DE10034377C1

DE10034377C1 - Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylinder und feststehendem Kolben

Info

Publication number: DE10034377C1
Application number: DE2000134377
Authority: DE
Inventors: Hubert Stierhof
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2020-07-15

Abstract

Dem Stirlingmotor (Beta- oder Gammatyp) ähnelnde Maschine, welche jedoch den Zylinder bewegt und den Kolben stationär hält. Der Verdränger bewegt sich im Zylinder frei und wird nur durch die kinematischen Kräfte des Zylinders, welche durch Ansetzen oder Anschlagen des Verdrängers an die Zylinderenden wirken, bewegt. Hieraus ergibt sich ein stark vereinfachter Aufbau der Maschine sowie eine günstige diskontinuierliche Führung des Arbeitsgases.

Description

Die vorliegende Erfindung stellt eine Wärmekraft- oder Kältemaschine nach dem Prinzip des Stirlingmotors dar.

Gängige Aufbauarten des Stirlingmotors (Alpha-, Beta- und Gammatyp) als auch Freikolben-Stirlingmotoren weisen nahezu kontinuierliche sowie um 90 Grad verschobene Verdrängersteuerzeiten gegenüber dem Arbeitskolben auf. Hierbei kann eine optimale Ausnutzung der Differenztemperatur nicht statt finden.

Ein weiteres Problem der klassischen (oben genannten) Aufbauten ist ihre Komplexität, da sie Bauteile (Kolbenstange, Kreuzkopf, Pleul, Kurbelwellen) zur Steuerung des Verdrängerkolbens benötigen.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Wärmekraft- oder Kältemaschine nach dem Typ des Stirlingmotors dar, welche mit freiem Verdränger sowie freiem Zylinder aufgebaut ist und somit den Aufbau eines Stirlingmotors stark verein facht und mit verbesserten Verdrängersteuerzeiten ausstattet.

Die Arbeitsweise wird in Fig. 1 anhand eines klassischen Zylinder/Kolben- Aufbaues vereinfacht dargestellt, obwohl sie auch im Membrankolbenaufbau als auch mit nichtaxialer Bewegung durchführbar ist. Die Ab- oder Zuführung der mechanischen Energie kann entweder in der Form eines linear wirkenden Generators (oder Linearmotors), eines Pumpmechanismusses oder eines ange fügten Pleuls und einer Kurbelwelle zum Erzielen einer Drehbewegung reali siert werden. Fig. 1 beschreibt einen rotationfreien Aufbau ohne Abführung der Arbeitsenergie.

Der Hauptanspruch bezieht sich also auf einen Arbeitsprozess, der durch einen beweglichen Zylinder, einen nicht bewegten, starren Kolben sowie einen freien Verdrängerkolben charakterisiert ist und nach dem Prinzip des Stirlingmotors im sogenannten Beta- oder Gammaaufbau als Wärmekraft- oder Kältemaschine arbeitet. Die mechanische Energie wird über den Zylinder abgeleitet bzw. (als Kältemaschine) zugeleitet.

Im Folgenden wird seine Arbeitsweise als Wärmekraftmaschine anhand Fig. 1 beschrieben:

Dem Zylinder (1), welcher mit einem Arbeitsgas gefüllt ist, wird auf seiner linken Seite (Zylinderkopf) Hitze zugeführt. Dadurch erhitzt sich das Arbeits gas im Raum A und erzeugt hierdurch Druck. Dieser Druck setzt sich durch den wärmeenergieaufnehmenden und durchströmbaren Regenerator (2) fort und drückt auf den Kolben (3). Da nun aber der Kolben (3) fest ist und der Zylinder (1) beweglich, drückt sich der Zylinder, inklusive seines Rege nerators (2) und seines Verdrängers (4) vom Fixpunkt des Kolben (3) ab. Dieses Abdrücken vollzieht sich idealer Weise, bis der Heißgasdruck im Raum A dem Umgebungsdruck entspricht. Jede weitere Expansion des Raumes A (ausgelöst durch die kinetische Energie des Zylinders) erzeugt nun einen Unterdruck, welcher seinerseits den Zylinder (1) bremst. Wenn nun aber der Zylinder (1) mittels Unterdruck gebremst wird, ist davon der Verdränger (4), welcher be weglich im Zylinder gleiten kann, aufgrund seiner kinetischen Energie erstmal nicht betroffen. In Folge bewegt sich der Verdränger (4) weiter in Richtung des linken Zylinderendes (Zylinderkopf). Hierbei schiebt der Verdränger(4) das Arbeitsgas via Regenerator (2) in den Raum B, welcher durch die gekühlte Zy linderwandung und den Kolbenboden stets kalt ist. Das Abkühlen des Arbeits gases hat eine Kontraktion und somit die Steigerung des Unterdruckes zur Folge, was wiederum verstärkt die Bewegung des Zylinders (1) bremst und damit den Verdänger (4) noch mehr Arbeitsgas in den kalten Raum B schieben lässt. Der Bremsvorgang (respektive Bremsweg) des Zylinders verkürzt sich also expotential. Ist nun der Verdränger (4) am linken Ende des Zylinders (1) angelangt und das Höchstmaß des Arbeitsgases befindet sich im kalten Raum B und ist der Zylinder (1) abgebremst, so ist dann der Unterdruck hoch und der Zylinder (1) bewegt sich in Richtung des Kolbens (3). Diese Bewegung be schleunigt sich wiederum bis zum Druckausgleich. Reziprok zur oben be schriebenen Expansion, bremst der Zylinder (1), nach dem Druckausgleich durch den entstehenden Überdruck, seine Bewegung. Der Verdränger (4), welcher ja rezibrok zum obigen Verhalten, seine kinetische Energie vorerst ungebremst beibehält, schiebt das Arbeitsgas zurück via Regenerator (2) in den Raum A. Ist nun der Zylinder (1) auf seinem hier beschriebenen Rückweg zum Arbeitskolben (3) wieder zum Stillstand gekommen, und der Druck des Arbeits gases hat durch größtmögliches Rückpumpen in den Raum A, sowie Erhitzung sein Höchstmaß an Überdruck erreicht, beginnt wiederum die oben beschrieben Expansion und die Maschine arbeitet im, sich selbst steuernden, Kreisprozeß.

Durch zusätzliche Applikationen, wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, einer Fe der (5) und eines Magneten (6) läßt sich die oben beschriebene Maschine auch als selbststartende Maschine ausbilden. Die Feder ist so bemessen, daß sie den Verdränger (4) vor Anlauf der Maschine in seine Expansionsstellung zurück schiebt. Der Magnet (6) ist so bemessen, daß er den Zylinder (1) solange zu rückhält, bis durch Erhitzen der Überdruck auf einen Wert gestiegen ist, welcher beim Ablösen des Zylinders (1) vom Magneten (6) den Zylinder (1) inklusive Verdränger (4) auf ein Maß beschleunigt, welches trotz entgegen wirkender Federkraft, den Verdränger (4) (im darauffolgenden Bremsverlauf) in Relation zum Zylinder (1) bewegen läßt. Auch hier stellt sich in Folge der oben beschriebene Kreisprozeß ein. Auch kann durch externe Anschläge (12) die Freiheit des Zylinders zwangsbeschränkt werden.

Als Kältemaschine (im Stirlingprinzip) kann die vorliegende Erfindung in der Weise aufgebaut werden, wie schematisch in Fig. 3 angezeigt wird. Hierin bewegt der Aktuator (7)(ein linearer Elektromotor) den Zylinder (1) mit solcher Stärke und Ausrichtung, daß der Verdränger (4) in Relation zum Zylinder (1) (in oben beschriebener Weise) sich bewegt. Somit wird dann bei der Volumenver größerung (Expansion) der Raum A (respektive das Gas) expandiert, was thermodynamisch zu einer Abkühlung des Arbeitsgases (respektive Wärmeent zug von der Zylinderwand im Raum A) führt. Ab dem Moment, an welchem der Aktuator (7) den Zylinder (1) nicht weiter beschleunigt, bewegt sich der Verdränger (4) in der Weise, daß er das Arbeitsgas via Regenerator (2) in den Raum B befördert. Bei Rückbewegung des Zylinders (1) (ausgelöst durch den Aktuator (7)), wird dann in Folge das Arbeitsgas komprimiert und gibt die zu- von der Zylinderwand in Raum A entzogene Wärme der Zylinderwand in Raum B ab.

Fig. 4 zeigt die vorliegende Erfindung kombiniert mit einem Pumpgehäuse (8), dem Raum C, einer Membran (9) und den Automatikventilen (10, 11). Ob als Wärmekraft- oder Kältemaschine kann mit diesem Aufbau die Bewegung des Zylinders(1) direkt zum Pumpen des Mediums(Flüssigkeit oder Gas) in Raum C genutzt werden. Ein Applikationsvorschlag, welcher z. B. in Kühl systemen zu dessen Automatisierung gut eingesetzt werden kann. Fig. 5 zeigt die Erfindung in kreissektorförmigen Aufbau. Einem vermeindlicher Nachteil der vorliegenden Erfindung, das material belastende Anschlagen des Verdrängers an Zylinderkopf und Boden, kann durch Federungsmechanismen und der Wahl der Verdrängermasse in Relation zu den auftretenden Gasturbulenzen durch den Regenerator auf einen Wert nahe Null gebracht werden.

Grundsätzliche Nachteile der vorliegenden Erfindung sieht der Erfinder in hoher Vibration und der ständigen Bewegung der Heißseite. Der hohen Vibration kann entgegengewirkt werden, indem zwei oder mehr Einheiten in Arbeitsrichtung synchron gegeneinander laufen.

Die stete Bewegung des Heißraumes(Zylinder (1)) erschwert die Flamm beheizung (durch Brenngase). Jedoch Rauchgase oder Erhitzen durch Wärme strahlung (z. B. in einem Solarspiegel) beeinträchtigen den Heizverlauf nur gering.

Die vorliegende Erfindung stellt nach Auffassung des Erfinders eine absolute Neuerung dar, da nach Eigenrecherche nur in Ansätzen ähnliche Patente bereits vergeben wurden. Zu nennen ist hier Henry Essex (USA 1902, Patentnr.: US 723660), wessen Stirlingmotor zwar einen bewegten Zylinder (Außen kolben), einen feststehenden Kolben (von ihm Zylinder benannt) besitzt, aber dessen Verdrängerkolben mittels Kurbelwelle, Pleul und Phasenwinkel von aussen bewegt wird.

Weiterhin zu nennen wäre E. Franklin (England 1973, Patentnr.: DE 22 53 296), welcher zwar einen Stirlingmotor mit freiem Zylinder und freiem Verdränger vorschlug, jedoch den Kolben nicht starr hält sondern ihn beweglich als Arbeitskolben zur Extraktion der Energie benutzt. Hierdurch wird bei Franklins Patent nur ein Phasenwinkel von 90 Grad zwischen Verdränger und Arbeits kolben erreicht. Vergleichbares gilt für das deutsche Patentnr.: DE 22 59 623 (1973) von E. H. Cooke-Yarborough und E. Franklin, sowie W. T. Beale, USA 1969; Patentnr. DE 19 33 159. Bei der hier vorgelegten Erfindung wird ein Pha senwinkel von bis zu 180 Grad sowie ein diskontinuierliches (linear zu Anfang; expotential gegen Ende des Bewegungsweges) Bewegungsverhalten des Ver drängers erreicht.

Weiterhin zu nennen ist Richard. F. Kinnersly (England 1991, Patentnr.: WO 9116533), welcher zwar mit stationären Kolben und bewegtem Zylinder nach dem Stirlingprinzip arbeitet, jedoch (da nach dem Alphaprinzip aufge baut) über keinen Verdrängerkolben verfügt.

J. Byer (USA 1987, Patentnr.: US 4699093), H. B. P. Roger (Frankreich 1992, Patentnr.: FR 2677420) sowie W. Schmied (USA 2000, Patentnr.: US 6032622) schlugen Verbrennungsmotoren mit bewegtem Zylinder und stationären Kol ben vor, aber abweichendem Grundentwurf (kein Verdränger, kein Stirling motor).

Davey Gordon (England 1990, Patentnr.: GB 2239494), A. J. Rascov (USA 1990, Patentnr.: US 4957419) und Th. Witt (1913, DE 274 278) schlugen Kom pressoren mit stationären Kolben vor, welche abgesehen von Ventilen auch über keinen (wie hier vorgeschlagen) Verdränger verfügen.

Die zu Anfang dieser Beschreibung genannten Problematiken der bis dato be kannten Stirlingmotoren, wie Komplexität des Aufbaus und schlechte Ver drängersteuerzeiten sieht der Erfinder in der vorliegenden Erfindung als beho ben an, da zum Einen sich jegliche Verdrängerbewegung erst nach den Arbeits takten vollzieht und zum Anderen die Simplizität des vorgeschlagenen Auf baues nicht nur die Baukosten stark reduziert. Weiterhin eröffnen sich auch neue Möglichkeiten der Miniaturisierung (Nanotechnologie) solcher Aufbauten.

Claims

1. Wärmekraft- oder Kältemaschine dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem freiem Verdränger, einem bewegtem Zylinder und einem feststehenden Kolben und nach dem Prinzip des Stirlingmotors gemäß des Beta- oder Gammatyps arbeitet.

2. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit axial bewegtem Zylinder und Verdränger aufgebaut ist.

3. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdrängen bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem kreissektorförmigen Zylinder sowie kreissektorenförmigen Verdränger aufgebaut ist.

4. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß sie mit einem kreissektorförmigen Kolben versehen ist.

5. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolben als Balgkolben ausgeführt ist.

6. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolben als Membrankolben ausgeführt ist.

7. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Regenerator im Verdränger integriert ist.

8. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Regenerator extern ausgeführt ist und das Arbeitsgas über einen Bypass in den Zylinder leitet.

9. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 sowie 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger zum Teil durch die Erdgravitation beein flußt wird.

10. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger sich nicht unkontrolliert frei bewegt, sondern mittels Federmechanismus, Magnet, pneumatischen Federmechanismus oder hydrostatischen Federmechanismus ganz oder in Teilabschnitten geführt wird.

11. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zylinder sich nicht unkontrolliert frei bewegt, sondern mittels einer mechanischen, pneumatischen, oder hydrostatischen Feder, oder mittels eines Magneten ganz oder in Teilabschnitten geführt wird.

12. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß im Falle der Ausführung als Wärmekraftmaschine, die Bewe gungsenergie mithilfe eines linearen Generators abgeleitet oder im Falle der Ausführung als Kältemaschine, die Bewegungsenergie mithilfe eines Linear motors zugeführt wird.

13. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bewegungsenergie mithilfe eines Pleuls und einer Kurbel welle in eine Drehbewegung umgeleitet wird.

14. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bewegung der Maschine direkt in einem Pumpenmechanis mus ausgenutzt wird.

15. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Minderung der auftretenden Vibrationen zwei oder mehr Maschineneinheiten in gegenüberliegenden Anordnung aufgebaut werden.

16. Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylin der und feststehendem Kolben nach Patentanspruch 1 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zylinder den Kolben nicht innenliegend hat, sondern der Zy linder als eine Art Becherkolben in einem weiteren starren Zylinder läuft.