DE102025002003A1 - Getriebe zur Realisierung der diskontinuierlichen Kolbenbewegung in Heißgasmaschinen nach dem Stirlingprinzip - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein Rastgetriebe zur Verwendung in Heißgasmaschinen nach dem Stirlingprinzip um einen diskontinuierlichen Bewegungsablauf der Kolben zu bewirken.
Die hier vorgeschlagene Lösung verwendet ein Rastgetriebe (Rast = Pause) um aus einer kontinuierlichen Bewegung (Rotation) eine diskontinuierliche Bewegung (Translation) mit Stillstandsphasen zu erzeugen und dadurch den realen Bewegungsablauf in der Maschine dem idealen Stirlingprozess anzunähern.
Ziel der Erfindung ist es, dadurch den Wirkungsgrad im Arbeitsprozess der Maschine zu verbessern.
Die Übergänge zwischen den verschiedenen Phasen erfolgen auch hier nicht abrupt, das heißt, es entstehen immer noch kleine Verzögerungs- und Beschleunigungsphasen in den Übergängen, was aber als wünschenswert angesehen werden muss, da es auf Grund der Massenträgheit unvermeidlich ist Übergänge zu schaffen. Als besonders vorteilhaft darf die direkte Umsetzung in eine Linearbewegung angesehen werden.
Rastgetriebe dieser Art sind bekannt und z.B. in der „Kinematik ebener Planetengetriebe“ von U. Trempler, HTW Dresden, dargestellt. Als Neuheit wird hier die Verwendung eines Rastgetriebes in Heißgasmaschinen nach dem Stirlingprinzip beansprucht.
In dem feststehenden Innenzahnkranz (1), Abb. 3, läuft das Zahnrad (2), angetrieben durch den Exzenter (5) an der Maschinenwelle (4). Fest verbunden mit dem Zahnrad ist der Hebel (3), mit dem Mitnehmer (6), der in den Schlitz der (hier angehobenen) Kurbelschlaufe (7) greift und die in geeigneten Lagern geführte Kolbenstange (8) linear verschiebt. Bzw. umgekehrt, die Kolbenstange treibt über die Kurbelschlaufe, den Mitnehmer und den Hebel das Zahnrad an, welches über den Exzenter die Maschinenwelle antreibt. Das Zahnverhältnis zwischen dem Innenzahnkranz und dem Zahnrad beträgt 4 : 3.

Description

• Vorgestellt wird ein Rastgetriebe zur Verwendung in Heißgasmaschinen nach dem Stirlingprinzip um einen diskontinuierlichen Bewegungsablauf der Kolben zu bewirken. Als Heißgasmaschine nach dem Stirlingprinzip wird hier in diesem Zusammenhang jede Maschine bezeichnet, die unter Anwendung des Stirlingprozesses als Motor, als Wärmepumpe oder als Kältemaschine arbeitet, hier auch einfach Stirlingmaschine genannt. Ebenso wird hier dazu auch die Vuilleumier-Wärmepumpe gezählt.
• Bisher wurden Stirlingmaschinen aus nachvollziehbaren praktischen Gründen nahezu ausschließlich entweder mit Kurbeltrieben oder als Freischwinger ausgebildet. Dabei folgen die Kolben in ihrer Bewegung mehr oder weniger exakt einer Sinusschwingung. Die im Stirlingprozess streng voneinander getrennten Phasen ( ), sind so nicht zu erreichen. Um sich der Abfolge der vier Phasen des Stirlingprozesses anzunähern, wird konstruktiv ein spezifischer Phasenwinkel zwischen Verdränger- und Arbeitskolben eingefügt. Dies führt zu der bekannten Rundung des Kurvenverlaufes im p-v-Diagramm ( ). Da die von den Kurven umschlossene Fläche direkt die umgesetzte Leistung darstellt, zeigen sie anschaulich die an dieser Stelle noch vorhandenen Reserven an Arbeitsleistung und Effektivität. Ziel der Erfindung ist es diese Ressourcen bestmöglich zu nutzen.
• Es hat bisher Versuche gegeben, dieses Problem durch Kurvengetriebe anzugehen, nur offensichtlich ohne bisher zu einer befriedigenden Lösung geführt zu haben.
• Die hier vorgeschlagene Lösung verwendet ein Rastgetriebe (Rast = Pause) um aus einer kontinuierlichen Bewegung (Rotation) eine diskontinuierliche Bewegung (Translation) mit Stillstandsphasen zu erzeugen und dadurch den realen Bewegungsablauf in der Maschine dem idealen Stirlingprozess anzunähern.
• Die Übergänge zwischen den verschiedenen Phasen erfolgen auch hier nicht abrupt, das heißt, es entstehen immer noch kleine Verzögerungs- und Beschleunigungsphasen in den Übergängen, was aber als wünschenswert angesehen werden muss, da es auf Grund der Massenträgheit unvermeidlich ist Übergänge zu schaffen. Als besonders vorteilhaft darf die direkte Umsetzung in eine Linearbewegung angesehen werden.
• Rastgetriebe dieser Art sind bekannt und z.B. in der „Kinematik ebener Planetengetriebe“ von U. Trempler, HTW Dresden, dargestellt. Als Neuheit wird hier ihre Verwendung in Stirlingmaschinen beansprucht.
• Das hier vorgestellte Getriebe ist vorwiegend geeignet für Stirlingmaschinen in γ-Konfiguration. Eine Verwendung für Stirlingmaschinen in β-Konfiguration ist ebenfalls möglich. Für Stirlingmaschinen in α-Konfiguration, auch Ridermotor genannt, ist dieses Getriebe nicht anwendbar.
• Von diesem Getriebe sind zwei verschiedene Untertypen möglich. Ein Untertyp mit einer unmittelbaren 1 : 3 Übersetzung und der andere mit einer 1 : 1 Übersetzung. Übersetzung bezeichnet hier die Anzahl der Umdrehungen der Maschinenwelle pro Stirlingzyklus.
• Für den Arbeitskolben und den Verdrängerkolben ist im Normalfall jeweils ein eigenes Getriebe erforderlich. Beim γ-Stirling ist es aber auch möglich, durch Anordnung der Zylinder in 90° Stellung, den gleichen Bewegungsablauf mit nur einem Getriebe zu erreichen, . Auf dem verlängerten Mitnehmer (6) laufen die Kurbelschlaufen (7) bzw. (7B) hintereinander und in um 90° zueinander gedrehter Bewegungsrichtung. Dadurch werden die beiden Kolbenstangen sequenziell angetrieben. Diese Möglichkeit besteht für beide Untertypen des Getriebes.
• Für eine möglichst gute Nachbildung des Stirlingzyklus, haben die Exzenter auf der Maschinenwelle einen Phasenwinkel von 90° zueinander und die Richtung des Winkels legt die Drehrichtung der Maschinenwelle fest.
• 1.1 Getriebe mit 1 : 3 Übersetzung
• In dem feststehenden Innenzahnkranz (1), , läuft das Zahnrad (2), angetrieben durch den Exzenter (5) an der Maschinenwelle (4). Fest verbunden mit dem Zahnrad ist der Hebel (3), mit dem Mitnehmer (6), der in den Schlitz der (hier angehobenen) Kurbelschlaufe (7) greift und die in geeigneten Lagern geführte Kolbenstange (8) linear verschiebt. Bzw. umgekehrt, die Kolbenstange treibt über die Kurbelschlaufe, den Mitnehmer und den Hebel das Zahnrad an, welches über den Exzenter die Maschinenwelle antreibt. Das Zahnverhältnis zwischen dem Innenzahnkranz und dem Zahnrad beträgt 4 : 3.
• 1.2 Der Bewegungsablauf
• Ausgehend von der Position A in , dreht sich die Maschinenwelle (4) mit dem Exzenter (5) über Position B zur Position C. Dabei wird die Maschinenwelle zweimal um 135° gedreht. Das Zahnrad, welches auf dem Exzenter drehbar gelagert ist, rollt in dem Innenzahnkranz (1) ab und sein Eingriffspunkt wandert synchron mit dem Exzenter von A* über B* nach C*. Der Hebel (3) mit dem Mitnehmer (6) bewegt sich dabei von A** über B** nach C**, das sind 90°. Der komplette und kontinuierliche Pfad des Mitnehmers durch einen vollen Zyklus ist durch die Kurve (9) dargestellt. Die Maschinenwelle muss demnach für einen vollen Zyklus des Stirlingprozesses 4 x 270° = 3 Umdrehungen vollziehen.
• 1.3 Entstehung der Bewegungspause
• Die Übertragung der Bewegung des Mitnehmers auf die Kolbenstange erfolgt durch die Kurbelschlaufe (7), ( ). Im Verlaufe der Bewegung des Mitnehmers (6) von A nach B auf der Bewegungskurve (9), muss die in der Linearführung (10) geführte Kolbenstange (8) mit der Kurbelschlaufe (7) dem Mitnehmer folgen. Auf dem Weg von B nach C kann sie hingegen weitgehend bewegungslos stehen bleiben. Auf dem Weg von C nach D und von D zurück nach A wiederholt sich der Vorgang in entgegengesetzter Richtung bezogen auf die Kolbenstange. Da diese Wege mit gleichen Drehwinkeln an der Maschinenwelle verbunden sind, ergeben sich auch für diese Phasen gleiche Zeiten.
• 2.1 Getriebe mit 1 : 1 Übersetzung
• Das Getriebe mit 1 : 1 Übersetzung ist in analog zu dargestellt. Der Unterschied besteht in einer Reduzierung der Zähne des Zahnrades (2) auf 1/4 der Anzahl des Innenzahnkranzes (1), der daraus resultierenden Änderung des Exzenters (5) und einer Verkürzung des Hebels für den Mitnehmer, der nun innerhalb des Radius des Zahnrades liegt und nicht dargestellt ist.
• 2.2 Der Bewegungsablauf
• Auch hier, in , wieder die Drehung der Maschinenwelle (4) mit dem Exzenter (5) von Position A über B nach C. Im Verlaufe der Viertelumdrehung der Maschinenwelle bewegt sich der Mitnehmer (6) ein Viertel des Weges auf dem Bewegungspfad (9). Es ergibt sich hier also ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1.

Claims (9)

1. Rastgetriebe zur Verwendung in einer Heißgasmaschine nach dem Stirlingprinzip in β- oder γ-Konfiguration oder in einer Vuilleumier-Wärmepumpe, zur Umsetzung des Stirlingzyklus als Motor, als Wärmepumpe oder als Kältemaschine, hier zusammengefasst Stirlingmaschine genannt, mit jeweils 2 Rastpositionen und 2 Bewegungsphasen pro Kolben, gleichmäßig über den Zyklus verteilt, zur Bewegungssteuerung der Kolben, bestehend aus: 1.1 einem radialsymmetrisch um die Maschinenwelle feststehenden Innenzahnkranz mit einem innen umlaufenden solitären Planetenrad im Zahnverhältnis entweder 4 : 3 oder 4 : 1, 1.2 einem an der Maschinenwelle befindlichen Exzenter, welcher das Planetenrad über dessen Achse antreibt, bzw. vom Planetenrad angetrieben wird, 1.3 einem axial ausgerichteten Mitnehmer in geeignetem radialen Abstand von der Drehachse des Planetenrades, welcher fest mit demselben verbundenen ist, 1.4 einer durch eine geeignete Linearführung geführten Kolbenstange, verbundenen mit einer Kurbelschlaufe, in welche der Mitnehmer eingreift.
2. Rastgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verwendung in der Stirlingmaschine sowohl der Verdrängerkolben, als auch der Arbeitskolben jeweils ein eigenes Getriebe haben.
3. Rastgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verwendung in einer γ-Stirlingmaschine mit Zylinderanordnung in 90° Position, ein einzelnes Getriebe mit verlängertem Mitnehmer der in 2 um 90° gegeneinander gedrehte Kurbelschlaufen greift ausreichend ist.
4. Rastgetriebe nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Option nach Anspruch 3 für beide Untertypen der Getriebe zutrifft.
5. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirlingmaschine der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben abwechselnd jeweils zwischen den einzelnen Bewegungsphasen gleichlange Bewegungspausen einlegen.
6. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirlingmaschine der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben sich alternierend bewegen.
7. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirlingmaschine die Exzenter an der Maschinenwelle für Verdrängerkolben und Arbeitskolben um 90° gegeneinander verdreht sind.
8. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vuilleumier-Wärmepumpe die beiden Kolben analog zu Arbeitskolben und Verdrängerkolben in der Stirlingmaschine behandelt werden.
9. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf ein spiegelsymmetrisch zur Ebene der Kurbelschlaufe und durch einen verbindenden, gemeinsamen Mitnehmer gekoppeltes zusätzliches Getriebe, eine axiale Fortführung der Maschinenwelle mit Kraftaus-/einleitung ermöglicht.