DE102006040206A1 - Wasserstoffausgleichssystem für zweifach wirkenden Stirlingmotor - Google Patents
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Abstract
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Diese Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, und insbesondere einen verbesserten Stirlingkreislaufmotor mit Merkmalen zum Ausgleichen von Druck zwischen getrennten Arbeitsgas-Volumina in dem Motor.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Das grundsätzliche Konzept des Stirlingmotors geht zurück auf ein Patent, das für Robert Stirling 1917 erteilt wurde. Der Motor arbeitet, indem er Arbeitsgas veranlasst, zwischen Temperaturdifferenzbereichen zu pendeln, die mit Volumen- und Druckveränderungen einhergehen. Stirlingmotoren besitzen einen reversiblen thermodynamischen Kreislauf und können deshalb als Mittel zum Liefern mechanischer Kraftabgabe von einer Wärmequelle genutzt werden, oder sie können als Wärmepumpe durch Anwendung mechanischer Energieeinspeisung wirken. Unter Verwendung verschiedener Wärmequellen, wie etwa von verbrannten fossilen Brennstoffen oder konzentrierter Sonnenenergie, kann mechanische Energie bzw. Kraft durch den Motor geliefert werden. Diese Energie kann genutzt werden, um Elektrizität zu erzeugen, oder sie kann direkt mechanisch mit Last gekoppelt werden. Zahlreiche potentielle Anwendungen für Stirlingmotoren sind identifiziert worden und umfassen beispielsweise Primärantriebe für Kraftfahrzeuge, Sonnenenergieerzeugung, Abwärme rückgewinnung und entfernte Lokalisation einer Elektrizitätserzeugung.
- Die Rechteinhaberin der vorliegenden Anmeldung, die STM Power, Inc. (die bislang unter Stirling Thermal Motors, Inc. firmierte), hat signifikante Fortschritte bezüglich der Technik von Stirlingmaschinen über eine Anzahl von Jahren gemacht. Beispiele derartiger Neuerungen umfassen die Entwicklung einer kompakten und effizienten grundsätzlichen Stirlingmaschinenkonfiguration unter Verwendung eines parallelen Clusters aus zweifach wirkenden Zylindern, die mechanisch über eine rotierende Taumelscheibe verbunden sind. In zahlreichen Anwendungen wird ein Taumelscheibenstellorgan implementiert, um den Taumelscheibenwinkel und damit den Hub und das Verdrängungsvolumen der Kolben in Übereinstimmung mit Motorbetriebsbedingungen ändern zu können.
- Obwohl die Inhaberin signifikante Vorteile in Bezug auf die Konstruktion der Stirlingmaschine erzielt hat, besteht dauerhaft ein Bedarf an weiteren Verfeinerungen. In zweifach wirkenden, Mehrzylinder-Stirlingmaschinen werden isolierte Volumina aus Arbeitsfluid, typischerweise Helium- oder Wasserstoffgas durch die Maschine zum Pendeln gebracht. In Übereinstimmung mit dem thermodynamischen Kreislauf einer Stirlingmaschine werden diese isolierten Volumina zyklisch komprimiert und expandiert und zwischen Räumen zum Pendeln gebracht, die unterschiedliche Temperaturen besitzen. Aufgrund dynamischer Bedingungen während des Betriebsablaufs, Leckage und Startbedingungen, treten Schwankungen bezüglich der Gasmasse, die in jeden der isolierten Zyklusvolumina enthalten ist, auf. Diese Differenzen bezüglich der "Lade"-Masse bzw. des Belastungsausmasses oder des Volumens in isolierten Zyklusvolumina führen zu Ungleichgewichten und Rauhigkeit beim Betrieb der Maschine. Diese Ungleichgewichte bringen außerdem unerwünschte mechanische Kräfte mit sich, welche auf die beweglichen Teile der Maschine einwirken, erhöhen das Geräusch und Vibration der Maschine während des Betriebs, beeinträchtigen den thermischen Wirkungsgrad und erhöhen das Startdrehmoment.
- Selbst bei idealer Abdichtung zwischen den aktiven Teilen der Stirlingmaschine und gleichmäßigen Belastungsvolumina bzw. Ladevolumina des Arbeitsgases während des Betriebs gilt, sobald die Maschine abgeschaltet wird, werden die Zyklusvolumina in unterschiedlichen Kompressionsstufen gestoppt. Unvermeidlich leckt hierbei Arbeitsgas aus Hochdruckbereichen in Niederdruckbereiche während einer Zeitperiode aus. Dies führt zu einer Differenz des Ladevolumens bzw. Belastungsvolumens zwischen Zyklen, die jeweils ein getrenntes Volumen festlegen. Beim Starten der Maschine existiert zwischen Arbeitsgaszyklen eine signifikante Differenz des Ladevolumens. Diese Erfindung stellt ein System bereit zum Ausgleichen von Arbeitsgasladevolumina zwischen den isolierten Zyklusvolumina.
- Ein Ansatz in Richtung auf die Bereitstellung eines Druckausgleichs zwischen isolierten Zyklusvolumina in einer Mehrzylinder-Stirlingmaschine ist in dem US-Patent Nr. 5,813,229 erläutert, die auf die Inhaberin der vorliegenden Anmeldung zurückgeht. Dieses Patent beschreibt, dass jedes der Zyklusvolumina über eine Kapillarröhre kleinen Durchmessers kommuniziert. Obwohl dieses System im Verlaufe der Zeit zu einem Druckausgleich führt, hat es den Nachteil, dass ein konstanter Verlust des Wirkungsgrads aufgrund eines Gasaustausches zwischen Zyklen selbst dann erzeugt wird, wenn Druckausgleichsbedingungen nicht vorliegen. Dies ist deshalb der Fall, weil die Kapillar röhre Druckveränderungen unterliegt, die außer Phase sind, weshalb durch die Kapillarröhren ein konstanter Pendelstrom von Gasen vorliegt.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird ein System bereitgestellt, welches winzige Übertragungen von Arbeitsgas zwischen Zyklusvolumina in einer Art und Weise zulässt, die für minimale Drücke der Volumina sorgt und folglich dazu, dass ihre gesamte Belastungsvolumina ausgeglichen werden. Dies hat die Wirkung, dass eine gleichmäßig laufende Maschine erzeugt wird und dass die vorstehend genannten Nachteile von Stirlingmaschinen in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik überwunden werden.
- Stirlingmotor-Neuerungen gemäß der vorliegenden Erfindung können in zahlreichen Maschinenkonfigurationen implementiert werden, einschließlich denjenigen, die bislang durch die Inhaberin der vorliegenden Anmeldung entwickelt wurden, einschließlich denjenigen, die erläutert sind in den US-Patenten Nr. 4,481,771; 4,579,046; 4,615,261; 4,669,736; 4,836,094; 5,611,201; 5,706,659; 5,722,239; 5,865,091 und 5,938,207, und auf welche hiermit Bezug genommen wird. Grundsätzliche Merkmale zahlreicher Stirlingmotoren, die in den vorstehend genannten Patenten erläutert sind, sind auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung implementiert.
- Das erfindungsgemäße System nutzt einen Kolben mit einer hohlen Verbindungsstange, welche ein Paar von getrennten Stangendichtungen durchsetzt. Der interne Durchlass der Verbindungsstange kommuniziert mit einem ringförmigen Kolbendichtungsvo lumen zwischen einem Paar axial getrennter Kolbendichtungsringen. Der hohle Verbindungsstangendurchlass kommuniziert mit Volumina für jeden Zylinder, die sämtliche gemeinsam über Durchlässe verbunden sind, um ein Ausgleichsvolumen oder – plenum zu bilden. Dieses Plenum bzw. diese Kammer wird während der Verwendung von Ventilen, wie etwa Einwegeventilen, die mit den einzelnen Zyklusvolumina kommunizieren, auf einen minimalen Zyklusdruckpegel gehalten. Im Betrieb wird das Ausgleichsvolumen auf dem niedrigsten minimalen Zyklusdruck in dem System gehalten. Arbeitsgas kann sich in jedes der Zyklusvolumina bewegen, die einen minimalen Druck aufweisen, der sich von dem Plenumdruck um die Leckage von Arbeitsgas jenseits der Kolbenringe unterscheidet.
- Weiterer Nutzen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und den anliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt schematisch einen zweifach wirkenden Vierzylinder-Stirlingmotor, der die Merkmale der vorliegenden Erfindung enthält; und -
2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Kolben zur Verwendung in Verbindung mit dem in1 gezeigten Motor. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- In
1 ist ein zweifach wirkender Mehrzylinder-Stirlingmotor schematisch gezeigt und allgemein mit der Be zugsziffer10 bezeichnet. Der Stirlingmotor10 besteht aus vier allgemein identischen Zylinderaufbauten12 , die jeweils eine Zylinderbohrung14 enthalten, wobei ein Kolben16 in der Zylinderbohrung hin- und herläuft. Eine Verbindungsstange18 ist mit jedem der Kolben16 und mit einem Antriebssystem verbunden, wie etwa einem kinetischen Taumelscheiben-Antriebssystem der Art, die in den vorstehend genannten US-Patenten der Inhaberin vorliegender Anmeldung erläutert ist, und auf die vorliegend Bezug genommen wird. Weitere bekannte Antriebe umfassen magnetisch gekoppelte Systeme und sogenannte Konstruktionen mit "freiem Kolben", die unter einer Resonanzbedingung arbeiten. Das Antriebssystem23 ist schematisch gezeigt und dient zum Bereitstellen einer allgemein sinusförmigen Bewegung der Kolben16 . Die Zylinderaufbauten12 des Stirlingmotors10 sind bevorzugt in einem quadratischen Cluster angeordnet, in1 jedoch zur Vereinfachung der Darstellung nebeneinander liegend gezeigt. Der Zylinderaufbau12 in der Darstellung links in1 ist in der Praxis benachbart zu dem Zylinderaufbau12 angeordnet, der rechts in dieser Figur gezeigt ist. - Ein Paar von Kolbenringen
20 und22 stellen eine Abdichtung für den Radialraum zwischen dem Kolben16 und dem Innendurchmesser der Zylinderbohrung14 bereit, und diese Bestandteile definieren ein ringförmiges Kolbendichtungsvolumen58 . Die Gleitstangendichtung24 ermöglicht einen Hin- und Herlauf der Verbindungsstange18 , während eine Fluiddichtung bereitgestellt wird. In ähnlicher Weise stellt die Stangendichtung26 außerdem ebenfalls eine Fluiddichtung für die Verbindungsstange18 bereit. Die Stangendichtungen24 und26 sind getrennt, um für jeden der Zylinderaufbauten12 ein partielles Vergleichmäßigungsvolumen28 zu definieren. Jeder der Kolben16 wirkt als bewegliche Grenze eines Paars von getrennten Arbeitsgaszyklusvolumina, die in1 mit Zyklusvolumina "A", "B", "C" und "D" bezeichnet sind. Wie vorstehend angesprochen, umfassen typischerweise für Stirlingmotoren genutzte Arbeitsgase Helium und Wasserstoff (in einigen Fällen Luft). Jedes der Zyklusvolumina A, B, C, und D ist durch die Unterseite von einem der Kolben16 und Ringe22 an einer Grenze angebunden, und durch die Oberseite und den oberen Kolbenring20 des benachbarten Kolbens16 eines verbundenen bzw. angeschlossenen Zylinderaufbaus12 . Der untere Abschnitt von jedem Zylinderaufbau12 steht über einen Kanal36 durch einen Wärmetauscherstapel in Verbindung, der einen Kühle30 , einen Regenerator23 und einen Heizer34 enthält. In dem Bereich des Kühlers30 strömendes Gas ist wärmebefreit, während Wärme auf das Arbeitsgas übertragen wird, wenn es im Heizer34 anwesend ist. Der Regenerator32 wirkt dahingehend, Wärmeenergiespeicherung bereitzustellen, die Wärmezufuhr erfährt, wenn heiße Gase durch ihn strömen, und Wärme abgibt, wenn relativ kühlere Gase durch ihn bewegt werden. Der Kühler30 , der Regenerator32 und der Heizer34 stellen an sich bekannte Grundbestandteile von Stirlingmotoren dar. Kanäle36 und38 kommunizieren mit den Zyklusvolumina A, B, C, und D zwischen den benachbarten Zylinderaufbauten12 und dem vorstehend genannten Wärmetauscherstapel. Durch eine koordinierte außerphasige hin- und herlaufende Bewegung von jeder der Verbindungsstangen18 , welche durch das Antriebssystem23 im Betrieb bereitgestellt wird, treten zyklische Druckveränderungen von jedem der Zyklusvolumina auf, die durch die beweglichen Grenzen verbunden sind. - Einwegsperrventile
40 sind vorgesehen, welche die Zyklusvolumina A, B, C und D mit dem Vergleichmäßigungsvolumen bzw. Ausgleichsvolumen28 verbinden. Die Sperrventile40 sind derart ausgerichtet, dass eine Gasströmung ausschließlich ausgehend vom Ausgleichsvolumen28 zu dem angeschlossenen Zyklusvolumen stattfindet, wenn eine Druckdifferenz zwischen ihnen in der in1 gezeigten Richtung auftritt, das heißt, wenn der niedrigere Druck in dem Zyklusvolumen vorliegt. Ausgleichsvolumina28 für jeden Zylinderaufbau kommunizieren über Kanäle29 , um ein kollektives Ausgleichsvolumen oder -plenum zu definieren (mit der Bezugsziffer28 bezeichnet). - Die Verbindungsstange
18 enthält einen zentralen Durchlass42 , der mit dem ringförmigen Kolbendichtungsvolumen58 zwischen den Kolbenringen22 und24 in Verbindung steht. Eine genauere Ansicht dieser Konfiguration geht aus2 hervor.2 zeigt, dass der Kolben16 einen hohlen Innendom44 aufweist. Der Kolben16 ist so aufgebaut, wie in US-Patent Nr. 5,865,091 erläutert, auf das vorliegend Bezug genommen wird. Die Verbindungsstange18 ist an dem Kolben16 über eine verjüngte Reibungspassbohrung46 angebracht und wird durch eine Rückhaltemutter48 gehalten. Die Kolbenringe22 und24 sind durch einen Abstandhalterungsring50 axial getrennt. Der Abstandhalterring50 weist einen internen Durchlass52 auf, der mit dem hohlen Innendom44 in Verbindung steht. In ähnlicher Weise steht auch der Verbindungsstangendurchlass42 mit dem hohlen Innendomvolumen44 in Verbindung. Der hohle Innendom44 führt zu einer Vergrößerung des kombinierten Volumens des Ausgleichplenums und verringert außerdem den Gasdruck in Kolben16 , wobei außerdem die konvektive Wärmeübertragung über den Kolben verringert ist. - Zum Entlasten des Stirlingmotors
10 wird eine Reihe von Ventilen54 verwendet, die Kanäle36 mit dem Ausgleichsvolumen28 öffnen und durch entfernt angeordnete elektrische Steuerung geschlossen werden können. Wenn die Ventile54 geöffnet werden, beispielsweise durch Erregen eines Solenoids, arbeitet der Stirlingmotor10 während eines geschlossenen thermodynamischen Zyklus bzw. Kreislaufs nicht. Die Ventile54 sind vorgesehen, um den Motor10 unter Startbedingungen zu entlasten oder wenn eine vollständige Entlastung des Motors im Betrieb erwünscht ist. Es wird bemerkt, dass die Ventile54 zwischen denselben Räumen wie die Einwegsperrventile40 in Verbindung stehen (die druckbetätigt sind). Der Unterschied zwischen den Ventilen betrifft einen größeren Durchsatz der Ventile54 und ihre externe Betätigung im Vergleich zu den Einwegsperrventilen40 . Zwei getrennte Sätze von Ventilen40 und54 sind zur Verwirklichung der Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich. In einer alternativen Implementierung der Erfindung können die Ventile40 entfallen und die Ventile54 können zur Öffnung während der Startbedingungen durch ein entferntes Steuersignal dienen oder, wenn sie geschlossen sind, als druckbetätigtes Einwegventil dienen, wodurch sie als Sperrventil40 arbeiten. - Die Ausgleichsvolumina
28 legen jeweils in ihrem Aggregat ein Plenum fest, das auf dem minimalen Zyklusdruck gehalten wird, der durch die Zyklusvolumina mittels Betätigung der Sperrventile40 (oder wie vorstehend angeführt durch Betätigung des Ventils54 ) ausgeübt wird. Das Arbeitsgas kann nicht von einem Zyklusvolumen zu einem anderen übertragen werden, ohne sich durch das gemeinsame Plenum56 auszubreiten. In dieser Weise wird der Gasdruck in dem Plenum56 in jeden Zyklus auf minimalem Zyklusdruck gehalten durch die Betätigung der Sperrventile40 . Wenn der Stirlingmotor stoppt, wie vorstehend angesprochen, stoppen die Kolben16 von jedem Zylinderaufbau12 in einer unterschiedlichen Stellung und jedes der isolierten Zyk lusvolumina A, B, C, und D besitzt unterschiedliches Volumen und unterschiedlichen Druck. Nachdem der Stirlingmotor10 für eine Zeitperiode stationär bleibt, neigt der Druck dieser isolierten Zyklusvolumina A, B, C und D dazu, aufgrund von Leckage zum Vergleichmäßigen, beispielsweise über die Kolbenringe20 und22 . Dieses Ungleichgewicht bezüglich des Belastungsvolumens zwischen den Zyklusvolumina für den stationären Motor ist Anlass für ein hohes Drehmoment, das erforderlich ist, den Motor zu starten, und für Ungleichgewichte während des Betriebs. Um das Startdrehmoment zu verringern, werden die Ventile54 aktiviert, um zu öffnen, wodurch jedes der Zyklusvolumina mit dem gemeinsamen Plenum56 kommuniziert. Diese Bedingung führt zu einer Entlastung des Motors und erlaubt es, dass die Belastungen sich ausgleichen zwischen den Zyklusvolumina für die ersten wenigen Umdrehungen des Motors. Eine kurze Zeit nach dem Starten werden die Ventile54 deaktiviert und das System erreicht einen stationären Betrieb. - Die Verbindung des Raums zwischen den Kolbenringen
22 und24 mit dem Plenum56 , welches auf minimalem Druck gehalten ist, erbringt die Ausgleichsfunktion für das System gemäß dieser Erfindung. Diese Verbindung verhindert eine reine Gasbelastung zwischen benachbarten Zyklen ohne Einbeziehung des Plenums56 . Im Betrieb wird das Plenum56 auf eine "mittleren" minimalen Druck für jedes der Zyklusvolumina A, B, C und D gehalten. Wenn Veränderungen des minimalen Drucks für das einzelne Zyklusvolumen während seiner zyklischen Druckveränderung auftritt, findet eine Leckage von Arbeitsgas zu oder von diesem Volumen hinter den Ringen20 und/oder22 statt. - Zahlreiche Abwandlungen können im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen. Beispielsweise kann es sich in einer körperli chen Implementierung dieses Systems bei den verschiedenen Kanälen
29 ,36 und38 um Durchlässe oder um Verbindungspfade handeln, ohne dass ein getrennter Schlauch oder ein getrenntes Rohr oder eine Kupplung erforderlich wäre. - Während die vorstehend angeführte Beschreibung die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird bemerkt, dass die Erfindung Modifikationen, Abwandlungen und Änderungen zugänglich ist, ohne vom Umfang der anliegenden Ansprüche abzuweichen.
Claims (8)
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem für einen zweifach wirkenden Mehrzylinderheißgasmotor, einschließlich für einen Stirlingmotors mit mehreren Kolben, die in Zylinderbohrungen hin- und herlaufen, welche mehrere allgemein isolierte Zyklusvolumina eines Arbeitsgases festlegen, welche durch die Kolben getrennt sind, wobei die Bewegung der Kolben durch einen Antrieb gesteuert wird, um Druckveränderungen der Zyklusvolumina hervorzurufen, wobei das Ausgleichssystem aufweist: eine Verbindungsstange, die an jedem der Kolben festgelegt und mit dem Antrieb verbunden ist, eine erste Stangendichtung und eine zweite Stangendichtung, die auf jede der Verbindungsstangen wirken und dazwischen ein Ausgleichsvolumen des Arbeitsgases festlegen, ein Paar von Kolbenringen für jeden der Kolben zum Abdichten der Kolben innerhalb der Kolbenbohrung, wobei die Kolbenringe axial getrennt sind, um ein Ringkolbendichtungsvolumen zu bilden, das durch das Paar von Ringen, die Kolben und die Zylinderbohrungen begrenzt ist, einen Durchlass, der durch jede der Verbindungsstangen gebildet ist und die ringförmigen Kolbendichtungsvolumina mit dem Ausgleichsvolumen verbindet, und ein Ventil, welches die Zyklusvolumina mit dem Ausgleichsvolumen verbindet und die Strömung von Arbeitsgas von dem Ausgleichsvolumen zu den Zyklusvolumina ermöglicht.
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Ausgleichsvolumen diskrete partielle Ausgleichsvolumina für jeden der Zylinder umfasst, die miteinander über einen Kanal verbunden sind, um das Ausgleichsvolumen zu bilden.
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem nach Anspruch 1, außerdem aufweisend ein oder mehrere Entlastungsventile, die zwischen den Zyklusvolumina und dem Ausgleichsvolumen in Verbindung stehen und über ein Steuersignal zur Bereitstellung einer Fluidkommunikation zwischen den Zyklusvolumina und dem Ausgleichsvolumen betätigbar sind, um dadurch den Motor zu entlasten, und die außerdem geschlossen werden können, um einen normalen Betrieb des Motors zu ermöglichen.
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Ventil ein Einwegsperrventil ist, das eine Strömung des Arbeitsgases ausschließlich in der Richtung vom Ausgleichsvolumen zum Zyklusvolumen zulässt.
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei die Kolbenringe axial durch einen Abstandhalterring getrennt sind.
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem nach Anspruch 5, wobei der Abstandhalterring einen Teil des Durchlasses bildet.
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei die Kolben unter Festlegung eines Innenraums hohl sind und wobei der Innenraum einen Teil des Ausgleichsvolumens umfasst.
- Arbeitsgasdruckausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Ventil als Entlastungsventil dient, welches durch ein Steuersignal geöffnet werden kann, um eine Fluidkommunikation zwischen den Zyklusvolumina und dem Ausgleichsvolumen bereitzustellen, um dadurch den Motor zu entlasten, und das geschlossen werden kann, wobei dann, wenn das Entlastungsventil geschlossen ist, es als Einwegsperrventil arbeitet, das eine Strömung des Arbeitsgases ausschließlich in der Richtung von dem Ausgleichsvolumen zu dem Zyklusvolumen zulässt.
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