EP3290678A1 - Stirlingmaschine in alpha-konfiguration - Google Patents

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Publication number
EP3290678A1
EP3290678A1 EP17188599.9A EP17188599A EP3290678A1 EP 3290678 A1 EP3290678 A1 EP 3290678A1 EP 17188599 A EP17188599 A EP 17188599A EP 3290678 A1 EP3290678 A1 EP 3290678A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
crankshaft
cylinder
rocker arm
crank drive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17188599.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Frauscher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Frauscher Holding GmbH
Original Assignee
Frauscher Holding GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Frauscher Holding GmbH filed Critical Frauscher Holding GmbH
Publication of EP3290678A1 publication Critical patent/EP3290678A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F02G2244/02—Single-acting two piston engines
    • F02G2244/06—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type
    • F02G2244/08—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type having parallel cylinder, e.g. "Rider" 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/85—Crankshafts

Definitions

  • the embodiment described here relates to an improved version of a Stirling engine according to the Alpha principle.
  • Single acting Stirling machines according to the Alpha principle have been known for a long time. They consist of a compression cylinder and an expansion cylinder whose volumes are connected to heat exchangers. A parallel arrangement of the two cylinders as close to each other as possible in terms of space-saving design of the entire machine and with respect to optimal arrangement of the heat exchanger of advantage.
  • the object of the invention is therefore based on the improvement of a Stirling engine according to the Alpha principle, which can be made compact and allows compensation of the dynamic inertial forces moving piston masses in a simple manner.
  • the crank mechanism has a first rocker arm, which is rotatably mounted about a first axis, and a first piston pair.
  • a first piston and a second piston are arranged symmetrically to a median plane and mechanically coupled by connecting rods with a first rocker arm.
  • the crank mechanism further has a crankshaft, which is mechanically coupled by a connecting rod with the first rocker arm.
  • a balance shaft is mechanically coupled to the crankshaft such that the balancer shaft rotates synchronously and in the same direction as the crankshaft.
  • the gas volume below the pistons - also referred to as buffer volume - is subjected to the same mean pressure, so that the pistons only have to absorb the differential pressure between the respective process pressure and the pressure in the buffer volume.
  • the buffer space should therefore - in addition to the pressure-resistant design - provide the largest possible volume in order to keep the pressure oscillations generated by the piston bottoms and the associated adiabatic losses low. This inevitably leads to costly housing designs.
  • phase offset ⁇ between a compression space and the associated expansion space by the number n of the cylinder is fixed.
  • the relationship ⁇ 180-360 / n applies.
  • the phase angle should be adjusted as a function of the temperature ratio (ratio of heater temperature / cooler temperature) in order to achieve the highest possible efficiency of the machine. A free choice of the phase angle can be of great importance.
  • many designs allow a mass balance of the piston mass forces only with relatively high effort.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view (sectional plane normal to the axis of rotation of the crankshaft) of an embodiment of a Stirling engine, while Fig. 2 and 3 each represent longitudinal sections whose sectional planes (plane E1 and E2) are parallel to the axis of rotation of the crankshaft.
  • Fig. 2 and 3 shown longitudinal sections each show one of the two mentioned single-acting alpha-cylinder combinations.
  • the cross section in Fig. 1 shows essentially a crank mechanism of the Stirling engine, so the mechanical coupling of the piston and crankshaft.
  • a shaft (crankshaft 600, balance shaft 700), whose axes of rotation parallel to the cylinder planes E1 and E2 and perpendicular to the cylinder longitudinal axes (see FIG Fig. 2 and 3 , Longitudinal axes A1, A2, B1, B2).
  • the crankshaft 600 below the first pair of cylinders carries balancing masses for compensation of the free mass forces (inertial forces and moments) of the pistons of the first pair of cylinders (with cylinder longitudinal axes A1, A2).
  • the balancing shaft 700 under the second pair of cylinders carries balancing masses for compensation of the free mass forces of the piston of the second cylinder pair (cylinder longitudinal axes B1, B2).
  • the shafts 600, 700 rotate synchronously with each other with the same direction of rotation. This synchronization can be ensured for example via a slip-free chain or belt connection or via a gear transmission (with eg three gears).
  • the crankshaft 600 carries in the region of the extension of the cylinder longitudinal axes A1 and A2 each have a crank pin, on each of which a connecting rod acts on a pivotable rocker, at whose opposite ends connecting rods are articulated, which are each connected to the overlying piston.
  • a first of the crankpins of the crankshaft acts with a first connecting rod on a first rocker (see Fig. 1 and 2 , Crank pin 501, connecting rod 500, rocker 400), which are connected via the connecting rods with the compression piston (in the "cold" cylinders) the plane E1 and E2 operate (compression piston side) are coupled.
  • the second crankpin of the crankshaft interacts with the second connecting rod on a second rocker (see Fig. 2 , Crank pin 511, connecting rod 510, rocker 410), which are coupled via the connecting rods with the expansion piston of the plane E1 and E2 (expansion piston side).
  • crankshaft balancing masses (see Fig. 2 , Compensating masses 602, 622) attached, which can be adapted to the respective piston masses.
  • the crankshaft 600 In the region of the extension of the cylinder longitudinal axes A1, A2 in the plane E1 is the crankshaft 600 with balancing weights that can be matched to the respective piston masses.
  • the balance shaft 700 located in the region of the extension of the cylinder longitudinal axes B1, B2 in the plane E2, the balance shaft 700 with balancing weights that can be matched to the respective piston masses. All balancing weights are positioned on the respective shaft so that their centrifugal force acts opposite to the mass force of the respective piston. In the plane formed by the axes of rotation of the two shafts, the centrifugal forces cancel each other out.
  • a balance of the free inertia forces of the first order and a balance of the mass moments of first order is achieved.
  • the two compression pistons perform an exactly opposite stroke movement, the two expansion pistons as well. Therefore, the volume changes on the piston bottom cancel out completely. Therefore no harmful pressure oscillations occur in the buffer space, which allows complete freedom in the choice of the volume.
  • the piston strokes on the compression side can be selected independently of the piston strokes of the expansion side. There is no obstacle to an optimal, low-damage arrangement of the heat exchanger without the use of connecting channels.
  • the illustrated Stirling engine has four cylinders (not shown), in each of which a piston is arranged.
  • the cylinders or pistons are arranged in pairs, in the present example, two piston pairs in two parallel planes (planes E1 and E2) are arranged.
  • the plane in which a pair of pistons is arranged denotes that plane of the associated piston longitudinal axes are (see Fig. 2 Piston longitudinal axes A1, A2; Fig. 3 Piston longitudinal axes B1, B2).
  • Fig. 1 illustrated pistons 201 and 301 are the compression pistons in the "cold" cylinders on the compression piston side. These two pistons 201 and 301 are in Fig. 2 or 3 to the right.
  • a Stirling engine in alpha configuration is known per se and will therefore not be explained further.
  • this example is two coupled 2-cylinder Stirling engines in alpha configuration.
  • the first Stirling engine is powered by the in Fig. 2 illustrated piston / cylinder pair formed (compression piston 201, expansion piston 210).
  • the second Stirling engine is powered by the in Fig. 3 illustrated piston / cylinder pair formed (compression piston 301, expansion piston 310).
  • Fig. 1 shows the kinematic coupling of the two pairs of cylinders with the crankshaft 600 and the balance shaft 700.
  • the hot cylinders (with the expansion pistons) and the cold cylinders (with the compression pistons) are connected via a heat exchanger combination comprising heat exchangers H1 and H2 (heaters), regenerators R1 and R2 and coolers K1 and K2, respectively.
  • heat exchangers H1 and H2 heat exchangers
  • regenerators R1 and R2 regenerators
  • coolers K1 and K2 respectively.
  • the straight lines (piston longitudinal axes), along which the lifting movement of the pistons 201 and 301 take place, are denoted by A1 and A2 or B1 and B2.
  • the cylinders in which the pistons 201 and 301 (or 210 and 310) are guided, can be substantially symmetrical be arranged to a plane of symmetry S1.
  • the piston longitudinal axes A1, A2 (in plane E1) and B1, B2 (in plane E2) are thus also arranged symmetrically to the center plane S1 (plane of symmetry).
  • a symmetrical arrangement is not mandatory.
  • Fig. 1 are the distances of the planes E1 and E2 denoted by a 0 , wherein in a symmetrical arrangement, the distance between the plane of symmetry S1 and the two planes E1 and E1 is ao / 2 respectively.
  • FIG. 1 shows a situation in which the two pistons 201 and 301 (the compression cylinder) are located exactly in the middle between the top dead center and the bottom dead center.
  • the pistons of the second piston pair see Fig. 2 and 3 , Pistons 210 and 310) - in the case of the assumption of 90 degrees phase offset - at the bottom and top dead center.
  • the pistons 201 and 301 are coupled together by means of a rocker arm 400 (rocker), wherein the connecting rods 220 and 320 mechanically couple the pistons 201 and 301 to the rocker arm 400 so that the lifting movement of the pistons 201 and 301 into a rocking movement of the rocker arm 400 is transformed.
  • rocker arm 400 rocker
  • the rocker arm 400 is pivotally mounted about an axis of rotation 401 on the motor housing. That is, the position and the position of the rotation axis 401 relative to the motor housing is fixed (stationary rotation axis).
  • the rocker arm 400 may be constructed of two parallel cheeks, which are connected via pivot pins 402, 403 and 404. The two cheeks can be congruent.
  • the connecting rods 220 and 320 and the connecting rod 500 are hinged.
  • the longitudinal axes of the pivot pins also define the axis of rotation of the respective joint.
  • the connecting rod 220 connects the piston 201 with the pivot pin 402 of the rocker arm 400.
  • the connecting rod 320 connects the piston 301 with the pivot pin 403 of the rocker arm 400.
  • the rocker arm itself is mounted on a pivot pin 401 on the motor housing.
  • the axis of rotation 401 of the rocking movement of the rocker arm 400 lies in the plane of symmetry S1, wherein the pivot pins 402 and 403 are located on opposite sides of the plane of symmetry S1.
  • the distance between the axis of the pivot pin 402 and the rotation axis 401 is ai, and the distance between the axis of the pivot pin 403 and the rotation axis 401 is a 2 .
  • these distances a 1 and a 2 are the same in a symmetrical structure, but this need not necessarily be the case.
  • the distances a 1 and a 2 can also be chosen larger, so that a 1 + a 2 > a 0 holds, with the result that at the center position of the pistons 201 and 301, the connecting rods 220 and 320 symmetrical, but slightly inclined to the plane S1.
  • crankshaft rotation axis 601 the reciprocating motion of the pistons is transformed into a corresponding rocking motion of the rocker arm 400, the reciprocating motion of the pistons 201 and 301 being exactly opposite (ie one piston is at bottom dead center when the other is at top dead center).
  • the piston 201 leads the piston 301 by 180 ° before or after.
  • This rocking motion is transformed by means of the connecting rod 500 into a rotational movement of the crankshaft 600 (crankshaft rotation axis 601).
  • the connecting rod 500 is pivotally mounted at one end on the pivot pin 404 on the rocker arm 400, whereas the other end of the coupling rod 500 is rotatably mounted about a pin of the crankshaft 600 (rotational and longitudinal axis of the pin is designated 501).
  • the longitudinal axis 501 is parallel to the axis of rotation 601 of the crankshaft and thereby rotates at a defined distance about the axis of rotation 601.
  • the distance between the longitudinal axis of the pivot pin 404 and the axis of rotation 401 of the rocking motion is denoted by a 3 , wherein the distance a 3 in general different from the distances a 1 and a 2 .
  • the crankshaft 600 is arranged asymmetrically to the center plane S1.
  • the distance between the axis of rotation 601 of the crankshaft 600 and the center plane S1 is designated by r K.
  • the distance r K can be at least as great as the distance a 1 between piston longitudinal axis A1 to the center plane S1 (r K ⁇ ai).
  • Such an asymmetric arrangement of the crankshaft allows a compact construction of the engine.
  • a balance shaft 700 On the crankshaft 600 opposite side of the center plane S1, a balance shaft 700 may be arranged, whose axis of rotation is designated by 701.
  • the distance between the axis of rotation 701 of the balance shaft 700 and the center plane S1 is designated by r A.
  • the distance r A can be at least as great as the distance a 2 of the piston longitudinal axis 300 to the center plane S1 (r A ⁇ a 2 ).
  • r K r A.
  • the sum r K + r A does not necessarily have to be equal to the distance a 0 . but can also be chosen larger (r K + r A > a 0 ) to make the length of the connecting rod 500 larger (which also results in lower balancing weights).
  • the crankshaft 600 and the balancer shaft 700 are mechanically coupled so as to perform a rotational movement in the same direction.
  • this mechanical coupling is realized by means of a chain or a toothed belt 800, wherein one sprocket 801 is arranged on the crankshaft 600 and another sprocket 802 on the balancing shaft (see FIG Fig. 2 and 3 ).
  • the chain 800 is guided around the sprockets and thus enforces a synchronous and synchronous rotational movement of the two shafts 600 and 700. Therefore, in the present example, the radii of the two sprockets are the same because because of the synchronous running of the shafts 600 and 700, the gear ratio of the chain transmission. 1 : 1 is.
  • a chain can also be used any other gear, such as a belt drive (timing belt) or a gear transmission consisting of at least 3 gears.
  • Standard tensioning elements for chain and belt drives may be provided, but have been omitted in the figures so as not to complicate the illustration.
  • Both the crankshaft 600 and the balance shaft 700 have balancing weights 602, 622 and 702, 722, which lead to an imbalance of the respective shaft. That is, the centers of gravity 603 and 703 of the balancing masses are necessarily located at a distance from the actual axes of rotation 601 and 701.
  • the balancing weights 602 and 702 are dimensioned and arranged so that the inertial forces and moments occurring during operation due to the stroke of the piston (Oscillating masses) and the inertial forces and moments due to the rotational movement of the shafts 600 and 700 approximately compensate. In this context, it is said that the "free mass forces of the first order" are compensated (mass balance).
  • the rotating balancing mass 602 on the crankshaft 600 is dimensioned so that their free inertial forces (inertial forces) substantially compensate for the free mass forces of the oscillating mass of the piston 201 and the connecting rod 220.
  • the rotating balance mass 702 is dimensioned on the balance shaft 700 so that their free mass forces substantially compensate for the free mass forces of the oscillating mass of the piston 301 and the connecting rod 320.
  • the rotating balancing mass 602 can also oscillating Mass of the coupling rod 500 and the rotating mass of the pin 610 are taken into account.
  • the rotating balance mass 602 on the crankshaft 600 is dimensioned so that in addition to the free mass forces of the oscillating mass of the piston 201 and the connecting rod 220 and the free mass forces due to the pin 610 and the connecting rod 500 are approximately compensated.
  • the mass of the rocker arm 400 can also be taken into account.
  • Figures 2 and 3 are longitudinal views along the in Fig. 1 Plotted sectional planes AA and BB.
  • pistons 201 and 301 compression piston of the "cold” cylinder
  • Fig. 2 or 3 shown on the right.
  • the two pistons 210 and 310 expansion pistons of the "hot” cylinders
  • the cylinder axes A1, A2 and B1, B2 are each in the plane E1 and E2.
  • the expansion pistons 210 and 310 are coupled to the crankshaft 600 in the same manner as the compression pistons 201 and 210.
  • the expansion pistons 210 and 310 are connected via connecting rods 230 and 330 to another rocker arm 410, which in turn is connected by a connecting rod 510 the crankshaft 600 is coupled.
  • the pivot pin, via which the connecting rod 230 is articulated on the rocker arm 410, is denoted by 412 (see FIG Fig. 2 ).
  • the pivot pin, via which the connecting rod 330 is articulated on the rocker arm 410, is denoted by 413 (see FIG Fig. 3 ).
  • the pivot pins 412 and 413 correspond in function to the pivot pins 402 and 403 (see also FIG Fig. 1 ).
  • the rocker arm 410 can be constructed of two parallel cheeks, which are connected via the pivot pins 412, 413 and 414 (not shown). The two cheeks can be congruent.
  • the compensation mass 622 provided on the crankshaft 600 corresponds in its function to the balancing mass 602 and serves to compensate the free mass forces of the oscillating masses of the piston 210 and of the connecting rod 230.
  • the free mass forces due to the oscillating mass of the connecting rod 510 can also be taken into account.
  • the balancing mass 622 can be dimensioned differently from the balancing mass 602, since the expansion pistons 210 and 310 have a significantly higher mass due to their protective domes 211, 311.
  • the balance shaft 700 has a balancing mass 722 to compensate for the free mass forces due to the oscillating masses of the piston 310 and the associated connecting rod 330.
  • these balancing weights 602, 622 (see Fig. 2 ) and 702, 722 (see Fig. 3 ) can also be achieved structurally by "balancing" a balancing mass into two parts, so that the two parts move in two parallel planes.
  • the balancing mass 602 is formed by two parallel cheeks, which are connected via the crank pin 501.
  • the balancing mass 622 is also divided into two parts.
  • such constructions are known per se in crankshafts and are therefore not further explained.
  • Fig. 2 and 3 shown right arrangement (piston 201, 301, rocker arm 400, connecting rods 220, 320, coupling rod 500, balancing weights 602, 702 on the crankshaft and balance shaft) - in terms of function - the same structure as in Fig. 2 and 3 shown left arrangement (piston 210, 310, rocker arm 410, connecting rods 230, 330, coupling rod 510, balancing weights 622, 722 on the crankshaft and balance shaft).
  • the specific design and dimensioning of the balancing weights 602, 702 and 622, 722 is usually different.
  • a Stirling engine By the arrangement described here of four pistons, which act with a 90 ° angular offset to a crankshaft, a Stirling engine can be expanded with comparatively high smoothness. There are two pistons each, one of which is connected to the other, e.g. leading by 90 °, part of a Stirling engine in alpha configuration. By adding more piston pairs, Stirling engines with eight cylinders can be realized.
  • the second rocker arm 410 is also coupled via the coupling rod 510 to the balance shaft 700 instead of the crankshaft 600 can be.
  • the power performed by the pistons 310 and 310 arranged in the plane E2 is in this case transmitted from the balance shaft 700 to the crankshaft 600 via the transmission (eg, chain-and-chain chain drive 801 and sprockets 801, 802).

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Kurbeltrieb für eine Stirlingmaschine beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Kurbeltrieb einen ersten Kipphebel, der drehbar um eine erste Achse gelagert ist, sowie ein erstes Kolbenpaar auf. Ein erster Kolben und ein zweiter Kolben sind symmetrisch zu einer Mittelebene angeordnet und durch Verbindungsstangen mit einem ersten Kipphebel mechanisch gekoppelt. Der Kurbeltrieb weist weiter eine Kurbelwelle auf, die durch ein Pleuel mit dem ersten Kipphebel mechanisch gekoppelt ist. Eine Ausgleichswelle ist derart mit der Kurbelwelle mechanisch gekoppelt ist, dass die Ausgleichswelle synchron und gleichsinnig mit der Kurbelwelle rotiert.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel betrifft eine verbesserte Ausführung einer Stirlingmaschine nach dem Alpha Prinzip.
    • HINTERGRUND
  • Einfachwirkende Stirlingmaschinen nach dem Alpha Prinzip sind an sich seit langem bekannt. Sie bestehen aus einem Kompressionszylinder und einem Expansionszylinder, deren Volumina mit Wärmetauscher verbunden sind. Eine parallele Anordnung der beiden Zylinder möglichst nah nebeneinander kann im Hinblick auf platzsparende Bauweise der gesamten Maschine sowie bezüglich optimaler Anordnung der Wärmtauscher von Vorteil sein.
  • Da der Expansionskolben dem Kompressionskolben um einen Phasenversatz in Drehrichtung der Kubelwelle von beispielsweise 90 Grad voreilt, bildet sich neben der gewünschten Volumenoszillation im Prozessraum ein gleicher Effekt auf der Kolbenunterseite aus, der zu unerwünschten Druckschwingungen im Pufferraum führt. Um diese im Sinne der adiabatischen Verluste gering zu halten, muss für das Puffervolumen ein beträchtlicher Raum vorgesehen werden, der zu Lasten des Bauvolumens und der Kosten der Maschine geht. Darüber hinaus ist es schwierig, die oszillierenden Massen der Kolben auszugleichen. Maßnahmen, wie sie z.B. in Vierzylinder Viertaktmotoren in einfacher Weise durch Versatz der Kolben um jeweils 180 Grad getroffen werden, scheitern wegen des prozessbedingten Phasenversatzes von rund 90 Grad.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht folglich in der Verbesserung einer Stirlingmaschine nach dem Alpha Prinzip, die kompakt aufgebaut werden kann und einen Ausgleich der dynamischen Trägheitskräfte bewegter Kolbenmassen in einfacher Weise ermöglicht.
    • ZUSAMMENFASSUNG
  • Diese genannte Aufgabe wird durch den Kurbeltrieb für eine Stirlingmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Es wird ein Kurbeltrieb für eine Stirlingmaschine beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Kurbeltrieb einen ersten Kipphebel, der drehbar um eine erste Achse gelagert ist, sowie ein erstes Kolbenpaar auf. Ein erster Kolben und ein zweiter Kolben sind symmetrisch zu einer Mittelebene angeordnet und durch Verbindungsstangen mit einem ersten Kipphebel mechanisch gekoppelt. Der Kurbeltrieb weist weiter eine Kurbelwelle auf, die durch ein Pleuel mit dem ersten Kipphebel mechanisch gekoppelt ist. Eine Ausgleichswelle ist derart mit der Kurbelwelle mechanisch gekoppelt ist, dass die Ausgleichswelle synchron und gleichsinnig mit der Kurbelwelle rotiert.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • Die Erfindung lässt sich mit Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und Abbildungen besser verstehen. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Des Weiteren bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile. Zu den Abbildungen:
    • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine in Querschnittsansicht (Schnittebene normal zur Drehachse der Kurbelwelle).
    • Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes Zylinderpaar des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1
    • Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Zylinderpaar des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Einfachwirkende Zweizylinder-Stirlingmotoren in Alpha-Konfiguration sind an sich bekannt. Übliche Konstruktionen weisen einen Kompressionszylinder mit Kompressionskolben und einen Expansionszylinder mit Expansionskolben auf, wobei die Zylinderräume oberhalb der Kolben (auch als Prozessräume bezeichnet) über eine Wärmetauscherkombination umfassend Kühler, Regenerator und Erhitzer in dauerhafter hydraulischer Verbindung stehen. Die Prozessräume erfahren in Folge der phasenversetzten Veränderungen der Zylindervolumina über den Kolben Druckverläufe, die in Verbindung mit den thermodynamischen Eigenschaften des Prozessgases durch zyklisches Abkühlen und Erhitzen ein Nutzdrehmoment über die Kolben auf die Kurbelwelle ausüben. Bei Stirlingmaschinen können Prozessmitteldrücke bis zu 100 bar und mehr auftreten. Nachdem solche Drücke nicht dauerhaft über die Kolbenringe gegen den atmosphärischen Umgebungsdruck abgedichtet werden können, wird das Gasvolumen unterhalb der Kolben - auch Puffervolumen genannt - mit gleichem Mitteldruck beaufschlagt, sodass die Kolben lediglich den Differenzdruck zwischen dem jeweiligen Prozessdruck und dem Druck im Puffervolumen aufzunehmen haben. Bei bekannten Lösungen soll der Pufferraum daher - neben der druckfesten Ausführung - ein möglichst großes Volumen bereitstellen, um die von den Kolbenunterseiten erzeugten Druckschwingungen und die damit einhergehenden adiabatischen Verluste gering zu halten. Dies führt zwangsweise zu kostenintensiven Gehäusekonstruktionen.
  • Bei einigen bekannten Konstruktionen - insbesondere bei doppeltwirkenden Alpha-Stirlingmaschinen (auch Siemens-Typ genannt) - ist der Phasenversatz Δϕ zwischen einem Kompressionsraum und dem zugehörigen Expansionsraum durch die Anzahl n der Zylinder fix vorgegeben. Es gilt der Zusammenhang Δϕ = 180-360/n. Wollte man beispielsweise einen Phasenversatz von 120 Grad einstellen, sind 6 Zylinder erforderlich, was zu erheblichen Verteuerungen führt. Neueste Erkenntnisse zeigen, dass der Phasenwinkel in Abhängigkeit vom Temperaturverhältnis (Verhältnis Temperatur des Erhitzers/Temperatur des Kühlers) angepasst werden soll, um eine möglichst hohe Effizienz der Maschine zu erzielen. Eine freie Wahl des Phasenwinkels kann insofern von großer Bedeutung sein. Darüber hinaus gestatten viele Konstruktionen einen Massenausgleich der Kolben-Massenkräfte nur mit vergleichsweise hohem Aufwand. Die Massenträgheitskräfte der relativ schweren Kolben können zu unausgeglichenen Massenmomenten führen, die eine Taumelbewegung der gesamten Maschine hervorrufen. Des Weiteren können die Verbindungen zwischen den Zylinderräumen nicht konzentrisch zu den Zylindermittelachsen aufgebaut werden. Dies erfordert die Anordnung von Überströmkanälen für das Prozessgas von einem Zylinder zum nächsten. Das in den Überströmkanälen befindliche Schadvolumen in Verbindung mit unvermeidlichen Strömungsverlusten führt zu einer Einschränkung der Leistungsfähigkeit der Maschine.
  • Mit Hilfe der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele können zumindest einige Nachteile bekannter Lösungen vermieden werden. Das in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist zwei einfachwirkende Alpha-Zylinderkombinationen auf, die jeweils in einer Ebene angeordnet sind. Figur 1 ist dabei eine Querschnittsansicht (Schnittebene normal zur Drehachse der Kurbelwelle) eines Ausführungsbeispiels einer Stirlingmaschine, während Fig. 2 und 3 jeweils Längsschnitte darstellen, deren Schnittebenen (Ebene E1 und E2) parallel zur Drehachse der Kurbelwelle liegen. Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Längsschnitte zeigen jeweils eine der beiden erwähnten einfachwirkenden Alpha-Zylinderkombinationen. Der Querschnitt in Fig. 1 zeigt im Wesentlichen einen Kurbeltrieb der Stirlingmaschine, also die mechanische Kopplung von Kolben und Kurbelwelle.
  • Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann unterhalb der Zylinder - z.B. in der jeweiligen Zylinderebene E1 bzw. E2 - jeweils eine Welle (Kurbelwelle 600, Ausgleichswelle 700) angeordnet sein, deren Drehachsen parallel zu den Zylinderebenen E1 bzw. E2 und senkrecht zu den Zylinderlängsachsen (siehe Fig. 2 und 3, Längsachsen A1, A2, B1, B2) liegen. Die Kurbelwelle 600 unter dem ersten Zylinderpaar trägt Ausgleichsmassen zur Kompensation der freien Massenkräfte (Trägheitskräfte und -momente) der Kolben des ersten Zylinderpaares (mit Zylinderlängsachsen A1, A2). Die Ausgleichswelle 700 unter dem zweiten Zylinderpaar trägt Ausgleichsmassen zur Kompensation der freien Massenkräfte der Kolben des zweiten Zylinderpaares (Zylinderlängsachsen B1, B2). Die Wellen 600, 700 drehen sich synchron zueinander mit gleicher Drehrichtung. Diese Synchronisierung kann beispielsweise über eine schlupffreie Ketten- oder Riemenverbindung oder über ein Zahnradgetriebe (mit z.B. drei Zahnrädern) gewährleistet werden.
  • Die Kurbelwelle 600 trägt im Bereich der Verlängerung der Zylinderlängsachsen A1 und A2 jeweils einen Hubzapfen, an dem jeweils ein Pleuel auf eine schwenkbare Wippe wirkt, an deren einander gegenüber liegenden Enden Verbindungsstangen angelenkt sind, die jeweils mit den darüber liegenden Kolben verbunden sind. Ein erster der Hubzapfen der Kurbelwelle wirkt mit einem ersten Pleuel auf eine erste Wippe (siehe Fig. 1 und 2, Hubzapfen 501, Pleuel 500, Wippe 400), die über die Verbindungsstangen mit den Kompressionskolben (in den "kalten" Zylindern) der Ebene E1 und E2 betätigen (Kompressionskolbenseite) gekoppelt sind. Der zweite Hubzapfen der Kurbelwelle wirkt mit dem zweiten Pleuel auf eine zweite Wippe (siehe Fig. 2, Hubzapfen 511, Pleuel 510, Wippe 410), die über die Verbindungsstangen mit den Expansionskolben der Ebene E1 und E2 (Expansionskolbenseite) gekoppelt sind.
  • Im Bereich der Hubzapfen 501, 511 der Kurbellwelle sind Ausgleichsmassen (siehe Fig. 2, Ausgleichsmassen 602, 622) angebracht, die auf die jeweiligen Kolbenmassen abgestimmt sein können. Im Bereich der Verlängerung der Zylinderlängsachsen A1, A2 in der Ebene E1 befindet sich die Kurbelwelle 600 mit Ausgleichsmassen, die an die jeweiligen Kolbenmassen abgestimmt sein können. In ähnlicher Weise befindet sich im Bereich der Verlängerung der Zylinderlängsachsen B1, B2 in der Ebene E2 die Ausgleichswelle 700 mit Ausgleichsmassen, die an die jeweiligen Kolbenmassen abgestimmt sein können. Alle Ausgleichsmassen sind an der jeweiligen Welle so positioniert, dass ihre Fliehkraft entgegengesetzt zur Massenkraft des jeweiligen Kolbens wirkt. In der Ebene, die durch die die Drehachsen der beiden Wellen gebildet wird, heben sich die Fliehkräfte auf. Damit wird ein Ausgleich der freien Massenträgheitskräfte erster Ordnung und ein Ausgleich der Massenmomente erster Ordnung erreicht.
  • Die beiden Kompressionskolben führen eine exakt gegenläufige Hubbewegung aus, die beiden Expansionskolben ebenso. Daher heben sich die Volumensänderungen an der Kolbenunterseite vollständig auf. Im Pufferraum treten daher keine schädlichen Druckschwingungen mehr auf, was völlige Freiheit in der Wahl des Volumens ermöglicht. Darüber hinaus besteht keine Einschränkung in der Wahl der Phasenverschiebung zwischen Kompressionskolbenseite und Expansionskolbenseite. Sie unterliegt nicht mehr der Gesetzmäßigkeit Δϕ=180-360/n wie dies bei doppelwirkenden Alpha Maschinen der Fall ist. Ebenso können die Kolbenhübe auf der Kompressionsseite unabhängig von den Kolbenhüben der Expansionsseite gewählt werden. Es besteht kein Hindernis gegen eine optimale, schadraumarme Anordnung der Wärmetauscher ohne Verwendung von Verbindungskanälen.
  • Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel wird in der Folge näher erläutert. Die dargestellte Stirlingmaschine weist vier Zylinder auf (nicht dargestellt), in denen jeweils ein Kolben angeordnet ist. Die Zylinder bzw. Kolben sind paarweise angeordnet, wobei im vorliegenden Beispiel zwei Kolbenpaare in zwei parallelen Ebenen (Ebenen E1 und E2) angeordnet sind. Die Ebene, in der ein Kolbenpaar angeordnet ist, bezeichnet dabei jene Ebene der zugehörigen Kolbenlängsachsen liegen (siehe Fig. 2, Kolbenlängsachsen A1, A2; Fig. 3, Kolbenlängsachsen B1, B2). Die in Fig. 1 dargestellten Kolben 201 und 301 sind die Kompressionskolben in den "kalten" Zylindern auf der Kompressionskolbenseite. Diese beiden Kolben 201 und 301 sind in Fig. 2 bzw. 3 rechts zu sehen.
  • In dem Längsschnitt A-A in Fig. 2 (Schnittebene E1) sieht man das erste Kolbenpaar 201, 210, deren Kolbenlängsachsen A1 bzw. A2 in der Ebene E1 liegen (Kolbenlängsachse entspricht der Zylinderlängsachse). In dem Längsschnitt B-B in Fig. 3 (Schnittebene E2) sieht man das zweite Kolbenpaar 301, 310, deren Kolbenlängsachsen B1 bzw. B2 in der Ebene E2 liegen. Die Expansionskolben 210, 310 in den "heißen" Zylindern sind in Fig. 2 bzw. 3 jeweils links dargestellt. Im Folgenden wird die mechanische Kopplung der beiden Kompressionskolben 201, 301 (mit Kolbenlängsachsen A1, B1) mit einer Kurbelwelle 600 beschrieben. Die Kopplung der beiden Expansionskolben 210, 310 (mit Kolbenlängsachsen A2, B2) mit der Kurbelwelle 600 erfolgt auf die gleiche Weise, jedoch mit einem vorauslaufendem Phasenversatz (im Hinblick auf den Drehwinkel der Kurbelwelle 600).
  • Die Funktionsweise eines Stirlingmotors in Alpha-Konfiguration ist an sich bekannt und wird daher nicht weiter erläutert. Wie erwähnt handelt es sich beim vorliegenden Beispiel um zwei gekoppelte 2-Zylinder-Stirlingmaschinen in Alpha-Konfiguration. Die erste Stirlingmaschine wird durch das in Fig. 2 dargestellte Kolben-/Zylinderpaar gebildet (Kompressionskolben 201, Expansionskolben 210). Die zweite Stirlingmaschine wird durch das in Fig. 3 dargestellte Kolben-/Zylinderpaar gebildet (Kompressionskolben 301, Expansionskolben 310). Fig. 1 zeigt die kinematische Kopplung der beiden Zylinderpaare mit der Kurbelwelle 600 und der Ausgleichswelle 700.
  • Wie bei jeder Stirlingmaschine sind die heißen Zylinder (mit den Expansionskolben) und die kalten Zylinder (mit den Kompressionskolben) über eine Wärmetauscherkombination umfassend Wärmetauscher H1 bzw. H2 (Erhitzer), Regenerator R1 bzw. R2 und Kühler K1 bzw. K2 verbunden. Diese sind in Fig. 2 und 3 nur schematisch dargestellt. Die Geraden (Kolbenlängsachsen), entlang denen die Hubbewegung der Kolben 201 und 301 stattfinden, sind mit A1 und A2 bzw. B1 und B2 bezeichnet. Die Zylinder, in denen die Kolben 201 und 301 (bzw. 210 und 310) geführt sind, können im Wesentlichen symmetrisch zu einer Symmetrieebene S1 angeordnet sein. Die Kolbenlängsachsen A1, A2 (in Ebene E1) sowie B1, B2 (in Ebene E2) sind damit ebenso symmetrisch zu der Mittelebene S1 (Symmetrieebene) angeordnet. Eine symmetrische Anordnung ist jedoch nicht zwingend. In Fig. 1 sind die Abstände der Ebenen E1 und E2 mit a0 bezeichnet, wobei bei symmetrischer Anordnung der Abstand zwischen Symmetrieebene S1 und den beiden Ebenen E1 und E1 jeweils ao/2 beträgt.
  • Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt eine Situation, in der die beiden Kolben 201 und 301 (der Kompressionszylinder) sich genau in der Mitte zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt befinden. In dieser Situation befinden sich die Kolben des zweiten Kolbenpaars (siehe Fig. 2 und 3, Kolben 210 und 310) - im Falle der Annahme von 90 Grad Phasenversatz - am unteren bzw. oberen Totpunkt. Gemäß Fig. 1 sind die Kolben 201 und 301 mittels eines Kipphebels 400 (Wippe) miteinander gekoppelt, wobei die Verbindungsstangen 220 und 320 die Kolben 201 bzw. 301 mit dem Kipphebel 400 mechanisch so koppeln, dass die Hubbewegung der Kolben 201 und 301 in eine Wippbewegung des Kipphebels 400 transformiert wird. Der Kipphebel 400 ist um eine Drehachse 401 schwenkbar am Motorgehäuse gelagert. Das heißt, die Position und die Lage der Drehachse 401 relativ zum Motorgehäuse ist unveränderlich (ortsfeste Drehachse). Wie in Fig. 2 zu sehen ist, kann der Kipphebel 400 aus zwei parallel angeordneten Wangen aufgebaut sein, die über Schwenkbolzen 402, 403 und 404 verbunden sind. Die beiden Wangen können deckungsgleich sein.
  • An den Schwenkbolzen 402, 403 und 404 sind die Verbindungsstangen 220 und 320 und die Pleuelstange 500 angelenkt. Die Längsachsen der Schwenkbolzen definieren auch die Drehachse des jeweiligen Gelenks. Die Verbindungsstange 220 verbindet den Kolben 201 mit dem Schwenkbolzen 402 des Kipphebels 400. Die Verbindungsstange 320 verbindet den Kolben 301 mit dem Schwenkbolzen 403 des Kipphebels 400. Der Kipphebel selbst ist an einem Zapfen mit Drehachse 401 am Motorgehäuse gelagert. Im vorliegenden Beispiel liegt die Drehachse 401 der Wippbewegung des Kipphebels 400 in der Symmetrieebene S1, wobei die Schwenkbolzen 402 und 403 auf gegenüberliegenden Seiten der Symmetrieebene S1 befinden. Der Abstand zwischen der Achse des Schwenkbolzens 402 und der Drehachse 401 beträgt ai, und der Abstand zwischen der Achse des Schwenkbolzens 403 und der Drehachse 401 beträgt a2. Wie erwähnt sind diese Abstände a1 und a2 in einem symmetrischen Aufbau gleich, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Im dargestellten Beispiel, ist die Summe die Abstände a1 und a2 gleich dem Abstand a0 der Ebenen E1 und E2 (a1+a2=a0) und die Verbindungsstangen 220 und 320 (d.h. deren Längsachsen) liegen bei Mittellage der Kolben 201, 301 parallel zur Symmetrieebene S1. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig der Fall, und die Abstände a1 und a2 können auch größer gewählt werden, sodass a1+a2>a0 gilt, was zur Folge hat, dass bei Mittellage der Kolben 201 und 301 die Verbindungsstangen 220 und 320 zwar symmetrisch, jedoch leicht schräg zur Ebene S1 liegen.
  • Wie erwähnt wird bei dem Kurbeltrieb gemäß Fig. 1 die Hubbewegung der Kolben in eine entsprechende Wippbewegung des Kipphebels 400 transformiert, wobei die Hubbewegung der Kolben 201 und 301 genau gegenläufig ist (d.h. ein Kolben befindet sich am unteren Totpunkt, wenn der andere sich am oberen Totpunkt befindet). Bezogen auf die Winkelposition der Kurbelwelle 600 eilt der Kolben 201 dem Kolben 301 um 180° vor oder nach. Diese Wippbewegung wird mittels des Pleuels 500 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 600 (Kurbelwellendrehachse 601) transformiert. Dazu ist das Pleuel 500 an einem Ende an dem Schwenkbolzen 404 schwenkbar an dem Kipphebel 400 gelagert, wohingegen das andere Ende der Koppelstange 500 um einen Zapfen der Kurbelwelle 600 drehbar gelagert ist (Dreh- und Längsachse des Zapfens ist mit 501 bezeichnet). Die Längsachse 501 ist parallel zur Drehachse 601 der Kurbelwelle und rotiert dabei in einem definierten Abstand um die Drehachse 601. Der Abstand zwischen der Längsachse des Schwenkbolzens 404 und der Drehachse 401 der Wippbewegung ist mit a3 bezeichnet, wobei sich der Abstand a3 im Allgemeinen von den Abständen a1 und a2 unterscheidet.
  • Im vorliegenden Beispiel ist die Kurbelwelle 600 asymmetrisch zu der Mittelebene S1 angeordnet. Der Abstand zwischen der Drehachse 601 der Kurbelwelle 600 und der Mittelebene S1 ist mit rK bezeichnet. Der Abstand rK kann dabei mindestens so groß sein wie der Abstand a1 zwischen Kolbenlängsachse A1 zur Mittelebene S1 (rK ≥ ai). Eine derartige asymmetrische Anordnung der Kurbelwelle ermöglicht einen kompakten Aufbau des Motors.
  • Auf der der Kurbelwelle 600 gegenüberliegenden Seite der Mittelebene S1 kann eine Ausgleichswelle 700 angeordnet sein, deren Drehachse mit 701 bezeichnet ist. Der Abstand zwischen der Drehachse 701 der Ausgleichswelle 700 und der Mittelebene S1 ist mit rA bezeichnet. Der Abstand rA kann dabei mindestens so groß sein wie der Abstand a2 der Kolbenlängsachse 300 zur Mittelebene S1 (rA ≥ a2). In einem symmetrischen Aufbau gilt rK = rA. Die Summe rK + rA muss nicht notwendigerweise gleich dem Abstand a0 sein, sondern kann auch größer gewählt werden (rK + rA>a0), um die Länge des Pleuels 500 größer machen zu können (was auch geringere Ausgleichsmassen zur Folge hat).
  • Die Kurbelwelle 600 und die Ausgleichswelle 700 sind mechanisch derart gekoppelt, dass sie eine gleichsinnige Drehbewegung ausführen. Im vorliegenden Beispiel ist diese mechanische Kopplung mittels einer Kette oder einem Zahnriemen 800 realisiert, wobei ein Kettenrad 801 an der Kurbelwelle 600 und ein weiteres Kettenrad 802 an der Ausgleichswelle angeordnet ist (siehe Fig. 2 und 3). Die Kette 800 ist um die Kettenräder geführt und erzwingt somit eine gleichsinnige und synchrone Rotationsbewegung der beiden Wellen 600 und 700. Deshalb sind im vorliegenden Beispiel die Radien der beiden Kettenräder gleich, da wegen des synchronen Laufs der Wellen 600 und 700 das Übersetzungsverhältnis des Kettengetriebes 1:1 beträgt. Statt einer Kette kann auch eine beliebige anderes Getriebe verwendet werden, z.B. ein Riementrieb (Zahnriemen) oder ein Zahnradgetriebe bestehend aus mindestens 3 Zahnrädern. Bei Ketten- und Riementriebe übliche Spannelemente können vorgehsehen sein, wurden in den Abbildungen jedoch weggelassen, um die Darstellung nicht zu verkomplizieren.
  • Sowohl die Kurbelwelle 600 als auch die Ausgleichswelle 700 weisen Ausgleichsmassen 602, 622 und 702, 722 auf, die zu einer Unwucht der jeweiligen Welle führen. Das heißt, die Massenschwerpunkte 603 und 703 der Ausgleichsmassen befinden sich notwendigerweise im Abstand von den tatsächlichen Drehachsen 601 bzw. 701. Die Ausgleichsmassen 602 und 702 sind derart dimensioniert und angeordnet, dass sich die im Betrieb auftretenden Trägheitskräfte und -momente aufgrund der Hubbewegung der Kolben (oszillierende Massen) und die Trägheitskräfte und -momente aufgrund der Rotationsbewegung der Wellen 600 und 700 annähernd kompensieren. In diesem Zusammenhang spricht man davon, dass die "freien Massenkräfte erster Ordnung" ausgeglichen werden (Massenausgleich).
  • Die rotierende Ausgleichsmasse 602 an der Kurbelwelle 600 ist dabei so dimensioniert, dass deren freien Massenkräfte (Trägheitskräfte) im Wesentlichen die freien Massenkräfte der oszillierenden Masse des Kolbens 201 und der Verbindungsstange 220 kompensieren. Gleichermaßen ist die rotierende Ausgleichsmasse 702 an der Ausgleichswelle 700 so dimensioniert, dass deren freien Massenkräfte im Wesentlichen die freien Massenkräfte der oszillierenden Masse des Kolbens 301 und der Verbindungsstange 320 kompensieren. Bei der Dimensionierung der rotierenden Ausgleichsmasse 602 kann auch die oszillierende Masse der Koppelstange 500 und die rotierende Masse des Zapfens 610 berücksichtigt werden. Das heißt, die rotierende Ausgleichsmasse 602 an der Kurbelwelle 600 ist so dimensioniert, dass zusätzlich zu den freien Massenkräften der oszillierenden Masse des Kolbens 201 und der Verbindungsstange 220 auch die freien Massekräfte aufgrund des Zapfens 610 und der Pleuelstange 500 näherungsweise ausgeglichen werden. Auch die Masse des Kipphebels 400 kann berücksichtigt werden.
  • Figuren 2 und 3 sind Längsschnittdarstellungen entlang den in Fig. 1 eingezeichneten Schnittebenen A-A bzw. B-B. Wie eingangs erwähnt sind die in Fig. 1 dargestellten Kolben 201 und 301 (Kompressionskolben der "kalten" Zylinder) in Fig. 2 bzw. 3 rechts dargestellt. Die beiden Kolben 210 und 310 (Expansionskolben der "heißen" Zylinder) sind in Fig. 2 und 3 links zu sehen. Die Zylinderachsen A1, A2 und B1, B2 liegen jeweils in der Ebene E1 bzw. E2. Die Expansionskolben 210 und 310 sind in der gleichen Weise mit der Kurbelwelle 600 gekoppelt wie die Kompressionskolben 201 und 210. Das heißt, die Expansionskolben 210 und 310 sind über Verbindungsstangen 230 und 330 mit einem weiteren Kipphebel 410 verbunden, der wiederum mittels einer Pleuelstange 510 mit der Kurbelwelle 600 gekoppelt ist. Der Schwenkbolzen, über den die Verbindungsstange 230 an dem Kipphebel 410 angelenkt ist, ist mit 412 bezeichnet (siehe Fig. 2). Der Schwenkbolzen, über den die Verbindungsstange 330 an dem Kipphebel 410 angelenkt ist, ist mit 413 bezeichnet (siehe Fig. 3). Die Schwenkbolzen 412 und 413 entsprechen in ihrer Funktion den Schwenkbolzen 402 und 403 (siehe auch Fig. 1). Wie der Kipphebel 400 (siehe Fig. 1) kann auch der Kipphebel 410 aus zwei parallel angeordneten Wangen aufgebaut sein, die über die Schwenkbolzen 412, 413 und 414 (nicht dargestellt) verbunden sind. Die beiden Wangen können deckungsgleich sein.
  • Die an der Kurbelwelle 600 vorgesehene Ausgleichsmasse 622 entspricht in ihrer Funktion der Ausgleichsmasse 602 und dient dazu, die freien Massenkräfte der oszillierenden Massen des Kolbens 210 und der Verbindungsstange 230 auszugleichen. Die freien Massenkräfte aufgrund der oszillierenden Masse der Pleuelstange 510 können auch berücksichtigt werden. Die Ausgleichsmasse 622 kann jedoch anders dimensioniert sein wie die Ausgleichsmasse 602, da die Expansionskolben 210 und 310 auf Grund ihrer Schutzdome 211, 311 eine deutlich höhere Masse aufweisen. Auch die Ausgleichswelle 700 weist eine Ausgleichsmasse 722 auf, um die freien Massenkräfte aufgrund der oszillierenden Massen des Kolbens 310 und der zugehörigen Verbindungsstange 330 auszugleichen.
  • Es sei noch erwähnt, dass diese Ausgleichsmassen 602, 622 (siehe Fig. 2) und 702, 722 (siehe Fig. 3) konstruktiv auch dadurch erreicht werden kann, dass eine Ausgleichsmasse in zwei Teile "aufgeteilt" wird, sodass die beiden Teile sich in zwei parallelen Ebenen bewegen.. In dem Beispiel gemäß Fig. 2 wird die Ausgleichsmasse 602 durch zwei parallel liegende Wangen gebildet, die über den Hubzapfen 501 verbunden sind. Die Ausgleichsmasse 622 ist ebenso in zwei Teile geteilt. Derartige Konstruktionen sind jedoch bei Kurbelwellen an sich bekannt und werden daher nicht weiter erläutert.
  • Wie erwähnt ist die in Fig. 2 und 3 rechts dargestellte Anordnung (Kolben 201, 301, Kipphebel 400, Verbindungsstangen 220, 320, Koppelstange 500, Ausgleichsmassen 602, 702 an Kurbel- und Ausgleichswelle) - was die Funktion betrifft - gleich aufgebaut wie die in Fig. 2 und 3 links dargestellte Anordnung (Kolben 210, 310, Kipphebel 410, Verbindungsstangen 230, 330, Koppelstange 510, Ausgleichsmassen 622, 722 an Kurbel- und Ausgleichswelle). Die konkrete Ausgestaltung und Dimensionierung der Ausgleichsmassen 602, 702 und 622, 722 ist in der Regel jedoch unterschiedlich. Des Weiteren besteht ein Winkelversatz, sodass die (heißen bzw. Expansions-) Kolben 210 und 310 (links in Fig. 2 und 3) den (kalten, Kompressions-) Kolben 201 bzw. 301 (rechts in Fig. 2 und 3) jeweils rund 90° (in der Praxis zwischen 70° und 140°) vorauseilen. Der Kolben 210 befindet sich daher in seinem unteren Totpunkt, während der Kolben 201 sich zwischen seinem oberen und unteren Totpunkt befindet. Wie die Kolben 201 und 301 bewegen sich auch die Kolben 210 und 310 gegenläufig, wobei der Kolben 310 seinen oberen Totpunkt erreicht, wann der Kolben 210 seinen oberen Totpunkt erreicht. Das Kolbenpaar 201 und 210 sowie das Kolbenpaar 301 und 310 haben im vorliegenden Beispiel also einen Phasenversatz von 90° und bilden (wie eingangs schon erwähnt) jeweils einen Stirlingmotor in Alpha-Konfiguration.
  • Durch die hier beschriebene Anordnung von vier Kolben, die mit jeweils 90° Winkelversatz auf eine Kurbelwelle wirken, kann eine Stirlingmaschine mit vergleichsweiser hoher Laufruhe ausgebaut werden. Dabei sind jeweils zwei Kolben, von denen einer dem anderen z.B. um 90° vorauseilt, Teil einer Stirlingmaschine in Alpha-Konfiguration. Durch Hinzufügen weiterer Kolbenpaare können auch Stirlingmaschinen mit acht Zylindern realisiert werden.
  • Des Weiteren sein noch erwähnt, dass der zweite Kipphebel 410 über die Koppelstange 510 statt mit der Kurbelwelle 600 auch mit der Ausgleichswelle 700 gekoppelt sein kann. Die von den Kolben 310 und 310, die in der Ebene E2 angeordnet sind, verrichtete Leistung wird in diesem Fall von der Ausgleichswelle 700 über das Getriebe (z.B. Kettentrieb mit Kette 800 und Kettenrädern 801, 802) an die Kurbelwelle 600 übertragen.

Claims (19)

  1. Kurbeltrieb für eine Stirlingmaschine, der folgendes aufweist:
    einen ersten Kipphebel (400), der schwenkbar um eine erste Achse (401) gelagert ist;
    ein erster Kolben (201) und ein zweiter (301) Kolben, die symmetrisch zu einer Mittelebene (S1) angeordnet sind und durch Verbindungsstangen (220, 320) mit dem ersten Kipphebel (400) mechanisch gekoppelt sind;
    eine Kurbelwelle (600), die durch eine Pleuel (500) mit dem ersten Kipphebel (400) mechanisch gekoppelt ist, und
    eine Ausgleichswelle (700), die derart mit der Kurbelwelle (600) mechanisch gekoppelt ist, dass die Ausgleichswelle (700) gleichsinnig und synchron mit der Kurbelwelle (600) rotiert.
  2. Kurbeltrieb gemäß Anspruch 1,
    wobei der erste Kolben (201) und der zweite Kolben (301) jeweils eine Kolbenlängsachse (A1, B1) aufweisen
    wobei die Kurbelwelle (600) und die Ausgleichswelle (700) Drehachsen (601, 701) aufweisen, die parallel und symmetrisch zur Mittelebene (S1) angeordnet sind, und
    wobei die Drehachsen (601, 701) von Kurbelwelle (600) und Ausgleichswelle (700) mindestens so weit von der Mittelebene (S1) beabstandet sind wie die Kolbenlängsachsen (A1, B1) der beiden Kolben (201, 301).
  3. Kurbeltrieb gemäß Anspruch 1,
    wobei der erste Kolben (201) und der zweite Kolben (301) jeweils eine Kolbenlängsachse (A1, B1) aufweisen und wobei die Kolbenlängsachse (A1) des ersten Kolbens (201) und die Kolbenlängsachse (B1) des zweiten Kolbens (301) in einer ersten Ebene liegen, die normal zu der ersten Achse (401) liegt.
  4. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die Kurbelwelle (600) und die Ausgleichswelle (700) Drehachsen (601, 701) aufweisen, die parallel und symmetrisch zur Mittelebene (S1) angeordnet sind.
  5. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei die erste Achse (401) in der Mittelebene (S1) liegt.
  6. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei der erste Kolben (201) und der zweite Kolben (301) über die Verbindungsstangen (210, 310) derart mit dem Kipphebel (400) mechanisch gekoppelt sind, dass eine Oszillationsbewegung der Kolben (201, 301) in eine Wippbewegung um die erste Achse (401) transformiert wird.
  7. Kurbeltrieb gemäß Anspruch 6,
    wobei das Pleuel (500) den Kipphebel (400) mit der Kurbelwelle (600) mechanisch derart koppelt, dass die Wippbewegung des Kipphebels (400) in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle (600) transformiert wird.
  8. Kurbeltrieb gemäß Anspruch 6 oder 7,
    wobei die Oszillationsbewegung des ersten Kolbens (201) zur Oszillationsbewegung des zweiten Kolbens (301) gegenläufig ist.
  9. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei der erste Kolben (201) und der zweite Kolben (301) derart mit der Kurbelwelle (600) gekoppelt sind, dass - bezogen auf eine Winkelposition der Kurbelwelle (600) - der erste Kolben (201) dem zweiten Kolben (301) um 180° voraus- oder nacheilt.
  10. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    wobei die Kurbelwelle (600) und die Ausgleichswelle (700) über ein Getriebe mit Übersetzungsverhältnis 1:1 gekoppelt sind.
  11. Kurbeltrieb gemäß Anspruch 10,
    wobei das Getriebe einen Kettentrieb, ein Riementrieb oder ein Zahnradgetriebe aufweist.
  12. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11,
    wobei die Kurbelwelle (600) eine erste Ausgleichsmasse (602) aufweist, welche so dimensioniert ist, dass bei Rotation der Kurbelwelle (600) die Trägheitskräfte der ersten Ausgleichsmasse (602) zumindest die Trägheitskräfte des ersten Kolbens (201) und der zugehörigen Verbindungsstange (210) kompensieren.
  13. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12,
    wobei die Ausgleichswelle (700) eine zweite Ausgleichsmasse (702) aufweist, welche so dimensioniert ist, dass bei Rotation der Ausgleichswelle (700) die Trägheitskräfte der zweiten Ausgleichsmasse (702) zumindest die Trägheitskräfte des zweiten Kolbens (301) und der zugehörigen Verbindungsstange (310) kompensieren.
  14. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, der weiter aufweist:
    einen zweiten Kipphebel (410), der drehbar um eine zweite Achse gelagert ist;
    einen dritten Kolben (210) und einen vierten Kolben (310), die symmetrisch zu der Mittelebene (S1) angeordnet sind und durch Verbindungsstangen (230, 330) mit dem zweiten Kipphebel (410) mechanisch gekoppelt sind;
    eine weiteres Pleuel (510), welche die Kurbelwelle (600) oder die Ausgleichswelle (700) mit dem zweiten Kipphebel (410) mechanisch koppelt.
  15. Kurbeltrieb gemäß Anspruch 14,
    wobei im Betrieb der erste und der zweite Kolben (201, 301) eine Oszillationsbewegung in einer ersten Ebene (A1, B1) und der dritte und der vierte Kolben (210, 310) eine Oszillationsbewegung in einer zweiten Ebene (A2, B2) durchführt, die parallel zur ersten Ebene und normal zur Drehachse der Kurbelwelle (600) ist.
  16. Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15,
    wobei die Lage der ersten Achse (401) des Kipphebels ortsfest ist.
  17. Stirlingmaschine, die folgendes aufweist,
    ein Gehäuse mit einem ersten Zylinderpaar mit einem ersten und einem zweiten Zylinderpaar, die symmetrisch zu einer Mittelebene (S1) angeordnet sind;
    einem Kurbeltrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der erste Kolben (201) in einem Zylinder des ersten Zylinderpaars und der zweite Kolben (301) in einem Zylinder des zweiten Zylinderpaars angeordnet ist.
  18. Stirlingmaschine, die folgendes aufweist,
    ein Gehäuse das ein erstes Zylinderpaar mit einem ersten und einem dritten Zylinder und ein zweites Zylinderpaar mit einem zweiten und einen vierten Zylinder aufweist, wobei die Zylinderpaare symmetrisch zu einer Mittelebene (S1) angeordnet sind;
    einen Kurbeltrieb gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der erste Kolben in dem ersten Zylinder, der zweite Kolben in dem zweiten Zylinder angeordnet, der der dritte Kolben in dem dritten Zylinder und der vierte Kolben in dem vierten Zylinder angeordnet ist.
  19. Stirlingmaschine gemäß Anspruch 18,
    wobei der erste Zylinder und der dritte Zylinder über eine erste Wärmetauscherkombination (H1, R1, K1), durch die Arbeitsgas fließt, verbunden sind, und
    wobei der zweite Zylinder und der vierte Zylinder über eine zweite Wärmetauscherkombination (H2, R2, K2), durch die Arbeitsgas fließt, verbunden sind.
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