EP2435684A1

EP2435684A1 - Stirlingmotoranordnung

Info

Publication number: EP2435684A1
Application number: EP10721713A
Authority: EP
Inventors: Günther Schliebe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2012-04-04
Also published as: DE102009023024A1; US20120137671A1; WO2010136143A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stirlingmotoranordnung mit einem Grundkörper (2), dem mehrere Kolbenpaare zugeordnet sind, die jeweils einen Arbeitskolben (29) und einen Verdrängerkolben (30) umfassen; sowie mit einer am Grundkörper (2) angeordneten Getriebeeinrichtung zur Kopplung der linearbeweglichen Arbeitskolben (29) mit einer drehbar gelagerten Abtriebswelle (3), deren Rotationsachse (6) quer zur Bewegungsrichtung der Kolbenpaare (29, 30) ausgerichtet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Getriebeeinrichtung als Planetengetriebe ausgebildet ist, bei dem mehrere Planetenräder (42) drehbar an einem mit der Abtriebswelle (3) gekoppelten Sonnenrad angeordnet sind und für eine Abwälzbewegung an einem das Sonnenrad umgebenden Hohlrad (11) ausgebildet sind, wobei die Planetenräder (42) auf zueinander parallelen und parallel zur Abtriebswelle (3) ausgerichteten Planetenwellen (4) angeordnet sind, die jeweils eine zur Anlage an einem zugeordneten Arbeitskolben (29) ausgebildete Nockeneinrichtung (19) tragen.

Description

Stirlingmotoranordnung

Die Erfindung betrifft eine Stirlingmotoranordnung mit einem Grundkörper, dem mehrere Kolbenpaare zugeordnet sind, die jeweils einen Arbeitskolben und einen Verdrängerkolben umfassen, wobei der Arbeitskolben linearbeweglich in einem Zylinder aufgenommen ist und mit dem Zylinder einen größenvariablen

Arbeitsraum bestimmt und der Verdrängerkolben linearbeweglich in einem Zylinder aufgenommen ist und mit dem Zylinder einen größenvariablen Verdrängerraum bestimmt, der kommunizierend mit dem Arbeitsraum verbunden ist, wobei Mittelachsen benachbarter Zylinder einen spitzen Winkel einschließen; sowie mit einer am Grundkörper angeordneten Getriebeeinrichtung zur Kopplung der linearbeweglichen Arbeitskolben mit einer drehbar gelagerten Abtriebswelle, deren Rotationsachse quer zur Bewegungsrichtung der Kolbenpaare ausgerichtet ist .

Mit Hilfe einer derartigen Stirlingmotoranordnung kann bereitgestellte thermische Energie in Form von Wärmeenergie mit einem hohen Wirkungsgrad in Bewegungsenergie, beispielsweise zum Antreiben eines elektrischen Generators, gewandelt werden. Zum Betreiben der Stirlingmotoranordnung ist lediglich eine Tem- peraturdifferenz, beispielsweise zwischen der Temperatur eines Wärmeträgerfluids und der Temperatur eines Kühlfluids notwendig, um die Bewegungsenergie zu erzeugen: Die Wärmeenergie kann beispielsweise durch Verbrennung eines Primärenergieträgers oder durch Sonnenenergie oder Erdwärme bereitgestellt werden. Für einen vorteilhaften Wirkungsgrad der Umsetzung thermischer Energie in Bewegungsenergie sind die Anordnung der Arbeitskolben und Verdrängerkolben sowie deren kinematische Verknüpfung mit einer Abtriebswelle von Bedeutung. In der Regel findet in der Stirlingmotoranordnung eine Wandlung der linearen Bewegung des Arbeitskolbens in eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle statt

Bei einem aus der DE 10 2004 059 928 Al bekannten

Stirling-Sternmotor wird die Linearbewegung zwischen den jeweils strahlenförmig nach außen ausgerichteten Arbeitskolben und einer drehbar gelagerten, mehrfach gekröpften Kurbelwelle durch beweglich an den Arbeitskolben und an der Kurbelwelle gelagerten Pleuelstangen übertragen. Hierbei müssen durch die rotatorischen Relativbewegungen der Pleuelstangen gegenüber dem Arbeitskolben und gegenüber der Kurbelwelle gewisse Reibungsverluste in Kauf genommen werden, die den GesamtWirkungsgrad der bekannten Stirlingmotoranordnung beeinträchtigen.

Aus der DE 196 16 256 Al ist ein Stirlingmotorgetriebe bekannt, bei dem die Wandlung der Linearbewegung des Arbeitskolbens in eine Rotationsbewegung der Abtriebswelle mittels einer Doppelexzenterscheibe vorgenommen wird. An der Doppelexzenterscheibe greifen sowohl ein Arbeitskolbenpleuel als auch ein Verdrängerkolbenpleuel an. Auch bei dieser Anordnung treten reibungsbedingte Verluste auf Grund der Schwenkbewegungen zwischen Arbeitskolben, Verdrängerkolben, zugeordneten Pleueln und der Abtriebswelle auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine

Stirlingmotoranordnung bereitzustellen, die eine Umsetzung der Linearbewegung des Arbeitskolbens in die Rotationsbewegung der Abtriebswelle mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht. Diese Aufgabe wird für eine Stirlingmotoranordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Dabei ist vorgesehen, dass die Getriebeeinrichtung als Planetengetriebe ausgebildet ist, bei dem mehrere Planetenräder drehbar an einem mit der Abtriebswelle gekoppelten Sonnenrad angeordnet sind und für eine Abwälzbewegung an einem das Sonnenrad umgebenden Hohlrad ausgebildet sind, wobei die Planetenräder auf zueinander parallelen und parallel zur Abtriebswelle ausgerichteten Planetenwellen angeordnet sind, die jeweils eine zur Anlage an einem zugeordneten Arbeitskolben ausgebildete Nockeneinrichtung tragen, die zur Umsetzung einer Linearbewegung des Arbeitskolbens in eine Rotationsbewegung der zugeordneten Planetenwelle und des damit gekoppelten Sonnenrads ausgebildet sind.

Hierbei sind die Planetenräder, die zugehörigen Nockenein- richtungen, das Sonnenrad und das Hohlrad derart aufeinander abgestimmt, dass eine Relativbewegung zwischen dem Arbeitskolben und der Nockeneinrichtung als, vorzugsweise schlupffreie, Abwälzbewegung stattfindet. Durch die Gestaltung der Kraftübertragung zwischen Arbeitskolben und Nockeneinrichtung als Abwälzbewegung wird ein hoher Wirkungsgrad zwischen der vom

Arbeitskolben bereitgestellten Kraft und dem dadurch an der Abtriebswelle bewirkten Drehmoment erzielt. Reibungsbehaftete Relativbewegungen bei der Übertragung der Kraft vom Arbeits- kolben auf die Abtriebswelle, wie sie bei schwenkbeweglich zueinander gelagerten Kolben-/Pleuelanordnungen vorliegen, können bei geeigneter Gestaltung der Arbeitskolben und der Nockeneinrichtungen zumindest nahezu vollständig vermieden werden. Vorzugsweise ist die Nockeneinrichtung derart ausgebildet, dass sie im Rahmen der Planetenbewegung um das Sonnenrad, bei der es sich um die Überlagerung zweier Rotationsbewegungen handelt, im Wesentlichen eine sinusartige Bewegung des Arbeitskolbens hervorruft. Gegebenenfalls wird durch geeignete Modifikation der Geometrie der Nockeneinrichtung eine be- reichsweise Abweichung von einer sinusartigen Bewegung des Arbeitskolbens hervorgerufen, um den Wirkungsgrad des Stirling-Kreisprozesses zu erhöhen. Diese Möglichkeit zur Änderung der Bewegung des Arbeitskolbens durch Anpassung der Geometrie der Nockeneinrichtung ist neben der Reibungsverminderung ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stirlingmotoranordnung gegenüber einer Kopplung des Arbeitskolbens und der Abtriebswelle mittels Pleuelstangen, die keine derartige Bewegungsanpassung ermöglicht.

Durch die Ausgestaltung der Getriebeeinrichtung als Planetengetriebe, bei dem die Planetenwellen im Hohlrad umlaufend angeordnet sind, lässt sich die gewünschte Abwälzbewegung zwischen Arbeitskolben und Nockeneinrichtung bevorzugt bei einer mit mehreren Kolbenpaaren ausgerüsteten Stirlingmotoranordnung vorteilhaft verwirklichen. Zudem wird durch die Krafteinwirkung der Arbeitskolben auf die jeweils zugeordnete Nockeneinrichtung und die rotatorische Relativbewegung zwischen den Planetenrädern und dem mit der Abtriebswelle gekoppelten Sonnenrad eine Untersetzung der Bewegung der Antriebskolben bewirkt. Somit kann die Stirlingmotoranordnung für unterschiedliche Anwendungen direkt ohne nachgeschaltetes und den Wirkungsgrad verschlechterndes Reduktionsgetriebe eingesetzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zweckmäßig ist es, wenn die Planetenwellen in gleicher Winkelteilung drehbar am Umfang des Sonnenrads gelagert sind und jeweils ein Planetenrad tragen, das an einem Umfangsbereich, insbesondere am Außenumfang, für einen Verzahnungseingriff in das Hohlrad ausgebildet ist. Durch die Anordnung der Plane- tenwellen in gleicher Winkelteilung am Umfang des Sonnenrads ist sicherσestellt - dθ.ss die BeweQuncjen der vorzugsweise sternformicj in gleicher Winkelteilung angeordneten Arbeitskolben in synchronisierter Weise auf die Abtriebswelle übertragen werden können. Die drehbare Lagerung der Planetenwellen am Umfang des Sonnenrads kann mit Hilfe geeigneter Lagermittel, beispielsweise Kugel- oder Nadellager, verwirklicht werden. Alternativ ist das Sonnenrad mit einer außen umlaufenden Verzahnung versehen, die gegenüberliegend zur Innenverzahnung des Hohlrads angeordnet ist. Hierbei überbrücken die Planetenräder einen zwischen Sonnenrad und Hohlrad ausgebildeten Ringspalt und greifen dabei sowohl in die Verzahnung des Sonnenrads als auch in die Verzahnung des Hohlrads kraftübertragend ein.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die kommunizierende Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem Verdrängerraum, die insbesondere als Rohrleitung ausgebildet ist, eine Regeneratoreinrichtung zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie kommunizierend eingeschleift ist. Der Regeneratoreinrichtung kommt die Aufgabe zu, die in dem vom Arbeitskolben verdrängten Fluid enthaltene Wärmeenergie zeitweilig zwischenzuspeichern und bei einem Fluidstrom vom Verdrängerkolben zum Arbeitskolben wieder an das Fluid abzugeben, wodurch ein verbesserter Wirkungsgrad der Stirlingmotoranordnung erzielt werden kann.

Bevorzugt sind Mittelachsen der Arbeitskolben in einer gemeinsamen Arbeitskolbenebene angeordnet, die quer zur Rota- tionsachse der Abtriebswelle ausgerichtet ist und Mittelachsen der Verdrängerkolben sind in einer gemeinsamen Verdrängerkolbenebene angeordnet, die parallel beabstandet zur Arbeitskolbenebene angeordnet ist. Somit finden die linearen Bewegungen der Arbeitskolben in einer ersten Ebene statt, während die linearen Bewegungen der Verdrängerkolben in einer zweiten

Ebene stattfinden, die parallel beabstandet zur ersten Ebene axiyeυrdneL ist. Durch diese räumliche Auftrennung zwischen den Arbeitskolben und den Verdrängerkolben kann eine vorteilhafte Wärmezufuhr zu den Arbeitskolben und eine vorteilhafte Wärmeabfuhr von den Verdrängerkolben vorgesehen werden.

Vorteilhaft ist es, wenn jede Planetenwelle jeweils eine erste Nockeneinrichtung trägt, die dem Arbeitskolben zugeordnet ist und eine dazu längs der Rotationsachse beabstandet angeordnete, zweite Nockeneinrichtung trägt, die dem Verdrängerkolben zugeordnet ist, wobei die Nockeneinrichtungen für eine zumindest bereichsweise Bewegungskopplung zwischen dem Arbeitskolben und dem Verdrängerkolben einer Kolbengruppe ausgebildet sind. Der Nockeneinrichtung für den Arbeitskolben kommt einerseits die Aufgabe zu, den Arbeitskolben aus einer unteren Totpunktstellung in Richtung einer oberen Totpunktstellung der linearen Bewegung zu bewegen und andererseits ausgehend von der oberen Tot- punktstellung die bei der Expansion des zwischen Arbeitskolben und Verdrängerkolben oszillierenden Fluids auftretende Arbeit auf die Abtriebswelle zu übertragen. Der Nockeneinrichtung für den Verdrängerkolben kommt die Aufgabe zu, das zeitweilig im Verdrängerraum befindliche Fluid durch entsprechende Bewegung der Verdrängerkolbens in Richtung des Arbeitsraums zu verdrängen .

Zweckmäßig ist es, wenn die Arbeitskolben und/oder die Verdrängerkolben in gleicher Winkelteilung um das Sonnenrad angeordnet sind. Hierdurch wird die Synchronisierung der Be- wegung der Getriebeeinrichtung zwischen den einzelnen Kolbenpaaren vereinfacht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl, die Anordnung und die Zykluszeiten für die Kolbenpaare derart gewählt sind, dass auf die Abtriebswelle der Stirlingmotoranordnung stets ein im Wesentlichen gleichblei- bendes Drehmoment ausgeübt wird. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Arbeitskolben eines Kolbenpaars in einem Arbeitszylinder aufgenommen, der als einseitig geschlossene Hülse ausgebildet und bereichsweise im Grundkörper aufgenommen ist. Vorzugsweise ist der Arbeitszylinder auswechselbar am Grundkörper angebracht, so dass im Reparaturfall ein einfacher Austausch einzelner Arbeitszylinder vorgenommen werden kann. Sowohl der Grundkörper als auch der Arbeitszylinder können als einfache Bauteile gestaltet werden, die zu günstigen Herstellungskosten beziehbar sind. Vorzugsweise ist der Arbeitszylinder mit einer entsprechenden Gewindeeinrichtung unmittelbar in den Grundkörper eingeschraubt oder durch eine separate Haltevorrichtung ortsfest und lösbar mit dem Grundkörper verbunden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein über den Grundkδrper radial nach außen abragender Abschnitt des Arbeitszylinders in einem fluiddurchströmbaren Gehäuse aufgenommen ist und/oder dass der Grundkörper im Bereich des Arbeitszylinders von einem Strömungskanal für ein Fluid durchsetzt ist. Für eine effiziente Wärmezufuhr zu den Ar- beitszylindern ist ein Fluidraum vorgesehen, der den Grundkörper bereichsweise, insbesondere abdichtend, umgibt und in den die Arbeitszylinder hineinragen. Der Fluidraum wird von einem als Wärmeübertragungsmedium dienenden Fluid, beispielsweise Flüssigkeit oder Heißdampf oder Heißgas, durchströmt, das von einer Wärmequelle erwärmt wird und die Wärme an die Arbeitszylinder abgibt . Vorzugsweise sind sämtliche Arbeitszylinder der Stirlingmotoranordnung im gleichen Fluidraum aufgenommen, wodurch eine gleichmäßige und somit effiziente Wärmeversorgung der Arbeitszylinder gewährleistet werden kann.

Zweckmäßig ist es, wenn der Verdrängerkolben eines Kolbenpaars in einem Verdrängerzylinder aufgenommen ist, der als einseitig geschlossene Hülse ausgebildet ist und bereichsweise im Grundkörper aufgenommen ist .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein über den Grundkörper radial nach außen abragender Abschnitt des VerdrängerZylinders in einem fluiddurchströmbaren Gehäuse aufgenommen und/oder der Grundkörper ist im Bereich des Verdrängerzylinders von einem Strömungskanal für ein Fluid durchsetzt. Hierdurch wird ein Fluidraum für ein Kühlfluid, beispielsweise für eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas, bereitgestellt. Das Kühlfluid ermöglicht eine effektive Kühlung der Außenhaut des Verdrängerzylinders und somit eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem Arbeitsfluid, das zwischen dem Arbeitsraum und dem Verdrängerraum oszilliert.

Zweckmäßig ist es, wenn eine Mittelachse eines Verdrängerzylinders einen spitzen Winkel mit der Mittelachse des zugeordneten Arbeitszylinders einschließt. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise die für den oszillierenden Fluidaustausch zwischen Arbeitsraum und Verdrängerraum notwendige Phasenverschiebung für die linearen Bewegungen des Arbeitskolbens und des Verdrängerkolbens mittels der auf der Planetenwelle angeordneten Nockeneinrichtungen erzielen.

Bevorzugt weist der Grundkörper einen ersten Grundkörperabschnitt zur Aufnahme der Arbeitszylinder und einen längs der Rotationsachse benachbart angeordneten zweiten Grundkörper- abschnitt auf, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten

Grundkörperabschnitt ein, vorzugsweise mit einem Isolationsmaterial ausgefüllter, Isolationsspalt ausgebildet ist. Mit einer derartigen Auftrennung des Grundkörpers in zwei Grundkörperabschnitte kann ein unerwünschter Wärmeübergang zwischen den Arbeitszylindern und den VerdrängerZylindern vermieden werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad für die Stirlingmotoranordnung erhöht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Isolationsspalt zwischen den Grundkörperabschnitten mit einem Isolationsmaterial ausgefüllt ist, das auch eine Strahlungswärmeübertragung zwischen den beiden Grundkörper- abschnitten unterbindet.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Mittelachsen der Arbeitskolben und Mittelachsen der Verdrängerkolben in einer gemeinsamen Bewegungsebene angeordnet sind, die quer zu einer Rotationsachse der Abtriebswelle ausgerichtet ist. Hierdurch kann eine Stirlingmotoranordnung mit einer längs der Rotationsachse geringen Ausdehnung verwirklicht werden, da sämtliche Kolben in der gleichen Bewegungsebene angeordnet sind.

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung sind benachbarte Kolbenpaare jeweils mit den Arbeitskolben oder mit den

Verdrängerkolben zueinander benachbart. Hierdurch kann eine vorteilhafte Wärmezufuhr an die Arbeitskolben und/oder eine vorteilhafte Wärmeabfuhr von den Verdrängerkolben erreicht werden, da jeweils zwei Kolben der entsprechenden Type von einem gemeinsamen Fluidraum umfasst sein können.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:

Figur 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Stirlingmotoranordnung,

Figur 2 eine Vorderansicht der Stirlingmotoranordnung gemäß Figur 1, Figur 3a eine schematische Darstellung einer Getriebeeinrichtung der Stirlingmotoranordnung in einer ersten Funktionsstellung und

Figur 3b die schematische Darstellung der Getriebeeinrichtung gemäß der Figur 3a in einer zweiten Funktionsstellung.

Eine Stirlingmotoranordnung 1 gemäß den Figuren 1 und 2 umfasst einen exemplarisch als regelmäßiges Vieleck ausgeführten, zweigeteilten Grundkörper 2, eine Abtriebswelle 3 und drehbar an der Abtriebswelle 3 gelagerte Planetenwellen 4.

Der Grundkörper 2 ist von einer Getriebeausnehmung 5 durchsetzt, die zur Aufnahme der Abtriebswelle 3 und der daran drehbar gelagerten Planetenwellen 4 vorgesehen ist und die sich längs einer Mittelachse 6 der Abtriebswelle 3 erstreckt . Quer zur Mittelachse 6 sind im Grundkörper 2 in gleicher Teilung radial erstreckte Zylinderbohrungen 7 ausgebildet, die zur Aufnähme von endseitig geschlossenen Zylinderhülsen 8 dienen. Die Zylinderbohrungen 7 sind in zwei nicht näher dargestellten, voneinander beabstandeten Ebenen des aus zwei Grundkörperabschnitten 10, 18 gebildeten Grundkörpers 2 angeordnet.

Ausgehend von einer Stirnseite 9 des ersten Grundkörperabschnitts 10 erstreckt sich in Richtung der Mittelachse 6 ein hülsenförmig ausgebildetes Hohlrad 11, das mit einer Innenverzahnung 14 versehen ist. Das Hohlrad 11 ist drehfest mit dem ersten Grundkörperabschnitt 10 verbunden. Es weist an einem Außenumfang eine zylindrische Oberfläche auf, die zur Aufnahme eines rotationssymmetrisch napfförmig ausgebildeten Lagerschilds 15 vorgesehen ist, das auf das Hohlrad 11 aufgesteckt und mit diesem drehfest verbunden werden kann. Das Lagerschild 15 trägt in einer zentrisch angeordneten Ausnehmung ein exemp- larisch als Kugellager ausgebildetes Drehlager 16 für die Lagerung der Abtriebswelle 3.

An einer der Stirnseite 9 des ersten Grundkörperabschnitts 10 abgewandten Stirnseite 17 des zweiten Grundkörperabschnitts 18 ist ein nicht näher dargestelltes, exemplarisch ebenfalls als Kugellager ausgebildetes Drehlager angeordnet, das die zweite Lagerstelle für die Abtriebswelle 3 bildet.

Die Planetenwelle 4 trägt zwei in Richtung der Mittelachse 6 voneinander beabstandete Nockeneinrichtungen 19 und 20, die drehfest auf der Planetenwelle 4 angeordnet sind und die exemplarisch um 90° versetzt zueinander ausgerichtet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform weisen beide Nockeneinrichtungen 19, 20 in einer senkrecht zur Mittelachse 6 ausgerichteten Querschnittsebene den gleichen, rautenähnlichen Querschnitt auf.

Jede der Planetenwellen 4 ist an jeweils zwei auf die Abtriebswelle 3 aufgesetzten Sonnenscheiben 21, 22 mittels einer exemplarisch als Kugellager ausgeführten Lagereinrichtung 23, 24 drehbeweglich gelagert. Zur Aufnahme der Lagereinrichtungen 23, 24 weisen die Sonnenscheiben 21, 22 jeweils parallel zur

Mittelachse 6 und konzentrisch zueinander ausgerichtete La- gerausnehmungen 27, 28 auf.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind im ersten Grundkörperabschnitt 10 und im zweiten Grundkörperabschnitt 18 jeweils acht Zylinderbohrungen 7 ausgebildet. Die

Stirlingmotoranordnung 1 weist somit insgesamt jeweils acht in der Figur 2 näher dargestellte Arbeitskolben 29 und acht Verdrängerkolben 30 auf, die acht Kolbenpaare bilden. Dabei sind sämtliche Arbeitskolben 29 in dem ersten Grundkörperabschnitt 10 aufgenommen, während sämtliche Verdrängcrkolbεn im zweiten Grundkörperabschnitt 18 aufgenommen sind. Die exemplarisch dargestellten Mittelachsen 31 der Arbeitskolben 29, die senkrecht zur Mittelachse 6 des Grundkörpers 2 ausgerichtet sind, bestimmen eine erste, nicht näher dargestellte Arbeitskol- benebene. Die Mittelachsen 32 der Verdrängerkolben 30, die im zweiten Grundkörperabschnitt 18 senkrecht zur Mittelachse 6 ausgerichtet sind, bestimmten eine zweite, nicht näher dargestellte Verdrängerkolbenebene .

Für eine verbesserte Übersicht ist in der Figur 1 nur eine Kolbenpaarung dargestellt, die einen Arbeitszylinder 35 mit einem darin aufgenommenen, in der Figur 2 näher dargestellten Arbeitskolben 29 und einen Verdrängerzylinder 36 mit einem darin aufgenommenen, in der Figur 2 näher dargestellten Verdrängerkolben 30 umfasst. Weiterhin sind dem Kolbenpaar eine zwischen Arbeitszylinder 35 und Verdrängerzylinder 36 angeordnete Verbindungsleitung 37 und ein kommunizierend mit der Verbindungsleitung 37 gekoppelter Regenerator 38 zugeordnet.

Wie aus der Figur 2 entnommen werden kann, begrenzen der Arbeitskolben 29 und der Arbeitszylinder 35 einen Arbeitsraum 39, während der Verdrängerkolben 30 und der Verdrängerzylinder 36 einen Verdrängerräum 40 begrenzen. Der Arbeitsraum 39 und der Verdrängerraum 40 sind über die Verbindungsleitung 37, in die der Regenerator 38 kommunizierend eingeschleift ist, miteinander verbunden. Somit kann über die Verbindungsleitung 37 ein Fluidaustausch zwischen dem Arbeitsraum 39 und dem

Verdrängerräum 40 stattfinden.

Aus der Figur 2 geht hervor, wie eine Kraftübertragung zwischen Arbeitskolben 29 und Nockeneinrichtung 19 stattfindet. In der Figur 2 befindet sich der Arbeitskolben 29 im oberen Totpunkt und somit am oberen Umkehrpunkt zwischen der linearen Aufwärts- jjöWöCjiincj und der linearen Abwärtsbewegung. In diesem Zustand liegt die radial nach innen gewandte Stirnfläche 41 auf dem Krümmungsscheitelpunkt der rautenartig ausgebildeten Nockeneinrichtung 19 auf. Im Arbeitsraum 39 findet auf Grund der Wärmezufuhr einer nicht dargestellten Wärmequelle eine Expansion des eingeschlossenen Arbeitsfluids statt. Da, wie nachstehend zur Figur 3 näher beschrieben wird, zeitgleich eine Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 30 stattfindet, übt das Arbeitsfluid eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf den Arbeitskolben 29 aus, die über die Stirnfläche 41 auf die Nockeneinrichtung 19 übertragen wird. Aufgrund der drehbaren Lagerung der mit der Nockeneinrichtung 19 gekoppelten Planetenwelle 4 wird hierdurch ein Drehmoment auf die Planetenwelle 4 bewirkt. Durch das Drehmoment findet einerseits Abwälzbewegung des mit der Planetenwelle 4 gekoppelten Planetenrads 42 auf der Innenverzahnung 14 des Hohlrads 11 statt, wodurch eine Verlagerung der Planetenwelle 4 auf einer Kreisbahn um die Mittelachse 6 stattfindet. Andererseits findet eine Abwälzbewegung der Nockeneinrichtung 19 auf der Stirnfläche 41 des Arbeitskolbens 29 statt. Die hierbei auftretende Bewegung der PIa- netenwelle 4 resultiert somit aus einer Überlagerung zweier

Rotationsbewegungen. Ein Drehpunkt der ersten Rotationsbewegung liegt auf der Mittelachse 6 der Abtriebswelle 3, ein Drehpunkt der zweiten Rotationsbewegung liegt auf der Mittelachse 43 der Planetenwelle 4.

Die Mittelachsen 31 der Arbeitskolben 29 sind in gleicher Winkelteilung zueinander angeordnet, gleiches gilt für die Mittelachsen 32 der Verdrängerkolben 30. Die Mittelachsen 31, 32 eines Kolbenpaars aus einem Arbeitskolben 29 und einem Verdrängerkolben 30 schließen in einer Projektionsebene, deren Flächennormale parallel zur Mittelachse 6 ausgerichtet ist, einen spitzen Winkel ein. Dadurch ergibt sich in Kombination mit der versetzten Anordnung der Nockeneinrichtungen 19 und 20 auf der Planetenwelle 4 eine für den Stirlingprozess vorteilhafte Kopplung zwischen den Bewegungsanläufen für den Arbeitskolben 29 und den Verdrängerkolben 30.

Der erste Grundkörperabschnitt 10 kann von einem nicht dargestellten ersten Fluidgehäuse umgeben sein, das zusammen mit dem ersten Grundkörperabschnitt 10 und den ArbeitsZylindern 35 einen geschlossenen Fluidraum ausbildet, durch den ein wärmebeaufschlagtes Wärmeträgerfluid, beispielsweise ein Heizgas oder eine Heizflüssigkeit, hindurchströmen kann und die Arbeitszylinder 35 mit Wärme versorgt . In gleicher Weise kann der zweite Grund- körperabschnitt 18 von einem nicht dargestellten zweiten

Fluidgehäuse abdichtend umgeben sein, das zusammen mit dem zweiten Grundkörperabschnitt und den VerdrängerZylindern einen zweiten Fluidraum bildet, durch den ein Kühlfluid, beispielsweise ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit, hindurchströmt . Hierdurch wird die Kühlung der

Verdrängerzylinder 36 gewährleistet. Durch die Auftrennung des Grundkörpers 2 in zwei Grundkörperabschnitte 10 und 18 wird eine vorteilhafte Separierung zwischen den wärmebeaufschlagten Arbeitszylindern und den kühlungsbeaufschlagten Verdrängerzylindern gewährleistet, woraus ein vorteilhafter Wirkungsgrad für die Stirlingmotoranordnung resultieren kann.

Aus den Figuren 3a und 3b geht in schematischer Weise hervor, wie ein Zusammenwirken der Arbeitskolben 29 mit den Nockeneinrichtungen 19 auf den Planetenwellen 4 in Zusammenwirkung mit dem Hohlrad 11 und den Planetenrädern 42 stattfinden kann. Aus

Vereinfachungsgründen sind bei der Darstellung der Figuren 3a und 3b sämtliche Arbeitskolben 29 und Verdrängerkolben 30 jeweils synchronisiert. Eine derartige Synchronisierung sämtlicher Arbeitskolben 29 und Verdrängerkolben 30 ist nicht zwingend. Alternativ kann beispielsweise vorgesehen sein, dass einander gegenüberliegend angeordnete Arbeitskolben 29 bzw. Verdrängerkolben 30 im Gegenlauf bewegt werden. Aus der Darstellung der Figur 3a geht hervor, dass die Planetenräder 42 mit ihrem Außenumfang jeweils in die nicht näher dargestellte Innenverzahnung 14 des schematisch angedeuteten Hohlrades 11 eingreifen und jeweils drehbar an den Sonnenscheiben 21 der Abtriebswelle 3, die als Sonnenrad dient, gelagert sind. Wie in der Figur 3a durch den Drehrichtungspfeil 44 angegeben ist, dreht sich die Abtriebswelle 3 exemplarisch gegen den Uhrzeigersinn, während sich die Planetenräder 42 auf Grund der Abwälzbewegung am Hohlrad 11 jeweils im Uhrzeigersinn um die jeweilige Planetenwelle 4 drehen. Sämtliche Arbeitskolben 29 sind gemäß der Darstellung der Figur 3a in der Kompressions- Stellung angeordnet, in der der Arbeitsraum minimal ist und in der auf Grund der Wärmezufuhr an den nicht dargestellten Arbeitszylinder eine Expansion des Arbeitsfluids unmittelbar bevorsteht. Bei dieser Expansion des Arbeitsfluids wird der

Arbeitskolben 29 in radialer Richtung nach innen verdrängt und übt dabei eine Druckkraft auf die Nockeneinrichtung 19 aus. Durch die Rotation der Abtriebswelle 3 gegen den Uhrzeigersinn und die damit einhergehende Rotation der Planetenräder 42 im Uhrzei- gersinn wälzen sich die Nockeneinrichtungen 19 auf den

Stirnflächen 41 des Arbeitskolbens 29 ab. Hierdurch wird ausgehend von der dargestellten Stellung der Nockeneinrichtung 19 ein Hebelarm bezogen auf die Planetenwelle 4 bereitgestellt. Die auf diesen Hebelarm einwirkende Druckkraft des Arbeits- kolbens 29 bewirkt ein Drehmoment auf die Planetenwelle 4 und das damit gekoppelte Planetenrad 42. Durch dieses Drehmoment wird eine in Umlaufrichtung wirkende Kraft auf Sonnenscheiben 21 ausgeübt, die in einem Drehmoment auf die Abtriebswelle 3 resultiert. Die Abtriebswelle führt aufgrund dieses Drehmoments eine Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn fort.

Da durch die Abwälzbewegung der Planetenräder 42 am Hohlrad 11 eine Ausweichbewegung der Nockeneinrichtung 19 gegenüber dem linear beweglichen Arbeitskolben 29 stattfindet, kann dieser in radialer Richtung nach innen verschoben werden. Dabei findet eine Abwälzbewegung der Nockeneinrichtung 19 auf der Stirnfläche 41 des Arbeitskolbens 29 bis hin zu der in Figur 3b dargestellten Stellung statt. In der Stellung gemäß Figur 3b befinden sich die Arbeitskolben 29 in der unteren TotpunktStellung, in der für einen kurzen Moment jeweils zwei Nockeneinrichtungen 19 an der Stirnfläche 41 anliegen. Während die eine Nockeneinrichtung 19 anschließend den Berührkontakt zur Stirnfläche 41 verliert, drängt die andere Nockeneinrichtung 19 den Arbeitskolben 29 aus der dargestellten unteren Totpunktstellung wieder radial nach außen in Richtung der oberen Totpunktstellung, wie sie in Figur 3a dargestellt ist.

In der unteren TotpunktStellung des Arbeitskolbens 29 gemäß der Figur 3b ist das Volumen des Arbeitsraums 39 maximal . Zum gleichen Zeitpunkt befindet sich der nur gestrichelt dargestellte

Verdrängerkolben 30 auf Grund der Krafteinwirkung der ebenfalls nur mit gestrichelt dargestellten Nockeneinrichtung 20 in der oberen Totpunktstellung, in der der Verdrängerraum 40 ein minimales Volumen aufweist .

Bei der weiteren Rotation der Abtriebswelle 3 gegen den Uhrzeigersinn wird einerseits durch die fortdauernde Rotation des Planetenrads 42 im Uhrzeigersinn der Arbeitskolben 29 aus der unteren Totpunktposition in Richtung der oberen Totpunktposition verschoben, so dass das Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum in den Verdrängerraum verschoben wird. Auf Grund der Gestaltung der gestrichelt dargestellten Nockeneinrichtung 20 und der Rotation des Planetenrads 42 im Uhrzeigersinn kann der Verdrängerkolben 30 aus der oberen Totpunktstellung in Richtung der unteren TotpunktStellung verschoben werden, wodurch der Verdrängerräum vergrößert wird und das Arbeitsfluid zumindest teilweise im Verdrängerräum abgekühlt werden kann. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben konzentrisch in einem gemeinsamen Zylinder angeordnet und werden beispielsweise durch unterschiedliche Nockeneinrichtungen angesteuert, die in parallel beabstandet zur Mittelachse angeordneten Bewegungsebenen ausgebildet sind und insbesondere direkt aneinander grenzen. Hierdurch kann eine besonders kompakte Gestaltung der Stirlingmotoranordnung erreicht werden.

Claims

Ansprüche

1. Stirlingmotoranordnung mit einem Grundkörper (2) , dem mehrere Kolbenpaare zugeordnet sind, die jeweils einen Arbeitskolben (29) und einen Verdrängerkolben (30) umfassen, wobei der Ar- beitskolben (29) linearbeweglich in einem Zylinder (35) aufgenommen ist und mit dem Zylinder (35) einen größenvariablen Arbeitsraum bestimmt und der Verdrängerkolben (30) linearbeweglich in einem Zylinder (36) aufgenommen ist und mit dem Zylinder (36) einen größenvariablen Verdrängerraum bestimmt , der kommunizierend mit dem Arbeitsraum verbunden ist, wobei Mittelachsen (31, 32) benachbarter Zylinder (35, 36) einen spitzen Winkel einschließen; sowie mit einer am Grundkörper (2) angeordneten Getriebeeinrichtung zur Kopplung der linearbeweglichen Arbeitskolben (29) mit einer drehbar gelagerten Ab- triebswelle (3), deren Rotationsachse (6) quer zur Bewegungsrichtung der Kolbenpaare (29, 30) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung als Planetengetriebe ausgebildet ist, bei dem mehrere Planetenräder (42) drehbar an einem mit der Abtriebswelle (3) gekoppelten Sonnenrad angeordnet sind und für eine Abwälzbewegung an einem das

Sonnenrad umgebenden Hohlrad (11) ausgebildet sind, wobei die Planetenräder (42) auf zueinander parallelen und parallel zur Abtriebswelle (3) ausgerichteten Planetenwellen (4) angeordnet sind, die jeweils eine zur Anlage an einem zugeordneten Ar- beitskolben (29) ausgebildete Nockeneinrichtung (19) tragen, die zur Umsetzung einer Linearbewegung des Arbeitskolbens (29) in eine Rotationsbewegung der zugeordneten Planetenwelle (4) und des damit gekoppelten Sonnenrads ausgebildet sind.

2. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenwellen (4) in gleicher Winkelteilung drehbar am Umfang des Sonnenrads gelagert sind und jeweils ein Planetenrad (42) tragen, das an einem Umfangsbereich, insbe- sondere am Außenumfang, für einen Verzahnungseingriff in das Hohlrad (11) ausgebildet ist.

3. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die kommunizierende Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem Verdrängerraum, die insbesondere als Rohrleitung ausgebildet ist, eine Regeneratoreinrichtung (38) zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie kommunizierend eingeschleift ist.

4. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittelachsen (31) der Arbeitskolben (29) in einer gemeinsamen Arbeitskolbenebene angeordnet sind, die quer zur Rotationsachse (6) der Abtriebswelle (3) ausgerichtet ist, und dass Mittelachsen (32) der Verdrängerkolben (30) in einer gemeinsamen Verdrängerkolbenebene angeordnet sind, die parallel beabstandet zur Arbeitskolbenebene angeordnet ist.

5. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Planetenwelle (4) jeweils eine erste Nockeneinrichtung (19) trägt, die dem Arbeitskolben (29) zugeordnet ist und eine dazu längs der Rotationsachse (6) beabstandet angeordnete, zweite Nockeneinrichtung trägt, die dem Verdrängerkolben (30) zugeordnet ist, wobei die Nockeneinrichtungen (19, 20) für eine zumindest bereichsweise Bewegungskopplung zwischen dem Arbeitskolben (29) und dem Verdrängerkolben (30) einer Kolbengruppe ausgebildet sind.

6. Stirlingmotoranordnung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (29) und/oder die Verdrängerkolben (30) in gleicher Winkelteilung um das Sonnenrad angeordnet sind.

7. Stirlingmotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (29) eines Kolbenpaars in einem Arbeitszylinder (35) aufgenommen ist , der als einseitig geschlossene Hülse ausgebildet ist und bereichsweise im Grundkörper (2) aufgenommen ist.

8. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein über den Grundkörper (2) radial nach außen abragender Abschnitt des Arbeitszylinders (35) in einem fluiddurchströmbaren Gehäuse aufgenommen ist und/oder dass der Grundkörper (2) im Bereich des Arbeitszylinders (35) von einem Strδmungskanal für ein Fluid durchsetzt ist.

9. Stirlingmotoranordnung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (30) eines Kolbenpaars in einem Verdrängerzylinder (36) aufgenommen ist, der als einseitig geschlossene Hülse ausgebildet ist und bereichsweise im Grundkörper (2) aufgenommen ist.

10. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein über den Grundkörper (2) radial nach außen abragender Abschnitt des Verdrängerzylinders (36) in einem fluiddurchströmbaren Gehäuse aufgenommen ist und/oder dass der Grundkörper (2) im Bereich des Verdrängerzylinders (36) von einem Strömungskanal für ein Fluid durchsetzt ist.

11. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelachse (32) eines Verdrängerzylinders (30) einen spitzen Winkel mit der Mittelachse (31) des zugeordneten Arbeitszylinders (29) ein- schiießL .

12. Stirlingmotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) einen ersten Grundkörperabschnitt (10) zur Aufnahme der Arbeitszylinder und einen längs der Rotationsachse (6) benachbart an- geordneten zweiten Grundkörperabschnitt (18) aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörperabschnitt (10, 18) ein, vorzugsweise mit einem Isolationsmaterial ausgefüllter, Isolationsspalt ausgebildet ist.

13. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittelachsen (31) der Arbeitskolben (29) und Mittelachsen (32) der Verdrängerkolben (30) in einer gemeinsamen Bewegungsebene angeordnet sind, die quer zu einer Rotationsachse (6) der Abtriebswelle (3) ausgerichtet ist.

14. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekenn- zeichnet, dass benachbarte Kolbenpaare jeweils mit den Arbeitskolben (29) oder mit den Verdrängerkolben (30) aneinander grenzen.

15. Stirlingmotoranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben in einem gemeinsamen Zylinder angeordnet sind und durch unterschiedliche Nockeneinrichtungen angesteuert werden, die in parallel beabstandet zur Mittelachse angeordneten Bewegungs- ebenen angeordnet sind.