WO2016055221A1 - Freikolben-stirlingmotor mit elektrisch bewegtem und elektronisch gesteuertem verdränger, arbeitskolben und gegenschwinger - Google Patents

Freikolben-stirlingmotor mit elektrisch bewegtem und elektronisch gesteuertem verdränger, arbeitskolben und gegenschwinger Download PDF

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WO2016055221A1
WO2016055221A1 PCT/EP2015/070484 EP2015070484W WO2016055221A1 WO 2016055221 A1 WO2016055221 A1 WO 2016055221A1 EP 2015070484 W EP2015070484 W EP 2015070484W WO 2016055221 A1 WO2016055221 A1 WO 2016055221A1
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free
piston
displacer
stirling engine
working
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PCT/EP2015/070484
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Inventor
Eckhart Weber
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First Stirling GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—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 the engine being of the free piston type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1869—Linear generators; sectional generators
    • H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts
    • H02K7/1884—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts structurally associated with free piston engines

Definitions

  • Free-piston Stirling engine with electrically moving and electronically controlled displacer, working piston and counter-oscillator
  • the invention relates to a method for operating a free-piston Stirling engine with linear reciprocating displacer and working piston according to the preamble of claim 1 and a corresponding free-piston Stirling engine according to the preamble of claim 8.
  • Free-piston Stirling engines have recently found increased interest in decentralized power generation of gaseous, liquid and solid fuels, as well as concentrated sunlight in small power units as so-called micro-cogeneration in single and multi-family houses To replace house heating and water heating and additionally to generate as much electricity as possible, which is consumed in the house itself and in the electric vehicles of the homeowner, or can be fed for reimbursement in the public grid. But even as working machines find such free-piston Stirling engines an increased interest as cryogenic refrigerators (cryocooler) for new applications in superconductivity, such as superconducting wind generators, Strombegrern, transformers or power lines.
  • cryogenic refrigerators cryogenic refrigerators
  • a method for operating a free-piston Stirling engine according to the preamble of claim 1 and a free-piston Stirling engine according to the preamble of claim 8 are known from the company Microgen Engine Corporation and described for example in the brochure ⁇ kofen "pellet heaters.”
  • this free-piston Stirling engines are systems that are typically run on natural gas and provide the heat necessary for a single-family home, but can generate very little electricity (up to 1 kW), so that the electrical efficiency of these devices, depending on the total heat demand
  • This known free-piston Stirling engine uses a displacer driven directly by the pressure fluctuations of the working gas due to the Stirling process becomes.
  • the amplitude of the displacer is determined by the flow resistance of the working gas by the heater, regenerator and cooler, the phase position by the quality of resonance between the displacer and the working piston. Neither a specific phase shift nor a defined variable amplitude, as well as necessary precise reversal points of the displacer at full scale without collisions, can be adjusted during operation.
  • the only two ways to reduce the displacement amplitude when the displacer collides with the heater head is to either lower the heater head temperature in this free-piston Stirling engine, resulting in a rapid loss of efficiency or to reduce the piston stroke, which results in a rapid loss of power.
  • the well-known free-piston Stirling engine uses passive vibration damper. This is an annular mass mounted on coil springs around the outside of the motor housing, which is excited in opposite phase to vibrations by the vibrations of the motor housing going up and down, and the vibrations 1. Order thereby, depending on the deflection, more or less strongly attenuates.
  • a free-piston Stirling engine can only be operated in a vertical position.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a novel method for operating a free-piston Stirling engine with higher efficiency and a corresponding free-piston Stirling engine available.
  • the reciprocating movement of the displacer and / or the working piston is influenced with the aid of an electrically generated force, preferably in such a way that the displacer and / or working piston does not drift out of the central position during operation but remains in the latter.
  • an electrical spring is provided which causes either a braking or an acceleration of the movement of the displacer and / or working piston.
  • Different operating modes / designs can be differentiated depending on the working frequency of the free-piston Stirling engine with respect to the natural frequency of the natural mass-spring systems of displacer, working piston and counter-oscillator.
  • the displacement rod is as thin as possible in the a-resonant mode of operation / design, so that only part of the power required to drive the displacer comes directly from the working gas.
  • an electric linear drive which contributes to the other part of the power required to drive the displacer.
  • the center position of the working piston is adjusted during operation by the electronically controllable power output of the linear generator, wherein the linear generator is dimensioned so that it can implement the, due to the thin displacement rod in the working gas remaining power in addition to the actual power generation in electrical power, then the electric drive of the third party.
  • the power control of the free-piston Stirling engine can only be done via the hub.
  • the displacer can be dimensioned in thickness so that the power required to drive the displacer power comes directly from the working gas and the electrical power control forces only the precise reversal points and the correct center position of the displacer must accomplish.
  • the displacer can also be dimensioned so thick that in addition to the power to drive the displacer yet another part of the power from the working gas via the linear electric machine of the displacer is discharged, so that the linear electric machine of the working piston is relieved.
  • the two linear electric machines work as linear generators.
  • a-resonant mode and the resonant mode of operation there are also the intermediate forms of a subresonant or partially resonant mode of operation / design: in the subresonant mode of operation / design, built-in springs set the resonant frequency of the moving parts above the operating frequency of the free-piston Stirling engine firmly and the electrical forces ensure a sub-resonant deflection of the moving parts.
  • built-in springs set the resonant frequency of the moving parts between a desired maximum and minimum operating frequency of the free-piston Stirling engine, and the electrical forces of the electric machine (n) detune the resonant frequency only up or down.
  • the mass of the counter-oscillator of the free-piston Stirling engine according to the invention also engages an electric linear drive and actively deletes all the vibrations of the free-piston Stirling engine.
  • displacement sensors are mounted, which detect the respective instantaneous amplitudes of displacer, working piston and counter-oscillating mass.
  • the essence of the invention is that in the free-piston Stirling engine according to the invention, the amplitudes of the vibrating parts, the waveforms and their ideal phase relation to each other during operation can be set precisely and arbitrarily changed. This results in high efficiency, maximum power at the highest possible heater head temperature, fast power control without high efficiency losses and a vibration-free silent machine.
  • Fig. 2 shows a further advantageous embodiment of the invention
  • the free-piston Stirling engine according to FIG. 1 comprises a heater 1 (in the form of individual heating tubes), a regenerator 2, a cooler 3, a displacer 4 and a working piston 5.
  • the latter can be mounted on disc springs 6 or magnetic springs (not shown) to set its middle position at rest.
  • the reference numeral 7 designates a linear generator, which comprises a moving over the working piston 5 and the disc springs 6 voice coil 8 in a fixed magnet pot 9.
  • the working frequency is the natural frequency of this mass-spring system. It depends on working gas pressure, working gas temperature, working gas type, working gas volume, buffer volume, working piston cross-sectional area and the moving mass.
  • the defined by the disc springs 6 at rest center position of the working piston 5 moves during operation of the free-piston Stirling engine, because the mean pressure of the Stirling process is higher than the mean pressure of the buffer volume.
  • the permissible working range of the working piston 5 is controlled in the known free-piston Stirling engines by controlled opening of bypass channels between working volume and buffer volume. The setting of a precise permanent center position of the working piston 5 is not possible.
  • the displacer 4 is also mounted on a VerdrDeutscherstange 10 on disc springs 1 1, whereby its center position is set at rest.
  • the displacement rod 10 leads out of the working gas volume through the working piston 5 and thus generates a force corresponding to the cross-sectional area of the displacement rod 10 and the instantaneous gas pressure difference between working gas volume and buffer space volume during movement of the displacer 4 during the changing working gas pressure.
  • the spring constant of the disc springs 1 1 of the displacer 4 should preferably be dimensioned such that the disc springs, together with the mass of the displacer 4 and the displacer bar 10 as the second mass-spring system, have the same natural frequency as the mass-spring system described above. System of the working piston 5. Then both mass-spring systems are in resonance and can vibrate with the desired 90 ° phase shift for the Stirling process, if the mentioned dependencies are exactly balanced. However, this does not succeed in known free-piston Stirling engines over all desired operating conditions, so that the desired 90 ° phase shift runs away or the displacer does not have the desired amplitude.
  • the movement of the moving parts is controlled by the force of the linear electric machines so that the desired 90 ° phase shift remains and / or the displacer 4 retains the desired amplitude, that is, avoids these problems can be.
  • the force which is generated by the linear electric machines causes a deceleration or acceleration of the moving parts in the manner of an "electric spring.”
  • the free-piston Stirling engine according to the representation of FIG - rule machine in the form of the linear generator 7 of the working piston 5 further electrical machines in the form of the linear generator / linear actuator 12 of the displacer 4 and the linear actuator 17 of the counter-oscillator 15 is provided.
  • displacement sensors 20a-20c are mounted, which detect the respective instantaneous amplitudes of displacer 4, working piston 5 and counter-oscillator mass 15 and to the control electronics (not shown) of the linear electric machines 7, 12, 17 pass.
  • the free-piston Stirling engine according to the invention can be operated in different operating modes.
  • the power control of the free-piston Stirling engine can be made arbitrarily variable on the frequency, the phase angle or the stroke.
  • the displacement rod 10 is preferably as thin as possible in the a-resonant mode of operation / design, so that only part of the power required to drive the displacer 4 comes directly from the working gas.
  • the electric linear drive 12 engages, here shown as a plunger drive consisting of the displacer coil 13 and the displacer magnet pot 14, which is arranged here concentrically in the hollow center of the magnet pot 9 and which is the other part of the displacer drive necessary Achieves power that comes indirectly from the working gas.
  • the linear generator 7 is dimensioned such that it can implement the power remaining in the working gas due to the thin displacement rod 10 in addition to the actual power generation in electrical power, which then for electric drive of the displacer 4 via a suitable power converter (not shown) the linear drive 12 available stands.
  • the center position of the working piston 5 is adjusted during operation by the electronically controllable power output of the linear generator 7.
  • the linear generator 7 is dimensioned such that it can convert the power remaining in the working gas due to the thin displacer bar 10 into electrical power for the displacer drive in addition to the actual power generation.
  • the forces for the acceleration of displacer 4, power piston 5 and counter-oscillator 15 come in large part from the built-in springs 6, 11, 16 which, together with the mass of the moving parts, form mass-spring systems which depend on a common resonance frequency are tuned.
  • the linear electric machines 7, 12 and 17 on displacer 4, 5 working piston and counter-oscillator 15 only need this way supply or dissipate a great deal of electrical power so that the moving parts perform the exact, largely sinusoidal, desired movements.
  • the linear electric machines 7, 12, 17 only have to apply peak forces up to, for example, 2 kN. Because of this smaller available electrical power and because of the greater mass of the moving parts, the power control of the free-piston Stirling engine can only be done via the stroke of the displacer 4 or 5 working piston.
  • the displacer 10 should be at least as thick in the resonant mode that the power required to drive the displacer 4 comes directly from the working gas and the electrical forces only the precise reversal points and the correct center position of the displacer 4 must accomplish.
  • the displacer 10 may also be so thick that in addition to the power to drive the displacer 4, a further part of the power from the working gas via the linear electric machine 12 of the displacer 4 is discharged, so that the linear electric machine 7 of the working piston 5 relieved becomes.
  • the two linear electric machines 7 and 12 are linear generators.
  • the center position of the working piston 5 is set precisely during operation by the electronically controllable power reduction of the linear generator 7.
  • the electric drive of the displacer 4 is a precise displacement control with full scale without collisions possible, resulting in maximum performance and high efficiency.
  • a fast power control over a wide range by changing the amplitude or the phase position of the displacer 4, which results in a very good partial load behavior, because the heater temperature compared to the prior art for power control does not have to be lowered.
  • the counter-oscillator 15 of the free-piston Stiringmotors invention is actively operated electrically, is disposed within the engine and consists of a mass which is arranged between position-independent disc springs 16 and in the case of resonance of the vibrations. 1 Order also opposite phase is excited to vibrate.
  • the mass 15, however, can additionally be excited by the linear drive 17, here shown as a movable voice coil 18 and stationary magnet pot 19.
  • An acceleration sensor (not shown) mounted on the motor housing, however, also detects subharmonic vibrations in addition to the vibrations of the first order. By this additional electrical stimulation and the electronic control, the vibrations can 1. Order and the subharmonic vibrations are completely extinguished.
  • FIG. 2 shows the free-piston Stirling engine according to the invention as a cooling device, in particular as a so-called cryocooler.
  • the free-piston Stirling engine instead of a heater or heater Head a cold head 21 on. Otherwise, the construction does not differ from the construction according to FIG. 1.

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Abstract

Es gibt einen Freikolben-Stirlingmotor, bei dem • die exakte Bewegung des Verdrängers (4) mit einer linear elektrischen Maschine bewerkstelligt bzw. kontrolliert wird. • die exakte Bewegung des Arbeitskolbens (5) mit einer linear elektrischen Maschine bewerkstelligt bzw. kontrolliert wird. • die exakte Bewegung des Gegenschwingers (15) mit einer linear elektrischen Maschine bewerkstelligt bzw. kontrolliert wird.

Description

Freikolben-Stirlingmotor mit elektrisch bewegtem und elektronisch gesteuertem Verdränger, Arbeitskolben und Gegenschwinger
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Freikolben-Stirlingmotors mit linear hin und her schwingendem Verdränger und Arbeitskolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen entsprechenden Freikolben- Stirlingmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Freikolben-Stirlingmotoren finden als Kraftmaschinen neuerdings verstärktes Interesse zur dezentralen Verstromung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen, sowie von konzentriertem Sonnenlicht, um in kleinen Leistungseinheiten als sogenannte Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (Mikro-KWK) in Ein- und Mehrfamilienhäusern die übliche Hausheizung und Warmwasserbereitung zu ersetzen und zusätzlich kostengünstig möglichst viel Strom zu erzeugen, der im Haus selbst und in den Elektrofahrzeugen der Hausbewohner verbraucht wird, oder gegen Vergütung in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Aber auch als Arbeitsmaschinen finden solche Freikolben-Stirlingmotoren ein verstärktes Interesse als Tieftemperatur-Kältemaschinen (Kryokühler) für neue Anwendungen in der Supraleitung, wie zum Beispiel bei supraleitenden Windgeneratoren, Strom begrenzern, Transformatoren oder Starkstromtrassen.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Freikolben-Stirlingmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Freikolben-Stirlingmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 sind von der Firma Microgen Engine Corporation bekannt und zum Beispiel in der Broschüre Ökofen „Pelletsheizungen" beschrieben. Im Einsatz dieses Freikolben-Stirlingmotors handelt sich um Systeme, die in der Regel mit Erdgas betrieben werden und die notwendige Wärme für ein Einfamilienhaus bereitstellen, dabei aber nur sehr wenig Strom erzeugen können (max. 1 kW), sodass der elektrische Wirkungsgrad dieser Geräte, abhängig vom Gesamtwärmebedarf, entsprechend niedrig ist (3-12%). Dieser bekannte Freikolben- Stirlingmotor verwendet einen Verdränger, der direkt durch die aufgrund der im Stirlingprozess bedingten Druckschwankungen des Arbeitsgases angetrieben wird. Die Amplitude des Verdrängers wird hierbei durch den Strömungswiderstand des Arbeitsgases durch Erhitzer, Regenerator und Kühler bestimmt, die Phasenlage durch die Güte der Resonanz zwischen Verdränger und Arbeitskolben. Weder eine bestimmte Phasenverschiebung noch eine definiert veränderba- re Amplitude, sowie notwendige präzise Umkehrpunkte des Verdrängers bei Vollausschlag ohne Kollisionen, lassen sich während des Betriebs einstellen. Die einzigen beiden Möglichkeiten, die Verdrängeramplitude zu verkleinern, wenn der Verdränger mit dem Erhitzerkopf kollidiert, ist bei diesem Freikolben-Stirlingmotor entweder die Erhitzerkopftemperatur abzusenken, was mit einem rapiden Wir- kungsgradverlust einhergeht oder den Arbeitskolbenhub zu verkleinern, was mit einem rapiden Leistungsverlust einhergeht.
Zudem verwendet der bekannte Freikolben-Stirlingmotor passive Vibrationsdämpfer. Es handelt sich hierbei um eine auf Spiralfedern außen um das Motor- gehäuse herum gelagerte ringförmige Masse, die durch die auf- und abwärts gehenden Vibrationen des Motorgehäuses gegenphasig zu Schwingungen angeregt wird und die Vibrationen 1 . Ordnung dadurch, je nach Auslenkung, mehr oder weniger stark dämpft. Durch einen so auf Spiralfedern gelagerten Gegenschwinger ist ein Freikolben-Stirlingmotor nur in vertikaler Position betreibbar.
Für den wirtschaftlichen Einsatz und die massenhafte Verbreitung solcher stromerzeugenden Hausheizungen in Ein- und Mehrfamilienhäusern, für Erdgas, aber auch für heute attraktive regenerative Brennstoffe und Energiequellen, wie Bioerdgas, Holzpellets, Biokohlepellets und direktes konzentriertes Sonnenlicht, ist es zwingend erforderlich, dass während der Wärmeerzeugung ein möglichst hoher Stromanteil erzielt wird. Wünschenswert wären Anlagen, die, wie heutige Heizungen, klein, wartungsarm und leise sind und die zur Erzielung einer hohen Stromausbeute Freikolben-Stirlingmotoren verwenden, die wartungsfrei, vibrationsfrei und unhörbar sind, hohe Motorwirkungsgrade von 40% und mehr und eine hohe aber modulierbare elektrische Leistung (1 ,5 - 3 kW) bei der notwendigen Wärmebereitstellung (6 - 12 kW) für das Haus haben. Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Freikolben-Stirlingmotors mit höherem Wirkungsgrad sowie einen entsprechenden Freikolben-Stirlingmotor zur Verfügung zu stellen.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird bei dem Freikolben-Stirlingmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 8 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 bzw. Anspruch 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden in abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Zuhilfenahme einer elektrisch erzeugten Kraft die hin - und her erfolgende Bewegung von Verdränger und/oder Arbeitskolben beeinflusst und zwar vorzugsweise derart, dass der Verdränger und/oder Arbeitskolben während des Betriebs nicht aus der Mittellage driftet sondern in Letzterer verbleibt. Gemäß der Erfindung wird somit auf die durch die Arbeitsgasmasse bedingte Schwingung zusätzlich elektrisch Einfluss genommen. Gleichsam ist eine "elektrische Feder" vorgesehen, die entweder eine Bremsung oder eine Beschleunigung der Bewegung von Verdränger und/oder Arbeitskolben bewirkt.
Diese Aufgabe wird beim Freikolben-Stirlingmotor erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine lineare elektrische Maschine vorgesehen ist, die die Bewegung des Verdrängers, die Bewegung des Arbeitskolbens und/oder die Bewegung des Gegenschwingers unterstützt und/oder kontrolliert. Somit ist es möglich, dass eine exakte Bewegung des Verdrängers mit einer linear elektrischen Maschine bewerkstelligt bzw. kontrolliert, eine exakte Bewegung des Arbeitskolbens mit einer linear elektrischen Maschine bewerkstelligt bzw. kontrolliert und/oder eine exakte Bewegung des Gegenschwingers mit einer linear elektrischen Maschine bewerkstelligt bzw. kontrolliert wird.
Dabei lassen sich verschiedene Betriebsarten/Bauformen unterscheiden, je nachdem welche Arbeitsfrequenz der Freikolben-Stirlingmotor in Bezug auf die Eigenfrequenz der natürlichen Masse-Federsysteme von Verdränger, Arbeitskol- ben und Gegenschwinger hat.
In einer a-resonanten Betriebsweise/Bauform ist keine bestimmte Arbeitsfrequenz oder Resonanzfrequenz von Verdränger, Arbeitskolben und Gegenschwinger vorgegeben. Alle Kräfte werden für die Beschleunigung der bewegten Teile überwiegend elektrisch aufgebracht und die Leistungsregelung des Freikol- ben-Stirlingmotors kann über die Frequenz, die Phasenlage und/oder den Hub erfolgen.
Die Verdrängerstange ist in der a-resonanten Betriebsweise/Bauform möglichst dünn, sodass nur ein Teil der zum Antrieb des Verdrängers notwendigen Leistung direkt aus dem Arbeitsgas kommt. Am Ende der Verdrängerstange greift ein elektrischer Linearantrieb an, der den anderen Teil der zum Antrieb des Verdrängers notwendigen Leistung beiträgt. Die Mittellage des Arbeitskolbens wird im Betrieb durch die elektronisch regelbare Leistungsabgabe des Lineargenerators eingestellt, wobei der Lineargenerator so bemessen ist, dass er die, wegen der dünnen Verdrängerstange im Arbeitsgas zurückbleibende Leistung zusätzlich zur eigentlichen Stromerzeugung in elektrische Leistung umsetzen kann, die dann zum elektrischen Antrieb des Ver- drängers zur Verfügung steht. ln der a-resonanten Betriebsweise/Bauart ist es wichtig, dass die bewegten Massen von Verdränger, Arbeitskolben und Gegenschwinger möglichst klein sind und nicht auf Federn gelagert sind, die die Arbeitsfrequenz bestimmen. In der resonanten Betriebsweise/Bauart für Verdränger, Arbeitskolben und Gegenschwinger kommen die Kräfte für die Beschleunigung der bewegten Teile zum großen Teil aus eingebauten Federn, die zusammen mit der Masse der Teile Masse-Federsysteme bilden, die auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz abgestimmt sind.
Hier kann die Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors nur über den Hub erfolgen.
Die Verdrängerstange kann so in ihrer Dicke dimensioniert sein, dass die zum Antrieb des Verdrängers notwendige Leistung direkt aus dem Arbeitsgas kommt und die elektrischen Kräfte zur Leistungsregelung nur die präzisen Umkehrpunkte und die richtige Mittellage des Verdrängers bewerkstelligen müssen.
Die Verdrängerstange kann aber auch so dick dimensioniert sein, dass neben der Leistung zum Antrieb des Verdrängers noch ein weiterer Teil der Leistung aus dem Arbeitsgas über die linear elektrische Maschine des Verdrängers abgegeben wird, sodass die linear elektrische Maschine des Arbeitskolbens entlastet wird. In diesem Fall arbeiten die beiden linear elektrischen Maschinen als Lineargeneratoren.
Zwischen der a-resonanten und der resonanten Betriebsweise/Bauart gibt es aber auch noch die Zwischenformen einer unterresonanten oder teilresonanten Betriebsweise/Bauart: In der unterresonanten Betriebsweise/Bauart legen eingebaute Federn die Resonanzfrequenz der bewegten Teile über der Arbeitsfrequenz des Freikolben- Stirlingmotors fest und die elektrischen Kräfte sorgen für eine unterresonante Auslenkung der bewegten Teile.
In der teilresonanten Betriebsweise/Bauart legen eingebaute Federn die Reso- nanzfrequenz der bewegten Teile zwischen einer gewünschten maximalen und minimalen Arbeitsfrequenz des Freikolben-Stirlingmotors fest und die elektrischen Kräfte der elektrischen Maschine(n) verstimmen die Resonanzfrequenz nur noch nach oben oder unten. An der Masse des Gegenschwingers des erfindungsgemäßen Freikolben- Stirlingmotors greift ebenfalls ein elektrischer Linearantrieb an und löscht aktiv alle Vibrationen des Freikolben-Stirlingmotors aus.
In den Linearantrieben von Verdränger und Gegenschwinger und im Lineargene- rator der am Arbeitskolben befestigt ist, sind Wegsensoren angebracht, die die jeweiligen momentanen Amplituden von Verdränger, Arbeitskolben und Gegenschwingermasse erfassen.
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass in dem erfindungsgemäßen Freikolben- Stirlingmotor die Amplituden der schwingenden Teile, die Schwingungsformen und ihre ideale Phasenlage zueinander während des Betriebs präzise eingestellt und beliebig verändert werden können. Dies resultiert in einem hohen Wirkungsgrad, maximaler Leistung bei höchst möglicher Erhitzerkopftemperatur, einer schnellen Leistungsregelung ohne große Wirkungsgradverluste und einer vibrati- onsfreien lautlosen Maschine.
Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Freikol- ben-Stirlingmotors mit Erhitzer im Längsschnitt sowie
Fig. 2 eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Freikolben-Stirlingmotors mit Kaltkopf im Längsschnitt.
Der Freikolben-Stirlingmotor gemäß Fig. 1 umfasst einen Erhitzer 1 (in Form einzelner Erhitzerrohrchen), einen Regenerator 2, einen Kühler 3, einen Verdränger 4 sowie einen Arbeitskolben 5. Letzterer kann auf Tellerfedern 6 oder (nicht dargestellten) Magnetfedern gelagert sein, um seine Mittellage im Ruhezustand festzulegen. Die Bezugsziffer 7 bezeichnet einen Lineargenerator, der eine über den Arbeitskolben 5 und die Tellerfedern 6 bewegte Schwingspule 8 in einem feststehenden Magnettopf 9 umfasst. Bei Auslenkung aus der Mittellage wirkt auf seiner Oberseite das gesamte Arbeitsgasvolumen und auf seiner Rückseite das gesamte freie Pufferraumvolumen als Gasfeder, welche zusammen mit der bewegten Masse von Arbeitskolben 5 und der Masse der bewegten Schwingspule 8 die Arbeitsfrequenz des Stirlingmotors vorgibt. Die Arbeitsfrequenz ist die Eigenfrequenz dieses Masse-Federsystems. Sie ist abhängig von Arbeitsgasdruck, Arbeitsgastemperatur, Arbeitsgasart, Arbeitsgasvolumen, Puffervolumen, Ar- beitskolbenquerschnittsfläche und der bewegten Masse.
Die Tellerfedern 6, auf denen der Arbeitskolben gelagert ist und die bei bewegter Schwingspule 8 auch als Stromzu- bzw. -abführungen dienen, bestimmen die Arbeitsfrequenz mit ihrer Federkonstante ebenfalls mit. Die durch die Tellerfedern 6 im Ruhezustand definierte Mittellage des Arbeitskolbens 5 verschiebt sich im Betrieb des Freikolben-Stirlingmotors, weil der Mitteldruck des Stirlingprozesses höher ist, als der Mitteldruck des Puffervolumens. Der zulässige Arbeitsbereich des Arbeitskolbens 5 wird bei den bekannten Freikolben-Stirlingmotoren durch gesteuertes Öffnen von Bypasskanälen zwischen Arbeitsvolumen und Puffervo- lumen geregelt. Die Einstellung einer präzisen dauerhaften Mittellage des Arbeitskolbens 5 ist jedoch nicht möglich. Der Verdränger 4 ist über eine Verdrängerstange 10 ebenfalls auf Tellerfedern 1 1 gelagert, wodurch auch seine Mittellage im Ruhezustand festgelegt wird. Die Verdrängerstange 10 führt durch den Arbeitskolben 5 hindurch aus dem Arbeitsgasvolumen hinaus und erzeugt so während des sich ändernden Arbeitsgasdru- ckes eine der Querschnittsfläche der Verdrängerstange 10 und der momentanen Gasdruckdifferenz zwischen Arbeitsgasvolumen und Pufferraumvolumen entsprechende Kraft zur Bewegung des Verdrängers 4.
Die Federkonstante der Tellerfedern 1 1 des Verdrängers 4 sollte vorzugsweise so bemessen sein, dass die Tellerfedern zusammen mit der Masse desVer- drängers 4 und der Verdrängerstange 10 als zweites Masse-Feder-System die gleiche Eigenfrequenz hat, wie das oben beschriebene Masse-Feder-System des Arbeitskolbens 5. Dann sind beide Masse-Feder-Systeme in Resonanz und können mit der für den Stirlingprozess gewünschten 90°-Phasenverschiebung zuei- nander schwingen, wenn die genannten Abhängigkeiten genau austariert sind. Dies gelingt aber in bekannten Freikolben-Stirlingmotoren nicht über alle gewünschten Betriebszustände, sodass die gewünschte 90°-Phasenverschiebung wegläuft oder der Verdränger nicht die gewünschte Amplitude hat. Das Ergebnis ist eine kleinere Leistung und ein schlechterer Wirkungsgrad auch bei Teillast, weil man während des Betriebs keine Einwirkungsmöglichkeiten hat und weder eine bestimmte Phasenverschiebung noch eine gewünschte Amplitude oder präzise Umkehrpunkte bei Vollausschlag des Verdrängers 4 einstellen kann, wie eingangs bereits beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Freikolben-Stirlingmotor wird die Bewegung der bewegten Teile mit der Kraft der linear elektrischen Maschinen beeinflusst bzw. kontrolliert, sodass die gewünschte 90°-Phasenverschiebung bleibt und/oder der Verdränger 4 die gwünschte Amplitude behält, das heißt, dass diese Probleme vermieden werden können. Die Kraft, die durch die linearen elektrischen Maschi- nen erzeugt wird, bedingen eine Abbremsung oder Beschleunigung der bewegten Teile nach Art einer„elektrischen Feder". Bei der Ausgestaltung des Freikol- ben-Stirlingmotors gemäß der Darstellung nach Fig. 1 sind neben der elektri- schen Maschine in Form des Lineargenerators 7 des Arbeitskolbens 5 weitere elektrische Maschinen in Form des Lineargenerators/Linearaktuator 12 des Verdrängers 4 sowie des Linearaktuators 17 des Gegenschwingers 15 vorgesehen. In den Linearantrieben 12, 17 von Verdränger 4 und Gegenschwinger 15 und im Lineargenerator 7, der am Arbeitskolben befestigt ist, sind Wegsensoren 20a-20c angebracht, die die jeweiligen momentanen Amplituden von Verdränger 4, Arbeitskolben 5 und Gegenschwingermasse 15 erfassen und an die Steuerelektronik (nicht dargestellt) der linear elektrischen Maschinen 7, 12, 17 weitergeben.
Der erfindungsgemäße Freikolben-Stirlingmotor kann in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden.
In einer a-resonanten Betriebsweise/Bauform ist keine bestimmte Arbeitsfre- quenz oder Resonanzfrequenz von Verdränger 4, Arbeitskolben 5 und Gegenschwinger 15 vorgegeben. Alle Kräfte für die Beschleunigung oder das Abbremsen der bewegten Teile werden durch die elektrischen Maschinen 7, 12 und/oder 17 überwiegend elektrisch aufgebracht. Die linear elektrischen Maschinen der bewegten Teile müssen dabei hohe Spitzenkräfte von zum Beispiel bis zu 5 kN mit Wirkungsgraden von zum Beispiel 95% und mehr bewerkstelligen, um möglichst wenig Blindstrom und ohmsche Verluste zu erzeugen. Dabei ist wichtig, dass die bewegten Massen von Verdränger 4, Arbeitskolben 5 und damit auch vom Gegenschwinger 15 möglichst klein sind und nicht auf mechanischen Federn gelagert sind, die die Arbeitsfrequenz bestimmen. Die Beschleunigungskräf- te der bewegten Teile werden stattdessen sozusagen durch „elektronisch gesteuerte elektrische Federn" im elektrischen Zwischenkreis realisiert, in dem zu jedem Zeitpunkt über die linear elektrischen Maschinen die erforderlichen Leistungen für die exakten Bewegungen der bewegten Teile zu- oder abgeführt werden.
Für alle bewegten Teile, außer der Masse des Gegenschwingers 15, werden zweckmäßigerweise Leichtbauwerkstoffe, wie zum Beispiel CFK, CFC und Titan eingesetzt. Die bewegten Wicklungen der linear elektrischen Maschinen sind aus Gewichtsgründen insbesondere aus Reinaluminium statt aus schwerem Kupfer. So kann die Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors beliebig variabel über die Frequenz, die Phasenlage oder den Hub erfolgen.
Die Verdrängerstange 10 ist in der a-resonanten Betriebsweise/Bauform bevorzugt möglichst dünn, sodass nur ein Teil der zum Antrieb des Verdrängers 4 notwendigen Leistung direkt aus dem Arbeitsgas kommt. Am Ende der Verdrängerstange 10 greift der elektrische Linearantrieb 12 an, hier als Tauchspulantrieb dargestellt, bestehend aus der Verdrängerschwingspule 13 und dem Ver- drängermagnettopf 14, der hier beispielhaft konzentrisch im hohlen Zentrum des Magnettopfs 9 angeordnet ist und der den anderen Teil der zum Verdrängerantrieb notwendigen Leistung liefert, der indirekt auch aus dem Arbeitsgas kommt.
Der Lineargenerator 7 ist so bemessen, dass er die wegen der dünnen Verdrängerstange 10 im Arbeitsgas verbleibende Leistung zusätzlich zur eigentlichen Stromerzeugung in elektrische Leistung umsetzen kann, die dann zum elektrischen Antrieb des Verdrängers 4 über einen passenden Stromumrichter (nicht dargestellt) dem Linearantrieb 12 zur Verfügung steht.
Die Mittellage des Arbeitskolbens 5 wird im Betrieb durch die elektronisch regelbare Leistungsabgabe des Lineargenerators 7 eingestellt. Der Lineargenerator 7 ist insbesondere so bemessen, dass er die wegen der dünnen Verdrängerstange 10 im Arbeitsgas zurückbleibende Leistung zusätzlich zur eigentlichen Stromerzeugung in elektrische Leistung für den Verdrängerantrieb umsetzen kann.
In einer resonanten Betriebsweise/Bauart kommen die Kräfte für die Beschleunigung von Verdränger 4, Arbeitskolben 5 und Gegenschwinger 15 zum großen Teil aus den eingebauten Federn 6, 1 1 , 16, die zusammen mit der Masse der bewegtenTeile Masse-Federsysteme bilden, die auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz abgestimmt sind. Die linear elektrischen Maschinen 7, 12 und 17 an Verdränger 4, Arbeitskolben 5 und Gegenschwinger 15 müssen hier nur so viel elektrische Leistung zu- oder abführen, dass die bewegten Teile die exakten gewünschten, weitgehend sinusförmigen, Bewegungen ausführen. Die linear elektrischen Maschinen 7, 12, 17 müssen hier nur Spitzenkräfte bis zum Beispiel 2 kN aufbringen. Wegen dieser kleineren zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung und wegen der größeren Masse der bewegten Teile kann die Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors nur über den Hub von Verdränger 4 oder Arbeitskolben 5 erfolgen.
Die Verdrängerstange 10 sollte in der resonanten Betriebsweise mindestens so dick sein, dass die zum Antrieb des Verdrängers 4 notwendige Leistung direkt aus dem Arbeitsgas kommt und die elektrischen Kräfte nur die präzisen Umkehrpunkte und die richtige Mittellage des Verdrängers 4 bewerkstelligen müssen.
Die Verdrängerstange 10 kann aber auch so dick sein, dass neben der Leistung zum Antrieb des Verdrängers 4 noch ein weiterer Teil der Leistung aus dem Arbeitsgas über die linear elektrische Maschine 12 des Verdrängers 4 abgegeben wird, sodass die linear elektrische Maschine 7 des Arbeitskolbens 5 entlastet wird. In diesem Fall sind die beiden linear elektrischen Maschinen 7 und 12 Lineargeneratoren.
Zwischen der a-resonanten und der resonanten Betriebsweise/Bauform gibt es aber auch noch die Zwischenformen unterresonante und teilresonante Betriebsweise/Bauart: In der unterresonanten Betriebsweise/Bauform legen eingebaute Federn 6, 1 1 , 16 die Resonanzfrequenz der bewegten Teile über der Arbeitsfrequenz des Freikolben-Stirlingmotors fest und die elektrischen Kräfte sorgen für eine unterresonante Auslenkung der zu bewegenden Teile. In der teilresonanten Betriebsweise/Bauform legen eingebaute Federn 6, 1 1 , 16 die Resonanzfrequenz der bewegten Teile zwischen die gewünschte maximale und minimale Arbeitsfrequenz des Freikolben-Stirlingmotors und die elektrischen Kräfte verstimmen die Resonanzfrequenz nur noch nach oben oder unten.
In allen beschriebenen Betriebsweisen/Bauformen wird die Mittellage des Ar- beitskolbens 5 im Betrieb durch die elektronisch regelbare Leistungsabnahme des Lineargenerators 7 präzise eingestellt. Durch den elektrischen Antrieb des Verdrängers 4 ist eine präzise Verdrängersteuerung mit Vollausschlag ohne Kollisionen möglich, was zu maximaler Leistung und hohem Wirkungsgrad führt. Ebenso möglich ist eine schnelle Leistungsregelung über einen weiten Bereich durch Veränderung der Amplitude oder der Phasenlage des Verdrängers 4, was ein sehr gutes Teillastverhalten ergibt, weil die Erhitzertemperatur gegenüber dem Stand der Technik zur Leistungsregelung nicht abgesenkt werden muss.
Der Gegenschwinger 15 des erfindungsgemäßen Freikolben-Stiringmotors wird aktiv elektrisch betrieben, ist innerhalb des Motors angeordnet und besteht aus einer Masse die zwischen lageunabhängigen Tellerfedern 16 angeordnet ist und im Resonanzfall von den Vibrationen 1 . Ordnung ebenfalls gegenphasig zum Schwingen angeregt wird. Die Masse 15 lässt sich aber zusätzlich mit dem Linearantrieb 17 anregen, hier dargestellt als bewegliche Schwingspule 18 und fest- stehendem Magnettopf 19. Ein auf dem Motorgehäuse befestigter Beschleunigungssensor (nicht dargestellt) erfasst aber neben den Vibrationen 1. Ordnung auch subharmonische Vibrationen. Durch diese zusätzliche elektrische Anregung und die elektronische Steuerung können die Vibrationen 1 . Ordnung und die subharmonischen Schwingungen vollständig ausgelöscht werden. Das Resultat ist eine vibrationsfreie, lautlose Freikolben-Stirlingmaschine, die lageunabhängig, also auch liegend und über Kopf, betrieben werden kann, was in kompakten Biomassefeuerungen mit stationärer Wirbelschicht und in solaren Anwendungen mit der Sonne nachgeführten Parabolspiegeln zwingend notwendig ist. Die Ausgestaltung nach Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Freikolben- Stirlingmotor als Kühleinrichtung, insbesondere als sogenannten Kryokühler. Hierzu weist der Freikolben-Stirlingmotor anstelle eines Erhitzers bzw. Erhitzer- kopfs einen Kaltkopf 21 auf. Ansonsten unterscheidet sich die Konstruktion nicht von der Konstruktion gemäß der Fig. 1.
BEZUGSZE ICH EN LISTE
Erhitzer
Regenerator
Kühler
Verdränger
Arbeitskolben
Tellerfedern Arbeitskolben
Lineargenerator
Schwingspule Lineargenerator
Magnettopf Lineargenerator
Verdrängerstange
Tellerfedern Verdränger
Linearantrieb Verdränger
Schwingspule Verdränger
Magnettopf Verdränger
Masse Gegenschwinger
Tellerfedern Gegenschwinger
Linearantrieb Gegenschwinger
Schwingspule Gegenschwinger
Magnettopf Gegenschwinger
a Wegsensor
b Wegsensor
c Wegsensor
Kaltkopf

Claims

PAT E N TAN S P R Ü C H E
Verfahren zum Betrieb eines Freikolben-Stirlingmotors mit
einem Verdränger (4) sowie
einem Arbeitskolben (5),
wobei der Verdränger (4) sowie der Arbeitskolben (5) während des Betriebs linear hin- und herschwingen und ein Arbeitsgas abwechselnd erhitzt und abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors (1 ) mittels elektrisch erzeugter Kraft erfolgt, die die Bewegung des Verdrängers (4) und/oder des Arbeitskolbens (5) beeinflusst oder kontrolliert.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors (1 ) mittels elektrisch erzeugter Kraft über den Hub des Verdrängers (4) und/oder des Arbeitskolbens (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors (1 ) mittels elektrisch erzeugter Kraft über die Frequenz des Verdrängers (4) und/oder des Arbeitskolbens (5) und/oder die Phasenlage von Arbeitskolben (5) zu Verdränger (4) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der linearen Bewegung des Verdrängers (4) und/oder des Arbeitskolbens (5) und/oder gegebenenfalls eines Gegenschwingers (15) die elektrische Kraft für die Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors (1 ) erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors die Mittellage des Verdrängers (4) und/oder des Arbeitskolbens (5) eingestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben-Stirlingmotor (1 ) in einer nicht-resonanten Betriebsweise betrieben wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben-Stirlingmotor (1 ) in einer resonanten Betriebsweise betrieben wird.
Freikolben-Stirlingmotor, insbesondere zum Betrieb eines Verfahrens
Figure imgf000018_0001
nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
einem Erhitzer (1 ) oder Kaltkopf (21 ),
einem Regenerator (2),
einem Kühler (3),
einem Verdränger (4) sowie
einem Arbeitskolben (5),
wobei Arbeitskolben (5) sowie Gegenschwinger (15) während des Betriebs linear hin- und herschwingen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine lineare elektrische Maschine (7, 12 und/oder 17) vorgesehen ist, die die Bewegung des Verdrängers (4) und/oder Arbeitskolbens (5) unterstützt und/oder kontrolliert.
Freikolben-Stirlingmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenschwinger (15) vorgesehen ist, und die mindestens eine lineare elektrische Maschine (7, 12 und/oder 17) die Bewegung des Gegenschwingers (15) unterstützt und/oder kontrolliert. Freikolben-Stirlingmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für Verdränger (4), Arbeitskolben (5) und/oder Gegenschwinger (15) je eine zugehörige lineare elektrische Maschine (7, 12 und/oder 17) vorgesehen ist.
Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wegsensor (20) vorgesehen ist, der die lineare Bewegung von Verdränger (4), Arbeitskolben (5) oder Gegenschwinger (15) erfasst und an eine Steuerelektronik der linearen elektrischen Maschinen (7, 12 oder 17) weitergibt.
Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Verdränger (4) oder an der Verdrängerstange (10) als elektrische Maschine (12) ein elektrischer Linearantrieb vorgesehen ist.
13. Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Gegenschwinger (15) als elektrische Maschine (17) ein elektrischer Linearantrieb vorgesehen ist.
Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellage des Arbeitskolbens (5) im Betrieb durch eine elektronisch regelbare Leistungsabgabe der als Lineargenerator ausgebildeten elektrischen Maschine (7) eingestellt wird, wobei die elektrische Maschine (7) so bemessen ist, dass sie die wegen der Ausgestaltung und/oder Dimensionierung der Verdrängerstange (10) im Arbeitsgas zurückbleibende Leistung zusätzlich zur eigentlichen Stromerzeugung in elektrische Leistung umsetzen kann, die zum elektrischen Antrieb des Verdrängers (4) zur Verfügung steht.
Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
Verdränger (4), Arbeitskolben (5) und/oder Gegenschwinger (15) nicht auf Federn gelagert sind.
Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
Verdränger (4), Arbeitskolben (5) und/oder Gegenschwinger (15) auf Federn (6, 1 1 , 16) gelagert sind.
17. Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstange (10) derart ausgebildet und/oder dimensioniert ist, dass die zum Antrieb des Verdrängers (4) notwendige Leistung direkt aus dem Arbeitsgas kommt.
18. Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstange (10) derart ausgebildet und/oder dimensioniert ist, dass neben der Leistung zum Antrieb des Verdrängers (4) noch ein weiterer Teil der Leistung aus dem Arbeitsgas über die linear elektrische Maschine (12) des Verdrängers (4) abgegeben wird und die linear elektrische Maschine (7) des Arbeitskolbens (5) entlastet wird.
19. Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eingebaute Federn (6, 1 1 , 16) die Resonanzfrequenz der bewegten Teile über der Arbeitsfrequenz des Freikolben-Stirlingmotors festlegen und die elektrischen Kräfte für eine unterresonante Auslenkung der bewegten Teile sorgen. Freikolben-Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eingebaute Federn (6, 1 1 , 16) die Resonanzfrequenz der bewegten Teile zwischen die gewünschte maximale und minimale Arbeitsfrequenz des Freikolben-Stirlingmotor festlegen und die elektrischen Kräfte die Resonanzfrequenz nur noch nach oben oder unten verstimmen.
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