EP3146190A1 - Doppelzylinder-stirling-motor, mehrzylinder-stirling-motor sowie elektroenergie-erzeugungssystem - Google Patents

Doppelzylinder-stirling-motor, mehrzylinder-stirling-motor sowie elektroenergie-erzeugungssystem

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EP3146190A1
EP3146190A1 EP15725538.1A EP15725538A EP3146190A1 EP 3146190 A1 EP3146190 A1 EP 3146190A1 EP 15725538 A EP15725538 A EP 15725538A EP 3146190 A1 EP3146190 A1 EP 3146190A1
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EP
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cylinder
stirling engine
displacement
working
double
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EP15725538.1A
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EP3146190B1 (de
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Jochen Benz
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • F02G2244/54—Double acting piston machines having two-cylinder twin systems, with compression in one cylinder and expansion in the other cylinder for each of the twin systems, e.g. "Finkelstein" engines

Definitions

  • the invention relates to a double-cylinder Stirling engine according to claim 1 with a pair of mutually opposed displacement cylinders and at least one working cylinder.
  • double cylinder in the present application throughout the provision of two opposed displacement cylinders, each with a displacement piston for a motor according to the Stirling principle used, wherein the displacement piston of the displacement cylinder are mechanically coupled by a rigid piston rod.
  • a Stirling engine also called a hot gas engine, is nowadays regarded as a suitable way for the particularly efficient realization of a heat-power coupling.
  • the principle of the Stirling engine is based on the fact that heat is supplied to the engine from the outside in order to heat a working gas permanently taken up in the Stirling engine.
  • the Stirling engine has two different temperature zones, a so-called hot zone and a so-called cold zone, which are located opposite one another in a displacement cylinder of the Stirling engine.
  • the hot region and the cold region heat and cool the working gas trapped in the displacement cylinder, which alternately reciprocates between these regions and is thus alternately heated and cooled.
  • a different expansion of the working gas and thus a pressure wave is accompanied, which translates a received in the working cylinder working piston.
  • the translational movement generated according to the Stirling principle is then advantageously converted into rotational energy.
  • the single-cylinder Stirling engine is exemplified in Fig. 1A.
  • the single-cylinder Stirling engine shown in Fig. 1 A embodies the prior art in the light of the inventor, in which a displacement piston 1 1 of a displacement cylinder 10 of the single-cylinder Stirling engine along a displacement axis 41 parallel to the vertical, ie vertically moves is, and a working piston 21 of a working cylinder 20 of the single-cylinder Stirling engine is moved substantially along a working axis 25 orthogonal to the vertical, ie horizontally. More precisely, the single-cylinder Stirling engine shown in FIG.
  • 1A comprises the displacement cylinder 10, which has a hot region 12, a cold region 13 and the displacement piston 1 1 movable along these axes 12 and 13 along the displacement axis 41, and which is mechanically coupled to a piston rod 30, and the working cylinder 20 with the along the working axis 25 movable working piston 21st Within the displacement cylinder 10 and the working cylinder 20, which are gas-conductively connected to each other by a gas line 18, there is a working gas.
  • the working piston 21 is movable by a pressure change of the working gas along the working axis 25, and its translational movement along the working axis 25 is converted by a movement conversion device into a rotary movement of a rotary shaft of the single-cylinder Stirling engine about a rotation axis 39 of the rotary shaft.
  • the movement conversion device is composed of a movable piston 21 by the working piston 22, a mechanically connected Häkolbenpleuel 23, which in turn is mechanically connected via a hinge device 33 which is radially spaced eccentrically from the axis of rotation 39 of the rotary shaft, with the rotary shaft or a mounted on the rotary shaft crank 37.
  • the displacement piston 1 1 is coupled to the piston rod 30, which is held by a linear guide bearing 31 along the displacement axis 41 movably disposed between the displacement cylinder 10 and the rotation axis 39.
  • the piston rod 30 is connected to a displacement connecting rod 34, which in turn is mechanically connected to the hinge device 33, so that these components are designed as a coupling device for mechanically coupling a movement of the piston rod 30 along the displacement axis 41 and the rotational movement of the rotary shaft.
  • the inventor has further developed the single-cylinder Stirling engine, known from his point of view as prior art and shown in FIG. 1A, to the single-cylinder Stirling engine shown in FIG. 1B.
  • the reference symbols introduced with regard to FIG. 1A also apply unchanged to the components of the single-cylinder Stirling engine illustrated in FIG. 1B, so that identical reference symbols in FIGS. 1A and 1B show identical components of the single-cylinder engines shown in FIG. Designate Stirling engines. Incidentally, this handling of the assignment of reference symbols and components also applies to all embodiments of the invention.
  • FIG. 1B is designed for a mode of operation in which the displacement piston 11 is moved substantially orthogonal to the vertical, ie horizontally along the displacement axis 41, and the working piston 21 is vertical along the working axis 25 is moved.
  • the Stirling engine is that the piston rod 30, as shown in Fig. 1 B, is extended so that the linear guide bearing 31 of the single-cylinder Stirling engine of Fig. 1B no longer between the displacement cylinder 10th and the rotation axis 39 is arranged, but that the rotation axis 39 between the displacement cylinder 10 and the linear guide bearing 31 is arranged.
  • the piston rod 30 is connected to the displacement connecting rod 34 via an extension 32.
  • the existing of four cycles per revolution of the rotary shaft duty cycle of the single-cylinder Stirling engine will be explained below.
  • the engine shown by way of example in FIGS. 2A to 2D is identical to the single-cylinder Stirling engine shown in FIG. 1B. For clarity, only a few of the reference numerals introduced and used in FIG. 1B have been omitted. Further, in Fig. 2A to 2D of the hinge device 33 to be traversed angular positions by the reference numerals 1, 2, 3, 4.
  • a second cycle of the working cycle illustrated in FIG. 2B the working piston 21 is pressed in the direction of top dead center due to the pressure increase of the working gas explained with reference to the first cycle, thereby carrying out work.
  • the translational movement of the working piston is converted into rotational energy via the movement-converting device, so that the rotating shaft rotates about the axis of rotation 39 due to the work performed by the piston.
  • the displacement piston is moved from the angular position 2 to the angular position 3 in the second cycle of the cycle shown in FIG. 2B, so that the displacement piston is moved close to the cold region 13, thus continuing the displacement of the working gas to the hot region 12.
  • DE 490 930 A discloses a high-temperature double-cylinder Stirling engine designed as a hot air engine, wherein the displacement pistons of the displacer cylinders arranged next to one another are connected to one another via an articulated rocker.
  • the object of the present invention is therefore to provide an efficient Stirling engine with more than one cylinder, which advantageously reduces or prevents the multiplication of the above-mentioned friction losses and unnecessarily moved masses. Furthermore, an electric energy generation system provided with the Stirling engine according to the invention is to be provided.
  • the object of the present invention is achieved by a double-cylinder Stirling engine according to claim 1, a multi-cylinder Stirling engine according to claim 10 and / or an electric power generation system according to claim 20.
  • An inventive as a low-temperature PlattenStirling engine trained double-cylinder Stirling engine is equipped with a pair relative to a plane perpendicular to the (common) Verdrängerachse mirror plane mirror symmetry opposite displacement cylinders, each of the displacement cylinder has a hot plate hot area (or hot area ), a cold plate having a cold plate, and a displacement piston movable between these regions along the displacement axis, and wherein the displacement pistons of the pair are mechanically coupled to each other by at least one working cylinder by a rigidly movable piston rod movable along the displacement axis , wherein each displacement cylinder is associated with a working cylinder with a working piston (a working cylinder can, however, be assigned to a plurality of displacement cylinders), the baysko by a possible pressure change of an armature a movement conversion device for converting a movement of the working piston along the working axis into a rotational movement of a rotary shaft of the double-cylinder Stirling engine about an
  • a displacement cylinder is associated with both cylinders.
  • a separate working cylinder is associated with each of the two displacement cylinders, wherein in particular the working cylinders are arranged opposite each other (alternatively, for example, side by side), and wherein the movement conversion device further for converting the movements of the two working cylinder along the Working axis is formed in the rotational movement of the rotary shaft.
  • mirror symmetry is meant that the two displacement cylinders are arranged opposite one another such that the cold regions of the displacement cylinders are arranged adjacent to one another and between the hot regions of the displacement cylinders.
  • the hot regions of the displacement cylinders can be arranged adjacent to one another and between the cold regions of the displacement cylinders.
  • the displacement cylinder can also be a common cold or share hot area (common cold or common hot area).
  • displacement cylinder and in particular displacement piston arranged in opposite directions in the sense of the piston assembly of a boxer engine or aligned.
  • the twin cylinder Stirling engine is a so-called plate Stirling engine for low temperature applications. This is characterized by the fact that the hot and the cold area of each hot or cold plate is formed.
  • a hot or cold plate is understood to mean a flat component which has a smaller thickness than length and width extension.
  • at least the area facing the associated piston side is at least approximately flat.
  • An essential feature of the double-cylinder Stirling engine according to the invention is that the two displacement cylinders relative to the longitudinal extent of the along the common displacement axis extending common piston rod opposite to each other and are mechanically coupled by the movable along the displacement axis rigid piston rod, so that upon movement of the displacement piston of the first displacement from the cold cylinder of the displacement cylinder to the hot region of the displacement cylinder at the same time the displacement piston of the second Displacement cylinder from the hot area to the cold area, preferably with the same amount of movement is moved.
  • this embodiment of the invention enables the double cylinder Stirling engine eliminating an otherwise double-to-be provided piston rod (see Fig. 1 B piston rod 30), and thus also the omission of the thus unnecessarily moved mass, and further the complete omission of the known from Fig. 1 B linear guide bearing 31 and the associated friction losses in a movement of the piston rods.
  • the rigid piston rod according to the invention thanks to the rigid piston rod according to the invention, the complexity of a coupling device for mechanically coupling the movement of the piston rod and the rotational movement of the rotary shaft and the associated moving masses and friction losses can be reduced.
  • an essential feature of the present invention is that the working cylinders, which are associated with the two displacement cylinders, are formed in a particularly advantageous manner.
  • a first alternative of the double-cylinder Stirling engine according to the invention namely a displacement associated with both cylinders a common cylinder.
  • the motion conversion device can be designed to be particularly efficient, since only the translational movement of a single working piston in a rotational movement of the rotary shaft must be implemented.
  • the friction losses and moving masses occurring in the movement-changing device can be significantly reduced.
  • This embodiment according to the invention is also particularly advantageous because only friction losses and moving masses of a single working piston and not of two working pistons are reduced in efficiency.
  • a separate working cylinder is provided for each displacement cylinder.
  • this embodiment of the invention allows realization of thewitsumsetz noticed with reduced friction losses and reduced moving masses, since the kinetic energy generated by the working piston can be applied to a single radially eccentrically spaced on the axis of rotation of the rotary shaft position on the rotary shaft.
  • An embodiment is feasible in which the separate cylinders, in particular with respect to a plane receiving the displacement axis, are arranged opposite one another.
  • both of the abovementioned alternatives of the essential features of the invention have the advantage that a working piston performs work in each cycle, so that a flywheel mounted on the rotary shaft can be omitted for overcoming or passing through the dead centers of the working piston, in particular if at least two the inventive, a common rotary shaft driving double cylinder Stirling engines are used.
  • each of the displacement cylinders has a hot region having a hot plate and a cold region having a cold plate can be realized in two different ways.
  • each displacement cylinder has its own hot plate and cold plate of its own, with all the plates being spaced apart along the displacement axis, so that in total there are four plates in the double cylinder Stirling engine, namely two hot plates and two cold plates Plates to form two hot and two cold areas.
  • the hot regions of the double-cylinder Stirling engine or alternatively the cold regions are formed by a common, either hot or cold region, in particular a common hot or cold plate is particularly preferred, the mutually opposite direction their heating or cooling Cooling effect, wherein the common hot or cold area of the extending along the displacement axis rigid piston rod is interspersed.
  • the construction described above, in which, although each displacement cylinder has a hot plate and a cold plate, the two hot regions or, alternatively, the two cold regions from a common hot or alternatively cold region (ie not formed by two regions separated by an air gap) has considerable advantages in terms of space minimization.
  • the movement conversion device is preferably not located between the displacement cylinders, but adjacent to these along the longitudinal extent of the common displacement axis.
  • the above-described embodiment of the twin-cylinder Stirling engine having a common hot or a common cold area may be both according to the first alternative be realized with a common working cylinder as well as according to the second alternative with separate working cylinders.
  • the common hot region or the common cold region can be formed by a single hot or a single cold plate, in each case comprising two plate sections arranged side by side along the displacer axis.
  • the common hot area or the common cold area is formed by two separate, mutually fixed hot or cold plates.
  • the coupling device comprises a connecting rod, which mechanically couples the piston rod with a joint device mounted radially eccentrically on the rotary shaft, which may, in particular, be a crank.
  • the movement conversion device comprises a connecting rod which mechanically couples the common working piston with a joint device mounted radially eccentrically on the rotary shaft, which can be a crank in particular.
  • the movement conversion device may comprise two connecting rods, each mechanically coupling a different one of the two working pistons with a joint device mounted radially eccentrically on the rotary shaft, which may in particular be a crank.
  • the displacement axis and the working axis are aligned perpendicular to the axis of rotation of the rotary shaft. This allows a particularly efficient realization of the coupling device and the movement conversion device, so that unnecessarily moved masses are eliminated.
  • the double-cylinder Stirling engine is designed for use of helium as the working gas or is equipped with helium as the working gas.
  • each displacement cylinder is designed with a working gas passage such that to implement the Stirling principle in one of the four power strokes described above, the received in the interior of the displacement cylinder working gas from the side of the hot area to the side of the cold Area, through the displacement piston and / or past it, and in the reverse direction can flow.
  • the gap mentioned in the description of the embodiments between the displacement piston of a displacement cylinder and the inner walls of this displacement cylinder, shown by way of example in the figures as gap 17, 17A, 17B, exemplifies one of these possibilities of realization of the working gas passage.
  • a gap When a gap is provided as the working gas passage, it can be chosen to be arbitrarily small, provided that the gap permits flow through the working gas and movement of the displacement piston along the displacement axis.
  • At least one of the displacement piston is designed as a regenerator, characterized in that the displacement piston is provided with passages for the working gas, which are filled with a regenerator material, preferably steel wool.
  • the common working cylinder two spatially separated by the working piston gas chambers for receiving the working gas, which are each gas-conductively connected to a gas space for receiving the working gas of a different one of the displacement cylinder.
  • a gas space of the first displacement cylinder is gas-conductively connected to a gas space of the associated first working cylinder, and separately thereof, a gas space of the second displacement cylinder is gas-conductively connected to a gas space of the second working cylinder associated therewith.
  • gas line with reference numerals 18, 18A and 18B, respectively can also be realized for both alternatives in that the gas spaces directly adjoin one another in a gas-conducting manner, without an additionally provided line section between them is provided.
  • the double-cylinder Stirling engine and in particular its Drehwel- le flywheel-free configured.
  • the double-cylinder Stirling engine is designed as an ultra-low temperature Stirling engine and then also capable of generating rotational energy when the temperature of the hot region is within a temperature range between 80 ° C and 140 ° C and / or below 120 ° C, especially 100 ° C.
  • the object of the present invention is also achieved by a multi-cylinder Stirling engine, which is composed of a plurality of n, where n is at least two of the previously described inventive double-cylinder Stirling engines.
  • the respective rotary shafts of the individual double-cylinder Stirling engines of the multi-cylinder Stirling engine forming plurality are formed by a RescueJwelle.
  • the total rotational shaft may be formed in one piece or may also be formed in several pieces, provided that the several sections are mechanically connected to each other.
  • the respective displacements of the displacement pistons of adjacent ones of the plurality of double-cylinder Stirling engines are respectively 1 / n, that is, the reciprocal of the number of double-cylinder Stirling engines constituting the multi-cylinder Stirling engine of the stroke of the Displacement piston offset from each other or have a clock offset of 180 / n degrees with respect to the movement of the displacement piston to each other. This allows a particularly uniform operation of the multi-cylinder Stirling engine and thus a particularly efficient operation of the engine can be achieved.
  • the multi-cylinder Stirling engine of the present invention may thus be configured as a four-cylinder Stirling engine, six-cylinder Stirling engine, eight-cylinder Stirling engine, ten-cylinder Stirling engine, and so forth.
  • the multi-cylinder Stirling engine according to the invention can also be designed so that the joint devices adjacent to each other
  • this is designed as a four-cylinder Stirling engine by a mechanically coupled arrangement of two of the above-described two-cylinder Stirling engines according to the invention.
  • a displacement of the displacement piston of the first double-cylinder Stirling engine is offset by a half stroke of the displacement piston to a deflection of the displacement piston of the second double-cylinder Stirling engine and has a clock offset of 90 degrees.
  • the hinge means of the two double-cylinder Stirling engines are mounted on the total rotation shaft offset by 90 degrees from each other and are mounted radially from the rotation axis of the total rotation shaft, in particular at an identical distance.
  • the four-cylinder Stirling engine according to the invention provides a very good compromise between the number of cylinders used, the cost of materials and the smooth operation of the Stirling engine.
  • the multi-cylinder Stirling engine is designed as a plate Stirling engine, wherein preferably a plurality of spatially adjacent hot areas (12A, 12C, 12B, 12D) is preferably formed as a continuous hot plate and / or a plurality of spatially adjacent cold areas ( 13A, 13C, 13B, 13D) is preferably formed as a continuous cold plate.
  • the multi-cylinder Stirling engine and in particular its overall rotational shaft are configured flywheel-free, so that the moving masses are reduced to a minimum.
  • an embodiment of the twin cylinder Stirling engine is particularly preferred in which the two positive displacement cylinders of the twin cylinder Stirling engine share a hot region or cold region, i. have a common hot or cold area.
  • Such an embodiment of a double-cylinder Stirling engine or at least two, preferably more than two such double-cylinder Sirling engines are combined in a further development of the invention to a (more than two-cylinder) multi-cylinder Stirling engine. There are different possibilities for this.
  • the double-cylinder Stirling engines coupled in this way are assigned a common movement-converting device which, if required, can be arranged in a region between the double-cylinder Stirling engines coupled via the common piston rod.
  • the double-cylinder Stirling engines coupled in the manner described above have a common, double-acting working cylinder to which the common movement-converting device is preferably assigned.
  • two double-cylinder Stirling engines are arranged so that they directly adjoin one another, such that they share a hot area or a cold area. It is also possible to arrange more than two double-cylinder Stirling engines in this way in series next to each other, wherein preferably each adjacent double-cylinder Stirling engines have a common hot - or alternatively cold area. All pistons of the so arranged double cylinder Stirling engines are connected to each other via a common rigid and extending in the direction of the common displacement axis piston rod and thus move back and forth uniformly. Again, it is possible and preferable to include all those coupled in the manner described above, i.
  • packet-wise or stacked arranged double-cylinder Stirling engines assign a common double-acting cylinder or alternatively two separate, single-acting cylinder, the double-acting cylinder is preferably connected via corresponding gas lines with all displacement cylinders of the double cylinder Stirling engines.
  • each of the working cylinders is gas-conductively connected to half of the displacement cylinders.
  • the present invention provides an electric power generation system having one of the above-described twin cylinder Stirling engines or multi-cylinder Stirling engines of the invention and an electric generator for converting the rotational energy of the shaft of the Stirling engine to the rotary shaft of the Stirling engine. Motors in electrical energy. This can be a Particularly efficient electric power generation system can be realized, which converts heat energy into electrical energy by means of an ultra-low temperature Stirling engine.
  • Fig. 1B shows a schematic view of a single-cylinder Stirling engine serving as a further development of the single-cylinder Stirling engine shown in Fig. 1A as an improved starting point for the present invention
  • Figs. 2A-2D illustrate a sequence of four work cycles of a duty cycle of the single cylinder Stirling engine shown in Fig. 1B; shows an embodiment according to the invention of a double-cylinder Stirling engine according to the first alternative; shows an embodiment according to the invention of a double-cylinder Stirling engine according to the second alternative; an embodiment of a four-cylinder Stirling engine according to the invention, an alternative embodiment of a twin-cylinder Stirling engine according to the first alternative, wherein the two displacement cylinder share a hot area, ie have a common hot area, an alternative embodiment of a double cylinder Stirling engine according to the second alternative, wherein here the separate, single-acting working cylinders are arranged side by side, an alternative embodiment of a four-cylinder Stirling engine, in which the double-cylinder Stirling engines have a common piston rod which rigidly connects all pistons together and wherein the coupled double-cylinder Stirling engines each have a common hot area, and
  • FIG. 9 shows a further alternative embodiment of a four-cylinder Stirling engine in a package design, in which two double-cylinder Stirling engines directly adjoin one another and share a common cold region.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the double-cylinder Stirling engine according to the first alternative according to the invention.
  • the same or similar reference numerals which have already been used to explain Fig. 1 denote the same or similar components as in Fig. 1.
  • the twin-cylinder Stirling engine shown in FIG. 3 comprises two displacement cylinders 10A and 10B.
  • the displacement cylinder 10A has a hot region 12A, a cold region 13A and a displacement piston 11A movable between these regions 12A and 13A along a common displacement axis 41.
  • the displacement piston 1 1 A and 1 1 B are coupled together by a movable along the displacement axis 41 rigid piston rod 40.
  • the displacement cylinders 10A, 10B are mirror images of each other, with respect to an imaginary mirror plane, which is penetrated vertically by the displacement piston 1 1 A and the displacement axis 41.
  • the piston rod 40 is movably supported by two bearings 29A and 29B and sealed to the gas space 15A and 15B, respectively, so as to be impervious to gas.
  • the common working cylinder 20 is provided with a working piston 21, which is movable along a working axis 25, as shown in Fig. 3, according to the first alternative of the invention.
  • a linear or translational movement of the working piston 21 is passed via a working piston rod 22 to a working piston connecting rod 23 connected thereto, which is rotatably connected at its other end to a hinge device 33 which is radially eccentric attached to a crank wheel 37.
  • the crank wheel 37 is mechanically connected to the rotary shaft of the double cylinder Stirling engine.
  • the piston rod 40 is provided with a radially projecting projection 32 from this, at the radially projecting end of a connecting rod 34 is rotatably mounted.
  • the other end of the connecting rod 34 is rotatably attached to the hinge 33.
  • the movement-converting device is embodied by the working piston rod 22, in particular the connecting rod 23 rotatably mounted thereon and the articulation device 33. As illustrated in FIG.
  • the twin-cylinder Stirling engine particularly when grouping at least two twin cylinders, is provided with only one crank wheel 37 but not with a flywheel (see reference numeral 38 in FIG. 1 for comparison).
  • the axis of rotation of the rotary shaft is designated by the reference numeral 39.
  • the common working cylinder 20 has two gas chambers 24A and 24B spatially separated by the working piston 21.
  • the gas space 24A of the working cylinder 20 is gas-conductively connected via a gas line 18A to a gas space 15A of the first displacement cylinder 10A, which together form an outwardly closed space in which a working gas quantity assigned to the first displacement cylinder 10A is inevitably enclosed to the outside.
  • the second gas space 24B of the working cylinder 20 is connected via a gas line 18B to a gas space 15B of the second displacement cylinder 10B. In the second gas space 24B of the working piston 21, the second gas line 18B and the second gas space 15B of the second displacement cylinder 10B a second quantity of working gas is inevitably enclosed to the outside.
  • the connecting rod 34 and the connecting rod 23 are rotatably mounted on the same radially eccentrically mounted on the rotary shaft hinge device 33.
  • the displacement axis 41 and the working axis 25 are aligned perpendicular to the axis of rotation 39 of the rotary shaft.
  • a gap 17 A is provided between the first displacement piston 1 1 A and the inner wall of the first displacement cylinder 10 A. Also between the second displacement piston 1 1 B of the second displacement cylinder 10 B, a gap 17 B is provided. Columns 17A and 17B depicted in Fig.
  • 3 represent the aforementioned working gas passage, have been shown as a column for simplicity of illustration only, and may generally be used in accordance with the invention, as previously indicated, with one having passages from the hot region to the cold region provided a displacement piston, providing a gap between the displacement piston and the inner wall of the displacement cylinder, a working gas bypass line for deflecting a received in the space between the hot region and the displacement piston working gas around the displacement piston around, so on the other side of the displacement piston, to the space between the displacement piston and the cold area and in the reverse direction, or by any combination thereof.
  • the respective displacement piston is provided with passages and regenerator (preferably the passages are filled with a material, preferably steel wool, filled), so that the majority of the displaced working gas through the displacement piston passes through to the other side of the displacement piston and only one, preferably by at least one Order of magnitude, smaller part of the displaced working gas through the gap on the other side of the displacement piston passes.
  • passages and regenerator preferably the passages are filled with a material, preferably steel wool, filled
  • FIG. 4 an embodiment of the invention of the double-cylinder Stirling engine according to the second alternative is illustrated.
  • FIG. 4 to avoid a redundant explanation, only the features of FIG. 4 which are different from FIG. 3 are entered.
  • the double-cylinder Stirling engine exemplified in FIG. 4 comprises two spatially separate working cylinders 20A and 20B.
  • a first working piston 21 A along the working axis 25 is movable.
  • the working piston 21 A is rotatably connected via a working piston rod 22 A with a connecting rod 23 A, which in turn is rotatably mounted on a hinge device 33.
  • the second working cylinder 20B comprises a second working piston 21B, which is rotatably connected via a working piston rod 22B to a connecting rod 23B, which in turn is rotatably connected to the articulation device 33.
  • a total of three connecting rods 34, 23 A and 23 B are rotatably connected to the articulation device 33.
  • the hinge device 33 is designed as a crank and mounted radially eccentrically on a crank wheel 37 which is mechanically connected to the rotatable about the rotation axis 39 rotary shaft.
  • Fig. 5 exemplifies a four-cylinder Stirling engine according to the invention, which is composed of two double-cylinder Stirling engines according to the invention.
  • the reference symbols already explained with reference to FIGS. 3 and 4 denote the same or similar components, so that in order to avoid redundant explanation, only essential differences or further developments of the embodiment with respect to the embodiments described above are to be explained.
  • the four-cylinder Stirling engine shown in Fig. 5 comprises a piston rod 40AB (along a first displacement axis 41 AB), at each end of which a displacement piston 1 1 A and 1 1 B is mounted, and a piston rod 40CD (along a second displacement axis 41 CD), at whose ends in each case a displacement piston 1 1 C or 1 1 D is attached.
  • the deflection of the displacement piston 1 1 A is offset at any time by half of the stroke of the displacement piston 1 1 A relative to the deflection of the displacement piston 1 1 C. The same applies to the deflections with respect to the displacement piston 1 1 B and 1 1 D.
  • a hot region 12A of the first displacement cylinder 10A and a hot region 12C of the displacement cylinder 10C spatially adjacent to the first extension cylinder 10A are preferably formed as a continuous hot plate, as well as the hot regions 12B and 12D are preferably formed as a continuous hot plate are.
  • a respective crank wheel 37AB or 37CD is fixed centrally.
  • On the crank wheel 37AB is mounted radially eccentrically a joint device 33AB whose movement is coupled via a connecting rod 34AB to the piston rod 40AB.
  • crank wheel 37CD and one of these associated hinge device 34CD and the piston rod 40CD are provided.
  • the working piston of the four-cylinder Stirling engine according to the invention in Fig. 5 are not shown.
  • the invention provides various embodiments with respect to the number and arrangement of the working cylinder.
  • a common working cylinder may be provided, or for each of these displacement cylinders, a separate working cylinder may be provided.
  • the invention also includes a four-cylinder Stirling engine in which a common working cylinder is provided for two displacement cylinders of a double-cylinder arrangement, and a separate working cylinder is provided for each of the two other displacement cylinders.
  • a common working cylinder is provided for two displacement cylinders of a double-cylinder arrangement
  • a separate working cylinder is provided for each of the two other displacement cylinders.
  • the power pistons of the four-cylinder Stirling engine according to the invention are arranged and mechanically coupled to the displacement piston, that during operation of the four-cylinder Stirling engine constantly at least one of the working piston performs work. Therefore, the four-cylinder Stirling engine does not require a flywheel.
  • the displacement axes 41 AB and 41 CD, along which the piston rods 40AB and 40CD can be deflected or moved, are parallel to one another. aligned and perpendicular to the axis of rotation 39 of the total rotational shaft 36.
  • the displacement pistons are preferably movable along horizontally oriented displacement axes and / or the working pistons are preferably movable along vertically aligned working axes.
  • the orientation of the displacement cylinder and / or working cylinder on which this preferred embodiment is based also applies according to the invention to Stirling engines, which are composed of more than two of the double-cylinder Stirling engines according to the invention.
  • the multi-cylinder Stirling engine according to the invention is designed as a radial engine so that at least two pairs of mutually mirror-symmetrical opposite displacement cylinders, ie at least two double cylinders, to a circumferential direction, preferably vertically extending, total rotational shaft to each other, preferably in a same Angle offset.
  • the training as a radial engine allows a particularly advantageous arrangement of the total rotational shaft and the moving piston of the multi-cylinder Stirling engine, since thus the effects of the weighting force of the moving parts of the multi-cylinder Stirling engine can be reduced.
  • the embodiment of a double-cylinder Stirling engine shown in FIG. 6 essentially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 3. It can be seen that the two displacement cylinders 10A, 10B supply a common double-acting working cylinder 20 or via this via gas lines 18A, 18B are connected.
  • each of the displacement cylinders 10A, 10B has its own hot area 12A, 12B and its own cold area 13A, 13B.
  • the heating or plate sections designated by the reference symbols 12A, 12B form a common hot region, which can be formed by two hot plates fixed to one another or a common hot plate. It is essential that the common hot area supplies heat to both displacement cylinders 10A, 10B.
  • the motion conversion device is adjacent to both displacement cylinders 10A, 10B and not between them.
  • the exemplary embodiment of a double-cylinder Stirling engine according to FIG. 7 substantially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 4.
  • two single-acting working cylinders are connected in gas-conducting manner to one of the displacement cylinders 10A, 10B via a gas line 18A or 18B are.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 7 substantially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG.
  • the working cylinders are not arranged opposite one another with respect to the displacement axis 41, but instead are located on the same side of the displacement axis 41 and a receiving this level, which also extends perpendicular to a mirror plane to which the displacement cylinder 10A, 10B are arranged mirror-symmetrically.
  • the working cylinders 20A, 20B are located next to each other along the displacement axis 41 and are arranged concurrently along parallel, immediately adjacent working axes 25A, 25B.
  • the exemplary embodiment of a multi-cylinder Stirling engine shows two double-cylinder Stirling engines interconnected via a common rigid piston rod 40, each being constructed as shown in FIG.
  • the motion conversion device is located between the coupled twin Stirling engines, but may alternatively be laterally offset from both.
  • the twin-cylinder Stirling engines are characterized in that they each share a common hot area - alternatively, it is possible that both share a cold area.
  • a significant advantage in the multi-cylinder Stirling engine shown is that all displacement cylinders 10A, 10B, 10C, 10D share a common, double-acting working cylinder 20 - in concrete terms, the displacement cylinders 10A, 10D oriented in the same direction over each a gas line 18A, 18D connected to a common gas space 24A and the other two displacement cylinder 10b and 10c via a respective gas line 18B, 18C with the opposite, common gas space 24B of the common working cylinder 20.
  • the embodiment shown is alternatively also with separate, simple acting working cylinders 20 realized.
  • the shown multi-cylinder Stirling engine is scalable, in particular analogous to the exemplary embodiment according to FIG. 5, in that two or more double-cylinder Stirling engines coupled in each case via a common piston rod are moved along the (common) seed) axis of rotation 39 are arranged side by side and drive the common axis of rotation 39.
  • a multi-cylinder Stirling engine which is exemplified here as a four-cylinder Stirling engine, but in principle is arbitrarily expandable to other double-cylinder Stirling engines.
  • the two double-cylinder Stirling engines arranged along the common piston rod 40 have a common cold region 13B, 13C.
  • the dual cylinder Stirling engines each have a common hot region 12A, 12B, 12C, and 12D, respectively.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelzylinder-Stirling-Motor, mit einem Paar von einander spiegelsymmetrisch bezogen auf eine sich senkrecht zu einer Verdrängungsachse (41) erstreckenden Spiegelebene gegenüberliegenden Verdrängungszylindern (10A, 10B), wobei jeder der Verdrängungszylinder einen eine heiße Platte aufweisenden heißen Bereich (12A, 2B), einen eine kalte Platte, und einen zwischen diesen Bereichen ent- lang der Verdrängungsachse (41) bewegbaren Verdrängungskolben (11A, 1B) aufweist, und wobei die Verdrängungskolben des Paares durch eine entlang der als gemeinsame Verdrängungsachse (41) der Verdrängungskolben (11A, 11B) des Paares ausgebildete Verdrängungsachse (41) bewegbare starre Kolbenstange (40) miteinander mechanisch gekoppelt sind.

Description

Doppelzylinder-Stirlinq-Motor, Mehrzylinder-Stirlinq-Motor sowie Elektro- enerqie-Erzeuqunqssystem
Die Erfindung betrifft einen Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1 mit einem Paar voneinander gegenüberliegenden Verdrängungszylindern und mindestens einem Arbeitszylinder. Mit dem Begriff des Doppelzylinders wird in der vorliegenden Anmeldung durchweg die Bereitstellung von zwei gegenüberliegenden Verdrängungszylindern mit je einem Verdrängungskolben für einen Motor nach dem Stirling-Prinzip verwendet, wobei die Verdrängungskolben der Verdrängungszylinder durch eine starre Kolbenstange mechanisch gekoppelt sind. Der Einsatz eines Stirling-Motors, auch Heißgasmotor genannt, wird heutzutage als ein geeigneter Weg zur besonders effizienten Realisierung einer Wärme-Kraft-Kopplung angesehen. Grundsätzlich basiert das Prinzip des Stirling-Motors darauf, dass dem Motor von außen Wärme zugeführt wird, um ein in dem Stirling-Motor dauerhaft aufgenommenes Arbeitsgas zu erwärmen. Genauer genommen hat der Stirling-Motor zwei unterschiedliche Temperaturzonen, nämlich einen so genannten heißen Bereich und einen so genannten kalten Bereich, die sich gegenüberliegend zueinander in einem Verdrängungszylinder des Stirling-Motors befinden. Der heiße Bereich und der kalte Bereich erwärmen bzw. kühlen das in dem Verdrängungszylinder eingeschlossene Arbeitsgas, das zwischen diesen Bereichen abwechselnd hin- und herbewegt und damit abwechselnd erhitzt und abgekühlt wird. Mit den Temperaturunterschieden des Arbeitsgases geht eine unterschiedliche Ausdehnung des Arbeitsgases und somit eine Druckwelle einher, die einen in dem Arbeitszylinder aufge- nommenen Arbeitskolben translatorisch bewegt. Die gemäß dem Stirling- Prinzip erzeugte translatorische Bewegung wird anschließend vorteilhaft in Rotationsenergie umgesetzt. Zur besseren Verdeutlichung der Wirkungsweise eines Motors nach dem Stirling-Prinzip und insbesondere zum Aufzeigen der Probleme, die bei der Realisierung eines derartigen Motors entstehen und durch die vorlie- gende Erfindung gelöst werden sollen, wird im Folgenden der grundsätzliche Aufbau und der Arbeitszyklus eines Stirling-Motors am Beispiel eines Einzylinder-Stirling-Motors erläutert.
Der Einzylinder-Stirling-Motor ist beispielhaft in Fig. 1 A veranschaulicht. Der in Fig. 1 A dargestellte Einzylinder-Stirling-Motor verkörpert aus der Sichts des Erfinders den Stand der Technik, bei dem ein Verdrängungskolben 1 1 eines Verdrängungszylinders 10 des Einzylinder-Stirling-Motors entlang einer Verdrängungsachse 41 parallel zur Lotrechten, also vertikal, bewegt wird, und ein Arbeitskolben 21 eines Arbeitszylinders 20 des Ein- zylinder-Stirling-Motors im wesentlichen entlang einer Arbeitsachse 25 orthogonal zur Lotrechten, also horizontal, bewegt wird. Genauer genommen umfasst der in Fig. 1 A dargestellte Einzylinder-Stirling-Motor den Verdrängungszylinder 10, der einen heißen Bereich 12, einen kalten Bereich 13 und den zwischen diesen Bereichen 12 und 13 entlang der Ver- drängungsachse 41 bewegbaren Verdrängungskolben 1 1 aufweist, und der mit einer Kolbenstange 30 mechanisch gekoppelt ist, und den Arbeitszylinder 20 mit dem entlang der Arbeitsachse 25 bewegbaren Arbeitskolben 21 . Innerhalb des Verdrängungszylinders 10 und des Arbeitszylinders 20, die durch eine Gasleitung 18 gasleitend miteinander verbunden sind, befindet sich ein Arbeitsgas. Der Arbeitskolben 21 ist durch eine Druckänderung des Arbeitsgases entlang der Arbeitsachse 25 bewegbar, und dessen translatorische Bewegung entlang der Arbeitsachse 25 wird durch eine Bewegungsumsetzeinrichtung in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Einzylinder-Stirling-Motors um eine Drehachse 39 der Drehwelle um- gesetzt. Die Bewegungsumsetzeinrichtung ist zusammengesetzt aus einer durch den Arbeitskolben 21 bewegbaren Arbeitskolbenstange 22, einem damit mechanisch verbundenen Arbeitskolbenpleuel 23, das wiederum über eine Gelenkeinrichtung 33, die radial exzentrisch von der Drehachse 39 der Drehwelle beabstandet ist, mit der Drehwelle bzw. einem an der Drehwelle angebrachten Kurbelrad 37 mechanisch verbunden ist.
Der Verdrängungskolben 1 1 ist mit der Kolbenstange 30 gekoppelt, die von einem Linear-Führungslager 31 entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbar gehalten wird, das zwischen dem Verdrängungszylinder 10 und der Drehachse 39 angeordnet ist. Die Kolbenstange 30 ist mit einem Ver- drängungspleuel 34 verbunden, das wiederum mit der Gelenkeinrichtung 33 mechanisch verbunden ist, so dass diese Komponenten als Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der Kolbenstange 30 entlang der Verdrängungsachse 41 und der Drehbewegung der Drehwelle ausgelegt sind.
Um zu der beanspruchten Erfindung zu gelangen, hat der Erfinder den aus seiner Sicht als Stand der Technik bekannten und in Fig. 1 A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor zu dem in Fig. 1 B dargestellten Einzylin- der-Stirling-Motor weiterentwickelt. Die bezüglich Fig. 1 A eingeführten Be- zugszeichen gelten unverändert auch für die in Fig. 1 B dargestellten Komponenten des Einzylinder-Stirling-Motors, so dass identische Bezugszeichen in Fig. 1 A und Fig. 1 B identische Komponenten der jeweils gezeigten Einzylinder-Stirling-Motoren bezeichnen. Diese Handhabung der Zuordnung von Bezugszeichen und Komponenten gilt übrigens auch für alle Ausführungsformen der Erfindung. Der in Fig. 1 B gezeigte weiterentwickelte Einzylinder-Stirling-Motor ist für eine Arbeitsweise ausgebildet, bei der der Verdrängungskolben 1 1 im wesentlichen orthogonal zur Lotrechten, also horizontal, entlang der Verdrängungsachse 41 bewegt wird, und der Arbeitskolben 21 entlang der Arbeitsachse 25 vertikal bewegt wird. Die konstruktive Weiterentwicklung des in Fig. 1 B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors gegenüber dem in Fig. 1 A dargestellten Einzylin- der-Stirling-Motor besteht darin, dass die Kolbenstange 30, wie in Fig. 1 B dargestellt, so verlängert ist, dass das Linear-Führungslager 31 des Einzy- linder-Stirling-Motors von Fig. 1 B nicht mehr zwischen dem Verdrängungszylinder 10 und der Drehachse 39 angeordnet ist, sondern dass die Drehachse 39 zwischem dem Verdrängungszylinder 10 und dem Linear- Führungslager 31 angeordnet ist. Ferner ist bei dem in Fig. 1 B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motor die Kolbenstange 30 über einen Fortsatz 32 mit dem Verdrängungspleuel 34 verbunden. Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des in Fig. 1 A und Fig. 1 B gezeigten Einzylinder-Stirling-Motors wird der aus vier Arbeitstakten je Umdrehung der Drehwelle bestehende Arbeitszyklus des Einzylinder- Stirling-Motors im Folgenden erläutert. Der in Fig. 2A bis 2D beispielhaft dargestellte Motor ist dabei identisch mit dem in Fig. 1 B dargestellten Ein- zylinder-Stirling-Motor. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden lediglich einige der in Fig. 1 B eingeführten und verwendeten Bezugszeichen weggelassen. Ferner wurden in Fig. 2A bis 2D von der Gelenkeinrichtung 33 zu durchlaufende Winkelpositionen mit den Bezugszeichen 1 , 2, 3, 4 bezeichnet.
In einem ersten, in Fig. 2A dargestellten Takt des Arbeitszyklus des Einzylinder-Stirling-Motors wird der Arbeitskolben 21 durch seinen unteren Totpunkt bewegt, wobei die für diese Bewegung erforderliche Energie in einem mit der Drehwelle verbundenen Schwungrad 38 (siehe Fig. 1 B) ge- speichert ist bzw. entnommen/umgewandelt wird. Bei dem im Fig. 2A bis Fig. 2D dargestellten Arbeitszyklus wird davon ausgegangen, dass die Drehwelle sich gegen den Uhrzeigersinn dreht und somit die Gelenkeinrichtung 33 auf einer gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Kreislaufbahn bewegt wird. Folglich wird im ersten Takt des Arbeitszyklus aufgrund der Kopplung der Gelenkeinrichtung 33 über die Kolbenstange 30 der Verdrängungskolben 1 1 in Richtung des kalten Bereichs 13 bewegt. Dabei verschiebt der Verdrängungskolben 1 1 das Arbeitsgas zu dem heißen Bereich 12, wobei das Arbeitsgas in dem Verdrängungszylinder durch einen zwischen dem Verdrängungskolben und Innenwänden des Verdrängungszylinders bereitgestellten Spalt und/oder durch Öffnungen/Löcher in dem Verdrängungskolben strömt. Der Arbeitskolben verrichtet in diesem Arbeitstakt keine Arbeit. Das von dem kalten Bereich 13 zu dem heißen Bereich 12 verschobene Arbeitsgas wird folglich aufgeheizt, was in einer Druckerhöhung des Arbeitsgases resultiert, das innerhalb des Verdrängungszylinders und dem damit über eine Gasleitung verbundenen Ar- beitszylinder aufgenommen ist.
In einem in Fig. 2B veranschaulichten zweiten Takt des Arbeitszyklus wird der Arbeitskolben 21 aufgrund der mit Bezug zu dem ersten Takt erläuterten Druckerhöhung des Arbeitsgases in Richtung des oberen Totpunktes gedrückt und verrichtet dabei Arbeit. Die translatorische Bewegung des Arbeitskolbens wird über die Bewegungsumsetzeinrichtung in Rotationsenergie umgesetzt, so dass die Drehwelle sich aufgrund des Arbeit verrichtenden Kolbens um die Drehachse 39 dreht. Der Verdrängungskolben wird bei dem in Fig. 2B dargestellten zweiten Takt des Arbeitszyklus von der Winkelposition 2 zu der Winkelposition 3 bewegt, so dass der Verdrängungskolben dicht an den kalten Bereich 13 bewegt wird und somit die Verschiebung des Arbeitsgases zu dem heißen Bereich 12 fortsetzt.
In dem in Fig. 2C dargestellten dritten Takt des Arbeitszyklus (Bewegung von der Winkelposition 3 zu der Winkelposition 4) wird der Arbeitskolben durch den oberen Totpunkt mit Hilfe der in dem Schwungrad 38 gespeicherte Energie bewegt. Der Verdrängungskolben wird nun entlang der Verdrängungsachse von dem kalten Bereich 13 zu dem heißen Bereich 12 bewegt, so dass das Arbeitsgas von dem heißen Bereich 12 in den kalten Bereich 13 verschoben wird. Daher beginnt das Arbeitsgas, sich abzuküh- len und einen Unterdruck zu erzeugen. Der Arbeitskolben 21 verrichtet in dem dritten Takt keine Arbeit.
In dem in Fig. 2D dargestellten vierten Takt des Arbeitszyklus (Bewegung von der Winkelposition 4 zu der Winkelposition 1 ) wird der Arbeitskolben aufgrund des erzeugten Unterdrucks in Richtung des unteren Totpunkts gezogen und verrichtet dabei Arbeit. Der Verdrängungskolben wird nah zu dem heißen Bereich ausgelenkt und verschiebt somit das Arbeitsgas weiter in den kalten Bereich, so dass die Abkühlung und die Unterdrucker- zeugung fortgesetzt werden können, bis der Arbeitskolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat, und der Arbeitszyklus beginnend mit dem ersten Takt (siehe Fig. 2A) kontinuierlich wie oben geschildert wiederholt wird.
Allgemein ist es für den Einsatz von Stirling-Motoren im Kontext einer Wärme-Kraft-Kopplung besonders wichtig, dass diese effizient und sowohl mit niedrigen Temperaturen als auch mit einer niedrigen Differenz zwischen der an dem heißen Bereich vorherrschenden Temperatur und der an dem kalten Bereich vorherrschenden Temperatur betrieben werden können.
Dem effizienten Einsatz des oben geschilderten Einzylinder-Stirling- Motors steht vor allen Dingen entgegen, dass dieser nur in zwei der vier Arbeitstakte eines Arbeitszyklus über seinen Arbeitskolben Arbeit verrichtet, und in den anderen zwei Takten der Arbeitskolben über den unteren bzw. oberen Totpunkt mit Hilfe der in dem Schwungrad gespeicherten Energie bewegt werden muss. Bei einer Anordnung mehrerer der oben geschilderten Einzylinder-Stirling-Motoren, die mit einem relativen Taktversatz zueinander betrieben werden, kann erreicht werden, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens einer der Arbeitskolben Arbeit verrichtet, so dass kein Schwungrad zur Bewegung eines Arbeitskolbens durch einen Totpunkt erforderlich ist. Dieser Vorteil trifft besonders für Motoren mit vier oder mehr Zylindern zu.
Bei einer gekoppelten Anordnung mehrfacher Einzylinder-Stirling-Motoren gemäß dem oben dargestellten Typ vervielfachen sich aber auch die Reibungsverluste und die bewegten Massen entsprechend der bereitgestellten Zylinderanzahl. Diese Nachteile stehen der Entwicklung eines hocheffizienten Stirling-Motors mit einem Einsatzgebiet niedriger Temperaturen und niedriger Temperaturdifferenzen im Weg.
Aus der DE 490 930 A ist ein als Heißluftmaschine ausgebildeter Hoch- temperatur-Doppelzylinder-Stirling-Motor bekannt, wobei die Verdrängerkolben der nebeneinander angeordneten Verdrängerzylinder über eine Gelenkwippe miteinander verbunden sind.
Die DE 37 23 950 A1 beschreibt einen Hochtemperatur-Stirling-Motor mit komplexer Verdrängerkolbenkopplung.
Zum weiteren Stand der Technik werden die DE 20 2009 01 6 564 U1 und die DE 20 2009 000 309 U1 genannt.
In der DE 195 34 379 ist ein Stirling-Motor in Paket-Bauweise beschrieben, wobei hier zwei Gruppen von Verdrängerkolben vorgesehen sind und die Verdrängerkolben jeder Gruppe von einer eigenen Kolbenstange be- wegt werden. Da die Verdrängerkolben einer Gruppe jeweils zwischen den Verdrängerkolben der anderen Gruppe angeordnet sind, werden sie von deren Kolbenstange durchsetzt, was zu Abdichtungsproblemen und damit geringen Wirkungsgraden führt. Aus der DE 26 08 959 ist ein alternativer Stirling-Motor in Paket-Bauweise bekannt, wobei hier die Zylinderräume von außen her beheizt werden und zwischen benachbarten Kolben lediglich eine nicht-beheizte oder gekühlte Trennwand angeordnet ist, im Wesentlichen nur um die Druckverhältnisse zu trennen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen effizienten Stirling-Motor mit mehr als einem Zylinder bereitzustellen, der auf vorteilhafte Weise die Vervielfachung der oben erwähnten Reibungsverluste und unnötig bewegten Massen reduziert bzw. verhindert. Ferner soll ein mit dem erfindungsgemäßen Stirling-Motor versehenes Elektroener- gie-Erzeugungssystem bereitgestellt werden.
Die Aufgabe der folgenden Erfindung wird durch einen Doppelzylinder- Stirling-Motor gemäß Anspruch 1 , einen Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 10 und/oder ein Elektroenergie-Erzeugungssystem gemäß Anspruch 20 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer als Niedertemperatur-PlattenStirling-Motor ausgebildeter Doppelzylinder-Stirling-Motor ist ausgestattet mit einem Paar voneinander bezogen auf eine senkrecht zur (gemeinsame) Verdrängerachse angeordneten Spiegelebene spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern, wobei jeder der Verdrängungszylinder einen eine heiße Platte aufweisenden heißen Bereich (bzw. Heißbereich), einen eine kalte Platte aufweisenden kalten Bereich (bzw. Kaltbereich), und einen zwischen diesen Bereichen entlang der Verdrängungsachse bewegbaren Verdrängungskolben aufweist, und wobei die Verdrängungskolben des Paares durch eine entlang der Verdrängungsachse bewegbare starr ausgebildete Kolbenstange miteinander mechanisch gekoppelt sind, mindestens einem Arbeitszylinder, wobei jedem Verdrängungszylinder ein Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben zugeordnet ist (einem Arbeitszylin- der können jedoch mehrere Verdrängungszylinder zugeordnet sein), wobei der Arbeitskolben durch eine bewirkbare Druckänderung eines Ar- beitsgases, das innerhalb des Verdrängungszylinders und des damit gasleitend verbundenen Arbeitszylinders eingeschlossen aufgenommen ist, entlang einer Arbeitsachse bewegbar ist, einer Bewegungsumsetzeinrichtung zum Umsetzen einer Bewegung des Arbeitskolbens entlang der Ar- beitsachse in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Doppelzylinder- Stirling-Motors um eine Drehachse der Drehwelle, einer Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der starren Kolbenstange entlang der Verdrängungsachse und der Drehbewegung der Drehwelle.
Gemäß einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder- Stirling-Motors ist beiden Verdrängungszylindern ein gemeinsamer Arbeitszylinder zugeordnet. Gemäß einer zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder- Stirling-Motors ist jedem der beiden Verdrängungszylinder jeweils ein separater Arbeitszylinder zugeordnet, wobei insbesondere die Arbeitszylinder zueinander gegenüberliegend (alternativ beispielsweise nebeneinander) angeordnet sind, und wobei die Bewegungsumsetzeinrichtung ferner zum Umsetzen der Bewegungen der beiden Arbeitszylinder entlang der Arbeitsachse in die Drehbewegung der Drehwelle ausgebildet ist.
Mit dem Begriff spiegelsymmetrisch ist dabei gemeint, dass die zwei Verdrängungszylinder derart gegenüberliegend angeordnet sind, dass die kalten Bereiche der Verdrängungszylinder zueinander benachbart und zwischen den heißen Bereichen der Verdrängungszylinder angeordnet sind. Alternativ können auch die heißen Bereiche der Verdrängungszylinder zueinander benachbart und zwischen den kalten Bereichen der Verdrängungszylinder angeordnet sein. Wie später noch erläutert werden wird können sich die Verdrängerzylinder auch einen gemeinsamen kalten oder heißen Bereich teilen (gemeinsamer kalter bzw. gemeinsamer heißer Bereich).
Mit dem Begriff gegenüber ist gemeint, dass die Verdrängungszylinder und insbesondere Verdrängungskolben in aneinander entgegen gesetzte Richtungen im Sinne der Kolbenanordnung eines Boxer-Motors angeordnet bzw. ausgerichtet sind.
Die Begriffe des heißen Bereiches und des kalten Bereiches verweisen darauf, dass an dem heißen Bereich eines Verdrängungszylinders eine höhere Temperatur als an dem kalten Bereich des Verdrängungszylinders anliegt bzw. an dem heißen Bereich Wärmeenergie zugeführt wird, während an dem kalten Bereich Wärmeenergie abgeführt wird. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Doppelzylinder-Stirling-Motor um einen sogenannten Platten-Stirling-Motor für Niedertemperaturanwendungen. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass der heiße und der kalte Bereich von jeweils einer heißen bzw. kalten Platte gebildet ist. Unter einer heißen bzw. kalten Platte wird ein flächiges Bauteil verstanden, wel- ches eine geringere Dicken- als Längen- und Breitenerstreckung aufweist. Bevorzugt ist zumindest die dem zugehörigen Kolben zugewandte Flächenseite zumindest näherungsweise eben. Es ist jedoch auch denkbar konvex oder konkav gewölbte Platten mit konvex oder konkav gewölbter, dem jeweiligen Kolben zugewandter Flächenseite zu realisieren, wobei es bevorzugt ist, wenn die Vertiefung bzw. Erhöhung durch die Wölbung eine Tiefe bzw. Höhe von 20% des Radius des zugehörigen Verdrängungszylinders nicht überschreitet.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Doppelzylinder- Stirling-Motors ist, dass die zwei Verdrängungszylinder bezogen auf die Längserstreckung der sich entlang der gemeinsamen Verdrängungsachse erstreckenden, gemeinsamen Kolbenstange gegenüberliegend zueinander angeordnet und durch die entlang der Verdrängungsachse bewegbare starre Kolbenstange mechanisch miteinander gekoppelt sind, so dass bei einer Bewegung des Verdrängungskolbens des ersten Verdrängungszy- linders von dem kalten Bereich des Verdrängungszylinders zu dem heißen Bereich des Verdrängungszylinders gleichzeitig der Verdrängungskolben des zweiten Verdrängungszylinders von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich, bevorzugt mit dem identischen Bewegungsausmaß, bewegt wird.
Im Vergleich zu einer zweifachen Anordnung des in Fig. 1 B veranschaulichten Einzylinder-Stirling-Motors ermöglicht diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Doppeizylinder-Stirling-Motors die Eliminierung einer ansonsten doppelt vorzusehenden Kolbenstange (siehe Fig. 1 B Kolben- Stange 30), und somit auch den Wegfall der damit unnötig bewegten Masse, und ferner das komplette Wegfallen der aus Fig. 1 B bekannten Linear- Führungslager 31 und der damit verbundenen Reibungsverluste bei einer Bewegung der Kolbenstangen. Außerdem können dank der erfindungsgemäßen starren Kolbenstange die Komplexität einer Kopplungseinrich- tung zum mechanischen Koppeln der Bewegung der Kolbenstange und der Drehbewegung der Drehwelle und die damit einhergehenden bewegten Massen und Reibungsverluste reduziert werden.
Ferner ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Arbeitszylinder, die den zwei Verdrängungszylindern zugeordnet sind, auf besonders vorteilhafte Weise ausgebildet sind. Gemäß einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Doppeizylinder-Stirling-Motors ist nämlich beiden Verdrängungszylindern ein gemeinsamer Arbeitszylinder zugeordnet. Durch diesen gemeinsamen, doppelt wirkenden Arbeitszylinder kann die Bewegungsumsetzeinrichtung besonders effizient ausgestaltet werden, da nur die translatorische Bewegung eines einzigen Arbeitskolbens in eine rotatorische Bewegung der Drehwelle umgesetzt werden muss. Dadurch können die in der Bewegungsumsetzeinrichtung auftretenden Reibungsverluste und bewegten Massen deutlich reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist diese erfindungsgemäße Ausbildung auch deshalb, weil nur Reibungsverluste und bewegte Massen eines einzigen Arbeitskolbens und nicht von zwei Arbeitskolben effizienzmindernd anfallen.
Gemäß der zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder- Stirling-Motors wird für jeden Verdrängungszylinder ein separater Arbeitszylinder bereitgestellt. Besonders in Kombination mit der starren Kolbenstange ermöglicht diese erfindungsgemäße Ausbildungsform eine Realisierung der Bewegungsumsetzeinrichtung mit reduzierten Reibungsverlusten und reduzierten bewegten Massen, da die durch die Arbeitskolben erzeugte Bewegungsenergie an einer einzelnen radial exzentrisch an der Drehachse der Drehwelle beabstandeten Position auf die Drehwelle aufgebracht werden kann. Realisierbar ist eine Ausführungsform, bei der die separaten Zylinder, insbesondere bezogen auf eine die Verdrängungsachse aufnehmende Ebene einander gegenüberliegend angeordnet sind. Es ist jedoch alternativ auch eine Ausführungsform mit einfach wirkendem Arbeitszylinder realisierbar, bei der die Arbeitszylinder auf einer gemeinsamen Seite der vorgenannten Ebene nebeneinander angeordnet sind, insbesondere entlang der Verdrängerachse oder senkrecht zu dieser nebeneinander. Ferner bieten beide der oben aufgeführten Alternativen der wesentlichen Erfindungsmerkmale den Vorteil, dass in jedem Takt ein Arbeitskolben Arbeit verrichtet, so dass ein an der Drehwelle angebrachtes Schwungrad zur Überwindung bzw. zum Durchlaufen der Totpunkte des bzw. der Arbeitskolben entfallen kann, insbesondere wenn mindestens zwei der erfin- dungsgemäßen, eine gemeinsame Drehwelle antreibenden Doppelzylin- der-Stirling-Motoren zum Einsatz kommen. Wie eingangs bereits angedeutet, lässt sich das Merkmal, dass jeder der Verdrängungszylinder einen eine heiße Platte aufweisenden heißen Bereich und einen eine kalte Platte aufweisenden kalten Bereich aufweist auf zwei unterschiedliche Arten realisieren. Gemäß einer ersten möglichen Realisierungsform hat jeder Verdrängungszylinder eine eigene heiße Platte und eine eigene kalte Platte, wobei sämtliche Platten entlang der Verdrängungsachse voneinander beabstandet sind, so dass insgesamt bei dem Doppelzylinder-Stirling-Motor vier Platten vorgesehen sind, nämlich zwei heiße Platten und zwei kalte Platten zur Bildung von zwei heißen und zwei kalten Bereichen. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Realisierungsform, bei der die heißen Bereiche des Doppelzylinder-Stirling-Motors oder alternativ die kalten Bereiche von einem gemeinsamen, entweder heißen oder kalten Bereich, insbesondere einer gemeinsamen heißen oder kalten Platte gebildet sind, die ineinander entgegengesetzte Richtung ihre heizende bzw. kühlende Wirkung entfalten, wobei der gemeinsame heiße oder kalte Bereich von der sich entlang der Verdrängungsachse erstreckenden starren Kolbenstange durchsetzt ist. Die zuvor beschriebene Bauweise, bei welcher zwar jeder Verdrängungszylinder einen heißen Bereich bzw. eine heiße Platte und einen kalten Bereich bzw. eine kalte Platte aufweist, die beiden heißen Bereiche oder alternativ die beiden kalten Bereiche jedoch von einem gemeinsamen heißen oder alternativ kalten Bereich (d.h. nicht von zwei über einen Luftspalt getrennten Bereichen) gebildet sind, hat im Hinblick auf eine Bauraumminimierung erhebli- che Vorteile. In diesem Fall befindet sich auch die Bewegungsumsetzeinrichtung bevorzugt nicht zwischen den Verdrängungszylindern, sondern benachbart zu diesen entlang der Längserstreckung der gemeinsamen Verdrängungsachse. Die zuvor beschriebene Ausführungsform des Doppelzylinder-Stirling-Motors mit einem gemeinsamem heißen oder einem gemeinsamem kalten Bereich kann sowohl gemäß der ersten Alternative mit einem gemeinsamen Arbeitszylinder als auch gemäß der zweiten Alternative mit separaten Arbeitszylindern realisiert werden.
Grundsätzlich ist es möglich, dass der gemeinsame heiße Bereich oder der gemeinsame kalte Bereich von einer einzigen heißen bzw. einer einzigen kalten Platte, jeweils umfassend zwei entlang der Verdrängerachse nebeneinander angeordnete Plattenabschnitt gebildet ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der gemeinsame heiße Bereich bzw. der gemeinsame kalte Bereich von jeweils zwei separaten, aneinander festgelegten heißen bzw. kalten Platten gebildet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Kopplungseinrichtung ein Pleuel, das die Kolbenstange mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrich- tung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppelt. Gemäß der oben erwähnten ersten Alternative umfasst gemäß einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform, die Bewegungsumsetzeinrichtung ein Pleuel, das den gemeinsamen Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung, die insbe- sondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppelt. Gemäß der oben erwähnten zweiten Alternative kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform die Bewegungsumsetzeinrichtung zwei Pleuel umfassen, die jeweils einen unterschiedlichen der beiden Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrich- tung, die insbesondere eine Kurbel sein kann, mechanisch koppeln. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine Realisierung der Kopplungseinrichtung bzw. Bewegungsumsetzeinrichtung mit reduzierten Reibungsverlusten und bewegten Massen. Gemäß einer Weiterbildung der zuvor erwähnten Kopplungseinrichtung und/oder Bewegungsumsetzeinrichtung sind das Pleuel der Kopplungsein- richtung und für die erste Alternative das Pleuel der Bewegungsumsetzeinrichtung bzw. für die zweite Alternative die Pleuel der Bewegungsumsetzeinrichtung mit derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung zur mechanischen Kopplung verbunden. Die- selbe Gelenkeinrichtung ist hierbei insbesondere eine Kurbel. Aufgrund der Verwendung einer einzigen Gelenkeinrichtung zur gemeinsamen Verwendung für die Kopplungseinrichtung und die Bewegungsumsetzeinrichtung können die Reibungsverluste und die bewegten Massen nochmals reduziert werden. Dadurch wird ein besonders effizienter Doppelzylinder- Stirling-Motor ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Verdrängungsachse und die Arbeitsachse zu der Drehachse der Drehwelle senkrecht ausgerichtet. Dies ermöglicht eine besonders effi- ziente Realisierung der Kopplungseinrichtung und der Bewegungsumsetzeinrichtung, so dass unnötig bewegte Massen entfallen.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor für einen Einsatz von Heli- um als das Arbeitsgas ausgebildet bzw. ist mit Helium als das Arbeitsgas ausgestattet.
In allen Ausführungsformen des beanspruchten Stirling-Motors ist jeder Verdrängungszylinder mit einem Arbeitsgasdurchlass derart ausgestaltet, dass zur Realisierung des Stirling-Prinzips in einem der oben beschriebenen vier Arbeitstakte das in dem Inneren des Verdrängungszylinders aufgenommene Arbeitsgas von der Seite des heißen Bereichs zu der Seite des kalten Bereichs, durch den Verdrängungskolben hindurch und/oder an diesem vorbei, und in umgekehrter Richtung strömen kann. Dazu kann der Arbeitsgasdurchlass durch einen mit Durchlässen von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich versehenen Verdrängungskolben, eine Be- reitstellung eines Spaltes zwischen dem Verdrängungskolben und der Innenwand des Verdrängungszylinders, eine Arbeitsgas-Bypass-Leitung zum Umlenken einer in dem Raum zwischen dem heißen Bereich und dem Verdrängungskolben aufgenommenen Arbeitgasmenge um den Ver- drängungskolben herum, also auf die andere Seite des Verdrängungskolbens, zu dem Raum zwischen dem Verdrängungskolben und dem kalten Bereich und in umgekehrter Richtung, oder durch eine beliebige Kombination davon realisiert sein. Der in der Beschreibung der Ausführungsformen erwähnte Spalt zwischen dem Verdrängungskolben eines Verdrängungs- Zylinders und den Innenwänden dieses Verdrängungszylinders, beispielhaft in den Figuren als Spalt 17, 17A, 17B dargestellt, steht beispielhaft für eine dieser Realisierungsmöglichkeiten des Arbeitsgasdurchlasses.
Bei Bereitstellung eines Spaltes als Arbeitsgasdurchlass kann dieser be- liebig klein gewählt werden, vorausgesetzt dass der Spalt ein Durchströmen des Arbeitsgases und eine Bewegung des Verdrängungskolbens entlang der Verdrängungsachse zulässt.
In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist mindestens einer der Verdrängungskolben als Regenerator dadurch ausgebildet, dass der Verdrängungskolben mit Durchlässen für das Arbeitsgas versehen ist, die mit einem Regeneratormaterial, bevorzugt Stahlwolle, verfüllt sind. Durch diese zusätzlichen fakultativen Merkmale des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors kann dessen Effizienz wei- ter gesteigert werden und außerdem kann die für den effizienten Betrieb erforderliche obere Temperatur und auch die erforderliche Temperaturdifferenz verringert werden. Der erfindungsgemäße Doppelzylinder-Stirling- Motor kann aber auch ohne Regenerator ausgebildet sein. Gemäß einer Weiterbildung der ersten Alternative des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors hat der gemeinsame Arbeitszylinder zwei durch den Arbeitskolben räumlich getrennte Gasräume zur Aufnahme des Arbeitsgases, die jeweils gasleitend mit einem Gasraum zur Aufnahme des Arbeitsgases eines unterschiedlichen der Verdrängungszylinder verbunden sind. Dadurch kann besonders vorteilhaft der zu einem Zeitpunkt auf einer Seite des Arbeitskolbens herrschende Überdruck mit einem auf der anderen Seite herrschenden Unterdruck gekoppelt werden, so dass die Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie besonders effizient erfolgen kann. Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der zweiten Alternative ist ein Gasraum des ersten Verdrängungszylinders gasleitend mit einem Gasraum des zugeordneten ersten Arbeitszylinders verbunden, und separat davon ist ein Gasraum des zweiten Verdrängungszylinders gasleitend mit einem Gasraum des diesem zugeordneten zweiten Arbeitszylinders verbunden.
Die oben erwähnte gasleitende Verbindung (in den Figuren als Gasleitung mit Bezugszeichen 18, 18A bzw. 18B bezeichnet) zwischen Gasräumen kann für beide Alternativen auch dadurch realisiert werden, dass die Gas- räume direkt aneinander gasleitend angrenzen, ohne dass zwischen diesen ein zusätzlich bereitgestellter Leitungsabschnitt vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform sind der Doppelzylinder-Stirling-Motor und insbesondere dessen Drehwel- le schwungradfrei ausgestaltet. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Vermeidung bewegter Massen und reduziert die für eine Betriebsfähigkeit des Stirling-Motors erforderliche obere Temperatur bzw. erforderliche Temperaturdifferenz. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor als Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motor ausgebildet und dann auch zur Erzeugung von Rotationsenergie fähig, wenn die Temperatur des heißen Bereichs aus einem Tempraturbereich zwischen 80°C und 140°C und/oder unterhalb von 120 ° C, insbesondere 100 ° C liegt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch einen Mehrzylin- der-Stirling-Motor gelöst, der aus einer Mehrzahl von n, wobei n mindestens zwei ist, der zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Doppelzylinder- Stirling-Motoren zusammengesetzt ist. Bevorzugt ist es, wenn die jeweiligen Drehwellen der einzelnen Doppelzy- linder-Stirling-Motoren der den Mehrzylinder-Stirling-Motor bildenden Mehrzahl durch eine Gesamtdrehwelle ausgebildet sind. Die Gesamtdrehwelle kann einstückig ausgebildet sein oder kann auch mehrstückig ausgebildet sein, vorausgesetzt, dass die mehreren Teilstücke mecha- nisch miteinander verbunden sind. Ferner sind zu einem Vergleichszeitpunkt die jeweiligen Auslenkungen der Verdrängungskolben zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils um 1 /n, also den Kehrwert der Zahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren, die den Mehrzylinder-Stirling-Motor bilden, des Hubwegs der Verdrän- gungskolben zueinander versetzt bzw. haben einen Taktversatz von 180/n Grad bezüglich der Bewegung der Verdrängungskolben zueinander. Dadurch kann ein besonders gleichmäßiger Betrieb des Mehrzylinder- Stirling-Motors und somit ein besonders effizienter Betrieb des Motors erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor kann folglich als Vier- zylinder-Stirling-Motor, Sechszylinder-Stirling-Motor, Achtzylinder-Stirling- Motor, Zehnzylinder-Stirling-Motor, usw. ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor kann ferner so ausgebildet sein, dass die Gelenkeinrichtungen zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle, die wie oben erläutert ausgebildet sein kann, um 180/n Grad zueinander angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind. Durch diese Anordnung und Ausbildung der Gelenkeinrichtungen können die Reibungsverluste und die bewegten Massen reduziert werden, und ferner wird ein besonders gleichmäßiger Motorbetrieb ermöglicht.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Realisierung des Mehrzylinder- Stirling-Motors ist dieser als Vierzylinder-Stirling-Motor durch eine mechanisch gekoppelte Anordnung von zwei der oben erläuterten erfindungsgemäßen Zweizylinder-Stirling-Motoren ausgebildet. Dabei ist eine Auslenkung der Verdrängungskolben des ersten Doppelzylinder-Stirling-Motors zu einer Auslenkung der Verdrängungskolben des zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motors um einen halben Hubweg der Verdrängungskolben versetzt bzw. hat einen Taktversatz von 90 Grad. Ferner sind die Gelenkeinrichtungen der zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 90 Grad zueinander versetzt angebracht und sind von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, angebracht. Der erfindungsgemäße Vierzylinder-Stirling- Motor stellt einen sehr guten Kompromiss zwischen der Anzahl der verwendeten Zylinder, dem Materialaufwand und dem gleichmäßigen Betrieb bzw. Lauf des Stirling-Motors bereit. Der Mehrzylinder-Stirling-Motor ist als Platten-Stirling-Motor ausgebildet, wobei bevorzugt eine Mehrzahl räumlich benachbarter heißer Bereiche (12A, 12C; 12B, 12D) bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet ist und/oder eine Mehrzahl räumlich benachbarter kalter Bereiche (13A, 13C; 13B, 13D) bevorzugt als eine durchgängige kalte Platte aus- gebildet ist. Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Mehrzy- linder-Stirling-Motor und insbesondere dessen Gesamtdrehwelle schwungradfrei ausgestaltet, so dass die bewegten Massen auf ein Minimum reduziert sind.
Wie eingangs erwähnt ist eine Ausführungsform des Doppelzylinder- Stirling-Motors besonders bevorzugt, bei welchem sich die beiden Verdrängerzylinder des Doppelzylinder-Stirling-Motors einen heißen Bereich oder einen kalten Bereich teilen, d.h. einen gemeinsamen heißen oder kalten Bereich aufweisen. Eine solche Ausführungsform eines Doppelzylinder-Stirling-Motors bzw. mindestes zwei, vorzugsweise mehr als zwei solcher Doppelzylinder-Sirling-Motoren werden in Weiterbildung der Erfindung zu einem (Mehr- als -zwei-Zylinder) Mehrzylinder-Stirling-Motor kombiniert. Hierzu gibt es wiederum unterschiedliche Möglichkeiten.
So ist es beispielsweise möglich zwei solcher, jeweils einen gemeinsamen heißen oder einen gemeinsamen kalten Bereich aufweisende Doppelzy- linder-Stirling-Motoren entlang der Längserstreckung der Verdrängerachse anzuordnen und den (sämtliche) Kolben dieser beiden Doppelzylinder- Stirling-Motoren eine gemeinsame Verdrängungsachse und eine gemeinsame starre Kolbenstange zuzuordnen. Bevorzugt ist den auf diese Weise gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren eine gemeinsame Bewegungsumsetzeinrichtung zugeordnet, die bei Bedarf, in einem Bereich zwischen den über die gemeinsame Kolbenstange gekoppelten Doppelzy- linder-Stirling-Motoren angeordnet sein kann. Besonders bevorzugt ist es nun, wenn die auf die zuvor beschriebene Weise gekoppelten Doppelzy- linder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen, doppelt wirkenden Arbeitszylinder aufweisen, dem bevorzugt die gemeinsame Bewegungsumsetzeinrichtung zugeordnet ist. Alternativ ist es möglich, zwei separate Arbeitszy- linder vorzusehen, wobei bevorzugt jeder dieser Arbeitszylinder an beide, wie zuvor beschrieben gekoppelten Doppelzylinder-Stirling-Motoren über entsprechende Gasleitungen angeschlossen ist.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der zwei Dop- pelzylinder-Stirling-Motoren derart angeordnet sind, dass diese unmittelbar einander angrenzen, derart, dass sie sich einen heißen Bereich oder einen kalten Bereich teilen. Auch ist es möglich, mehr als zwei Doppelzy- linder-Stirling-Motoren auf diese Weise in Reihe nebeneinander anzuordnen, wobei bevorzugt die jeweils aneinander angrenzenden Doppelzylin- der-Stirling-Motoren einen gemeinsamen heißen - oder alternativ kalten Bereich aufweisen. Sämtliche Kolben der so angeordneten Doppelzylin- der-Stirling-Motoren sind über eine gemeinsame starre und sich in Richtung der gemeinsamen Verdrängerachse erstreckende Kolbenstange miteinander verbunden und bewegen sich somit gleichförmig hin und her. Auch hier ist es möglich und bevorzugt, sämtliche in der wie zuvor beschrieben gekoppelten, d.h. paketweise bzw. gestapelt angeordneten Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen doppelt wirkenden Arbeitszylinder zuzuordnen oder alternativ zwei separate, einfach wirkende Arbeitszylinder, wobei der doppelt wirkende Arbeitszylinder über ent- sprechende Gasleitungen bevorzugt mit sämtlichen Verdrängungszylindern der Doppelzylnder-Stirling-Motoren verbunden ist. Für den Fall des Vorsehens von zwei separaten, einfach wirkenden Arbeitszylindern ist jeder der Arbeitszylinder mit der Hälfte der Verdrängungszylinder gasleitend verbunden.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Elektroenergie- Erzeugungssystem bereit mit einem der zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motoren oder Mehrzylinder-Stirling- Motoren und einen an die Drehwelle bzw. Gesamtdrehwelle des Stirling- Motors gekoppelten Elektrogenerator zur Umwandlung der Rotationsenergie der Welle des Stirling-Motors in elektrische Energie. Dadurch kann ein besonders effizientes Elektroenergie-Erzeugungssystem realisiert werden, das Wärmeenergie mit Hilfe eines Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motors in elektrische Energie umwandelt.
In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus mindestens zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbar- te Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Im Folgenden werden zur weiteren Darstellung des Kontextes der Erfin- dung und ihrer Ausführungsformen die beigefügten Figuren erläutert, in denen eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Stirling-Motors zeigt, der als Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung dient;
Fig. 1 B: eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Stirling-Motors zeigt, der als Weiterentwicklung des in Fig. 1 A dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors als verbesserter Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung dient;
Fig. 2A-2D: eine Abfolge von vier Arbeitstakten eines Arbeitszyklus des in Fig. 1 B dargestellten Einzylinder-Stirling-Motors veranschaulichen; eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Doppelzy- linder-Stirling-Motors gemäß der ersten Alternative zeigt; eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Doppelzy- linder-Stirling-Motors gemäß der zweiten Alternative zeigt; eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Vierzylin- der-Stirling-Motors zeig, eine alternative Ausführungsform eines Doppelzylinder- Stirling-Motors gemäß der ersten Alternative, wobei sich die beiden Verdrängerzylinder einen heißen Bereich teilen, d.h. einen gemeinsamen heißen Bereich aufweisen, eine alternative Ausführungsform eines Doppelzylinder- Stirling-Motors gemäß der zweiten Alternative, wobei hier die separaten, einfach wirkenden Arbeitszylinder nebeneinander angeordnet sind, eine alternative Ausführungsform eines Vierzylinder-Stirling- Motors, bei der die Doppelzylinder-Stirling-Motoren über eine gemeinsame Kolbenstange verfügen, die sämtliche Kolben starr miteinander verbindet und wobei die gekoppelten Dop- pelzylinder-Stirling-Motoren jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich aufweisen, und
Fig. 9: eine weitere alternative Ausführungsform eines Vierzylinder- Stirling-Motors in Paket-Bauweise, bei dem zwei Doppelzy- linder-Stirling-Motoren unmittelbar aneinander angrenzen und sich einen gemeinsamen kalten Bereich teilen. In Fig. 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motors gemäß der ersten Alternative gezeigt. In Fig. 3 bezeichnen dieselben oder ähnliche Bezugszeichen, die bereits zur Erläuterung der Fig. 1 verwendet worden sind, dieselben oder ähnliche Komponenten wie in Fig. 1 .
Der in Fig. 3 gezeigte Doppelzylinder-Stirling-Motor umfasst zwei Verdrängungszylinder 10A und 10B. Der Verdrängungszylinder 10A hat einen heißen Bereich 12A, einen kalten Bereich 13A und einen zwischen diesen Bereichen 12A und 13A entlang einer gemeinsamen Verdrängungsachse 41 bewegbaren Verdrängungskolben 1 1 A. Entsprechendes gilt für den zweiten Verdrängungszylinder 10B, wobei die weiteren Komponenten mit dem Buchstaben B für den zweiten Verdrängungszylinder anstelle des zuvor bezüglich des ersten Verdrängungszylinders 10A verwendeten Buchstabens A gelten.
Die Verdrängungskolben 1 1 A und 1 1 B sind durch eine entlang der Verdrängungsachse 41 bewegbare starre Kolbenstange 40 miteinander gekoppelt. Die Verdrängungszylinder 10A, 10B liegen sich spiegelbildlich gegenüber, und zwar bezogen auf eine gedachte Spiegelebene, die senkrecht von dem Verdrängungskolben 1 1 A sowie der Verdrängungsachse 41 durchsetzt ist. Die Kolbenstange 40 ist durch zwei Lager 29A und 29B beweglich gelagert und gegenüber dem Gasraum 15A bzw. 15B arbeitsgasundurchlässig abgedichtet . Ferner ist der gemeinsame Arbeitszylinder 20 mit einem Arbeitskolben 21 , der entlang einer Arbeitsachse 25 bewegbar ist, wie in Fig. 3 gezeigt, gemäß der ersten Alternative der Erfindung versehen. Eine lineare bzw. translatorische Bewegung des Arbeitskolbens 21 wird über eine Arbeitskolbenstange 22 an ein damit verbundenes Arbeitskolbenpleuel 23 weitergegeben, das an seinem anderen Ende mit einer Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden ist, die radial exzentrisch an einem Kurbelrad 37 angebracht ist. Das Kurbelrad 37 ist mit der Drehwelle des Doppelzylinder-Stirling-Motors mechanisch verbunden.
Die Kolbenstange 40 ist mit einem von dieser radial abstehenden Fortsatz 32 versehen, an dessen radial abstehenden Ende ein Pleuel 34 drehbar gelagert ist. Das andere Ende des Pleuels 34 ist an der Gelenkeinrichtung 33 drehbar befestigt. Der Fortsatz 32, insbesondere das Pleuel 34 und die Gelenkeinrichtung 33, hier durch eine Kurbel verkörpert, bilden die Kopplungseinrichtung zum mechanischen Koppeln der Bewegung der Kolben- Stange 40 und der Drehbewegung der Drehwelle. Die Bewegungsumsetzeinrichtung wird hingegen durch die Arbeitskolbenstange 22, insbesondere das daran drehbar angebrachte Pleuel 23 und die Gelenkeinrichtung 33 verkörpert. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, ist der Doppelzylinder-Stirling-Motor, insbesondere bei Gruppierung von mindestens zwei Doppelzylindern, nur mit einem Kurbelrad 37 aber nicht mit einem Schwungrad (zum Vergleich siehe Bezugszeichen 38 in Fig. 1 ) versehen. Die Drehachse der Drehwelle ist mit dem Bezugszeichen 39 bezeichnet.
Der gemeinsame Arbeitszylinder 20 weist zwei durch den Arbeitskolben 21 räumlich getrennte Gasräume 24A und 24B auf. Der Gasraum 24A des Arbeitszylinders 20 ist über eine Gasleitung 18A gasleitend mit einem Gasraum 15A des ersten Verdrängungszylinders 10A verbunden, die zu- sammen einen nach außen abgeschlossenen Raum aufspannen, in dem eine dem ersten Verdrängungszylinder 10A zugeordnete Arbeitsgasmenge nach außen unentweichbar eingeschlossen ist. Der zweite Gasraum 24B des Arbeitszylinders 20 ist über eine Gasleitung 18B mit einem Gasraum 15B des zweiten Verdrängungszylinders 10B verbunden. In dem zweiten Gasraum 24B des Arbeitskolbens 21 , der zweiten Gasleitung 18B und dem zweiten Gasraum 15B des zweiten Verdrängungszylinders 10B ist eine zweite Arbeitsgasmenge nach außen unentweichbar eingeschlossen.
Das Pleuel 34 und das Pleuel 23 sind an derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung 33 drehbar angebracht. Die Verdrängungsachse 41 und die Arbeitsachse 25 sind senkrecht zu der Drehachse 39 der Drehwelle ausgerichtet.
Zwischen dem ersten Verdrängungskolben 1 1 A und der Innenwand des ersten Verdrängungszylinders 10A ist ein Spalt 17A bereitgestellt. Auch zwischen dem zweiten Verdrängungskolben 1 1 B des zweiten Verdrängungszylinders 10B ist ein Spalt 17B bereitgestellt. Die in Fig. 3 abgebildeten Spalte 17A und 17B stellen den zuvor erwähnten Arbeitsgasdurchlass dar, wurden aus Gründen einer vereinfachten Darstellung lediglich als Spalte dargestellt, und können allgemein erfindungsgemäß, wie bereits zuvor erwähnt, durch einen mit Durchlässen von dem heißen Bereich zu dem kalten Bereich versehenen Verdrängungskolben, eine Bereitstellung eines Spaltes zwischen dem Verdrängungskolben und der Innenwand des Verdrängungszylinders, eine Arbeitsgas-Bypass-Leitung zum Umlenken einer in dem Raum zwischen dem heißen Bereich und dem Verdrängungskolben aufgenommenen Arbeitgasmenge um den Verdrängungskolben herum, also auf die andere Seite des Verdrängungskolbens, zu dem Raum zwischen dem Verdrängungskolben und dem kalten Bereich und in umgekehrter Richtung, oder durch eine beliebige Kombination davon rea- lisiert sein. Bei einer Realisierung der Arbeitsgasdurchlässe als Spalte sind diese relativ eng ausgebildet, und ferner ist der jeweilige Verdrängungskolben mit Durchlässen versehen und als Regenerator ausgebildet (bevorzugt sind die Durchlässe dazu mit einem Material, bevorzugt Stahlwolle, verfüllt), so dass der Großteil der verdrängten Arbeitsgasmenge durch den Verdrängungskolben hindurch auf die andere Seite des Verdrängungskolbens gelangt und nur ein, bevorzugt um mindestens eine Größenordnung, kleinerer Teil der verdrängten Arbeitsgasmenge durch den Spalt auf die die andere Seite des Verdrängungskolbens gelangt. Die Erläuterungen dieses Absatzes bezüglich der in Fig. 3 dargestellten Spalte gelten auch für die in den anderen Figuren dargestellten Spalte.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Doppelzylinder- Stirling-Motors gemäß der zweiten Alternative veranschaulicht. Bezüglich der Erläuterung von Fig. 4 wird zur Vermeidung einer redundanten Erläuterung nur auf die von Fig. 3 unterschiedlichen Merkmale der Fig. 4 einge- gangen.
Anders als bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform gemäß der ersten Alternative umfasst der in Fig. 4 beispielhaft veranschaulichte Doppelzy- linder-Stirling-Motor gemäß der zweiten Alternative zwei räumlich getrenn- te Arbeitszylinder 20A und 20B. In dem ersten Arbeitszylinder 20A ist ein erster Arbeitskolben 21 A entlang der Arbeitsachse 25 bewegbar. Der Arbeitskolben 21 A ist über eine Arbeitskolbenstange 22A mit einem Pleuel 23A drehbar verbunden, das wiederum an einer Gelenkeinrichtung 33 drehbar angebracht ist. Der zweite Arbeitszylinder 20B umfasst einen zweiten Arbeitskolben 21 B, der über eine Arbeitskolbenstange 22B mit einem Pleuel 23B drehbar verbunden ist, das wiederum mit der Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden ist.
Im Gegensatz zu der in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform sind bei der in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsform insgesamt drei Pleuel 34, 23A und 23B mit der Gelenkeinrichtung 33 drehbar verbunden. Die Gelenkeinrichtung 33 ist als Kurbel ausgebildet und radial exzentrisch an einem Kurbelrad 37 angebracht, das mechanisch mit der um die Drehachse 39 drehbaren Drehwelle verbunden ist. Fig. 5 veranschaulicht beispielhaft einen erfindungsgemäßen Vierzylinder- Stirling-Motor, der aus zwei erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling- Motoren zusammengesetzt ist. In Fig. 5 bezeichnen die bereits bezüglich Fig. 3 und Fig. 4 erläuterten Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Komponenten, so dass zur Vermeidung einer redundanten Erläuterung im Folgenden nur wesentliche Unterschiede bzw. Fortbildungen der Ausführungsform gegenüber den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erläutert werden sollen. Der in Fig. 5 gezeigte Vierzylinder-Stirling-Motor umfasst eine Kolbenstange 40AB (entlang einer ersten Verdrängungsachse 41 AB), an deren Enden jeweils ein Verdrängungskolben 1 1 A bzw. 1 1 B angebracht ist, und eine Kolbenstange 40CD (entlang einer zweiten Verdrängungsachse 41 CD), an deren Enden jeweils ein Verdrängungskolben 1 1 C bzw. 1 1 D angebracht ist. Die Auslenkung des Verdrängungskolbens 1 1 A ist zu jedem Zeitpunkt um die Hälfte des Hubwegs des Verdrängungskolbens 1 1 A relativ zu der Auslenkung des Verdrängungskolbens 1 1 C versetzt. Entsprechendes gilt für die Auslenkungen bezüglich der Verdrängungskolbens 1 1 B und 1 1 D.
Ein heißer Bereich 12A des ersten Verdrängungszylinders 10A und ein heißer Bereich 12C des räumlich zu dem ersten Verlängerungszylinder 10A räumlich benachbarten Verdrängungszylinders 10C sind bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet, wie auch die heißen Be- reiche 12B und 12D bevorzugt als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet sind. Entsprechendes gilt für die kalten Bereiche 13A und 13B, die bevorzugt als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet sind bzw. für die kalten Bereiche 13B und 13D, die bevorzugt als eine weitere kalte Platte ausgebildet sind. An den jeweiligen Enden einer Gesamtdrehwelle 36 ist jeweils ein Kurbelrad 37AB bzw. 37CD zentrisch fixiert. An dem Kurbelrad 37AB ist radial exzentrisch eine Gelenkeinrichtung 33AB angebracht, deren Bewegung über ein Pleuel 34AB an die Kolbenstange 40AB gekoppelt wird. Entspre- chendes gilt für das Kurbelrad 37CD und eine dieser zugeordneten Gelenkeinrichtung 34CD und die Kolbenstange 40CD. Anstelle der zuvor beschriebenen Gesamtdrehwelle mit den Kurbelrädern kann auch eine Kurbelwelle vorgesehen sein. Zu besseren Übersichtlichkeit sind die Arbeitskolben des erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motors in Fig. 5 nicht dargestellt. Die Erfindung sieht verschiedene Ausführungsformen bezüglich der Anzahl und der Anordnung der Arbeitszylinder vor. Für die Verdrängungszylinder 10A und 10B kann ein gemeinsamer Arbeitszylinder vorgesehen sein, oder für jeden dieser Verdrängungszylinder kann ein separater Arbeitszylinder vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für die Verdrängungszylinder 10C und 10D. Die Erfindung umfasst auch einen Vierzylinder-Stirling-Motor, bei dem für zwei Verdrängungszylinder einer Doppelzylinder-Anordnung ein gemeinsamer Arbeitszylinder und für die zwei anderen Verdrängungszy- linder jeweils ein separater Arbeitszylinder vorgesehen ist. Bei einer Ausführungsform des Vierzylinder-Stirling-Motors mit zwei gemeinsamen Arbeitszylindern sind diese bevorzugt in gleicher oder entgegengesetzter Richtung zueinander angeordnet. Die Arbeitskolben des erfindungsgemäßen Vierzylinder-Stirling-Motors sind so angeordnet und mechanisch mit den Verdrängungskolben gekoppelt, dass während des Betriebs des Vierzylinder-Stirling-Motors ständig mindestens einer der Arbeitskolben Arbeit verrrichtet. Deshalb benötigt der Vierzylinder-Stirling-Motor kein Schwungrad. Die Verdrängungsachsen 41 AB und 41 CD, entlang derer die Kolbenstangen 40AB bzw. 40CD auslenkbar bzw. bewegbar sind, sind parallel zuein- ander und senkrecht zu der Drehachse 39 der Gesamtdrehwelle 36 ausgerichtet.
Wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt, sind gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Vierzylinder-Stirling-Motors die Verdrängungskolben bevorzugt entlang horizontal ausgerichteter Verdrängungsachsen bewegbar und/oder sind die Arbeitskolben bevorzugt entlang vertikal ausgerichteter Arbeitsachsen bewegbar. Die dieser bevorzugten Ausführungsform zugrunde liegende Ausrichtung der Verdrängungszylinder und/oder Arbeitszylinder gilt erfindungsgemäß auch für Stirling-Motoren, die aus mehr als zwei der erfindungsgemäßen Doppelzylinder-Stirling-Motoren zusammengesetzt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Mehrzylinder-Stirling-Motor als Sternmotor so ausgebildet, dass mindestens zwei Paare von einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern, also mindestens zwei Doppelzylinder, um eine Umfangsrichtung der, sich bevorzugt vertikal erstreckenden, Gesamtdrehwelle zueinander, bevorzugt in einem selben Winkel, versetzt ange- ordnet sind. Die Ausbildung als Sternmotor ermöglicht eine besonders vorteilhafte Anordnung der Gesamtdrehwelle und der bewegten Kolben des Mehrzylinder-Stirling-Motors, da somit die Auswirkungen der Gewichskraft der bewegten Teile des Mehrzylinder-Stirling-Motors reduziert werden können.
Im Folgenden werden weitere alternative Bauweisen von Doppel- und Mehrzylinder-Stirling-Motoren beschrieben, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu den vorstehend erläuterten und in den zugehörigen Figuren gezeigten Ausführungs- Varianten eingegangen wird. Im Hinblick auf die Gemeinsamkeiten wird auf die vorstehende Figurenbeschreibung und die zugehörigen Figuren verwiesen.
Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Doppelzylinder-Stirling- Motors entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3. Zu erkennen ist, dass die beiden Verdrängungszylinder 10A, 10B einen gemeinsamen doppelt wirkenden Arbeitszylinder 20 versorgen bzw. mit diesem über Gasleitungen 18A, 18B verbunden sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weist jeder der Verdrängungszylinder 10A, 10B einen eigenen heißen Bereich 12A, 12B und einen eigenen kalten Bereich 13A, 13B auf. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bilden jedoch die mit den Bezugszeichen 12A, 12B gekennzeichneten Heiz- bzw. Plattenabschnitte einen gemeinsamen hei- ßen Bereich aus, der gebildet werden kann von zwei aneinander festgelegten heißen Platten oder einer gemeinsamen heißen Platte. Wesentlich ist, dass der gemeinsame heiße Bereich beide Verdrängungszylinder 10A, 10B mit Wärme versorgt. Zu erkennen ist, dass der gemeinsame heiße Bereich durchsetzt ist von der die beiden Verdrängungskolben 1 1 A, 1 1 B fest miteinander verbindenden gemeinsamen Kolbenstange 40. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 befindet sich die Bewegungsumsetzeinrichtung benachbart zu beiden Verdrängungszylindern 10A, 10B und nicht zwischen diesen. Das Ausführungsbeispiel eines Doppelzylinder-Stirling-Motors gemäß Fig. 7 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4. Zu erkennen sind auch hier zwei einfach wirkende Arbeitszylinder, die jeweils über eine Gasleitung 18A bzw. 18B mit einem der Verdrängungszylinder 10A, 10B gasleitend verbunden sind. Im Unterschied zu dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind die Arbeitszylinder nicht bezogen auf die Verdrängungsachse 41 einander gegenüberliegend angeordnet, sondern befinden sich auf derselben Seite der Verdrängungsachse 41 bzw. einer diese aufnehmenden Ebene, welche sich zudem senkrecht zu einer Spiegelebene erstreckt, zu der die Verdrängungszylinder 10A, 10B spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Die Arbeitszylinder 20A, 20B befinden sich entlang der Verdrängungsachse 41 nebeneinander und befinden sich gleichlaufend entlang paralleler, unmittelbar nebeneinander angeordneter Arbeitsachsen 25A, 25B.
Das Ausführungsbeispiel eines Mehrzylinder-Stirling-Motors, konkret eines Vierzylinder-Stirling-Motors gemäß Fig. 8 zeigt zwei über eine gemeinsame starre Kolbenstange 40 miteinander verbundene Doppelzylinder- Stirling-Motoren, die jeweils aufgebaut sind, wie in Fig. 6 gezeigt. Lediglich beispielhaft befindet sich die Bewegungsumsetzeinrichtung zwischen den gekoppelten Doppel-Stirling-Motoren, kann alternativ auch seitlich versetzt zu beiden angeordnet sein. Zu erkennen ist, dass sich die Doppelzylinder- Stirling-Motoren dadurch auszeichnen, dass diese sich jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich teilen - alternativ ist es möglich, dass sich beide einen kalten Bereich teilen. Ein wesentlicher Vorteil ist bei dem gezeigten Mehrzylinder-Stirling-Motor, dass sich sämtliche Verdrängungszy- linder 10A, 10B, 10C, 10D einen gemeinsamen, doppelt wirksamen Arbeitszylinder 20 teilen - konkret sind hierzu die in die gleiche Richtung orientierten Verdrängungszylinder 10A, 10D über jeweils eine Gasleitung 18A, 18D mit einem gemeinsamen Gasraum 24A verbunden und die anderen beiden Verdrängungszylinder 10b und 10c über jeweils eine Gaslei- tung 18B, 18C mit dem gegenüberliegenden, gemeinsamen Gasraum 24B des gemeinsamen Arbeitszylinders 20. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist alternativ auch mit separaten, einfach wirkenden Arbeitszylindern 20 realisierbar. Grundsätzlich ist der gezeigte Mehrzylinder-Stirling-Motor skalierbar, insbesondere analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5, indem jeweils zwei oder mehr über jeweils eine gemeinsame Kolbenstange gekoppelte Doppelzylinder-Stirling-Motoren entlang der (gemein- samen) Drehachse 39 nebeneinander angeordnet sind und die gemeinsame Drehachse 39 antreiben.
In Fig. 9 ist eine alternative Ausführungsform eines Mehrzylinder-Stirling- Motors gezeigt, der hier beispielhaft als Vierzylinder-Stirling-Motor ausgebildet ist, jedoch im Grunde beliebig um weitere Doppelzylinder-Stirling- Motoren erweiterbar ist. Zu erkennen ist eine Paket-Bauweise. Zu erkennen ist, dass die beiden entlang der gemeinsamen Kolbenstange 40 angeordneten Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen kalten Bereich 13B, 13C aufweisen. Zusätzlich, jedoch rein fakultativ (und bevorzugt) weisen die Doppelzylinder-Stirling-Motoren an sich jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich 12A, 12B bzw. 12C bzw. 12D auf. Die beiden gemeinsamen heißen Bereiche und der gemeinsame kalte Bereich der Doppelzylinder-Stirling-Motoren ist durchsetzt von der gemeinsamen Kolbenstange 40, die wiederum sämtliche Verdrängungskolben 1 1 A, 1 1 B, 1 1 C, 1 1 D starr miteinander verbindet. Sämtlichen Doppelzylinder-Stirling- Motoren ist ein gemeinsamer (doppelt wirkender) Arbeitszylinder 20 zugeordnet, wobei auch hier alternativ mit separaten, jeweils einfach wirkenden Arbeitszylindern gearbeitet werden kann. Die Bewegungsumsetzeinrich- tung befindet sich nicht zwischen den miteinander gekoppelten Doppelzy- linder-Stirling-Motoren sondern seitlich benachbart zu diesen, verbunden über die gemeinsame Kolbenstange 40. Auch der in Fig. 9 gezeigte Aufbau eines Mehrzylinder-Stirling-Motors ist skalierbar, analog wie zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 7 und 8 beschrieben.
Bezugszeichenliste
I , 2, 3, 4 Winkelposition
10, 10A, 10B, 10C, 10D Verdrängungszylinder
I I , 1 1 A, 1 1 B, 1 1 C, 1 1 D Verdrängungskolben
12, 12A, 12B, 12C, 12D heißer Bereich
13, 13A, 13B, 13C, 13D kalter Bereich
15, 15A, 15B Gasraum
17, 17A, 17B Spalt
18, 18A, 18B Gasleitung
20, 20A, 20B Arbeitszylinder
21 , 21 A, 21 B Arbeitskolben
22, 22A, 22B Arbeitskolbenstange
23, 23A, 23B Arbeitskolbenpleuel
24, 24A, 24B Gasraum
25, 25A, 25B Arbeitsachse
29, 29A, 29B Lager
30 Kolbenstange
31 Linear-Führungslager
32 Fortsatz
33, 33AB, 33CD Gelenkeinrichtung
34, 34AB, 34CD Verdrängungspleuel
36 Gesamtdrehwelle
37, 37AB, 37CD Kurbelrad
38 Schwungrad
39 Drehachse
40, 40AB, 40CD Kolbenstange, starr bzw. durchgehend
41 , 41 AB, 41 CD Verdrängungsachse

Claims

Ansprüche
Doppelzylinder-Stirling-Motor, mit einem Paar von einander spiegelsymmetrisch bezogen auf eine sich senkrecht zu einer Verdrängungsachse (41 ) erstreckenden Spiegelebene gegenüberliegenden Verdrängungszylindern (10A, 10B), wobei jeder der Verdrängungszylinder einen eine heiße Platte aufweisenden heißen Bereich (12A, 12B), einen eine kalte Platte aufweisenden kalten Bereich (13A, 13B), , und einen zwischen diesen Bereichen entlang derVerdrängungsachse (41 ) bewegbaren Verdrängungskolben (1 1 A, 1 1 B) aufweist, und wobei die Verdrängungskolben des Paares durch eine entlang der als gemeinsame Verdrängungsachse (41 ) der Verdrängungskolben (1 1 A, 1 1 B) des Paares ausgebildete Verdrängungsachse (41 ) bewegbare starre Kolbenstange (40) miteinander mechanisch gekoppelt sind, mindestens einem Arbeitszylinder (20; 20A, 20B), wobei jedem Verdrängungszylinder ein Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben (21 ; 21 A, 21 B) zugeordnet ist, der durch eine in dem Verdrängungszylinder bewirkbare Druckänderung eines Arbeitsgases entlang einer Arbeitsachse (25) bewegbar ist, einer Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33; bzw. 22A, 22B, 23A, 23B, 33) zum Umsetzen einer Bewegung des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsachse (25) in eine Drehbewegung einer Drehwelle des Doppelzylinder-Stirling-Motors um eine Drehachse (39) der Drehwelle, einer Kopplungseinrichtung (32, 34, 33) zum mechanischen Koppeln einer Bewegung der starren Kolbenstange (40) entlang der Verdrängungsachse (41 ) und der Drehbewegung der Drehwelle, wobei gemäß einer ersten Alternative beiden Verdrängungszylindern ein gemeinsamer Arbeitszylinder (20), und bevorzugt die Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33), zugeordnet ist, oder gemäß einer zweiten Alternative beiden Verdrängungszylindern jeweils ein separater Arbeitszylinder (20A, 20B) zugeordnet ist, und die Bewegungsumsetzeinrichtung (22A, 22B, 23A, 23B, 33) ferner zum Umsetzen der Bewegungen der beiden Arbeitszylinder entlang der Arbeitsachse in die Drehbewegung der Drehwelle ausgebildet ist.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die heißen Bereiche oder die kalten Bereiche der Verdrängungszylinder von einem gemeinsamen, in einander entgegengesetzte Richtungen wirksamen heißen bzw. kalten Bereich gebildet sind, der von der starren Kolbenstagen (40) durchsetzt ist.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kopplungseinrichtung ein Pleuel (34) umfasst, das die Kolbenstange (40) mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppelt, und/oder dass gemäß der ersten Alternative die Bewegungsumsetzeinrichtung (22, 23, 33) ein Pleuel (23) umfasst, das den gemeinsamen Arbeitskolben (21 ) mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppelt, oder dass gemäß der zweiten AI- ternative die Bewegungsumsetzeinrichtung (22A, 22B, 23A, 23B, 33) zwei Pleuel (23A, 23B) umfasst, die jeweils einen unterschiedlichen der beiden Arbeitskolben mit einer radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, mechanisch koppeln.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Pleuel (34) der Kopplungseinrichtung und das/die Pleuel (23; 23A, 23B) der Bewegungsumsetzeinrichtung mit derselben radial exzentrisch an der Drehwelle angebrachten Gelenkeinrichtung (33), insbesondere eine Kurbel, zur mechanischen Kopplung verbunden sind.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verdrängungsachse (41 ) und die Arbeitsachse (25) senkrecht zu der Drehachse (39) der Drehwelle ausgerichtet sind.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Doppelzylinder-Stirling-Motor für einen Einsatz von Helium als das Arbeitsgas ausgebildet ist bzw. mit Helium als das Arbeitsgas ausgestattet ist, und/oder dass die Verdrängungskolben als Regenerator ausgebildet sind. Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass gemäß der ersten Alternative der gemeinsame Arbeitszylinder (20) zwei durch den Arbeitskolben (21 ) räumlich getrennte Gasräume (24A, 24B) aufweist, die jeweils gasleitend mit einem Gasraum (15A, 15B) eines unterschiedlichen der Verdrängungszylinder verbunden sind, oder dass gemäß der zweiten Alternative jeweilige Gasräume (15A, 15B) der Verdrängungszylinder gasleitend mit einem jeweiligen Gasraum (24A, 24B) des zugeordneten Arbeitszylinders verbunden sind.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Doppelzylinder-Stirling-Motor, insbesondere dessen Drehwelle, schwungradfrei ausgestaltet ist.
Doppelzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stirling-Motor als Ultra-Niedrigtemperatur-Stirling-Motor ausgebildet ist und auch dann zur Erzeugung von Rotationsenergie fähig ist, wenn die Temperatur des heißen Bereiches aus einem Wertebereich zwischen 80°C und 140°C gewählt ist und/oder unterhalb von 120 °C, insbesondere 100 °C, liegt.
Mehrzylinder-Stirling-Motor mit einer Mehrzahl von n, aber mindestens zwei, Doppelzylinder-Stirling-Motoren gemäß einem der vorherigen Ansprüche. Mehrzylinder-Stirling-Motor nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die jeweiligen Drehwellen der Mehrzahl von Doppelzylinder- Stirling-Motoren durch eine Gesamtdrehwelle (36) ausgebildet sind, und dass jeweilige Auslenkungen der Verdrängungskolben zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren jeweils um 1 /n des Hubwegs der Verdrängungskolben zueinander versetzt sind bzw. einen Taktversatz von 180/n Grad zueinander haben.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß Anspruch 10 oder 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gelenkeinrichtungen zueinander benachbarter der Mehrzahl von Doppelzylinder-Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 180/n Grad zueinander versetzt angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdrehwelle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind.
Mehrzylinder-Stirling-Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor durch einen ersten Doppelzylin- der-Stirling-Motor und einen zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motor als ein Vierzylinder-Stirling-Motor ausgebildet ist, dass eine Auslenkung der Verdrängungskolben des ersten Doppelzylinder-Stirling- Motors zu einer Auslenkung der Verdrängungskolben des zweiten Doppelzylinder-Stirling-Motors um einen halben Hubweg der Verdrängungskolben versetzt ist bzw. einen Taktversatz von 90 Grad hat, und dass die Gelenkeinrichtungen der zwei Doppelzylinder- Stirling-Motoren an der Gesamtdrehwelle um 90 Grad zueinander versetzt angebracht sind und von der Drehachse der Gesamtdreh- welle radial, insbesondere mit einem identischen Abstand, beabstandet angebracht sind.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor als Platten-Stirling-Motor ausgebildet ist, wobei eine Mehrzahl räumlich benachbarter heißer Bereiche (12A, 12C; 12B, 12D) als eine durchgängige heiße Platte ausgebildet ist und/oder eine Mehrzahl räumlich benachbarter kalter Bereiche (13A, 13C; 13B, 13D) als eine durchgängige kalte Platte ausgebildet ist.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor, insbesondere dessen Gesamtdrehwelle, schwungradfrei ausgestaltet ist.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mehrzylinder-Stirling-Motor als Sternmotor so ausgebildet, dass mindestens zwei Paare von einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Verdrängungszylindern um eine Umfangsrichtung der, sich bevorzugt vertikal erstreckenden, Gesamtdrehwelle zueinander, bevorzugt in einem selben Winkel, versetzt angeordnet sind.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei, jeweils einen gemeinsamen heißen Bereich oder einen gemeinsamen kalten Bereich aufweisende Doppelzylin- der-Stirling-Motoren über eine gemeinsame starre Kolbenstange (40) gekoppelt sind, wobei die Doppelzylinder-Stirling-Motoren entweder, insbesondere über eine dazwischen angeordnete Bewegungsumsetzeinheit voneinander beabstandet sind oder unmttelbar aneinan- dergrenzen. 18. Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Doppelzylinder-Stirling-Motoren paketweise angeordnet sind und einen gemeinsamen kalten oder heißen Bereich aufweisen, der von der gemeinsamen Kolbenstange (40) durchsetzt ist, die sämtliche Verdrängungskolben der Doppelzylinder-Stirling-
Motoren fest miteinander verbindet.
Mehrzylinder-Stirling-Motor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
dass sich mehrere der Doppelzylinder-Stirling-Motoren, bevorzugt sämtliche der Doppelzylinder-Stirling-Motoren einen gemeinsamen Arbeitszylinder (20) teilen.
Elektroenergie-Erzeugungssystem mit einem Stirling-Motor gemäß einem der vorherigen Ansprüche und einem an die Drehwelle des Stirling-Motors gekoppelten Elektrogenerator zur Umwandlung der Rotationsenergie der Welle des Stirling-Motors in elektrische Energie.
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