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Technischer
Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an einer Stirlingwärmekraftmaschine
oder –kältemaschine
und insbesondere Verbesserungen bezüglich mechanischer und thermischer
Komponenten einer Stirlingwärmekraftmaschine
oder –kältemaschine,
die zu erhöhter
Motorbetriebseffizienz und Lebensdauer beitragen und ihre Größe, Komplexität und Kosten
reduzieren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Stirling-Zyklusmaschinen,
darunter Motoren und Kältemaschinen,
weisen eine lange technische Entwicklungsgeschichte auf, die ausführlich in
Walker, „Stirling
Engines", Oxford
University Press (1980) beschrieben ist, welche Druckschrift hiermit durch
Bezugnahme zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird. Das dem
Stirlingmotor zugrunde liegende Prinzip ist die mechanische Verwirklichung des
thermodynamischen Kreislaufs nach Stirling: isovolumetrisches Erwärmen eines
Gases in einem Zylinder, isotherme Expansion des Gases (wobei durch Antreiben
eines Kolbens Arbeit geleistet wird), isovolumetrisches Abkühlen und
isothermische Kompression. Die Stirling-Zykluskältemaschine ist auch die mechanische
Verwirklichung eines thermodynamischen Kreislaufs, der dem idealen
thermodynamischen Stirlingkreislauf nahe kommt. In einem idealen thermodynamischen
Stirlingkreislauf erfährt
das Arbeitsfluid aufeinanderfolgende Zyklen von isovolumetrischer
Erwärmung,
isothermer Expansion, isovolumetrischer Abkühlung und isothermer Kompression.
Praktische Ausführungen
des Zyklus, worin die Stufen weder isovolumetrisch noch isothermisch sind,
liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung und es kann in der vorliegenden
Beschreibung in der Erläuterung
des idealen Falles darauf Bezug genommen werden, ohne den Rahmen
der beanspruchten Erfindung einzuschränken.
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Verschiedene
Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen sowohl Stirlingmotoren
wie Stirlingkältemaschinen,
die in der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen kollektiv
als Stirling-Zyklusmaschinen bezeichnet werden. Weitere Aspekte
der Stirling-Zyklusmaschinen und Verbesserungen hierzu werden in
der parallelen US-Patentanmeldung
mit dem Titel „Stirling
Cycle Machine Improvements",
angemeldet am 14. Juli 1998, diskutiert.
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Das
Funktionsprinzip eines Stirlingmotors wird einfach mit Bezug zu
den 1a–1f
beschrieben, worin identische Bezugszahlen verwendet sind, um gleiche
oder ähnliche
Teile zu identifizieren. Es sind den Fachleuten viele mechanische
Auslegungen von Stirling-Zyklusmaschinen
bekannt, und der allgemein mit den Bezugszeichen 10 bezeichnete spezielle
Stirlingmotor ist nur zum Zwecke der Erläuterung gezeigt. In den 1a–1d bewegen
sich ein Kolben 12 (ansonsten hier als „Kompressionskolben" bezeichnet) und
ein zweiter Kolben 14 (auch als „Expansionskolben" bekannt) in phasenweiser
Hubbewegung in einem Zylinder 16. Kompressionskolben 12 und
Expansionskolben 14 können
sich auch in getrennten, miteinander verbundenen Zylindern bewegen.
Kolbendichtungen 18 verhindern, dass ein Strom von Arbeitsfluid,
das im Zylinder 16 zwischen Kolben 12 und Kolben 14 enthalten
ist, um einen Kolben 12 austritt. Das Arbeitsfluid ist
aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften ausgewählt, wie es
unten in der Beschreibung diskutiert wird, und ist typischerweise
Helium mit einem Druck von einigen Atmosphären. Das von der Position des
Kolbens 14 bestimmte Volumen des Fluids wird als Expansionsraum 22 bezeichnet.
Das von der Position des Kolbens 12 bestimmte Volumen wird
als Kompressionsraum 24 bezeichnet. Damit Fluid zwischen
dem Expansionsraum 22 und Kompressionsraum 24 strömt, sei
es in der gezeigten Konfiguration oder einer anderen Konfiguration
einer Stirlingmaschine 10,1äuft das Fluid durch einen Regenerator 26.
Der Regenerator 26 ist eine Materialmatrix mit einem großen Verhältnis von
Oberfläche
zu Volumen, das dazu dient, Wärme
vom Arbeitsfluid aufzunehmen, wenn das Fluid vom Expansionsraum 22 heiß eintritt
und das Fluid aufzuwärmen,
wenn es vom Kompressionsraum 25 zurück zum Expansionsraum 22 läuft.
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In
der ersten Phase des Motorzyklus, dessen Ausgangszustand in 1a abgebildet
ist, komprimiert der Kolben 12 das Fluid im Kompressionsraum 24.
Die Kompression erfolgt bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur,
weil aus dem Fluid Wärme
an die Umgebung abgezogen wird. In der Praxis ist ein Kühler 68 vorgesehen
(in 2 gezeigt), wie es nachfolgend in der Beschreibung
diskutiert wird.
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Der
Zustand des Motors 10 nach Kompression ist in 1b abgebildet.
In der zweiten Phase des Zyklus bewegt sich der Expansionskolben 14 synchron
mit dem Kompressionskolben 12, um ein konstantes Fluidvolumen
beizubehalten. Wenn das Fluid in den Expansionsraum 22 überführt wird,
strömt
es durch den Regenerator 26 und nimmt vom Regenerator 26 Wärme so auf,
dass der Druck des Fluids sich erhöht. Am Ende der Übertragungsphase
weist das Fluid einen höheren
Druck auf und ist im Expansionsraum 22 enthalten, wie es
in 1c abgebildet ist.
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In
der dritten Phase (der Expansionsphase) des Motorzyklus, nimmt das
Volumen des Expansionsraums 22 zu, da Wärme von außerhalb des Motors 10 eingezogen
wird, wodurch Wärme
in Arbeit umgewandelt wird. Praktisch wird Wärme dem Fluid mittels einer
Heizeinrichtung 64 (in 2 gezeigt)
zugeführt,
was ausführlicher
in der Beschreibung nachfolgend diskutiert wird. Am Ende des Expansionsphase
ist der Expansionsraum 22 voll mit heißem Fluid, wie es in 1dd
abgebildet ist. In der vierten Phase des Motorzyklus wird Fluid
aus dem Expansionsraum 22 zum Kompressionsraum 24 überführt, wobei
der Regenerator 26 erwärmt
wird, wenn das Fluid ihn durchläuft.
Am Ende der zweiten Transferphase ist Fluid im Kompressionsraum 24,
wie es in 1a abgebildet ist, und ist für eine Wiederholung der
Kompressionsphase bereit. Der Stirlingzyklus ist in einem P-V-Diagramm (Druck-Volumen)
dargestellt, wie es in 1e abgebildet
ist und in einem T-S-Diagramm
(Temperatur-Entropie) wie es in 1f gezeigt
ist. Der Stirlingzyklus ist ein geschlossener Kreislauf, bei dem
Arbeitsfluid typischerweise im Verlauf des Zyklus nicht ersetzt
wird.
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Das
Funktionsprinzip einer Stirlingzykluskältemaschine kann auch mit Bezug
zu den 1a–1e beschrieben
werden, worin identische Bezugszeichen verwendet sind, um gleiche oder ähnliche
Teile zu identifizieren. Die Unterschiede zwischen dem oben beschriebenen
Motor und einer als Kälteanlage
eingesetzten Stirlingmaschine liegen darin, dass das Kompressionsvolumen 22 typischerweise
in thermischer Kommunikation mit der Umgebungstemperatur steht und
das Expansionsvolumen 24 mit einer äußeren Kühllast (nicht gezeigt) verbunden
ist. Der Kältemaschinenbetrieb
erfordert Arbeitszufuhr aus dem Netz.
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Stirlingzyklusmaschinen
werden nicht generell in praktischen Anwendungen verwendet, und Stirlingzykluskältemaschinen
sind auf das Spezialgebiet der Kryotechnik beschränkt, was durch
verschiedene entmutigende ingenieurmäßige Herausforderungen bei
ihrer Entwicklung bedingt ist. Diese betreffen praktische Überlegungen,
wie Effizienz, Vibration, Lebensdauer und Kosten. Die vorliegende
Erfindung spricht solche Überlegungen
an.
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Der
in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendete Ausdruck „harmonischer
Antrieb" betrifft
eine Antriebsanordnung, die ein Getriebe einsetzt, um Rotation und
sinusförmige Linearbewegung
ineinander umzuwandeln. Ein harmonischer Kurbelantrieb wurde bei
einem Dieselmotor angewendet, wie es bei Moeller „Prime
Movers for Series Hybrid Vehicles" (Society of Automotive Engineers, Inc.,
1997) beschrieben ist und einem Einzelkolben eines Stirlingmotors
wie es von Bartolini und Caresana „A New Small Stirling Engine
Prototype for Auxiliary Employments Abroad" (ASME, 1995) beschrieben ist. Die Ausführungsform
mit einem Kolben von Bartolini und Caresana leidet jedoch unter
einem dynamischen Ungleichgewicht, das zu ineffizientem Betrieb
und Verschleiß führen kann.
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Ein
Ansaugsystem für
einen Brenner mit einer Luftverwirbelungsvorrichtung und einer Einspritzkontrollvorrichtung
ist in der EP-A-735 318 offenbart.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist bei einem der Ausführungsbeispiele
eine Maschine, wie beispielsweise eine Stirlingzyklusmaschine, vorgesehen.
Die Maschine weist zwei Kolben auf, von denen jeder eine Verbindungsstange
besitzt und jeder einer hin- und hergehende linearen Bewegung längs entsprechender
Stangenachsen innerhalb entsprechender Zylinder unterliegt und jeder
eine Verlagerung bezüglich Vergleichspunkten
längs der
entsprechenden Stangenachse aufweist, wobei die Vergleichspunkte
bezüglich
der entsprechenden Zylinder festgelegt sind. Die zweite Stangenachse
liegt in einer ersten Ebene parallel zu der ersten Stangenachse
und in einer zweiten Ebene, die bezüglich der ersten Stangenachse
einen Winkel bildet. Zusätzlich
weist die Maschine einen harmonischen Verbindungsantrieb auf, der
durch ein reines Drehmoment gekennzeichnet ist. Der harmonische
Verbindungsantrieb ist mit der ersten und zweiten Verbindungsstange
derart gekoppelt, dass die Verlagerung des ersten Kolbens längs der
ersten Stangenachse eine sinusförmige
Funktion eines Kurbelwinkels und die Verlagerung des zweiten Kolbens
längs der
zweiten Stangenachse eine sinusförmige
Funktion des Kurbelwinkels ist, wobei die Verlagerung des zweiten
Kolbens phasenverschoben bezüglich
der Verlagerung des ersten Kolbens längs der ersten Stangenachse
ist, wobei die Phasenverschiebung im Wesentlichen gleich dem Winkel zwischen
der zweiten Ebene und der ersten Stangenachse ist. Schließlich weist
die Maschine ein Arbeitsfluid auf, dass in den ersten und zweiten
Zylindern enthalten ist, wobei das Arbeitsfluid auf aufeinanderfolgenden
geschlossenen Zyklen des Heizens des Expandierens des Kühlens und
des Komprimierens unterliegt.
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Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen kann
der Verbindungsantrieb eine primäre
Kurbelwelle, eine im Inneren der primären Kurbelwelle angeordnete
exzentrische Kurbelwelle, die sowohl mit der ersten Verbindungsstange
als auch mit der zweiten Verbindungsstange gekoppelt ist, und eine
epizyklische Zahnradanordnung aufweisen, die die exzentrische Kurbelwelle
mit der primären
Kurbelwelle derart koppelt, dass die exzentrische Kurbelwelle und die
primäre
Kurbelwelle sich gegensinnig drehen.
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Alternativ
kann eine exzentrische Kurbelwelle sowohl mit der ersten Verbindungsstange
als auch mit der zweiten Verbindungsstange nahe dem Gelenkende verbunden
sein, und eine epizyklische Zahnradanordung kann distal zu dem Gelenkende
angeordnet sein, wobei die epizyklische Zahnradanordung die exzentrische
Kurbelwelle mit der primären Kurbelwelle
derart koppelt, dass die exzentrische Kurbelwelle durch ein vorwärts gerichtetes
Drehmoment und die primäre
Kurbelwelle durch ein rückwärts gerichtetes
Drehmoment gekennzeichnet sind. Der Verbindungsantrieb kann auch
ein Schwungrad aufweisen, dass mit der exzentrischen Welle derart gekoppelt
ist, dass das reine Drehmoment des harmonischen Verbindungsantriebs
im Wesentlichen Null ist.
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Gemäß weiterer
alternativer Ausführungsbeispiele
kann die Maschine auch einen Generator, der mit der primären Kurbelwelle
zum Umformen von mechanischer elektrischer Energie verbunden ist, und
ein datenverarbeitendes Gerät
zur Steuerung einer Strombelastung auf den Generator derart aufweisen,
dass auf die primäre
Kurbelwelle ein im wesentlichen konstantes Drehmoment geliefert
wird. Die erste und die zweite Verbindungsstange können bezüglich eines
Biegens in einer Richtung quer zu den entsprechenden Stangenachsen
flexibel sein.
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Gemäß weiterer
Ausbildungsformen kann die Maschine auch einen Wärmetauscher zum Übertragen
von thermischer Energie über
einen Verteiler, von einem ersten Fluid zu einem Fluid sitzen, wobei der
Wärmetauscher
zahlreiche Bolzen aufweist, die sich von dem Verteiler, in das erste
und/oder zweite Fluid erstrecken.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Ansaugsystem zum Mischen von Luft- und Kraftstoff gemäß Patentanspruch
1 vorgesehen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird leichter verständlich
mit Bezug zu der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen, in denen:
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1a–1e das
Funktionsprinzip einer Stirlingmaschine aus dem Stand der Technik
abbilden;
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2 eine
Seitenansicht im Querschnitt einer Stirlingmaschine ist;
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3 ein
schematisches Diagram im Querschnitt eines Umlaufgetriebes zum Koppeln
der linearen Hubbewegungen eines Kompressionskolbens und eines Expansionskolbens
ist;
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4a–4h das
Funktionsprinzip einer Stirlingmaschine mit exzentrisch gekoppelten
Antriebsstangen abbildet;
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5a eine
Perspektivansicht eines neuen L-Verbindungsantriebs ist, der zum
Koppeln der orthogonalen Linearbewegung von zwei Kolben einer Stirlingmaschine
eingesetzt ist;
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5b eine
Seitenansicht im Querschnitt des L-Verbindungsantriebs von 5a ist,
der Torsionsgegengewichte zeigt;
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6a eine
Draufsicht im Querschnitt einer Stirlingmaschine mit einer neuen
Verbindung zum Koppeln der orthogonalen Linearbewegung von zwei Kolben
ist;
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6b eine
Seitenansicht im Querschnitt der Stirlingmaschine von 6a ist,
die die neue Verbindung zum Koppeln der orthogonalen Linearbewegung
von zwei Kolben einsetzt;
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7a ein
Querschnitt durch Linie AA von 2 einer
Stirlingmaschine ist, der eine freie Kurbelwelle zeigt;
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7b ein
Querschnitt durch Linie AA von 2 einer
Stirlingmaschine ist, der eine freie Kurbelwelle zeigt, worin das
Schwungrad am Ende der exzentrischen Kurbelwelle, fern von den Motorzylindern,
angeordnet ist;
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8a ein
Querschnitt einer Stirlingmaschine mit einem Stiftwärmeaustauschers
von 8a ist;
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8b eine
vergrößerte perspektivische Einzelansicht
eines Stiftwärmeaustauschers
von 8a;
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9a eine
Perspektivansicht vom Boden des Stirlingmotors von 2 ist,
die Verteilerkanäle zur
Erhöhung
der Strömungsgleichmäßigkeit
zeigt;
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9b eine
Draufsicht des Systems von Verteilerkanälen von 9a ist;
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10a eine Querschnittsansicht von der Seite eines
Kraftstoffeinlassverteilers für
einen Stirlingmotor zeigt wie er in einer bevorzugten Ausführungsform
verwendet ist,
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10b eine Querschnittsansicht von oben des Kraftstoffeinlassverteilers
von 10a im Schnitt entlang BB zeigt;
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10c eine Querschnittsansicht von oben des Kraftstoffeinlassverteilers
von 10a im Schnitt entlang AA ist
und die Kraftstoffeinspritzdüsen
zeigt.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Mit
Bezug zu 2 ist eine Stirlingmaschine, im
Querschnitt gezeigt, allgemein mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet.
Während
die Erfindung allgemein mit Bezug zu der in 2 gezeigten
Stirlingmaschine beschrieben wird, versteht es sich, dass viele Maschinen
sowie Kältemaschinen
gleichermaßen von
verschiedenen Ausführungsformen
und Verbesserungen profitieren können,
die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Die Konfiguration
der in 2 gezeigten Stirlingmaschine 28 wird
als Alphakonfiguration bezeichnet, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass Kompressionskolben 30 und Expansionskolben 32 in
entsprechenden und bestimmten Zylindern Linearbewegung erfahren:
der Kompressionskolben 30 im Kompressionszylinder 34 und
der Expansionskolben 32 im Expansionszylinder 36.
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Außer dem
Kompressionskolben 30 und dem Expansionskolben 32 weisen
die Hauptkomponenten der Stirlingmaschine 28 eine Heizeinrichtung 64,
einen Regenerator 66 und einen Kühler 68 auf. Der Kompressionskolben 30 und
der Expansionskolben 32, gemeinsam als Kolben bezeichnet, sind darauf
beschränkt,
sich in hin- und hergehender Linearbewegung in entsprechenden Volumen 38 und 40 zu bewegen.
Eine Zylinderbeschichtung 42 kann die entsprechenden Zylinderflächen überziehen.
Die Volumen der Zylinderinnenräume
nahe der Heizeinrichtung 64 und dem Kühler 68 werden hier
als heiße bzw.
kalte Abschnitte des Motors 28 bezeichnet. Die relative
Phase (der „Phasenwinkel") der linearen Hubbewegung
des Kompressionskolbens 30 und Expansionskolbens 32 ist
durch ihre entsprechende Kopplung mit einem Antriebsmechanismus 44 bestimmt,
der in einem Kurbelgehäuse 46 untergebracht
ist. Der Antriebsmechanismus 44, der unten ausführlicher
diskutiert wird, ist ein Beispiel verschiedener Mechanismen, die
im Stand der Technik der Motorkonstruktion bekannt sind, die eingesetzt
werden können,
um die relative Taktung der Kolben zu bestimmen und Linear- und Rotationsbewegung
ineinander umzuwandeln. Der Kompressionskolben 30 bzw.
der Expansionskolben 32 sind mit dem Antriebsmechanismus 44 über eine
erste Verbindungsstange 48 und eine zweite Verbindungsstange 50 gekoppelt. Das
Volumen 38 des Kompressionszylinders 34 ist über einen
Kanal 45 mit dem Kühler 68 gekoppelt, um
ein zyklisches Kühlen
von komprimierten Arbeitsfluid zu ermöglichen. Der Kanal 45 koppelt
insbesondere das Kompressionsvolumen 38 mit den ringförmigen Wärmeaustauschern,
die Kühler 68,
Regenerator 66 und Heizeinrichtung 64 aufweisen.
Eine Strömungsabzweigung
zwischen einem Kanal 45 und einem ringförmigen Raum 4? wird
nachfolgend mit Bezug zu 9 diskutiert.
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Die
Stangen 48 und 50 können in der Weise hergestellt
sein, dass sie in Bezug auf Biegen flexibel sind, so dass sie Antriebsfehlausrichtungen
aufnehmen (wie sie während
der Druckbeaufschlagung und dem Erwärmen der Motorstruktur auftreten
können), während ausreichend
Zug- und Kontraktionssteifigkeit so vorgesehen ist, dass die erforderlichen
Kompressionsbelastungen ohne Knicken aufgenommen werden. Die Stangen 48 und 50 sind
bevorzugt aus einem hochfesten Material gebildet, wie zum Beispiel Werkzeugstahl
S-7, und sind vorteilhaft ellipsenförmig im Querschnitt, obwohl
Stangen beliebigen Querschnitts möglich sind.
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Der
Betrieb des Antriebsmechanismus 44 wird nun mit Bezug zu 3 diskutiert.
Eine Verbindung (die als „L-Antriebsverbindung" bezeichnet werden
kann) ist zum Koppeln zweier Glieder vorgesehen, die eine sinusförmige Linearbewegung
mit einer relativen Phasenverzögerung
erfahren. Ein Umlaufgetriebe ist allgemein mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet.
Das Umlaufgetriebe 70 kann gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung eingesetzt sein, um die linearen Hubbewegungen der
Kolben 12 und 14 zu koppeln (in 1 gezeigt),
die alternativ als Kompressionskolben 12 und Expansionskolben 14 bezeichnet
sind. Das Umlaufgetriebe 70 besteht aus einem Innenrad 72 und
einem Ritzel 74, wobei der Teilkreisdurchmesser des Innenrades 72 gleich
dem Doppelten des Teilkreisdurchmessers des Ritzels 74 ist.
Wenn das Innenrad 72 fixiert bleibt und das Ritzel 74 sich
im Innenrad 72 drehen kann, wandert jeder Punkt auf dem
Umfang 76 des Innenrades 74 entlang einer geraden
Linie mit rein sinusförmiger
Bewegung in Bezug auf einen Bezugspunkt auf der Linie.
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Die 4a–4h zeigen
die entsprechende Linearwanderung der Kolben 12 und 14,
die über Verbindungsstangen 48 und 50 an
gegenüberliegenden
Seiten des Ritzels 74 gekoppelt sind, das sich in Bezug
auf ein fixiertes Innenrad 72 dreht, wie es mit Bezug zu 3 beschrieben
ist. Die Kolben 12 und 14 bewegen sich in einem
Winkel zueinander, bevorzugt einem Winkel um ungefähr 10° zur Senkrechten. Die
Kolben 12 und 14 führen eine reine sinusförmige Linearbewegung
in einer Phasenwinkelrelation aus, die im Wesentlichen gleich der
Winkelorientierung der Achsen der Kolbenbewegung in Bezug zueinander
sind. Auf diese Weise bewegen sich zum Beispiel die Kolben 12 und 14 für exakt
orthogonale Kolbenbewegung im Wesentlichen in Quadratur (90° aus der
Phase) zueinander. Aufeinander folgende Bewegungsphasen der Kolben 12 und 14 mit
Rotation des Ritzels 74 sind in den 4a–4h gezeigt.
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Mit
Bezug zu 5a ermöglicht nun die Verwendung von
Gegengewichten 78, die 180° aus der Phase mit dem Ritzel 74 rotieren,
dass der Motor dynamisch ausgeglichen ist. Mit Bezug zur Querschnittsansicht
des in 5b gezeigten Antriebs ist es
nicht notwendig, den Antrieb symmetrisch um seine Mittellinie zu
belasten, vorausgesetzt, dass ein Satz von „Torsionsgegengewichten" 80 um die
Achse einer exzentrischen Kurbelwelle 86 vorgesehen ist.
Der Satz zweier gegenüberstehender
Gegengewichte 80, die zusätzlich zu primären Gegengewichten 78 vorgesehen
ist, kann die durch die versetzten Kolben erzeugten Momente ausgleichen,
während
die primären
Gegengewichte 78 den Motor in Translation ausgleichen.
In der in Perspektive in 5a und
in Querschnittsansichten von oben und der Seite in den 5b, 6a und 6b gezeigten
Ausführungsfonn
sind Gegengewichte 78 vorgesehen, die in Gegenphase zu
den Kompressionskolbenlagern 82 bzw. Expansionskolbenlagern 84 rotieren.
Die Verbindungsantriebsausführungsformen
erfordern viel weniger Teile als ein rhombischer Antriebsmechanismus,
was nachfolgend ausführlicher
beschrieben wird. Außerdem
ist das von der neuen Verbindung verschobene Volumen kleiner als
das Verschiebungsvolumen eines rhombischen Antriebs mit demselben
Kolbenhub. Außerdem
kann die Sinusbewegung der beiden senkrechten Kolben mit einem einfachen
Gegengewicht perfekt ausgeglichen werden und bringt keine Nebenbelastungen
auf die Kolbendichtungen auf, wodurch die Reibung verringert ist, was
die Lebensdauer der Maschine erhöht
und Trockenbetrieb ermöglicht.
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Mit
Bezug zu 7a ist eine Querschnittsansicht
des Stirlingmotors 28 entlang des Schnitts AA von 2 gezeigt.
Es sind exzentrische Kompressionskolbenlager 82 und Expansionskolbenlager 84 um
die exzentrische Kurbelwelle 86 angeordnet, die vom Hauptlager 88 auskragt,
das eine primäre
(oder „äußere") Kurbelwelle 90 in
Bezug auf das Gehäuse 92 der
Maschine 28 trägt.
Die exzentrische Kurbelwelle 86 dreht sich um eine Achse,
die zur primären Kurbelwelle 90 exzentrisch
ist, was die primäre
Kurbelwelle 90, mittels des Ritzels 94 und des
Innenrades 96, die zusammen das Umlaufgetriebe 98 umfassen,
in der selben Rotationsgeschwindigkeit, in umgekehrter Drehrichtung
antreibt, wie es mit Bezug zu 3 beschrieben
ist. Die Position der primären
Kurbelwelle 90 in Bezug auf einen in Bezug auf die Maschine
fixierten beliebigen Punkt definiert einen „Kurbelwinkel". Auf diese Weise
konfigurierte Kurbelwellen können
als „harmonische
Kurbelwellen" bezeichnet
werden.
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Die
freitragende Kurbelwellenkonfiguration ermöglicht vorteilhaft eine solche
Schmierung des Getriebes 98 ohne Verunreinigung des Arbeitsfluids der
Stirlingmaschine, das sauber gehalten werden muss, dass der Regenerator
nicht verunreinigt wird und die effiziente Funktion der Maschine
nicht beeinträchtigt
wird. Die primäre
Kurbelwelle 90 kann wiederum ein Drehmoment auf eine mechanische
Last aufbringen. Ein Beispiel einer mechanischen Last ist ein Generatorrotor 100,
der drehbar in Bezug auf einen Generatorstator 102 angetrieben
wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein exzentrisches Schwungrad 104 und
ein lineares Gegengewicht 106 sind mit der exzentrischen
Kurbelwelle 86 gekoppelt und auf diese Weise um das Hauptlager 88 austragend.
Das exzentrische Schwungrad 104 ist vorgesehen, damit das
reine Trägheitsmoment,
einschließlich
das Drehmoment der sich vorwärts
drehenden Komponenten und das der sich nach hinten drehenden Komponenten,
null ist. Auf diese Weise wird eine Vibration des Motors aufgrund
von Schwankungen in der Motorgeschwindigkeit vorteilhaft vermieden.
Das exzentrische Schwungrad 104 kann auf andere Weise angeordnet
sein als in 7a gezeigt. Zum Beispiel ist
mit Bezug zu 7b eine andere Ausführungsform
der Stirlingmaschine von 2 im Querschnitt gezeigt, worin
das exzentrische Schwungrad 104 am Ende 105 der
exzentrischen Kurbelwelle 86 fern von der Lage der Kolbenlager 82 und 84 angeordnet
ist. Nochmals mit Bezug zu 7a ist
die exzentrische Kurbelwelle 86 in Bezug auf die primäre Kurbelwelle 90 durch
Lager 108 und 110 gelagert. Ein primäres Gegengewicht 112 und
Torsionsgegengewicht 114 sind zum dynamischen Ausgleich
der primären
Kurbelwelle 90 in Bezug auf die gesamte exzentrische Kurbelwellenanordnung,
einschließlich der
Kolben, vorgesehen.
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Die
Last auf der primären
Kurbelwelle 90 ändert
vorzugsweise ihre Richtung über
den Verlauf eines Zyklus der Maschine nicht. Auf diese Weise wird wegen
des Ausgleichs der vorwärts
und rückwärts gerichteten
Trägheit
eine Umkehrung des Drehmoments auf dem Umlaufgebtriebe 98 vorteilhaft
vermieden, wodurch Geräusche
und Verschleiß in
Verbindung mit dem Getrieberückschlag
vermieden werden. Wenn die Last auf der primären Achse 90 konstant
ist, liegt das Drehmoment auf dem Umlaufgetriebe 98 in
einer Richtung und ist für
eine bestimmte reine Energieabgabe auch minimiert. Wenn die aufgebrachte
Last ein elektrischer Generator ist, führt ein konstanter Drehmomentbetrieb
auch zur höchsten Generatoreffizienz.
Außerdem
kann die aktuelle Last auf dem Generator reguliert werden, wie durch einen
Lastregulator 103, der ein Prozessor sein kann, wie es
in der Elektrotechnik bekannt ist, um ein konstantes Drehmoment
auf das Umlaufgetriebe 98 vorzusehen, um die beschriebene
vorteilhafte Betriebsweise zu erreichen. Außerdem kann ein Generatorrotor 100 die
gesamte oder einen Teil der Masse eines Schwungrades darstellen,
und der Generator kann auch als Starter zum Starten der Maschine
funktionieren.
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In
den 8a und 8b ist
eine Struktur abgebildet, die große Wärmemengen von der Verbrennungsquelle
zum Inneren des Stirlingzyklusmotors 28 überträgt, der
im Querschnitt gezeigt ist. Um die Effizienz der Wärmeübertragung
von heißen
Gasen 300, die durch einen Brenner 150 erzeugt
sind, zum Arbeitsfluid, das im Innenvolumen 306 einer Maschine
enthalten ist, zu erhöhen,
ist eine große
Benetzungsfläche
auf jeder Seite des Heizkopfes 64 erforderlich. Um die
große
Oberflächenausdehnung
zu erreichen sind eine große
Anzahl von Metallstiften 310 sowohl auf der Innenfläche 312 wie
auf der Außenfläche 314 des
Heizkopfes 64 ausgebildet. Die Herstellung kann zu geringen
Kosten vorgenommen werden, wie durch Feinguss. Metallstifte 310 erhöhen nicht
nur die Benutzungsfläche
auf jeder Seite des Heizkopfes 64, sondern schaffen auch
turbulente Strömungen,
die die Fluidvermischung erhöhen
und dadurch den Wärmestrom
weiter erhöhen.
Diese Struktur kann auch zur Wärmeübertragung
am Kühler 68 (in 2 gezeigt)
eingesetzt werden oder in irgendeiner Anwendung, wo effiziente Wärmeübertragung
zwischen Gasvolumen erforderlich ist.
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In 9a ist
eine Perspektivansicht eines Systems von Verteilerkanälen 400 gezeigt,
die Strömung
des Arbeitsfluids zwischen Kompressionsvolumen 38 und dem
ringförmigen
Bereich des Fluidstroms durch das Wärmeaustauschnetzwerk vorsehen,
nämlich über den
Kühlkopf 68,
durch den Regenerator 66 (in 2 gezeigt)
und über
den Heizkopf 64 (in 2 gezeigt).
Der Ringstrom des Arbeitsfluids kulminiert am ringförmigen Verteiler 47,
an den Verzweigungskanäle 400 gekoppelt
sind, um Strömungspassagen
gleicher Länge
zwischen dem Zylindervolumen 38 und dem gesamten ringförmigen Bereich
des Verteilers 47 zu schaffen. Dadurch, dass der Strömungswiderstand
zwischen jedem Teil des ringförmigen
Strömungsbereichs
und dem Zylindervolumen im Wesentlichen ausgeglichen ist, können Verluste,
bedingt durch Ungleichmäßigkeiten
durch die Wärmetauscher,
vorteilhaft reduziert werden und zusätzlich kann der Strom des Arbeitsfluids
innerhalb einer Schleife auf den Wärmeaustauschbereich beschränkt und
dadurch ein Verlust wegen mechanischen Arbeit minimiert werden. 9b zeigt
schematisch das System von Verzweigungskanälen 400 von 9a in
einer planaren Ansicht „abgewickelt", wobei die Fluidverbindung über Verzweigungskanäle 400 zwischen
Kompressionsraum 38 und ringförmigen Verteiler 47 gezeigt
ist.
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Während Stirlingmaschinen
in der Lage sind, einen hohen thermischen Wirkungsgrad und geringe Schadstoffemissionen
zu erreichen, stellen diese Ziele Anforderungen an den thermischen
Wirkungsgrad , insbesondere an einen zum Erwärmen des Heizkopfes 64 (in 2 gezeigt)
eingesetzten Brenner der Stirlingmaschine. Komponenten mit solcher thermischer
Effizienz beinhalten effizientes Pumpen von Oxidationsmittel (typischerweise
Luft, und hier und in irgendeinem der beigefügten Ansprüche ohne Einschränkung als „Luft" bezeichnet) durch
den Brenner, um Verbrennung zu erreichen, und die Rückgewinnung
von heißem
Abgas, das den Heizkopf verlässt.
In vielen Anwendungen wird die Luft (oder ein anderes Oxidationsmittel)
vor der Verbrennung nahezu auf die Temperatur des Heizkopfes vorgewärmt, um
die angegebenen Ziele der thermischen Effizienz zu erzielen.
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Um
geringe Emissionen zu erreichen, müssen der Brennstoff und die
Luft mit ausreichenden Mengen an Sauerstoff gut vermischt sein,
um die Emission von Kohlenmonoxid (CO) zu begrenzen und zusätzlich müssen sie
bei ausreichend niedrigen Flammentemperaturen verbrannt werden,
um die Bildung von Stickstoffoxiden (NOx)
zu vermeiden. Die hohe Temperatur der vorgewärmten Luft, die zum Erreichen
eines hohen thermischen Wirkungsgrades wünschenswert ist, verkompliziert
das Erreichen geringer Emissionen, indem es schwierig wird, den Brennstoff
und die Luft zu vermischen und große Mengen an überschüssiger Luft
erforderlich sind, um die Flammentemperatur zu begrenzen.
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So
wie er hier und in irgendeinem der beigefügten Ansprüche verwendet ist, ist der
Ausdruck „Selbstzündungstemperatur" als die Temperatur
definiert, bei der ein Brennstoff ohne einen die Temperatur senkenden
Katalysator unter gegebenen Bedingungen des Luft- und Brennstoffdrucks
zündet.
Die typische Temperatur der vorgewärmtem Luft übersteigt die Selbstzündungstemperatur
der meisten Brennstoffe, was potenziell dazu führt, dass die Brennstoff-Luft-Mischung
zündet,
bevor sie in die Verbrennungskammer eintritt. Eine Lösung für dieses Problem
ist die Verwendung einer nicht vorgemischten Diffusionsflamme. Da
solche Diffusionsflammen jedoch nicht gut vermischt sind, ergeben
sich höhere Emissionen
an CO und NOx als es wünschenswert ist. Eine ausführliche
Diskussion der Flammendynamik wird von Turns gegeben in: „An Introduction
to Combustion: Concepts and Applications" (Mc-Graw-Hill, 1996). Jeglicher erhöhte Luftstrom, der
dazu vorgesehen ist, die Flammentemperaturen zu begrenzen, erhöht typischerweise
die von einer Luftpumpe oder einem Gebläse verbrauchte Energie, was
den Gesamtwirkungsgrad der Maschine vermindert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können geringe
Emissionen und eine hohe Effizienz erreicht werden, indem eine vorgemischte
Flamme erzeugt wird, sogar in Gegenwart von Luft, die über die Selbstzündungstemperatur
des Brennstoffs erwärmt ist,
und zusätzlich
durch Minimieren des Druckabfalls zwischen dem Lufteinlass und der
Flammenregion, wodurch der Energieverbrauch des Gebläses minimiert
wird, wie nachfolgend diskutiert wird.
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Der
Ausdruck „Flammengeschwindigkeit" ist definiert als
die Geschwindigkeit, mit der eine Flammenfront sich durch eine bestimmte
Brennstoff-Luft-Mischung ausbreitet. In der Beschreibung und den
folgenden Ansprüchen
bezieht sich der Ausdruck „Verbrennungsachse" auf die Richtung
des vorwiegenden Fluidstroms bei Verbrennung des Fluids.
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In
den 10a–10c ist
ein Einlassverteiler 599 zur Anwendung bei einer Stirling-Zyklusmaschine oder
einer anderen Verbrennungsanwendung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Brennstoff mit Luft vorgemischt, die über die
Selbstzündungstemperatur
des Brennstoffs erwärmt
sein kann, und es wird verhindert, dass sich eine Flamme bildet,
bis der Brennstoff und Luft gut vermischt sind. 10a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
mit einem Einlassverteiler 599 und einer Verbrennungskammer 610.
Der Einlassverteiler 599 weist eine axisymmetrische Leitung 601 mit
einem Einlass 603 zum Aufnehmen von Luft 600 auf.
Die Luft 600 wird auf eine Temperatur vorgewärmt, typischerweise über 1000
K, die über
der Selbstzündungstemperatur
des Brennstoffs liegen kann. Die Leitung 601 leitet derart
die Luft 600, dass sie in Bezug auf die Verbrennungsachse 620 radial
nach innen zu einem Verwirbler 602 strömt, der in der Leitung 601 angeordnet
ist.
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10b zeigt eine Querschnittsansicht der Leitung 601 mit
dem Verwirbler 602 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. In der Ausführungsform
von 10b weist der Verwirbler 602 mehrere spiralförmige Blätter 702 auf,
um den Luftstrom 600 radial nach innen zu richten und der
Luft eine Rotationskomponente zu verleihen. Der Durchmesser des Verwirblerabschnitts
der Leitung nimmt vom Einlass 704 zum Auslass 706 des Verwirbler 602 ab,
wie durch die Länge
der Verwirblerblätter 702 definiert. Die
Verringerung des Durchmessers der Verwirblerblätter 702 erhöht die Strömungsrate
der Luft 600 in im Wesentlichen umgekehrter Proportion
zum Durchmesser. Die Strömungsrate
wird so erhöht,
dass sie über
der Flammengeschwindigkeit des Brennstoffs liegt. Am Auslass 706 des
Verwirblers 602 wird Brennstoff 606, der in einer
bevorzugten Ausführungsform
Propan ist, in die nach innen strömende Luft eingespritzt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird Brennstoff 606 durch einen Brennstoffeinspritzer 604 durch
eine Reihe von Düsen 800 eingespritzt,
wie es in 10c gezeigt ist. Insbesondere
zeigt 10c eine Querschnittsansicht
der Leitung 601 und umfasst die Brennstoffspritzdüsen 800.
Jede der Düsen 800 ist
am Ausgang der Verwirblerblätter 702 positioniert
und zwischen zwei benachbarten Blättern zentriert. Die Düsen 800 sind
auf diese Weise positioniert, um die Effizienz der Vermischung von
Luft und Brennstoff zu erhöhen.
Die Düsen 800 spritzen gleichzeitig
Brennstoff 606 über
den Luftstrom 600. Da der Luftstrom schneller ist als die
Flammengeschwindigkeit, bildet sich an diesem Punkt keine Flamme,
obwohl die Temperatur der Luft und Brennstoffmischung über der
Selbstzündungstemperatur des
Brennstoffs liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der Propan
verwendet wird, beträgt die
Vorwärmtemperatur,
die durch die Temperatur des Heizkopfes bestimmt wird, ungefähr 1000K.
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Wiederum
in 10a werden die Luft und der Brennstoff, die nun
vermischt sind, nachfolgend als „Luft-Brennstoff-Gemisch" 609 bezeichnet,
in Richtung durch eine Verengung 608 überführt, die eine konturierte Stromlinienform 622 aufweist
und am Auslass 607 der Leitung 601 angebracht
ist. Die Verengung 608 weist einen Innenradius 614 und
eine Außenabmessung 616 auf.
Die Überführung der Luft-Brennstoff-Mischung
erfolgt aus einer Richtung, die in Bezug auf die Verbrennungsachse 620 im
Wesentlichen quer und radial nach innen in eine Richtung gerichtet
ist, die im Wesentlichen parallel zur Verbrennungsachse ist. Die
Kontur der Stromlinienform 622 der Verengung 608 weist
die Form eines umgekehrten Trichters derart auf, dass die Querschnittsfläche der
Verengung 608 in Bezug auf die Verbrennungsachse vom Einlass 611 der
Verengung zum Auslass 612 der Verengung konstant bleibt.
Die Kontur ist glatt ohne Stufen und hält die Strömungsgeschwindigkeit vom Auslass
des Verwirblers zum Auslass der Verengung 608 bei, um eine
Trennung bzw. Ablösung
und die daraus folgende Umwälzung entlang
einer der Flächen
zu vermeiden. Die konstante Querschnittsfläche ermöglicht, dass Luft und Brennstoff
sich kontinuierlich vermischen, ohne dass die Strömungsgeschwindigkeit
sich verringert und ein Druckabfall auftritt. Ein glatter und konstanter Querschnitt
ergibt einen effizienten Verwirbler, wobei sich die Verwirblereffizienz
auf den Anteil des statischen Druckabfalls über den Verwirbler bezieht,
der in dynamischen Wirbelströmungsdruck
umgewandelt wird. Es können
durch Anwendung der Erfindung typischerweise Verwirblungseffizienzen
bzw. -wirkungsgrade von mehr als 80% erreicht werden. Auf diese
Weise kann ein schädlicher
Energieabfluss des Verbrennungsluftgebläses minimiert werden.
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Der
Auslass 612 der Verengung erweitert sich nach außen, wodurch
sich die Luft-Brennstoff-Mischung 609 in
die Kammer 610 verteilen kann, was die Luft-Brennstoff-Mischung 609 verlangsamt,
um dadurch die Flamme zu lokalisieren und zu begrenzen und die Bildung
einer ringförmigen
Flamme zu bewirken. Das durch den Verwirbler 602 erzeugte
Drehmoment erzeugt eine die Flammen stabilisierende ringförmige Wirbelströmung, wie
im Stand der Technik bekannt ist.
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Die
hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können in anderen Anwendungen
außer einer
Stirlingmaschine verwendet werden, für die die Erfindung beschrieben
wurde. Die beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung sind nur als beispielhaft vorgesehen, und es sind
für die
Fachleute zahlreiche Variationen und Modifikationen erkennbar.