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Technischer
Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Verbesserungen einer Stirling-Zyklusmaschine zum Heizen oder Kühlen, und
insbesondere Verbesserungen in Bezug auf mechanische und thermische
Komponenten einer Stirling-Zyklusmaschine
zum Heizen oder Kühlen,
die zu erhöhter
Motorbetriebseffizienz und Lebensdauer beitragen, um die 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 Erfindung 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 Erläute rung 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 „Cantilevered
Crankshaft Stirling Cycle Machine", angemeldet am 14. Juli 1998 diskutiert
und wird hiermit durch Bezugnahme zum Bestandteil der vorliegenden
Anmeldung gemacht.
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Das Funktionsprinzip eines Stirlingmotors wird
einfach mit Bezug zu den 1a–1e 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 dem Bezugszeichen 10 bezeichnete spezielle
Stirlingmotor ist nur zum Zwecke der Erläuterung gezeigt. In den 1a bis 1d bewegen sich ein Kolben 12 und
ein Verdrängerkolben 14 in
phasenweiser Hubbewegung in Zylindern 16, was in einigen
Ausführungsformen
des Stirlingmotors ein einzelner Zylinder sein kann. Ein in den
Zylindern 16 enthaltenes Arbeitsfluid ist durch Dichtungen
daran gehindert, um den Kolben 12 und den Verdränger 14 auszutreten.
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. Die Position des Verdrängerkolbens 14 bestimmt,
ob das Arbeitsfluid mit einer heißen Grenzfläche 18 oder einer
kalten Grenzfläche 20 in
Kontakt ist, die entsprechend den Grenzflächen entsprechen, an denen
Wärme dem
Arbeitsfluid zugeführt
oder daraus entzogen wird. Die Zufuhr oder Entnahme von Wärme wird
unten ausführlicher
disku tiert. Das von der Position des Kolbens 12 bestimmte
Volumen des Arbeitsfluids wird als Kompressionsraum 22 bezeichnet.
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In der ersten Phase des Motorzyklus,
dessen Ausgangszustand in 1a abgebildet
ist, komprimiert der Kolben 12 das Fluid im Kompressionsraum 22.
Die Kompression erfolgt bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur,
weil aus dem Fluid Wärme
an die Umgebung abgezogen wird. Praktisch ist ein Kühler 68 vorgesehen
(in 2 gezeigt), wie es
unten in der Beschreibung diskutiert wird. Der Zustand des Motors 10 nach
Kompression ist in 1b abgebildet.
In der zweiten Phase des Zyklus bewegt sich der Verdränger 14 in
Richtung der kalten Grenzfläche 20,
wobei sich das Arbeitsfluid aus dem Bereich der kalten Grenzfläche 20 in
einem Bereich der heißen
Grenzfläche 18 verschiebt.
Diese Phase kann als Transferphase bezeichnet werden. Am Ende der Transferphase
weist das Fluid einen höheren
Druck auf, da das Arbeitsfluid bei konstantem Volumen erwärmt wurde.
Der erhöhte
Druck ist symbolisch in 1c abgebildet,
wobei ein Druckmesser 24 abzulesen ist.
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In der dritten Phase (dem Expansionshub) des
Motorzyklus, nimmt das Volumen des Kompressionsraums 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 unten diskutiert wird. Am Ende der Expansionsphase
ist der Kompressionsraum 22 voll mit kaltem Fluid, wie
es in 1d abgebildet
ist. In der vierten Phase des Motorzyklus wird durch Bewegung des
Verdrängerkolbens 14 in
entgegengesetzte Richtung, Fluid aus dem Bereich der heißen Grenzfläche 18 zum
Bereich der kalten Grenzfläche 20 überführt. Am
Ende dieser zweiten Transferphase füllt das Fluid den Kompressionsraum 22 und
die kalte Grenzfläche 20,
wie in 1a abgebildet,
und ist für
eine Wiederholung der Kompressionsphase bereit. Der Stirlingzyklus
ist in einem P-V-Diagramm (Druck-Volumen) dargestellt, wie es in 1e gezeigt ist.
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Zusätzlich kann das Fluid beim Übergang vom
Bereich der heißen
Grenzfläche 18 zum
Bereich der kalten Grenzfläche 20 durch
einen Regenerator 66 strömen (in 2 gezeigt). Der Regenerator 66 ist eine
Materialmatrix mit einem großen
Verhältnis
von Oberfläche
zu Volumen, was dazu dient, Wärme
aus dem Fluid zu absorbieren, wenn es heiß aus dem Bereich der heißen Grenzfläche 18 eintritt
und das Fluid zu erwärmen,
wenn es vom Bereich der kalten Grenzfläche 20 herkommt.
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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. Die Kältemaschinenfunktion
erfordert Arbeitszufuhr.
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Mittel aus dem Stand der Technik
zum Übertragen
von äußerer Wärmestrahlung
auf das Arbeitsfluid eines Stirlingmotors erforderten ein Quarzfenster
zum Koppeln der Strahlung mit dem Fluid. Dieses Mittel ist bei Betriebstemperaturen über dem
Erweichungspunkt von Quarz nicht zufriedenstellend, da typischerweise
signifikante Druckunterschiede zwischen dem Arbeitsfluid und der
Umgebung aufrecht erhalten werden müssen.
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Stirlingzyklusmaschinen werden nicht
generell in praktischen Anwendungen verwendet, und Stirlingzykluskältemaschinen
sind auf das Spezialgebiet der Kryotechnik beschränkt, was
durch verschiedene entmuti gende technische Ereignisse 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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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es sind eine Reihe von Stirlingzyklusmaschinen
mit Kolben, einer Heizeinrichtung und einem Kühler im Stand der Technik bekannt
aus WO 86/06439,
US 4,330,992 und
CH 326314.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird
eine Stirlingmaschine zur Verfügung
gestellt unter Verwendung eines Arbeitsfluids, das Erwärmungs-
und Abkühlzyklen
durchläuft,
umfassend:
einen erwärmten
Abschnitt,
einen gekühlten
Abschnitt,
einen Brenner zum Erzeugen thermischer Energie,
einen
Heizkopf mit einer Innenfläche
und einer Außenfläche, wobei
der Heizkopf zum Übertragen
der vom Brenner bereitgestellten thermischen Energie an das Arbeitsfluid
vorgesehen ist, und
gekennzeichnet durch eine erste Vielzahl
von Stiften auf der Außenfläche des
Heizkopfes zum Übertragen thermischer
Energie über
den Heizkopf.
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Die Erfindung betrifft auch eine
Stirlingmaschine wie oben angegeben, in der die Stifte in einem Kühler sind,
nicht in einer Heizeinrichtung. Dementsprechend ist in einem zweiten
Aspekt eine Stirlingmaschine zur Verfügung gestellt unter Verwendung eines
Arbeitsfluids, das Erwärmungs-
und Abkühlzyklen
durchläuft,
umfassend:
einen Heizkopf,
einen Kühlkopf, und
einen Kühler mit
einer Innenfläche
und einer Außenfläche, wobei
der Kühler
thermische Energie vom Arbeitsfluid zu einem zweiten Fluid überträgt, ferner
dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Vielzahl von Stiften
auf der Außenfläche des
Kühlers
zum Übertragen
thermischer Energie über
den Kühler
aufweist.
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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 gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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3 ein
schematisches Diagramm 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 der 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 gemäß einer
anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt, worin das Schwungrad am Ende der exzentrischen
Kurbelwelle, fern von den Motorzylindern, angeordnet ist;
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8 ein
Querschnitt einer Stirlingmaschine in Beta-Konfiguration ist, der
einen rhombischen Antrieb einsetzt;
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9a–9d Seitenansichten im Querschnitt einer
Stirlingmaschine in Beta-Konfiguration mit einem Kraftkolben und
einem Verdrängerkolben
in unterschiedlichen Durchmessern in aufeinander folgenden Zyklusphasen
abbilden;
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10 eine
Perspektivansicht eines rhombischen Antriebsmechanismus aus dem
Stand der Technik ist, der eine trapezförmige Verbindungsanordnung
und geteilte Achsen zeigt, die exzentrische Verbindungskopplungen
aufnehmen;
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11 eine
Perspektivansicht eines rhombischen Antriebsmechanismus mit einer
trapezförmigen
Verbindungsanordnung und durchgehenden Achsen ist;
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12 eine
Perspektivansicht eines rhombischen Antriebsmechanismus ist, der
eine dreieckige Verbindungsanordnung, durchgehende Achsen und Pfeilrädergetriebe
zeigt;
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13 eine
Seitenansicht eines Federstahlbandes zum Vorbelasten der Drehlager
einer Stirlingmaschine ist;
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14 eine
Querschnittsteilansicht des Zylinders und Verdrängerkolbens einer Stirlingmaschine
ist, die einen Regeneratorring zeigt;
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15 ein
schematisches Diagramm ist, das die Temperatur des Verbrennungsgases
zeigt, das zur Wärmezufuhr
zum Heizkopf einer Stirlingmaschine aus dem Stand der Technik mit
einem Wärmetauscher
zum Vorwärmen
der Verbrennungsluft verwendet ist;
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16 ein
schematisches Diagramm ist, das die Temperatur des Verbrennungsgases
zeigt, das zur Wärmezufuhr
zum Heizkopf einer Stirlingmaschine in aufeinander folgenden Stufen
der Strömung
verwendet ist, wobei ein thermoelektrischer Generator vorhanden
ist;
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17 ein
schematisches Diagramm ist, das die Temperatur des Verbrennungsgases
zeigt, das zur Wärmezufuhr
zum Heizkopf einer Stirlingmaschine, mit einem von einem Turboexpander
betriebenen Kompressor zum Eindrücken
von Verbrennungsluft in einen Brenner verwendet ist;
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18a eine
Querschnittsansicht eines Luftverstärkers ist, bei dem ein Hochdruckkraftstoff
verwendet ist, um vor der Verbrennungserwärmung eines Stirlingmaschinenheizkopfes
Luft und rückgeführtes Abgas
schnell entlang der Länge
des Mischkammer mitzuschleppen;
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18b eine
Querschnittsansicht eines Luftverstärkers ist, die das Funktionsprinzip
des Luftverstärkers
abbildet;
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19a eine
schematische Abbildung des Prinzips der Strahlungserwärmung eines
Stirlingmaschinenheizkopfes ist;
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19b eine
Querschnittsansicht einer Strahlungserwärmungsanordnung eines Stirlingmaschinenheizkopfes
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist, worin die Strahlungsenergie von einem
Absorber in einem thermisch transparenten Kopf absorbiert wird;
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19c eine
Querschnittsansicht einer Stirlingmaschine ist, die einen Stiftwärmetauscher
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einsetzt;
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19d eine
vergrößerte Detailperspektivansicht
von Stiftheizeinrichtungen des Stiftwärmetauschers von 19c ist;
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20a eine
Seitenansicht im Querschnitt eines Kolbens mit Faltenbalgabdichtung
ist; und
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20b eine
Seitenansicht im Querschnitt eines Einzelsegments des Kolbens mit
Faltenbalgabdichtung von 20a ist.
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Die 3 bis 18 und 20 bilden Stirlingzyklusmaschinen ab,
die in Verbindung mit der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen ausgeführt ist,
oder ohne sie verwendet werden können.
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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 umfassen die Hauptkomponenten der Stirlingmaschine 28 eine
Heizeinrichtung 64, Regenerator 66 und Kühler 68.
Der Kompressionskolben 30 und Expansionskolben 32,
gemeinsam als Kolben bezeichnet, sind darauf beschränkt, sich
in hin- und hergehender Linearbewegung in entsprechenden Volumen 38 und 40 zu
bewegen, die seitlich von einer Zylinderauskleidung 42 definiert
sind. 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 des Kompressionszylinders 38 ist über einen
Kanal 45 mit dem Kühler 68 gekoppelt,
um ein Kühlen
von komprimiertem Arbeitsfluid in der Kompressionsphase zu ermöglichen.
Der Kanal 45 koppelt insbesondere das Kompressionsvolumen 38 mit
den ringförmigen
Wärmetauschern
umfassend Kühler 68,
Regenerator 66 und Heizeinrichtung 64.
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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 Antriebsfehlanordnungen aufnehmen (wie sie während der
Druckbeaufschlagung und dem Erwärmen
der Motorstruktur auftreten können), während ausreichend
Zug- und Kontraktionssteifigkeit
vorgesehen ist, so dass die erforderlichen Kompressionsbelastungen
ohne Knicken getragen werden. Die Stangen 48 und 50 sind
bevorzugt aus einem hochfesten Material gebildet, wie zum Beispiel Werkzeugstahl
S-7 und sind mit Vorteil ellipsenförmig im Querschnitt, obwohl
Stangen beliebigen Querschnitts im Rahmen der vorliegenden Erfindung
liegen.
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Der Betrieb des Antriebsmechanismus 44 wird
nun mit Bezug zu 3 diskutiert.
Eine neue 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
Lochkreis des Innenrades 72 gleich dem Doppelten des Durchmessers
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 gekoppelt über Verbindungsstangen 48 und 50 an
gegenüberliegenden
Seiten des Ritzels 74, 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° der Senkrechten.
Die Kolben 12 und 14 kehren 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 (zur Deutlichkeit ist nur ein Gegengewicht 78 gezeigt),
die 180° aus der
Phase rotieren mit dem Ritzel 74, 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
Ausführungsform
der Erfindung sind Gegengewichte 78 vorgesehen, die in Gegenphase
zu den Kompressionskolbenlagern 82 bzw. Expansionskolbenlagern 84 rotieren.
Die Verbindungsantriebsausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erfordern viel weniger Teile als ein rhombischer
Antriebsmechanismus, was unten ausführlicher beschrieben wird.
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Außerdem ist das von der neuen
Verbindung verschobene Volumen kleiner als das Verschiebungsvolumen
eines rhombischen Antriebs mit dem selben 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 86 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 mit
Vorteil Schmierung des Getriebes 98 ohne Verunreinigung
des Arbeitsfluids der Stirlingmaschine, die sauber gehalten werden
muss, so dass der Regenerator nicht verunreinigt wird und die effiziente
Funktion der Maschine beeinträchtigt
wird. Die primäre
Kurbelwelle 90 kann wiederum Drehmoment auf eine mechanische
Belastung aufbringen. Ein Beispiel einer mechanischen Belastung
ist ein Generatorrotor 100, der drehbar in Bezug auf einen Generatorstator 102 angetrieben
wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Exzentrisches Schwungrad 104 und
lineares Ge gengewicht 106 sind mit der exzentrischen Kurbelwelle 86 gekoppelt
und auf diese Weise um das Hauptlager 88 freitragend. Das
exzentrische Schwungrad 104 ist vorgesehen, damit die Trägheit, darunter
das Drehmoment der sich vorwärts
drehenden Komponenten und das der sich nach hinten drehenden Komponenten,
null ist. Auf diese Weise wird Vibration des Motors aufgrund von Schwankungen
in der Motorgeschwindigkeit vorteilhaft vermieden. Das exzentrische
Schwungrad 104 kann im Rahmen der Erfindung auf andere
Weise angeordnet sein als es in 7a gezeigt
ist. 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 94 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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Es ist bevorzugt, dass die Last auf
der primären
Kurbelwelle 90 ihre Richtung über den Verlauf eines Zyklus
der Maschine nicht ändert.
Auf diese Weise wird wegen des Ausgleichs der vorwärts und
rückwärts gerichteten
Trägheit
eine Umkehrung des Drehmoments auf dem Umlaufgetriebe 98 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
einen bestimmte Energieabgabe auch minimiert. Wenn die aufgebrachte
Last ein elektrischer Generator ist, führt ein konstanter Drehmomentbetrieb
auch zur höchsten Generatoreffizienz.
Außerdem
kann gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung die derzeitige 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 der in 8 im Querschnitt gezeigten Seitenansicht
ist die Stirlingmaschine 28 in einer Beta-Konfiguration
konfiguriert, die durch eine Linearbewegung des Kompressionskolbens 30 und
Verdrängerkolbens 32 in
einer Linie gekennzeichnet ist. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Verbindungsstange 48 als Hohlwelle
konfiguriert, wobei die Verbindungsstange 50 so konfiguriert
ist, dass sie eine hin- und hergehende Linearbewegung koaxial und
im Inneren der Verbindungsstange 48 erfährt. Auch andere Konfigurationen
liegen im Rahmen der Erfindung, darunter Kältemaschinen.
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Ein Antriebsmechanismus 36 ist
ein rhombischer Antriebsmechanismus bestehend aus einer Rotationsbewegungsanordnung 120,
einem oberen Verbindungsmechanismus 122 und einem unteren Verbindungsmechanismus 124.
Die Rotationsbewegungsanordnung 120 ist der Teil des rhombischen Antriebsmechanismus 36,
der Rotation um eine feste Achse herbeiführt, und besteht aus einem
ersten Steuerrad 126, das sich mit einer ersten Motorachse 128 dreht,
und einem zweiten Steuerrad 130, das sich mit einer zweiten
Motorachse 132 dreht. Der obere Verbindungsmechanismus 122 ist
in Bezug auf die Orientierung des Motors 28 so bezeichnet,
wie er in 2 abgebildet
ist und bildet die mechanische Kopplung zwischen der Rotationsbewegungsanordnung 120 und
der ersten Verbindungsstange 48. In der gezeigten Ausführungsform
koppelt der obere Verbindungsmechanismus 122 die Rotationsbewegung
der Rotationsbewegungsanordnung 120 mit der Linearbewegung
des Kolbens 30, jedoch kann in anderen Ausführungsformen der
obere Verbindungsmechanismus 122 stattdessen die Linearbewegung des
Verdrängerkolbens 32 koppeln.
Der obere Verbindungsmechanismus 122 ist mit der Rotationsbewegungsanordnung 120 in
Bezug auf die Motorachsen 128 und 132 exzentrisch
gekoppelt, wie über Verbindungselemente 134.
In einer in 2 abgebildeten
Ausführungsform
sind die Verbindungselemente 134 an Gelenken 136 mit
einer Querverbindung 138 gekoppelt, die direkt mit der
Verbindungsstange 48 gekoppelt ist. Es sind für die Fachleute
im Bereich der Mechanik andere Mittel zur Kopplung der Rotationsbewegungsanordnung 120 mit
der Verbindungsstange 48 leicht ersichtlich und liegen
gleichermaßen
im Rahmen der beigefügten
Ansprüche.
Der untere Verbindungsmechanismus 124 koppelt gleichermaßen die
Rotationsbewegung der Rotationsbewegungsanordnung 120 mit
der Verbindungsstange 50 über Verbindungselemente und
Gelenke, die in 8 nichtersichtlich
sind.
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In der Expansionsphase des oben beschriebenen
Stirlingkreisprozesses expandiert das Arbeitsfluid am heißen Ende 140 des
Verdrängers 32,
wobei über
die Heizeinrichtung 64 Wärme von außerhalb des Motors 28 aufgenommen
wird. Es sind unterschiedliche Konfigurationen von Heizeinrichtungen 64 im
Rahmen der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst, wie es unten diskutiert wird. Erwärmtes Arbeitsfluid
wird dann anschließend
zum Kompressionsvolumen 142 zwischen dem Verdrängerkolben 32 und
dem Kraftkolben 30 übertragen,
mit Durchtritt durch den Regenerator 66, wo Wärme aus dem
Arbeitsfluid entnommen und vom Regenerator 66 aufgenommen
wird. In der oben beschriebenen Kompressionsphase wird Wärme aus
dem Arbeitsfluid zum umgebenden Raum über den Kühler 68 abgeführt.
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Die Kurbelwelle 46 dichtet
hermetisch ab und enthält
das selbe Fluid, das als Arbeitsfluid in der Stirlingmaschine dient.
Dieses Arbeitsfluid ist typischerweise Helium, obwohl die Verwendung
anderer Fluide im Rahmen der Ansprüche dieser Erfindung liegt.
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Es kann zusätzliche Kühlung durch Umwälzung des
Arbeitsfluids vom Arbeitsvolumen in das Kurbelgehäuse erreicht
werden. Ein Verfahren zur Bereitstellung der zusätzlichen Kühlung, gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, ist einen Kühler zum Übertragen
von Wärme
vom Kurbelgehäusefluid zur
Umgebung vorzusehen, und eine Pumpe zum Umwälzen des Fluids vom Kurbelgehäuse zum
Kühler
und zurück
zum Kurbelgehäuse.
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In einer anderen Anordnung kann das
Arbeitsfluid der Stirlingmaschine ionisiert werden. Ein Ionisierungsmechanismus
ist beispielsweise die Verwendung einer Glühentladung oder ein ähnliches Verfahren,
obwohl Ionisierung durch ultraviolettes Licht oder Resonanzstrahlung
auch im Rahmen der beigefügten
Ansprüche
liegen. Sobald das Arbeitsfluid ionisiert ist, kann es über kurze
Strecken elektromagnetisch bewegt werden. Dies ermöglicht,
dass die Kolben unter Verwendung eines Magnetfeldes abgedichtet
werden. Die Funktion des Verdrängers beim
Bewegen des Fluids zwischen dem heißen Bereich und dem kalten
Bereich der Maschine kann auch elektromagnetisch erreicht werden.
Auf diese Weise braucht der Verdränger 32 keine mechanische Komponente
sein.
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Dichtungen mit engen Toleranzen zur
Minimierung des Stroms von Arbeitsfluid durch den Kolben 30 und
Verdränger 32 erfordern
die Zentrierung der entsprechenden Kolben auf eine Größenordnung von
0,001'' (1 mil) in der Bohrung
der Zylinderauskleidung 42. Das Vorsehen dieser Zentrierung
kann durch Bearbeiten aller Komponenten, die den Antrieb ausrichten,
mit hohen Toleranzen oder alternativ durch Feineinstellung beim
Zusammenbau erreicht werden. Jede Option zieht komplizierte Verfahrensweisen
und Kosten nach sich. Es werden flexible Dichtungen in den Verbindungsstangen 48 und 50 eingesetzt,
um zu ermöglichen,
dass jede Welle abgesetzt oder in einem kleinen Winkel geneigt werden kann,
und damit die Kolben 30 und 32 in der Bohrung rundlaufen.
Kleine Fehlwerte sind auf diese Weise nicht mehr kritisch und Fehlwerte
von weniger als 10 mil bewirken keine merkliche Seitenbelastung
auf den Dichtungen. Diese Ausführungsform
ist besonders geeignet für
die Dreiecksverbindungsanordnung, die unten mit Bezug zu 11 diskutiert wird.
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Nun mit Bezug zu den 9a–9d können mechanische Verluste reduziert
werden und die Lebensdauer des Antriebsmechanismus kann verlängert werden,
indem die Druckbelastung auf den Kolben 30 minimiert wird.
Druckbelastungen auf den Kolben 30 entstehen nach zwei
Mechanismen, einer erhöht
die Leistungsabgabe der Maschine und der andere hat keinen Einfluss
auf die Leistungsabgabe. Die zyklische Bewegung des Verdrängerkolbens 32 erwärmt und
kühlt das
Arbeitsfluid, was zu Veränderungen
im Druck des Fluids im Kompressionsvolumen 142 führt. Da
diese Druckveränderungen
grob um 90° zur
Bewegung des Kolbens 30 phasenversetzt sind, führen sie
zu Arbeitsabgabe durch die Maschine. Andererseits bewirkt Bewegung
des Kolbens 30 Druckschwankungen direkt in Phase mit der
Kolbenbewegung, wodurch kein Beitrag zur Arbeitsabgabe der Maschine
geleistet wird.
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Um die Maschinenleistung für eine bestimmte
Antriebslast zu maximieren, sollte die Fraktion der Gesamtdruckschwankung,
die durch die Bewegung des Verdrängerkolbens 32 bewirkt
ist, maximiert werden. Zu diesem Zweck ist gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ein Verdrängerkolben 32 vorgesehen,
der einen größeren Durchmesser
aufweist als der Durchmesser des Kompressionskolbens 30,
wie es in den 9a–9d in aufeinander folgenden
Phasen des Stirlingkreislaufs gezeigt ist. Kolben mit unterschiedlichen
Durchmessern sind bei Motoren mit getrennten Bohrungen bekannt,
wie im Stirlingmotor 10, der in den 1a–1d gezeigt ist. Durch Vorsehen von
Kolben mit unterschiedlichen Durchmessern im Motor vom β-Typ der 8 und 9a– 9d,
bei denen die Kolben koaxial sind und das selbe Volumen über ei nen
Teil ihres Hubs aufweisen, wird der Vorteil kleinerer Druckschwankungen
von einem Verdränger mit
größerem Durchmesser
erreicht, während
gleichzeitig die Vorteile des Motors vom β-Typ mit geringem Totvolumen
und hohem Kompressionsverhältnis
erreicht werden. Den Fachleuten im Bereich der Stirlingmaschinen
sind Alpha-, Beta- und Gammakonfigurationen bekannt.
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Nun mit Bezug zu 10 ist ein rhombischer Antrieb aus dem
Stand der Technik gezeigt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 150 bezeichnet
ist. Hier ist die Rotationsbewegungsanordnung 120 gebildet
aus Gegengewichten 122 und 124 und Steuerrädern 126 und 128.
In der Konstruktion aus dem Stand der Technik können sich das Gegengewicht 122 und
das Steuerrad 126 gemeinsam drehen, jedoch kann die Achse 130 nicht
sowohl durch das Gegengewicht 122 und das Steuerrad 126 hindurch-
treten, wegen der Spielerfordernisse eines exzentrisch angebrachten
Verbindungsarms 132 und des entsprechenden Verbindungsarms
(nicht gezeigt) des unteren Verbindungsmechanismus. Dementsprechend
muss die Achse 130 „geteilt" werden, was mechanische
Nachteile ergibt.
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In 11 ist
die Achse 130 gezeigt, wie sie sowohl durch das Gegengewicht 122 und
das Steuerrad 126 hindurchtritt. Dies wird durch Vorsehen
der exzentrischen Kopplung des Verbindungsarms 132 mit
der Rotationsbewegungsanordnung über
ein großes
Drehlager 134 erreicht, was der Achse 130 ermöglicht,
durch das große
Drehlager 134 als Durchführungsachse hindurchzutreten.
Die Verwendung einer Durchführungsachse
kann die Antriebssteifigkeit verbessern, zum leichteren akkuraten
Zusammenbau beitragen und Maschinenkosten reduzieren. Der in 11 gezeigte Verbindungsmechanismus
ist eine sogenannte „trapezförmige Verbindungsanordnung", in der der Verbindungsarm 132 und
Verbindungsarm 136 exzentrisch zu entsprechenden Rädern oder
Gegengewichten der Rotationsbewegungsanordnung angebracht sind,
und jeweils über eine
Querverbindung (oder „Plattform") 138 an
Gelen ken 140 gekoppelt sind. Die Querverbindung 138 wiederum
treibt die Verbindungsstange 48 an. Ein Nachteil dieser
Anordnung ist, dass die Querverbindung 138 vor und zurück wippen
kann, wenn die Verbindungsstange 48 sich linear verschiebt.
Der Antrieb ist deshalb von den Dichtungen des Kolbens 30 (in 8 gezeigt) und der Verbindungsstange 50 abhängig, um
den Wippfreiheitsgrad zu eliminieren. Als Folge davon führt jegliches
Ungleichgewicht im Antrieb zu einer Seitenkraft auf die Dichtungen,
was die Reibung und den Dichtungsverschleiß erhöht.
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Nun mit Bezug zu 12 sind der Verbindungsarm 132 und
Verbindungsarm 136 an einem Gelenk 142 miteinander
gekoppelt statt über
eine separate Querverbindung wie bei der trapezförmigen Verbindungsanordnung
von 11. Die Verbindungsanordnung,
in der die Verbindungsarme 132 und 136 miteinander
an einem einzigen gemeinsamen Gelenk 142 gekoppelt sind,
wird als „Dreiecksverbindung" oder „Deltaverbindungsanordnung" bezeichnet. Durch
Verringerung eines Freiheitsgrades der seitlichen Bewegung kann
die Dreiecksverbindungsanordnung Vibration und Verschleiß reduzieren,
die Verwendung von Biegungen in einer Linie mit Verbindungsstangen 48 und 50 (in 2 gezeigt) ermöglichen
und die Motorlebensdauer erhöhen.
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Da Drehung der Verbindungsarme 132 und 136 nicht
vollständig
erfolgt, braucht die Kopplung am Gelenk 142 keine volle
360-Grad Drehung sein und kann eine Biegung sein. Gleichermaßen können Biegungen
die Kopplung von Verbindungsarmen mit der Rotationsbewegungsanordnung
ausbilden, die Kopplung zwischen Verbindungsarmen oder die Kopplung
zwischen einer Querverbindung und Verbindungsarmen. Biegungen, die
unvollständige
Rotationskapazität
einsetzen, können
verwendet werden, um eine erhöhte
Maschinenzuverlässigkeit
vorzusehen.
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In einigen Anordnungen verwenden
eines oder mehrere Gelenke zwischen Paaren von Verbindungsarmen
oder zusätzlich
ein oder mehrere Drehlager ferrofluidische Lager, wodurch längere Wartungsintervalle
zwischen dem Ersetzen von Gelenken und Lagern möglich sind. Ferrofluidische Dichtungen
verwenden Magnetfelder, um Öl
zu halten, das mit kleinen Partikeln aus ferromagnetischem Material
geimpft wurde. Solche Dichtungen werden allgemein verwendet, um
Schmierung im Inneren von Kugellagern oder Laufbuchsen permanent
abzudichten. Durch Verwendung von ferrofluidischen Lagern kann die
Reibung von reibenden Lagerdichtungen eliminiert werden.
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Ferner mit Bezug zu 12 sind zwei Steuerräder 144 und 146 auf
der Motorachse 130 der Rotationsbewegungsanordnung angebracht,
mit entsprechenden gegenläufigen
Steuerrädern 150 und 152,
die auf der Motorachse 158 angebracht sind. Die Räder 144 und 146,
zusammen mit ihren entsprechenden Rädern 150 und 152 auf
der Motorachse 158 sind Schrägradgetriebe. Die Steigungen
der Schrägverzahnungen
der Räder 144 und 146 können gegengleich
sein, wodurch effektiv ein Steuerrad mit einer Pfeilverzahnung ausgebildet
wird. Diese Art von Getriebe wird allgemein verwendet, um Geräusche zu
mindern, während
Seitenkräfte
in Verbindung mit Schrägradgetrieben
eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist,
dass der Abstand zwischen den Rädern 144 und 146 mittels
einer Unterlegscheibe oder auf andere Weise eingestellt werden kann,
wodurch Feineinstellung in der relativen Phasen von zwei Achsen
vorgesehen wird. Dies ergibt eine einfache Art zur Feinabstimmung des
Phasenwinkels beim Zusammenbau.
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Nun mit Bezug zu 13, können
Vibration und Verschleiß dadurch
reduziert werden, dass eine konstante seitliche Last auf Lagern
gehalten wird, ein Federband, das allgemein mit dem Bezugszeichen 160 bezeichnet
ist. Durch Herstellen von Federbändern
aus Federstahl oder einem ähnlichen
Material können
die Lager vorbelastet werden, typischerweise mit 10 bis 20 Pfund
Zugspannung. Das Band 160 ergibt seit liche Belastung des
Drehlagers 134 und des Lagers des Gelenklagers 142 des
oberen Verbindungsstücks.
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14 bildet
den Verdrängerkolben 32 und den
entsprechenden Teil der Zylinderauskleidung 42 in Seitenansicht
im Querschnitt ab. Ein großer
Teil der Verluste in kleinen Stirlingmaschinen entstehen im Ringspalt 160,
der als "Ansatzspalt" bezeichnet wird,
der den Verdrängerkolben 32 umgibt.
Zwei Mechanismen sind für
diese Verluste verantwortlich: der erste, der sogenannte „Wechselverlust", ist Wärmeableitung
an der Wand 42 des Zylinders verstärkt durch die Kreisbewegung
des Verdrängers 32.
Dies ist eine direkte Folge des großen Temperaturgradienten entlang
der Wand 162 des Verdrängers 32 und der
Wand 42 des Zylinders. Beim Mittelhub des Verdrängers, weisen
im Falle eines Motors sowohl die Verdrängerwand 162 und die
Zylinderauskleidung 42 den selben axialen Temperaturgradienten
auf, annähernd
1200°F oben
und 80°F
unten. Die Temperatur an jedem Punkt auf der Zylinderauskleidung
ist die selbe wie am entsprechenden Punkt auf der Verdrängerwand
direkt über
den Ansatzspalt. Wenn der Verdränger
sich zum oberen Punkt seines Hubs bewegt, passen die Temperaturen
jedoch nicht mehr zueinander. Der Zylinder weist eine höhere Temperatur
auf als der entsprechende Punkt auf dem Verdränger, so dass Wärme von
der Auskleidung durch das Helium im Ansatzspalt zur Verdrängerwand
fließt.
Der umgekehrte Vorgang tritt auf, wenn der Verdränger sich am unteren Punkt
seines Hubs befindet. Wärme
wird vom Verdränger
zum Zylinder zurückgeführt, aber
zu einer Stelle weiter unten an der Wand und näher am Kühler. Dies wird auch als „Eimerkettenverlust" bezeichnet; der
Verdränger
nimmt Wärme
von der heißen
Seite auf und führt
sie zyklisch zur kalten Seite. Dieser Effekt ist umgekehrt proportional
zur Größe des Spalts
zwischen dem Verdrängerkolben
und der Zylinderwand.
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Der zweite Effekt wird typischerweise
als „Pumpverlust" genannt. Bedingt
durch Druckschwankungen im Motorinneren fließt in jedem Zyklus Fluid aus
dem Expansionsraum in den und aus dem Ansatzspalt. Das Helium fließt in den
Spalt, gibt etwas von seiner Wärme
an die Zylinderwände
ab, fließt dann
mit einer leicht kühleren
Temperatur zurück
aus dem Spalt. Dies stellt einen anderen thermodynamischen Verlust
im Zyklus dar; Wärme
wird von der heißen
zur kalten Seite überführt, ohne
dass irgendwelche Arbeit beigetragen wird. Der Wärmeverlust ist dabei direkt
proportional zur Größe des Spalts.
Die Größe des Ansatzspalts
beruht deshalb auf der Minimierung der Summe von Wechselverlust
und Pumpverlust. Selbst wenn jedoch richtig optimiert wurde, beträgt die Summe
dieser Verluste bei kleinen Maschinen typischerweise 10% der Eingangsenergie.
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Dieser Verlust kann durch Hinzufügen eines kurzen
Abschnitts aus regenerativen Material 164 am Einlass des
Ansatzspalts 160 reduziert werden. Dieses Material kann
Metallfilz sein, Schichtsiebe oder irgendeines einer Anzahl von
porösen
Materialien mit großen
Benetzungsflächen,
wie sie typischerweise für
die Regeneration verwendet werden. Solche Regeneratoren können, bei
richtiger Bemessung, zu über 99 wirksam
sein. Jeglicher enger Ringspalt, der in der Wand des Verdrängerkolbens 32 vorgesehen ist,
um die irreversible Komponente des Wärmeflusses zwischen dem heißen Ende
der Zylinderauskleidung und dem Körper des Verdrängerkolbens
zu minimieren, fällt
in den Rahmen der Struktur, die hier als „Regeneratorring" bezeichnet wird.
Als Folge des Vorhandenseins des Regeneratorrings ist das Gas, das
in den Spalt eintritt und ihn verlässt, sehr nahe zur selben Temperatur,
unabhängig
von der Spaltgröße. Dies
dient dazu, den Pumpverlust zu reduzieren, was es ermöglicht,
einen größeren Ansatzspalt
zu verwenden, um den Wechselverlust zu reduzieren. Das Endergebnis
kann eine große
Zunahme der Motoreffizienz von mehr als 3 oder 4% bei kleinen Motoren
sein.
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Im Falle von Stirlingzykluskältemaschinen
ist die Dichtung am warmen Ende, so dass das regenerative Material
am kalten Eintritt zum Ringspalt platziert ist.
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Die 15 bis 17 zeigen schematische Ansichten
des Wärmestroms
von einem Brenner 170, der zum Verbrennen von Kraftstoff
verwendet wird, um Wärme
zum Heizkopf 64 (in 2 gezeigt)
der Stirlingmaschine zuzuführen.
Typischerweise ergibt Luft bei Raumtemperatur ein Oxidationsmittel,
in dem Kraftstoff im Brenner 170 verbrennt. Es verbleibt noch
eine beträchtliche
Menge an Energie in den Verbrennungsgasen, nachdem der Heizkopf 64 erwärmt wurde,
und wie es den Fachleuten bekannt ist, kann ein Wärmetauscher 172 verwendet
werden, um Wärme
aus den Verbrennungsgasen auf die Verbrennungsluft zu übertragen,
bevor sie in den Brenner 170 eingeführt wird. Typische Zahlen,
die sich auf die Verbrennungsvorwärmung im Stand der Technik beziehen,
sind in 15 gezeigt.
Nachverbrennungsgase von ungefähr
2000 K (Temperaturen in Grad Kelvin angegeben) werden verwendet,
um das Arbeitsfluid der Stirlingmaschine auf eine Temperatur von
ungefähr
950 K zu erwärmen,
was Abgas bei 1200 K zurücklässt, das
viel zu heiß ist,
um es an die Umwelt abzugeben. Der Wärmetauscher 172 entnimmt
Wärme aus
dem Abgas und führt
sie der Vorverbrennungsluft zu, was die Vorverbrennungsluft auf
ungefähr
900 K erwärmt
und das Abgas mit ungefähr
600 K zurücklässt, was
immer noch zu heiß ist, um
es sicher ohne Verdünnung
mit Umgebungsluft abzuführen.
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Mit Bezug zu 15 wird typischerweise ein Ventilator
oder Gebläse
verwendet, um Luft durch den Brenner 170 zu drücken, um
der Heizeinrichtung 64 der Stirlingmaschine Wärme zuzuführen. Sowohl Ventilatoren
wie Gebläse
zeigen jedoch geringe Effizienzen. Als Folge davon wird ein Bruchteil
der Abgabeleistung einer Maschine typischerweise zum Bewegen der
für die
Verbrennung erforderlichen Luft verbraucht.
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16 bildet
ein schematisches Diagramm einer Anordnung ab, gemäß der einiges
der im Abgas nach Durchtritt durch den Wärmetauscher 172 verbliebenen
Energie durch einen thermoelektrischen Generator in elektrische
Energie verwandelt wird, die ein elektrisches Gebläse 176 antreibt. 17 zeigt die Verwendung
von heißen
Abgasen gemäß noch einer
weiteren Anordnung zur Energieversorgung eines Turboexpanders 180,
der einen Turbokompressor 182 antreibt, um Verbrennungsgase
in den Brenner 170 zu treiben.
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Nun mit Bezug zu 18a wird ein Hochdruckbrenngas, wie Propan,
verwendet, um den benötigten
Luftstrom durch einen Luftverstärker
zu schleppen, der allgemein mit dem Bezugszeichen 184 bezeichnet
ist. Wie es im Bereich der Gasdynamik bekannt ist, verwendet ein
Luftverstärker 184 einen
geringen Strom an Hochdruckgas, um einen viel größeren Strom an Umgebungsluft
mitzuschleppen. Das Funktionsprinzip eines Gasverstärkers wird
mit Bezug zu 18b beschrieben.
Hochdruckkraftstoff, wie zum Beispiel Propan, wird vom Volumen 192 entlang
einer gewölbten
Wand 194 geleitet, was einen Wandstrahl 196 aus
Kraftstoff bildet, der Umgebungsgase 198 mitschleppt und
einen großen
Strom 200 von gut vermischtem Propan und Luft ergibt, der sich
mit einer langsameren Geschwindigkeit als der Wandstrahl 196 bewegt.
Der Hochgeschwindigkeitswandstrahl 196 aus Propan vermischt
sich oder schleppt das sich langsam bewegende Gas 198 darüber, wobei
Moment übertragen
wird und das mitgeschleppte Gas beschleunigt wird. Auf diese Weise nimmt
eine Grenzschicht 202 an Volumen zu und verlangsamt sich
in der Transportgeschwindigkeit, wenn mehr und mehr Umgebungsgas
mitgeschleppt wird. Das mitgeschleppte Umgebungsgas 198,
das mit dem Propanstrahl 196 austritt, erzeugt einen Niederdruck,
der frische Luft in den Luftverstärker 184 einzieht.
Auf diese Weise pumpt der Hochdruckpropanstrahl 196 effektiv
Luft durch den Luftverstärker 184. Der
resultierende Strom von Gas mit nahezu Umgebungsdruck kann typischerweise
10–40mal
höher sein
als der Hochdruckgasstrom. Wiederum mit Bezug zu 18a kann Propan bei Drücken im
Bereich von typischerweise 20–100
psig als Hochdruckgas verwendet werden, und der Luftverstärker 184 pumpt Luft
durch den Brenner und vermischt den Kraftstoff mit Luft, bevor sie
in den Brenner 170 eintreten. Dies eliminiert die Notwendigkeit
eines Gebläses
(oder reduziert die Größe eines
erforderlichen Gebläses), wenn
stattdessen die gespeicherte Energie im Hochdruckbrenngas verwendet
wird, die ansonsten ungenutzt geblieben wäre. Gleichermaßen ist
von Bedeutung, dass der Luftverstärker eingesetzt werden kann,
um das korrekte Kraftstoff-Luft-Verhältnis ohne Luftregelungen einzuhalten
und kann ferner ein vereinfachtes Durchführen der Abgasrückführung ermöglichen,
um die Emission von Stickoxiden zu reduzieren, da ein Niederdruckschacht 188 eine
gewisse Menge an Abgas einführt.
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19a zeigt
das Prinzip zur Erhöhung
der Effizienz, mit der der Heizkopf 64 durch die heißen Gase
erwärmt
wird, die durch unterbrochene Pfeile mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet
sind. Die Gase werden im Verbrennungsprozess erwärmt, wodurch Kraftstoff mit
Luft verbrannt wird, wie es oben mit Bezug zu den 15–18 beschrieben ist, auf Temperaturen,
die typisch in der Größenordnung
von 2000 K liegen. Heiße
Verbrennungsgase 300 strömen über Kühlrippen 302, wodurch
thermische Energie durch Konvektion auf die Kühlrippen übertragen wird, wodurch das
Gas abgekühlt
und die Kühlrippen erwärmt werden.
Von den Kühlrippen 302 absorbierte
thermische Energie wird dann an den Heizkopf 64 der Stirlingmaschine
abgestrahlt, die bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wird,
typischerweise in der Größenordnung
von 950 K. Das die Kühlrippen 302 verlassende
Gas 304 weist eine Temperatur auf, die etwas höher ist
als die der Kühlrippen.
Typischerweise liegt die Temperatur der Kühlrippen und des austretenden
Gases in der Größenordnung
von 1400 K. Gas 304 wird über den Heizkopf 64 geleitet
und überträgt durch
Konvektion weitere thermische Energie auf die Heizeinrichtung.
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Nun mit Bezug zu 19b kann von den Kühlrippen 302 abgestrahlte
thermische Energie nicht nur zum Heizkopf 64 übertragen
werden, sondern thermische Energie direkt zum Innenraum 306 der
Stirlingmaschine übertragen
werden. Dies wird erreicht durch Herstellen eines Heizkopfes 64 aus
einem im Wesentlichen transparenten Material zur thermischen Abstrahlung
bei der Temperatur (in der Größenordnung
von 1400 K) der Strahlungsrippen 302, die im Infrarot liegt.
Solche Materialien umfassen, zum Beispiel, für Infrarot transparente Keramik wie
Magnesiumaluminatspinell, Aluminiumoxynitrid und kristalline Materialien
wie mit Lanthan dotiertes Yttrium. Von den Rippen 302 abgestrahlte
thermische Energie wird anschließend von einer gewellten Folie 308 absorbiert,
die im Innenraum 306 der Stirlingmaschine angeordnet ist.
Die gewellte Folie 308 ist so behandelt, dass sie als schwarzer
Körper
für die
Absorption dient, wobei Techniken angewandt sind, die den durchschnittlichen
Fachleuten im Bereich der Infrarotoptik bekannt sind, und überträgt anschließend Wärme durch
Konvektion zum Arbeitsfluid der Maschine.
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Nun ist mit Bezug zu den 19c und 19d gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine neue Struktur abgebildet, um große Mengen
an Wärme
von der Verbrennungsquelle zum Inneren der Stirlingzyklusmaschine 28 zu übertragen,
die im Querschnitt gezeigt ist. Um die Effizienz des Wärmetransports
von Heißgasen 300,
durch den Brenner 150 erzeugt, zum im Innenvolumen 306 der Maschine
enthaltenen Arbeitsfluid zu erhöhen,
ist eine große
Benetzungsfläche
auf jeder Seite des Heizkopfes 64 erforderlich. Um eine
große
Oberfläche
zu erreichen sind eine große
Anzahl von Metallstiften 310 sowohl auf der Innenfläche 312 und
der Außenfläche 314 des
Heizkopfes 64 vorgesehen. Die Herstellung kann zu geringen
Kosten erfolgen, wie durch Genauguss. Die Metallstifte 310 erhöhen nicht nur
die Benetzungsfläche
auf jeder Seite des Heizkopfes 64, sondern erzeugen auch
turbulente Strömungen,
die die Fluidvermischung verbessern und damit den Wärmestrom
weiter erhöhen.
Diese Struktur kann auch zur Wärmeübertragung
beim Kühler 68 eingesetzt
werden (in 2 gezeigt)
oder in irgendeiner Anwendung, wo effiziente Wärmeübertragung zwischen Gasvolumen
erforderlich ist.
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In den 20a–20b ist eine Seitenansicht
eines mit Faltenbalg abgedichteten Kolbens gezeigt, der allgemein
mit dem Bezugszeichen 400 bezeichnet ist. Nun mit Bezug
zu 20a kann gemäß einer anderen
Anordnung der Faltenbalg 400 verwendet werden, um eine
Dichtung zwischen einem Arbeitsvolumen 402 und einem Kurbelgehäusevolumen 404 vorzusehen.
Während
flexible Metallfaltenbälge
für diese
Anwendung verwendet werden können,
sind sie teuer und schwer herzustellen. Stattdessen wird das Druckdifferential
(wobei der Druck p1 im Arbeitsvolumen 402 immer den Druck
p2 im Kurbelgehäusevolumen 404 übersteigt)
verwendet, um Faltenbalgsegmente zusammen zu halten. Die Druckdifferenz bewirkt,
dass eine konvexe Dichtung 406 zwischen Windungen 408 und 410 aufgeht,
während
eine konkave Dichtung 412 zwischen Windungen 410 und 414 zusammen
gedrückt
wird. Konvexe Dichtungen 406 werden mechanisch zusammengefügt, wie durch
Schweißen
oder Löten,
so dass sie den Trennungskräften
widerstehen. Konkave Dichtungen 412, wie in 20b gezeigt, weisen Oberflächen auf,
die verklebt sind, um eine gute Gasdichtung zu erreichen. Vorteile
dieser Anordnung umfassen die Ausbildung einer hermetischen Dichtung
zwischen dem Arbeitsvolumen und dem Kurbelgehäuse mit der möglichen
Ausnahme einer Öffnung
zum Anschließen
einer Pumpe, um das Arbeitsvolumen unter Druck zu setzen. Da nur
eine Dichtung von jedem Segment 414 auf jedem Paar Faltenbalgwindungen strukturiert
ist, ist die Herstellung vereinfacht.