DE69706629T2

DE69706629T2 - Maschine mit Stirlingzyklus

Info

Publication number: DE69706629T2
Application number: DE69706629T
Authority: DE
Inventors: Takashi Inoue; Hiroshi Sekiya
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: US5987886A; TW347464B; EP0843088B1; AU727778B2; AU4518697A; EP0843088A1; DK0843088T3; NZ329154A; DE69706629D1; KR19980042401A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stirlingzyklusmotor, insbesondere einen erwünschten Stirlingzyklusmotor wie z. B. einen Stirlingkühler, einen Stirlingmotorgenerator usw., der eine einfache Konfiguration und einen niedrigen Preis aufweist.

Beschreibung verwandter Gebiete

Ein Beispiel für einen Stirlingzyklusmotor wie etwa ein Stirlingkühler, Stirlingmotorgenerator usw. ist in "T. OTAKA et al., EXPERIMENTAL STUDY ON A 100 W CLASS STIRLING CYCLE COOLER, Proc. 7th (CSC, 95 088, 1995" (nachstehend als "Dokument A") und in "A. BAUMÜLLER et al., SOLAR Stirling R+D ACTIVITIES In GERMANY, Proc. 7th ISCS, 95 IP02, 1995" (nachstehend als "Dokument B" bezeichnet) geoffenbart.
Ein Prototyp des Stirlingkühlers wie in Fig. 14 ist in Dokument A geoffenbart.
In Fig. 14 steht Bezugszeichen 201 für ein Vakuumisoliergehäuse; 202 für eine Kühlwand; 203 für eine Expansionskammer; 204 für einen Zylinder; 205 für eine Rippe; 206 für einen Verdränger; 207 für einen Regenerator; 208 für einen Radiator; 209 für ein Rohr; 210 für eine Kompressionskammer; 211 für einen Kolben; 212 für eine Kolbenstange; 213 für eine Antriebsscheibe; 214 für eine Kurbelwelle; 215 für einen Antriebsmotor; 216 für ein Kurbelgehäuse; 217 für eine rotierende Codiereinrichtung; und 218 für ein Ausgleichsgewicht.
Dokument A beschreibt, dass Helium als Arbeitsmedium verwendet wird und dass eine Leistung von 100 W als Kühlleistung ausgegeben werden kann.
Dokument B beschreibt einen Stirlingmotor für ein Solarsystem (siehe Fig. 15).
In Fig. 15 sind ein Zylinderblock 223, ein Wasserrohr 224, ein Gaskühler 225 und ein Regenerator 226 in Bezug auf eine Kurbelwelle 221 als Bezugspunkt auf der Seite eines Kompressionskolbens 222 angeordnet. Bezugszeichen 227 steht für eine Abdichtungseinheit.
Außerdem ist eine Abdichtungseinheit 229 auf der Seite eines Expansionskobens 228 angeordnet. Bezugszeichen 230 steht für einen Ölbehälter; 231 für einen Ölfilter; und 232 für einen Sonnenbestrahlungsabschnitt.
Der Stirlingzyklusmotor mit einer derartigen herkömmlichen Konfiguration ist mit folgenden Problemen verbunden.
Die in Dokumenten A und B geoffenbarten Stirlingzyklusmotoren weisen zahlreiche praktische Probleme auf; insbesondere ist die Versorgung mit oder der Ankauf von Ersatzteilen für den Antriebsabschnitt schwierig, wodurch die Kosten steigen.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, die obigen Probleme zu lindern oder zu lösen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Stirlingzyklusmotors, der die erwünschte Leistung mit einfacher Konfiguration und zu einem niedrigen Preis aufweist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Stirlingzyklusmotor bereitgestellt, umfassend:
ein Gehäuse mit zumindest zwei Zylindern;
einen Stirlingkühlkreis mit einem Verdränger, der sich in einem der beiden Zylinder hin- und herbewegt, und einem Kolben, der sich im anderen der beiden Zylinder hin- und herbewegt; sowie
Querführungsköpfe, die im Gehäuse montiert sind und so gesteuert werden, dass sie sich in einer geraden Linie bewegen, ohne mit einem Arbeitsmedium im Stirlingkühlkreis in Kontakt zu kommen, wobei die Querführungsköpfe mit dem Verdränger bzw. dem Kolben verbunden sind und von einem Motor, der im Gehäuse angeordnet ist, über eine Kurbelwelle angetrieben werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Stirlingzyklusmotor bereitgestellt, umfassend:
ein Gehäuse mit zumindest zwei Zylindern;
einen Stirlingkühlkreis mit einem Verdränger, der sich in einem der beiden Zylinder hin- und herbewegt, und einem Kolben der sich im anderen der beiden Zylinder hin- und herbewegt;
sowie Querführungsköpfe, die innerhalb des Gehäuses montiert sind und so gesteuert werden, dass sie sich in einer geraden Linie bewegen, ohne mit einem Arbeitsmedium im Stirlingkühlkreis in Kontakt zu kommen, wobei die Querführungsköpfe jeweils so mit dem Verdränger bzw. dem Kolben verbunden sind, dass sie einen Generator, der im Gehäuse angeordnet ist, über eine Kurbelwelle antreiben.
Im Stirlingzyklusmotor gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt können die Querführungsköpfe der Kolben oder Verdränger, die sich in den Zylindern hin- und herbewegen, Seite an Seite angeordnet sein und eine Phasendifferenz dazwischen aufweisen.
Im. Stirlingzyklusmotor gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt kann eine luftdichte Abdichtung zur Verhinderung des Austritts von eingeschlossenem Gas auf einer dichtenden Oberfläche des Gehäuses vorgesehen sein.
Es isL somit möglich, einen erwünschten Stirlingzyklusmotor, z. B. einen Stirlingkühler, einen Stirlingmotorgenerator usw., mit einfacher Konfiguration bereitzustellen.
Fig. 1 ist eine vertikale Schnittvorderansicht einer Konfiguration des Stirlingzyklusmotors, bei dem die erste Ausführungsform der Erfindung auf einen Stirlingkühler angewendet wird;
Fig. 2 ist eine Ansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung, die durch Betrachten von Fig. 1 in Richtung II-II und Abschneiden des halben Abschnitts erhalten wird;
Fig. 3 ist eine Ansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung, die durch Vereinfachung der Konfiguration des Stirlingzyklusmotors von Fig. 1 erhalten wird;
Fig. 4 ist eine vertikale Schnittvorderansicht einer Konfiguration des Stirlingzyklusmotors, bei dem die erste Ausführungsform der Erfindung auf einen Stirlingmotorgenerator angewendet wird;
Fig. 5 ist eine Ansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung, die durch Betrachten von Fig. 4 in Richtung V-V und Abschneiden des halben Abschnitts erhalten wird;
Fig. 6 ist ein charakteristisches Diagramm der Kühlleistung über der Temperatur des Stirlingzyklusmotors der Fig. 4 und 5 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 ist ein charakteristisches Diagramm des Leistungskoeffizienten über der Temperatur des Stirlingzyklusmotors der Fig. 4 und 5 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 ist eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, in der die Konfiguration eines Stirlingzyklusmotors vereinfacht ist;
Fig. 9 ist eine Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung, in der die Konfiguration eines Stirlingzyklusmotors vereinfacht ist;
Fig. 10 ist eine Ansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung, in der die Konfiguration eines Stirlingzyklusmotors vereinfacht ist;
Fig. 11 ist eine vertikale Schnittvorderansicht der Konfiguration eines Stirlingzyklusmotors einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12 ist eine Ansicht der fünften Ausführungsform der Erfindung, in der die Konfiguration des Stirlingzyklusmotors von Fig. 11 vereinfacht ist;
Fig. 13 ist eine Ansicht einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, in der die Konfiguration eines Stirlingzyklusmotors vereinfacht ist;
Fig. 14 ist eine vertikale Schnittvorderansicht der Konfiguration eines Stirlingkühler- Prototyps aus Dokument A als Vergleichsbeispiel; und
Fig. 15 ist eine vertikale Schnittansicht der Konfiguration des in Dokument B geoffenbarten Stirlingmotors in einem Solarsystem als weiteres Vergleichsbeispiel. Es folgt eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen.

Erste Ausführungsform

Es folgt eine Beschreibung der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 7.
Zunächst wird die Konfiguration des als Stirlingkühler funktionierenden Stirlingzyklusmotors, einer Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 erläutert.
Im Stirlingkühler 100 der vorliegenden Ausführungsform wird ein bekannter Kompressor, z. B. ein halbhermetischer Kompressor, als Antriebsabschnitt verwendet. Zunächst wird die Kompressorseite beschrieben.
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, steht Bezugszeichen 1 für ein Gehäuse, das aus einem Gussteil besteht und einen Zylinder 2 aufweist. Das Gehäuse 1 ist durch eine Trennwand 3 in eine Motorkammer 4 und eine Kurbelkammer 5 unterteilt. Ein Motorelement 6 ist in der Motorkammer 4 angeordnet, und ein Mechanismusabschnitt 7 zur Umwandlung von Drehbewegung in Hin- und Herbewegung befindet sich in der Kurbelkammer S. Bei Verwendung des Kompressors als halbhermetischer Kompressor funktioniert dieser Mechanismusabschnitt 7 als Kompressionselement.
Die Öffnung der Motorkammer 4 und die Öffnung der Kurbelkammer 5 werden durch die Verschlusselemente 8 verschlossen. Die Verschlusselemente 8 sind durch hochluftdichte Dichtungen 9 mittels mehrerer Bolzen 10 am Gehäuse 1 befestigt. Außerdem sind hochluftdichte Dichtungen 9 zwischen den Verbindungsabschnitten der jeweiligen Teile positioniert, um als Abdichtung zu dienen.
Die durch einen Lagerabschnitt 11 der Trennwand 3 getragene Kurbelwelle 12 ist drehbar im Gehäuse 1 angeordnet. Das Motorelement 6 besteht aus einem Stator 13, der an der inneren Umfangswand der Motorkammer 4 des Gehäuses 1 befestigt ist, und einem Rotor 14, der drehbar auf der inneren Umfangsseite dieses Stators 13 angeordnet ist. Die Kurbelwelle 12 ist am Mittelpunkt des Rotors 14 befestigt. Bezugszeichen 15 steht für einen Anschlusskasten, der das Motorelement 6 mit einer nicht dargestellten externen Stromversorgung verbindet.
Der Mechanismusabschnitt 7 besteht aus den Kurbelabschnitten 16a und 16b der Kurbelwelle 12, die sich in die Kurbelkammer 5 erstrecken, den Verbindungsstäben 17a und 17b, die mit diesen Kurbelabschnitten 16a und 16b verbunden sind, und Querführungsköpfen 18a und 1%, die an den Köpfen dieser Verbindungsstangen 17a und 17b befestigt sind. Der Mechanismusabschnitt 7 dient als Antriebsmittel für den Stirlingkühler, der weiter unten beschrieben wird. Ausgleichsgewichte 12a und 12b zum Ausgleich mit dem Stirlingkühlerabschnitt sind an der Kurbelwelle 12 montiert. Die Querführungsköpfe 18a und 18b sind hin- und herbewegend in Querführungseinlagen 19a und 19b auf der Innenwand des Zylinders 2 des Gehäuses 1 vorgesehen. Der Zylinder 2 dient als Kammer zur Führung der Querführungsköpfe 18a und 18b. Die Kurbelabschnitte 16a und 16b weisen eine Phasendifferenz von 90º auf.
Der Stirlingkühlerabschnitt 20 besteht aus einem oberhalb der Kurbelkammer 5 des Gehäuses 1 angeordneten Kompressionszylinder und einem auf diesem Kompressionszylinder 21 aufsitzenden Expansionszylinder.
Der Kompressionszylinder 21 besteht aus einem am Gehäuse 1 mittels Bolzen 23 befestigten Kompressionszylinderblock 24, einem Kompressionskolben 28, der sich in einem Raum 25 dieses Kompressionszylinderblocks 24 hin- und herbewegt, um diesen Raum 25 zu einem Kompressionsraum 26 zu machen und ihn in eine Hochtemperaturkammer 27 zu komprimieren, und aus einer Kompressionskolbenstange 30, die an einem Ende an diesem Kompressionskolben 28 montiert und am anderen Ende mittels eines Stifts 29a mit dem Querführungskopf 18a drehbar verbunden ist. Da die Gleitrichtung des sich im Raum 25 hin- und herbewegenden Kompressionskolbens 28 am oberen Totpunkt und am unteren Totpunkt umgekehrt wird, wird die Geschwindigkeit dort null. In der Nähe des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts ist demnach die Geschwindigkeit des Kolbens 28 ebenso wie das Ausmaß der Volumensänderung pro Zeiteinheit gering. Am Halbierungspunkt - wenn sich der Kompressionskolben 28 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt sowie vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt - ist die Kolbengeschwindigkeit ebenso wie die das Ausmaß der Volumensänderung pro Zeiteinheit infolge der Kolbenbewegung maximal.
Der Expansionszylinder 22 besteht aus einem Expansionszylinderblock 31, der durch einen nicht dargestellten Bolzen am oberen Abschnitt des Kompressionszylinders 21 befestigt ist, einem Verdrängerkolben 36, der in einem Raum 32 dieses Expansionszylinderblocks 31 gleitet und sich hin- und herbewegt, sodass der obere Abschnitt dieses Raums 32 zu einem Expansionsraum 33 wird, der sich in die Niedertemperaturkammer 34 ausdehnt, während der untere Abschnitt des Raums 32 zu einem Arbeitsraum 35 wird, und einer Verdrängerkolbenstange 37, die an einem Ende an diesem Verdrängerkolben 36 befestigt und am anderen Ende mittels eines Stifts 29b durch den Kompressionszylinderblock 24 drehbar mit dem Querführungskopf 18b verbunden ist. Die Verdrängerkolbenstange 37 ist durch eine Wellendichtungseinheit 39 abgedichtet, die sich in einem Durchgangsloch 38 des Kompressionszylinderblocks 24 befindet.
Der Kompressionskolben 28 hat eine Phasennacheilung von 90º in Bezug auf den Verdrängerkolben 36. Außerdem sind Dichtungsringe 40 auf den Gleitflächen des Kompressionskolbens 28 bzw. Verdrängerkolbens 36 vorgesehen.
Durchgänge 41 zur Herstellung der Kommunikation zwischen dem Kompressionsraum 26 und dem Arbeitsraum 35 sind im Kompressionszylinderblock 24 bzw. im Expansionszylinderblock 31 ausgebildet.
Ein Weg 42 zur Herstellung der Kommunikation zwischen dem Expansionsraum 33 und dem Arbeitsraum 35 ist im Expansionszylinderblock 31 ausgebildet. In diesem Weg 42 sind in dieser Reihenfolge ein Kühler 43 zum Kühlen der Außenseite, ein Kühlakkumulator 44 und ein Radiator 45 angeordnet.
Als Arbeitsgas für den Stirlingkühler 100 und als eingeschlossenes Gas im Gehäuse 1 kann z. B. Helium, Wasserstoff, Stickstoff usw. verwendet werden; in der vorliegenden Ausführungsform wird Helium verwendet. Da es unmöglich ist, den Austritt des Arbeitsgases aus dem Kompressionskolben zur Gänze zu vermeiden, wird dasselbe Gas vie das Arbeitsgas als eingeschlossenes Gas im Gehäuse verwendet, wobei der Austritt des Arbeitsgases in Betracht gezogen wird.
Es folgt eine Erklärung der Konfiguration des Stirlingkühlers von Fig. 1 unter Bezugnahme auf Fig. 3, die diesen in vereinfachter Ausführungsform darstellt, um die nachstehenden Ausführungsformen zu veranschaulichen.
Der Stirlingkühler 100 besteht aus einer ringförmigen Anordnung eines Wärmetauschers mit einem Verdränger und einem Kolben.
Zunächst werden die Kurbelwelle 12 durch das Motorelement 6 sowie die Kurbelabschnitte 16a und 16b in der Kurbelkammer 5 gedreht, sodass ihre Phasen voneinander um 90º verschoben werden. Die drehbar mit den Kurbelabschnitten 16a und 16b verbundenen Verbindungsstangen 17a und 17b gleiten, sodass die Querführungsköpfe 18a und 18b, die an den Köpfen der Verbindungsstangen 17a und 17b montiert sind, in den Querführungseinlagen 19a und 19b im Zylinder 2 hin- und hergleiten. Das Arbeitsgas des Kompressionsraums 26 im Kompressionszylinderblock wird durch den Kompressionskolben 28 komprimiert, der durch die Kompressionskolbenstange 30 mit dem Querführungskopf 18a verbunden ist, wenn sich der Kompressionskolben 28 zum oberen Totpunkt bewegt. Dann wird Arbeitsgas durch den Durchgang 41 in den Arbeitsraum 35 eingeleitet. Das in den Arbeitsraum 35 eingeleitete Arbeitsgas wird in den Radiator 45 abgegeben, wenn sich der mit dem Querführungskopf 18b durch die Verdrängerkolbenstange 37 verbundene Verdrängerkolben 36 abwärtsbewegt. Das Arbeitsgas, dessen Wärme durch den Radiator 45 nach außen abstrahlt, wird im Kühlungsakkumulator 44 gekühlt und fließt durch den Kühler 43 in den Expansionsraum 33. Zwischen dem Arbeitsraum 35 und dem Expansionsraum 33 wird das Arbeitsgas lediglich in der Fortbewegungsrichtung des Verdrängerkolbens 36 bewegt, und es tritt keine Druckänderung ein, wenn sich das Arbeitsgas zwischen dem Arbeitsraum 35 und dem Expansionsraum 33 bewegt. Kompression oder Expansion wird demnach nicht nur durch den Verdrängerkolben 36 erzeugt.
Wenn der Verdrängerkolben 36 an der Position von 90º zum unteren Totpunkt anlangt und die Geschwindigkeit den Höchstwert erreicht, erreicht der Kompressionskolben 28 den oberen Totpunkt und die Geschwindigkeit den Wert null. Wenn sich der Kompressionskolben 28 in Richtung des unteren Totpunkts bewegt, ist seine Geschwindigkeit gering und das Ausmaß der Volumenssteigerung des Kompressionsraums 26 ist klein, während die Geschwindigkeit des Verdrängerkolbens 36 den Höchstwert erreicht und die Volumensveränderung des Arbeitsraums 35 und des Expansionsraums 33 groß ist, sodass sich das Arbeitsgas im Arbeitsraum 35 in den Expansionsraum 33 bewegt. Wenn sich der Verdrängerkolben 36 dem unteren Totpunkt nähert, erreicht das Volumen des Expansionsraums 33 einen Höchstwert. Zu diesem Zeitpunkt nähert sich der Kompressionskolben 28 auf dem Weg zum unteren Totpunkt der Zwischenposition bei einem Drehwinkel von 90º, und auch die Geschwindigkeit erreicht ihren Höchstwert. Wenn daher das Arbeitsgas im Kompressionsraum 26 zu expandieren beginnt, sodass der Druck des Arbeitsgases niedrig wird, bewegt sich das Arbeitsgas im Expansionsraum 33 sofort in den Kompressionsraum 26 und beginnt zu expandieren, wodurch niedrige Temperaturen erzeugt werden.
Das im Expansionsraum 33 gekühlte Arbeitsgas wird aus dem Expansionsraum 22 in den Kühler 43 abgegeben, wenn der Verdrängerkolben 36 am oberen Totpunkt angelangt ist, um dadurch den Expansionsraum 33 zu verkleinern. Das somit abgegebene Arbeitsgas tauscht Wärme mit dem Äußeren des Kühlers 43 aus, um einen zu kühlenden Gegenstand zu kühlen und Wärme im Kühlungsakkumulator 44 zu sammeln, und tauscht Wärme mit einem Medium wie z. B. Außenluft, Wasser o. dgl. im Radiator 45 aus. Das Arbeitsgas fließt dann in den Arbeitsraum 35 und wird von diesem durch den Durchgang 41 in den Kompressionsraum 26 gesaugt. Ein solcher Zyklus wird in gleicher Weise wiederholt, sodass das Arbeitsgas auf eine sehr tiefe Temperatur im Bereich von -30ºC bis -200ºC im Stirlingkühler 100 gekühlt werden kann.
Obwohl die obige Beschreibung einen Fall betrifft, in dem der Kompressionskolben 28 und der Verdrängerkolben 36 eine Phasendifferenz von 90º aufweisen, können sie auch dann als Stirlingzyklusmotor funktionieren, wenn die Phasendifferenz in einem Bereich von etwa 60º bis etwa 120º liegt.
Wenn der Stirlingzyklusmotor als Stirlingmotorgenerator konfiguriert ist, ist die Konfiguration solcherart, dass der Kompressionskolben 28, die Niedertemperaturkammer 34, der Kühler 43 und der Kühlungsakkumulator 44 durch einen Kraftkolben, eine Hochtemperaturkammer, ein Heizelement und einen Regenerator ersetzt sind.
Eine Ausführungsform des Stirlingzyklusmotors 101, der als Stirlingmotorgenerator mit einer derartigen Konfiguration betrieben wird, ist in Fig. 4 und 5 dargestellt.
In Fig. 4 und 5 werden Bestandteile, die jenen der Fig. 1, 2 und 3 entsprechen, gleich bezeichnet, und es entfällt auch ihre Beschreibung.
In Fig. 4 und 5 steht Bezugszeichen 46 für ein umgekehrt U-förmiges Heizelement. Dieses Heizelement 46 wird durch eine Heizquelle 46A wie z. B. einen Brenner erhitzt. Bezugszeichen 47 steht für einen Regenerator. Dieser Regenerator 47 akkumuliert die Wärme des im Heizelement 46 durch die Heizquelle 46A erhitzten Arbeitsgases. Bezugszeichen 48 steht für einen Kühler und 49 für einen Kraftkolben. Dieser Kraftkolben 49 ist so ausgebildet, dass die durch das Erhitzen des Arbeitsgases entstandene Expansion als Druck einwirkt. Bezugszeichen 50 steht für einen Generator, der Elektrizität nach außen leitet. Bezugszeichen 51 steht für ein Schwungrad. Dieses Schwungrad 51 mindert die Leistungsschwankungen des Generators 50.
Im solcherart konfigurierten Stirlingmotorgenerator absorbiert das Arbeitsas im Expansionsraum 33 die Wärme, um zu expandieren, wenn das Heizelement 46 durch den Brenner der Heizquelle 46A erhitzt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Verdrängerkolben 36 auf den unteren Totpunkt nach unten gedrückt. Wenn sich der Verdrängerkolben 36, der den unteren Totpunkt erreicht und seine Richtung geändert hat, zum oberen Totpunkt bewegt, strömt das Arbeitsgas in der Expansionskammer 33 vom Heizelement 46 durch den Regenerator 47 und einen Kühler 48 in den Kompressionsraum 26. Dann wird die Wärme des Arbeitsgases im Regenerator 47 gesammelt. Der Druck des Arbeitsgases, das selbst in den Kompressionsraum 26 strömt, ist hoch, sodass der Kompressionskraftkolben 49 zum unteren Totpunkt gedrückt wird. Die Kurbelwelle 12 wird durch diesen auf die Deckfläche des Kompressionskraftkolbens 49 einwirkenden Druck gedreht, sodass der Generator 50 angetrieben wird. Außerdem strömt das auf den Kraftkolben 49 einwirkende Arbeitsgas durch den Kühler 48, den Regenerator 47 und das Heizelement 46 in den Expansionsraum 33, wobei sich der Verdrängerkolben 36 zum unteren Totpunkt bewegt. Dann wird das Arbeitsgas durch die im Regenerator akkumulierte Wärme erhitzt und durch den Brenner der Heizquelle 46A weiter erhitzt. Durch Wiederholen dieser Vorgänge wird der Kraftkolben 49 hin- und herbewegt, um die Kurbelwelle 12 durch die Verbindungsstange 17a und den Kurbelabschnitt 16a zu drehen, sodass der Generator 50 angetrieben wird. Die durch den Generator 50 erzeugte Elektrizität wird durch den Anschlusskasten 15 nach außen geleitet.
Fig. 6 und 7 sind charakteristische Diagramme des Stirlingzyklusmotors gemäß dieser Ausführungsform. Fig. 6 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Gastemperatur (ºC) in der Niedertemperaturkammer und der Kühlleistung (W) veranschaulicht; Fig. 7 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Gastemperatur (ºC) in der Niedertemperaturkammer und dem Leistungskoeffizienten (COP) veranschaulicht.
Wie aus den charakteristischen Diagrammen von Fig. 6 und 7 ersichtlich, wird bestätigt, dass der Stirlingzyklusmotor gemäß dieser Ausführungsform selbst bei einer sehr tiefen durchschnittlichen Gastemperatur im Bereich von -100ºC bis -200ºC eine hohe Kühlleistung und einen hohen Leistungskoeffizienten aufweist.

Zweite Ausführungsform

Es folgt eine Beschreibung der zweiten Ausführungsform der Erfindung als Stirlingkühler 102 unter Bezugnahme auf Fig. 8.
Der Stirlingkühler 102 gemäß dieser zweiten Ausführungsform wird durch die ringförmige Anordnung eines Wärmetauschers mit zwei Kolben gebildet.
In dieser Ausführungsform werden Teile, die jenen der ersten Ausführungsform entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 3, weshalb ihre Beschreibung entfällt.
In Fig. 8 steht Bezugszeichen 52 für einen Expansionskolben 52. Dieser Expansionskolben 52 ist an der Position angeordnet, die jener des Verdrängerkolbens 35 der ersten Ausführungsform entspricht. Da der Expansionskolben 52 eine ähnliche Funktion erfüllt wie der Kompressionskolben 28, vergrößert sich das Ausmaß der Volumensveränderung im mit dem Arbeitsgas im Stirlingkühler 102 gefüllten Raum, sodass der Stirlingkühler 102 eine große Kühlleistung aufweisen kann.
Da ferner Wärmetauschgeräte ringförmig angeordnet sind, wird die ringförmige Anordnung des Wärmetauschers in gleicher Weise realisiert wie in der ersten Ausführungsform, sodass der Kühler 43, der Kühlakkumulator 44 und der Radiator 45 in dieser Reihenfolge im Expansionszylinderblock 31 des Expansionszylinders 22 angeordnet sind. Ein Verteiler 53, der mit dem Kompressionsraum 26 kommuniziert, ist am unteren Ende des Radiators 45 positioniert.
Aufgrund dieser Konfiguration wird Arbeitsgas im Kompressionsraum 26 durch den Kompressionskolben 28 komprimiert und aus dem Durchgang 41 durch den Verteiler 53 in den Radiator 45 abgegeben. Das Arbeitsgas, dessen Wärme nach außen durch den Radiator 45 abgestrahlt wurde, wird durch den Kühlakkumulator 44 gekühlt und fließt durch den Kühler 43 in den Expansionsraum 33. Das im Kompressionsraum 26 komprimierte Arbeitsgas strömt durch die gleitende Abwärtsbewegung des Expansionskolbens 52 in den Expansionsraum 33. Da sich der Kompressionskolben 28 mit einer Phase bewegt, die 90º hinter dem. Expansionskolben 52 ist, nähert sich der Kompressionskolben 28 der Zwischenposition an, wenn sich der Expansionskolben 52 dem unteren Totpunkt annähert, sodass der Druck im Kompressionsraum 26 plötzlich abnimmt und sich das Arbeitsgas im Expansionsraum 33 sofort in den Kompressionsraum 26 bewegt. Daher dehnt sich das Arbeitsgas im Expansionsraum 33 aus, um für kühlende Temperaturen zu sorgen. Da außerdem der Kompressionskolben 28 und der Expansionskolben 52 das Arbeitsgas im Kompressionsraum 26 und Expansionsraum 33 komprimieren, ist die Volumensveränderung des Arbeitsgases so groß, dass die Kühlleistung des Stirlingkühlers 102 verbessert wird.
Um in Bezug auf die zweite Ausführungsform den Stirlingzyklusmotor als Stirlingmotorgenerator zu konfigurieren, werden der Kompressionskolben 28 und der Expansionskolben 52 durch Kraftkolben ersetzt sowie die Niedertemperaturkammer 34, der Kühler 43 und der Kühlakkumulator 44 durch eine Hochtemperaturkammer, ein Heizelement bzw. einen Regenerator ersetzt. In diesem Fall wirkt der durch die Ausdehnung des erhitzten Arbeitsgases entstehende Druck auf den Kompressionskolben 28 und den Expansionskolben 52 ein, um die jeweiligen Kolben 28 und 52 nach unten zu drücken, wodurch die Kurbelwelle 12 gedreht und der Generator 50 angetrieben wird.

Dritte Ausführungsform

Es folgt eine Beschreibung der dritten Ausführungsform der Erfindung, die als Stirlingkühler 103 verwendet wird, unter Bezugnahme auf Fig. 9. Der Stirlingkühler 103 gemäß dieser dritten Ausführungsform besteht aus einer Kanisteranordnung eines Wärmetauschers mit zwei Kolben.
Darüber hinaus ist in dieser Ausführungsform die Konfiguration des Kühlers, Kühlakkumulators und Radiators der ersten Ausführungsform verändert. Ein umgekehrt U-förmiger Kühler 54, ein Kühlakkumulator 55 und ein Radiator 56 sind getrennt oberhalb des Kompressionszylinderblocks 24 angeordnet, sodass der Kühlakkumulator 55 und der Radiator 56 miteinander durch den Kühler 54 verbunden sind (siehe Fig. 9).
Die. Konfiguration anderer Teile in dieser Ausführungsform entspricht der ersten und zweiten Ausführungsform. Dementsprechend werden in der dritten Ausführungsform Teile, die jenen aus Fig. 3 und 8 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben.
Da in dieser Ausführungsform der Expansionskolben 52 solcherart konfiguriert ist, dass seine Funktion jener des Kompressionskolbens 28 der zweiten Ausführungsform ähnelt, steigt die Volumensveränderung des mit Arbeitsgas im Stirlingkühler 103 gefüllten Raums, sodass der Stirlingkühler 103 eine hohe Kühlleistung aufweisen kann.
Außerdem sind Wärmetauschergeräte nicht ringförmig, sondern getrennt voneinander angeordnet. Der umgekehrt U-förmige Kühler 54, der Kühlakkumulator 55 und der Radiator 56 sind in Reihe angeordnet. Dies wird hierin als Kanisteranordnung des Wärmetauschers bezeichnet.
Um in dieser dritten Ausführungsform den Stirlingzyklusmotor als Stirlingmotorgenerator zu konfigurieren, werden der Kompressionskolben. 28 und der Expansionskolben 52 durch Kraftkolben sowie die Niedertemperaturkammer 34, der Kühler 54, der Kühlakkumulator 55 und der Radiator 56 durch eine Hochtemperaturkammer, ein Heizelement, einen Regenerator bzw. einen Kühler ersetzt.

Vierte Ausführungsform

Es folgt eine Erklärung der vierten Ausführungsform der Erfindung, die als Stirlingkühler 104 funktioniert, unter Bezugnahme auf Fig. 10. Der Stirlingkühler 104 gemäß der vierten Ausführungsform besteht aus einer Kanisteranordnung eines Wärmetauschers mit einem Verdränger und einem Kolben.
Darüber hinaus sind in dieser Ausführungsform zwei Paare von Kompressionszylindern 57 und Expansionszylindern 58 vorgesehen sowie ein Kompressionskolben 59 und ein Verdrängerkolben 60 in jedem Zylinderpaar angeordnet.
In Verbindung mit der Kompressorseite werden zunächst der recht und der linke Kompressionskolben 59 mit zwei Kurbelabschnitten 64 der Kurbelwelle 12 durch zwei Kompressionskolbenstangen 61, zwei Querführungsköpfe 62 bzw. zwei Verbindungsstangen 63 verbunden.
Der rechte und der linke Verdrängerkolben 60 werden mit zwei Kurbelabschnitten 66 der Kurbelwelle 12 verbunden, während in die Mittelpunkte der Verdrängerkolbenstangen 65 und Kompressionskolben 59 eingedrungen wird. Als Kanisteranordnung des Wärmetauschers sind der umgekehrt U-förmige Kühler 54, der Kühlakkumulator 55 und der Kühler 56 in Reihe verbunden.
In diesem Fall sind die Kompressionskolben 59 und die Verdrängerkolben 60 so positioniert, dass sie eine Phasendifferenz von 90º aufweisen.
Die zwei Gruppen an Stirlingzyklusmotoren sind mit einer Phasendifferenz von 180º angeordnet. Diese Anordnung berücksichtigt die Ausgewogenheit der zwei Gruppen an Stirlingzyklusmotoren.
Es sind ferner in diesem Fall zwei Gruppen an Konfigurationen eines Verdrängers und eines Kolbens vorgesehen und ein Wärmetauschergerät nicht ringförmig, sondern getrennt angeordnet. Daher wird diese Anordnung als Kanisteranordnung eines Wärmetauschers bezeichnet. Der Wärmetauscher kann jedoch auch ringförmig positioniert sein.
Um in der vierten Ausführungsform den Stirlingzyklusmotor als Stirlingmotorgenerator zu konfigurieren, werden der Kompressionskolben 59, die Niedertemperaturkammer 34, der Kühler 54, der Kühlakkumulator 55 und der Radiator 56 durch einen Kraftkolben, eine Hochtemperaturkammer, ein Heizelement, einen Regenerator bzw. einen Kühler ersetzt.

Fünfte Ausführungsform

Es folgt eine Beschreibung der fünften Ausführungsform der Erfindung, die als Stirlingkühler 105 dient, unter Bezugnahme auf Fig. 11. Der Stirlingkühler 105 gemäß der fünften Ausführungsform besteht aus einer ringförmigen Anordnung eines Wärmetauschers mit einem Verdränger und einem Kolben.
In dieser Ausführungsform werden die Teile, die jenen der ersten Ausführungsform von Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, weshalb deren Beschreibung entfällt.
In Fig. 11 sind im Kompressionszylinderblock 24 des Kompressionszylinders 21 der Kompressionskolben 28 und der Ausgleichskolben 67 (dient der Herstellung eines Ausgleichs zwischen dem Kompressionskolben 28 und dem Ausgleichskolben 67) durch die Kolbenstangen 68a und 68b gleitend mit den Querführungsköpfen 18a und 18b verbunden. Der Kompressionskolben 28 und der Ausgleichskolben 67 gleiten, während ihre Phase mittels der Kurbelabschnitte 69a und 69b der Kurbelwelle 12 um 180º verschöben wird. Durchgänge 67a sind durch den Ausgleichskolben 67 hindurch ausgebildet, damit der obere und der untere Abschnitt des Ausgleichskolbens 67 miteinander kommunizieren können, sodass der Ausgleichskolben 67 nicht komprimiert.
Ein freier Verdrängerkolben 71 mit einer Hohlkammer 70 ist im Expansionszylinderblock 31 des Expansionszylinders 22 untergebracht. Der Verdrängerkolben 71 besitzt eine Verdrängerführungsstange 72, die am oberen Ende des Kompressionszylinderblocks 24 fixiert und der Hohlkammer 70 zugewandt ist. Der Verdrängerkolben 71 ist befestigt, um mittels zweier Druckfedern 73a und 73b, die einander gegenüberliegend am oberen Ende der Verdrängerführungsstange 72 befestigt sind, gleiten zu können. Auf dem Abschnitt der Verdrängerführungsstange 72, an der die Druckfedern 73a und 73b befestigt sind, ist ein Aufteilungselement 74c zur Aufteilung des Hohlraums 70 des Verdrängerkolbens 71 in ein Paar Gasfederkammern 74a und 74b vorgesehen, in denen sich die Druckfedern 73a bzw. 73b befinden.
Die Konfiguration des Stirlingkühlers 105 von Fig. 11 wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 12 beschrieben, die diese Konfiguration vereinfacht darstellt.
Wenn - in Bezug auf den Verdrängerkolben 71 - das Arbeitsgas im Kompressionsraum 26 durch den Kompressionskolben 28 komprimiert wird, wird das komprimierte Arbeitsgas dem Arbeitsraum 35 und dem Expansionsraum 33 zugeleitet. Daher steigt der Druck im Arbeitsraum 35 an und erreicht sogar den Wert des Drucks im Expansionsraum 33. Die Fläche, auf die der Druck der Deckfläche des Verdrängerkolbens 71 auf der Seite des Arbeitsraums 35 einwirkt, ist aber um die Größe der Verdrängerführungsstange 72 kleiner als die Deckfläche des Verdrängerkolbens 71 auf der Seite des Expansionsraums 33. Daher bewegt sich der Verdrängerkolben 71 zur Position des unteren Totpunkts, sodass das Volumen im Expansionsraum 33 ansteigt, während das Volumen in Arbeitsraum 35 sinkt. In dieser Situation ist die Druckdifferenz zwischen dem Expansionsraum 33 und dem Arbeitsgas 35 größer als die gesamte Federkonstante der Druckfeder 73a und der Gasfeder 74a in der Hohlkammer 70, sodass sich der Verdrängerkolben 71 zum unteren Totpunkt bewegt. Wenn das Arbeitsgas durch den Kompressionskolben 28 in die Kompressionskammer 26 gesaugt wird, nimmt der Druck des Arbeitsgases im Expansionsraum 33 ab. Daher ist der Druck im Expansionsraum 33 kleiner als die gesamte Federkonstante der Kompressionsfeder 73a und der Gasfederkammer 74a in der Hohlkammer 70, sodass sich der Verdrängerkolben 71 zum oberen Totpunkt bewegt. Der Verdrängerkolben 71 gleitet mittels des Verdichtungs- und Saughubs des Kompressionskolbens 28 und mittels der Druckfedern 73a und 73b sowie der Gasfederkammern 74a und 74b in der Hohlkammer 70 hin und her.
Der Verdrängerkolben 71 gleitet mit einer um 90º mehr voreilenden Phase als der Kompressionskolben 28, indem das Gewicht des Verdrängerkolbens 71 selbst, die Federkonstante der Kompressionsfedern 73ä und 73b und die Federkonstante der Gasfederkammern 74a und 74b sowie die Dicke der Verdrängerführungsstange 72 (die Flächendifferenz zwischen den Deckflächen des Verdrängerkolbens 71) richtig eingestellt werden.
Das Ausgleichsgewicht der Kurbelwelle 12 kann eliminiert werden, indem der Ausgleichskolben 67 mit einer Phasendifferenz von 180º gegenüber dem Kompressionskolben hin- und hergleitet.
Um den Stirlingzyklusmotor als Stirlingmotorgenerator in dieser fünften Ausführungsform zu konfigurieren, werden der Kompressionskolben 28, die Niedertemperaturkammer 34, der Kühler 43, der Kühlakkumulator 44 und der Radiator 45 mit einem Kraftkolben, einer Hochtemperaturkammer, einem Heizelement, einem Regenerator bzw. einem Kühler ersetzt.

Sechste Ausführungsform

Es folgt eine Beschreibung der sechsten Ausführungsform der Erfindung, die als Stirlingkühler 106 konfiguriert ist, unter Bezugnahme auf Fig. 13. Der Stirlingkühler 106 besteht aus einer Kanisteranordnung eines Wärmetauschers mit einem Verdränger und einem Kolben.
In dieser Ausführungsform sind zwei Paare an Kompressionszylindern 57 und Expansionszylindern 58 vorgesehen, und es sind ferner Kompressionskolben 59 und freie Verdrängerkolben 71 in den zwei Zylinderpaaren untergebracht.
In Verbindung mit einer Kompressorseite werden zunächst der rechte und der linke Kompressorkolben 59 mit dem Kurbelabschnitt 64 der Kurbelwelle 12 durch die Kompressionskolbenstangen 61, die Querführungsköpfe 62 und die Verbindungsstangen 63 verbunden.
Der freie Verdrängerkolben 71, dessen Inneres aus einer Hohlkammer 76 besteht, ist in einem Expansionszylinderblock 75 des linken und des rechten Expansionszylinders 58 angeordnet. Der Verdrängerkolben 71 besitzt eine Verdrängerführungsstange 79, die an einem Aufteilungselement 78 zwischen dem Kompressionsraum 26 und dem Arbeitsraum 35 befestigt und der Hohlkammer 76 zugewandt ist. Der Verdrängerkolben 71 ist mittels zweier Druckfedern 80a und 80b gleitend befestigt, die solcherart fixiert sind, dass sie am oberen Ende der Verdrängerkolbenstange 79 einander gegenüberliegen. Im Abschnitt der Verdrängerführungsstange 79, an der die Druckfedern 80a und 80b befestigt sind, ist ein Aufteilungselement 82 untergebracht, um die Hohlkammer 76 in ein Paar Gasfederkammern 81a und 81b aufzuteilen, in denen sich die Druckfedern 80a und 80b befinden.
In diesem Fall sind der Kompressionskolben 59 und der Verdrängerkolben 71 solcherart positioniert, dass sie um 90º phasenverschoben sind.
Zwei Gruppen an Stirlingzyklusmotoren sind angeordnet, sodass sie um 180º phasenverschoben sind. Diese Anordnung berücksichtigt den Ausgleich zwischen den zwei Gruppen an Stirlingzyklusmotoren.
Es sind zwei Gruppen an Konfigurationen bereitgestellt, die jeweils durch einen Verdränger und einen Kolben gebildet werden, wobei die Wärmetauschergeräte nicht ringförmig, sondern getrennt angeordnet sind. Daher wird die Anordnung in dieser Ausführungsform als Wärmetauscher-Kanisteranordnung bezeichnet. Der Wärmetauscher kann jedoch auch ringförmig angeordnet sein.
Um den Stirlingzyklusmotor als Stirlingmotorgenerator gemäß der sechsten Ausführungsform zu konfigurieren, werden der Kompressionskolben 59, die Niedertemperaturkammer 34, der Kühler 54, der Kühlakkumulator 55 und der Radiator 56 durch einen Kraftkolben, eine Hochtemperaturkammer, ein Heizelement, einen Generator bzw. einen Kühler ersetzt.
Wie oben ausführlich beschrieben wurde, weist der Stirlingzyklusmotor der Erfindung die folgenden Vorteile auf:
(1) Da in der Konfiguration gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein bestehender halbhermetischer Kompressor als Antriebsabschnitt des Stirlingzyklusmotors verwendet werden kann, ist es möglich, einen erwünschten Stirlingzyklusmotor wie z. B. einen Stirlingkühler, einen Stirlingmotorgenerator o. dgl. mit einfacher Konfiguration bereitzustellen, in dem der Stirlingzyklusmechanismus mit der Seite des Kompressionselements des Kompressors verbunden ist.
(2) Wenn der Zylinderabschnitt des Kompressors als Querführung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung verwendet wird, ist es möglich, Unrundheit zu vermeiden, wodurch mechanische Verluste eingedämmt und Schäden des Zylinders verhindert werden.
(3) Wenn die Querführungen der Kolben oder Verdränger, die sich in den Zylindern hin- und herbewegen und Seite an Seite angeordnet sind, so positioniert sind, dass eine vorbestimmte Phasendifferenz gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung gegeben ist, kann die Antriebskraft des im Gehäuse vorgesehenen Kompressors richtig als Arbeitskraft der Kompressionskolben oder Verdränger übertragen werden.
(4) Wenn eine luftdichte Abdichtung auf der dichtenden Oberfläche des Gehäuses des Kompressors gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung vorhanden ist, kann unerwartetes Austreten des Arbeitsgases verhindert werden.
(5) Wenn ein Schwungrad an zumindest einem Ende einer Kurbelwelle angeordnet ist, mit der ein Kobel oder Verdränger gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung verbunden ist, ist es möglich, den Einfluss der Leistungsschwankung des Motors durch das Trägheitsmoments dieses Schwungrads zu verringern.

Claims

1. Stirlingzyklusmotor, umfassend:

ein Gehäuse (1) mit zumindest zwei Zylindern (21, 22);

einen Stirling-Kühlkreis mit einem Verdränger (36), der sich in einem der beiden Zylinder (22) hin und her bewegt, und einem Kolben (28), der sich im anderen der beiden Zylinder (21) hin und her bewegt; sowie

Querführungsköpfe (18b, 18a),die im Gehäuse montiert sind und so gesteuert werden, dass sie sich in einer geraden Linie bewegen, ohne mit einem Arbeitsmedium im Stirling-Kühlkreis in Kontakt zu kommen, wobei die Querführungsköpfe (18b, 18a) mit dem Verdränger (36) bzw. dem Kolben (28) verbunden sind und von einem Motor (6), der im Gehäuse angeordnet ist, über eine Kurbelwelle (12) angetrieben werden.

2. Stirlingzyklusmotor, umfassend:

ein Gehäuse (1) mit zumindest zwei Zylindern (21, 22);

einen Stirling-Kühlkreis mit einem Verdränger (36), der sich in einem der beiden Zylinder (22) hin und her bewegt, und einem Kolben (28) der sich im anderen der beiden Zylinder (21) hin und her bewegt;

sowie Querführungsköpfe (18b, 18a), die innerhalb des Gehäuses montiert sind und so gesteuert werden, dass sie sich in einer geraden Linie bewegen, ohne mit einem Arbeitsmedium im Stirling-Kühlkreis in Kontakt zu kommen, wobei die Querführungsköpfe (18b, 18a) jeweils so mit dem Verdränger (36) bzw. dem Kolben (28) verbunden sind, dass sie einen Generator (50), der im Gehäuse (1) angeordnet ist, über eine Kurbelwelle (12) antreiben.

3. Stirlingzyklusmotor nach Anspruch 1 oder 2, worin die Querführungsköpfe (18b, 18a) für den Kolben (28) und den Verdränger (36) Seite an Seite mit einer Phasendifferenz dazwischen vorgesehen sind.

4. Stirlingzyklusmotor nach Anspruch 1 oder 2, weiters umfassend: eine luftdichte Gehäusedichtung, die auf einer Dichtungsfläche des Gehäuses (1) vorgesehen ist.

5. Stirlingzyklusmotor nach Anspruch 1 oder 2, worin ein Durchgang (41, 42) die beiden Zylinder (21, 22) miteinander verbindet.