AT16448U1 - Serieller Stirlingmotor - Google Patents

Abstract

Stirlingmotor, welcher aus n Arbeitszylindern samt Kolben (1,2,3) und n Kühlzylindern samt Kolben (4,5,6), n >= 2, besteht, welche untereinander über einen Regenerator (7) ventilgesteuert (8) derart miteinander verbunden sind, dass das Arbeitsgas die einzelnen Zylinder seriell, hintereinander durchströmt, abwechselnd einen Arbeitszylinder, dann wieder einen Kühlzylinder und bei dem durch Synchronisation der Arbeitsschritte der einzelnen Zylinder das Arbeitsgas einen gut angenäherten Stirlingprozess durchläuft.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor.

[0002] Bei klassischen Alpha-Stirlingmotoren wird durch die sinusförmige Bewegung der beiden Kolben gepaart mit deren Koppelung ein idealer Stirlingprozess - isochore Erhitzung, isotherme Expansion, isochore Abkühlung, isotherme Kompression - nur annähernd erreicht.

[0003] Eine bessere Annährung an den idealen Stirlingprozess ist die Aufgabe dieser Erfindung.

[0004] Dies geschieht wie nun beschrieben - siehe auch Abbildung 1 und Abbildung 2.

[0005] Abbildung 1 zeigt eine Anordnung mit 3 Kühlzylindern und 3 Arbeitszylindern, [0006] Abbildung 2 zeigt eine Anordnung mit 2 Kühlzylindern und 2 Arbeitszylindern.

[0007] Der Motor besteht aus n gleichartigen Arbeitszylindern samt Kolben (1,2,3) und n gleichartigen Kühlzylindern samt Kolben (4,5,6). n ist dabei >= 2. Die Arbeitszylinder befinden sich auf einem hohen Temperaturniveau (9), die Kühlzylinder auf einem niedrigem (10). Die Zylinder sind derart untereinander verbunden, dass das Arbeitsgas alle Zylinder seriell durchströmt. Abwechselnd fließt es von einem Arbeitszylinder (1) in einen Kühlzylinder (5), von diesem Kühlzylinder (5) in den nächsten Arbeitszylinder (2), vom diesem Arbeitszylinder (2) in den nächsten Kühlzylinder (6) usw. Das Arbeitsgas gelangt erst dann wieder in den anfänglichen Arbeitszylinder (1), nachdem es alle anderen Zylinder durchströmt hat. Das Arbeitsgas wird beim Überströmen von einem Zylinder in den anderen durch einen Regenerator (7) geleitet, wobei es Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt. Die Verbindung eines Zylinders zum Regenerator, wird mittels eines Ventils (8) immer nur dann geöffnet, wenn ein Überströmen des Arbeitsgases vom Zylinder bzw. in den Zylinder durch diese Verbindung erfolgen soll.

[0008] Die Verbindungen von den Zylindern zum Regenerator und durch den Regenerator zu den folgenden Zylindern können auch zusammengefasst werden, wodurch das Arbeitsgas die Leitungen im Regenerator in beiden Richtungen durchfließt und so der Regenerator im thermischen Gleichgewicht gehalten wird - Abbildung 3. Eine andere Möglichkeit das thermische Gleichgewicht im Regenerator aufrecht zu erhalten ist die Koppelung der einzelnen Leitungen durch den Regenerator untereinander durch sehr gute Wärmeleiter.

[0009] In jedem Zylinder werden ständig die ihm zugeordneten Arbeitsschritte eines Stirlingprozesses ausgeführt. Jeder Kühlzylinder erhält isochor das Arbeitsgas von einem Arbeitszylinder, danach wird es in ihm isotherm komprimiert und danach gibt er es isochor an einen anderen Arbeitszylinder weiter. Jeder Arbeitszylinder erhält isochor das Arbeitsgas von einem Kühlzylinder, danach wird es in ihm isotherm expandiert und danach gibt er es isochor an einen anderen Kühlzylinder weiter.

[0010] Die Dauer des Prozessschrittes „isotherme Expansion“ in einem Arbeitszylinder ist gleich der Dauer des Prozessschrittes „isotherme Kompression“ in einem Kühlzylinder.

[0011] Die Phasenverschiebung zwischen den Kolben in den Kühlzylindern und den Kolben in den Arbeitszylindern ist so, dass das isochore Ausströmen des Arbeitsgases eines Zylinders mit dem isochoren Einströmen des Arbeitsgases in den ihm folgenden Zylinder korreliert.

[0012] Die Phasenverschiebung der Prozessschritte zwischen den Kolben des x. (x < n) und x+1. bzw n. und 1. Arbeitszylinders ist gleich der Dauer eines Zylinderzykluses geteilt durch die Anzahl der Arbeitszylinder. Sie ist gleich der Dauer des Prozessschrittes „isotherme Expansion“.

[0013] Die Phasenverschiebung der Prozessschritte zwischen den Kolben des x. (x < n) und x+1. bzw. n. und 1. Kühlzylinders verhält sich analog und ist gleich der Dauer eines Zylinderzykluses geteilt durch die Anzahl der Kühlzylinder und gleich der Dauer des Prozessschrittes „isotherme“ Kompression.

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AT16448U1 2019-10-15 österreichisches

Patentamt [0014] Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft die Prozessschritte in den einzelnen Zylindern in zeitlicher Abfolge für n=2.

[0015] Prozessschritte der einzelnen Zylinder im zeitlichen Verlauf, n=2 [0016] Arbeitszylinder 1 Arbeitszylinder 2 Kühlzylinder 1 Kühlzylinder 2 isochores Einströmen isotherme Expansion isochores Ausströmen isotherme Kompression isotherme Expansion isochores Ausströmen isochores Einströmen isotherme Kompression isotherme Expansion isochores Einströmen isotherme Kompression isochores Ausströmen isochores Ausströmen isotherme Expansion isotherme Kompression isochores Einströmen [0017] Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft die Prozessschritte in den einzelnen Zylindern in zeitlicher Abfolge für n=3.

[0018] Prozessschritte der einzelnen Zylinder im zeitlichen Verlauf, n=3 [0019] Arbeitszylinder 1 Arbeitszylinder 2 Arbeitszylinder 3 Kühlzylinder 1 Kühlzylinder 1 Kühlzylinder 2 isochores Einströmen isotherme Expansion isochores Ausströmen isochores Ausströmen isochores Einströmen isotherme Kompression isotherme Expansion isochores Ausströmen isochores Einströmen isochores Einströmen isotherme Kompression isochores Ausströmen isochores Ausströmen isochores Einströmen isotherme Expansion isotherme Kompression isochores Ausströmen isochores Einströmen

Claims (1)

1. Stirlingmotor bestehend aus n gleichartigen Arbeitszylindern samt Kolben (1,2,3) auf hohem Temperaturniveau (9) und n gleichartigen Kühlzylindern samt Kolben (4,5,6) auf niedrigem Temperaturniveau (10), n >= 2, welche phasenverschoben ihre Kolbenbewegungen ausführen und allesamt eine gleiche Zyklusdauer aufweisen und der Prozessschritt „isotherme Kompression“ eines Kühlzylinders die gleiche Dauer wie der Prozessschritt „isotherme Expansion“ eines Arbeitszylinders aufweist, weiters bestehend aus einem Regenerator (7), welcher über Ventile (8) mit den Zylindern verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas von einem Arbeitszylinder (1) über Ventile (8) und Regenerator (7) durch geeignete Synchronisation in den nächsten Kühlzylinder (5) strömt, von diesem wieder über Ventile (8) und Regenerator (7) durch geeignete Synchronisation in den nächsten Arbeitszylinder (2), von diesem wieder über Ventile (8) und Regenerator (7) durch geeignete Synchronisation in den nächsten Kühlzylinder (6) und diese Kette erst nach Durchströmen aller Zylinder endet und ein neuer Zyklus beginnt, wodurch die Dauer der Phasenverschiebung der Kolbenbewegung in einem Zylinder zur Kolbenbewegung im nächstfolgenden gleichartigen Zylinder gleich der Dauer eines Zylinderzykluses geteilt durch die Anzahl der gleichartigen Zylinder ist und auch gleich der Dauer des Prozessschrittes „isotherme Kompression“ bzw. des Prozessschrittes „isotherme Expansion“.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen