DE69113035T2 - Stirling-motoren. - Google Patents

Stirling-motoren.

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Description

  • Die Erfindung betrifft Stirling-Motoren. In Bezugnahme auf einen Stirling-Motor schließen wir solche Motoren ein, die in einem Prozeß arbeiten, der dem Stirling-Prozeß ähnelt, aber einige Überlappungen und Verschmelzungen der einzelnen Phasen des klassischen Stirling-Prozesses aufweist.
  • Die Erfindung ist insbesondere aber nicht ausschließlich auf Stirling-Motoren des doppeltwirkenden Mehrzylinder-Typs anwendbar. Typische Motoren dieses Typs haben eine heiße Arbeitskammer an einem Ende, normalerweise dem oberen Ende und eine kalte Arbeitskammer an dem anderen Ende von jedem Zylinder, die durch den Kolben getrennt sind, wobei jede dieser heißen und kalten Arbeitskammern jeweils mit einer kalten bzw. heißen Arbeitskammer eines anderen Zylinders verbunden ist. In dieser Art sind vier geschlossene Arbeitsvolumina eingerichtet, in jedem von welchen das erforderliche Arbeitsfluid permanent eingeschlossen ist. Herkömmliche Schmiermittel können normalerweise nicht in dem Arbeitsvolumen angewendet werden, weil das Schmiermittel verkohlt und Kohleablagerungen die Wärmeübertragungsfähigkeit beeinträchtigen.
  • Diese Bauart beinhaltet häufig eine axiale Kolbenstange, die sich durch eine Gleitdichtung in dem Zylinder erstreckt, die in einem Kreuzkopflager läuft und dann typischerweise über einen normalen Kurbelantrieb mit einer Welle verbunden ist. Gleitdichtungen dieser Art leiden unter hoher Reibung und Abnutzungsproblemen, und eine Kompensation der Abnutzung ist mit solch einer Dichtung schwierig zu erreichen. Die durch die Kolbenstange reduzierte wirksame Kolbenf läche kann ebenfalls nachteilig sein.
  • Alternativen zu Gleitdichtungen, wie Rollmembrandichtungen oder die Verwendung von druckbeaufschlagten Kurbelgehäusen mit einem einfachen Kurbelmechanismus, führen zu anderen Problemen, wie einer Unzuverlässigkeit der Gleitdichtung und überschüssigem Gewicht beim Reduzieren des Volumens des Kurbelgehäuses.
  • In unserer Patentanmeldung PCT/GB 91/00599, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde (veröffentlicht als WO 91/16533), aber nicht vorveröffentlicht wurde, beschreiben wir einen Stirling-Hubkolbenmotor, bei dem eine Verbindung zwischen dem Kolben und einer Hauptwelle einen Hebelarm umfaßt, der zwischen seinen Enden angelenkt ist und sich durch die Zylinderwand erstreckt, und der an einem Ende davon mit dem Kolben und an dem anderen Ende davon mit der Hauptwelle verbunden ist.
  • Aus der JP-A-55 37 540 ist ebenfalls bekannt, einen Stirling-Motor mit einer Hebelarmverbindung auszustatten, die sich durch eine Zylinderwand zu einem Kurbelmechanismus erstreckt. Bei dieser bekannten Anordnung sind verschiedene Dichtungen durch Faltenbälge bereitgestellt und an der Stelle, wo sich der Hebelarm durch die Zylinderwand erstreckt, ist keine Dichtung vorgesehen.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effektive Dichtungsanordnung für solch einen Hebelarm zu liefern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stirling-Motor bereitgestellt mit einem Antriebselement, einem Zylinder, einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer Verbindung zwischen dem Kolben und dem Antriebselement mit einem Hebelaram, der zwischen seinen Enden um ein Drehlager drehbar ist und sich durch die Zylinderwand erstreckt, und mit einer Gasdichtung, die vorgesehen ist, um ein Entweichen von Druck aus dem Zylinder im Bereich des Hebelarms zu verhindern, wobei die Dichtung an dem Hebelarm einen teilweise kugelförmigen Sitz aufweist, dessen Zentrum mit der Drehachse zusammenfällt, wobei sich ein ringförmiges Dichtelement mit einer teilweise kugelförmigen Dichtfläche in dichtendem Kontakt mit dem teilweise kugelförmigen Sitz befindet, und eine Einrichtung aufweist, um das Dichtelement in Dichteingriff mit dem Sitz zu zwingen.
  • Vorzugsweise weist das Drehlager einen Drehzapfen auf, der durch den Hebelarm hindurchgeht und an beiden Enden in einem Drehgehäuse angebracht ist.
  • Vorzugsweise legt die Verbindung zwischen dem Kolben und dem Antriebselement eine Schranke für die Drehbewegung des Hebelarms fest, und ist die Ausdehnung der Dichtfläche größer als die Bewegung eines entsprechenden Teils des teilweise kugelförmigen Sitzes, wenn sich der Hebelarm zwischen seinen Schranken der Drehbewegung so bewegt, daß da ein bestimmter ringförmiger Bereich auf der Oberfläche des Sitzes ist, der in Anlage mit der Dichtfläche ist und immer bleibt.
  • Vorzugsweise ist das Dichtelement in einem beweglichen Dichtungshalter gehalten, der in einem feststehenden Dichtungsträger getragen ist und durch Gasdruck in dem Motor, der durch eine Feder ergänzt werden kann, in Anlage mit dem Dichtungssitz gezwungen wird.
  • Das ringförmige Dichtungselement kann so angeordnet sein, daß es sich um seine eigene Achse dreht, um den Verschleiß gleichmäßig auf der Dichtfläche zu verteilen. Diese Drehung kann aus der Bewegung des Hebelarms resultieren, und zwar durch eine Klinke, die mit einem Klinkenrad in Eingriff kommt, das seinerseits das Dichtungselement durch ein Reduktionsgetriebe antreibt.
  • Nun werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
  • Figur 1 ein schematischer Querschnitt durch einen Vierzylindermotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • Figur 2 einen Teil eines solchen Motors ausführlicher zeigt; und
  • Figur 3 eine Modifikation eines Teils aus Figur 2 zeigt.
  • Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Vierzylinder-Stirling-Motor, der zwei von seinen Zylindern zeigt. Das Motor-Layout beinhaltet zwei Reihen mit zwei Zylindern und ein Zylinder aus jeder Reihe ist gezeigt. Diese sind die bezeichneten Zylinder 2 und 3. Der andere Zylinder in der gleichen Reihe wie Zylinder 2 ist als Zylinder 1 bezeichnet und der andere Zylinder in der gleichen Reihe wie Zylinder 3 ist als Zylinder 4 bezeichnet. Zylinder 2 ist typisch. Er hat eine Hauptbohrung 11, in der ein Kolben 12 mit integriertem Verdränger 13 hinund hergeht. Der Kolben enthält eine sich nach unten erstreckende Kolbenkörperröhre 14, die eine feststehende röhrenförmige Kolbenführung 15 umgibt, so daß der Kolben 12 eher an der Führung 15 geführt ist als durch die Innenfläche des Zylinders 11. Der Zylinder hat einen größeren oberen Durchmesser, der dem gesamten Durchmesser des Kolbens entspricht, und einen kleineren unteren Durchmesser, der geringfügig größer als der Durchmesser der Kolbenkörperröhre ist. Ein im allgemeinen vertikales Zwischenglied 18 bzw. Gelenk 18 verbindet den Kolben über Drehstifte 16 und 19 mit einem Hebelarm 21. Der Hebelarm geht durch Schlitze 22 und 23 jeweils in der Kolbenführung 15 und der Kolbenkörperröhre 14 hindurch.
  • Der Hebelarm hat einen feststehenden Drehpunkt 24 und eine gekröpfte Verlängerung 25. Eine Verbindungsstange 26 bzw. ein Pleuel 26 verbindet die gekröpfte Verlängerung 25 mit einer Kurbelwelle 27. In dieser Art und Weise ist die hinund hergehende Bewegung des Kolbens 12 mit der Drehung der Kurbelwelle 27 gekoppelt.
  • Eine obere bzw. heiße Arbeitskammer 28 ist in den Zylinder oberhalb des Verdrängers 13 vorgesehen. Der Raum unterhalb des Kolbens 12 ist abgeschlossen und bildet eine untere bzw. kalte Arbeitskammer 29. Jede kalte Arbeitskammer ist bezogen auf das Kurbelgeäuse 30 abgedichtet, so daß das Kurbelgehäuse drucklos ist und Teile in ihm herkömmlich geschmiert werden können. Die Dichtungsanordnung für einen Arm 21 wird unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben werden.
  • Die mechanische Anordnung eines Kolbens 32 für Zylinder 3 hin- und hergehend in einer Zylinderbohrung 31 ist ein Spiegelbild der Anordnung für Zylinder 2. Der Kolben 32 ist durch einen Kurbelstift, der so ausgelegt ist, daß er eine 90º-Phasendifferenz zwischen der Hin- und Herbewegung der Kolben 12 und 32 liefert, mit der Kurbelwelle 27 gekoppelt.
  • Wie gezeigt ist, ist die kalte Kammer 29 von Zylinder 2 durch einen Gasdurchgang 34 mit der heißen Kammer 33 von Zylinder 3 verbunden. Diese Verbindung ist über einen Kühler 35, einen Regenerator 36 und ein Heizgerät 37 in der Nähe der heißen Kammer 33 gebildet. In der Praxis erfolgt das Erhitzen durch Verbrennungsgase, die über den oberen Teil des Zylinders geführt werden, und der Kühler verwendet Wasser als Kühlmittel. Pfeile zeigen die Strömung des Arbeitsfluids zwischen den heißen und kalten Kammern an. Durch den Gasdurchgang 34 sind die kalte Kammer 29 und die heiße Kammer 33 zu einem einzigen geschlossenen Arbeitsvolumen vereinigt, in dem das Arbeitsgas allgemein nach dem Stirling-Motor-Prozeß arbeitet.
  • Der Zylinder 2 ist in einem ausreichenden Maße axial von der Kurbelwelle 27 versetzt, um ein Spiel zwischen benachbarten Hebelarmen, Pleueln und Kurbelwellen-Verbindungen zu ermöglichen. Die anderen zwei Zylinder 1 und 4 sind jeweils hinter den Zylindern 2 und 3 angeordnet und sind nicht gezeigt. Sie sind in ähnlicher Weise geringfügig voneinander versetzt und sind über Kurbelstifte mit der Kurbelwelle gekoppelt, die auf geeignete Winkel eingestellt sind, um 90º-Phasenwinkel zwischen den Zylindern 1 und 2, 2 und 3, 3 und 4 und somit ebenfalls 4 und 1 zu schaffen. Der Zylinder 2 ist in der Hubmitte gezeigt, während Zylinder 3 bei OT ist. Es gibt insgesamt 4 Gasdurchgänge, die im wesentlichen dem Gasdurchgang 34 entsprechen, wobei jeder die kalte Kammer von einem Zylinder mit der heißen Kammer eines benachbarten Zylinders verbindet. In jedem Fall gibt es einen entsprechenden 90º-Phasenwinkel zwischen jedem Paar von miteinander verbundenen Kammern.
  • Diese allgemeine Anordnung von vier Zylindern, 90º-Phasenwinkeln und die Verbindung von heißen und kalten Arbeitskammern ist eine wohlbekannte Form eines Stirling- Motorlayouts, das ebenso wie weitere Details seiner Betriebsweise als Rinia-Layout bekannt ist, und hier nicht beschrieben werden wird. Figur 2 zeigt Details eines Zylinders von einem Motor, der ähnlich dem der Figur 1 ist, aber einige Detailunterschiede im Layout aufweist.
  • Der Zylinder für den Motor wird primär durch eine rostfreie Stahlzylinder-Laufbuchse 41 gebildet, deren Innenfläche eine Oberfläche liefert, an der eine Kolbendichtung 45 gleitet. Der Zylinder erstreckt sich mittels eines geschlossenen zylindrischen rostfreien Stahlmantels (spinning) 42, der eine Heizgerät-Laufbuchse bildet, nach oben in einen Heizkopf. Im Gebrauch wird Wärme kontinuierlich auf den Heizkopf aufgebracht, so daß das Arbeitsfluid erhitzt wird und der Raum oberhalb des Kolbens eine heiße Arbeitskammer wird. In ähnlicher Weise wird der Bereich unterhalb des Kolbens kontinuierlich gekühlt, z.B. durch einen Wasserkühler, der die Buchse 41 umgibt, um eine kalte Arbeitskammer unterhalb des Kolbens zu bilden. Weitere Details der Heiz- und Kühlanordnungen können sein wie in Figur 1. Die Innenfläche der Buchse 42 hat keinen Kontakt mit dem Kolben oder einem Verdränger, der an dem Kolben angebracht ist. Die Buchse 41 selbst ist in einem Hauptgußteil 43 gehalten, das einen Außenzylinder und ebenfalls einen Teil des Kurbelgehäuses des Motors bildet.
  • Ein Kolben 44 ist hin- und hergehend in dem Zylinder angeordnet, hat aber keinen direkten Führungskontakt mit dem Zylinder. Eine Gleitdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder ist durch eine Kolbenringeinrichtung 45 gebildet.
  • Das primäre Strukturelement des Kolbens ist eine aus einer Aluminiumlegierung gegossene Kolbenkörperröhre 46 mit einer erheblich größeren Länge als ein herkömmlicher Kolben. Die Kolbenkörperröhre 46 beinhaltet einen oberen äußeren Flansch 47, an dem ein äußerer Kolbenkörper 48 aus rostfreiem Stahl angebracht ist, der in einer äußeren Ringnut den Kolbenring 45 trägt. Der äußere Kolbenkörper 48 ist an dem Flansch 47 befestigt, und zwar durch Anbringen von Zapfen zwischen diesen Komponenten, einen Haltering 49 und Bolzen 51, die durch den Flansch 47 und den Haltering 49 hindurchgehen. Der Haltering 49 hält andere Komponenten in Position und diese werden im folgenden beschrieben werden.
  • Eine feststehende, zylindrische, röhrenförmige Kolbenführung 52 erstreckt sich in axialer Richtung aufwärts in den Zylinder. Sie ist an ihrem unteren Ende an dem Kurbelgehäuse befestigt, das durch ein Gußteil 43 gebildet ist, wie nun erläutert werden wird. Die Kolbenführung 52 enthält einen unteren, äußeren Flansch 53, der eine Zapfenverbindung mit dem Kurbelgehäuse bildet und durch einen Ring von Schaftschrauben 54 an dem Kurbelgehäuse befestigt ist. Das untere Ende der Kolbenführung 52 ist durch ein außen angeflanschtes Verschlußelement 50 geschlossen, das durch Bolzen 55 an dem Kurbelgehäuse befestigt ist, wobei diese Bolzen durch den Flansch 53 hindurchgehen und somit eine weitere Fixierung für die Kolbenführung 52 liefern. Separate Sets von Bolzen 54 und 55 sind so vorgesehen, daß die Kolbenführung 52 vor dem Verschlußelement 50 installiert werden kann, und zwar als Hilfe bei der Montage von anderen Teilen des Motors.
  • Der Kolben ist so geführt, daß er sich gleitend an der Kolbenführung 52 bewegt, die sich aufwärts in die Kolbenkörperröhre 46 erstreckt.
  • Das Innere der Kolbenkörperröhre bildet eine Aussparung, die an ihrem oberen Ende geschlossen ist und im folgenden beschrieben werden wird. Die Innenfläche der Kolbenkörperröhre 46 trägt ein unteres, ringförmiges Lagerpad 46 und trägt ebenfalls einen Lagerpadträger 57, der ein oberes Lagerpad 58 trägt. Diese Lagerpads sind typischerweise aus mit Bronze imprägniertem PTFE gebildet. Die Kolbenführung 52 ist typischerweise aus mit Nickel/PTFE stromlos plattiertem weichem Stahl gebildet, um eine Lagerfläche für die Pads 56 und 58 zu schaffen, die in einer ölfreien Umgebung zufriedenstellend arbeiten wird.
  • Der obere Lagerpadträger 57 ist durch den Haltering 49 in einem Zapfen an dem oberen Ende der Kolbenkörperröhre befestigt.
  • Der Kolben 44 enthält ebenfalls einen Verdrängerkopf aus rostfreien, verpreßten und kaltgedrückten Stahlblechen (pressings und spinnings). Das ist herkömmliche Stirling- Motortechnologie, so daß nur ein Teil des Verdrängerkopfes gezeigt ist. Die Zeichnung zeigt einen Teil eines kuppelgekrönten zylindrischen Verdrängerkopfes 61. Eine Reihe von ganzen angeflanschten Trennwänden 62 und in der Mitte offenen angeflanschten Trennwänden 63 dient dazu, den Wärmeübergang von oberhalb des Verdrängerkopfes in den Körper des Kolbens einzuschränken und ebenfalls den Verdrängerkopf auszusteifen. Blöcke aus einem leichten, thermischen Isoliermaterial können zwischen benachbarten Trennwänden angeordnet sein und durch diese getragen sein. Der Verdrängerkopf 61 selbst ist an dem äußeren Kolbenkörper 48 angebracht und durch Punktschweißen befestigt.
  • Der obere Teil des Verdrängerkopfes schließt die Aussparung in dem Kolben über dem Kolbendurchmesser oberhalb des oberen Endes der Kolbenkörperröhre 46, so daß das Innere dieser Röhre eine Aussparung wird, die an ihrem unteren Ende geöffnet und an ihrem oberen Ende geschlossen ist.
  • Für das Funktionieren des Stirling-Motors ist es wünschenswert, daß das freie Volumen unterhalb des Kolbens, welches das Volumen in der Aussparung, auf die oben Bezug genommen wurde, einschließt, auf einem vernünftigen Minimum gehalten wird. Zu diesem Zweck ist ein gewölbtes, zylindrisches, internes Füllelement 64 an dem Kolben angebracht, um ein Teil davon zu bilden, und erstreckt sich abwärts in die Kolbenkörperröhre 46. Das Füllelement 64 ist ein Gebilde aus rostfreiem Stahl (spinning) und wird durch ein weiteres kaltgedrücktes (spun) Element 65 in Position gebracht, das seinerseits durch den Haltering 49 an der Kolbenkörperröhre 46 befestigt ist. Die Elemente und 64 und 65 tragen ebenfalls dazu bei, den Wärmeübergang abwärts durch den Kolben einzuschränken.
  • Wie soweit beschrieben, kann der Kolben 44 in axialer Richtung frei in dem Zylinder 41 gleiten und ist so geführt, daß er an der sich axial erstreckenden Kolbenführung 52 durch untere und obere Lagerpads 56 und 58 gleitet. Dieser Führungsmechanismus hält die Außenfläche des Kolbens in Abstand von dem Zylinder 41.
  • Der Kolbenring 45 dient nur als Gleitdichtung und nicht als Führung für den Kolben. Weil der Verdrängerkopf gut oberhalb des oberen Pads 58 nicht gelagert ist, ist ein nahezu konstanter Gleitsitz zwischen diesem Pad und der Kolbenführung besonders wichtig für die Lokalisierung des Kolbens.
  • In dem Kurbelgeäuse, das in dem Hauptgußteil 43 gebildet ist, ist eine Kurbelwelle 71 so angebracht, daß sie um eine Achse 72 in Lagern, die nicht gezeigt sind, rotiert. Die Kurbelwelle weist einen herkömmlichen versetzten Kurbelzapfen 73 auf. Die Hauptkomponenten, welche den Kolben und die Kurbelwelle verbinden, sind ein Hebelarm 74 und eine Verbindungsstange bzw. ein Pleuel 75.
  • Der Hebelarm 74 erstreckt sich durch eine Öffnung 76, die praktisch in der Wand des Zylinders angeordnet ist. Er ist drehbar um ein Drehlager angebracht, das einen Drehzapfen 77 enthält, der an beiden Enden in einem Drehgehäuse 78 fixiert ist, das durch Bolzen 79 an dem Hauptgehäuse 43 befestigt ist. Das äußere Ende des Hebelarms 74 ist durch einen Stift 79 mit dem Pleuel 75 verbunden, und in dieser Weise ist die Drehung der Kurbelwelle mit der hin- und hergehenden Schwenkbewegung des Hebelarms 74 gekoppelt.
  • Das innere Ende des Hebelarms 74 erstreckt sich in den Zylinder 41 und ist im wesentlichen auf der Achse des Zylinders angeordnet. Um ein Spiel zum Einsetzen und für die Hin- und Herbewegung zu schaffen, enthält die Kolbenkörperröhre 46 einen Schlitz 81 und die Kolbenführung 52 einen Schlitz 82. Der Hebelarm 74 endet in einem oberen Kolben-Drehzapfen 83, der den Hebelarm mit einem Kolbengelenk 84 verbindet, das gegabelt ist, um auf beiden Seiten des Hebelarms 74 Drehstift-Verankerungen zu schaffen. Ein unterer Kolben-Drehstift 85 geht durch das untere Ende des Kolbengelenks und durch Schlitze 86 in der Kolbenführung 52 hindurch, um in (nichtgezeigten) Bohrungen in der Kolbenkörperröhre 46 zu enden. In dieser Weise ist der Kolben 44 für eine hin- und hergehende Bewegung mit dem Hebelarm 74 gekoppelt, wobei das Gelenk 84 für die radiale Komponente der Bewegung des Hebelarms 74 bezüglich des Zylinders sorgt.
  • Für die Kurbelwellen- und Pleuellagerungen und für die Drehbewegung des Hebelarms 74 um den Drehstift 77 kann eine herkömmliche Schmierung verwendet werden. In dem Hebelarm 74 und dem Gelenk 84 können ebenfalls Schmierkanäle vorgesehen sein, um eine Schmierung für die Drehzapfen 83 und 85 zu liefern. Alternativ kann auf die Drehzapfen 83 und 85 eine trockene Schmiermethode angewendet werden.
  • Zu der Drehbewegung des Hebelarms 74 gehört eine gasdichte Dichtung. Der Hebelarm selbst trägt einen teilweise kugelförmigen Dichtungssitz 91, der an dem Hebelarm angebracht ist, wobei sein Zentrum mit dem Zentrum der Drehachse des Hebelarms zusammenfällt. In dem Gußteil 43 ist ein feststehender, ringförmiger Dichtungsträger 92 angebracht und trägt einen beweglichen Dichtungshalter 93, der seinerseits ein ringförmiges Dichtungselement 94 mit einer teilweise kugelförmigen Oberfläche in Kontakt mit der entsprechenden Oberfläche des Dichtungssitzes 91 hält. Eine ringförmige Feder 95, welche die Form einer gewellten Scheibe aufweisen kann, dient dazu, den Dichtungshalter 93 und das Dichtungselement 94 in eine Richtung nach außen zu zwingen, um einen dichtenden Kontakt mit dem Sitz 91 zu schaffen. Eine Reihe von O-Ringen 96, 97 und 98 schaffen eine weitere Dichtung zwischen Komponenten der Dichteinrichtung. Das Dichtelement selbst kann aus einem in einem hohen Grade undurchdringlichen PTFE/Bronze-Verbund bestehen, wobei Polyimid-Harze oder PTFE/Polyimid-Mischungen Alternativen sind. Der Dichtungssitz kann eine Grundfläche aus rostfreiem Stahl aufweisen, oder er kann stromlos mit PTFE und einem Metall plattiert sein. Eine Alternative ist ein keramischer Dichtungssitz.
  • Die Dichtung ist, wenn an den kugelförmigen Lagerflächen Verschleiß auftritt, dadurch selbst-einstellend, daß das Dichtungselement und der Dichtungshalter in Kontakt mit dem Dichtungssitz gehalten werden. Die Dichtung ist so ausgelegt, daß der Innendruck in dem Zylinder auf den Dichtungshalter wirkt, um sowohl den Auflagedruck zwischen dem Dichtungselement und dem Dichtungssitz zu erhöhen, als auch den Dichtungshalter in einer Richtung zu bewegen, um Verschleiß aufzunehmen. Die effektive Aufnahme des Verschleißes ist möglich, weil die verfügbare Bewegung eine Komponente normal zu den Verschleißflächen aufweist. Die Feder 95 liefert einen Anfangskontakt zu Dichtzwecken.
  • Figur 3 ist eine Ausbruchansicht eines Teils eines Motors, der dem der Figur 2 entspricht, aber eine Modifikation aufweist, wodurch bewirkt wird, daß das Dichtungselement 94 langsam rotiert, um die Abnutzung in dem Dichtungselement zu vergleichmäßigen. Es sollte erläutert werden, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Sitzes 91, bezogen auf das Dichtungselement 94 in Bereichen in der Nähe der Bewegungsebene des Hebelarms 74 viel größer ist als an Positionen 90 um den Umfang des Dichtungselementes.
  • Der Mechanismus, der die Rotation liefert, ist wie folgt. Ein Antriebsring 105 ist in einer ringförmigen Aussparung angebracht, die in den Umfang des Drehgehäuses 78 gearbeitet ist. Der Antriebsring 105 enthält einen Ring Klinkenzähne 106 und eine einzelne Startbewegungseinrichtung 107 auf seiner Außenseite. Eine Klinke 108, die an einem Drehzapfen 109 auf dem Drehstift 77 angebracht ist, wird durch eine Feder 110 in Eingriff mit den Klinkenzähnen gehalten.
  • Eine hin- und hergehende Bewegung des Hebelarms 74 schaltet den Antriebsring 105 somit bei jeder Umdrehung des Motors über die Distanz eines Klinkenzahnes weiter. Die Bewegungseinrichtung 107 treibt ihrerseits ein Zahnrad 111 und ein Schneckenrad 112 an, das drehfest damit verbunden ist. Das Schneckenrad 112 treibt ein weiteres Zahnrad 113 an, das eine Welle 114 aufweist, die sich in das Drehgehäuse 78 erstreckt, und das ebenfalls ein Ritzel 115 aufweist, das sich im Eingriff mit entsprechenden äußeren Getriebezähnen um den Umfang des äußeren Dichtungsträgers 92 befindet. Eine Aussparung in dem Hebelarm liefert das Spiel für das Zahnrad 113. Bei dieser Modifikation befindet sich der Dichtungshalter 93 so mit dem Dichtungsträger 92 in Eingriff, daß sich beide zusammen drehen. Dieses Eingreifen kann z.B. durch einen Stift in einer Keilnut geschaffen werden.
  • Bei der Benutzung des Motors schaltet die Bewegung des Hebelarms den Antriebsring 105 weiter, der seinerseits die verschiedenen Getriebeelemente 111, 112, 113 und 115 dreht, um dadurch eine Drehung des Dichtungselementes 94 zu bewirken, die aus der Bewegung des Hebelarms resultiert. Das Getriebe sollte so ausgelegt sein, daß eine Umdrehung des Dichtungselementes 94 in mehreren Stunden Motorbetrieb auftritt. Dadurch wird der Verschleiß bzw. die Abnutzung des Dichtungselementes so vergleichmäßigt, daß es mit einer längeren Lebensdauer ausgestattet wird, und ebenfalls eine effektivere Abdichtung liefert.
  • Ein weiteres wichtiges Merkmal der Dichtungsanordnung, wie sie in den beiden Figuren 2 und 3 beschrieben ist, ist das folgende. Das Ziel dieses Merkmals ist es, sicherzustellen, daß kein Teil des Dichtungssitzes 91, das im Gebrauch dem Arbeitsgas im Inneren des Motors ausgesetzt ist, zu irgendeiner Zeit dem Bereich auf der anderen Seite der Dichtung, nämlich in dem Motorkurbelgehäuse, ausgesetzt ist. Dies wird erreicht durch eine geeignete Dimensionierung der Breite A der Dichtung, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, und zwar in Relation zu den Schranken der Drehbewegung des Hebelarms. Insbesondere sollte die Breite der Dichtfläche größer sein als die Bewegung des entsprechenden Teils des Sitzes 91, wenn sich der Hebelarm zwischen seinen Schranken der Dreh- bzw. Schwenkbewegung bewegt. Unter Berücksichtigung eines anderen Weges, ist da immer ein bestimmter ringförmiger Bereich auf der Oberfläche des Sitzes, der in Anlage mit der Dichtfläche ist und immer bleibt.
  • Der in Figur 2 gezeigte Motor ist ein doppelt wirkender Vierzylinder-Stirling-Motor, der dem in Figur 1 gezeigten Layout entspricht. Nur ein Zylinder ist gezeigt. Im Gebrauch ist der Bereich des Zylinders oberhalb des Kolbens eine heiße Arbeitskammer und der Bereich des Zylinders unterhalb des Kolbens eine kalte Arbeitskammer. Dieser untere Bereich weicht infolge der mechanischen Kopplung über den Hebelarm 74 mit einem Kolben und infolge der Montage der Kolbenführung etwas von der zylindrischen Gestalt ab. Diese Gestalt weicht infolge der Forderung, das effektive Volumen unterhalb des Kolbens auf ein vernünftiges Minimum zu reduzieren, wenn der Kolben in seiner niedrigsten Stellung ist, des weiteren von derjenigen eines Zylinders als solchem ab. Der Druck unterhalb des Kolbens wirkt jedoch auf die gesamte Fläche des Kolbens, wobei praktisch ein vollflächiger Kolben geschaffen wird, der sich über den Zylinder erstreckt und Druck ausgesetzt ist.
  • Im Gebrauch wird der Arbeitsraum in dem Zylinder unterhalb des Kolbens als kalte Arbeitskammer in dem Stirling-Motor betrieben, mit dem Resultat, daß das Arbeitsgas eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Das wiederum hält die Temperatur des unteren Lagerpads 56 niedrig. Auf der anderen Seite ist das obere Lagerpad 58 von dem kalten Haupt- Arbeitsraum unterhalb des Kolbens entfernt und könnte infolge eines Wärmeübergangs durch den Kolben von der heißen Arbeitskammer eine unerwünscht hohe Temperatur aufweisen. Um diesen Effekt zu reduzieren, läßt man kaltes Arbeitsfluid an dem oberen Lagerpad vorbeiströmen. Der Padträger 57 ist mit Lüftungslöchern 99 ausgestattet, die es dem Arbeitsgas ermöglichen, durch diesen hindurchzugehen. Das Ringvolumen 100, unmittelbar oberhalb der Kolbenführung 52, das auch durch Elemente 64 und 65 begrenzt ist, nimmt bei der Hin- und Herbewegung des Motors zu und ab, was bewirkt, daß kaltes Arbeitsgas durch die Lüftungslöcher 99 hindurchgeht. Etwas Gas in dem Volumen 100 tritt ebenfalls durch den Ringspalt zwischen dem Füllelement 64 und dem Inneren der Kolbenführung 52 ein und aus, aber indem dieser Spalt auf einem vernünftigen Minimum gehalten wird, erfolgt eine signifikante Gasströmung durch die Lüftungslöcher. Diese Gasströmung führt dazu, die Temperatur des Lagerpadträgers 57 und des Lagerpads 58 niedrig zu halten.
  • Die Lüftungslöcher 99 können asymmetrisch ausgebildet sein, so daß Luft einfacher in einer Richtung durch sie strömt als in der anderen Richtung. Z.B. kann ein Ende mit einer scharfen, spitzwinkligen Kante versehen sein, während das andere Ende mit einer abgerundeten Kante versehen ist. Eine derartige Anordnung resultiert in einer Netto-Zirkulation von kühlendem Arbeitsfluid durch den Lagerpadträger 57 anstatt nur gleichen alternierenden Strömungen in beiden Richtungen.
  • Die gezeigte Anordnung ermöglicht die Herstellung eines kompakten Vierzylindermotors. Die Zylinder sind in zwei parallelen Reihen von zwei Zylindern angeordnet, und zwar eine auf jede Seite der Kurbelwellenachse 72. Die beiden Reihen sind in Richtung der Kurbelwelle um eine Entfernung versetzt, die gleich der Hälfte des Abstands zwischen den Zylindern in einer Reihe ist. Das ermöglicht ein Spiel für das Drehgehäuse 78 und das Pleuel 75 zwischen unteren Bereichen mit geringerem Durchmesser der beiden Zylinder der anderen Reihe, was ermöglicht, daß die Bereiche mit größerem Durchmesser der beiden Zylinderreihen näher aneinander liegen und dadurch eine kompakte Bauweise ermöglichen. Obwohl ein relativ langer Zylinder erforderlich ist, um die Kolbenkörperröhre und die Kolbenführung unterzubringen, hat der untere Teil dieses Zylinders einen reduzierten Durchmesser, was in geeigneter Weise ein Spiel für die Kurbelwelle liefert. Somit kann ein kompaktes Gesamtmotordesign geschaffen werden.
  • Bei der gewöhnlichen Art eines Stirling-Motors steht die heiße Arbeitskammer von einem Zylinder durch die Heiz- und Kühleinrichtungen in ständiger Verbindung mit der kalten Arbeitskammer eines anderen Zylinders, der bei einem geeigneten Phasenwinkel zu dem erstgenannten Zylinder betrieben wird.
  • Als Abweichung von dem doppelt wirkenden Vierzylinder- Layout könnten zwei einfach wirkende Zylinder verwendet werden. Das Layout könnte im allgemeinen so sein wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, wobei aber die obere heiße Kammer von einem Zylinder und die untere kalte Arbeitskammer von dem anderen Zylinder weggelassen sind.
  • Eine weitere Alternative würde eine einzelne Zylinderanordnung mit einem zusätzlichen unteren Kolben sein, der koaxial zu dem Hauptkolben ist. Der zusätzliche Kolben sollte bei solch einem Phasenwinkel mit der Kurbelwelle verbunden sein, daß die erforderliche Beziehung zwischen Expansion und Kontraktion der heißen und kalten Arbeitskammern geschaffen wird, so daß die Kammern von dem gleichen Zylinder gekoppelt sein können, um einen Stirling- Motor zu schaffen.

Claims (10)

1. Stirling-Motor mit einem Antriebselement (71), einem Zylinder (2), einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben (12), einer Verbindung (84, 74, 75) zwischen dem Kolben und dem Antriebselement mit einem Hebelarm (74), der zwischen seinen Enden um ein Drehlager (77) drehbar ist und sich durch die Zylinderwand (Öffnung 76) erstreckt, und mit einer Gasdichtung (91, 92, 93, 94), die vorgesehen ist, um ein Entweichen von Druck aus dem Zylinder im Bereich des Hebelarms zu verhindern,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung an dem Mebelarm (74) einen teilweise kugelförmigen Sitz (91), dessen Zentrum mit der Drehachse zusammenfällt, wobei sich ein ringförmiges Dichtelement (94) mit einer teilweise kugelförmigen Dichtfläche in dichtendem Kontakt mit dem teilweise kugelförmigen Sitz befindet, und eine Einrichtung (95) aufweist, um das Dichtelement in Dichteingriff mit dem Sitz zu zwingen.
2. Stirling-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehlager einen Drehzapfen (77) aufweist, der durch den Hebelarm (74) hindurchgeht und an beiden Enden in einem Drehgehäuse angebracht ist.
3. Stirling-Motor nach Anspruch 1 oder Anpruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Kolben (12) und dem Antriebselement (71) eine Schranke für die Drehbewegung des Hebelarms festgelegt, und wobei die Ausdehnung der Dichtfläche größer ist als die Bewegung eines entsprechenden Teils des teilweise kugelförmigen Sitzes, wenn sich der Hebelarm zwischen seinen Schranken der Drehbewegung so bewegt, daß da ein bestimmter ringförmiger Bereich auf der Oberfläche des Sitzes ist, der in Anlage mit der Dichtfläche ist und immer bleibt.
4. Stirling-Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (94) in einem beweglichen Dichtungshalter (93) gehalten ist.
5. Stirling-Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungshalter (93) in einem feststehenden Dichtungsträger (92) getragen ist und durch Gasdruck in dem Motor in Anlage mit dem Dichtungssitz gezwungen wird.
6. Stirling-Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsträger (92) durch eine Feder (95) ebenfalls in Anlage mit dem Dichtungssitz (91) gezwungen wird.
7. Stirling-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein doppelt wirkender Stirling-Motor ist, und wobei sich der Hebelarm (74) durch die Zylinderwand in einen kalten Arbeitsraum davon erstreckt.
8. Stirling-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Dichtelement (94) so angeordnet ist, daß es sich um seine eigene Achse dreht, um den Verschleiß gleichmäßig auf der Dichtfläche zu verteilen.
9. Stirling-Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für die Drehung des Dichtelementes aus der Bewegung des Hebelarms (74) abgeleitet ist.
10. Stirling-Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die Bewegung des Hebelarms (74) betätigte Klinke (108) mit einem Klinkenrad (105) in Eingriff kommt, das seinerseits das Dichtungselement durch ein Reduktionsgetriebe (107, 111, 113, 115) antreibt.
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