DE3408480A1

DE3408480A1 - Heissgasmotor nach dem prinzip des stirling-motors

Info

Publication number: DE3408480A1
Application number: DE19843408480
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. 2801 Grasberg Ehrig; Hans-Jürgen Dipl.-Ing. 2805 Stuhr Jacobs
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik GmbH
Current assignee: Erno Raumfahrttechnik GmbH
Priority date: 1984-03-08
Filing date: 1984-03-08
Publication date: 1985-09-12
Also published as: US4691515A; NL8500598A; JPS60204950A

Description

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Heißgasmotor nach dem Prinzip des Stirling-Motors

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor nach dem Prinzip des Stirling-Motors, bei dem in einem mit einem Prozeßgas gefüllten Zylinderraum ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben gegeneinander längsbeweglich angeordnet sind, mit einem dem Zylinderraum zugeordneten Regenerator sowie mit einer mit den Kolben kraftschlüssig verbundenen Getri ebeei nhei t.

Motoren, die nach dem Stirling-Kreisprozeß arbeiten, sind bereits bekannt. Ihr Arbeitsprinzip beruht, ebenso wie dasjenige von Otto- und Dieselmotoren, darauf, daß ein Prozeßgas bei niedriger Temperatur komprimiert wird und anschließend bei hoher Temperatur expandiert. Im Gegensatz zu den beiden letztgenannten Motoren wird beim Stirling-Motor das Prozeßgas jedoch nicht durch eine innere Verbrennung erhitzt, sondern die Wärme wird dem Prozeßgas von außen zugeführt, so daß mit diesem Motor Temperaturdifferenzen in mechanische Arbeit umgewandelt werden können.

Ein Stirling-Motor der eingangs genannten Art ist aus der Literatur (W. Kalide, "Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen", 1982, Seiten 178 bis 181) bekannt. Dieser bekannte Stirling-Motor weist einen Regenerator auf, der außerhalb des Zylinderraumes angeordnet ist und der über Kanäle mit dem heißen und kalten Bereich des Zylinderraums

verbunden ist. Wie aus der bekannten Literaturstelle weiter hervorgeht, sind Stirling-Motoren moderner Bauart zumeist als Einzylindermaschinen konzipiert und häufig mit Rhombengetrieben ausgestattet, welche die zur Realisierung eines Kreisprozesses erforderlichen Bewegungsabläufe eines Kreisprozesses erforderlichen Bewegungsabläufe von Arbeits- und Verdrängerkolben steuern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgasmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß er einerseits einen möglichst einfachen Aufbau aufweist und andererseits eine deutliche Leistungssteigerung gestattet.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Heißgasmotors im Hinblick auf die vorstehend genannte Aufgabenstellung sind in den weiteren Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Der Heißgasmotor gemäß der Erfindung besitzt dabei den Vorteil nur geringer mechanischer Verluste. Zugleich wird es möglich, den inneren Druck des Prozeßgases zu steigern und dadurch den Kreisprozeß ohne zusätzlichen Energieaufwand in einen höheren Druckbereich zu verlagern, das heißt, den Wirkungsgrad weiter zu steigern. Sofern weiterhin, wie im Anspruch 2 vorgesehen, die Rädergetriebe ebenfalls im Innern des mit dem Prozeßgas gefüllten Bereiches angeordnet sind, wird zur Abdichtung des Prozeßgases lediglich eine Gleitringdichtung an der die Triebwerksleistung abgebenden Welle benötigt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Heißgasmotor

gemäß der Erfindung,

Fig. 2 AbI aufdiagramme zur Veranschaulichung der
a - c Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten

Anordnung,

Fig. 3 Detaildarstellungen von Arbeits- bzw.
und 4 Verdrängerkolben,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der

Anordnung der Kolbenstangen und

Fig. 5 jeweils Schnittdarstellungen gemäß den in
a - c Fig. 5 eingezeichneten Linien.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung handelt es sich um zwei nach dem Stirling-Kreisprozeß arbeitende Motoreneinheiten, die nach Art eines Boxermotors zu einem Aggregat zusammengefaßt sind. In einem gemeinsamen Zylindergehäuse 10 sind zunächst zwei an den Enden einer gemeinsamen KoI-benstange 11 angebrachte Arbeitskolben 12 und 13 angeordnet. Sowohl die Kolbenstange 11 als auch die Arbeitskolben 12 und 13 weisen, wie deutlicher aus den Fig. 3 bis 5 hervorgeht, jeweils zentrische Durchgangsbohrungen auf. Diese nehmen eine zweite, in den Durchgangsbohrungen längsverschieblich gehalterte Kolbenstangen 14 auf, die langer als die Kolbenstange 11 der Arbeitskolben 12 und 13 ist und die an ihrem Ende zwei Verdrängerkolben 15 bzw. 16 trägt. Entsprechend der Erfindung sind anstelle von bei den bekannten

Stirl ing-Motoren extern angeordneten Regeneratoren, diese Verdrängerkolben 15, 16 als Regeneratoren ausgebildet, so daß keine zustäzlichen Kanäle außerhalb des eigentlichen Zylinderraumes für das Prozeßgas erforderlich sind. Die Innenstruktur der Verdränger- bzw. Regeneratorkolben besteht dabei aus einem Wärmeschwamm zur Speicherung der zugeführten Wärme.

Im Innern des Gehäuses 10 sind ferner zwei jeweils gleichartig aufgebaute Rädergetriebe 17 angeordnet, von denen eines in der Zeichnung in Fig. 1 dargestellt ist, während das zweite, in der gezeigten Draufsicht hinter den Kolbenstangen 11 und 14 angeordnete Rädergetriebe hier nicht dargestellt ist. Beide Rädergetriebe sind durch eine geeignete Synchronisierungseinrichtung miteinander verbunden.

Jedes Rädergetriebe 17 besteht aus einem innen verzahnten, im Gehäuse 10 fest angebrachten Rad 18 sowie einem in diesem Rad 18 angeordneten, außen verzahnten Umlaufrad 19.

Letzteres ist über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Abstandhalter so an der Antriebswelle 20 angelenkt, daß es im Innern des Rades 18 umläuft. Die Durchmesser beider Räder 18, 19 sind im Verhältnis 2:1 gewählt, so daß bei einem Umlauf des Rades 19 im Rad 18 ein Punkt auf dem Umfang des kleineren Rades 19 eine geradlinige Hin- und Rückbewegung längs des Durchmessers des größeren Rades 18 nach Art eines Schubkurbelgetriebes vollführt. Dies bedeutet, daß die über einen Zapfen 21 in Punkt 1 am Rad 19 angelenkte Kolbenstange 11 der Arbeitskolben 12 und 13 ebenso eine reine Linearbewegung vollzieht, wie die über einen Führungszapfen 22 an dem entsprechenden Umlaufrad des zweiten,

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identisch aufgebauten Rädergetriebes angelenkte Kolbenstange 14, die die Regeneratorkolben 15 und 16 trägt. Der Führungszapfen 22 ist dabei in einer 1anglochartigen Ausnehmung 23 der Kolbenstange 11 beweglich angeordnet, so daß die beiden Kolbenstangen 11 bzw. 14 eine Relativbewegung zueinander auszuführen vermögen. In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei der Führungszapfen 22 so am zugeordneten Rädergetriebe angelenkt, daß sich für die Bewegung der Kolbenstange 14 gegenüber derjenigen der Kolbenstange 11 eine Phasenverschiebung um "7Γ74 ent
vorauseiIt.

um "7Γ74 entsprechend 45° ergibt, um die die Kolbenstange 14

Sowohl das Innere des Gehäuses 10, bestehend aus den einzelnen Zylinderräumen 24, 25 26 und 27 als auch der zwischen den Arbeitskolben 12 und 13 liegende Triebwerksraum 28, in dem die beiden Rädergetriebe angeordnet sind, sind mit dem unter Druck stehenden Prozeßgas gefüllt. Diesem Gas kann über die beiden endseitigen Heizbereiche 29 und 30 Wärme von außen zugeführt werden, während die Bereiche 31 und 32 zur Kühlung dienen. Kühl- und Heizbereich werden jeweils durch den zugehörigen Regeneratorkolben voneinander getrennt, der zugleich infolge des in seinem Innern befindlichen Wärmeschwammes in der Lage ist, einen Teil der zugeführten Wärme zu speichern und diese Wärme zu Beginn des Arbeitshubes des Arbeitskolbens wieder an das Prozeßgas abzugeben .

Der Bewegungsablauf der Arbeits- und Regeneratorkolben in den Zylinderräumen, der sich aufgrund der vorstehend beschriebenen konstruktionsmäßigen Auslegung des erfindungs-

gemäßen Heißgasgenerators ergibt, ist in den Fig. 2a bis c dargestellt. Dabei gibt die Fig. 2a den Bewegungsablauf der Kolben 13 und 16, Fig. 2c den der Kolben 12 und 15 wieder, während Fig. 2b jeweils eine Periode der Bewegung der beiden Zapfen 21 und 22 darstellt.

Wie zu erkennen ist, entspricht dabei die Kolbenstellung gemäß Position 1 derjenigen des in Fig. 1 dargestellten Schnittbildes des Motors. Etwa ab Position 3 beginnt in Fig. 2a die Verdichtungsphase, der etwa ab Position 5 die Expansionsphase, d.h. der Arbeitshub folgt. In Fig. 2c, die den Bewegungsablauf im zweiten Zylinder darstellt, liegen diese beiden Phasen zeitlich so versetzt, daß sich ein Optimum hinsichtlich der Laufruhe des Motors und einer gleichmäßigen Antriebsleitung einstellt.

In den beiden Zylindern ist der Bewegungsablauf so gewählt, daß die Verdichtung des Prozeßgases unter Wärmeabfuhr erfolgt, während seine Expansion unter gleichzeitiger Zufuhr von Energie durch die externe Wärmequelle stattfindet. Gemäß dem Prinzip des Stirling-Motors wird auf diese Weise die gewünschte Antriebsleistung erzeugt. Zur Abdichtung des mit Prozeßgas gefüllten Gehäuses 10 werden an der leistungsabgebenden Welle 20 Gleitringdichtungen verwendet, wobei ein Triebwerk wie das vorstehend beschriebene lediglich eine drehende Abdichtung benötigt. Dadurch ist es möglich, die Zylinderräume zur Steigerung des Wirkungsgrades mit einem hochverdichteten Prozeßgas zu füllen und so den Kreisprozeß auf eine höhere Ebene zu verlagern, ohne daß hierzu zusätzliche Energie aufgewendet werden müßte.

Der erfindungsgemäße Heißgasmotor kann dabei aus nur einem Zylinder mit Arbeits- und Regeneratorkolben bestehen als auch, wie im Fall des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels, aus zwei sich gegenüber liegenden Zylindern bestehen. Es können aber auch mehrere derartige Einheiten, zu einem Antriebssystem zusammengefaßt, auf eine gemeinsame Welle wirken. Derartige Einheiten können vielfachen Einsatz finden, so z.B. als Wärmepumpen oder in Verbindung mit Otto- bzw. Dieselmotoren zum Antrieb von Hi Ifsaggregaten wie Lichtmaschinen, Ventilatoren usw., wobei in diesem Fall die anfallende Abwärme unmittelbar ausgenutzt werden kann.

Der erfindungsgemäße Stirling-Motor ist eine leise, umweltfreundliche Maschine, die jegliche Wärmequellen, einschließlich Solar- und Atomenergie nutzen kann. Ein äußerst wichtiger Vorteil ist darin zu sehen, daß der Prozeß im Gegensatz zum Otto- oder Dieselprinzip umkehrbar ist. Wird die Antriebswelle des Stirling-Motors mechanisch angetrieben, so entsteht am Zylinder eine heiße und eine kalte Seite. Je nach dem, ob man nun der heißen oder kalten Seite ein Medium mit Umgebungstemperaturen zuführt, entsteht eine Kühlmaschine oder Wärmepumpe. Bei dem beschriebenen Boxerprinzip ist es z.B. möglich, eine Seite durch Wärmezufuhr und Kühlung als Motor und die andere Seite als Kühlmaschine zu betreiben. Das Aggregat kann völlig gekapselt arbeiten, so daß eine Wellendurchführung mit ihren Problemen entfällt.

Ein vorteilhafter Einsatz ist z.B. in den Tropen mit einer völlig gekapselten Stirl ing-Kühlmaschi ne möglich, welche, je nach Sonnenintensität, Kühlleistung liefert. Dieser Vorgang verläuft parallel mit dem Kühlleistungsbedarf bei Sonneneinstrahlung.

Zeichnungen

Claims

83-61 R Bremen, den 6. März 1984

ERNO Raumfahrttechnik GmbH

PATENTANSPRÜCHE

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(Iy Heißgasmotor nach dem Prinzip

des Stirling-Motors, bei dem in einem mit einem Prozeßgas gefüllten Zylinderraum ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben gegeneinander längsbeweglich angeordnet sind, mit einem dem Zylinderraum zugeordneten Regenerator sowie mit einer dem Kolben kraftschlüssig verbundenen Getriebeeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (15, 16) als Regenerator ausgebildet ist und daß die Getriebeeinheit aus je einem dem Arbeitskolben (12,

13) sowie dem Verdrängerkolben (15, 16) zugeordneten, nach Art eines Schubkurbelgetriebes ausgebildeten Rädergetriebe (18, 19) besteht.
2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß die Rädergetriebe (18, 19) im Innern des mit dem Prozeßgas gefüllten Raumes (28) angeordnet sind.
3. Heißgasmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß die Anlenkpunkte der KoIbenstangen , (11, 14) am jeweils zugeordneten Rädergetriebe (18, 19) derart gewählt sind, daß die jeweiligen Kolbenbewegungen mit einer Phasenverschiebung von etwa 45° ablaufen.
4. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Arbeitskolben (12, 13) und zwei Verdrängerkolben (15, 16) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) nach Art eines Boxermotors zusammengefaßt sind.
5. Heißgasmotor nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderräume (24, 25, 26, 27) sowie der dazwischen befindliche Triebwerksraum (28) eine gekapselte räumliche Einheit bilden.
6. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlgebohrte Kolbenstange (11) der Arbeitskolben (12, 13) in ihrem mittleren Bereich eine 1anglochartige Ausneh-

mung (23) aufweist, in der ein seitlicher zapfenförmiger Ansatz (22) der Kolbenstange (14) der Verdrängerkolben (15, 16) 1ängsverschieblich gelagert ist, der mit dem den Verdrängerkolben zugeordneten Rädergetriebe in Wirkverbindung steht.
7. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerkolben (15, 16) eine wärmespeichernde Innenstruktur (Wärmeschwamm) aufweisen.

Beschreibung - 4 -