WO1996006273A1 - Synchronkolben-stirlingmaschine - Google Patents

Synchronkolben-stirlingmaschine Download PDF

Info

Publication number
WO1996006273A1
WO1996006273A1 PCT/EP1995/003252 EP9503252W WO9606273A1 WO 1996006273 A1 WO1996006273 A1 WO 1996006273A1 EP 9503252 W EP9503252 W EP 9503252W WO 9606273 A1 WO9606273 A1 WO 9606273A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
compression
pistons
expansion
stirling engine
engine according
Prior art date
Application number
PCT/EP1995/003252
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Obermoser
Original Assignee
Karl Obermoser
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 Karl Obermoser filed Critical Karl Obermoser
Priority to AU33463/95A priority Critical patent/AU3346395A/en
Publication of WO1996006273A1 publication Critical patent/WO1996006273A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B11/00—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/02—Equalising or cushioning devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B21/00—Engines characterised by air-storage chambers
    • 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
    • F02G1/044—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 having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • 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
    • F02G2254/00—Heat inputs
    • F02G2254/30—Heat inputs using solar radiation

Definitions

  • the invention is directed to a Stirling engine for converting thermal energy into mechanical energy, or vice versa, comprising a compression piston and an associated compression cylinder space, an expansion piston and an associated expansion cylinder space, as well as a connecting line between the compression cylinder space and expansion cylinder space, with a heater re ⁇ generator-cooler arrangement is arranged, and a device for coordinating the movements of compression pistons and expansion pistons.
  • Such arrangements are known as so-called Alpha Stirling machines, the device for coordinating the piston movements consisting of a very complex mechanism with a crank engine, which generates a fixed phase position of the pistons.
  • the aim is conventionally to keep the dead volume in the cylinder spaces as small as possible, because dead space reduces the possible compression and thus the power density of the machine.
  • phase shift between compression and displacement regardless of the phase shift of the pistons as such, theoretically always has the ideal value of 90 °, with a small phase shift between the piston movements having a high one compression and causes a small displaced volume, while on the other hand a large phase shift between the two pistons results in a low compression and a large displaced volume.
  • This effect is based on the fact that the working medium in the connecting line or in the connecting lines has a non-negligible inert mass which opposes any change in speed and which forms a resonator in connection with the gas volumes in the compression and expansion cylinder space is strongly damped by the flow resistance in the heater, regenerator and cooler.
  • phase shift between such a strongly damped resonator and its excitation approaches the value 90 ° even at speeds far below the resonance frequency, and it only slightly exceeds this value at speeds above the resonance frequency.
  • This phase shift is added to the theoretical 90 ° phase shift between compression and volume displacement in a conventional Stirling engine, so that the overall phase shift of the displacement motion is too far for expansion and is therefore one of the reasons why such machines only have comparatively low speeds and power densities to reach.
  • the invention is based on the consideration of undoing this additional phase shift by means of suitable measures, or of not allowing it to arise in the first place.
  • the invention is accordingly based on the object of developing a machine of the generic type in such a way that it has a phase shift between compression and displacement of essentially 90 ° at relatively high and high speeds and manages with as few mechanical parts as possible, which are also inexpensive.
  • Such a machine should have a very favorable performance weight due to the high rotational speed, which would considerably expand the area of use of such Stirling engines.
  • dead volumes are provided in the expansion cylinder space and compression cylinder space, which together with the displacements serve as gas springs, the size ratios of the two dead volumes determining the phase relationship between compression and displacement.
  • the working gas mass in the connecting line and in the heater-regenerator-cooler arrangement accordingly "rocks" on the two gas springs formed in this way.
  • the vibrating gas mass experiences an additional excitation such that the displacement is superimposed on a displacement that is in phase with the compression, so that the (additional) phase shift between compression already caused by the effect of the working gas mass and displacement is compensated.
  • the ratio of dead space to displacement is thus greater in the expansion cylinder than in the compression cylinder.
  • the speed of the machine is chosen so that the sum of the phase shift contributions from the piston phase angle, the inertia of the working gas mass and the correction component of the dead space / displacement ratio is 90 °.
  • the size of the displaced volume is determined by the choice the ratio of the displacement / dead space ratios in the compression and expansion cylinder space adjustable.
  • a dead space can be variably constructed, for example by means of an adjustable counter-piston.
  • the phase angle between the pistons in the machines according to the invention lies between 90 ° ° and 0 °.
  • a preferred embodiment even has the phase angle zero in order to achieve the maximum possible compression, so that both pistons are moved synchronously. It is particularly advantageous if expansion and compression pistons are arranged on one axis and moved synchronously but in opposite phases in order to achieve vibration-free, quiet running of the machine.
  • a further preferred embodiment with pistons moved in synchronous phase opposition does not use a crank engine for coordinating the piston movements but rather couples expansion pistons and compression pistons electrically via a linear generator each. This results in a machine with few moving parts.
  • Compression and expansion pistons are designed as free-swinging, elastically suspended pistons and act in a preferred embodiment with its rear sides on a common gas spring.
  • the masses of expansion and compression pistons form a vibrating mass-spring system with the total working gas volume.
  • the working gas mass in the connecting line and in the heater-regenerator-cooler arrangement forms, together with the gas volumes in the expansion and compression cylinder space, a second vibrating mass-spring system.
  • the two mass-spring systems are now designed according to the invention such that they have the same resonance frequency. In this case, according to the invention, both pistons move synchronously with the compression and the displaced gas mass moves with a 90 ° phase offset.
  • the linear generator windings are integrated into the piston walls, the piston walls then being penetrated by a radial magnetic field in order to induce current in the windings when the pistons move in the axial direction.
  • the radial magnetic field is generated in an iron yoke.
  • the iron yoke can be designed as a piston guideway.
  • the elastic suspension of the pistons is spring-like, so that the suspension defines the rest position of the pistons in the central position. The elastic suspension also serves to supply and supply power to the generators.
  • Zener diodes In order to protect the free-swinging pistons from excessively large amplitudes, which are caused by load drops or load changes and can lead to damage to the pistons, they are electrically protected by Zener diodes in that, in an emergency, the Zener diodes let through so much short-circuit current that too large Amplitudes of the pistons do not arise in the first place.
  • one embodiment uses a plurality of compression cylinders and a number of expansion cylinders which are connected to a single heater-regenerator-cooler arrangement via a plurality of connecting lines.
  • all cylinders are arranged opposite one another in such a way that their common center of mass remains at rest during the synchronous movement of all pistons.
  • a preferred embodiment of the machine uses concentrated sunlight, which is directed directly at the heater in the connecting line.
  • a quartz window for coupling the solar radiation is provided at the end of the connecting line on the heater side.
  • this quartz window consists of a pot with externally mirrored walls and a curved transparent bottom.
  • This pot stands above the heater and, with its wall and insulation arranged around it, forms an annular gap which forms the extension of the connecting line to the heater. The almost isothermal expansion of the Stirling process takes place in the part of the annular gap near the heater.
  • a preferred embodiment of the quartz window uses a pot with walls which taper parabolically towards the bottom, so that the quartz window is designed as a concentrating, non-imaging mirror optic.
  • This mirror optic consists, seen in longitudinal section, of a right and left parabolic load, which have their focal points opposite each other in the area of the edge of the heater.
  • Show 1 is a schematic representation of a machine according to the invention with crank engine and 90 ° phase offset between the pistons
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a machine according to the invention with crank engine and 0 ° phase offset between the pistons
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a machine according to the invention with two linear generators
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a machine according to the invention as a high-frequency 2-piston solar embodiment
  • 5 and 6 are a schematic representation in longitudinal or cross section of a high-frequency multi-piston solar embodiment
  • Fig. 7 is a schematic representation of a preferred quartz window of a solar machine with heater-regenerator-cooler arrangement.
  • a Stirling engine of the type in question comprises an expansion cylinder 2, a compression cylinder 3, each with expansion cylinder or compression cylinder pistons arranged there, a connecting line 4 between expansion cylinder 2 and compression cylinder 3, in which a heater-regenerator-cooler Arrangement 5 is attached, and a device K for coordinating the phase position of expansion or compression pistons.
  • an additional dead volume 1 (FIG. 1) is installed in the expansion cylinder space 2, so that the ratio of dead space to displacement in the expansion cylinder space 2 is greater than in the compression cylinder space 3.
  • This larger ratio of dead space to displacement in the expansion cylinder the overly large phase shift described at the outset, caused by inertia effects, is superimposed on a displacement in phase with the compression, because compression in the cylinder space with less dead volume than in the other would not take place through the connecting line 4 and the heater-regenerator-cooler arrangement 5 takes place immediately.
  • This immediate compensation is precisely the in-phase additional displacement. At low speeds, such a machine has a slight phase shift between compression and displacement.
  • phase shift increases with increasing speed and, at a certain speed, which can be very high depending on the selected dead space conditions, reaches the ideal value of 90 °, which then occurs at even higher speeds with usually strong damping Movement of the working gas mass in the heater-regenerator-cooler arrangement is exceeded only slightly.
  • this machine By installing a dead volume in the expansion cylinder, this machine with the 90 ° phase angle between the pistons has a relatively low compression. However, as already explained, this can be increased again by reducing the phase angle between the pistons.
  • the strength of the deflection, ie displacement is determined by the difference between the dead space / displacement ratios in the expansion cylinder 2 and compression cylinder 3.
  • this difference between the dead space / displacement ratios can be set by making a dead volume variable, for example by arranging a bull screws 7 adjustable counter piston 8.
  • the vibrating masses of pistons and linear generators form a mass-spring system with the total working gas volume. depends on the size of the moving masses. In order to have a machine with a high power density, it is desirable to select the operating frequency as high as possible. At an operating frequency of e.g. 600 Hz, the moving nose of the piston and linear generator may only be a few grams. For this reason, in a preferred, particularly compact embodiment (FIG. 4) with particularly few moving parts, the linear generator windings 17, 18 are integrated into the piston walls, the piston walls then having to be penetrated by radial magnetic fields 19 in order to move the Pistons to induce current in the windings.
  • the light pistons 9, 10 are elastically suspended from spring clips 20, which are designed so that they can withstand the high frequency for years. These spring clips hold the pistons 9, 10 in the central position and at the same time serve for current drainage and supply for the generator windings 17, 18.
  • the radial magnetic fields are, as usual, generated in an iron yoke, for example by permanent magnets (not shown).
  • the iron yoke can be designed such that it is a piston guideway.
  • the guideway lies on the inside of the piston wall or on the outside of the piston wall or on both sides. This has the advantage that the air gap in the iron yoke is minimal and therefore the greatest possible efficiency can be achieved with the linear generator.
  • the working gas acts as a gas spring in the cylinder spaces and accordingly has to be compressed and expanded adiabatically and the cylinder spaces do not have to be at different temperatures, as in conventional machines, the temperatures are expediently close to the ambient temperature in order to use the piston materials , Cylinder, guideway ect. to keep inexpensive and to prevent wear.
  • the displaced gas mass itself is in resonance with the synchronously oscillating working pistons, and not a massive displacer with masses.
  • a machine with a working frequency of 600 Hz and a helium working gas pressure of 30 bar achieves about 300 KW per liter of displaced volume (compared to about 50 KW per liter of cubic capacity in today's high-performance car engine).
  • the machines have no moving parts. You don't need lubrication, bearings, or starters. They are ideal as electricity and hot water generators in small solar domestic power plants with combined heat and power. For this purpose, they are arranged in the center of a parabolic mirror which concentrates the sunlight falling on it and directs it to the heater in the Stirling engine. Such machines make 100% sunlight that falls on the mirror, about 30% electricity and at the same time 40% hot water, so they have an overall efficiency in the use of solar energy of about 70. With a parabolic mirror diameter of, for example, 2.4 m, such a machine generates about 1.4 KW of electricity and 1.8 KW of hot water (ie about 500 liters per day). Due to the low weight of the machine and the small parabolic mirror, the system can also be used as a mobile solar power unit.
  • the power is limited to approximately 3 KW due to the geometric conditions.
  • expansion cylinders 2 and several compression cylinders 3 are therefore connected to a central heater-regenerator-cooler arrangement 5 (FIGS. 5, 6) via several connection services 4.
  • Each expansion and compression piston can act on the back of a common gas spring by connecting lines 21, as shown in FIG. 5, or, as shown in FIG. 4, two pistons are accommodated in a common cylinder housing.
  • the pistons are always arranged opposite one another in such a way that their common center of mass remains at rest during the synchronous movement of all the pistons in order to ensure vibration-free running, since vibrations in the operating frequency range of the machines can be noticed as a loud sinusoidal shape.
  • a quartz window 22 (FIG. 7) is provided at the end of the connecting line 4 on the heater side for irradiating the concentrated solar radiation 23 onto the heater 24.
  • the quartz window 22 consists of a pot with externally mirrored walls 25 and a curved transparent bottom 26.
  • the quartz pot is arranged concentrically above the heater 24 and forms an annular gap 28 with a heat insulating wall 27, which extends the connecting line 4 to the heater 24 is.
  • the pot tapers with its mirrored walls 25 towards the bottom in a parabolic manner, such that the bottom the maximum incident light rays falling from the parabolic main mirror are just focused on the heater edge.
  • This non-imaging, concentrating mirror optic does not shine totally diffusely, like the known CPC concentrator (compound parabolic concentrator), into the hemisphere space located at the mirror exit, but in a modification according to the invention onto a preferably flat surface that is larger than that Concentrator output and is arranged at a distance from it.
  • This quartz window with the curved bottom can be thin-walled and is nevertheless stable against high working gas pressures at high working gas temperatures.
  • the mirror layer lies in the inert helium working gas atmosphere and does not oxidize at the high temperatures.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

Bei einer Stirlingmaschine umfassend einen Kompressionskolben mit einem zugeordneten Kompressionszylinderraum (3), einem Expansionskolben mit einem zugeordneten Expansionszylinderraum (2) und wenigstens eine Verbindungsleitung zwischen Kompressionszylinderraum (3) und Expansionszylinderraum (2), wobei in der Verbindungsleitung (4) eine Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung (5) vorgesehen ist, sowie eine Vorrichtung zur Koordinierung der relativen Bewegung von Kompressionskolben und Expansionskolben, ist zur Erzielung einer Phasenverschiebung zwischen Kompression und Verdrängung von im wesentlichen 90° bei relativ hohen und höchsten Drehzahlen vorgesehen, dass im Expansionszylinderraum (2) und im Kompressionszylinderraum (3) Totvolumina vorgesehen sind, dass diese Totvolumina (1) zusammen mit den Hubräumen als Gasfedern dienen, und dass die Grössen der beiden Totvolumina (1) die Phasenlage zwischen Kompression und Verdrängung bestimmen.

Description

Synchronkolben-Stirlingmaschine
Die Erfindung richtet sich auf eine Stirlingmaschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. umgekehrt umfassend einen Kompressionskolben und einen zugeordneten Kompressionszylinderraum, einen Expansionskolben und einen zugeordneten Expansionzylinderraum, sowie eine Verbindungsleitung zwischen Kompressionszylinderraum und Ex¬ pansionszylinderraum, wobei in der Verbindungsleitung eine Erhitzer-Re¬ generator-Kühler-Anordnung angeordnet ist, sowie eine Vorrichtung zur Koordinierung der Bewegungen von Kompressionskolben und Expansionskol¬ ben.
Derartige Anordnungen sind als sogenannte Alpha-Stirling-Maschinen be¬ kannt, wobei die Vorrichtung zur Koordinierung der Kolbenbewegungen aus einer teilweise sehr aufwendigen Mechanik mit Kurbeltriebwerk besteht, die eine feste Phasenlage der Kolben erzeugt. Dabei ist man herkömmli¬ cherweise bestrebt, das Totvolumen in den Zylinderräumen möglichst klein zu halten, weil Totraum die mögliche Kompression und damit die Lei¬ stungsdichte der Maschine herabsetzt.
Bei Alpha-Stirling-Maschinen hat entgegen zuweilen geäußerter anderslau¬ tender Auffassungen der Phasenversatz zwischen Kompression und Ver¬ drängung unabhängig von der Phasenverschiebung der Kolben als solcher theoretisch stets den idealen Wert von 90°, wobei eine geringe Pha¬ senverschiebung zwischen den Kolbenbewegungen eine hohe Kompression und ein kleines verdrängtes Volumen bewirkt, während andererseits eine große Phasenverschiebung zwischen den beiden Kolben eine geringe Kom¬ pression und ein großes verdrängtes Volumen zur Folge hat.
Dieser ideale theoretische Phasenversatz zwischen Kompression und Ver¬ drängung weicht jedoch bei bekannten Maschinen mit steigender Drehzahl von den gewünschten 90° ab: er erhöht sich und nimmt im Extremfall so¬ gar den Wert 180° an, wodurch die Maschinenleistung gegen Null geht.
Dieser Effekt beruht darauf, daß das Arbeitsmedium in der Verbindungs¬ leitung bzw. in den Verbindungsleitungen eine nicht vernachlässigbare träge Masse besitzt, die sich jeder Geschwindigkeitsänderung widersetzt, und die in Verbindung mit den Gasvolumina im Kompressions- und Expan¬ sionszylinderraum einen Resonator bildet, der durch den Strömungswider¬ stand in Erhitzer, Regenerator und Kühler stark gedämpft ist.
Die Frequenz dieses Resonators hängt bei gegebener Motorgeometrie nur von der Schallgeschwindigkeit des verwendeten Arbeitsmediums ab. Dem¬ entsprechend ist zu erwarten, daß solche Maschinen um so höhere Dreh¬ zahlen erreichen, je höher die Schallgeschwindigkeit des Arbeitsmediums ist. Entsprechend durchgeführte Messungen von C. Bratt in Design Characteristics and Test Results of the United Stirling P40 Engine 15 th Intersociety Energy Conversion, Engineering Converence, Seattle, Washington/August 18-22, 1980 bestätigen diese neue Interpretation.
Die Phasenverschiebung zwischen einem solchen stark bedämpften Resonator und seiner Anregung nähert sich schon bei Drehzahlen weit unterhalb der Resonanzfrequenz dem Wert 90°, und sie überschreitet diesen Wert bei Drehzahlen oberhalb der Resonanzfrequenz nur geringfügig. Diese Phasen¬ verschiebung addiert sich zu der theoretischen 90° Phasenverschiebung zwischen Kompression und Volumenverdrängung in einer herkömmlichen Stirlingmaschine, so daß die Gesamtphasenverschiebung der Verdrängerbe¬ wegung zu weit bei der Expansion liegt und ist somit einer der Gründe warum derartige Maschinen nur vergleichsweise geringe Drehzahlen und Leistungsdichten erreichen. Von dieser neuen Erkenntnis ausgehend liegt der Erfindung die Überle¬ gung zugrunde, durch geeignete Maßnahmen diese zusätzliche Phasenver¬ schiebung rückgängig zu machen, bzw. gar nicht erst entstehen zu las¬ sen.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß sie bei relativ hohen und höchsten Drehzahlen eine Phasenverschiebung zwischen Kompression und Verdrängung von im wesentlichen 90° aufweist und mit möglichst wenigen und zudem nicht aufwendigen mechanischen Teilen auskommt. Eine solche Maschine sollte durch die hohe Drehzahl ein sehr günstiges Leistungsge¬ wicht haben, was den Einsatzbereich von derartigen Stirlingmaschinen be¬ trächtlich erweitern würde.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Expansions¬ zylinderraum und Kompressionszylinderraum Totvolumen vorgesehen sind, die zusammen mit den Hubräumen als Gasfedern dienen, wobei die Größen¬ verhältnisse der beiden Totvolumina die Phasenlage zwischen Kompression und Verdrängung bestimmen.
Die Arbeitsgasmasse in der Verbindungsleitung und in der Erhitzer-Rege¬ nerator-Kühler-Anordnung "schaukelt" demnach auf den beiden so gebilde¬ ten Gasfedern. Durch die Vergrößerung des Totvolumens im Expansionszy¬ linderraum erfährt die schwingende Gasmasse eine zusätzliche Anregung derart, daß der Verdrängung eine mit der Kompression phasengleiche Ver¬ drängung überlagert wird, so daß die durch die Wirkung der Arbeitsgas¬ masse bereits hervorgerufene (zusätzliche) Phasenverschiebung zwischen Kompression und Verdrängung kompensiert wird.
In der erfindungsgemäßen Maschine ist somit im Expansionszylinder das Verhältnis von Totraum zu Hubraum größer als im Kompressionszylinder. Die Drehzahl der Maschine ist so gewählt, daß die Summe der Phasenver¬ schiebungsbeiträge aus Kolbenphasenwinkel, aus der Trägheit der Arbeits¬ gasmasse und dem Korrekturanteil der Totraum/Hubraum-Verhältnisse 90° beträgt. Die Größe des verdrängten Volumens ist dabei durch die Wahl des Verhältnisses der Hubraum/Totraum-Verhältnisse im Kompressions- und Expansionszylinderraum einstellbar. Zur Erleichterung der Einstellung der gewünschten Drehzahl bei optimaler Phasenverschiebung kann ein Totraum z.B. durch einen justierbaren Gegenkolben variabel gebaut sein.
Im Gegensatz zu bekannten Maschinen, bei denen man sich immer bemüht, die Druckänderungen in Expansions- und Kompressionszylinderraum mög¬ lichst isotherm erfolgen zu lassen, sind sie in der erfindungsgemäßen Maschine im wesentlichen adiabatisch. Der Stirlingprozeß findet nämlich nur in der Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung sowie in den unmittel¬ bar anschließenden Teilen der Verbindungsleitung statt. Die übrigen Teile des Arbeitsgases sind Gasfedern. Die Gasmassen im Expanions- und Kom¬ pressionszylinderraum haben als Gasfedern folglich auch nur etwa Umge¬ bungstemperatur und keine Temperaturdifferenz.
Da bedingt durch die Totvolumina im Expanions- und Kompressionszylin¬ derraum das Kompressionsverhältnis bei dem, bei Alfa-Stirlingmotoren üb¬ lichen 90° Phasenwinkel der Kolben viel zu klein wäre, liegt bei den er¬ findungsgemäßen Maschinen der Phasenwinkel zwischen den Kolben zwi¬ schen 90° und 0°.
Eine bevorzugte Ausführungsform hat zur Erzielung der maximal möglichen Kompression sogar den Phasenwinkel Null, so daß beide Kolben synchron bewegt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn Expansions- und Kompressionskolben auf einer Achse angeordnet sind und synchron aber gegenphasig bewegt werden, um einen vibrationsfreien leisen Lauf der Maschine zu erzielen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit synchron-gegenphasig beweg¬ ten Kolben verwendet kein Kurbeltriebwerk zur Koordinierung der Kolben¬ bewegungen sondern koppelt Expansionskolben und Kompressionskolben über je einen Lineargenerator elektrisch. Dies ergibt eine Maschine mit wenig bewegten Teilen. Kompressions- und Expanionskolben sind dabei als freischwingende, elastisch aufgehängte Kolben ausgebildet und wirken in einer bevorzugten Ausführungsform mit ihren Rückseiten auf eine gemein¬ same Gasfeder.
Die Massen von Expansions- und Kompressionskolben bilden mit dem Ar¬ beitsgasgesamtvolumen ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System. Die Ar¬ beitsgasmasse in der Verbindungsleitung und in der Erhitzer-Regenera¬ tor-Kühler-Anordnung bildet mit den Gasvolumina im Expansions- und Kompressionszylinderraum ein zweites schwingungsfähiges Masse-Feder-Sy¬ stem. Die beiden Masse-Feder-Systeme sind nun erfindungsgemäß so ge¬ staltet, daß sie die gleiche Resonanzfrequenz haben. In diesem Fall be¬ wegen sich erfindungsgemäß beide Kolben synchron mit der Kompression und die verdrängte Gasmasse bewegt sich mit 90° Phasenversatz dazu.
In einer bevorzugten besonders kompakten Ausführungsform mit besonders wenigen mechanischen Teilen sind die Lineargeneratorwicklungen in die Kolbenwandungen integriert, wobei die Kolbenwandungen dann von einem radialen Magnetfeld durchsetzt sind, um bei Bewegung der Kolben in axialer Richtung Strom in den Wicklungen zu induzieren. Das radiale Magnetfeld wird, wie üblich in einem Eisenjoch erzeugt. Erfindungsgemäß kann das Eisenjoch als Kolbenführungsbahn ausgebildet sein. Die elasti¬ sche Aufhängung der Koben ist federartig gestaltet, so daß die Aufhän¬ gung die Ruhelage der Kolben in der Mittelstellung festlegt. Die ela¬ stische Aufhängung dient gleichgzeitig zur Stromab- und -zufuhr für die Generatoren.
Um die freischwingenden Kolben vor übergroßen Amplituden zu bewahren, die durch Lastabfall oder Lastwechsel verursacht werden und zur Beschä¬ digung der Kolben führen können, sind sie durch Zener-Dioden elektrisch geschützt, indem die Zener-Dioden im Notfall soviel Kurzschlußstrom durchlassen, daß zu große Amplituden der Kolben gar nicht erst entste¬ hen.
Lineargeneratoren können wegen der relativ langsamen Relativgeschwin¬ digkeit der Generatorwicklung zum Magnetfeld nur relativ geringe Lei- stungsdichten erzeugen. Die erfindungsgemäße Stirlingmaschine mit zwei Lineargeneratoren ist daher auf ca. 3 KW beschränkt.
Um höhere Leistungen zu ermöglichen, verwendet eine Ausführungsform mehrere Kompressionszylinder und mehrere Expansionsylinder, die über mehrere Verbindungsleitungen an eine einzige Erhitzer-Regenerator-Küh¬ ler-Anordnung angeschlossen sind. Zum Massenausgleich sind dabei alle Zylinder so einander gegenüber angeordnet, daß während der synchronen Bewegung aller Kolben ihr gemeinsamer Massenschwerpunkt in Ruhe bleibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Maschine verwendet konzentriertes Sonnenlicht, das direkt auf dem Erhitzer in der Verbindungsleitung ge¬ richtet wird. Zu diesem Zweck ist am erhitzerseitigen Ende der Verbin¬ dungsleitung ein Quarzfenster zur Einkoppelung der Solarstrahlung vor¬ gesehen.
Dieses Quarzfenster besteht in einer Ausführungsform aus einem Topf mit außen verspiegelten Wänden und einem gewölbten durchsichtigen Boden. Dieser Topf steht über dem Erhitzer und bildet mit seiner Wand und einer außenherum angeordneten Isolierung einen Ringspalt, der die Verlänge¬ rung der Verbindungsleitung zum Erhitzer bildet. Im erhitzernahen Teil des Ringspaltes findet die annähernd isotherme Expansionen des Stirling- prozesses statt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Quarzfensters verwendet einen Topf mit Wänden, die sich parabelförmig zum Boden hin verjüngen, so daß das Quarzfenster als konzentrierende, nicht abbildende Spiegeloptik ausge¬ bildet ist.
Diese Spiegeloptik besteht, in Längsschnitt gesehen aus einem rechten und linken Parabelast, die ihre Brennpunkte jeweils gegenüberliegend in der Gegend des Randes des Erhitzers haben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrie¬ ben. Dabei zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine mit Kurbeltriebwerk und 90° Phasenversatz zwischen den Kolben,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine mit Kurbeltriebwerk und 0° Phasenversatz zwischen den Kolben,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine mit zwei Lineargeneratoren,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine als hochfrequente 2-Kolben-Solar-Ausführungsform,
Fig. 5 bzw. 6 eine schematische Darstellung in Längs- bzw. Querschnitt einer hochfrequenten Mehrkolben-Solar-Ausführungsform und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Quarzfensters einer Solarmaschine mit Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung.
Eine Stirlingmaschine der in Betracht stehenden Art umfaßt einen Expan¬ sionszylinder 2, einen Kompressionszylinder 3 mit jeweils dort angeordne¬ ten Expanionszylinder- bzw. Kompressionszylinderkolben, eine Verbin¬ dungsleitung 4 zwischen Expansionszylinder 2 und Kompressionszylinder 3, in der eine Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung 5 angebracht ist, sowie eine Vorrichtung K zur Koordinierung der Phasenlage von Expansions¬ bzw. Kompressionskolben.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß ein zusätzliches Totvolumen 1 (Fig. 1) in den Expanionszylinderraum 2 eingebaut wird, so daß das Verhältnis von Totraum zu Hubraum im Expansionszylinderraum 2 größer ist als im Kompressionszylinderraum 3. Durch dieses größere Verhältnis von Totraum zu Hubraum im Expansionszylinder wird der eingangs be¬ schriebenen, durch Trägheitseffekte hervorgerufenen zu großen Phasenver¬ schiebung eine mit der Kompression phasengleiche Verdrängung überlagert, weil in dem Zylinderraum mit weniger Totvolumen stärker komprimiert würde als in dem anderen, fände nicht durch die Verbindungsleitung 4 und die Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung 5 unmittelbarer Ausgleich statt. Dieser unmittelbare Ausgleich ist aber gerade die phasengleiche zusätzliche Verdrängung. Eine solche Maschine hat bei geringen Drehzah¬ len eine geringe Phasenverschiebung zwischen Kompression und Verdrän¬ gung. Aufgrund des oben beschriebenen Trägheitseffekt nimmt die Phasen¬ verschiebung jedoch mit steigender Drehzahl zu und erreicht bei einer bestimmten Drehzahl, die je nach gewählten Totraumverhältnissen sehr hoch sein kann, den idealen Wert von 90°, der dann bei noch höheren Drehzahlen bei gewöhnlich starker Dämpfung der Bewegung der Arbeits¬ gasmasse in der Erhitzer-Regenerator-Kühleranordnung nur wenig über¬ schritten wird.
Durch den Einbau eines Totvolumens in den Expanionszylinder hat diese Maschine mit dem 90°-Phasenwinkel zwischen den Kolben eine realtiv ge¬ ringe Kompression. Diese kann jedoch, wie bereits erläutert, durch eine Reduzierung des Phasenwinkels zwischen den Kolben wieder erhöht werden.
Dementsprechend werden im Extremfall bei einer in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform Kompressionskolben und Expansionskol¬ ben synchron, d.h. ohne Phasenverschiebung bewegt. Dies hat zur Folge, daß bei niedrigen Drehzahlen auch keine Phasenverschiebung zwischen Kompression und Volumenverdrängung besteht und dementsprechend erst eine Beschleunigung auf relativ hohe Drehzahlen vorgenommen werden muß, bevor eine derartige Maschine unter Leistungsabgabe weiterlaufen kann. Totvolumina 1 sind hier im Expansionszylinder 2 und Kompressions¬ zylinder 3 vorhanden, um die gewünschte Verdrängung, die gewünschte Kompression und die gewünschte Phasenverschiebung zu erzielen. Die Totvolumina wirken zusammen mit den Hubräumen als Gasfedern, auf denen die durch die Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung 5 hin- und her¬ schwingende Arbeitsgasmasse "schaukelt". Die Stärke der Auslenkung, d.h. Verdrängung, wird dabei durch die Differenz der Totraum/Hubraumverhält¬ nisse im Expansionszylinder 2 und Kompressionszylinder 3 bestimmt. Diese Differenz der Totraum/Hubraumverhältnisse läßt sich in einer Ausfüh¬ rungsform der erfindungsgemäßen Maschine einstellen, indem ein Totvolu¬ men variabel gemacht wird, z.B. durch die Anordnung eines mittels Ju- stierschrauben 7 verstellbaren Gegenkolbens 8.
Bei einer anderen Ausführungsform mit synchron bewegten Kolben wird kein Kurbeltriebwerk verwendet, um die Kolben synchron und gegenphasig zu bewegen; Expansionskolben 9 und Kompressionskolben 10 werden viel¬ mehr über je einen Lineargenerator 11, 12 elektrisch gekoppelt, indem die beiden Generatorwicklungen 13, 14 mit gleichem Wicklungssinn parallel geschaltet werden. Erfindungsgemäß werden die Kolben 9, 10 mit den Li¬ neargeneratoren 11, 12 durch Zener-Dioden 15, 16 vor zu großen zerstöre¬ rischen Amplituden bewahrt, indem die zwei Zenerdioden mit umgekehrter Durchlaßrichtung in Serie parallel zum gemeinsamen Lineargeneratoraus¬ gang geschaltet sind, so daß sie bei Lastabfall und entstehender Über¬ spannung die Lineargeneratoren mehr oder weniger kurzschließen. Hiermit ist eine betriebssichere Maschine mit freischwingenden Kolben gegeben, die immer spontan in der optimalen Frequenz, ihrer Eigenfrequenz mit 90° Phasenversatz zwischen Kompression und Verdrängung arbeitet und nicht erst hochgefahren werden muß.
Die schwingenden Massen von Kolben und Lineargeneratoren bilden mit dem Gesamt-Arbeitsgasvolumen ein Masse-Feder-System, dessen Eigenfre- quenz u.a. von der Größe der bewegten Massen abhängt. Um eine Maschi¬ ne mit hoher Leistungsdichte zu haben, ist es wünschenswert, die Ar¬ beitsfrequenz möglichst hoch zu wählen. Bei einer Arbeitsfrequenz von z.B. 600 Hz darf die bewegte Mase von Kolben und Lineargenerator nur noch wenige Gramm betragen. Deswegen sind in einer bevorzugten, beson¬ ders kompakten Ausführungsform (Fig. 4) mit besonders wenigen bewegten Teilen die Lineargeneratorwicklungen 17, 18 in die Kolbenwandungen inte¬ griert, wobei die Kolbenwandungen dann von radialen Magnetfeldern 19 durchsetzt sein müssen, um bei der Bewegung der Kolben Strom in den Wicklungen zu induzieren.
Die leichten Kolben 9, 10 sind elastisch an Federbügeln 20 aufgehängt, die so ausgelegt sind, daß sie die hohe Frequenz jahrelang überstehen. Diese Federbügel halten die Kolben 9, 10 in der Mittelstellung und dienen gleichzeitig der Stromab- und -Zuführung für die Generatorwicklungen 17, 18. Die radialen Magnetfelder werden, wie üblich, in einem Eisenjoch, z.B. durch Permanentmagnete erzeugt (nicht dargestellt). Das Eisenjoch kann erfindungsgemäß so gestaltet sein, daß es eine Kolbenführungsbahn ist. Die Führungsbahn liegt dabei auf der Kolbenwandinnenseite oder auf der Kolbenwandaußenseite oder auf beiden Seiten. Dies hat den Vorteil, daß der Luftspalt im Eisenjoch minimal ist und mit dem Lineargenerator daher der größtmögliche Wirkungsgrad erzielt werden kann.
Da in den Zylinderräumen das Arbeitsgas erfindungsgemäß als Gasfeder wirkt und demnach adiabatisch komprimiert und expandiert werden muß und die Zylinderräume auch nicht auf unterschiedlichen Temperaturen lie¬ gen müssen, wie bei herkömmlichen Maschinen, liegen die Temperaturen zweckmäßigerweise nahe der Umgebungstemperatur, um die einzusetzenden Werkstoffe von Kolben, Zylinder, Führungsbahn ect. kostengünstig zu hal¬ ten und vor Verschleiß zu bewahren.
Wie eingangs bereits ausgeführt, befindet sich erfindungsgemäß die ver¬ drängte Gasmasse selbst und nicht etwa ein massenbehafteter massiver Verdränger in Resonanz mit den synchron schwingenden Arbeitskolben. Da¬ durch erst sind extrem hohe Arbeitsfrequenzen bis zu 1000 Hz ( = 60.000 U/min) und damit eine hohe Leistungsdichte erzielbar.
Eine Maschine mit 600 Hz Arbeitsfrequenz und 30bar Helium-Arbeitsgas¬ druck erzielt etwa 300 KW pro Liter verdrängtes Volumen (im Vergleich zu etwa 50 KW pro Liter Hubraum in einem heutigen Pkw-Hochleistungsmotor).
Die Maschinen haben außer den beiden Arbeitskolben keine bewegten Tei¬ le. Sie benötigen keine Schmierung, keine Lager, keinen Anlasser. Sie eignen sich hervorragend als Strom- und Heißwasser-Erzeuger in kleinen solaren Hauskraftwerken mit Kraft-Wärme-Koppelung. Zu diesem Zweck sind sie im Zentrum eines Parabolspiegels angeordnet, der das auf ihn fallen¬ de Sonnenlicht konzentriert und auf den Erhitzer in der Stirlingmaschine lenkt. Derartige Maschinen machen aus 100 % Sonnenlicht, das auf den Spiegel fällt, etwa 30 % Strom und gleichzeitig 40 % Heißwasser, haben also einen Gesamtwirkungsgrad in die Nutzung der Sonnenenergie von etwa 70 . Bei einem Parabolspiegeldurchmesser von z.B. 2,4 m erzeugt eine solche Maschine etwa 1,4 KW Strom und 1,8 KW Heißwasser (d.h. pro Tag ca. 500 1). Durch das geringe Gewicht der Maschine und den kleinen Pa¬ rabolspiegel ist die Anlage auch als mobiles Solar-Stromaggregat einsetz¬ bar.
Bei einer Maschine mit zwei Arbeitskolben und integrierten Lineargenera¬ tor-Wicklungen ist die Leistung aufgrund der geometrischen Verhältnisse auf ca. 3 KW beschränkt.
Zur Erhöhung der Maschinenleistung sind daher an eine zentrale Erhitzer- Regenerator-Kühler-Anordnung 5 (Fig. 5, 6) mehrere Expansionszylinder 2 und mehrere Kompressionszylinder 3 über mehrere Verbindungsleistungen 4 angeschlossen. Je ein Expanions- und ein Kompressionskolben kann dabei mit seiner Rückseite auf eine gemeinsame Gasfeder einwirken, indem, wie in Fig. 5 gezeigt, Verbindungsleitungen 21 die Gemeinsamkeit herstellen, oder wie in Fig. 4 dargestellt, zwei Kolben in einem gemeinsamen Zylindergehäuse untergebracht sind.
Bei Mehrzylindermaschinen sind die Kolben immer so einander gegenüber angeordnet, daß während der synchronen Bewegung aller Kolben ihr ge¬ meinsamer Massenschwerpunkt in Ruhe bleibt, um einen vibrationsfreien Lauf zu gewährleisten, da sich Vibrationen im Arbeitsfrequenzbereich der Maschinen als lautes sinusförmiges Gehäul bemerkbar machen können.
Bei einer Ausgestaltung als Solarstirlingmaschine ist bei einer weiteren Ausführung ein Quarzfenster 22 (Fig. 7) am erhitzerseitigen Ende der Verbindungsleitung 4 zur Einstrahlung der konzentrierten Solarstrahlung 23 auf den Erhitzer 24 vorgesehen. Das Quarzfenster 22 besteht aus einem Topf mit außen verspiegelten Wänden 25 und einem gewölbten durchsichti¬ gen Boden 26. Der Quarztopf ist konzentrisch über dem Erhitzer 24 ange¬ ordnet und bildet mit einer Wärmeisolierwand 27 einen Ringspalt 28, der die Verlängerung der Verbindungsleitung 4 zum Erhitzer 24 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform verjüngt sich der Topf mit seinen verspie¬ gelten Wänden 25 parabelförmig zum Boden hin, derart, daß die unter dem maximalen, vom Parabolhauptspiegel vorgegebenen Randwinkel einfal¬ lenden Lichtstrahlen gerade auf dem Erhitzerrand fokussiert werden. Da¬ durch erreicht man, daß möglichst alles Licht auf den Erhitzer fällt und möglichst gleichmäßig über diesen verteilt ist. Diese nicht abbildende, konzentrierende Spiegeloptik leuchtet nicht, wie der bekannte CPC-Konzen- trator (compound parabolic conzentrator) total diffus in den am Spiegel¬ ausgang liegenden Halbkugelraum, sondern in erfindungsgemäßer Abwand¬ lung auf eine bevorzugt ebene Fläche, die größer ist als der Konzentra- torausgang und im Abstand dazu angeordnet ist.
Dieses Quarzfenster mit dem gewölbten Boden kann dünnwandig sein und ist trotzdem gegen hohe Arbeitsgasdrücke bei hoher Arbeitsgastemperatur stabil. Die Spiegelschicht liegt in der inerten Helium-Arbeitsgasatmosphäre und oxidiert bei den hohen Temperaturen nicht.

Claims

Patentansprüche:
1. Stirlingmaschine umfassend einen Kompressionskolben mit einem zuge¬ ordneten Kompressionszylinderraum, einen Expansionskolben mit einem zu¬ geordneten Expanionszylinderraum, und wenigstens eine Verbindungsleitung zwischen Kompressionszylinderraum und Expansionszylinderraum, wobei in der Verbindungsleitung eine Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung vorge¬ sehen ist, sowie eine Vorrichtung zur Koordinierung der relativen Bewe¬ gungen von Kompressionskolben und Expansionskolben, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß im Expanionszylinderraum (2) und im Kompressionszylinder¬ raum (5) Totvolumina vorgesehen sind, daß diese Totvolumina (1) zusam¬ men mit den Hubräumen als Gasfedern dienen, und daß die Größen der beiden Totvolumina (1) die Phasenlage zwischen Kompression und Verdrän¬ gung bestimmen.
2. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsgasmasse in der Verbindungsleitung und in der Erhitzer-Regene¬ rator-Kühler-Anordnung auf den beiden Gasfedern in Expansionsraum und Kompressionsraum schaukelt.
3. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die, durch die Trägheit der Arbeitsgasmasse hervorgerufene (zusätzliche) Pha¬ senverschiebung zwischen Kompression und Verdrängung durch die Ver¬ größerung des Totvolumens im Expanionszylinder kompensiert wird.
4. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Expansionszylinder das Verhältnis von Totraum zu Hubraum kleiner ist als im Kompressionszylinder.
5. Stirlingmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängung ein mit der Kompression phasengleicher Anteil überlagert wird.
6. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Maschine so gewählt ist, daß die Summe der Phasenverschie- bungsbeiträge aus Kolbenphasenwinkel, aus der Trägheit der Arbeitsgas¬ masse und dem Korrekturanteil der Totraum/Hubraumverhältnisse 90° be¬ trägt.
7. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des verdrängten Volumens durch die Wahl des Verhältnisses der Totraum/Hubraum- Verhältnisse in Expansions- und Kompressionszylinder eingestellt wird.
8. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Totraum variabel und justierbar ist.
9. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kompressions- und Expansionszylinderraum die Druckänderungen adiaba¬ tisch erfolgen.
10. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirlingprozeß nur in der Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung sowie in den unmittelbar anschließenden Teilen der Verbindungsleitung stattfin¬ det.
11. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmassen im Expansionszylinder und Kompressionszylinder etwa gleiche Temperatur haben, die nahe der Umgebungstemperatur liegen.
12. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkel zwischen Expansions- und Kompressionskolben zwischen 90° und 0° beträgt.
13. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Koordinierung der Kolben so ausgebildet ist, daß Ex¬ pansionskolben und Kompressionskolben synchron bewegt werden.
14. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ex¬ pansions- und Kompressionskolben auf einer Achse angeordnet sind und synchron aber gegenphasig bewegt werden.
15. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kom¬ pressionskolben und Expansionskolben über je einen Lineargenerator elek¬ trisch gekoppelt sind.
16. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kom¬ pressionskolben und Expansionskolben jeweils als freischwingende, ela¬ stisch aufgehängte Kolben ausgeführt sind.
17. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kom¬ pressionskolben und Expansionskolben mit ihren Rückseiten auf eine ge¬ meinsame Gasfeder einwirken.
18. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen von Expansions- und Kompressionskolben mit dem Gesamtgasvolumen in der Maschine ein schwingungsfähiges Masse-Federsystem bilden.
19. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsgasmasse in der Verbindungsleitung und in der Erhitzer-Regenera¬ tor-Kühler-Anordnung mit den Gasvolumina in Expansions- und Kompres¬ sionszylinderraum ein schwingungsfähiges Masse-Federsystem bildet.
20. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, 17 und 18, dadurch gekennzeich¬ net, daß das Masse-Feder-System der Arbeitskolben und das Masse-Feder- System der verdrängten Arbeitsgasmasse die gleiche Resonanzfrequenz haben.
21. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich beide Kolben synchron mit der Kompression bewegen und die verdrängte Gasmasse mit 90° Phasenversatz dazu.
22. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorwicklungen in die Kolbenwandungen integriert sind und die Kolbenwandungen von einem radialen Magnetfeld durchsetzt sind.
23. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenjoch des Lineargenerators als Führungsbahn des Arbeits¬ kolbens dient.
24. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Aufhängung der Kolben die Ruhelage der Kolben in Mittelstellung festlegt und gleichzeitig zu Stromab- und -zufuhr für die Generatorwicklungen dient.
25. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben durch Zener-Dioden vor übergroßen Amplituden geschützt sind.
26. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Erhitzer-Regenerator-Kühler-Anordnung mehrere Expansionszylinder und mehrere Kompressionszylinder über mehrere Verbindungsleitungen an¬ geschlossen sind.
27. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Mehrzylindermaschine die Zylinder so einander gegenüber angeordnet sind, daß während der synchronen Bewegung aller Kolben ihr gemeinsamer Massenschwerpunkt in Ruhe bleibt.
28. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am erhitzerseitigen Ende der Verbindungsleitung ein Quarzfenster zur Ein- kopplung von Solarstrahlung vorgesehen ist.
29. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 26, dadurch gekennzeichnet. daß das Quarzfenster aus einem Topf mit außen verspiegelten Wänden und einem gewölbten durchsichtigen Boden besteht.
30. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 27, dadurch gekennzeichnet. daß der Quarztopf über dem Erhitzer angeordnet ist und mit einer um den Topf herum angeordneten Isolierwand einen Ringspalt bildet, der die Ver¬ längerung der Verbindungsleitung zum Erhitzer ist.
31. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, 26 und 27, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Topfwände sich parabelförmig zum Boden hin verjüngen, so daß eine konzentrierende, nicht abbildende Spiegeloptik entsteht.
32. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 28, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrierende nicht abbildende Spiegeloptik in Längsschnitt gesehen aus einem linken und einem rechten Parabelast zusammengesetzt ist, die ihre Brennpunkte auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten in der Gegend des Randes des Erhitzers haben.
PCT/EP1995/003252 1994-08-20 1995-08-16 Synchronkolben-stirlingmaschine WO1996006273A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU33463/95A AU3346395A (en) 1994-08-20 1995-08-16 Synchronous piston stirling engine

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19944429602 DE4429602C2 (de) 1994-08-20 1994-08-20 Stirlingmaschine
DEP4429602.9 1994-08-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1996006273A1 true WO1996006273A1 (de) 1996-02-29

Family

ID=6526190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1995/003252 WO1996006273A1 (de) 1994-08-20 1995-08-16 Synchronkolben-stirlingmaschine

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU3346395A (de)
DE (1) DE4429602C2 (de)
WO (1) WO1996006273A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103147878A (zh) * 2012-02-11 2013-06-12 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 热缸相循环发动机
WO2013117116A1 (zh) * 2012-02-12 2013-08-15 Jin Beibiao 压气单元热气机
ES2481345R1 (es) * 2013-01-28 2014-11-18 Deba Energy, S.L. Motor stirling equipado con cámaras en forma de fuelles
CN105298640A (zh) * 2015-11-27 2016-02-03 龚福清 做功气缸、增压气缸分置发动机

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5813235A (en) * 1997-02-24 1998-09-29 The State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Resonantly coupled α-stirling cooler
WO2006023872A2 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Infinia Corporation Double acting thermodynamically resonant free-piston multicylinder stirling system and method
DE102006027103B3 (de) * 2006-06-12 2007-10-18 Maiß, Martin Verfahren zur Steuerung/Regelung von Stirlingmaschinen mit rotierenden Verdrängern
IT1392369B1 (it) * 2008-12-19 2012-02-28 Innovative Technological Systems Di Fontana Claudio Ditta Individuale Motore a combustione esterna
DE102013104581B4 (de) 2013-05-03 2018-08-16 Christian Daublebsky von Eichhain Solar-Stirling-Maschine
US20230399995A1 (en) * 2020-10-30 2023-12-14 Azelio Ab Alpha Stirling Engine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3145527A (en) * 1962-06-22 1964-08-25 Morgenroth Henri Scavenging flow circuit for stirling cycle engine
US4395880A (en) * 1981-03-11 1983-08-02 Mechanical Technology Incorporated Double acting stirling engine phase control
WO1992019855A1 (en) * 1991-05-01 1992-11-12 Mechanical Technology Incorporated Relative gas spring configuration free-piston stirling cycle system
US5177968A (en) * 1992-05-20 1993-01-12 Fellows Oscar L Radial hot gas engine
US5329768A (en) * 1991-06-18 1994-07-19 Gordon A. Wilkins, Trustee Magnoelectric resonance engine

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4395879A (en) * 1981-09-18 1983-08-02 Kommanditbolaget United Stirling Ab & Co. Hot gas engine heater head
DE3535414A1 (de) * 1985-10-04 1986-07-10 Alfred Dipl.-Ing. 8721 Oberwerrn Weidinger Stirlingmotor mit sonnenenergie betrieben
US4888951A (en) * 1989-07-03 1989-12-26 Sunpower, Inc. Phase synchronization and vibration cancellation for free piston Stirling machines
DE69018067T2 (de) * 1989-10-19 1995-11-02 Wilkins Gordon A Magnetoelektrische resonanzkraftmaschine.

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3145527A (en) * 1962-06-22 1964-08-25 Morgenroth Henri Scavenging flow circuit for stirling cycle engine
US4395880A (en) * 1981-03-11 1983-08-02 Mechanical Technology Incorporated Double acting stirling engine phase control
WO1992019855A1 (en) * 1991-05-01 1992-11-12 Mechanical Technology Incorporated Relative gas spring configuration free-piston stirling cycle system
US5329768A (en) * 1991-06-18 1994-07-19 Gordon A. Wilkins, Trustee Magnoelectric resonance engine
US5177968A (en) * 1992-05-20 1993-01-12 Fellows Oscar L Radial hot gas engine

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103147878A (zh) * 2012-02-11 2013-06-12 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 热缸相循环发动机
WO2013117116A1 (zh) * 2012-02-12 2013-08-15 Jin Beibiao 压气单元热气机
ES2481345R1 (es) * 2013-01-28 2014-11-18 Deba Energy, S.L. Motor stirling equipado con cámaras en forma de fuelles
CN105298640A (zh) * 2015-11-27 2016-02-03 龚福清 做功气缸、增压气缸分置发动机

Also Published As

Publication number Publication date
AU3346395A (en) 1996-03-14
DE4429602C2 (de) 1998-12-24
DE4429602A1 (de) 1996-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006043250B4 (de) Mehrfachzylinder-Freikolben-Stirlingmaschinen und -Wärmepumpen in Alpha-Anordnung mit abgestuften Kolben
DE102008041076B4 (de) Resonanzausgleich des Stators einer Freikolbenmaschine, die mit einem Linearmotor oder Wechselstromgenerator gekoppelt ist
DE10117072C2 (de) Kompressor
DE60308021T2 (de) Steuersystem für einen linearvibrationsmotor
JP3877224B2 (ja) 往復運動物体を中心位置に向けるための撓性連結機構を有する流体ベアリング
US6307287B1 (en) High-efficiency moving-magnet loudspeaker
DE4429602C2 (de) Stirlingmaschine
DE112010004335B4 (de) Gamma-Typ Freikolben-Stirlingmaschinen Konfiguration
DE112008001613T5 (de) Energieüberführungsmaschine und Verfahren
EP1694956A1 (de) Bearbeiteter feder-verdränger für stirling-maschinen
DE19847917A1 (de) Hubkolbenarbeitsmaschine mit verstellbarer Förderleistung
US5442913A (en) Stirling cycle system driving device
DE2807004A1 (de) Heissgaskolbenmaschine
EP0086622B1 (de) Heissgas-Freikolbenmaschine
US20020096884A1 (en) Method and device for transmitting mechanical energy between a stirling machine and a generator or an electric motor
EP0481037A1 (de) Stirling-maschine
WO2021175353A1 (de) Stirlingmotor
EP2273093B1 (de) Wärmekraftmaschine
EP0796392B1 (de) Vorrichtung mit einem antrieb und einer vom antrieb antreibbaren maschine
EP3301287A1 (de) Doppelwirkende freikolben-stirling-kreislaufmaschine mit lineargenerator
DE19580894B4 (de) Flachkollektor-Stirling-Maschine
DE102014114609B3 (de) Freikolben-Stirlingmotor mit elektrisch bewegtem und elektronisch gesteuertem Verdränger, Arbeitskolben und Gegenschwinger
DE19959687C2 (de) Wärmekraftmaschine mit drehbeweglichen Zylindern
JP2680411B2 (ja) 運動変換装置
DE3237841A1 (de) Thermisch betriebene waermepumpe

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AM AT AU BB BG BR BY CA CH CN CZ DE DK EE ES FI GB GE HU JP KE KG KP KR KZ LK LR LT LU LV MD MG MN MW MX NO NZ PL PT RO RU SD SE SG SI SK TJ TT UA UG US UZ VN

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): KE MW SD SZ UG AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE BF BJ CF CG CI CM GA GN ML MR NE SN TD TG

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: CA