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WO1996006274A1 - Flachkollektor-stirling-maschine - Google Patents

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Publication number
WO1996006274A1
WO1996006274A1 PCT/EP1995/003253 EP9503253W WO9606274A1 WO 1996006274 A1 WO1996006274 A1 WO 1996006274A1 EP 9503253 W EP9503253 W EP 9503253W WO 9606274 A1 WO9606274 A1 WO 9606274A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
displacer
water column
displacement
housing
machine according
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP1995/003253
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eckhart Weber
Karl Obermoser
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE19580894T priority Critical patent/DE19580894B4/de
Priority to AU33846/95A priority patent/AU3384695A/en
Publication of WO1996006274A1 publication Critical patent/WO1996006274A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B2209/00—Energy supply or activating means
    • B63B2209/18—Energy supply or activating means solar energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H2021/006—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessel being driven by hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type, e.g. Stirling engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2254/00—Heat inputs
    • F02G2254/30—Heat inputs using solar radiation

Definitions

  • the invention is directed to a flat-collector Stirling machine for converting thermal energy into mechanical energy or vice versa comprising a displacer housing with a plate-like displacer which can be moved back and forth therein, as well as a heater, a regenerator and a cooler.
  • a Stirling engine is known for example from DE 42 16 839 l.
  • Flat-collector Stirling machines of the generic type are relatively simple in comparison to other Stirling machines.
  • Flat-collector Stirling machines consist of a flat displacer housing, into which a flat plate-like displacer is moved to and fro, around the working gas - mostly air - from the expansion space, the hot part of the displacer housing (mostly the upper area) via heater, regenerator and cooler into the compression space, the cold sub-space of the displacer housing (mostly the lower area), where heat is extracted from the working gas in the regenerator and temporarily stored there, and back again into the expansion space, heating, regenerator and cooler Flow through in reverse order and the heat removed in the regenerator is fed back to the working gas.
  • the working gas While the working gas is predominantly in the compression space, it has to be compressed with the expenditure of energy and the resulting compression heat has to be dissipated in the cooler. If the working gas is predominantly in the expansion space, it expands releasing mechanical energy, which is partly stored temporarily in an energy storage device for the following compression phase, and on the other hand can be removed using an energy decoupling device minus friction losses and work for the displacement movement.
  • this intermediate energy store for the compression phase consists of a flywheel or a pendulum. If a flywheel is used, the displacer has to be moved back and forth by the flywheel in the desired 90 ° phase shift (to the working piston) via relatively complicated mechanisms. If the displacer is not mechanically coupled to the crankshaft, undesired deviations from the 90 ° phase shift occur at different speeds because a free-floating displacer has only one preferred frequency. The energy is also extracted via the rotating shaft with the flywheel. The increase in performance manifests itself in increased speed.
  • pendulum is used as an intermediate energy store, about 1 t of pendulum mass must be used on a machine that is only supposed to deliver about 150 W of power, which has to swing back and forth about 2 m. The energy is also decoupled via the oscillating pendulum mass. This vibrating, heavy mass is extremely dangerous because it can tear its massive carrying frame out of its anchoring and is thrown in a high arc through the air if the load coupling fails.
  • the invention is based on the object of further improving such generic stirling machines to such an extent that they manage with a minimum number of moving mechanical parts that require maintenance, so that such machines can be used in such areas with low investment costs, where no high maintenance can be carried out.
  • the improved machines have the advantage over those with a rotating shaft that the increase in performance is due to the increase in the Working strokes and not in an increase in frequency or speed expresses to enable simple load coupling with high efficiency.
  • the displacer is formed by a heater, regenerator and cooler in such a way that the heater is arranged in the upper part of the displacer housing in such a way that it can be exposed to incident heat radiation in such a way that a displacer actuator forms a Return spring force to a central position of the displacer in the displacer housing, for moving the displacer as a function of the pressure conditions in the displacer housing and for balancing the weight of the displacer, as well as for stabilizing its position parallel to the base plate of the displacer housing, that an oscillatory compressor is provided. Water column is used for compressing and expanding the air in the displacer housing, and that an energy decoupling device is designed to dissipate the mechanical energy generated.
  • the mass of the displacer and the restoring force of the displacer actuator on the one hand and the mass of the compressor water column and the gas spring properties of the air in the displacer housing on the other hand are dimensioned such that the mass thus formed Spring systems have the same resonance frequency and accordingly resonance occurs between the compressor water column and the displacer, so that the displacer moves with a phase offset of 90 ° relative to the compressor water column.
  • the Stirling engine according to the invention has the advantage that it can be constructed using very simple components, all complicated mechanical components being largely avoided. Accordingly, such a machine is suitable both as a cheap and low-maintenance device, for example to convert the heat of the sun into mechanical energy for driving pumps or the like in hot areas, and also because of the captivating simplicity of the structure as an eye-catcher for window dressing decorations or as interior furnishings mobile . In the latter case, a simple finger pressure on the displacement box is used to start the machine, only sufficient light irradiation and thus a temperature difference between the top and bottom of the regenerator being required.
  • the vibratable water column is used according to the invention as an energy buffer for the compression phase.
  • This vibrating mass cannot do any damage even if the load coupling fails and the energy is not taken off, because the water column, as will be explained in more detail below, always has enough space in swing-out containers to also to carry out large amplitudes or the machine stops due to the design when the load ceases to exist, by using a separate work bellows or piston as the energy decoupling device, which makes such large strokes without load coupling that compression and expansion are no longer possible.
  • the water column is a particularly simple, wear-free component because it is at the same time an oscillating mass and a low-friction piston.
  • the 90 ° coupling of the movements of the displacer and the compressor water column does not take place mechanically but through resonance. For this purpose, it is only ensured that the frequency of the natural vibration of the displacer is the same as that of the natural vibration of the water column. This happens because the quotient of the spring constant of the restoring spring force of the displacement actuator and the mass of the displacer is equal to the quotient of the spring constant of the gas spring of the displacement volume, including the spring constant of the restoring force from the part of the water column subject to gravity and the active mass of the water column.
  • the displacer moves voluntarily with a 90 ° phase shift to the water column.
  • This resonant 90 ° coupling is very strict and, with separate energy extraction by means of a separate bellows or piston, is stable in every operating state without the need for mechanical components.
  • the compressor water column and displacer act on one another via the air pressure arrangement in the displacement box. If a temperature gradient is present above the regenerator and the displacer is displaced, the alternating heating and cooling of the air in the displacer produces a pressure fluctuation, which also stimulates the compressor water column to vibrate. If the temperature difference across the regenerator is large enough and heat is supplied via the heater, the vibration system is damped and mechanical energy can be dissipated.
  • the purpose of the displacement actuator is to move the displacer back and forth in the displacement housing with low friction, with little wear and tear, or to keep it movable and capable of vibrating.
  • the displacer actuator only prevents the tilting movements of the displacer plate during its up and down movement and ensures that it lies in the middle of the displacement box when the machine is not working Pressure changes in the displacement box to be deflected up or down.
  • the displacement actuator fulfills four functions simultaneously:
  • FIG. 6 being a complete machine without an energy decoupling device (mobile)
  • 7 to 12 are schematic representations of various embodiments of the container holding the compressor water column
  • FIG. 16 showing a complete machine as a mobile
  • 17 to 18 are schematic representations of a particularly compact variant of a Stirling machine according to the invention.
  • Fig. 19 shows an embodiment as a boat drive
  • a flat-collector Stirling machine is shown, it being provided that the displacer 1 is formed by heater 2, regenerator 3 and cooler 4 such that the heater is arranged in the upper part of the displacer housing 5 so that it is one Incident heat radiation 6 can be directly or indirectly exposed to the fact that a displacer actuator 7 for forming a return spring force to a central position of the displacer 1 in the displacer housing 5 - for moving the displacer 1 as a function of the rotational conditions in the displacer housing 5 - and for weight compensation of the displacer 1, and for stabilizing its position parallel to the base plate of the displacer housing 5, there is provided that an oscillatory compressor water column 8 serves for compressing and expanding the air in the displacer housing 5, and that an energy decoupling device 9 for discharging the generated mechanical ones Energy is trained.
  • the return spring force to the rest position is generated by springs 11 (Fig. 3), the wall rigidity of a rubber bellows 13 (Fig. 2, 4 and 14), by buoyancy or the weight of floats 12 (Figs. 4 and 5), such as floats acting piston 27 (Fig. 6) or by a rotatably mounted weight whose center of gravity is below the pivot point.
  • the displacement of the displacer is generated, for example, by a rubber bellows 13 (FIGS. 2 to 4), by a vertically vibrating water column 14 (FIG. 5), with which the displacer 1 is carried on a float 12, or by a liquid sealed piston in the Compressor water column 8 (Fig. 6).
  • the weight compensation of the displacer 1 is carried out by a counterweight 10 (FIG. 2), by springs 11 (FIG. 3), by floats 12 (FIGS. 4 and 5) or pistons 27 acting like floats (FIG. 6).
  • the tilting movements of the displacer are prevented by a central guide rod or by springs or floats distributed on the corner points or on the circumference of the displacer.
  • a rubber bellows (FIG. 2) is provided as part of the displacement actuator, it is advantageously arranged in the center of the base plate 15 of the displacement housing, the open end of the bellows on the base plate and the closed end being rigidly connected to the displacer 1.
  • a guide rod 16 is arranged in the axial direction through the bellows, which is rigidly connected to the displacer at one end and is guided in two directions at the other end via a swivel arm 17.
  • the swivel arm 17 advantageously serves at the same time as a lever for the counterweight of the displacer 1 and, if appropriate, also for fastening return springs or for receiving return weights.
  • a float 12 (FIG. 5) is provided as part of the displacement actuator, it is advantageously arranged at the lower end of the central guide rod 16 of the displacer 1 and is immersed in the leg of a U-shaped displacement actuator water column 14, which is tightly connected to the displacer housing, so that the weight compensation of the displacer by the buoyancy of the float, the restoring force by the weight of the displaced water column and the deflection by the displacement of the water from a U-leg is accomplished.
  • a piston 27 (FIG. 6) is provided as part of the displacement actuator, it is arranged at the lower end of the central guide rod 16 of the displacer 1 and dips into the leg of the U-shaped compressor water column 8, which is tight and rigid with the displacer housing connected is.
  • the water from the compressor water column is a liquid cylinder wall or liquid seal for the piston.
  • the weight compensation of the displacer 1 is effected by the buoyancy of the piston, the restoring force by the upper or lower part 28 of the piston 27 and the deflection by the (changing) pressure difference between the top and bottom of the piston. This is a particularly simple variant in terms of structure.
  • the displacer can also be supported at the corner points or along the circumference on springs 11 (FIG. 3) or floats 12 (FIG. 4).
  • a float which is closed in a ring underneath the displacer in a moat, enables an additional friction and wear-free seal of the displacer circumference to the end walls of the displacer housing.
  • the compressor water column in most embodiments, as already described, is arranged in a substantially U-shaped tube, the end of one U-leg being in pressure connection with the lower side of the displacer housing and the end of the other U-leg open is. Open is to be understood here as meaning that pressure equalization with the surroundings is possible or the water column can swing out freely. It should also be noted that a U-shaped tube in the above sense is to be understood as any container which has two vertical sections which are connected to a horizontal section, the shape and dimensioning of the vertical sections being very different can.
  • the preferred shape of the container is chosen so that the vibrating water column generates as little vortex as possible, i.e. is damped as little as possible.
  • the best shape here is a U-tube without a change in cross-section with a relatively large radius of curvature (FIG. 7). This type of U-tube is particularly suitable for interior furnishing (Fig. 16). A U-tube with a constant cross-section can also be arranged concentrically and is then very compact (FIG. 8).
  • a particularly compact embodiment of the concentric compressor water column (FIG. 9) consists of an active part 8 with high flow velocity and adjoining diffuser sections 19, so that the amplitudes of the water levels in the U-legs are low.
  • the compressor water column 8 (FIG. 10) then preferably consists only of a relatively long horizontal part without a change in cross-section, at the ends of which swing-out basins 18 or diffusers 19 are connected, which, depending on the speed of the oscillating water, have no flow losses Increase or decrease flow direction.
  • the horizontal compressor water column 8 (FIG. 11) is arranged under the displacement box and consists of one or more parallel tubes with an angular or round cross section, which end in spherical or cylinder-like swing-out basins 18 which act like a diffuser can.
  • FIG. 11 the horizontal compressor water column 8 (FIG. 11) is arranged under the displacement box and consists of one or more parallel tubes with an angular or round cross section, which end in spherical or cylinder-like swing-out basins 18 which act like a diffuser can.
  • the device for mechanical energy extraction 9 (Fig. 1) can advantageously be formed by an extra bellows, which is in pressure connection with the lower displacement housing, so that the bellows or the bellows bottom is moved in accordance with the pressure change in the displacement box.
  • the device for mechanical energy decoupling can also advantageously be formed by an extra piston 29 (FIG. 13) which extends into the active part of the compressor water column 8 and is independent of the compressor. Water column movement reacts to pressure change in the displacement box, the water of the compressor water column, based on the piston, being a liquid cylinder wall or liquid seal.
  • the piston 39 drives e.g. directly a double-acting reciprocating water pump 30.
  • This own bellows or piston for energy extraction has the great advantage that the vibrations of displacement and compressor water column be * i load increases are not slowed, but enhanced (by first lower Energyab ⁇ exception), but what then felicitter to ver ⁇ energy decrease leads, so that energy consumption and load coupling represent a feedback, self-regulating system. If the load coupling fails, the machine stops. In addition, the energy decoupling by the separate bellows or piston does not change the desired 90 ° phase shift between the compressor water column and the displacement movement even when the load changes.
  • the energy can also be coupled out via an enlarged displacement actuator bellows 13 (FIG. 14) or an enlarged displacement actuator piston 31 (FIG. 15).
  • This is suitable for machines with constant load acceptance and constant energy radiation.
  • An undesired phase shift can occur in the event of load changes and alternating irradiation.
  • a further variant of the energy decoupling takes place via a float in the open U-tube leg of the compressor water column 8.
  • This is particularly suitable for coupling low loads, e.g. for moving an advertising sign 25 when configured as a shop window mobile.
  • Floats are not suitable for coupling large loads, since they do not generate sufficient buoyancy and, depending on the immersion state, change the frequency of the water column.
  • a particularly simple, compact construction of the stirling machine according to the invention is obtained if displacement actuator pistons 27, separate energy extraction pistons 29 and compressor water column with active part 8 and diffuser sections 19 are arranged concentrically one inside the other (FIGS. 17, 18) ).
  • the diffuser sections 19 are formed by the shape of the piston cover and bottoms.
  • the water surrounding the pistons is again a liquid cylinder wall or liquid seal. 17 and 18 differ only in that displacement actuator pistons or energy output pistons are arranged on the inside and on the outside.
  • the Stirling engine according to the invention is also suitable as a particularly simple, silent solar drive for boats 26 (FIG. 19) or the like.
  • the energy is preferably extracted via feedback Impact forces of the compressor water column 8, which ends for this purpose beneath the sea water level with the opening pointing towards the boat movement direction.
  • the displacement actuator of the preferred large machine provides the return spring force through the rigidity of the rubber bellows wall 13, the deflection through the rubber bellows 13, the weight compensation through the counterweight 10 and prevents the tilting movements by the central guide rod 16 and the Two-arm lever arm 17 of the counterweight 10.
  • the machine has a separate rubber bellows 9 as an energy decoupling device and a horizontal water column 8 with an extremely flat, rectangular cross-section as a compressor water column.
  • the machine provides the return spring force due to the force of gravity in connection with the deflection by the displacement of the water from the respective U-leg of the displacement actuator water column 14, the weight compensation by the buoyancy of the displacement float 12 in this water column and prevents the tilting movement by a central guide rod 16 which is centered by the float 12 and guided in the U-tube.
  • the machine has a second float 24 in the compressor water column 8, which - as mentioned - has a U-shaped shape Water column with a constant cross-section.
  • the length of the compressor water column 8 including vertical sections is approximately 50 cm with a mass of approximately 0 , 3 kg.
  • the gas spring constant of the displacement box 5 is 12 N / m
  • the spring constant of the compressor water column is approximately 10 N / m.
  • the restoring force of the U-water column of the displacement actuator must be approximately 2 N / m.

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Abstract

Bei einer Stirling-Maschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. umgekehrt umfassend ein Verdrängergehäuse mit einem in diesem hin- und herbewegbaren plattenartigen Verdränger sowie einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler, ist zur Erzielung einer Minimalzahl bewegter und damit wartungsbedürftiger mechanischer Teile und einer einfachen Lastankopplung mit hohem Wirkungsgrad vorgesehen, daß der Verdränger (1) durch Erhitzer (2), Regenerator (3) und Kühler (4) derart gebildet ist, daß der Erhitzer im oberen Teil des Verdrängergehäuses (5) so angeordnet ist, daß er einer einfallenden Wärmestrahlung aussetzbar ist, daß ein Verdrängeraktuator (7) zur Bildung einer Rückstellfederkraft auf eine Mittelstellung des Verdrängers (1) im Verdrängergehäuse (5) zur Bewegung des Verdrängers (1) in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Verdrängergehäuse (5) und zum Gewichtsausgleich des Verdrängers (1) sowie zur Stabilisierung seiner Lage parallel zur Bodenplatte des Verdrängergehäuses (5) vorgesehen ist, daß eine schwingungsfähige Kompressor-Wassersäule (8) zum Komprimieren und Expandieren der Luft im Verdrängergehäuse (5) dient, und daß eine Energieauskopplungseinrichtung (9) zum Abführen der erzeugten mechanischen Energie ausgebildet ist.

Description

Flachkollektor-Stirling-Maschine
Die Erfindung richtet sich auf eine Flachkollektor-Stirling-Maschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. umgekehrt um¬ fassend ein Verdrängergehäuse mit einem in diesem hin- und herbewegba¬ ren plattenartigen Verdränger sowie einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler. Eine derartige Stirling-Maschine ist beispielsweise aus der DE 42 16 839 l bekannt.
Flachkollektor-Stirling-Maschinen der gattungsgemäßen Art sind im Ver¬ gleich zu anderen Stirling-Maschinen relativ einfach aufgebaut. Flach- kollektor-Stirlingmaschinen bestehen aus einem flachen Verdrängergehäuse, in den ein flacher plattenartiger Verdränger hin- und herbewegt wird, um das Arbeitsgas - meistens Luft - vom Expansionsraum, dem heißen Teil¬ raum des Verdrängergehäuses (meistens der obere Bereich) über Erhitzer, Regenerator und Kühler in den Kompressionsraum, den kalten Teilraum des Verdrängergehäuses (meistens der untere Bereich) hinüberzuschieben, wo¬ bei dem Arbeitsgas im Regenerator Wärme entzogen und dort zwischenge¬ speichert wird, und wieder zurück in den Expansionsraum, wobei Erhit¬ zer, Regenerator und Kühler in umgekehrter Reihenfolge durchströmt wer¬ den und dem Arbeitsgas die im Regenerator entnommene Wärme wieder zu¬ geführt wird. Während das Arbeitsgas sich überwiegend im Kompressions¬ raum befindet, muß es unter Energieaufwand komprimiert und die dabei entstehende Kompressionswärme im Kühler abgeführt werden. Wenn das Arbeitsgas sich überwiegend im Expansionsraum befindet, expandiert es unter Abgabe mechanischer Energie, die zum einen Teil für die folgende Kompressionsphase in einer Energiespeichereinrichtung zwischengespeichert wird, und zum anderen Teil abzüglich Reibungsverlusten und Arbeit für die Verdrängerbewegung über eine Energieauskoppeleinrichtung nutzbrin¬ gend abgeführt werden kann.
Bei bekannten Flachkollektor-Stirling-Maschinen besteht dieser Energiezwi¬ schenspeicher für die Kompressionsphase aus einem Schwungrad oder einem Pendel. Wird ein Schwungrad verwendet, muß der Verdränger über relativ komplizierte Mechanismen vom Schwungrad getrieben in der gewünschten 90° Phasenverschiebung (zum Arbeitskolben) hin- und herbewegt werden. Ist der Verdränger dabei nicht mechanisch mit der Kurbelwelle gekoppelt, kommt es bei verschiedenen Drehzahlen zu unerwünschten Abweichungen von der 90° Phasenverschiebung, weil ein freischwingender Verdränger nur eine bevorzugte Frequenz hat. Über die drehende Welle mit dem Schwungrad wird dabei auch die Energie ausgekoppelt. Die Leistungszu¬ nahme äußert sich in erhöhter Drehzahl.
Wird ein Pendel als Energiezwischenspeicher verwendet, muß bei einer Maschine, die nur ca. 150 W an Leistung abgeben soll, bereits etwa 1 t Pendelmasse verwendet werden, die ca. 2 m weit hin- und herschwingen muß. Über die schwingende Pendelmasse wird auch die Energie ausgekop¬ pelt. Diese schwingende schwere Masse ist äußerst gefährlich, weil sie ihr massives Tragegestell aus der Verankerung reißen kann und in hohem Bogen durch die Luft geschleudert wird, wenn die Lastankopplung ver¬ sagt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche gattungsgemäßen Stir- ling-Maschinen noch weiter dahingehend zu verbessern, daß sie mit einer Minimalzahl bewegter und damit wartungsbedürftiger mechanischer Teile auskommen, so daß ein Einsatz derartiger Maschinen bei niedrigen Inve¬ stitionskosten in solchen Gegenden möglich ist, wo kein hoher Wartungs¬ aufwand betrieben werden kann. Außerdem ist es wünschenswert, daß die verbesserten Maschinen gegenüber solchen mit drehender Welle noch den Vorteil haben, daß die Leistungszunahme sich durch die Vergrößerung des Arbeitshubes und nicht in einer Erhöhung der Frequenz bzw. der Drehzahl äußert, um eine einfache Lastankopplung mit hohem Wirkungsgrad zu er¬ möglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdränger durch Erhitzer, Regenerator und Kühler derart gebildet ist, daß der Er¬ hitzer im oberen Teil des Verdrängergehäuses so angeordnet ist, daß er einer einfallenden Wärmestrahlung aussetzbar ist, daß ein Verdränger- aktuator zur Bildung einer Rückstellfederkraft auf eine Mittelstellung des Verdrängers im Verdrängergehäuse, zur Bewegung des Verdrängers in Ab¬ hängigkeit von den Druckverhältnissen im Verdrängergehäuse und zum Ge¬ wichtsausgleich des Verdrängers, sowie zur Stabilisierung seiner Lage pa¬ rallel zur Bodenplatte des Verdrängergehäuses vorgesehen ist, daß eine schwingungsfähige Kompressor-Wassersäule zum Komprimieren und Expan¬ dieren der Luft im Verdrängergehäuse dient, und daß eine Energieaus- kopplungseinrichtung zum Abführen der erzeugten mechanischen Energie ausgebildet ist.
Dabei ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung insbesondere vor¬ gesehen, daß die Masse des Verdrängers und die Rückstellkraft des Ver- drängeraktuators einerseits und die Masse der Kompressor-Wassersäule und die Gasfedereigenschaften der Luft im Verdrängergehäuse andererseits so dimensioniert sind, daß die so gebildeten Masse-Feder-Systeme die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen und dementsprechend Resonanz zwischen Kom¬ pressor-Wassersäule und Verdränger auftritt, so daß der Verdränger sich mit einem Phasenversatz von 90° relativ zu der Kompressor- Wassersäule bewegt.
Sofern im Vorstehenden von einer Wassersäule die Rede ist, muß hierunter ganz allgemein jede schwingende Flüssigkeitssäule, insbesondere auch liegende Säulen, bei denen die Schwingungsrichtung horizontal ist und deren bewegte Massen nicht durch die Schwerkraft beeinflußt werden, ver¬ standen werden, wobei Wasser lediglich ein bevorzugtes Medium ist, und wobei andererseits aber z.B. auch Flüssigkeiten mit einem höheren Siede¬ punkt zur Vermeidung von Verdunstungsverlusten bei offenen Systemen in Betracht kommen oder Frostschutzmittelgemische.
Die erfindungsgemäße Stirling-Maschine hat den Vorteil, daß sie durch allereinfachste Bauteile aufgebaut werden kann, wobei alle komplizierten mechanischen Bauteile weitestgehend vermieden werden. Dementsprechend eignet sich eine derartige Maschine sowohl als billiges und wartungsarmes Gerät, um beispielsweise in heißen Gegenden die Sonnenwärme in mechani¬ sche Energie zum Antrieb von Pumpen oder dergleichen umzuwandeln, als auch aufgrund der bestechenden Einfachheit des Aufbaus als Blickfang für Schaufensterdekorationen oder als Inneneinrichtungs-Mobile. Im letzten Fall dient ein einfacher Fingerdruck auf den Verdrängerkasten zum Star¬ ten der Maschine, wobei lediglich eine ausreichende Lichteinstrahlung und damit Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Regenerators vorhanden sein muß.
Die schwingungsfähige Wassersäule wird dabei erfindungsgemäß als Ener¬ giezwischenspeicher für die Kompressionsphase verwendet. Diese schwin¬ gende Masse kann selbst dann, wenn die Lastankopplung versagt und die Energie nicht abgenommen wird, keinen Schaden anrichten, weil die Was¬ sersäule, wie weiter unten noch genauer erklärt wird, in Ausschwingbe¬ hältern in jedem Fall genügend Platz hat, um auch große Amplituden auszuführen oder die Maschine bauartbedingt beim Wegfall der Last ste¬ henbleibt, indem sie als Energieauskoppeleinrichtung einen separaten Ar¬ beitsbalg bzw. Kolben verwendet, der ohne Lastankopplung so große Hübe macht, daß Kompression und Expansion nicht mehr möglich sind. Die Was¬ sersäule ist als Kompressor und Expander der Luft im Verdrängerkasten ein besonders einfaches, verschleißfreies Bauteil, weil sie gleichzeitig schwingende Masse und reibungsarmer Kolben ist.
Die 90°-Kopplung der Bewegungen von Verdränger und Kompressor-Wasser¬ säule erfolgt nicht mechanisch, sondern durch Resonanz. Dazu wird ledig¬ lich dafür gesorgt, daß die Frequenz der Eigenschwingung des Verdrän¬ gers die gleiche ist wie die der Eigenschwingung der Wassersäule. Dies geschieht dadurch, daß der Quotient aus der Federkonstanten der Rück¬ stellfederkraft des Verdrängeraktuators und der Masse des Verdrängers gleich ist dem Quotient aus der Federkonstanten der Gasfeder des Ver¬ drängervolumens einschließlich der Federkonstanten der Rückstellkraft aus den der Schwerkraft unterliegenden Teil der Wassersäule und der aktiven Masse der Wassersäule.
Im Resonanzfall bewegt sich der Verdränger freiwillig mit 90° Phasen¬ verschiebung zur Wassersäule. Diese resonante 90°-Kopplung ist sehr streng und bei separater Energieauskopplung durch gesonderten Balg oder Kolben in jedem Betriebzustand stabil, ohne daß sie mechanischer Bauteile bedarf. Kompressor-Wassersäule und Verdränger wirken über die Luft¬ druckanordnung im Verdrängerkasten aufeinander ein. Ist über dem Rege¬ nerator ein Temperaturgradient vorhanden und wird der Verdränger ver¬ setzt, erzeugt er durch die abwechselnde Aufheizung und Abkühlung der Luft im Verdrängerkasten eine Druckschwankung, die die Kompressor-Was¬ sersäule ebenfalls zu Schwingungen anregt. Ist die Temperaturdifferenz über den Regenerator groß genug und wird über den Erhitzer Wärme nachgeliefert, wird das Schwingungssystem entdämpft und man kann me¬ chanische Energie abführen.
Dieses Schwingungssystem möglichst reibungsfrei, betriebssicher und einfach gestalten zu können, ist auch ein besonderer Vorteil der Er¬ findung. Die Einfachheit der schwingenden Wassersäule erklärt sich von selbst. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele zeigen möglichst flache oder kompakte Bauweisen und/oder besondere Reibungsarmut.
Der Verdrängeraktuator hat die Aufgabe, den Verdränger im Verdränger¬ gehäuse reibungsarm, verschleißarm hin- und herzubewegen bzw. beweg¬ bar, schwingungsfähig zu halten.
Da der Verdränger üblicherweise an seinen Stirnkanten gegenüber den Stirnwänden des Verdrängergehäuses durch lineare Rollmembranen geführt und gedichtet ist, wie in der DE 42 16 839 AI beschrieben, verhindert der Verdrängeraktuator nur noch die Kippbewegungen der Verdrängerplatte während ihrer Auf- und Abbewegung und sorgt dafür, daß sie bei nicht arbeitender Maschine in der Mitte des Verdrängerkastens liegt, bereit bei Druckänderungen im Verdrängerkasten nach oben oder unten ausgelenkt zu werden.
Erfindungsgemäß erfüllt der Verdrängeraktuator gleichzeitig vier Funk¬ tionen:
Bildung einer Federkraft derart, daß der Verdränger nach Auslenkung wieder in Richtung Ruhelage in Mittelstellung im Verdrängergehäuse zu¬ rückschwingt;
Auslenkung des Verdrängers bei erhöhtem Druck im Verdrängergehäuse nach unten, bei niedrigem Druck nach oben;
Gewichtsausgleich des Verdrängers, so daß seine Ruhelage in der Mitte des Verdrängerkastens ermöglicht wird und
Führung des Verdränges bei seiner Auf- und Abbewegung, so daß er nicht kippt und seine annähernd parallele Lage zur Bodenplatte des Verdrän¬ gergehäuses beibehält.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung des grunsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine,
Fig. 2 bis 6 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des Verdrängeraktuators, wobei Fig. 6 eine komplette Ma¬ schine ohne Energieauskopplungseinrichtung ist (Mobile),
Fig. 7 bis 12 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des die Kompressor-Wassersäule aufnehmenden Behälters,
Fig. 13 bis 16 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Energieauskoppeleinrichtungen zum Abführen mechani- scher Energie, wobei Fig. 16 eine komplette Maschine als Mobile zeigt,
Fig. 17 bis 18 schematische Darstellungen einer besonders kompakten Va¬ riante einer erfindungsgemäßen Stirliπg-Maschine,
Fig. 19 eine Ausführungsform als Bootsantrieb und
Fig. 20 bis 22 Ausführungsformen großer Maschinen.
In Fig. 1 ist eine Flachkollektor-Stirling-Maschine dargestellt, wobei vorgesehen ist, daß der Verdränger 1 durch Erhitzer 2, Regenerator 3 und Kühler 4 derart gebildet ist, daß der Erhitzer im oberen Teil des Verdrängergehäusese 5 so angeordnet ist, daß er einer einfallenden Wär¬ mestrahlung 6 direkt oder indirekt aussetzbar ist, daß ein Verdränger¬ aktuator 7 zur Bildung einer Rückstellfederkraft auf eine Mittelstellung des Verdrängers 1 im Verdrängergehäuse 5 - zur Bewegung des Verdrän¬ gers 1 in Abhängigkeit von den Drehverhältnissen im Verdrängergehäuse 5 - und zum Gewichtausgleich des Verdrängers 1, sowie zur Stabilisierung seiner Lage parallel zur Bodenplatte des Verdrängergehäuses 5 vorgesehen ist, daß eine schwingungsfähige Kompressor-Wassersäule 8 zum Komprimie¬ ren und Expandieren der Luft im Verdrängergehäuse 5 dient, und daß eine Energieauskoppeleinrichtung 9 zum Abführen der erzeugten mechani¬ schen Energie ausgebildet ist.
Die Rückstellfederkraft zur Ruhelage wird hierbei erzeugt durch Federn 11 (Fig. 3), die Wandsteifigkeit eines Gummibalgs 13 (Fig. 2, 4 und 14), durch Auftrieb bzw. das Gewicht von Schwimmern 12 (Fig. 4 und 5), wie Schwimmer wirkende Kolben 27 (Fig. 6) oder durch ein drehbar gelagertes Gewicht, dessen Schwerpunkt unterhalb des Drehpunkts liegt.
Die Auslenkung des Verdrängers wird beispielsweise erzeugt durch einen Gummibalg 13 (Fig. 2 bis 4), durch eine vertikal schwingende Wassersäu¬ le 14 (Fig. 5), mit der der Verdränger 1 auf einem Schwimmer 12 getra¬ gen wird, oder durch einen flüssigkeitsgedichteten Kolben in der Kompressor-Wassersäule 8 (Fig. 6).
Der Gewichtsausgleich des Verdrängers 1 erfolgt durch ein Gegengewicht 10 (Fig. 2), durch Federn 11 (Fig. 3), durch Schwimmer 12 (Fig. 4 und 5) oder wie Schwimmer wirkende Kolben 27 (Fig. 6).
Die Kippbewegungen des Verdrängers werden verhindert durch eine zentra¬ le Führungsstange oder durch auf die Eckpunkte oder auf den Umfang des Verdrängers verteilte Federn oder Schwimmer.
Wenn ein Gummibalg (Fig. 2) als Teil des Verdrängeraktuators vorgesehen ist, ist er vorteilhaft im Zentrum der Bodenplatte 15 des Verdrängerge¬ häuses angeordnet, wobei das offene Ende des Balges an der Bodenplatte und das geschlossene Ende steif mit dem Verdränger 1 verbunden ist. In axialer Richtung durch den Balg ist zur Verminderung von Kippbewegun¬ gen des Vedrängers eine Führungsstange 16 angeordnet, die an einem En¬ de starr mit dem Verdränger verbunden ist und am anderen Ende über einen Schwenkarm 17 in zwei Richtungen geführt wird. Der Schwenkarm 17 dient vorteilhaft gleichzeitig als Hebel des Gegengewichts des Verdrängers 1 und gegebenenfalls auch zur Befestigung von Rückstellfedern oder zur Aufnahme von Rückstellgewichten.
Wenn ein Schwimmer 12 (Fig. 5) als Teil des Verdrängeraktuators vorge¬ sehen ist, ist er vorteilhaft am unteren Ende der zentralen Führungs¬ stange 16 des Verdrängers 1 angeordnet und taucht in den Schenkel einer U-förmigen Verdrängeraktuator-Wassersäule 14 ein, der dicht mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist, so daß der Gewichtsausgleich des Ver¬ drängers durch den Auftrieb des Schwimmers die Rückstellkraft durch das Gewicht der verdrängten Wassersäule und die Auslenkung durch die Ver¬ drängung des Wassers aus einem U-Schenkel bewerkstelligt wird.
Wenn ein Kolben 27 (Fig. 6) als Teil des Verdrängeraktuators vorgesehen ist, ist er am unteren Ende der zentralen Führungsstange 16 des Ver¬ drängers 1 angeordnet und taucht in den Schenkel der U-förmigen Kom¬ pressor-Wassersäule 8 ein, der dicht und starr mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist. Das Wasser der Kompressor-Wassersäule ist dabei für den Kolben flüssige Zylinderwand bzw. flüssige Dichtung. Der Gewichtsaus¬ gleich des Verdrängers 1 erfolgt dabei durch den Auftrieb des Kolbens, die Rückstellkraft durch das ein- bzw. austauchende obere Teil 28 des Kolbens 27 und die Auslenkung durch die (wechselnde) Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite am Kolben. Dies stellt eine vom Aufbau her besonders einfache Variante dar.
Zur Verhinderung von Kippbewegungen des Verdrängers kann statt der zentralen Führungsstange auch die Lagerung des Verdrängers an den Eck¬ punkten oder längs des Umfanges auf Federn 11 (Fig. 3) oder Schwimmern 12 (Fig. 4) vorgesehen sein. Ein dabei ringförmig geschlossen, unterhalb des Verdrängers in einem Wassergraben umlaufender Schwimmer ermöglicht eine zusätzlich reibungs- und verschleißfreie Abdichtung des Verdränger- umfangs zu den Stirnwänden des Verdrängergehäuses.
Vorsorglich ist anzumerken, daß im Vorstehenden und Nachfolgenden von einem oberen und unteren Teil des Verdrängerhäuses die Rede ist, ohne daß notwendigerweise der Verdränger sich in vertikaler Richtung bewegen müßte. Lediglich im Regelfall erfolgt die Energieeinstrahlung von oben, so daß diese Terminologie einerseits eine einfache Unterscheidung gewährlei¬ stet und andererseits die Verhältnisse im Regelfall beschreibt. In der Praxis steht der Verdrängerkasten etwas schräg, um Regenwasser ablaufen zu lassen und um gegebenenfalls eine bessere Einstrahlung zu haben.
Die Kompressor- Wassersäule ist bei den meisten Ausführungsformen, wie schon beschrieben, in einem im wesentlichen U-förmigen Rohr angeordnet, wobei das Ende des einen U-Schenkels in Druckverbindung mit der unteren Seite des Verdrängergehäuses steht und das Ende des anderen U-Schenkels offen ist. Unter offen ist dabei zu verstehen, daß ein Druckausgleich mit der Umgebung möglich ist bzw. die Wassersäule frei ausschwingen kann. Weiterhin ist anzumerken, daß unter einem U-förmigen Rohr im vorstehen¬ den Sinn jeglicher Behälter zu verstehen ist, der zwei vertikale Ab¬ schnitte aufweist, die mit einem horizontalen Abschnitt verbunden sind, wobei Formgebung und Dimensionierung der vertikalen Abschnitte ganz un¬ terschiedlich sein kann.
Die bevorzugte Formgebung der Behälter ist so gewählt, daß die schwin¬ gende Wassersäule möglichst wenig Wirbel erzeugt, d.h. möglichst wenig gedämpft wird. Die beste Form hier ist ein U-Rohr ohne Querschnittsver¬ änderung mit relativ großem Krümmungsradius (Fig. 7). Diese Art von U-Rohr ist für das Inneneinrichtungsmobile besonders geeignet (Fig. 16). Ein U-Rohr mit konstantem Querschnitt kann auch konzentrisch angeordnet sein und ist dann sehr kompakt (Fig. 8).
Eine besonders kompakte Ausführungsform der konzentrischen Kompressor- Wassersäule (Fig. 9) besteht aus einem aktiven Teil 8 mit hoher Strö¬ mungsgeschwindigkeit und sich daran anschließenden Diffusor-Strecken 19, so daß die Amplituden der Wasserspiegel in den U-Schenkeln gering sind.
Für große Maschinen ist man bestrebt, die Bauhöhe unter anderem aus optischen Gründen möglichst niedrig zu halten. Die Kompressor-Wassersäule 8 (Fig. 10) besteht dann bevorzugt nur aus einem relativ langen horizon¬ talen Teil ohne Querschnittsänderung, an dessen Enden sich Ausschwing¬ becken 18 bzw. Diffusoren 19 anschließen, die die Geschwindigkeit des schwingenden Wassers möglichst ohne Strömungsverluste je nach Strö¬ mungsrichtung herauf- oder herabsetzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die horizontale Kompressor-Was¬ sersäule 8 (Fig. 11) unter dem Verdrängerkasten angeordnet und besteht aus einem oder mehreren parallelen Rohren mit eckigem oder rundem Quer¬ schnitt, die in kugelförmige oder zylinderähnliche Ausschwingbecken 18 enden, die diffusorartig wirken können. Dies ergibt eine flache, kompakte Bauform (Fig. 20 bis 22), bei der sich Wasserpumpe 30, Gummibälge 13 und andere mechanische Bauteile im Zwischenraum von Verdrängerkasten und Kompressor-Wassersäule verdeckt unterbringen lassen. In einer Variante der horizontalen Kompressor-Wassersäule 8 (Fig. 12) en¬ det diese in geschlossenen Ausschwingbecken 18, die mit je einem Gummi¬ balg 21, 22 an ihrem Ende verschlossen sind, und bei denen die Ab¬ schlußplatten der Gummibalge längs durch die Wassersäule mit einer Stan¬ ge 23 oder einem Seil verbunden sind, so daß bei schwingender Wasser¬ säule immer der eine Balg gerade ausgeschoben, während der andere ge¬ rade eingeschoben wird. Diese Kompressor-Wassersäule ist hermetisch dicht; Wasser kann nicht verdunsten. An dem freien Balg 22 kann die Energie leicht ausgekoppelt werden.
Die Einrichtung zur mechanischen Energieauskopplung 9 (Fig. 1) kann günstigerweise durch einen extra Balg gebildet sein, der mit dem unteren Verdrängergehäuse in Druckverbindung steht, so daß der Balg bzw. der Balgboden entsprechend der Druckänderung im Verdrängerkasten bewegt wird.
Bei Verwendung einer vertikalen Kompressor-Wassersäule kann die Einrich¬ tung zur mechanischen Energieauskopplung auch günstigerweise durch einen extra Kolben 29 (Fig. 13) gebildet sein, der sich in den aktiven Teil der Kompressor- Wassersäule 8 erstreckt und unabhängig von der Kom¬ pressor-Wassersäulenbewegung auf Druckänderung im Verdrängerkasten re¬ agiert, wobei das Wasser der Kompressor-Wassersäule bezogen auf den Kolben flüssige Zylinderwand bzw. flüssige Dichtung ist. Der Kolben 39 treibt z.B. direkt eine doppelt wirkende Hubkolbenwasserpumpe 30.
Dieser eigene Balg oder Kolben für die Energieauskopplung hat den großen Vorteil, daß die Schwingungen von Verdränger und Kompressor- Wassersäule be*i zunehmender Last (durch zunächst geringere Energieab¬ nahme) nicht gebremst, sondern verstärkt werden, was dann aber zu ver¬ größerter Energieabnahme führt, so daß Energieabnahme und Lastankopp¬ lung ein rückgekoppeltes, selbstregelndes System darstellen. Bei Versagen der Lastankopplung bleibt die Maschine stehen. Außerdem verändert die Energieauskopplung durch den gesonderten Balg bzw. Kolben auch bei Lastwechsel nicht die gewünschte 90° Phasenver¬ schiebung zwischen Kompressor-Wassersäule und Verdrängerbewegung.
Um den gesonderten Balg bzw. Kolben zu sparen, kann die Energie auch über einen zu diesem Zweck vergrößerten Verdrängeraktuatorbalg 13 (Fig. 14) oder vergrößerten Verdrängeraktuatorkolben 31 (Fig. 15) ausgekoppelt werden. Dies eignet sich bei Maschinen mit konstanter Lastabnahme und konstanter Energieeinstrahlung. Bei Lastwechsel und wechselnder Ein¬ strahlung kann sich eine unerwünschte Phasenverschiebung ergeben.
Eine weitere Variante der Energieauskopplung erfolgt der Einfachheit hal¬ ber über einen Schwimmer im offenen U-Rohr-Schenkel der Kompressor-Was¬ sersäule 8. Dies ist besonders geeignet, um geringe Lasten anzukoppeln, wie z.B. zur Bewegung eines Reklameschildes 25 bei der Ausgestaltung als Schaufenster-Mobile. Zur Ankopplung großer Lasten sind Schwimmer nicht geeignet, da sie nicht genügend Auftrieb erzeugen und je nach Eintauch¬ zustand die Frequenz der Wassersäule verändern.
Ein besonders einfacher, kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Stir- ling-Maschine ergibt sich, wenn Verdrängeraktuator-Kolben 27, gesonder¬ ten Energieauskoppelkolben 29 und Kompressor-Wassersäule mit aktivem Teil 8 und Diffusor-Strecken 19 konzentrisch ineinander angeordnet werden (Fig. 17, 18). Hierbei entstehen zwei wassergefüllte Ringquerschnitte, die beide gleichzeitig synchron schwingend als aktiver Teil 8 der Kompressor- Wassersäule fungieren können. Die Diffusor-Srecken 19 werden durch die Formgebung der Kolbendeckel und Böden gebildet. Das die Kolben umge¬ bende Wasser ist dabei wiederum flüssige Zylinderwand bzw. flüssige Dichtung. Fig. 17 und 18 unterscheiden sich nur dadurch, daß Verdrän¬ geraktuatorkolben bzw. Energieauskoppelkolben einmal innen, einmal außen angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Stirling-Maschine eignet sich auch als besonders einfacher, lautloser solarer Antrieb für Boote 26 (Fig. 19) oder der¬ gleichen. Hierbei erfolgt die Energieauskopplung bevorzugt über Rück- Stoßkräfte der Kompressor-Wassersäule 8, die zu diesem Zweck unter dem Seewasserspiegel mit der Öffnung gegen die Bootsbewegungsrichtung zei¬ gend endet.
Abschließend seien zwei bevorzugte, ganz unterschiedliche Maschinen auch hinsichtlich ihrer Dimensionierung näher erläutert:
Der Verdrängeraktuator der bevorzugten großen Maschine gemäß Fig. 20 bis 22 erbringt die Rückstellfederkraft durch die Steifigkeit der Gum- mibalgwand 13, die Auslenkung durch den Gummibalg 13, den Gewichts¬ ausgleich durch das Gegengewicht 10 und verhindert die Kippbewegungen durch die zentrale Führungsstange 16 und den zweiarmig gelagerten He¬ belarm 17 des Gegengewichts 10. Die Maschine hat als Energieauskoppel¬ einrichtung einen separaten Gummibalg 9 und als Kompressor-Wassersäule eine horizontale Wassersäule 8 mit extrem flachem, rechteckigen Quer-
2 schnitt. Bei einem 2 m großen Lichtabsorber der Maschine und einem
3 Verdrängerkastenvolumen von 0,4 m , einer Arbeitsfrequenz von 0,6 Hz beträgt die Länge der aktiven Kompressor-Wassersäule 8 ca. 2 m mit einer Masse von 250 kg. Die Gasfederkonstane des Verdrängerkasten 5 ist 4000 N/m. Bei einem Verdrängergewicht einschließlich Gegengewicht von 60 kg muß die Rückstellkraft des Verdrängeraktuators eine Federkonstante von ca. 1000 N/m haben. Eine solche Maschine hat bei normaler Sonnen¬ einstrahlung ca. 60° Temperaturdifferenz über dem Regenerator, eine me¬ chanische Leistung von 100 W und pumpt je nach Förderhöhe 5.000 bis 100.000 1 Wasser pro Tag.
Der Verdrängeraktuator des Schaufenster-Mobile nach Fig. 16 erbringt die Rückstellfederkraft durch die Schwerkraft in Verbindung mit der Auslen¬ kung durch die Verdrängung des Wassers aus dem jeweiligen U-Schenkel der Verdrängeraktuator-Wassersäule 14, der Gewichtsausgleich durch den Auftrieb des Verdränger-Schwimmers 12 in dieser Wassersäule und ver¬ hindert die Kippbewegung durch eine zentrale Führungsstange 16, die durch den Schwimmer 12 zentriert und im U-Rohr geführt wird. Die Ma¬ schine hat als Energieauskoppeleinrichtung einen zweiten Schwimmer 24 in der Kompressor-Wassersäule 8, die - wie erwähnt - eine U-förmige Wassersäule mit konstantem Querschnitt ist. Bei einem 20 x 20 cm Licht¬ absorber der Maschine und einem Verdrängerkastenvolumen von 2 1 und einer Arbeitsfrequenz von 1,2 Hz, beträgt die Länge der Kompressor-Was¬ sersäule 8 inclusive vertikaler Abschnitte ca. 50 cm mit einer Masse von ca. 0,3 kg. Die Gasfederkonstante des Vedrängerkastens 5 beträgt 12 N/m, die Federkonstante der Kompressor- Wassersäule ca. 10 N/m. Bei einem Ver¬ drängergewicht von 40 g muß die Rückstell kraft der U-Wassersäule des Verdrängeraktuators ca. 2 N/m haben. Eine solche Maschine läuft auch schon bei dem künstlichen Licht einer Schaufensterbeleuchtung. Die Ma¬ schine hat genug Kraft, um eine Reklametafel 25 als Blickfang zu schwen¬ ken.

Claims

Patentansprüche:
1. Stirling-Maschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. umgekehrt umfassend ein Verdrängergehäuse mit einem in diesem hin- und herbewegbaren plattenartigen Verdränger sowie einen Er¬ hitzer, einen Regenerator und einen Kühler, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (1) durch Erhitzer (2), Regenerator (3) und Kühler (4) derart gebildet ist, daß der Erhitzer im oberen Teil des Verdrängerge¬ häuses (5) so angeordnet ist, daß er einer einfallenden Wärmestrahlung aussetzbar ist, daß ein Verdrängeraktuator (7) zur Bildung einer Rückstellfederkraft auf eine Mittelstellung des Verdrängers (1) im Verdrängerhäuse (5) zur Bewe¬ gung des Verdrängers (1) in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Verdrängergehäuse (5) und zum Gewichtsausgleich des Verdrängers (1), sowie zur Stabilisierung seiner Lage parallel zur Bodenplatte des Ver¬ drängergehäuses (5) vorgesehen ist, daß eine schwingungsfähige Kompressor-Wassersäule (8) zum Komprimieren und Expandieren der Luft im Verdrängergehäuse (5) dient, und daß eine Energieauskopplungseinrichtung (9) zum Abführen der erzeugten me¬ chanischen Energie ausgebildet ist.
2. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Verdrängers und die Rückstellkraft des Verdrängeraktuators einerseits und die Masse der Kompressor-Wassersäule und die Gasfe¬ der-Eigenschaften der Luft im Verdrängergehäuse andererseits so dimen¬ sioniert sind, daß die so gebildeten Masse-Feder-Systeme die gleiche Re¬ sonanzfrequenz aufweisen und dementsprechend Resonanz zwischen Kom¬ pressor-Wassersäule und Verdränger auftritt, so daß der Verdränger sich mit einem Phasenversatz von 90° relativ zu der Kompressor-Wassersäule bewegt.
3. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion des Gewichtsausgleichs des Verdrängers durch Gegengewicht, durch Federn oder durch Schwimmer bewerkstelligt.
4. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion der Rückstellfederkraft zur Ruhelage des Verdrängers durch Federn, durch die Wandsteifigkeit eines Gummibalges, durch den Aufhub bzw. das Gewicht von Schwimmern oder durch ein dreh¬ bar gelagertes Gewicht erzeugt, dessen Schwerpunkt unterhalb des Dreh¬ punkts liegt.
5. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion der Auslenkung des Verdrängers durch einen Gummibalg oder durch eine vertikal schwingende Wassersäule, mit der der Verdränger auf einem Schwimmer getragen wird, oder durch einen flüssigkeitsgedichteten in der Kompressor-Wassersäule erzeugt.
6. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängeraktuator die Funktion der Führung des Verdrängers zur Verhin¬ derung von Kippbewegungen durch eine zentrale Führungsstange oder durch auf die Eckpunkte oder auf den Umfang des Verdrängers verteilte Federn oder Schwimmer erbringt.
7. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gummibalg des Verdrängeraktuators im Zentrum der Bodenplatte des Ver¬ drängergehäuses angeordnet ist, wobei das offene Ende des Balges an der Bodenplatte des Verdrängergehäuses und das geschlossene Ende starr mit dem Verdränger verbunden ist.
8. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdrängerführungsstange in axialer Richtung durch den Gummibalg ange¬ ordnet ist, wobei diese mit dem einen Ende starr mit dem Verdränger ver¬ bunden ist und deren anderes Ende über einen Schwenkarm in zwei Rich¬ tungen geführt wird.
9. Stirling-Maschine nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm der Führungsstange des Verdrängers gleichzeitig als He¬ bel für das Gegengewicht des Verdrängers, zur Befestigung von Rückstell¬ federn oder zur Aufnahme von Rückstellgewichten dient.
10. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer des Verdrängeraktuators am unteren Ende der zentralen Füh¬ rungsstange des Verdrängers angeordnet ist und in den Schenkel einer U-förmigen Verdrängeraktuator-Wassersäule eintaucht, der dicht mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist, so daß der Gewichtsausgleich des Ver¬ drängers durch den Auftrieb des Schwimmers, die Rückstellkraft durch das Gewicht der Wassersäule und die Auslenkung durch die Verdrängung des Wassers aus dem einen U-Schenkel bewerkstelligt wird.
11. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger durch einen ringförmig geschlossenen unterhalb des Verdrän¬ gers in einen Wassergraben umlaufenden Schwimmer getragen wird.
12. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressor- Wassersäule in einem im wesentlichen U-förmigem Rohr ange¬ ordnet ist, wobei das Ende des einen U-Schenkels in Druckverbindung mit der unteren Seite des Verdrängergehäuses steht und das Ende des anderen U-Schenkels offen ist.
13. Stirling-Maschine nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressor- Wassersäule in einem U-förmigem Rohr ohne Quer¬ schnittsänderung mit relativ großem Krümmungsradius angeordnet ist, wobei das U-Rohr auch konzentrisch sein kann.
14. Stirling-Maschine nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressor-Wassersäule aus einem relativ langen horizontalen Teil ohne Querschnittsänderung besteht, an dessen Enden sich Ausschwing¬ becken oder Diffusoren anschließen.
15. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, 12 und 14, dadurch gekennzeich¬ net, daß die horizontale Wassersäule unter dem Verdrängerkasten anord- bar ist und aus einem oder mehreren parallelen Rohren mit eckigem oder rundem Querschnitt bestehen, die in kugelförmige oder zylinderähnliche liegende Ausschwingbecken enden, die diffusorartig wirken können.
16. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine horizontale Wassersäule mit je einem Gummibalg an ihren Enden abge¬ schlossen ist, wobei die Abschlußplatten der Gummibalge längs durch die Wassersäule mit einer Stange verbunden sind.
17. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur mechanischen Energieauskopplung durch einen extra Balg gebildet ist, der mit dem unteren Verdrängergehäuse in Druckverbindung steht.
18. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie über einen zu diesem Zweck vergrößerten Verdrängeraktuator-Balg ausgekoppelt wird.
19. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie über einen Schwimmer im offenen U-Rohr-Schenkel der Kompres¬ sor-Wassersäule ausgekoppelt wird.
20. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Bootsantrieb oder dergleichen die Energieauskopplung über Rückstoßkräfte der Kompressor Wassersäule erfolgt, die unter dem Seewas¬ serspiegel mit der Öffnung gegen die Bootsbewegungsrichtung zeigend en¬ det.
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