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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stirlingmotor des Typs mit
Verdrängungskörper gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, bei dem ein Austreten eines Betriebsgases verhindert
werden kann. Ein derartiger Stirlingmotor ist in der
US 4 215 548 offenbart.
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Ein
derartiger Stirlingmotor umfaßt
normalerweise ein Gehäuse,
einen verschiebbar in dem Gehäuse
angeordneten Verdrängungskörper bzw.
eine verschiebbar in dem Gehäuse
angeordnete Verstellvorrichtung, eine Expansionskammer und eine
Arbeitskammer, in die und aus denen bei einer Betätigung der
Verstellvorrichtung ein Betriebsgas strömt, einen als Reaktion auf
eine Veränderung
des Drucks des Betriebsgases in der Arbeitskammer von einer elektromagnetischen
Einrichtung betätigten
Leistungskolben und einen mit der Verstellvorrichtung gekoppelten
Betätigungsstab
zum Betätigen
der Verstellvorrichtung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt. Bei dem
Stirlingmotor des vorstehend erwähnten Typs
mit Verstellvorrichtung wird der Leistungskolben als Reaktion auf
eine Veränderung
des Drucks in der Arbeitskammer bei einer Ausdehnung und Kontraktion
bei einer Erwärmung
oder Abkühlung
des Betriebsgases betätigt.
Dementsprechend ist das für den
Stirlingmotor verwendete Betriebsgas zur Verbesserung der Wärmeeffizienz
eines mit einer geringen spezifischen Wärme, wie Wasserstoff oder Helium.
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Das
für den
Stirlingmotor als Betriebsgas verwendete Gas mit geringer spezifischer
Wärme, wie
Wasserstoff oder Helium, tendiert dazu, durch die gleitenden Abschnitte
auszutreten, da die Moleküle des
Gases klein sind und das Austreten des Betriebsgases daher durch
die normalerweise für
die gleitenden Abschnitte verwendete Abdichtung nicht verhindert
werden kann. Insbesondere durchdringt der mit der Verstellvorrichtung
gekoppelte Betätigungsstab das
Gehäuse.
Daher ist es wesentlich, ein Austreten des Betriebsgases durch den
hindurchgeführten
gleitenden Abschnitt zu verhindern. Zur Lösung dieses Problems ist ein
System vorstellbar, bei dem die Verstellvorrichtung aus einem abgedichteten
Behälter ausgebildet
ist, als freier Kolben verwendet wird und durch die Nutzung einer
Gasfeder oder der Schwerkraft betätigt wird.
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Bei
einer Verstellvorrichtung des als freier Kolben ausgebildeten Typs,
für die
eine Gasfeder verwendet wird, ist es jedoch schwierig, eine Federkonstante
für die
Gasfeder einzustellen, und im übrigen
wird der Arbeitszyklus praktisch von der Federkonstante der Gasfeder
bestimmt. Es ist daher schwierig, den Arbeitszyklus variabel einzustellen, und
ferner muß ein
separater Anlassermechanismus vorgesehen sein. Bei einer Verstellvorrichtung
des als freier Kolben ausgebildeten Typs, bei der die Schwerkraft
genutzt wird, ist die Richtung des Gehäuses ausschließlich auf
die vertikale Richtung begrenzt und kann nicht seitlich verstellt
werden. Ein Beispiel ist in der US-425548 offenbart.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stirlingmotor
zu schaffen, bei dem der Arbeitszyklus der Verstellvorrichtung geeignet
verändert
werden kann, keine Einschränkungen
hinsichtlich der Installationsrichtung des Gehäuses vorliegen und der eine
eingebaute Anlasserfunktion aufweist.
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Zur
Lösung
der oben genannten Aufgabe weist der erfindungsgemäße Stirlingmotor
die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Der Stirlingmotor weist ein Gehäuse, eine
verschiebbar in dem Gehäuse
angeordnete Verstellvorrichtung bzw. einen verschiebbar in dem Gehäuse angeordneten
Verdrängungskörper, eine
Expansionskammer und eine Arbeitskammer, in die und aus denen bei
einer Betätigung
der Verstellvorrichtung bzw. des Verdrängungskörpers ein Betriebsgas strömt, und
einen Leistungskolben auf, der als Reaktion auf eine Veränderung
des Drucks des Betriebsgases in der Arbeitskammer betätigt wird. Der
Stirlingmotor umfaßt
ferner eine Einrichtung zur Betätigung
der Verstellvorrichtung, die ein auf der Verstellvorrichtung angeordnetes,
bewegliches Joch und zwei Elektromagnete umfaßt, die so angeordnet sind,
daß sie
das bewegliche Joch umschließen
und einander im Gehäuse
in der Axialrichtung gegenüberliegen,
eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Betriebsposition des
Leistungskolbens und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Umschaltens der
Erregung der beiden Elektromagnete der Einrichtung zur Betätigung der
Verstellvorrichtung auf der Grundlage eines von der Einrichtung
zur Erfassung der Position des Leistungskolbens erfaßten Erfassungssignals.
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein Stirlingmotor mit einem Gehäuse,
einer verschiebbar in einem Gehäuse
angeordneten Verstellvorrichtung, einer Expansionskammer und einer
Arbeitskammer, in die und aus denen bei einer Betätigung der
Verstellvorrichtung Betriebsgas strömt, und einem Leistungskolben
geschaffen, der als Reaktion auf Druckveränderungen des Betriebsgases
in der Arbeitskammer betätigt
wird. Der Stirlingmotor umfaßt
ferner eine Einrichtung zur Betätigung
der Verstellvorrichtung, die einen auf der Verstellvorrichtung angeordneten
beweglichen Magneten, ein festes, zylindrisches Joch, das so im
Gehäuse
angeordnet ist, daß es
den beweglichen Magneten umgibt, und zwei im Inneren des festen
Jochs angeordnete Spulen, eine Einrichtung zur Erfassung der Betriebsposition
des Leistungskolbens und eine Steuereinrichtung zum Steuern des
Umschaltens der Richtung des den beiden Spulen der Einrichtung zur
Betätigung
der Verstellvorrichtung zugeführten
elektrischen Stroms auf der Grundlage des von der Einrichtung zur
Erfassung der Position des Leistungskolbens erfaßten Signals aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors zeigt;
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2 ist
ein Diagram, das Ausgangssignale einer Einrichtung zur Erfassung
der Position des Leistungskolbens des in 1 gezeigten
Stirlingmotors darstellt;
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Arbeitsgänge einer Steuereinrichtung
des in 1 gezeigten Stirlingmotors zeigt;
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4 ist
eine Ansicht, die die Betriebszustände des in 1 gezeigten
Stirlingmotors darstellt;
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5 ist
eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors zeigt;
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6 ist
eine Schnittansicht, die eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors zeigt;
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7 ist
eine Schnittansicht, die eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors zeigt;
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8 ist
eine Ansicht, die die Funktionsweise einer Einrichtung zur Betätigung der
Verstellvorrichtung des in 7 gezeigten
Stirlingmotors darstellt;
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9 ist
ein Ablaufdiagramm, daß die
Arbeitsgänge
der Steuereinrichtung des in 7 gezeigten
Stirlingmotors zeigt;
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10 ist
eine Ansicht, die die Betriebszustände des in 7 gezeigten
Stirlingmotors darstellt;
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11 ist
eine Schnittansicht, die eine fünfte Ausführungsform
des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors zeigt; und
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12 ist
eine Schnittansicht, die eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend
werden bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäß konstruierten Stirlingmotors
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben.
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Der
Stirlingmotor gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf.
Das Gehäuse 2 ist
aus einem nicht magnetischen Werkstoff, wie einer Aluminiumlegierung oder
dergleichen, gefertigt und umfaßt
eine mittlere Gleiteinheit 21, eine auf der gemäß der Zeichnung linken
Seite der mittleren Gleiteinheit 21 ausgebildete Heizkammer 22 und
eine auf der gemäß der Zeichnung
rechten Seite der mittleren Gleiteinheit 21 ausgebildete
Kühlkammer 23.
Das Gehäuse 2 weist
einen Einlaß 221 für erwärmtes Fluid
und einen Auslaß 222 für erwärmtes Fluid,
die zur Heizkammer 22 geöffnet sind, und einen Einlaß 231 für gekühltes Fluid und
einen Auslaß 232 für gekühltes Fluid
auf, die zur Kühlkammer 23 geöffnet sind.
Ferner ist ein aus einem nicht magnetischen Werkstoff gefertigter
Gleitzylinder 3 so an der inneren Umfangsfläche der
mittleren Gleiteinheit 21 des Gehäuses 2 angeordnet, daß er in
der Axialrichtung verschoben werden kann. Ein Verdrängungskörper bzw.
eine Verstellvorrichtung 4 erstreckt sich so durch den
Gleitzylinder 3, daß er
bzw. sie in der Axialrichtung verschiebbar ist. Die zylinderförmige Verstellvorrichtung 4 ist
aus einem nicht magnetischen Werkstoff gefertigt und enthält in ihrem
Inneren einen Regenerator 5, der durch abwechselndes Schichten
eines aus einem wärmeisolieren den
Werkstoff gefertigten, wärmeisolierenden
Rings und eines Drahtgeflechts gebildet wird.
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In
der Heizkammer 22 ist ein Expansionsfaltenbalg 7 angeordnet.
Der Expansionsfaltenbalg 7 ist an seinem einen Ende am
gemäß der Zeichnung
linken Ende des Gleitzylinders 3 und an seinem anderen
Ende an der linken Endwand 24 des Gehäuses 2 befestigt.
In der Heizkammer 22 ist daher eine Expansionskammer 71 ausgebildet,
die von dem Expansionsfaltenbalg 7, dem Gleitzylinder 3 und
der linken Endwand 24 definiert wird und mit dem in der
zylinderförmigen
Verstellvorrichtung 4 angeordneten Regenerator 5 verbunden
ist. Andererseits ist in der Kühlkammer 23 ein
Kontraktionsfaltenbalg 8 angeordnet. Der Kontraktionsfaltenbalg 8 ist
an seinem einen Ende am gemäß der Zeichnung
rechten Ende des Gleitzylinders 3 und an seinem anderen
Ende an einem Leistungskolben 9 befestigt. In der Kühlkammer 23 ist
daher eine Arbeitskammer 81 ausgebildet, die von dem Kontraktionsfaltenbalg 8 und
dem Gleitzylinder 3 definiert wird und mit dem in der zylinderförmigen Verstellvorrichtung 4 angeordneten
Regenerator 5 verbunden ist. Ein Betriebsgas mit einer
geringen spezifischen Wärme,
wie Wasserstoff oder Helium, ist in der Expansionskammer 71,
der Arbeitskammer 81 und dem zylinderförmigen Verdrängungskörper 4 eingeschlossen.
An dem Leistungskolben 9 ist eine Leistungsabnahmewelle 91 befestigt,
die so angeordnet ist, daß sie
die rechte Endwand 25 des Gehäuses 2 durchdringt.
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Der
Stirlingmotor gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
weist eine Einrichtung 10 zur Betätigung der Verstellvorrichtung
zum periodischen Betätigen
der Verstellvorrichtung 4 auf. Die Einrichtung 10 zur
Betätigung
der Verstellvorrichtung ist aus einem auf der äußeren Umfangsfläche am mittleren
Abschnitt der Verstellvorrichtung 4 ausgebildeten, beweglichen
Joch 11 und zwei Elektro magneten 12 und 13 ausgebildet,
die so angeordnet sind, daß sie
das bewegliche Joch 11 umgeben und einander auf der inneren
Umfangsseite des Gehäuses 2 in der
Axialrichtung gegenüberliegen.
Das zylinderförmige,
bewegliche Joch 11 ist aus einem magnetischen Werkstoff
gefertigt und in einer in der äußeren Umfangsfläche der
Verstellvorrichtung 4 ausgebildeten, ringförmigen Einpaßnut 41 angeordnet.
Die beiden Elektromagnete 12 und 13 sind aus auf
die Spulenkörper 121 und 131 gewickelten
Erregerspulen 122 und 132 und festen Jochen 123 und 133 ausgebildet,
die so angeordnet sind, daß sie
in der Axialrichtung beide Seiten und die äußeren Umfangsseiten der Erregerspulen 122 und 132 bedecken.
Die beiden Elektromagnete 12 und 13 sind in in
der inneren Umfangsfläche
des Gehäuses 2 ausgebildeten, ringförmigen Einpaßnuten 26 und 27 angeordnet.
Die Erregerspulen 122 und 132 sind über Schalter 181 (SW1)
und 182 (SW2) einer Antriebsschaltung 18 mit einer
Stromquelle 183 verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform
sind die festen Joche 123 und 133 aus ringförmigen Jochteilen 123a, 123b und 133a, 133b aus
einem magnetischen Werkstoff, die in der Axialrichtung auf beiden
Seiten der Erregerspulen 122 und 132 angeordnet
sind, und zylindrischen Jochteilen 123c und 133c aus
einem magnetischen Werkstoff ausgebildet, die an der äußeren Umfangsseite
der Erregerspulen 122 und 132 angeordnet sind.
Wenn der Schalter 181 (SW1) bei dem so konstruierten beweglichen
Joch 11 eingeschaltet wird, wird der Erregerspule 122 des
Elektromagneten 12 elektrischer Strom zugeführt, wodurch
der Elektromagnet 12 erregt wird und die Verstellvorrichtung 4 gemäß 1 nach
rechts bewegt. Wird andererseits der Schalter 182 eingeschaltet,
wird der Erregerspule 132 des Elektromagneten 13 elektrischer
Strom zugeführt,
wodurch der Elektromagnet 13 erregt wird und die Verstellvorrichtung 4 gemäß 1 nach
links bewegt.
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Der
Stirlingmotor gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
weist eine Einrichtung 16 zur Erfassung der Position des
Leistungskolbens zum Erfassen der Betriebsposition des Leistungskolbens 9 auf.
Die Einrichtung 16 zur Erfassung der Position des Leistungskolbens
wird von einem gegenüber
der mit dem Leistungskolben 9 gekoppelten Leistungsabnahmewelle 91 angeordneten
Hubsensor gebildet und sendet ein Erfassungssignal an eine später beschriebene
Steuereinrichtung 17. Unter Bezugnahme auf 2 wird
der Ausgangswert des Hubsensors beschrieben, der die Einrichtung 16 zur Erfassung
der Position des Leistungskolbens bildet. In 2 repräsentiert
die Abszisse den Hub des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
und die Ordinate die Spannung. Wie in 2 gezeigt,
erzeugt der Hubsensor eine Spannung, die sich proportional zum Hub
des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
verändert.
Auf der Abszisse von 2 repräsentiert L1 die volle Hubposition
(den unteren Totpunkt) auf der Rückholseite
und L10 die volle Hubposition (den oberen Totpunkt) auf der Vorschubseite.
Die Steuereinrichtung 17 wird von einem Mikrocomputer gebildet
und umfaßt
eine Zentraleinheit (CPU) zum Verarbeiten der Betätigung entsprechend
einem Steuerprogramm, einen Festspeicher (ROM) zum Speichern des
Steuerprogramms und einen Direktzugriffsspeicher (RAM) zum Speichern
der Ergebnisse der Betätigung.
Auf der Grundlage eines von der Einrichtung 16 zur Erfassung
der Position des Leistungskolbens erfaßten, die Betriebsposition
des Leistungskolbens 9 betreffenden Signals sendet die
Steuereinrichtung 17 ein Steuersignal an die Schalter 181 (SW1)
und 182 (SW2) der Antriebsschaltung 18 zur Betätigung der
beiden Elektromagneten 12 und 13, die die Einrichtung 10 zur
Betätigung
der Verstellvorrichtung bilden.
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Der
in 1 gezeigte Stirlingmotor gemäß der ersten Ausführungsform
ist aufgebaut, wie vorstehend beschrieben. Nun wird unter Bezugnahme auf
das in 3 gezeigte Ablaufdiagramm und die in 4 gezeigten
Betriebszustände
die Funktionsweise beschrieben.
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4(a) zeigt ein Ende der Kontraktion, wobei
sich der Leistungskolben 9 in der gemäß der Zeichnung linken Endposition,
d.h. in der vollen Hubposition (am unteren Totpunkt) auf der Rückholseite befindet
und die Verstellvorrichtung 4 sich ebenfalls in der linken
Endposition, d.h. in der vollen Hubposition (am unteren Totpunkt)
auf der Rückholseite
befindet. Um den Stirlingmotor in dem in 4(a) gezeigten
Zustand anzulassen, führt
die Steuereinrichtung 17 eine Steuerung aus, durch die
die Einrichtung 10 zur Betätigung der Verstellvorrichtung
so angetrieben wird, daß die
Verstellvorrichtung gemäß der Zeichnung
nach rechts bewegt wird (Schritt S1). Dies bedeutet, daß die Steuereinrichtung 17 den Schalter 182 (SW2)
der Antriebsschaltung 18 aus- und den Schalter 181 (SW1)
einschaltet, wodurch der Erregerspule 122 des einen Elektromagneten 12,
der die Einrichtung 10 zur Betätigung der Verstellvorrichtung
bildet, elektrischer Strom zugeführt
wird, wodurch der Elektromagnet 12 erregt wird. Wie vorstehend
beschrieben, wird die Verstellvorrichtung 4 nach rechts
bewegt, wie in 4(b) gezeigt. Wenn die
Verstellvorrichtung 4 nach rechts bewegt wird, strömt das Betriebsgas
in der Arbeitskammer 81 durch den in der zylindrischen
Verstellvorrichtung 4 angeordneten Regenerator 5 in
die Expansionskammer 71. Zu diesem Zeitpunkt wird das in
der Arbeitskammer 81 abgekühlte Betriebsgas durch einen
bei seinem Strömen
durch den Regenerator 5 verursachten Wärmeaustausch erwärmt. Wie
in 4(b) gezeigt, fällt der Zeitpunkt des Beginns
der Expansion auf einen Zustand, in dem die Verstellvorrichtung 4 um
eine vorgegebene Strecke nach rechts bewegt wurde. Von diesem Zeitpunkt
an expandiert das in die Expansions kammer 71 geströmte Betriebsgas
aufgrund der Erwärmung
durch das in die Heizkammer 22 geleitete, erwärmte Fluid.
Dadurch wird der Expansionsfaltenbalg 7 der Verstellvorrichtung 4 gedehnt,
wie in 4(c) gezeigt, wodurch der Gleitzylinder 3 und
der Kontraktionsfaltenbalg 8 sowie die Verstellvorrichtung 4 nach
rechts bewegt werden, wie in 4(c) gezeigt.
Am Ende der in 4(c) gezeigten Expansion
wird der Leistungskolben 9 in die rechte Endposition, d.h.
in die volle Hubposition (zum oberen Totpunkt) auf der Vorschubseite
bewegt, und die Verstellvorrichtung 4 wird ebenfalls in
die rechte Endposition, d.h. in die volle Hubposition (zum oberen
Totpunkt) auf der Vorschubseite bewegt.
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Nachdem
die Einrichtung 10 zur Betätigung der Verstellvorrichtung
im Schritt S1 angetrieben wurde, um die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung
nach rechts zu bewegen, wie vorstehend beschrieben, fährt die
Steuervorrichtung 17 mit einem Schritt S2 fort, in dem
auf der Grundlage des von der Einrichtung 16 zur Erfassung
der Position des Leistungskolbens erfaßten Signals überprüft wird,
ob die Hubposition L des Leistungskolbens, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
größer als
eine Hubposition L9 ist, die ein Schwellenwert ist, der um einen
vorgegebenen Betrag kleiner als die volle Hubposition (der obere
Totpunkt) L10 auf der Vorschubseite ist (L > L9). Wenn die Hubposition L nicht größer als
L9 ist, fährt
die Steuervorrichtung 17 mit einem Schritt S3 fort, in
dem überprüft wird,
ob die Hubposition L des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
kleiner als eine Hubposition L2 ist, die ein Schwellenwert ist,
der um einen vorgegebenen Betrag größer als die volle Hubposition
(der untere Totpunkt) L1 auf der Rückholseite ist (L < L2). Zu diesem
Zeitpunkt wird der Leistungskolben 9 zur Vorschubseite
bewegt, und daher tritt nicht der Fall ein, daß die Hubposition L kleiner
als L2 ist.
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Dementsprechend
kehrt die Steuereinrichtung 17 zum Schritt S2 zurück.
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Wenn
die Hubposition L im Schritt S2 größer als L9 ist, stellt die
Steuereinrichtung 17 fest, daß der Leistungskolben 9 die
Position überschritten
hat, die um einen vorgegebenen Betrag kleiner als die in 4(c) gezeigte Position am Ende der Expansion ist.
Die Steuereinrichtung 17 fährt dann mit einem Schritt
S4 fort, in dem die Einrichtung 10 zur Betätigung der
Verstellvorrichtung so angetrieben wird, daß die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung nach
links bewegt wird. Die Steuereinrichtung 17 schaltet nämlich den
Schalter 181 (SW1) der Antriebsschaltung 18 aus
und den Schalter 182 (SW2) ein, wodurch der Erregerspule
des anderen Elektromagneten 13, der die Einrichtung 10 zur
Betätigung der
Verstellvorrichtung bildet, elektrischer Strom zugeführt wird,
wodurch der Elektromagnet 13 erregt wird. Dadurch wird
die Verstellvorrichtung 4 nach links bewegt, wie in 4(d) gezeigt. Wenn die Verstellvorrichtung 4 nach
links bewegt wird, strömt
das Betriebsgas in der Expansionskammer 71 durch den in
der zylinderförmigen
Verstellvorrichtung 4 angeordneten Regenerator 5 in
die Arbeitskammer 81. Zu diesem Zeitpunkt wird das in der
Expansionskammer 71 erwärmte
Betriebsgas durch einen beim Durchströmen des Regenerators 5 veranlaßten Wärmeaustausch
abgekühlt.
Der in 4(d) gezeigte Zustand ist der
Zeitpunkt des Beginns der Kontraktion, zu dem die Verstellvorrichtung 4 die
linke Endposition, d.h. die volle Hubposition (den unteren Totpunkt) auf
der Rückholseite
erreicht. Zu Beginn der Kontraktion in dem in 4(d) gezeigten
Zustand ist der Leistungskolben 9 an der gemäß der Zeichnung rechten
Endposition, d.h. in der vollen Hubposition (am oberen Totpunkt)
auf der Vorschubseite angeordnet. Aus dem in 4(d) gezeigten
Zustand zieht sich das Betriebsgas in der Arbeitskammer 81 zusammen,
da es von dem in die Kühlkammer 23 geleiteten,
kalten Gas abgekühlt
wird. Dadurch zieht sich der die Arbeitskammer 81 bildende
Kontraktionsfaltenbalg 8 zusammen, und am in 4(a) gezeigten Ende der Kontraktion wird
der Leistungskolben 9 in die gemäß der Zeichnung linke Endposition,
d.h. in die volle Hubposition (zum unteren Totpunkt) auf der Rückholseite
bewegt.
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Nachdem
die Einrichtung 10 zur Betätigung der Verstellvorrichtung
im Schritt S4 angetrieben wurde, um die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung
nach links zu bewegen, wie vorstehend beschrieben, kehrt die Steuereinrichtung 17 zum Schritt
S2 zurück,
um zu überprüfen, ob
die Hubposition L des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
größer als
die Hubposition L9 ist, die ein Schwellenwert ist, der um einen
vorgegebenen Betrag kleiner als die volle Hubposition (der obere Totpunkt)
L10 auf der Vorschubseite ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Leistungskolben 9 zur
Rückholseite
bewegt, und es tritt nicht der Fall ein, daß die Hubposition L größer als
L9 ist. Dementsprechend fährt die
Steuereinrichtung 17 mit dem Schritt S3 fort, in dem überprüft wird,
ob die Hubposition L des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91, kleiner
als die Hubposition L2 ist, die ein Schwellenwert ist, der um einen
vorgegebenen Betrag größer als
die volle Hubposition (der untere Totpunkt) L1 auf der Rückholseite
ist. Ist die Hubposition L nicht kleiner als L2, stellt die Steuereinrichtung 17 fest,
daß der
Leistungskolben 9 L2 noch nicht erreicht hat. Die Steuereinrichtung 17 kehrt
daher zum Schritt S2 zurück,
um die Schritte S2 und S3 zu wiederholen. Wenn die Hubposition L
des Leistungskolbens 9 im Schritt S3 kleiner als L2 ist,
stellt die Steuereinrichtung 17 fest, daß der Leistungskolben 9 L2 überschritten
hat. Die Steuereinrichtung 17 fährt daher mit einem Schritt
S5 fort, in dem der Schalter 182 (SW2) der Antriebsschaltung 18 aus-
und er Schalter 181 (SW1) eingeschaltet wird, um die Ver stellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung
nach rechts zu bewegen, und führt
der Erregerspule 122 des einen Elektromagneten 12 elektrischen
Strom zu, um den Elektromagneten 12 zu erregen.
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Der
oben beschriebene Zyklus wird wiederholt, um den Leistungskolben 9,
d.h. die Leistungsabnahmewelle 91, hin und her zu bewegen.
Wenn die Leistungsabnahmewelle 91 über einen geeigneten Verbindungsstab
mit einer Kurbelwelle gekoppelt wird, kann daher die Kurbelwelle
gedreht werden.
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Der
vorstehend beschriebene Mechanismus des Stirlingmotors kann zum
Bewegen eines zu betätigenden
Elements in zwei Positionen durch eine Steuerung verwendet werden,
bei der die Verstellvorrichtung 4 in der vollen Hubposition
(am oberen Totpunkt) auf der Vorschubseite und der vollen Hubposition
(dem unteren Totpunkt) auf der Rückholseite, und
der Leistungskolben 9, d.h. die Leistungsabnahmewelle 91,
in der vollen Hubposition (am oberen Totpunkt) L1 auf der Vorschubseite
und in der vollen Hubposition (am unteren Totpunkt) L1 auf der Rückholseite
angehalten werden. Wenn der Mechanismus des Stirlingmotors als Stellglied
verwendet wird, wie vorstehend beschrieben, können der Schalter 181 (SW1)
und der Schalter 182 (SW2) der Antriebsschaltung 18 manuell
betätigt
werden, oder ein Umschaltsignal kann in die Steuereinrichtung 17 eingegeben
werden. In diesem Fall fungiert eine Einrichtung zur Eingabe der
Umschaltsignale in den Schalter 181 (SW1) und den Schalter 182 (SW2)
oder die Steuereinrichtung 17 als Umschalteinrichtung zum Umschalten
der Erregung der beiden Elektromagnete 12 und 13.
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Bei
dem Stirlingmotor gemäß der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
wird die Einrichtung 10 zur Betätigung der Verstellvorrichtung 4 von
dem in der Verstellvorrichtung 4 angeordneten, beweglichen
Joch 11 und den beiden Elektromagneten 12 du 13 gebildet,
die so angeordnet sind, daß sie
das bewegliche Joch 11 umgeben und einander auf der Innenseite
des Gehäuses
in der Axialrichtung gegenüberliegen.
Daher durchdringt der Stab zum Antreiben der Verstellvorrichtung 4 das
Gehäuse 2 nicht,
wodurch ein Austreten des Betriebsgases verhindert werden kann.
Ferner kann der Arbeitszyklus der Verstellvorrichtung 4 leicht
durch geeignetes Steuern des Zeitpunkts des Ein- und Ausschaltens
des Schalters 181 (SW1) und des Schalters 182 (SW2)
der Antriebsschaltung 18 zum geeigneten Steuern des Zeitpunkts
der Erregung der beiden Elektromagneten 12 und 13 verändert werden.
Im Übrigen
besteht keine Einschränkung
hinsichtlich der Installationsrichtung des Gehäuses 2.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 5 eine zweite
Ausführungsform
des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors beschrieben. Bei der Ausführungsform gemäß 5 sind
Elemente, die mit den Bauteilen des in 1 gezeigten
Stirlingmotors übereinstimmen,
durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung
wird nicht wiederholt.
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Bei
dem in 5 gezeigten Stirlingmotor ist anstelle der Verwendung
des in der Kühlkammer 23 angeordneten
Kontraktionsfaltenbalgs 8 gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
der Gleitzylinder 3 in erweiterter Form ausgebildet, und
der Leistungskolben 9 ist am gemäß der Zeichnung rechten Ende
des Gleitzylinders 3 befestigt. Dann sind am gemäß der Zeichnung
rechten Ende des Gleitzylinders 3 Kühlrippen 31 am äußeren Umfang
montiert.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 6 eine dritte
Ausführungsform
des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors beschrieben. Bei der Ausführungsform gemäß 6 sind
Elemente, die mit den Bauteilen der in den 1 und 5 gezeigten
Stirlingmoto ren übereinstimmen,
durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung
wird nicht wiederholt.
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Der
in 6 gezeigte Stirlingmotor gehört dem Typ an, bei dem die
Verstellvorrichtung und der Leistungskolben nicht auf der gleichen
Achse angeordnet sind und auf den die vorliegende Erfindung angewendet
wird. Bei dem in 6 gezeigten Stirlingmotor ist
nämlich
ein Leistungszylinder 900a rechtwinklig zu einem Gehäuse 200a angeordnet, und
ein Leistungskolben 9a ist so in dem Leistungszylinder 900a angeordnet,
daß er
darin verschiebbar ist. Das Gehäuse 200a ist
aus einem metallischen Werkstoff, wie einer Aluminiumlegierung oder
dergleichen, gefertigt und so ausgebildet, daß seine beiden Enden geschlossen
sind. Gemäß der Zeichnung sind
an seinem oberen Ende Wärmerippen 201a an der äußeren Umfangsfläche ausgebildet,
und in seiner unteren Hälfte
sind Kühlrippen
an seiner äußeren Umfangsfläche vorgesehen.
In dem so konstruierten Gehäuse 200a ist
die Verstellvorrichtung 4 so angeordnet, daß sie sich
gemäß der Zeichnung
auf und ab bewegt. Aufgrund der Verstellvorrichtung 4 ist
daher das Innere des Gehäuses 200a in
eine Expansionskammer 203a auf der gemäß der Zeichnung oberen Seite
und eine Kühlkammer 204a auf
der gemäß der Zeichnung
unteren Seite unterteilt. Die Kühlkammer 204a ist über einen
Kanal 205a mit einer von dem Leistungszylinder 900a und
dem Leistungszylinder 9a gebildeten Arbeitskammer 81a verbunden.
Das bewegliche Joch 11 der Einrichtung 10 zur
Betätigung
der Verstellvorrichtung, die die Verstellvorrichtung 4 periodisch
betätigt,
ist am mittleren Abschnitt der Verstellvorrichtung 4 auf
der äußeren Umfangsfläche angeordnet,
und die beiden Elektromagnete 12 und 13 sind in
dem Gehäuse 200a angeordnet. Wie
vorstehend beschrieben, wird die Einrichtung 10 zur Betätigung der
Verstellvorrichtung 4 von dem in der Verstellvorrichtung 4 angeordneten
beweglichen Joch 11 und den beiden im Ge häuse 200a angeordneten
Elektromagneten 12 und 13 gebildet. Daher durchdringt
der Stab zum Antreiben der Verstellvorrichtung 4 das Gehäuse 200a nicht,
wodurch ein Austreten des Betriebsgases verhindert werden kann. Der
Arbeitszyklus der Verstellvorrichtung 4 kann, wie bei den
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen,
durch geeignetes Steuern des Zeitpunkts der Zufuhr von elektrischem
Strom zu den Erregerspulen 122 und 132 der beiden
Elektromagnete 12 und 13 leicht verändert werden.
Im übrigen
bestehen hinsichtlich der Installationsrichtung des Gehäuses 200a keine
Einschränkungen.
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Bei
den Stirlingmotoren und Stellgliedern gemäß der vorstehend beschriebenen
ersten bis dritten Ausführungsform
wird die Einrichtung zur Betätigung der
Verstellvorrichtung von dem in der Verstellvorrichtung angeordneten
beweglichen Joch und den beiden Elektromagneten gebildet, die so
angeordnet sind, daß sie
das bewegliche Joch im Gehäuse
umgeben und einander in der Axialrichtung gegenüberliegen. Daher durchdringt
der Stab zum Antreiben der Verstellvorrichtung das Gehäuse nicht,
wodurch ein Austreten des Betriebsgases verhindert werden kann.
Ferner weist die Einrichtung zur Betätigung der Verstellvorrichtung
eine Anlasserfunktion auf. Dementsprechend besteht nicht die Notwendigkeit,
einen separaten Anlassermechanismus vorzusehen. Der Arbeitszyklus
der Verstellvorrichtung kann durch geeignetes Steuern des Zeitpunkts
der Erregung der beiden Elektromagnete leicht verändert werden.
Im übrigen
bestehen hinsichtlich der Installationsrichtung des Gehäuses keine
Einschränkungen.
Ferner wird die Verstellvorrichtung bei der vorliegenden Erfindung
durch die elektromagnetische Kraft der Einrichtung zur Betätigung der
Verstellvorrichtung unmittelbar umgeschaltet und hat daher eine
höhere
Wärmeeffizienz
als die des mit einer Kurbelwelle gekoppelten Typs.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 7 eine vierte
Ausführungsform
des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors beschrieben. Der Stirlingmotor gemäß der in 7 gezeigten
vierten Ausführungsform
unterscheidet sich nur hinsichtlich der Konstruktion der Einrichtung 10 zur
Betätigung der
Verstellvorrichtung von dem in 1 gezeigten Stirlingmotor
gemäß der ersten
Ausführungsform.
In jeder anderen Hinsicht entspricht der Aufbau im wesentlichen
dem der ersten Ausführungsform.
Daher sind die Elemente, die mit den Bauteilen gemäß der ersten
Ausführungsform übereinstimmen,
durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung
wird nicht wiederholt.
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Die
Einrichtung 10A zur Betätigung
der Verstellvorrichtung des Stirlingmotors gemäß der in 7 gezeigten
vierten Ausführungsform
umfaßt
einen am mittleren Abschnitt der Verstellvorrichtung 4 auf
der äußeren Umfangsfläche angeordneten
beweglichen Magneten 11A, ein festes, zylindrisches Joch 12A,
das so an der Innenseite des Gehäuses 2 angeordnet
ist, daß es
den beweglichen Magneten 11A umgibt, und zwei Spulen 13A und 14A,
die einander in der Axialrichtung gegenüberliegen und auf der Innenseite
des festen Jochs 12A angeordnet sind. Der bewegliche Magnet 11A wird
von einem an der äußeren Umfangsfläche der
Verstellvorrichtung 4 montierten, ringförmigen Dauermagneten 111a mit Magnetpolen
an seinen beiden Endflächen
in der Axialrichtung und zwei in der Axialrichtung an den Außenseiten
des Dauermagneten 111A angeordneten, beweglichen Jochen 112A und 113A gebildet.
Die gemäß 7 rechte
Endfläche
des Dauermagneten 111A gemäß der dargestellten Ausführungsform
ist als N-Pol und seine gemäß 7 linke
Endfläche
als S-Pol magnetisiert. Die beiden beweglichen Joche 112A und 113A werden
unter Verwendung eines magnetischen Werkstoffs ringförmig gefertigt.
Der so beschaffene bewegliche Magnet 11A ist in einer in
der äußeren Umfangsfläche der
Verstellvorrichtung 4 ausgebildeten, ringförmigen Einpaßnut 41 angeordnet.
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Das
zylinderförmige,
feste Joch 12A ist aus einem magnetischen Werkstoff gefertigt
und in einer in der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 2 ausgebildeten,
ringförmigen
Einpaßnut 26 angeordnet. Auf
der Innenseite des festen Jochs 12A sind zwei Spulen 13A und 14A angeordnet.
Die beiden Spulen 13A und 14A sind in einander
entgegengesetzten Richtungen auf einen aus einem nicht magnetischen Werkstoff,
wie Kunstharz oder dergleichen, gefertigten und entlang des inneren
Umfangs des festen Jochs 12A montierten Spulenkern 15A gewickelt.
Die beiden Spulen 13A und 14A werden von einer
später beschriebenen
Steuereinrichtung so gesteuert, daß sie die Richtung umschalten,
in der der elektrische Strom angelegt wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, arbeitet die von dem beweglichen Magneten 11A,
dem festen Joch 12A und den beiden Spulen 13A und 14A gebildete
Einrichtung 10A zur Betätigung
der Verstellvorrichtung auf der Basis des Prinzips eines linearen Motors.
Die Funktionsweise wird nachstehend unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
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Bei
der Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung
gemäß der dargestellten
Ausführungsform
wird ein Magnetkreis gebildet, der, wie in den 8(a) und 8(b) gezeigt, durch den N-Pol des Dauermagneten 111A,
das bewegliche Joch 112A, die Spule 13A, das feste
Joch 12A, die Spule 14A, das bewegliche Joch 113A und
den S-Pol des Dauermagneten 111A verläuft. Wenn in diesem Zustand in
entgegengesetzten Richtungen elektrischer Strom an die beiden Spulen 13A und 14A angelegt
wird, wie in 8(a) gezeigt, erzeugt
der bewegliche Magnet 11, d.h. die Verstellvorrichtung 4,
gemäß Flemings Dreifingerregel
einen Schub nach rechts, wie in 8(a) durch
einen Pfeil dargestellt. Wenn der elektrische Strom den beiden Spulen 13A und 14A andererseits
entgegengesetzt zu den in 8(a) gezeigten
Richtungen zugeführt
wird, wie in 8(b) gezeigt, erzeugt
der bewegliche Magnet 11, d.h. die Verstellvorrichtung 4,
gemäß Flemings
Dreifingerregel einen Schub nach links, wie in 8(b) durch
einen Pfeil dargestellt.
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Der
Stirlingmotor gemäß der in 7 gezeigten
Ausführungsform
weist eine Einrichtung 16A zur Erfassung der Position des
Leistungskolbens zum Erfassen der Betriebsposition des Leistungskolbens 9 auf.
Die Einrichtung 16A zur Erfassung der Position des Leistungskolbens
ist ebenso konstruiert, wie die Einrichtung 16 zur Erfassung
der Position des Leistungskolbens gemäß der vorstehend beschriebenen
ersten Ausführungsform,
und weist die in 2 dargestellte Ausgangskennlinie
auf. Die Einrichtung 16A zur Erfassung der Position des
Leistungskolbens sendet ein Erfassungssignal an die Steuereinrichtung 17A.
Die Steuereinrichtung 17A wird von einem Mikrocomputer
gebildet und umfaßt eine
Zentraleinheit (CPU) zum Verarbeiten einer Operation anhand eines
Steuerprogramms, einen Festspeicher (ROM) zum Speichern des Steuerprogramms
und einen Direktzugriffsspeicher (RAM) zum Speichern der Ergebnisse
der Operation. Auf der Grundlage eines die von der Einrichtung 16A zur
Erfassung der Position des Leistungskolbens erfaßte Betriebsposition des Leistungskolbens 9 angebenden
Signals sendet die Steuereinrichtung 17A ein Steuersignal
an die beiden Spulen 13A und 14A, die die Einrichtung 10A zur
Betätigung
der Verstellvorrichtung bilden.
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Der
Stirlingmotor gemäß der in 7 gezeigten
vierten Ausführungsform
ist aufgebaut, wie vorstehend beschrieben. Die Funktionsweise wird nun
unter Bezugnahme auf das in 9 gezeigte
Ablaufdiagramm und die in 10 gezeigten
Betriebszustände
beschrieben.
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10(a) zeigt das Ende der Kontraktion,
an dem sich der Leistungskolben 9 in der gemäß der Zeichnung
linken Endposition, d.h. der vollen Hubposition (am unteren Totpunkt)
auf der Rückholseite
befindet und die Verstellvorrichtung 4 sich ebenso in der linken
Endposition, d.h. in der vollen Hubposition (am unteren Totpunkt)
auf der Rückholseite
befindet. Zum Anlassen des Stirlingmotors aus dem in 10(a) gezeigten Zustand steuert die Steuereinrichtung 17A den
Antrieb der Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung
so, daß die
Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung nach rechts
bewegt wird (Schritt P1). Dies bedeutet, daß die Steuereinrichtung 17A die
Zufuhr von elektrischem Strom zu den beiden Spulen 13A und 14A,
die die Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung
bilden, in entgegengesetzten Richtungen steuert, wie in 8(a) gezeigt. Dadurch bewegt sich der
bewegliche Magnet 11A, d.h. die Verstellvorrichtung 4,
nach rechts, wie in 10(b) gezeigt.
Wenn sich die Verstellvorrichtung 4 nach rechts bewegt,
strömt
das Betriebsgas in der Arbeitskammer 81 durch den in der
zylindrischen Verstellvorrichtung 4 angeordneten Regenerator 5 in
die Expansionskammer 71. Zu diesem Zeitpunkt wird das in
der Arbeitskammer 81 gekühlte Betriebsgas durch einen
zum Zeitpunkt des Strömens durch
den Regenerator 5 veranlaßten Wärmeaustausch erwärmt. Wie
in 10(b) gezeigt, ist der Zustand,
in dem sich die Verstellvorrichtung 4 um einen vorgegebenen
Betrag nach rechts bewegt hat, der Zeitpunkt des Beginns der Expansion.
Von diesem Moment an expandiert das in die Expansionskammer 71 geströmte Betriebsgas
durch die Erwärmung durch
das in die Heizkammer 22 geleitete, erwärmte Fluid. Dadurch wird der
Expansionsfaltenbalg 7 der Verstellvorrichtung 4 gedehnt,
wie in 10(c) gezeigt, wodurch der
Gleitzylinder 3 und der Kontraktionsfaltenbalg 8 sowie
die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung nach rechts
bewegt werden. Am in 10(c) gezeigten Ende
der Expansion wird der Leistungskolben 9 in die rechte
Endposition, d.h. in die volle Hubposition (zum oberen Totpunkt)
auf der Vorschubseite bewegt, und die Verstellvorrichtung 4 wird
ebenfalls in die rechte Endposition, d.h. in die volle Hubposition
(zum oberen Totpunkt) auf der Vorschubseite bewegt.
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Nachdem
die Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung
im Schritt P1 so angetrieben wurde, daß die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung
nach rechts bewegt wurde, wie vorstehend beschrieben, fährt die
Steuereinrichtung 17A mit einem Schritt P2 fort, in dem
auf der Grundlage des Erfassungssignals von der Einrichtung 16A zur Erfassung
der Position des Leistungskolbens überprüft wird, ob die Hubposition
L des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
größer als
die Hubposition L9 ist, die ein Schwellenwert ist, der um einen
vorgegebenen Betrag kleiner als die volle Hubposition (der obere
Totpunkt) L10 auf der Vorschubseite ist (L > L9). Wenn die Hubposition L nicht größer als
L9 ist, fährt
die Steuereinrichtung 17A mit einem Schritt P3 fort, in
dem überprüft wird,
ob die Hubposition L des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
kleiner als die Hubposition L2 ist, die ein Schwellenwert ist, der
um einen vorgegebenen Betrag größer als
die volle Hubposition (der untere Totpunkt) L1 auf der Rückholseite
ist (L < L2). Zu
diesem Zeitpunkt wird der Leistungskolben 9 zur Vorschubseite
bewegt, und daher tritt nicht der Fall ein, daß die Hubposition L kleiner
als L2 ist. Dementsprechend kehrt die Steuereinrichtung 17A zum
Schritt P2 zurück.
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Wenn
die Hubposition L im Schritt P2 größer als L9 ist, stellt die
Steuereinrichtung 17A fest, daß der Leistungskolben 9 die
Position überschritten
hat, die um einen vorgegebenen Betrag kleiner als die in 10(c) gezeigte Position am Ende der Expansion ist.
Die Steuereinrichtung 17A fährt dann mit dem Schritt P4
fort, in dem die Einrichtung 10A zur Betätigung der
Verstellvorrichtung so angetrieben wird, daß sie die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung
nach links bewegt. Die Steuereinrichtung 17A steuert nämlich die
Zufuhr von elektrischem Strom zu den beiden Spulen 13A und 14A,
die die Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung
bilden, in entgegengesetzten Richtungen, wie in 2(b) gezeigt.
Dadurch bewegt sich der bewegliche Magnet 11A, d.h. die
Verstellvorrichtung 4, nach links, wie in 10(d) gezeigt.
Wenn sich die Verstellvorrichtung 4 nach links bewegt,
strömt
das Betriebsgas in der Expansionskammer 71 durch den in
der zylindrischen Verstellvorrichtung 4 angeordneten Regenerator 5 in
die Arbeitskammer 81. Zu diesem Zeitpunkt wird das in der
Expansionskammer 71 erwärmte
Betriebsgas durch einen beim Strömen
durch den Regenerator 5 verursachten Wärmeaustausch abgekühlt. Der
in 10(d) gezeigte Zustand ist der
Zeitpunkt des Beginns der Kontraktion, zu dem die Verstellvorrichtung 4 die
linke Endposition, d.h. die volle Hubposition (den unteren Totpunkt)
auf der Rückholseite
erreicht. Zu Beginn der Kontraktion, also dem in 10(d) gezeigten
Zustand, ist der Leistungskolben 9 an der gemäß der Figur
rechten Endposition, d.h. in der vollen Hubposition (am oberen Totpunkt) auf
der Vorschubseite angeordnet. Aus dem in 10(d) gezeigten
Zustand zieht sich das Betriebsgas in der Arbeitskammer 81 durch
seine Abkühlung durch
das in die Kühlkammer 23 geleitete,
kalte Gas zusammen. Dadurch zieht sich der Kontraktionsfaltenbalg 8,
der die Arbeitskammer 81 bildet, zusammen, und an dem in 10(a) gezeigten Ende der Kontraktion wird
der Leistungskolben 9 in die gemäß der Zeichnung linke Endposition,
d.h. in die volle Hubposition (zum unteren Totpunkt) auf der Rückholseite
bewegt.
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Nachdem
die Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung
im Schritt P4 so angetrieben wurde, daß die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Zeichnung
nach links bewegt wurde, wie vorstehend beschrieben, kehrt die Steuereinrichtung
zum Schritt P2 zurück,
um zu überprüfen, ob
die Hubposition L des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91,
größer als
die Hubposition L9 ist, die ein Schwellenwert ist, der um einen
vorgegebenen Betrag kleiner als die volle Hubposition (der obere Totpunkt)
L10 auf der Vorschubseite ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Leistungskolben 9 zur
Rückholseite
bewegt, und es tritt nicht der Fall ein, daß die Hubposition L größer als
L9 ist. Dementsprechend fährt die
Steuereinrichtung 17A mit dem Schritt P3 fort, in dem überprüft wird,
ob die Hubposition L des Leistungskolbens 9, d.h. der Leistungsabnahmewelle 91, kleiner
als eine Hubposition L2 ist, die ein Schwellenwert ist, der um einen
vorgegebenen Betrag größer als
die volle Hubposition (der untere Totpunkt) L1 auf der Rückholseite
ist. Ist die Hubposition L nicht kleiner als L2, stellt die Steuereinrichtung 17A fest,
daß der
Leistungskolben 9 L2 noch nicht erreicht hat. Daher kehrt
die Steuereinrichtung 17A wieder zum Schritt P2 zurück, um die
Schritte P2 und P3 zu wiederholen. Wenn die Hubposition L des Leistungskolbens 9 im
Schritt P3 kleiner als L2 ist, stellt die Steuereinrichtung 17A fest,
daß der
Leistungskolben 9 L2 überschritten
hat. Daher fährt
die Steuereinrichtung 17A mit dem Schritt P5 fort, in dem
die Zufuhr von elektrischem Strom zu den beiden Spulen 13A und 14A in
entgegengesetzten Richtungen gesteuert wird, wie in 8(a) gezeigt,
um die Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung
so anzutreiben, daß sie
die Verstellvorrichtung 4 gemäß der Figur nach rechts bewegt.
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Der
vorstehend beschriebene Zyklus wird wiederholt, um den Leistungskolben 9,
d.h. die Leistungsabnahmewelle 91, hin und her zu bewegen. Wenn
die Leistungsabnahmewelle 91 über einen geeigneten Verbindungsstab
mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, kann daher die Kurbelwelle
gedreht werden.
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Bei
der vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsform kann der Mechanismus
des Stirlingmotors als Stellglied zum Bewegen eines zu betätigenden
Elements in die zwei Positionen durch eine Steuerung verwendet werden,
bei der die Verstellvorrichtung 4 in der vollen Hubposition
(am oberen Totpunkt) auf der Vorschubseite und in der vollen Hubposition
(am unteren Totpunkt) auf der Rückholseite
und der Leistungskolben 9, d.h. die Leistungsabnahmewelle 91,
in der vollen Hubposition (am oberen Totpunkt) L1 auf der Vorschubseite
und in der vollen Hubposition (am unteren Totpunkt) L1 auf der Rückholseite
angehalten wird. In diesem Fall kann ein Umschaltsignal in die Steuereinrichtung 17A eingegeben
werden. Hierbei arbeitet eine Einrichtung zur Eingabe des Umschaltsignals
in die Steuereinrichtung 17A als Umschalteinrichtung zum
Umschalten der Richtungen des den beiden Spulen 13A und 14A zugeführten elektrischen
Stroms.
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Bei
dem Stirlingmotor gemäß der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
wird die Einrichtung 10A zur Betätigung der Verstellvorrichtung 4 von
dem in der Verstellvorrichtung 4 angeordneten beweglichen
Magneten 11A, dem festen zylindrischen Joch 12A,
das so angeordnet ist, daß es
den beweglichen Magneten 11A auf der Innenseite des Gehäuses 2 umgibt,
und den beiden einander auf der Innenseite des festen Jochs 12A in
der Axialrichtung gegenüberliegenden
Spulen 13A und 14A gebildet. Daher durchdringt
der Stab zum Antreiben der Verstellvorrichtung 4 das Gehäuse 2 nicht,
und daher kann ein abgedichteter Behälter hergestellt werden, und
ein Austreten des Betriebsgases kann verhindert werden. Ferner kann der
Arbeitszyklus der Verstellvorrichtung 4 durch geeignetes
Steuern des Zeitpunkts der Zufuhr von elektrischem Strom zu den
beiden Spulen 13A und 14A leicht verändert werden.
Im übrigen
bestehen hinsichtlich der Richtung der Montage des Gehäuses 2 keine
Einschränkungen.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 11 eine
fünfte
Ausführungsform
des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors beschrieben. Bei der Ausführungsform gemäß 11 sind
die Elemente, die mit den Bauteilen des in 7 gezeigten Stirlingmotors übereinstimmen,
durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird
nicht wiederholt.
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Bei
dem in 11 gezeigten Stirlingmotor ist statt
der Verwendung des in der Kühlkammer 23 angeordneten
Kontraktionsfaltenbalgs 8 gemäß der in 7 gezeigten
Ausführungsform
der Gleitzylinder 3 in erweiterter Form ausgebildet, und
der Leistungskolben 9 ist am gemäß der Zeichnung rechten Ende des
Gleitzylinders 3 befestigt. Dann sind Kühlrippen 31 am äußeren Umfang
am gemäß der Zeichnung rechten
Ende des Gleitzylinders 3 befestigt.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 12 eine
sechste Ausführungsform
des erfindungsgemäß konstruierten
Stirlingmotors beschrieben. Bei der Ausführungsform gemäß 12 sind die
Elemente, die mit den Bauteilen der in den 7 und 11 gezeigten
Stirlingmotoren übereinstimmen,
durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung
wird nicht wiederholt.
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Der
in 12 gezeigte Stirlingmotor gehört dem Typ an, bei dem die
Verstellvorrichtung und der Leistungskolben nicht auf der gleichen
Achse angeordnet sind und auf den die vorliegende Erfindung angewendet
wird. Bei dem in 12 gezeigten Stirlingmotor ist
nämlich
ein Leistungszylinder 900A rechtwinklig zu einem Gehäuse 200A angeordnet, und
ein Leistungskolben 9A ist so in dem Leistungszylinder 900A angeordnet,
daß er
in ihm verschiebbar ist. Das Gehäuse 200A ist
aus einem metallischen Werkstoff, wie einer Aluminiumlegierung oder dergleichen,
gefertigt und weist zwei geschlossene Enden auf. Gemäß der Zeichnung
sind am oberen Ende Wärmerippen 201A auf
der äußeren Umfangsfläche und
in der unteren Hälfte
Kühlrippen 202A auf der äußeren Umfangsfläche ausgebildet.
Bei dem so konstruierten Gehäuse 200A ist
die Verstellvorrichtung 4 so angeordnet, daß sie gemäß der Zeichnung auf
und ab bewegt wird. Aufgrund der Verstellvorrichtung 4 ist
daher das Innere des Gehäuses 200A in eine
Expansionskammer 203A auf der gemäß der Zeichnung oberen Seite
und eine Kühlkammer 204A auf
der gemäß der Zeichnung
unteren Seite unterteilt. Die Kühlkammer 204A ist über einen
Kanal 205A mit einer von dem Leistungszylinder 900A und dem
Leistungskolben 9A gebildeten Arbeitskammer 81A verbunden.
Der bewegliche Magnet 11A der Einrichtung 10A zur
Betätigung
der Verstellvorrichtung, der die Verstellvorrichtung 4 periodisch
betätigt,
ist an der äußeren Umfangsfläche des
mittleren Abschnitts der Verstellvorrichtung 4 angeordnet,
und das feste Joch 12A sowie die beiden Spulen 13A und 14A sind im
Gehäuse 200A angeordnet.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Einrichtung 10A zur
Betätigung der
Verstellvorrichtung zum periodischen Betätigen der Verstellvorrichtung 4 von
dem in der Verstellvorrichtung 4 angeordneten beweglichen
Magneten, dem im Gehäuse 200A angeordneten,
festen Joch 12A und den beiden Spulen 13A und 14A gebildet. Daher
durchdringt der Stab zum Antreiben der Verstellvorrichtung 4 das
Gehäuse 200A nicht,
wodurch ein Austreten des Betriebsgases verhindert werden kann.
Der Arbeitszyklus der Verstellvorrichtung 4 kann, wie bei
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, durch geeignetes
Steuern des Zeitpunkts der Zufuhr von elektrischem Strom zu den
beiden Spulen 13A und 14A leicht verändert werden.
Im übrigen
bestehen hinsichtlich der Richtung der Installation des Gehäuses 200A keine
Einschränkungen.
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Bei
den Stirlingmotoren gemäß der vorstehend
beschriebenen vierten bis sechsten Ausführungsform wird die Einrichtung
zur Betätigung
der Verstellvorrichtung von dem in der Verstellvorrichtung angeordneten
beweglichen Magneten, dem festen zylindrischen Joch, das so im Gehäuse angeordnet
ist, daß es
den beweglichen Magneten umgibt, und den beiden im festen Joch angeordneten
Spulen gebildet. Daher durchdringt der Stab zum Antreiben der Verstellvorrichtung
das Gehäuse
nicht, daher kann ein abgedichteter Behälter hergestellt werden, und
ein Austreten des Betriebsgases kann verhindert werden. Ferner weist
die Einrichtung zur Betätigung der
Verstellvorrichtung eine Anlasserfunktion auf. Dementsprechend besteht
nicht die Notwendigkeit, einen separaten Anlassermechanismus vorzusehen. Der
Arbeitszyklus der Verstellvorrichtung kann durch geeignetes Steuern
des Zeitpunkts der Zufuhr von elektrischem Strom zu den beiden Spulen
leicht verändert
werden. Im übrigen
bestehen hinsichtlich der Richtung der Installation des Gehäuses keine
Einschränkungen.
Ferner wird die Verstellvorrichtung bei der vorliegenden Erfindung
durch das Umschalten des den beiden Spulen der Einrichtung zur Betätigung der
Verstellvorrichtung zugeführten
elektrischen Stroms unverzüglich
umgeschaltet und hat daher eine höhere Wärmeeffizienz als die eines
mit einer Kurbelwelle gekoppelten Typs.