Technisches Sachgebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf das Sachgebiet der Freikolben-Stirlingmaschinen
und -kühlgeräte, im Allgemeinen bezeichnet als nach dem Stirling-Kreisprozeß
betriebene thermomechanische Wandler. Die Erfindung richtet sich im
Besonderen auf die Steuerung des Leistungsflusses und die Begrenzung des
Hubes bei nach dem Stirling-Kreisprozeß betriebenen thermomechanischen
Wandlern.
Stand der Technik
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Freikolben-Stirlingmaschinen treiben üblicherweise eine mechanische Last wie
eine Pumpe oder einen Elektrogenerator. Freikolben-Stirlingkühlgeräte werden
üblicherweise von einem Elektromotor od. dgl. angetrieben, um Wärme von einem
Ort zu einem anderen zu übertragen, bspw. von dem Innenraum einer
Gefriertruhe zu deren äußerer Umgebung. Aufgrund von Schwankungen der
Leistungsanforderungen einer Last an Maschinen bzw. der
Wärmeübertragungsanforderungen an Kühleinrichtungen muss die
Stirlingmaschine eine Leistungssteuerung aufweisen, um die Leistungsabgabe
des Motors oder den Wärmetransport einer Kühleinrichtung an die Bedürfnisse
des Systems anzupassen, mit dem die Maschine kooperiert. Bspw. muss eine
Freikolben-Stirlingmaschine, welche eine Last treibt, deren Leistungsanforderung
manchmal absinkt oder ansteigt, wie bspw. ein Elektrogenerator, die
Leistungsabgabe der Maschine entsprechend anheben oder absenken.
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Ein damit verbundenes Problem tritt auf, wenn die Belastung eines Motors
abnimmt oder bei einer Kühleinrichtung die Anforderungen an die zu übertragende
Wärme zurückgehen, da die Schwingungsamplitude des Verdrängerkolbens wie
auch des Arbeitskolbens bis jenseits bevorzugter Grenzen ansteigen kann,
woraus Zusammenstöße zwischen internen Maschinenteilen und möglicherweise
Beschädigungen resultieren. Derartige Übersteuerungen resultieren daraus, weil
die der Maschine zugeführte Energie gleich der Summe aus Energieabgabe und
Energieverlusten in der Maschine ist. Wenn eine Lastanforderung sinkt, neigt die
überschüssige, nicht mehr an die Last gekoppelte Energie dazu, den
Verdrängerkolben zu einer höheren Amplitude zu veranlassen, üblicherweise bis
jenseits der maximal erwünschten Amplitude, und dies kann zu einem
Durchgehen führen. Deshalb ist es zusätzlich wünschenswert, die
Schwingungsamplitude des Verdrängerkolbens und des Arbeitskolbens in dem
Fall einer erheblichen Reduzierung der Lastanforderungen zu begrenzen.
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Die US-A-4 912 929 offenbart eine Freikolben-Stirlingmaschine, umfassend eine
Gasfeder mit einer variablen Federkonstante, die zwischen dem Arbeitskolben
und dem Maschinengehäuse, d. h. Masse, angeschlossen ist.
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Die US-A-4 945 726 zeigt eine Gasfeder mit einer variablen Feder, die zwischen
dem Verdrängerkolben einer Freikolben-Stirlingmaschine und der Gehäusemasse
angeschlossen ist.
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem ist, ein Mittel zur Steuerung der
Leistungsabgabe und zur Begrenzung der Amplitude einer Freikolben-
Stirlingmaschine und zur Steuerung des Wärmetransportes eines Stirling-
Kühlgerätes mit Freikolben zu schaffen.
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Dieses Problem wird durch das erfindungsgemäße Konzept gelöst, welches in den
unabhängigen Ansprüchen 1, 5 und 6 definiert ist. Besondere Ausführungsformen
sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Diese Erfindung ist eine Verbesserung eines nach dem Slirling-Kreisprinzip
betriebenen, thermomechanischen Wandlers von dem Typ mit einem
Arbeitskolben und einem Verdrängerkolben, welche frei innerhalb eines Gehäuses
oszillieren. Die Erfindung umfaßt ein Federelement mit einer variablen
Federkonstante und einer Federauslenkung, die proportional zu der relativen
Verschiebung zwischen dem Verdrängerkolben und dem Arbeitskolben ist. Eine
gesteuerte Veränderung der Federkonstante verändert in beeinflußbarer Weise
das Verhältnis der Amplitude des Leistungskolbens zu der Amplitude des
Verdrängerkolbens und verändert auch die relative Phasenverschiebung zwischen
deren Auslenkungen. Dieses wiederum erlaubt eine direkt steuerbare
Veränderung der Motorleistung oder des thermischen Transports, indem die
Federkonstante der Feder gesteuert verändert wird.
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Diese Feder bildet eine Leistungskopplung zwischen dem Verdrängerkolben und
dem Arbeitskolben. Wenn die Feder steifer gemacht wird, d. h. mit einer höheren
Federkonstante K ausgeführt wird, so steigt derjenige Leistungsanteil des
Verdrängerkolbens, der von dem Verdrängerkolben zu dem Arbeitskolben
gekoppelt wird. Infolgedessen beläßt eine erhöhte Federsteifheit dem
Verdrängerkolben weniger Leistung zu dessen Verschiebung, so dass dessen
Amplitude (insbesondere dessen Maximalverschiebung) reduziert wird, und
deshalb wird im Gegenzug die Leistung des Arbeitskolbens reduziert, da der
Verdrängerkolben sodann einen kleineren Bruchteil des Arbeitsgases zwischen
dem heißen und kalten Raum bewegt. Gleichzeitig verändert die zwischen
Verdrängerkolben und Arbeitskolben eingebundene Feder die ebenso große
Resonanz-Federkonstante des Verdrängerkolbens und des Arbeitskolbens, so
dass die Phasenvoreilung des Verdrängerkolbens gegenüber dem Arbeitskolben
reduziert wird, und dadurch wird ebenfalls die Leistung in dem Kreisprozeß
reduziert.
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Die Steuerung des Leistungs- oder Wärmeflusses wird durch eine Veränderung
der Federkonstante als Funktion der Lastanforderung erreicht, entweder manuell
oder automatisch mit einem Steuerungssystem. Bspw. kann eine reduzierte
Lastanforderung erkannt werden, und über ein Steuersystem wird die
Federsteifheit in ausreichendem Umfang erhöht, um eine gleichgroße
Reduzierung der Leistungsabgabe der Maschine hervorzurufen. Bei einem
Stirling-Kühlgerät oder einer Stirling-Wärmepumpe kann die Federkonstante
steifer gemacht werden, um den Durchsatz der gepumpten Wärme zu reduzieren
und dadurch eine übermäßige Kühlung zu vermeiden.
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Während der übliche Weg zur Reduzierung der thermischen Pumprate eines
Kühlgerätes einfach darin besteht, dieses weniger anzutreiben (d. h., die
Eingangsspannung des das Kühlgerät antreibenden Elektromotors zu reduzieren),
wäre das erfindungsgemäße Verfahren zur Veränderung der Federkonstanten
hilfreich, wenn die Amplitude des Kolbens festgelegt ist, oder wenn andere
Einschränkungen hinsichtlich der Leistungssteuerung einer herkömmlichen
Wärmepumpe vorliegen.
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Eine Hubbegrenzung kann erreicht werden durch Veränderung der
Federkonstante als Funktion der Verschiebung des Arbeits- oder
Verdrängerkolbens, so dass die Federkonstante angehoben wird, wenn die
Schwingungsamplitude sich einer vorgegebenen Grenzamplitude nähert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 enthält einen von einer Seite gesehenen Schnitt durch eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine 300 W-Maschine mit einer
variablen, elektromagnetischen Federung zur Steuerung darstellt.
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Fig. 2 enthält einen von der Seite gesehenen Schnitt durch eine andere
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer variablen
Gasfeder.
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In Fig. 3 ist im Rahmen einer graphischen Illustration die Federkonstante
gegenüber der Amplitude für die Ausführungsform nach Fig. 1 aufgetragen.
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In Fig. 4 ist als graphische Illustration die Leistung gegenüber der Amplitude des
Arbeitskolbens für unterschiedliche Steuerungs-Federkonstanten aufgetragen.
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Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in den
Zeichnungen wiedergegeben ist, wird zum Zweck der Klarheit von einer
besonderen Terminologie Gebrauch gemacht. Jedoch ist nicht beabsichtigt, dass
die Erfindung auf die so gewählten, speziellen Begriffe begrenzt wird, vielmehr
wird darauf hingewiesen, dass jeder spezielle Begriff alle technischen Äquivalente
umfaßt, die in ähnlicher Weise betrieben werden, um eine ähnliche Wirkung
hervorzurufen.
Detaillierte Beschreibung
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Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in
Fig. 1 wiedergegeben, die eine Freikolben-Stirlingmaschine 10 mit einem
Verdrängerkolben 12, einem Arbeitskolben 14 und einer zwischen diesen
angeordneten, elektromagnetisch aktivierten Feder 16 zeigt.
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Die Ausführungsform einer variablen Feder entspricht wirkungsmäßig einem
zwischen dem Verdrängerkolben 12 und dem Arbeitskolben 114 angeordneten,
herkömmlichen Linearmotor, wobei der sich bewegende Magnet 18 an dem
Verdrängerkolben 12 und der Flußpfad 20 sowie die Ankerwicklung 22 an dem
Arbeitskolben 14 angeordnet ist. Ein derartiger Linearmotor kann solchermaßen
ausgeführt werden, dass er einen sehr niedrigen Leistungsfaktor hat, indem die
Ankerinduktivität groß konzipiert wird, so dass der Generator einen sehr niedrigen
Leistungsfaktor hat, wenn der Ankerstrom fließt, und die auf den Magnet wirkende
Kraft verzögert die Ankerspannung um einen großen Bruchteil von 90 Grad.
Deshalb liegen die Kräfte nahezu in derselben Phasenbeziehung wie jene bei
einer relativ wirkenden mechanischen Feder, d. h., zumeist proportional zu der
Relativverschiebung zwischen Verdrängerkolben und Arbeitskolben. Eine
derartige, relativ wirkende Feder kann in ihrer Steifheit verändert werden, indem
der Ankerstrom gesteuert wird, wobei der höhere Strom eine höhere
Federkonstante verursacht. Dieser Strom kann mittels herkömmlicher
Stromsteuerschaltkreise gesteuert werden, um bei jedem Kolbenhub die
gewünschte Motorleistung zu erzeugen.
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Bei dieser Ausführungsform verhält sich der Magnet in dem Generator auch wie
eine Feder, selbst ohne einen Ankerstrom. Diese Feder ist leicht negativ bei
niedrigen, relativen Hüben, und wird stärker positiv, wenn der Magnet anfängt,
sich aus dem Flußpfad herauszubewegen. Dies führt bei niedrigen
Relativamplituden zu einem Leistungsfluß von dem Arbeitskolben zu dem
Verdrängerkolben, und zu einem Leistungsfluß von dem Verdrängerkolben zum
Arbeitskolben bei hohen Amplituden, und dient demnach dem nützlichen Effekt
einer Begrenzung der relativen Amplitude des Verdrängerkolbens. Die
elektromagnetische Feder kann auch so konstruiert werden, dass es bei einer
reinen Magnetbewegung keinen Federeffekt gibt, sondern nur einen Federeffekt
infolge eines Ankerstroms.
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Der Steuerstrom des Elektromagneten zur steuerbaren Veränderung der
Federkonstante der elektromagnetischen Feder 16 wird über einen Draht 24
zugeführt, der an dem Gehäuse der Maschine festgelegt und mittels eines
biegsamen Elements an dem Elektromagnet abgestützt ist. Die Steifheit einer
derartigen, elektromagnetischen Feder ist proportional zu dem Strom durch diese
Spule, wie dies wohlbekannt ist. Wenn bspw. der Spulenstrom ansteigt, steigt
auch die Federkonstante K an. Deshalb wird mehr Energie von dem
Verdrängerkolben 12 zu dem Arbeitskolben 14 übergekoppelt. Da mehr Energie
von dem Verdrängerkolben 12 zu dem Arbeitskolben 14 übergekoppelt wird, steht
weniger Energie zum Antrieb des Verdrängerkolbens 12 zur Verfügung. Und
deshalb sinkt die Amplitude des Verdrängerkolbens 12 ab, und dieser verschiebt
weniger Arbeitsgas. Da weniger Arbeitsgas von dem Verdrängerkolben 12
verschoben wird, wird weniger Arbeitsgas zwischen dem Expansions- und dem
Kompressionsraum des Stirlingmotors 10 bewegt, und deshalb wird während der
Expansion und Kompression des Arbeitsgases weniger Arbeit geleistet. Da das
Arbeitsgas den Arbeitskolben 14 antreibt, bedeutet eine niedrigere Arbeitsleistung
des Arbeitsgases, dass weniger Arbeit an dem Kolben 14 verrichtet wird und
demzufolge weniger Leistung von dem Stirlingmotor 10 produziert wird.
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Wenn solchermaßen bei der Ausführungsform nach Fig. 1 die Abgabeleistung
des Motors zu groß ist, führt ein Anstieg des dem Elektromagneten zugeführten
Stroms zu einer Erhöhung der Steifheit der den Arbeitskolben 14 mit dem
Verdrängerkolben 12 koppelnden Feder. Dadurch verursacht wird mehr Energie
von dem Verdrängerkolben 12 zu dem Arbeitskolben 14 übergekoppelt, was eine
Senkung der abgegebenen Leistung bewirkt, wie oben beschrieben.
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Durch Veränderung der Steifheit der Feder wird die Abgabeleistung des Motors
und die Amplitude des Verdrängerkolbens verändert. Die Veränderung der
Steifheit kann beabsichtigt sein, um nur eines dieser beiden Ziele, nämlich eine
Steuerung der Leistung oder des Hubes, zu erreichen, aber als Folge einer
Veränderung der Steifheit wird sich gleichzeitig auch das zweite der beiden
Ergebnisse einstellen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 treibt der Arbeitskolben 14 die
Permanentmagneten 28 eines elektrische Leistung erzeugenden Lineargenerators
30. Die Permanentmagneten vollführen eine lineare Oszillationsbewegung
zwischen den Polstücken 32 und 34, auf welche ein Anker 36 aufgewickelt ist.
Dieser Generator 30 der wiedergegebenen Ausführungsform bildet keinen Teil der
Erfindung. Fig. 1 zeigt auch einen Verbindungsstab 40 für den
Verdrängerkolben, der diesen mit einer Gasfeder verbindet, die in dem Gehäuse
des Motors 10 unverrückbar festgelegt ist, innerhalb des herkömmlichen Zwecken
dienenden Generators 30.
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Den Fachleuten werden sich andere Ausführungsformen eröffnen, um die
Federkonstante allmählicher anzuheben nach Art einer kontinuierlich
ansteigenden Funktion der Auslenkung des Verschiebungs- oder Arbeitskolbens.
Anstatt die Federkonstante K als eine Funktion der Amplitude des
Verdrängerkolbens oder des Arbeitskolbens zu verändern, kann die Steifheit oder
die Federkonstante der Federkopplung zwischen dem Verdrängerkolben und dem
Arbeitskolben durch ein Steuersystem mit einer negativen Rückkopplung
gesteuert werden oder durch ein "intelligentes" computerbasierendes System, das
den Betrieb der Maschine überwacht und die Steifheit der Feder beeinflußt, um
den Betriebspunkt der Maschine zu verändern. Bspw. kann eine menschliche
Bedienperson die Maschine überwachen und die Federkonstante manuell
verändern. Alternativ dazu kann ein rückgekoppeltes Steuersystem vorgesehen
sein, das ein mit einem Computer ausgestattetes Logikgerät enthält, um die
Maschine zu überwachen und automatisch die Steifheit der Feder zu verändern.
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung einer Kurvenschar, wobei die Leistung als
Funktion der Verschiebung des Arbeitskolbens für typische, nach dem Stirling-
Kreisprozeß betriebene Maschinen aufgetragen ist. Jede der Kurven A, B, C, D
und E repräsentiert eine andere Konstante der Steuerungsfeder und demzufolge
ein abweichendes Verhältnis der Bewegungsamplitude des Verdrängerkolbens.
Das Amplitudenverhältnis ist definiert als das Verhältnis der Auslenkung des
Arbeitskolbens zu der Auslenkung des Verdrängerkolbens, Xp/Xd, und ist eine
fallende Funktion der Konstanten K der Steuerfeder, d. h., wenn K anwächst,
nimmt das Amplitudenverhältnis ab. In der Grafik von Fig. 4 haben die Kurven
eine ansteigende Federkonstante in einer Reihenfolge, wobei KA die kleinste
Federkonstante und KD die größte ist.
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Typischerweise wird eine Freikolben-Stirlingmaschine mit einer minimalen
Federkonstante KA gestartet und würde solchenfalls entlang einer Kurve A
betrieben. Wenn die Amplitude des Arbeitskolbens anwächst, wächst auch die
abgegebene Leistung entsprechend, und die Werte folgen der Kurve A. Die
Amplitude XC ist eine ausgewählte, kritische Amplitude, in deren Nähe der
Arbeitskolben in einem normalen Betrieb mit maximaler Abgabeleistung arbeitet.
Es ist wünschenswert, dass die Amplitude des Arbeitskolbens begrenzt wird,
wenn diese die Auslenkung XC überschreitet.
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Wenn die Federkonstante auf KB angehoben wird, arbeitet die Maschine auf der
Kurve B, und weitere Erhöhungen der Federkonstanten bewegen den
Motorbetriebspunkt weiter auf die Kurven C bis D. Wenn die Federkonstante von
KA auf KD als eine Funktion der Amplitude oder als Reaktion auf eine
abnehmende Leistungsanforderung der Last erhöht wird, verändert sich der
Arbeitspunkt der Maschine entlang der Kurve F.
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Die Kurve F ist in Fig. 4 als nicht unterbrochener Wahrscheinlichkeitspfad
dargestellt, dem die Übertragungsfunktionskurve zwischen Leistung und
Auslenkung des Arbeitskolbens folgen wird, wenn sie der vorliegenden Erfindung
unterliegt. Wenn sich die Amplitude des Arbeits- oder Verdrängerkolbens erhöht,
kann das Amplitudenverhältnis durch Justierung des K-Wertes verstellt werden,
sobald die Auslenkung einen vorgegebenen Wert, bspw. XC, überschreitet, so
dass die abgegebene Leistung absinkt. Der Anstieg der Amplitude des
Arbeitskolbens wird dadurch erheblich reduziert. Dies erfolgt durch Anheben der
Federkonstante K, wodurch mehr Energie von dem Verdrängerkolben zu dem
Arbeitskolben übergekoppelt wird, wie oben beschrieben.
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Darüber hinaus zeigt Fig. 1 schematisch ein einfaches Steuerungssystem als ein
Beispiel für die Art eines rückgekoppelten Steuerungssystems, das im Rahmen
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden könnte. Die abgegebene Leistung
des Generators 30 wird in herkömmlicher Weise einer Last 40 zugeführt. Ein
Spannungsdetektor 42 ermittelt die Ausgangsspannung des Generators, und sein
Ausgangssignal wird zusammen mit einem Referenzeingangssignal einem
Summierungsknoten 44 zugeführt. Demzufolge repräsentiert der Ausgang des
Summierungsknotens 44 den Fehler oder die Abweichung zwischen der
gewünschten Ausgangsspannung und dem Referenzeingang. Das Fehlersignal
von dem Summierungsknoten 44 wird über einen
Übertragungsfunktionsschaltkreis mit einer hohen Verstärkung dem Anker der
magnetischen Feder 16 zugeführt, um deren Federkonstante zu verändern und
eine nahezu konstante Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten.
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Diese Erfindung kann auch auf nach dem Stirling-Kreisprozeß betriebene
Kühlgeräte angewendet werden, um die transportierte, thermische Energie in
analoger Form zu verändern. Eine Erhöhung der Federkonstante reduziert den
thermischen Transport, um den Kühleffekt bei einem gegebenen Hub des
Arbeitskolbens zu verändern.
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Sobald einmal die erfindungsgemäßen Grundlagen zur Veränderung der
Federkonstante zwecks Steuerung des Leistungs- oder Wärmetransportes oder
zur Begrenzung der Amplitude des Arbeits- oder Verdrängerkolbens verstanden
sind, ergeben sich für die Fachleute viele verschiedene Arten von Systemen zur
Veränderung der Federkonstante oder werden sich in der Zukunft ergeben.
Beispielsweise können die Federn als Gasfedern oder magnetische Federn oder
Kombinationen ausgebildet sein, einschließlich Kombinationen von mechanischen
und elektromagnetischen Federn. Die Federkonstante von Gasfedern kann
beeinflußt werden, indem der Druck der Gasfeder verändert wird. Darüber hinaus
kann eine Vielzahl von mechanischen Strukturen geschaffen werden, um das
Volumen der Gasfeder zu verändern und um den Druck der Gasfeder durch
Hinein- oder Herauspumpen von Gas in die Gasfederkammer zu verändern.
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Fig. 2 zeigt eine derartige Gasfeder, die einen wahlweisen Ersatz für die in Fig.
1 dargestellte, magnetische Feder bilden kann. Die spezielle, in Fig. 2
wiedergegebene Ausführungsform verwendet ein Magnetventil 50 in
Reihenschaltung mit einem Rückschlagventil 52, um einen Gasfluß während der
Niederdruckphase des Druckzyklus in die Gasfeder hinein zu ermöglichen, und
ein Magnetventil 54 in Reihenschaltung mit einem Rückschlagventil 56, um
während der Hochdruckphase des Kreiszyklus einen Fluß aus der Feder heraus
zu ermöglichen. Solchermaßen wird die Federkonstante oder der Druck willentlich
verändert, indem das eine oder das andere der Magnetventile mittels eines
elektrischen Signals von dem Steuerungssystem betätigt wird.
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In ähnlicher Form werden sich auch eine Vielzahl von Systemen ergeben, um der
Feder eine nichtlineare Charakteristik zu verleihen, da die nichtlinearen
Eigenschaften von Gas- und anderen Federn verstanden sind.
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Ferner werden sich für die Fachleute auch eine Vielzahl von Elementen zum
Ermitteln der Leistung oder des Hubes ergeben, zusammen mit einer erheblichen
Anzahl von Steuerungssystemen unter Verwendung eines Signals mit der
ermittelten Leistung oder dem ermittelten Hub zur Erzeugung eines Steuersignals
für die Veränderung der Federkonstante. Da jedoch die Erfindung grundsätzlich
die Entdeckung ist, dass eine Feder zwischen dem Verdrängerkolben und dem
Arbeitskolben eines Freikolben-Stirlingmotors oder -kühlgerätes gesteuert
verändert werden kann, um den Umfang zu steuern, in dem von der Freikolben-
Stirlingmaschine Arbeit geleistet wird, d. h., Leistung oder Wärme transportiert
wird, und weniger die technologische Ausführung oder die Technologie des
Steuerungssystems, sind diese weiteren Bespiele nicht beigefügt.
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Diese ausdrücklichen Beispiele sollten nicht als Beschränkung der
Allgemeingültigkeit der Erfindung ausgelegt werden, welche in einer variablen
Feder beliebiger Art - elektrisch, mechanisch, pneumatisch, oder anderweitig
besteht, die verändert werden kann, um die Amplitude und Phase des
Verdrängerkolbens und damit die Leistungsabgabe des Stirling-/Kreisprozesses zu
steuern.
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Während bestimmte, bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
im Detail offenbart worden sind, soll darauf hingewiesen werden, dass
verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Rahmen der beigefügten
Ansprüche zu verlassen.