DE69816446T2

DE69816446T2 - Thermische maschine

Info

Publication number: DE69816446T2
Application number: DE69816446T
Authority: DE
Inventors: Rein Tigane
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: FI102490B; FI102490B1; EP0985091A1; JP3351800B2; EP0985091B1; WO1998054458A1; DE69816446D1; DE985091T1; FI972321A0; US6314731B1; JP2000515612A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 beansprucht ist.
Eine Wärmekraftmaschine, die in Übereinstimmung mit dem geschlossenen Carnotschen Kreisprozess arbeitet, kann als Antrieb oder als Kühlmaschine abhängig davon verwendet werden, ob die Maschine unter Verwendung thermischer Energie oder mechanischer Energie gestartet wird. Das Arbeitsgas ist in einem geschlossenen System in der Maschine enthalten.
Zur Erzeugung anwendbarer thermodynamischer Verfahren unterläuft das Gas in verschiedenen Kammern der Maschine den Phasen der Kompression, der Übertragung, der Expansion und der Rückführung in den Ursprungszustand. Der Wirkungsgrad der Maschine hängt von der Phasengenauigkeit ab. Um eine Phasenverschiebung zwischen den Kolben zu implementieren, ist beispielsweise ein rhombisches Kurbelgetriebe, das mit zwei Kurbelwellen und einem Hebelmechanismus arbeitet, entwickelt worden.
Antriebe aus dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass sie sich in Bezug auf den Druck-Volumen-Kreislauf erheblich von den theoretischen, höchst vorteilhaften Werten unterscheiden oder dass sie viel zu kompliziert sind. Darüber hinaus ist in Antrieben mit einem komplizierten rhombischen Kurbelgetriebe die zyklische Phaseneinstellung ungenau.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Typ einer Wärmekraftmaschine zu schaffen, der frei von den vorbeschriebenen Nachteilen ist. Um dies zu erreichen, zeichnet sich die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine durch das aus, was im kennzeichnenden Abschnitt des Anspruchs 1 angegeben ist.
Eine Betrachtung der Vorteile der Erfindung zeigt, dass diese in einer nahezu idealen Phaseneinstellung der Druck-Volumen-Kreisläufe, geringen mechanischen Verlusten und relativ einfachen Strukturen bestehen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann eine akkurate Phaseneinstellung des Kreisprozesses durch die Verwendung einer "gestreckten" oberen Todpunktstellung der Kolben erreicht werden. Zusätzlich kann ein eingebauter Leistungsregulierungskreis gemäß der Erfindung einfach implementiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Einzelnen unter Zuhilfenahme eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen
1 eine Grafik zur Erklärung der Betriebsweise der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist;
2 eine Struktur der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine darstellt, die längs einer Ebene geschnitten ist, die durch den Kolben verläuft, und
3 ein schematisches Diagramm eines Leistungsregulierungssystems verwendet mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine darstellt.
Die in den Figuren dargestellte Wärmekraftmaschine ist ein 5-Zylinder (Zylinder 21 bis 25 in 1) Stirlingmotor.
Der Querschnitt in 2 zeigt einen Zylinder mit vier Kammern: einer Wärmekammer 1, einer Kompressionskammer 3 und Druckausgleichskammern 2 und 4, die miteinander verbunden sind (1 und 3). Die Kompressionskammern 3 sind mit den Wärmekammern 1 über eine 144° Verzögerung (1) verbunden. Die Kolben 26, 27 sind mit der selben Kolbenstange 6 verbunden. Die Kolbenstange 6 ist mit einer Dichtung 29 zwischen der Druckausgleichskammer 4 und dem Kurbelgehäuse 28 versehen, und eine Verbindungsstange 9 ist mit der Kolbenstange 6 in invertierter Form verbunden, d. h. nicht in Richtung der Kolben, über eine Gabel 6a und eine Klammer 8.
Die invertiert verbundene kurze Verbindungsstange 9 ermöglicht eine genaue Phaseneinstellung des Kreisprozesses, da aufgrund des "gestreckten" oberen Todpunktes das Volumen der Wärmekammer 1 und der Kompressionskammer 3 am kleinsten bei einem sanften Scheitelpunkt h der Kolbenbewegungskurven in 1 ist. Wenn die Kolben in dem ersten Zylinder 21 in ihrer unteren Position sind, sind die Kolben in dem dritten Zylinder 23 in ihrer oberen Position (1). Wenn die Kurbelwelle sich um 72° dreht, wird das Volumen der Kompressionskammer 3 doppelt reduziert, während das Volumen der Wärmekammer 1 gleich bleibt (isotherme Phase, Zylinder 22, 24). Im nächsten 72° Intervall wird das komprimierte Gas aus der Kompressionskammer in die Wärmekammer bei konstantem Volumen (isochore Phase, Zylinder 23, 25) überführt. Im nächsten 72° Intervall expandiert das Gas isothermisch in der Wärmekammer, während sich das Volumen in der Kompressionskammer nicht ändert (Zylinder 24, 21). Im letzten 144° Intervall wird das Gas aus der Wärmekammer in die Kompressionskammer bei konstantem Volumen (isochore Abkühlung, Zylinder 25, 22, 21, 23) überführt. Der Kompressionsgrad in den Kompressionskammern 3 hängt von der Zahl der Zylinder und der relativen Länge der Verbindungsstangen ab. Anstelle einer Gabel 6a und einer Klammer 8 ist es möglich, eine Doppelkurbelwellenstruktur mit zwei Verbindungsstangen und einer T-Verbindung zur Kolbenstange einzusetzen.
Das schematische Diagramm (3) welches ein Leistungsregulierungssystem des Stirlingmotors erläutert, zeigt eine Leistungsregulierungseinheit 31, die zur Leistungsregulierung verwendet wird. Sie verbindet die Kammern 2 und 4 eines jeden Zylinders und ist außerdem mit einem Druckreservoir 32 verbunden. Zusätzlich sind die Kammern der Zylinder auch miteinander wie in 3 dargestellt, verbunden.
In der Leistungsregulierungseinheit 31 sind die Kammern 2 eines jeden Zylinders über Ventile 13 mit den Kammern 4 verbunden, sodass das Gas durch die Ventile aus der Kammer 4 in die Kammer 2 fließt. Die Kammern 4 sind über ein federbelastetes Regelventil 11 mit dem Druckreservoir 32 und über druckgesteuerte variable Rückschlagventile 12 mit der Kammer 2 verbunden. Die Ventile 13 arbeiten als Pumpventile.
Die Ausgangsleistung wird durch Erhöhung und Absenkung der im Motor zirkulierenden Gasmenge wie folgt gesteuert:
Das Gesamtvolumen der Kammern 2, 4, die miteinander über die Leistungsregulierungseinheit 31 verbunden sind, verbleibt praktisch unverändert. Bei maximaler Leistung sind die Kammern 2 und 4 wie auch das Druckreservoir 32 auf gleichem Druck. Um die Leistung zu reduzieren, wird der Federdruck auf die Rückschlagventile 12 reduziert und ein freier Austausch zwischen den Kammern 2 wird verhindert, während gleichzeitig die Kammern 2 gezwungen werden, als Pumpen zu arbeiten. Das Arbeitsgas wird aus den Kammern 2 und 4 in das Druckreservoir 32 überführt. Der Druck in den Kompressionskammern wird mit dem Druck in den Kammern 2 und 4 ausgeglichen, während die Kolben in ihrer unteren Stellung sind, wie auch die Kammern 3 und 4 über die Kanäle 5 miteinander verbunden sind. Gleichzeitig eliminieren die Kanäle 5 die negativen Folgen von Gasundichtigkeiten.
Wenn der Reservoirdruck und der Regeldruck den Federdruck des Ventils 12 übersteigen, werden die Ventile 12 geöffnet und der Motor arbeitet auf einem ausgewählten Leistungsniveau. Die Leistung wird über das Ventil 11 erhöht. Durch Reduzieren des Federdrucks des Ventils fließt Gas bei einem positiven Druck aus dem Reservoir 32 in den Motor und wird auf die gleiche Weise verteilt wie wenn die Leistung reduziert wird. Wenn der Federdruck den Überdruck in dem Reservoir übersteigt, wird das Ventil 11 geschlossen.
Um die mechanischen Verluste zu reduzieren und das Entstehen von Beschädigungen zu vermeiden, ist die Kurbelwelle 7 mit Kugellagern 30 mit einfügbaren Kugelelementen ausgerüstet. Die äußeren Ringe der Hauptkugellager wie auch die Verbindungstangen gleiten auf der Kurbelwelle, während die Kugelelemente in die Nuten 10 eingefügt werden. Die Dichtung 29 auf der Kolbenstange ist eine Spirale vom Akkordeontyp, von der eine Hälfte rechtsdrehend und die andere linksdrehend ist. Die federähnliche Struktur verringert auch die statischen Ungleichgewichte aufgrund der vorspringenden Kolbenstange.

Claims

Wärmekraftmaschine arbeitend mit einem Verfahren nach dem Prinzip des geschlossenen Kreislaufs, die in Zylindern vorgesehene bewegliche Kolben besitzt und Wärmekammern (1) und Kompressionskammern (3) aufweist, wobei die Kolben mit einer Kolbenwelle (7) über eine Kolbenstange (6) und eine verbindende Stange (9) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass verbindende Stangen (9) mit Kolbenstangen (6) in invertierter Weise derart verbunden sind, dass das Volumen der Wärmekammer (1) und der Kompressionskammer (3) am Spitzenpunkt (h) am geringsten ist, der von den Bewegungskurven der Kolben gebildet wird.
Wärmekraftmaschine wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (2, 4) unterhalb der Kolben unter Druck gesetzt werden und den gleichen Druck besitzen wie die Kompressionskammer (3), wenn die Kolben in ihrer unteren Position sind.
Wärmekraftmaschine wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (2, 4) unterhalb der Kolben als ein Leistungsregulierungskompressor oder als Druckkammer in Verbindung mit der Kompressionskammer (3) wirkt.
Wärmekraftmaschine wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenwelle (7) mit einfügbaren Walzenelementen ausgestattet ist.
Wärmekraftmaschine wie in Anspruch 1 beansprucht, mit einer Vielzahl von Zylindern, in welcher die Maschinenleistung mittels einer Leistungsregeleinheit (31) und einem damit verbundenen Druckreservoir (32) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregeleinheit ein druckgeregeltes Kontrollventil (12) für jeden Zylinder aufweist, wobei diese Ventile (12) synchron mit einem Regelventil (11) mittels von Pumpenventilen (13) geregelt werden.
Wärmekraftmaschine wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie Kanäle (5) eingepasst in der Druckausgleichskammer (4, 2) oder Löcher in den Kolbenstangen zum Druckausgleich aufweist.
Wärmekraftmaschine wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (29) zwischen der Kurbelwelle und der Zylinderkammer eine akkordeonartige Spirale ist, deren eine Hälfte rechtsdrehend und deren andere Hälfte linksdrehend ist.