DE102010018616A1 - Device i.e. stirling engine, for converting heat into rotary motion, has rotor rotated vertically with respect to existence of difference in temperature, and turnstile rotatably mounted on pivots - Google Patents

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Abstract

The device has multiple deformation elements secured to a rotor (1) that is rotatably mounted on a horizontal fixed axis, where shape of the elements is changed during change in temperature. Pivots (7) are eccentrically and rigidly supported with respect to the fixed axis. A turnstile is rotatably mounted on the pivots, where strong connection is provided between the turnstile and the elements. The rotor is rotated vertically with respect to existence of difference in temperature. The deformation elements are designed as thermal reacting solids e.g. bimetals or shape memory alloys.

Description

Einleitung und Zweck der Erfindung:Introduction and purpose of the invention:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer in rotatorische mechanische Energie auf Basis eines Stirling-Kreisprozesses unter Nutzung thermischer Aktuatoren. Der bisher wenig eingesetzte Stirlingmotor hat einige Vorteile, die sich vor allen Dingen bei der Erschließung unterschiedlicher regenerativer Energiequellen als günstig erweisen. Zum einen kann er mit einer beliebigen Heizquelle, z. B. Sonnenwärme, Geothermie oder auch Abwärme, betrieben werden, zum anderen erreicht er (zumindest theoretisch) einen relativ hohen Wirkungsgrad.The invention relates to a method for the conversion of thermal into rotational mechanical energy based on a Stirling cycle process using thermal actuators. The previously little used Stirling engine has some advantages that prove to be beneficial especially in the development of different renewable energy sources. For one thing, he can with any heat source, eg. As solar heat, geothermal or waste heat, operated, on the other hand he (at least theoretically) achieves a relatively high efficiency.

Zweck dieser Erfindung soll sein, diese Wärmekraftmaschine mittels thermischer Aktuatoren so zu modifizieren, dass sie zur wirtschaftlich sinnvollen Nutzung regenerativer Energiequellen beitragen kann.Purpose of this invention should be to modify this heat engine by means of thermal actuators so that they can contribute to the economically meaningful use of renewable energy sources.

Stand der Technik:State of the art:

Der Stirlingmotor wurde bereits 1816 durch Robert Stirling patentiert. Seine Vorzüge, wie Vielstofffähigkeit, die Nutzbarmachung von Niedertemperaturwärme, das geschlossene System, Schwingungsarmut und die Miniaturisierbarkeit haben seitdem immer neue Modifikationen hervorgebracht. Es gibt Typen mit einem oder mehreren Zylindern, einfach- oder doppelwirkend und einer Vielzahl unterschiedlicher Triebwerke. Ebenso existieren exotische Bauarten mit schwingenden Luft- oder Wassersäulen oder Schallwellen. Auch ungebündelte Sonnenstrahlung und damit Wärme mit geringer Temperatur kann nutzbar gemacht werden. Solche Niedertemperatur-Stirlingmotoren können in sonnenreichen Gegenden zum Fördern von Wasser u. a. aus Brunnen eingesetzt werden. Zum Einsatz kommen Hightech-Versionen des Stirlingmotors in Verbindung mit parabolförmigen Spiegeln, welche die Sonnenstrahlen fokussieren (Dish-Stirling). Damit der Motor viel Arbeit pro Umlauf umsetzen kann, wird das gasförmige Arbeitsmedium zum Teil auf bis zu 200 bar komprimiert. Damit ergeben sich wiederum technische Probleme bei der Abdichtung des Arbeitsraumes. Der notwendige Einsatz von einem Regenerator sowie Erhitzer und Kühler führen zu Toträumen, die den Wirkungsgrad des Motors herabsenken. Außerdem durchläuft das Arbeitsmedium bei den – sich einstellenden – hohen Drehzahlen den Kreisprozess so schnell, dass der Wirkungsgrad geringer wird.The Stirling engine was patented in 1816 by Robert Stirling. Its advantages, such as multi-fuel capability, the utilization of low-temperature heat, the closed system, low vibration and miniaturization, have since brought about ever new modifications. There are types with one or more cylinders, single or double acting and a variety of different engines. There are also exotic designs with oscillating air or water columns or sound waves. Also unbundled solar radiation and thus heat with low temperature can be harnessed. Such low-temperature Stirling engines can in sunny areas to promote water u. a. be used from wells. High-tech versions of the Stirling engine are used in conjunction with parabolic mirrors that focus the sun's rays (Dish-Stirling). In order for the engine to be able to do a lot of work per cycle, some of the gaseous working fluid is compressed up to 200 bar. This in turn results in technical problems in the sealing of the workspace. The necessary use of a regenerator as well as heater and radiator lead to dead spaces, which lower the efficiency of the engine. In addition, the working medium goes through the cycle at such high speeds that it sets itself up so fast that the efficiency is reduced.

Viele Patentideen sehen eine rotationssymmetrische Anordnung vieler Zylinder vor, so dass mehr Arbeit pro Umlauf umgesetzt werden kann.Many patent ideas provide a rotationally symmetrical arrangement of many cylinders, so that more work per revolution can be implemented.

Es gibt bereits Versuche, thermische Aktuatoren in Wärmekraftmaschinen nutzbar zu machen. Im „Bimetallic solar engine” ( US 4,551,978 ) werden Bimetallschlaufen abwechselnd erhitzt und gekühlt. Die Ausdehnung der Bimetalle erzeugt ein Heben des auf Stangen angebrachten Schlittens, wodurch Energie abgegeben wird. Hier steht – ähnlich zu vielen anderen Ideen – dem hohen baulichen Aufwand eine geringe Leistung der Maschine gegenüber.There are already attempts to harness thermal actuators in heat engines. In the "bimetallic solar engine" ( US 4,551,978 ) Bimetallic loops are alternately heated and cooled. The expansion of the bimetals causes lifting of the carriage mounted on rods, which releases energy. Here is - similar to many other ideas - the high structural complexity compared to a low performance of the machine.

Formgedächtnislegierungen stellten kurz nach ihrer Entdeckung eine weitere Hoffnung auf neuartige Motoren dar. Die Möglichkeit, aus Abwärme, Geo- oder Solarthermie Strom zu erzeugen, ließ ein großes Interesse an „SMA heat engines” aufkommen. In der Lösung in Patent US 3,913,326 werden Schlaufen aus einer Formgedächtnislegierung (Nitinol) durch Wasserbäder unterschiedlicher Temperatur gezogen, worauf sie sich abwechselnd kühlen bzw. erhitzen und somit gedehnt werden bzw. sich zusammenziehen. Der auf einem Exzenter gelagerte Rotor lässt die Aktuatoren einen Kreisprozess durchlaufen, der dem eines Stirlingmotors ähnelt. Der Wirkungsgrad einer solchen Maschine ist allerdings sehr gering, was u. a. auf die hohe erzeugte Reibung der Formgedächtnis-Schlaufen beim Durchziehen durch das Wasserbad zurückzuführen ist. Außerdem kommt es relativ schnell zur Durchmischung der beiden Reservoirs.Shape memory alloys were another hope for new engines shortly after their discovery. The ability to generate electricity from waste heat, geothermal or solar thermal energy generated great interest in "SMA heat engines". In the solution in patent US 3,913,326 For example, loops made of a shape memory alloy (nitinol) are drawn through water baths of different temperatures, whereupon they cool and / or heat alternately and thus become stretched or contract. The rotor mounted on an eccentric causes the actuators to undergo a cyclic process similar to that of a Stirling engine. However, the efficiency of such a machine is very low, which is due, inter alia, to the high friction generated by the shape memory loops when pulled through the water bath. In addition, it comes relatively quickly to the mixing of the two reservoirs.

Es existieren noch viele weitere ähnliche Patente, die letztendlich nie gewinnbringend eingesetzt werden konnten. Der Formgedächtnis-Effekt umschließt eine geringe Temperaturspanne, wodurch der Wirkungsgrad auf 5% limitiert ist. Außerdem wird dabei eine sprunghafte Formänderung vollzogen, welche die sensiblen Aktuatoren schneller ermüden lässt.There are many more similar patents that could never be used profitably. The shape memory effect encloses a small temperature span, whereby the efficiency is limited to 5%. In addition, a sudden change in shape is performed, which can tire the sensitive actuators faster.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, aus einem Wärmereservoir mittels einer Wärmekraftmaschine auf Basis thermischer Aktuatoren einen möglichst hohen Anteil Nutzenergie zu gewinnen. Um einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz zu ermöglichen, ist ein einfacher Aufbau, mit Verzicht auf aufwendige Dichtungen, Robustheit, die Fähigkeit zum Selbststart und ein Wirkungsgrad nahe dem Carnot-Wirkungsgrad zu realisieren.The invention is therefore based on the object of obtaining a maximum amount of useful energy from a heat reservoir by means of a heat engine based on thermal actuators. In order to enable economically viable use, a simple structure, with no need for elaborate seals, robustness, the ability to self-start and an efficiency close to the Carnot efficiency to realize.

Lösungsansätze und wesentliche Merkmale:Solution approaches and essential features:

Diverse Aufgaben werden durch eine Konstruktion mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Various objects are achieved by a construction with the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erzeugung einer rotatorischen Bewegung wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, welcher drehbar auf einer festen Achse gelagert ist, daran befestigte mehrere Formänderungselemente, welche auf eine Temperaturänderung mit einer Änderung ihrer Gestalt reagieren, einen, bezüglich der festen Achse exzentrisch und starr gelagerten, Drehzapfen, ein darauf drehbar gelagertes Drehkreuz und starre Verbindungen zwischen den Formänderungselementen und dem Drehkreuz realisiert.The generation of a rotational movement is inventively by a rotor which is rotatably mounted on a fixed axis, attached thereto several deformation elements, which react to a change in temperature with a change in their shape, one, with respect to the fixed axis eccentrically and rigidly mounted, pivot, a rotatably mounted thereon turnstile and rigid connections between the deformation elements and the turnstile realized.

Die Formänderungselemente sind vorzugsweise mit einem Fluid oder Wachs oder sonstigem Formänderungsmittel gefüllte Hohlkörper, welche die Volumenänderung des Formänderungsmittels bei Temperaturänderung über einen Arbeitskolben in einen Bereich außerhalb des Zylinders übertragen – im Folgenden Dehnstoffarbeitselemente genannt. Andere mögliche Elemente bestehen aus Formgedächtnislegierungen, Bimetallen oder sonstigen Festkörpern mit einem nutzbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Vorteilhafte Eigenschaften sind ein hohe, auf das Volumen bezogene Arbeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Formänderungsmittels. In einem möglichen Lösungsansatz werden Dehnstoffarbeitselemente verwendet, welche mit Paraffin gefüllt sind. Das Paraffin vergrößert während des Phasenwechsels von fest nach flüssig sein Volumen um ca. 15%. Wird diese Änderung blockiert, können dabei sehr große Kräfte aufgebaut werden. Die zum Schmelzen von Paraffin benötigte Wärmemenge ist recht groß (ca. 200 KJ/kg). Daher sind diese Dehnstoffarbeitselemente mechanisch recht träge.The deformation elements are preferably hollow bodies filled with a fluid or wax or other shape-changing agent, which transfer the change in volume of the shape-changing agent when the temperature changes via a working piston into an area outside the cylinder - referred to hereinafter as expansion work elements. Other possible elements consist of shape memory alloys, bimetals or other solids with a useful coefficient of thermal expansion. Advantageous properties are high volume work and high thermal conductivity of the forming agent. In one possible approach, expansion work elements filled with paraffin are used. During the phase change from solid to liquid, the paraffin increases its volume by about 15%. If this change is blocked, very large forces can be built up. The amount of heat needed to melt paraffin is quite high (about 200 KJ / kg). Therefore, these Dehnstoffarbeitselemente mechanically quite sluggish.

Der Rotor ist ein rotationssymmetrischer Körper und besteht vorzugsweise aus einem festen, schlecht die Wärme leitenden Material. Die Verbindung zwischen dem Rotor und den Formänderungselementen kann starr oder beweglich ausgeführt werden, aber in jedem Fall so, dass die durch die Formänderung entstehenden Kräfte aufgenommen werden können. Idealerweise wird keine Wärme vom oder auf den Rotor übertragen, was näherungsweise durch eine zusätzliche Isolationsschicht realisiert werden kann.The rotor is a rotationally symmetrical body and preferably consists of a solid, poorly heat-conducting material. The connection between the rotor and the deformation elements can be made rigid or movable, but in any case so that the forces resulting from the change in shape can be absorbed. Ideally, no heat is transferred from or to the rotor, which can be approximately realized by an additional insulating layer.

Der Drehzapfen und das darauf gelagerte Drehkreuz sind exzentrisch und starr zur Achse des Rotors gelagert und so mit dem Formänderungsmittel verbunden, dass die durch die Formänderung entstehenden Kräfte aufgenommen werden können. Idealerweise sind Drehkreuz, Drehzapfen und Verbindungen ebenfalls bezüglich der Formänderungselemente und ihrem umgebenden Medium thermisch isoliert.The pivot and the turnstile mounted thereon are eccentric and rigidly mounted to the axis of the rotor and connected to the forming means so that the forces resulting from the change in shape can be absorbed. Ideally, turnstile, pivots and joints are also thermally insulated with respect to the strain elements and their surrounding medium.

Durch diese gesamte mechanische Konstruktion wird realisiert, dass bei einer Temperaturerhöhung in einem bestimmten Bereich die dort befindlichen Formänderungselemente entsprechend reagieren, sich also ausdehnen oder zusammen ziehen, was aber, durch die Befestigung an Rotor und Drehkreuz, nur durch eine Drehung des Rotors ausgeführt werden kann – es entsteht ein Drehmoment am Rotor. Währenddessen werden die nächsten auf dem Rotor befestigten Formänderungselemente in den Bereich höherer Temperatur befördert und durchlaufen den gleichen Zyklus. Inzwischen werden alle bereits erhitzten Formänderungselemente wieder gekühlt und in den Zustand vor der Erhitzung zurückgeführt. Es wird demzufolge ein Kreisprozess ausgeführt.Through this entire mechanical construction is realized that at a temperature increase in a certain area there located the deformation elements react accordingly, so expand or pull together, but which, by attachment to the rotor and turnstile, can only be performed by rotation of the rotor - There is a torque on the rotor. Meanwhile, the next forming elements mounted on the rotor are conveyed to the higher temperature region and undergo the same cycle. Meanwhile, all already heated strain elements are cooled again and returned to the state before heating. As a result, a cyclic process is carried out.

Dieses Prinzip mehrerer radialsymmetrisch angeordneter Formänderungselemente und die durch die Verbindung mit einem starren Exzenter bei Drehung erreichte zyklische Formänderung wird bereits in US 3,913,326 und WO 2008/064614 A1 erläutert. Dennoch unterscheidet sich diese Lösung erfindungsgemäß von US 3,913,326 dahingehend, dass die starre Achse horizontal ausgerichtet ist und der Rotor sich somit vertikal dreht. Außerdem werden die unterschiedlich temperierten Bereiche, anders als in WO 2008/064614 A1 horizontal voneinander getrennt, dass heißt in vertikaler Richtung befindet sich unten der kühlende und oben der erhitzende Wärmeträger.This principle of several radially symmetrically arranged deformation elements and the achieved by the connection with a rigid eccentric upon rotation cyclic deformation is already in US 3,913,326 and WO 2008/064614 A1 explained. Nevertheless, this solution differs according to the invention of US 3,913,326 in that the rigid axis is aligned horizontally and thus the rotor rotates vertically. In addition, the differently tempered areas, unlike in WO 2008/064614 A1 horizontally separated from each other, that is, in the vertical direction is below the cooling and above the heated heat transfer.

Erfindungsgemäß befindet sich zwischen diesen beiden Bereichen ein Regenerator, also ein Wärmeträger mit geringer vertikaler und hoher horizontaler Wärmeleitung. Ist der Drehzapfen in Bezug auf die Achse des Rotors nur in horizontaler Richtung versetzt, so wird während einer Drehung ein Stirling-Kreisprozess ausgeführt. Die vier Zustandsänderungen, isotherme Expansion im heißen Bereich – isochore Kühlung – isotherme Kompression im kalten Bereich und isochore Erhitzung, verlaufen (wie auch beim Stirlingmotor) mit den Einschränkungen, dass sich der Hub sinusförmig ändert und deswegen alle Prozesse nur an das Ideal angenähert werden. Das langsame Durchlaufen der Prozesse hingegen ist ein Vorteil gegenüber dem Stirlingmotor mit Gas als Arbeitsmedium, denn so bleibt für die Übertragung von Wärme mehr Zeit.According to the invention, there is a regenerator between these two regions, that is to say a heat carrier with low vertical and high horizontal heat conduction. If the pivot is only offset in the horizontal direction with respect to the axis of the rotor, a Stirling cycle is carried out during one rotation. The four state changes, isothermal expansion in the hot region - isochoric cooling - isothermal compression in the cold region and isochoric heating, run (as with the Stirling engine) with the limitations that the stroke changes sinusoidally and therefore all processes are approximated only to the ideal. On the other hand, running through the processes slowly is an advantage over the Stirling engine with gas as the working medium, as this leaves more time for the transfer of heat.

Der erhitzende und der kühlende Wärmeträger berühren die Formänderungselemente, so dass es zur Wärmeübertragung kommt. Vorteilhaft sind eine hohe volumenspezifische Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit des Wärmeträgers, so dass an der Kontaktstelle viel Wärme übertragen werden kann. In einem ersten Lösungsansatz ist die Verwendung einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, vorgesehen. Das Problem der Durchmischung von heißen und kalten Bereichen wie in US 3,913,326 wird durch den vertikalen Aufbau und die sich daraus ergebende vertikale Schichtung der Temperatur gelöst. Bei langsamer Drehung des Rotors, wie etwa unter Einsatz paraffingefüllter Dehnstoffarbeitselemente, wird diese Schichtung durch entstehende Strömungen kaum beeinflusst.The heating and the cooling heat carrier touch the deformation elements, so that it comes to heat transfer. Advantageously, a high volume-specific heat capacity and high thermal conductivity of the heat carrier, so that much heat can be transferred at the contact point. In a first approach, the use of a liquid, for. As water provided. The problem of mixing hot and cold areas like in US 3,913,326 is solved by the vertical structure and the resulting vertical layering of the temperature. With slow rotation of the rotor, such as using paraffin-filled expansion elements, this stratification is hardly affected by resulting flows.

In einem weiteren Lösungsansatz kann die Trennung von erhitzendem und kühlendem Wärmeträger durch die Verwendung von zwei oder mehr nicht mischbaren Flüssigkeiten, z. B. Öl und Wasser, noch besser verhindert werden. Das heiße Öl schwimmt auf dem Wasser und befindet sich somit – getrennt vom kälteren Bereich – oben.In another approach, the separation of heating and cooling Heat transfer fluid through the use of two or more immiscible liquids, eg. As oil and water, even better prevented. The hot oil floats on the water and is thus - separated from the colder area - above.

Noch ein Lösungsansatz beinhaltet die Verwendung von Festkörpern ausschließlich oder zusätzlich zu einem Fluid als Wärmeträger. Gut wärmeleitende Materialien, wie vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, werden im Schichtaufbau mit thermischen Isolatoren so angeordnet, dass die horizontale Wärmeleitung verbessert und die vertikale Wärmeleitung verschlechtert wird.Another approach involves the use of solids exclusively or in addition to a fluid as a heat transfer medium. Good heat conducting materials, such as preferably aluminum or copper, are arranged in the layer structure with thermal insulators so that the horizontal heat conduction is improved and the vertical heat conduction is deteriorated.

Der Bereich mit heißem Wärmeträger sollte gegenüber der Umgebung thermisch isoliert sein, was durch verschiedene Arten von Dämmung realisiert werden kann. Der kühlende Bereich kann entweder mit einem guten Wärmeleiter ummantelt und durch die Umgebung (passive Kühlung), oder durch einen zusätzlichen Kühlkreislauf und/oder Ventilatoren (aktive Kühlung) gekühlt werden.The hot heat transfer area should be thermally insulated from the environment, which can be realized by various types of insulation. The cooling area can either be covered with a good heat conductor and cooled by the environment (passive cooling), or by an additional cooling circuit and / or fans (active cooling).

Darstellung der Lösungsvorteile:Presentation of the solution advantages:

Der erfindungsmäßige Vorteil liegt in der Fähigkeit der Wärmekraftmaschine, einem Wärmereservoir potentiell den höchst möglichen Anteil an Nutzenergie zu entziehen. Der theoretische Stirling-Kreisprozess wird sehr gut angenähert, was insbesondere durch die langsame Drehung und der sich daraus ergebenden langen Zeit zur Wärmeübertragung sowie geringer Reibungsverluste gewährleistet wird. Außerdem entsteht während des Ablaufes kein Totvolumen, welches den Wirkungsgrad mindern würde.The advantage according to the invention lies in the ability of the heat engine to potentially extract the highest possible proportion of useful energy from a heat reservoir. The theoretical Stirling cycle is approximated very well, which is ensured in particular by the slow rotation and the resulting long time for heat transfer and low friction losses. In addition, there is no dead volume during the process, which would reduce the efficiency.

Der einfache, preiswerte Aufbau kann in verschiedenen Baugrößen realisiert werden. Es sind nur geringe Wartungsarbeiten notwendig, denn Kolbendichtungen werden nicht benötigt. Die Umwandlung von rotatorischer Energie in elektrischen Strom kann über eine zusätzliche Übersetzung und einen Generator geschehen.The simple, inexpensive construction can be realized in different sizes. There are only minor maintenance required, because piston seals are not needed. The conversion of rotational energy into electrical current can be done via an additional translation and a generator.

Der Motor benötigt, wie jeder andere Stirlingmotor, keine bestimmte Heizquelle und eignet sich damit zur Nutzung regenerativer Energien. Des Weiteren ist die Nutzung von Niedertemperaturwärme ein Vorteil des Systems. Somit kann das Spektrum möglicher Heizquellen um Abwärme, Geothermie und unkonzentrierte Sonnenstrahlen erweitert werden. Der Wärmeträger kann ohne zusätzliche Wärmeübertrager direkt in das System eingebracht werden.The engine, like any other Stirling engine, does not require a specific heat source and is therefore suitable for the use of renewable energies. Furthermore, the use of low temperature heat is an advantage of the system. Thus, the spectrum of possible heat sources can be extended to waste heat, geothermal energy and unconcentrated sun rays. The heat transfer medium can be introduced directly into the system without additional heat exchangers.

Die Wärmekraftmaschine startet ab einer bestimmten Temperaturdifferenz von selbst, was eine aufwendige Startautomatik überflüssig macht. Somit sind autark arbeitende Systeme realisierbar.The heat engine starts from a certain temperature difference by itself, which makes a complex automatic start superfluous. Thus self-sufficient systems can be realized.

Ausführungsbeispiele:EXAMPLES

Alle nachfolgenden Beschreibungen einer Ausführung der Erfindung besitzen nur beispielhaften Charakter, wonach alle aufgeführten Merkmale in dieser Form nicht zwingend zur Realisierung der Erfindung notwendig sind.All subsequent descriptions of an embodiment of the invention have only exemplary character, according to which all listed features in this form are not necessarily necessary for the realization of the invention.

Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsmöglichkeit sowie den beiliegenden Zeichnungen. Darin zeigt:Further features of the solutions according to the invention will become apparent from the dependent claims, the following description of an exemplary embodiment and the accompanying drawings. It shows:

1: Schematische Darstellung der Seitenansicht des Motors mit beispielhaft gewählten acht Formänderungselementen, ausgeführt als mit einem Formänderungsmittel gefüllte Zylinder, die erfindungsgemäß bevorzugt in gleichmäßigem Abstand voneinander angebracht sind. 1 : Schematic representation of the side view of the engine with exemplarily selected eight deformation elements, carried out as filled with a shape change means cylinder, which are preferably according to the invention evenly spaced from each other.

2: Schematische Darstellung eines bezüglich 1 horizontalen Querschnittes 2 : Schematic representation of a re 1 horizontal cross-section

3: Mögliche Anordnung mehrerer Maschinen zur Leistungsverstärkung. 3 : Possible arrangement of several machines for power amplification.

In 1 ist der Motor schematisch im Seitenprofil dargestellt. Die mechanische Konstruktion wird vom Wärmeträger umgeben (8, 9, 10). Dabei ist in vertikaler Richtung oben das erhitzende Medium (8), unten das kühlende (10) und dazwischen befindet sich das Medium mit schichtweise nach oben hin ansteigender Temperatur (9), welches als Regenerator fungiert. Ist der Wärmeträger ein Fluid, so muss ein umschließendes Gehäuse ihn von der Umgebung abtrennen. Die gesamte Mechanik ist an einer Achse horizontal gelagert (6). Darauf befindet sich der drehbar gelagerte Rotor (1). An diesem sind Formänderungselemente, beispielhaft durch acht mit einem Formänderungsmittel, wie z. B. Paraffin (3), gefüllte Zylinder (2) dargestellt, befestigt. In diesen Dehnstoffarbeitselementen wird über einen Arbeitskolben (4) und im weiteren einem Pleuel (5) die Formänderung des Formänderungsmittels aus dem Zylinder nach außen übertragen. Bei diesem Lösungsansatz reichen vergleichsweise einfache Membrandichtungen aus. Ein weiterhin dargestelltes Bauteil ist der Drehzapfen (7), der so über ein Drehkreuz (11) mit dem Pleuel (5) und damit dem Dehnstoffarbeitselement verbunden ist, dass die bei der Formänderung des Formänderungsmittels (3) entstehenden Kräfte aufgenommen werden können (2). Entscheidend für das Entstehen einer Drehung ist die bezüglich der Achse (6) exzentrische Lagerung des Drehzapfens (7). Somit befinden sich die Dehnstoffarbeitselemente während einer Umdrehung abwechselnd in einem ein- und ausgefahrenen Zustand. Durch diese gesamte mechanische Konstruktion wird realisiert, dass bei einer Temperaturerhöhung im erhitzenden Bereich (8) die dort befindlichen Formänderungselemente reagieren, sich also im dargestellten Fall ausdehnen. Dies kann aber, durch die Befestigung an Rotor und Drehkreuz, nur durch eine Drehung des Rotors entgegen dem Uhrzeigersinn ausgeführt werden – es entsteht ein Drehmoment am Rotor. Währenddessen werden die nächsten auf dem Rotor befestigten Formänderungselemente in den Bereich höherer Temperatur befördert und durchlaufen denselben Zyklus. Inzwischen werden alle bereits erhitzten Formänderungselemente wieder gekühlt und in den Zustand vor der Erhitzung zurückgeführt. In 1 und 2 wird ein Stirling-Kreisprozess ausgeführt, denn der Drehzapfen (7) befindet sich horizontal von der Achse (6) versetzt und somit werden durch die Anordnung der Wärmebäder (8, 9, 10) die typische Folge von isothermer Expansion im erhitzenden Bereich (8), isochorer Kühlung im Regenerator (9), isothermer Kompression im kühlenden Bereich (10) und isochorer Erhitzung im Regenerator (9) ausgeführt. Der Regenerator muss über eine sehr gute horizontale und schlechte vertikale Wärmeleitung verfügen, weil die bei isochorer Kühlung an das Wärmebad abgegebene Wärme idealerweise auf gleicher Höhe bei der isochoren Erhitzung auf der anderen Seite des Rotors wieder zugeführt werden muss. Um die horizontale Wärmeleitung zu erhöhen, empfiehlt sich, neben dem Einsatz gut leitender Materialien, eine Anordnung mehrerer Maschinen, wie in 3 dargestellt. Der Weg zwischen Kühlung und Erhitzung im Regenerator verkürzt sich durch zwei nebeneinander in gleicher Richtung drehender Rotoren. Damit wird potentiell mehr Wärme bei geringerem Materialeinsatz übergehen. Außerdem werden in 3 in vertikaler Richtung übereinander stehende Maschinen dargestellt. Dies ist eine denkbare Konfiguration, wenn es ein hohes Temperaturgefälle zwischen heißer und kalter Seite des Motors gibt und es mehrerer verschiedener Formänderungsmittel bedarf, diese in eine rotatorische Bewegung umzuwandeln.In 1 the engine is shown schematically in the side profile. The mechanical construction is surrounded by the heat transfer medium ( 8th . 9 . 10 ). In this case, in the vertical direction above, the heating medium ( 8th ), below the cooling ( 10 ) and therebetween is the medium with layer by layer rising temperature ( 9 ), which acts as a regenerator. If the heat transfer medium is a fluid, an enclosing housing must separate it from the environment. The entire mechanism is mounted horizontally on one axis ( 6 ). On it is the rotatably mounted rotor ( 1 ). At this are strain elements, exemplified by eight with a shape-changing means such. B. Paraffin ( 3 ), filled cylinders ( 2 ) shown attached. In these expansion work elements is via a working piston ( 4 ) and in the further a connecting rod ( 5 ) transferring the shape change of the shape-changing agent out of the cylinder to the outside. In this approach, comparatively simple membrane seals are sufficient. A further illustrated component is the pivot ( 7 ), so over a turnstile ( 11 ) with the connecting rod ( 5 ) and is connected to the expansion work element that in the change in shape of the shaping agent ( 3 ) can be absorbed ( 2 ). Decisive for the emergence of a rotation is the relative to the axis ( 6 ) eccentric bearing of the pivot ( 7 ). Thus, the Dehnstoffarbeitselemente are alternately in a retracted and extended state during a revolution. Through this entire mechanical construction is realized that at a temperature increase in the heated area ( 8th ) The deformation elements located there react, so expand in the case shown. However, this can be performed by the attachment to the rotor and turnstile, only by a rotation of the rotor counterclockwise - it creates a torque on the rotor. Meanwhile, the next forming elements mounted on the rotor are conveyed to the higher temperature region and go through the same cycle. Meanwhile, all already heated strain elements are cooled again and returned to the state before heating. In 1 and 2 a Stirling cycle is carried out because the trunnion ( 7 ) is located horizontally from the axis ( 6 ) and thus by the arrangement of the heat baths ( 8th . 9 . 10 ) the typical sequence of isothermal expansion in the heating area ( 8th ), isochoric cooling in the regenerator ( 9 ), isothermal compression in the cooling area ( 10 ) and isochoric heating in the regenerator ( 9 ). The regenerator must have very good horizontal and poor vertical heat conduction, because ideally the heat given off to the heat bath during isochronous cooling must be returned to the same level at isochoric heating on the other side of the rotor. In order to increase the horizontal heat conduction, in addition to the use of highly conductive materials, an arrangement of several machines, as in 3 shown. The path between cooling and heating in the regenerator is shortened by two rotors rotating side by side in the same direction. This will potentially transfer more heat with less material usage. In addition, in 3 shown in the vertical direction one above the other machines. This is a conceivable configuration when there is a high temperature gradient between the hot and cold sides of the motor and there are several different shape modifiers needed to convert them into a rotary motion.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (8)

Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in eine vorzugsweise rotatorische Bewegung, umgesetzt durch einen auf einer festen Achse drehbar gelagerten Rotor, daran befestigte mehrere Formänderungselemente, welche auf eine Temperaturänderung mit Änderung ihrer Gestalt reagieren, einen, bezüglich der festen Achse exzentrisch und starr gelagerten Drehzapfen, ein darauf drehbar gelagertes Drehkreuz und starre Verbindungen zwischen den Formänderungselementen und dem Drehkreuz, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Achse horizontal gelagert ist und der Rotor sich beim Vorhandensein einer vertikalen Temperaturdifferenz dreht.A device for converting heat into a preferably rotational movement, implemented by a rotor rotatably mounted on a fixed axis, attached thereto a plurality of deformation elements which respond to a change in temperature with change in shape, a, with respect to the fixed axis eccentrically and rigidly mounted pivot rotatably mounted turnstile and rigid connections between the deformation elements and the turnstile, characterized in that the fixed axis is mounted horizontally and the rotor rotates in the presence of a vertical temperature difference. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formänderungselemente Dehnstoffarbeitselemente, d. h. vorzugsweise mit einem Wachs und/oder Fluid gefüllte Hohlkörper mit Arbeitskolben und Abdichtung zur Umgebung sind.Device according to claim 1, characterized in that the deformation elements comprise expansion work elements, d. H. preferably with a wax and / or fluid-filled hollow body with working piston and sealing to the environment are. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formänderungselemente thermisch reagierende Festkörper, vorzugsweise Bimetalle oder Formgedächtnislegierungen, sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that the deformation elements are thermally reacting solids, preferably bimetals or shape memory alloys. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Formänderungselemente umgebende Wärmeträger in Form eines Fluids oder mehrerer, nicht mischbarer Fluide unterschiedlicher Dichte vorliegt, sodass die Temperatur in vertikaler Richtung nach oben schichtweise ansteigt.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the heat transfer medium surrounding the deformation elements is in the form of one or more non-miscible fluids of different densities, so that the temperature increases in a vertical upward direction in layers. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger durch zusätzliche Festkörper vorzugsweise im Schichtaufbau ergänzt wird.Apparatus according to claim 4, characterized in that the heat carrier is supplemented by additional solids preferably in the layer structure. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen mehrerer solcher Vorrichtungen vorzugsweise auf gleichem Horizont und nebeneinander liegen und die Drehrichtung der Rotoren gleich ist.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the axes of several such devices are preferably on the same horizon and next to each other and the direction of rotation of the rotors is the same. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere solche Vorrichtungen auf einer Achse liegen und die Drehrichtung zweier benachbarter Rotoren gegenläufig ist.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that a plurality of such devices lie on one axis and the direction of rotation of two adjacent rotors is in opposite directions. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen mehrerer Vorrichtungen auf unterschiedlichen Horizonten liegen.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the axes of several devices lie on different horizons.
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