AT505764A4

AT505764A4 - Stirlingmaschine

Info

Publication number: AT505764A4
Application number: AT0044408A
Authority: AT
Inventors: Klaus Dipl Ing Engelhart
Original assignee: Vkr Holding As
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-04-15
Also published as: AT505764B1; CA2718800A1; US20110107757A1; EP2255085A1; WO2009115567A1; EP2255085B1; ATE546629T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem zwei gegeneinander bewegliche Kolben angeordnet sind, wobei jeder Kolben über ein erstes Pleuel mit einem Schwinghebel, und der Schwinghebel über ein zweites Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist.
Ein Stirlingmaschine ist eine Arbeitsmaschine, bei der Wärme von aussen einem Zylinder zugeführt oder von einem Zylinder abgeführt wird. Es ist dabei möglich, die Maschine als Motor zu betreiben, wobei ein Arbeitsmedium in einem Kreisprozess abwechselnd abgekühlt und erwärmt wird, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Umgekehrt kann eine Stirlingmaschine auch als Kältemaschine eingesetzt werden, bei der unter Aufwendung von mechanischer Arbeit Wärme von einem niederen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, beide Einsatzgebiete abzudecken.
Es ist bekannt, Stirling-Maschinen in Form von Gegenkolbenmaschinen auszubilden. Dabei bewegen sich in einem gemeinsamen Zylinderraum bzw. einer Zylinderanordnung zwei Kolben, ein Kompressionskolben und ein Expansionskolben, gegeneinander. Zwischen den Kolben sind der Regenerator und Wärmetauscher angeordnet, um das Arbeitsgas beim Betrieb der Maschine abwechselnd zu erwärmen und abzukühlen. Der Vorteil dieser Bauart besteht darin, dass sehr grosse Überströmquerschnitte darstellbar sind, so dass auch bei geringen Temperaturdifferenzen hohe Wirkungsgrade erzielt werden können.
Aus der GB 2 030 213 A ist eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit Gegenkolbenbauweise bekannt.

Die Kolben stehen dabei über ein erstes Pleuel, einen Schwinghebel und ein zweites Pleuel mit einer seitlich zwischen den Kolben angeordneten Kurbelwelle in Verbindung. In gleicher Weise ist es möglich, Stirling-Maschinen auszubilden. Bei entsprechend lang ausgebildeten Pleueln entspricht das Zeit-Weg-Diagramm der Kolbenbewegung im Wesentlichen einer Sinuskurve. Aufgrund der Geometrie des Kurbeltriebes entsteht jedoch eine Abweichung von einer Sinuskurve, die umso grösser ist, je kürzer das Pleuel im Verhältnis zur Kurbelwellenkröpfung ist. Bei der oben beschriebenen Gegenkolbenbauweise bewirkt diese Abweichung, dass sich der Kolben im Bereich des oberen Totpunktes relativ schnell bewegt, während er im Bereich des unteren Totpunktes relativ lange verweilt.

Es hat sich herausgestellt, dass dieses Bewegungsmuster für Stirling-Maschinen relativ ungünstig ist, was Einbussen im Wirkungsgrad mit sich bringt. Darüber hinaus weist die bekannte Lösung weitere Nachteile auf. Durch die direkte Verbindung von Schwunghebel und Kolben einerseits, sowie der Anlenkung an einem Ende des Schwunghebels andererseits wirken stets Seitenkräfte auf den Kolben.

Da die Kolben in einem Stirlingmaschine im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor stets trockenlaufen, wirken sich Seitenkräfte äusserst negativ aus, insbesondere auf das Dichtverhalten und die Lebensdauer der Kolben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine Stirling-Maschine anzugeben, bei der ein hoher Wirkungsgrad auch bei geringen Temperaturdifferenzen erzielbar ist.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass der Schwinghebel an seinem ersten Ende an dem Pleuel angelenkt ist, dass er an einem zweiten Ende am Zylindergehäuse schwenkbar gelagert ist, und dass das erste Pleuel zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angelenkt ist.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass durch die veränderte Geometrie des Kurbeltriebes nunmehr eine längere Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt bei gleichzeitig schnellerer Bewegung im Bereich des unteren Totpunktes erreicht wird. Auf diese Weise ist es möglich, höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Art der Einleitung der Kräfte auf den Kolben.
Durch diese Art der Verbindung des Kolbens mit der Kurbelwelle wirken praktisch keine Seitenkräfte auf den Kolben ein, sodass die Realisierung von grösseren Kolbendurchmessern und daraus folgend ein grösseres Zylindervolumen ermöglicht wird.

Ein höheres Gasvolumen bedeutet auch einen höheren Wirkungsgrad.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung verfügt der Schwinghebel über zwei Abschnitte, die in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, wobei das erste Pleuel an dem längeren Abschnitt angelenkt ist. Diese Ausführung des Schwinghebels erlaubt eine besonders kompakte Bauweise der Stirlingmaschine.
Um die auf die Kolben wirkenden Seitenkräfte weiter zu verringern, verfügt vorteilhafterweise das Ende des längeren Abschnitts des Schwinghebels über zwei Fortsätze, über die der Schwinghebel an dem Zylindergehäuse angelenkt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Schwinghebel einstückig ausgeführt. Dadurch wird die Anzahl der einzelnen Teile des Schwinghebels reduziert, was wiederum die Lebensdauer des Schwinghebels verlängert sowie dessen Produktionskosten senkt.

Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades wird erzielt, wenn das zweite Pleuel kurz ausgeführt ist, insbesondere dann, wenn seine Länge kürzer als das Dreifache der Kurbelwetlenkröpfung ist. Je kürzer der Pleuel ist, umso stärker erfolgt eine Abweichung von dem Sinusverlauf der Kolbenbewegung und desto höher ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Stirlingmaschine.
Für gewöhnlich weist ein Stirlingmaschine einen Wärmetauscher auf, der der Abkühlung bzw. Erhitzung des Gases in dem Zylinderraum dient.

Ein verbesserter Wärmeaustausch, und damit eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades, ist gegeben, wenn jedem Kolben ein eigener Wärmetauscher zugeordnet ist, die beabstandet voneinander in dem Zylindergehäuse zwischen den Kolben angeordnet sind.
Bevorzugterweise weist der Wärmetauscher Lamellen auf, die aus Aluminium gefertigt und über geprägte Noppen voneinander beabstandet sind. Diese Form des Wärmetauschers hat sich als besonders günstig für das Strömungsverhalten des Gases erwiesen. Die Herstellung des Wärmetauschers ist vor allem auch sehr preisgünstig, wenn er eine rechteckige oder quadratische Form aufweist.
Besonders vorteilhaft für den Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Stirlingmaschine ist es, wenn ein Regenerator zwischen den Wärmetauschern angeordnet ist.

Dieser aus siebartigem, porösem oder schwammartigem Material bestehende Einsatz hat die Aufgabe, einen Teil der Wärme des durch ihn hindurchströmenden heissen Gases aufzunehmen und zu speichern, um diese Wärme wiederum an das abgekühlte Gas abzugeben, wenn es wieder in die Gegenrichtung strömt.
Als Gas wird bevorzugt Wasserstoff eingesetzt; es können aber auch andere Gase oder Gasgemische, wie beispielsweise Helium oder Luft eingesetzt werden. Wasserstoff hat den Vorteil einer grossen Wärmekapazität und eines guten Wärmeübergangs, wodurch sich der Wirkungsgrad der Stirlingmaschineverbessert, ist jedoch aufgrund seiner stark exothermen Reaktion mit der Luft bzw. mit Sauerstoff sorgfältig zu behandeln. Daher weist eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ein druckdichtes Gehäuse auf, in dem der Zylinder gemeinsam mit dem Kurbeltrieb gekapselt untergebracht ist.

Innerhalb dieses Gehäuses herrscht ein starker Überdruck, beispielsweise 30 bar, während in dem Zylinder beispielsweise Drücke von 30 +- 5bar herrschen. Somit müssen die Dichtungen des Zylinders, insbesondere die Kolbendichtungen, lediglich einen Druckunterschied von 5 bar gegenüber dem im Gehäuse herrschenden Überdruck standhalten, während die Abdichtung von 30 bar gegen den Umgebungsdruck von der Gehäusedichtung übernommen wird. Diese Abdichtung von Gehäuse gegenüber Umgebungs druck ist im Vergleich zur Abdichtung durch bewegte Teile äusserst einfach und kostengünstig zu erhalten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Figuren näher erläutert.

Darin zeigen
Fig. 1 eine Schrägansicht einer erfindungsgemässen Stirlingmaschine,
Fig. 2 eine Schrägansicht der Stirlingmaschine aus Fig. 1 ohne Gehäuse,
- Fig. 3 eine Schnittansicht der Stirlingmaschine aus Fig. 2 mit Wärmetauscher,
- Fig. 4 eine Schrägansicht des Wärmetauschers aus Fig. 3 und Fig. 5 den Kurvenverlauf der Kolbenbewegung.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die erfindungsgemässe Stirlingmaschine 1 in einem Motorgehäuse 2 untergebracht und weist ein Zylindergehäuse 3 auf, das aus zwei symmetrischen Zylinderhälften 4, 4' zusammengesetzt ist. Diese baugleichen Zylinderhälften 4, 4' sind über ein Verbindungsteil 5 gasdicht miteinander verbunden.
Gemäss den Fig. 2 und 3 ist in jeder Zylinderhälfte 4, 4' ein Kolben 6, 6' beweglich angeordnet.

Der Kolben 6, 6' ist über ein erstes Pleuel 7 mit einem Schwinghebel 8 gelenkig verbunden, wobei der Schwinghebel 8 in der dargestellten Ausführung der Erfindung an seinem kolbenseitigen Ende in zwei Fortsätze 80, 81 ausläuft. Über diese Fortsätze 80, 81 ist der Schwinghebel 7 schwenkbar an der Zylinderhälfte 4 gelagert.
Das andere Ende des Schwingehebels 8 ist mit einem zweiten Pleuel 9 verbunden, der wiederum mit einer Kurbelwelle 10 gekoppelt ist, wobei die Kurbelwelle 10 einen Generator 100 antreibt.
Der Schwinghebel 8, 8' ist einstückig mit zwei Anschnitten 82, 82', 83, 83', die in einem Winkel von etwa 90[deg.] zueinander angeordnet sind und als Hebelarme fungieren, ausgeführt. An dem kürzeren Hebelarm 82, 82' ist der Schwinghebel 8, 8' über das zweite Pleuel 9, 9' mit der Kurbelwelle 10 verbunden.

Der längere Hebelarm 83, 83' ist einerseits mit seinem Ende über die Fortsätze 80, 80', 81, 81' mit der jeweiligen Zylinderhälfte 4, 4' und andererseits über das erste Pleuel 7, 7' mit dem Kolben 6, 6' verbunden.
Durch diese Ausbildung des Schwinghebels 8, 8' wirken aufgrund der Kniehebelkinematik praktisch keine Seitenkräfte auf die trockenlaufenden Kolben 6, 6', sodass die Lebensdauer der Gleitlagerung wesentlich verlängert wird. Des Weiteren wird dadurch auch die Verwendung eines kürzeren Kolbenhemds möglich, wodurch einerseits das Gewicht des Kolbens 6, 6' und andererseits die Kosten für den Kolben 6, 6' reduziert werden. Zusätzlich ermöglicht die Übersetzung des Schwinghebels 8, 8' grosse Kolbenkräfte und damit grosse Kolbendurchmesser, wodurch wiederum ein grösseres Gasvolumen bei verbessertem Strömungsverhalten in dem Zylinder 3 eingesetzt werden kann.

Ein möglichst gleichmässiges Strömungsverhalten resultiert in einem verbesserten Wirkungsgrad. Aufgrund des geringen Kolbenhubs, - im Verhältnis zum Kolbenquerschnitt gesehen, - verringert sich die Relativgeschwindigkeit der eingesetzten Gleitlager, was zu einer Verlängerung von deren Lebensdauer und zu einer Verringerung der Gasreibungsverluste führt.
Jede Zylinderhälfte 4, 4' besteht einerseits aus einem Bereich mit kreisrunden Querschnitt, in dem der Kolben 6, 6' hin und her bewegbar ist, und einem Bereich mit viereckigem, bevorzugterweise quadratischem Querschnitt, der zur Aufnahme eines Wärmetauschers 11, 11' vorgesehen ist.

Zwischen den beiden Wärmetauschern 11, 11' ist zusätzlich in dem Verbindungsteil 5 ein Regenerator 12 angeordnet, der für gewöhnlich aus einem porösen und/oder schwammartigen Material gefertigt ist und der Speicherung von Wärme dient.
Ein in die erfindungsgemässen Stirlingmaschine 1 einsetzbarer Wärmetauscher 11 kann der Fig. 4 entnommen werden. Dieser Wärmetauscher 11 besteht aus miteinander verlöteten Aluminiumblechen 13, beispielsweise mit den Massen 140 x 40 x 0,2 mm, die durch Noppen 14, die in das Blech zum Beispiel mit einer Höhe von 0,2 mm eingeprägt sind, voneinander beabstandet sind. Mitverlötete, eingesteckte Rohre bewirken einen zusätzlichen Wärmefluss zwischen den Medien. Durch die rechteckige Form des Wärmetauschers ist seine Herstellung besonders einfach und kostengünstig.

Es hat sich gezeigt, dass trotz des kreisrunden Querschnitts der Kolben 6, 6' eine gute Anströmung gegeben ist, insbesondere dann, wenn die Fläche des Kolbens 6, 6' jener der rechteckigen Anströmfläche des Wärmetauschers 11, 11' entspricht.
Durch den symmetrischen Aufbau der Zylinderhälften 4, 4' mit ihren Kolben 6, 6' und den zugehörigen Wärmetauschern 11, 11' reduziert sich die Anzahl der unterschiedlichen Bauteile der Stirlingmaschine 1 und damit auch die Kosten für die Produktion desselben. Die kompakte Bauweise des Zylinders 3 ist zudem vorteilhaft für eine hermetische Abdichtung, die speziell dann besonders wichtig ist, wenn Wasserstoff als Arbeitsgas in den Zylindern eingesetzt wird.
Die Kolbenbewegungen innerhalb der Stirlingmaschine 1 bei Betrieb desselben ist in dem Diagramm gemäss Fig. 5 dargestellt.

Die mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnete Linie beschreibt den sinusähnlichen Verlauf der Kolbenbewegung des sogenannten Expansionskolbens 6, also jenes Kolbens, der in dem erwärmten Teil der Stirlingmaschine 1 arbeitet. Es ist deutlich erkennbar, dass der Kurvenverlauf von der idealen Sinuslinie 20 abweicht. Im Bereich A des oberen Totpunkts verläuft die Kurve flacher, d.h. der Kolben verbleibt länger am oberen Totpunkt, während die Kurve im Bereich B des unteren Totpunkts steiler verläuft und damit kürzer in dieser Position verbleibt. Diese Verzerrung des Sinusverlaufs der Kolbenbewegung lässt sich massgeblich durch die Länge der zweiten Pleuel 9, 9' beeinflussen. Je kürzer die zweiten Pleuel 9, 9' ausgeführt sind, desto stärker ist die Verzerrung.

Durch diese Annäherung an einen im theoretischen Idealfall diskontinuierlich verlaufenden Prozess können Wirkungsgrade erreicht werden, die höher sind als jene der im Stand der Technik offenbarten Stirlingmaschinen.
Als unterer Totpunkt wird hier jener Punkt bezeichnet, an dem der Kolben 6, 6' seinen grössten Abstand zu dem Wärmetauscher 11, 11' aufweist, während beim oberen Totpunkt der Kolben 6, 6' den Wärmetauscher 11, 11' beinahe berührt.
Der Kurvenverlauf 22 des Kompressionskolbens 6' zeigt hingegen eine Abflachung im Bereich B' des oberen Totpunkts sowie eine kürzere Verweilzeit in dem Bereich A' des unteren Totpunkts, weist also ein gleichläufiges Verhalten zu dem Expansionskolben 6 auf.

Zusätzlich zu der um 180[deg.] versetzten Bewegung ist die Kolbenbewegung um einen Phasenwinkel von 72[deg.] (ablesbar an der Abszisse) verschoben.
Die mit 25 bezeichnete Linie beschreibt die Änderung des Gesamtvolumens des Gases innerhalb des Zylinders während der Aufheiz- und Abkühlphase. Befindet sich der Expansionskolben 6 am unteren Totpunkt, so wird das Gas erwärmt und sein Volumen vergrössert sich. Sein Volumen verringert sich durch Kompression, wenn der Expansionskolben 6 sich seinem oberen Todpunkt nähert. Gleichzeitig wird das Gas in die Abkühlzone verdrängt, kühlt ab und sein Volumen wird geringer, während sich der Kompressionskolbens 6'nach oben bewegt.
Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemässe Stirlingmaschine insbesondere für die Verwendung als Wärmepumpe zur energiesparenden Temperierung eines Hauses unter Ausnützung beispielsweise einer Solaranlage geeignet ist.

Claims

P A T E M T A N 9 P R C H E

1. Stirlingmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder, in dem zwei gegeneinander bewegliche Kolben (6, 6') angeordnet sind, wobei jeder Kolben (6, 6') über ein erstes Pleuel (7, 7') mit einem Schwinghebel (8, 8'), und der Schwinghebel (8, 8') über einen zweiten Pleuel (9, 9') mit der Kurbelwelle (10) verbunden ist, wobei der Schwinghebel (8, 8') an seinem ersten Ende an dem zweiten Pleuel (9, 9') angelenkt ist, dass er an einem zweiten Ende am Zylindergehäuse (3) schwenkbar gelagert ist, und dass das erste Pleuel (7, 7') zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angelenkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (3) samt Kolbentrieb druckdicht gekapselt ausgeführt ist, wobei innerhalb des Kapselgehäuses (2) ein Überdruck herrscht.

1. Stirlingmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder, in dem zwei gegeneinander bewegliche Kolben (6, 6') angeordnet sind, wobei jeder Kolben (6, 6') über ein erstes Pleuel (7, 7') mit einem Schwinghebel (8, 8'), und der Schwinghebel (8, 8') über einen zweiten Pleuel (9, 9') mit der Kurbelwelle (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (8, 8') an seinem ersten Ende an dem zweiten Pleuel (9, 9') angelenkt ist, dass er an einem zweiten Ende am Zylindergehäuse (3) schwenkbar gelagert ist, und dass das erste Pleuel (7, 7') zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angelenkt ist.

2. Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (8, 8')y[omicron]fee zwei Abschnitte (82, 82', 83, 83') aufweist, die in ' einem Winkel zueinander angeordnet sind, wobei das erste Pleuel (7, 7') an dem längeren Abschnitt (83, 83') angelenkt ist.

2. Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (8, 8') über zwei Abschnitte (82, 82', 83, 83') aufweist, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind, wobei das erste Pleuel (7, 7') an dem längeren Abschnitt (83, 83') angelenkt ist.

3. Stirlingmaschine (1) nach Anspruch fl. ede 2, dadurch gekennzeichnet, / dass das Ende des längeren Abschnitts (83, 83') über zwei Fortsätze (80, 80', 81, 81') verfügt, über die der Schwinghebel (8, 8') an dem Zylindergehäuse (3) angelenkt ist.

3. Stiriingmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des längeren Abschnitts (83, 83') über zwei Fortsätze (80, 80', 81, 81') verfügt, über die der Schwinghebel (8, 8') an dem Zylindergehäuse (3) angelenkt ist.

4. Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (8, 8') einstückig ausgeführt ist.

5. Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Pleuel (9, 9') kurz ausgeführt ist.

6. Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des zweiten Pleuels (9, 9') kürzer als das Dreifache der Kurbelwellenkröpfung ist.

7. Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kolben (6, 6') ein eigener Wärmetauscher (11, 11') zugeordnet ist, die beabstandet voneinander in dem Zylindergehäuse (3) zwischen den Kolben (6, 6') angeordnet sind.

8. Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (11, 11') Lamellen (13) aufweist, die aus Aluminium gefertigt und über geprägte Noppen (14) voneinander beabstandet sind.

9. Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (11, 11') eine rechteckige oder quadratische Form aufweist.

10. Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regenerator (12) zwischen den Wärmetauschern (11, 11') angeordnet ist.

11. Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (3) samt Kolbentrieb gekapselt ausgeführt ist.