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EP0188742A2 - Heat engine - Google Patents

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Publication number
EP0188742A2
EP0188742A2 EP85115980A EP85115980A EP0188742A2 EP 0188742 A2 EP0188742 A2 EP 0188742A2 EP 85115980 A EP85115980 A EP 85115980A EP 85115980 A EP85115980 A EP 85115980A EP 0188742 A2 EP0188742 A2 EP 0188742A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
housing
heat engine
engine according
coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP85115980A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0188742A3 (en
Inventor
Jürgen Dipl.-Phys. Kleinwächter
Hans Prof. Dr.-Ing. Kleinwächter
Otto Dipl.-Ing. Klaas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bomin Solar GmbH and Co KG
Original Assignee
Bomin Solar GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19853502363 external-priority patent/DE3502363A1/en
Priority claimed from DE19853508689 external-priority patent/DE3508689A1/en
Application filed by Bomin Solar GmbH and Co KG filed Critical Bomin Solar GmbH and Co KG
Publication of EP0188742A2 publication Critical patent/EP0188742A2/en
Publication of EP0188742A3 publication Critical patent/EP0188742A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • F02G1/0435Hot 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 the engine being of the free piston type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • F02G1/045Controlling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00Constructional features
    • F02G2270/85Crankshafts

Definitions

  • the invention relates to a heat engine according to the preamble of claim 1.
  • heat engines of this type work according to an ideal, reversible cycle, which runs between two isotherms and two isochors, and thus basically higher degrees of Carnot implementation can be achieved than with the much more widely used internal combustion engines, such machines have so far been able to do so for various reasons not yet widely enforced.
  • crankshaft construction With a free-piston machine of this type, the advantage over the crankshaft construction is that it is completely gas-tight, that is to say that there is no gas diffusion from the inside to the outside or oil from the outside to the inside. Furthermore, the structure, at least as far as the elementary components are concerned, is uncomplicated and accordingly enables a long service life. Ultimately, potentially one increased efficiency can be achieved because there is no crankshaft loss.
  • the object of the invention is to implement an externally heated, regenerative heat engine which combines the advantages of a free-piston and a crankshaft machine and largely avoids their respective disadvantages.
  • a simple possibility of coupling mechanical energy out of a machine of the type in question is to be specified.
  • the magnetic decoupling of the mechanical energy of the linearly oscillating working piston makes it possible to optimally design a free-piston engine without specific considerations in the design, e.g. regarding storage and choice of materials.
  • the magnetically decoupled movement can be supplied externally through any known mechanical power transmission and conversion systems to any secondary units. If such secondary or sub-assemblies do not need rotating but linear movements, the decoupled linear vibration energy can be taken off directly.
  • the magnetic decoupling also has the advantage that it acts as a slip clutch when overloads occur.
  • the magnets then arranged outside the housing can be designed both as permanent magnets and as electromagnets. No electrical cables have to be routed into the interior of the housing to supply electromagnets, since only soft iron parts are located there.
  • the outer magnets as electromagnets and by providing an AC voltage source according to claim 3, a dynamic vibration effect can be exerted on the pistons to achieve an additional dynamic seal.
  • a device for coordinating the phase position of the working and displacement pistons is advantageously provided.
  • This device is preferably designed as a mechanical transmission, in particular as a crankshaft transmission.
  • the magnetic coupling devices and the downstream mechanical transmission are therefore used on the one hand to achieve optimal decoupling of the mechanical energy for further use, and on the other hand to impart a precisely defined phase position and a correspondingly coordinated vibration behavior to the oscillating piston by a mechanical transmission.
  • This also avoids the difficulties of conventional free-piston machines that occurred in the start-up area and during load changes. All advantages of free-piston machines are thus achieved by avoiding the basic sealing problems, and on the other hand the problems typical of free-piston machines, which result from the complicated behavior of a freely oscillating system, are easily mastered.
  • the transmission device provided according to claim 7 allows, derived from the linear movement of the displacement piston and / or the working piston, to impart a rotary movement about its longitudinal axis to the latter.
  • a rotary movement in conjunction with the magnetic coupling devices described above, allows a combined translatory and rotary movement or a pure rotary movement for the drive on the outside of the housing to tap from secondary units.
  • the rotary movement achieves a dynamic sealing effect between the pistons and the inner wall of the housing.
  • the measure according to claim 8 ensures that the displacer piston and the working piston rotate with each other, but perform an independent linear movement.
  • coupling means By arranging the coupling means according to claim 10 it is achieved that these coupling means can also be used as the coupling devices provided according to claim 5 to achieve a defined phase position between the working and displacement pistons, with the setting of an exact sine wave. cosine relationship between the coupling means, which have a phase difference of 0 ° 9 of the conventional phase difference is adjusted according to the one part of the displacer and on the other hand are assigned to the working pistons.
  • the coupling means according to the invention make it possible to make it adjustable according to claim 11, ie by changing the angular position of the coupling means, for example by means of magnetic manipulators, the phase position between the working and displacement pistons can be adjusted be changed to certain operating modes or operating states.
  • Claim 12 specifies a particularly simple embodiment of the coupling means.
  • the cam provided thereafter can be designed both as a sliding cam and can also be provided to reduce the friction that a wheel or a roller scans the guide curve.
  • Another embodiment of the coupling means results from claim 13, wherein corresponding to the sinusoidal or cosine-shaped magnetisable or magnetic material provided thereafter, a magnetic or magnetisable coupling means interacting therewith, corresponding to a cam, is provided.
  • Fig. 1 shows a housing 1, which is designed as a pressure cylinder.
  • a working piston 2 is arranged, which is mounted so that it can move up and down linearly via guide rings 3.
  • a displacer 4 is arranged in the housing 1, which is likewise guided over the linkage 3.
  • a heater 5, a regenerator 6 and a cooler 7 are arranged so that they have an interior 11, which is enclosed by the displacer 4, the working piston 2 and the housing 1, with an interior 12, which is between the housing 1 and the displacer 4 is included, connect.
  • the heater 5 is connected to an external heat source.
  • the displacer piston 4 is connected via a linkage 13 to a first inner coupling device 9, while the working piston 2 is connected via a linkage 14 to a second inner coupling device 15.
  • Both coupling devices 9, 15 are designed as soft iron rings, which have grooves 16 and 17 open radially outwards.
  • the housing 1 or at least the housing area around the coupling devices 9, 15 is made of a non-magnetic material.
  • a plastic or a non-magnetic metal such as eg aluminum or non-magnetic special steel. In the latter case, only certain eddy current losses have to be accepted when decoupling.
  • Corresponding coupling devices 8, 18 are arranged outside the housing 1 at the level of the coupling devices 9, 15. These coupling devices are each formed by an annular permanent magnet, which has inwardly open annular grooves 19 or 20. Instead of the permanent magnets shown for the sake of simplicity, appropriately designed electromagnets can also be used, it being equally possible to operate the electromagnets with direct current or with alternating current.
  • the outer coupling devices 8, 18 are each connected to a linkage 21 or 22, both linkages 21 and 22 being mounted so as to be movable independently of one another in the axial direction.
  • the linkage 21 is connected via articulation points 23, 24 and the linkage 22 via articulation points 25, 26 to a mechanical transmission 10 designed as a crank mechanism.
  • the mechanical transmission 1 0 which is known as such from conventional Stirling engines, is shown only schematically in the drawing.
  • the phase angle ⁇ between working piston 2 and displacement piston 4 is predetermined by the choice of the angular position of the articulation points 24, 26. Due to the coupling between the transmission 10 and the working piston 2 or displacement piston 4, a fixed phase position is ensured both when starting and when load changes occur between working piston 2 and displacement piston 4.
  • pistons 2, 4 and the gas paths or gas spaces are dimensioned so that that in the case of an ideal free swinging a phase angle ⁇ , for example, would of 9 0 °, adjust, as it is dictated by the transmission lo.
  • phase angle
  • the transmission 10 then only reacts to the phase position of the working piston 2 and displacement piston 4 in the critical areas.
  • the output shaft 27 of the transmission lo serves to drive downstream units, so that a very favorable decoupling of the mechanical energy from the displacer and working piston 4, 2 is achieved.
  • FIG. 2 shows how, due to the geometry of the outer and inner coupling devices 8, 9, which have annular grooves 2o and 17 that are open towards one another, an axial force component F is produced during an axial relative movement between the coupling devices 8 and 9, which component component achieves the desired coupling force represents.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which derived from the oscillating translational movement of the working piston 2 'or the displacer 4', which is shown only schematically in the drawing are, a rotary movement (arrow 28) about the common longitudinal axis 29 is impressed on this piston.
  • the graphic representation in FIG. 3 is limited to the explanation of the derivation of this rotary movement from the oscillatory movement along the axis 29.
  • connection 3o in the form of a mandrel is provided which engages with play in recesses 31 and 32 in the displacement piston 4 'and working piston 2', respectively , so that an unimpeded movement of these pistons in the axial direction is possible relative to each other.
  • the recesses 31, 32 or the connection 3o i.e. the mandrel provided for this purpose, which in the exemplary embodiment is square in cross section, the pistons can only rotate together despite their free axial mobility.
  • the displacer 4 ' has a cosine-shaped insert 33 made of magnetizable material, for example soft iron, while the working piston 2' has a corresponding insert 34 which is sinusoidal, ie relative to the insert 33 out of phase by 9 0 °.
  • Magnets 35, 36 are attached to the housing wall, which interact with the inserts 33 and 34, respectively, so that the pistons 2 'and 4', respectively, during a longitudinal movement parallel to the axis 29 due to the magnetic force components described in connection with FIG. a continuous rotary movement is impressed in the direction of arrow 28.
  • This rotary movement can take place via a magnetic coupling device are coupled, which in the exemplary embodiment is formed by the magnets 37, 38.
  • An output shaft 39 can then be connected to the magnet arrangement 37 for driving secondary units.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which an adjusting ring 43 is provided in the interior of the housing wall 40.
  • This setting ring 43 carries cams 44, at the front end of which rollers 45 are arranged. These rollers 45 engage in a sine or cosine ring groove 46 on the displacement piston or working piston and thus serve as coupling means for generating a rotary movement derived from the translatory movement of the piston.
  • the magnet pairs 47 and 48 enable the angular position of the adjusting ring 4o to be fixed or changed, and thus in turn the phase angle ⁇ between the working and displacement pistons.

Landscapes

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Abstract

Bei einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einem Stirling-Motor, umfassend einen Verdrängerkolben und einen Arbeitskolben, welche miteinander gekoppelt in einem nach außen dicht abgeschlossenen Gehäuse linear geführt schwingungsfähig angeordnet sind, wobei der Gasraum zwischen Verdränger- und Arbeitskolben mit dem Gasraum zwischen Verdrängerkolben und Gehäuse über eine Erhitzer-, Kühler-, Regenerator-Anordnung verbunden ist, und wobei eine externe Wärmequelle anschließbar ist, ist zur Ermöglichung einer problemlosen Auskopplung mechanischer Energie durch das geschlossene Gehäuse nach au-Ben vorgesehen, daß wenigstens mit dem Arbeitskolben (2) eine magnetische oder magnetisierbare, innerhalb des Gehäuses (1) angeordnete Kopplungs-Einrichtung (9, 15) verbunden ist, und daß eine korrespondierende magnetische oder magnetisierbare Kopplungs-Einrichtung (8, 18) außerhalb des Gehäuses (1) parallel zum Kolbenweg beweglich gelagert ist.In a heat engine, in particular a Stirling engine, comprising a displacement piston and a working piston, which are arranged coupled to one another in a housing that is linearly guided so as to be capable of oscillation, the gas space between the displacement piston and the working piston being connected to the gas space between the displacement piston and the housing via a Heater, cooler, regenerator arrangement is connected, and an external heat source can be connected, is provided to enable problem-free coupling of mechanical energy through the closed housing to the outside, that at least with the working piston (2) a magnetic or magnetizable , Within the housing (1) arranged coupling device (9, 15) is connected, and that a corresponding magnetic or magnetizable coupling device (8, 18) outside the housing (1) is movably mounted parallel to the piston path.

Um insbesondere das Schwingungsverhalten von Arbeitskolben und Verdrängerkolben in jeder Betriebsphase kontrollieren zu können, ist weiterhin vorgesehen, daß eine Vorrichtung zur Vorgabe der Phasenlage zwischen Arbeitskolben (2) und Verdrängerkolben (4) durch ein magnetisch angekoppeltes mechanisches Getriebe, insbesondere ein Kurbelwellengetriebe gebildet wird. Insbesondere ist vorgesehen, daß von der translatorischen Bewegung der Kolben eine auf diese übertragene Drehbewegung abgegriffen wird, wobei die hierzu dienenden Übertragungs-Einrichtungen gleichzeitig auch die Phasenlage der Kolben festlegen können. Die Drehbewegung der Kolben kann mittels der erfindungsgemäßen Kopplungs-Einrichtungen magnetisch ausgekoppelt und direkt auf eine Abtriebswelle übertragen werden.

Figure imgaf001
In order in particular to be able to control the vibration behavior of the working piston and displacement piston in each operating phase, it is further provided that a device for specifying the phase position between the working piston (2) and displacement piston (4) is formed by a magnetically coupled mechanical transmission, in particular a crankshaft transmission. In particular, it is provided that a rotational movement transmitted to the pistons is tapped from the translational movement of the pistons, the transmission devices serving for this purpose also being able to simultaneously determine the phase position of the pistons. The rotary movement of the pistons can be magnetically decoupled by means of the coupling devices according to the invention and transmitted directly to an output shaft.
Figure imgaf001

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a heat engine according to the preamble of claim 1.

Derartige extern beheizte, regenerative Wärmekraftmaschinen besitzen aufgrund des geringen Abgasanfalls, ihres sehr hohen erreichbaren Wirkungsgrades und ihrer Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichsten Wärmequellen gute Aussichten für eine erheblich weitere Verbreitung in der Zukunft. Ein Beispiel für diesen Typ einer Wärmekraftmaschine bildet der Stirlingmotor.Such externally heated, regenerative heat engines have good prospects for a considerably wider spread in the future due to the low exhaust gas emissions, their very high achievable efficiency and their adaptability to a wide variety of heat sources. The Stirling engine is an example of this type of heat engine.

Obwohl Wärmekraftmaschinen dieser Art nach einem an sich idealen, reversiblen Zyklus, der zwischen zwei Isothermen und zwei Isochoren abläuft, arbeiten und somit grundsätzlich höhere Carnot-Realisierungsgrade erzielt werden können, als bei den viel weiter verbreiteten Innenverbrennungsmotoren, konnten sich solche Maschinen bisher aus verschiedenen Gründen noch nicht in großem Umfang durchsetzen.Although heat engines of this type work according to an ideal, reversible cycle, which runs between two isotherms and two isochors, and thus basically higher degrees of Carnot implementation can be achieved than with the much more widely used internal combustion engines, such machines have so far been able to do so for various reasons not yet widely enforced.

Ein Problem liegt darin, daß zur Erzielung hoher Wirkungsgrade die Temperatur des Erhitzerkopfes sehr hoch liegen muß, wobei hierfür geeignete Materialien erst in neuester Zeit entwickelt wurden. Ein weiteres grundlegendes Problem liegt darin, daß zur Erzielung einer guten Leistungsdichte und entsprechend kleiner, kompakter Maschinen die Maschine mit Helium oder Wasserstoff hohen Druckes gefüllt werden muß. Dies führt z.B. bei den bekannten Kurbelwellen-Stirlungmaschinen zu erheblichen Schwierigkeiten, da die Kurbelwellendichtung einerseits das Herausdiffundieren des Arbeitsgases vermeiden soll und andererseits aber auch das Eindringen von Öl und Schmiermitteln aus dem Getriebekasten in das Innere der Maschine. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems stellte die Erfindung des Freikolben-Stirlingmotors dar (US-PS Re.30.176). Eine derartige Anordnung benötigt keine Kurbelwelle, da sowohl der Arbeits- als auch der Verdrängerkolben frei gas- oder mechanisch gefedert linear oszillierend im Inneren eines hermetisch abgeschlossenen Druckgehäuses schwingen. Es wird so also ein Masse-Feder-Resonanzsystem ausgebildet, welches über die Dimensionierung der Federkonstanten, Massen- und Strömungsquerschnitte so abgestimmt wird bzw. abgestimmt werden sollte, daß die Bewegungskinematik dem idealen Stirling-Zyklus möglichst nahe kommt.One problem is that the temperature of the heater head must be very high in order to achieve high efficiencies, and suitable materials have only recently been developed for this purpose. Another fundamental problem is that in order to achieve a good power density and correspondingly small, compact machines, the machine must be filled with high pressure helium or hydrogen. This leads to considerable difficulties, for example, in the known crankshaft spinning machines, since on the one hand the crankshaft seal is intended to prevent the working gas from diffusing out and on the other hand also the penetration of oil and lubricants from the gearbox into the interior of the machine. One approach to solving this problem was the invention of the free-piston Stirling engine (US Pat. No. Re. 0 .176). Such an arrangement does not require a crankshaft, since both the working piston and the displacement piston oscillate freely gas or mechanically with a linear oscillation in the interior of a hermetically sealed pressure housing. A mass-spring resonance system is thus formed which is or should be coordinated via the dimensioning of the spring constants, mass and flow cross sections in such a way that the kinematics of the movement comes as close as possible to the ideal Stirling cycle.

Bei einer derartigen Freikolben-Maschine erreicht man also gegenüber der Kurbelwellenbauweise den Vorteil, daß sie völlig gasdicht ist, daß also keine Gasdiffusion von innen nach außen bzw. kein Eindringen von Öl von außen nach innen erfolgt. Weiterhin ist der Aufbau, jedenfalls was die elementaren Bauteile betrifft, unkompliziert und ermöglicht dementsprechend eine lange Lebensdauer. Letztlich kann potentiell ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht werden, da Kurbelwellenverluste entfallen.With a free-piston machine of this type, the advantage over the crankshaft construction is that it is completely gas-tight, that is to say that there is no gas diffusion from the inside to the outside or oil from the outside to the inside. Furthermore, the structure, at least as far as the elementary components are concerned, is uncomplicated and accordingly enables a long service life. Ultimately, potentially one increased efficiency can be achieved because there is no crankshaft loss.

Diesen Vorteilen stehen Probleme in der praktischen Anwendung einer derartigen Maschine entgegen. Da sich die Bewegungsvorgänge nur im Inneren der Maschine abspielen und keine mechanische Verbindung zum Außenraum vorhanden ist, müssen Zusatzeinrichtungen, die die oszillierende Bewegung des Arbeitskolbens in elektrische oder thermische Nutzenergie umsetzen sollen, auch im Inneren der Maschine untergebracht sein. Dies führt z.B. dazu, daß zur Stromerzeugung im Vergleich zu handelsüblichen, rotierenden Generatoren relativ aufwendige Lineargeneratoren verwendet werden müssen. Noch größere Probleme ergeben sich, wenn mechanische Energie als solche ausgekoppelt werden soll. Insoweit sind Versuche unternommen worden, die periodischen Druckschwankungen im Inneren der Maschine durch eine Membran auf ein hydraulisches System zu übertragen. Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, daß man den Arbeitskolben so schwer ausbildete, daß dieser relativ zum beweglich gelagerten Gehäusestand und die resultierende Gehäusebewegung dazu ausgenutzt wurde, die Energie der linearen Schwingung abzugreifen. Beide genannte Lösungsansätze führen in der Praxis zu erheblichen technischen Komplikationen, z.B. in Form von Materialproblemen bei Verwendung einer Membran oder durch Schwierigkeiten bei der Umsetzung der linearen Schwingungsbewegung des Gehäuses in eine Drehbewegung.These advantages are offset by problems in the practical application of such a machine. Since the movement processes only take place inside the machine and there is no mechanical connection to the outside, additional devices that are to convert the oscillating movement of the working piston into electrical or thermal useful energy must also be accommodated inside the machine. This leads e.g. in addition to the fact that relatively expensive linear generators have to be used to generate electricity in comparison to commercially available rotating generators. Even greater problems arise when mechanical energy is to be decoupled as such. In this respect, attempts have been made to transmit the periodic pressure fluctuations inside the machine through a membrane to a hydraulic system. Another approach is to make the working piston so heavy that it has been used relative to the movable housing stand and the resulting housing movement to tap the energy of the linear vibration. In practice, both of the solutions mentioned lead to considerable technical complications, e.g. in the form of material problems when using a membrane or due to difficulties in converting the linear vibration movement of the housing into a rotary movement.

Ein weiteres grundlegendes Problem bei Freikolbenmaschinen liegt darin, daß ein derartiges Masse-Feder-System analytisch außerordentlich schwierig zu erfassen ist. Hierzu gehört insbesondere die Frage der Kolbenzentrierung um die Mittellage sowie des Phasenwinkels zwischen Verdränger- und Arbeitskolben. Zur Umsetzung der theoretischen Vorgaben wurden Maßnahmen wie das Vorsehen von Gasüberströmkanälen, Gaszwischenspeichern, mechanischen Zentrierfedern usw. ergriffen. Sämtliche dieser Maßnahmen reduzieren den idealen Wirkungsgrad, arbeiten nur in eng begrenzten Regelbereichen und führen zu Abweichungen vom idealen Stirling-Zyklus.Another fundamental problem with free-piston machines is that such a mass-spring system is extremely difficult to analyze analytically. This includes in particular the question of piston centering around the central position and the phase angle between Displacement and working pistons. Measures such as the provision of gas overflow channels, gas intermediate stores, mechanical centering springs, etc. were taken to implement the theoretical specifications. All of these measures reduce the ideal efficiency, work only in narrowly limited control ranges and lead to deviations from the ideal Stirling cycle.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine extern beheizte, regenerative Wärmekraftmaschine zu realisieren, welche die Vorteile einer Freikolben- und einer Kurbelwellenmaschine vereint und deren jeweilige Nachteile weitestgehend vermeidet. Darüber hinaus soll erfindungsgemäß eine einfache Möglichkeit der mechanischen Energieauskopplung bei einer Maschine der in Betracht stehenden Art angegeben werden.Proceeding from this, the object of the invention is to implement an externally heated, regenerative heat engine which combines the advantages of a free-piston and a crankshaft machine and largely avoids their respective disadvantages. In addition, according to the invention, a simple possibility of coupling mechanical energy out of a machine of the type in question is to be specified.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1. Durch die danach vorgesehene magnetische Auskopplung der mechanischen Energie des linear schwingenden Arbeitskolbens ist es möglich, einen Freikolben-Motor optimal auszugestalten, ohne bei der Konstruktion spezifische Rücksichten, z.B. hinsichtlich Lagerung und Materialwahl, zu nehmen. Die magnetisch ausgekoppelte Bewegung kann extern durch alle bekannten mechanischen Kraftübertragungs-und Umsetzungssysteme beliebigen Sekundäraggregaten zugeführt werden. Soweit derartige Sekundär- oder Subaggregate keine rotierende, sondern lineare Bewegungen benötigen, kann die ausgekoppelte lineare Schwingungsenergie direkt abgenommen werden. Die magnetische Auskopplung bietet weiterhin den Vorteil, daß sie als Rutschkupplung beim Auftreten von Überlasten wirkt.This object is achieved by the characterizing part of claim 1. The magnetic decoupling of the mechanical energy of the linearly oscillating working piston provided thereafter makes it possible to optimally design a free-piston engine without specific considerations in the design, e.g. regarding storage and choice of materials. The magnetically decoupled movement can be supplied externally through any known mechanical power transmission and conversion systems to any secondary units. If such secondary or sub-assemblies do not need rotating but linear movements, the decoupled linear vibration energy can be taken off directly. The magnetic decoupling also has the advantage that it acts as a slip clutch when overloads occur.

Eine besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung gibt Anspruch 2 an. Die danach außerhalb des Gehäuses angeordneten Magneten können sowohl als Permanentmagneten als auch als Elektromagneten ausgebildet sein. Dabei müssen für die Stromversorgung von Elektromagneten keine elektrischen Leitungen in das Innere des Gehäuses geführt werden, da sich dort lediglich Weicheisenteile befinden.A particularly simple embodiment of the solution according to the invention is stated in claim 2. The magnets then arranged outside the housing can be designed both as permanent magnets and as electromagnets. No electrical cables have to be routed into the interior of the housing to supply electromagnets, since only soft iron parts are located there.

Durch die Ausbildung der äußeren Magneten als Elektromagneten und durch das Vorsehen einer Wechselspannungsquelle entsprechend Anspruch 3 kann auf die Kolben eine dynamische Vibrationseinwirkung zur Erzielung einer zusätzlichen dynamischen Dichtung ausgeübt werden.By designing the outer magnets as electromagnets and by providing an AC voltage source according to claim 3, a dynamic vibration effect can be exerted on the pistons to achieve an additional dynamic seal.

Gemäß Anspruch 5 ist vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur Koordination der Phasenlage von Arbeits- und Verdrängerkolben vorgesehen. Diese Vorrichtung ist entsprechend Anspruch 6 vorzugsweise als mechanisches Getriebe, insbesondere als Kurbelwellengetriebe ausgebildet.According to claim 5, a device for coordinating the phase position of the working and displacement pistons is advantageously provided. This device is preferably designed as a mechanical transmission, in particular as a crankshaft transmission.

Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß der innere Bewegungsablauf von Arbeits- und Verdrängerkolben sich nicht frei schwingend einstellen muß, sondern definiert entsprechend einer gewünschten Kinematik, d.h. entsprechend dem gewählten, regenerativen, extern beheizten, thermodynamischen Zyklus abläuft. Damit wird aber erreicht, daß die mit einem freien Einschwingen verbundenen Probleme, z.B. hinsichtlich der Zentrierung, des Überschwingverhaltens in wechselnden Lastbereichen und sonstige mit der Kinematik der Freikolbenmaschine verbundenen Schwierigkeiten vermieden werden. Dies führt zu einer wesentlichen Vereinfachung des Freikolbenteils unter Vermeidung der herkömmlicherweise erforderlichen aktiven und passiven Regelsysteme. Zur Realisierung der Erfindung kann auf an sich ausgereiften mechanischen Phasenkopplungstechniken zurückgegriffen werden, so daß es problemlos möglich ist, derartige Motoren ausgehend von einem Grundtyp in ganz unterschiedlichen Leistungsklassen zu realisieren.This configuration makes it possible that the inner sequence of movements of the working and displacement pistons does not have to be freely oscillating, but rather is defined in accordance with a desired kinematics, that is to say in accordance with the selected, regenerative, externally heated, thermodynamic cycle. However, this ensures that the problems associated with free settling, for example with regard to centering, overshoot behavior in changing load ranges and other difficulties associated with the kinematics of the free-piston machine, are avoided. This leads to a substantial simplification of the free piston part while avoiding the conventionally required active and passive control systems. In order to implement the invention, mechanical phase coupling techniques that are sophisticated per se can be used, so that it is easily possible to implement such motors based on a basic type in very different performance classes.

Erfindungsgemäß werden also die magnetischen Kupplungseinrichtungen und das nachgeschaltete mechanische Getriebe einerseits dazu verwendet, eine optimale Auskopplung der mechanischen Energie zur weiteren Verwertung zu erreichen, und andererseits um den schwingenden Kolben eine durch ein mechanisches Getriebe exakt definiert vorgegebene Phasenlage und ein entsprechend koordiniertes Schwingungsverhalten aufzuprägen. Damit werden auch die Schwierigkeiten herkömmlicher Freikolbenmaschinen vermieden, welche im Anlaufbereich und bei Laständerungen auftraten. Es werden somit sämtliche Vorteile von Freikolbenmaschinen erreicht, indem die grundsätzlichen Dichtungsprobleme vermieden werden, und andererseits werden die für Freikolbenmaschinen typischen Probleme problemlos beherrscht, welche aus dem komplizierten Verhalten eines frei schwingenden Systems resultieren.According to the invention, the magnetic coupling devices and the downstream mechanical transmission are therefore used on the one hand to achieve optimal decoupling of the mechanical energy for further use, and on the other hand to impart a precisely defined phase position and a correspondingly coordinated vibration behavior to the oscillating piston by a mechanical transmission. This also avoids the difficulties of conventional free-piston machines that occurred in the start-up area and during load changes. All advantages of free-piston machines are thus achieved by avoiding the basic sealing problems, and on the other hand the problems typical of free-piston machines, which result from the complicated behavior of a freely oscillating system, are easily mastered.

Die gemäß Anspruch 7 vorgesehene Übertragungs-Einrichtung gestattet es, abgeleitet von der Linearbewegung des Verdrängerkolbens und/oder des Arbeitskolbens diesen eine Drehbewegung um ihre Längsachse aufzuprägen. Eine derartige Drehbewegung gestattet es in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen magnetischen Kopplungseinrichtungen an der Außenseite des Gehäuses eine kombinierte translatorische und drehende Bewegung oder eine reine Drehbewegung zum Antrieb von Sekundäraggregaten abzugreifen. Gleichzeitig wird durch die Drehbewegung eine dynamische Dichtwirkung zwischen den Kolben und der Gehäuseinnenwand erzielt.The transmission device provided according to claim 7 allows, derived from the linear movement of the displacement piston and / or the working piston, to impart a rotary movement about its longitudinal axis to the latter. Such a rotary movement, in conjunction with the magnetic coupling devices described above, allows a combined translatory and rotary movement or a pure rotary movement for the drive on the outside of the housing to tap from secondary units. At the same time, the rotary movement achieves a dynamic sealing effect between the pistons and the inner wall of the housing.

Die Maßnahme gemäß Anspruch 8 stellt sicher, daß Verdrängerkolben und Arbeitskolben sich zwar miteinander drehen, jedoch eine voneinander unabhängige Linearbewegung ausführen.The measure according to claim 8 ensures that the displacer piston and the working piston rotate with each other, but perform an independent linear movement.

Die gemäß Anspruch 9 vorgesehenen Kopplungs-Mittel, welche einen sinus- bzw. cosinusförmigen Verlauf haben, gestatten es in besonders einfacher Weise, die translatorische Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung umzusetzen.The coupling means provided according to claim 9, which have a sinusoidal or cosine curve, allow the translational movement of the pistons to be converted into a rotary movement in a particularly simple manner.

Durch die Anordnung der Kopplungs-Mittel gemäß Anspruch lo wird erreicht, daß diese Kopplungs-Mittel gleichzeitig auch als die gemäß Anspruch 5 vorgesehenen Kopplungs-Einrichtungen zur Erzielung einer definierten Phasenlage zwischen Arbeits- und Verdrängerkolben herangezogen werden können, wobei bei Einstellung eines exakten Sinus-Cosinus-Verhältnisses zwischen den Kopplungs-Mitteln, welche einerseits dem Verdrängerkolben und andererseits dem Arbeitskolben zugeordnet sind, eine Phasendifferenz von 90° entsprechend der üblichen Phasendifferenz eingestellt wird.By arranging the coupling means according to claim 10 it is achieved that these coupling means can also be used as the coupling devices provided according to claim 5 to achieve a defined phase position between the working and displacement pistons, with the setting of an exact sine wave. cosine relationship between the coupling means, which have a phase difference of 0 ° 9 of the conventional phase difference is adjusted according to the one part of the displacer and on the other hand are assigned to the working pistons.

Anstelle der Vorgabe einer festen Phasenlage ermöglichen es die erfindungsgemäßen Kopplungs-Mittel, diese gemäß Anspruch 11 einstellbar zu machen, d.h. durch eine Veränderung der Winkellage der Kopplungs-Mittel z.B. mittels magnetischer Manipulatoren, kann die Phasenlage zwischen Arbeits- und Verdrängerkolben zur Anpassung an bestimmte Betriebsweisen oder Betriebszustände geändert werden.Instead of specifying a fixed phase position, the coupling means according to the invention make it possible to make it adjustable according to claim 11, ie by changing the angular position of the coupling means, for example by means of magnetic manipulators, the phase position between the working and displacement pistons can be adjusted be changed to certain operating modes or operating states.

Eine besonders einfache Ausgestaltung der Kopplungs-Mittel gibt Anspruch 12 an. Dabei kann der danach vorgesehene Nocken sowohl als Gleitnocken ausgebildet sein wie auch zur Reduktion der Reibung vorgesehen sein kann, daß ein Rad oder eine Rolle die Führungskurve abtastet. Eine andere Ausgestaltung der Kopplungs-Mittel ergibt sich aus Anspruch 13, wobei korrespondierend zu dem danach vorgesehenen sinus- bzw. cosinusförmig verlaufenden magnetisierbaren oder magnetischen Material ein damit wechselwirkendes, einem Nocken entsprechendes magnetisches oder magnetisierbares Kopplungs-Mittel vorgesehen ist.Claim 12 specifies a particularly simple embodiment of the coupling means. The cam provided thereafter can be designed both as a sliding cam and can also be provided to reduce the friction that a wheel or a roller scans the guide curve. Another embodiment of the coupling means results from claim 13, wherein corresponding to the sinusoidal or cosine-shaped magnetisable or magnetic material provided thereafter, a magnetic or magnetisable coupling means interacting therewith, corresponding to a cam, is provided.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung.Further features, advantages and details of the invention result from the following description of a preferred embodiment with reference to the drawing.

Dabei zeigen

  • Fig.1a einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße, nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Freikolbenmaschine mit magnetischen Auskopplungseinrichtungen und nachgeschaltetem mechanischem Getriebe zur Veranschaulichung des Prinzips,
  • Fig.lb einen Schnitt durch eine praktisch realisierte Ausführungsform gemäß Fig.la,
  • Fig. 2 einen schematischen Schnitt, welcher die Entstehung der axialen Kraftübertragungskomponente veranschaulicht.
  • Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform mit Kopplungs-Mitteln zur Erzeugung einer Drehbewegung der Kolben,
  • Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 und
  • Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform mit mechanischen Kopplungs-Mitteln.
Show
  • 1a shows a schematic section through a free-piston machine according to the invention, which works according to the Stirling principle, with magnetic decoupling devices and a downstream mechanical gear to illustrate the principle,
  • Fig.lb a section through a practically realized embodiment according to Fig.la,
  • Fig. 2 is a schematic section illustrating the formation of the axial power transmission component.
  • 3 shows a schematic longitudinal section through an embodiment with coupling means for generating a rotary movement of the pistons,
  • Fig. 4 shows a cross section along the line IV-IV in Fig. 3 and
  • 5 shows a representation corresponding to FIG. 4 of an embodiment with mechanical coupling means.

Fig. 1 zeigt ein Gehäuse 1, welches als Druckzylinder ausgebildet ist. In diesem Gehäuse 1 ist ein Arbeitskolben 2 angeordnet, welcher über Führungsringe 3 linear auf- und abbeweglich gelagert ist. Weiterhin ist in dem Gehäuse 1 ein Verdrängerkolben 4 angeordnet, welcher gleichermaßen über das Gestänge 3 geführt ist. Ein Erhitzer 5, ein Regenerator 6 und ein Kühler 7 sind so angeordnet, daß sie einen Innenraum 11, welcher durch den Verdrängerkolben 4, den Arbeitskolben 2 und das Gehäuse 1 eingeschlossen wird, mit einem Innenraum 12, welcher zwischen dem Gehäuse 1 und dem Verdrängerkolben 4 eingeschlossen ist, verbinden. Der Erhitzer 5 ist, wie im einzelnen nicht dargestellt, mit einer externen Wärmequelle verbunden.Fig. 1 shows a housing 1, which is designed as a pressure cylinder. In this housing 1, a working piston 2 is arranged, which is mounted so that it can move up and down linearly via guide rings 3. Furthermore, a displacer 4 is arranged in the housing 1, which is likewise guided over the linkage 3. A heater 5, a regenerator 6 and a cooler 7 are arranged so that they have an interior 11, which is enclosed by the displacer 4, the working piston 2 and the housing 1, with an interior 12, which is between the housing 1 and the displacer 4 is included, connect. As is not shown in detail, the heater 5 is connected to an external heat source.

Der Verdrängerkolben 4 ist über ein Gestänge 13 mit einer ersten inneren Kopplungseinrichtung 9 verbunden, während der Arbeitskolben 2 über ein Gestänge 14 mit einer zweiten inneren Kopplungseinrichtung 15 verbunden ist. Beide Kopplungseinrichtungen 9, 15 sind als Weicheisenringe ausgebildet, welche radial nach außen offene Nuten 16 bzw. 17 aufweisen.The displacer piston 4 is connected via a linkage 13 to a first inner coupling device 9, while the working piston 2 is connected via a linkage 14 to a second inner coupling device 15. Both coupling devices 9, 15 are designed as soft iron rings, which have grooves 16 and 17 open radially outwards.

Das Gehäuse 1 oder zumindest der Gehäusebereich um die Kopplungseinrichtungen 9, 15 ist aus einem unmagnetischen Material hergestellt. Hierfür kann z.B. ein Kunststoff oder aber ein unmagnetisches Metall, wie z.B. Aluminium oder unmagnetischer Spezialstahl, Verwendung finden. Im letztgenannten Fall müssen lediglich gewisse Wirbelstromverluste bei der Auskopplung in Kauf genommen werden.The housing 1 or at least the housing area around the coupling devices 9, 15 is made of a non-magnetic material. For example, a plastic or a non-magnetic metal, such as eg aluminum or non-magnetic special steel. In the latter case, only certain eddy current losses have to be accepted when decoupling.

Außerhalb des Gehäuses 1 sind in Höhe der Kopplungseinrichtungen 9, 15 korrespondierende Kopplungseinrichtungen 8, 18 angeordnet. Diese Kopplungseinrichtungen werden gebildet durch je einen ringförmigen Permanentmagneten, welcher nach innen offene Ringnuten 19 bzw. 2o aufweist. Anstelle der der Einfachheit halber dargestellten Permanentmagneten können auch entsprechend ausgebildeten Elektromagneten verwendet werden, wobei es gleichermaßen möglich ist, die Elektromagneten mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom zu betreiben.Corresponding coupling devices 8, 18 are arranged outside the housing 1 at the level of the coupling devices 9, 15. These coupling devices are each formed by an annular permanent magnet, which has inwardly open annular grooves 19 or 20. Instead of the permanent magnets shown for the sake of simplicity, appropriately designed electromagnets can also be used, it being equally possible to operate the electromagnets with direct current or with alternating current.

Die äußeren Kopplungseinrichtungen 8, 18 sind mit je einem Gestänge 21 bzw. 22 verbunden, wobei beide Gestänge 21 bzw. 22 in axialer Richtung unabhängig voneinander beweglich gelagert sind. Das Gestänge 21 ist über Gelenkpunkte 23, 24 und das Gestänge 22 über Gelenkpunkte 25, 26 mit einem als Kurbeltrieb ausgebildeten mechanischen Getriebe 1o verbunden. Das mechanische Getriebe 10, welches als solches von herkömmlichen Stirling-Motoren bekannt ist, ist in der Zeichnung nur schematisch dargestellt. Durch die Wahl der Winkellage der Anlenkpunkte 24, 26 wird der Phasenwinkel δ zwischen Arbeitskolben 2 und Verdrängerkolben 4 vorgegeben. Aufgrund der Kopplung zwischen Getriebe 1o und Arbeitskolben 2 bzw. Verdrängerkolben 4 ist eine feste Phasenlage sowohl beim Anlaufen als auch beim Auftreten von Lastwechseln zwischen Arbeitskolben 2 und Verdrängerkolben 4 gesichert. Zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades sind die Kolben 2, 4 und die Gaswege bzw. Gasräume so dimensioniert, daß im Falle eines idealen, freien Schwingens sich ein Phasenwinkel δ, z.B. von 90°, einstellen würde, wie er durch das Getriebe lo vorgegeben wird. Hierdurch wird ein besonders günstiger Wirkungsgrad erzielt, da das Getriebe 1o dann lediglich in den kritischen Bereichen auf die Phasenlage von Arbeitskolben 2 und Verdrängerkolben 4 rückwirkt. Gleichzeitig dient die Abtriebswelle 27 des Getriebes lo zum Antrieb nachgeschalteter Aggregate, so daß eine sehr günstige Auskopplung der mechanischen Energie von Verdrängerund Arbeitskolben 4, 2 erreicht wird.The outer coupling devices 8, 18 are each connected to a linkage 21 or 22, both linkages 21 and 22 being mounted so as to be movable independently of one another in the axial direction. The linkage 21 is connected via articulation points 23, 24 and the linkage 22 via articulation points 25, 26 to a mechanical transmission 10 designed as a crank mechanism. The mechanical transmission 1 0 , which is known as such from conventional Stirling engines, is shown only schematically in the drawing. The phase angle δ between working piston 2 and displacement piston 4 is predetermined by the choice of the angular position of the articulation points 24, 26. Due to the coupling between the transmission 10 and the working piston 2 or displacement piston 4, a fixed phase position is ensured both when starting and when load changes occur between working piston 2 and displacement piston 4. To achieve optimum efficiency, pistons 2, 4 and the gas paths or gas spaces are dimensioned so that that in the case of an ideal free swinging a phase angle δ, for example, would of 9 0 °, adjust, as it is dictated by the transmission lo. In this way, a particularly favorable efficiency is achieved, since the transmission 10 then only reacts to the phase position of the working piston 2 and displacement piston 4 in the critical areas. At the same time, the output shaft 27 of the transmission lo serves to drive downstream units, so that a very favorable decoupling of the mechanical energy from the displacer and working piston 4, 2 is achieved.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie aufgrund der Geometrie der äußeren und inneren Kopplungseinrichtungen 8, 9, welche aufeinanderzu geöffnete Ringnuten 2o bzw. 17 aufweisen, bei einer axialen Relativbewegung zwischen der Kopplungseinrichtung 8 und 9 eine axiale Kraftkomponente F entsteht, welche die angestrebte Koppelkraft darstellt. Bei der Vernachlässigung von Wirbelstromverlusten, wenn also das Gehäuse 1, welches lediglich den kalten Teil der Maschine umhüllt, aus isolierendem Kunststoff hergestellt ist, ergibt sich eine Kupplungskraft von ca. 800 Newton, wenn man eine Luftspaltinduktion von o,5 Tesla und einen Kolbendurchmesser D von 25 cm bei einem Luftspalt a von 1 cm zugrundegelegt. Die rechnerische Berücksichtigung von Wirbelstromverlusten bei Verwendung eines leitfähigen Gehäuses 1, z.B. aus Aluminium, zeigt, daß die in Betracht zu ziehenden Verluste lediglich geringfügig sind.FIG. 2 shows how, due to the geometry of the outer and inner coupling devices 8, 9, which have annular grooves 2o and 17 that are open towards one another, an axial force component F is produced during an axial relative movement between the coupling devices 8 and 9, which component component achieves the desired coupling force represents. If the eddy current losses are neglected, i.e. if the housing 1, which only encases the cold part of the machine, is made of insulating plastic, there is a coupling force of approx. 8 00 Newton if one has an air gap induction of 0.5 Tesla and a piston diameter D of 25 cm with an air gap a of 1 cm. The computational consideration of eddy current losses when using a conductive housing 1, for example made of aluminum, shows that the losses to be considered are only minor.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher abgeleitet von der oszillierenden translatorischen Bewegung des Arbeitskolbens 2' bzw. des Verdrängerkolbens 4', welche in der Zeichnung nur schematisch dargestellt sind, diesen Kolben eine Drehbewegung (Pfeil 28) um die gemeinsame Längsachse 29 aufgeprägt wird. Die zeichnerische Darstellung in Fig. 3 beschränkt sich auf die Erläuterung der Ableitung dieser Drehbewegung von der Oszillationsbewegung längs der Achse 29.Fig. 3 shows an embodiment in which derived from the oscillating translational movement of the working piston 2 'or the displacer 4', which is shown only schematically in the drawing are, a rotary movement (arrow 28) about the common longitudinal axis 29 is impressed on this piston. The graphic representation in FIG. 3 is limited to the explanation of the derivation of this rotary movement from the oscillatory movement along the axis 29.

Um zu erreichen, daß Arbeitskolben 2' und Verdrängerkolben 4' sich gleichzeitig und um den gleichen Betrag drehen, ist eine Verbindung 3o in Form eines Dorns vorgesehen, welcher mit Spiel in Ausnehmungen 31 bzw. 32 im Verdrängerkolben 4' bzw. Arbeitskolben 2' eingreift, so daß eine ungehinderte Bewegung dieser Kolben in axialer Richtung relativ zueinander möglich ist. Da andererseits die Ausnehmungen 31, 32 bzw. die Verbindung 3o, d.h. der hierfür vorgesehene Dorn, im Ausführungsbeispiel im Querschnitt quadratisch ausgebildet sind, können sich die Kolben trotz ihrer freien axialen Beweglichkeit nur gemeinsam drehen.In order to ensure that the working piston 2 'and displacement piston 4' rotate simultaneously and by the same amount, a connection 3o in the form of a mandrel is provided which engages with play in recesses 31 and 32 in the displacement piston 4 'and working piston 2', respectively , so that an unimpeded movement of these pistons in the axial direction is possible relative to each other. On the other hand, since the recesses 31, 32 or the connection 3o, i.e. the mandrel provided for this purpose, which in the exemplary embodiment is square in cross section, the pistons can only rotate together despite their free axial mobility.

Als Kopplungs-Mittel zwischen der Linearbewegung und der zu erzeugenden Drehbewegung weist der Verdrängerkolben 4' einen cosinusförmig verlaufenden Einsatz 33 aus magnetisierbarem Material, z.B. Weicheisen, auf, während der Arbeitskolben 2' einen entsprechenden Einsatz 34 aufweist, welcher relativ zum Einsatz 33 sinusförmig, d.h. um 90° phasenversetzt, verläuft. An der Gehäusewand sind Magneten 35, 36 befestigt, welche in Wechselwirkung mit den Einsätzen 33 bzw. 34 treten, so daß bei einer Längsbewegung parallel zur Achse 29 aufgrund der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen magnetischen Kraftkomponenten den Kolben 2' bzw. 4' eine kontinuierliche Drehbewegung in Richtung des Pfeils 28 aufgeprägt wird. Diese Drehbewegung kann über eine magnetische Kopplungseinrichtung ausgekoppelt werden, welche im Ausführungsbeispiel durch die Magneten 37, 38 gebildet wird. Mit der Magnet-Anordnung 37 kann dann eine Abtriebswelle 39 zum Antrieb von Sekundäraggregaten verbunden werden.As a coupling means between the linear movement and the rotary movement to be generated, the displacer 4 'has a cosine-shaped insert 33 made of magnetizable material, for example soft iron, while the working piston 2' has a corresponding insert 34 which is sinusoidal, ie relative to the insert 33 out of phase by 9 0 °. Magnets 35, 36 are attached to the housing wall, which interact with the inserts 33 and 34, respectively, so that the pistons 2 'and 4', respectively, during a longitudinal movement parallel to the axis 29 due to the magnetic force components described in connection with FIG. a continuous rotary movement is impressed in the direction of arrow 28. This rotary movement can take place via a magnetic coupling device are coupled, which in the exemplary embodiment is formed by the magnets 37, 38. An output shaft 39 can then be connected to the magnet arrangement 37 for driving secondary units.

Anhand von Fig. 4 ist dargestellt, daß die äußeren Magneten 35 (bzw. 36) an einem Einstellring 41 angeordnet sind, der, wie durch den Pfeil 42 veranschaulicht, eine Einstellung der Winkellage der Magneten 35, bzw. 36 relativ zum Gehäuse 4o und damit eine Einstellung des Phasenwinkels 9 zwischen Verdrängerkolben 4' und Arbeitskolben 23' ermöglicht.4 that the outer magnets 35 (or 36) are arranged on an adjusting ring 41 which, as illustrated by the arrow 42, adjusts the angular position of the magnets 35 and 36 relative to the housing 4o and so that an adjustment of the phase angle 9 between the displacement piston 4 'and the working piston 23' is made possible.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, wo im Inneren der Gehäusewand 4o ein Einstellring 43 vorgesehen ist. Dieser Einstellring 43 trägt Nocken 44, an deren Vorderende Rollen 45 angeordnet sind. Diese Rollen 45 greifen in eine sinus- bzw. cosinusförmige Ringnut 46 am Verdrängerkolben bzw. Arbeitskolben ein und dienen so als Kopplungs-Mittel zur Erzeugung einer Drehbewegung abgeleitet von der translatorischen Bewegung der Kolben. Die Magnetpaare 47 bzw. 48 ermöglichen eine Festlegung bzw. Veränderung der Winkellage des Einstellrings 4o und damit wiederum des Phasenwinkels δ zwischen Arbeits- und Verdrängerkolben.5 shows an embodiment in which an adjusting ring 43 is provided in the interior of the housing wall 40. This setting ring 43 carries cams 44, at the front end of which rollers 45 are arranged. These rollers 45 engage in a sine or cosine ring groove 46 on the displacement piston or working piston and thus serve as coupling means for generating a rotary movement derived from the translatory movement of the piston. The magnet pairs 47 and 48 enable the angular position of the adjusting ring 4o to be fixed or changed, and thus in turn the phase angle δ between the working and displacement pistons.

Claims (15)

1. Wärmekraftmaschine, insbesondere Stirling-Motor, umfassend einen Verdrängerkolben und einen Arbeitskolben, welche miteinander gekoppelt in einem nach außen dicht abgeschlossenen Gehäuse linear geführt schwingungsfähig angeordnet sind, wobei der Gasraum zwischen Verdrängerund Arbeitskolben mit dem Gasraum zwischen Verdrängerkolben und Gehäuse über eine Erhitzer-, Kühler-, Regenerator-Anordnung verbunden ist, und wobei eine externe Wärmequelle anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens mit dem Arbeitskolben (2) eine magnetische oder magnetisierbare, innerhalb des Gehäuses (1) angeordnete Kopplungs-Einrichtung (9, 15) verbunden ist, und daß eine korrespondierende magnetische oder magnetisierbare Kopplungs-Einrichtung (8, 18) außerhalb des Gehäuse (1) entsprechend dem Kolbenweg beweglich gelagert ist.1. Heat engine, in particular a Stirling engine, comprising a displacement piston and a working piston, which are arranged coupled to one another in a linearly oscillating manner in a housing which is sealed off from the outside, the gas space between the displacement piston and working piston with the gas space between the displacement piston and the housing via a heater Cooler, regenerator arrangement is connected, and wherein an external heat source can be connected, characterized in that at least with the working piston (2) a magnetic or magnetizable coupling device (9, 15) arranged within the housing (1) is connected , and that a corresponding magnetic or magnetizable coupling device (8, 18) outside the housing (1) is movably mounted according to the piston path. 2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung (9, 15) innerhalb des Gehäuses (1) durch einen Weicheisenring und die Kopplungseinrichtung (8, 18) außerhalb des Gehäuses2. Heat engine according to claim 1, characterized in that the coupling device (9, 15) inside the housing (1) by a soft iron ring and the coupling device (8, 18) outside the housing (1) durch wenigstens einen Magneten gebildet ist.(1) is formed by at least one magnet. 3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung (9, 15) innerhalb des Gehäuses nach außen hin offene Ringnuten (16,3. Heat engine according to claim 2, characterized in that the coupling device (9, 15) within the housing outwardly open annular grooves (16, 17) und die Kopplungseinrichtung (8, 18) außerhalb des Gehäuses (1) nach innen offene Ringnuten (19, 20) aufweist.17) and the coupling device (8, 18) outside the housing (1) inwardly open ring grooves (19, 2 0 ). 4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Gehäuses (1) angeordnete Kopplungseinrichtung (8, 18) einen Elektromagneten umfaßt, welcher mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar ist.4. Heat engine according to claim 2 or 3, characterized in that the coupling device (8, 18) arranged outside the housing (1) comprises an electromagnet which can be connected to an AC voltage source. 5. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Arbeitskolben (2) als auch der Verdrängerkolben (4) mit einer Kopplungs-Einrichtung (9, 15) versehen ist, wobei die korrespondierenden äußeren Kopplungseinrichtungen (8, 18) über eine deren gegenseitige Phasenlage vorgebende Vorrichtung verbunden sind.5. Heat engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that both the working piston (2) and the displacement piston (4) with a coupling device (9, 15) is provided, the corresponding outer coupling devices (8, 18th ) are connected via a device specifying their mutual phase position. 6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Vorgabe der Phasenlage ein mechanisches Getriebe (10), insbesondere ein Kurbelwellengetriebe ist.6. Heat engine according to claim 5, characterized in that the device for specifying the phase position is a mechanical gear (1 0 ), in particular a crankshaft gear. 7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine an wenigstens einem Kolben (2' bzw. 4') angreifende Übertragungs-Einrichtung zur Übertragung einer von der eigenen Linearbewegung der Kolben (2' bzw. 4') abgeleiteten Rotationsbewegung auf die Kolben (2' bzw. 4') um deren Längsachse (29).7. Heat engine according to one of claims 1 to 6, characterized by a at least one piston (2 'or 4') engaging transmission device for transmitting a rotational movement derived from the own linear movement of the pistons (2 'or 4') the pistons (2 'or 4') about their longitudinal axis (29). 8. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine drehfeste, axial bewegliche Verbindung (3o) zwischen den Kolben (2' bzw. 4').8. Heat engine according to claim 7, characterized by a rotationally fixed, axially movable connection (3o) between the pistons (2 'or 4'). 9. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungs-Einrichtung durch mechanische oder magnetische, an der Gehäusewand (4o) angeordnete erste Kopplungs-Mittel und korrespondierende mit dem bzw. den Kolben (2' bzw. 4') verbundene zweite Kopplungs-Mittel gebildet wird, wobei die ersten und/oder zweiten Kopplungs-Mittel sinus- bzw. cosinusförmig verlaufen.9. Heat engine according to claim 7 or 8, characterized in that the transmission device by mechanical or magnetic, on the housing wall (4o) arranged first coupling means and corresponding with the piston or pistons (2 'or 4') connected second coupling means is formed, the first and / or second coupling means being sinusoidal or cosine-shaped. 10. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (4') sinusförmig verlaufende und der Arbeitskolben (2') relativ hierzu cosinusförmig verlaufende Kopplungs-Mittel aufweist.1 0 . Heat engine according to one of claims 7 to 9, characterized in that the displacement piston (4 ') has sinusoidal coupling means and the working piston (2') has cosine-shaped coupling means relative thereto. 11. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage der ersten und/oder zweiten Kopplungs-Mittel einstellbar ist.11. Heat engine according to one of claims 7 to lo, characterized in that the angular position of the first and / or second coupling means is adjustable. 12. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das sinus- bzw. cosinusförmige Kopplungs-Mittel durch eine Nut (46) und das korrespondierende Kopplungs-Mittel durch einen in diese eingreifenden Nocken (44) gebildet ist.12. Heat engine according to one of claims 7 to 11, characterized in that the sine or cosine coupling means through a groove (46) and the corresponding coupling means is formed by a cam (44) engaging in it. 13. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das sinus- bzw. cosinusförmig verlaufende Kopplungs-Mittel durch ein längs eines Kolbens (2' bzw. 4') oder längs der Gehäusewand (4o) sinus- bzw. cosinusförmig verlaufendes magnetisches oder magnetisierbares Material (33) gebildet ist.13. Heat engine according to one of claims 7 to 12, characterized in that the sinusoidal or cosine-shaped coupling means through a along a piston (2 'or 4') or along the housing wall (4o) sinusoidal or cosine-shaped extending magnetic or magnetizable material (33) is formed.
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