Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
STIRLING ENGINE GEARING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1997/040269
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a Stirling engine (1) with a heatable cylinder head (2) and a radiator (7) for heating or cooling a working medium and with a displacer piston (6) and a working piston (8) which operatively act upon an output shaft (22). The object of the invention is to provide sufficient counterbalance and to prevent redundant bearings and to achieve reduction in transverse forces. The object is attained in that the output shaft (22) is provided with a double eccentric disc (16) on which the working-piston connecting rod (14) and the displacer-piston connecting rod (14) engage, both eccentricities being in the plane of the piston axis.

Inventors:
LOHRMANN TIM (DE)
Application Number:
PCT/EP1997/001978
Publication Date:
October 30, 1997
Filing Date:
April 19, 1997
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
HERRMANN KLAUS AG (DE)
LOHRMANN TIM (DE)
International Classes:
F02G1/044; F16H21/32; (IPC1-7): F02G1/044; F16H21/32
Foreign References:
US4553392A1985-11-19
US4550571A1985-11-05
US2943453A1960-07-05
US4248050A1981-02-03
US4546663A1985-10-15
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche:
1. Stirlingmotor (1) mit einem beheizbaren Zylinderkopf (2) und mit einem Kühler (7) zum Erhitzen bzw. Kühlen eines Ar¬ beitsmediums sowie mit einem Verdränger (6) und einem Ar¬ beitskolben (8), die wirkmäßig eine Abtriebsachse (22) be¬ aufschlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebsachse (22) mit einer Doppelexzenterscheibe (16) ausgerüstet ist, an der zum einen das Arbeitskolben¬ pleuel (23) und zum anderen das Verdrängerkolbenpleuel (14) angreifen, wobei beide Exzentrizitäten in der Ebene der Kolbenachse liegen.
2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der Doppelexzenterscheibe (16) dem Ar¬ beitskolbenpleuel (23) und eine exzentrische Bohrung (15) in der Doppelexzenterscheibe (16) dem Verdrängerkolbenpleu¬ el (14) zugeordnet ist.
3. Stirlingmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Doppelexzenter (16) tragenden Wellenstumpf (17) der Abtriebsachse (22) im Getriebegehäuse (9) ein koaxia les, ortsfestes Gegenlager (18) zugeordnet ist, das eine exzentrische Gegenmassenscheibe (19) trägt, die ihrerseits über einen Kulissenstein (20) mit der Exzenterachse (21) des Verdrängerkolbenpleuels (14) verbunden ist.
4. Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Arbeitskolbenpleuels (23) drehbar den Anlenkhebel (26) und mindestens einer Arbeitskolben¬ stange (25) zugeordnet ist.
5. Stirlingmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Arbeitskolbenpleuels (23) koaxial das Lager eines schwenkbaren Anlenkhebels (26) trägt, des¬ sen zweiter schwenkbarer Anlenkpunkt am Getriebegehäuse (9) vorgesehen ist.
6. Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelexzenterscheibe (16) ein mitrotierendes Ge¬ gengewicht (19 und/oder 29) zugeordnet ist.
7. Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelexzenterscheibe (16) ein oszillierender Blindkolben (28) zugeordnet ist, dessen Achse im rechten Winkel zur Hauptkolbenachse steht.
8. Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf einer Konsole verschraubbaren Führungsbuchse für eine Linearführung der Verdrängerkolbenstange (11).
Description:
"Stirlinαmotor-Getriebe"

Die Erfindung richtet sich auf einen Stirlingmotor mit ei¬ nem beheizbaren Zylinderkopf und mit einem Kühler zum Er¬ hitzen bzw. Kühlen eines Arbeitsmediums sowie mit einem Verdränger- und einem Arbeitskolben, die wirkmäßig eine Ab¬ triebsachse beaufschlagen.

Stirlingmotoren sind in einer Vielzahl von Gestaltungen be¬ kannt, hier sei als Beispiel die DE-40 1& 238-C2 als Kombi¬ nation eines solchen Motors mit einer Heizkesselanlage ge¬ nannt.

Das Grundprinzip eines solchen Stirlingmotors besteht dar¬ in, daß ein konstantes Gasvolumen (heute wird meist Helium eingesetzt) innerhalb der Stirlingmaschine von zwei Kolben hin und her geschoben wird. Auf der einen Seite wird das Helium durch die Flamme eines Gasbrenners in den Erhitzer- röhrchen erhitzt und auf der anderen Seite von einem Kühler abgekühlt. Dazwischen befindet sich ein Regenerator, der dem Gas auf seinem Weg von der heißen zur kalten Seite Wär¬ me entzieht und bei Rückströmen wieder zuführt. Ein Getrie¬ be verbindet die beiden Kolben so, daß Leistung z.B. über Generatoren entnommen werden kann. Die Kolben werden dabei im Wechsel parallel oder gegeneinander bewegt, wodurch das Gas durch den einen Kolben komprimiert und nach der Wärme¬ zufuhr durch den anderen wieder entspannt wird.

Neben dem Problemkreis in der Optimierung der Wärmeübertra¬ gung liegt ein mechanisches Problem eines solchen Motors u.a. in den Kräften, die die wirkmäßige Verbindung von Ver¬ drängerkolben und Arbeitskolben in Verbindung mit der Ab- triebachse beaufschlagen, wobei hier eine sogenannte Beta- Bauweise im Vordergrund steht. Dabei handelt es sich um ei¬ ne Bauweise, bei der der Verdrängerkolben und der Arbeits¬ kolben hintereinander auf einer gemeinsamen Wirkachse lie¬ gen.

Hier muß dafür Sorge getragen werden, daß die Auswuchtung ebenso optimiert wird, wie die Lagerung der rotierenden bzw. oszillierenden Elemente, wobei eine weitestgehende Minimierung der Querkräfte erreicht werden sollte.

Aus der DE-37 23 950-A1 ist eine regenerative Wärmemaschine bekannt mit Exzenterkurbelgetriebe, das aber praktisch in der Wellenachse nicht auswuchtbar ist, da die beiden Exzen¬ ter zwar vergleichsweise nahe aneinander angeordnet sind, aber immer noch nebeneinander. Eine andere Lösung zeigt die JP-58-128 441 A, hier besteht ein wesentlicher Nachteil dari: daß das dort offenbarte Exzentergetriebe, soweit er¬ kennbar, statisch überbestimmt ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Lösung dieser Problem¬ punkte, d.h. es soll für eine ausreichende Auswuchtung

ebenso gesorgt werden wie für eine Verhinderung statisch überbestimmter Lager und das Erreichen einer Minimierung der Querkräfte.

Bei einem Stirlingmotor der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abtriebsachse mit einer Doppelexzenterscheibe ausgerüstet ist, an der zum einen das Arbeitskolbenpleuel und zum ande¬ ren das Verdrängerkolbenpleuel angreifen, wobei beide Ex¬ zentrizitäten in der Ebene der Kolbenachse liegen.

Der besondere Vorteil des so aufgebauten Doppelexzenters nach der Erfindung liegt darin, daß die Lagerangriffpunkte der beiden Pleuel beim erfindungsgemäßen Doppelexzenter praktisch ineinander liegen, da sie beide in der Zylinder¬ achsebene angeordnet sind. Damit ist kein Auswuchten in der Wellenachsebene mehr nötig.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß eine getriebetech¬ nisch sehr kompakte Bauweise möglich wird. Auch lassen sich die auftretenden, zum Teil gegenläufigen Belastungen durch die Einleitung in die Doppelexzenterscheibe leichter aus¬ gleichen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Außenseite der Doppelexzenterscheibe dem Arbeits-

kolbenpleuel und eine exzentrische Bohrung in der Doppel¬ exzenterscheibe dem Verdrängerkolbenpleuel zugeordnet ist. Auch dies führt zu einer kompakten Bauweise, weil es mög¬ lich ist, die Lager der Exzenterkolbenscheibe vergleichs¬ weise nah aneinander zu rücken.

Die Erfindung sieht auch vor, daß dem den Doppelexzenter tragenden Wellenstumpf der Abtriebsachse im Getriebegehäuse ein koaxiales, ortsfestes Gegenlager zugeordnet ist, das eine exzentrische Gegenmassenscheibe trägt, die ihrerseits über einen Kulissenstein die Exzenterachse des Verdränger- kolbenpleuels verbunden ist.

Zweckmäßig kann dabei das freie Ende des Arbeitskolbenpleu¬ els drehbar dem Anlenkhebel und mindestens einer Arbeits¬ kolbenstange zugeordnet sein, wie dies die Erfindung eben¬ falls vorsieht.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das freie Ende des Arbeitskolbenpleuels koaxial das Lager des schwenkbaren Anlenkhebels trägt, dessen zweiter schwenk¬ barer Anlenkpunkt am Getriebegehäuse vorgesehen ist.

Diese erfindungsgemäße Führung über Anlenkhebel führt zu einem sehr ruhigen Lauf des Stirlingmotors und sie gewähr¬ leistet, daß unter Umständen beim Arbeitskolben auf einen

Kreuzkopfpunkt verzichtet werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn der Doppelexzenterscheibe wenig¬ stens ein mitrotierendes Gegengewicht zugeordnet ist, wobei eine Besonderheit der Erfindung in einer weiteren Ausge¬ staltung darin besteht, daß der Doppelexzenterscheibe ein oszillierender Blindkolben zugeordnet ist, dessen Achse im rechten Winkel zur Hauptkolbenachse steht.

Damit lassen sich in einfacher Weise die Massenkräfte er¬ ster Ordnung durch dieses zweite, um 90° verdrehte oszil¬ lierende Massensystem auswuchten, wobei das oszillierende Massensystem linear oder mit einem Hebel geführt werden kann.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß das weitere oszillierende Massensystem ggf. auch Zusatzfunktionen, wie Verdichten des Arbeitsmediums für Regelungszwecke od. dgl. erfindungsgemäß übernehmen kann.

Zweckmäßig ist es auch, wenn eine auf einer Konsole ver¬ schraubte Führungsbuchse für eine Linearführung der Ver¬ drängerkolbenstange vorgesehen ist, so daß es erfindungs¬ gemäß möglich ist, erst nach der Montage ein Justieren zu ermöglichen.

- 6 -

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei¬ spielsweise näher erläutert. Die zeigt in

Fig. 1 die Seitenansicht eines erfindungsgemaßen Stirling- motors mit teilweise geschnittenem Getriebe,

Fig. 2 in gleicher Darstellung eine Schnittansicht etwa gemäß Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 2a eine Schemazeichnung der Fig. 2 sowie in

Fig. 3 ein Prinzipbild des Stirlingmotors mit Getriebe.

Der allgemein mit 1 bezeichnete Stirlingmotor besteht im wesentlichen aus einem beheizbaren Zylinderkopf 2 mit einer Vielzahl von Erhitzerröhrchen 3, die einerseits in einen Expansionsraum 4 und andererseits in einen Regenerator 5 münden, wobei sich im Expansionsraum 4 oszillierend ein Verdrängerkolben 6 befindet. An dem Regenerator 5 schließt sich ein Kühler 7 zum Abkühlen des Arbeitsmediums an, das einen mit 8 bezeichneten Arbeitskolben beaufschlagt, der in Fig. 1 in der oberen Totpunktlage dargestellt ist.

Für die Erfindung ist die besondere Gestaltung des Getrie¬ bes von Bedeutung, das sich in einem allgemein mit 9 be-

zeichneten Gehäuse befindet, an das beispielsweise ein Ge¬ nerator 10 angeflanscht ist, auf dessen spezielle Gestal¬ tung es hier nicht näher ankommt.

Der Verdrängerkolben 6 weist eine Verdrängerkolbenstange 11 auf, dessen freies Ende 12 mit einem gehäuseseitig schwenk¬ bar gelagerten Anlenkhebel 13 und einem Exzenterhebel 14 andererseits verbunden ist, wobei dieser Exzenterhebel 14 wiederum einer exzentrischen Bohrung 15 einer allgemein mit 16 bezeichneten Doppelexzenterscheibe zugeordnet ist.

Diese Doppelexzenterscheibe 16 ist, wie sich dies insbeson¬ dere aus Fig. 2 ergibt, in einem koaxial zum Generator an¬ geordneten Wellenstumpf 17 gelagert und mittelbar in einem koaxialen Gegenlager 18. Diese mittelbare Lagerung erfolgt derart, daß im Gegenlager 18 eine exzentrische Gegenmassen¬ scheibe 19 gelagert ist, die einen exzentrisch zu ihrer Drehachse im Gegenlager 18 angeordneten Kulissenstein 20 trägt, der wiederum seinerseits die Drehwelle 21 für das freie Ende des Exzenterhebels 14 trägt, der seinerseits in der Exzenterscheibe 16 exzentrisch in der Bohrung 15 gela¬ gert ist. Die Exzenterscheibe 16 ist im dargestellten Bei¬ spiel auf ihrer dem Abtrieb 17 zugewandten Seite mit einem Gegengewicht 29 ausgerüstet.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Außenum-

fang der Exzenterscheibe 16 exzentrisch zu der mit 22 be¬ zeichneten Zentralachse des Getriebes, die mit der Achse des Generators 10 fluchtet, vom Arbeitskolbenpleuel 23 um¬ griffen, welches mit seinem freien Ende an einem Lagerbock 24 für Schubstangen 25 befestigt ist, die ihrerseits den Arbeitskolben tragen. Neben der Verbindung des Arbeitskol¬ benpleuels 23 mit dem Aufnahmeblock für die Schubstangen 25 ist das freie Ende noch drehbar mit einem Anlenkhebel 26 verbunden, der seinerseits wie der Anlenkhebel 13 für den Verdrängerkolben im Gehäuse 9 schwenkbar gelagert ist, wie sich dies insbesondere aus Fig. 1 ergibt.

Beide Anlenkhebel 13 und 26 sorgen für eine im wesentlichen lineare Bewegung der Systemelemente.

Wie sich ebenfalls aus Fig. 1 ergibt ist an der Exzenter¬ scheibe 16 eine weitere Kolbenstange 27 für einen um 90° zur Bewegungsachse des Verdrängerkolbens bzw. Arbeitskol¬ bens positionierter Blindkolben 28 als Auswuchtelement vor¬ gesehen.

Nicht näher dargestellt ist die Möglichkeit, auf einer Kon¬ sole eine Führungsbuchse für eine Linearführung der Ver¬ drängerkolbenstange 11 vorzusehen, um zu ermöglichen, daß eine Justierung des Getriebes möglich ist, da diese erst bei der Montage beim Justieren verschraubt werden kann.

In Fig. 2a ist schematisch der prinzipielle Aufbau des Ge¬ triebes etwa nach Fig. 2 dargestellt, um zu veranschauli¬ chen, daß die beiden mit EX I und EX II bezeichneten Exzen¬ trizitäten in der Doppelexzenterscheibe 16 praktisch in einer Ebene der Kolbenachse, dort mit 30 bezeichnet, lie¬ gen.

Neben den Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 ein grundsätzliches Funktionsschaubild der Erfindung dargestellt mit gegenüber Fig. 1 einer Drehung um etwa 180°.

Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Er¬ findung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So ist die Erfindung nicht auf eine besondere Art der Gestaltung des Erhitzer- oder Küh¬ lerteiles des Stirlingmotors beschränkt, auch nicht auf eine bestimmte Art des Abtriebes.