DE69112618T2

DE69112618T2 - Stirling-motoren.

Info

Publication number: DE69112618T2
Application number: DE69112618T
Authority: DE
Inventors: Richard Kinnersly
Original assignee: ESD Engines Ltd
Current assignee: ESD Engines Ltd
Priority date: 1990-04-17
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2011-04-18
Also published as: US5345765A; GB9008522D0; JPH05507135A; WO1991016533A1; AU7658691A; JP3046622B2; EP0527816B1; DE69112618D1; EP0527816A1

Description

Die Erfindung betrifft Stirling-Motoren. In Bezugnahme auf einen Stirling-Motor schließen wir solche Motoren ein, die in einem Prozeß arbeiten, der dem Stirling-Prozeß ähnelt, aber einige Überlappungen und Verschmelzungen der einzelnen Phasen des klassischen Stirling-Prozesses aufweist.
Die Erfindung ist insbesondere aber nicht ausschließlich auf Stirling-Motoren des doppeltwirkenden Mehrzylinder-Typs anwendbar. Typische Motoren dieses Typs haben eine heiße Arbeitskammer an einem Ende, normalerweise dem oberen Ende und eine kalte Arbeitskammer an dem anderen Ende von jedem Zylinder, die durch den Kolben getrennt sind, wobei jede dieser heißen und kalten Arbeitskammern jeweils mit einer kalten bzw. heißen Arbeitskammer eines anderen Zylinders verbunden ist. In dieser Art sind vier geschlossene Arbeitsvolumina eingerichtet, in jedem von welchen das erforderliche Arbeitsfluid permanent eingeschlossen ist. Herkömmliche Schmiermittel können normalerweise nicht in dem Arbeitsvolumen angewendet werden, weil das Schmiermittel verkohlt und Kohleablagerungen die Wärmeübertragungsfähigkeit beeinträchtigen.
Eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen einem Kolben und seinem Zylinder in einem Stirling-Motor kann ein besonders ernstes Problem sein. Die Kolben sind normalerweise durch axial beabstandete ringförmige Lagerpads in einer Bohrung gleitend gelagert, die in einer ölfreien Umgebung arbeiten und normalerweise einen hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Zylinder ist normalerweise in dem Bereich des oberen Lagerpads flüssigkeitsgekühlt und erfährt so keine großen Temperaturunterschiede oder große Ausdehnungsgrade. Es kann ebenfalls günstig sein, ihn aus Eisenmetall herzustellen, das einen relativ niedrigen Expansionskoeffizienten aufweist. Im Gegensatz dazu kann es nötig sein, daß der Kolben über einen viel größeren Temperaturbereich arbeitet und er kann aus Leichtmetall mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten sein. Die relativ große Ausdehnung des Kolbens selbst und eines Lagerpads, das an dem Kolben gehalten ist, kann derartig sein, daß bei niedrigen Temperaturen ein übermäßiges Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder erforderlich ist. Das Ausmaß dieses Spiels kann so sein, daß es eine erhebliche Winkelbewegung des Kolbens ermöglicht. Ein Stirling-Motorkolben trägt oft einen hohen Kopf, der als Verdränger bekannt ist, und der nahe an dem Zylinder läuft, aber keinen Kontakt mit diesem hat. Eine seitliche Bewegung des Verdrängers beim Verkanten des Kolbens wird durch dessen Abstand von den Lagerpads vergrößert und kann ein Risiko eines unbeabsichtigten Kontaktes von dem Verdränger mit der Kolbenwand bei niedrigen Temperaturen sein. Ein schlechtes Ausrichten, verursacht durch großes Spiel, kann infolge der Kantenbelastung ebenfalls zu hohen Verschleißraten führen.
Wenn der Motor überhitzt und sich das Spiel auf ein Maß vermindert, daß die Reibung zunimmt, neigt die Kolbentemperatur dazu, stärker anzusteigen als die Zylindertemperatur, was tendenziell auf ein Festfressen hinausläuft. Zum Schutz gegen dieses Problem beim Überhitzen ist bei einer niedrigen Temperatur ein noch größeres Spiel erforderlich. Es kann ebenfalls schwierig zu erreichen sein, eine zufriedenstellende Dichtung in Verbindung mit geringem Verschleiß und geringer Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder über einem ganzen Bereich der Arbeitstemperaturen und Spielabmessungen zu erzielen, und das ist ein Hauptfaktor für die Beschränkung des kommerziellen Erfolges von Stirling-Motoren gewesen. Das Problem ist bei Motoren, die eine mechanische Antriebsverbindung zu dem Kolben erfordern, sogar noch größer als bei Motoren mit freiem Kolben, weil ein mechanischer Antrieb normalerweise eine Seitenlast auf den Kolben mit sich bringt.
Die Anordnung zum Führen eines Kolbens in einem Zylinder durch ringförmige Pads an dem Kolben, die sich in Anlage mit der Zylinderwand befinden, kann somit bei einem Stirling-Motor mit einer mechanischen Kopplung nachteilig sein. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kolbenführungsanordnung zu schaffen, bei der diese Probleme reduziert sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stirling-Motor geschaffen mit einem Zylinder, der an einem Ende geschlossen ist, einem Kolben, der in dem Zylinder ohne Führungskontakt zwischen der Außenfläche des Kolbens und dem Zylinder hin- und hergehen kann, und mit einer mechanischen Kupplung, um die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens mit einem Antriebselement zu koppeln, wobei sich eine feststehende Kolbenführung mit äußeren Führungsflächen in einer axialen Richtung in dem Zylinder zu seinem geschlossenen Ende hin erstreckt und in einer Aussparung in dem Kolben endet, und wobei sich innere Führungsflächen an dem Kolben in Gleiteingriff mit den äußeren Führungsflächen der Kolbenführung befinden, wodurch der Kolben in dem Zylinder geführt ist. Diese Anordnung schafft eine praktische bzw. wirksame Möglichkeit, um die thermischen Ausdehnungsraten des Kolbens, der Pads und der Führung abzustimmen, um eine wirksame Führung über einem Temperaturbereich zu liefern.
Typischerweise ist das Antriebselement ein rotierender Schaft und die Kupplung ein mechanisches Gestänge.
Die Kupplung zu dem Kolben kann einen Hebelarm aufweisen, der zwischen seinen Enden angelenkt ist und sich durch die Zylinderwand erstreckt, und der an einem Ende davon mit dem Kolben und an dem anderen Ende davon mit einer Hauptwelle gekoppelt ist. Diese Verbindungen bzw. Kopplungen sind typischerweise indirekte Verbindungen bzw. Kopplungen über weitere Zwischenglieder bzw. Gelenke.
Der Kolben kann mit ringförmigen Lagerpads ausgestattet sein, die den Kolben an der Kolbenführung führen.
Die Materialien und Abmessungen des Kolbens, der Lagerpads und der Kolbenführung können so sein, daß das Spiel zwischen der Führung und jedem Pad im wesentlichen konstant bleibt, oder mit Temperaturveränderungen ganz schwach zunimmt.
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
Figur 1 ein schematischer Querschnitt durch einen Vierzylindermotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 2 einen Teil eines solchen Motors ausführlicher zeigt; und
Figur 3 eine Modifikation eines Teils aus Figur 2 zeigt.
Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Vierzylinder-Stirling-Motor, der zwei von seinen Zylindern zeigt. Das Motor-Layout beinhaltet zwei Reihen mit zwei Zylindern und ein Zylinder aus jeder Reihe ist gezeigt. Diese sind die bezeichneten Zylinder 2 und 3. Der andere Zylinder in der gleichen Reihe wie Zylinder 2 ist als Zylinder 1 bezeichnet und der andere Zylinder in der gleichen Reihe wie Zylinder 3 ist als Zylinder 4 bezeichnet. Zylinder 2 ist typisch. Er hat eine Hauptbohrung 11, in der ein Kolben 12 mit integriertem Verdränger 13 hinund hergeht. Der Kolben enthält eine sich nach unten erstreckende Kolbenkörperröhre 14, die eine feststehende röhrenförmige Kolbenführung 15 umgibt, so daß der Kolben 12 eher an der Führung 15 geführt ist als durch die Innenfläche des Zylinders 11. Der Zylinder hat einen größeren oberen Durchmesser, der dem gesamten Durchmesser des Kolbens entspricht, und einen kleineren unteren Durchmesser, der geringfügig größer als der Durchmesser der Kolbenkörperröhre ist. Ein im allgemeinen vertikales Zwischenglied 18 bzw. Gelenk 18 verbindet den Kolben über Drehstifte 16 und 19 mit einem Hebelarm 21. Der Hebelarm geht durch Schlitze 22 und 23 jeweils in der Kolbenführung 15 und der Kolbenkörperröhre 14 hindurch.
Der Hebelarm hat einen feststehenden Drehpunkt 24 und eine gekröpfte Verlängerung 25. Eine Verbindungsstange 26 bzw. ein Pleuel 26 verbindet die gekröpfte Verlängerung 25 mit einer Kurbelwelle 27. In dieser Art und Weise ist die hinund hergehende Bewegung des Kolbens 12 mit der Drehung der Kurbelwelle 27 gekoppelt.
Eine obere bzw. heiße Arbeitskammer 28 ist in den Zylinder oberhalb des Verdrängers 13 vorgesehen. Der Raum unterhalb des Kolbens 12 ist abgeschlossen und bildet eine untere bzw. kalte Arbeitskammer 29. Jede kalte Arbeitskammer ist bezogen auf das Kurbelgeäuse 30 abgedichtet, so daß das Kurbelgehäuse drucklos ist und Teile in ihm herkömmlich geschmiert werden können. Die Dichtungsanordnung für einen Arm 21 wird unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben werden.
Die mechanische Anordnung eines Kolbens 32 für Zylinder 3 hin- und hergehend in einer Zylinderbohrung 31 ist ein Spiegelbild der Anordnung für Zylinder 2. Der Kolben 32 ist durch einen Kurbelstift, der so ausgelegt ist, daß er eine 90º-Phasendifferenz zwischen der Hin- und Herbewegung der Kolben 12 und 32 liefert, mit der Kurbelwelle 27 gekoppelt.
Wie gezeigt ist, ist die kalte Kammer 29 von Zylinder 2 durch einen Gasdurchgang 34 mit der heißen Kammer 33 von Zylinder 3 verbunden. Diese Verbindung ist über einen Kühler 35, einen Regenerator 36 und ein Heizgerät 37 in der Nähe der heißen Kammer 33 gebildet. In der Praxis erfolgt das Erhitzen durch Verbrennungsgase, die über den oberen Teil des Zylinders geführt werden, und der Kühler verwendet Wasser als Kühlmittel. Pfeile zeigen die Strömung des Arbeitsfluids zwischen den heißen und kalten Kammern an. Durch den Gasdurchgang 34 sind die kalte Kammer 29 und die heiße Kammer 33 zu einem einzigen geschlossenen Arbeitsvolumen vereinigt, in dem das Arbeitsgas allgemein nach dem Stirling-Motor-Prozeß arbeitet.
Der Zylinder 2 ist in einem ausreichenden Maße axial von der Kurbelwelle 27 versetzt, um ein Spiel zwischen benachbarten Hebelarmen, Pleueln und Kurbelwellen-Verbindungen zu ermöglichen. Die anderen zwei Zylinder 1 und 4 sind jeweils hinter den Zylindern 2 und 3 angeordnet und sind nicht gezeigt. Sie sind in ähnlicher Weise geringfügig voneinander versetzt und sind über Kurbelstifte mit der Kurbelwelle gekoppelt, die auf geeignete Winkel eingestellt sind, um 90º-Phasenwinkel zwischen den Zylindern 1 und 2, 2 und 3, 3 und 4 und somit ebenfalls 4 und 1 zu schaffen. Der Zylinder 2 ist in der Hubmitte gezeigt, während Zylinder 3 bei OT ist. Es gibt insgesamt 4 Gasdurchgänge, die im wesentlichen dem Gasdurchgang 34 entsprechen, wobei jeder die kalte Kammer von einem Zylinder mit der heißen Kammer eines benachbarten Zylinders verbindet. In jedem Fall gibt es einen entsprechenden 90º-Phasenwinkel zwischen jedem Paar von miteinander verbundenen Kammern.
Diese allgemeine Anordnung von vier Zylindern, 90º-Phasenwinkeln und die Verbindung von heißen und kalten Arbeitskammern ist eine wohlbekannte Form eines Stirling- Motorlayouts, das ebenso wie weitere Details seiner Betriebsweise als Rinia-Layout bekannt ist, und hier nicht beschrieben werden wird. Figur 2 zeigt Details eines Zylinders von einem Motor, der ähnlich dem der Figur 1 ist, aber einige Detailunterschiede im Layout aufweist.
Der Zylinder für den Motor wird primär durch eine rostfreie Stahlzylinder-Laufbuchse 41 gebildet, deren Innenfläche eine Oberfläche liefert, an der eine Kolbendichtung 45 gleitet. Der Zylinder erstreckt sich mittels eines geschlossenen zylindrischen rostfreien Stahlmantels (spinning) 42, der eine Heizgerät-Laufbuchse bildet, nach oben in einen Heizkopf. Im Gebrauch wird Wärme kontinuierlich auf den Heizkopf aufgebracht, so daß das Arbeitsfluid erhitzt wird und der Raum oberhalb des Kolbens eine heiße Arbeitskammer wird. In ähnlicher Weise wird der Bereich unterhalb des Kolbens kontinuierlich gekühlt, z.B. durch einen Wasserkühler, der die Buchse 41 umgibt, um eine kalte Arbeitskammer unterhalb des Kolbens zu bilden. Weitere Details der Heiz- und Kühlanordnungen können sein wie in Figur 1. Die Innenfläche der Buchse 42 hat keinen Kontakt mit dem Kolben oder einem Verdränger, der an dem Kolben angebracht ist. Die Buchse 41 selbst ist in einem Hauptgußteil 43 gehalten, das einen Außenzylinder und ebenfalls einen Teil des Kurbelgehäuses des Motors bildet.
Ein Kolben 44 ist hin- und hergehend in dem Zylinder angeordnet, hat aber keinen direkten Führungskontakt mit dem Zylinder. Eine Gleitdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder ist durch eine Kolbenringeinrichtung 45 gebildet.
Das primäre Strukturelement des Kolbens ist eine aus einer Aluminiumlegierung gegossene Kolbenkörperröhre 46 mit einer erheblich größeren Länge als ein herkömmlicher Kolben. Die Kolbenkörperröhre 46 beinhaltet einen oberen äußeren Flansch 47, an dem ein äußerer Kolbenkörper 48 aus rostfreiem Stahl angebracht ist, der in einer äußeren Ringnut den Kolbenring 45 trägt. Der äußere Kolbenkörper 48 ist an dem Flansch 47 befestigt, und zwar durch Anbringen von Zapfen zwischen diesen Komponenten, einen Haltering 49 und Bolzen 51, die durch den Flansch 47 und den Haltering 49 hindurchgehen. Der Haltering 49 hält andere Komponenten in Position und diese werden im folgenden beschrieben werden.
Eine feststehende, zylindrische, röhrenförmige Kolbenführung 52 erstreckt sich in axialer Richtung aufwärts in den Zylinder. Sie ist an ihrem unteren Ende an dem Kurbelgehäuse befestigt, das durch ein Gußteil 43 gebildet ist, wie nun erläutert werden wird. Die Kolbenführung 52 enthält einen unteren, äußeren Flansch 53, der eine Zapfenverbindung mit dem Kurbelgehäuse bildet und durch einen Ring von Schaftschrauben 54 an dem Kurbelgehäuse befestigt ist.
Das untere Ende der Kolbenführung 52 ist durch ein außen angeflanschtes Verschlußelement 50 geschlossen, das durch Bolzen 55 an dem Kurbelgehäuse befestigt ist, wobei diese Bolzen durch den Flansch 53 hindurchgehen und somit eine weitere Fixierung für die Kolbenführung 52 liefern. Separate Sets von Bolzen 54 und 55 sind so vorgesehen, daß die Kolbenführung 52 vor dem Verschlußelement 50 installiert werden kann, und zwar als Hilfe bei der Montage von anderen Teilen des Motors.
Der Kolben ist so geführt, daß er sich gleitend an der Kolbenführung 52 bewegt, die sich aufwärts in die Kolbenkörperröhre 46 erstreckt.
Das Innere der Kolbenkörperröhre bildet eine Aussparung, die an ihrem oberen Ende geschlossen ist und im folgenden beschrieben werden wird. Die Innenfläche der Kolbenkörperröhre 46 trägt ein unteres, ringförmiges Lagerpad 46 und trägt ebenfalls einen Lagerpadträger 57, der ein oberes Lagerpad 58 trägt. Diese Lagerpads sind typischerweise aus mit Bronze imprägniertem PTFE gebildet. Die Kolbenführung 52 ist typischerweise aus mit Nickel/PTFE stromlos plattiertem weichem Stahl gebildet, um eine Lagerfläche für die Pads 56 und 58 zu schaffen, die in einer ölfreien Umgebung zufriedenstellend arbeiten wird.
Der obere Lagerpadträger 57 ist durch den Haltering 49 in einem Zapfen an dem oberen Ende der Kolbenkörperröhre befestigt.
Der Kolben 44 enthält ebenfalls einen Verdrängerkopf aus rostfreien, verpreßten und kaltgedrückten Stahlblechen (pressings und spinnings). Das ist herkömmliche Stirling- Motortechnologie, so daß nur ein Teil des Verdrängerkopfes gezeigt ist. Die Zeichnung zeigt einen Teil eines kuppelgekrönten zylindrischen Verdrängerkopfes 61. Eine Reihe von ganzen angeflanschten Trennwänden 62 und in der Mitte offenen angeflanschten Trennwänden 63 dient dazu, den Wärmeübergang von oberhalb des Verdrängerkopfes in den Körper des Kolbens einzuschränken und ebenfalls den Verdrängerkopf auszusteifen. Blöcke aus einem leichten, thermischen Isoliermaterial können zwischen benachbarten Trennwänden angeordnet sein und durch diese getragen sein. Der Verdrängerkopf 61 selbst ist an dem äußerem Kolbenkörper 48 angebracht und durch Punktschweißen befestigt.
Der obere Teil des Verdrängerkopfes schließt die Aussparung in dem Kolben über dem Kolbendurchmesser oberhalb des oberen Endes der Kolbenkörperröhre 46, so daß das Innere dieser Röhre eine Aussparung wird, die an ihrem unteren Ende geöffnet und an ihrem oberen Ende geschlossen ist.
Für das Funktionieren des Stirling-Motors ist es wünschenswert, daß das freie Volumen unterhalb des Kolbens, welches das Volumen in der Aussparung, auf die oben Bezug genommen wurde, einschließt, auf einem vernünftigen Minimum gehalten wird. Zu diesem Zweck ist ein gewölbtes, zylindrisches, internes Füllelement 64 an dem Kolben angebracht, um ein Teil davon zu bilden, und erstreckt sich abwärts in die Kolbenkörperröhre 46. Das Füllelement 64 ist ein Gebilde aus rostfreiem Stahl (spinning) und wird durch ein weiteres kaltgedrücktes (spun) Element 65 in Position gebracht, das seinerseits durch den Haltering 49 an der Kolbenkörperröhre 46 befestigt ist. Die Elemente und 64 und 65 tragen ebenfalls dazu bei, den Wärmeübergang abwärts durch den Kolben einzuschränken.
Wie soweit beschrieben, kann der Kolben 44 in axialer Richtung frei in dem Zylinder 41 gleiten und ist so geführt, daß er an der sich axial erstreckenden Kolbenführung 52 durch untere und obere Lagerpads 56 und 58 gleitet. Dieser Führungsmechanismus hält die Außenfläche des Kolbens in Abstand von dem Zylinder 41.
Der Kolbenring 45 dient nur als Gleitdichtung und nicht als Führung für den Kolben. Weil der Verdrängerkopf gut oberhalb des oberen Pads 58 nicht gelagert ist, ist ein nahezu konstanter Gleitsitz zwischen diesem Pad und der Kolbenführung besonders wichtig für die Lokalisierung des Kolbens.
Die Hauptfaktoren, welche die relative, thermische Ausdehnung der Kolbenkörperröhre 46 und der Kolbenführung 52 und den zugehörigen Lagerpads beeinflussen, sind die folgenden. Wenn sich der Lagerpadträger 57 ausdehnt, nimmt die effektive Dicke des Lagerpads 58 durch die thermische Ausdehnung ebenfalls zu, und zwar in einem höheren Maße, weil dieses einen größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und dazu neigt, das Spiel einzunehmen, das durch die Ausdehnung des Trägers erzeugt wird. Das Lagerpad sollte ein geschlitzter oder segmentierter Ring sein, um der Tendenz entgegenzuwirken, daß sein Gesamtdurchmesser zunimmt. Die Kolbenführung 52 neigt ebenfalls dazu, sich auszudehnen, aber in einem geringeren Maße, weil sie aus einem Material mit einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist. Die Materialien und Abmessungen der Kolbenführung 52, des Lagerpadträgers 57 und des Lagerpads 58 können so gewählt sein, daß sie komplementäre thermische Ausdehnungen aufweisen, so daß das Spiel zwischen dem Pad und der Führung bei Temperaturwechseln im wesentlichen konstant bleibt. Diese Einrichtung für ein im wesentlichen konstantes Spiel mit zunehmender Temperatur wird eine praktische Möglichkeit, weil der Kolben außerhalb der Führung ist. Ein Kolben hat normalerweise einen viel größeren Ausdehnungskoeffizienten als seine Führung oder der Zylinder, weil ein Kolben dazu neigt, aus leichtem Material mit großer Ausdehnung zu bestehen, während ein Zylinder oder eine Führung dazu neigen, aus dauerhaf terem Material mit geringer Ausdehnung zu bestehen. In ähnlicher Weise neigt das Lagerpadmaterial dazu, einen hohen Ausdehnungskoeffizienten aufzuweisen, so daß es sich in ein zunehmendes Spiel ausdehnen kann. Man würde nicht erwarten, daß jemand in der Lage ist, einen Kolben und ein Pad mit einer geeigneten Verbund-Ausdehnungsrate so zu wählen, daß die Ausdehnung eines äußeren Zylinders, der als Führung verwendet wird, ausgeglichen wird.
Es sollte eine geringe Vorspannung zu dem mit zunehmender Temperatur zunehmenden Spiel vorliegen, um sich vor einem Festfressen im Fall einer Überhitzung zu schützen. Es ist wahrscheinlicher, daß sich irgendein Überhitzen des Motors auf den Kolben auswirkt als auf die Kolbenführung, so daß eine Tendenz vorhanden ist, das Spiel zu erhöhen, wenn ein Überhitzen auftritt, und das ist ein Sicherheitsfaktor. Die Kolbenkörperröhre und die Kolbenführung sind also angemessen gut thermisch von der heißen Arbeitskammer des Motors oberhalb des Kolbens isoliert, wodurch ihre Temperaturwechsel und somit ihre thermische Ausdehnung beschränkt werden und dazu beitragen, ihre Lebensdauer zu verlängern.
Ähnliche Überlegungen bezüglich des Spiels und der thermischen Ausdehnung lassen sich auf das untere Lagerpad 56 anwenden. Zudem ist die thermische Ausdehnung in diesem Bereich weniger kritisch, weil die Temperaturwechsel an dem unteren Ende des Motors viel geringer ausfallen.
Zwischen der Buchse 41 und dem Kolben kann eine starke, unterschiedliche Ausdehnung erwartet werden, weil die niedrige Kühlmitteltemperatur, die in einem Stirling-Motor angewendet wird, die Buchse viel kühler hält als den Kolben, und weil die geringe thermische Trägheit des Kolbens bewirkt, daß dieser sich schnell erwärmt. Diese unterschiedliche Ausdehnung kann akkomodiert werden, weil der Kolben nicht in dem Zylinder geführt ist.
In dem Kurbelgeäuse, das in dem Hauptgußteil 43 gebildet ist, ist eine Kurbelwelle 71 so angebracht, daß sie um eine Achse 72 in Lagern, die nicht gezeigt sind, rotiert. Die Kurbelwelle weist einen herkömmlichen versetzten Kurbelzapfen 73 auf. Die Hauptkomponenten, welche den Kolben und die Kurbelwelle verbinden, sind ein Hebelarm 74 und eine Verbindungsstange bzw. ein Pleuel 75.
Der Hebelarm 74 erstreckt sich durch eine Öffnung 76, die praktisch in der Wand des Zylinders angeordnet ist. Er ist drehbar um ein Drehlager angebracht, das einen Drehzapfen 77 enthält, der an beiden Enden in einem Drehgehäuse 78 fixiert ist, das durch Bolzen 79 an dem Hauptgehäuse 43 befestigt ist. Das äußere Ende des Hebelarms 74 ist durch einen Stift 79 mit dem Pleuel 75 verbunden, und in dieser Weise ist die Drehung der Kurbelwelle mit der hin- und hergehenden Schwenkbewegung des Hebelarms 74 gekoppelt.
Das innere Ende des Hebelarms 74 erstreckt sich in den Zylinder 41 und ist im wesentlichen auf der Achse des Zylinders angeordnet. Um ein Spiel zum Einsetzen und für die Hin- und Herbewegung zu schaffen, enthält die Kolbenkörperröhre 46 einen Schlitz 81 und die Kolbenführung 52 einen Schlitz 82. Der Hebelarm 74 endet in einem oberen Kolben-Drehzapfen 83, der den Hebelarm mit einem Kolbengelenk 84 verbindet, das gegabelt ist, um auf beiden Seiten des Hebelarms 74 Drehstift-Verankerungen zu schaffen. Ein unterer Kolben-Drehstift 85 geht durch das untere Ende des Kolbengelenks und durch Schlitze 86 in der Kolbenführung 52 hindurch, um in (nichtgezeigten) Bohrungen in der Kolbenkörperröhre 46 zu enden. In dieser Weise ist der Kolben 44 für eine hin- und hergehende Bewegung mit dem Hebelarm 74 gekoppelt, wobei das Gelenk 84 für die radiale Komponente der Bewegung des Hebelarms 74 bezüglich des Zylinders sorgt.
Für die Kurbelwellen- und Pleuellagerungen und für die Drehbewegung des Hebelarms 74 um den Drehstift 77 kann eine herkömmliche Schmierung verwendet werden. In dem Hebelarm 74 und dem Gelenk 84 können ebenfalls Schmierkanäle vorgesehen sein, um eine Schmierung für die Drehzapfen 83 und 85 zu liefern. Alternativ kann auf die Drehzapfen 83 und 85 eine trockene Schmiermethode angewendet werden.
Zu der Drehbewegung des Hebelarms 74 gehört eine gasdichte Dichtung. Der Hebelarm selbst trägt einen teilweise kugelförmigen Dichtungssitz 91, der an dem Hebelarm angebracht ist, wobei sein Zentrum mit dem Zentrum der Drehachse des Hebelarms zusammenfällt. In dem Gußteil 43 ist ein feststehender, ringförmiger Dichtungsträger 92 angebracht und trägt einen beweglichen Dichtungshalter 93, der seinerseits ein ringförmiges Dichtungselement 94 mit einer teilweise kugelförmigen Oberfläche in Kontakt mit der entsprechenden Oberfläche des Dichtungssitzes 91 hält. Eine ringförmige Feder 95, welche die Form einer gewellten Scheibe aufweisen kann, dient dazu, den Dichtungshalter 93 und das Dichtungselement 94 in eine Richtung nach außen zu zwingen, um einen dichtenden Kontakt mit dem Sitz 91 zu schaffen. Eine Reihe von O-Ringen 96, 97 und 98 schaffen eine weitere Dichtung zwischen Komponenten der Dichteinrichtung. Das Dichtelement selbst kann aus einem in einem hohen Grade undurchdringlichen PTFE/Bronze-Verbund bestehen, wobei Polyimid-Harze oder PTFE/Polyimid-Mischungen Alternativen sind, Der Dichtungssitz kann eine Grundfläche aus rostfreiem Stahl aufweisen, oder er kann stromlos mit PTFE und einem Metall plattiert sein. Eine Alternative ist ein keramischer Dichtungssitz.
Die Dichtung ist, wenn an den kugelförmigen Lagerflächen Verschleiß auftritt, dadurch selbst-einstellend, daß das Dichtungselement und der Dichtungshalter in Kontakt mit dem Dichtungssitz gehalten werden. Die Dichtung ist so ausgelegt, daß der Innendruck in dem Zylinder auf den Dichtungshalter wirkt, um sowohl den Auflagedruck zwischen dem Dichtungselement und dem Dichtungssitz zu erhöhen, als auch den Dichtungshalter in einer Richtung zu bewegen, um Verschleiß aufzunehmen. Die effektive Aufnahme des Verschleißes ist möglich, weil die verfügbare Bewegung eine Komponente normal zu den Verschleißflächen aufweist. Die Feder 95 liefert einen Anfangskontakt zu Dichtzwecken.
Der in Figur 2 gezeigte Motor ist ein doppelt wirkender Vierzylinder-Stirling-Motor, der dem in Figur 1 gezeigten Layout entspricht. Nur ein Zylinder ist gezeigt. Im Gebrauch ist der Bereich des Zylinders oberhalb des Kolbens eine heiße Arbeitskammer und der Bereich des Zylinders unterhalb des Kolbens eine kalte Arbeitskammer. Dieser untere Bereich weicht infolge der mechanischen Kopplung über den Hebelarm 74 mit einem Kolben und infolge der Montage der Kolbenführung etwas von der zylindrischen Gestalt ab. Diese Gestalt weicht infolge der Forderung, das effektive Volumen unterhalb des Kolbens auf ein vernünftiges Minimum zu reduzieren, wenn der Kolben in seiner niedrigsten Stellung ist, des weiteren von derjenigen eines Zylinders als solchem ab. Der Druck unterhalb des Kolbens wirkt jedoch auf die gesamte Fläche des Kolbens, wobei praktisch ein vollflächiger Kolben geschaffen wird, der sich über den Zylinder erstreckt und Druck ausgesetzt ist.
Im Gebrauch wird der Arbeitsraum in dem Zylinder unterhalb des Kolbens als kalte Arbeitskammer in dem Stirling-Motor betrieben, mit dem Resultat, daß das Arbeitsgas eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Das wiederum hält die Temperatur des unteren Lagerpads 56 niedrig. Auf der anderen Seite ist das obere Lagerpad 58 von dem kalten Haupt- Arbeitsraum unterhalb des Kolbens entfernt und könnte infolge eines Wärmeübergangs durch den Kolben von der heißen Arbeitskammer eine unerwünscht hohe Temperatur aufweisen. Um diesen Effekt zu reduzieren, läßt man kaltes Arbeitsfluid an dem oberen Lagerpad vorbeiströmen. Der Padträger 57 ist mit Lüftungslöchern 99 ausgestattet, die es dem Arbeitsgas ermöglichen, durch diesen hindurchzugehen. Das Ringvolumen 100, unmittelbar oberhalb der Kolbenführung 52, das auch durch Elemente 64 und 65 begrenzt ist, nimmt bei der Hin- und Herbewegung des Motors zu und ab, was bewirkt, daß kaltes Arbeitsgas durch die Lüftungslöcher 99 hindurchgeht. Etwas Gas in dem Volumen 100 tritt ebenfalls durch den Ringspalt zwischen dem Füllelement 64 und dem Inneren der Kolbenführung 52 ein und aus, aber indem dieser Spalt auf einem vernünftigen Minimum gehalten wird, erfolgt eine signifikante Gasströmung durch die Lüftungslöcher. Diese Gasströmung führt dazu, die Temperatur des Lagerpadträgers 57 und des Lagerpads 58 niedrig zu halten.
Die Lüftungslöcher 99 können asymmetrisch ausgebildet sein, so daß Luft einfacher in einer Richtung durch sie strömt als in der anderen Richtung. Z.B. kann ein Ende mit einer scharfen, spitzwinkligen Kante versehen sein, während das andere Ende mit einer abgerundeten Kante versehen ist. Eine derartige Anordnung resultiert in einer Netto-Zirkulation von kühlendem Arbeitsfluid durch den Lagerpadträger 57 anstatt nur gleichen alternierenden Strömungen in beiden Richtungen.
Die gezeigte Anordnung ermöglicht die Herstellung eines kompakten Vierzylindermotors. Die Zylinder sind in zwei parallelen Reihen von zwei Zylindern angeordnet, und zwar eine auf jede Seite der Kurbelwellenachse 72. Die beiden Reihen sind in Richtung der Kurbelwelle um eine Entfernung versetzt, die gleich der Hälfte des Abstands zwischen den Zylindern in einer Reihe ist. Das ermöglicht ein Spiel für das Drehgehäuse 78 und das Pleuel 75 zwischen unteren Bereichen mit geringerem Durchmesser der beiden Zylinder der anderen Reihe, was ermöglicht, daß die Bereiche mit größerem Durchmesser der beiden Zylinderreihen näher aneinander liegen und dadurch eine kompakte Bauweise ermöglichen. Obwohl ein relativ langer Zylinder erforderlich ist, um die Kolbenkörperröhre und die Kolbenführung unterzubringen, hat der untere Teil dieses Zylinders einen reduzierten Durchmesser, was in geeigneter Weise ein Spiel für die Kurbelwelle liefert. Somit kann ein kompaktes Gesamtmotordesign geschaffen werden.
Bei der gewöhnlichen Art eines Stirling-Motors steht die heiße Arbeitskammer von einem Zylinder durch die Heiz- und Kühleinrichtungen in ständiger Verbindung mit der kalten Arbeitskammer eines anderen Zylinders, der bei einem geeigneten Phasenwinkel zu dem erstgenannten Zylinder betrieben wird.
Bei einer in Figur 3 dargestellten Ausführungsform des Motors kann das angelenkte Kolbengelenk 84 durch ein flexibles Gelenk ersetzt sein. Bei einem typischen angelenkten Gelenk beträgt die Winkelbewegung an dem Drehpunkt 85 etwa 2º. Durch Verlängern des Gelenks, indem es mit einer gewissen Flexibilität ausgestattet wird, und sich vorzugsweise eher nach oben als nach unten ausdehnt, kann das Lager 85 durch eine feststehende Verankerung ersetzt werden. Bei einem Beispiel ist die effektive Winkelverschiebung des flexiblen Gelenks auf 0,5º reduziert. Der Grad der Flexibilität kann so gewählt werden, daß die kombinierten Seitenlasten, die durch das Verbiegen des Gelenks und durch die Axiallast, die durch ein abgewinkeltes Gelenk auftritt, erzeugt werden, für das lange flexible Gelenk nicht größer sind als für ein kürzeres angelenktes Gelenk. Figur 3 zeigt ein glockenförmiges Leichtmetallgehäuse 101, das als Ersatz für das kaltgepreßte (spun) Element 65 im Inneren des Kolbens dient, das in Figur 2 gezeigt ist. Das Gehäuse 101 dient als Verankerung für ein langes flexibles Gelenk 102, das an seinem unteren Ende in einem Lagerblock 103 endet, der anstatt des Gelenks 84 an dem Hebelarm 74 angelenkt ist. Das flexible Gelenk ist gezeigt, wie es an beiden Enden durch Schraubverbindungen angebracht ist, aber jede andere herkömmliche Form einer Verankerung kann verwendet werden.
Bei einer noch weiteren Modifikation kann die Kolbenführung 52 wassergekühlt sein, um die Temperaturen an den Lagerpads niedrig zu halten.
Für die Teile des Zylinders mit reduziertem Durchmesser kann ebenfalls eine Wasserkühlung vorgesehen sein, um die Temperatur des Arbeitsgases an dem kalten Ende des Zylinders weiter zu reduzieren. Die Gestalt des unteren Teils der Kolbenkörperröhre 46 könnte dann ebenfalls so angepaßt sein, daß sie eine Gasströmung über die gekühlte Zylinderfläche in einer solchen Art und Weise liefert, daß eine effektive Kühlung mit sehr geringen zusätzlichen Pumpverlusten geliefert wird.
Die Veränderung in dem Volumen des unteren ringförmigen Teils der kalten Arbeitskammer kann ebenfalls in Verbindung mit geeigneten Leitungen verwendet werden, um eine Strömung durch die Luftlöcher 99 in dem Padträger 57 anzulegen.
Der Kurbel- und Pleuelmechanismus resultiert in einer Kolbenbewegung, die von einer reinen sinusförmigen Bewegung abweicht.
Im Gegensatz zu einem einfachen Kurbel- und Kolbenmechanismus (bei dem die Kolbenverschiebung über den oberen Totpunkt im Vergleich mit einer einfachen harmonischen Bewegung zunimmt) ist die Kolbenverschiebung bei dieser Anordnung für eine gegebene Kurbelbewegung im Vergleich mit einer einfachen harmonischen Bewegung vermindert, wenn sich der Kolben in dem Bereich des oberen Totpunkts befindet, d.h. in der Nähe des geschlossenen Endes der Zylinders. Das kann vorteilhaft sein, weil es die am oberen Totpunkt verfügbare Zeit während eines Arbeitszyklus für den Wärmeübergang an die expandierenden Gase verlängert und somit die Menge des Wärmeübergangs in diesem kritischen Stadium.
Es ist ebenfalls möglich, ein Heben des Kolbens zu induzieren, das im Vergleich zu dem Senken des Kolbens asymmetrisch ist, und zwar durch Verändern der Geometrie des Kurbelmechanismus. Zu diesem Zweck würden die Positionen des oberen Drehpunkts des Pleuels an den Extrempunkten der Bewegung des Hebelarms nicht mit einer Linie durch die Kurbelwellenachse und die untere Lagerachse des Pleuels fluchten, wenn der Hebelarm an diesen Extrempunkten ist. Eine langsamere Senkgeschwindigkeit als die Steiggeschwindigkeit ist nützlich, weil das mehr Wärmeübergang während der Expansionsphase ermöglicht.
Bei einer noch weiteren Modifikation könnte eine variable Geometrie in den Hebelarm-Mechanismus eingeführt werden, um einen Motor mit einem variablen Hub zu liefern, oder um für andere Variationen in dem Mechanismus zu sorgen. Z.B. könnte, wenn der Hebelarm mit irgendeiner Art einer linear beweglichen Vorrichtung anstatt mit einer Kurbelwelle verbunden ist, das Bewegungsverhältnis zwischen dem Kolben und der linear beweglichen Vorrichtung durch Variationen in der Geometrie variiert werden. Ein Weg, um die Geometrie zu variieren, besteht darin, für eine Verstellbarkeit des Drehpunkts des Hebelarms, wie bei 77, zu sorgen, wobei gleichzeitig die Dichtung mit dem Drehpunkt bewegt wird.
Als Abweichung von dem doppelt wirkenden Vierzylinder- Layout könnten zwei einfach wirkende Zylinder verwendet werden. Das Layout könnte im allgemeinen so sein wie in den Figuren 1 und 2, wobei aber die obere heiße Kammer von einem Zylinder und die untere alte Kammer von dem anderen Zylinder weggelassen sind.
Eine weitere Alternative würde eine einzelne Zylinderanordnung mit einem zusätzlichen unteren Kolben sein, der koaxial zu dem Hauptkolben ist. Der zusätzliche Kolben sollte bei solch einem Phasenwinkel mit der Kurbelwelle verbunden sein, daß die erforderliche Beziehung zwischen Expansion und Kontraktion der heißen und kalten Arbeitskammern geschaffen wird, so daß die Kammern von dem gleichen Zylinder gekoppelt sein können, um einen Stirling- Motor zu schaffen.
Es wird Bezug genommen auf die Anmeldung PCT/GB 91/00600, die am 17. April 1991 eingereicht wurde, als WO 91/16534 veröffentlicht wurde und nicht vorveröffentlicht ist, welche Ansprüche auf einige Merkmale des hierin offenbarten Motors beansprucht.

Claims

1. Stirling-Motor mit einem Zylinder (2), der an einem Ende geschlossen ist, einem Kolben (12), der in dem Zylinder ohne Führungskontakt zwischen der Außenfläche des Kolbens und dem Zylinder hin und hergehen kann, und mit einer mechanischen Kupplung (84, 74, 75), um die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens mit einem Antriebselement (71) zu koppeln, wobei sich eine feststehende Kolbenführung (52) mit äußeren Führungsflächen in einer axialen Richtung in dem Zylinder zu seinem geschlossenen Ende hin erstreckt und in einer Ausparung in dem Kolben endet, und wobei sich innere Führungsflächen (an 56, 58) an dem Kolben in Gleiteingriff mit den Außenflächen der Kolbenführung befinden, wodurch der Kolben in dem Zylinder geführt ist.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem die Kupplung zu dem Kolben einen Hebelarm (74) aufweist, der (bei 77) zwischen seinen Enden angelenkt ist und sich durch die Zylinderwand (43) erstreckt, und der an einem Ende davon mit dem Kolben (12) und an dem anderen Ende davon mit einer Hauptwelle (71 über 75) gekoppelt ist.

3. Motor nach Anspruch 2, bei dem die Hauptwelle (71) eine Kurbelwelle ist und der Hebelarm durch eine Pleuelstange (75) mit der Kurbelwelle gekoppelt ist.

4. Stirling-Motor nach Anspruch 3, bei dem die Geometrie der Kurbel und der Pleuelstange derart ist, daß die Kolbenverschiebung für einen gegebenen Kurbelwinkel im Vergleich mit einer entsprechenden Verschiebung für eine einfache harmonische Bewegung im Bereich des oberen Totpunkts vermindert ist.

5. Motor nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem der Hebelarm durch ein Gelenk (84), das im wesentlichen axial zu dem Zylinder ist, mit dem Kolben gekoppelt ist.

6. Motor nach Anspruch 5, bei dem das Gelenk ein flexibles Element (102) ist, das an dem Kolben befestigt ist und drehbar mit dem Hebelarm gekoppelt ist.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die feststehende Kolbenführung (52) eine zylindrische, röhrenförmige Führung ist.

8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kolben eine Kolbenkörperröhre (46) aufweist, die gleitbeweglich an der Kolbenführung geführt ist.

9. Motor nach Anspruch 8, bei dem die Kolbenkörperröhre durch obere (58) und untere (56) ringförmige Lagerpads an der Kolbenführung geführt ist.

10. Motor nach Anspruch 9, bei dem die Materialien und Abmessungen des Kolbens, der Lagerpads und der Kolbenführung derart sind, daß das Spiel zwischen der Führung und jedem Pad bei Temperaturveränderungen im wesentlichen konstant bleibt.

11. Motor nach Anspruch 9, bei dem die Materialien und Abmessungen des Kolbens, der Lagerpads und der Kolbenführung derart sind, daß das Spiel zwischen der Führung und jedem Pad mit zunehmender Temperatur ganz schwach zunimmt.

12. Stirling-Motor nach Anspruch 9, bei dem das obere Lagerpad durch einen Lagerpadträger (57) getragen ist, der an der Kolbenkörperröhre angebracht ist.

13. Stirling-Motor nach Anspruch 10, bei dem der Träger Belüftungsöffnungen (99) umfaßt, durch welche während des Hin- und Hergehens des Kolbens Gas strömen gelassen wird, um das obere Lagerpad zu kühlen.

14. Stirling-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der vier doppeltwirkende Zylinder aufweist.

15. Motor nach Anspruch 14, bei dem die Zylinder in zwei parallelen Reihen angeordnet sind, wobei die Zylinder einer Reihe um die Hälfte des Abstands zwischen den Zylindern von den Zylindern in der anderen Reihe versetzt sind, und bei dem die Hauptwelle zwischen den unteren Enden der Zylinder mit geringerem Durchmesser liegt.