DE3723950A1 - Regenerative heat engine with a hypocycloidal eccentric crank mechanism - Google Patents
Regenerative heat engine with a hypocycloidal eccentric crank mechanismInfo
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Abstract
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.The invention relates to a regenerative heating machine, especially simple, working according to the Stirling process or double-acting heat and power machine, heat pump, single or multi-stage chiller, according to the Vuilleu Mier process working heat pump or chiller, one Mixed forms between the Stirling and Vuilleumier processes possible Practicing machine for optional, freely adjustable combinable Ren provision of mechanical and heating or cooling performance in which two are arranged at right angles to each other, opposite pairs of pistons by a gear perform certain harmonic movements in their cylinders ren, whereby the changing work spaces of the regenerati ven heat machine are formed.
Eine solche regenerative Wärmemaschine ist der nachveröffent lichten Patentanmeldung P 36 02 634.4 (Anwaltsakte PG1139) zu entnehmen. Such a regenerative heating machine is republished open patent application P 36 02 634.4 (attorney file PG1139) refer to.
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.According to the prior art, different designs are knows the above Machines and their engines concern. These are, for example: machines with rows or V arrangement cylinder, with crosshead gear; Machines in Rei hen or boxer arrangement with rhombus gears; machinery with swashplate or swashplate gear and square parallel arrangement of the cylinders.
Es wurden weiter verschiedene Anordnungen von Kurbelschleifen sowie vielfältige Dreh- und Kreiskolben-Bauarten vorgeschla gen.Various configurations of crank loops have also been found as well as a variety of rotary and rotary piston designs gene.
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.All these have the problem in common, the conversion of the thermodynamic working medium in which the gearbox contains as well as the passage of the lubricant in to reliably prevent the thermodynamic working rooms dern, the latter as according to the prior art can be viewed as controllable. It was already in the The past considered the crankcase space with the ar beitsmedium at a pressure that is about the average of the swan kenden working pressure, to fill the Abdich to facilitate the thermodynamic work rooms. At the pressure levels corresponding to the state of the art However, this leads to the fact that the crankcase is essential share of the total weight of the machine and therefore also make up the design effort. So the benefit an increased working pressure in the form of increased specific performance brings to nothing.
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.The object of the invention is a regenerative heat to indicate machines of the type mentioned, which are characterized by a extremely compact gearbox design and simple torque ment decoupling and in which the gear housing flawlessly flawless against thermodynami sealed working spaces and if necessary with under a medium pressure thermodynamic work medium can be filled.
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.This task is done with a regenerative heating machine of the type mentioned solved in that the transmission a hypocycloidal eccentric crank gear, in particular is a Parson transmission.
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.The compact structure of the one used according to the invention Gearbox allows a correspondingly compact design of the regenerative heating machine, thanks to which the dead volumes the thermodynamic work rooms, and in particular the they keep connecting line volumes very small that can. This has a positive effect on efficiency the heating machine. At most with swashplate gear ben are similarly compact gearboxes according to the prior art built-up accessible. Opposed to this exists because it is not possible due to thermal similarity, to enlarge the piston dimensions as desired, however invented according to the advantage that machines of the described Design due to the short, very stiff crank waves can be combined into larger units.
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.There, determined by the gearbox, the movements of the pistons are harmonious is a complete balance of the masses Forces and moments easily possible, for example through a balance weight rotating with the crankshaft.
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.Especially when using the proposed design on cryogenic refrigerators with multi-stage operation arises according to the invention as a result of the arrangement conditional removal the advantage of good options for thermal insulation of the expansion rooms.
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.The transmission used according to the invention preferably has a runner with two rigidly connected eccentric gears ben, which are arranged with parallel, offset axes and rotatably sit in cross heads, which with one or other of the Kol arranged at right angles to each other pairs are coupled.
Die Exzenterkreisscheiben sind vorzugsweise in Achsrichtung versetzt und einander teilweise überlappend miteinander verbunden.The eccentric discs are preferably in the axial direction offset and partially overlapping each other connected.
Der Läufer kann eine den Achsen der Exzenterkreisscheiben parallele, in der geometrischen Mitte zwischen diesen Achsen liegende Drehachse haben.The rotor can be one of the axes of the eccentric discs parallel, in the geometric center between these axes have horizontal axis of rotation.
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 a first variant of the Parson gearbox are the cross heads and the piston rods rigidly connected. The vibratory systems are linearly guided through a piston rod bearing or the pistons in the cylinder themselves. The transverse to the direction of movement of the pistons then occurring reaction forces are from the pistons themselves or, if this leads to sealing or other problems, picked up by the piston rods and their bearings. It ver it is clear that the components involved are sufficient must be designed to be rigid so that the forces are jammed can be transferred. Provided that, draws this Parson gearbox has an uncomplicated structure out.
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.This takes place in a second variant of the Parson transmission Straight guidance of the vibratory systems to the cross behead. The latter are on linear guideways performed, which preferably on the gear housing ausgebil det. The reaction forces are already in the transmission housing included. So that the pistons with the cross heads due to bending moments articulated on both sides free piston rods are connected. Overall, one is lighter, material-saving design possible.
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. The same applies to a third variant of the Parson transmission, where the linear guidance of the vibratory systems caused by a gimbal pair of wheels with two gears becomes. One of the gears has external teeth and is firmly connected to the rotor so that its axis with the Axis of rotation of the rotor coincides and the axes of the at the eccentric on the pitch circle of the gear. The other gear is fixed to the gear housing and has an internal toothing with just twice the number of teeth of the first gear. Now the first gear is rolling the rotation of the rotor in the second gear decreases it makes the eccentric disc straight and harmonious. So can here, too, the pistons with articulated, bending moment-free Piston rods connected to the eccentric disc the.
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.The axis of rotation of the rotor can be the articulation axis of a crank form a wave parallel to this axis of rotation, the Projective section of the longitudinal axis of both pairs of pistons Crankshaft axis of rotation that cuts vertically is stored. This arrangement allows simple torque decoupling ment on the crankshaft, and also a possibly the required starting of the heating machine turns out very easy.
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.The length of the crank, i.e. H. the distance between the crank shaft axis of rotation and the articulation axis of the crankshaft The axis of rotation of the rotor is in the Parson gearbox equal to the distance of the latter axis from the axes of the Eccentric disc.
Der Läufer weist vorzugsweise eine Achsbohrung auf, und er ist auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert. Diese Bauform ist besonders herstellungs- und montagefreundlich.The rotor preferably has an axle bore, and it is mounted on a crank pin of the crankshaft. These Design is particularly easy to manufacture and assemble.
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.The crankshaft can consist of a main pin, one first crank, the crank pin, one parallel at a distance to the first crank extending second crank and one with the first main pin on the same axis the second main spigot, with all the parts mentioned are rigidly connected. This design is special practical, especially when it comes to several Coupling heat machines in a cross-piston design.
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.In the gearbox described, the two eccentrics rotate circular disks around the articulation axis of the crankshaft, its partly with the same frequency in the opposite direction around the crankshaft axis of rotation. The eccentric circle discs are therefore clearly eccentric to the crankshaft axis of rotation. In a preferred design of the Parson-Ge drive is therefore a counterweight provided this eccentricity balanced. You get one like that good balance of the acting mass forces and moments and perfect rotation of the heating machine. The end balance weight can be firmly connected to the crankshaft, its focus being on that of the articulation axis lying side of the crankshaft axis of rotation.
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.The counterweight can be a cylindrical disk segment or a cylinder with relief bores be disc, the central axis of the crankshaft axis of rotation is. The outer surface of the counterweight is preferred have a guide surface for the purpose of storage. The lead rungsfläche preferably works with one on the housing Heat engine trained, stationary tread together. The balance weight takes over in an advantageous manner at the same time a management function.
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.The high temperature resistant components of the fiction Moderate heat machine can not completely or partially oxidic ceramics, in particular silicon carbide, silicon nitrite or reaction sintered silicon infiltrated Silicon carbide (silicon-silicon carbide; SiSiC), or from oxidic ceramics, especially steatite, exist. These ceramic materials are well machinable, corrosion constantly, and they hold extreme pressures and temperatures Stand. The high thermal should also be emphasized Conductivity of SiSiC and the good self-running properties of this material.
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.At least one piston of the heating machine according to the invention can be made entirely or in part of graphite, and in particular with Reinforced graphite (carbon fiber graphite, CfC) exist, being on its surface with non-oxidic Ceramic, in particular silicon carbide, silicon nitride or SiSiC, or with oxidic ceramics, especially steatite, can be coated. Graphite and CfC stand out good temperature resistance and high mechanical sta balance with a low specific weight. You grant achieves such small piston masses. Next have graphite and CfC have good thermal insulation properties. A ceramic Coating of the piston made of graphite or CFC body has an extremely high abrasion resistance and temperature temperature resistance safe.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnun gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Teilweise schematisch zeigen:The invention is described below with reference to the drawings gene illustrated embodiments explained in more detail. Some show schematically:
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; Figure 1 shows the demonstration model of a single-acting Stirling engine in a cross-piston design with Parson transmission, in which the linear guidance of the vibratory systems on piston rod bearings he follows.
Fig. 2 ein thermodynamisches Schema dieses Stirlingmotors; Fig. 2 is a thermodynamic schematic of this Stirling engine;
Fig. 3 den im wesentlichen aus zwei Exzenterkreisscheiben bestehenden Läufer des Parson-Getriebes mit einer daran angelenkten Kurbel; Figure 3 shows the group consisting essentially of two Exzenterkreisscheiben rotor of Parson transmission with a crank hinged thereto.
Fig. 4 denselben Läufer mit in Kreuzköpfen einsitzen den Exzenterkreisscheiben, wobei an den Kreuz köpfen unter 90° sich kreuzende Kolbenstangen an greifen; und Fig. 4 the same rotor with the eccentric discs in cross heads, with piston rods crossing at 90 ° on the cross heads; and
Fig. 5 eine axiale Projektion der Anordnung nach Fig. 4. Fig. 5 is an axial projection of the arrangement according to Fig. 4.
Fig. 6 eine Variante des Parson-Getriebes, bei dem die Linearführung der schwingungsfähigen Systeme an den Kranzköpfen erfolgt; Fig. 6 is a variant of Parson transmission, wherein the linear guide of the oscillatory systems is carried out to the rim heads;
Fig. 7 eine weitere Variante des Parson-Getriebes, bei der zur Linearführung der schwingungsfähigen Sys teme ein kardanisches Räderpaar vorgesehen ist;Provided 7 shows a further variant of Parson-transmission systems in which, for linear guidance of the oscillatory Sys a cardan pair of wheels.
Fig. 8 ein thermodynamisches Schema eines doppeltwirken den Stirling-Motors in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-Getriebe; und Fig. 8 is a thermodynamic diagram of a double-acting Stirling engine in cross piston construction with Parson gear; and
Fig. 9 ein thermodynamisches Schema einer Vuilleumier- Wärmepumpe in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-Ge triebe. Fig. 9 shows a thermodynamic diagram of a Vuilleumier heat pump in a cross-piston design with Parson gearboxes.
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. Fig. 1 and Fig. 2 show a regenerative heat engine in cross piston construction. It is a single-acting Stirling engine with two working systems 10 , 20 and a transmission housing 30 arranged in the center. The Ar beitssysteme 10 , 20 are arranged above and left and below and right of the gear housing 30 . To the first Ar beit system 10 includes the working cylinder 11 with the working piston 12 and the displacement cylinder 13 with the displacement piston 14th The second working system includes the working cylinder 21 with the working piston 22 and the displacement cylinder 23 with the displacement piston 24 . The Arbeitszylin the 11 , 21 are diametrically opposite to each other on the same axis, and also the displacement cylinder 13 , 23rd
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.The working pistons 12 , 22 are rigidly connected to a crosshead 31 by means of axial piston rods 15 , 25 and thus form an oscillatory kinematic unit. Likewise, the displacement pistons 14 , 24 are rigidly connected to a second crosshead 32 so that they form a second kinematic unit capable of oscillation. The axes of the units cross each other at 90 °, but come to lie in different planes parallel to the plane of the drawing in FIG. 1; in particular, the cross heads 31 , 32 are set accordingly ver.
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.The cylinder spaces above, ie on the side of the displacement piston 14 , 24 facing away from the transmission housing 30 , are the hot working spaces V H 1 , V H 2 of the working systems 10 , 20 . The cold working spaces V K 1 , V K 2 are formed by the cylinder spaces below the displacement pistons 14 , 24 together with the cylinder spaces above the working pistons 12 , 22 , with which they are connected by channels and lines 17 , 27 . The annular gaps around the displacer pistons 14 , 24 represent thermal regenerators R 1 , R 2 , which flow through the thermodynamic working medium as they move. Fig. 2 shows schematically heater E 1 , E 2 and cooler K 1 , K 2 on the hot or cold side of the re generators 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.The crossheads 31 , 32 located in the gear housing 30 have the shape of circular rings with diametrically opposite mounting lugs 33 , on which the pistons 15 , 16 , 25 , 26 engage. The piston rods 16 , 26 connected to the displacer 14 , 24 are guided in the transmission housing 30 with a seal. In contrast, no sealed bushing is provided for the piston rods 15 , 25 connected to the working pistons 12 , 22 , since the cold working spaces V K 1 , V K 2 are sealed by the working pistons 12 , 22 themselves. The reaction forces occurring in the linear management of the two kinematic units are absorbed by piston rod bearings which are fixedly connected to the gear housing 30 .
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.The crossheads 31, 32 receive a rotor 34 of the Parsonstown transmission, whose construction in detail FIG. 3 and FIG. 4 can be removed. The rotor 34 has two eccentric circular disks 35 which are in face-to-face contact and which partially overlap one another and are firmly connected to one another. The eccentric discs 35 are rotatably seated in one of the cross heads 31 , 32 . The rotor 34 is rotatably mounted on the crank pin of a crankshaft 36 , which consists of a first main pin 37 , a first crank 38 , the crank pin, a second crank 39, which extends parallel to the first crank 38 , and one with the first main pin 37 second main pin 40 lying on the same axis. The pins of the crankshaft 36 are oriented parallel to the axes of the eccentric disk 35 . The main pin 37 , 40 are out of the gear housing 30 leads and rotatably mounted in the wall of the gear housing 30 . The geometric relationships can be found in the individual NEN Fig. 5. The axes of the kinematic units are designated here with x and y . The pistons 12 , 22 and 14 , 24 and the associated crossheads 31 and 32 move along these axes x , y . K is the crank shaft axis of rotation, ie the central axis of the main journal 37 , 40 of the crankshaft 36 mounted on the transmission housing 30 . The crankshaft axis of rotation K extends perpendicular to the piston system axes x , y through their projective crossing point. A 1 and A 2 are the central axes of the eccentric circular discs 35 which are seated centrally and rotatably in the cross heads 31 , 32 . These axes extend parallel to the crankshaft axis of rotation K , and they meet the movement axis x or y of the associated kinematic unit. M is the articulation axis of the crankshaft 36 to the rotor 34 , ie the central axis of the crank pin on which the rotor 34 is rotatably mounted. This articulation axis M extends parallel and exactly in the middle between the central axes A 1 , A 2 of the eccentric disk 35 . The length of the cranks 38 , 39 , ie the distance between the crankshaft axis of rotation K and the articulation axis M is equal to the distance that this articulation axis M from the central axes A 1 , A 2 of the eccentric disc 35 has.
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:In the case of a harmonic oscillation of the kinematic units that is phase-shifted by 90 °, the articulation axis M of the crankshaft 36 rotates on a crank circuit 41 . This can be easily recognized if the following time dependency is used in the projection in FIG. 5:
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.With a linear movement of the kinematic units in the direction of arrows 42 , 43 , the crankshaft is rotated in the direction of arrow 44 . The eccentric circular disks 35 rotate in the cross heads 31 , 32 , and the rotor 34 composed of two eccentric circular disks 35 performs a total rotation about the articulation axis M. A corresponding eccentric circle is indicated at 45 , and the direction of rotation is represented by arrow 46 . The eccentric rotation is opposite to the rotation of the articulation axis M , and it takes place at the same frequency.
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. After all, the described Parson transmission converts the 90 ° phase-shifted harmonic vibration of two piston systems into a crankshaft rotation. The rotor 34 consisting of the two eccentric discs 35 comes to lie eccentrically with respect to the crankshaft axis of rotation K in all phases of the movement. As shown in Fig. 1, it is therefore advisable to attach a counterweight 47 , which can be firmly connected to the crankshaft 36 . The center of gravity of the counterweight 47 lies on the side of the crank rotation axis K opposite the articulation axis M. From the counterweight 47 has a substantially semicircular plan according to FIG. 1. In general, the counterweight can be a cylindrical disk segment, and a cylindrical disk provided with relief bores is also suitable as a counterweight. The center axis of the balance weight is the crankshaft axis of rotation K in each case. Its outer surface can be designed as a guide surface for the purpose of storage and cooperate with a housing 30 formed on the gear housing tread.
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.A large number of variants of the transmission according to the invention are possible, which can be classified according to the type of straight guidance of the linearly moving oscillatory units, the same kinematics always being used. In the previously discussed embodiment, the straight line is caused by the piston rods 15 , 16 , 25 , 26 store in rods. For this purpose, however, the pistons 12 , 22 , 14 , 24 in the cylinders 11 , 21 , 13 , 23 themselves can also be used, provided that this does not lead to sealing and other problems. The components involved must be designed to be sufficiently rigid so that the forces can be transmitted without jamming.
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.In a variant shown in FIG. 6, the cross heads 31 , 32 are provided with straight guide surfaces, and slideways 48 are formed on the gear housing 30 , on which the cross heads 31 , 32 are guided. The reac tion forces occurring are thus already absorbed by the gear housing 30 . So that the pistons 12 , 24 with the cross heads 31 , 32 by bilaterally articulated, bending moment-free piston rods 15 , 26 are connected.
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.In the variant illustrated schematically in FIG. 7, the straight guidance of the articulation points A 1 , A 2 for the piston rods is effected by a cardanic wheel pair 49, 50 . For this purpose, a gear 49 provided with external teeth is fixedly connected to the rotor 34 , so that its axis coincides with the axis of rotation M of the rotor, while the axes A 1 , A 2 of the eccentric disc 35 lie on the pitch circle of the gear 49 . The gear meshes with a stationary gear 50 , which is fixedly connected to the gear housing 30 and has internal teeth, which has just twice the number of teeth as the gear 49 with external teeth. If the latter rolls off in the gearwheel 50 with internal toothing, it guides the eccentric circular disks 35 of the rotor 34 in a straight and harmonious manner. Here, too, the pistons can be connected to the eccentric disc 35 with articulated, bending-moment-free piston rods.
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. Fig. 8 and Fig. 9 illustrate other types of regenerative heat engines in cross piston construction with Parson transmission. As in the case of the single-acting Stirling engine dealt with at the beginning, straight guidance takes place here by means of the piston rods and suitable rod bearings. In Fig. 8 a double-acting Stirling engine is shown which provides double the performance with practically the same space as a single-acting Stirling engine. Four work systems identified by indices 1 to 4 can be seen, each of which is assigned to one of the cylinders 51 , 61 , 71 , 81 . In the cylinders 51, 61, 71, 81 , pistons 52 , 62 , 72 , 82 work , above which there are hot working spaces V H and below which there are cold working spaces V K. The hot working space of a cylinder is spatially cyclically connected to the cold working space V K of the adjacent cylinder via a thermal regenerator R. Heater E and cooler K are indicated schematically as in Fig. 2.
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.InFig. 9 is a Vuilleumier heat pump in cross-piston construction represented wisely. It has above a piston90 one hot workspaceV H , above an adjacent piston91 a cold work spaceV K , and above the other two piston92,93 interconnected warm work rooms V W . The cylinder chambers below the pistons90,91,92,93 are over the gearbox30th connected with each other. From the hot work roomV H leads a line over a Heat exchangerW T 1, on which a drive at high temperature heat flowQ H is coupled in, a hot thermal regeneratorR H and a second heat exchangerW T 2nd to the inside space of the gearbox30th. About a branch in which a heat exchangerW T 3rd, a cold thermal regenerator R K and a heat exchangerW T 4th lie, is the interior of the Gear housing30th at the same time to the cold work areaV K connected. On the last-mentioned heat exchangerW T 4th is at low temperature an ambient heat flow K injected pelt while on the heat exchangersW T 2nd and WT 3rd at mitt temperature is a heat flow W be removed can.
Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß können insbesondere durch eine im thermodynamischen Arbeitskreis lie gende, einstellbare Drosselventilanordnung realisiert werden. Mixed forms between the Stirling and Vuilleumier processes can in particular through a lie in the thermodynamic working group ing, adjustable throttle valve arrangement can be realized.
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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 KolbenList of reference numerals 10 work system
11 working cylinders
12 working pistons
13 displacement cylinders
14 displacement pistons
15 piston rod
16 piston rod
17 line
20 work system
21 working cylinders
22 working pistons
23 displacement cylinder
24 displacement pistons
25 piston rod
26 piston rod
27 line
30 gear housing
31 crosshead
32 crosshead
33 assembly approach
34 runners
35 eccentric disc
36 crankshaft
37 main spigot
38 crank
39 crank
40 main spigots
41 crank circuit
42 arrow
43 arrow
44 arrow
45 eccentric circle
46 arrow
47 Balance weight
48 slideway
49 gear
50 gear
51 cylinders
52 pistons
61 cylinders
62 pistons
71 cylinders
72 pistons
81 cylinders
82 pistons
90 pistons
91 pistons
92 pistons
93 pistons
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