DE1933159B2

DE1933159B2 - Nach dem Stfrling-ProzeB arbeitende Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE1933159B2
Application number: DE1933159A
Authority: DE
Inventors: William T. Athens Ohio Beale (V.St.A.)
Original assignee: Research Corp
Current assignee: Research Corp
Priority date: 1969-03-05
Filing date: 1969-06-30
Publication date: 1975-05-15
Also published as: US3552120A; DE1933159A1

Description

Die Erfindung betrifft eine nach dem Stirling-Prozeß arbeitende Kolbenmaschine mit mindestens einem in einer Verdränger-Zylinderzone, die ein Arbeitsflud unter Druck enthält und mit Einrichtungen zur Wärmezu- und -abfuhr zu bzw. aus diesem Arbeitbfiud versehen ist, hin und her bewegbaren Verdrängerkolben, mindestens einem in einer Krafl-Zylinderzone hin und her bewegbaren Kraftkolben, einer Verbindung zwischen den beiden Zylinderzonen und mindestens einer Verdränger-Kolbenstange, deren eines Ende mit einem Verdrängerkoiben verbunden ist und deren anderes Ende sich stets in einem gesonderten, gegenüber dem in der Verdränger-Zylinderzone am einen Ende der Verdränger-Kolbenstange vorhandenen Druck abgedichteten Raum befindet.

Bei derartigen Maschinen ist es erforderlich, Mittel zur zusammenarbeitenden verbindenden Bewegung zwischen dem Kraftkolben und dem Verdrängerkoiben sowie zur Ableitung und Zuleitung von Kräften vorzusehen.

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse mechanische Gestänge und Getriebe, gegebenenfalls in Verbindung mit Fludleitungen zwischen den verschiedenen Zylinderzonen, zu verwenden. Diese Einrichtungen sind verwickelt sowie kostspielig in Herstellung und Instandhaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der angegebenen Art zu schaffen, bei der alle mechanischen Verbindungsglieder zwischen den zusammenarbeitenden Kraft- und Verdrängerkoiben sowie die Notwendigkeit der Vorsehung von mechanischen Gliedern zum Ableiten von Energie von der Maschine bzw. zum Einleiten von Energie vermieden werden können und die wesentlich einfacher und billiger in Herstellung und Betrieb als die bekannten vergleichbaren Maschinen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querschnittsfläche der Verdränger-Kolbenstange so bemessen ist, daß die bei tier Kompression am Verdrängerkoiben auftretende, auf diese Qucrschniitsfläche einwirkende Druckkraft groß genug wird, um diesen im Sinne einer Verdrängung des Ar-

*5 beiisfludcs in den heißen Bereich der Vcrdrängcr-ZyliiKler/one /u verschieben, und daß mindestens ein vom jeweiligen Kraftkolben unabhängiges, auf das im gesonderKMi Raum befindliche andere Ende der Verdrän-

»er-Kolbenstange koaxial einwirkendes, eine Rückstellcraft erzeugendes Mittel vorgesehen ist, dessen Rückstellkraft am Ende der Expansion die Druckkraft überwiegt und den Verdrängerkolben in seine Ausgangslage zurückstellt.

Vorteilhafte weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den anliegenden Unteransprüchen gekennzeichnet und ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß infolge der ausschließlichen Verwendung von Flüssigkeitsverbindungen als Übertragungsglieder zwischen den Kraft und Verdrängerkolben es möglich ist, die Verdrängerkolben, die Kraftkolben und die Zylinder für solche Kolben in jeder gewünschten ode^r erforderlichen geometrischen Lage relativ zueinander anzuordnen und hierdurch unter anderem eine äußerst kompakte Bauart zu schaffen. Außerdem wird durch die Erfindung eine Freikolben-Stirling-Maschine mit allen Vorzügen einer solchen Freikolbenmaschine geschaffen; jedoch unter Vermeidung der Nachteile von komplizierten und verwickelten mechanischen Verbindungen zwischen den Kraft- und Verdrängerkolben.

Vergleicht man die erfindungsgemäße Ausbildung mit vorbekannten Ausbildungen, so ergibt sich folgendes:

Bei einer bekannten Ausbildung (US-PS 25 58 481) wird Energie über ein verwickeltes System von Elementen abgeleitet, die an die Kolbenstangen der Kraftkolben angeschlossen sind, und außerdem sind verwikkelte mechanische Glieder erforderlich zwischen den Kraft- und Verdrängerkolben und zum Abnehmen oder Einführen von Energie von der bzw. in die Maschine.

Bei einer anderen bekannten Ausbildung (DT-AS 12 72 318) sind die Räume des einen Zylinders durch zwei Leitungen mit den Räumen des anderen Zylinders verbunden, jedoch ergibt sich keine Freikolbenmaschine, da die Kraftzylinder durch Kolbenstangen und eine Kurbelwelle verbunden sind, so daß sie in einer vorherbestimmten Relation und mit einem vorbestimmten Hub sich bewegen müssen.

Auch andere Veröffentlichungen (z. B. US-PS 33 19 416) offenbaren komplizierte Anordnungen von zylindrischen und eliptischen Getrieben, Verbindungsgliedern und Hebelarmen für die Energieentnahme und zur Verbindung der Kraft- und Verdrängerzylinder.

Eine umfassende Übersicht von älteren und neueren Entwicklungen von Stirling-Maschinen sowie deren Vergleich mit den nach dem Otto-, Brayton-, Carnot- und Ericsson-Prozeß arbeitenden Maschinen findet sich in »SAE Transactions«. VoI 68,1960, S. 665 bis 684.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und nachfolgend beschrieben. In den Zeichnungen ist

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Doppclverdrängerkolbens, eines Doppel-Kraftkolbens und einer Wärmevorrichtung,

F i g. 2 eine der F i g. 1 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Form der Erfindung, die Mittel /ur Änderung des Leistungseingangs und -ausgangs veranschaulicht.

F i g. 3 eine vergrößerte, fragmentarische Schnittansicht der Mittel zur Veränderung des Leistungseingangs und -ausgangs.

F i g. 4 eine der F i g. 3 entsprechende Ansieht unter Verdrehung des Mechanismus um 9(V und unter Fortbrechen von Teilen, um den Betätigungsmechanismus deutliche! /u zeigen.

F i g. 5 eine der F i g. 3 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Form der Leistungsveränderungsmitiel,

F i g. 6 eine vergrößerte fragmentarische, detaillierte Ansicht eines mit der erfindungsgemäßen Maschine verwendbaren Regenerators und Wärmeaustauschers,

F i g. 7 eine Veranschaulichung einer abgeänderten Form der Kraftänderungsmiitel, bei der der Hub der Verdrängerkolben verändert wird,

F i g. 8 eine Schnittansicht und Diagramm einer abgeänderten Ausführungsform, bei der ein hydraulisches Flud im Arbeitskreislauf der Maschine als Kraftbegrenzungsmittel verwendet ist,

F i g. 9 ein Schnitt längs der Linie 9-9 der F i g. 8,

F i g. 10 ein Schnitt längs der Linie 10-10 der F i g. 8,

F i g. 11 ein Diagramm der mit der Ausbildung der F i g. 8 verbundenen hydraulischen Schaltung,

F i g. 12 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Form einer kombinierten Einzel-Verdrängerkolben-Maschine und eines linearen Alternators; und

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Motor- und Pumpen-Kombination.

Die in F i g. 1 allgemein mit 10 bezeichnete Stirling-Maschine umfaßt ein Gehäuse 14, ein Paar allgemein mit D16 und D18 bezeichnete, vom Gehäuse 14 umschlossene Verdrängerkolben, die für synchrone Bewegung durch eine starre Verdrängerkolbenstange D20 verbunden sind.

F i g. 1 zeigt die Verdrängerkoiben D16 und D18 in einer Mittelstellung zwischen ihren extremen linken und rechten Stellungen. Bei dieser Anordnung befindet sich beispielsweise dann, wenn der Verdrängerkolben D16 in der äußersten linken Stellung ist, auch der Verdrängerkolben D18 in der äußersten linken Stellung. Jedem der Verdrängerkolben D16 und DI8 ist ein Verdrängerkolbenzylinder D22 bzw. D24 zugeordnet. Die Kolben sind so bemessen, daß sie sich frei in ihren betreffenden Zylindern hin und her bewegen, und, da der Stirling-Kreislauf ein geschlossener Kreislauf ist, so besteht kein Bedarf für Kolbenringe und andere Abdichtungsmittel zwischen den zylindrischen Flächen der Verdrängerkolben D16 und D18 und den ihnen zugeordneten zylindrischen Wandungen der Verdrängerzylinder D22 und D24.

Wie aus F i g. 1 und 6 ersichtlich, ist eine konventionelle Kombination von Wärmeaustauscher und Regenerator 26 bzw. 28 mit jedem der Verdrängerzylinder D22 und /724 verbunden. Die Kombination von Wärmeaustausch-Vorrichtung und Regenerator 26 umfaßt einen Erhitzerteil 30, einen Regenerator 32 und einen Kühler 34 für Zylinder D22 und entsprechende Elemente 36, 38 und 40 für Verdrängerzylinder D24. Der Erhitzer 30 kommuniziert mit dem äußeren Ende des Zylinders 1722 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 Verdrängerzylinder O24 vorgesehen.

Wie in F i g. b gezeigt, umfaßt der Erhitzungsabschnitt 30 für den Regeneratoi einen Brenner 31, dei durch Leitung 33 mit dem aufgewickelten Wärmeaus tauschrohr 35 verbunden ist. Das Erhitzungsmittel voit Brenner 31 verlaßt den Erhitzungsabschnitt 30 über di« Leitung 37. Der Regeneratorabschnitt 32 besteht au: einer Mehrzahl von dünnen Kupferdrähten oder -na dein, die verhältnismäßig dicht /wischen den Erhitzer und den Kühlerabschnitten 30 und 34 zusammenge packt sind. Der Kühlerabschnitt besteht aus einer de Wärmcaustauschspirale 35 ahnlichen Spirale. Die Spi

rale 41 kann mit einem Kühlmittel, wie z. B. Wasser, beliefert werden über die Leitung 43, in der eine Wärmeaustauschschlange 45 außerhalb der Maschine versehen ist und mit der eine Gebläseeinrichtung 47 vereinigt ist. So kann das eine Ende jedes Regenerators 32 und 38 eine Temperatur von 38°C aufweisen, während das entgegengesetzte Ende jedes Regenerators eine Temperatur von 538°C haben kann.

In dem Gehäuse 14 sind auch ein Paar Kraftkolben P60 und P82 montiert. Die Kraftkolben KQ und f62 sind miteinander durch eine Kraftkolbenstange PM verbunden, die die entsprechende Verdrängerkolbenstange D20 umgibt. Die Kraftkolben flBO und P52 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 die Kraftkolben verbindende Stange ist nicht erforderlich und könnte durch eine Flud-Kupplung ersetzt werden.

Jeder der Kraftkolben fl&O und P62 hat ein Paar Köpfe, nämlich die Köpfe 66 und 68 für Kolben PBO bzw. 70 und 72 für Kolben K2. Die Kolbenköpfe 66 und 70 kommunizieren mit dem kalten Teil der Zylinder D22 bzw. D24. Die Köpfe 66 und 70 sind von ihren entgegengesetzten Köpfen 68 und 72 durch Abdichtungsmittel 74 für Kolben fBO bzw. 76 für Kolben P62 isoliert. Die Köpfe 68 und 72 der Kolben P60 und P82 sind durch Trenneinrichtung 78 und O-Ringdichtung 80 isoliert, wodurch ein Paar von Kraftzylinderräumen 82 und 84 in der Vorrichtung geschaffen werden. Kraftzylinderraum 82 ist mit einer Druckflud-Einlaßöffnung 86. Auslaßöffnung 88 und zusammenwirkenden Sperrventilen 90 und 92 versehen. In gleicher Weise ist der Kraftzylinderraum 84 mit Einlaßöffnung 94, Auslaßöffnung 96 und zusammenarbeitenden Sperrventilen 98 und 100 versehen.

Der Zusammenbau umfaßt auch Abdichtungsmittel 104 zwischen der Außenfläche der Verdrängerkolbenstange D20 und der zylindrischen Innenfläche der Kraftkolbenstange fl64.

Die in F i g. 1 veranschaulichte Maschine, wenn sie als Kraftmaschine unter Zulieferung von Hitze zu den äußeren Enden der Verdrängerzylinder D22 und D24 durch geeignete Erhitzungsmittel verwendet wird, arbeitet in folgender Weise.

Angenommen, der Verdrängerkolben D16 und D18 befinden sich in den äußersten linken Stellungen, und die Verdrängerzylinder D22 und D24 sind, beispielsweise mit Wasserstoffgas, unter einem beispielsweisen Druck von 140,6 kp/cm² beschickt, dann befinden sich der Wasserstoff in dem Verdrängerzylinder D22 in einem kalten Bereich und der Wasserstoff im Zylinder D24 in einem heißen Bereich, und letzterer empfängt Wärme von der äußeren Wärmequelle. Unter diesen Umständen wird in F i g. 1 der Druck auf der rechten Seite höher sein als auf der linken Seite. Die Kraftkolben FBO und P62 werden nach links durch das Druck flud getrieben, das gegen den Kopf 70 des Kraftkolbens P62 wirkt

Angenommen, die Zylinderräume 82 und 84 sind in Verbindung mit einer Fludquelle über die Sperrventile 90 und 98 und Einlaßleitungen 86 und 84 gebracht so wird Flud vom Raum 84 über Auslaßleitung 96 und Sperrventil 100 abgegeben, während Flud in den Raum 82 über Einlaßleitung 86 und Sperrventil 90 eingezogen wird.

Bei Bewegung der Kraftkolben nach links verringert die Volumenänderung des komprimierten Wasserstoffs den Druck des Wasserstoffs auf der rechten Seite und vergrößert den Druck isotherm auf die linke Seite der in F i g. 1 veranschaulichten Vorrichtung. Befinden sich der Verdrängerkolben D16 und der Kraftkolben FfyO beide auf der linken Seite, dann ist der Druck wesentlich größer auf der linken Seite, und die Verdrängerkolben werden nach rechts durch die Druckdifferenz, die auf die Fläche der Abdichtung 104 einwirkt, getrieben. Bei Bewegung der Verdrängerkolben D16 und DI8

ίο nach rechts wird das Wasserstoffgas von dem kalten Bereich i-uf der linken Seite zu dem heißen Bereich auf der linken Seite und vom heißen Bereich auf der rechten Seite zum kalten Bereich auf der rechten Seite bewegt. Unter diesen Umständen erhöht sich der Druck des Wasserstoffs auf der linken Seite der Vorrichtung, während der Druck des Wasserstoffs auf der rechten Seite der Vorrichtung absinkt und somit eine Bewegung des Verdrängerkolbens beschleunigt und die Kraftkolben F60 und fl52 nach rechts drückt, um den Kreislauf zu wiederholen. Bei Bewegung der Kraftkolben nach rechts wird das Flud in der Kraftzylinderkammer 82 aus der Auslaßleitung 88 über das Sperrventil 92 herausgedrückt, während hydraulisches Flud in den Zylinderraum 84 über Sperrventil 98 und Einlaßleitung 94 hereingezogen wird. Das durch den Kraftkolben gepumpte Flud kann mit irgendeinem geeigneten mit Druckflud arbeitenden hydraulischen Motor u. dgl. verbunden werden.

Bezüglich F i g. 1 ist besonders zu beachten, daß der komprimierte Wasserstoff beim Strömen von einem Ende jeder der Verdrängerzylinderräume zum entgegengesetzten Ende durch den Erhitzer, den Regenerator und den Kühler in einer Bewegungsrichtung hindurchtritt und sich in der entgegengesetzten Richtung durch den Erhitzer, den Regenerator und den Kühler in einer Bewegungsrichtung hindurchtritt und sich in der entgegengesetzten Richtung durch den Kühler den Regenerator und dann durch den Erhitzer bewegt. Erhitzer, Kühler und Regenerator sind bekanntlich wichtige Bestandteile von Stirling-Maschinen, ohne die der Wirkungsgrad solcher Vorrichtungen wesentlich verringert wird. Die Angabe der Verwendung von Wasserstoffgas ist nur beispielsweise und, wie dies der Fachwelt wohl bekannt, kann irgendein anderes gewünschtes Flud verwendet werden.

Die in F i g. 1 veranschaulichte doppeltendige Maschine hat einen Vorteil der leichten Anlaßbarkeit, und zwar durch irgendeine leichte Verlagerung entweder der Kraft- oder der Verdrängerkolben, wenn die Pumpenbelastung von dem Kraftkolben entfernt ist. Dies ist so, da bei s\_ \rh einer kleinen Verlagerung die sich ergebende geringe Druckdifferenz zu einer Bewegung des Verdrängers führt, was die Druckdifferenz in der vorgehend beschriebenen Weise erhöht Somit ist die Vorrichtung in weitem Ausmaße selbstanlassend, sofern nur die hohen und niedrigen Temperaturen in den geeigneten Räumen aufrechterhalten werden. Beachtlich ist, daß, da alles, was erforderlich ist um die Vervollständigung des Kreislaufs zustande zu bringen, in dei Umkehr der Druckkräfte auf die Verdränger- unc Kraftkolben besteht, ein einfacher eingeschlossene! Raum für die aktiven Räume an einem Ende der Maschine gesetzt werden kann. Beispielsweise könnte ii F i g. 1 der Verdrängerkolben D18 weggelassen werdei unter ausschließlicher Belassung der Verdrängerstange auf die das Gas in den Räumen 48 und 46 einwirket kann, wie dies im folgenden ausführlicher beschriebei wird.

Ä7Q

Zu beachten ist ferner, daß. wenn die in F i g. 1 verinschaulichte Maschine nur an einem Ende erhitzt und lurch Zuführung von mechanischer Energie angelassen würde, 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 Gas in dem Raum 48 komprimiert werden unter Beförderung von Wärmeenergie in den Wärmeaustauscher 40. wobei dann, wenn der Druck auf der rechten Seite erhöht würde auf einen Wert, der größer ist als der Druck auf der linken Seite, der Verdränger sich zuerst nach links bewegen würde unter Verlagerung des Gases vom Raum 48 nach 46 und von 42 nach 44. Somit würde bei Bewegung des Kraftkolbens nach links die Ausdehnung des Gases im Raum 46 dasselbe abkühlen unter Zulassung der Entfernung der Hitze von dem Wärmeaustauscher 36. Es ist somit erforderlieh, daß die Kreislaufbetätigung der Wärmekraftmaschine auf der linken Seite einen Kühleffekt auf den Wärmeaustauscher 36 und eine Erhitzungswirkung auf den Wärmeaustauscher 40 haben würde in einer Weise, die für Stirling-Gefricrmaschinen üblich ist. Bei einer solchen Anwendung könnten die zentralen in F i g. 2 gezeigten Pumpenräume beseitigt werden, da die Arbeit der linken Wärmekraftmaschine von der rechten Kühlmaschine absorbiert würde. Der Kraftkolben würde sich von 68 bis 72 ohne dazwischenliegende Pumpräume 82 bis 84 erstrecken.

Damit die iii F i g. 1 veranschaulichte Maschine wirksam als eine von außen angetriebene Kühlmaschine arbeitet, müssen die richtigen Phasenbeziehungen /wischen den Verdränger- und Kraftkolben hergestellt werden durch Verringerung der natürlichen Frequenz der Verdrängerkolben in bezug auf die für eine Wärmekraftmaschine erforderliche Frequenz. In der Wärmekraftmaschincnbetätigungsweise ist es wünschenswert, daß die Verdrängcrkolbcn sich schneller unter dem Einfluß von Druckkräften als die Kraftkolbcn bewegen, während im Kühlkreislauf das Entgegengesetzte zutrifft.

Angenommen, eine hydraulische Pumpe treibt den Kraftkolben IhQ nach links. Der Kraftkolben würde in Berührung mn dem Verdrängerkolben D16 treten, der nur langsam nach rechts durch die auf seine Stangenfläche einwirkende Druckdifferenz getrieben wird. (Cs sei beachtet, daß die Sperrventile 90, 92, 98 und 100 nicht notwendig sind, wenn die Kraftkolben durch eine doppeltwirkende Pumpe angetrieben werden, die an die Leitungen 86 und 94 oder 77 und 96 angeschlossen ist, wobei das nichtverwendete Paar von Leitungen blokkiert ist) Dann bewegen sich die Kraft- und Verdrängerkolben f60 und D16 zusammen nach links unter Zusammendrückung des Gases auf der linken Seite und Ausdehnung des Gases auf der rechten Seite der Maschine, wobei Energie zum linken Wärmeaustauscher 30 herausgedrückt und Energie vom rechten Wärmeauslauscher 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 PBO hält dann an seiner äußersten linken Bewegung an, und die Kolben fBO und P52 werden schnell nach rechts durch die entgegengesetzte Richtung der Bewegung der doppeltwirkenden Pumpe getrieben. Die Verdrängerkolben beginnen sich langsam nach rechts zu bewegen, aber der Kolben Ü18 wird schnell nach rechts gedrückt, wenn der Kraftkolben P62 den rechten Verdrängerkolben 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 36 heiß, während die Wärmeaustauscher 40 und 34 kalt sind, unter Erzeugung einer Gefrierwirkung bei 40 und 43 und Abgabe von Wärme bei 36 und 30.

Der Hauptunterschied in der in den F i g. 2. 3 und 4 veranschaulichten abgeänderten Form der Erfindung gegenüber der in F i g. 1 veranschaulichten Form besteht darin, daß in den F i g. 2. 3 und 4 Mittel zur Veränderung des Hubes der Verdrängerkolben dargestellt sind, um dadurch die Leistung der Vorrichtung ohne Änderung des Volumens des gasförmigen Druckmittels in den Verdrängerzylindern zu verändern. In F i g. 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 F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel werden bei der Ausführungsform der F i g. 2 durch die Zylinderendblöcke 102 und 104' und durch die entsprechenden Abdichtungen 106 und 108' geschaffen. Die Kolbenstange PB4' für die Kraftkolben P6U' und fc>2' ist bei 108 zur Aufnahme eines Schaftes 110 durchbohrt. Das äußere Ende des Schaftes 110 ist, wie F i g. 3 zeigt, in der veranschaulichten Ausbildungsform der Erfindung mit einem Arm 114 versehen, der eine Rolle 116 an seinem sich in das Innere erstreckende Ende aufweist, wobei die Rolle 116 in Berührung mit einer einstellbaren Platte oder Plattform 118 steht. Wie Fig.4 zeigt, ist das innere Ende 120 des Schaftes HO mit einem Querarm 122 versehen. Die vorstehenden Enden des Querarms sind gelenkig mit Gliedern 124 und 126 verbunden. Glied 124 ist seinerseits gelenkig mit einer Pleuelstange 128 verbunden, die an seinem vorstehenden Ende ein Stoppelement 130 aufweist.

Der vorangehend beschriebene Mechanismus ist innerhalb einer Ausnehmung 136 innerhalb der Verdrängerkolbenstange D20' montiert. Die Ausnehmung 136 ist mit sich axial erstreckenden Bohrungen 140 und 142 versehen, die die Pleuelstangen und Stoppelemente aufnehmen. Durch Anheben oder Absenken des Plattenelementes 118, wie durch die Pfeile in F i g. 4 veranschaulicht, 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 Verdrängerkolbenstange D20' zu diesen oder von diesen weg zu bewegen.

Die veränderlichen Stoppelemente funktionieren wie folgt: Angenommen, die Verdrängerkolbenstange D20 bewegt sich nach links, in der Richtung des Richtungs pfeiles. und die Stoppelemente 130 und 134 sind wis dargestellt angeordnet, dann fahren die Verdrängungs kolben und ihre Kolbenstange D20' fcrt, sich nach link: zu bewegen, bis die Fläche 150 in der Bohrung 142 au das hervorstehende Ende der Stoppplatte 134 auftriff Daraufhin erzeugt, da der Schaft 110 durch eine Boh rung 108 in der Kraftkolbenstange PM' hindurchtrit weitere Bewegung der Verdrängerkolbenstange DM eine entsprechende Bewegung in der Kraftkolbenstar

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ge Ρ64', und der Verdrängerkolbenzusammenbau wird den Kraftkolbenzusammenbau mit sich nach links tragen, bis der Verdrängerkolbenzusammenbau das Ende seines Hubes erreicht. Somit wird sich das Volumen zwischen der linken Oberfläche des Verdrängerkolbens D18' und des Kopfes 70' des entsprechenden Kraftkolbens P62' nicht verringern, und entsprechend wird sich der Raum zwischen dem rechten Ende des Verdrängerkolbens DW und Kopf 66' des Kraftkolbens fW nicht vergrößern sowie das Stoppelement 134 und die Fläche 150 in Berührung miteinander treten. Somit ändert sich der Druck des gasförmigen Mediums nicht so sehr wie im Falle einer uneingeschränkten Verdrängerbewegung, und der Kraftausgang der Maschine wird begrenzt

Zu beachten ist, daß während der entgegengesetzten Bewegungsrichtung der Verdrängerkolbenstange D20' das entgegengesetzte Sloppelement 130 in Berührung mit der Endfläche 152 der Bohrung 140 treten wird unter Schaffung einer äquivalenten Kraftbegrenzungsvorrichtung für den entgegengesetzten Hub der Maschine. Ferner ist zu beachten, daß durch Bewegung der Platte 118 und des Steuerarms 114 die Enden 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 Verdrängcrkolbenstange Q20'.

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

In Fig. 5, die eine der F i g. 4 entsprechende Ansicht zeigt, ist eine weitere Vorrichtung zur Veränderung des Hubes des Verdrängerkolbcns veranschaulicht. Hier sind die Verdrängerkolbenstange mit D20" und die Kraftkolbenstange mit P64" bezeichnet. Die Elemente 102" und 104" umfassen Zylinderendabschnitte für die Kraftzylinder. Die Verdrängerkolbenstange D20" ist mit einer Ausnehmung versehen in der gleichen Weise wie in F i g. 3 und 4 für Kolbenstange D20' veranschaulicht. In der Öffnung innerhalb der Kolbenstange D20" befindet sich ein einstellbarer Stoppmechanismus, der in seiner Gestal. identisch ist mit dem in F i g. 3 und 4 veranschaulichten, wobei der Steuermechanismus an einer Steuerstange 110" befestigt ist, die ihrerseits mit einer Betätigungsstange 114" verbunden ist.

Besonders beachtlich ist. daß die Steuerstange 110" nicht durch eine kleine Bohrung, wie in F i g. 3 in der Kraftkolbenstange fl54" veranschaulicht, hindurchtritt. Anstatt dessen ist die Kraftkolbenstange PM' geschlitzt, so daß. wenn eines der Stoppelemente 130" oder 134" in Eingriff mit dem Ende seiner entsprechenden Bohrung tritt, die Bewegung der Verdrängerkolbenstange D2ß" gestoppt wird Die Stoppwirkiing erfolgt durch das äußere Gehäuse 14", das bei 180 durchbohrt ist, um drehbar die Steuerstange 110" aufzunehmen. Diese Ausbildung der Erfindung braucht kein Plattenelement 118 zu umfassen, das gleitende Bewe gung zwischen dem Ende der Betätigungsstange 114" zuläßt, da keine gleitende Bewegung in dieser Ausbildung der Erfindung infolge der feststehenden ^Ordnung der Steuerstange 110" in bezug auf das Hauptgehäuse der Maschine auftritt.

Fachleuten ist ersichtlich, daß die mechanischen, in F i g. 2, 3. 4 und 5 veranschaulichten Stoppeinrichtungen ersetzt werden können durch hydraulische Begren zer, die durch das Arbeitsflud oder unabhängig von diesem funktionieren können. Die Verwendung eines hydraulischen Begrenzers hat den Vorteil, daß die auf die hydraulische Arbeilsflüssigkeit ausgeübte Kraft beim Anhalten der Bewegung der Verdrängerkolben nicht, wie im Fall der in F i g. 5 veranschaulichten Form der Erfindung, verlorengeht, da die Anhaltekraft auf das Arbeitsflud übertragen wird und dadurch die Arbeitsleistung der Vorrichtung erhöht. Die hydraulischen Steuerungsmittel für hydraulische Begrenzer dieser Art sind im allgemeinen teuerer als die veranschaulichten mechanischen Mittel infolge der Notwendigkeit für

ίο eine Anzahl von Steuerventilen u.dgl. in dem hydraulischen System.

F.ine Form von kraftbegrenzenden Mitteln unter Verwendung des Arbeitsfluds ist in F i g. 7 veranschaulicht. Hier umfaßt die Maschine 200 im allgemeinen ein Gehäuse 210, Verdrängerkolben 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 F i g. 6 veranschaulicht, versehen sein können. Die Maschine umfaßt auch ein Paar durch eine starre Kraftkolbenstange 220 verbundene Kraftkolben 216 und 218. Die inneren Flächen 222 und 224 der Kraftkolben 216 bzw. 218 begrenzen zusammen mit einer starren Wand 226 und dem Gehäuse 210 ein Paar Arbeitsfludräume 228 bzw. 230.

leder der Verdrängerkolben 212 und 214 ist mit einer kurzen, stummelarligen Kolbenstange 232 bzw. 234 versehen, von denen jede sich in einer Bohrung 236 und 238 in den Kolben 216 bzw. 218 hin und her bewegt.

Bohrungen 236 und 238 sind miteinander verbunden durch eine weitere Bohrung 240, die durch einen Teil jedes der Kraftkolben 216 und 218 zentral durch die Kraftkolbenstange 220 hindurchtritt. Dichtungsmittel isolieren die Räume 236 und 238 von den Verdrängerkolbenräumen 242 und 244.

Eine Stopp- oder Begrenzungsstange 246 ist frei innerhalb der Bohrung 240 gleitbar, und jedes ihrer Enden ist mit einem vergrößerten Endteil 248 bzw. 250 versehen. Die vergrößerten Endteile gleiten in Bohruiigen 252 und 254, die in ihren betreffenden Stummelkolbenstangen 232 bzw. 234 ausgebildet sind.

Die Kraftkolbenarbeitsräume 228 und 230 sind in geeigneter Weise mit Leitungsmittcln und Sperrventilen 260 und 262 bzw. 264 und 266 verbunden, wobei diese Leitungen und Ventile den Fluß des Druckfluds in diese Räume und aus derselben heraus kontrollieren und wobei das über die Leitungen und Steuerventile 260 und 264 austretende Arbeitsflud mit irgendeiner geeigneter durch das System betriebenen Vorrichtung verbunder sein kann.

Um die Leistung des Systems zu verändern, ist in dci vorliegenden Form der Erfindung das Arbeitsflud in nerhalb der Verdrängerzylinder mit den kleinen Boh rungen 236 und 238 über Leitungen 268 und 268', Hoch druck- und Niederdruckflud-Speicher 270 und 272, Lei tung 274 und Sperrventile 276,278,280 und 282 verbun den. Leitung 274 ist mit einem Ende einer hohle: Schraubenfeder 284 und das andere Ende 286 der höh len Feder ist mit einer inneren Bohrung 288 im Kraft kolben 216 verbunden, wobei die innere Bohrung 28 des Kraftkolbens 216 dem Arbeitsflud gestattet, zu bei den Bohrungen 236 und 238 zu fließen. Das Steuersy stern umfaßt auch Ventile 290 und 292 in denen Hoch druck- und Niederdruckleitungen von den Hochdruck und Niederdruck-Speichern 270 und 272.

Somit sind die Verdrängerkolben 212 und 214 nicr verbunden außer durch eine frei schwebende Begrer zungsstange 246, die die inneren und äußeren Grenze

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an der Verdrängerkolbenirennung aufrechterhält, und außer durch das gasförmige Arbeitsflud an den inneren Enden der Verdrängerkolbenstummelsc hafte oder -stangen 232 und 234. Das am Innenende jeder der Stummelschäfte 232 und 234 aufrechterhaltene 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.

Während der Kreislaufbewegung der Kraft- und Verdrängerkolben halten die Sperrventile 276, 278, 280 und 282 maximalen Kreislaufdruck in dem Speicher 270 und minimalen Kreislaufdruck in dem Speicher 272 aufrecht. Der Verdrängerhub kann auf ein durch die Begrenzungsstange 246 zugelassenes Minimum dadurch verringert werden, daß Gas gestattet wird, aus den Räumen 236 und 238 durch das Kontrollvenlil 290 in den Niederdruckspeicher 272 auszufließen, wodurch die Leistung der Maschine begrenzt wird. Wenn größere Leistung gewünscht wird, kann Gas in die Räume 236 und 238 durch das Ventil 292 vom Speicher 270 eingelassen werden. Der Verdrängerhub kann somit um irgendeinen gewünschten Teilbetrag erhöht werden, bis der durch die Begrenzungsstange 246 zugelassene Maximalhub erreicht ist.

Wenn die Verdrängerkolben sich weder in der maximalen noch in der minimalen Stellung, wie sie durch die Begrenzungsstange bestimmt ist, befinden, so können sie sich etwas unabhängig bewegen, da das Arbeitsflud in den Räumen 236 und 238 elastisch ist, ihre Gesamtbewegung wird aber durch das Volumen des Gases in diesen Räumen kontrolliert.

Eine weitere erfindungsgemäß in den F i g. 8, 9, 10 und 11 veranschaulichte Ausbildung 300 umfaßt ein Gehäuse 310, in dem ein Paar Verdrängerkolben 312 und 312' hin und her beweglich montiert ist. Die Verdrängerkolben sind mit konventionellen (nicht veranschaulichten) Regeneratormitteln versehen, leder der Kraftkolben 316 und 318 ist zentral gebohrt, um Hin- und Herbewegung der Verdrängerkolbenstange 314 du^rch die Bohrung zu gestatten. Innerhalb des Gehäuses 310 befindet sich ein großes Blockelement 320, das mit einer Mehrzahl von Bohrungen 322, 322,-i und 322b versehen ist. Die Bohrungen nehmen kleine, mit der inneren Fläche des Kraftkolbens 316 verbundene Kolben 324, 324a und 3246 auf. Kraftkolben 318 ist auch mit drei Kolben oder Verlängerungen 326, 326.? und 3260 versehen, die sich mit ihrem Kolben 318 in im entgegengesetzten Ende des Blockes 320 ausgebildeten Bohrungen 328, 328a und 3286 hin und her bewegen. Der Block ist ferner mit einer Bohrung 330 für die Verdrängerkolbenstange 314 und drei kleinen Bohrungen 332, 332a und 3326 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, so daß während der Hin- und Herbewegung der Kraftkolben und dei 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 318 erstrecken, sind untereinander für zusammenarbeitende Hin- und Herbewegung durch kleine Stangen 338,338a und 3386 verbunden. &5

Somit sind sechs Arbeitsräume 322, 322a und 3226 sowie 328,328a und 3286 und ein Paar von Räumen 340 und 342 im Blockelement 320 vorhanden, und jeder derselben ist beispielsweise mit dem hydraulischen Motor 344 (F i g. 11) verbunden; und zwar über ein Druckflud-Steuersystem, das eine Begrenzung des Hubes der Kraftkolben 316 und 318 gestattet, die ihrerseits die Leistung der Vorrichtung ohne Ablassen von Arbeitsflud begrenzen.

Der Einfachheit halber wird das in F i g. 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 Gleichklang arbeiten. Raum 322 ist mit einem hydraulischen Hochdruckspeicher 346 über Leitung 348 und Hochdrucksperrventil 350 verbunden. Der Raum 322 ist auch mit dem Zylinderraum 352 der Kontroll- oder Pendelventilvorrichtung 354 verbunden. Der Hochdruckspeicher 346 ist mit dem hydraulischen Motor 344 verbunden. Zylinderraum 328 ist auch mit dem Hochdruckspeicher 346 über Leitung 356 und Hochdrucksperrventil 358 verbunden.

Der Zylinderraum 328 ist ferner mit dem unteren Raum 360 der Pendelventileinrichtung 362 verbunden. In den beiden Pendel ventilen 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 Niederdruckspeicher 374 und mit dem Hochdruckspeicher 346. Fernerhin verbindet eine Leitung 378 den Niederdruckspeicher über Sperrventil 380 mit Leitung 348. In gleicher Weise ist Raum 382 oberhalb des schwebenden 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 388 und 390 verbunden, während Leitung 356 auch mit dem Niederdruckspeicher 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 Pcndelventileinrichtungen 354 >:nd 362 vergrößert und der, wenn der Hebelarm wie durch den Pfeil ν angedeutet, nach unten bewegt wird, die Zylinderräume verkleinert. Die balgenartigen Elemente 396 könnten durch geeignete Teleskopzylinder bekannter Konstruktion ersetzt werden.

Die Kraftkolben sind also direkt mit hydraulischen Kolben 324 und 326 verbunden, die in normaler Weise in Verbindung mit Einlaß- und Auslaßströmungs-Kontrollsperrventilen arbeiten und mit den Hochdruck- und Niederdruckspeichern 346 und 374 verbunden sind. Die Pendelventilvorrichtungen 354 und 362 bewirken die hydraulische Verbindung der hydraulischen Pumpenkolben und der Verdrängerkolbenstange 314. Somit müssen beispielsweise für eine gegebene Bewegung nach rechts die hydraulischen Pumpenkolben 324 und 326 usw. die Verdrängerkolben sich einen entsprechenden Betrag in der gleichen Richtung bewegen. Diese Bewegung der Verdrängerkolben 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 Verdrängerkoiben 312 und 312' sich 7,62 cm für jede 2,54 cm der Bewegung der Kraftkolben bewegen sollen, dann würde der Durchmesser der Verdrängerkolbenstange 314 gleich dem

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Durchmesser einer der sechs hydraulischen Kolben 324,324a, 3246,326,326a und 3266 sein.

Bei einer Untersuchung beispielsweise der F i g. 8 und 11 ergibt sich, daß die Verdrängerbewegung nicht vollständig auf Bewegung genau in Phase mit den Kraftkolben beschränkt ist, da die Sperrventile der Trägheit der Verdrängerkolben gestatten, sie über die normalerweise durch die Pendelventile zugelassene Stellung hinauszutragen.

Die Pendelventilöffnungen können durch den Hebel 400 bewegt werden, um die den Verdrängerkolben gestattete Bewegung zu verringern oder zu- vergrößern. Wenn beispielsweise der Kraftkolben nach rechts bewegt wird, so wird hydraulisches Flud in den Raum 342 hinein und aus dem Raum 340 befördert, bis der linke Pendelkolben 364 den Kopf seines Zylinderraumes 368 und der rechie Pendelkolben 366 das untere Ende des Zylinderraumes 360 erreicht, in welchem Zeitpunkt der Fluß hydraulischen Fluds durch das Pendelventil begrenzt wird und die Verdrängerkolben gegen die hydraulische Druckdifferenz in den Speichern arbeiten müssen, um weitere Bewegung fortzusetzen.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Maschine 500 aus einem einzigen Verdrängerkolben D518 und einem einzigen Kraftkolben /562 in Kombination mit einem linearen elektrischen Generator besteht. Der Verdrängerkolben D518 ist an dem einen Ende einer Verdrängerkolbenstange £5520 befestigt. Der Kolben D518 ist für Hin- und Herbewegung in einem Zylinder D524 montiert mit beispielsweise konventionellem Spiel zwischen der Außenfläche des Verdrängerkolbens und der Bohrung des Zylinders.

Um einen Teil der Verdrängerkolbenstange D52O herum ist der Kraftkolben /562 angeordnet. Der Kolben /562 besteht 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 Maschinengehäuses 532 anliegt. Das untere Ende 534 der Stange D520 wird auch durch eine Feder 536 ähnlich der vorbeschriebenen Feder 528 vorgespannt. Das untere Ende 534 der Stange D520 ist von einer Umfangsbuchse umgeben, die als Begrenzung auf die relative axiale Bewegung zwischen dem Kraftkolben und der Verdrängerstange wirkt.

Der Verdrängerkolben D518 bewegt sich in der Zylinderzone 538 hin und her, die mit einer vorbestimmten Menge eines Arbeitsfluds, wie Wasserstoff, beschickt ist. Die oberen und unteren Enden der Zylinderzone 538 sind mit einem Gasdurchlaß verbunden, der einen Erhitzer 542, einen Regenerator 544 und einen Gaskühler 546 umfassen mag, wie dies für Stirling-Maschinen konventionell ist.

Um Kraft oder Arbeit von der Maschine abzuleiten, ist der Teil des Maschinengehäuses, in dem der Kraftkolben /562 sich normalerweise hin und her bewegt, von einem Eisenkern 544 und Spulen 546' und 548 umgeben, wobei diese Spulen durch einen geeigneten elektrischen Leiter 550 und andere elektrische Leiter 552 und 554 mit einer Lastvorrichtung 556 verbunden sind, so daß bei Hin- und Herbewegung des magnetischen Kraftkolbens eine elektrische Spannung in den Spulen 546' und 558 in bekannter Weise erzeugt wird.

Beim Arbeiten ist diese Form der erfindungsgemäßen Maschine mit einem Leichtgewicht-Vcrdrängerkolben und -stange und einem verhältnismäßig schweren Kolben /562 verschen, und Wärme wird durch den Erhitzer 542 zugeführt. Der Erhitzer erhöht die Temperatur am oberen Ende des Verdrängerkolbe.is, Zone 538, und der sich erhöhende Gasdruck, der auf die Verdrängerkolben-Stangenfiäche wirkt, drückt den Verdränger nach unten. Der sich abwärts bewegende Verdrängerkolben fördert das Arbeitsgas vom kalten zum heißen Raum ;:nter weiterer Erhöhung des Druckes relativ zu dem Druck oder der Kraft der Feder 536 und 7u dem Gas unterhalb der Stange O520, unter Beschleunigung der Verdrängerbewegung nach unten. Wenn der Verdränger die obere Stellung des Kraftkolbens /562 erreicht, bewegen sich der Kraftkolben und Verdränger zusammen abwärts, bis die Druckdifferenz zwischen den Arbeitsräumen und der Kraft der Federn 523 und 536 sich umgekehrt hat als Ergebnis der Ausdehnung des Arbeitsgases und der Zusammendrückung der Federn und der Federung des Gases im Raum 560, als Folge, wovon der Verdrängerkolben anfängt, sich nach oben zu bewegen. Diese Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens fördert heißes Gas zum kalten Raum unter Verringerung des Druckes des Arbeitsgases und Beschleunigung der Bewegung des Verdrängers nach oben. Der Kraftkolben und der Verdrängerkolben bewegen sich dann zusammen nach oben, bis der sich erhöhende Arbeitsgasdruck den Verdränger nach unten drückt. Dann wiederholt sich der Kreislauf.

Das Verhältnis der Kraft des Arbeitsfluds zur Masse des Verdrängerkolbens muß größer sein als das Verhältnis der Kraft zur Masse des Kraftkolbcns, da sonst der Kraftkolben sich mit oder vor dem Verdränger bewegt und keine Druckdifferenz entwickelt wird.

Die in Fig. 12 veranschaulichte Maschine erwies sich als selbstanlassend bei Anwendung von Hitze und auch als zuverlässig in der Betätigung Sie hatte keine innere Schmierung außer gasgefülltem Tetrafluoräthylen Band am Kraftkolben zur Vorsehung eines leicht einstellbaren Durchmessers für enge Passung im Zylinder. Es waren keine Kolbenringe oder andere Abdichtungen in den ringförmigen Spalten von ungefähr 0,0254 cm um den Kraftkolben und die Verdrängerstange vorhanden. Da die Maschine ausgelegt war, in senkrechter Richtung zu laufen, so sind keine seitlichen Belastungen vorhanden außer kleinen, die durch ungenaue Federausrichtungen und unsymmetrische Gasströmungen hervorgerufen werden.

Eine weitere Form einer erfindungsgetnäßen Ausbildung ist in F i g. 13 veranschaulicht, die eine Kombination einer Pumpe 602 und einer Freikolben-Stirling-Maschine 600 umfaßt. Diese Maschine besteht aus einem einzelnen Verdrängerkolben D618 und einem einzelnen Kraftkolben PG62 in Kombination mit der Pumpe 602. Am Verdrängerkolben D518 ist eine Verdrängerkolbenstange D620 befestigt. Der Kolben D618 ist für Hin und Herbewegung in einem Zylinder D624 montiert, der beispielsweise konventionelles Spiel zwischen der äußeren Oberfläche des Verdrängerkolbens und der Bohrung des Zylinders aufweist.

Um einen Teil der Verdrängerkolbenstange D62C herum ist der Kraftkolben f662 montiert. Der Kolber ffi62 besteht in der veranschaulichten Form der Erfin dung aus einem hohlen zylindrischen Element. Dei Kraflkolben ist in eine obere Stellung vorgespann durch eine Schraubenfeder 628, deren unteres Ende sich gegen das untere Ende 633 des geschlossenen Ma schinengehäuses 632 abstützt. Das untere Ende 634 de Stange 620 ist auch vorgespannt durch eine der soebei beschriebenen Feder 628 ähnliche Feder 636. Das unte re Ende 634 der Stange D62O weist eine Umfangsbuch se um dieselbe auf, die als Begrenzung der relativci

axialen Bewegung zwischen dem Kraftkolben und der Verdrängerstange wirkt.

Der Verdrängerkolben D618 bewegt sich in der Zylinderzone 638 hin und her, wobei diese Zone mit einer vorherbestimmten Menge eines Arbeiisfluds, wie Wasserstoff, beschickt ist. Die oberen und unteren Enden der Zylinderzone 638 sind durch einen Gasdurchlaß verbunden, der einen Erhitzer 642, einen Regenerator 644 und einen Gaskühler 646 aufweisen kann, wie sie für Stirling-Maschinen konventionell sind.

Um Arbeit aus der Maschine abzuleiten, ist der untere Teil des Maschinengehäuses, in dem der Kraftkolben £662 sich normalerweise hin und her bewegt, mit Gleitpassung in einen Pumpenzylinder 650 eingepaßt. Eine weitere Schraubenfeder 631 in der Pumpenkammer 666 drückt das untere Ende 633 des Maschinengenäuses 632 von der Basis 652 der Pumpeneinheit 602 weg.

Am unteren Ende des Pumpenzylinders 610 befindet sich ein Paar von Leitungen 654 und 656. die mit Einweg-Einlaß- und Auslaßsperrventilen 658 und 660 versehen sind. Weiterhin ist Einlaßleitung 656 mit einer Quelle von zu pumpendem Hud verbunden, und Auslaßleitung 654 ist in gewünschter Weise an ein Röhrensystem angeschlossen.

Die in F i g. 13 gezeigte Freikolbenmaschine arbeitet so. daß, wenn der Erhitzer die Temperatur des Arbeitsfluds im oberen Teil 638 des Zylinders /5624 erhöht, der ;uif die Vcrdrängerstangenfläche wirkende sich erhöhende Gasdruck den Verdriingerkolben abwärts drückt. Die Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens bewegt das <\rbeitsgas 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 Verdrängerstange unter Beschleunigung der Verdrängerbewegung nach unten. Wenn der Verdrängerkolben die Oberseite des Kraftkolbens erreicht, bewegen er und der Verdrängerkolben sich dann zusammen nach unten, bis die Druckdifferenz zwischen den Arbeitsräumon 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 des Arbeitsgasdrucks und Beschleunigung der Bewegung des Verdrängers aufwärts, bis er eine obere Grenze erreicht, die durch den ßegrenzungsanschlag 634 am unteren Ende der Verdrängerstange gesetzt ist. Der Kraftkolben und der Verdriingerkolben bewegen sich dann zusammen nach oben, bis der sich erhöhende Arbeitsgasdruck den Verdränger nach abwärts drückt. Der Kreislauf wiederholt sich dann.

Die Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens und des Kraitkolbens veranlaßt das Mascliinengehäuse 632, sich aufwärts zu bewegen unter Einziehen von Flüssigkeit in die Pumpenkammer 666 über Einlaß 656, während Abwärtsbewegung des Maschinengehäuses in die Pumpenkammer 666 die zu pumpende Flüssigkeit zwingt, durch die Leitung 654 nach außen .:· 'ließen.

Aus der vorangehenden Beschreibung _; Arbeitsweise der in Fig. 13 gezeigten Pumpe ist ersichtlich, daß der schwere Kolben fl562 als eine seismische Masse verwendet wird, gegen die das Maschinengehäuse 632 die Freiheit hat, sich zu bewegen, wenn die inneren Drucke im heißen Raum und der unteren Federn verschieden sind. Dieses Konzept wurde an einem kleinen Modell ausprobiert, und es erwies sich als zuverlässig und ruhig in seiner Arbeitsweise, wobei es zusätzlich das nützliche Merkmal hat, daß es nicht durch Überlastung stillgesetzt werden könnte, da irgendeine übermäßige Begrenzung auf den Zylinder 632 die Übertragung eines größeren Anteils 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 Fig. 13 ist, daß sie Nutzarbeiterzeugen kann, während sie zur gleichen Zeit vollkommen abgedichtet ist und während erwartet werden kann, daß sie ihre Gasbeschickung für eine vernünftige Zeit ohne nennenswerte Verringerung der Wirkungsweise beibehält. Da die Maschinenpumpe besonders einfach und widerstandsfähig und da die Wärmemaschinc in der Lage ist, selbst zu starten und nur elementare Bedienung der Wasserpumpe erfordert, sollte als eine von Sonnenenergie angetriebene Pumpe für entfernte oder unterentwickelte Gebiete vielversprechend sein.

Verschiedene Abänderungen in der veranschaulichten und beschriebenen Form sind möglich. Beispielsweise können, während jedes der spezifischen veranschaulichten Ausführungsformen koaxiale Ausrichtung der Kraftkolben und der Verdrängerkolben mit konzentrischen Kolbenstangen anzeigt, die Kraftkolben in konventioneller Weise außerhalb koaxialer Ausrichtung mit ihren zusammenarbeitenden Verdrängerkol· ben sein, so so lange, wie Fludströmung zwischer einem Ende jedes der Verdrängerkolben und ihrer zu sammenwirkenden Kraftkolben aufrechterhalten wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nach dem Stirling-Prozeß arbeitende Kolbenmaschine mit mindestens einem mit einer Verdränger-Zyiinderzone, die ein Arbeitsflud unter Druck enthält und mit Einrichtungen zur Wärmezu- und abfuhr zu bzw. aus diesem Arbeitsflud versehen ist, hin und her bewegbaren Verdrängerkolben, mindestens einem in einer Kraft-Zylinderzone hin und her bewegbaren Kraftkolben, einer Verbindung zwischen den beiden Zylinderzonen und mindestens einer Verdränger-Kolbenstange, deren e>nes Ende mit einem Verdrängerkolben verbunden ist und deren anderes Ende sich stets in einem gesonderten, gegenüber dem in der Verdränger-Zylinderzone am einen Ende der Verdränger-Kolbenstange vorhandenen Druck abgedichteten Raum befindet, d a durch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Verdränger-Kolbenstange (Q20; O20'; D.20"; 232; 234'; 314; O520; D620) so bemessen ist, daß die bei der Kompression am Verdrängerlkolben (Ω16'; D18': 212; 214; 312: 312'; D518; D618) auftretende, auf diese Querschnittsfläche einwirkende Druckkraft groß genug wird, um diesen im Sinne einer Verdrängung des Arbeitsfludes in den heißen Bereich (42; 46; 538; 63S) der Verdränger Zylinderzone (D22; D24; D524; D624) zu verschieben, und daß mindestens ein vom jeweiligen Kraf'.kolben (flSO, P62: fl&O'; fl52'; 216; 218; /562; fl>62) unabhängiges, auf das im gesonderten Raum befindliche andere Ende (534; 634) der Verdränger-Kolbenstange koaxial einwirkendes, eine Rückstellkraft erzeugendes Mittel (536: 560; 636) vorgesehen ist, dessen Rückstellkraft am Ende der Expansion die Druckkraft überwiegt und den Verdrängerkolben in seine Ausgangslage zurückstellt.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das die Rückstellkraft erzeugende Mittel ein Flud und/oder eine DrucKfeder (536; 636) ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2 mit jeweils zwei nach Tandembauart koaxialen und spiegelbildlichen Anordnungen aus Verdränger-Zylinderzonen, Kraft-Zyünderzonen, durch eine Verdränger-Kolbenstange miteinander verbundenen Verdrängerkolben und durch eine Kraft-Kolbenstange miteinander verbundenen Kraftkolben, dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Raum jeder Anordnung die Verdränger-Zylinderzone (D22; D24) der jeweils anderen Anordnung und das jeweilige, die Rückstellkraft erzeugende Mittel das in dieser Verdränger-Zylinderzone vorhandene Arbeitsflud ist.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Abnahme von Leistung von oder zur Zuführung von Leistung zu dem oder den Kraftkolben vorgesehen ist.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 4. dadur-.'h ge kennzeichnet, daß diese Einrichtung aus einem an die der zugehörigen Verdränger/.ylindcr/one (D22; D24) abgewandtc Stirnseite des Kniftkolbens (ffiO; m) angrenzenden Zylinderraum (82; 84) des Kraft-Zylinders und Leitungen (86: 88: 94; 96) zur Zu- und Abfuhr eines Fludcs besteht.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einstellbare Stoppeinrichtung zur Veränderung eier Bewegungslange der Verdrängerkolben in ihren Verdrangerzylinderräumen vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einstellbare mechanische Stoppvorrichtungen zur Begrenzung der Bewegung der die Verdrängerkolben verbindenden Kolbenstange.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Druckfludvorrichtungen zum Verändern des Weges der Verdrängerkoiben in ihren Zylindern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfliidvorrichtung zur Veränderung des Weges der Verdrängerkolben ein gasförmiges Arbeitsflud umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfludvorrichtung zur Veränderung des Weges der Verdrängerkolben ein den Kraftkolben der thermischen Vorrichtung zugeordnetes hydraulisches Flud umfaßt.