DE112004000466B4

DE112004000466B4 - Stirlingmotor mit Taumelplattenstellorgan

Info

Publication number: DE112004000466B4
Application number: DE112004000466T
Authority: DE
Inventors: Willian H. Ann Arbor Houtman
Original assignee: Stirling Biopower Inc Ann Arbor; Stirling Biopower Inc
Current assignee: Stirling Power Inc Ann Arbor Us
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: WO2004085821A1; JP4328802B2; US6751955B1; JP2006523282A; DE112004000466T5

Abstract

Taumelplattenstellorgan (48) für einen Stirlingmotor (10), aufweisend eine Taumelplatte (22), die mit einer Antriebswelle (20) drehbar ist, die sich um eine Drehachse (36) dreht, mehrere hin- und herlaufende Kolben (32), die mit der Taumelplatte (22) über Kreuzköpfe (28) im Eingriff stehen, wobei der hin- und herlaufende Hub der Kolben (32) als Funktion eines Taumelplattenwinkels (Φ) variabel ist, der zwischen der Ebene der Taumelplatte (22) und der Drehachse (36) gebildet ist, wobei das Taumelplattenstellorgan (48) aufweist:
Die um die Drehachse (36) drehbare Antriebswelle (20) mit einem zylindrischen Taumelplattendrehlager (54), das eine zentrale Drehlagerachse (56) bildet, die gegenüber der Drehachse (36) geneigt ist;
einen Taumelplattenring (58), der um die Drehlagerachse (56) drehbar gelagert ist, wobei der Taumelplattenring (58) eine Scheibe bildet, die die Taumelplattenebene festlegt, die zu einer zu der Drehlagerachse (56) normalen Ebene um einen Winkel (β) versetzt ist und im Eingriff mit den Kreuzköpfen (28) steht, wobei die...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen Wärmemotor, und insbesondere betrifft sie einen verbesserten Stirlingkreislaufmotor, der einen Mechanismus zum Modulieren der Verdrängung des Motors enthält.
Damit ein Stirlingmotor den Leistungsabgabeerfordernissen entspricht, die für eine bestimmte Betriebsbedingung erforderlich sind, ist ein Mittel zur Kraftmodulation erforderlich. Ein Ansatz besteht darin, das Fördervolumen bzw. die Verdrängung der hin- und herlaufenden Kolben des Motors einzustellen. Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben zahlreiche Ansätze entwickelt, eine derartige Modulationseinstellung bereitzustellen. Bei dem Stirlingmotor der in der vorliegenden Beschreibung erläuterten Art wird eine Modulationseinstellung erzielt durch Ändern des Winkels, den die Taumelplatte in Bezug auf ihre Drehachse bildet. Wenn sich die Taumelplattenstirnseiten einer Ebene senkrecht zu ihrer Drehachse nähern, wird das Fördervolumen der Kolben kleiner. Wenn die Taumelplattenstirnseiten gegenüber einer Ebene senkrecht zu ihrer Drehachse gekippt sind, wird das Fördervolumen der Kolben hingegen größer.
Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben verschiedene mechanische, elektrische und hydraulische Systeme vorgesehen, um zu ermöglichen, dass der Taumelplattenwinkel in der erläuterten Weise verändert wird.
Eine Reihe von Vorrichtungen stellt eine hydraulisch betätigte Taumelplatteneinstellung bereit, die beispielsweise erläutert ist im US-Patent Nr. 4532855 . Verschiedene, elektrisch angetriebene Stellorgane sind durch die Anmelder ebenfalls beschrieben worden, einschließlich denjenigen, die in den folgenden US-Patent Nummern erläutert sind: 4994004 , 5611201 und 5836846 . Obwohl die durch diese bisherigen unter Bezug genommenen Patente erläuterten Vorrichtungen leistungsfähige Auslegungen besitzen, besteht weiterhin ein Bedarf zur Bereitstellung derartiger Einstellsysteme, die sich durch Einfachheit, rasche Übergangsreaktion und Zuverlässigkeit auszeichnen. Diese Erfindung zielt darauf ab, diese erwünschten Merkmale zu verwirklichen. Diese Erfindung ist außerdem mit der Notwendigkeit befasst, ein Maß für den Taumelplattenwinkel bereitzustellen, das erforderlich ist als Teil des variablen Taumelplattensteuersystems.
Aus der US 4,454,779 geht ein Getriebe für eine hin- und hergehende Kolbenmaschine mit veränderlichem Hub mit einer drehbar gelagerten Achse und einer darauf derart befestigten Platte, dass im Betrieb die Platte gegenüber der Achse nicht drehen kann. Dabei ist die Platte gegenüber der Achse verstellbar, so dass der Winkel zwischen der Platte und der Achse sich ändert. Dazu ist die Platte derart auf der Achse gelagert, dass diese um eine Rotationsmittellinie drehbar ist, die die Mittellinie der Achse in einem Winkel schneidet, wobei die Platte mit einem ersten kegelförmigen Zahnkranz versehen ist, dessen Kegelfläche durch den Teilkreis der Zähne als Kegelachse die Drehungsmittellinie und als Scheitelpunkt den Punkt hat, wo die Drehungsmittellinie die Mittellinie der Achse schneidet. Der erste Zahnkranz arbeitet mit einem zweiten kegelförmigen Zahnkranz zusammen, der auf einer um die Achse angeordneten Büchse vorgesehen ist, deren Kegelfläche durch den Teilkreis der Zähne denselben Scheitelpunkt hat wie die dem ersten Zahnkranz zugeordnete Kegelfläche und einen kleineren Scheitelwinkel oder einen der anderen Seite zugewandten Scheitelwinkel, wobei Mittel vorhanden sind um die Büchse mit dem zweiten Zahnkranz gegenüber der Achse zu verdrehen. Beispielsweise weist die Büchse zum Verdrehen mindestens zwei sich in axialer Richtung der Büchse erstreckende Flügel auf, die durch eine zweite mit der Achse verbundene Büchse dichtend umgeben sind. Dabei weist die zweite Büchse an der der ersten Büchse zugewandten Seite ebenfalls zwei Flügel auf, wobei an zwei einander gegenüberliegende Räume zwischen den Flügeln je eine Flüssigkeitszufuhr- bzw. -abfuhrleitung angeschlossen ist. Durch Beaufschlagung der Räume mit Flüssigkeit wird die erste Büchse gegenüber der zweiten Büchse verdreht und diese Drehung bewirkt über den Zahnkranzmechanismus eine Verstellung der Platte gegenüber der Achse, so dass sich der Winkel zwischen der Platte und der Achse ändert.
Die DE 199 39 130 A1 offenbart ein Axialkolbentriebwerk mit einem stufenlos verstellbaren Kolbenhub, das eine Antriebswelle und einen Lagersitz für eine Schrägscheibe besitzt, der zur Längsrichtung einen ersten Kippwinkel aufweist, auf dem die Schrägscheibe in einem Kurbelraum mit einer zur Senkrechten der Schrägscheibe um einen zweiten Kippwinkel verkippten Lagerbohrung gelagert und zur Einstellung des Kolbenhubs mit einer Regeleinrichtung über einen Winkelbereich verdrehbar ist. Zudem ist mindestens ein mit der Schrägscheibe antriebsmäßig verbundener, in einem Zylinder bewegbarer Kolben vorhanden. Dabei ist die Verdrehbewegung von einem maximalen resultierenden Kippwinkel zu einem minimalen resultierenden Kippwinkel von einer axialen Hubbewegung der Schrägscheibe in Richtung des Kolbens und von dem minimalen resultierenden Kippwinkel zu dem maximalen resultierenden Kippwinkel von einer axialen Hubbewegung in die vom Kolben (44, 46, 48, 50) abgewandte Richtung überlagert. Zudem ist die Schrägscheibe über ein Gewinde mit der Antriebswelle wirkverbunden ist, das aus der Verdrehbewegung der Schrägscheibe die zusätzliche axiale Hubbewegung erzeugt. Außerdem weist die Regeleinrichtung eine vom Kolben getrennte, hydraulisch angetriebene Stelleinheit auf. Die Stelleinheit besitzt ein in einem Gehäuse gelagertes Rad mit zwei Flügeln, die mit zwei Flügeln am Gehäuse vier Kammern 136, bilden. Um die Schrägscheibe auf der Antriebswelle zu verdrehen, werden zwei Kammern mit Ölhochdruck über eine axiale und eine radiale Bohrung in der Antriebswelle und über eine radiale Bohrung im Rad beaufschlagt. Das Rad ist auf der Antriebswelle befestigt, während das Gehäuse relativ zum Rad drehbar gelagert ist, über ein Verbindungselement ein Drehmoment auf die Schrägscheibe ausübt und die Schrägscheibe gegen die vorgespannten Torsionsfedern verstellt. Das Verbindungselement greift in eine Ausnehmung der Schrägscheibe, ist in axialer Richtung relativ zur Schrägscheibe verschiebbar und liegt über den gesamten Verstellbereich an der Schrägscheibe an.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Taumelplattenstellorgans zur Einstellung des Taumelplattenwinkels, das sich durch Einfachheit, rasche Übergangsreaktion und Zuverlässigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Taumelplattenstellorgan nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Taumelplattenstellorgansystem erläutert, das ein hydraulisches Betätigungssystem enthält. Der Mechanismus nutzt Hydraulikdruck zur Bewegung eines Rotationsflügels zur Bereitstellung von Taumelplattenwinkeleinstellungen.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem zwei Ansätze bereit, den Taumelplattenwinkel zu messen, wobei jeder Ansatz eine oder mehrere Näherungssonden verwendet, die mit Abschnitten der sich drehenden Antriebswelle oder der hin- und herlaufenden Bewegung der Kreuzköpfe des Motors Wechselwirken bzw. interagieren.
Zusätzliche Vorteile und zusätzlicher Nutzen der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, an den sich die vorliegende Erfindung wendet, aus der nachfolgenden Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform und aus den anliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine repräsentative Längsschnittansicht eines Stirlingmotors gemäß dem Stand der Technik, der zum Einbau der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
2 zeigt eine Längsschnittansicht durch das hydraulische Taumelplattenstellorgan in Übereinstimmung mit dieser Erfindung;
3 zeigt eine Querschnittsansicht aus 2 unter Darstellung von internen Druckhohlräumen des Rotationsflügelstellorgans; und
4 zeigt schematisch einen Hydraulikstellorgankreis zum Steuern des Taumelplattenstellorgans gemäß dieser Erfindung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Stirlingmotor einer Art, die zur Verwendung der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist in 1 zusammengebaut gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Stirlingmotor 10 enthält eine Anzahl primärer Bestandteile, einschließlich einem Antriebsgehäuseaufbau 12, einem Zylinderblockaufbau 14 und einem (nicht gezeigten) Heizeraufbau.
Der Antriebsgehäuseaufbau 12 enthält ein Gehäuse 18 mit einer Antriebswelle 20, die innerhalb des Gehäuses drehgelagert ist. Eine Taumelplatte 22, die nachfolgend näher erläutert ist, stellt ein Paar von gegenüberliegenden, allgemein parallelen Stirnseiten 24 und 26 bereit. Jede Stirnseite 24 und 26 ist bevorzugt mit einer geringen Verjüngung in radialer Richtung in einer Größenordnung von 0,6° versehen, um dadurch den Aufbau eines hydrodynamischen Films zwischen den Flächen 24, 26 und den jeweiligen benachbarten Kreuzkopflagern 29 zu ermöglichen. Kreuzköpfe 28 stehen im Eingriff mit den gegenüberliegenden Stirnseiten 24 und 26 und sind mit Verbindungsstangen 30 verbunden, die ihrerseits mit Kolben 32 verbunden sind. Die Kreuzköpfe 28 werden entlang einer Achse hin- und herlaufend unter Verwendung von Führungsstangen 34 gehalten. durch diese mechanische Verbindung wird eine hin- und herlaufende Bewegung der Kolben 32 in eine Drehung der Antriebswelle 20 umgesetzt. Außerdem ist offensichtlich, dass der Winkel, den die Taumelplattenstirnseiten 24 und 26 unter Bezug auf die Drehlängsachse 36 der Antriebswelle 20 (der Ebene der Taumelplatte) bilden, den Hub bzw. die Verdrängungsdistanz für die Kolben 32 festlegt.
Der Zylinderblockaufbau 14 enthält eine Anzahl von Zylinderbohrungen 40, durch die die Kolben 32 hin- und herlaufen. In dem an sich bekannten thermodynamischen Stirlingkreislauf versetzen die Kolben 32 ein Arbeitsgas, wie etwa Helium oder Wasserstoff, zwischen einem kalten Raum und einem heißen Raum in reversierende bzw. schnell hin- und herlaufende Bewegung. In diesem Fall bildet das Gasvolumen über dem Dom der Kolben 32 und dem (nicht gezeigten) Heizeraufbau den heißen Raum des Motors. Der kalte Raum ist teilweise durch einen Gaskühler 42 festgelegt. Ein Regenerator 44 kommt zwischen dem Gaskühler 42 und dem Heizeraufbau zu liegen und der Stirlingmotor 10, der in dieser Beschreibung dargestellt ist, ist ein Mehrzylindermotor mit doppelter Wirkung. In diesem Fall existiert eine Gasvolumenverbindung zwischen dem heißen Raum von einem Kolben 32 und dem kalten Raum des benachbarten Zylinders und Kolbens. Der Motor 10 gemäß 1 enthält ein Taumelplattenstellorgan 46 vom elektrisch betätigten Typ. 2 und 3 zeigen das Taumelplattenstellorgan 48 gemäß der Erfindung, das das Stellorgan 46 ersetzt.
Zusätzliche Einzelheiten in Bezug auf die Konstruktion des Stirlingmotors 10 können dem US-Patent Nr. 5611201 entnommen werden, auf das vorliegend Bezug genommen wird.
Unter speziellem Bezug auf 2 werden die Bestandteile des Taumelplattenstellorgans 48 näher erläutert. Die Antriebswelle 20 dreht sich innerhalb eines geeigneten Drehlagers, das Lagerschalen 50 und 52 enthält. Diese Drehlager werden mit Schmierölen in herkömmlicher Weise versorgt. Die Antriebswelle 20 enthält ein Taumelplattenlager 54, bei dem es sich um eine zylindrische Fläche handelt, deren Mittenlängsachse 56 unter einem Winkel α relativ zur Antriebsachse 36 geneigt verläuft. Ein Taumelplattenring 58 ist drehbar an einem Taumelplattendrehlager 54 über ein Paar von Rollelementlageraufbauten 60 und 62 angebracht. Die Taumelplattenstirnseiten 24 und 26 legen parallele Ebenen fest, die zu einer Ebene senkrecht zu der Drehlagerachse 56 um einen Winkel β versetzt sind, wie in 2 gezeigt. Auf diese Weise veranlasst eine Relativdrehung zwischen dem Taumelplattendrehlager 54 und dem Taumelplattenring 58, dass der Winkel der Ebene, gebildet durch die Stirnseiten 24 und 26, relativ zur Längsachse 36 der Antriebswelle variiert, der als Taumelplattenebenenwinkel bzw. Taumelplattenwinkel Φ bezeichnet ist. Die relativen Drehstellungen des Taumelplattenrings 58 und des Taumelplattendrehlagers 54 legen das Ausmaß fest, mit dem die Winkel α und β zur Vergrößerung des Taumelplattenwinkels Φ beitragen oder sich subtrahierend auswirken, um den Winkel Φ zu verkleinern. Wie in 2 gezeigt, nimmt der Winkel Φ sein Maximum ein, in dem die Winkel α und β mit ihren vollständigen Werten dazu beitragen, den Winkel Φ zu maximieren. Es ist bevorzugt, dass die Winkel α und β zueinander gleich sind.
Als Mittel zum Messen der Winkelstellung der Taumelplattenstirnseiten 24 und 26 und damit der Verdrängung bzw. Verschiebung des Taumelplattenstellorgans 48 ist ein Paar von elektrischen Signalausgängen für Näherungssonden vorgesehen. Wie in 2 gezeigt, bildet eine ausladende Schulter der Antriebswelle 20 eine vorspringende Zunge 49. Die Zunge 49interagiert mit einer elektrischen Induktionsnäherungssonde 51. Jedes Mal, wenn sich die Zunge 49 an der Näherungssonde 51 vorbei dreht, wird ein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt. In ähnlicher Weise bildet der Taumelplattenring 58 eine vorstehende bogenförmige Zunge 59. Die Zunge 59 interagiert mit einer elektrischen Induktionsnäherungssonde 63 und stellt ein elektrisches Ausgangssignal immer dann bereit, wenn die Zunge 59 über die Näherungssonde 63 läuft. die Zunge 59 weist Bogenform auf, weil sie mit der Sonde 63 über einen Bereich von Winkelstellungen interagieren muss. Da die relative Winkelstellung zwischen der Antriebswelle 20 und dem Taumelplattenring 58 direkt zu dem Taumelplattenwinkel Φ steht, kann die Phasendifferenz der Ausgangssignale zwischen den Näherungssonden 51 und 63 verwendet werden, um eine derartige Anzeige bereitzustellen. Durch die Verwendung eines geeigneten Steuersystems erlaubt die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen von den Näherungssonden 51 und 63 eine kontinuierliche Überwachung des Taumelplattenwinkels. Dieses Ausgangssignal wird durch ein geeignetes Steuersystem zum Steuern des Taumelplattenstellorgans 48 verwendet, um eine gewünschte Verdrängung für den Motor 10 bereitzustellen. Eine alternative Technik zum sofortigen Berechnen der Verdrängung besteht darin, die lineare Verdrängung bzw. Verschiebung von beliebigen zwei Kreuzköpfen 28 zu messen, die 90° voneinander entfernt sind, und zwar mit einer geeignet angeordneten Näherungssonde oder einem -sensor 51 für jeden Kreuzkopf und durch Gleichsetzen des Verdrängungs- oder Taumelplattenwinkels, oder gegebenenfalls von beiden.
Wie am besten aus 3 hervorgeht, wirkt die Antriebswelle 20 mit dem Taumelplattenring 58 zusammen, um einen unterteilten, allgemein ringförmigen Hydraulikhohlraum 64 festzulegen. Dieser Hohlraum 64 ist in vier diskrete isolierte Kammern 66, 68, 70 und 72 unterteilt. Diese Kammern sind teilweise durch ein Paar von diametral angeordneten, sich radial auswärts erstreckenden Flügeln 74 und 76 isoliert, die sich ausgehend von dem Taumelplattendrehlager 54 erstrecken. Ein weiteres Paar von radial ausgerichteten Flügeln 78 und 80 erstreckt sich in einer radial einwärts verlaufenden Richtung ausgehend von dem Taumelplattenring 58. Eine Fluiddichtung greift über die Flügel 74, 76, 78 und 80 zu und ist durch Spitzenendendichtungen bzw. Vorderenddichtungen 75, 77, 70 und 81 bereitgestellt.
Kammern 66, 68, 70 und 72 arbeiten als gegenüberliegende Paare. Hydraulikfluid wird dem verbundenen Paar von Kammern 66 und 68 über einen Versorgungsdurchlass 82 zugeführt, und den Kammern 70 und 72 über einen Ölversorgungsdurchlass 84. Wie am besten aus 2 und 3 hervorgeht, wird ein zentraler Öldurchlass 86 durch getrennte Anschlüsse 88 und 90 versorgt, die mit dem Außendurchmesser der Antriebswelle 20 kommunizieren. Ein zentrales Rohr 92 unterteilt den Öldurchlass 86 in zwei diskrete Durchlässe. Öl, das in die Öffnung 88 strömt, strömt um die Außenseite des Rohrs 92 und durch den Durchlass 82. Der Öffnung 90 zugeführtes Öl breitet sich hingegen durch das Innere des Rohrs 92 aus und strömt bzw. fließt in den Durchlass 84. Der Durchlass 98 ist vorgesehen, um Schmieröl den Lagern 60 und 62 zuzuführen.
Die Positionen der Durchlässe 82 und 84 gehen am besten aus 3 hervor. Der Durchlass 82 erstreckt sich diametral durch die Antriebswelle 20 und mündet in Hohlräume 66 und 68 in einer Position unmittelbar benachbart zu den Flügeln 74 und 76 aus. Der Durchlass 84 erstreckt sich ebenfalls diametral durch die Antriebswelle 20 und kommuniziert mit Kammern 70 und 72 in Positionen, ebenfalls unmittelbar benachbart zu den Flügeln 74 und 76, jedoch auf den gegenüberliegenden Seiten der Flügel wie der Durchlass 82.
Durch Steuern des Drucks des angelegten Hydraulikfluids in den Durchlässen 82 und 84 kann der Winkel des Taumelplattenrings 58 relativ zur Antriebswelle 20 und damit der Hub des Motors moduliert werden. 3 zeigt einen Zustand, demnach das Fluidvolumen, das durch den Durchlass 82 zugeführt wird, im Vergleich zum Durchlass 84 in etwa gleich ist, was die Volumina der Kammern 66 und 68 veranlasst, nahezu identisch zu denjenigen der Kammern 70 und 72 zu sein. Dieser Zustand bzw. diese Bedingung entspricht einer Motorverdrängung zwischen dem minimalen und maximalen Volumina durch Steuern des Hubs. Wenn Hydraulikfluid unter größerem Druck dem Durchlass 82 zugeführt wird, füllt das Hydraulikfluid die Kammern 66 und 68 und diese expandieren. Dies veranlasst den Taumelplattenring 58, sich relativ zur Antriebswelle 20 im Uhrzeigersinn zu drehen, bis der Flügel 78 die in 3 gezeigte Phantomlinienposition erreicht, die mit der Bezugsziffer 78a bezeichnet ist (der Flügel 80 unterliegt derselben positionsmäßigen Winkeländerung). In dieser Position des Flügels 78a wird der Stopp- bzw. Anschlagblock 94 kontaktiert und eine weitere Relativdrehung ist nicht möglich. Diese Position stellt eine Extremposition von entweder dem maximalen oder minimalen Taumelplattenwinkel und dem entsprechenden Hub des Kolbens 32 dar.
Wenn es erwünscht ist, das Taumelplattenstellorgan 48 in die gegenüberliegende Extremstellung zu drehen, wird Hydraulikfluid durch den Durchlass 84 geschickt. In diesem Zustand bzw. unter dieser Bedingung expandieren die Kammern 70 und 72, wenn Fluid aus den Kammern 66 und 68 abgezogen wird. Dies veranlasst das Taumelplattendrehlager 54 dazu, sich entgegen Uhrzeigersinn relativ zur Antriebswelle 20 zu drehen und gegebenenfalls die in 3 gezeigte Position zu erreichen, in der der Flügel 78 die Position erreicht, die mit der Bezugsziffer 78b bezeichnet ist, in dem Punkt der Stopp- bzw. Anschlagblock 96 kontaktiert wird. Während die Zwischen- und Extrempositionen vorstehend erläutert wurden, können die Bestandteile in einer beliebigen gewünschten relativen Winkelstellung zwischen den Extremen angeordnet werden durch geeignete Steuerung des jeweiligen angelegten Drucks.
In 4 ist ein hydraulischer Stellorgankreis gezeigt, der Hydraulikfluid dem Taumelplattenstellorgan 48 zuführt, um es in die Lage zu versetzen, einer Positionsänderung zu unterliegen, wie vorstehend erläutert. 4 zeigt den Hydraulikstellorgankreis 102. Wie in 4 gezeigt, ist Hydraulikfluid in einem Vorratsbehälter 104 bevorratet und ein Druck wird unter Verwendung einer Pumpe 106 erhöht. Ein Sammelbehälter 103 stellt ein Bevorratungsvolumen bereit, dessen Druck aufrecht erhalten wird. Hochdruckfluid wird über die Leitung 108 einer Öffnung eines Vierwegerichtungssteuerventils 110 zugeführt. Ein Solenoid 112 steuert die Stellung einer Spule des Richtungssteuerventils 110 zur Bereitstellung der Fluidanschlussverbindung 88 und 90, wie in 4 schematisch gezeigt. In einer Position der Spule gelangt die Leitung 108 in Verbindung mit der Leitung 114, die mit dem Anschluss bzw. der Öffnung 88 und dem Durchlass 82 in Verbindung steht. Eine weitere Leitung 116 ist mit dem Durchlass 84 über die Öffnung bzw. den Anschluss 90 verbunden. Eine Rückführleitung 118 erlaubt es Hydraulikfluid, zum Vorratsbehälter 104 zurückzukehren. Drucksteuerventile 120 und 122 sind in die Leitungen 114 und 116 eingesetzt, um das Ausströmen von Hydraulikfluid in die Rückführleitung 118 zu steuern. Ein Druckentlastungsventil 123 lässt Fluid in den Vorratsbehälter 104 im Fall eines Überdruckzustands ausströmen. Ein Filter 105 ist vorgesehen, um Schmutzstoffe aus dem Hydraulikfluid zu entfernen.
Wenn es beim Betrieb des Hydraulikstellorgankreises 102 erforderlich ist, den Taumelplattenwinkel zu ändern, wird ein Steuersignal in das Richtungssteuerventilsolenoids 112 geleitet. Durch Verschieben der Spule zwischen den Stellungen, die in den linken und rechten Abschnitten des Ventils 110 schematisch gezeigt sind, werden Leitungen 114 und 116 selektiv mit der Zufuhrleitung 108 verbunden und die Rückführleitung 118 wird unter Druck gesetzt oder stellt gegebenenfalls einen Rückführfluidpfad bereit. Da üblicherweise eine langsame Leckage von Hydraulikfluid durch Stellorganflügel 76 und 78 vorliegt, besteht ein kontinuierlicher Bedarf an einer Betätigung des Ventils 110, wenn die Stellorganposition von einer gewünschten Sollposition abweicht.
Während die vorstehend angeführte Erläuterung die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft, wird bemerkt, dass die Erfindung einer Modifikation, Abwandlung und Änderung zugänglich ist, ohne vom Umfang und der Bedeutung der anliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Taumelplattenstellorgan (48) für einen Stirlingmotor (10), aufweisend eine Taumelplatte (22), die mit einer Antriebswelle (20) drehbar ist, die sich um eine Drehachse (36) dreht, mehrere hin- und herlaufende Kolben (32), die mit der Taumelplatte (22) über Kreuzköpfe (28) im Eingriff stehen, wobei der hin- und herlaufende Hub der Kolben (32) als Funktion eines Taumelplattenwinkels (Φ) variabel ist, der zwischen der Ebene der Taumelplatte (22) und der Drehachse (36) gebildet ist, wobei das Taumelplattenstellorgan (48) aufweist: Die um die Drehachse (36) drehbare Antriebswelle (20) mit einem zylindrischen Taumelplattendrehlager (54), das eine zentrale Drehlagerachse (56) bildet, die gegenüber der Drehachse (36) geneigt ist; einen Taumelplattenring (58), der um die Drehlagerachse (56) drehbar gelagert ist, wobei der Taumelplattenring (58) eine Scheibe bildet, die die Taumelplattenebene festlegt, die zu einer zu der Drehlagerachse (56) normalen Ebene um einen Winkel (β) versetzt ist und im Eingriff mit den Kreuzköpfen (28) steht, wobei die Antriebswelle (20) und der Taumelplattenring (58) miteinander zusammenwirken, um einen ringförmigen Hydraulikhohlraum (64) zu bilden; ein Paar von Antriebswellenflügeln (74, 76), die einander diametral gegenüberliegen und sich radial auswärts in den Hydraulikhohlraum (64) erstrecken; ein Paar von Taumelplattenringflügeln (78, 80), die einander diametral gegenüberliegen und sich radial einwärts in den Hydraulikhohlraum (64) erstrecken, wobei die Flügel (74, 76, 78, 80) den Hydraulikhohlraum (64) in vier getrennte Kammern (66, 68, 70, 72) unterteilen; und einen Fluidversorgungsdurchlass in der Antriebswelle (20), der einen ersten Durchlass (82) enthält, der Fluid zu einem ersten Paar der Kammern (66, 68) zuführt, die sich in diametraler Gegenüberlage befinden, und einen zweiten Durchlass (84), der Fluid einem zweiten Paar der Kammern (70, 72) zuführt, die sich in diametraler Gegenüberlage befinden, wobei das Fluid durch den ersten oder zweiten Durchlass (82, 84) zugeführt werden kann, um das erste oder zweite Paar von Kammern (66, 68, 70, 72) jeweils zu vergrößern, wodurch der Taumelplattenring (58) relativ zu dem Taumelplattendrehlager (54) in Drehung versetzt wird, um den Taumelplattenwinkel (Φ) zu veranlassen, sich zu ändern.
Taumelplattenstellorgan für einen Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Taumelplattenstellorgan (48) einen ersten und einen zweiten Zufuhranschluss (88, 90) zum jeweiligen Bereitstellen von Hydrauliköl für die ersten und zweiten Durchlässe (82, 84) aufweist, wobei die Zufuhranschlüsse (88, 90) mit dem Außendurchmesser der Antriebswelle (20) in Verbindung stehen.
Taumelplattenstellorgan für einen Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Taumelplattenstellorgan (48) einen Anschlagblock (94) aufweist, der zwischen zumindest einem Taumelplattenringflügel (78, 80) und zumindest einem Antriebswellenflügel (74, 76) zum Festlegen eines physikalischen Anschlags im Bereich der Relativdrehung zwischen dem Taumelplattenring (58) und der Antriebswelle (20) angeordnet ist.
Taumelplattenstellorgan für einen Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor (10) eine mechanische Ausgangsleistung durch die Kolben (32) erzeugt, die mit der Taumelplatte (22) im Eingriff stehen, um die Taumelplatte (22) und die Antriebswelle (20) in Drehung zu versetzen.
Taumelplattenstellorgan für einen Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stirlingmotor (10) um einen doppelt wirkenden Stirlingmotor handelt.
Taumelplattenstellorgan für einen Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter diskreter Durchlass durch eine Bohrung (86) in der Antriebswelle (20) festgelegt sind, in der ein Rohr (92) vorgesehen ist, wobei das Rohr (92) die Bohrung (86) in erste und zweite diskrete Durchlässe unterteilt, die durch Trennen der Fluidströmung innerhalb des Rohrs (92) oder außerhalb des Rohrs (92) festgelegt sind.
Taumelplattenstellorgan für einen Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Taumelplattenstellorgan (48) einen Hydraulikkreis zum Zuführen des Fluids zu den ersten und zweiten Durchlässen (82, 84) aufweist, enthaltend ein Richtungssteuerventil (110), das das Fluid unter Druck einem der ersten oder zweiten Durchlässe (82, 84) zuführt und es dem Fluid in dem anderen der ersten oder zweiten Durchlässe (82, 84) ermöglicht, dadurch ausgeleitet zu werden, wodurch der Taumelplattenring (58) relativ zu dem Taumelplattendrehlager (54) gedreht wird.
Taumelplattenstellorgan für einen Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Taumelplattenstellorgan (48) eine erste Näherungssonde (51), die mit der Antriebswelle (20) interagiert, um ein Ausgangssignal als Funktion der Drehposition bereitzustellen, und eine zweite Näherungssonde (63), die mit dem Taumelplattenring (58) interagiert, aufweist, wobei die Phasendifferenz der Ausgangssignale der ersten und zweiten Näherungssonden (51, 63) eine Anzeige für den Taumelplattenwinkel (Φ) bereitstellt.