EP3146190B1 - Doppelzylinder-stirling-motor, mehrzylinder-stirling-motor sowie elektroenergie-erzeugungssystem - Google Patents

Doppelzylinder-stirling-motor, mehrzylinder-stirling-motor sowie elektroenergie-erzeugungssystem Download PDF

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EP3146190B1
EP3146190B1 EP15725538.1A EP15725538A EP3146190B1 EP 3146190 B1 EP3146190 B1 EP 3146190B1 EP 15725538 A EP15725538 A EP 15725538A EP 3146190 B1 EP3146190 B1 EP 3146190B1
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EP
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cylinder
stirling engine
cylinder stirling
double
displacer
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Jochen Benz
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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
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • 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
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • 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
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • F02G2244/54—Double acting piston machines having two-cylinder twin systems, with compression in one cylinder and expansion in the other cylinder for each of the twin systems, e.g. "Finkelstein" engines

Definitions

  • the invention relates to a multi-cylinder Stirling engine according to claim 1 having at least two, each having a common hot area or a common cold area, double cylinder Stirling engines each with a pair of mutually opposed displacement cylinders and at least one working cylinder.
  • double cylinder in the present application throughout the provision of two opposed displacement cylinders, each with a displacement piston for a motor according to the Stirling principle used, wherein the displacement piston of the displacement cylinder are mechanically coupled by a rigid piston rod.
  • a Stirling engine also called a hot gas engine
  • a hot gas engine is nowadays regarded as a suitable way for the particularly efficient realization of a heat-power coupling.
  • the principle of the Stirling engine is based on the fact that heat is supplied to the engine from the outside in order to heat a working gas permanently taken up in the Stirling engine.
  • the Stirling engine has two different temperature zones, a so-called hot zone and a so-called cold zone, which are located opposite one another in a displacement cylinder of the Stirling engine.
  • the hot region and the cold region heat and cool the working gas trapped in the displacement cylinder, which alternately reciprocates between these regions and is thus alternately heated and cooled.
  • With the temperature differences of the working gas a different expansion of the working gas and thus a pressure wave is accompanied, which translates a recorded in the working cylinder working piston.
  • the according to the Stirling principle generated translational motion is then advantageously converted into rotational energy.
  • Fig. 1A The known from the prior art single-cylinder Stirling engine is exemplary in Fig. 1A illustrated.
  • the in Fig. 1A shown single-cylinder Stirling engine embodies the state of the art from the perspective of the inventor, in which a displacement piston 11 of a displacement cylinder 10 of the single-cylinder Stirling engine along a displacement axis 41 parallel to the vertical, ie vertically, is moved, and a working piston 21 of a Working cylinder 20 of the single-cylinder Stirling engine substantially along a working axis 25 orthogonal to the vertical, ie horizontally, is moved. More specifically, the includes in Fig.
  • the displacement cylinder 10 which has a hot area 12, a cold area 13 and the between these areas 12 and 13 along the displacement axis 41 movable displacement piston 11 and which is mechanically coupled to a piston rod 30, and the working cylinder 20 with the along the working axis 25 movable working piston 21.
  • the working cylinder 20 which are gas-conductively connected to each other by a gas line 18, there is a working gas.
  • the working piston 21 is movable by a pressure change of the working gas along the working axis 25, and its translational movement along the working axis 25 by atecsumsetz founded in a rotational movement of a rotating shaft of the single-cylinder Stirling engine implemented around a rotation axis 39 of the rotary shaft.
  • the movement conversion device is composed of a working piston rod 22 which is movable by the working piston 21 and a working piston connecting rod 23 which is in turn connected to the rotary shaft or one mounted on the rotary shaft via a hinge device 33, which is spaced radially eccentrically from the axis of rotation 39 of the rotary shaft Kurbelrad 37 is mechanically connected.
  • the displacement piston 11 is coupled to the piston rod 30, which is held by a linear guide bearing 31 along the displacement axis 41 movably disposed between the displacement cylinder 10 and the rotation axis 39.
  • the piston rod 30 is connected to a VerdrDeutschungspleuel 34, which in turn is mechanically connected to the hinge device 33, so that these components are designed as a coupling device for mechanically coupling a movement of the piston rod 30 along the displacement axis 41 and the rotational movement of the rotary shaft.
  • FIG. 1B shown advanced single-cylinder Stirling engine is designed for an operation in which the displacement piston 11 substantially orthogonal to the vertical, ie horizontally, along the displacement axis 41 is moved, and the working piston 21 is moved vertically along the working axis 25.
  • the constructive development of the in Fig. 1B illustrated single-cylinder Stirling engine compared to in Fig. 1A shown single-cylinder Stirling engine is that the piston rod 30, as in Fig. 1B is shown, is extended so that the linear guide bearing 31 of the single-cylinder Stirling engine of Fig. 1B is no longer disposed between the displacement cylinder 10 and the rotation axis 39, but that the rotation axis 39 is disposed between the displacement cylinder 10 and the linear guide bearing 31.
  • the piston rod 30 via an extension 32 connected to the displacement connecting rod 34.
  • FIG. 1A and Fig. 1B shown single-cylinder Stirling engine is the four-stroke per revolution of the rotary shaft existing duty cycle of the single-cylinder Stirling engine explained below.
  • the in Fig. 2A to 2D exemplified engine is identical to the in Fig. 1B illustrated single-cylinder Stirling engine. For clarity, only some of the Fig. 1B have been omitted and used. Furthermore, in Fig. 2A to 2D from the hinge means 33 to be traversed angular positions designated by the reference numerals 1, 2, 3, 4.
  • Fig. 2A to Fig. 2D The work cycle shown assumes that the Rotary shaft rotates counterclockwise and thus the hinge device 33 is moved in a counterclockwise circular path. Consequently, in the first cycle of the cycle due to the coupling of the hinge 33 via the piston rod 30, the displacement piston 11 is moved in the direction of the cold region 13.
  • the displacement piston 11 shifts the working gas to the hot region 12, the working gas flowing in the displacement cylinder through a gap provided between the displacement piston and inner walls of the displacement cylinder and / or through openings / holes in the displacement piston.
  • the working piston does no work in this power stroke.
  • the displaced from the cold region 13 to the hot region 12 working gas is thus heated, resulting in an increase in pressure of the working gas, which is received within the displacement cylinder and connected thereto via a gas line working cylinder.
  • the working piston 21 is pressed in the direction of top dead center due to the explained with reference to the first clock pressure increase of the working gas, doing work.
  • the translational movement of the working piston is converted into rotational energy via the movement-converting device, so that the rotating shaft rotates about the axis of rotation 39 due to the work performed by the piston.
  • the displacement piston is at the in Fig. 2B shown second cycle of the cycle moves from the angular position 2 to the angular position 3, so that the displacement piston is moved close to the cold region 13 and thus continues the displacement of the working gas to the hot area 12.
  • From the DE 490 930 A is a trained as a hot air engine high-temperature double-cylinder Stirling engine known, wherein the displacer of juxtaposed displacer cylinder are connected to each other via an articulated rocker.
  • the DE 37 23 950 A1 describes a high temperature Stirling engine with complex displacement piston coupling.
  • the object of the present invention is therefore to provide an efficient Stirling engine with more than one cylinder, which advantageously reduces or prevents the multiplication of the above-mentioned friction losses and unnecessarily moved masses. Furthermore, a provided with the Stirling engine according to the invention electric power generation system is to be provided.
  • the object of the following invention is achieved by a multi-cylinder Stirling engine according to claim 1 and / or an electric power generation system according to claim 18.
  • mirror symmetry is meant that the two displacement cylinders are arranged opposite one another such that the cold regions of the displacement cylinders are arranged adjacent to one another and between the hot regions of the displacement cylinders.
  • the hot regions of the displacement cylinders can be arranged adjacent to one another and between the cold regions of the displacement cylinders.
  • the displacer cylinders can also share a common cold or hot area (common cold or common hot area).
  • displacement cylinder and in particular displacement piston arranged in opposite directions in the sense of the piston assembly of a boxer engine or aligned.
  • hot region and cold region indicate that a higher temperature is applied to the hot region of a displacement cylinder than to the cold region of the displacement cylinder or thermal energy is applied to the hot region, while thermal energy is dissipated at the cold region.
  • the multi-cylinder Stirling engine is a so-called plate Stirling engine for low temperature applications.
  • a hot or cold plate is understood to mean a planar component which has a smaller thickness than length and width extension.
  • at least the area facing the associated piston side is at least approximately flat.
  • An essential feature of a double-cylinder Stirling engine for a multi-cylinder Stirling engine according to the invention is that the two displacement cylinders arranged opposite to each other relative to the longitudinal extension of the common piston rod extending along the common displacement axis and mechanically by the rigid piston rod movable along the displacement axis are coupled together, so that upon movement of the displacement piston of the first displacement cylinder from the cold region of the displacement cylinder to the hot region of the displacement cylinder at the same time the displacement piston of the second displacement cylinder from the hot region to the cold region, preferably with the same amount of movement is moved.
  • Fig. 1B illustrated single-cylinder Stirling engine allows this embodiment of a double-cylinder Stirling engine for a multi-cylinder Stirling engine according to the invention the elimination of otherwise double provided the piston rod (see Fig. 1B Piston rod 30), and thus the elimination of the unnecessarily moved mass, and also the complete omission of the Fig. 1B known linear guide bearing 31 and the associated friction losses during a movement of the piston rods.
  • the rigid piston rod according to the invention thanks to the rigid piston rod according to the invention, the complexity of a coupling device for mechanically coupling the movement of the piston rod and the rotational movement of the Rotary shaft and the associated moving masses and friction losses can be reduced.
  • an essential feature of the present invention is that the working cylinders, which are associated with the two displacement cylinders, are formed in a particularly advantageous manner.
  • a double-cylinder Stirling engine for a multi-cylinder Stirling engine according to the invention namely a displacement associated with both cylinders a common cylinder.
  • the movement-changing device can be configured particularly efficiently, since only the translational movement of a single working piston has to be converted into a rotational movement of the rotating shaft.
  • the friction losses and moving masses occurring in the movement-changing device can be significantly reduced.
  • This embodiment according to the invention is also particularly advantageous because only friction losses and moving masses of a single working piston and not of two working pistons are reduced in efficiency.
  • a separate power cylinder is provided for each displacement cylinder.
  • this embodiment of the invention allows realization of thewitsumsetz noticed with reduced friction losses and reduced moving masses, since the kinetic energy generated by the working piston can be applied to a single radially eccentrically spaced on the axis of rotation of the rotary shaft position on the rotary shaft.
  • An embodiment is feasible in which the separate cylinders, in particular with respect to a plane receiving the displacement axis, are arranged opposite one another. It is however also alternative an embodiment can be realized with single-acting working cylinder, in which the working cylinders are arranged side by side on a common side of the aforementioned plane, in particular along the displacement axis or perpendicular to this side by side.
  • both of the abovementioned alternatives of the essential features of the invention have the advantage that a working piston performs work in each cycle, so that a flywheel mounted on the rotary shaft can be omitted for overcoming or passing through the dead centers of the working piston, in particular if at least two the double-cylinder Stirling engines driving a common rotary shaft are used for a multi-cylinder Stirling engine according to the invention.
  • each of the displacement cylinders has a hot plate having a hot plate and a cold plate having a cold plate can be realized in two different ways.
  • each displacement cylinder has its own hot plate and its own cold plate, wherein all plates are spaced along the displacement axis, so that in total in the double-cylinder Stirling engine four plates are provided, two hot plates and two cold plates to form two hot and two cold areas.
  • part of the invention is an implementation in which the hot areas of the twin-cylinder Stirling engine or alternatively the cold areas are formed by a common, either hot or cold area, in particular a common hot or cold plate, the opposing directions of their heating or cooling effect, wherein the common hot or cold region of the extending along the displacement axis rigid piston rod is interspersed.
  • the previously described Construction in which, although each displacement cylinder has a hot area and a cold area or a cold plate, the two hot areas or alternatively the two cold areas of a common hot or alternatively cold area (ie not two formed over an air gap separated areas), has considerable advantages in terms of space minimization.
  • the movement conversion device is preferably not located between the displacement cylinders, but adjacent to these along the longitudinal extent of the common displacement axis.
  • the coupling device comprises a connecting rod, which mechanically couples the piston rod with a hinge device mounted radially eccentrically on the rotary shaft, which can be in particular a crank.
  • the movement conversion device comprises a connecting rod, which has the common working piston with a hinge device mounted radially eccentrically on the rotary shaft, in particular a crank can be mechanically coupled.
  • the motion conversion device may comprise two connecting rods, each of which mechanically couple a different one of the two working pistons with a hinge device mounted radially eccentrically on the rotary shaft, which may in particular be a crank.
  • the same hinge device is in this case in particular a crank. Due to the use of a single hinge device for common use for the coupling device and the motion conversion device, the friction losses and the moved masses can be further reduced. This enables a particularly efficient double cylinder Stirling engine.
  • the displacement axis and the working axis are aligned perpendicular to the axis of rotation of the rotary shaft.
  • the double-cylinder Stirling engine is designed for use of helium as the working gas or is equipped with helium as the working gas.
  • each displacement cylinder is designed with a working gas passage such that to implement the Stirling principle in one of the four power strokes described above, the received in the interior of the displacement cylinder working gas from the side of the hot area to the side of the cold Area, through the displacement piston and / or past it, and in the reverse direction can flow.
  • the working gas passage through a displacement piston provided with passages from the hot region to the cold region, providing a gap between the displacement piston and the inner wall of the displacement cylinder, a working gas bypass line for deflecting a in the space between the hot region and the Displacement piston absorbed amount of working gas around the displacement piston, so on the other side of the displacement piston, the space between the displacement piston and the cold area and in the reverse direction, or be realized by any combination thereof.
  • the gap mentioned in the description of the embodiments between the displacement piston of a displacement cylinder and the inner walls of this displacement cylinder shown by way of example in the figures as gap 17, 17A, 17B, exemplifies one of these ways of realizing the working gas passage.
  • a gap is provided as the working gas passage, it can be chosen to be arbitrarily small, provided that the gap allows flow of the working gas and movement of the displacement piston along the displacement axis.
  • At least one of the displacement piston is designed as a regenerator in that the displacement piston is provided with passages for the working gas, which are filled with a regenerator material, preferably steel wool.
  • the common working cylinder has two gas chambers spatially separated by the working piston for receiving the working gas, each gas-conducting with a gas space for receiving the working gas of a different one of the displacement cylinder are connected.
  • the overpressure prevailing at one time on one side of the working piston can be coupled in a particularly advantageous manner to a negative pressure prevailing on the other side, so that the conversion of the thermal energy into mechanical energy can take place particularly efficiently.
  • a gas space of the first displacement cylinder is gas-conductively connected to a gas space of the associated first working cylinder, and separately a gas space of the second displacement cylinder is gas-conductively connected to a gas space of the second working cylinder assigned thereto.
  • gas-conducting connection (referred to in the figures as gas line with reference numerals 18, 18A and 18B, respectively) between gas spaces can also be realized for both alternatives in that the gas chambers directly adjacent to each other gas-conducting, without an additionally provided line section is provided between them.
  • the twin cylinder Stirling engine is designed as an ultra-low temperature Stirling engine and then also capable of generating rotational energy when the temperature of the hot region from a temperature range between 80 ° C and 140 ° C and / or below of 120 ° C, especially 100 ° C.
  • the object of the present invention is also achieved by a multi-cylinder Stirling engine composed of a plurality of n, where n is at least two, of the above-described twin-cylinder Stirling engines.
  • the respective rotary shafts of the individual double-cylinder Stirling engines of the multi-cylinder Stirling engine forming plurality are formed by a RescueJwelle.
  • the total rotational shaft may be formed in one piece or may also be formed in several pieces, provided that the plurality of sections are mechanically interconnected.
  • the respective displacements of the displacement pistons of mutually adjacent ones of the plurality of double-cylinder Stirling engines are respectively 1 / n, that is, the reciprocal of the number of double-cylinder Stirling engines. which form the multi-cylinder Stirling engine, the stroke of the displacement piston offset from each other or have a clock offset of 180 / n. Degree with respect to the movement of the displacement piston to each other. This allows a particularly uniform operation of the multi-cylinder Stirling engine and thus a particularly efficient operation of the engine can be achieved.
  • the multi-cylinder Stirling engine according to the invention can thus be designed as a four-cylinder Stirling engine, six-cylinder Stirling engine, eight-cylinder Stirling engine, ten-cylinder Stirling engine, etc.
  • the multi-cylinder Stirling engine according to the present invention may be further configured such that the joint means of mutually adjacent ones of the plurality of double-cylinder Stirling engines on the total rotating shaft, which may be formed as explained above, are mounted 180 / n degrees to each other and the rotation axis the total rotational shaft are mounted radially, in particular at an identical distance, spaced.
  • This arrangement and design of the hinge devices, the friction losses and the moving masses can be reduced, and also a particularly uniform engine operation is possible.
  • this is designed as a four-cylinder Stirling engine by a mechanically coupled arrangement of two of the above-described two-cylinder Stirling engine according to the invention.
  • the hinge means of the two double-cylinder Stirling engines are mounted on the total rotation shaft offset by 90 degrees from each other and are of the axis of rotation of the total rotational shaft radially, in particular with an identical distance attached.
  • the four-cylinder Stirling engine according to the invention provides a very good compromise between the number of cylinders used, the cost of materials and the smooth operation of the Stirling engine.
  • the multi-cylinder Stirling engine is designed as a plate Stirling engine, wherein preferably a plurality of spatially adjacent hot areas (12A, 12C, 12B, 12D) is preferably formed as a continuous hot plate and / or a plurality of spatially adjacent cold areas ( 13A, 13C, 13B, 13D) is preferably formed as a continuous cold plate.
  • the multi-cylinder Stirling engine and in particular the overall rotational shaft is designed flywheel-free, so that the moving masses are reduced to a minimum.
  • an embodiment of the twin cylinder Stirling engine is particularly preferred in which the two positive displacement cylinders of the twin cylinder Stirling engine share a hot region or cold region, i. have a common hot or cold area.
  • Such an embodiment of a double-cylinder Stirling engine or at least two, preferably more than two such double-cylinder Sirling engines are combined in a further development of the invention to a (more than two-cylinder) multi-cylinder Stirling engine. There are different possibilities for this.
  • the double-cylinder Stirling engines coupled in this way are assigned a common motion conversion device which, if required, can be arranged in a region between the double-cylinder Stirling engines coupled via the common piston rod.
  • the double-cylinder Stirling engines coupled in the manner described above have a common, double-acting working cylinder to which the common movement-converting device is preferably assigned.
  • Double-cylinder Stirling engines are arranged so that they directly adjacent to each other, such that they share a hot area or a cold area. It is also possible to arrange more than two double-cylinder Stirling engines in this way in series next to each other, wherein preferably each adjacent double-cylinder Stirling engines have a common hot - or alternatively cold area. All the pistons of the double-cylinder Stirling engines arranged in this way are connected to one another via a common rigid piston rod extending in the direction of the common displacement axis and thus move back and forth in a uniform manner.
  • the present invention provides an electric power generation system comprising a multi-cylinder Stirling engine and an electric generator coupled to the rotary shaft of the Stirling engine for converting the rotational energy of the shaft of the Stirling engine into electrical energy.
  • an electric power generation system comprising a multi-cylinder Stirling engine and an electric generator coupled to the rotary shaft of the Stirling engine for converting the rotational energy of the shaft of the Stirling engine into electrical energy.
  • FIG. 3 an exemplary embodiment of a double-cylinder Stirling engine for a non-inventive multi-cylinder Stirling engine according to the first alternative is shown.
  • Fig. 3 denote the same or similar reference numerals already used to explain the Fig. 1 have been used, the same or similar components as in Fig. 1 ,
  • Double cylinder Stirling engine shown comprises two displacement cylinders 10A and 10B.
  • the displacement cylinder 10A has a hot region 12A, a cold region 13A and a displacement piston 11A movable between these regions 12A and 13A along a common displacement axis 41.
  • the displacement pistons 11A and 11B are coupled together by a rigid piston rod 40 movable along the displacement axis 41.
  • the displacement cylinders 10A, 10B are in mirror image, with respect to an imaginary mirror plane, which is penetrated perpendicularly by the displacement piston 11A and the displacement axis 41.
  • the piston rod 40 is movably supported by two bearings 29A and 29B and sealed to the gas space 15A and 15B, respectively, so as to be impervious to gas.
  • the common working cylinder 20 is provided with a working piston 21 which is movable along a working axis 25, as in FIG Fig. 3 shown provided according to the first alternative of the invention.
  • a linear or translational movement of the working piston 21 is transmitted via a working piston rod 22 to a working piston connecting rod 23 connected thereto, which is rotatably connected at its other end to a hinge device 33 which is mounted radially eccentrically on a crank wheel 37.
  • the crank wheel 37 is mechanically connected to the rotary shaft of the double cylinder Stirling engine.
  • the piston rod 40 is provided with a radially projecting projection 32 from this, at the radially projecting end of a connecting rod 34 is rotatably mounted.
  • the other end of the connecting rod 34 is rotatably attached to the hinge 33.
  • the movement-converting device is embodied by the working piston rod 22, in particular the connecting rod 23 rotatably mounted thereon and the articulation device 33.
  • the twin-cylinder Stirling engine especially when grouping at least two double cylinders, only with a crank wheel 37 but not with a flywheel (for comparison, see Reference numeral 38 in FIG Fig. 1 ) Mistake.
  • the axis of rotation of the rotary shaft is designated by the reference numeral 39.
  • the common working cylinder 20 has two gas chambers 24A and 24B spatially separated by the working piston 21.
  • the gas space 24A of the working cylinder 20 is gas-conductively connected to a gas space 15A of the first displacement cylinder 10A through a gas conduit 18A, which together span an outwardly closed space in which a working gas quantity associated with the first displacement cylinder 10A is inevitably trapped outwardly.
  • the second gas space 24B of the working cylinder 20 is connected via a gas line 18B to a gas space 15B of the second displacement cylinder 10B. In the second gas space 24B of the working piston 21, the second gas line 18B and the second gas space 15B of the second displacement cylinder 10B, a second working gas amount is inevitably enclosed to the outside.
  • the connecting rod 34 and the connecting rod 23 are rotatably mounted on the same radially eccentrically mounted on the rotary shaft hinge device 33.
  • the displacement axis 41 and the working axis 25 are aligned perpendicular to the axis of rotation 39 of the rotary shaft.
  • gaps 17A and 17B represent the aforementioned working gas passage, have been shown as columns for simplicity of illustration only, and may generally provide, as previously mentioned, a displacement piston provided with passages from the hot area to the cold area a gap between the displacement piston and the inner wall of the displacement cylinder, a working gas bypass line for diverting a received in the space between the hot region and the displacement piston working gas around the displacement piston around, so on the other side of the displacement piston, to the space between the Displacement piston and the cold area and in the reverse direction, or be realized by any combination thereof.
  • the respective displacement piston is provided with passages and regenerator (preferably the passages are filled with a material, preferably steel wool, filled), so that the majority of the displaced working gas through the displacement piston passes through to the other side of the displacement piston and only one, preferably by at least an order of magnitude, smaller part of the displaced working gas through the gap reaches the other side of the displacement piston.
  • passages and regenerator preferably the passages are filled with a material, preferably steel wool, filled
  • Fig. 4 is an embodiment of a double-cylinder Stirling engine for a non-inventive multi-cylinder Stirling engine according to the second alternative illustrated. Regarding the explanation of Fig. 4 is used to avoid a redundant explanation only on the Fig. 3 different characteristics of the Fig. 4 received.
  • a dual-cylinder Stirling engine exemplifies two spatially separated power cylinders 20A and 20B.
  • a first working piston 21A is movable along the working axis 25.
  • the working piston 21A is connected via a working piston rod 22A with a connecting rod 23A, which in turn is rotatably mounted on a hinge 33.
  • the second working cylinder 20B comprises a second working piston 21B, which is rotatably connected via a working piston rod 22B to a connecting rod 23B, which in turn is rotatably connected to the articulation device 33.
  • the hinge device 33 is designed as a crank and mounted radially eccentrically on a crank wheel 37 which is mechanically connected to the rotatable about the rotation axis 39 rotary shaft.
  • Fig. 5 exemplifies a four-cylinder Stirling engine according to the invention, which is composed of two double-cylinder Stirling engines for a multi-cylinder Stirling engine according to the invention.
  • Fig. 5 that already refer to Fig. 3 and Fig. 4 explained reference numerals the same or similar components, so that to avoid redundant explanation in the following only essential differences or developments of the embodiment compared to the embodiments described above are to be explained.
  • the in Fig. 5 The four-cylinder Stirling engine shown comprises a piston rod 40AB (along a first displacement axis 41AB), at each end of which a displacement piston 11A, 11B is mounted, and a piston rod 40CD (along a second displacement axis 41CD), at each of whose ends a displacement piston 11C or 11D is attached.
  • the displacement of the displacement piston 11A is offset at any one time by half the stroke of the displacement piston 11A relative to the displacement of the displacement piston 11C. The same applies to the displacements with respect to the displacement piston 11B and 11D.
  • a hot region 12A of the first displacement cylinder 10A and a hot region 12C of the displacement cylinder 10C spatially adjacent to the first extension cylinder 10A are preferably formed as a continuous hot plate, as well as the hot regions 12B and 12D are preferably formed as a continuous hot plate.
  • a respective crank wheel 37AB or 37CD is fixed centrally.
  • a joint device 33AB whose movement is coupled via a connecting rod 34AB to the piston rod 40AB.
  • the invention provides various embodiments with respect to the number and arrangement of the working cylinder.
  • a common working cylinder may be provided, or for each of these displacement cylinders, a separate working cylinder may be provided.
  • the invention also includes a four-cylinder Stirling engine in which for two displacement cylinders of a double cylinder arrangement a common working cylinder and for the two other displacement cylinder each have a separate working cylinder is provided.
  • the four-cylinder Stirling engine with two common working cylinders they are preferably arranged in the same or opposite direction to each other.
  • the power pistons of the four-cylinder Stirling engine according to the invention are arranged and mechanically coupled to the displacement piston, that constantly performs at least one of the working piston during operation of the four-cylinder Stirling engine. Therefore, the four-cylinder Stirling engine does not require a flywheel.
  • the displacement axes 41AB and 41CD, along which the piston rods 40AB and 40CD are deflectable, are aligned parallel to each other and perpendicular to the rotation axis 39 of the overall rotation shaft 36.
  • the displacement pistons are preferably movable along horizontally oriented displacement axes and / or the working pistons are preferably movable along vertically aligned working axes.
  • the orientation of the displacement cylinder and / or working cylinder on which this preferred embodiment is based also applies according to the invention to Stirling engines, which are composed of more than two of the double-cylinder Stirling engines according to the invention.
  • the multi-cylinder Stirling engine according to the invention is designed as a radial engine so that at least two pairs of mutually mirror-symmetrically opposed displacement cylinders, ie at least two double cylinders, about a circumferential direction, preferably vertically extending, total rotational shaft to each other, preferably at a same angle, are arranged offset.
  • Training as a radial engine allows a particularly advantageous arrangement of the total rotational shaft and the moving piston of the multi-cylinder Stirling engine, since thus the effects of the weight of the moving parts of the multi-cylinder Stirling engine can be reduced.
  • FIG. 6 shown embodiment of a double-cylinder Stirling engine for a multi-cylinder Stirling engine not according to the invention substantially corresponds to the embodiment according to Fig. 3 , It can be seen that the two displacement cylinders 10A, 10B supply a common double-acting working cylinder 20 or are connected to it via gas lines 18A, 18B.
  • Each of the displacement cylinders 10A, 10B has its own hot area 12A, 12B and its own cold area 13A, 13B.
  • the heating or plate portions indicated by reference numerals 12A, 12B form a common hot region, which may be formed by two fixed hot plates or a common hot plate. It is essential that the common hot area supplies heat to both displacement cylinders 10A, 10B. It can be seen that the common hot Interspersed area is of the two displacement piston 11 A, 11 B firmly interconnecting common piston rod 40.
  • the motion conversion device adjacent to both displacement cylinders 10A, 10B and not between them.
  • a double-cylinder Stirling engine for a non-inventive multi-cylinder Stirling engine according to Fig. 7 essentially corresponds to the embodiment according to Fig. 4 , To recognize here are two single-acting working cylinder, which are each gas-conductively connected via a gas line 18A and 18B with one of the displacement cylinder 10A, 10B. In contrast to the embodiment according to Fig.
  • the working cylinders are not arranged opposite one another relative to the displacement axis 41, they are located on the same side of the displacement axis 41 or a plane receiving same, which also extends perpendicular to a mirror plane to which the displacement cylinders 10A, 10B are arranged mirror-symmetrically ,
  • the working cylinders 20A, 20B are located next to each other along the displacement axis 41 and are arranged concurrently along parallel, immediately adjacent working axes 25A, 25B.
  • FIG. 12 shows two double-cylinder Stirling engines interconnected by a common rigid piston rod 40, each constructed as in FIG Fig. 6 shown.
  • the motion conversion device is located between the coupled twin Stirling engines, but may alternatively be laterally offset from both.
  • the twin-cylinder Stirling engines are characterized in that they each share a common hot area - alternatively it is possible for both to share a cold area.
  • a significant advantage in the multi-cylinder Stirling engine shown is that all displacement cylinders 10A, 10B, 10C, 10D share a common, double-acting working cylinder 20 - in concrete terms, the displacement cylinders 10A, 10D oriented in the same direction via a respective gas line 18A, 18D connected to a common gas space 24A and the other two displacement cylinders 10b and 10c via a respective gas line 18B, 18C with the opposite common gas space 24B of the common working cylinder 20.
  • the embodiment shown is alternatively also with separate, single-acting working cylinders 20 realized .
  • the shown multi-cylinder Stirling engine is scalable, in particular analogous to the exemplary embodiment according to FIG Fig. 5 in that in each case two or more double-cylinder Stirling engines coupled via a respective common piston rod are arranged alongside one another along the (common) rotational axis 39 and drive the common axis of rotation 39.
  • Fig. 9 an alternative embodiment according to the invention of a multi-cylinder Stirling engine is shown, which is exemplified here as a four-cylinder Stirling engine, but in principle is arbitrarily expandable to other double-cylinder Stirling engines.
  • the two double-cylinder Stirling engines arranged along the common piston rod 40 have a common cold region 13B, 13C.
  • the dual cylinder Stirling engines each have a common hot region 12A, 12B, 12C, and 12D, respectively.
  • the two common hot areas and the common cold area of the double-cylinder Stirling engines is penetrated by the common piston rod 40, which in turn rigidly connects all of the displacement pistons 11A, 11B, 11C, 11D.
  • All twin-cylinder Stirling engines are a common (double-acting) power cylinder Assigned 20, which can also be used here alternatively with separate, each single acting working cylinders.
  • the movement conversion device is not located between the coupled double-cylinder Stirling engines but laterally adjacent to these, connected via the common piston rod 40.
  • the in Fig. 9 shown construction of a multi-cylinder Stirling engine is scalable, analogous to the embodiments according to the Fig. 7 and 8th described.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1 mit mindestens zwei, jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich oder einen gemeinsamen kalten Bereich aufweisenden, Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils mit einem Paar voneinander gegenüberliegenden Verdrängungszylindern und mindestens einem Arbeitszylinder. Mit dem Begriff des Doppelzylinders wird in der vorliegenden Anmeldung durchweg die Bereitstellung von zwei gegenüberliegenden Verdrängungszylindern mit je einem Verdrängungskolben für einen Motor nach dem Stirling-Prinzip verwendet, wobei die Verdrängungskolben der Verdrängungszylinder durch eine starre Kolbenstange mechanisch gekoppelt sind.
  • Der Einsatz eines Stirling-Motors, auch Heißgasmotor genannt, wird heutzutage als ein geeigneter Weg zur besonders effizienten Realisierung einer Wärme-Kraft-Kopplung angesehen. Grundsätzlich basiert das Prinzip des Stirling-Motors darauf, dass dem Motor von außen Wärme zugeführt wird, um ein in dem Stirling-Motor dauerhaft aufgenommenes Arbeitsgas zu erwärmen. Genauer genommen hat der Stirling-Motor zwei unterschiedliche Temperaturzonen, nämlich einen so genannten heißen Bereich und einen so genannten kalten Bereich, die sich gegenüberliegend zueinander in einem Verdrängungszylinder des Stirling-Motors befinden. Der heiße Bereich und der kalte Bereich erwärmen bzw. kühlen das in dem Verdrängungszylinder eingeschlossene Arbeitsgas, das zwischen diesen Bereichen abwechselnd hin- und herbewegt und damit abwechselnd erhitzt und abgekühlt wird. Mit den Temperaturunterschieden des Arbeitsgases geht eine unterschiedliche Ausdehnung des Arbeitsgases und somit eine Druckwelle einher, die einen in dem Arbeitszylinder aufgenommenen Arbeitskolben translatorisch bewegt. Die gemäß dem Stirling-Prinzip erzeugte translatorische Bewegung wird anschließend vorteilhaft in Rotationsenergie umgesetzt.
  • Zur besseren Verdeutlichung der Wirkungsweise eines Motors nach dem Stirling-Prinzip und insbesondere zum Aufzeigen der Probleme, die bei der Realisierung eines derartigen Motors entstehen und durch die vorliegende Erfindung gelöst werden sollen, wird im Folgenden der grundsätzliche Aufbau und der Arbeitszyklus eines Stirling-Motors am Beispiel eines Einzylinder-Stirling-Motors erläutert.
  • Der aus dem Stand der Technik bekannte Einzylinder-Stirling-Motor ist beispielhaft in Fig. 1A veranschaulicht. Der in Fig. 1A dargestellte Einzylinder-Stirling-Motor verkörpert aus der Sichts des Erfinders den Stand der Technik, bei dem ein Verdrängungskolben 11 eines Verdrängungszylinders 10 des Einzylinder-Stirling-Motors entlang einer Verdrängungsachse 41 parallel zur Lotrechten, also vertikal, bewegt wird, und ein Arbeitskolben 21 eines Arbeitszylinders 20 des Einzylinder-Stirling-Motors im wesentlichen entlang einer Arbeitsachse 25 orthogonal zur Lotrechten, also horizontal, bewegt wird. Genauer genommen umfasst der in Fig. 1A dargestellte Einzylinder-Stirling-Motor den Verdrängungszylinder 10, der einen heißen Bereich 12, einen kalten Bereich 13 und den zwischen diesen Bereichen 12 und 13 entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbaren Verdrängungskolben 11 aufweist, und der mit einer Kolbenstange 30 mechanisch gekoppelt ist, und den Arbeitszylinder 20 mit dem entlang der Arbeitsachse 25 bewegbaren Arbeitskolben 21. Innerhalb des Verdrängungszylinders 10 und des Arbeitszylinders 20, die durch eine Gasleitung 18 gasleitend miteinander verbunden sind, befindet sich ein Arbeitsgas. Der Arbeitskolben 21 ist durch eine Druckänderung des Arbeitsgases entlang der Arbeitsachse 25 bewegbar, und dessen translatorische Bewegung entlang der Arbeitsachse 25 wird durch eine Bewegungsumsetzeinrichtung in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Einzylinder-Stirling-Motors um eine Drehachse 39 der Drehwelle umgesetzt. Die Bewegungsumsetzeinrichtung ist zusammengesetzt aus einer durch den Arbeitskolben 21 bewegbaren Arbeitskolbenstange 22, einem damit mechanisch verbundenen Arbeitskolbenpleuel 23, das wiederum über eine Gelenkeinrichtung 33, die radial exzentrisch von der Drehachse 39 der Drehwelle beabstandet ist, mit der Drehwelle bzw. einem an der Drehwelle angebrachten Kurbelrad 37 mechanisch verbunden ist.
  • Der Verdrängungskolben 11 ist mit der Kolbenstange 30 gekoppelt, die von einem Linear-Führungslager 31 entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbar gehalten wird, das zwischen dem Verdrängungszylinder 10 und der Drehachse 39 angeordnet ist. Die Kolbenstange 30 ist mit einem Verdrängungspleuel 34 verbunden, das wiederum mit der Gelenkeinrichtung 33 mechanisch verbunden ist, so dass diese Komponenten als Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der Kolbenstange 30 entlang der Verdrängungsachse 41 und der Drehbewegung der Drehwelle ausgelegt sind.
  • Um zu der beanspruchten Erfindung zu gelangen, hat der Erfinder den aus seiner Sicht als Stand der Technik bekannten und in Fig. 1A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor zu dem in Fig. 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor weiterentwickelt, der als verbesserter - nicht beanspruchter - Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung dient. Die bezüglich Fig. 1A eingeführten Bezugszeichen gelten unverändert auch für die in Fig. 1B dargestellten Komponenten des Einzylinder-Stirling-Motors, so dass identische Bezugszeichen in Fig. 1A und Fig. 1B identische Komponenten der jeweils gezeigten Einzylinder-Stirling-Motoren bezeichnen. Diese Handhabung der Zuordnung von Bezugszeichen und Komponenten gilt übrigens auch für alle Ausführungsformen der Erfindung. Der in Fig. 1B gezeigte weiterentwickelte Einzylinder-Stirling-Motor ist für eine Arbeitsweise ausgebildet, bei der der Verdrängungskolben 11 im wesentlichen orthogonal zur Lotrechten, also horizontal, entlang der Verdrängungsachse 41 bewegt wird, und der Arbeitskolben 21 entlang der Arbeitsachse 25 vertikal bewegt wird. Die konstruktive Weiterentwicklung des in Fig. 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors gegenüber dem in Fig. 1A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor besteht darin, dass die Kolbenstange 30, wie in Fig. 1B dargestellt, so verlängert ist, dass das Linear-Führungslager 31 des Einzylinder-Stirling-Motors von Fig. 1B nicht mehr zwischen dem Verdrängungszylinder 10 und der Drehachse 39 angeordnet ist, sondern dass die Drehachse 39 zwischen dem Verdrängungszylinder 10 und dem Linear-Führungslager 31 angeordnet ist. Ferner ist bei dem in Fig. 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor die Kolbenstange 30 über einen Fortsatz 32 mit dem Verdrängungspleuel 34 verbunden.
  • Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des in Fig. 1A und Fig. 1B gezeigten Einzylinder-Stirling-Motors wird der aus vier Arbeitstakten je Umdrehung der Drehwelle bestehende Arbeitszyklus des Einzylinder-Stirling-Motors im Folgenden erläutert. Der in Fig. 2A bis 2D beispielhaft dargestellte Motor ist dabei identisch mit dem in Fig. 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden lediglich einige der in Fig. 1B eingeführten und verwendeten Bezugszeichen weggelassen. Ferner wurden in Fig. 2A bis 2D von der Gelenkeinrichtung 33 zu durchlaufende Winkelpositionen mit den Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 bezeichnet.
  • In einem ersten, in Fig. 2A dargestellten Takt des Arbeitszyklus des Einzylinder-Stirling-Motors wird der Arbeitskolben 21 durch seinen unteren Totpunkt bewegt, wobei die für diese Bewegung erforderliche Energie in einem mit der Drehwelle verbundenen Schwungrad 38 (siehe Fig. 1B) gespeichert ist bzw. entnommen/umgewandelt wird. Bei dem im Fig. 2A bis Fig. 2D dargestellten Arbeitszyklus wird davon ausgegangen, dass die Drehwelle sich gegen den Uhrzeigersinn dreht und somit die Gelenkeinrichtung 33 auf einer gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Kreislaufbahn bewegt wird. Folglich wird im ersten Takt des Arbeitszyklus aufgrund der Kopplung der Gelenkeinrichtung 33 über die Kolbenstange 30 der Verdrängungskolben 11 in Richtung des kalten Bereichs 13 bewegt. Dabei verschiebt der Verdrängungskolben 11 das Arbeitsgas zu dem heißen Bereich 12, wobei das Arbeitsgas in dem Verdrängungszylinder durch einen zwischen dem Verdrängungskolben und Innenwänden des Verdrängungszylinders bereitgestellten Spalt und/oder durch Öffnungen/Löcher in dem Verdrängungskolben strömt. Der Arbeitskolben verrichtet in diesem Arbeitstakt keine Arbeit. Das von dem kalten Bereich 13 zu dem heißen Bereich 12 verschobene Arbeitsgas wird folglich aufgeheizt, was in einer Druckerhöhung des Arbeitsgases resultiert, das innerhalb des Verdrängungszylinders und dem damit über eine Gasleitung verbundenen Arbeitszylinder aufgenommen ist.
  • In einem in Fig. 2B veranschaulichten zweiten Takt des Arbeitszyklus wird der Arbeitskolben 21 aufgrund der mit Bezug zu dem ersten Takt erläuterten Druckerhöhung des Arbeitsgases in Richtung des oberen Totpunktes gedrückt und verrichtet dabei Arbeit. Die translatorische Bewegung des Arbeitskolbens wird über die Bewegungsumsetzeinrichtung in Rotationsenergie umgesetzt, so dass die Drehwelle sich aufgrund des Arbeit verrichtenden Kolbens um die Drehachse 39 dreht. Der Verdrängungskolben wird bei dem in Fig. 2B dargestellten zweiten Takt des Arbeitszyklus von der Winkelposition 2 zu der Winkelposition 3 bewegt, so dass der Verdrängungskolben dicht an den kalten Bereich 13 bewegt wird und somit die Verschiebung des Arbeitsgases zu dem heißen Bereich 12 fortsetzt.
  • In dem in Fig. 2C dargestellten dritten Takt des Arbeitszyklus (Bewegung von der Winkelposition 3 zu der Winkelposition 4) wird der Arbeitskolben durch den oberen Totpunkt mit Hilfe der in dem Schwungrad 38 gespeicherte Energie bewegt Der Verdrängungskolben wird nun entlang der Verdrängungsachse von dem kalten Bereich 13 zu dem heißen Bereich 12 bewegt, so dass das Arbeitsgas von dem heißen Bereich 12 in den kalten Bereich 13 verschoben wird. Daher beginnt das Arbeitsgas, sich abzukühlen und einen Unterdruck zu erzeugen. Der Arbeitskolben 21 verrichtet in dem dritten Takt keine Arbeit.
  • In dem in Fig. 2D dargestellten vierten Takt des Arbeitszyklus (Bewegung von der Winkelposition 4 zu der Winkelposition 1) wird der Arbeitskolben aufgrund des erzeugten Unterdrucks in Richtung des unteren Totpunkts gezogen und verrichtet dabei Arbeit. Der Verdrängungskolben wird nah zudem heißen Bereich ausgelenkt und verschiebt somit das Arbeitsgas weiter in den kalten Bereich, so dass die Abkühlung und die Unterdruckerzeugung fortgesetzt werden können, bis der Arbeitskolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat, und der Arbeitszyklus beginnend mit dem ersten Takt (siehe Fig. 2A) kontinuierlich wie oben geschildert wiederholt wird.
  • Allgemein ist es für den Einsatz von Stirling-Motoren im Kontext einer Wärme-Kraft-Kopplung besonders wichtig, dass diese effizient und sowohl mit niedrigen Temperaturen als auch mit einer niedrigen Differenz zwischen der an dem heißen Bereich vorherrschenden Temperatur und der an dem kalten Bereich vorherrschenden Temperatur betrieben werden können.
  • Dem effizienten Einsatz des oben geschilderten Einzylinder-Stirling-Motors steht vor allen Dingen entgegen, dass dieser nur in zwei der vier Arbeitstakte eines Arbeitszyklus über seinen Arbeitskolben Arbeit verrichtet, und in den anderen zwei Takten der Arbeitskolben über den unteren bzw. oberen Totpunkt mit Hilfe der in dem Schwungrad gespeicherten Energie bewegt werden muss. Bei einer Anordnung mehrerer der oben geschilderten Einzylinder-Stirling-Motoren, die mit einem relativen Taktversatz zueinander betrieben werden, kann erreicht werden, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens einer der Arbeitskolben Arbeit verrichtet, so dass kein Schwungrad zur Bewegung eines Arbeitskolbens durch eine Totpunkt erforderlich ist. Dieser Vorteil trifft besonders für Motoren mit vier oder mehr Zylindern zu.
  • Bei einer gekoppelten Anordnung mehrfacher Einzylinder-Stirling-Motoren gemäß dem oben dargestellten Typ vervielfachen sich aber auch die Reibungsverluste und die bewegten Massen entsprechend der bereitgestellten Zylinderanzahl. Diese Nachteile stehen der Entwicklung eines hocheffizienten Stirling-Motors mit einem Einsatzgebiet niedriger Temperaturen und niedriger Temperaturdifferenzen im Weg.
  • Aus der DE 490 930 A ist ein als Heißluftmaschine ausgebildeter Hochtemperatur-Doppelzylinder-Stirling-Motor bekannt, wobei die Verdrängerkolben der nebeneinander angeordneten Verdrängerzylinder über eine Gelenkwippe miteinander verbunden sind.
  • In der US 3,994,136 A ist ein Heißgas-Motor beschrieben, der zwei Paare von jeweils nebeneinander angeordneten Verdrängerzylindern mit jeweils eigenen Heiz- und Kühlbereichen aufweist, wobei die Paare auf gegenüberliegenden Seiten des Arbeitskolbens angeordnet sind.
  • Die DE 37 23 950 A1 beschreibt einen Hochtemperatur-Stirling-Motor mit komplexer Verdrängerkolbenkopplung.
  • Zum weiteren Stand der Technik werden die DE 20 2009 016 564 U1 und die DE 20 2009 000 309 U1 genannt.
  • In der DE 195 34 379 ist ein Stirling-Motor in Paket-Bauweise beschrieben, wobei hier zwei Gruppen von Verdrängerkolben vorgesehen sind und die Verdrängerkolben jeder Gruppe von einer eigenen Kolbenstange bewegt werden. Da die Verdrängerkolben einer Gruppe jeweils zwischen den Verdrängerkolben der anderen Gruppe angeordnet sind, werden sie von deren Kolbenstange durchsetzt, was zu Abdichtungsproblemen und damit geringen Wirkungsgraden führt.
  • Aus der DE 26 08 959 ist ein alternativer Stirling-Motor in Paket-Bauweise bekannt, wobei hier die Zylinderräume von außen her beheizt werden und zwischen benachbarten Kolben lediglich eine nicht-beheizte oder gekühlte Trennwand angeordnet ist, im Wesentlichen nur um die Druckverhältnisse zu trennen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen effizienten Stirling-Motor mit mehr als einem Zylinder bereitzustellen, der auf vorteilhafte Weise die Vervielfachung der oben erwähnten Reibungsverluste und unnötig bewegten Massen reduziert bzw. verhindert. Ferner soll ein mit dem erfindungsgemäßen Stirling-Motor versehenes Elektroenergie-Erzeugungssystem bereitgestellt werden.
  • Die Aufgabe der folgenden Erfindung wird durch einen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1 und/oder ein Elektroenergie-Erzeugungssystem gemäß Anspruch 18 gelöst.
  • Mit dem Begriff spiegelsymmetrisch ist dabei gemeint, dass die zwei Verdrängungszylinder derart gegenüberliegend angeordnet sind, dass die kalten Bereiche der Verdrängungszylinder zueinander benachbart und zwischen den heißen Bereichen der Verdrängungszylinder angeordnet sind. Alternativ können auch die heißen Bereiche der Verdrängungszylinder zueinander benachbart und zwischen den kalten Bereichen der Verdrängungszylinder angeordnet sein. Wie später noch erläutert werden wird können sich die Verdrängerzylinder auch einen gemeinsamen kalten oder heißen Bereich teilen (gemeinsamer kalter bzw. gemeinsamer heißer Bereich).
  • Mit dem Begriff gegenüber ist gemeint, dass die Verdrängungszylinder und insbesondere Verdrängungskolben in aneinander entgegen gesetzte Richtungen im Sinne der Kolbenanordnung eines Boxer-Motors angeordnet bzw. ausgerichtet sind.
  • Die Begriffe des heißen Bereiches und des kalten Bereiches verweisen darauf, dass an dem heißen Bereich eines Verdrängungszylinders eine höhere Temperatur als an dem kalten Bereich des Verdrängungszylinders anliegt bzw. an dem heißen Bereich Wärmeenergie zugeführt wird, während an dem kalten Bereich Wärmeenergie abgeführt wird.
  • Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Mehrzylinder-Stirling-Motor um einen sogenannten Platten-Stirling-Motor für Niedertemperaturanwendungen. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass der heiße und der kalte Bereich von jeweils einer heißen bzw. kalten Platte gebildet ist. Unter einer heißen bzw. kalten Platte wird ein flächiges Bauteil verstanden, welches eine geringere Dicken- als Längen- und Breitenerstreckung aufweist. Bevorzugt ist zumindest die dem zugehörigen Kolben zugewandte Flächenseite zumindest näherungsweise eben. Es ist jedoch auch denkbar konvex oder konkav gewölbte Platten mit konvex oder konkav gewölbter, dem jeweiligen Kolben zugewandter Flächenseite zu realisieren, wobei es bevorzugt ist, wenn die Vertiefung bzw. Erhöhung durch die Wölbung eine Tiefe bzw. Höhe von 20% des Radius des zugehörigen Verdrängungszylinders nicht überschreitet.
  • Ein wesentliches Merkmal eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor ist, dass die zwei Verdrängungszylinder bezogen auf die Längserstreckung der sich entlang der gemeinsamen Verdrängungsachse erstreckenden, gemeinsamen Kolbenstange gegenüberliegend zueinander angeordnet und durch die entlang der Verdrängungsachse bewegbare starre Kolbenstange mechanisch miteinander gekoppelt sind, so dass bei einer Bewegung des Verdrängungskolbens des ersten Verdrängungszylinders von dem kalten Bereich des Verdrängungszylinders zu dem heißen Bereich des Verdrängungszylinders gleichzeitig der Verdrängungskolben des zweiten Verdrängungszylinders von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich, bevorzugt mit dem identischen Bewegungsausmaß, bewegt wird.
  • Im Vergleich zu einer zweifachen Anordnung des in Fig. 1B veranschaulichten Einzylinder-Stirling-Motors ermöglicht diese Ausgestaltung eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor die Eliminierung einer ansonsten doppelt vorzusehen den Kolbenstange (siehe Fig. 1B Kolbenstange 30), und somit auch den Wegfall der damit unnötig bewegten Masse, und ferner das komplette Wegfallen der aus Fig. 1B bekannten Linear-Führungslager 31 und der damit verbundenen Reibungsverluste bei einer Bewegung der Kolbenstangen. Außerdem können dank der erfindungsgemäßen starren Kolbenstange die Komplexität einer Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln der Bewegung der Kolbenstange und der Drehbewegung der Drehwelle und die damit einhergehenden bewegten Massen und Reibungsverluste reduziert werden.
  • Ferner ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Arbeitszylinder, die den zwei Verdrängungszylindern zugeordnet sind, auf besonders vorteilhafte Weise ausgebildet sind. Gemäß einer ersten Alternative eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor ist nämlich beiden Verdrängungszylindern ein gemeinsamer Arbeitszylinder zugeordnet. Durch diesen gemeinsamen, doppelt wirkenden Arbeitszylinder kann die Bewegungsumsetzeinrichtung besonders effizient ausgestaltet werden, da nur die translatorische Bewegung eines einzigen Arbeitskolbens in eine rotatorische Bewegung der Drehwelle umgesetzt werden muss. Dadurch können die in der Bewegungsumsetzeinrichtung auftretenden Reibungsverluste und bewegten Massen deutlich reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist diese erfindungsgemäße Ausbildung auch deshalb, weil nur Reibungsverluste und bewegte Massen eines einzigen Arbeitskolbens und nicht von zwei Arbeitskolben effizienzmindernd anfallen.
  • Gemäß der zweiten Alternative eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor wird für jeden Verdrängungszylinder ein separater Arbeitszylinder bereitgestellt. Besonders in Kombination mit der starren Kolbenstange ermöglicht diese erfindungsgemäße Ausbildungsform eine Realisierung der Bewegungsumsetzeinrichtung mit reduzierten Reibungsverlusten und reduzierten bewegten Massen, da die durch die Arbeitskolben erzeugte Bewegungsenergie an einer einzelnen radial exzentrisch an der Drehachse der Drehwelle beabstandeten Position auf die Drehwelle aufgebracht werden kann. Realisierbar ist eine Ausführungsform, bei der die separaten Zylinder, insbesondere bezogen auf eine die Verdrängungsachse aufnehmende Ebene einander gegenüberliegend angeordnet sind. Es ist jedoch alternativ auch eine Ausführungsform mit einfach wirkendem Arbeitszylinder realisierbar, bei der die Arbeitszylinder auf einer gemeinsamen Seite der vorgenannten Ebene nebeneinander angeordnet sind, insbesondere entlang der Verdrängerachse oder senkrecht zu dieser nebeneinander.
  • Ferner bieten beide der oben aufgeführten Alternativen der wesentlichen Erfindungsmerkmale den Vorteil, dass in jedem Takt ein Arbeitskolben Arbeit verrichtet, so dass ein an der Drehwelle angebrachtes Schwungrad zur Überwindung bzw. zum Durchlaufen der Totpunkte des bzw. der Arbeitskolben entfallen kann, insbesondere wenn mindestens zwei der eine gemeinsame Drehwelle antreibenden Doppelzylinder-Stirling-Motoren für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor zum Einsatz kommen.
  • Das Merkmal, dass jeder der Verdrängungszylinder einen eine heiße Platte aufweisenden heißen Bereich und einen eine kalte Platte aufweisenden kalten Bereich aufweist lässt sich auf zwei unterschiedliche Arten realisieren. Gemäß einer ersten möglichen Realisierungsform (nicht Teil der Erfindung) hat jeder Verdrängungszylinder eine eigene heiße Platte und eine eigene kalte Platte, wobei sämtliche Platten entlang der Verdrängungsachse voneinander beabstandet sind, so dass insgesamt bei dem Doppelzylinder-Stirling-Motor vier Platten vorgesehen sind, nämlich zwei heiße Platten und zwei kalte Platten zur Bildung von zwei heißen und zwei kalten Bereichen. Teil der Erfindung ist jedoch eine Realisierungsform, bei der die heißen Bereiche des Doppelzylinder-Stirling-Motors oder alternativ die kalten Bereiche von einem gemeinsamen, entweder heißen oder kalten Bereich, insbesondere einer gemeinsamen heißen oder kalten Platte gebildet sind, die ineinander entgegengesetzte Richtung ihre heizende bzw. kühlende Wirkung entfalten, wobei der gemeinsame heiße oder kalte Bereich von der sich entlang der Verdrängungsachse erstreckenden starren Kolbenstange durchsetzt ist. Die zuvor beschriebene Bauweise, bei welcher zwar jeder Verdrängungszylinder einen heißen Bereich bzw. eine heiße Platte und einen kalten Bereich bzw. eine kalte Platte aufweist, die beiden heißen Bereiche oder alternativ die beiden kalten Bereiche jedoch von einem gemeinsamen heißen oder alternativ kalten Bereich (d.h. nicht von zwei über einen Luftspalt getrennten Bereichen) gebildet sind, hat im Hinblick auf eine Bauraumminimierung erhebliche Vorteile. In diesem Fall befindet sich auch die Bewegungsumsetzeinrichtung bevorzugt nicht zwischen den Verdrängungszylindern, sondern benachbart zu diesen entlang der Längserstreckung der gemeinsamen Verdrängungsachse. Die zuvor beschriebene Ausführungsform des Doppelzylinder-Stirling-Motors mit einem gemeinsamem heißen oder einem gemeinsamem kalten Bereich kann sowohl gemäß der ersten Alternative mit einem gemeinsamen Arbeitszylinder als auch gemäß der zweiten Alternative mit separaten Arbeitszylindern realisiert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kopplungseinrichtung ein Pleuel, das die Kolbenstange mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppelt. Gemäß der oben erwähnten ersten Alternative umfasst gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform die Bewegungsumsetzeinrichtung ein Pleuel, das den gemeinsamen Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppelt. Gemäß der oben erwähnten zweiten Alternative kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Bewegungsumsetzeinrichtung zwei Pleuel umfassen, die jeweils einen unterschiedlichen der beiden Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppeln. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine Realisierung der Kopplungseinrichtung bzw. Bewegungsumsetzeinrichtung mit reduzierten Reibungsverlusten und bewegten Massen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der zuvor erwähnten Kopplungseinrichtung und/oder Bewegungsumsetzeinrichtung sind das Pleuel der Kopplungseinrichtung und für die erste Alternative das Pleuel der Bewegungsumsetzeinrichtung bzw. für die zweite Alternative die Pleuel der Bewegungsumsetzeinrichtung mit derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung zur mechanischen Kopplung verbunden. Dieselbe Gelenkeinrichtung ist hierbei insbesondere eine Kurbel. Aufgrund der Verwendung einer einzigen Gelenkeinrichtung zur gemeinsamen Verwendung für die Kopplungseinrichtung und die Bewegungsumsetzeinrichtung können die Reibungsverluste und die bewegten Massen nochmals reduziert werden. Dadurch wird ein besonders effizienter Doppelzylinder-Stirling-Motor ermöglicht.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
    sind die Verdrängungsachse und die Arbeitsachse zu der Drehachse der Drehwelle senkrecht ausgerichtet. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Realisierung der Kopplungseinrichtung und der Bewegungsumsetzeinrichtung, so dass unnötig bewegte Massen entfallen.
  • Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor für einen Einsatz von Helium als das Arbeitsgas ausgebildet bzw. ist mit Helium als das Arbeitsgas ausgestattet.
  • In allen Ausführungsformen des beanspruchten Stirling-Motors ist jeder Verdrängungszylinder mit einem Arbeitsgasdurchlass derart ausgestaltet, dass zur Realisierung des Stirling-Prinzips in einem der oben beschriebenen vier Arbeitstakte das in dem Inneren des Verdrängungszylinders aufgenommene Arbeitsgas von der Seite des heißen Bereichs zu der Seite des kalten Bereichs, durch den Verdrängungskolben hindurch und/oder an diesem vorbei, und in umgekehrter Richtung strömen kann. Dazu kann der Arbeitsgasdurchlass durch einen mit Durchlässen von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich versehenen Verdrängungskolben, eine Bereitstellung eines Spaltes zwischen dem Verdrängungskolben und der Innenwand des Verdrängungszylinders, eine Arbeitsgas-Bypass-Leitung zum Umlenken einer in dem Raum zwischen dem heißen Bereich und dem Verdrängungskolben aufgenommenen Arbeitgasmenge um den Verdrängungskolben herum, also auf die andere Seite des Verdrängungskolbens, zu dem Raum zwischen dem Verdrängungskolben und dem kalten Bereich und in umgekehrter Richtung, oder durch eine beliebige Kombination davon realisiert sein. Der in der Beschreibung der Ausführungsformen erwähnte Spalt zwischen dem Verdrängungskolben eines Verdrängungszylinders und den Innenwänden dieses Verdrängungszylinders, beispielhaft in den Figuren als Spalt 17, 17A, 17B dargestellt, steht beispielhaft für eine dieser Realisierungsmöglichkeiten des Arbeitsgasdurchlasses.
  • Bei Bereitstellung eines Spaltes als Arbeitsgasdurchlass kann dieser beliebig klein gewählt werden, vorausgesetzt dass der Spalt ein Durchströmen des Arbeitsgases und eine Bewegung des Verdrängungskolbens entlang der Verdrängungsachse zulässt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens einer der Verdrängungskolben als Regenerator dadurch ausgebildet, dass der Verdrängungskolben mit Durchlässen für das Arbeitsgas versehen ist, die mit einem Regeneratormaterial, bevorzugt Stahlwolle, verfüllt sind. Durch diese zusätzlichen fakultativen Merkmale eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor kann dessen Effizienz weiter gesteigert werden und außerdem kann die für den effizienten Betrieb erforderliche obere Temperatur und auch die erforderliche Temperaturdifferenz verringert werden. Der Doppelzylinder-Stirling-Motor für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor kann aber auch ohne Regenerator ausgebildet sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung der ersten Alternative eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor hat der gemeinsame Arbeitszylinder zwei durch den Arbeitskolben räumlich getrennte Gasräume zur Aufnahme des Arbeitsgases, die jeweils gasleitend mit einem Gasraum zur Aufnahme des Arbeitsgases eines unterschiedlichen der Verdrängungszylinder verbunden sind. Dadurch kann besonders vorteilhaft der zu einem Zeitpunkt auf einer Seite des Arbeitskolbens herrschende Überdruck mit einem auf der anderen Seite herrschenden Unterdruck gekoppelt werden, so dass die Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie besonders effizient erfolgen kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung der zweiten Alternative ist ein Gasraum des ersten Verdrängungszylinders gasleitend mit einem Gasraum des zugeordneten ersten Arbeitszylinders verbunden, und separat davon ist ein Gasraum des zweiten Verdrängungszylinders gasleitend mit einem Gasraum des diesem zugeordneten zweiten Arbeitszylinders verbunden.
  • Die oben erwähnte gasleitende Verbindung (in den Figuren als Gasleitung mit Bezugszeichen 18, 18A bzw. 18B bezeichnet) zwischen Gasräumen kann für beide Alternativen auch dadurch realisiert werden, dass die Gasräume direkt aneinander gasleitend angrenzen, ohne dass zwischen diesen ein zusätzlich bereitgestellter Leitungsabschnitt vorgesehen ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Doppelzylinder-Stirling-Motor und insbesondere dessen Drehwelle schwungradfrei ausgestaltet Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Vermeidung bewegter Massen und reduziert die für eine Betriebsfähigkeit des Stirling-Motors erforderliche obere Temperatur bzw. erforderliche Temperaturdifferenz.
  • Gemäß einer weiteren Ausbildung ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor als Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motor ausgebildet und dann auch zur Erzeugung von Rotationsenergie fähig, wenn die Temperatur des heißen Bereichs aus einem Temperaturbereich zwischen 80°C und 140°C und/oder unterhalb von 120°C, insbesondere 100°C liegt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch einen Mehrzylinder-Stirling-Motor gelöst, der aus einer Mehrzahl von n, wobei n mindestens zwei ist, der zuvor erläuterten Doppelzylinder-Stirling-Motoren zusammengesetzt ist.
  • Bevorzugt ist es, wenn die jeweiligen Drehwellen der einzelnen Doppelzylinder-Stirling-Motoren der den Mehrzylinder-Stirling-Motor bildenden Mehrzahl durch eine Gesamtdrehwelle ausgebildet sind. Die Gesamtdrehwelle kann einstückig ausgebildet sein oder kann auch mehrstückig ausgebildet sein, vorausgesetzt, dass die mehreren Teilstücke mechanisch miteinander verbunden sind. Ferner sind zu einem Vergleichszeitpunkt die jeweiligen Auslenkungen der Verdrängungskolben zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils um 1/n, also den Kehrwert der Zahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren, die den Mehrzylinder-Stirling-Motor bilden, des Hubwegs der Verdrängungskolben zueinander versetzt bzw. haben einen Taktversatz von 180/n. Grad bezüglich der Bewegung der Verdrängungskolben zueinander. Dadurch kann ein besonders gleichmäßiger Betrieb des Mehrzylinder-Stirling-Motors und somit ein besonders effizienter Betrieb des Motors erreicht werden.
  • Der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor kann folglich als Vierzylinder-Stirling-Motor, Sechszylinder-Stirling-Motor, Achtzylinder-Stirling-Motor, Zehnzylinder-Stirling-Motor, usw. ausgebildet sein.
  • Der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor kann ferner so ausgebildet sein, dass die Gelenkeinrichtungen zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle, die wie oben erläutert ausgebildet sein kann, um 180/n Grad zueinander angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind. Durch diese Anordnung und Ausbildung der Gelenkeinrichtungen können die Reibungsverluste und die bewegten Massen reduziert werden, und ferner wird ein besonders gleichmäßiger Motorbetrieb ermöglicht.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Realisierung des Mehrzylinder-Stirling-Motors ist dieser als Vierzylinder-Stirling-Motor durch eine mechanisch gekoppelte Anordnung von zwei der oben erläuterten erfindungsgemäßen Zweizylinder-Stirling-Motoren ausgebildet. Dabei ist eine Auslenkung der Verdrängungskolben des ersten Doppelzylinder-Stirling-Motors zu einer Auslenkung der Verdrängungskolben des zweiten Doppelzylin-der-Stirling-Motors um einen halben Hubweg der Verdrängungskolben versetzt bzw. hat einen Taktversatz von 90 Grad. Ferner sind die Gelenkeinrichtungen der zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 90 Grad zueinander versetzt angebracht und sind von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, angebracht. Der erfindungsgemäße Vierzylinder-Stirling-Motor stellt einen sehr guten Kompromiss zwischen der Anzahl der verwendeten Zylinder, dem Materialaufwand und dem gleichmäßigen Betrieb bzw. Lauf des Stirling-Motors bereit.
  • Der Mehrzylinder-Stirling-Motor ist als Platten-Stirling-Motor ausgebildet, wobei bevorzugt eine Mehrzahl räumlich benachbarter heißer Bereiche (12A, 12C; 12B, 12D) bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet ist und/oder eine Mehrzahl räumlich benachbarter kalter Bereiche (13A, 13C; 13B, 13D) bevorzugt als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet ist.
  • Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Mehrzylinder-Stirling-Motor und insbesondere dessen Gesamtdrehwelle schwungradfrei ausgestaltet, so dass die bewegten Massen auf ein Minimum reduziert sind.
  • Wie eingangs erwähnt ist eine Ausführungsform des Doppelzylinder-Stirling-Motors besonders bevorzugt, bei welchem sich die beiden Verdrängerzylinder des Doppelzylinder-Stirling-Motors einen heißen Bereich oder einen kalten Bereich teilen, d.h. einen gemeinsamen heißen oder kalten Bereich aufweisen. Eine solche Ausführungsform eines Doppelzylinder-Stirling-Motors bzw. mindestes zwei, vorzugsweise mehr als zwei solcher Doppelzylinder-Sirling-Motoren werden in Weiterbildung der Erfindung zu einem (Mehr- als -zwei-Zylinder) Mehrzylinder-Stirling-Motor kombiniert. Hierzu gibt es wiederum unterschiedliche Möglichkeiten.
  • So ist es beispielsweise möglich zwei solcher, jeweils einen gemeinsamen heißen oder einen gemeinsamen kalten Bereich aufweisende Doppelzylinder-Stirling-Motoren entlang der Längserstreckung der Verdrängerachse anzuordnen und den (sämtliche) Kolben dieser beiden Doppelzylinder-Stirling-Motoren eine gemeinsame Verdrängungsachse und eine gemeinsame starre Kolbenstange zuzuordnen. Bevorzugt ist den auf diese Weise gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren eine gemeinsame Bewegungsumsetzeinrichtung zugeordnet, die bei Bedarf, in einem Bereich zwischen den über die gemeinsame Kolbenstange gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren angeordnet sein kann. Besonders bevorzugt ist es nun, wenn die auf die zuvor beschriebene Weise gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen, doppelt wirkenden Arbeitszylinder aufweisen, dem bevorzugt die gemeinsame Bewegungsumsetzeinrichtung zugeordnet ist. Alternativ ist es möglich, zwei separate Arbeitszylinder vorzusehen, wobei bevorzugt jeder dieser Arbeitszylinder an beide, wie zuvor beschrieben gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren über entsprechende Gasleitungen angeschlossen ist.
  • Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren derart angeordnet sind, dass diese unmittelbar einander angrenzen, derart, dass sie sich einen heißen Bereich oder einen kalten Bereich teilen. Auch ist es möglich, mehr als zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren auf diese Weise in Reihe nebeneinander anzuordnen, wobei bevorzugt die jeweils aneinander angrenzenden Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen heißen - oder alternativ kalten Bereich aufweisen. Sämtliche Kolben der so angeordneten Doppelzylinder-Stirling-Motoren sind über eine gemeinsame starre und sich in Richtung der gemeinsamen Verdrängerachse erstreckende Kolbenstange miteinander verbunden und bewegen sich somit gleichförmig hin und her. Auch hier ist es möglich und bevorzugt, sämtliche in der wie zuvor beschrieben gekoppelten, d.h. paketweise bzw. gestapelt angeordneten Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen doppelt wirkenden Arbeitszylinder zuzuordnen oder alternativ zwei separate, einfach wirkende Arbeitszylinder, wobei der doppelt wirkende Arbeitszylinder über entsprechende Gasleitungen bevorzugt mit sämtlichen Verdrängungszylindern der Doppelzylinder-Stirling-Motoren verbunden ist. Für den Fall des Vorsehens von zwei separaten, einfach wirkenden Arbeitszylindern ist jeder der Arbeitszylinder mit der Hälfte der Verdrängungszylinder gasleitend verbunden.
  • Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Elektroenergie Erzeugungssystem bereit mit einem Mehrzylinder-Stirling-Motoren und einen an die Drehwelle bzw. Gesamtdrehwelle des Stirling-Motors gekoppelten Elektrogenerator zur Umwandlung der Rotationsenergie der Welle des Stirling-Motors in elektrische Energie. Dadurch kann ein besonders effizientes Elektroenergie-Erzeugungssystem realisiert werden, das Wärmeenergie mit Hilfe eines Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motors in elektrische Energie umwandelt.
  • In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus mindestens zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
  • Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
  • Im Folgenden werden zur weiteren Darstellung des Kontextes der Erfindung und ihrer Ausführungsformen die beigefügten Figuren erläutert, in denen
    • Fig. 1A:
    eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Stirling-Motors (nicht beansprucht) zeigt, der als Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung dient;
    Fig. 1B:
    eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Stirling-Motors (nicht beansprucht) zeigt, der als Weiterentwicklung des in Fig. 1A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors als verbesserter Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung dient;
    Fig. 2A-2D:
    eine Abfolge von vier Arbeitstakten eines Arbeitszyklus des in Fig. 1B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors veranschaulichen;
    Fig. 3:
    eine Ausführungsform (nicht beansprucht) eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß der ersten Alternative zeigt;
    Fig. 4:
    eine Ausführungsform (nicht beansprucht) eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß der zweiten Alternative zeigt;
    Fig. 5:
    eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines VierzylinderStirling-Motors zeigt,
    Fig. 6:
    eine alternative Ausführungsform (nicht beansprucht) eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß der ersten Alternative, wobei sich die beiden Verdrängerzylinder einen heißen Bereich teilen, d.h. einen gemeinsamen heißen Bereich aufweisen,
    Fig. 7:
    eine alternative Ausführungsform (nicht beansprucht)eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß der zweiten Alternative, wobei hier die separaten, einfach wirkenden Arbeitszylinder nebeneinanderangeordnet sind,
    Fig. 8:
    eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines VierzylinderStirling-Motors, bei der die Doppelzylinder-Stirling-Motoren über eine gemeinsame Kolbenstange verfügen, die sämtliche Kolben starr miteinander verbindet und wobei die gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich aufweisen, und
    Fig. 9:
    eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Vierzylinder-Stirling-Motors in Paket-Bauweise, bei dem zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren unmittelbar aneinander angrenzen und sich einen gemeinsamen kalten Bereich teilen.
  • In Fig. 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen nicht erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß der ersten Alternative gezeigt. In Fig. 3 bezeichnen dieselben oder ähnliche Bezugszeichen, die bereits zur Erläuterung der Fig. 1 verwendet worden sind, dieselben oder ähnliche Komponenten wie in Fig. 1.
  • Der in Fig. 3 gezeigte Doppelzylinder-Stirling-Motor umfasst zwei Verdrängungszylinder 10A und 10B. Der Verdrängungszylinder 10A hat einen heißen Bereich 12A, einen kalten Bereich 13A und einen zwischen diesen Bereichen 12A und 13A entlang einer gemeinsamen Verdrängungsachse 41 bewegbaren Verdrängungskolben 11A. Entsprechendes gilt für den zweiten Verdrängungszylinder 10B, wobei die weiteren Komponenten mit dem Buchstaben B für den zweiten Verdrängungszylinder anstelle des zuvor bezüglich des ersten Verdrängungszylinders 10A verwendeten Buchstabens A gelten.
  • Die Verdrängungskolben 11A und 11B sind durch eine entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbare starre Kolbenstange 40 miteinander gekoppelt. Die Verdrängungszylinder 10A, 10B liegen sich spiegelbildlich gegenüber, und zwar bezogen auf eine gedachte Spiegelebene, die senkrecht von dem Verdrängungskolben 11A sowie der Verdrängungsachse 41 durchsetzt ist. Die Kolbenstange 40 ist durch zwei Lager 29A und 29B beweglich gelagert und gegenüber dem Gasraum 15A bzw. 15B arbeitsgasundurchlässig abgedichtet. Ferner ist der gemeinsame Arbeitszylinder 20 mit einem Arbeitskolben 21, der entlang einer Arbeitsachse 25 bewegbar ist, wie in Fig. 3 gezeigt, gemäß der ersten Alternative der Erfindung versehen. Eine lineare bzw. translatorische Bewegung des Arbeitskolbens 21 wird über eine Arbeitskolbenstange 22 an ein damit verbundenes Arbeitskolbenpleuel 23 weitergegeben, das an seinem anderen Ende mit einer Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden ist, die radial exzentrisch an einem Kurbelrad 37 angebracht ist. Das Kurbelrad 37 ist mit der Drehwelle des Doppelzylinder-Stirling-Motors mechanisch verbunden.
  • Die Kolbenstange 40 ist mit einem von dieser radial abstehenden Fortsatz 32 versehen, an dessen radial abstehenden Ende ein Pleuel 34 drehbar gelagert ist. Das andere Ende des Pleuels 34 ist an der Gelenkeinrichtung 33 drehbar befestigt. Der Fortsatz 32, insbesondere das Pleuel 34 und die Gelenkeinrichtung 33, hier durch eine Kurbel verkörpert, bilden die Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln der Bewegung der Kolbenstange 40 und der Drehbewegung der Drehwelle. Die Bewegungsumsetzeinrichtung wird hingegen durch die Arbeitskolbenstange 22, insbesondere das daran drehbar angebrachte Pleuel 23 und die Gelenkeinrichtung 33 verkörpert.
  • Wie in Fig. 3 veranschaulicht, ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor, insbesondere bei Gruppierung von mindestens zwei Doppelzylindern, nur mit einem Kurbelrad 37 aber nicht mit einem Schwungrad (zum Vergleich siehe Bezugszeichen 38 in Fig. 1) versehen. Die Drehachse der Drehwelle ist mit dem Bezugszeichen 39 bezeichnet.
  • Der gemeinsame Arbeitszylinder 20 weist zwei durch den Arbeitskolben 21 räumlich getrennte Gasräume 24A und 24B auf. Der Gasraum 24A des Arbeitszylinders 20 ist über eine Gasleitung 18A gasleitend mit einem Gasraum 15A des ersten Verdrängungszylinders 10A verbunden, die zusammen einen nach außen abgeschlossenen Raum aufspannen, in dem eine dem ersten Verdrängungszylinder 10A zugeordnete Arbeitsgasmenge nach außen unentweichbar eingeschlossen ist. Der zweite Gasraum 24B des Arbeitszylinders 20 ist über eine Gasleitung 18B mit einem Gasraum 15B des zweiten Verdrängungszylinders 10B verbunden. In dem zweiten Gasraum 24B des Arbeitskolbens 21, der zweiten Gasleitung 18B und dem zweiten Gasraum 15B des zweiten Verdrängungszylinders 10B ist eine zweite Arbeitsgasmenge nach außen unentweichbar eingeschlossen.
  • Das Pleuel 34 und das Pleuel 23 sind an derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung 33 drehbar angebracht. Die Verdrängungsachse 41 und die Arbeitsachse 25 sind senkrecht zu der Drehachse 39 der Drehwelle ausgerichtet.
  • Zwischen dem ersten Verdrängungskolben 11A und der Innenwand des ersten Verdrängungszylinders 10A ist ein Spalt 17A bereitgestellt. Auch zwischen dem zweiten Verdrängungskolben 11B des zweiten Verdrängungszylinders 10B ist ein Spalt 17B bereitgestellt. Die in Fig. 3 abgebildeten Spalte 17A und 17B stellen den zuvor erwähnten Arbeitsgasdurchlass dar, wurden aus Gründen einer vereinfachten Darstellung lediglich als Spalte dargestellt, und können allgemein erfindungsgemäß, wie bereits zuvor erwähnt, durch einen mit Durchlässen von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich versehenen Verdrängungskolben, eine Bereitstellung eines Spaltes zwischen dem Verdrängungskolben und der Innenwand des Verdrängungszylinders, eine Arbeitsgas-Bypass-Leitung zum Umlenken einer in dem Raum zwischen dem heißen Bereich und dem Verdrängungskolben aufgenommenen Arbeitgasmenge um den Verdrängungskolben herum, also auf die andere Seite des Verdrängungskolbens, zu dem Raum zwischen dem Verdrängungskolben und dem kalten Bereich und in umgekehrter Richtung, oder durch eine beliebige Kombination davon realisiert sein. Bei einer Realisierung der Arbeitsgasdurchlässe als Spalte sind diese relativ eng ausgebildet, und ferner ist der jeweilige Verdrängungskolben mit Durchlässen versehen und als Regenerator ausgebildet (bevorzugt sind die Durchlässe dazu mit einem Material, bevorzugt Stahlwolle, verfüllt), so dass der Großteil der verdrängten Arbeitsgasmenge durch den Verdrängungskolben hindurch auf die andere Seite des Verdrängungskolbens gelangt und nur ein, bevorzugt um mindestens eine Größenordnung, kleinerer Teil der verdrängten Arbeitsgasmenge durch den Spalt auf die die andere Seite des Verdrängungskolbens gelangt. Die Erläuterungen dieses Absatzes bezüglich der in Fig. 3 dargestellten Spalte gelten auch für die in den anderen Figuren dargestellten Spalte.
  • In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen nicht erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß der zweiten Alternative veranschaulicht. Bezüglich der Erläuterung von Fig. 4 wird zur Vermeidung einer redundanten Erläuterung nur auf die von Fig. 3 unterschiedlichen Merkmale der Fig. 4 eingegangen.
  • Anders als bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform gemäß der ersten Alternative umfasst der in Fig. 4 beispielhaft veranschaulichte Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß der zweiten Alternative zwei räumlich getrennte Arbeitszylinder 20A und 20B. In dem ersten Arbeitszylinder 20A ist ein erster Arbeitskolben 21A entlang der Arbeitsachse 25 bewegbar. Der Arbeitskolben 21A ist über eine Arbeitskolbenstange 22A mit einem Pleuel 23A drehbar verbunden, das wiederum an einer Gelenkeinrichtung 33 drehbar angebracht ist. Der zweite Arbeitszylinder 20B umfasst einen zweiten Arbeitskolben 21B, der über eine Arbeitskolbenstange 22B mit einem Pleuel 23B drehbar verbunden ist, das wiederum mit der Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden ist.
  • Im Gegensatz zu der in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform sind bei der in Fig. 4 gezeigten nicht beanspruchten Ausführungsform insgesamt drei Pleuel 34, 23A und 23B mit der Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden. Die Gelenkeinrichtung 33 ist als Kurbel ausgebildet und radial exzentrisch an einem Kurbelrad 37 angebracht, das mechanisch mit der um die Drehachse 39 drehbaren Drehwelle verbunden ist.
  • Fig. 5 veranschaulicht beispielhaft einen erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motor, der aus zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren für einen erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor zusammengesetzt ist. In Fig. 5 bezeichnen die bereits bezüglich Fig. 3 und Fig. 4 erläuterten Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Komponenten, so dass zur Vermeidung einer redundanten Erläuterung im Folgenden nur wesentliche Unterschiede bzw. Fortbildungen der Ausführungsform gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erläutert werden sollen.
  • Der in Fig. 5 gezeigte Vierzylinder-Stirling-Motor umfasst eine Kolbenstange 40AB (entlang einer ersten Verdrängungsachse 41AB), an deren Enden jeweils ein Verdrängungskolben 11A bzw. 11B angebracht ist, und eine Kolbenstange 40CD (entlang einer zweiten Verdrängungsachse 41CD), an deren Enden jeweils ein Verdrängungskolben 11C bzw. 11D angebracht ist. Die Auslenkung des Verdrängungskolbens 11A ist zu jedem Zeitpunkt um die Hälfte des Hubwegs des Verdrängungskolbens 11A relativ zu der Auslenkung des Verdrängungskolbens 11C versetzt. Entsprechendes gilt für die Auslenkungen bezüglich der Verdrängungskolbens 11B und 11D.
  • Ein heißer Bereich 12A des ersten Verdrängungszylinders 10A und ein heißer Bereich 12C des räumlich zu dem ersten Verlängerungszylinder 10A räumlich benachbarten Verdrängungszylinders 10C sind bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet, wie auch die heißen Bereiche 12B und 12D bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet sind. Entsprechendes gilt für die kalten Bereiche 13A und 13B, die bevorzugt als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet sind bzw. für die kalten Bereiche 13B und 13D, die bevorzugt als eine weitere kalte Platte ausgebildet sind.
  • An den jeweiligen Enden einer Gesamtdrehwelle 36 ist jeweils ein Kurbelrad 37AB bzw. 37CD zentrisch fixiert. An dem Kurbelrad 37AB ist radial exzentrisch eine Gelenkeinrichtung 33AB angebracht, deren Bewegung über ein Pleuel 34AB an die Kolbenstange 40AB gekoppelt wird. Entsprechendes gilt für das Kurbelrad 37CD und eine dieser zugeordneten Gelenkeinrichtung 34CD und die Kolbenstange 40CD. Anstelle der zuvor beschriebenen Gesamtdrehwelle mit den Kurbelrädern kann auch eine Kurbelwelle vorgesehen sein.
  • Zu besseren Übersichtlichkeit sind die Arbeitskolben des erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motors in Fig. 5 nicht dargestellt. Die Erfindung sieht verschiedene Ausführungsformen bezüglich der Anzahl und der Anordnung der Arbeitszylinder vor. Für die Verdrängungszylinder 10A und 10B kann ein gemeinsamer Arbeitszylinder vorgesehen sein, oder für jeden dieser Verdrängungszylinder kann ein separater Arbeitszylinder vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für die Verdrängungszylinder 10C und 10D. Die Erfindung umfasst auch einen Vierzylinder-Stirling-Motor, bei dem für zwei Verdrängungszylinder einer Doppelzylinder-Anordnung ein gemeinsamer Arbeitszylinder und für die zwei anderen Verdrängungszylinder jeweils ein separater Arbeitszylinder vorgesehen ist. Bei einer Ausführungsform des Vierzylinder-Stirling-Motors mit zwei gemeinsamen Arbeitszylindern sind diese bevorzugt in gleicher oder entgegengesetzter Richtung zueinander angeordnet. Die Arbeitskolben des erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motors sind so angeordnet und mechanisch mit den Verdrängungskolben gekoppelt, dass während des Betriebs des Vierzylinder-Stirling-Motors ständig mindestens einer der Arbeitskolben Arbeit verrichtet. Deshalb benötigt der Vierzylinder-Stirling-Motor kein Schwungrad.
  • Die Verdrängungsachsen 41AB und 41CD, entlang derer die Kolbenstangen 40AB bzw. 40CD auslenkbar bzw. bewegbar sind, sind parallel zueinander und senkrecht zu der Drehachse 39 der Gesamtdrehwelle 36 ausgerichtet.
  • Wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt, sind gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Vierzylinder-Stirling-Motors die Verdrängungskolben bevorzugt entlang horizontal ausgerichteter Verdrängungsachsen bewegbar und/oder sind die Arbeitskolben bevorzugt entlang vertikal ausgerichteter Arbeitsachsen bewegbar. Die dieser bevorzugten Ausführungsform zugrunde liegende Ausrichtung der Verdrängungszylinder und/oder Arbeitszylinder gilt erfindungsgemäß auch für Stirling-Motoren, die aus mehr als zwei der erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motoren zusammengesetzt sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor als Sternmotor so ausgebildet, dass mindestens zwei Paare von einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern, also mindestens zwei Doppelzylinder, um eine Umfangsrichtung der, sich bevorzugt vertikal erstreckenden, Gesamtdrehwelle zueinander, bevorzugt in einem selben Winkel, versetzt angeordnet sind. Die Ausbildung als Sternmotor ermöglicht eine besonders vorteilhafte Anordnung der Gesamtdrehwelle und der bewegten Kolben des Mehrzylinder-Stirling-Motors, da somit die Auswirkungen der Gewichtskraft der bewegten Teile des Mehrzylinder-Stirling-Motors reduziert werden können.
  • Im Folgenden werden weitere alternative Bauweisen von Doppel- und Mehrzylinder-Stirling-Motoren beschrieben, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu den vorstehend erläuterten und in den zugehörigen Figuren gezeigten Ausführungsvarianten eingegangen wird. Im Hinblick auf die Gemeinsamkeiten wird auf die vorstehende Figurenbeschreibung und die zugehörigen Figuren verwiesen.
  • Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen nicht erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3. Zu erkennen ist, dass die beiden Verdrängungszylinder 10A, 10B einen gemeinsamen doppelt wirkenden Arbeitszylinder 20 versorgen bzw. mit diesem über Gasleitungen 18A, 18B verbunden sind.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weist jeder der Verdrängungszylinder 10A, 10B einen eigenen heißen Bereich 12A, 12B und einen eigenen kalten Bereich 13A, 13B auf. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bilden jedoch die mit den Bezugszeichen 12A, 12B gekennzeichneten Heiz- bzw. Plattenabschnitte einen gemeinsamen heißen Bereich aus, der gebildet werden kann von zwei aneinander festgelegten heißen Platten oder einer gemeinsamen heißen Platte. Wesentlich ist, dass der gemeinsame heiße Bereich beide Verdrängungszylinder 10A, 10B mit Wärme versorgt. Zu erkennen ist, dass der gemeinsame heiße Bereich durchsetzt ist von der die beiden Verdrängungskolben 11A, 11B fest miteinander verbindenden gemeinsamen Kolbenstange 40. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 befindet sich die Bewegungsumsetzeinrichtung benachbart zu beiden Verdrängungszylindern 10A, 10B und nicht zwischen diesen.
  • Das Ausführungsbeispiel eines Doppelzylinder-Stirling-Motors für einen nicht erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Fig. 7 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4. Zu erkennen sind auch hier zwei einfach wirkende Arbeitszylinder, die jeweils über eine Gasleitung 18A bzw. 18B mit einem der Verdrängungszylinder 10A, 10B gasleitend verbunden sind. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind die Arbeitszylinder nicht bezogen auf die Verdrängungsachse 41 einander gegenüberliegend angeordnet, sondern befinden sich auf derselben Seite der Verdrängungsachse 41 bzw. einer diese aufnehmenden Ebene, welche sich zudem senkrecht zu einer Spiegelebene erstreckt, zu der die Verdrängungszylinder 10A, 10B spiegel-symmetrisch angeordnet sind. Die Arbeitszylinder 20A, 20B befinden sich entlang der Verdrängungsachse 41 nebeneinander und befinden sich gleichlaufend entlang paralleler, unmittelbar nebeneinander angeordneter Arbeitsachsen 25A, 25B.
  • Die erfindungsgemäße Ausführungsform eines Mehrzylinder-Stirling-Motors, konkret eines Vierzylinder-Stirling-Motors gemäß Fig. 8, zeigt zwei über eine gemeinsame starre Kolbenstange 40 miteinander verbundene Doppelzylinder-Stirling-Motoren, die jeweils aufgebaut sind, wie in Fig. 6 gezeigt. Lediglich beispielhaft befindet sich die Bewegungsumsetzeinrichtung zwischen den gekoppelten Doppel-Stirling-Motoren, kann alternativ auch seitlich versetzt zu beiden angeordnet sein. Zu erkennen ist, dass sich die Doppelzylinder-Stirling-Motoren dadurch auszeichnen, dass diese sich jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich teilen - alternativ ist es möglich, dass sich beide einen kalten Bereich teilen. Ein wesentlicher Vorteil ist bei dem gezeigten Mehrzylinder-Stirling-Motor, dass sich sämtliche Verdrängungszylinder 10A, 10B, 10C, 10D einen gemeinsamen, doppelt wirksamen Arbeitszylinder 20 teilen - konkret sind hierzu die in die gleiche Richtung orientierten Verdrängungszylinder 10A, 10D über jeweils eine Gasleitung 18A, 18D mit einem gemeinsamen Gasraum 24A verbunden und die anderen beiden Verdrängungszylinder 10b und 10c über jeweils eine Gasleitung 18B, 18C mit dem gegenüberliegenden, gemeinsamen Gasraum 24B des gemeinsamen Arbeitszylinders 20. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist alternativ auch mit separaten, einfach wirkenden Arbeitszylindern 20 realisierbar. Grundsätzlich ist der gezeigte Mehrzylinder-Stirling-Motor skalierbar, insbesondere analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5, indem jeweils zwei oder mehr über jeweils eine gemeinsame Kolbenstange gekoppelte Doppelzylinder-Stirling-Motoren entlang der (gemeinsamen) Drehachse 39 nebeneinander angeordnet sind und die gemeinsame Drehachse 39 antreiben.
  • In Fig. 9 ist eine alternative erfindungsgemäße Ausführungsform eines Mehrzylinder-Stirling-Motors gezeigt, der hier beispielhaft als Vierzylinder-Stirling-Motor ausgebildet ist, jedoch im Grunde beliebig um weitere Doppelzylinder-Stirling-Motoren erweiterbar ist. Zu erkennen ist eine Paket-Bauweise. Zu erkennen ist, dass die beiden entlang der gemeinsamen Kolbenstange 40 angeordneten Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen kalten Bereich 13B, 13C aufweisen. Zusätzlich, jedoch rein fakultativ (und bevorzugt) weisen die Doppelzylinder-Stirling-Motoren an sich jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich 12A, 12B bzw. 12C bzw. 12D auf. Die beiden gemeinsamen heißen Bereiche und der gemeinsame kalte Bereich der Doppelzylinder-Stirling-Motoren ist durchsetzt von der gemeinsamen Kolbenstange 40, die wiederum sämtliche Verdrängungskolben 11A, 11B, 11C, 11D starr miteinander verbindet. Sämtlichen Doppelzylinder-Stirling-Motoren ist ein gemeinsamer (doppelt wirkender) Arbeitszylinder 20 zugeordnet, wobei auch hier alternativ mit separaten, jeweils einfach wirkenden Arbeitszylindern gearbeitet werden kann. Die Bewegungsumsetzeinrichtung befindet sich nicht zwischen den miteinander gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren sondern seitlich benachbart zu diesen, verbunden über die gemeinsame Kolbenstange 40. Auch der in Fig. 9 gezeigte Aufbau eines Mehrzylinder-Stirling-Motors ist skalierbar, analog wie zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 7 und 8 beschrieben.

Claims (18)

  1. Mehrzylinder-Stirling-Motor mit mindestens zwei, jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich oder einen gemeinsamen kalten Bereich aufweisenden, Doppelzylinder-Stirling-Motoren, jeweils mit
    einem Paar von einander spiegelsymmetrisch bezogen auf eine sich senkrecht zu einer Verdrängungsachse (41) erstreckenden Spiegelebene gegenüberliegenden Verdrängungszylindern (10A, 10B; 10C, 10D), wobei jeder der Verdrängungszylinder einen eine heiße Platte aufweisenden heißen Bereich (12A, 12B; 12C, 12D), einen eine kalte Platte aufweisenden kalten Bereich (13A, 13B; 13C, 13D), und einen zwischen diesen Bereichen entlang der Verdrängungsachse (41) bewegbaren Verdrängungskolben (11A, 11B, 11C, 11D) aufweist,
    mindestens einem Arbeitszylinder (20; 20A, 20B), wobei jedem Verdrängungszylinder ein Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben (21; 21A, 21B) zugeordnet ist, der durch eine in dem Verdrängungszylinder bewirkbare Druckänderung eines Arbeitsgases entlang einer Arbeitsachse (25) bewegbar ist,
    einer Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33; bzw. 22A, 22B, 23A, 23B, 33) zum Umsetzen einer Bewegung des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsachse (25) in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Doppelzylinder-Stirling-Motors um eine Drehachse (39) der Drehwelle,
    einer Kopplungseinrichtung (32, 34, 33) zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der starren Kolbenstange (40) entlang der Verdrängungsachse (41) und der Drehbewegung der Drehwelle, wobei die Verdrängungskolben jedes Paares von Verdrängungszylindern (10A, 10B; 10C, 10D) durch eine entlang der als gemeinsame Verdrängungsachse (41) der Verdrängungskolben (11A, 11B, 11C, 11D) des Paares ausgebildete Verdrängungsachse (41) bewegbare starre Kolbenstange (40) miteinander mechanisch gekoppelt sind, über die auch die mindestens zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren entlang der gemeinsamen Verdrängungsachse gekoppelt sind, wobei diese Kolbenstange (40) die gemeinsamen heißen oder kalten Bereiche durchsetzt und wobei
    gemäß einer ersten Alternative beiden Verdrängungszylindern der Doppelzylinder-Stirling-Motoren ein gemeinsamer Arbeitszylinder (20), und bevorzugt die Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33), zugeordnet ist, oder
    gemäß einer zweiten Alternative beiden Verdrängungszylindern der Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils ein separater Arbeitszylinder (20A, 20B) zugeordnet ist, und die Bewegungsumsetzeinrichtung (22A, 22B, 23A, 23B, 33) ferner zum Umsetzen der Bewegungen der beiden Arbeitszylinder entlang der Arbeitsachse in die Drehbewegung der Drehwelle ausgebildet ist.
  2. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kopplungseinrichtung ein Pleuel (34) umfasst, das die Kolbenstange (40) mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppelt, und/oder dass gemäß der ersten Alternative die Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33) ein Pleuel (23) umfasst, das den gemeinsamen Arbeitskolben (21) mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppelt, oder dass gemäß der zweiten Alternative die Bewegungsumsetzeinrichtung (22A, 22B, 23A, 23B, 33) zwei Pleuel (23A, 23B) umfasst, die jeweils einen unterschiedlichen der beiden Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppeln.
  3. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Pleuel (34) der Kopplungseinrichtung und das/die Pleuel (23; 23A, 23B) der Bewegungsumsetzeinrichtung mit derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, zur mechanischen Kopplung verbunden sind.
  4. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verdrängungsachse (41) und die Arbeitsachse (25) senkrecht zu der Drehachse (39) der Drehwelle ausgerichtet sind.
  5. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Doppelzylinder-Stirling-Motoren für einen Einsatz von Helium als das Arbeitsgas ausgebildet sind bzw. mit Helium als das Arbeitsgas ausgestattet sind, und/oder dass die Verdrängungskolben als Regenerator ausgebildet sind.
  6. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass gemäß der ersten Alternative der gemeinsame Arbeitszylinder (20) zwei durch den Arbeitskolben (21) räumlich getrennte Gasräume (24A, 24B) aufweist, die jeweils gasleitend mit einem Gasraum (15A, 15B) eines unterschiedlichen der Verdrängungszylinder verbunden sind, oder dass gemäß der zweiten Alternative jeweilige Gasräume (15A, 15B) der Verdrängungszylinder gasleitend mit einem jeweiligen Gasraum (24A, 24B) des zugeordneten Arbeitszylinders verbunden sind.
  7. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Doppelzylinder-Stirling-Motoren, insbesondere deren Drehwelle, schwungradfrei ausgestaltet ist.
  8. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stirling-Motor als Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motor ausgebildet ist und auch dann zur Erzeugung von Rotationsenergie fähig ist, wenn die Temperatur des heißen Bereiches aus einem Wertebereich zwischen 80°C und 140°C gewählt ist und/oder unterhalb von 120 °C, insbesondere 100 °C, liegt.
  9. Mehrzylinder-Stirling-Motor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die jeweiligen Drehwellen der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren durch eine Gesamtdrehwelle (36) ausgebildet sind, und dass jeweilige Auslenkungen der Verdrängungskolben zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils um 1/n des Hubwegs der Verdrängungskolben zueinander versetzt sind bzw. einen Taktversatz von 180/n Grad zueinander haben.
  10. Mehrzylinder-Stirling-Motor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gelenkeinrichtungen zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 180/n Grad zueinander versetzt angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind.
  11. Mehrzylinder-Stirling-Motor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor durch einen ersten Doppelzylinder-Stirling-Motor und einen zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motor als ein Vierzylinder-Stirling-Motor ausgebildet ist, dass eine Auslenkung der Verdrängungskolben des ersten Doppelzylinder-Stirling-Motors zu einer Auslenkung der Verdrängungskolben des zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motors um einen halben Hubweg der Verdrängungskolben versetzt ist bzw. einen Taktversatz von 90 Grad hat, und dass die Gelenkeinrichtungen der zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 90 Grad zueinander versetzt angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind.
  12. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor als Platten-Stirling-Motor ausgebildet ist, wobei eine Mehrzahl räumlich benachbarter heißer Bereiche (12A, 12C; 12B, 12D) als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet ist und/oder eine Mehrzahl räumlich benachbarter kalter Bereiche (13A, 13C; 13B, 13D) als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet ist.
  13. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor, insbesondere dessen Gesamtdrehwelle, schwungradfrei ausgestaltet ist.
  14. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor als Sternmotor so ausgebildet ist, dass mindestens zwei Paare von einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern um eine Umfangsrichtung der, sich bevorzugt vertikal erstreckenden, Gesamtdrehwelle zueinander, bevorzugt in einem selben Winkel, versetzt angeordnet sind.
  15. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Doppelzylinder-Stirling-Motoren entweder, insbesondere über eine dazwischen angeordnete Bewegungsumsetzeinheit, voneinander beabstandet sind oder unmittelbar aneinandergrenzen.
  16. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren paketweise angeordnet sind und einen gemeinsamen kalten oder heißen Bereich aufweisen, der von der gemeinsamen Kolbenstange (40) durchsetzt ist, die sämtliche Verdrängungskolben der Doppelzylinder-Stirling-Motoren fest miteinander verbindet.
  17. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich mehrere der Doppelzylinder-Stirling-Motoren, bevorzugt sämtliche der Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen Arbeitszylinder (20) teilen.
  18. Elektroenergie-Erzeugungssystem mit einem Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche und einem an die Drehwelle des Mehrzylinder-Stirling-Motors gekoppelten Elektrogenerator zur Umwandlung der Rotationsenergie der Welle des Mehrzylinder-Stirling-Motors in elektrische Energie.
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