 12, 22 selbst erfolgt. Die bei der Linear führung der beiden kinematischen Einheiten auftretenden Reaktionskräfte werden von Kolbenstangenlagern aufgenommen, die mit dem Getriebegehäuse 30 fest verbunden sind.

Die Kreuzköpfe 31, 32 nehmen einen Läufer 34 des Parson- Getriebes auf, dessen Aufbau im einzelnen Fig. 3 und Fig. 4 entnommen werden kann. Der Läufer 34 weist zwei in stirn seitiger Anlage stehende, einander teilweise überlappende Exzenterkreisscheiben 35 auf, die fest miteinander verbunden sind. Die Exzenterkreisscheiben 35 sitzen drehbar in je einem der Kreuzköpfe 31, 32 ein. 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 Hauptzap fen 40 besteht. Die Zapfen der Kurbelwelle 36 sind parallel zu den Achsen der Exzenterkreisscheiben 35 orientiert. Die Hauptzapfen 37, 40 sind aus dem Getriebegehäuse 30 herausge führt und dabei drehbar in der Wand des Getriebegehäuses 30 gelagert. Die geometrischen Verhältnisse können im einzel nen Fig. 5 entnommen werden. Die Achsen der kinematischen Einheiten sind hier mit x und y bezeichnet. Die Kolben 12, 22 bzw. 14, 24 und die damit verbundenen Kreuzköpfe 31 bzw. 32 bewegen sich längs dieser Achsen x, y. K ist die Kurbel wellendrehachse, d. h. die Mittelachse der am Getriebegehäuse 30 gelagerten Hauptzapfen 37, 40 der Kurbelwelle 36. Die Kurbelwellendrehachse K erstreckt sich senkrecht zu den Kolbensystemachsen x, y durch deren projektiven Kreuzungs punkt hindurch. A ₁ und A ₂ 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 Bewe gungsachse 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 A ₁, A ₂ 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 A ₁, A ₂ 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 fol gende Zeitabhängigkeit ansetzt:

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 entsprechen der Exenterkreis 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 Kol bensysteme in eine Kurbelwellendrehung um. Der aus den beiden Exzenterkreisscheiben 35 bestehende Läufer 34 kommt in allen Phasen der Bewegung außermittig bezüglich der Kurbelwellen drehachse 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 Schwer punkt des Ausgleichsgewichts 47 liegt auf der der Anlenkachse M gegenüberliegenden Seite der Kurbeldrehachse K. Das Aus gleichsgewicht 47 hat gemäß Fig. 1 einen im wesentlichen halbkreisförmigen Grundriß. Ganz allgemein kann das Aus gleichsgewicht ein Zylinderscheibensegment sein, und auch eine mit Erleichterungsbohrungen versehene Zylinderscheibe ist als Ausgleichsgewicht geeignet. Die Mittelachse des Ausgleichsgewichts ist jeweils die Kurbelwellendrehachse K. Seine Mantelfläche kann als Führungsfläche zum Zweck der Lagerung ausgebildet sein und mit einer fest am Getriebe gehäuse 30 ausgebildeten Lauffläche zusammenarbeiten.

Es ist eine Vielzahl von Varianten des erfindungsgemäßen 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 Gerad führung durch die Kolbenstangen 15, 16, 25, 26 in Stangen lagern bewirkt. Hierzu können aber auch die Kolben 12, 22, 14, 24 in den Zylindern 11, 21, 13, 23 selbst herangezogen werden, sofern dies nicht zu Dichtungs- und anderen Problemen führt. Die beteiligten Bauelemente müssen genügend biegesteif ausgelegt sein, damit die Kräfte klemmfrei übertragen werden können.

Bei einer in Fig. 6 gezeigten Variante sind die Kreuzköpfe 31, 32 mit geraden Führungsflächen versehen, und es sind Gleitbahnen 48 am Getriebegehäuse 30 ausgebildet, an denen die Kreuzköpfe 31, 32 geführt sind. Die auftretenden Reak tionskräfte werden somit schon von dem Getriebegehäuse 30 aufgenommen. Damit können die Kolben 12, 24 mit den Kreuz köpfen 31, 32 durch beidseitig gelenkig gelagerte, biege momentenfreie Kolbenstangen 15, 26 verbunden werden.

Bei der in Fig. 7 schematisch illustrierten Variante wird die Geradführung der Anlenkpunkte A ₁, A ₂ für die Kolbenstan gen durch ein kardanisches Räderpaar 49, 50 bewirkt. Dazu ist ein mit einer Außenverzahnung versehenes Zahnrad 49 fest mit dem Läufer 34 verbunden, so daß seine Achse mit der Drehachse M des Läufers zusammenfällt, während die Achsen A ₁, A ₂ der Exzenterkreisscheiben 35 auf dem Wälzkreis des Zahnrads 49 liegen. Das Zahnrad kämmt mit einem stillstehen den, 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 Innenverzahnung ab, so führt es die Exzenterkreisscheiben 35 des Läufers 34 gerade und harmonisch. Auch hier können also die Kolben mit gelenkigen, biegemomentenfreien Kolbenstangen an die Exzenterkreisschei ben 35 angebunden werden.

Fig. 8 und Fig. 9 illustrieren andere Typen von regenerativen Wärmemaschinen in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-Getriebe. Die Geradführung erfolgt hier wie bei dem eingangs behandel ten, einfachwirkenden Stirlingmotor mittels der Kolbenstan gen und geeigneter Stangenlager. In Fig. 8 ist ein doppelt wirkender Stirlingmotor gezeigt, der bei praktisch gleichem Bauraum die doppelte Leistung erbringt, wie ein einfach wirkender 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 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 V _K des benachbarten Zylinders verbunden. Erhitzer E und Kühler K sind wie schon in Fig. 2 schematisch angedeutet.

In Fig. 9 ist eine Vuilleumier-Wärmepumpe in Kreuzkolbenbau weise 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 über das Getriebegehäuse 30 miteinander verbunden. Von dem heißen Arbeitsraum V _H führt eine Leitung über einen Wärmetauscher W T ₁, an dem bei hoher Temperatur ein Antriebs wärmestrom Q _H eingekoppelt wird, einen heißen thermischen Regenerator R _H und einen zweiten Wärmetauscher W T ₂ zum Innen raum des Getriebegehäuses 30. Über eine Verzweigung, in der ein Wärmetauscher W T ₃, ein kalter thermischer Regenerator R _K und ein Wärmetauscher W T ₄ liegen, ist der Innenraum des Getriebegehäuses 30 zugleich an den kalten Arbeitsraum V _K angeschlossen. An dem letzt genannten Wärmetauscher W T ₄ wird bei niedriger Temperatur ein Umgebungswärmestrom _K eingekop pelt, während an den Wärmetauschern W T ₂ und WT ₃ bei mitt lerer Temperatur ein Heizwärmestrom _W abgenommen werden kann.

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

Liste der Bezugszeichen 10 Arbeitssystem
11 Arbeitszylinder
12 Arbeitskolben
13 Verdrängerzylinder
14 Verdrängerkolben
15 Kolbenstange
16 Kolbenstange
17 Leitung
20 Arbeitssystem
21 Arbeitszylinder
22 Arbeitskolben
23 Verdrängerzylinder
24 Verdrängerkolben
25 Kolbenstange
26 Kolbenstange
27 Leitung
30 Getriebegehäuse
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

Claims

1. Regenerative Wärmemaschine, insbesondere nach dem Stir ling-Prozeß arbeitende, einfach- oder doppeltwirkende Wärme-Kraft-Maschine, Wärmepumpe, ein- oder mehrstufig arbeitende Kältemaschine, nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärmepumpe oder Kältemaschine, eine Misch formen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlau bende Maschine zur wahlweisen, frei einstellbar kombi nierbaren Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder Kühlleistung, bei der zwei rechtwinklig zueinander ange ordnete, sich jeweils gegenüberliegende Kolbenpaare durch ein Getriebe bestimmte harmonische Bewegungen in ihren Zylindern ausführen, wodurch die veränderlichen Arbeits räume der regenerativen Wärmemaschine gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein hypozyklo idisches Exzenter-Kurbelgetriebe, insbesondere ein Parson-Getriebe, ist.

2. Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe einen Läufer (34) mit zwei starr ver bundenen Exzenterkreisscheiben (35) hat, die mit paral lelen, versetzten Achsen (A ₁, A ₂) angeordnet sind und drehbar in Kreuzköpfen (31, 32) einsitzen, die mit dem einen bzw. anderen der rechtwinklig zueinander angeordneten Kolbenpaare (12, 22; 13, 23) gekoppelt sind.

3. Wärmemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Exzenterkreisscheiben (35) in Achs richtung versetzt und einander teilweise überlappend miteinander verbunden sind.

4. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (34) eine den Achsen (A ₁, A ₂) der Exzenterkreisscheiben (35) parallele, in der geometrischen Mitte zwischen diesen Achsen (A ₁, A ₂) liegende Drehachse (M) hat.

5. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet daß die Kreuzköpfe (31, 32) und Kolbenstangen (15, 16, 25, 26) starr miteinander ver bunden sind, und daß eine Linearführung der schwingungs fähigen Einheiten durch ein Kolbenstangenlager oder die Kolben (12, 14, 22, 24) in den Zylindern (11, 13, 21, 23) selbst erfolgt.

6. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzköpfe (31, 32) an vorzugs weise am Getriebegehäuse (30) ausgebildeten linearen Führungsbahnen (48) geführt sind.

7. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linearführung der schwingungs fähigen Einheiten durch ein kardanisches Räderpaar (49, 50) bewirkt wird, von denen eines (49) eine Außen verzahnung hat und mit dem Läufer (34) fest so verbun den ist, daß seine Achse mit der Drehachse M des Läufers (34) zusammenfällt und die Achsen (A ₁, A ₂) der beiden Exzenterkreisscheiben auf dem Wälzkreis des Zahnrads (49) liegen, während das andere (50) getriebegehäusefest angeordnet ist und eine Innenverzahnung mit der doppel ten Zähnezahl hat.

8. Wärmemaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kreuzköpfe (31, 32) über beidseitig gelenkig gelagerte Kolbenstangen (15, 26) mit den Kolben (12, 24) verbunden sind.

9. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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 Kolbenpaare (12, 22; 14, 24) in ihrem projektiven Schnittpunkt senkrecht schneidende Kurbel wellendrehachse (K) drehbar gelagert ist.

10. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Kurbel (38, 39), d. h. der Abstand zwischen der Kurbelwellendrehachse (K) und der die Anlenkachse der Kurbelwelle (36) bil denden Drehachse (M) des Läufers (34) gleich dem Ab stand der letzteren Drehachse (M) von den Achsen (A ₁, A ₂) der Exzenterkreisscheiben (35) ist.

11. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Läufer (34) eine Achs bohrung aufweist und drehbar an einem Hubzapfen der Kurbelwelle (36) gelagert ist.

12. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (36) aus einem ersten Hauptzapfen (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.

13. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Aus gleichsgewicht (47) enthält.

14. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgewicht (47) fest mit der Kurbelwelle (36) verbunden ist, wobei sein Schwerpunkt auf der der Anlenkachse (M) gegenüber liegenden Seite der Kurbelwellendrehachse (K) liegt.

15. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgewicht (47) ein Zylinderscheibensegment oder eine mit Erleichte rungsbohrungen versehene Zylinderscheibe ist, deren Mittelachse die Kurbelwellendrehachse (K) ist, und daß die Mantelfläche des Ausgleichsgewichts (47) eine Führungsfläche zum Zweck der Lagerung bildet.

16. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß ihre temperaturbeanspruchten Bauteile ganz oder teilweise aus nichtoxidischer Ke ramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltriertem Siliziumcarbid; SiSiC), oder aus oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, bestehen.

17. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß wenigstens einer ihrer Kol ben (12, 14, 22, 24, 52, 62, 72, 82, 90, 91, 92, 93) ganz oder zum Teil aus Graphit, und insbesondere mit Kohlenstoffasern bewertem Graphit (Kohlefasergraphit, CfC) besteht, wobei er an seiner Oberfläche mit nicht oxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Sili ziumnitrit oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, beschichtet sein kann.