EP1126153A2 - Stirlingmaschine - Google Patents

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Publication number
EP1126153A2
EP1126153A2 EP01890034A EP01890034A EP1126153A2 EP 1126153 A2 EP1126153 A2 EP 1126153A2 EP 01890034 A EP01890034 A EP 01890034A EP 01890034 A EP01890034 A EP 01890034A EP 1126153 A2 EP1126153 A2 EP 1126153A2
Authority
EP
European Patent Office
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piston
cylinder
pistons
stirling engine
cold
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01890034A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1126153A3 (de
Inventor
Josef Ing. Frauscher
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1126153A2 publication Critical patent/EP1126153A2/de
Publication of EP1126153A3 publication Critical patent/EP1126153A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • F02G2243/04—Crank-connecting-rod drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/45—Piston rods

Definitions

  • the invention relates to a Stirling engine, working as a two-piston engine, consisting of a closed on all sides against the environment Cylinder whose ends are connected via a connection outside the cylinder have a cooler, a regenerator and a heater for the working gas and form a cold and a hot cylinder side, in the interior of which a compression piston on the cold side of the cylinder and an expansion piston are located on the hot cylinder side on a common axis that over Piston rods connected to an engine located outside the cylinder are and are driven out of phase with each other.
  • the Stirling engine is in the circle of thermodynamic machines So far, hardly implemented, although the implementation of the Stirling process is just the case offers enormous scope for design, like countless designs, IP applications, models, prototypes and small series versions demonstrate.
  • the working gas is under Pressured. Variants with internal pressures of more than 100 bar are known.
  • noble gases are used to reduce flow losses in the heater, cooler and regenerator.
  • Monatomic gases, such as hydrogen or helium have proven to be effective in high-performance machines Working gases prevail over air.
  • Stirling machines are essentially in the literature in the displacement machines (beta and gamma type), two-piston machines (Alpha type) and double-acting machines (Siemens type) divided (Lit .: Stirling machine technology, publisher Fritz Steimle, Müller Verlag Heidelberg, Stirling machines, Martin Werdich, Kuno Kübler, ⁇ KOBUCH, Staufen near Freiburg).
  • Displacement machines of the beta type have the advantage that the working piston and the displacer inexpensively arranged in a common cylinder are.
  • the heat exchangers and the regenerator are usually centered around the cylinder, which is the prerequisite for one offers optimal gas flow.
  • only the working piston has to be be sealed towards the cylinder, which is due to the low temperatures the cold side of the cylinder is not a big problem.
  • the Dead space losses due to the absence of manifolds or collectors are minimized become. This advantageously leads to the highest possible, efficiency-increasing Compression ratio.
  • crankcase, rod seal and rod guides the same problem arises with two-piston machines of the type Alpha.
  • such machines have the disadvantage that two separate ones Cylinders are required and two pistons must be sealed, one even on the hot side.
  • the heat exchangers and the regenerator must be placed between the two cylinders, which is usually not without manifolds and collectors with the well-known disadvantages of a high Dead volume is possible.
  • the Alpha type machines which have arranged the cylinders in a V-shape. The angle between the cylinders are usually around 90 degrees. This arrangement allows use a simple crankshaft with only one crank pin to which the two connecting rods of the pistons are articulated.
  • the angle between the cylinders is thus synonymous with the phase shift of the piston movements.
  • the Advantages of the simple crank drive are the high effort for the Arrangement of two cylinders and the seals to the pistons and Crankcase largely canceled.
  • the power to weight ratio of the machine is unfavorable, no matter whether it is a pressure-free or pressurized Crankcase.
  • the area of application is therefore essentially limited on stationary applications.
  • the piston rods are either articulated to ordinary crankshafts via cross heads and connecting rods or via spherical bearings directly to a swashplate, parallel to the axis the piston rods.
  • WO 99/01655 A shows such a machine that has already reached series maturity.
  • the object of the invention is to create a Stirling engine at the outset mentioned type, which is characterized by a simple design and high operational reliability and low efficiency as well as a homogeneous Exhibits operational behavior.
  • each piston a variable by its strokes Space for the working gas between it and the respective cylinder end forms and that these spaces sealed against the space between the pistons are.
  • the inventive design of a Stirling engine avoids one Series of disadvantages of the recorded design variants on the other hand, advantages of individual construction methods. So it's a extremely simple construction with a cylinder similar to the beta type, at where the piston rods are passed through on the cold side. Both pistons move in the manner known for the beta type, namely out of phase by a crank angle of approximately 90 degrees.
  • the main difference to a Beta Stirling engine is that instead of the displacer an expansion piston is arranged.
  • the work process is the same as for a two-piston machine of the alpha type.
  • Characteristic of the invention Training is that according to a preferred embodiment of the Compression piston leads the expansion piston by the phase angle.
  • the space between the pistons as Buffer space used.
  • the pistons are for this pot-shaped and have different diameters, the Seals smaller pistons on the inside of the larger pistons.
  • the expansion piston will have the larger diameter and be longer than the compression piston. It is essentially only a functional dynamic piston seal is required.
  • the one already mentioned is located within the two pistons Buffer space for the compression and expansion phase of the process.
  • the largest part of the buffer volume is taken up by the space inside the expansion piston a, since this piston is advantageously relatively long to accommodate the high Reduce the temperature of the expansion room to the cold compression room to be able to keep the heat loss small.
  • the whole Buffer space takes an average pressure, which is usually identical to that Boost pressure of the machine. Another buffer space is not necessary.
  • both pistons have the same diameter. They slide along the cold surface of the cylinder and seal there. This shows the advantage Compared to known designs, especially in that no additional Measures must be taken to keep the cylinder tread in mind to cool for a long service life of the sliding surfaces and the piston rings.
  • the cooler - heat exchanger is located in the area of this tread anyway and there is no need to create additional cold rooms for the cylinder cooling.
  • the device according to the invention is also optional with one, the State of the art applicable pressurized gearbox applicable.
  • the piston rod seals only need the differential pressures record between working and boost pressure and it's a rotating Seal required for the crankshaft leading to the outside. Such seals are available in a gas-tight version on the market. About that in addition, the known arrangement when used as a generator drive Generator in the pressure chamber possible.
  • Fig. 1 the cylinder 1 is shown as a closed vessel, the is only broken through to the outside by the piston rod guide 9.
  • the Cylinder 1 consists of a cold side 11 and a hot side 12.
  • the two Rooms 11, 12 are by a cooler 2, a regenerator 3 and a heater 4 connected.
  • Both the heater 4 and the cooler 2 are exemplary as Tubular heat exchanger drawn in the form that the cooler 2 with liquid is cooled and the heater 4 hot gases in an unspecified Form are fed.
  • Both the cooler 2 and the heater 4 can also be designed differently, for example with fine ribs or fans.
  • An expansion piston is located within the hot side 12 of the cylinder 1 5, which is connected to a piston rod 6, which to the outside a crank mechanism 10 leads.
  • a crank mechanism 10 There is a inside the cold cylinder side Compression piston 7, according to FIGS. 1 and 2, on a hollow piston rod 8 is attached, which leads to the crank mechanism 10 via connecting rods.
  • the illustration shows that the expansion piston 5 and the compression piston 7 are cup-shaped.
  • the expansion piston 5 has a larger diameter than the compression piston and the latter seals on the inner wall of the expansion piston 5.
  • a piston seal 14 is the only working seal to separate the cylinder rooms 11, 12 and the buffer space 16.
  • the expansion piston 5 carries on his lower end also a seal 15, which separates the hot cylinder side 12 caused by the cold cylinder side 11. There are none on this seal high demands, since it only causes the pressure difference has to be sealed by flow resistances in the heat exchangers 2, 3, 4.
  • the cooler 2 is advantageously designed such that the cooling water in a jacket around the cold side 11 of the cylinder 1, wherein both the cooler 2 and the cylinder wall of the cold cylinder side 11 flows around and is cooled. Due to the heat transfer is for the seals 15 and 14th a relatively cool operation is possible, which is the use of plastics enabled as piston seals. Shielding plates 13 also provide to ensure that the high temperature on the upper side of the expansion piston 5 acts, does not reach the inside of the compression piston 7.
  • the piston rods 6, 8 are connected to the crankshaft 10 of the connecting rods Articulated crank drive.
  • FIGS. 1 and 2 are in the embodiment of FIGS. 1 and 2 here for the implementation of Piston rod 6 tubular piston rod 8 of the compression cylinder 7 articulated by means of two connecting rods to two crank pins of the crankshaft 10.
  • 3 are for the compression piston 7 two diagonally with the same Piston rods arranged at a center distance and sealed off by 9a 8 available.
  • crank pin for the compression cylinder 7 are opposite Crank pin for expansion cylinder 5 offset in a rotating circle by approx. 90 degrees.
  • the picture to the left of the crankshaft 10 schematically shows the view of the crankshaft 10 from the left. In relation to the direction of rotation 17 it can be seen that the crank pin 7a for the compression piston 7 the crank pin 5a for the expansion piston 5 leads 90 degrees.
  • Choosing a crankshaft 10 with is only three crank pins as a gear for the device according to the invention exemplary and useful for the functional explanation. They are just as good other constructions corresponding to the state of the art, e.g. on Rhombus engine as described in WO 99/04152 or engines as they are explained in DE 19722036 A1, DE 19616256 A1, WO 99/04153 A.
  • FIG. 2 and 3 A further development of the idea according to the invention is shown in FIG. 2 and 3. Since the basic mode of operation is completely identical to that of Fig. 1, in the following description of Fig. 2 only on the executed difference to Fig. 1 received.
  • the compression piston 7 and the expansion piston 5 have the same diameter and slide one behind the other along the inner surface the cold cylinder side 11 of the cylinder 1.
  • the cold cylinder side is advantageous 11 dimensioned in length so that both piston seals 14,15 along their Do not leave the cold cylinder area.
  • the expansion piston 5 is on its bottom open. Its inner volume forms together with the volume above the compression cylinder 7, the buffer space 16. The relatively long Design of the expansion piston 5 ensures the formation of a sufficient Buffer space 16 that sufficient distance and shielding between the hot cylinder side 12 and the cold cylinder side 11 is present.

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Abstract

Bei einer als Zweikolbenmaschine arbeitenden Stirlingmaschine, bestehend aus einem allseitig gegen die Umgebung verschlossenen Zylinder (1) dessen Enden eine außerhalb des Zylinders geführte Verbindung über einen Kühler (2), einem Regenerator (3) und einem Erhitzer (4) für das Arbeitsgas aufweisen und eine kalte (11) und eine heiße (12) Zylinderseite bilden, in dessen Innenraum sich ein Kompressionskolben (7) auf der kalten Zylinderseite (11) und ein Expansionskolben (5) auf der heißen Zylinderseite (12) auf einer gemeinsamen Achse befinden, die über Kolbenstangen (6,8) mit einem außerhalb des Zylinders liegenden Triebwerk (10) verbunden sind und zueinander phasenverschoben angetrieben werden, bildet jeder Kolben (5,7) einen durch seine Hübe veränderlichen Raum für das Arbeitsgas zwischen ihm und dem jeweiligen Zylinderende. Diese Räume (11,12) sind gegen den Raum (16) zwischen den Kolben (5, 7) abgedichtet, der als Pufferraum benützt werden kann. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirlingmaschine, arbeitend als Zweikolbenmaschine, bestehend aus einem allseitig gegen die Umgebung verschlossenen Zylinder dessen Enden eine außerhalb des Zylinders geführte Verbindung über einen Kühler, einem Regenerator und einem Erhitzer für das Arbeitsgas aufweisen und eine kalte und eine heiße Zylinderseite bilden, in dessen Innenraum sich ein Kompressionskolben auf der kalten Zylinderseite und ein Expansionskolben auf der heißen Zylinderseite auf einer gemeinsamen Achse befinden, die über Kolbenstangen mit einem außerhalb des Zylinders liegenden Triebwerk verbunden sind und zueinander phasenverschoben angetrieben werden.
Im Kreis der thermodynamischen Arbeitsmaschinen hat sich der Stirlingmotor bislang kaum durchgesetzt, obwohl gerade die Umsetzung des Stirling-Prozesses einen gewaltigen Gestaltungsspielraum bietet, wie zahllose Entwürfe, Schutzrechtsanmeldungen, Modelle, Prototypen und Kleinserienausführungen zeigen. Viele Vorteile gegenüber Motoren mit innerer Verbrennung lassen sich auflisten: Freiheit in der Wahl der Wärmequelle, Verwendungsmöglichkeit regenerativer Energien, einfacher Aufbau mit wenig bewegten Teilen, keine Ventile, hohe erreichbare Wirkungsgrade, schmiermittelfreie Konstruktionen und lange Wartungsintervalle sind nur einige davon.
Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, wird das Arbeitsgas unter Druck versetzt. Ausführungsvarianten mit Innendrücken von mehr als 100 bar sind bekannt. Darüber hinaus benützt man Edelgase zur Reduzierung der Strömungsverluste im Erhitzer, Kühler und Regenerator. Einatomige Gase, wie Wasserstoff oder Helium haben sich bei leistungsfähigen Maschinen in der Praxis als Arbeitsgase gegenüber Luft durchgesetzt.
Die Bauarten der Stirling-Maschinen werden in der Literatur im wesentlichen in die Verdrängermaschinen (Beta- und Gamma-Typ), Zweikolbenmaschinen (Alpha-Typ) und doppeltwirkende Maschinen (Siemens-Typ) eingeteilt (Lit.: Stirling-Maschinen-Technik, Herausgeber Fritz Steimle, Müller Verlag Heidelberg, Stirling-Maschinen, Martin Werdich, Kuno Kübler, ÖKOBUCH, Staufen bei Freiburg).
Verdrängermaschinen vom Beta-Typ haben den Vorteil, daß der Arbeitskolben und der Verdränger kostengünstig in einem gemeinsamen Zylinder angeordnet sind. Darüber hinaus sind gewöhnlich die Wärmetauscher und der Regenerator zentrisch um den Zylinder herum gelegt, was die Voraussetzung für eine optimale Gasführung bietet. Im wesentlichen muß lediglich der Arbeitskolben zum Zylinder hin abgedichtet werden, was durch die geringen Temperaturen auf der kalten Seite des Zylinders kein großes Problem darstellt. Weiters können die Totraumverluste wegen des Fehlens von Krümmern oder Sammlern minimiert werden. Dies führt vorteilhaft zu einem höchstmöglichen, wirkungsgraderhöhenden Verdichtungsverhältnis.
Solche Bauarten haben allerdings den Nachteil, daß unter dem Arbeitskolben ein Pufferraum für das unter Druck stehende Arbeitsgas vorhanden sein muß. In vielen Fällen wird dazu das Kurbelgehäuse herangezogen. Hohe Drücke erfordern allerdings eine aufwendige, druckfeste Gestaltung des gesamten Gehäuses, was die Vorteile der kompakten Ausbildung des Zylinderbereiches aus der Kostensicht minimieren oder gar aufheben kann. Die DE 196 12 616 A, DE 196 16 256 A und WO 99/04152 A zeigen solche Anordnungen.
Um diesen Nachteil zu umgehen, verwenden einige Ausführungen unter dem Arbeitskolben einen eigenen Pufferraum, der zum Kurbelgehäuse hin abgedichtet ist. Das Ergebnis sind meist relativ lange Kolben- und Verdrängerstangen, die von radial wirkenden Kräften, stammend vom Kurbeltrieb, befreit werden müssen und daher mit Kreuzkopfführungen oder Rhombengetriebe ausgestattet sind. Der dafür erforderliche Aufwand ist nicht unerheblich, vergrößert das Bauvolumen und reduziert damit die Chancen für eine kostengünstige Herstellung der Maschine.
Hinsichtlich Pufferraum, Kurbelgehäuse, Stangendichtung und Stangenführungen stellt sich die gleiche Problematik bei Zweikolbenmaschinen des Typs Alpha. Zusätzlich haben solche Maschinen den Nachteil, daß zwei getrennte Zylinder erforderlich sind und zwei Kolben abgedichtet werden müssen, einer davon sogar auf der heißen Seite. Die Wärmetauscher und der Regenerator müssen zwischen den beiden Zylindern angeordnet werden, was gewöhnlich nicht ohne Krümmer und Sammler mit den bekannten Nachteilen eines hohen Totvolumens möglich ist. Unter den Maschinen des Alpha Typs sind Ausführungen bekannt, die die Zylinder V-förmig angeordnet haben. Der Winkel zwischen den Zylindern beträgt meist um die 90 Grad. Diese Anordnung erlaubt die Verwendung einer einfachen Kurbelwelle mit nur einem Kurbelzapfen, an den die beiden Pleuel der Kolben angelenkt sind. Der Winkel zwischen den Zylindern ist damit gleichbedeutend mit der Phasenverschiebung der Kolbenbewegungen. Die Vorteile des einfachen Kurbeltriebes werden jedoch vom hohen Aufwand für die Anordnung von zwei Zylindern und den Abdichtungen zu den Kolben und zum Kurbelgehäuse weitgehend aufgehoben. Das Leistungsgewicht der Maschine ist ungünstig, gleichgültig ob es sich um ein druckfreies oder druckbeaufschlagtes Kurbelgehäuse handelt. Der Einsatzbereich beschränkt sich daher im wesentlichen auf stationäre Anwendungen.
Beachtliche Ergebnisse wurden bislang mit doppeltwirkenden Stirling Maschinen der Bauart Siemens errungen. Leistungen von einigen hundert kW bei einem Leistungsgewicht, welches jenem moderner Dieselmotoren nicht nachsteht, wurden erzielt. Kennzeichnend für diese Motoren ist die Anordnung von vier doppeltwirkenden Zylindern, deren Kolbenbewegung zueinander um 90 Grad phasenverschoben ist. Die heiße Seite befindet sich jeweils gegenüber der Kolbenstangenseite des Zylinders. Sie ist über den Erhitzer-Wärmetauscher über den Regenerator und den Kühler-Wärmetauscher mit der Kolbenstangenseite des nächsten Zylinders verbunden. In der Art sind die Zylinder mit insgesamt vier Wärmetauscher-Regeneratoreinheiten miteinander verkettet. Die Kolbenstangen sind entweder über Kreuzköpfe und Pleuel an gewöhnliche Kurbelwellen angelenkt oder über sphärische Lager direkt an eine Taumelscheibe, achsparallel zu den Kolbenstangen. Die WO 99/01655 A zeigt eine derartige Maschine, die schon Serienreife erlangt hat.
Die Nachteile der Siemens Maschine beschränken sich im wesentlichen darauf, daß vier doppeltwirkende Zylinder notwendig sind, um die Funktion zu erreichen. Weiters sind verhältnismäßig große Krümmer- und Sammlervolumen im Arbeitsgasweg erforderlich sind, die als schädliche Totvolumen fungieren.
Alle bisher betrachteten Motorversionen haben den gemeinsamen Nachteil, daß die drehmomenterzeugenden Kräfte der Arbeitskolben einen ungünstigen maschineninternen Verlauf nehmen. Die Kraft eines Arbeitskolbens wird über die Kolbenstange und das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen. Sie schließt sich über die Hauptlager der Kurbelwelle, das Kurbelgehäuse und den Zylinder wieder mit der Kraftquelle, dem Gasdruck. Solche Kraftverläufe erfordern grundsätzlich äußerst stabile und verwindungssteife Bauelemente, z.B. Kurbelwelle, Hauptlager und Kurbelgehäuse.
Weitere Bauformen von Stirling Maschinen sind solche mit Rotationskolben oder Lamellenverdichter/-motoren sowie Ausführungen von Freikolbenmotoren. Wegen der großen Distanz zur erfindungsgemäßen Einrichtung wird darauf nicht näher eingegangen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Stirlingmaschine der eingangs genannten Art, die sich durch eine einfache Bauform auszeichnet und hohe Betriebssicherheit und günstigen Wirkungsgrad sowie ein homogenes Betriebsverhalten aufweist.
Die folgende Beschreibung der Erfindung ist der Einfachheit wegen auf den Stirlingmotor ausgerichtet, obwohl sie gleichermaßen bei Stirling-Kältemaschinen angewandt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer Maschine der eingangs genannten Art prinzipiell dadurch gelöst, daß jeder Kolben einen durch seine Hübe veränderlichen Raum für das Arbeitsgas zwischen ihm und dem jeweiligen Zylinderende bildet und daß diese Räume gegen den Raum zwischen den Kolben abgedichtet sind.
Die erfindungsgemäße Ausbildung einer Stirlingmaschine vermeidet eine Reihe von Nachteilen der aufgezeichneten Ausführungsvarianten, verbindet andererseits aber Vorteile einzelner Bauweisen. Es handelt sich also um eine äußerst einfache Konstruktion mit einem dem Beta-Typ ähnlichen Zylinder, bei dem die Kolbenstangen an der kalten Seite durchgeführt sind. Beide Kolben bewegen sich in der beim Beta-Typ bekannten Weise, nämlich phasenverschoben um einen etwa 90 Grad betragenden Kurbelwinkel. Der wesentliche Unterschied zu einer Stirlingmaschine des Typs Beta ist der, daß statt des Verdrängers ein Expansionskolben angeordnet ist. Der Arbeitsprozess ist gleich wie bei einer Zweikolben-Maschine des Alpha-Typs. Bezeichnend bei der erfindungsgemäßen Ausbildung ist aber, daß nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Kompressionskolben dem Expansionskolben um den Phasenwinkel voreilt.
In Weiterbildung der Erfindung wird der Raum zwischen den Kolben als Pufferraum benützt.
Dafür sind nach einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung die Kolben topfförmig ausgebildet und weisen unterschiedliche Durchmesser auf, wobei der im Durchmesser kleinere Kolben an der Innenseite der größen Kolbens abdichtet. Meist wird der Expansionskolben den größeren Durchmesser aufweisen und länger ausgebildet sein als der Kompressionskolben. Es ist im wesentlichen nur eine funktionelle dynamische Kolbendichtung erforderlich.
Innerhalb der beiden Kolben befindet sich der schon oben erwähnte Pufferraum für die Kompressions- und Expansionsphase des Prozesses. Den größten Anteil des Puffervolumens nimmt der Raum innerhalb des Expansionskolbens ein, da dieser Kolben vorteilhaft relativ lang ausgebildet ist, um die hohe Temperatur des Expansionsraumes bis hin zum kalten Kompressionsraum abbauen zu können und damit die Wärmeverluste klein zu halten. Der gesamte Pufferraum nimmt einen mittleren Druck ein, der gewöhnlich identisch ist mit dem Ladedruck der Maschine. Ein weiterer Pufferraum erübrigt sich.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung sind beide Kolben mit dem gleichen Durchmesser ausgestattet. Sie gleiten entlang der kalten Oberfläche des Zylinders und dichten dort ab. Hier zeigt sich der Vorteil gegenüber bekannten Ausführungen besonders dadurch, daß keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen, um die Zylinderlauffläche im Hinblick auf eine lange Lebensdauer der Gleitflächen und der Kolbenringe zu kühlen. Im Bereich dieser Lauffläche befindet sich ohnedies der Kühler - Wärmetauscher und es erübrigt sich, zusätzliche Kühlräume für die Zylinderkühlung zu schaffen.
Die Unterbringung der beiden Kolben innerhalb eines Zylinders bei gleichzeitiger Nutzung des zwischen den hohlen Kolben entstehenden Pufferraumes erwirkt an sich schon eine deutliche Raum- und Kostenersparnis gegenüber Alpha- oder Beta- oder Gamma-Maschinentypen. Wie bei bekannten Maschinenausführungen auch, bietet sich darüber hinaus an, daß lediglich der Zylinder unter den für Leistungsanwendungen erforderlichen hohen Ladedruck gesetzt wird. In diesem Fall ist eine Abdichtung der Kolbenstangen zueinander und der Kompressionskolbenstange gegen die Zylinderführungsbuchse erforderlich. Bauartbedingt können die beiden Dichtstellen mit langen Führungsbuchsen ausgestattet werden, die eine Unterbringung von qualitativ hochwertigen Dichtungen erleichtern.
Optional ist die erfindungsgemäße Einrichtung auch mit einem, dem Stand der Technik entsprechenden druckbeaufschlagten Getriebegehäuse anwendbar. Dabei müssen die Kolbenstangendichtungen lediglich die Differenzdrücke zwischen Arbeits- und Ladedruck aufnehmen und es ist eine rotierende Dichtung für die nach außen führende Kurbelwelle erforderlich. Solche Dichtungen stehen in gasdichter Ausführung auf dem Markt zur Verfügung. Darüber hinaus ist bei der Anwendung als Generatorantrieb die bekannte Anordnung mit im Druckraum befindlichen Generator möglich.
Unabhängig davon, wie die Erfindung hinsichtlich der Ladedruckräume ausgebildet wird, stellt sich ein weiterer deutlicher, durch die Bauart bedingter Vorteil ein. Die Kräfte der beiden Kolben sind immer gleich bzw. entgegengesetzt gerichtet. Dieser Umstand kann vereinfacht daraus abgeleitet werden, daß der Gasdruck in der heißen Zylinderseite und in der kalten Zylinderseite jeweils gleich ist und daß der Druck in den Zylinderseiten während einer Umdrehung entsprechend dem Verhalten des Stirling-Prozesses zwischen zwei Umkehrpunkten schwankt. Der Druck in den Zylinderseiten ist entweder größer, gleich oder kleiner als der Druck im Pufferraum innerhalb der Kolben. In der Phase, bei der der Zylinderdruck gegenüber dem Pufferdruck überwiegt, wirken die Kolbenkräfte in Richtung zueinander und umgekehrt, wenn der Pufferdruck gegenüber dem Zylinderdruck überwiegt. Die Kräfte, die auf den Zylinder wirken, heben sich innerhalb von diesem auf. Nach außen werden lediglich die immer entgegengesetzt wirkenden Kolbenkräfte über die Kolbenstangen geleitet. Diese Kräfte schließen sich z. B. bei Verwendung eines Kurbelgetriebes als Triebwerk über die Pleuel und Hubzapfen der Kurbelwelle kurz und üben theoretisch keine Kräfte auf die Hauptlager der Kurbelwelle und auf das Kurbelgehäuse aus.
Praktisch verbleiben Restkräfte, die durch die aus dem Zylinder führenden Flächen der Kolbenstangen verursacht werden sowie Massenkräfte, die ebenso von den Hauptlagern abgefangen werden müssen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen
Fig. 1
in stark schematisierter, vereinfachter Darstellungsweise eine erfindungsgemäße Maschine im Schnitt durch Kolben und Zylinder bei der Verwendung von zwei ineinanderlaufenden Kolben unterschiedlichen Durchmessers,
Fig. 2
in der Fig. 1 entsprechender Darstellungsweise eine Maschine mit Kolben gleichen Durchmessers, die entlang der kalten Seite des Zylinder gleiten und
Fig. 3
eine Ausführungsvariante zu Fig. 2 mit einer anderen Kolbenstangenführung.
In Fig. 1 ist der Zylinder 1 als geschlossenes Gefäß dargestellt, das lediglich durch die Kolbenstangenführung 9 nach außen durchbrochen ist. Der Zylinder 1 besteht aus einer kalten Seite 11 und der heißen Seite 12. Die beiden Räume 11, 12 sind durch einen Kühler 2, einen Regenerator 3 und einen Erhitzer 4 verbunden. Sowohl der Erhitzer 4 als auch der Kühler 2 sind beispielhaft als Röhrenwärmetauscher in der Form gezeichnet, daß der Kühler 2 mit Flüssigkeit gekühlt wird und dem Erhitzer 4 Heißgase in einer nicht näher ausgeführten Form zugeführt werden. Sowohl der Kühler 2 als auch der Erhitzer 4 können auch anders ausgebildet sein, beispielsweise mit feinen Rippen oder Fächern.
Innerhalb der heißen Seite 12 des Zylinders 1 befindet sich ein Expansionskolben 5, der mit einer Kolbenstange 6 verbunden ist, die nach außen zu einem Kurbeltrieb 10 führt. Innerhalb der kalten Zylinderseite befindet sich ein Kompressionskolben 7, der nach Fig. 1 und 2 an einer hohlen Kolbenstange 8 befestigt ist, die über Pleuel zum Kurbeltrieb 10 führt.
Die Darstellung zeigt, daß der Expansionskolben 5 und der Kompressionskolben 7 topfförmig ausgebildet sind. Nach Fig. 1 weist der Expansionskolben 5 einen größeren Durchmesser auf als der Kompressionskolben und letzterer dichtet an der Innenwand des Expansionskolbens 5 ab. Eine Kolbendichtung 14 übernimmt als einzige Arbeitsdichtung die Trennung zwischen den Zylinderräumen 11, 12 und dem Pufferraum 16. Der Expansionskolben 5 trägt an seinem unteren Ende ebenfalls eine Dichtung 15, die eine Trennung der heißen Zylinderseite 12 von der kalten Zylinderseite 11 bewirkt. An diese Dichtung sind keine hohen Anforderungen gestellt, da sie lediglich die Druckdifferenz, verursacht durch Strömungswiderstände in den Wärmetauschern 2, 3, 4, abzudichten hat.
Der Kühler 2 ist vorteilhaft derartig ausgebildet, daß das Kühlwasser in einem Mantel um die kalte Seite 11 des Zylinders 1 geführt wird, worin sowohl der Kühler 2 als auch die Zylinderwand der kalten Zylinderseite 11 umströmt und gekühlt wird. Auf Grund der Wärmeübertragung ist für die Dichtungen 15 und 14 ein verhältnismäßig kühler Betrieb möglich, was die Verwendung von Kunststoffen als Kolbendichtungen ermöglicht. Zusätzlich sorgen Abschirmbleche 13 dafür, daß die hohe Temperatur, die auf die obere Seite des Expansionskolben 5 wirkt, nicht an die Innenseite des Kompressionskolbens 7 gelangt.
Die Kolbenstangen 6, 8 sind über Pleuel an die Kurbelwelle 10 des Kurbeltriebes angelenkt. Um eine symmetrische Kraftübertragung zu erreichen, ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 die hier für die Durchführung der Kolbenstange 6 rohrförmig ausgebildete Kolbenstange 8 des Kompressionszylinders 7 mittels zweier Pleuel an zwei Kurbelzapfen der Kurbelwelle 10 angelenkt. Nach Fig. 3 sind für den Kompressionskolben 7 zwei diagonal mit gleichem Mittelabstand angeordnete, abgedichtet durch 9a herausgeführte Kolbenstangen 8 vorhanden.
Die Kurbelzapfen für den Kompressionszylinder 7 sind gegenüber dem Kurbelzapfen für den Expansionszylinder 5 um ca. 90 Grad in Drehkreis versetzt. Das Bild links von der Kurbelwelle 10 zeigt schematisch die Ansicht der Kurbelwelle 10 von der linken Seite. Bezogen auf die Drehrichtung 17 ist ersichtlich, daß der Kurbelzapfen 7a für den Kompressionskolben 7 dem Kurbelzapfen 5a für den Expansionskolben 5 um 90 Grad voreilt. Die Wahl einer Kurbelwelle 10 mit drei Kurbelzapfen als Getriebe für die erfindungsgemäße Einrichtung ist lediglich beispielhaft und der funktionellen Erläuterung dienlich. Es eignen sich genausogut andere dem Stand der Technik entsprechende Konstruktionen, wie z.B. ein Rhombentriebwerk wie in der WO 99/04152 beschrieben oder Triebwerke wie sie in der DE 19722036 A1, DE 19616256 A1, WO 99/04153 A erläutert sind.
Die Abwicklung des Stirling-Prozesses wird nun in 90-Grad Drehschritten der Kurbelwelle 10 erläutert. Die gezeichnete Ausgangslage sei mit "0" bezeichnet, die weiteren Stellungen übereinstimmend mit den Drehwinkeln "90", "180" und "270" definiert. Bei Betrachtung der Kurbelzapfen 5a, 7a in Verbindung mit der Drehrichtung 17 ist erkennbar, daß sich in diesem Augenblick beide Kolben 5, 7 nach unten bewegen. Dabei wird das Arbeitsgas in die heiße Zylinderseite 12 geschoben und Wärme zugeführt. Der Druck im Zylinder 1 erhöht sich. In der Stellung "90" findet die Expansion statt. Beide Kolben 5, 7 bewegen sich zueinander und verrichten Arbeit. In der Stellung "180" bewegen sich beide Kolben 5, 7 nach oben, das Arbeitsgas wird in die kalte Zylinderseite 11 geschoben, dabei wird Wärme abgeführt. Schließlich ist in der Stellung "270" nachvollziehbar, daß sich beide Kolben 5, 7 auseinander bewegen, es findet die Verdichtung statt.
Die geschilderten Prozeßschritte sind identisch mit jenen, wie sie sich in einer Stirling Maschine des Typs Alpha abwickeln.
Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Gedankens ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Da die grundsätzliche Wirkungsweise völlig identisch ist mit jener von Fig. 1, wird in der folgenden Beschreibung Fig. 2 lediglich auf den ausgeführten Unterschied zu Fig. 1 eingegangen.
Der Kompressionskolben 7 und der Expansionskolben 5 haben die gleichen Durchmesser und gleiten hintereinander entlang der inneren Oberfläche der kalten Zylinderseite 11 des Zylinders 1. Vorteilhaft wird die kalte Zylinderseite 11 in ihrer Länge so bemessen, daß beide Kolbendichtungen 14,15 entlang ihrer Hübe den kalten Zylinderbereich nicht verlassen. Der Expansionskolben 5 ist an seiner Unterseite offen. Sein inneres Volumen bildet zusammen mit dem Volumen oberhalb des Kompressionszylinders 7 den Pufferraum 16. Die relativ lange Bauart des Expansionskolbens 5 sorgt neben der Bildung eines ausreichenden Pufferraumes 16 dafür, daß genügend Abstand und Abschirmung zwischen der heißen Zylinderseite 12 und der kalten Zylinderseite 11 vorhanden ist.

Claims (7)

  1. Stirlingmaschine, arbeitend als Zweikolbenmaschine, bestehend aus einem allseitig gegen die Umgebung verschlossenen Zylinder (1) dessen Enden eine außerhalb des Zylinders (1) geführte Verbindung über einen Kühler (2), einem Regenerator (3) und einem Erhitzer (4) für das Arbeitsgas aufweisen und eine kalte und eine heiße Zylinderseite (11, 12) bilden, in dessen Innenraum sich ein Kompressionskolben (7) auf der kalten Zylinderseite (11) und ein Expansionskolben (5) auf der heißen Zylinderseite (12) auf einer gemeinsamen Achse befinden, die über Kolbenstangen (6, 8) mit einem außerhalb des Zylinders (1) liegenden Triebwerk (10) verbunden sind und zueinander phasenverschoben angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (5,7) einen durch seine Hübe veränderlichen Raum für das Arbeitsgas zwischen ihm und dem jeweiligen Zylinderende bildet und daß diese Räume (11,12) gegen den Raum (16) zwischen den Kolben abgedichtet sind.
  2. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangendurchführung (9) an der kalten Seite (11) des Zylinders (1) angebracht ist.
  3. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Kolben (5,7) als Pufferraum (16) benützt wird.
  4. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (5,7) topfförmig ausgebildet sind und unterschiedliche Durchmesser aufweisen und daß der im Durchmesser kleinere Kolben an der Innenseite des größeren Kolbens abdichtet (14)
  5. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, 2 und , dadurch gekennzeichnet, daß beide Kolben (5,7) den gleichen Durchmesser aufweisen und entlang der kalten Innenseite (11) des Zylinders (1) gleiten und abdichten
  6. Stirlingmaschine nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (7) dem Expansionskolben (5) bezogen auf den Drehsinn (17) um etwa 90 Grad voreilt.
  7. Stirlingmaschine nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung als Kältemaschine nach dem Stirling-Prinzip erfolgt.
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