DE69518926T2

DE69518926T2 - Zentrierungssystem mit rückschlagventil für eine freikolbenmaschine

Info

Publication number: DE69518926T2
Application number: DE69518926T
Authority: DE
Inventors: T. Beale; W. Lane; Jarlath Mcentee
Original assignee: Sunpower Inc
Current assignee: Sunpower Inc
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2015-08-04
Also published as: AU685997B2; WO1996007815A1; DE69518926D1; AU3209695A; EP0783618B1; US5461859A; JPH10505396A; EP0783618A4; BR9508823A; EP0783618A1; JP3786959B2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zentrieren des Arbeitskolbens einer Freikolbenmaschine wie bspw. eines Stirlingmotors oder einer Wärmepumpe, bei einer erwünschten, mittleren Betriebsposition. Bei einem Aspekt bezieht sie sich auf ein zentrierendes System von Öffnungen, das periodisch Gas von dem Raum an einem Ende des Kolbens in den Raum an dem anderen Ende des Kolbens überströmen lässt, wie bspw. von dem rückwärtigen Raum zu dem Arbeitsraum einer Stirlingmaschine, jedoch ein übermäßiges Zurückströmen des Gases in der umgekehrten Richtung verhindert.

Stand der Technik

Eine nach dem Stirlingprinzip arbeitende Freikolbenmaschine umfaßt üblicherweise als Komponenten ein zylindrisches Gehäuse, welches einen linear oszillierenden Arbeitskolben und einen linear oszillierenden Verdrängerkolben enthält. Der Arbeitskolben unterteilt den Innenraum des Gehäuses in zwei Gasräume. Ein Raum ist ein Arbeitsraum, der von dem Arbeitskolben an dessen verdrängerseitigem Ende begrenzt wird, und der andere Raum ist ein rückwärtiger oder Rückprallraum, der von der anderen Seite des Arbeitskolbens begrenzt wird. In dem Arbeitsraum wird dem Gas Wärme zugeführt, die mit dem Arbeitskolben und dem Verdrängerkolben zusammenwirkt, um das Gas in dem Arbeitsraum zyklisch zu komprimieren und zu expandieren, um einen Teil der zugeführten Wärme in Arbeit umzuwandeln. Das Gas in dem rückwärtigen Raum kann als Feder wirken, um die Bewegung des Kolbens während des Arbeitshubs des Motors zu begrenzen und die Oszillation des Arbeitskolbens und des Verdrängerkolbens in einer zeitlichen Relation aufrecht zu erhalten, obwohl jene nicht in Phase schwingen. Dem in dem Arbeitsraum enthaltenen Gas wird Wärme in einer derartigen Menge entzogen, die gleich der Differenz zwischen der zugeführten Wärme und der geleisteten Arbeit ist, wie dies durch das erste und zweite Gesetz der Thermodynamik vorgeschrieben ist. Ein Regeneratorbauteil wird verwendet, um einen Teil der von einem Zyklus zum nächsten übertragenen Wärme zu regenerieren. Das Arbeitsgäs in dem Motor kann Luft sein, Wasserstoff, Helium, andere Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten od. dgl.
In einem nach dem Stirlirigprinzip betriebenen Freikolbenmotor kann der Arbeitskolben an Magnete- gekoppelt sein, die durch den Kolben innerhalb der Spulen eines Wechselstromgenerators oszillierend bewegt werden, um die von dem Motor erzeugte, mechanische Arbeit in elektrische Energie umzuwandeln. Ein grundsätzlicher Vorteil dieser Betriebsart ist, dass der Motor keine externen, mechanischen Kopplungen mit anderen Anlagenteilen benötigt, so dass der gesamte Motor hermetisch abgeschlossen sein kann. Dadurch wird natürlich die Zuverlässigkeit und Betriebsdauer des Motors erhöht.
Obwohl auf einen Stirlingmotor Bezug genommen wird, ist die Erfindung gleichermaßen auf andere, nach dem Stirlingprinzip betriebene Freikolbenmaschinen anwendbar wie bspw. Wärmepumpen und Kühlgeräte und andere Freikolbenmaschinen wie auch ein Freikolbenkompressor. Bei derartigen Stirling-Anwendungen sind die Richtungen der Interaktionen zwischen Wärme und Arbeitsenergie umgekehrt. Der Begriff "Stirling-Maschine" ist gemeint als Oberbegriff für Stirlingmotoren, Wärmepumpen und Kühlgeräte.
Zwischen dem Arbeitskolben und der inneren Wand des Gehäuses sind Dichtungsmittel vorgesehen, um den Arbeitsraum gegenüber dem rückwärtigen Raum größtenteils abzudichten. Die Abdichtungsmittel können die Form von Ringen oder einfach einer Präzisionspassung aufweisen. Da der Arbeitskolben sich innerhalb des Gehäuses in Anbetracht verschiedener Effekte wie bspw. thermischer Ausdehnung frei bewegen können muss, existiert unvermeidlich ein kleiner, ringförmiger Spalt zwischen dem Kolben und dem Gehäuse. Das Arbeitsgas kann zwischen dem Arbeits- und dem rückwärtigen Raum durch den dazwischen befindlichen, ringförmigen Spalt überströmen, wobei die Strömung von dem höheren zu dem niedrigeren Druck gerichtet ist. Das Arbeitsgas unterliegt deshalb einem Leckage-Fluß von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum, wenn der Druck in dem Arbeitsraum höher ist als in dem rückwärtigen Raum, und in umgekehrter Richtung, wenn die Druckdifferenz umgekehrt verläuft. Der Fluß durch den ringförmigen Spalt ist eine nichtlineare Funktion, da die Flußrate proportional zu dem Quadrat der Druckdifferenz über dem Spalt ist oder einer anderen, nicht linearen Relation entspricht.
Der rückwärtige Raum in Stirung-Maschinen ist im allgemeinen derart konzipiert, dass er ein relativ großes Volumen umfaßt, so dass der Gasdruck in dem rückwärtigen Raum während des Betriebs näherungsweise konstant bleibt. Der Druck in dem Arbeitsraum unterliegt jedoch starken Amplitudenschwankungen während eines Zykluses. Wenn der Druck in dem Arbeitsraum als Zeitfunktion betrachtet wird, erscheint er als Druckwelle mit einer Reihe von Spitzen, welche sich erheblich über das Druckniveau in dem rückwärtigen Raum erheben. An die Spitzen schließt sich jeweils ein längeres Zeitintervall an, währenddessen der Druck in dem Arbeitsraum geringfügig unterhalb des Druckes in dem rückwärtigen Raum liegt, bis die nächste Spitze auftritt. Die Druckwelle nimmt in asymmetrischer Relation zu dem Druck in dem rückwärtigen Raum zu und ab. Obwohl die Spitzen der Druckwelle sich nur über ein kurzes Zeitintervall erstrecken im Verhältnis zu der gesamten Zyklusperiode, hat das Gas währenddessen infolge der Nichtlinearität der Beziehung zwischen Druck und Flußrate eine erhebliche Kraft zur Ausbildung eines Leckageflusses von dem Arbeitsraum (nach außen) zu dem rückwärtigen Raum. Während des auf die Spitze folgenden Zeitintervalls, wenn der Druck in dem rückwärtigen Raum höher ist als in dem Arbeitsraum, wird ein Fluß in der umgekehrten Richtung (nach innen) stattfinden, jedoch wird die Gasflußrate infolge der nichtlinearen Krümmungsverhältnisse während dieses Intervalls erheblich geringer sein als während der Spitze. Obwohl der Fluß während einer Periode des zyklischen Prozesses teils nach innen und teils nach außen gerichtet ist, ergibt sich jedoch üblicherweise als Folge der Nichtlinearität der Strömung ein Netto-Transport des Gases von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum. Dieser oder jeder andere Grund einer asymmetrischen Leckage erhöht das Gasvolumen in dem rückwärtigen Raum und reduziert das Gasvolumen in dem Arbeitsraum, wodurch ein Kriechen des Arbeitskolbens von seiner vorgegebenen Mittelposition nach innen ausgelöst wird.
Unzulänglichkeiten der Passung zwischen dem Arbeitskolben und dem Gehäuse können ein Kriechen des Arbeitskolbens nach außen verursachen. In einem präzise geformten Motor veranlaßt jedoch die nichtlineare Beziehung zwischen dem Druck und dem Fluß im allgemeinen ein Kriechen nach innen. Eine Kriechtendenz in irgendeiner Richtung macht es schwierig, die Position des Arbeitskolbens zu steuern, und kann das Verhalten des Motors negativ beeinflussen. Bei anderen Freikolbenmaschinen kann eine abweichende, asymmetrische Druckwelle in dem Arbeitsraum sowohl ein Kriechen nach innen als auch nach außen bedingen.
Die meisten Versuche zur automatischen Zentrierung des Arbeitskolbens einer nach dem Stirlingprinzip betriebenen Freikolbenmaschine umfassen ein System von Gasöffnungen, um das asymmetrisch überströmende Gas von dem rückwärtigen Raum in den Arbeitsraum periodisch zurückzuleiten. Bspw. lehrt das US-Patent Nr. 4,583,364 ein Verfahren und eine Vorrichtung, wobei mittels einer zentralen Öffnung und Passage, die von dem Arbeitskolben periodisch geöffnet wird, um eine korrigierende, nach innen gerichtete Gasströmung zu ermöglichen, so dass die nach außen gerichtete, asymmetrische Leckage ausgeglichen wird. Jenes Patent lehrt ferner die Verwendung eines Verdrängerkolbens mit einer abdichtenden Oberfläche, der periodisch mit einer Öffnung entlang der Passage ausgerichtet wird, um die nach außen gerichtete Gasströmung bei der (nach außen gerichteten) Kolbenrückbewegung zu blockieren. Eine Unterbindung der Gasströmung während der nach außen gerichteten Bewegung verbessert die Leistungsabgabe, da es keinen Gastransport von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum gibt, wie dieser anderenfalls auftreten würde.
Das US-Patent Nr. 4,404,802 lehrt die Verwendung eines zentrierenden Systems von Öffnungen, welche durch Ventilöffnungen geöffnet und geschlossen werden, wenn diese nach Art eines Tauchkolbenventils ausgerichtet sind. Der Arbeitsraum und der rückwärtige Raum treten sowohl bei dem einwärts gerichteten als auch bei dem auswärts gerichteten Hub des Arbeitskolbens in Strömungsverbindung, so dass ein Gasfluß durch das Zentrieren des Systems von Öffnungen in beiden Richtungen auftritt. Bei dieser Betriebsart sind die einwärts und auswärts gerichteten Kriechbewegungen im Gleichgewicht. Bei diesem Patent wird die Verwendung einer zentrierenden Einwegöffnung nicht erwogen. Zentrierende Öffnungssysteme des beschriebenen Typs sind im Allgemeinen in einem Bereich des Zylinderteils des Gehäuses eingeformt und können auch Strömungswege und Öffnungen in dem Arbeitskolben umfassen. Sie schließen außerdem ein mit dem Arbeitskolben gekoppeltes Ventil ein, das bei oder nahe der vorbezeichneten, mittleren Betriebsposition des Arbeitskolbens öffnet. Typischerweise ist das Ventil derart gebildet, dass der Fluß in dem zentrierenden Strömungskanal unterbrochen wird, und es ist als Tauchkolbenventilanordnung konzipiert, wobei der Arbeitskolben als Tauchkolben wirkt, der eine oder mehrere Öffnungen in dem Zylinder oder einem zentralen Pfosten bedeckt und freigibt, um den Arbeitsraum und den zweiten Raum in eine Strömungsverbindung zu bringen, wenn der Kolben sich an seiner zentralen Position befindet.
Zusammengefaßt, in einer nach dem Stirling-Kreisprinzip betriebenen Freikolbenmaschine verursacht eine asymmetrische Druckwelle in dem Arbeitsraum ein Problem, den Arbeitskolben zentriert zu halten, da es eine bevorzugte Leckageströmung von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum hinter dem Arbeitskolben oder in umgekehrter Richtung gibt. Daraus resultiert eine Kriechbewegung der mittleren Position des Arbeitskolbens weg von dessen bevorzugter - zentraler Position, als Folge einer Wanderung einer geringen Fluidmasse von einem Raum zu dem anderen. Ein herkömmliches Verfahren zur Vermeidung dieser nach einwärts gerichteten Kriechbewegung besteht darin, ähnlich einem Tauchkolbenventil, das an dem Arbeitskolben festgelegt oder mit diesem verbunden ist, eine Strömungsverbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem rückwärtigen Raum durch Öffnungen zuzulassen, welche bei der Mitte des Hubes zusammentreffen, so dass eine Fluidströmung zwischen den beiden Räumen stattfindet und die mittlere Masse in den beiden Räumen konstant gehalten werden kann, so dass der Arbeitskolben zentriert bleibt. Dies ist der beschrittene Weg, um den Kolben zentriert zu halten, jedoch entsteht aus der Tatsache, dass sowohl bei dem nach innen als auch nach außen gerichteten Vorbeilaufen des Arbeitskolbens an der Zentrierungsöffnung das Gas bei jedem Strömungspfad sowohl hinein als auch herausströmt, ein nachteiliger Leistungsverlust.

Kurzgefaßte Offenbarung der Erfindung

Ein als effizient erkanntes Verfahren liegt darin, an der zentralen Öffnung ein Rückschlagventil anzuordnen, so dass eine Strömung sich nur in einer Richtung ausbilden kann - zu demjenigen Raum hin, der Masse zu verlieren droht. Dadurch können die ein- und auswärts gerichteten Flüsse Und der daraus folgende Leistungsverlust eliminiert werden. Der einzige zentrierende Fluß ist derjenige, welcher zur Überwindung der Netto-Ein- oder -Aus-Strömung erforderlich ist, wodurch es möglich ist, eine sehr große Öffnung zu verwenden, die hinsichtlich ihrer zentrierenden Wirkung robust ist und nur minimale Verluste aufweist. Theoretisch kann diese Öffnung jede Größe aufweisen, da es ihre einzige Wirkung ist, einen Fluß zuzulassen, der benötigt wird, um den asymmetrischen Leckageströmungen des Systems entgegenzuwirken, während die überflüssige Leckage während dem rückwärtigen Vorbeilaufen an der Öffnung eliminiert wird. Zusätzlich verhindert eine Plazierung des Rückschlagventils an der Oberfläche in der Nähe des Arbeitsraums das Totvolumen, welches mit den Zentrierungsöffnungen verbunden ist, und dies wiederum reduziert die thermodynamischen Verluste, die mit der Expansion und Kompression dieses unnötigen Volumens verknüpft sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung mit Einweg- Zentrierungsöffnung, um den Arbeitskolben einer Freikolbenmaschine, wie bspw. einer als Motor, Wärmepumpe oder Kühlgerät betriebenen Stirlingmaschine, zu zentrieren. Die vorliegende Erfindung verwendet ein System mit Zentrierungsöffnung, welche den rückwärtigen Raum und den Arbeitsraum periodisch verbindet, um zwischen diesen einen korrigierenden Gasfluß zu bewirken. Dieser Fluß hält der uneinheitlichen Gasleckage, die von der asymmetrischen Druckveränderung in dem Arbeitsraum und der nichtlinearen Beziehung zwischen Druck und Strömung herrührt, das Gleichgewicht, wodurch der Arbeitskolben zentriert bleibt.
Die Erfindung verwendet einen zentrierenden Strömungspfad, der mit dem Arbeitsraum und einem zweiten Raum, wie bspw. einem rückwärtigen Raum, kommuniziert, und der ein Ventil aufweist, wie bspw. ein in dem Arbeitskolben ausgebildetes Tauchkolbenventil, um als Reaktion auf eine Position des Arbeitskolbens in der Nähe des Zentrums zwischen den entgegengesetzten Grenzen der Oszillationsbewegung geöffnet zu werden. Die Verbesserung ist somit ein in den Strömungspfad eingeschaltetes, druckabhängiges Einwegventil, das derart orientiert ist, dass es das Arbeitsgas zwischen den Räumen in einer derartigen Richtung strömen lässt, die dem Netto-Leckage-Fluß durch die ringförmigen Räume zwischen dem Kolben und Zylinder entgegengesetzt ist, während ein merklicher Fluß in der Rückstromrichtung vermieden wird.
Die richtungsabhängige Wirkung, welche nicht von der Position oder Struktur des Verdrängerkolbens abhängt, verbessert die Leistungsabgabe durch Reduzierung der Leistungsverluste erheblich. Die Leistungsverluste werden reduziert, indem ein unnötiges Überströmen des Gases von dem Arbeitsraum in den rückwärtigen Raum während des nach außen gerichteten Hubes vermieden wird, der ansonsten auftreten würde, wenn die überflüssige Strömung nicht durch das Zentrierungssystem gehemmt würde. Das erfindungsgemäße Einwegventil erlaubt darüber hinaus die Verwendung größerer Zentrierungsöffnungen und Strömungspfade, welche einen Gastransport mit geringerem Flußwiderstand und einer schnelleren Reaktion schaffen, was wiederum zu einer verläßlicheren und präziseren Zentrierungswirkung führt.
Ein grundlegendes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines zuverlässigen, kostengünstigen Einweg-Zentrierungssystems zur Zentrierung des Arbeitskolbens einer nach dem Stirling-Prinzip betriebenen Freikolbenmaschine oder des Arbeitskolbens anderer Freikolbenmaschinen. Die Gesamtzuverlässigkeit des Motors wird verbessert, weil die Kolbenzentrierung viel zuverlässiger zwischen engeren Toleranzgrenzen und mit einer schnelleren Reaktion aufrecht erhalten werden kann. Außerdem wird die Steuerung der Kolbenposition durch eine externe Steuerung vereinfacht, falls eine solche verwendet wird.

Kurzgefaßte Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 enthält einen schematischen Schnitt durch einen Freikolben-Stirlingmotor, der mit einem erfindungsgemäßen, zentrierenden Einweg-Öffnungssystem versehen ist.
Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt, der ein Rückschlagventil des vorliegenden, zentrierenden Einweg-Öffnungssystems zeigt.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Variation des Druckes in dem Arbeitsraum und in dem rückwärtigen Raum als Funktion der Kolbenposition.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des Druckes in dem Arbeitsraum als Funktion der Zeit.
Fig. 5 ist ein schematischer Schnitt durch einen Freikolben-Stirlingmotor, der eine Strömungsöffnung und einen Bereich des Strömungspfades innerhalb des Arbeitskolbens aufweist.
Fig. 6 ist ein schematischer Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 ist ein schematischer Schnitt durch einen Freikolben-Stirlingmotor ähnlich zu der Ausführungsform nach Fig. 1, wobei jedoch das Einwegventil derart orientiert ist, dass die Strömung des Arbeitsgases von dem Arbeitsraum in den zweiten Raum möglich ist.
Bei der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, welche in der Zeichnung dargestellt sind, wird zum Zweck einer höheren Deutlichkeit von einer speziellen Terminologie Gebrauch gemacht. Jedoch soll dies nicht derart verstanden werden, dass die Erfindung auf die solchermaßen gewählten, speziellen Begriffe beschränkt ist, vielmehr soll jeder spezielle Begriff alle technischen Äquivalente einschließen, die auf eine ähnliche Art betrieben werden, um einen ähnlichen Zweck zu erreichen. Beispielsweise werden das Wort "verbunden" und ähnliche Begriffe häufig verwendet. Diese sind nicht auf eine direkte Verbindung beschränkt, sondern umfassen auch eine Verbindung über andere Elemente, wo eine derartige Verbindung von Fachleuten als gleichwirkend erkannt wird.

Ausführliche Beschreibung

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, umfaßt ein nach dem Stirling-Prinzip betriebener Freikolbenmotor 10 ein Gehäuse 11, einen oszillierenden Arbeitskolben 12 und einen ebenfalls oszillierenden Verdrängerkolben 13. Der Areitskolben 12 grenzt an den Arbeitsraum 14 und bestimmt in Kombination mit der Innenseite des Gehäuses 11 den Arbeitsraum 14 an der dem Verdrängerkolben nächstliegenden Seite des Arbeitskolbens. Das gegenüberliegende Ende des Kolbens begrenzt in ähnlicher Form den rückwärtigen Raum 16. Arbeitsraum und rückwärtiger Raum enthalten dasselbe Arbeitsgas, wobei es sich um Luft, Wasserstoff, Helium oder andere Fluide handeln kann. Zum Antrieb des Motors wird dem heißen Ende 17 des Arbeitsraums Wärme zugeführt und von dem kalten Ende 18 abgeführt. In Kombination mit der Oszillationsbewegung des Verdrängerkolbens bewirkt der Wärmefluß, dass das Gas in dem Arbeitsraum abwechselnd expandiert und komprimiert wird, wobei der Arbeitskolben 12 und der Verdrängerkolben 13 in dem Gehäuse 11 oszillieren, um gemäß den aus dem Stand der Technik wohlbekannten thermodynamischen Prinzipien mechanische Arbeit zu leisten. Wie ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, verfügt der Stirlingmotor 10 über einen Regenerator 19, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zyklen für eine Regenerierung der Wärme in dem Motor sorgt. Die Bewegung des Leistungskolbens 12 in Richtung zu dem Arbeitsraum 14 wird als einwärts gerichtete Bewegung bezeichnet, während eine Kolbenbewegung zu dem rückwärtigen Raum 16 als auswärts gerichtete Bewegung angesehen wird. Bei einer bevorzugten Betriebsart des vorbekannten Stands der Technik ist der Arbeitskolben 12 mechanisch an einen (nicht dargestellten) Magnet gekoppelt, der in einem elektrischen Wechselstromgenerator oszillierend bewegt wird, um die durch den Kolben produzierte mechanische Arbeit in elektrische Energie für jedweden Anwendungszweck umzuwandeln.
In dem Verdrängerkolben 13 ist eine innere Kammer 23 eingeformt, welche mit dem rückwärtigen Raum 16 durch eine Leitung 24 kommuniziert, die in der Verdrängerkolbenstange 25 ausgebildet ist. Jedoch ist die Verwendung einer inneren Kammer in Kommunikationsverbindung mit dem rückwärtigen Raum nicht notwendig. Die Stange 25 des Verdrängerkolbens kann durch eine zentrale Öffnung 26 in dem Arbeitskolben durch diesen Kolben 12 hindurchgleiten. Während des Betriebes übt das Gas in dem rückwärtigen Raum 16 einen Druck auf die äußere Oberfläche 27 des Arbeitskolbens 12 und auf die innere Oberfläche 28 des Verdrängerkolbens 13 aus, wobei das Gas als Feder wirkt, um die Oszillationsbewegung des Arbeitskolbens und des Verdrängerkolbens in einer zeitlichen Wechselbeziehung aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund wird der rückwärtige Raum 16 alternativ oft auch als Rückprallraum bezeichnet.
Der Arbeitskolben 12 und der Verdrängerkolben 13 können auch mit mechanischen Federn 33 bzw. 34 versehen sein, um eine Resonanz des Arbeitskolbens bei der gewünschten Oszillationsfrequenz hervorzurufen. Entsprechend der Fig. 1 und 2 wird die minimale, inwärtige Position des Arbeitskolbens 12 als XMIN und die maximale äußere Position als XMAX bezeichnet, wobei die Positionen an der inneren Oberfläche 35 des Kolbens gemessen werden. Die vorbestimmte, mittlere Position des Arbeitskolbens wird mit X bezeichnet.
Die äußere Wand 36 des oszillierenden Arbeitskolbens 12 ist derart dimensioniert, dass sie innerhalb des durch die innere Wand 37 des Gehäuses 11 definierten Zylinders eine Präzisionspassung ausbildet. Eine Präzisionspassung, die eine gleitende Oszillationsbewegung erlaubt, erfordert einen ringförmigen Spalt 38 zwischen den betreffenden Elementen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, verfügt der Arbeitskolben 12 vorzugsweise über ein Gas-Lagermittel, das in dem Spalt 38 zwecks Schmierung eine dünne Schicht eines unter Druck gesetzten Gases zur Verfügung stellt. Obwohl die Dimensionen von einer Maschinenbaugröße zur anderen variieren können, liegt die Spaltbreite des Spaltes 38 bei einem 5 kW- Motor vorzugsweise zwischen 20 und 30 um. In ähnlicher Form ist der Verdrängerkolben 13 mit einem Gas-Lagermittel versehen, um die Bewegung des Verdrängerkolbens in dem Gehäuse zu schmieren, wie auch mit einem Gaslager zwischen der Verdrängerkolbenstange 25 und der Arbeitskolbenöffnung 26. Andere Schmiermittel, welche den Fachleuten bekannt sind, können verwendet werden.
Fig. 3 zeigt graphisch die Veränderung des Drucks in dem Arbeitsraum und in dem rückwärtigen Raum als Funktion der Position des Arbeitskolbens während eines Motorzyklus. Da der rückwärtige Raum typischerweise mit einem erheblich größeren Volumen als der Arbeitsraum konstruiert wird, verbleibt der Druck in dem rückwärtigen Raum näherungsweise während des gesamten Zyklus konstant. Der Druck in dem Arbeitsraum ist jedoch ersichtlich starken Schwankungen während eines Zyklus unterworfen, wobei die Druckspitze bei dem Punkt P&sub4; auftritt. Die Punkte P&sub5; und P&sub6; repräsentieren diejenigen Punkte in dem Zyklus, an denen der Druck in dem Arbeitsraum und in dem rückwärtigen Raum gleich groß ist. Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben wurde, wird die angestrebte, mittlere Betriebsposition des Arbeitskolbens mit XC bezeichnet, während die vorgesehenen Oszillationsgrenzen durch XMIN und XMAX bezeichnet sind.
In Fig. 4 ist der Druck in dem Arbeitsraum und in dem rückwärtigen Raum als Funktion der Zeit wiedergegeben, woraus ersichtlich ist, dass der Druck in dem Arbeitsraum eine durch Spitzen charakterisierte Wellenform mit einer Periode T hat. Die Druckwelle zeigt ferner Unterintervalle TP mit einer Spitze P&sub4; sowie Unterintervalle TB, in denen der Druck des Arbeitsraums etwas niedriger ist als der Druck in dem rückwärtigen Raum, und wobei das Zeitintervall TP kürzer währt als das Intervall Ts. Während des Intervalls TP fließt das Arbeitsgas von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum (nach außen) durch den ringförmigen Spalt 38, während die Flußrichtung im Verlauf des Intervalls TB entsprechend dem gut bekannten Prinzip, wonach ein Gas dazu neigt, von dem erhöhten zum niedrigeren Druckniveau zu fließen, umgekehrt ist (nach innen). Der Fluß durch den ringförmigen Spalt 38 ist nichtlinear, wobei die Flußrate proportional zu dem Quadrat der Druckdifferenz über dem Spalt ist. Deshalb gibt es während des Intervalls Tp einen nichtlinearen Effekt zweiter Ordnung, der eine weitaus stärkere, treibende Kraft für einen nach außen gerichteten Fluß erzeugt als während des Intervalls Ts einen Fluß in die umgekehrte Richtung. Obwohl das Intervall TP kürzer währt als das Intervall TB, und obwohl das Gas während eines Motorzyklus in beiden Richtungen fließt, resultiert der Effekt des nichtlinearen Flusses in einer asymmetrischen Netto-Gasleckage nach außen. Der von der Asymmetrie der Leckage herrührende Netto-Leckagefluß erhöht die Gasmasse in dem rückwärtigen Raum und reduziert die Gasmasse in dem Arbeitsraum, und diese Effekte bewirken gemeinsam das Einwärtskriechen des Arbeitskolbens. Das Einwärtskriechen ist in dem Zyklusdiagramrn nach Fig. 3 als unterbrochene Linie dargestellt. Es ist ein grundsätzliches Anliegen der gegenwärtigen Erfindung, ein Ventil mit Einweg-Funktion vorzusehen, welches den Leistungsverlust reduziert, während es dem Zentrierungssystem ermöglicht wird, die mittlere Position des Arbeitskolbens 12 bei Xc automatisch und noch präziser aufrecht zu erhalten, so dass eine präzise Steuerung der Position des Arbeitskolbens möglich ist.
Gemäß den Fig. 1 und 2 ist der Zylinder des Gehäuses 11 mit einer Zentrierungsöffnung 41 versehen, die sich in den Arbeitsraum 14 öffnet, und mit einer Zentrierungsöffnung 42, die sich in den rückwärtigen Raum 16 öffnet. Diese Zentrierungsöffnungen 41 und 42 sind über einen Strömungspfad 43, der in dem Gehäuse ausgebildet ist, miteinander verbunden. Der Abstand zwischen den Mittelachsen der Öffnungen 41 und 42 (in Fig. 2 durch die Dimension A bezeichnet) ist vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise geringfügig größer als die Höhe des Arbeitskolbens 12 (in Fig. 2 als Dimension B bezeichnet). Die Öffnungen 41 und 42 müssen weit genug voneinander entfernt sein, so dass beide Öffnungen, während der Arbeitskolben sich entlang seines Hubs bewegt, für ein Zeitintervall unbedeckt (offen) sind, während sich der Arbeitskolben 12 zwischen den Öffnungen befindet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, tritt dies an zwei Punkten in dem Zyklus auf, die mit P&sub1; und P&sub2; gekennzeichnet sind, und an denen sich der Arbeitskolben 12 an der mittleren Position Xc befindet. Der Punkt P&sub1; korrespondiert mit dem einwärts gerichteten Bewegungsbereich des Kolbenhubs, und der Punkt P&sub2; korrespondiert mit dem nach auswärts gerichteten Bewegungsbereich des Kolbenhubs. Bei herkömmlichen Zentrierungsöffnungen, wo kein Mittel vorgesehen ist, um den Fluß durch die Zentrierungsöffnung in einer besonderen Richtung zu steuern, wird sich eine Fluidströmung zwischen dem Arbeitsraum 14 und dem rückwärtigen Raum 16 (durch die Öffnungen 41 und 42) als Funktion der Druckdifferenz einstellen, welche zwischen den beiden Räumen existiert, wenn die Öffnungen 41 und 42 durch den Arbeitskolben freigegeben werden.
Entsprechend Fig. 3 ist der Druck in dem rückwärtigen Raum geringfügig größer als der Druck in dem Arbeitsraum, und deshalb wird das Fluid dazu tendieren, von dem rückwärtigen Raum 16 in die Öffnung 42, durch die Passage 43, die Öffnung 41 bis in den Arbeitsraum 14 zu strömen. Dies geschieht bei einem Abstand von beispielsweise 0,1 mm vor dem Punkt P&sub6;, bei welchem der Druck in dem rückwärtigen und in dem Arbeitsraum gleich groß ist. Da sich der Arbeitskolben 12 an der Position P&sub1; sehr schnell einwärts bewegt, werden die Öffnungen 41 und 42 nur für ein kurzes Zeitintervall offen sein, währenddem sich der Arbeitskolben zwischen den Öffnungen befindet, wodurch ein kurzer Gastransport durch die Öffnungen ermöglicht wird. Dieser kurze Gasstrom hält der asymmetrischen, wie beschrieben durch den ringförmigen Spalt 38 nach auswärts gerichteten Gasleckage das Gegengewicht, so daß das Gasvolumen in jedem Raum am Ende jedes Zyklus genauso groß ist wie zum Beginn des Zyklus, so daß der Arbeitskolben zentriert bleibt. Sobald der Arbeitskolben 12 seinen einwärts gerichteten Hub an dem P&sub1; fortsetzt, bedeckt die Kolbenoberfläche 46 (vgl. Fig. 2) die Öffnung 41, und infolge der Präzisionspassung des Arbeitskolbens innerhalb des Gehäuses bildet die Oberfläche 46 eine beträchtliche Abdichtung der Öffnung 41 nach Art eines Tauchkolbenventils, und die Strömung durch die Zentrierungsöffnung wird unterbrochen. Da die Höhe B des Arbeitskolbens größer ist als der Abstand zwischen Xc und XMIN, bleibt die Öffnung 41, nachdem sie einmal durch die Kolbenoberfläche 46 verschlossen wird, für die Dauer des einwärts gerichteten Hubes, der bei XMIN endet, verschlossen, wie auch während des anfänglichen Teils des folgenden, nach auswärts gerichteten Hubes, bis der Arbeitskolben 12 wieder zwischen den Öffnungen 41 und 42 etwa zentriert wird.
Gemäß Fig. 3 ist an dem Punkt P&sub1; die Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsraum und dem rückwärtigen Raum gering, und deshalb ist der Leistungsverlust, der durch das Freigeben der Öffnungen bei P&sub1; auftritt, klein. Da ferner eine kleine Druckdifferenz existieren muß, um den Gasfluß von dem rückwärtigen Raum in den Arbeitsraum zu treiben, ist der Punkt P&sub1; für den Motor ein stabiler Kolbenbetriebspunkt. Die kleine Druckdifferenz zwischen dem rückwärtigen Raum und dem Arbeitsraum bei P&sub1; sorgt für das richtige Maß an Flußantriebsenergie, um gerade eben der nach auswärts gerichteten Leckage die Waage zu halten.
Die Zentrierungsöffnungen 41 und 42 werden während eines Zyklus zum zweiten Mal von dem Punkt P&sub2; bei dem nach auswärts gerichteten Kolbenhub geöffnet. Man erkennt aus den Fig. 3 und 4, daß bei P&sub2; der Druck in dem Arbeitsraum erheblich höher ist als der Druck in dem rückwärtigen Raum, und daß das Freigeben der Öffnungen 41 und 42 in einem herkömmlichen Zentrierungssystem die Strömung einer erheblichen Fluidmenge von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum auslösen würde. Dieser Fluß würde als Folge des Massentransportes des Arbeitsfluids von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum Energieverluste verursachen, welche als Drosselverluste bezeichnet werden sollen und zu einem Verlust bei der Leistungsabgabe führen würden. Der Arbeitskolben 12 bewegt sich von P&sub2; weiter nach außen, wobei die Oberfläche 46 die Öffnung 42 verschließt, um jeglichen Gasfluß durch die Öffnung abzubrechen. Die Öffnung 42 bleibt während der Dauer des nach auswärts gerichteten Hubes, der bei XMAX endet, geschlossen. Es ist wünschenswert, daß die Passage durch die Öffnungen 41, 42 während des einwärts gerichteten Kolbenhubs geöffnet wird, um den Kolben zu zentrieren, jedoch ist es ebenso wünschenswert, daß die Passage durch die Öffnung während des nach auswärts gerichteten Hubes geschlossen wird, um die Leistungsabgabe zu verbessern.
In der Vergangenheit wurden Zentrierungsöffnungen mit kleinem Durchmesser verwendet, um den Gasfluß während des nach auswärts gerichteten Hubes zu begrenzen und dadurch die unerwünschten Drosselverluste zu reduzieren. Diese Maßnahme begrenzte natürlich auch den zentrierenden Gasfluß während des einwärts gerichteten Hubes, wodurch die Effektivität des zentrierenden Öffnungssystems reduziert wurde. Es ist erheblich wünschenswerter, einen großen und schnellen Gastransport während des einwärts gerichteten Hubes zu haben, um eine höhere Massentransportrate für die Kompensation der Nettoleckage an dem Kolben zur Verfügung zu stellen, damit der Nettofluß zwischen den beiden Räumen bei allen Fällen schnell in ein stabiles Gleichgewicht gebracht werden kann. Die gegenwärtige Erfindung erlaubt etwa drei bis vier mal so große Querschnitte der Passagen und Öffnungen als dies bei herkömmlichen Zentrierungssystemen der Fall war, und dadurch wird die als Wanderung in den Systemen nach dem Stand der Technik bekannte Instabilität in großem Umfang reduziert oder eliminiert. Es ist ebenfalls wünschenswert, einen Fluß während des nach auswärts gerichteten Hubes zu unterbinden, um Drosselverluste zu vermeiden und auch deshalb, weil der Fluß durch das Zentrierungssystem in derselben Richtung wie bei der Nettoleckage eine zusätzliche Leckage darstellt neben der Leckage zwischen dem Arbeitskolben und dem Zylinder, die von dem Zentrierungssystem während des nach einwärts gerichteten Hubes kompensiert werden muß.
Um eine robuste Zentrierungswirkung auf den Arbeitskolben auszuüben, wie auch für einen unidirektionalen Fluß durch die Öffnungen zur Vermeidungen eines Gasflusses während des nach auswärts gerichteten Kolbenhubes ist die mit der Zentrierungsöffnung 42 verbundene Passage mit einer Einwegventilbaugruppe 50 versehen. Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Einwegventilen bekannt, die oft als Rückschlagventile oder Fluiddioden bezeichnet werden. Wie für die Fachleute bekannt, handelt es sich bei einem Einwegventil um ein druckabhängiges Ventil, das in einer Richtung einen hohen, idealerweise unbegrenzten Strömungswiderstand für Fluide bietet während in der entgegengesetzten Richtung der Fluidströmungswiderstand niedrig, idealerweise Null ist. Die gegenwärtige Erfindung kann eine Vielzahl von Einwegventilen verwenden, die gegenwärtig bekannt sind, oder in der Zukunft bekannt werden. Zur Veranschaulichung soll jedoch das folgende Ventil beschrieben werden.
Das Rückschlagventil 50 umfaßt ein Befestigungselement 51, woran ein flexibles Dichtelement 52 und ein Rückhalteelement 53 festgelegt ist. Das Ventil 50 kann mittels eines Bolzens 55 an dem Gehäuse 11 befestigt sein. Der Bolzen 55 durchgreift das Rückhalteelement 53, das flexible Element 52 und das Befestigungsteil 51 und klemmt diese drei Komponenten an einem Ende der Ventilbaugruppe zusammen. Zur Installation und Entfernung des Ventils 50 kann das Gehäuse 11 größtenteils aus zwei Hälften 11a und 11b gebildet sein, die unter Verwendung von Bolzen 59 zusammengefügt sein können. Eine Auftrennung der beiden Hälften 11a und 11b bietet Zugang zu dem Ventil. Andere Verfahren, um einen Zugang zu dem Ventil 50 zu schaffen, sind insoweit möglich, als sie für den Durchschnittsfachmann ersichtlich sind.
Bei dem Befestigungselement 51 wie auch bei dem Rückhalteelement 53 handelt es sich um feste Teile, die vorzugsweise aus Metall, beispielsweise einem hochwertigen Stahl, konstruiert sind. Das flexible Element 52 ist ein zungenartiges Element und ist zwischen den Teilen 51 und 53 an dem Ventilende 56 eingeklemmt. Das distale Ende 57 des flexiblen Elements 52 ist jedoch flexibel und kann sich in dem engen Bereich zwischen dem Befestigungsteil 51 und dem Rückhalteelement 53 frei deformieren. Das Element 53 begrenzt die Deformationsamplitude, so daß das flexible Teil 52 in dessen elastischen Deformationsbereich bleibt, damit sichergestellt ist, daß das flexible Element nicht durch übermäßige und/oder unelastische Verformung beschädigt wird. Das flexible Element 52 ist vorzugsweise aus einem flachen Stück eines flexiblen Materials mit einer Dicke zwischen 50 bis 150 um konstruiert.
Die Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsraum 14 und dem rückwärtigen Raum 16 bestimmt, ob das Ventil 50 offen oder geschlossen ist, indem die Position des flexiblen Elements 52 vorgegeben wird. Bei abermaliger Betrachtung von Fig. 3 erkennt man bei P&sub1;, daß der Druck in dem rückwärtigen Raum höher ist als der Druck in dem Arbeitsraum. In diesem Fall ist die von dem Gas in dem rückwärtigen Raum 16 auf die flexible Membran 52 ausgeübte Kraft größer als die von dem Gas in dem Arbeitsraum (durch die Öffnung 41 und die Passage 43) auf das flexible Element ausgeübte Kraft. Die Nettokraft auf das flexible Element 52 ist daher von dem rückwärtigen Raum zu dem Arbeitsraum gerichtet. Die Nettokraft drängt das Ende 57 des flexiblen Elements, sich in dieser Richtung durchzubiegen, wodurch eine Öffnung 58 geschaffen wird, so daß Gas von dem rückwärtigen Raum 16 in die Öffnung 42, durch die Öffnung 58, in die Passage 43, durch die Öffnung 41 und in den Arbeitsraum 14 fließen kann. In dem Fall, daß der Druck in dem Arbeitsraum höher ist als der Druck in dem rückwärtigen Raum, wie beispielsweise am Punkt P&sub2;, wirkt die auf das flexible Element 52 von dem Arbeitsgas ausgeübte Nettokraft in Richtung von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum und veranlaßt das Element, sich an der Dichtungsoberfläche 61 des Befestigungselements 51 anzulegen, wodurch die Öffnung 58 verschlossen wird (die verschlossene Position ist in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien dargestellt). In der geschlossenen Position wird eine Fluiddichtung zwischen dem flexiblen Element 52 und der Oberfläche 61 geschaffen, und es gibt keinen Gasfluß von dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum, wie dieser anderenfalls in Abwesenheit eines Einwegventils 50 auftreten würde. Je größer die Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsraum 14 und dem rückwärtigen Raum 16 ist, um so stärker wird das flexible Element 52 gegen die Dichtungsoberfläche 61 gepreßt, wodurch die Abdichtungswirkung verbessert wird. Wie ausgeführt wurde, verbessert die Richtungswirkung die Leistungsabgabe erheblich, indem ein unerwünschter, nach außen gerichteter Fluß von dem Arbeitsraum während des nach außen gerichteten Hubes vermieden wird, währenddem sich das Ventil 50 in geschlossener Position befindet.
Aus den obigen Erläuterungen ist ersichtlich, daß es zwei Bedingungen gibt, die erfüllt sein müssen, damit Gas zwischen dem rückwärtigen Raum und dem Arbeitsraum durch die vorliegende Zentrierungsvorrichtung fließen kann. Die erste liegt darin, daß der Arbeitskolben 12 sich zwischen den Zentrierungseinrichtungen 41 und 42 befinden muß, um dadurch die Öffnungen freizulegen (zu öffnen). Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird die Kolbenoberfläche 46 je nach dem, ob der Kolben nach innen oder außen verschoben ist, entweder die Öffnung 41 oder 42 verschließen, wie bereits beschrieben. Die zweite Bedingung liegt darin, daß der Druck in dem rückwärtigen Raum höher sein muß als der Druck in dem Arbeitsraum, damit das flexible Element 52 veranlaßt wird, sich von der Dichtungsoberfläche 61 abzuheben und dadurch die Durchflußöffnung freizugeben. Wenn die zweite Bedingung nicht erfüllt ist (d. h. der Druck in dem Arbeitsraum ist größer als derjenige in dem rückwärtigen Raum), wird das flexible Element 52 des Ventils 50 veranlaßt, sich an der Dichtungsoberfläche 61 anzulegen und damit die Durchflußöffnung 58 zu verschließen. Somit ist ersichtlich, daß bei dem Punkt P&sub1; alle Bedingungen erfüllt sind und das Einwegventil 50 einen korrigierenden Gasfluß von dem rückwärtigen Raum 16 zu dem Arbeitsraum erlaubt, der eine Zentrierung des Arbeitskolbens 12 bewirkt, indem die asymmetrische Leckage durch den ringförmigen Spalt 38 kompensiert wird, wie beschrieben. An dem Punkt P&sub2; ist zwar die erste Bedingung erfüllt, die zweite jedoch nicht, und deshalb gibt es hier keinen Gasfluß zu dem Arbeitsraum zu dem rückwärtigen Raum, so daß der damit verknüpfte Leistungsverlust wie oben beschrieben eliminiert wird.
Das vorliegende, zentrierende Einweg-Öffnungssystem bietet eine automatische Zentrierungswirkung, wenn der Arbeitskolben von der zentralen Position bei Xc nach innen oder außen kriecht. In dem Fall, daß der Arbeitskolben nach außen kriecht, so bewirkt die asymmetrisch nach auswärts gerichtete Leckage zwischen dem Arbeitskolben und dem Zylinder eine Zurückverstellung des Arbeitskolbens in dessen zentrale Position. In dem Fall, daß der Arbeitskolben nach innen kriecht, wie dies in Fig. 3 mit unterbrochenen Linien dargestellt ist, bewegt sich der stabile Ventilöffnungspunkt P&sub1; nach P&sub3;, wo die Druckdifferenz zwischen den Räumen 14 und 16 erhöht ist. Die erhöhte Druckdifferenz schafft einen erhöhten, nach innen gerichteten Korrekturfluß, wenn das Ventil 50 geöffnet ist, so daß der Arbeitskolben 12 veranlaßt wird, nach außen zu dem stabilen Zentrierungspunkt zu wandern.
Obwohl das flexible Element 52 sehr flexibel ist, wird seine Bewegung zwischen dem Befestigungselement 51 und dem Rückhalteelement 53 erzwungen. Das Rückhalteelement 53 ist derart positioniert, daß die Bewegung des flexiblen Elements 52 in dem Fall, wo das Ventil voll geöffnet ist, in dessen elastischem Deformationsbereich bleibt. In dem Fall, wo das Ventil voll geschlossen ist (d. h., der Druck in dem Arbeitsraum ist höher als der Druck in dem rückwärtigen Raum) hat das flexible Element 52 eine ausreichende Stärke, so daß es nicht durch die Öffnung 42 hindurchgeblasen wird. Zusätzlich wird das flexible Element 52 in der geschlossenen Position prinzipiell auch Scherung beansprucht, während es in der offenen Position auf Biegung beansprucht wird.
Ein bedeutsamer Vorteil bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Einwegventils ist, dass relativ große Durchflußöffnungen 41 und 42 und Flußpassagen 43 verwendet werden können, welche eine sehr robuste Zentrierungsfähigkeit bieten, indem ein schneller und relativ uneingeschränkter Gastransport von dem rückwärtigen Raum zu dem Arbeitsraum ermöglicht wird. Indem eine größere Passage und größere Öffnungen geschaffen werden, ist weniger Arbeit erforderlich, und somit wird weniger Arbeit vergeudet, um den Fluß durch das Zentrierungssystem zu treiben. Bei der vorliegenden Erfindung haben die Öffnungen und Passagen einen minimalen oder geringsten Durchmesser, der etwa gleich oder größer ist als 3% des Durchmessers des zu verwendenden Arbeitskolbens. Öffnungen und Passagen dieser Größe würden bei herkömmlichen Zentrierungssystemen als sehr groß und in unannehmbarer Weise verlustbehaftet angesehen werden. Da Passagen und Öffnungen nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen müssen, kann äquivalent festgestellt werden, dass der Mindestquerschnittsbereich der Passage einschließlich ihrer Öffnungen bei wenigstens 0,09% der Querschnittsfläche des Arbeitskolbens liegen sollte.
Fig. 5 zeigt eine andere, bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Zentrierungsöffnung 142 in dem rückwärtigen Raum 116 über die Flußpassage 163 mit der Öffnung 162 in Strömungsverbindung steht. Der Arbeitskolben 112 ist mit einer Öffnung 164 versehen, die über eine interne Flußpassage 166 und eine Öffnung 165 mit dem Arbeitsraum 114 in Strömungsverbindung steht. Die Öffnung 164 des Arbeitskolbens überdeckt sich bei oder nahe der zentralen Arbeitskolbenposition Xc mit der Öffnung 162, wodurch eine Strömungsleitung zwischen dem rückwärtigen Raum 116 und dem Arbeitsraum 114 eingerichtet wird. An dem Punkt der Überdeckung wird der Gasdruck in dem Arbeitsraum 114 größtenteils durch die Passagen 166 und 163 (durch die Öffnungen 164 und 162) übertragen, um auf das Ventil 150 einzuwirken. Während des einwärts gerichteten Hubes des Arbeitskolbens ist der Druck in dem Raum 16 höher als in dem Raum 14, wodurch sich das flexible Element 153 durchbiegt, um eine Flußöffnung 158 zu bilden, wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. Ein korrigierendes Gasvolumen wird einwärts von dem Raum 116 durch die Öffnung 142, die Passage 163, die Öffnungen 162 und 164 und die Passage 166 fließen und sich durch die Öffnung 165 in den Raum 114 ergießen. Bei dem nach auswärts gerichteten Kolbenhub wird die Öffnung 164 des Arbeitskolbens sich wieder mit der Öffnung 162 überdecken, jedoch wird der hohe Druck in dem Raum 114 das flexible Element 153 veranlassen, sich an die Dichtungsoberfläche 161 anzulegen, wodurch ein auswärts gerichteter Fluß und damit verbundene Leistungsverluste vermieden werden. Da der Arbeitskolben nach innen oder außen verschoben wird, wird die Dichtungsoberfläche 167 des Arbeitskolbens die Öffnung 162 blockieren, und somit gibt es keinen Fluß zwischen den Räumen 116 und 114. Bei einer bevorzugten Alternativausführung kann das Einwegventil an der Öffnung 65 in derselben Art positioniert werden wie das in Fig. 6 dargestellte Ventil 234.
Aus den obigen Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 5 ist ersichtlich, dass verschiedene Konfigurationen einer Passage möglich sind, um den Arbeitsraum und den rückwärtigen Raum periodisch miteinander zu verbinden, ohne dass dabei das erfindungsgemäße Konzept verlassen würde, wonach in der Passage zwischen den Räumen ein Einwegventil angeordnet wird, um einen korrigierenden Gasfluß in einer bevorzugten Richtung zuzulassen, wenn sich der Arbeitskolben in der Nähe seines Oszillationszentrums befindet. Die bevorzugte Richtung wird bei einem Freikolbenmotor üblicherweise einwärts orientiert sein, und sie wird während des einwärts gerichteten Hubes des Arbeitskolbens erreicht.
Fig. 7 zeigt eine wiederum abgewandelte Ausführungsform, wobei die Richtung des korrigierenden Gasflusses nach außen orientiert ist. Das Einwegventil 350, welches hinsichtlich seiner Struktur mit dem Einwegventil 50 nach Fig. 1 übereinstimmt, ist derart orientiert, dass ein Überströmen des Arbeitsgases von dem Arbeitsraum 314 zu dem rückwärtigen Raum oder zweiten Raum 316 zugelassen ist.
Fig. 6 zeigt eine Stirlingmaschine, die der in Fig. 5 dargestellten ähnlichen ist, jedoch eine abweichende Ausführungsform der Erfindung beinhaltet. Eine hohle Röhre 210 ist mit ihrem proximalen Ende 212 in einer passenden Bohrung 214 befestigt, die in dem ersten Ende 216 des Arbeitskolbens 218 eingeformt ist und sich vollständig durch den Arbeitskolben 218 erstreckt. Die Röhre erstreckt sich darüber hinaus von dem Arbeitskolben 218 in den zweiten Raum 220 und befindet sich an dem distalen Ende 222 der Röhre in gleitendem Eingriff mit einer passenden Bohrung 224 in einem Ventilkörper 226. Der Ventilkörper und die Röhre bilden zusammen ein Tauchkolbenventil mit Öffnungen 228 in der Röhre und 230 in dem Ventilkörper. Diese Öffnungen überdecken einander, wenn die Röhre sich in der Nähe des Zentrums zwischen den entgegengesetzten Enden der Oszillationsbewegung des Arbeitskolbens befindet. Die Bohrung in dem Arbeitskolben, die hohle Passage in der Röhre und die gleitenden Ventilöffnungen bilden eine Passage und ein Ventil zum Zentrieren des Arbeitskolbens, wobei das Tauchkolbenventil geöffnet wird, wenn der Arbeitskolben sich in der Nähe seiner zentrierten Position befindet, um eine Fluidpassage zwischen dem zweiten Raum 220 und dem Arbeitsraum 232 zuzulassen.
Ein Einwegventil ist durch ein flexibles Dichtungselement 234 gebildet, das an dem ersten Ende 216 des Arbeitskolbens 218 an die den Arbeitskolben durchsetzende Bohrung 214 angrenzend befestigt ist.
Es ist insbesondere vorteilhaft, das Einwegventil an dem arbeitsraumseitigen Ende der Passage des Zentrierungssystems zu positionieren. Dadurch werden Hystereseverluste in dem Passagenvolumen des sich in der Zentralstellung öffnenden Systems vermieden, welche anderenfalls bei einem abwechselnd komprimierten und expandierten Fluid unvermeidlich aufträten. Bspw. befindet sich bei der Ausführungsform nach Fig. 6 das flexible Dichtungselement 234 an dem äußersten Ende der Passage.
Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die speziell hier beschriebenen Ausführungsformen begrenzt sein, da es andere Konstruktionen von Einwegventilen gibt, die verwendet werden können, ohne das hier offenbarte, erfindungsgemäße Konzept zu verlassen. Obwohl die vorliegende Erfindung im Bezug auf einen Anwendungsfall bei nach dem Stirlingprinzip betriebenen Freikolbenmotoren beschrieben worden ist, so ist sie gleichermaßen auch auf andere Stirlingmaschinen anwendbar, die als Wärmepumpen und Kühlgeräte verwendet werden, und auf andere Freikolbenmaschinen, wie dies von Durchschnittsfachleuten verstanden würde. Während die vorliegende, nach dem Stirlingprinzip betriebene Freikolbenmaschine oben unter Verwendung von auf eine Maschine bezogenen Begriffen beschrieben wurde, die einen Arbeitskolben und einen Verdrängerkolben aufweist, welche innerhalb derselben Gehäusestruktur 11 oszillieren, ist es gut bekannt, dass es hierzu eine Vielzahl anderer, möglicher, alternativer wenn nicht gar äquivalenter Anordnungen gibt, wie durch eine Vielzahl von Abhandlungen und Texten über diesen Gegenstand (vgl. "Stirling Engines" von G. Walker, Oxford University Press, 1980) ersichtlich ist. Bspw. ist es im Stand der Technik wohl bekannt, dass der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben in zwei nahezu völlig getrennten Gehäusezylindern angeordnet sein können, welche strömungsmäßig miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung ist auch auf all diese wohlbekannten, alternativen und noch dazu äquivalenten Anordnungen gerichtet.
Obzwar gewisse bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert offenbart worden sind, so ist dies solchermaßen zu verstehen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Kolbenzentriervorrichtung für eine Freikolbenmaschine mit einem Gehäuse, welches einen Zylinder und einen Kolben umschließt, der in dem Zylinder abgedichtet oszillierend aufgenommen ist, wobei ein in dem Gehäuse angeordneter Arbeitsraum, der von einem ersten Ende des Kolbens begrenzt wird, und ein zweiter Raum, der von dem gegenüberliegenden Ende des Kolbens begrenzt wird, jeweils mit einem Arbeitsgas gefüllt ist, dessen Druck innerhalb des zweiten Raums einen Mittelwert annimmt und innerhalb des Arbeitsraums periodisch in beiden Richtungen gegenüber dem Druckmittelwert variiert, wobei die Druckveränderung asymmetrisch ist und dadurch einen Netto-Leckage-Fluß des Arbeitsgases von einem der Räume zu dem anderen durch den Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Zylinder verursacht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kombination der folgenden Elemente aufweist:

a) eine Durchgangsöffiung, die mit dem Arbeitsraum und dem zweiten Raum kommuniziert und ein von der Kolbenposition abhängiges Ventil aufweist, das mit dem Kolben zum Öffnen bei einer Kolbenstellung in der Nähe der Mitte zwischen den entgegengesetzten Enden der Kolbenoszillation gekoppelt ist; und

b) ein druckabhängiges Rückschlagventil, welches mit der Durchgangsöffnung verbunden und derart orientiert ist, dass der Durchfluß des Arbeitsgases zwischen den Räumen in einer Richtung entgegen dem Netto-Leckage-Fluß ermöglicht wird, während ein nennenswerter Fluß in der umgekehrten Richtung unterbunden wird.

2. Kolbenzentrienrorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Teil der Durchgangsöffnung durch den Zylinder erstreckt, wobei das kolbenposifionsabhängige Ventil ein Schieberventil ist, das von dem Kolben und Zylinder gebildet wird und wenigstens eine Öffnung in dem Zylinder aufweist, welche zeitweise von dem Kolben abgedeckt wird, um das kolbenpositionsabhängige Ventil zu schließen.

3. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil derart orientiert ist, dass der Durchfluß des Arbeitsgases von dem zweiten Raum zu dem Arbeitsraum ermöglicht wird.

4. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsöffnung durch den Zylinder erstreckt zwischen zwei Öffnungen, welche wenigstens um etwa den Abstand zwischen den Kolbenenden voneinander entfernt sind.

5. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil derart orientiert ist, dass der Durchfluß des Arbeitsgases von dem Arbeitsraum zu dem zweiten Raum ermöglicht wird.

6. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsöffnung durch den Zylinder erstreckt zwischen zwei Öffnungen, welche wenigstens um etwa den Abstand zwischen den Kolbenenden voneinander entfernt sind.

7. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine hohle Röhre mit ihrem proximalen Ende in einer passenden Bohrung in der ersten Stirnseite des Kolbens festgelegt ist und sich von dem Kolben in den zweiten Räum erstreckt und mit ihrem distalen Ende in Gleitverbindung mit einer passenden Bohrung in dem Ventilkörper steht, wobei der Ventilkörper und die Röhre ein Schiebeventil bilden mit Öffnungen, welche in eine gegenseitig fluchtende Ausrichtung gelangen, wenn der Kolben sich in der Nähe der Mitte zwischen den entgegengesetzten Grenzen der Kolbenoszillationsbewegung befindet, und wobei die Kolbenausnehmung, die hohle Röhre und die Schiebeventilöffnungen die besagte Durchgangsöffnung bilden und das kolbenpositionsabhängige Ventil.

8. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil etwa an dem ersten Ende des Kolbens angeordnet ist.

9. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil mit einem flexiblen Dichtungselement gebildet ist, welches an dem ersten Ende des Kolbens nahe der Kolbenausnehmung festgelegt ist.

10. Kolbenzentrienrorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil etwa an dem arbeitsraumseitigen Ende der Durchgangsöffnung angeordnet ist.

11. Kolbenzentriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung mindestens etwa 0,09 Prozent der Querschnittsfläche des Kolbens beträgt.