DE69007785T2 - Stirling-zyklus-vorrichtung. - Google Patents

Description

Technisches Feld
• Die Erfindung bezieht sich auf Heißgasmotore und Wärmepumpen. Insbesondere ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Sibling-Zyklus als Variante des Stirling/Ericsson-Typs von regenerativem Zyklus unter Verwendung eines Kolbens gerichtet, der in einem Zylinder gleichzeitig hin- und hergeht und sich dreht, um das Volumen von Kammern in Abhängigkeit von der Linearbewegung zu ändern und Steuerventilfunktionen in Abhängigkeit von der Drehung auszuführen.
Stand der Technik
• Der von der Maschine nach dem US-Patent 4,622, 813 (Matthew P. Mitchell, Miterfinder der hier beanspruchten Erfindung) ausgeführte regenerative Zyklus ist als "Sibling-Zyklus" bekannt geworden. Dieser Zyklus kann in Motoren verwendet werden, in welchen Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird oder in Kältemaschinen/Wärmepumpen, bei denen mechanische Energie in die Maschine gesteckt und Wärme von einem Teil der Maschine zu einem anderen übertragen wird. Die in obigem Patent beschriebene Maschine weist theoretische Vorteile über andere Maschinen auf, die Varianten des Stirling und des Ericsson Zyklus benutzen, und zwar sowohl hinsichtlich mechanischer Einfachheit als auch in der Art und Weise, wie die thermodynamischen Prozesse ausgeführt werden.
• In dem Sibling-Zyklus werden zwei oder mehr Volumina von Arbeitsgas jeweils aufeinanderfolgend den Basisschritten eines Stirling- oder Ericsson-Zyklus ausgesetzt. Das heißt, daß das Arbeitsgas in einer Kompressionskammer zunächst komprimiert und die durch die Kompression erzeugte Wärme aus dem komprimierten Gas entfernt und von der Maschine abgezogen wird. Das Arbeitsgas kann sich in eine Expansionskammer hinein ausdehnen, wo es abkühlt, und das kühle expandierte Gas nimmt Wärme auf. Das Arbeitsgas wird dann der Kompressionskammer erneut zugeführt, um den Zyklus zu wiederholen. Typischerweise strömt das Arbeitsgas durch einen Regenerator zunächst in einer Richtung und in einem Teil des Zyklus und dann in einer anderen Richtung in einem anderen Teil des Zyklus. Dies trifft auf den Sibling-Zyklus gleichfalls zu.
• Um den Sibling-Zyklus auszuführen, benötigt die Maschine nach dem US-Patent 4, 622, 813 mindestens vier Ventile, deren Betrieb zu der Kolbenbewegung synchronisiert werden muß. Gewöhnliche Arten von Ventilen machen komplizierte mechanische oder elektrische Anordnungen notwendig, um sie zu den richtigen Zeiten zu öffnen und zu schließen. Wenn die Ventile getrennt betätigt werden, gibt es die Möglichkeit eines unabhängigen Ausfalls eines Ventils mit möglicherweise ernsthaften Folgen. Die Ventile müssen eine gute Abdichtung gegen Druck zuerst in einer Richtung und dann in der anderen sicherstellen. Die Abdichtung eines sich rasch öffnenden und schließenden Zweirichtungsventils ist ein schwieriges technisches Problem.
• Hochleistungsmotore nach dem Stirling-Zyklus verwenden normalerweise externe Wärmetauscher zusätzlich zu den Regeneratoren, um Wärme zu absorbieren und abzugeben. Externe Wärmetauscher sind teuer und führen zu zusätzlichem Volumen und Gewicht. Da die zuvor bekannten Maschinen nach dem Sibling-Zyklus mindestens zwei Sätze von Wärmetauschern erforderlich machen, die am jeweiligen Ende jeweils durch Ventile gesteuert werden, ist die Bürde der Kosten, des Volumens und des Gewichts vergrößert worden, wenn die gewöhnliche Art von externen Wärmetauschern verwendet wird.
• Mit Kurbel betriebene Maschinen nach Sibling, Stirling und Ericsson machen Kurbelwellen, Pleuel, Kreuzköpfe und Kolbenstangen erforderlich. Freikolbenmaschinen nach Stirling machen diese bewegenden Teile nicht erforderlich, benötigen aber getrennte Kolben und Verdränger, zusammen mit Gasfeder-Rückprallräumen, um die Bewegung der Kolben aufzunehmen. Diese Maschinen machen mindestens einen Kolben und einen Verdränger notwendig, um ihre thermodynamischen Zyklen auszuführen. Der Gasfeder-Rückprallraum erzeugt eine irreversible Wärmeübertragung, was den Wirkungsgrad herabsetzt.
• Bei einer bekannten drehbaren und hin- und hergehenden Kolbenmaschine (EP-A-0 240 467) sind eine zentrale Welle und drehbar angetriebene Kolben innerhalb eines Zylinders vorgesehen, um Arbeitsräume zu erzeugen, die geöffnet und geschlossen werden und bei der Drehung und dem Hin- und Hergehen eines der Kolben zunehmen bzw. abnehmen. Die Maschine kann einen Verbrennungsmotor, eine Pumpe oder einen Kompressor darstellen. Die Arbeitsräume sind nicht im Sinne der Stirling-Zyklus-Maschine verbunden, noch gibt es Andeutungen darüber, dies durchzuführen.
Zusammenfassung der Erfindung
• Eine Vorrichtung nach dem Stirling-Zyklus gemäß der Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
• Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Notwendigkeit für Komponenten des Ventilantriebszuges, externer Wärmetauscher, Kurbelwellen, Pleuel, Kreuzköpfe und Kolbenstangen in einer Maschine vermieden, die keinen Rückprallraum und nur einen einzelnen Kolben benötigt, um einen thermodynamischen Zyklus auszuführen, der sich dem idealen Stirling-Zyklus eng annähert. Eine Ausführungsform unter Verwendung eines ausschließlich elektrischen Antirebs führt den Zyklus mit gerade einem bewegenden Teil aus, was zumindest ein bewegendes Teil weniger als bei jeder anderen bekannten Maschine ist, welche einen Stirling- oder Ericsson-Zyklus ausführt.
• Die erwünschten Effekte werden durch eine Anordnung von Kolben und Zylindern erreicht, bei welchen Regeneratoren in dem Kolben eingebettet sind und zu den Wandungen des Kolbens bei jedem Ende ventilmäßig geschaltet werden. Wie sich der Kolben vor- und zurück in dem Zylinder bewegt, dreht er sich auch. Der Zylinder und der Kolben passen eng aufeinander an jedem Ende, außer den Teilen des Zylinders, die ausgespart sind, um Kanäle zwischen der Zylinderwandung und dem Kolben zu schaffen. Diese Kanäle sind so angeordnet, daß wenn der Kolben sich dreht, die Kanäle periodisch die Verbindung zwischen den Öffnungen in dem Kolben und den Räumen an jedem Ende des Zylinders ermöglichen.
• Durch Einstellen des Verhältnisses zwischen der Hin- und Herbewegung des Kolbens und seiner Drehung wird der Kolben und der Zylinder zu einem integralen Ventil, welches die Öffnungen in dem Kolben in der erforderlichen Reihenfolge öffnet und schließt, um den Sibling-Zyklus auszuführen. Verschiedene alternative Verfahren zur Synchronisierung der Drehung des Kolbens mit seiner Hin- und Herbewegung sind möglich.
• Isothermalisationsringe sind neulich zur Anwendung in Stirling- Maschinen in Betracht gezogen worden. Sie stellen konzentrische Ringe dar, die abwechselnd an dem Ende eines Kolbens und auf einem entsprechenden Zylinderkopf so angebracht sind, daß sie mit einem kleinen Zwischenraum ineinander passen und relativ zueinander nach innen und außen sich bewegen, wenn der Kolben hin- und hergeht. Sie vergrößern die Wärmeübertragungsfläche sowohl am Zylinderkopf als auch am Kolben. die reduzieren so tendenziell die Abweichung der Gastemperatur von der Wandtemperatur in dem Zylinder, verringern die irreversible Wärmeübertragung und verbessern den Wirkungsgrad.
• Isothermalisatoren hängen sowohl von der vergrößerten Fläche als auch von der vergrößerten Gasgeschwindigkeit ab, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Die vergrößerte Geschwindigkeit ist eine Folge des verlängerten Weges, welches das Arbeitsgas in und aus den Isothermalisationsringen zurücklegen muß, und der Scherwirkung der ineinandergreifenden Ringe relativ zueinander, wenn der Kolben hin- und hergeht. Durch Drehen der hin- und hergehenden Kolben kombiniert die vorliegende Erfindung die Scherwirkung der Kolbendrehung mit der Scherwirkung des Ineinandergreifens der hin- und hergehenden Isothermalisatoren, und verbessert so deren Wirksamkeit signifikant.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält die Wandung der Zylinder Ventilöffnung und der Kolben ist ausgespart, um Kanäle zwischen den Öffnungen und den Expansions- bzw. Kompressionsräumen zu schaffen. In dieser Version enthält der Kolben nicht die Regeneratoren und das Arbeitsgas gelangt zwischen den beiden Enden der Zylinder durch Wärmetauschereinheiten, die extern zu dem Zylinder angeordnet sind.
• Es ist somit eine Zielrichtung der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Maschine nach dem Sibling-Zyklus zu schaffen, in welcher ein sich drehender und hin- und hergehender Kolben mit dem Zylinder wechselwirkt, in welcher er sich dreht, um ein integrales synchronisiertes Ventilsystem zu schaffen, das die Ventilfolge des Sibling-Zyklus ausführt.
• Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Sibling-Zyklus-Maschine unter Verwendung einer verringerten Anzahl von bewegten Teilen.
• Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Freikolbenmaschine nach dem Sibling-Zyklus, die hermetisch abgedichtet ist und elektrisch angetrieben wird.
• Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Sibling-Zyklus-Maschine, in welcher zwei Sätze von Regeneratoren in einem doppelwirkenden rotieerenden Zylinder eingebettet sind, der als Teil des Ventilmechanismus der Maschine dient.
• Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Sibling-Zyklus-Maschine, bei welcher ein drehender und hin- und hergehender Kolben mit ausgeschnittenen Aussparungsflächen an beiden Enden versehen ist und einen integralen Ventilmechanismus für externe Wärmetauscher bildet.
• Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines integralen Ventilsystems für Sibling-Zyklus-Maschinen, in welcher der Ventilmechanismus einen Kolben umfaßt und in welchem der Kolben allezeit mit Bezug auf seitlich einwirkende Kräfte ausgeglichen ist, und zwar als Ergebnis einer Teilnahme in dem Ventilsystem.
• Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Arbeitsweise der Isothermalisatoren durch deren Befestigung an einem rotierenden Kolben.
• Weitere Zielrichtung und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung.
Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 stellt einen sich drehenden doppelwirkenden Kolben dar, der Regeneratoren enthält, die zu den Seitenwandungen des Kolben ventilmäßig geschaltet werden, der in einen geschlossenen Zylinder paßt, der mit ausgesparten Kanälen an den Enden seiner inneren Wandungen versehen ist.
• Fig. 2 stellt das Verhältnis der Schaltöffnungen des Regenerators und der ausgesparten Kanäle in den Zylinderwandungen dar, gesehen vom Ende des Zylinders und in Perspektive.
• Fig. 3 stellt einen sich drehenden und hin- und hergehenden Kolben mit Aussparungen an jedem Ende und Schaltöffnungen in den Zylinderwandungen dar.
• Fig. 4 stellt die Oberflächen eines geschalteten sich drehenden und hin- und hergehenden Kolbens und des dazu gehörenden Zylinders dar, und zwar in Abwicklung.
• Fig. 5 illustriert einen elektrisch-mechanischen Antriebsmechanismus für einen sich drehenden und hin- und hergehenden Kolben.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Fig. 1 stellt einen doppelwirkenden Kolben 4 dar, der zwei Sätze von Regeneratoren 6, 8 enthält, die als "A"-Regeneratoren 6 und als "B"- Regeneratoren 8 bezeichnet sind. Wie dargestellt, gibt es zwei "A"- Regeneratoren und zwei "B"-Regeneratoren. Die Regeneratoren 6, 8 sind um die zentrale Achse des Kolbens 4 herum radial angeordnet. Jeder Regenerator ist am jeweiligen Ende mit Schaltöffnungen 10, 12 ausgestattet, die sich zur Wandung eines Zylinders 2 öffnen.
• Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung des Zylinders 2 und zeigt den Kolben 4 in der Endstellung ohne Zylinderköpfe. Es sind ausgesparte Flächen 40, 42 in der Wandung des Zylinders 2 dargestellt, die so angeordnet sind, daß wenn der Kolben 4 gedreht wird, zunächst die Schaltöffnungen 10 des "A"-Regenerators und dann die Schaltöffnungen 12 des "B"-Regenerators diesen ausgesparten Flächen in regelmäßigem Wechsel gegenüberstehen. Die ausgesparten Flächen oder Bereiche 40, 42 sind so gestaltet und angeordnet, daß es für irgendein Teil der "A"-Schaltöffnungen 10 nicht möglich ist, einem ausgesparten Bereich 40 oder 42 zur gleichen Zeit gegenüberzustehen, wenn "B"-Schaltöffnungen 12 diesen ausgesparten Bereichen am gleichen Ende der Maschine gegenüberstehen. Die ausgesparten Bereiche schaffen Kanäle zwischen dem Kolben 4 und der Wandung des Zylinders 2, welche die Verbindung zwischen den Regeneratoröffnungen 10 oder 12 und einer Expansionskammer 60 bzw. einer Kompressionskammer 62 bilden. Der Kolben/Zylinderkontakt dient so als Ventile, die zum Betrieb des Sibling-Zyklus erforderlich sind, wie in größerer Ausführlichkeit noch beschrieben wird.
• Fig. 3 stellt einen doppelwirkenden Kolben 4 mit ausgesparten Bereichen 44, 46 in jedem Ende dar. Der Kolben 4 dreht sich und geht in einem Zylinder 2 hin und her. Wenn sich der Kolben 4 dreht, gelangen die ausgesparten Bereiche 44, 46 in seinen Wandungen zyklisch über die Schaltöffnungen 14, 16 in den Wandungen des Zylinders 2 und öffnen momentan einen Kanal der Verbindung zwischen diesen Öffnungen 14, 16 und dem Expansionsraum 60 oder dem Kompressionsraum 62, wie es gerade der Fall ist. Die Schaltöffnungen in den Zylinderwandungen führen zu Wärmetauscheranordnungen 8 der Art, wie sie gewöhnlich für eine Sibling- Zyklus-Maschine verwendet wird. Die Ventilfolge ist die gleiche wie im Falle, in welchem die Regeneratoren innerhalb des Kolbens angeordnet sind und die Schaltöffnungen sich in der Kolbenwandung befinden.
• Fig. 4 ist eine Abwicklung der Oberflächen des Kolbens und der Zylinderwandung der Fig. 1. Fig. 4 zeigt, wie die ausgesparten Bereiche der Zylinderwandung mit den Regeneratorschaltöffnungen in dem sich drehenden Kolben zusammenarbeiten, um die für den Sibling-Zyklus erforderliche Ventilfolge zu bewirken. Die Bezugsziffern in Fig. 4 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.
• Fig. 5 stellt eine elektrisch mechanische Antriebsanordnung für eine Kältemaschine dar, bei der die Drehung des Kolbens 4 elektrisch durch einen Motor vom Induktionstyp erzeugt wird, und zwar ist ein Rotorring 86 an dem Kolben 4 befestigt und trägt die Rotorwicklungen 94, während die Statorwicklungen 96 radial um das Gehäuse 98 herum angeordnet sind. Der elektrische Motor dreht den Rotorring 86, der diese Bewegung über das Speichenrad 80 auf den Kolben 4 überträgt.
• Die translatorische Hin- und Herbewegung des Kolbens 4 wird durch eine Nockenanordnung gesteuert. Nockenfolger 90 sind an dem Speichenkranz 80 montiert und durchqueren Nockenprofile, die in die Seiten von gehärteten Ringen 92 geschnitten sind, die an dem Gehäuse 96 befestigt sind. Wenn vier Regeneratoren 6, 8 in dem Zylinder verwendet werden, dann werden die Nocken 92 so ausgebildet, daß der Kolben 4 vier Vorwärts- und Rückwärtsquerbewegungen bei jeder Drehung ausführt. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei jedem Sibling-Zyklus zwei Rückwärts- und Vorwärts- Hin- und Herbewegungen des Kolbens erforderlich sind und jede Drehung des Kolbens die Ventilbetätigung erzeugt, die für zwei Zyklen erforderlich ist.
• Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist der Speichenkranz 80 perforiert, um das Arbeitsgas während der Hin- und Herbewegung durchzulassen.
• Die in Fig. 5 gezeigte Antriebsanordnung enthält die Antriebselemente, die zur Drehung und Hin- und Herbewegung notwendig sind, innerhalb des gleichen hermetisch abgedichteten Gehäuses mit dem Kolben. Es würde möglich sein, die gleiche mechanische Bewegung dadurch zu erzielen, daß der Kolben mit einer Kolbenstange verbunden ist und die (nicht gezeigte) Kolbenstange durch eine (nicht gezeigte) Dichtung in dem Zylinderkopf 58 zu einem (nicht gezeigten) externen Mechanismus führt, der die notwendige Hin- und Her- und Drehbewegung der Kolbenstange erzeugt, und zwar mit Kurbeln und Zahnrädern in bekannter Weise.
• Es ist alternativ auch möglich, die in Fig. 5 gezeigten Nocken fortzulassen, indem ein elektrischer Drehantrieb mit einem (nicht gezeigten) linearen elektrischen Antrieb kombiniert wird, um die notwendige Hin- und Her- und Drehbewegung des Kolbens zu erzeugen.
• In der in den Fig. 1, 2 und 5 gezeigten Maschine wird der in Zylinder 2 vorhandene Raum durch den Kolben 4 in einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum geteilt. Wenn die Maschine als Wärmepumpe betrieben wird (einschließlich von Kältemaschinen und Kryokühlern in der Definition als Wärmepumpe), wird der Kompressionsraum durch Kompression eines kompressiblen Arbeitsgases intern erhitzt, welches in dem Zylinder enthalten ist und extern gekühlt; der Expansionsraum wird gleichzeitig durch Expansion des Arbeitsgases intern gekühlt und durch eine Wärmequelle extern erhitzt, die wiederum durch die Wärmeübertragung gekühlt wird.
• Um den Teil des Kolbens 4 zu maximieren, der zur Unterbringung der zylindrisch geformten Regeneratoren benutzt wird, stellen 4 Regeneratoren eine geeignete Anzahl dar. Mit 4 Regeneratoren können ferner die beiden "A"-Regenerator-Schaltöffnungen an entgegengesetzten Seiten des Kolbens zueinander angeordnet und die beiden "B"-Regenerator-Schaltöffnungen können an den entgegengesetzten Seiten des Kolbens voneinander plaziert werden. Auf diese Weise werden die durch das komprimierte Gas erzeugten seitlichen Kräfte in den Regeneratoren axial ausgeglichen, wodurch die Reibung zwischen dem Kolben und den Zylinderwandungen verringert wird.
• Zur Durchführung der Zyklusarbeit müssen die Schaltöffnungen an den Enden der Regeneratoren in der gewöhnlichen Sibling-Zxklusfolge geöffnet und geschlossen werden, und zwar wie folgt: Kolbenbewegung Expansionsraumende Kompressionsraumende "A"-Öffnungen Nach (62) Offen geschlossen
• Obzwar es wichtig ist, daß die "A"- und "B"-Schaltöffnungen nicht beide zu gleicher Zeit am gleichen Ende der Maschine geöffnet sind, ist es auch wichtig, daß beide "A"- und "B"-Schaltöffnungen nicht beide am gleichen Ende der Maschine geschlossen sind, außer es ist notwendig, einen Satz der Öffnungen komplett zu schließen und den Zylinderdruck einzustellen, bevor der andere Satz der Öffnungen geöffnet wird. Dies macht die sorgfältige Anordnung der ausgesparten Bereiche der Zylinderwandung 40, 42 notwendig als auch die richtige Synchronisation der Dreh- und der Hin- und Herbewegung.
• In allen Ausführungs formen der Erfindung kann es günstig sein, alle Schaltöffnungen an dem Kompressionsende nach dem Ende des Kompressionshubes geschlossen zu lassen, während der Kolben mit dem Austauschhub beginnt. Der Zweck dieses Manövers ist, den Druck in dem Kompressionsraum auf den Druckpegel in den Regeneratoren auszugleichen, die selbst daran sind, mit dem Kompressionsraum in Verbindung zu treten. In ähnlicher Weise kann es am Ende des Expansionshubes wünschenswert sein, alle Schaltöffnungen bei dem Expansionsraumende zu verschließen, bevor der Kolben das Ende seines Hubes erreicht, um Druck in dem Expansionsraum entsprechend dem Druck in den Regeneratoren aufzubauen, mit denen demnächst eine Verbindung zu dem Expansionsraum stattfinden wird.
• In allen Ausführungsformen der Erfindung passen der Kolben 4 und der Zylinder 2 eng aufeinander oder mit minimalem Zwischenraum an jedem Ende, außer in den ausgesparten Bereichen 40, 42, 44 und 46. Die Passung zwischen Kolben und Zylinderwandung muß eng genug sein, um ernsthafte Leckage entlang des Kolbens von einem Ende des Zylinders zum anderen zu verhindern. Die Passung muß auch dicht genug sein, um Gasleckage in und aus den Schaltöffnungen 10, 12, 14 und 16 zu verhindern, außer wenn diese den ausgesparten Bereichen 40, 42, 44 und 46 des Zylinders oder des Kolbens gegenüberstehen.
• Es ist nicht notwendig, daß der Kolben an der Zylinderwandung während der gesamten Länge anliegt oder einen engen Zwischenraum einhält. Der Kontakt bzw. der enge Zwischenraum zwischen dem Kolben 4 und der Wandung des Zylinders 2 kann an jedem Ende der Maschine genügen, um die Abdichtung sowohl der Ventilschaltöffnungen als auch des Kolbens selbst zu bewirken.
• Wie es auch für Stirling- und Ericsson-Zyklus-Maschinen zutrifft, müssen Sibling-Zyklus-Maschinen ohne Schmiermittel in dem Expansionsraum, dem Kompressionsraum oder den Wärmetauschern betrieben werden können. Um die Reibung zwischen den Nocken 92, 93 und den Nockenfolgern 90, 91 zu verringern, werden Materialien mit niedriger Reibung oder Antifriktionslager bei den Nockenfolgern verwendet.
• Ein Kragen aus Material mit niedriger Reibung ist im Zylinder angebracht oder eine Beschichtung mit niedriger Reibung ist an dem Teil des Kolbens angebracht, der in Kontakt mit der Zylinderwandung steht; dies ist zur Reduzierung der Reibung behilflich. Die Zylinderwandung kann dann aus rostfreiem Stahl, anodisiertem Aluminium oder anderem geeigneten Material bestehen.
• Wie in Fig. 5 illustriert, ist es nicht notwendig, daß der Durchmesser des Kolbens an beiden Enden der gleiche ist. Bei den Anwendungen als Kältemaschine ist es wünschenswert, daß das überstrichene Volumen des Expansionsraumes kleiner als das überstrichene Volumen des Kompressionsraumes ist.
• Eine Maschine nach dem Sibling-Zyklus, wie in Fig. 1, 2 und 5 gezeigt, besitzt keine anderen Wärmeaustauscher als die Zylinderwände und Zylinderköpfe. Da die Innenoberfläche der Zylinderwandungen und der Zylinderköpfe fast immer ein kleiner Bruchteil der Oberfläche der Regeneratormatrix ausmacht, ist die ausreichende Wärmeübertragung auf die Innenoberflächen der Zylinderwandungen und der Zylinderköpfe ein Problem, insbesondere in großen Maschinen. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung sind Ringe, d.h. kreisförmige Isothermalisatoren von Martini und anderen vorgeschlagen worden. Diese stellen konzentrische Ringe dar und sind alternativ mit der Kolbenfläche und dem Zylinderkopf verbunden und greifen mit kleinem Zwischenraum ineinander. Sie können bei allen Ausführungs formen der Erfindung verwendet werden und sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Regeneratoren in dem Kolben untergebracht sind, wie in Fig. 1, 2 und 5 dargestellt.
• Der Spalt zwischen den Isothermalisatorringen läßt radialen Gasstrom zwischen den ausgesparten Bereichen 40, 42 in der Zylinderwand und dem Mittelpunkt der Kolbenfläche sowie dem Mittelpunkt des Zylinderkopfes 72 entlang einem Labyrinthweg zu. Wenn der Weg, den das Gas zurücklegen muß, um den Druck zwischen den Expansions- bzw. Kompressionsräumen auszugleichen, vergrößert wird, nimmt die Gasgeschwindigkeit zu und verbessert die Wärmeübertragung. In ähnlicher Weise führt die Verringerung der Breite des Raums, durch welchen das Gas gelangen muß, zur Verringerung des hydraulischen Durchmessers des Kanals und vergrößert die Wärmeübertragung. Schließlich führt die Vergrößerung der Oberfläche des Zylinderkopfes zur Verbesserung der Wärmeübertragung. Diese Dinge sind bekannt.
• Es gibt jedoch eine neue Quelle der relativen Bewegung zwischen dem Arbeitsgas und der Oberfläche der Rippen der Isothermalisatoren, wenn der Kolben gedreht wird, wie die Erfindung hier darstellt. Wenn die Bohrung der Maschine relativ groß, verglichen zu dem Hub ist, wird die relative Gasgeschwindigkeit, die durch Drehung erzeugt wird, insbesondere in den äußeren Ringen, relativ zur Gasgeschwindigkeit bedeutsam, die aus der Hin- und Herbewegung der Kolben folgt, und die Wärmeübertragung wird verbessert.
• Als Motor benötigt eine Sibling-Zyklus-Maschine eine gewisse Art von gespeicherter Energie, um durch den letzten Teil des Kompressions/Expansionshubs zu gelangen, bei welcher der Druck auf der Kompressionsseite des Kolbens den Druck auf der Expansionsseite übersteigt, und auch hinsichtlich des Rückhubes. Die in dem rotierenden und hin- und hergehenden Kolben gespeicherte kinetische Energie kann mindestens einen Teil dieser Energie bereitstellen.
• Wenn der Motor mehr Energie benötigt, um ihn durch seinen Zyklus zu treiben, als der Kolben bereitstellt, kann er über einen Teil des Zyklus durch Energie einer externen Quelle getrieben werden. Wenn ein mechanischer Antrieb verwendet wird, kann ein mit einer Kurbelwelle verbundenes Schwungrad diese Kraft liefern. In elektrischen Ausführungsformen kann elektrische Leistung aus irgendeiner Quelle den Kolben durch einen Teil des Zyklus treiben, wie in Kältemaschinen/Wärmepumpen-Versionen
• Wie zuvor angegeben, können zahlreiche Alternativen zu den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bei der Durchführung der Erfindung angewendet werden. Die nachfolgenden Ansprüche sollen die Erfindung definieren.

Claims (7)

1. Stirlingzyklus-Vorrichtung zur Umwandlung von Energie zwischen Wärme und Arbeit, mit folgenden Merkmalen:

Kompressions- und Verdichtungskammern (60, 62),

eine Einrichtung (4) zur Verkleinerung des Volumens eines der Kammern, während das Volumen der anderen Kammer zunimmt,

eine Gasspeichereinrichtung mit ersten und zweiten Regeneratoreinrichtungen (6, 8), die jeweils mit der Expansionskammer (60) und der Kompressionskammer (62) verbunden sind,

eine Gasmenge, die zum Umlauf durch die Kammern (60, 62) und die Gasspeichereinrichtungen (6, 8) eingeschlossen ist,

Steuereinrichtungen (10, 12, 40, 42; 14, 16, 44, 46) zur Verbindung der ersten Regeneratoreinrichtung (6) nur mit der Expansionskammer (60), während die zweite Regenerationseinrichtung (8) nur mit der Kompressionskammer (62) in Verbindung steht und nachfolgend in Verbindung treten der zweiten Regenerationseinrichtung (8) nur mit der Expansionskammer (60), während die erste Regenerationseinrichtung (6) nur mit der Kompressionskammer (62) kommuniziert, wobei in Zwischenschritten eine der Regenerationseinrichtungen geschlossen wird, während das Fluid zwischen den Kammern über die andere Regenerationseinrichtung ausgetauscht wird,

eine Wärmeleiteinrichtung in die Expansionskammer (60) hinein und

eine Wärmeleiteinrichtung aus der Kompressionskammer (62) heraus,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen doppelt wirkenden Kolben (4) aufweist, der zur synchronen Hin- und Herbewegung gelagert ist, um die Volumina der Kammern (60, 62) durch die Hin- und Herbewegung zunehmen und abnehmen zu lassen und zur Betätigung der Steuereinrichtungen (10, 12, 40, 42, 14, 16, 44, 46) durch die Drehbewegung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ausgesparte Bereiche (44, 46) in den Randzonen des Kolbens (4) und Öffnungen (14, 16) in den Wandungen (2) der Kammern (60, 62) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ausgesparte Bereiche (40, 42) in den Wandungen (2) der Kammern (60, 62) und Öffnungen (10, 12) in dem Rand des Kolbens (4) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisiereinrichtung (94, 96) den Kolben (4) dazu bringt, sich um eine vollständige Umdrehung bei jeweils vier Hin- und Herbewegungen des Kolbens (4) zu drehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Regeneratoreinrichtung (6, 8) in dem Kolben (4) untergebracht sind und daß die Steuereinrichtung Ventile (40, 42) in den Wänden (2) der Kammern (60, 62) sowie Ventileinrichtungen (10, 12) im Randbereich des Kolbens (4) umfaßt, die mit der Regeneratoreinrichtung (6, 8) in Verbindung stehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ausgesparte Bereiche (40, 42) in den Wänden (2) der Kammer (60, 62) und Öffnungen (10, 12) im Randbereich des Kolbens (4) umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeneratoreinrichtung (6, 8) in dem Kolben (4) periodisch Fluid enthält, das bei einem Druck umschlossen ist, der größer als der Fluiddruck in den Kammern (60, 62) ist.