DE1933159A1

DE1933159A1 - Waermevorrichtung der Stirling-Kreisprozess-Type

Info

Publication number: DE1933159A1
Application number: DE19691933159
Authority: DE
Inventors: Beale William T
Original assignee: Research Corp
Current assignee: Research Corp
Priority date: 1969-03-05
Filing date: 1969-06-30
Publication date: 1970-12-10
Also published as: DE1933159B2; US3552120A

Description

Wärmevorrichtung der Stirling-Kreisprozess Type

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Wärmevorrichtung oder einen Wärmeapparat, der Stirling-Kreislauftype, die insbesondere als Y/ärmekraftmas chine, als Kälteoder Gefriermaschine und/oder Wärmepumpe verwendbar ist»

Einleitend sei festgestellt, dass im folgenden der Einfachheit halber der Ausdruck Fluidum verwendet wird als generelle Bezeichnung für beide Arten von fliessfähigen Materialgruppen, d.h. für Gase als auch für Flüssigkeiten (vergleiche "English-German Technical and Engineering Dictionary" von De Vries und Herrmann, 2. Auflage, 1967, Oscar Brandstetter Verlag KG, Wiesbaden, Seite 397 "fluid = Fluidum").

Besondere Ziele oder Merkmale der Erfindung sind die Schaffung einer verbesserten Stirling-Kreislaufprozess Wärmevorrichtung; die wenigstens einen oder mehrere zusammenwirkende Verdrängungskolben und zusammenarbeibende Kraftkolben aufweist; bei der keine primäre mechanische Verbindung zwischen den Verdrängungskolben und ihren zugeordneten Kraftkolben vorhanden lab; die Mittel zur Steuerung der Kraftlieferung oder der Kraftzufuhr ohne Veränderung der Masse des an dem Kreislauf teilnehmon-

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den gasförmigen Fluidums aufweist} und die mit einer Einrichtung versehen ist zur Vorsehung entweder von Kraftzufuhr zu oder Kraftlieferung von der Torrichtung durch einen Druck— fluidum-Kreislauf und ohne mechanische Kupplung mit den Kraftkolben oder der die Kraftkolben verbindenden Kolbenstange.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung v-p werden in einer Wärmevorrichtung der Stirling-Kreislaufprozess geschaffen, die allgemein folgende'Elemente umfasst:

einen Verdrängungskolben,
eine Verdrängungszylinderzone,

die Anordnung des Verdrängungskolbens für Hin- und Herbewegung in der Verdrängungszylinderzone,

eine Verdrängungskolbenstange, die an einem Ende mit dem Verdrängungskolben verbunden ist und am anderen Ende in Fluidum-Kommunikation mit einer zweiten Zone steht, einen Kraftkolben,
einen Kraftzylinder,

die Anbringung des Kraftkolbens für Hin- und Herbewegung in dem Kraftzylinder, normalerweise mechanisch unabhängig von der Hin- und Herbewegung des Verdrängungskolbens, ein Arbeitsfluidum in der Verdrängungszylinderzone, Mittel zur Schaffung eines Druckdifferentials zwischen der Verdrängungszylinderzone und der besagten zweiten Zone, das auf die Fläche der Kolbenstange in der zweiten Zone einwirken kann,

von den letztgenannten Mittel umfasste Einrichtungen zur Hinzufügung von Wärme zu oder zur Entfernung von Wärme von jedem Ende der Verdrärigungszylinderzone, und eine Kraftkupplung zwischen dem Verdrängungskolben und dem Kraftkolben, die aus fluidumkommunizierenden Leitern zwischen einem Ende des Kraftzylinders und einem Ende der Verdrängungszylinderzone besteht.

Die Erfindung wird genauer in Verbindung mit den in den beillegenden Zeichnungen veranschaulichten Ausfuhrungsbeispielen beschrieben werden.

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In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine allgemeine schematische Ansicht eines Doppelverdränge rkollDens, eines Doppel-Kraftkolbens und einer Wärme vorrichtung der Stirling-Kreislauf-Type, .die die G-rundzüge der Erfindung umfasst;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Form der Erfindung, die Mittel zur Änderung des Eingangs und Ausgangs der Vorrichtung veranschaulicht;

Fig. 3 eine vergrösserte, fragmentarische Schnittansicht der Mittel zur Veränderung des Krafteinganges und -ausganges;

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht unter Verdrehung des Mechanismus um 90° und unter Fortbrechen von Teilen, um den Betätigungsmechanismus deutlicher zu zeigen;

Fig. 5 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Form der Kraftveränderungsmittelj

Fig. 6 eine vergrösserte fragmentarische, detaillierte Ansicht einer. Form eines Regenerators und Wärmeaustauschers, die mit den erfindungsgemässen Vorrichtungen verwendet werden können;

Fig. 7 eine Veranschaulichung einer abgeänderten Form der Kraftänderungsmittel, bei der Hub der Verdrängungskolben verändert wird;

Fig. 8 eine Veranschaulichung einer abgeänderten Form der Erfindung, bei der ein hydraulisches Fluidum im Arbeitskreislauf der Maschine als Kraftbegrenzungsmittel verwendet ist;

Fig. 9 ein Schnitt längs der Linie 9-9 der Fig. 8;

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Fig. 10 ein Schnitt längs Linie 10-10 der Fig. 8;

Fig. 11 eine diagrammatische Ansicht der hydraulischen Schaltung, die mit den in Fig. 8 veranschaulichten Strukturen verbunden ist;

Fig. 12 eine Veranschaulichung einer abgeänderten Form einer kombinierten Einzel-Verdrängungskolben Typ Maschine und eines linearen Alternators; und

Fig. 13 eine Veranschaulichung einer erfindungsgemäss ausgebildeten Motor- und -Pumpen-Kombination.

Die Grundlagen von Wärmevorrichtungen der Stirling-Kreislaufprozess Type sind der Fachwelt wohlbekannt, und eine verhältnismässig umfassende Übersicht von älteren und neueren Entwicklungen derartiger Stirling-Wärme-Maschinen sowie ein Vergleich solcher Maschinen mit den Otto-, Brayton-, Oarnot- und Ericsson-Kreislauf arbeitenden Maschinen findet sich in "SAE Transactions"/, T§bO, Seiten 665-684. Da die Prinzipien der Stirling-Wärmekreislaufprozess-Vorrichtungen den Fachleuten gut bekannt sind, soll die folgende detaillierte Erörterung a.uf die durch die vorliegende Erfindung geschaffenen Verbesserungen beschränkt werden.

Die in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnete Stirling- Kreislauf Type Wärmevorrichtung umfasst ein Gehäuse 14, ein Paar allgemein mit D16 und D18 bezeichnete, vom Gehäuse 14 umschlossene Verdrängungskolben, die für synchrone Bewegung durch eine starre ' Verdrängungskolbenstange D20 verbunden sind.

Fig. 1 zeigt die Verdrängungskolben D16 und D18 in einer Mittelstellung zwischen ihren extremen linken und extrem rechten Bewegungsrichtungen. In dieser Anordnung befindet sich bespielsweise der Verdrängungskolben D16 in der äussersten linken Stellung

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und auch der Verdrängungskolben D18 in der äussersten linken Stellung. Jedem der Verdrängungskolben D16 und D1S ist ein Verdrängungskolbenzylinder D22 bzw. D24 zugeordnet. Die Kolben D16 und D18 sind so bemessen, dass sie sich frei in ihren betreffenden Zylindern hin- und herbewegen, und, da der Stirling-Kreislauf ein geschlossener Kreislauf ist, so besteht kein Bedarf für Kolbenringe und andere Abdichtungsmittel zwischen den zylindrischen Flächen der Verdrängungskolben D16 und D18 und den ihnen zugeordneten zylindrischen Wandungen der Verdrängungszylinder D22 und D24.

Wie klarer in den Figuren 1 und 6 gezeigt, ist eine konventionelle Kombination von Wärmeaustausch-Vorrichtung und Regenerator 26 bzw. 28 mit jedem der Verdrängungszylinder D22 und D24 verbundene Die Kombination von Wärmeaustausch-Vorrichtung und Regenerator 26 umfasst einen Erhitzerteil 30, einen Regenerator und einen Kühler 34 für Zylinder D22 und entsprechende Elemente 36, 3§ und 40 für Verdrängungszylinder D24. Der Erhitzer 30 kommuniziert mit dem äusseren Ende des Zylinders D22 durch die Öffnung 42, während der Kühler 34' mit dem entgegengesetzten Ende des Zylinders D22 über die Öffnung 44 kommuniziert. Ähnliche öffnungen 46 und 48 sind für den Verdrängungszylinder D24 vorgesehen.

Wie sich speziell aus Fig. 6 ergibt, umfasst der Erhitzungsabschnitt 30 für den Regenerator einen Brenner 31» der durch leitung 33 ^it äem aufgewickelten Wärmeaustauschrohr 35 verbunden ist. Das Erhitzungsmittel vom Brenner 31 verlässt den Erhitzungsabschnitt 30 über die leitung 37. Der Regeneratorabschnitt 32 besteht aus einer Mehrzahl von dünnen Kupferdrähten oder -nadeln, die verhältnismässdg dicht zwischen den Erhitzer- und den Kühlerabschnitten 30 und 34 zusammengepackt sind. Der Kühlerabschnitt besteht aus einer der Wärmeaustauschspirale 35 ähnlichen Spirale 41. Die Spirale 41 kann mit einem Kühlmittel, wie z.B. Wasser, beliefert'werden Über die Leitung 43, in der eine Wärmeaustauschspule 45 ausserhalb der Maschine versehen ist und mit der eine

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Geblaseeinri.ch.tung 47 vereinigt ist. So kann das eine Ende jedes Regenerators 32 und 38 eine Temperatur von 38 C (100 ϊ) aufweisen, während das entgegengesetzte Ende jedes Regenerators eine Temperatur von 538⁰O (1,000⁰P) haben kann.

In dem Gehäuse 14 sind auch ein Paar Kraftkolben P60 und P62 montiert. Die Kraftkolben ΡβΟ und P62 sind miteinander durch eine Kraftkolbenstange P64 verbunden, die die entsprechende Verdrängungskolbenstange D20 umgibt. Die Kraftkolben P60 und P62 ) sind so miteinander verbunden, dass, wenn der eine Kolben sich am Kopfende seines Zylinders befindet, der entgegengesetzte Kolben sich am inneren Ende seines Zylinders befindet.

Die das Paar von Kraftkolben verbindende Stange- ist nicht erforderlich, und eine Fluidum-Kupplung könnte dafür ersetzt werden.

Jeder der Kraftkolben P60 und P62 hat ein Paar Köpfe, 66 und 68 für Kolben P60 bzw, 70 und 72 für Kolben P62. Kolbenköpfe 66 und 70 kommunizieren mit dem kühlen oder kalten Teil der Zylinder D2 2 bzw. D24. Die Köpfe 66 und 70 sind von ihren entgegengesetzten Köpfen 68 und 72 durch Abdichtungsmittel 74 für Kolben P60 bzw. 76 für Kolben P62 isoliert. Die Köpfe 68 und 72 der Kolben P60 und P62 sind durch Trenneinrichtung 78 und O-Ringdichtung 80 isoliert, wodurch ein Paar von Kraftzylinderräumen 32 und 84 in der Vorrichtung geschaffen werden, Kraftzylinderraum 82 ist mit einer Druckfluidum-Einlassöflhung 86, Auslassöffnung 88 und zusammenwirkenden Sperrventilen ("check valves") 98 und 100

ο versehen.
ο

Der Zusammenbau umfasst auch Abdichtungsmittel 104 zwischen ο der Aussenflache der Verdrängungskolbenstange D20 und der zylin- _j. drischen Innenfläche der Kraftkolbenstange P64. to

Betätigung I

Die Betätigung der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung, wenn sie als Kraftmascialne Uv\W Euiie^erung von Hitze zu den

b-„ _ η _

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äusseren Enden der Verdrängungszylinder D22 und D24 durch geeignete Erhitzungsmittel arbeitet, wird im folgenden "beschrieben werden.

Angenommen die "Verdrängungskolben Di6>und D18 befinden sich in den äussersten linken Stellungen und die Verdrängungskolbenzylinder D22 und D24 sind, beispielsweise, mit \7asserstoffgas, unter einem beispielsweisen Druck von 140_r6 kg/cm (2000 psi) beschickt, dann befindet sich der Wasserstoff in dem Verärinigungszylinder D22 in einem kalten Bereich und der Wasserstoff im Zylinder D24 in einem heissen Bereich und letzterer emofängt Wärme von der äusseren Y/ärmequelle. Unter diesen Umständen wird in Pig. 1 der Druck auf der rechten Seite höher sein als auf der linken Seite. Die Kraftkolben P60 und P62 v/erden naci-i links durch das Druckfluidum getrieben, das gegen den Kopf 70 des Kraftkolbens P62 wirkt.

Angenommen, die Zylinderräume 82 und 84 sind in Verbindung mit einer Fluidumquelle über die Sperrventile 90 und 98 und EiniRssleitungen 86 und 84 gebracht, so wird Fluidum von dem Raum 84 über AsLasslei'tung 96 und Sperrventil 100 abgegeben, während Pluidum in den Raum 82 über Einlassleitung 86 und Sperrventil 90 eingesogen wird.

Bei Bewegung der Kraftkolben nach links verringert die Volumen.önderung des komprimierten Wasserstoffes, den Druck des Wasserstoffs auf der rechten Seite und vergrössert den Druck auf die linke Seite der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung. Befinden sich der Verdrängungskolben D16 und der Kraftkolben P60 beide auf der lenken Seite, dann ist der Druck wesentlich grosser auf der linken Seite und die Verdrängungskolben v/erden nach rechts durch das Druckdifferential, das auf die Fläche der Abdichtung 104 einwirkt, getrieben. Bei Bewegung der Verdrängungs-

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kolben D16 und D18 nach rechts wird das Wasserstoffgas von dem kalten Bereich auf der Linken zu dem heissen Bereich auf der Linken und vom heissen Bereich auf der Rechten zum kalten Bereich auf der Rechten bewegt. Unter diesen Umständen erhöht sich der Druck des Wasserstoffes auf der linken Seite der Vor-• richtung, während der Druck des Wasserstoffes auf der rechten Seite der Vorrichtung absinkt und somit eine Bewegung des Verdrengungskolbens beschleunigt und die Kraftkolben P60 und P62 nach rechts drückt, um den Kreislauf zu wiederholen. Bei Bewegung der Kraftkolben nach rechts wird das Fluidum in der Kraftzylinderkammer 82 aus der Auslassleitung 88 über das Sperrventil 92 herausgedrückt, während hydraulisches Fluidum in den Zylinderraum 84 über Sperrventil 98 und Einlassleitung hereingezogen wird. Das durch den Kraftkolben gepumpte Fluidum kann mit irgend einem geeigneten Druckfluidumtype hydraulischen Motor und fiergleichen verbunden werden.

In Bezug auf Mg. 1 ist besonders zu beachten, dass der komprimierte Wasserstoff beim Strömen von einem Ende jeder der Verdrängungszylinderräume zum entgegengesetzten Ende durch den Erhitzer, den Regenerator und den Kühler in einer Bewegungsrichtung hindurohtritt und in der entgegengesetzten Richtung sich durch den Kühler, den Regenerator und dann durch den Erhitzer bewegt. Erhitzer, Kühler und Regenerator sind, wie dies auf diesem Gebiet wohlbekannt ist, wichtige Bestandteile von Stirling-Kreislauf Wärmevorrichtungen und ohne solche Strukturen wird der Wirkungsgrad solcher Torrichtungen wesentlich verringert, wie dies vorangehend beschrieben wurde. Die Angabe von Wasserstoff gas als Beschickungsmittel ist nur beispielsweise und nicht etwa im Sinne einer Beschränkung, da, wie dies der Fachwelt wohl bekannt ist, irgend ein gewünschtes Fluidum Medium in dem Kreis verwendet werden kann.

Die in Fig. 1 veranschaulichte doppelendige Vorrichtung hat einen Vorteil, indem sie leicht angelassen werden kann,

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und zwar durch irgend eine leichte Verlagerung entweder der Kraft- oder der Verdrangungskolben, wenn die Pumpenbeiastung von dem Kraftkolben entfernt ist. Dies ist no, da bei solch einer kleinen Verlagerung das sich ergebende geringe Druckdifferential zu einer Bewegung des Verdrängers führt, was das Druckdifferential in der vorgehend beschriebenen V/eise erhöht, Somit ist die Vorrichtung im weitem Ausmasse selbstsmlassend, sofern nur die hohen und niedrigen Temperaturen in den geeigneten . Räumen aufrecht erhalten werden.

Es wird gewürdigt werden, dass, da alles was erforderlich ist, um die Vervollständigung des Kreislaufes zustande zu bringen, in der Umkehr der Druckkräfte auf die Verdrängungsund Kraftkolben besteht, ein einfacher eingeschlossener Raum für die aktiven Räume an einem Ende der Vorrichtung gesetzt werden kann. Beispielsweise könnte in Fig. 1 der Verdrängungskolben D18 weggelassen werden unter ausschliesslicher Belassung der Verdrängungsstange, auf die das Gas in den Räumen 48 und, 46 einwirken kann, wie dies im folgenden ausführlicher beschrieben werden wird.

Es wird ferner gewürdigt werden, dass, wenn die in Fig. 1 veranschaulichte Einrichtung nur an einem Ende erhitzt und durch Zuführung von mechanischer Energie angelassen würde, dass sie dann als Wärmekraftmaschine an einem Ende und als Gefriermaschine am anderen Ende arbeiten würde. Beispielsweise, wenn die linke Seite mit Erhitzungs- und Abkühlungsmitteln beliefert und die rechte Seite von .der linken Seite angetrieben würde, dann würde während der Bewegung des Kolbens nach rechts das G^s in dem Raum 48 komprimiert werden unter Beförderung von Wärmeenergie in den Wärmeaustauscher 40, v/obei dann, wenn der Druck auf der rechten Seite erhöht würde auf einen Wert, der grosser ist als der Druck auf der linken Seite, dann würde der Verdränger sich zuerst nach links bewegen unter Verlagerung des Gases vom Raum 48 nach 46 und von 42 nach 44. Somit würde bei Bewegung des

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Kral" tkolbens nach links ei ie A. us dehnung des Gases im Räum 46 dasselbe abkühlen unter Zulassung der Entfernung der Hitze von dem Wärme aus tau se; hör 36. Es ist somit ersichtlich, dass die Kreislaufbe bä tigung der ,/lirmekraftmaöchine auf der linken Seite einen Kühleffekt auf den Wärmeausbauscher 36 und eine Erhi tzungswirkung auf den '//ärmeaus tauscher 40 haben würde in einer Weise, die für übirling-Kreislauf Gefriermaschinen üblich ist. Bei einer solchen Anwendung könnten die zentral gelagerten in Fig. 2 gezeigten Pumpenräume beseitigt werden, da die Arbeit der linken'Wärmekraftmaschine von der rechten Kühlmaschine ™ absorbiert würde. Der Krafbkolben würde sich von 68 bis 72 ohne dazwischen liegende Pumpräume 82-84 erstrecken.

Damit die in Fig. 1 veranschaulichte Maschine wirksam als eine von aussen angetriebene Kühlmaschine arbeitet, müssen . die richtigem Phasenbeziehungen zwischen den Verdrangun^s-. .und Kraftkolben hergestellt werden durch Verringerung der natürr- τ liehen Frequenz der Verdrängungskolben in Bezug auf die für 'eine Wärmekraftmaschine erforderliche Frequenz. In der Wärmekraf£- maschinenbetätigungsweise ist es wünschenswert, dass die Verdr^ngungskolben sich schneller unter dem Einfluss von Druckkräften als die Kraftkolben bewegen, während im Kühlkreislauf dad clnt- ) gegengesetzte zutrifft.

Angenommen,.eine hydraulische Pumpe treibt den Krafbkolben P60 nach links. Der Kraftkolben würde in Berührung mit dem Verdrängungskolben D16 treten, der nur langsam nach rechts durch das auf seine-.Stangenfläche einwirkende Druckdifferentiul ge trieben wird. (Es sei beachtet, dass die Sperrventile ,·ο, 92, 98 und TOO nicht notwendig sind, wenn die Kraftkolben .uirch eine doppelwirkende Pumpe angetrieben werden, die an die leitungen 86 und 94 oder 77 und 96 angeschlossen ist, wobei das nicht verwendete Paar von Leitungen blockiert ist.) Dann bewegen 3ich die Kraft- und Verdrängungskolben P60 und D16 zusammen nach links unter Zusammendrückung des Gases auf der.· linken ÜJeite

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und Ausdehnung des Gases auf der rechten Seite der Vorrichtung, wobei Energie zum linken Wärmeaustauscher 30 herausgedrückt und Energie vom rechten Wärmeaustauscher 36 und Kühler 40 aufgenommen wird. Während dieser Ausdehnungsphase nimmt eine wesentliche Masse des Gases am rechten Ende der Vorrichtung sowohl die kühlen wie die heissen Räume ein. Der Kraftkolben P60 hält dann an seiner äussersten linken Bewegung an, und die Kolben P60 und P62 werden schnell nach rechts durch die entgegengesetzte Richtung der Bewegung der doppelwirkenden Pumpe getrieben. Die Verdrängungskolben beginnen langsam sich nach rechts zu bewegen, aber der Kolben D18 wird schnell nach rechts gedruckt, wenn der Kraftkolben P62 den rechten Verdrängungskolben D18 berührt. Nun befindet sich das Gas am rechten Ende der Vorrichtung insgesamt am heissen Ende derselben .und wird komprimiert, während das Gas am linken Ende der Vorrichtung sich hauptsächlich im kalten Bereich befindet und sich ausdehnt und somit Energie aus dem kalten Bereich abzieht.

Bei.dieser Anwendung sind die Wärmeaustauscher 30 und heiss, während die Wärmeaustauscher 40 und 34 kalt sind, unter Erzeugung einer Gefrierwirkung bei 40und 34 und Abgabe von Wärme bei 36 und 30.

Der Hauptunterschieä in "der in den #ig. 2, 3 und 4 veranschaulichten abgeänderten Form der Erfindung und der in Fig. veranschaulichten Form besteht darin, dass in den Fig. 2, 3 und 4 Mittel zur Veränderung Hubes der Verdrängungskolben dargestellt sind, um dadurch die Leistung der Vorrichtung ohne Änderung des Volumens des gasförmigen Druckmittels in den Verdrängungszylindern zu verändern. In Fig. 2 ist primär zu beachten, dass das Gehäuse 14' unterbrochen ist, um einen Raum 100' zwischen den beiden Enden der Vorrichtung zu schaffen. Die Funktionen des Abstandselementes 78 und der Dichtung 80 in dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel werden bei dor Ausführungsform der Fig. 2 durch die Zylinderendblöcke

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102 imd 104' und durch, die entsprechenden Abdichtungen 106 und 108'. geschaffen. Die Kolbenstange P64' für die Kraftkolben P60¹ und P62¹ ist bei 108 zur Aufnahme eines Schaftes 110 durchbohrt. Das äussere Ende des Schaftes 110 ist, in der veranschaulichten Ausbildungsform der Erfindung, mit einem Arm 114 versehen, der eine Rolle 116 an seinem sich in das Innere erstreckenden Ende aufweist, wobei die Rolle 116 in. Berührung mit einer einstellbaren Platte oder Plattform 118 steht. Das innere Ende 120 des Schaftes 110 ist mit einem Querarm 122 versehen. Die vorstehenden Enden des Querarines sind gelenkig mit Gliedern 124 und 126 verbunden. Glied 124 ist seinerseits gelenkig mit einer Plungerstange 128 verbunden, der an seinem vorstehenden Ende ein Stoppelement 130 aufweist. Glied 126 ist gleichfalls mit einer Plungerstange 132 verbunden, die ein Stoppelement 134 an seinem vorstehenden Ende aufweist. Der vorangehend beschriebene Mechanismus ist innerhalb einer Ausnehmung 136 innerhalb der Verdrängungskolbenstange D20¹ montiert. Die Ausnehmung 136 ist mit sich axial erstreckenden Bohrungen 140 und 142 versehen, die die Plungerstangen und Stoppelemente aufnehmen. Durch Anheben oder Absenken des l'latten-• elementes 118, wie durch die Pfeile in Fig. 4 veranschaiilicht, dreht der Arm 114 den Schaft 110, welch letzterer seinerseits den Querarm 122 dreht, um die Stoppelemente 130 und 134 auf die Enden 152 und 150 der Bohrungen 140 und 142 in der Verdrängungekolbenstange D20¹ zu oder von diesen hinweg zu bewegen.

Die vorstehend angegebenen veränderlichen Stthppelemente funktionieren wie folgt: Angenommen, die Verdrängungskolbenstange D20' bewegt sich nach links, in der Richtung des Richtungspfeiles, und die Stoppelemente 130 und 134 sind wie dargestellt angeordnet, dann fahren die Verdrnngungskolben und ihre Kolbenstange D20' fort, sich nach links zu bewegen, bis ''■■-'■ Fläche 150 in der Bohrung 142 auf das hervorstehende Ende ..r Stopfplatte 134 auftrii °t. Daraufhin erzeugt, da der Schaft.

Ί10 durch eine Bohrung 108 in d« r Kraftkolbenatange P64' Mndurchtritt, weitere Bewegung der Verdrängunpskolbenstange D20'

.eine entsprechende--Bewegung in der Kraf tkolbenstanp;e Γ64 ' , und der VerdrängungskolbenzuBammenbmi .jvird den Krai'tkolbenzusHinmen-

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bau mit sich nach, links tragen, bis der Verdrängungskolbenzusammenbau das Ende seines Hubes erreicht. Somit wird sich das Volumen zwischen der linken Oberfläche des Verdrängungskolbens D18¹ und des Kopfes 70' des entsprechenden Kraftkolbens P62¹ nicht verringern, und entsprechend wird sich der Raum zwischen dem rechten Ende des Verdrängungskolbens D16¹ und Kopf 66' des Kraftkolbens P60¹ nicht vergrössern, sowie das Stoppelement 134 und die Fläche 150 in Berührung miteinander getreten sind. Somit ändert sich der Druck des gasförmigen Mediums nicht so sehr wie im Falle einer uneingeschränkten Verdrängter bewegung, und der Kraftausgang der Maschine wird begrenzt.

Es sollte gewürdigt werden, dass während der entgegengesetzten Bewegungsrichtung der Verdrängungskolbenstange D20· das entgegengesetzte Stoppelement 130 in Berührung mit der Endfläche 152 der Bohrung 140 treten wird unter Schaffung einer äquivalenten Kraftbegrenzungsvorrichtung für den entgegengesetzten Hub der Maschine. Es sollte auch gewürdigt werden, dass durch Bewegung der Platte 118 und des Steuerarms 114 das Ende der Stoppelemente 130 und 134 voreingestellt werden können in Bezug auf ihre betreffenden Endwandungen 152 und 150 in den Bohrungen 140 und 142 in der Verdrängungskolbenstange D20¹.

Mittels der vorbeschriebenen Anordnung kann der Druck der Verdrängungskoiben eingestellt werden, während die Maschine läuft.

In Fig. 5, die eine der Fig. 4 entsprechende Ansicht zeigt, ist eine weitere Vorrichtung zur Veränderung des Hubes des Verdrängungskolbens veranschaulicht. In dieser Figur sind die Verdrängungskolbenstange mit D20" und die Kraftkolbenstange mit P64" bezeichnet. Die Elemente 102" und 104" um- . fassen Zylinderendabschnitte für die Kraftzylinder. Die VerdrMngungskolbenstange D20" ist in der gleichen Weise wlejnin Fig. 3 und 4 veranschaulicht, für Kolbenstange D20" ausgenommen. Ln der öffnung innerhalb der Kolbenstange D20" be-

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findet sich ein einstellbarer Stoppmechanismus, der in seiner Gestalt identisch ist mit dem in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten, wobei der Steuermechanismus an einer Steuerstange 110" befestigt ist, die ihrerseits mit einer Betätigungsstange , 114" verbunden ist.

Es sei besonders beachtet, dass die Steuerstange 110" nicht durch eine kleine Bohrung, wie in Fig. 3 in der Kraftkolbenstange P64" veranschaulicht, hindurchtritt. Anstatt dessen ist die Kraftkolbenstange P64" geschlitzt, so dass, wenn eines der W Stoppelemente 130" oder 134" in Eingriff mit dem Ende .seiner entsprechenden Bohrung tritt, die Bewegung der Verdrängungskolbenstange D20" gestoppt wird. Die Stoppwirkung erfolgt durch das äussere Gehäuse 14", das, wie bei 180, durchbohrt ist, um drehbar die Steuerstange 110" aufzunehmen» Diese Ausbildung der Erfindung.braucht kein Plattenelement 118 zu umfassen, das gleitende Bewegung zwischen dem Ende der Betätigungsstange 114" zulässt, da keine gleitende Bewegung in dieser Ausbildung der Erfindung infolge der feststehenden Anordnung der Steuerstange 110" in Bezug auf das Hauptgehäuse der Maschine auftritt.

Aus der vorangehenden Beschreibung von speziellen Ausbildungsformen der Erfindung ist ersichtlich, dass die aufgeführten und weiteren Vorteile in vollem Ausmasse erreicht werden. Fachleute auf diesem Gebiet werden auch erkennen,,dass die mechanischen, in Fig. 2, 3, 4 und 5 veranschaulichten Stoppeinrichtungen ersetzt werden können durch hydraulische Begrenzer, die durch das Arbeitsfluidum oder unabhängig davon funktionieren können. Die Verwendung eines hydraulischen Begrenzers hat den Vorteil, dass die auf die hydraulische Arbeitsflüssigkeit ausgeübte Kraft beim Anhalten der Bewegung ler Verdrängerkolben nicht, wie im Fall der in Fig. 5 veranschaulichten Form der Erfindung verloren geht, da die Anhaltekraft auf das Arbeitsfluidum übertragen wird und dadurch die Arbeitslieferung der Vorrichtung erhöht. Die hydraulischen Steuerungsmittel für hydraulische Begrenzer dieser Art sind

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im allgemeinen teuerer als die veranschaulichten mechanischen Mittel in Anbetracht der Notwendigkeit eine Anzahl von Steuerventilen und dergleichen in dem hydraulischen System vorzusehen.

Eine Form von kraftbegrenzenden Mitteln unter Verwendung des Arbeitsfluidums ist in Fig. 7 veranschaulicht. Hier umfasst die Maschine 200 im allgemeinen ein Gehäuse 210, Verdrängungskolben 212 und 214, die gleitend innerhalb von Zylindern angebracht sind, wobei die Zylinder in dem Gehäuse 210.ausgebildet sind und wobei die Zylinderräume mit Regeneratoren, wie in Pig. 6 veranschaulicht, versiahen sein können. Die Apparatur umfasst auch ein Paar Kraftkolben 216 und 218, die durch eine starre Kraftkolbenstange 220 verbunden sind. Die inneren Flächen 222 und 224 der Kraftkolben 216 bzw. 218 begrenzen zusammen mit einer starren Wand 226 und dem Gehäuse 210 ein Paar Arbeitsfluidumräume 228 bzw. 230.

Jeder der Verdrängungskolben 212 und 214 ist mit einer kurzen, stummelartigen Kolbenstange 232 bzw. 234 versehen, und jede der Verdrängungskolbenstangen 232 und 234 bewegt sich in einer Bohrung 236 und 238 in den Kolben 216 bzw. hin und her. Bohrungen 236 und 238 sind miteinander verbunden durch eine weitere Bohrung 240, die durch einen Teil jedes der iu'üfIuLuibOi^ kit uUiü 21o unä zentral durch die ICraftkulbenijLoUi^e 22w hiim^rchtritt. Geeignete Dichtungsmittel isolieren die ituuuuc 2JL uj.d 2jo von den Verärän^uii^skulb-enräuiaen 242 unä 244.

Dar Zu^Lu^ae^bau umlädst auoii eine otujj- oder Bej^ ütan/je 24t-, die; frei innerhalb der Lunruii.-j '24u gleitbar i-st, und jedes liiue der üegrenzungsütaii^e 24o ist aiiit einem vcrijrösserteii laititeil versehen, der allgemein mit 24<J an einem üade und 2¹jo am anderen Ende beaeiülmet ist. Die vergibsserten Eudteile Ifciten in Lulirungeii 2^2 Uxici 254, die in iüreii betreffende ütumjaelkulbeiiBtanyen 2j2 bzw. 2j4 ausgebildet uind.

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Die KraftkolbenarbeitBräume 228 mid 230 Bind in geeigneter Weise mit LeitungBiiiittelii und Sperrventilen 260 mid 262 bEw. 26^ und 266 verbunden, wobei diese Leitungen und Ventile den Fluss des Druckfluidums in die besagten Räume und aus diesen heraus kontrollieren und daß über die Leitungen und Steuerventile 260 .und 264 austretende Arbeitsfluidum mit irgend einer geeigneten Vorrichtung, die durch das System betrieben werden soll, verbunden sein kann.

Um die Leistung des Systems zu verändern, ist in der vor- | liegenden Form der Erfindung das Arbeitsfluidum innerhalb der

Verdrängungszylinder mit den kleinen Bohrungen 236 und 238 über Leitungen 268 und 268', Hochdruck- und ITiederdruckfluidum-Speicher 270 und 272, Leitung 274 und Sperrventile 276, 278, 280 und 282 verbunden. Leitung 274 ist mit einem Ende einer hohlen Spiralfeder 284 und das ander-e Ende 286 der hohlen Feder ist mit einer inneren Bohrung 288 im Kraftkolben 216 verbunden, wobei die innere Bohrung 288 des Kraftkolbens 216 dem Arbeitsfluidum gestattet, zu beiden Bohrungen 236 und 238 zu fliessen. Das Steuersystem umfasst auch Ventile 290 und 292 in denen Hochdruck- und Niederdruckleitungen von den Hochdruck- und Niederdruck-Speichern 270 und 272.

) Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die VerdrängungBkolben 212 und 214 nicht verbunden sind, mit. Ausnahme durch eine frei schwebende Begrenzungsstange 246, die die inneren und äusseren Grenzen an der Verdrängungskolbentrennung aufrecht erhält, und durch das gasförmige Arbeitsfluidum an den inneren Enden der Verdrängungskolbenstummelschäfte oder -stangen 232 und 234. Das am Innenende jeder der Stummelεchäfte 232 und 234 aufrechterhaltende Gas kann in. seiner Menge oder seinem Volumen verändert werden durch dessen Ablassen in das Niederdruckreservoir 272 über das Ventil 290 oder durch Hinzufügung einer grösseren "Menge von dem Hochdruckreservoir 270 über Ventil 292.

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■ QOn:· r»il . 1v 9G - 1? -

Während der Kreislaufbewegung der Kraft- und Verdr^ngungskolben halten die Sperrventile 276, 278, 280 und 282 maximalen Kreislaufdruck Ln dem Speicher 270 auf und minimalen Kreislaufdruck in dem Speicher 272 aufrecht.

Der Verdrängerhub kann auf ein durch die Begrenzungsstange 21-6 zugelassenes Miniraum dadurch verringert werden, dass Gas gestattet wird, aus den Räumen 236 und 238 durch das Kontrollventil 2>)0 Ln den Niederdruckspeicher 272 auszufl Lessen, und lurch die dadurch erfolgende Begrenzung der Kraftleistung der . Maschine. Wenn grössere Leistung gewünscht wird, kann Gas in die Räume 236 und 238 durch das Ventil 292 vom Speicher 270 eingelassen v/erden. Der Verdrängerhub kann somit um irgend einen gewünschten Teilbetrag erhöht werden, bis der durch die Begrenzungsstange 246 zugelassene Maximalhub erreicht ist.

Man wird beachten, dass, wenn die Verdrä^gungskolben sich weder in der maximalen noch in der minimalen Stellung, wie sie durch die Begrenzungsstange bestimmt ist, befinden, so können sie steh etwas unabhängig bewegen, da das Arbeitsfluidum in den Räumen 236 und 238 elastisch 1st, da aber ihre Gesamtbewegung durch das Volumen des Gases in diesen Räumen kontrolliert wird.

Eine wettere Form der Erfindung ist in den Figuren 8, 9, 10 und 11 veranschaulicht, in denen eine allgemein mit 300 bezeichnete verbesserte Stirling-Kreislauf Wärmevorrichtung ein Gehäuse 300 umfasst, in dem ein Paar Verdrängungskolben 312 und 312' hin und her beweglich montiert sind. Die Verdrängungskolben sind mit konventionalen, in diesen Figuren nicht veranschaulichten Regeneratormitteln versehen. Das System umfasst auch ein Paar zylindrische Kraftkolben 316 und 318. Jeder der Kraftkolben 316 und 318 ist zentral gebohrt, um Hin- und Herbewegung der Verdrängungskolbenstange 314 durch die Bohrung zu gestatten. Innerhalb des Gehäuses 310 befindet sich ein grosses Bloolcelansnt 320, das mit einer Mehrzahl von Bohrungen 322, 322a und 322b ver sehen ist. Die Bohrungen nehmen kleine, mit der inneren Fläche des Kraftkolbens 316 verbundene Kolben 324 _f 324a und 324b auf.

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Kraftkolben 318 ist auch mit drei Kolben oder Verlängerungen 326, 326a-und 326b versehen, die sich, mit ihrem Kolben 318 in im entgegengesetzten Ende des Blockes 320 ausgebildeten Bohrungen 328, 328a und 328b hin- und herbewegen. Der Block ist ferner mit einer Bohrung 330 für die Verdrängungskolbenstange und drei kleinen Bohrungen 332, 332a und 332b verbunden, die im allgemeinen tote Räume 334 und 336 zwischen den inneren Flächen der Kraftkolben 316 und 318 und den äusseren Flächen des Blockes 320 miteinander verbinden. Diese kleinen Bohrungen sind notwendig, sodass während der Hin- und Herbewegung der Krafbkolben und der mit ihnen verbundenen Stangen der Druck in diesen Räumen ausgeglichen wird. Die inneren Enden jeder der kleinen Kolben, die sich von den primären Kraftkolben 316 und erstrecken, sind untereinander für zusammenarbeitende Hin- und Herbewegung durch kleine Stangen 338, 338a und 338b verbunden.

' Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass sechs ArbeitBräume und ein Paar von Räumen 340 und 342 in dem Blockelement 320 vorhanden sind.

Jeder der sechs Räume 322, 322a und 322b sowie 328, 328a und 328b sind, beispielsweise, mit dem hydrauiischen Motor (Fig. 11) verbunden, und zwar über ein Druckfluidum-Steuersystem, das Begrenzung des Hubes der Kraftkolben 316 und 318 gestattet, die ihrerseits die Leistung der Vorrichtung ohne Ablassen von Arbeitsfluidum begrenzen. Für Einfachheit der Beschreibung der hydraulischen Steuerung, wird das in Fig. 11 gezeigte System beschrieben, als sei es nur mit den Räumen 322 und 328 verbunden. Indessen, wie im vorangehenden angedeutet, würden alle sechs Räume untereinander verbunden sein und im Gleichgang arbeiten. Raum 322 ist mit einem hydraulischen Hochdruokepeicher 346 über Leitung 348 und Hochdruckeperrventil 350 verbunden. Der Raum 322 let auch mit dem Zylinderraum 352 der Kontroll- oder Pendelventil vorrichtung 354 verbunden. Der Hooadrtickepeioktr 346 iet *it den hydraulischen Motor 344 verbunden.

Zylinderraum 32Θ iat auoh mit dem Hochdruokeptioher 346 über Leitung 356 und Hoehdruok*perrrentil 358 Tertou**en, j

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Der Zylinderraum 328 ist ferner mit dem unteren Raum 360 der Pendelventileinrichtung ("shuttle valve means") 362 verbunden. In den beiden Pendelventilen 354 und 362 befindet sich je ein frei schwebender Kolben, die allgemein mit 364 bzw. 366 bezeichnet sind. Über dem frei schwebenden Kolben 364 befindet sich ein Raum 368, der durch Leitung 370 mit dem Raum 342 im Block 320 verbunden ist. Eine weitere Leitung 372 und Sperrventile 369 und 371 verbinden Leitung 370 mit dem hydraulischen IJiederdruckspeicher 374 und mit dem Hochdruckspeicher 34^. Fernerhin verbindet eine Leitung 378 den Niederdruckspeicher über Sperrventil 380 mit Leitung 348. In gleicher Weise ist Raum 382 oberhalb des achwebenden Kolbens 366 über Leitung 384 mit Raum 340 im Block 320 verbunden. Eine weitere Leitung 386 ist mit den Hochdruck- und Niederdruckspeichern über Hoch- und Niederdrucksperrventile 38B und 390 verbunden, während. Leitung 356 auch mit den ITiederdruckspeicher 374 über Sperrventil 392 verbunden ist. Ein Teil der Wandungen jedes der Pendelventilvorrichtungen 354 und 362 umfasst balgenartige Elemente 396. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Hebelarm 400, der, wenn er nach oben bewegt wird, die wirksame Länge des Zylinders der Pendelventileinrichtungen 354 und 362 vergrö'ssert und der, wenn der Hebelarm wie durch den Pfeil χ angedeutet, naoh unten bewegt wird, die Zylinderräume verkleinert.

Ee sollte gewürdigt werden, dass die balgenartigen Elemente 396 der Pendeiventilvorrlchtungen 354 und 362 durch geeignete Teleskopzylinder bekannter Konstruktion ersetzt werden könnten.

Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die Kraftkolben direkt mit hydraulischen Kolben 324 und 326 usw. verbunden sind, die in normaler Weise in Verbindung mit Einlassund Auslassströmungs-Kontrollsperrventilen arbeiten und mit den Hochdruck- und Kiederdruckspeiehern oder -tanks 346 und verbunden sind. Die Pendelventilvorrichtungen 354 und 362 bewirken die hydraulische Verbindung der hydraulischen Pumpenkolben und der Verdrängungslrolbenstange 314. Somit müssen,

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■beispielsweise, für eine gegebene Bewegung nach rechts die hydraulischen Pumpenkolben 324 und 326 usw., die Verdrängungskolben sich einen entsprechenden Betrag in der gleichen Richtung bewegen. Diese Bewegung der Verdrängungskolben relativ zu den hydraulischen Pumpenkolben wird bestimmt durch das Verhältnis des Volumens der Räume 340 und 342 zur Summe der Verdrängung der hydraulischen Kolben 324 und 326 usw. Wenn die Verdrängungskolben 312 und 312' sich 7,62 cm (3 Zoll) für jede 2,54 cm (1ZoIl) der Bewegung der Kraftkolben bewegen sollen, dann würde der Durchmesser der Verdrängungskolbenstange 314· gleich dem Durchmesser einer der sechs hydraulischen Kolben 324, 324a, 324b, 326, 326a und 326b sein.

Es ist insbesondere bei einer Untersuchung, beispielsweise der figuren 8 und 11 zu vermerken, dass die Verdrängerbewegung nocht vollständig auf Bewegung genau in Phase mit den Kraftkolben beschränkt ist, da die Sperrventile der Trägheit der Verdrängungskolben gestatten, sie über die Stellung hinauszutragen, die normalerweise durch die Pendelventile zugelassen sein würde.

Es sei ferner gewürdigt, dass die Pendelventilvorrichtungen durch den Hebel 400 bewegt werden können, um die den Verdrängungskolben gestattete Bewegung zu verringern oder zu vergrössern. Wenn, ^beispielsweise, der Kraftkolben nach rechts bewegt wird, so wird hydraulisches fluidum in den Raum 342 hinein und aus dem Raum 340 befördert, bis der linke Pendelkolben 364 den Kopf seines ZyIInderräumes 368 und der rechte Pendelkolben 366 das untere Ende des Zylinderraumes 360 erreicht, in welchem Zeitpunkt der Fluss hydraulischen Fluidums durch das Pendelventil begrenzt wird und die Verdrängungskolben gegen das hydraulische Druckdifferential in den Speichern arbeiten massen, um weitere Bewegung fortzusetzen.

In Fig. 12 ist eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der die Maschine aus einem einzigen Verdrängungskolben

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und einem einzigen Kraftkolben in Kombination mit einem linearen elektrischen Generator besteht. Die kombinierte Vorrichtung ist allgemein mit 500 bezeichnet und besteht aus den Verdrängungskolben D518, an dem ein Ende einer Verdcängungskolbensbange D520 befestigt ist. Der Kolben D518 ist für Hin- und Herbewegung in einem Zylinder D524 montiert mit, .beispielsweise, konventionellem Spiel zwischen der Aussenfläohe de3 Verdrängungakolbens und der Bohrung des Zylinders.

Um einen Teil der Verdrängungskolbenstange D520 ist ein Kraftkolben P562 montiert. Der Kolben P562 besteht in der veranschaulichten Ausbildung der Erfindung aus einem Dauermagneten, der die veranschaulichten Pole aufweist. Der Kolben wird in eine obere Stellung durch eine Schraubenfeder 528 gedrückt, deren unteres Ende gegen das untere Ende 530 des Maschiuengehäuses 532 anliegt. Daa untere Ende 534 der Stange D520 wird auch durch eine Feder 536 ähnlich der vorbeschriebenen Feder 528 vorgeapannt. E3 ist auch zu vermerken, dass das untere Ende 534 der Stange D52O von einer Umfangsbuchse umgeben iat, die als Begrenzung auf die relative axiale Bewegung zwischen dem Kraftkolben und der Verdrängerstange wirkt.

Der Verdrängungskolben D518 bewegt sich in der Zylinderzone 538 hin und her,, die mit einer vorbeatimmten Menge eines Arbeitsfluidums, wie Wasserstoff, beschickt ist. Die oberen und unteren Enden der Zylinderzone 538 sind mit einem Gasströmungadurchlass verbunden, der einen ft& Erhitzer 542, einen Regenerator 544 und einen Ga3klihler 546 umfassen mag, wie dies für Stirling-Kreislauf Type Maschinen konventionell ist.

Um Kraft oder Arbeit von der Maschine abzuleiten, ist dec Teil des Maschinengehäuses, in dem der Kraftkolban 5.62 sloh normalerweise hin- und herbewegt, von einem Eisenkern 544 und Spulen 546' und 548 umgeben, wobei diese Spulen durch einen geeigneten elektrischen Leiter 550 und andere elektrische Leiber 552 und 554 mit einer Lastvorriohtung 556 verbunden sind, sodaea bei Hin- und Herbewegung des magnetischen Kraftkolbens eine

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eLekbrisohe Spannung in den Spulen 546· und 558 in bekannter Weise erzeugt wird.

Prinzip des Arbeitens

Beim Arbeiben dieser Form der Erfindung ist die Maschine mib einem Leichtgewichb-Verdrängungskolben und -stange und einem verhältnismässig schweren Kolben P562 versehen, und Wärme wird duroh den Erhitzer 542 zugeführt. Dar Erhibzer erhöht die Temperabur am oberen Ende des Verdrängungskolbens, Zone 538, und der sich erhöhende Grasdruck, der auf die Verdrähgungskolben-Sbangenflache wirkt, drückt den Verdränger nach unben. Der sich, abwärts bewegende Verdrängungskolben fördert das Arbeibsgas von dem kalten zum heissen Raum unter weiterer Erhöhung des Druckes reLabiv zu dem Druok oder der Kraft der Feder 536 und zu dem Gas unterhalb der 8bange D52O, unter Beschleunigung der Verdrängerbewegung nach unten. Wenn der Verdränger die obere Sbellung des Krafbkolbens P562 erreicht, bewegen sich der Kraftkolben und Verdränger zusammen dann abwärts, bis das Druck- . differential zwischen den Arbeibsräumen und der Kraft der Federn 528 und 536 sich umgekehrt hat ale Ergebnis der Ausdehnung des Arbeibsgases und der Zusammendrüokung der Federn und der Federung des Gases im Raum 560, als Folge wovon der Verdrängungskolbeη anfängt, sich nach oben zu bewegen. Diese Aufwärtsbewegung des Verdrängungskolben« fördert heisses Gas zum kalten Raum unter Verringerung des Druckes des Arbeibsgssäs , und Beschleunigung der Bewegung des Verdrängers nach oben. Der Kraftkolben und der Verdrängerkolben bewegen sich dann zusammen naoh oben, bis der sloh erhöhende Arbeitsgasdruok den Verdränger naoh unten ir tick b. Dann wiederholt sich der Kreislauf.

Das VerhälbnLs der Kraft des Arbeitefluldums zur Masse des Vardcängungskolbens muss grosser sain als solch Verhältnis Kraft zur Masse des Kraftkolbens, da sonst der Krafbkolben sich

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mit oder vor dem Verdränger bewegt und kein Druckdifferential entwickelt wird.

Die in Pig. 12 veranschaulichte Maschine erwies sich als selbstanlassend bei Anwendung von Hitze und auch als zuverlässig in der Betätigung. Es hatte keine innere Schmierung ausser gasgefüllten Tetrafluoräthylen-Band ("Teflon tape") am Kraftkolben zur Vorsehung eines leicht tinstellbaren Durchmessers für enge Passung im Zylinder. Es waren keine Kolbenringe oder andere Abdichtungen in den ringförmigen Spalten von ungefähr 0,0254 cm (0,001 Zoll) um den Kraftkolben und die Verdrängerstange vorhanden. Da die Maschine ausgelegt war, in senkrechter Richtung zulaufen, so sind keine seitlichen Belastungen vorhanden ausser kleinen, die durch ungenaue Federausrichtungen und unsymmetrische Gasströmungen hervorgerufen werden.

Eine weitere |Orm einer gemäss den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruierten Maschine ist in Fig. 13 veranschaulicht ^ in der eine Kombination einer Pumpe und einer Freikolben-Stirling-Maschine bei 600 gezeigt ist.

In Fig. 13 besteht die Maschine aus einem einzelnen Verdrängungskolben D618 und einem einzelnen Kraftkolben P662 in Kombination mit einer allgemein mit 602 bezeichneten Pumpe. Die kombinierte Vorrichtung besteht aus einem Verdrängungskolben D618, an dem ein Ende einer Verdrängungskolbenstange D620 befestigt ist. · Der Kolben D618 ist für Hin- und Herbewegung in einem Zylinder D624 montiert, der, beispielsweise, konventionelles Spiel zwischen der äusseren Oberfläche des Verdrängungskolbens und der Bohrung des Zylinders aufweist.

Um einen Teil der Verdrängungskolbenstange D620 herum ist der Kraftkolben P662 montiert. Der Kolben P662 besteht in der veranschaulichten Form der Erfindung aus einem hohlen zylindrischen Element. Der Kraftkolben ist in eine obere Stellung vorgespannt durch eine Schraubfeder 628, deren unteres Ende sich

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gegen das untere Ende 633 des geschlossenen Maschinengehäuses 632 abstützt. Das untere Ende 634 der Stange D62O ist auch vorgespannt durch eine der soeben beschriebenen Feder 628 ähnliche Feder 636. Es sei auch vermerkt, dass das untere Ende 634 der Stange D620 eine Umfangsbuchse um dieselbe aufweist, die als Begrenzung der relativen axialen Bewegung zwischen" dem Kraftkolben und der Verdrängungsstange wirkt.

Der Verdrängungskolben D618 bewegt sich in der Zylinderzone 638 hin und her, wobei diese Zone mit einer vorherbestimmten Menge eines Arbeitsfluidums, wie Wasserstoff, beschickt ist. Die oberen und unteren Enden der Zylinderzone 638 sind durch einen Gäsströmungsdurchlass verbunden, der einen Erhitzer 642, einen Regenerator 644 und einen G-askühler 646 aufweisen können, wie sie für Stirling-Kreislauf Type Maschinen konventionell sind.

TJm Arbeit aus der Maschine abzuleiten, ist der untere Teil des Maschinengehäuses, in dem der Kraftkolben P662 sich normalerweise hin- und herbewegt, mit Gleitpassung in einen Pumpenzylinder 650 eingepasst. Eine weitere Schraubenfeder 631 in der Pumpenkammer 666 drückt das untere Ende 633 des Maschinengehäuses 632 von der Basis 652 der Pumpeneinheit 602 weg.

Am unteren Ende des Pumpenzylinders 610 befinden sich ein Paar von Leitungen 654 und 656, die mit Einweg-Einlass- und Äuslassperrventilen 658 und 660 versehen^ind. Weiterhin ist Einlassleitung 656 mit einer Quelle von zu pumpender Flüssigkeit verbunden, und Auslassleitung 654 ist in gewünschter Weise an ein Röhrensystem angeschlossen.

Arbeitsprinzip

Das Arbeiten der unter Bezugnahme auf Fig. 13 beschriebenen Freikolbenmaschine ist so, dass, wenn der Erhitzer die Temperatur des Arbeitsfluidums im oberen Teil 638 des Zylinders D624 erhöht,

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der auf die Verdrängungsstangenfläohe wirkende sich, erhöhende Gasdruck den Verdrängungskolben abwärts drückt. Die Abwärtsbewegung des Verdrängungskolbens bewegt das Arbeitsgas vom kalten zum heissen Raum unter dadurch hervorgerufener weiterer Erhöhung seines Druckes relativ zur Kraft der Feder 636 und der Kompression des Gases unterhalb der Verdrängungsstange unter Beschleunigung der Verdrängerbewegung nach unten. Wenn der Verdrängungskolben die Oberseite des Kraftkolbens erreicht, bewegen er und der Verdrängungskolben sich, dann zusammen nach unten, bis das Druckdifferential zwischen den Arbeitsräumen und der Kraft der Federn 628 und 636 sich umgekehrt hat als Ergebnis der Ausdehnung des Arbeitsgases, worauf dann der Verdränger anfängt, sich aufwärts zu bewegen. Diese Aufwärtsbewegung des Verdrängers bewegt heisses Gas in den kalten Raum unter Verringerung desAr beitsgasdruckes und Beschleunigung der Bewegung des Verdrängers aufwärts, bis er eine obere Grenze erreicht, die durch den Begrenzungsansohalg 634 am unteren Ende der Verdrängungsstange gesetzt ist. Deic Kraftkolben und der Verdrängungskolben bewegen sich dann zusammtn nach oben, bis der sich erhöhende Arbeitsgasdruok den Verdränger nach abwärts drückt. Der Kreislauf wiederholt sich dann.

Die Abwärtsbewegung des Verdrängungskolbens und des Kraftkolbens veranlassen, das Maschinengehäuse 632 sich aufwärts zu bewegen unter Einziehen von Flüssigkeit in die Pumpenkammer 666 über Einlass 656, während Abwärtsbewegung des Masohinengehäuses in die Pumpenkammer 666 die zu pumpende Flüssigkeit zwingt, duroh. die Leitung 654 nach ausaen zu fliessen.

Von der vorangehenden Besohreibung der Arbeitsweise der in Fig. 13 gezeigten Pumpe ist ersichtlich, dass der schwere Kolben P662 als eine seismisohe Masse verwendet wird, gegen die das Maschinengehäuse 632 die Freiheit hat, sich zu bewegen, wenn die inneren Druoke im heissen Raum und der unteren Federn verschieden sind· Dieses Konzept wurde an einem kleinen Modell ausprobiert, und es erwies aloh als zuverlässig und ruhig in seiner Arbeits weise, wobei es zusätzlich das nützliche Merkmal hat, dass es nicht duroh überbelastung stillgesetzt werden könnte, da irgend

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eine übermässige Begrenzung auf den Zylinder 632 die Übertragung eines grösseren Bruchteils der Kreislaufarbeit auf den Zylinder verursachen würde mit sich daraus ergebenden grösseren Kreislaufdruckänderungen und grösseren Kräften auf den Zylinder.

Eine andere nützliche Eigenschaft der Freizylinder-Maschine der Pig. 13 ist, dass sie Nutzarbeit erzeugen kann, während sie zur gleichen Zeit vollkommen abgesiegelt ist und während erwartet werden kann, dass sie ihre G-asbeschickung für eine vernünftige Zeit ohne nennenswerte Verringerung der Wirkungsweise beibehält. Da die Maschinenpumpe besonders einfach und widerstandsfähig und da die Wärmemaschine in der Lage ist, selbst zu starten und nur elementare Bedienung der Wasserpumpe erfordert, sollte als eine von Sonne angetriebene Pumpe für entfernte oder unterentwickelte Bereiche vielversprechend sein.

'. Es ist zu würdigen, dass verschiedene Abändemngen in der spezifischen Form der offenbarten Strukturen gemacht werden können. Beispielsweise können,während jedes der spezifischen veranschaulichten Ausführungsformen ko-axiale Ausrichtung der Kraftkolben und der Verdrängerkolben mit konzentrischen Kolbenstangenmitteln zeigt, die Kraftkolben in konventioneller Weise ausserhalb ko-axialer Ausrichtung mit ihren zusammenarbeitenden Verdrängerkolben sein, solange als Fluidumströmung zwischen einem Ende jedes der Verdrängerkolben und ihrer zusammenwirkenden Kraftkolben aufrechterhalten wird.

Patentansprüche

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Claims

Pate ntanspr liehe

Stirling-Kreislauf Type Vorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: ein Verdrängungskolben; eine Verdrängungszylinderzone; die Anbringung des Verdrängungskolbens für Hin- und Herbewegung in der Verdrängungszylinderzone; eine Verdrängungskolbenstange, deren eines Ende mit dem Verdrängungskolben verbunden ist und in !"luidumverbindung am anderen Ende mit einer zweiten Zone steht; ein Kraftkolben; ein Kraftzylinder; die Montage des Kraftkolbens für Hin- und Herbewegung in dem Kraftzylinder, normalerweise unabhängig von der Hin- und Herbewegung des Verdrängungskolbens; ein Arbeitsfluidum in der Verdrängungszylinderzone; ein Druckdifferential zwisohen der Verdrängungszylinderzone und der zweiten Zone erzeugende Vorrichtung, die auf den Bereich der Kolbenstange in der zweiten Zone wirken, und eine Vorrichtung umfassen zur Aufbringung von Wärme zu bzw. Entfernung von Wärme von jedem Ende der Verdrängungszylinderzone; und Kraftkupplungsvorrichtungen, zwischen dem Verdrängungskolben und dem Kraftkolben, die aus einer Fiüssigkeitsverbindungsleitung zwischen einem Ende des KraftZylinders und der Verdrängungszylinderzone bestehen.

2. Maschine nach Anspruch !,gekennzeichnet durch ein Fluidum in der zweiten Zone.

3. Stirling-Kreislauf Type Vorrichtung, gekennzeichnet duroh folgende Merkmale: ein Verdrängungskolben, eine eich mit dem Verdrängungskolben hin- und herbewegende Kolbenstange; ein Zylinder für den Verdrängungskolben; eine unabhängige Zylinderzone für die Verdrängungskolbenstange; ein Regenerator fllr den Verdrängungskolben, duroh den ein gasförmiges Betätigungsfluidum während Hin- und Herbewegung des Verdrängungskolb0ns in dem Verdrängungszylinder etrömt; ein Kraltkolben, der axbeitemässig mit dem Verdrängungskolben verbunden und meohmnieoh frei unabhängig in Bezug auf den

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Verdrängungskolben beweglich ist; ein Zylinder für den Kraftkorben; Vorrichtungen zur Hinzufügung von Wärme zu oder zur Entfernung von Wärme von jedem Ende des Verdrängungszylinders; eine Kraftkupplung und Mittel zur zusammenarbeitenden verbindenden Bewegung zwischen dem Verdrängungskolben und dem ihm zugeordneten Kraftkolben, die aus Fluidumverbindungsleitern bestehen zwischen einem Ende des Kraftzylinders und einem Ende des demselben zugeordneten Verdrängungszylinders; und Mittel zur Entfernung von Leistung von oder der Zuführung von Leistung zu dem Kraftkolben·

Stirling-Kreislauf Type Vorrichtung, gekennzeichnet durch: ein Paar entgegengesetzte Verdrängungskolben; eine die Verdrängungskolben verbindende Stange für Synohron-Bewegung der Verdrängungskolben; einen Zylinder für jeden der Verdrängungskolben; einen Regenerator für jeden Verdrängungszylinder, durch den ein gasförmiges Arbeitsmedium während der Hin- und Herbewegung jedes Verdrängungskolbens in seinem Verdrängungszylinder flieset; einen arbeitsmässig mit jedem der Verdrängungskolben verbundenen Kraftkolben, der mechanisch frei ist sich unabhängig zu bewegen in Bezug auf seinen ihm zugeordneten Verdrängungskolben; ein Zylinder für jeden der Kraftkolben; eine ein Paar von Kraftkolben für deren mindestens teilweise synchrone Bewegung verbindende Vorrichtung; Vorrichtungen zum Hinzufügen von Wärme zu oder Entfernung von Wärme von jedem Ende der Verdrängerzylinder; Mittel zur Kraftkupplung und zu zusammenarbeitender Verbindungsbewegung zwischen den Verdrängungskolben und den ihnen zugeordneten Kraftkolben, die ausschliesslioh aus flüssigkeitskommunizierenden Leitern zwischen einem Ende eines Kraftzylinders und einem

zw "L θ ο Vi ft T\ / Ende des ihm zugeordneten Verdrängerzylinders und/einem Enae des andern Kraftzylinders und einem Ende des anderem ihm zugeordnettn Verdrängungazylinders bestehen; und Vorrichtungen zur Abnahme von Kraft von oder der Zuführung von Kraft zu den Kraftkolben.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η z e ichne t, dass die Vorrichtungen zur Abnahme bzw. Zuführung von Kraft einen Flüssigkeitsleiteranordnung aufweisen zur Richtung eines hydraulischen Fluidums zu und von jedem Kraftzylinder jedes der Kraftkolben in einer Zone gegenüber dem Teil des Kraftzylinders in Flüssigkeitskommunikation mit den betreffenden Enden ihrer zugeordneten Verdrängungszylinder.

6. Vorrichtungen nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichne t durch S.topvorrichtungen zur Veränderung der Bewegungslänge der Verdrängerkolben in ihren Zylindern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4,gekennzeiohnet durch Druckfluidumvorrichtungen zum Verändern des Weges der Verdrängungskolben in ihren Zylindern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch· gekennzeichnet, dass die Druckfluidum-Vorrichtung zur Veränderung des Weges der Verdrängungskolben ein gasförmiges Arbeitsfluidum umfasst.

9. Vorrichtung naöh Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidum-Vorrichtüng zur Veränderung des Weges der Verdrängerkolben ein den Kraftkolben der thermischen Vorrichtung zugeordnetes hydraulisches Pluidum umfasst.

10. Vorrichtung nach Anspruoh 4, gekennzeichnet durch einstellbare mechanische Stoppvorrichtung zur Begrenzung der Eewegung der die Verdrängungekolben verbindenden Kolbenstange ·

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