DE4024398A1

DE4024398A1 - Stirlingmotor

Info

Publication number: DE4024398A1
Application number: DE19904024398
Authority: DE
Inventors: Josef Gail
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-08-01
Filing date: 1990-08-01
Publication date: 1992-02-06

Description

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor mit dem bekannten Kreisprozeß zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Die Maschine weist die bei Stirlingmotoren üblichen Maschinenelemente auf.

Der Arbeitskolben und der Kompressionskolben, welche mit einem 90° versetzten Arbeitszyklus zusammenwirken, verwandeln dabei einen Teil der mit einem Erhitzer zugeführten Wärme unter Einwirkung einer Kühleinrichtung und eines Absorbers in eine Drehbewegung der Kurbelwelle.

Bei den bekannten derartigen Maschinen ist es ein Nachteil, daß zur Erreichung der Motorleistung ein komplizierter Kolbentrieb und ein relativ großes Bauvolumen erforderlich sind.

Neben einem hohen Materialaufwand sind dadurch auch hohe Bearbeitungs- und Fertigungskosten verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Stirlingmotor mit einem einfachen, raumsparenden Triebwerk, bei welchem die im Motorsystem mögliche Betriebssicherheit weitgehendst genutzt ist. Die Erfindungsaufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Jeder Zylinderläufer der erfindungsgemäßen Stirlingmaschine hat wenigstens drei um 120°C gegeneinander um die Drehachse des Zylinderläufers herum winkelversetzte Zylinderpaare.

Die in den Zylinderpaaren verschiebbaren durch Kolbenstangen starr miteinander verbundenen Kolbenpaare werden von Exzenterlagern einer Kurbelwelle geführt, deren Drehachse um eine vorbestimmte Exzentrizität gegen die Drehachse des Zylinderläufers achsparallel versetzt ist. Die Exzenterlager definieren drei relativ zur Kurbelwelle feststehende Drehachsen, die ihrerseits um die Drehachsen der Kurbelwelle herum gegeneinander um 120° winkelversetzt sind. Auf diese Weises wird erreicht, daß jedes Kolbenpaar selbst dann relativ zu der Exzenterachse drehfest an dem Zylinderläufer abgestützt ist, wenn seine Exzenterachse mit der Drehachse abgestützt ist, wenn seine Exzenterachse mit der Drehachse des Rotors momentan zusammenfällt. Die Abstützung erfolgt ausschließlich über die beiden anderen Kolbenpaare, ohne daß der Zylinderläufer zusätzlich über ein Zahnradgetriebe oder dergleichen mit der Kurbelwelle drehmomentfest gekuppelt sein müßte. Der erfindungsgemäße Stirlingmotor kann deshalb relativ klein zur Leistung bemessen werden. Da darüberhinaus die Exzenterlager relativ zur Kurbelwelle feststehende Drehachse definieren, müssen die Kolbenstangen nicht über Doppellager an einem Kurbelarm der Kurbelwelle geführt werden und es können problemlos doppelt wirkende Kolben verwendet werden.

Die Hubräume der Zylinderläufer sind kopfseitig vom Zylinderläufermantel umschlossen und über Öffnungen mit im Zylindermantel verlaufenden Leitungskanälen für das Arbeitsgas verbunden.

Der Arbeitsgaswechsel der Hubräume erfolgt ausschließlich bei Durchströmen des Absorbers über die sich mitdrehenden Leitungskanäle im Zylinderläufermantel, welcher gleichzeitig als Temperierungsfläche ausgebildet ist. Abdichtungsprobleme wie bei Verbrennungsmotoren mit rotierenden Hubräumen bestehen dadurch nicht.

Die für den Stirling-Arbeitsprozeß erforderliche Kolbenstellung des Arbeitskolbens zum Kompressionskolben wird durch radial und schräg verlaufende Leitungskanäle in den Temperierungsflächen erreicht.

Durch die Nacheinanderordnung des Zylinderläufers mit den Arbeitskolben und des Zylinderläufers mit den Kompressionskolben und der Zwischeneinfügung der Absorber ergeben sich in kompakter Bauweise räumlich günstig voneinander getrennt an den Mantelflächen der Zylinderläufer relativ zum Bauraum große Temperaturaustauschflächen für die Erhitzung des Arbeitsgases bzw. der Kühlung desselben. Die Oberfläche der Temperaturtauschflächen kann durch eine Verrippung vergrößert sein.

Durch die stirnseitige Anordnung der Zylinderläufer und die Rotation der Hubräume ist eine gleichmäßige Temperierung aller Hubräume bei einem zentralen Erhitzer auf einer Seite und einer Kühleinrichtung auf der anderen Seite, welche je in einem im Aufbau integrierten Gehäuse untergebracht sein können, vorteilhaft möglich.

Zweckmäßig ist der Kurbelgehäuseraum mit unter Druck stehendem Gas gefüllt, welches dem Arbeitsgas entspricht. Dieses Gas kann entsprechend der erforderlichen Innentemperatur gekühlt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Temperierung der Zylinderläufer auch indirekt erfolgen. Dabei ist der sich drehende Rotor in sehr geringem Spalt von einer Temperierungskammer umschlossen.

Der Spalt ist mit Arbeitsgas zur effizienten Temperaturübertragung von der Innenwand der Temperierungskammer auf die drehende Rotorfläche gefüllt.

Bei direktem Anschluß eines Stromgenerators erübrigen sich dadurch technisch aufwendige Wellendichtungen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 in einer Längsschnittdarstellung einen Stirlingmotor gemäß der Erfindung

Fig. 2: einen Querschnitt des Stirlingmotors im Bereich eines Zylinderläufers

Fig. 3: in einer schematischen Abwicklungsdarstellung den Verlauf der Leitungskanäle für das Arbeitsgas

Fig. 4: eine Ausführung mit indirekter Temperierung der Zylinderläufer

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist in einem Gehäuse 1 eine Kurbelwelle 2 in Wälzlagern 3 auf der Abtriebsseite abgedichtet 4, gelagert. Im Innenbereich des Gehäuses 1 sind Lagerstellen 5, 6 für den Rotor 7, welcher im wesentlichen aus den beiden sogenannten Zylinderläufern 8, 9, dem Absorberbereich 10 und den Leitungskanälen 11 für das Arbeitsgas besteht.

Die Lagerstellen 5, 6 definieren eine erste Drehachse 12 für die Zylinderläufer 8, 9, welche im wesentlichen beide baugleich drei um die erste Drehachse 12 um 120° gegeneinander winkelversetzte Zylinderpaare 13 aufweisen. In den Zylindern 13 sind Kolben 14 angeordnet, die paarweise durch Kolbenstangen 15 starr miteinander verbunden sind.

Die Kurbelwelle 2 ist im Gehäuse 1 um eine zweite zur ersten Drehachse 12 vorbestimmte Exzentrität achsparallel versetzte Drehachse 16 gelagert.

Die Kolbenstangen 15 der Kolbenpaare sind mittels Exzenterlager 17 an der Kurbelwelle 2 geführt. Die Exzenterlager 17 definieren relativ zur Kurbelwelle 2 feststehende um 120° gegeneinander winkelversetzte Drehachsen. Die Zylinderläufer 8, 9 sind ausschließlich über Kolbenstangen 15 drehmomentfest mit der Kurbelwelle 2 gekuppelt.

In den aus den Kolben 14 und den Zylindern 13 gebildeten Hubräumen 10 wird, wie bei Stirlingmotoren bekannt, mit Arbeitsgas über Verdrängungsvorgänge und Temperaturänderung thermische Energie in mechanische Energie umgesetzt, wobei ein Zylinderläufer 8 als heiße Seite und der andere Zylinderläufer 9 als kalte Seite ausgebildet ist.

Zwischen den beiden Zylinderläufern 8, 9 befindet sich für jede Hubraumpaarung ein Absorber 10, welcher vom Arbeitsgas durchströmt wird.

Die Hubräume 18 stehen über Öffnungen 19 über Leitungskanäle 20 miteinander in Verbindung.

Der Verlauf der Leitungskanäle 20 ist aus der schematischen Abwicklungsdarstellung (Fig. 3) der Rotormantelfläche 21 bzw. der Zylindermantelflächen 22, 23 ersichtlich.

Die Leitungskanäle 20, welche mit einem sehr geringen Querschnitt zur Erreichung einer großen Oberfläche ausgeführt sind, verlaufen unter der Oberfläche im Zylindermantelbereich 22, 23, welcher nach innen die Hubräume 18 umschließt und außen zur Erreichung großer Temperierungsflächen mit einer Verrippung 24 versehen ist.

Über die Öffnungen 19 zu den Hubräumen 18 strömt das Arbeitsgas abwechselnd gegenseitig von einem Sammelbereich 25 in welchen die schraublinienförmig verlaufenden Leitungskanäle 20 einerseits und andererseits im Absorber 10 münden, zu den paarweise einander zugeordneten Hubräumen 18, wobei in einer Zylindermantelfläche 22 das Arbeitsgas zum Motorbetrieb erhitzt wird.

Die Temperierungsbereiche sind von ringförmigen Kammern 26 welche im Gehäuseaufbau integriert sind, gebildet und sind zweckmäßig durch eine Temperaturdämmschicht 27 voneinander getrennt.

Durch den schraublinienförmigen Verlauf der Leitungskanäle 20 ist der unterschiedliche Winkelbereich eines Verdrängerkolbens zu einem dazugehörenden Arbeitskolben überbrückt, gleichzeitig ergeben sich dadurch relativ lange Leitungskanäle zur Temperatureinwirkung.

Der Kurbelgehäuseraum 28 ist ebenfalls mit Arbeitsgas gefüllt, welches in einer nicht dargestellten Einrichtung umgepumpt und zur Aufrechterhaltung der Innentemperatur gekühlt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Variante eines Stirlingmotors, die sich von der Ausführung nach der Fig. 1 und 2 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die Temperierung der Zylinderläufer indirekt erfolgt. Gleiche Teile sind in der Fig. 4 mit den Bezugszahlen der Fig. 1 und 2 zur Unterscheidung mit dem Buchstaben a versehen. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise wird auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 ist die Rotormantelfläche bzw. sind die Zylindermantelflächen 22a, 23a von einer gehäusefesten, zylindrischen Wandung 30 mit einem für die Rotordrehung erforderlichen geringen Spalt 31 umschlossen.

Die zylindrische Wandung 30 ist dabei Bestandteil der ringförmigen Kammern 26a und die Temperierung der drehenden Zylindermantelflächen 22a und 23a erfolgt indirekt über den Spalt 31, welcher ebenfalls mit unter Druck stehendem Gas zur effizienten Temperaturübertragung gefüllt sein kann.

Zur Minderung ungewollter Gas- und Temperaturwechselvorgänge im Spalt 31 ist zweckmäßig im Absorberbereich eine Labyrinthabdichtung 32 vorgesehen.

Ist bei dieser Ausführungsform beispielsweise ein Stromgenerator 33 als Flanschmaschine dichtend am Gehäuse 1 angeschlossen, wodurch eine herausführende Welle 2a vermieden werden kann, dann erübrigen sich die bei den bestehenden Druck- und Temperaturverhältnissen aufwendigen Wellendichtungen für das eingeschlossene Gas.

Die vorstehend erläuterte Stirlingmaschine ist als Stirlingmotorausführung vorgestellt. Wie bekannt, eignet sich das Stirlingprinzip auch als Wärmepumpe oder Kühlmaschine. Auf eine Verwendung der Erfindung für diese Anwendungen ist der Vollständigkeit halber hingewiesen.

Claims

1. Stirlingmotor mit einem Kreisprozeß zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, wobei mittels Arbeits- und Kompressionskolben, welche mit einem 90° versetzten Arbeitszyklus zusammenwirken, über einen Erhitzer, einen Absorber und einen Kühler die dabei bewirkte Temperaturveränderung bzw. Druckänderung eines Arbeitsgases mit einer Kurbelwelle als Drehbewegung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Rotor (7) achsgleich zwei Zylinderläufer (8, 9) mit Kolben (14) zur Volumenänderung angeordnet sind, deren Hubräume (18) über Absorber (10) miteinander verbunden sind und dabei ein Zylinderläufermantel (22) mit einer Erhitzungseinrichtung (26) und der andere Zylinderläufermantel (23) mit einer Kühleinrichtung (26) in Verbindung steht.

2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylindermantel (22, 23) Kanäle (20) als Leitungen für das Arbeitsgas vorgesehen sind.

3. Stirlingmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungskanäle (20) schraublinienförmig verlaufen.

4. Stirlingmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schraublinienförmig verlaufenden Leitungskanäle (20) an einem Ende im Absorber (10) und mit dem anderen Ende in einem Sammelbereich (25) münden.

5. Stirlingmotor nach Anspruch 1, insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß an einer gehäusefesten Drehachse gelagerte (5) Zylinderläufer (8, 9) drei um die erste Drehachse (12) um 120° gegeneinander winkelversetzte Zylinderpaare (13) mit Kolben (14) aufweisen, die paarweise durch Kolbenstangen (15) starr miteinander verbunden sind.
im Gehäuse (1) für beide Zylinderläufer (8, 9) eine Kurbelwelle (2) um eine zweite zur ersten Drehachse (12) vorbestimmte Exzentrität achsparallel versetzte Drehachse (16) gelagert ist,
die Kolbenstangen (15) der Kolbenpaare mittels Exzenterlager (17) mit der Kurbelwelle (2) geführt sind und
die Zylinderläufer (8, 9) ausschließlich über die Kolbenstangen (15) drehmomentfest mit der Kurbelwelle (2) verbunden sind.

6. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelgehäuseraum (28) ebenfalls mit Gas, das dem Arbeitsgas entspricht, gefüllt ist.

7. Stirlingmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Kurbelgehäuseraum (28) gekühlt werden kann.

8. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderläufermantel (22a, 23a) von einer gehäusefesten, zylindrischen Wand (30) mit einem für die Rotordrehung erforderlichen, geringen Spalt (31) umschlossen sind.

9. Stirlingmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (31) mit unter Druck stehendem Gas gefüllt ist.

10. Stirlingmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstrecke (31) durch eine Labyrinthdichtung unterbrochen ist.

11. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (1) als Flanschmaschine dichtend eine elektrische Maschine (33) angeschlossen ist.