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Die Erfindung beschreibt einen 2-Zyklen-Stirling-Motor der vollkommen gasdicht ist. Die
Hauptbaugruppen des Motors sind 2 Zylinder mit je einem Kolben, mindestens eine
Magnetkupplung des einen oder beider Kolben zu einem konventionellen Kurbeltrieb, ein
gemeinsamer Heatpipeerhitzer für beide Zyklen, 2 Regeneratoren und 2 Kühler.
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Derartige Motoren sind wegen ihrer hohen massen- und volumenbezogenen Energiedichte,
ihrer Druckdichtigkeit, der großen möglichen Wärmeübertragung in Erhitzer und Kühler bei
günstigem Volumenverhältnis und annähernder lsothermie, der möglichen Kopplung zu
konventionellen ölgeschmierten Kurbeltrieben und wegen der einfachen Konstruktion sowohl
für Antriebe als auch für Blockheizkraftwerke geeignet.
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2-Zyklen-Motoren sind schon seit längerem bekannt. Diese Motoren arbeiten mit einem
Expansions- und einem Kompressionszylinder.
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Eine der größten Schwierigkeiten derartiger Motoren liegt darin, die
Kolbenstangendurchführung der heißen Zylinderseite abzudichten. Jedoch auch die notwendige Abdichtung
der Kolbenstangendurchführung auf der kalten Zylinderseite läßt den Verlust von Arbeitsgas
nicht ausschließen.
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Für die Erhitzer von Stirling-Motoren haben sich wegen der notwendigen hohen
Strömungsgeschwindigkeiten für gute Wärmeübergänge auf der Arbeitsgasseite
Röhrenerhitzer als vorteilhaft erwiesen. Nachteilig ist der hohe konstruktive Aufwand und
damit auch der hohe Preis.
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Bei der Kühlung des Kompressionsraumes muß ein Kühler zur Anwendung gelangen, der
neben den notwendig großen Wärmeübertragungsflächen trotzdem einen geringen Totraum
des Arbeitsgases absichert.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Die vollkommene Gasdichtigkeit des Motors wird über eine Magnetkupplung der geteilten
Kolbenstange mindestens auf der Expansionsseite erreicht.
- 2. Ein Freikolben auf der Kompressionsseite des 2-Zyklen-Motors ermöglicht einen
insgesamt einfachen Kurbeltrieb und kann auf dieser Seite die Magnetkupplung einer
geteilten Kolbenstange sparen.
- 3. Ein einfacher Erhitzer für 2 Zyklen ist durch mehrere, je Zyklus zusammengefaßte,
schräge Zylinderbohrungen für das Arbeitsgas in der heißen Zylinderwand realisiert.
- 4. Eine ausreichende Wärmezufuhr zum Arbeitsgas und die Isothermie der heißen
Zylinderwand wird im Zusammenhang mit den Gasbohrungen durch Zylinderbohrungen
erreicht, die die Kondensationszone einer Heatpipe bilden.
- 5. Der mögliche Einsatz eines Duranglaszylinders und eines Graphitkolbens nur auf der
Kompressionsseite des 2-Zyklen-Motors gewährleistet eine einfachen, hoch belastbare
und kostengünstige Ausführung.
- 6. Der Einsatz von Mikrowärmeübertragern für die beiden Kühler des 2-Zyklen-Motors
ermöglicht eine gute Wärmeabfuhr bei gleichzeitig geringem Totvolumen.
- 7. Höhere Leistungen und ein einfacher Massenausgleich sind erreichbar, wenn eine
weitere der beschriebenen Expansionszylindereinheit auf der gleichen Kurbelwelle mit
180° Phasenversatz läuft. Es ergibt sich die Doppelnutzung der Regeneratoren, der
Kühler, der Heatpipe, eines Brenners und nur einer Motor-Kompressionseinheit.
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Die Erhitzung des Arbeitsgases erfolgt bei den konventionellen Stirling-Motoren in einem
aufwendigen Erhitzer, der außerhalb des Zylinders liegt. Mit vorliegender Erfindung ist es
erstmals möglich, mittels Hindurchleitung des Arbeitsgases durch die über den Umfang
verteilten im Querschnitt schrägen Zylinderbohrungen 1.3 und 1.4 den Zylinder als Erhitzer
zu nutzen. Diese Bohrungen sind auf der Innenseite des Zylinders mit den Gasräumen
beider Zyklen verbunden (alle Bohrungen 1.3 mit Zyklus 1, alle Bohrungen 1.4 mit Zyklus 2)
und auf der Außenseite jeweils in Gassammelkanälen zusammengefaßt (alle 1.3 in 1.5, alle
1.4 in 1.6). Die beiden Gassammelkanäle 1.5 und 1.6 lassen sich außen liegend, wie in der
Abbildung, anordnen oder können auch umlaufend in die Zylinderwand gefräst und
anschließend geschweißt verschlossen werden. Bei der Frästiefe ist die Lage der
Heatpipebohrungen 1.7 zu beachten.
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Im Zusammenhang mit der Variation der Expansionszylinderlänge läßt sich mit der
vorgeschlagenen Anordnung über den Bohrwinkel der schrägen Bohrungen ebenfalls die
Länge der Bohrungen variieren. Die durch eine Heatpipe-Konstruktion erhitzte Zylinderwand
sorgt über diese Bohrungen für die gleichzeitige Erwärmung beider Gaszyklen des Zylinders.
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Ein Stativ 1.16 mit guten Festigkeitseigenschaften bei geringer Wärmeleitung hält den
Expansionszylinder 1.1 in seiner senkrechten Position. Über den Umfang des Zylinders
verteilte gerade Zylinderbohrungen 1.7, die oben und unten verschlossen sind und neben
den Gasbohrungen liegen, dienen als Kondensationszone einer Heatpipe. Durch die
Schwerkraft des Kondensates in den einzelnen Röhren gelangt das Phasenwandelmaterial
z. B. flüssiges Natrium über den Sammelkanal 1.8 in die Heatpipe-Transportzone 1.9 und von
dort zur Verdampfungszone, die über ausreichende Heizflächen verfügt und in direktem
thermischen Kontakt zum Brenner steht. Anstelle des außen liegenden in der Abb. 1
ersichtlichen Heatpipe-Sammelkanals 1.8 läßt sich dieser auch in die Zylinderwand fräsen
und anschließend geschweißt verschließen.
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Mit der Kondensation des Phasenwandelmaterials in den Zylinderbohrungen 1.7 wird dem
Zylinder die notwendige Wärme zugeführt.
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Eine Hochtemperatur-Isolierung z. B. für 700°C des Expansionszylinders läßt sich bedingt
durch die konstruktive Anordnung der außen freien Zylinderwand problemlos realisieren.
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Die Abdichtung des Expansionskolbens 1.2 im Hochtemperaturbereich wird erleichtert durch
die Drücke der beiden gegenläufigen Arbeitsgaszyklen. Wenn der Mitteldruck z. B. 13 bar
beträgt, könnten der Minimaldruck 10 bar und der Maximaldruck 16 bar sein. Demzufolge
muß nur gegen eine maximale Druckdifferenz von 6 bar abgedichtet werden.
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Als Hochtemperatur-Gleitpaarung wird eine intermetallische Phase an den Gleitoberflächen
von Kolben und Zylinder aus Nickel und Zinn vorgeschlagen.
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Der Expansionskolben 1.2 ist fest verbunden mit dem Kolbenstangenoberteil 1.10, das unten
in die Verlängerungshülse des gasdichten Expansionszylinderdeckels 1.15 eintauchen kann.
Im unteren Ende des hohlen Kolbenstangenoberteils 1.10 befindet sich ein magnetischer,
vorzugsweise zylindrischer Körper 1.12 als Eisenkern oder Permanentmagnet und ist damit
einer von 2 Partnern einer Magnetkupplung. Im oberen Ende des hohlen
Kolbenstangenunterteils 1.11 befindet sich der ringförmige zweite Magnet-Partner 1.13. Das obere Ende
des Kolbenstangenunterteils 1.11 umschließt magnetisch das untere Ende des
Kolbenstangenoberteils 1.10. Jede Bewegung des Kolbenstangenoberteils 1.10 mit dem
Kolben 1.2 bedingt die synchrone Bewegung des Kolbenstangenunterteils 1.11. Für die
Bewegung des Kolbenstangenunterteils 1.11 muß es so ausgeführt sein, daß es weder oben
an den Deckel 1.15 noch unten an die Verlängerungshülse dieses Deckels anstoßen kann.
Hierfür ist eine Aussparungsbohrung o. ä. im Kolbenstangenunterteil 1.11 für die Aufnahme
der Verlängerungshülse nötig.
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Das Kolbenstangenunterteil 1.11 endet unten an einem Kreuzkopf oder einer anders
gearteten evtl. auch magnetischen Linearführung und ist dort an den Pleuel des Kurbeltriebs
angelenkt. Da sich die Arbeitsabgabe des beschriebenen 2-Zyklen-Motors größtenteils auf
der Expansionsseite vollzieht, treibt der Expansionskolben 1.2 über die Magnetkupplung die
Kurbelwelle an.
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Für eine ausreichende thermische Entkoppelung von Expansionszylinder 1.1 und
Magnetkupplung müssen bei geringer Wärmeleitung des Materials die Längen von
Kolbenstangenoberteil 1.10 und Verlängerungshülse des Zylinderdeckels 1.15 ausreichend
dimensioniert sein.
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Die gleiche Magnetkupplung läßt sich auch für die Kompressionsseite herrichten, nur daß
der Kraftfluß in umgekehrter Richtung von der Kurbelwelle über den Kompressionskolben 2.2
zum Arbeitsgas verläuft.
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Freikolbenmaschinen sind seit längerem bekannt. Unbekannt ist die Möglichkeit der
Anordnung eines doppeltwirkenden Freikolbens 2.2 nur auf der Kompressionsseite eines 2-
Zyklen-Motors. Seine Bewegung läßt sich durch die Druckschwingung des Arbeitsgases
beider Zyklen erzwingen. Die Volumenänderung des Expansionsraumes eilt für beide Zyklen
der des Kompressionsraumes voraus. Die Realisierung des notwendigen Phasenversatzes
von annähernd 90° wird durch die Einstellung der Trägheit des Freikolbens 2.2 erreicht.
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Um einen Endanschlag an den Zylinderdeckeln 2.3 und 2.4 zu vermeiden, lassen sich
sowohl im Kolben als auch in den Zylinderdeckeln Permanentmagnete einbauen (2.5 in 2.3,
2.6 in 2.4, 2.7 und 2.8 in 2.2).
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Die Kombination von Duranglas und Graphit ist als gute Gleitpaarung und wegen der
geringen Belastung aus dem Bereich von einfach wirkenden Modell-Stirling-Motoren
bekannt. Für größere ausgeführte Stirling-Motoren scheidet ihre Anwendung jedoch aus, da
sie der mechanischen und thermischen Belastung einfach wirkender Motoren und der des
doppelt wirkenden Siemens-Stirling nicht standhalten.
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Erst ein 2-Zyklen-Motor mit einem heißen und einem kalten Zylinder eröffnet die Möglichkeit
des uneingeschränkten Einsatzes für die Kompressionszylindereinheit. Die geringfügige
Gasdiffusion durch den Kolben beeinträchtigt nicht die Funktion des 2-Zyklen-Motors, ist
jedoch für einfach wirkende Alpha-, Beta- und Gamma-Motoren wegen des Gasverlustes von
fundamentaler Bedeutung. Durch die thermische Spannung in der Zylinderwand des
Siemens-Stirling und die thermische Belastung der einen Kolbenseite scheidet der Einsatz
auch für diesen doppelt wirkenden Motor aus.
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Die Ausführung des Kompressionszylinders 2.1 aus Duranglas und des
Kompressionskolbens 2.2 aus Graphit hat den offensichtlichen Vorteil der Beobachtbarkeit der
Freikolbenfunktion.
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Die Volumenausdehnungskoeffizienten des Duranglaszylinders 2.1 und des Graphit-Kolbens
2.2 lassen sich mit einer Material-Variierbarkeit (Faserstruktur oder Harzzusatz) beim Graphit
präzise aufeinander abstimmen. Ein handelsübliches Präzisionsrohr aus Duranglas wird mit
passenden Deckeln (2.3, 2.4) und Spannschrauben von 2.3 zu 2.4 druckdicht verschlossen.
Mikrowärmeübertrager besitzen ein kleines Bauvolumen bei sehr großen
Wärmeübertragungsflächen. Sie beinhalten eine große Anzahl diffusionsverschweißter geformter Folien,
die Kanalbreiten in der Größenordnung von 50 bis 100 Mikrometern bilden. Ihre
Druckbelastbarkeit ist hoch. Im Stirling Motor bedingt ein geringes Bauvolumen ebenfalls ein
geringes Totvolumen des Arbeitsgases und ein Einsatz insbesondere als Stirling-Kühler ist
möglich.
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Der Verwendung von kompakten Mikrowärmeübertragern ist im Zusammenhang mit dem
beschriebenen 2-Zyklen-Motor von besonderer Bedeutung, weil der Motoraufbau,
insbesondere die Anordnung der Zylinder eine Unabhängigkeit der Kühlerbauform
ermöglicht.
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Eine höhere Leistung und ein einfacher Massenausgleich lassen sich erreichen, wenn eine
weitere der beschriebenen Expansionszylindereinheit auf der gleichen Kurbelwelle mit 180°
Phasenversatz läuft. Es lassen sich die zwei Regeneratoren R1 und R2 und die zwei Kühler
K1 und K2 beider Zyklen sowie die eine Kompressionszylindereinheit bei entsprechender
Auslegung von den nunmehr beiden vorhandenen Expansionszylindereinheiten gleichzeitig
nutzen. Dazu wird wechselseitig der eine Gasraum des ersten mit dem anderen Gasraum
des zweiten Expansionszylinders verbunden. Die beiden Heatpipe-Transportzonen 1.9 und
1.9', die von den beiden Heatpipe-Sammelkanälen 1.8 und 1.8' beider Expansionszylinder
kommen, lassen sich so verbinden, daß für die sich ergebene gemeinsame Heatpipe nur ein
Brenner benötigt wird.
Bezugszeichenliste der Abb. 1
1.1 Expansionszylinder (z. B. mit innerer Oberfläche aus Ni-Sn-Intermetall)
1.2 Expansionskolben (z. B. mit Oberfläche aus Ni-Sn-Intermetall)
1.3 Gasbohrungen des 1. Zyklusses im Expansionszylinder (über dessen Umfang verteilt)
1.4 Gasbohrungen des 2. Zyklusses im Expansionszylinder (über dessen Umfang verteilt)
1.5 Gassammelkanal des 1. Zyklusses
1.6 Gassammelkanal des 2. Zyklusses
1.7 Heatpipe-Kondensationsrohre des Expansionszylinders (über dessen Umfang verteilt)
1.8 Heatpipe-Sammelkanal
1.8' Heatpipe-Sammelkanal eines möglichen zweiten Expansionszylinders (nicht abgebildet)
1.9 Heatpipe-Transportzone zum Brenner
1.9' Heatpipe-Transportzone eines möglichen zweiten Expansionszylinders (nicht abgebildet)
1.10 Oberteil der Kolbenstange des Expansionskolbens
1.11 Unterteil der magnetgekoppelten Kolbenstange
1.12 Eisenkern oder Permanentmagnet des Kolbenstangenoberteils
1.13 Elektromagnetspule oder Ring-Permanentmagnet des Kolbenstangenunterteils
1.14 oberer gasdichter Expansionszylinderdeckel
1.15 unterer gasdichter Expansionszylinderdeckel mit Verlängerungshülse für Magnetkupplung
1.16 Stativ zur Befestigung des Expansionszylinders
2.1 Kompressionszylinder (z. B. Duranglas)
2.2 Kompressionsfreikolben (z. B. Graphit)
2.3 oberer gasdichter Kompressionszylinderdeckel
2.4 unterer gasdichter Kompressionszylinderdeckel
2.5 Permanentmagnet des oberen Kompressionsylinderdeckels
2.6 Permanentmagnet des unteren Kompressionszylinderdeckels
2.7 oberer Permanentmagnet des Kompressionskolbens
2.8 unterer Permanentmagnet des Kompressionskolbens
G1 Gasraum 1. Zyklus
G2 Gasraum 2. Zyklus
K1 Kühler 1. Zyklus (z. B. Mikrowärmeübertrager)
K2 Kühler 2. Zyklus (z. B. Mikrowärmeübertrager)
R1 Regenerator 1. Zyklus
R2 Regenerator 2. Zyklus
D Dichtungen der Zylinderdeckel
KW Kühlwasserstrom