DE4429659A1

DE4429659A1 - Flachkollektor-Stirling-Maschine

Info

Publication number: DE4429659A1
Application number: DE19944429659
Authority: DE
Inventors: Eckhart Weber; Karl Obermoser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-20
Filing date: 1994-08-20
Publication date: 1996-02-22
Also published as: DE19580894D2; AU3384695A; DE19580894B4; WO1996006274A1

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Flachkollektor-Stirling-Maschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. umgekehrt um fassend ein Verdrängergehäuse mit einem in diesem hin- und herbewegba ren plattenartigen Verdränger sowie einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler.

Eine derartige Stirling-Maschine ist beispielsweise aus der DE 42 16 839 C2 bekannt.

Flachkollektor-Stirling-Maschinen der gattungsgemäßen Art sind im Ver gleich zu anderen Stirling-Maschinen relativ einfach aufgebaut. Flach kollektor-Stirlingmaschinen bestehen aus einem flachen Verdrängergehäuse, in den ein flacher plattenartiger Verdränger hin- und herbewegt wird, um das Arbeitsgas - meistens Luft - vom Expansionsraum, dem heißen Teil raum des Verdrängergehäuses (meistens der obere Bereich) über Erhitzer, Regenerator und Kühler in den Kompressionsraum, den kalten Teilraum des Verdrängergehäuses (meistens der untere Bereich) hinüberzuschieben, wo bei dem Arbeitsgas im Regenerator Wärme entzogen und dort zwischenge speichert wird, und wieder zurück in den Expansionsraum, wobei Erhit zer, Regenerator und Kühler in umgekehrter Reihenfolge durchströmt wer den und dem Arbeitsgas die im Regenerator entnommene Wärme wieder zu geführt wird. Während das Arbeitsgas sich überwiegend im Kompressions raum befindet, muß es unter Energieaufwand komprimiert und die dabei entstehende Kompressionswärme im Kühler abgeführt werden. Wenn das Arbeitsgas sich überwiegend im Expansionsraum befindet, expandiert es unter Abgabe mechanischer Energie, die zum einen Teil für die folgende Kompressionsphase in einer Energiespeichereinrichtung zwischengespeichert wird, und zum anderen Teil abzüglich Reibungsverlusten und Arbeit für die Verdrängerbewegung über eine Energieauskoppeleinrichtung nutzbrin gend abgeführt werden kann.

Bei bekannten Flachkollektor-Stirling-Maschinen besteht dieser Energiezwi schenspeicher für die Kompressionsphase aus einem Schwungrad oder einem Pendel. Wird ein Schwungrad verwendet, muß der Verdränger über relativ komplizierte Mechanismen vom Schwungrad getrieben in der gewünschten 90° Phasenverschiebung (zum Arbeitskolben) hin- und herbewegt werden. Ist der Verdränger dabei nicht mechanisch mit der Kurbelwelle gekoppelt, kommt es bei verschiedenen Drehzahlen zu unerwünschten Abweichungen von der 90° Phasenverschiebung, weil ein freischwingender Verdränger nur eine bevorzugte Frequenz hat. Über die drehende Welle mit dem Schwungrad wird dabei auch die Energie ausgekoppelt. Die Leistungszu nahme äußert sich in erhöhter Drehzahl.

Wird ein Pendel als Energiezwischenspeicher verwendet, muß bei einer Maschine, die nur ca. 150 W an Leistung abgeben soll, bereits etwa 1 t Pendelmasse verwendet werden, die ca. 2 m weit hin- und herschwingen muß. Über die schwingende Pendelmasse wird auch die Energie ausgekop pelt. Diese schwingende schwere Masse ist äußerst gefährlich, weil sie ihr massives Tragegestell aus der Verankerung reißen kann und in hohem Bogen durch die Luft geschleudert wird, wenn die Lastankopplung ver sagt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche gattungsgemäßen Stir ling-Maschinen noch weiter dahingehend zu verbessern, daß sie mit einer Minimalzahl bewegter und damit wartungsbedürftiger mechanischer Teile auskommen, so daß ein Einsatz derartiger Maschinen bei niedrigen Inve stitionskosten in solchen Gegenden möglich ist, wo kein hoher Wartungs aufwand betrieben werden kann. Außerdem ist es wünschenswert, daß die verbesserten Maschinen gegenüber solchen mit drehender Welle noch den Vorteil haben, daß die Leistungszunahme sich durch die Vergrößerung des Arbeitshubes und nicht in einer Erhöhung der Frequenz bzw. der Drehzahl äußert, um eine einfache Lastankopplung mit hohem Wirkungsgrad zu er möglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdränger durch Erhitzer, Regenerator und Kühler derart gebildet ist, daß der Er hitzer im oberen Teil des Verdrängergehäuses so angeordnet ist, daß er einer einfallenden Wärmestrahlung aussetzbar ist, daß ein Verdränger aktuator zur Bildung einer Rückstellfederkraft auf eine Mittelstellung des Verdrängers im Verdrängergehäuse, zur Bewegung des Verdrängers in Ab hängigkeit von den Druckverhältnissen im Verdrängergehäuse und zum Ge wichtsausgleich des Verdrängers, sowie zur Stabilisierung seiner Lage pa rallel zur Bodenplatte des Verdrängergehäuses vorgesehen ist, daß eine schwingungsfähige Kompressor-Wassersäule zum Komprimieren und Expan dieren der Luft im Verdrängergehäuse dient, und daß eine Energieaus kopplungseinrichtung zum Abführen der erzeugten mechanischen Energie ausgebildet ist.

Dabei ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung insbesondere vor gesehen, daß die Masse des Verdrängers und die Rückstellkraft des Ver drängeraktuators einerseits und die Masse der Kompressor-Wassersäule und die Gasfedereigenschaften der Luft im Verdrängergehäuse andererseits so dimensioniert sind, daß die so gebildeten Masse-Feder-Systeme die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen und dementsprechend Resonanz zwischen Kom pressor-Wassersäule und Verdränger auftritt, so daß der Verdränger sich mit einem Phasenversatz von 90° relativ zu der Kompressor-Wassersäule bewegt.

Sofern im Vorstehenden von einer Wassersäule die Rede ist, muß hierunter ganz allgemein jede schwingende Flüssigkeitssäule, insbesondere auch liegende Säulen, bei denen die Schwingungsrichtung horizontal ist und deren bewegte Massen nicht durch die Schwerkraft beeinflußt werden, ver standen werden, wobei Wasser lediglich ein bevorzugtes Medium ist, und wobei andererseits aber z. B. auch Flüssigkeiten mit einem höheren Siede punkt zur Vermeidung von Verdunstungsverlusten bei offenen Systemen in Betracht kommen oder Frostschutzmittelgemische.

Die erfindungsgemäße Stirling-Maschine hat den Vorteil, daß sie durch allereinfachste Bauteile aufgebaut werden kann, wobei alle komplizierten mechanischen Bauteile weitestgehend vermieden werden. Dementsprechend eignet sich eine derartige Maschine sowohl als billiges und wartungsarmes Gerät, um beispielsweise in heißen Gegenden die Sonnenwärme in mechani sche Energie zum Antrieb von Pumpen oder dergleichen umzuwandeln, als auch aufgrund der bestechenden Einfachheit des Aufbaus als Blickfang für Schaufensterdekorationen oder als Inneneinrichtungs-Mobile. Im letzten Fall dient ein einfacher Fingerdruck auf den Verdrängerkasten zum Star ten der Maschine, wobei lediglich eine ausreichende Lichteinstrahlung und damit Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Regenerators vorhanden sein muß.

Die schwingungsfähige Wassersäule wird dabei erfindungsgemäß als Ener giezwischenspeicher für die Kompressionsphase verwendet. Diese schwin gende Masse kann selbst dann, wenn die Lastankopplung versagt und die Energie nicht abgenommen wird, keinen Schaden anrichten, weil die Was sersäule, wie weiter unten noch genauer erklärt wird, in Ausschwingbe hältern in jedem Fall genügend Platz hat, um auch große Amplituden auszuführen oder die Maschine bauartbedingt beim Wegfall der Last ste henbleibt, indem sie als Energieauskoppeleinrichtung einen separaten Ar beitsbalg bzw. Kolben verwendet, der ohne Lastankopplung so große Hübe macht, daß Kompression und Expansion nicht mehr möglich sind. Die Was sersäule ist als Kompressor und Expander der Luft im Verdrängerkasten ein besonders einfaches, verschleißfreies Bauteil, weil sie gleichzeitig schwingende Masse und reibungsarmer Kolben ist.

Die 90°-Kopplung der Bewegungen von Verdränger und Kompressor-Wasser säule erfolgt nicht mechanisch, sondern durch Resonanz. Dazu wird ledig lich dafür gesorgt, daß die Frequenz der Eigenschwingung des Verdrän gers die gleiche ist wie die der Eigenschwingung der Wassersäule. Dies geschieht dadurch, daß der Quotient aus der Federkonstanten der Rück stellfederkraft des Verdrängeraktuators und der Masse des Verdrängers gleich ist dem Quotient aus der Federkonstanten der Gasfeder des Ver drängervolumens einschließlich der Federkonstanten der Rückstellkraft aus den der Schwerkraft unterliegenden Teil der Wassersäule und der aktiven Masse der Wassersäule.

Im Resonanzfall bewegt sich der Verdränger freiwillig mit 90° Phasen verschiebung zur Wassersäule. Diese resonante 90°-Kopplung ist sehr streng und bei separater Energieauskopplung durch gesonderten Balg oder Kolben in jedem Betriebszustand stabil, ohne daß sie mechanischer Bauteile bedarf. Kompressor-Wassersäule und Verdränger wirken über die Luft druckanordnung im Verdrängerkasten aufeinander ein. Ist über dem Rege nerator ein Temperaturgradient vorhanden und wird der Verdränger ver setzt, erzeugt er durch die abwechselnde Aufheizung und Abkühlung der Luft im Verdrängerkasten eine Druckschwankung, die die Kompressor-Was sersäule ebenfalls zu Schwingungen anregt. Ist die Temperaturdifferenz über den Regenerator groß genug und wird über den Erhitzer Wärme nachgeliefert, wird das Schwingungssystem entdämpft und man kann me chanische Energie abführen.

Dieses Schwingungssystem möglichst reibungsfrei, betriebssicher und einfach gestalten zu können, ist auch ein besonderer Vorteil der Er findung. Die Einfachheit der schwingenden Wassersäule erklärt sich von selbst. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele zeigen möglichst flache oder kompakte Bauweisen und/oder besondere Reibungsarmut.

Der Verdrängeraktuator hat die Aufgabe, den Verdränger im Verdränger gehäuse reibungsarm, verschleißarm hin- und herzubewegen bzw. beweg bar, schwingungsfähig zu halten.

Da der Verdränger üblicherweise an seinen Stirnkanten gegenüber den Stirnwänden des Verdrängergehäuses durch lineare Rollmembranen geführt und gedichtet ist, wie in der DE 42 16 839 A1 beschrieben, verhindert der Verdrängeraktuator nur noch die Kippbewegungen der Verdrängerplatte während ihrer Auf- und Abbewegung und sorgt dafür, daß sie bei nicht arbeitender Maschine in der Mitte des Verdrängerkastens liegt, bereit bei Druckänderungen im Verdrängerkasten nach oben oder unten ausgelenkt zu werden.

Erfindungsgemäß erfüllt der Verdrängeraktuator gleichzeitig vier Funk tionen:
Bildung einer Federkraft derart, daß der Verdränger nach Auslenkung wieder in Richtung Ruhelage in Mittelstellung im Verdrängergehäuse zu rückschwingt;
Auslenkung des Verdrängers bei erhöhtem Druck im Verdrängergehäuse nach unten, bei niedrigem Druck nach oben;
Gewichtsausgleich des Verdrängers, so daß seine Ruhelage in der Mitte des Verdrängerkastens ermöglicht wird und
Führung des Verdrängens bei seiner Auf- und Abbewegung, so daß er nicht kippt und seine annähernd parallele Lage zur Bodenplatte des Verdrän gergehäuses beibehält.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine,

Fig. 2 bis 6 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des Verdrängeraktuators, wobei Fig. 6 eine komplette Ma schine ohne Energieauskopplungseinrichtung ist (Mobile),

Fig. 7 bis 12 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des die Kompressor-Wassersäule aufnehmenden Behälters,

Fig. 13 bis 16 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Energieauskoppeleinrichtungen zum Abführen mechani scher Energie, wobei Fig. 16 eine komplette Maschine als Mobile zeigt,

Fig. 17 bis 18 schematische Darstellungen einer besonders kompakten Va riante einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine,

Fig. 19 eine Ausführungsform als Bootsantrieb und

Fig. 20 bis 22 Ausführungsformen großer Maschinen.

In Fig. 1 ist eine Flachkollektor-Stirling-Maschine dargestellt, wobei vorgesehen ist, daß der Verdränger 1 durch Erhitzer 2, Regenerator 3 und Kühler 4 derart gebildet ist, daß der Erhitzer im oberen Teil des Verdrängergehäuses 5 so angeordnet ist, daß er einer einfallenden Wär mestrahlung 6 direkt oder indirekt aussetzbar ist, daß ein Verdränger aktuator 7 zur Bildung einer Rückstellfederkraft auf eine Mittelstellung des Verdrängers 1 im Verdrängergehäuse 5 - zur Bewegung des Verdrän gers 1 in Abhängigkeit von den Drehverhältnissen im Verdrängergehäuse 5 - und zum Gewichtausgleich des Verdrängers 1, sowie zur Stabilisierung seiner Lage parallel zur Bodenplatte des Verdrängergehäuses 5 vorgesehen ist, daß eine schwingungsfähige Kompressor-Wassersäule 8 zum Komprimie ren und Expandieren der Luft im Verdrängergehäuse 5 dient, und daß eine Energieauskoppeleinrichtung 9 zum Abführen der erzeugten mechani schen Energie ausgebildet ist.

Die Rückstellfederkraft zur Ruhelage wird hierbei erzeugt durch Federn 11 (Fig. 3), die Wandsteifigkeit eines Gummibalgs 13 (Fig. 2, 4 und 14), durch Auftrieb bzw. das Gewicht von Schwimmern 12 (Fig. 4 und 5), wie Schwimmer wirkende Kolben 27 (Fig. 6) oder durch ein drehbar gelagertes Gewicht, dessen Schwerpunkt unterhalb des Drehpunkts liegt.

Die Auslenkung des Verdrängers wird beispielsweise erzeugt durch einen Gummibalg 13 (Fig. 2 bis 4), durch eine vertikal schwingende Wassersäu le 14 (Fig. 5), mit der der Verdränger 1 auf einem Schwimmer 12 getra gen wird, oder durch einen flüssigkeitsgedichteten Kolben in der Kompressor-Wassersäule 8 (Fig. 6).

Der Gewichtsausgleich des Verdrängers 1 erfolgt durch ein Gegengewicht 10 (Fig. 2), durch Federn 11 (Fig. 3), durch Schwimmer 12 (Fig. 4 und 5) oder wie Schwimmer wirkende Kolben 27 (Fig. 6).

Die Kippbewegungen des Verdrängers werden verhindert durch eine zentra le Führungsstange oder durch auf die Eckpunkte oder auf den Umfang des Verdrängers verteilte Federn oder Schwimmer.

Wenn ein Gummibalg (Fig. 2) als Teil des Verdrängeraktuators vorgesehen ist, ist er vorteilhaft im Zentrum der Bodenplatte 14 des Verdrängerge häuses angeordnet, wobei das offene Ende des Balges an der Bodenplatte und das geschlossene Ende steif mit dem Verdränger 1 verbunden ist. In axialer Richtung durch den Balg ist zur Verminderung von Kippbewegun gen des Verdrängers eine Führungsstange 16 angeordnet, die an einem En de starr mit dem Verdränger verbunden ist und am anderen Ende über einen Schwenkarm 17 in zwei Richtungen geführt wird. Der Schwenkarm 17 dient vorteilhaft gleichzeitig als Hebel des Gegengewichts des Verdrängers 1 und gegebenenfalls auch zur Befestigung von Rückstellfedern oder zur Aufnahme von Rückstellgewichten.

Wenn ein Schwimmer 12 (Fig. 5) als Teil des Verdrängeraktuators vorge sehen ist, ist er vorteilhaft am unteren Ende der zentralen Führungs stange 16 des Verdrängers 1 angeordnet und taucht in den Schenkel einer U-förmigen Verdrängeraktuator-Wassersäule 14 ein, der dicht mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist, so daß der Gewichtsausgleich des Ver drängers durch den Auftrieb des Schwimmers die Rückstellkraft durch das Gewicht der verdrängten Wassersäule und die Auslenkung durch die Ver drängung des Wassers aus einem U-Schenkel bewerkstelligt wird.

Wenn ein Kolben 27 (Fig. 6) als Teil des Verdrängeraktuators vorgesehen ist, ist er am unteren Ende der zentralen Führungsstange 16 des Ver drängers 1 angeordnet und taucht in den Schenkel der U-förmigen Kom pressor-Wassersäule 8 ein, der dicht und starr mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist. Das Wasser der Kompressor-Wassersäule ist dabei für den Kolben flüssige Zylinderwand bzw. flüssige Dichtung. Der Gewichtsaus gleich des Verdrängers 1 erfolgt dabei durch den Auftrieb des Kolbens, die Rückstellkraft durch das ein- bzw. austauchende obere Teil 28 des Kolbens 27 und die Auslenkung durch die (wechselnde) Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite am Kolben. Dies stellt eine vom Aufbau her besonders einfache Variante dar.

Zur Verhinderung von Kippbewegungen des Verdrängers kann statt der zentralen Führungsstange auch die Lagerung des Verdrängers an den Eck punkten oder längs des Umfanges auf Federn 11 (Fig. 3) oder Schwimmern 12 (Fig. 4) vorgesehen sein. Ein dabei ringförmig geschlossen, unterhalb des Verdrängers in einem Wassergraben umlaufender Schwimmer ermöglicht eine zusätzlich reibungs- und verschleißfreie Abdichtung des Verdränger umfangs zu den Stirnwänden des Verdrängergehäuses.

Vorsorglich ist anzumerken, daß im Vorstehenden und Nachfolgenden von einem oberen und unteren Teil des Verdrängergehäuses die Rede ist, ohne daß notwendigerweise der Verdränger sich in vertikaler Richtung bewegen müßte. Lediglich im Regelfall erfolgt die Energieeinstrahlung von oben, so daß diese Terminologie einerseits eine einfache Unterscheidung gewährlei stet und andererseits die Verhältnisse im Regelfall beschreibt. In der Praxis steht der Verdrängerkasten etwas schräg, um Regenwasser ablaufen zu lassen und um gegebenenfalls eine bessere Einstrahlung zu haben.

Die Kompressor-Wassersäule ist bei den meisten Ausführungsformen, wie schon beschrieben, in einem im wesentlichen U-förmigen Rohr angeordnet, wobei das Ende des einen U-Schenkels in Druckverbindung mit der unteren Seite des Verdrängergehäuses steht und das Ende des anderen U-Schenkels offen ist. Unter offen ist dabei zu verstehen, daß ein Druckausgleich mit der Umgebung möglich ist bzw. die Wassersäule frei ausschwingen kann.

Weiterhin ist anzumerken, daß unter einem U-förmigen Rohr im vorstehen den Sinn jeglicher Behälter zu verstehen ist, der zwei vertikale Ab schnitte aufweist, die mit einem horizontalen Abschnitt verbunden sind, wobei Formgebung und Dimensionierung der vertikalen Abschnitte ganz un terschiedlich sein kann.

Die bevorzugte Formgebung der Behälter ist so gewählt, daß die schwin gende Wassersäule möglichst wenig Wirbel erzeugt, d. h. möglichst wenig gedämpft wird. Die beste Form hier ist ein U-Rohr ohne Querschnittsver änderung mit relativ großem Krümmungsradius (Fig. 7). Diese Art von U-Rohr ist für das Inneneinrichtungsmobile besonders geeignet (Fig. 16). Ein U-Rohr mit konstantem Querschnitt kann auch konzentrisch angeordnet sein und ist dann sehr kompakt (Fig. 8).

Eine besonders kompakte Ausführungsform der konzentrischen Kompressor- Wassersäule (Fig. 9) besteht aus einem aktiven Teil 8 mit hoher Strö mungsgeschwindigkeit und sich daran anschließenden Diffusor-Strecken 19, so daß die Amplituden der Wasserspiegel in den U-Schenkeln gering sind.

Für große Maschinen ist man bestrebt, die Bauhöhe unter anderem aus optischen Gründen möglichst niedrig zu halten. Die Kompressor-Wassersäule 8 (Fig. 10) besteht dann bevorzugt nur aus einem relativ langen horizon talen Teil ohne Querschnittsänderung, an dessen Enden sich Ausschwing becken 18 bzw. Diffusoren 19 anschließen, die die Geschwindigkeit des schwingenden Wassers möglichst ohne Strömungsverluste je nach Strö mungsrichtung herauf- oder herabsetzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die horizontale Kompressor-Was sersäule 8 (Fig. 11) unter dem Verdrängerkasten angeordnet und besteht aus einem oder mehreren parallelen Rohren mit eckigem oder rundem Quer schnitt, die in kugelförmige oder zylinderähnliche Ausschwingbecken 18 enden, die diffusorartig wirken können. Dies ergibt eine flache, kompakte Bauform (Fig. 20 bis 22), bei der sich Wasserpumpe 30, Gummibälge 13 und andere mechanische Bauteile im Zwischenraum von Verdrängerkasten und Kompressor-Wassersäule verdeckt unterbringen lassen.

In einer Variante der horizontalen Kompressor-Wassersäule 8 (Fig. 12) en det diese in geschlossenen Ausschwingbecken 18, die mit je einem Gummi balg 21, 22 an ihrem Ende verschlossen sind, und bei denen die Ab schlußplatten der Gummibalge längs durch die Wassersäule mit einer Stan ge 23 oder einem Seil verbunden sind, so daß bei schwingender Wasser säule immer der eine Balg gerade ausgeschoben, während der andere ge rade eingeschoben wird. Diese Kompressor-Wassersäule ist hermetisch dicht; Wasser kann nicht verdunsten. An dem freien Balg 22 kann die Energie leicht ausgekoppelt werden.

Die Einrichtung zur mechanischen Energieauskopplung 9 (Fig. 1) kann günstigerweise durch einen extra Balg gebildet sein, der mit dem unteren Verdrängergehäuse in Druckverbindung steht, so daß der Balg bzw. der Balgboden entsprechend der Druckänderung im Verdrängerkasten bewegt wird.

Bei Verwendung einer vertikalen Kompressor-Wassersäule kann die Einrich tung zur mechanischen Energieauskopplung auch günstigerweise durch einen extra Kolben 29 (Fig. 13) gebildet sein, der sich in den aktiven Teil der Kompressor-Wassersäule 8 erstreckt und unabhängig von der Kom pressor-Wassersäulenbewegung auf Druckänderung im Verdrängerkasten re agiert, wobei das Wasser der Kompressor-Wassersäule bezogen auf den Kolben flüssige Zylinderwand bzw. flüssige Dichtung ist. Der Kolben 39 treibt z. B. direkt eine doppelt wirkende Hubkolbenwasserpumpe 30.

Dieser eigene Balg oder Kolben für die Energieauskopplung hat den großen Vorteil, daß die Schwingungen von Verdränger und Kompressor- Wassersäule bei zunehmender Last (durch zunächst geringere Energieab nahme) nicht gebremst, sondern verstärkt werden, was dann aber zu ver größerter Energieabnahme führt, so daß Energieabnahme und Lastankopp lung ein rückgekoppeltes, selbstregelndes System darstellen. Bei Versagen der Lastankopplung bleibt die Maschine stehen.

Außerdem verändert die Energieauskopplung durch den gesonderten Balg bzw. Kolben auch bei Lastwechsel nicht die gewünschte 90° Phasenver schiebung zwischen Kompressor-Wassersäule und Verdrängerbewegung.

Um den gesonderten Balg bzw. Kolben zu sparen, kann die Energie auch über einen zu diesem Zweck vergrößerten Verdrängeraktuatorbalg 13 (Fig. 14) oder vergrößerten Verdrängeraktuatorkolben 31 (Fig. 15) ausgekoppelt werden. Dies eignet sich bei Maschinen mit konstanter Lastabnahme und konstanter Energieeinstrahlung. Bei Lastwechsel und wechselnder Ein strahlung kann sich eine unerwünschte Phasenverschiebung ergeben.

Eine weitere Variante der Energieauskopplung erfolgt der Einfachheit hal ber über einen Schwimmer im offenen U-Rohr-Schenkel der Kompressor-Was sersäule 8. Dies ist besonders geeignet, um geringe Lasten anzukoppeln, wie z. B. zur Bewegung eines Reklameschildes 25 bei der Ausgestaltung als Schaufenster-Mobile. Zur Ankopplung großer Lasten sind Schwimmer nicht geeignet, da sie nicht genügend Auftrieb erzeugen und je nach Eintauch zustand die Frequenz der Wassersäule verändern.

Ein besonders einfacher, kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Stir ling-Maschine ergibt sich, wenn Verdrängeraktuator-Kolben 27, gesonder ten Energieauskoppelkolben 29 und Kompressor-Wassersäule mit aktivem Teil 8 und Diffusor-Strecken 19 konzentrisch ineinander angeordnet werden (Fig. 17, 18). Hierbei entstehen zwei wassergefüllte Ringquerschnitte, die beide gleichzeitig synchron schwingend als aktiver Teil 8 der Kompressor- Wassersäule fungieren können. Die Diffusor-Srecken 19 werden durch die Formgebung der Kolbendeckel und Böden gebildet. Das die Kolben umge bende Wasser ist dabei wiederum flüssige Zylinderwand bzw. flüssige Dichtung. Fig. 17 und 18 unterscheiden sich nur dadurch, daß Verdrän geraktuatorkolben bzw. Energieauskoppelkolben einmal innen, einmal außen angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Stirling-Maschine eignet sich auch als besonders einfacher, lautloser solarer Antrieb für Boote 26 (Fig. 19) oder der gleichen. Hierbei erfolgt die Energieauskopplung bevorzugt über Rück stoßkräfte dem Kompressor-Wassersäule 8, die zu diesem Zweck unter dem Seewasserspiegel mit der Öffnung gegen die Bootsbewegungsrichtung zei gend endet.

Abschließend seien zwei bevorzugte, ganz unterschiedliche Maschinen auch hinsichtlich ihrer Dimensionierung näher erläutert:

Der Verdrängeraktuator der bevorzugten großen Maschine gemäß Fig. 20 bis 22 erbringt die Rückstellfederkraft durch die Steifigkeit der Gum mibalgwand 13, die Auslenkung durch den Gummibalg 13, den Gewichts ausgleich durch das Gegengewicht 10 und verhindert die Kippbewegungen durch die zentrale Führungsstange 16 und den zweiarmig gelagerten He belarm 17 des Gegengewichts 10. Die Maschine hat als Energieauskoppel einrichtung einen separaten Gummibalg 9 und als Kompressor-Wassersäule eine horizontale Wassersäule 8 mit extrem flachem, rechteckigen Quer schnitt. Bei einem 2 m² großen Lichtabsorber der Maschine und einem Verdrängerkastenvolumen von 0,4 m³, einer Arbeitsfrequenz von 0,6 Hz beträgt die Länge der aktiven Kompressor-Wassersäule 8 ca. 2 m mit einer Masse von 250 kg. Die Gasfederkonstane des Verdrängerkasten 5 ist 4000 N/m. Bei einem Verdrängergewicht einschließlich Gegengewicht von 60 kg muß die Rückstellkraft des Verdrängeraktuators eine Federkonstante von ca. 1000 N/m haben. Eine solche Maschine hat bei normaler Sonnen einstrahlung ca. 60° Temperaturdifferenz über dem Regenerator, eine me chanische Leistung von 100 W und pumpt je nach Förderhöhe 5.000 bis 100.000 l Wasser pro Tag.

Der Verdrängeraktuator des Schaufenster-Mobile nach Fig. 16 erbringt die Rückstellfederkraft durch die Schwerkraft in Verbindung mit der Auslen kung durch die Verdrängung des Wassers aus dem jeweiligen U-Schenkel der Verdrängeraktuator-Wassersäule 14, der Gewichtsausgleich durch den Auftrieb des Verdränger-Schwimmers 12 in dieser Wassersäule und ver hindert die Kippbewegung durch eine zentrale Führungsstange 16, die durch den Schwimmer 12 zentriert und im U-Rohr geführt wird. Die Ma schine hat als Energieauskoppeleinrichtung einen zweiten Schwimmer 24 in der Kompressor-Wassersäule 8, die - wie erwähnt - eine U-förmige Wassersäule mit konstantem Querschnitt ist. Bei einem 20×20 cm Licht absorber der Maschine und einem Verdrängerkastenvolumen von 2 l und einer Arbeitsfrequenz von 1,2 Hz, beträgt die Länge der Kompressor-Was sersäule 8 inclusive vertikaler Abschnitte ca. 50 cm mit einer Masse von ca. 0,3 kg. Die Gasfederkonstante des Vedrängerkastens 5 beträgt 12 N/m, die Federkonstante der Kompressor-Wassersäule ca. 10 N/m. Bei einem Ver drängergewicht von 40 g muß die Rückstellkraft der U-Wassersäule des Verdrängeraktuators ca. 2 N/m haben. Eine solche Maschine läuft auch schon bei dem künstlichen Licht einer Schaufensterbeleuchtung. Die Ma schine hat genug Kraft, um eine Reklametafel 25 als Blickfang zu schwen ken.

Claims

1. Stirling-Maschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. umgekehrt umfassend ein Verdrängergehäuse mit einem in diesem hin- und herbewegbaren plattenartigen Verdränger sowie einen Er hitzer, einen Regenerator und einen Kühler, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (1) durch Erhitzer (2), Regenerator (3) und Kühler (4) derart gebildet ist, daß der Erhitzer im oberen Teil des Verdrängerge häuses (5) so angeordnet ist, daß er einer einfallenden Wärmestrahlung aussetzbar ist,
daß ein Verdrängeraktuator (7) zur Bildung einer Rückstellfederkraft auf eine Mittelstellung des Verdrängers (1) im Verdrängerhäuse (5) zur Bewe gung des Verdrängers (1) in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Verdrängergehäuse (5) und zum Gewichtsausgleich des Verdrängers (1), sowie zur Stabilisierung seiner Lage parallel zur Bodenplatte des Ver drängergehäuses (5) vorgesehen ist,
daß eine schwingungsfähige Kompressor-Wassersäule (8) zum Komprimieren und Expandieren der Luft im Verdrängergehäuse (5) dient, und daß eine Energieauskopplungseinrichtung (9) zum Abführen der erzeugten me chanischen Energie ausgebildet ist.

2. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Masse des Verdrängers und die Rückstellkraft des Verdrängeraktuators einerseits und die Masse der Kompressor-Wassersäule und die Gasfe der-Eigenschaften der Luft im Verdrängergehäuse andererseits so dimen sioniert sind, daß die so gebildeten Masse-Feder-Systeme die gleiche Re sonanzfrequenz aufweisen und dementsprechend Resonanz zwischen Kom pressor-Wassersäule und Verdränger auftritt, so daß der Verdränger sich mit einem Phasenversatz von 90° relativ zu der Kompressor-Wassersäule bewegt.

3. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion des Gewichtsausgleichs des Verdrängers durch Gegengewicht, durch Federn oder durch Schwimmer bewerkstelligt.

4. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion der Rückstellfederkraft zur Ruhelage des Verdrängers durch Federn, durch die Wandsteifigkeit eines Gummibalges, durch den Aufhub bzw. das Gewicht von Schwimmern oder durch ein dreh bar gelagertes Gewicht erzeugt, dessen Schwerpunkt unterhalb des Dreh punkts liegt.

5. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion der Auslenkung des Verdrängers durch einen Gummibalg oder durch eine vertikal schwingende Wassersäule, mit der der Verdränger auf einem Schwimmer getragen wird, oder durch einen flüssigkeitsgedichteten in der Kompressor-Wassersäule erzeugt.

6. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion der Führung des Verdrängers zur Verhin derung von Kippbewegungen durch eine zentrale Führungsstange oder durch auf die Eckpunkte oder auf den Umfang des Verdrängers verteilte Federn oder Schwimmer erbringt.

7. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gummibalg des Verdrängeraktuators im Zentrum der Bodenplatte des Ver drängergehäuses angeordnet ist, wobei das offene Ende des Balges an der Bodenplatte des Verdrängergehäuses und das geschlossene Ende starr mit dem Verdränger verbunden ist.

8. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdrängerführungsstange in axialer Richtung durch den Gummibalg ange ordnet ist, wobei diese mit dem einen Ende starr mit dem Verdränger ver bunden ist und deren anderes Ende über einen Schwenkarm in zwei Rich tungen geführt wird.

9. Stirling-Maschine nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm der Führungsstange des Verdrängers gleichzeitig als He bel für das Gegengewicht des Verdrängers, zur Befestigung von Rückstell federn oder zur Aufnahme von Rückstellgewichten dient.

10. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer des Verdrängeraktuators am unteren Ende der zentralen Füh rungsstange des Verdrängers angeordnet ist und in den Schenkel einer U-förmigen Verdrängeraktuator-Wassersäule eintaucht, der dicht mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist, so daß der Gewichtsausgleich des Ver drängers durch den Auftrieb des Schwimmers, die Rückstellkraft durch das Gewicht der Wassersäule und die Auslenkung durch die Verdrängung des Wassers aus dem einen U-Schenkel bewerkstelligt wird.

11. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger durch einen ringförmig geschlossenen unterhalb des Verdrän gers in einen Wassergraben umlaufenden Schwimmer getragen wird.

12. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressor-Wassersäule in einem im wesentlichen U-förmigem Rohr ange ordnet ist, wobei das Ende des einen U-Schenkels in Druckverbindung mit der unteren Seite des Verdrängergehäuses steht und das Ende des anderen U-Schenkels offen ist.

13. Stirling-Maschine nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressor-Wassersäule in einem U-förmigem Rohr ohne Quer schnittsänderung mit relativ großem Krümmungsradius angeordnet ist, wobei das U-Rohr auch konzentrisch sein kann.

14. Stirling-Maschine nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressor-Wassersäule aus einem relativ langen horizontalen Teil ohne Querschnittsänderung besteht, an dessen Enden sich Ausschwing becken oder Diffusoren anschließen.

15. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, 12 und 14, dadurch gekennzeich net, daß die horizontale Wassersäule unter dem Verdrängerkasten anord bar ist und aus einem oder mehreren parallelen Rohren mit eckigem oder rundem Querschnitt bestehen, die in kugelförmige oder zylinderähnliche liegende Ausschwingbecken enden, die diffusorartig wirken können.

16. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine horizontale Wassersäule mit je einem Gummibalg an ihren Enden abge schlossen ist, wobei die Abschlußplatten der Gummibalge längs durch die Wassersäule mit einer Stange verbunden sind.

17. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur mechanischen Energieauskopplung durch einen extra Balg gebildet ist, der mit dem unteren Verdrängergehäuse in Druckverbindung steht.

18. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie über einen zu diesem Zweck vergrößerten Verdrängeraktuator-Balg ausgekoppelt wird.

19. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie über einen Schwimmer im offenen U-Rohr-Schenkel der Kompres sor-Wassersäule ausgekoppelt wird.

20. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Bootsantrieb oder dergleichen die Energieauskopplung über Rückstoßkräfte der Kompressor Wassersäule erfolgt, die unter dem Seewas serspiegel mit der Öffnung gegen die Bootsbewegungsrichtung zeigend en det.