DE102005039417B4 - 4-Zyklen-Stirlingmotor - Google Patents
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-
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Abstract
4-Zyklen-Stirlingmotor
mit zwei Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz
zueinander bewegen, wobei die Doppelkolbeneinheiten jeweils aus
einem Expansionskolben (1; 6), der über eine Kolbenstange (3; 8)
fest mit einem Kompressionskolben (2; 7) verbunden ist, bestehen
und Kolbenstangenverlängerungen
(4; 9) der Doppelkolbeneinheiten jeweils auf der von dem Expansionskolben
abgewandten Seite des Kompressionskolbens (2; 7) mit einem Getriebe
in mechanischer Verbindung stehen.
Description
- Doppelt wirkende 4-Zyklen-Stirling-Motoren sind in verschiedenen Varianten der Siemens-Anordnung bekannt. Bei diesen Motoren liegen 4 Zylinder nebeneinander und diese besitzen jeweils einen Expansions- und einen Kompressionsraum.
- Die
DE 38 34 071 A1 offenbart eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip, wobei Bewegungen von zwei Kaltkolben um im Wesentlichen 90° zu zwei Heißkolben phasenverschoben sind. Die Rückseiten der beiden Kaltkolben sind durch Stangen miteinander verbunden. Das Gleiche gilt für die entsprechenden Heißkolben. Zwischen den beiden Kaltkolben bzw. den beiden Heißkolben ist ein Getriebe angeordnet mit einer Taumelplatte, die mit den oberen Kolben über Pleuelstangen verbundenen ist. - Diese Vorrichtung nach dem Stand der Technik weist folgende Nachteile auf: Es handelt sich um ein 2-Zyklen-System, das gegenüber einer 4-Zyklen-Maschine einen ungleichförmigeren Drehkraftverlauf besitzt und eine Schwungmasse benötigt. Die Leistungsdichte der Maschine ist wegen der einfach wirkenden Kolben geringer als bei doppelt wirkenden Systemen. Das Getriebe wird über axiale Wärmeleitung entlang der Zylinderwände (
10 ,10' ) sowie der Kolben (16 ,16' ) aufgeheizt und dadurch thermisch belastet. Außerdem mindern diese Verluste den Arbeitsertrag der Maschine. Während des Maschinenlaufes pumpen die dem Prozess abgewandten Kolbenseiten Gas durch die Kanäle (40 ) der Kolbenstangenverbindungen (46 ). Dadurch entstehen zusätzliche hydraulische Verluste. - Die
DE 100 60 137 A1 betrifft einen Zweizylinder-Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben. Bei dieser Dreizyklenmaschine ist der Expansionskolben nicht über die Kolbenstange fest mit dem Kompressionskolben verbunden. - Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stirlingmotoranordnung zu schaffen, die einen kompakten Aufbau und geringe Wärmeleitungsverluste, insbesondere im Bereich der Zylinderwand aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen 4-Zyklen-Stirlingmotor gelöst.
- Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors ist in der
1 gezeigt. - Die Erfindung beschreibt einen 4-Zyklen-Stirlingmotor (4ZM) mit 2 Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, jeweils bestehend aus einem Expansionskolben der über eine Kolbenstange fest mit einem Kompressionskolben verbunden ist und deren Kolbenstangenverlängerungen jeweils am Kompressionskolben angebracht sind und diese mit dem Getriebe in mechanischer Verbindung stehen.
- Die Zyklenverbindungen nach
1 sind so hergestellt, dass jeder Zyklus einen Stirling-Motor-Prozess ausführen kann. In1 findet mit Abwärtsbewegung der ersten Doppelkolbeneinheit und der hinterher eilenden zweiten Doppelkolbeneinheit im Zyklus 1 die Expansion statt, im Zyklus 2 die Kompression, im Zyklus 3 die isochore Wärmezufuhr und im Zyklus 4 die isochore Wärmeabfuhr. Der Drehkraftverlauf an der Kurbelwelle ist dadurch sehr ausgeglichen und durchweg positiv. - Da jeweils der erste Kolben einer Doppelkolbeneinheit als Führung für den zweiten genutzt werden kann, besteht die Möglichkeit ohne Kolbenringe mit definiertem Ringspalt zu arbeiten.
- Es lässt sich ein Erhitzer einsetzen, bei dem 4 hintereinander liegende Einrohrspiralen in einem hohlen Gussgrundkörper angeordnet sind. Der Brenner kann sich innerhalb des Gussgrundkörpers befinden.
- Zur gleichmäßigen Anströmung der Regeneratormatrix aus dünneren Arbeitsgasverbindungsrohren des 4ZM aber auch von anderen Stirlingmotoren lässt sich vor der Matrix ein Strömungskörper einbauen, der einen geringen beidseitigen Strömungswiderstand hat, das Gas gleichmäßig verteilt und vorzugsweise eine Kugel ist.
- Um ein einfaches Wechseln der Dichtungen in der je weiligen Zylindermitte zu ermöglichen, können diese in Form von Kolbenringen (
19 ) auf den Kolbenstangen (3 ) und (8 ) ausgeführt werden. Dieses System ist auch für andere doppelt wirkende Stirlingmotoren mit hintereinander arbeitenden Kolben geeignet. - Die Zyklenkurzschlussventile (
27 ) und (28 ) lassen sich zur Regelung des Motors im Teillastbetrieb nutzen. - Gegenüber dem doppelt wirkenden 4-Zyklen-Stirling-Motor ergeben sich folgende Vorteile
- • Einfacheres Getriebe und weniger mechanische Reibung
- • Geringe Vermischungsverluste des Arbeitsgases
- • Geringe Wärmeleitungsverluste insbesondere im Bereich der Zylinderwand
- • Kompakterer Aufbau
- • Variationsmöglichkeit des Expansionsraumes gegenüber dem Kompressionsraum
-
- 1
- Expansionskolben der ersten Doppelkolbeneinheit
- 2
- Kompressionskolben der ersten Doppelkolbeneinheit
- 3
- Kolbenstange der ersten Doppelkolbeneinheit
- 4
- Kolbenstangenverlängerung der ersten Doppelkolbeneinheit
- 5
- Zylindergehäuse
- 6
- Expansionskolben der zweiten Doppelkolbeneinheit
- 7
- Kompressionskolben der zweiten Doppelkolbeneinheit
- 8
- Kolbenstange der zweiten Doppelkolbeneinheit
- 9
- Kolbenstangenverlängerung der zweiten Doppelkolbeneinheit
- 10
- 4-Zyklen-Erhitzer
- 11
- Regenerator Zyklus 1
- 12
- Regenerator Zyklus 2
- 13
- Regenerator Zyklus 3
- 14
- Regenerator Zyklus 4
- 15
- Kühler Zyklus 1
- 16
- Kühler Zyklus 2
- 17
- Kühler Zyklus 3
- 18
- Kühler Zyklus 4
- 19
- Kolbenstangenringe zur Abdichtung
- 20
- Thermische Isolation
- 21
- Kolbenstangendichtung
- 22
- Linearführung
- 23
- Pleuel
- 24
- Kurbelwelle
- 25
- Generator
- 26
- Kurbelgehäuse
- 27
- Zyklenkurzschlussventil Zyklus 1 mit Zyklus 2
- 28
- Zyklenkurzschlussventil Zyklus 3 mit Zyklus 4
- Z1
- Zyklus 1
- Z2
- Zyklus 2
- Z3
- Zyklus 3
- Z4
- Zyklus 4
Claims (6)
- 4-Zyklen-Stirlingmotor mit zwei Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, wobei die Doppelkolbeneinheiten jeweils aus einem Expansionskolben (
1 ;6 ), der über eine Kolbenstange (3 ;8 ) fest mit einem Kompressionskolben (2 ;7 ) verbunden ist, bestehen und Kolbenstangenverlängerungen (4 ;9 ) der Doppelkolbeneinheiten jeweils auf der von dem Expansionskolben abgewandten Seite des Kompressionskolbens (2 ;7 ) mit einem Getriebe in mechanischer Verbindung stehen. - 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein spezieller Erhitzer (
10 ) so ausgebildet ist, dass 4 hintereinander liegende Einrohrspiralen in einem hohlen Gussgrundkörper angeordnet sind. - 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichmäßigen Anströmung der Regeneratormatrix aus einem dünneren Arbeitsgasverbindungsrohr vor der Matrix ein Strömungskörper eingebaut ist, der das Gas gleichmäßig verteilt, einen geringen beidseitigen Strömungswiderstand hat und vorzugsweise eine Kugel ist.
- 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1 oder doppelt wirkender Stirlingmotor mit hintereinander arbeitenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen in der Zylindermitte in Form von Kolbenringen auf den Kolbenstangen ausgeführt sind.
- 4-Zyklen-Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zyklenkurzschlussventile (
27 ) und (28 ) eingebaut sind zur Regelung des Motors im Teillastbetrieb. - 4-Zyklen-Stirlingmotor, enthaltend • eine erste Doppelkolbeneinheit mit einem ersten Expansionskolben (
1 ) und einem ersten Kompressionskolben (2 ) sowie • eine zweite Doppelkolbeneinheit mit einem zweiten Expansionskolben (6 ) sowie einem zweiten Kompressionskolben (7 ) sowie • Zyklenverbindungen, die jeweils seriell einen Erhitzer (10 ) einen Regenerator (11 ,12 ,13 ,14 ) sowie einen Kühler (15 ,16 ,17 ,18 ) enthalten, wobei 1. ein Raum oberhalb des ersten Expansionskolbens (1 ) mit einem Raum oberhalb des zweiten Kompressionskolbens (7 ), 2. ein Raum unterhalb des ersten Expansionskolbens (1 ) mit einem Raum unterhalb des zweiten Kompressionskolbens (7 ), 3. ein Raum oberhalb des zweiten Expansionskolbens (6 ) mit einem Raum unterhalb des ersten Kompressionskolbens (2 ) sowie 4. ein Raum unterhalb des zweiten Expansionskolbens (6 ) mit einem Raum oberhalb des ersten Kompressionskolbens (2 ) jeweils über eine Zyklenverbindung verbunden ist.
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