"Energiewandler nach dem Prinzip des Heißlυftmotors"

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler nach dem Prinzip des Heißluftmotors (Stirlingmotor, Ericssonmotor) , der einen Zylinde aufweist, der einen Arbeitskolben und einen Verdrängerkolben ent hält, die jeweils vor und zurück auf der Achse des Zylinders ver schiebbar sind und jeweils eine Kolbenstangeneinrichtung besitze die mit jeweils einem Gelenksystem über Pleuelstangen mit zwei parallelen, synchron in entgegengesetzten Richtungen rotierenden Kurbeln solcherart verbunden ist, daß der Verdrängerkolben pha¬ senverschoben zum Arbeitskolben bewegt wird.

Ein bekannter solcher Energiewandler vom Stirling-Typ hat einen sogenannten rhombischen Kurbelmechanismus.

Die Kolbenstange des Arbeitskolbens ist rohrförmig, und an ihr ist ein oberes Joch befestigt, das sich zwischen dem Zylinder un der Ebene befindet, in der die beiden parallelen Kurbeln liegen. Zwei Pleuelstangen, die mit jeweils einer der Kurbeln verbunden sind, greifen mit Zapfen in die Enden des oberen Jochs ein, so daß eine hin- und hergehende Bewegung des Arbeitskolbens des Zy¬ linders und damit auch des Jochs eine synchrone Rotation der Kurbelwellen in entgegengesetzten Richtungen bewirkt.

Die Kolbenstange des Verdrängerkolbens erstreckt sich durch die rohrförmige Kolbenstange des Arbeitskolbens, und an ihr ist ein unteres Joch befestigt, das sich, bezogen auf den Zylinder, hin¬ ter der Ebene der Kurbeln befindet. An den Enden des unteren Jochs sind die Pleuelstangen drehbar angebracht, welche in ihrer jeweiligen Kurbel an dem gleichen Kurbelzapfen angreifen wie die entsprechende Pleuelstange des oberen Jochs. Auch das untere Joc und damit auch der Verdrängerkolben bewegen sich bei der synchro nen Rotation der Kurbeln in entgegengesetzter Richtung vor und zurück, jedoch ist ihre Bewegung phasenverschoben im Verhältnis zum oberen Joch. Die Phasenverschiebung kommt dadurch zustande, daß die Pleuelstangen von den Jochen aus schräg nach außen und von den verschiedenen Jochen her aufeinander zu gerichtet sind.

In diesem, auch Rhombengetriebe genannten, Mechanismus werden Gleitlager verwendet, die mit Öl geschmiert werden.

Hierzu wird ein besonderes Zirkulationsschmiersystem verwendet, zu dem eine Ölpumpe und Ölkanäle zu den verschiedenen Schmier¬ stellen gehören, welches den Energiewandler komplizierter macht und verteuert.

Ein anderer Nachteil ist, daß die Ölschmierung dazu führt, daß das Kurbelgehäuse des Energiewandlers mit dem rhombischen Kurbel mechanismus hermetisch gegen den Zylinder des Energiewandlers ab gedichtet werden muß, damit sich die Arbeitsgase im Zylinder nicht mit Öl vermischen, was zu einer schädlichen Kontaminierung des Wärmetauschers im Energiewandler führt. Diese Abdichtung ist aufgrund des erforderlichen hohen Drucks des Arbeitsgases schwer zu verwirklichen und verlangt die Anwendung von teueren und kom¬ plizierten Dichtungen.

Wegen dieser Nachteile verwendet man möglichst anstelle der ölge schmierten Gleitlager dauergeschmierte Rollenlager, die kein spe zielles Zirkulationsschmiersystem erfordern. Das gilt insbeson¬ dere bei der Konstruktion von kleinen, einzylindrigen Energie¬ wandlern, wo der Kostenaspekt eine herausragendere Rolle spielt

und die geringere Friktion der Rollenlager merklich positive Effekte ergibt.

Bei größeren Energiewandlern pflegt man bei der Anwendung von dauergeschmierten Rollenlagern mehrzylindrige Konstruktionen zu wählen, in welchen die Kräfte auf eine größere Anzahl von Lagern verteilt werden, die dann einer geringeren Belastung ausgesetzt sind und eine wesentlich verlängerte Lebensdauer erhalten. Der Nachteil solcher mehrzylindriger Konstruktionen ist aber wiederu daß sie bedeutend teurer und komplizierter als einzylindrige Konstruktionen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leistungsfähigen einzylindrigen Energiewandler zu schaffen, dessen Lager ohne Schmierung von außen eine lange Lebensdauer haben.

Dieses Ziel wird bei einem Energiewandler der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Gelenksystem des Arbeitskolbens ei Rahmenelement umfaßt, welches mindestens vier Zapfen aufweist, die in einer gemeinsamen, zur Zylinderachse rechtwinkligen Ebene symmetrisch zur Zylinderachse angeordnet und parallel zu den Kur belwellen ausgerichtet sind und an denen jeweils eine Pleuelstan ge angelenkt ist, daß das Gelenksystem und/oder die Kolbenstangeneinrichtung des Verdrängerkolbens durch das Rahmenelement hindurchgeführt ist bzw. sind und daß die Kurbeln als Kurbelwellen gestaltet sind, an denen di Pleuelstangen jeweils an einer Kröpfung angreifen, die jeweils zwischen zwei Kurbelwellenlagern angeordnet sind.

Auf diese Weise wird die Zahl der Lager vergrößert, damit die sp zifische Belastung der Lager vermindert und dadurch die Lebens¬ dauer erhöht, so daß man auch bei großen einzylindrigen Energie¬ wandlern mit dauergeschmierten Lagern, vorzugsweise Rollenlagern auskommt. Für das Gelenksystem des Verdrängerkolbens ist keine

Vergrößerung der Lagerzahl notwendig; die Kraft wird weitaus überwiegend, z.B. zu 98%, am Arbeitskolben gewonnen.

Dies erlaubt es, den Mechanismus zusammen mit von den Kurbelwel len angetriebenen Generatoren in einem druckdichten Gehäuse ein zukapseln und das Gehäuse mit demselben Gas unter Druck zu fül¬ len, mit dem der Energiewandler arbeitet, meistens Helium oder Wasserstoff. Damit wird Leckverlust an der Hindurchführung der Kolbenstange des Verdrängerkolbens durch den Arbeitskolben ver¬ mieden und auch in dieser Beziehung die Lebensdauer des Energie wandlers erhöht.

Der Verzicht auf Zentralschmierung macht es auch möglich, den Motor in jeder Lage zu betreiben. Das ist besonders von Bedeutu für die Art der Beheizung, z.B. ob mit flüssigem oder mit feste Brennstoff oder mit Sonnenenergie durch einen Parabolspiegel, wenn der Energiewandler dessen Bewegung folgen muß.

Die vorgeschlagene Lösung kann auf ein Rhombengetriebe angewand werden. In diesem Falle liegen alle Kröpfungen der Kurbelwellen gleich.

Vorzugsweise sind jedoch statt der schrägen Anordnung der Pleuel stangen die mit dem Gelenksystem des Arbeitskolbens verbundenen und die mit dem Gelenksystem des Verdrängerkolbens verbundenen Kröpfungen der Kurbelwellen entsprechend den unterschiedlichen Bewegungen, die die beiden Kolben ausführen sollen, winkelver¬ setzt. Es ist aber auch eine Kombination von beiden Prinzipien denkbar, auch nur teilweise.

Die winkelversetzten Kröpfungen haben ferner in Verbindung mit dem Rahmenelement den Vorteil, daß beide Gelenksysteme von der¬ selben Seite her auf die Kurbelwellen arbeiten können. Das Ge¬ lenksystem des Verdrängerkolbens, vorzugsweise ein Joch mit zwei Pleuelstangen, hat in dem Rahmenelement des Arbeitskolbens Platz und Bewegungsraum. Die gesamte Vorrichtung kann dadurch kompakt werden, ein wichtiger Vorteil für beweglichen Einsatz des Ener¬ giewandlers.

Die Kolbenstangeneinrichtung des Arbeitskolbens besteht zweck¬ mäßigerweise aus zwei Kolbenstangen, die symmetrisch zur Zylin¬ derachse am Arbeitskolben befestigt sind.

Die Zeichnungen geben ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder.

Fig. 1 zeigt einen Stirling-Motor in einem axialen Schnitt,

Fig. 2 zeigt den Stirling-Motor in einem zu Fig. 1 senkrechten axialen Schnitt,

Fig. 3 zeigt den Stirling-Motor in einem Schnitt nach Linie III-III in Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 zeigt den Stirling-Motor im Schema.

Der Stirling-Motor 1 besitzt einen Zylinder 2, in welchem ein Verdrängerkolben 3 und ein Arbeitskolben 4 angeordnet sind. Oben in Fig. 1 und 2 sind Wärmerohre 5 zu erkennen, die sich in einer nicht gezeigten Brennkammer befinden und den Zylinderraum ober¬ halb des Verdrängerkolbens 3 mit der Außenseite eines ringförmi¬ gen Regenerators 6 verbinden, der den Zylinder 2 umgibt. Die In¬ nenseite des Regenerators 6 hat Verbindung mit einer Kammer, in welcher ein Kühler 7 angeordnet ist, welcher seinerseits in Ver¬ bindung mit dem Zylinderraum unter dem Verdrängerkolben 3 in Ver bindung steht.

Des näheren kann zum Aufbau und zur Funktion des Stirling-Motors verwiesen werden auf Werdlich, Martin: "Stirling-Maschinen: Grundlagen, Technik, Anwendung", ökobuch 1991, ISBN 3-922964-35-4 sowie auf Künzel, Manfred: "Stirlingmotor der Zukunft", VDI-Verla 1986, wo im übrigen jeweils auch das Rhombengetriebe dargestellt und beschrieben ist.

Im Kurbelgehäuse 8 des Stirling-Motors sind zwei parallele Kur¬ belwellen 9 symmetrisch zur Achse des Zylinders 2 und rechtwink¬ lig zu ihr angeordnet.

Jede der Kurbelwellen hat zwischen vier Lagern 10,11,12,13 drei Kröpfungen 14,15,16. Die Kröpfungen 14 und 15 sind in einer Ebene miteinander angeordnet, während die dritte Kröpfung 16 winkelversetzt zu ihnen ausgerichtet ist. Die Kröpfungsanord¬ nung der Kurbelwellen ist spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, die sich durch die Zylinderachse erstreckt.

Die mittlere Kröpfung 16 ist jeweils drehbar mit dem einen Pleυ- elauge einer Pleuelstange 17 verbunden, deren anderes Pleuelauge drehbar auf einen am einen Joch 19 angeordneten Zapfen 18 greift

Das Joch 19 ist spiegelsymmetrisch zur Ebene der Zylinderachse und die Zapfen 18 an seinen Enden sind parallel zu den Kurbelwel len 9 ausgerichtet. In der Mitte des Jochs ist eine Kolbenstange 20 starr befestigt, die sich koaxial und abgedichtet durch den Arbeitskolben 4 erstreckt und an der Unterseite des Verdränger¬ kolbens 3 befestigt ist.

Die übrigen Kröpfungen 14 und 15 der Kurbelwelle 9 sind drehbar mit dem einen Pleuelauge jeweils einer Pleuelstange 21 verbunden deren anderes Pleuelauge drehbar auf einen an einem Rahmenelemen 24 angeordneten Zapfen 22,23 greift. Das Rahmenelement 24 ist spiegelsymmetrisch zur Ebene der Zylinderachse und die Zapfen 22 und 23 sind paarweise angeordnet und parallel zu den Kurbelwelle 9 ausgerichtet. Der Abstand der den verschiedenen Kurbelwellen 9 zugeordneten Zapfenpaare 22,23 voneinander ist ebenso wie der Ab stand der Zapfen 18 voneinander gleich dem Abstand, den die Kur¬ belwellen 9 in ihren Lagern 10-13 voneinander haben.

Das Rahmenelement 24 ist als ein sehr steifes Fachwerk ausgebil¬ det mit einer zentralen Öffnung, die ausreichend groß ist, um einen ungehinderten Durchtritt des Jochs 19 in Richtung der Zy¬ linderachse zu erlauben. An einander gegenüberliegenden Seiten der zentralen Öffnung sind zwei Kolbenstangen 25 befestigt, die in einer Ebene mit der Zylinderachse liegen und die parallel zu-

einander in gleichem Abstand von dieser Achse angeordnet sind. Die Kolbenstangen 25 erstrecken sich, ebenso wie die Kolbenstan¬ ge 20, abgedichtet durch eine Wand, die einen unterschiedlichen Gasdruck im Zylinderraum des Motors und im Kurbelwellenraum er¬ möglicht, und sind mit der Unterseite des Arbeitskolbens 4 ver¬ bunden.

Alle Lager 10,11,12,13 sowie die Lager der Pleuelstangen sind ge¬ kapselte, dauergeschmierte Rollenlager, die völlig wartungsfrei sind und die dank der großen Anzahl der Lager nur geringen Lager¬ belastungen ausgesetzt sind, wodurch sie eine lange Lebensdauer erhalten.

Bei 30 könnte eine Haube druckdicht an das Kurbelgehäuse 8 ange¬ setzt werden, in der die Kurbelwellen 9 z.B. je einen Generator antreiben. Alle beweglichen Teile sind dann eingekapselt.

Der dargestellte Stirling-Motor ist in erster Linie für statio¬ nären Einsatz vorgesehen und kann beispielsweise für den Antrieb eines Generators verwendet werden, der an seine Kurbelwellen ge¬ koppelt wird.

Auch eine Baueinheit mit einer integralen Mehrfach-Anordnung des Stirlingmotors wäre möglich, ggf. in Tandem-Anordnung mit starr verbundenen Rahmenelementen.