DE3723950A1 - Regenerative waermemaschine mit einem hypozykloidischen exzenter-kurbelgetriebe - Google Patents
Regenerative waermemaschine mit einem hypozykloidischen exzenter-kurbelgetriebeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine regenerative Wärmemaschine,
insbesondere nach dem Stirling-Prozeß arbeitende, einfach-
oder doppeltwirkende Wärme-Kraft-Maschine, Wärmepumpe, ein-
oder mehrstufig arbeitende Kältemaschine, nach dem Vuilleu
mier-Prozeß arbeitende Wärmepumpe oder Kältemaschine, eine
Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlau
bende Maschine zur wahlweisen, frei einstellbar kombinierba
ren Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder Kühl
leistung, bei der zwei rechtwinklig zueinander angeordnete,
sich jeweils gegenüberliegende Kolbenpaare durch ein Getriebe
bestimmte harmonische Bewegungen in ihren Zylindern ausfüh
ren, wodurch die veränderlichen Arbeitsräume der regenerati
ven Wärmemaschine gebildet werden.
Eine solche regenerative Wärmemaschine ist der nachveröffent
lichten Patentanmeldung P 36 02 634.4 (Anwaltsakte PG1139)
zu entnehmen.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Bauweisen be
kannt, die o. g. Maschinen und ihre Triebwerke betreffen.
Das sind zum Beispiel: Maschinen mit Reihen oder V-Anord
nung der Zylinder, mit Kreuzkopfgetriebe; Maschinen in Rei
hen oder Boxeranordnung mit Rhombengetrieben; Maschinen
mit Taumel- oder Schrägscheibengetriebe und quadratisch-
paralleler Anordnung der Zylinder.
Es wurden weiter verschiedene Anordnungen von Kurbelschleifen
sowie vielfältige Dreh- und Kreiskolben-Bauarten vorgeschla
gen.
All diesen ist das Problem gemeinsam, den Übertritt des
thermodynamischen Arbeitsmediums in das das Getriebe enthal
tende Gehäuse sowie den Übertritt des Schmiermittels in
die thermodynamischen Arbeitsräume zuverlässig zu verhin
dern, wobei das letztere als nach dem Stand der Technik
beherrschbar angesehen werden kann. Es wurde schon in der
Vergangenheit erwogen, den Kurbelgehäuseraum mit dem Ar
beitsmedium bei einem Druck, der etwa dem Mittel des schwan
kenden Arbeitsdruckes entspricht, zu füllen, um die Abdich
tung der thermodynamischen Arbeitsräume zu erleichtern.
Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Druckniveaus
führt dies jedoch dazu, daß die Kurbelgehäuse einen wesent
lichen Anteil am Gesamtgewicht der Maschine und damit auch
am Konstruktionsaufwand ausmachen. Somit wird der Nutzen,
den ein gesteigerter Arbeitsdruck in Gestalt der erhöhten
spezifischen Leistung mit sich bringt, zunichte gemacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine regenerative Wärmema
schine der genannten Art anzugeben, die sich durch einen
äußerst kompakten Getriebeaufbau und eine einfache Drehmo
mentauskopplung auszeichnet und bei der das Getriebegehäuse
in unaufwendiger Weise einwandfrei gegen die thermodynami
schen Arbeitsräume abgedichtet und gegebenenfalls mit unter
einem mittleren Druck stehendem thermodynamischem Arbeits
medium gefüllt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer regenerativen Wärmemaschine
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Getriebe
ein hypozykloidisches Exzenter-Kurbelgetriebe, insbesondere
ein Parson-Getriebe, ist.
Der kompakte Aufbau des erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden
Getriebes erlaubt eine entsprechend gedrängte Bauweise der
regenerativen Wärmemaschine, dank derer die Totvolumina
der thermodynamischen Arbeitsräume, und insbesondere die
sie verbindenden Leitungsvolumina sehr klein gehalten wer
den können. Das wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad
der Wärmemaschine aus. Allenfalls mit Taumelscheibengetrie
ben sind nach dem Stand der Technik ähnlich kompakte Getrie
beaufbauten erreichbar. Gegenüber diesen besteht, da es
aus Gründen der thermischen Ähnlichkeit nicht möglich ist,
die Kolbenabmessungen beliebig zu vergrößern, jedoch erfin
dungsgemäß der Vorteil, daß Maschinen der beschriebenen
Bauart infolge der kurzen, sehr steif ausgeführten Kurbel
wellen zu größeren Einheiten kombiniert werden können.
Da, vom Getriebe bestimmt, die Bewegungen der Kolben rein
harmonisch sind, ist ein vollständiger Ausgleich der Massen
kräfte und Momente leicht möglich, beispielsweise durch
ein mit der Kurbelwelle umlaufendes Ausgleichsgewicht.
Insbesondere bei der Anwendung der vorgeschlagenen Bauweise
auf cryogene Kühlmaschinen mit mehrstufiger Arbeitsweise
ergibt sich erfindungsgemäß infolge der durch die Anordnung
bedingten Entfernung der Vorteil der guten Möglichkeiten
zur Wärmeisolierung der Expansionsräume.
Das erfindungsgemäß verwendete Getriebe hat vorzugsweise
einen Läufer mit zwei starr verbundenen Exzenterkreisschei
ben, die mit parallelen, versetzten Achsen angeordnet sind
und drehbar in Kreuzköpfen einsitzen, die mit dem einen
bzw. anderen der rechtwinklig zueinander angeordneten Kol
benpaare gekoppelt sind.
Die Exzenterkreisscheiben sind vorzugsweise in Achsrichtung
versetzt und einander teilweise überlappend miteinander
verbunden.
Der Läufer kann eine den Achsen der Exzenterkreisscheiben
parallele, in der geometrischen Mitte zwischen diesen Achsen
liegende Drehachse haben.
In einer ersten Variante des Parson-Getriebes sind die Kreuz
köpfe und die Kolbenstangen starr miteinander verbunden.
Die Linearführung der schwingungsfähigen Systeme erfolgt
durch ein Kolbenstangenlager oder die Kolben in den Zylin
dern selbst. Die quer zur Bewegungsrichtung der Kolben auf
tretenden Reaktionskräfte werden dann von den Kolben selbst
oder, falls dies zu Dichtungs- oder anderen Problemen führt,
von den Kolbenstangen und ihren Lagern aufgenommen. Es ver
steht sich, daß die beteiligten Bauelemente dazu genügend
biegesteif ausgelegt sein müssen, damit die Kräfte klemmfrei
übertragen werden können. Dies einmal vorausgesetzt, zeichnet
sich dieses Parson-Getriebe durch einen unaufwendigen Aufbau
aus.
In einer zweiten Variante des Parson-Getriebes erfolgt die
Geradführung der schwingungsfähigen Systeme an den Kreuz
köpfen. Letztere sind hierzu an linearen Führungsbahnen
geführt, die vorzugsweise an dem Getriebegehäuse ausgebil
det sind. Die Reaktionskräfte werden so schon im Getriebe
gehäuse aufgenommen. Damit können die Kolben mit den Kreuz
köpfen durch beidseitig gelenkig gelagerte, biegemomenten
freie Kolbenstangen verbunden werden. Insgesamt ist so eine
leichtere, materialsparende Bauweise möglich.
Ähnliches gilt für eine dritte Variante des Parson-Getriebes,
bei der die Linearführung der schwingungsfähigen Systeme
durch ein kardanisches Räderpaar mit zwei Zahnrädern bewirkt
wird. Eines der Zahnräder hat eine Außenverzahnung und ist
mit dem Läufer fest so verbunden, daß seine Achse mit der
Drehachse des Läufers zusammenfällt und die Achsen der bei
den Exzenter auf dem Wälzkreis des Zahnrads liegen. Das
andere Zahnrad ist getriebegehäusefest angeordnet und hat
eine Innenverzahnung mit gerade der doppelten Zähnezahl
des ersten Zahnrads. Wälzt sich nun das erste Zahnrad bei
der Drehung des Läufers in dem zweiten Zahnrad ab, so führt
es die Exzenterkreisscheiben gerade und harmonisch. So kön
nen auch hier die Kolben mit gelenkigen, biegemomentenfreien
Kolbenstangen an die Exzenterkreisscheiben angebunden wer
den.
Die Drehachse des Läufers kann die Anlenkachse einer Kurbel
welle bilden, die um eine dieser Drehachse parallele, die
Längsachse beider Kolbenpaare in ihrem projektiven Schnitt
punkt senkrecht schneidende Kurbelwellendrehachse drehbar
gelagert ist. Diese Anordnung erlaubt eine einfache Drehmo
mentauskopplung an der Kurbelwelle, und auch ein eventuell
erforderliches Anwerfen der Wärmemaschine gestaltet sich
sehr einfach.
Die Länge der Kurbel, d. h. der Abstand zwischen der Kurbel
wellendrehachse und der die Anlenkachse der Kurbelwelle
bildenden Drehachse des Läufers ist bei dem Parson-Getriebe
gleich dem Abstand der letzteren Achse von den Achsen der
Exzenterkreisscheiben.
Der Läufer weist vorzugsweise eine Achsbohrung auf, und
er ist auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert. Diese
Bauform ist besonders herstellungs- und montagefreundlich.
Die Kurbelwelle kann aus einem Hauptzapfen, einer
ersten Kurbel, dem Hubzapfen, einer parallel im Abstand
zur ersten Kurbel sich erstreckenden zweiten Kurbel und
einem mit dem ersten Hauptzapfen auf gleicher Achse liegen
den zweiten Hauptzapfen bestehen, wobei alle genannten Teile
starr miteinander verbunden sind. Diese Bauform ist beson
ders praktisch, insbesondere wenn es darum geht, mehrere
Wärmemaschinen in Kreuzkolbenbauweise miteinander zu koppeln.
Bei dem beschriebenen Getriebe drehen die beiden Exzenter
kreisscheiben um die Anlenkachse der Kurbelwelle, die ihrer
seits mit gleicher Frequenz in entgegengesetzter Drehrich
tung um die Kurbelwellendrehachse umläuft. Die Exzenterkreis
scheiben liegen daher deutlich außermittig zur Kurbelwel
lendrehachse. In einer bevorzugten Bauform des Parson-Ge
triebes ist daher ein Ausgleichsgewicht vorgesehen, das
diese Exzentrizität ausbalanciert. Man erreicht so einen
guten Ausgleich der wirkenden Massenkräfte und Momente und
einen einwandfreien Rundlauf der Wärmemaschine. Das Aus
gleichsgewicht kann fest mit der Kurbelwelle verbunden sein,
wobei sein Schwerpunkt auf der der Anlenkachse gegenüber
liegenden Seite der Kurbelwellendrehachse liegt.
Das Ausgleichsgewicht kann ein Zylinderscheibensegment
oder eine mit Erleichterungsbohrungen versehene Zylinder
scheibe sein, deren Mittelachse die Kurbelwellendrehachse
ist. Die Mantelfläche des Ausgleichsgewichts bildet vorzugs
weise eine Führungsfläche zum Zweck der Lagerung. Die Füh
rungsfläche arbeitet vorzugsweise mit einer am Gehäuse der
Wärmemaschine ausgebildeten, stationären Lauffläche zusammen.
Das Ausgleichsgewicht übernimmt so in vorteilhafter Weise
zugleich eine Führungsfunktion.
Die hochtemperaturbeständigen Bauteile der erfindungsge
mäßen Wärmemaschine können ganz oder teilweise aus nicht
oxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Silizium
nitrit oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltriertem
Siliziumcarbid (Silizium-Siliziumcarbid; SiSiC), oder aus
oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, bestehen. Diese
keramischen Materialien sind gut bearbeitbar, korrosionsbe
ständig, und sie halten extremen Drücken und Temperaturen
Stand. Hervorzuheben sind weiterhin die hohe thermische
Leitfähigkeit von SiSiC und die guten Selbstlaufeigenschaf
ten dieses Materials.
Wenigstens ein Kolben der erfindungsgemäßen Wärmemaschine
kann ganz oder zum Teil aus Graphit, und insbesondere mit
Kohlenstoffasern bewehrtem Graphit (Kohlefasergraphit, CfC)
bestehen, wobei er an seiner Oberfläche mit nichtoxidischer
Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder
SiSiC, oder mit oxidischer Keramik, insbesondere Steatit,
beschichtet sein kann. Graphit und CfC zeichnen sich durch
eine gute Temperaturbeständigkeit und hohe mechanische Sta
bilität bei geringem spezifischem Gewicht aus. Man gewähr
leistet so kleine Kolbenschwungmassen. Weiter haben Graphit
und CfC gute Wärmeisolationseigenschaften. Eine keramische
Beschichtung des aus Graphit oder CfC bestehenden Kolben
körpers stellt eine extrem hohe Abriebfestigkeit und Tem
peraturbeständigkeit sicher.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnun
gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Teilweise schematisch zeigen:
Fig. 1 das Demonstrationsmodel eines einfach wirkenden
Stirlingmotors in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-
Getriebe, bei dem die Linearführung der schwin
gungsfähigen Systeme an Kolbenstangenlagern er
folgt;
Fig. 2 ein thermodynamisches Schema dieses Stirlingmotors;
Fig. 3 den im wesentlichen aus zwei Exzenterkreisscheiben
bestehenden Läufer des Parson-Getriebes mit einer
daran angelenkten Kurbel;
Fig. 4 denselben Läufer mit in Kreuzköpfen einsitzen
den Exzenterkreisscheiben, wobei an den Kreuz
köpfen unter 90° sich kreuzende Kolbenstangen an
greifen; und
Fig. 5 eine axiale Projektion der Anordnung nach Fig. 4.
Fig. 6 eine Variante des Parson-Getriebes, bei dem die
Linearführung der schwingungsfähigen Systeme an
den Kranzköpfen erfolgt;
Fig. 7 eine weitere Variante des Parson-Getriebes, bei
der zur Linearführung der schwingungsfähigen Sys
teme ein kardanisches Räderpaar vorgesehen ist;
Fig. 8 ein thermodynamisches Schema eines doppeltwirken
den Stirling-Motors in Kreuzkolbenbauweise mit
Parson-Getriebe; und
Fig. 9 ein thermodynamisches Schema einer Vuilleumier-
Wärmepumpe in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-Ge
triebe.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine regenerative Wärmemaschine
in Kreuzkolbenbauweise. Es handelt sich um einen einfach
wirkenden Stirlingmotor mit zwei Arbeitssystemen 10, 20
und einem mittig angeordneten Getriebegehäuse 30. Die Ar
beitssysteme 10, 20 sind oben und links bzw. unten und rechts
von dem Getriebegehäuse 30 angeordnet. Zu dem ersten Ar
beitssystem 10 gehört der Arbeitszylinder 11 mit dem Arbeits
kolben 12 und der Verdrängerzylinder 13 mit dem Verdränger
kolben 14. Zu dem zweiten Arbeitssystem gehört der Arbeits
zylinder 21 mit dem Arbeitskolben 22 und der Verdränger
zylinder 23 mit dem Verdrängerkolben 24. Die Arbeitszylin
der 11, 21 liegen einander diametral auf gleicher Achse
gegenüber, und ebenso die Verdrängerzylinder 13, 23.
Die Arbeitskolben 12, 22 sind mittels axialer Kolbenstangen
15, 25 mit einem Kreuzkopf 31 starr verbunden und bilden
damit eine schwingungsfähige kinematische Einheit. Desgleichen
sind die Verdrängerkolben 14, 24 mit einem zweiten Kreuzkopf
32 starr verbunden, so daß sie eine zweite schwingungsfähi
ge kinematische Einheit bilden. Die Achsen der Einheiten
kreuzen einander unter 90°, kommen aber in verschiedenen
Ebenen parallel zu der Zeichenebene der Fig. 1 zu liegen;
insbesondere sind die Kreuzköpfe 31, 32 entsprechend ver
setzt.
Die Zylinderräume oberhalb, d. h. auf der dem Getriebege
häuse 30 abgewandten Seite der Verdrängerkolben 14, 24 sind
die heißen Arbeitsräume V H 1, V H 2 der Arbeitssysteme 10,
20. Die kalten Arbeitsräume V K 1, V K 2 werden von den Zylin
derräumen unterhalb der Verdrängerkolben 14, 24 zusammen
mit den Zylinderräumen oberhalb der Arbeitskolben 12, 22
gebildet, mit denen sie durch Kanäle und Leitungen 17, 27
verbunden sind. Die Ringspalte um die Verdrängerkolben 14,
24 stellen thermische Regeneratoren R 1, R 2 dar, die bei
deren Bewegung von dem thermodynamischen Arbeitsmedium durch
strömt werden. Fig. 2 zeigt schematisch Erhitzer E 1, E 2
und Kühler K 1, K 2 auf der heißen bzw. kalten Seite der Re
generatoren R 1, R 2.
Die in dem Getriebegehäuse 30 befindlichen Kreuzköpfe 31,
32 haben die Form von Kreisringen mit diametral einander
gegenüberliegenden Montageansätzen 33, an denen die Kolben
stangen 15, 16, 25, 26 angreifen. Die mit den Verdränger
kolben 14, 24 verbundenen Kolbenstangen 16, 26 sind unter
Abdichtung in das Getriebegehäuse 30 geführt. Für die mit
den Arbeitskolben 12, 22 verbundenen Kolbenstangen 15, 25
ist hingegen keine abgedichtete Durchführung vorgesehen,
da die Abdichtung der kalten Arbeitsräume V K 1, V K 2 durch
die Arbeitskolben 12, 22 selbst erfolgt. Die bei der Linear
führung der beiden kinematischen Einheiten auftretenden
Reaktionskräfte werden von Kolbenstangenlagern aufgenommen,
die mit dem Getriebegehäuse 30 fest verbunden sind.
Die Kreuzköpfe 31, 32 nehmen einen Läufer 34 des Parson-
Getriebes auf, dessen Aufbau im einzelnen Fig. 3 und Fig.
4 entnommen werden kann. Der Läufer 34 weist zwei in stirn
seitiger Anlage stehende, einander teilweise überlappende
Exzenterkreisscheiben 35 auf, die fest miteinander verbunden
sind. Die Exzenterkreisscheiben 35 sitzen drehbar in je
einem der Kreuzköpfe 31, 32 ein. Der Läufer 34 ist drehbar
auf dem Hubzapfen einer Kurbelwelle 36 gelagert, die aus
einem ersten Hauptzapfen 37, einer ersten Kurbel 38, dem
Hubzapfen, einer im Abstand zu der ersten Kurbel 38 sich parallel dazu
erstreckenden zweiten Kurbel 39 und einem mit dem ersten
Hauptzapfen 37 auf gleicher Achse liegenden zweiten Hauptzap
fen 40 besteht. Die Zapfen der Kurbelwelle 36 sind parallel
zu den Achsen der Exzenterkreisscheiben 35 orientiert. Die
Hauptzapfen 37, 40 sind aus dem Getriebegehäuse 30 herausge
führt und dabei drehbar in der Wand des Getriebegehäuses
30 gelagert. Die geometrischen Verhältnisse können im einzel
nen Fig. 5 entnommen werden. Die Achsen der kinematischen
Einheiten sind hier mit x und y bezeichnet. Die Kolben 12,
22 bzw. 14, 24 und die damit verbundenen Kreuzköpfe 31 bzw.
32 bewegen sich längs dieser Achsen x, y. K ist die Kurbel
wellendrehachse, d. h. die Mittelachse der am Getriebegehäuse
30 gelagerten Hauptzapfen 37, 40 der Kurbelwelle 36. Die
Kurbelwellendrehachse K erstreckt sich senkrecht zu den
Kolbensystemachsen x, y durch deren projektiven Kreuzungs
punkt hindurch. A 1 und A 2 sind die Mittelachsen der zentrisch
und drehbar in den Kreuzköpfen 31, 32 einsitzenden Exzenter
kreisscheiben 35. Diese Achsen erstrecken sich parallel
zu der Kurbelwellendrehachse K, und sie treffen die Bewe
gungsachse x bzw. y der zugehörigen kinematischen Einheit.
M ist die Anlenkachse der Kurbelwelle 36 an den Läufer 34,
d. h. die Mittelachse des Hubzapfens, an dem der Läufer
34 drehbar gelagert ist. Diese Anlenkachse M erstreckt sich
parallel und genau in der Mitte zwischen den Mittelachsen
A 1, A 2 der Exzenterkreisscheiben 35. Die Länge der Kurbeln
38, 39, d. h. der Abstand zwischen der Kurbelwellendrehachse
K und der Anlenkachse M ist gleich dem Abstand, den diese
Anlenkachse M von den Mittelachsen A 1, A 2 der Exzenterkreis
scheiben 35 hat.
Bei einer um 90° phasenverschobenen harmonischen Schwingung
der kinematischen Einheiten läuft die Anlenkachse M der
Kurbelwelle 36 auf einem Kurbelkreis 41 um. Man erkennt
das leicht, wenn man in der Projektion der Fig. 5 die fol
gende Zeitabhängigkeit ansetzt:
Bei einer Linearbewegung der kinematischen Einheiten in
Richtung der Pfeile 42, 43 erfolgt die Kurbelwellendrehung
in Pfeilrichtung 44. Die Exzenterkreisscheiben 35 drehen
sich dabei in den Kreuzköpfen 31, 32, und der aus beiden
Exzenterkreisscheiben 35 zusammengesetzte Läufer 34 vollführt
insgesamt eine Drehung um die Anlenkachse M. Ein entsprechen
der Exenterkreis ist bei 45 angedeutet, und die Drehrichtung
durch den Pfeil 46 wiedergegeben. Die Exzenterdrehung ist
gegenläufig zur Umlaufdrehung der Anlenkachse M, und sie
erfolgt mit derselben Frequenz.
Das beschriebene Parson-Getriebe setzt nach alledem die
um 90° phasenverschobene harmonische Schwingung zweier Kol
bensysteme in eine Kurbelwellendrehung um. Der aus den beiden
Exzenterkreisscheiben 35 bestehende Läufer 34 kommt in allen
Phasen der Bewegung außermittig bezüglich der Kurbelwellen
drehachse K zu liegen. Wie in Fig. 1 dargestellt, empfiehlt
sich daher die Anbringung eines Ausgleichsgewichts 47, das
fest mit der Kurbelwelle 36 verbunden sein kann. Der Schwer
punkt des Ausgleichsgewichts 47 liegt auf der der Anlenkachse
M gegenüberliegenden Seite der Kurbeldrehachse K. Das Aus
gleichsgewicht 47 hat gemäß Fig. 1 einen im wesentlichen
halbkreisförmigen Grundriß. Ganz allgemein kann das Aus
gleichsgewicht ein Zylinderscheibensegment sein, und auch
eine mit Erleichterungsbohrungen versehene Zylinderscheibe
ist als Ausgleichsgewicht geeignet. Die Mittelachse des
Ausgleichsgewichts ist jeweils die Kurbelwellendrehachse
K. Seine Mantelfläche kann als Führungsfläche zum Zweck
der Lagerung ausgebildet sein und mit einer fest am Getriebe
gehäuse 30 ausgebildeten Lauffläche zusammenarbeiten.
Es ist eine Vielzahl von Varianten des erfindungsgemäßen
Getriebes möglich, die sich nach der Art der Geradführung
der linear bewegten schwingungsfähigen Einheiten einteilen
lassen, wobei immer dieselbe Kinematik zugrunde liegt. Bei
dem bislang behandelten Ausführungsbeispiel wird die Gerad
führung durch die Kolbenstangen 15, 16, 25, 26 in Stangen
lagern bewirkt. Hierzu können aber auch die Kolben 12, 22,
14, 24 in den Zylindern 11, 21, 13, 23 selbst herangezogen
werden, sofern dies nicht zu Dichtungs- und anderen Problemen
führt. Die beteiligten Bauelemente müssen genügend biegesteif
ausgelegt sein, damit die Kräfte klemmfrei übertragen werden
können.
Bei einer in Fig. 6 gezeigten Variante sind die Kreuzköpfe
31, 32 mit geraden Führungsflächen versehen, und es sind
Gleitbahnen 48 am Getriebegehäuse 30 ausgebildet, an denen
die Kreuzköpfe 31, 32 geführt sind. Die auftretenden Reak
tionskräfte werden somit schon von dem Getriebegehäuse 30
aufgenommen. Damit können die Kolben 12, 24 mit den Kreuz
köpfen 31, 32 durch beidseitig gelenkig gelagerte, biege
momentenfreie Kolbenstangen 15, 26 verbunden werden.
Bei der in Fig. 7 schematisch illustrierten Variante wird
die Geradführung der Anlenkpunkte A 1, A 2 für die Kolbenstan
gen durch ein kardanisches Räderpaar 49, 50 bewirkt. Dazu
ist ein mit einer Außenverzahnung versehenes Zahnrad 49
fest mit dem Läufer 34 verbunden, so daß seine Achse mit
der Drehachse M des Läufers zusammenfällt, während die Achsen
A 1, A 2 der Exzenterkreisscheiben 35 auf dem Wälzkreis des
Zahnrads 49 liegen. Das Zahnrad kämmt mit einem stillstehen
den, fest mit dem Getriebegehäuse 30 verbundenen Zahnrad
50 mit Innenverzahnung, das gerade die doppelte Zähnezahl
hat, wie das Zahnrad 49 mit Außenverzahnung. Wälzt sich
letzteres in dem Zahnrad 50 mit Innenverzahnung ab, so führt
es die Exzenterkreisscheiben 35 des Läufers 34 gerade und
harmonisch. Auch hier können also die Kolben mit gelenkigen,
biegemomentenfreien Kolbenstangen an die Exzenterkreisschei
ben 35 angebunden werden.
Fig. 8 und Fig. 9 illustrieren andere Typen von regenerativen
Wärmemaschinen in Kreuzkolbenbauweise mit Parson-Getriebe.
Die Geradführung erfolgt hier wie bei dem eingangs behandel
ten, einfachwirkenden Stirlingmotor mittels der Kolbenstan
gen und geeigneter Stangenlager. In Fig. 8 ist ein doppelt
wirkender Stirlingmotor gezeigt, der bei praktisch gleichem
Bauraum die doppelte Leistung erbringt, wie ein einfach
wirkender Stirlingmotor. Man erkennt vier durch Indizes
1 bis 4 identifizierte Arbeitssysteme, die je einem der
Zylinder 51, 61, 71, 81 zugeordnet sind. In den Zylindern
51, 61, 71, 81 arbeiten Kolben 52, 62, 72, 82, oberhalb
derer sich heiße Arbeitsräume V H und unterhalb derer sich
kalte Arbeitsräume V K befinden. Der heiße Arbeitsraum eines
Zylinders ist jeweils über einen thermischen Regenerator R
räumlich zyklisch mit dem kalten Arbeitsraum V K des benachbarten
Zylinders verbunden. Erhitzer E und Kühler K sind wie schon
in Fig. 2 schematisch angedeutet.
In Fig. 9 ist eine Vuilleumier-Wärmepumpe in Kreuzkolbenbau
weise dargestellt. Sie hat oberhalb eines Kolbens 90 einen
heißen Arbeitsraum V H , oberhalb eines benachbarten Kolbens 91
einen kalten Arbeitsraum V K , und oberhalb der beiden anderen
Kolben 92, 93 miteinander verbundene warme Arbeitsräume
V W . Die Zylinderräume unterhalb der Kolben 90, 91, 92, 93
sind über das Getriebegehäuse 30 miteinander verbunden.
Von dem heißen Arbeitsraum V H führt eine Leitung über einen
Wärmetauscher W T 1, an dem bei hoher Temperatur ein Antriebs
wärmestrom Q H eingekoppelt wird, einen heißen thermischen
Regenerator R H und einen zweiten Wärmetauscher W T 2 zum Innen
raum des Getriebegehäuses 30. Über eine Verzweigung, in der
ein Wärmetauscher W T 3, ein kalter thermischer Regenerator
R K und ein Wärmetauscher W T 4 liegen, ist der Innenraum des
Getriebegehäuses 30 zugleich an den kalten Arbeitsraum V K
angeschlossen. An dem letzt genannten Wärmetauscher W T 4 wird bei
niedriger Temperatur ein Umgebungswärmestrom K eingekop
pelt, während an den Wärmetauschern W T 2 und WT 3 bei mitt
lerer Temperatur ein Heizwärmestrom W abgenommen werden
kann.
Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß können
insbesondere durch eine im thermodynamischen Arbeitskreis lie
gende, einstellbare Drosselventilanordnung realisiert werden.
- Liste der Bezugszeichen
10 Arbeitssystem
11 Arbeitszylinder
12 Arbeitskolben
13 Verdrängerzylinder
14 Verdrängerkolben
15 Kolbenstange
16 Kolbenstange
17 Leitung
20 Arbeitssystem
21 Arbeitszylinder
22 Arbeitskolben
23 Verdrängerzylinder
24 Verdrängerkolben
25 Kolbenstange
26 Kolbenstange
27 Leitung
30 Getriebegehäuse
31 Kreuzkopf
32 Kreuzkopf
33 Montageansatz
34 Läufer
35 Exzenterkreisscheibe
36 Kurbelwelle
37 Hauptzapfen
38 Kurbel
39 Kurbel
40 Hauptzapfen
41 Kurbelkreis
42 Pfeil
43 Pfeil
44 Pfeil
45 Exzenterkreis
46 Pfeil
47 Ausgleichsgewicht
48 Gleitbahn
49 Zahnrad
50 Zahnrad
51 Zylinder
52 Kolben
61 Zylinder
62 Kolben
71 Zylinder
72 Kolben
81 Zylinder
82 Kolben
90 Kolben
91 Kolben
92 Kolben
93 Kolben
Claims (17)
1. Regenerative Wärmemaschine, insbesondere nach dem Stir
ling-Prozeß arbeitende, einfach- oder doppeltwirkende
Wärme-Kraft-Maschine, Wärmepumpe, ein- oder mehrstufig
arbeitende Kältemaschine, nach dem Vuilleumier-Prozeß
arbeitende Wärmepumpe oder Kältemaschine, eine Misch
formen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlau
bende Maschine zur wahlweisen, frei einstellbar kombi
nierbaren Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder
Kühlleistung, bei der zwei rechtwinklig zueinander ange
ordnete, sich jeweils gegenüberliegende Kolbenpaare durch
ein Getriebe bestimmte harmonische Bewegungen in ihren
Zylindern ausführen, wodurch die veränderlichen Arbeits
räume der regenerativen Wärmemaschine gebildet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein hypozyklo
idisches Exzenter-Kurbelgetriebe, insbesondere ein
Parson-Getriebe, ist.
2. Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe einen Läufer (34) mit zwei starr ver
bundenen Exzenterkreisscheiben (35) hat, die mit paral
lelen, versetzten Achsen (A 1, A 2) angeordnet sind und
drehbar in Kreuzköpfen (31, 32) einsitzen, die mit
dem einen bzw. anderen der rechtwinklig zueinander
angeordneten Kolbenpaare (12, 22; 13, 23) gekoppelt
sind.
3. Wärmemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Exzenterkreisscheiben (35) in Achs
richtung versetzt und einander teilweise überlappend
miteinander verbunden sind.
4. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Läufer (34) eine den Achsen
(A 1, A 2) der Exzenterkreisscheiben (35) parallele,
in der geometrischen Mitte zwischen diesen Achsen (A 1,
A 2) liegende Drehachse (M) hat.
5. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet daß die Kreuzköpfe (31, 32) und
Kolbenstangen (15, 16, 25, 26) starr miteinander ver
bunden sind, und daß eine Linearführung der schwingungs
fähigen Einheiten durch ein Kolbenstangenlager oder
die Kolben (12, 14, 22, 24) in den Zylindern (11, 13,
21, 23) selbst erfolgt.
6. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kreuzköpfe (31, 32) an vorzugs
weise am Getriebegehäuse (30) ausgebildeten linearen
Führungsbahnen (48) geführt sind.
7. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Linearführung der schwingungs
fähigen Einheiten durch ein kardanisches Räderpaar
(49, 50) bewirkt wird, von denen eines (49) eine Außen
verzahnung hat und mit dem Läufer (34) fest so verbun
den ist, daß seine Achse mit der Drehachse M des Läufers
(34) zusammenfällt und die Achsen (A 1, A 2) der beiden
Exzenterkreisscheiben auf dem Wälzkreis des Zahnrads
(49) liegen, während das andere (50) getriebegehäusefest
angeordnet ist und eine Innenverzahnung mit der doppel
ten Zähnezahl hat.
8. Wärmemaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kreuzköpfe (31, 32) über beidseitig
gelenkig gelagerte Kolbenstangen (15, 26) mit den Kolben
(12, 24) verbunden sind.
9. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Drehachse (M) des Läufers (34)
die Anlenkachse einer Kurbelwelle (36) bildet, die
um eine dieser Drehachse (M) parallele, die Längsachse
(x, y) beider Kolbenpaare (12, 22; 14, 24) in ihrem
projektiven Schnittpunkt senkrecht schneidende Kurbel
wellendrehachse (K) drehbar gelagert ist.
10. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Länge der Kurbel (38, 39),
d. h. der Abstand zwischen der Kurbelwellendrehachse
(K) und der die Anlenkachse der Kurbelwelle (36) bil
denden Drehachse (M) des Läufers (34) gleich dem Ab
stand der letzteren Drehachse (M) von den Achsen (A 1,
A 2) der Exzenterkreisscheiben (35) ist.
11. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Läufer (34) eine Achs
bohrung aufweist und drehbar an einem Hubzapfen der
Kurbelwelle (36) gelagert ist.
12. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (36) aus
einem ersten Hauptzapfen (37), einer ersten Kurbel
(38), dem Hubzapfen, einer parallel im Abstand zur
ersten Kurbel (38) sich erstreckenden zweiten Kurbel
(39) und einem mit dem ersten Hauptzapfen (37) auf
gleicher Achse liegenden zweiten Hauptzapfen (40)
besteht.
13. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Aus
gleichsgewicht (47) enthält.
14. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgewicht (47)
fest mit der Kurbelwelle (36) verbunden ist, wobei
sein Schwerpunkt auf der der Anlenkachse (M) gegenüber
liegenden Seite der Kurbelwellendrehachse (K) liegt.
15. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsgewicht (47)
ein Zylinderscheibensegment oder eine mit Erleichte
rungsbohrungen versehene Zylinderscheibe ist, deren
Mittelachse die Kurbelwellendrehachse (K) ist, und
daß die Mantelfläche des Ausgleichsgewichts (47) eine
Führungsfläche zum Zweck der Lagerung bildet.
16. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß ihre temperaturbeanspruchten
Bauteile ganz oder teilweise aus nichtoxidischer Ke
ramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit
oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltriertem
Siliziumcarbid; SiSiC), oder aus oxidischer Keramik,
insbesondere Steatit, bestehen.
17. Wärmemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da
durch gekennzeichnet, daß wenigstens einer ihrer Kol
ben (12, 14, 22, 24, 52, 62, 72, 82, 90, 91, 92, 93)
ganz oder zum Teil aus Graphit, und insbesondere mit
Kohlenstoffasern bewertem Graphit (Kohlefasergraphit,
CfC) besteht, wobei er an seiner Oberfläche mit nicht
oxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Sili
ziumnitrit oder SiSiC, oder mit oxidischer Keramik,
insbesondere Steatit, beschichtet sein kann.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873723950 DE3723950A1 (de) | 1987-02-03 | 1987-07-20 | Regenerative waermemaschine mit einem hypozykloidischen exzenter-kurbelgetriebe |
Applications Claiming Priority (2)
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Publications (1)
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DE3723950A1 true DE3723950A1 (de) | 1988-08-11 |
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ID=25852110
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