DE102017128254A1 - Heat exchanger with design-side adaptation to increased load requirements, especially for a high-performance low-temperature Stirling engine - Google Patents

Heat exchanger with design-side adaptation to increased load requirements, especially for a high-performance low-temperature Stirling engine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen thermischen Regenerator für einen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor (M) aufweisend, mindestens ein Gehäuseteil (1A, 2A, 1A-2A), welches einen Energiespeicherraum bildet, in dem eine Speichermasse zur Wärmespeicherung angeordnet ist.Der Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermasse aus einem gut leitenden, vorzugsweise metallischen oder nichtmetallischen Material ausgebildet ist.The invention relates to a heat exchanger, in particular a thermal regenerator for a high-performance low-temperature Stirling engine (M) comprising at least one housing part (1A, 2A, 1A-2A), which forms an energy storage space in which a storage mass for heat storage is arranged. The heat exchanger characterized in that the storage mass is formed of a highly conductive, preferably metallic or non-metallic material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der insbesondere in Kombination mit einem Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor verwendbar ist.The invention relates to a heat exchanger which can be used in particular in combination with a high-performance low-temperature Stirling engine.

Die wachsende Nutzung der erneuerbaren Energien vollzieht sich abhängig von der Energieart in Deutschland mit unterschiedlichem Entwicklungstempo. Dabei erfolgte der Ausbau zur Erzeugung elektrischer Energie intensiver, was u. a. an der besseren Einspeisemöglichkeit in das flächendeckend verfügbare Stromnetz liegt. Die Nutzung solarer Strahlungswärme ist dagegen größtenteils an den am Erzeugungsort vorherrschenden Wärmebedarf gebunden.The growing use of renewable energies is taking place at different rates of development, depending on the type of energy in Germany. In this case, the expansion for generating electrical energy was more intensive, which u. a. at the better feed-in possibility in the area-wide available power grid lies. The use of solar radiant heat, on the other hand, is largely tied to the heat demand prevailing at the place of production.

Bei der Energieversorgung in gewerblichen und Wohngebäuden wird grundsätzlich Wärme für Heizzwecke und Warmwasser sowie elektrische Energie zur Beleuchtung, Information, Kommunikation und Antrieb benötigt. Dabei schwankt der Bedarf je nach Tages- und Jahreszeit. Die Energiemenge für Wärme beträgt im Allgemeinen circa das 4-fache von elektrischer Energie.When supplying energy in commercial and residential buildings, heat is generally required for heating purposes and hot water, as well as electrical energy for lighting, information, communication and propulsion. The demand varies depending on the time of the day and the season. The amount of energy for heat is generally about 4 times that of electrical energy.

Wird bei der Bewertung des Anteils erneuerbarer Energien der Gesamtenergiebedarf betrachtet, treten die Entwicklungsmöglichkeiten bei der Einbindung von Umweltwärme in die Energieversorgung hervor. Auf dem Weg zur vollständigen erneuerbaren Energieversorgung ist neben der Effizienzverbesserung die Speicherung großer Energiemengen und die Möglichkeit zur Transformation zwischen den Energiearten elementare Voraussetzung. Bisher bietet nur die elektrische Energie die Eigenschaft als Universalenergie in alle Energiearten gewandelt werden zu können. Eine direkte Speicherung großer Energiemengen ist jedoch trotz der international gewaltigen Entwicklungsanstrengungen wirtschaftlich nicht in der Breite anwendbar.When assessing the share of renewable energies, the total energy demand is considered to be open to development opportunities in the integration of environmental heat into the energy supply. On the way to a complete renewable energy supply, in addition to improving efficiency, the storage of large amounts of energy and the possibility of transformation between the different types of energy are fundamental requirements. So far, only the electrical energy offers the property of being able to be converted into all types of energy as universal energy. However, a direct storage of large amounts of energy is not economically viable in spite of the enormous international development effort.

Dem gegenüber kann Wärme zwar schon heute in großen Mengen kostengünstig gespeichert werden, jedoch verlangt deren Umwandlung zum einen aufwändige Antriebsaggregate z. B. Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotoren und zum anderen muss die Temperatur so hoch sein, dass eine direkte Nutzung der Umweltwärme verhindert ist. So wird letztlich auf die übliche Verbrennung von Gas, Öl oder Feststoffen ausgewichen. Selbst die in der gelegentlichen Nutzung befindlichen solarbetriebenen Stirlingmotoren erfordern Temperaturdifferenzen zwischen der Heiß- und Kaltseite, die nur durch optische Konzentration mittels aufwändiger Hohlspiegel und deren beständiger Nachführung zu erreichen ist.On the other hand, heat can already be stored cost-effectively today in large quantities, but requires their conversion to a complex drive units z. As steam turbines, steam engines or high-performance low-temperature Stirling engines and on the other hand, the temperature must be so high that a direct use of environmental heat is prevented. Ultimately, it avoids the usual combustion of gas, oil or solids. Even the occasional use of solar-powered Stirling engines require temperature differences between the hot and cold side, which can only be achieved by optical concentration by means of elaborate concave mirrors and their constant tracking.

Die wirtschaftliche Nutzung der Solarwärme zur Energiewandelung setzt voraus, dass Standardkomponenten zum Einsatz kommen können, die bei Temperaturniveaus von circa 50 bis 70°C effektiv arbeiten. Als besonders effektvoll sind Lösungen anzusehen, welche die Abwärme eines thermischen Energieumwandlungsprozesses als Nutzwärme zur Verfügung stellen können.The economic use of solar heat for energy conversion requires that standard components can be used that work effectively at temperature levels of around 50 to 70 ° C. Solutions that can provide the waste heat of a thermal energy conversion process as useful heat are considered to be particularly effective.

Bekannt sind Stirlingmotoren, die ihre Leistung ausschließlich aus den durch Temperaturänderung bewirkten Druck- und Volumenveränderungen beziehen. Herkömmliche Stirlingmotoren benötigen dazu eine aufwendige Mechanik, um die Funktion zu gewährleisten. Das führt dazu, dass Stirlingmotoren in hohen Druckbereichen sehr schwer und groß dimensioniert werden müssen.Stirling engines are known which relate their power exclusively from the pressure and volume changes caused by temperature changes. Conventional Stirling engines require a complex mechanism to ensure this function. As a result, Stirling engines have to be very heavy and large in high pressure ranges.

Niedertemperatur-Stirlingmotoren, die zur Stromerzeugung genutzt werden benötigen derzeit Temperaturen weit über 100°C. Als Arbeitsmedium kommen Helium, Luft, Stickstoff und ähnliche Gase zum Einsatz. Es werden Medien verwendet, die den theoretisch betrachtet idealen Gasen nahe kommen.Low-temperature Stirling engines that are used to generate electricity currently require temperatures well above 100 ° C. As a working medium, helium, air, nitrogen and similar gases are used. It uses media that come close to the theoretically ideal gases.

Die Druckschrift DE 10 2009 057 210 B4 beschreibt eine Stirling-Verdampfer-Wärmekraftanlage bestehend aus mindestens einer Wärmekraftmaschine, die mechanisch wie eine Stirlingmaschine aufgebaut ist, wobei ein Arbeitsstoff eingesetzt ist, dessen Siedepunkt derart gewählt ist, dass er in den warmen Bereichen der Wärmekraftanlage gasförmig und in den kalten Bereichen als flüssige, als transkritische oder als überkritische Phase vorliegt.The publication DE 10 2009 057 210 B4 describes a Stirling evaporator thermal power plant consisting of at least one heat engine, which is mechanically constructed like a Stirling engine, wherein a working substance is used whose boiling point is selected such that it is gaseous in the warm areas of the thermal power plant and in the cold areas as liquid, is present as transcritical or as supercritical phase.

Die Druckschrift EP 2 333 285 A1 offenbart eine Stirling-Verdampfer-Wärmekraftanlage mit äußerer Beheizung, die nach einem Stirling-ähnlichen Prinzip arbeitet. Die Wärmekraftanlage besteht aus mindestens einer Wärmekraftmaschine, die mechanisch wie eine Stirlingmaschine aufgebaut ist. Es wird ein Arbeitsfluid eingesetzt, dessen Siedepunkt derart gewählt ist, dass er in den warmen Bereichen der Wärmekraftanlage gasförmig und in den kalten Bereichen flüssig, transkritisch oder überkritisch vorliegt. Mit der Wärmekraftanlage werden gleichzeitig die Vorteile von Stirling-Wärmekraftmaschinen sowie die von nach dem Rankine-Prinzip arbeitenden Maschinen, insbesondere eine nachhaltige Absenkung der minimalen Erhitzertemperatur auf circa 150°C, erreicht. Die Anlage eignet sich besonders für den Einsatz in Blockheizkraftwerken, für unterbrechungsfreie Stromversorgungsaggregate, für Notstromaggregate und für Kraftfahrzeug-Energieversorgungen.The publication EP 2 333 285 A1 discloses a Stirling evaporator thermal power plant with external heating, which operates on a Stirling-like principle. The thermal power plant consists of at least one heat engine, which is constructed mechanically like a Stirling engine. It is used a working fluid whose boiling point is selected such that it is present in the warm areas of the thermal power plant in gaseous and liquid in the cold areas, transcritical or supercritical. With the thermal power plant, the advantages of Stirling heat engines and the machines operating according to the Rankine principle, in particular a sustainable lowering of the minimum heater temperature to about 150 ° C., are achieved at the same time. The system is particularly suitable for use in combined heat and power plants, for uninterruptible power supply units, for emergency generators and for motor vehicle power supplies.

Die Druckschrift CN 102 418 621A erläutert einen Stirlingmotor mit einem Exzenterwellenwälzdrehring, Ein zylindrischer Luftzylinder umfasst vier Räume, nämlich zwei Innenräume und zwei Außenseiten. Ein Arbeitsfluid ist Hochdruck-Kohlenstoffdioxid. Da gleichzeitig die Wärmeausdehnung und die Kaltkontraktion des Arbeitsfluids durchgeführt werden und das Arbeitsfluid immer in die gleiche Richtung fließt, hat der Stirlingmotor eine gute Bewegungsstabilität ohne Pulsation.The publication CN 102 418 621A illustrates a Stirling engine having an eccentric shaft rolling ring. A cylindrical air cylinder comprises four spaces, namely two interior spaces and two exterior sides. A working fluid is high pressure carbon dioxide. Since at the same time carried out the thermal expansion and the cold contraction of the working fluid and the working fluid always flows in the same direction, the Stirling engine has a good stability of movement without pulsation.

Ferner beschreibt die Druckschriften EP 1 592 8 75 B1 und US 6 701 721 B1 analog eine stirlingmotorbetriebene Wärmepumpe mit einer Fluidverbindung. Beschrieben wird eine Heiz- und Kühlvorrichtung und insbesondere eine auf einen Stirlingmotor basierende als Antriebsmaschine, die den Kompressor eines Dampfkompressions-Wärmepumpensystems zum Pumpen von Wärme von einer Kühlermasse zu einer heißeren Masse antreibt. Ein einzelnes Arbeitsfluid, vorzugsweise Kohlenstoffdioxid, kann sowohl für die Stirlingmotor als Arbeitsflüssigkeit und auch als Kältemittel verwendet werden.Furthermore, the documents describes EP 1 592 8 75 B1 and US Pat. No. 6,701,721 B1 analogous to a stirling engine powered heat pump with a fluid connection. Disclosed is a heating and cooling apparatus, and more particularly, a Stirling engine based prime mover, which drives the compressor of a vapor compression heat pump system to pump heat from a cooler mass to a hotter mass. A single working fluid, preferably carbon dioxide, can be used both for the Stirling engine as a working fluid and also as a refrigerant.

Die Druckschrift DE10 2006 061 509 A1 erläutert ferner einen thermischen Verdrängermotor mit äußerer Wärmeenergiezufuhr. Der thermische Verdrängermotor ist in der Art eines Stirlingmotors ausgebildet. Es wird ein neuartiger Arbeitsfluiderhitzer vorgeschlagen, der es ermöglicht, ein Arbeitsfluid gegenüber einem konventionellen Arbeitsfluiderhitzer auf ein erheblich höheres Druck- und Temperaturniveau zu erhitzen.The publication DE10 2006 061 509 A1 further illustrates a thermal displacement motor with external thermal energy supply. The thermal displacement motor is designed in the manner of a Stirling engine. It is proposed a novel working fluid heater, which makes it possible to heat a working fluid compared to a conventional working fluid heater to a much higher pressure and temperature level.

Um die Leistung von Stirlingmotoren bei geringer Temperaturdifferenz zwischen einer Heiß- und einer Kaltseite sowie geringer Bauteilgröße zu gewährleisten, muss der Heißseite die notwendige Wärmemenge mittels eines relativ großen Volumenstroms herangeführt werden, wobei der Strömungswiderstand in den Wärmetauscher möglich klein sein soll.To ensure the performance of Stirling engines with low temperature difference between a hot and a cold side and small component size, the hot side of the necessary amount of heat must be brought by means of a relatively large volume flow, the flow resistance in the heat exchanger should be possible small.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Wärmetauscher zu schaffen, der bei einem geringen Strömungswiderstand einen schnellen Wärmaustausch ermöglicht.The object of the present invention is to provide a heat exchanger which allows for a low flow resistance rapid heat exchange.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Wärmetauscher, der mindestens ein Gehäuseteil aufweist, welches einen Energiespeicherraum bildet, in dem eine Speichermasse zur Wärmespeicherung angeordnet ist.The starting point of the invention is a heat exchanger which has at least one housing part which forms an energy storage space in which a storage mass for heat storage is arranged.

Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher ein Feststoffwärmespeicher ist, dessen Speichermasse aus einem gut leitenden, vorzugsweise metallischen oder nichtmetallischen Material ausgebildet ist.According to the invention, the heat exchanger is a solid heat store whose storage mass is formed from a highly conductive, preferably metallic or non-metallic material.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Speichermasse aus einem porösen Aluminiumkörper ausgebildet ist, der in dem mindestens einen Gehäuseteil angeordnet ist.In one embodiment, it is provided that the storage mass is formed from a porous aluminum body, which is arranged in the at least one housing part.

Bevorzugt ist bei der zweiten Ausführungsvariante vorgesehen, dass die kompakten oder hohlen metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers aus Stahl oder Aluminium oder Glas ausgebildet sind.Preferably, it is provided in the second embodiment that the compact or hollow metallic or non-metallic beads of the same or different diameter of steel or aluminum or glass are formed.

Bei der zweiten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Oberfläche der Kügelchen vollständig glatt oder glatt und teilweise strukturiert oder vollständig strukturiert ist.In the second embodiment, it is provided that the surface of the beads is completely smooth or smooth and partially structured or completely structured.

In vorteilhafter Weise wird bei der zweiten Ausführungsvariante dafür gesorgt, dass die Kügelchen in eine Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers eingebettet sind, so dass Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher durch eine Kugeleinbettung im Randbereich des Wärmetauschers verschlossen sind.Advantageously, in the second embodiment variant, it is ensured that the beads are embedded in an inner surface of the inner wall of the heat exchanger, so that edge flow channels in the heat exchanger are closed by a ball embedding in the edge region of the heat exchanger.

Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass auf der Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers ein Gewindegang angeordnet ist, dessen Steigung zwischen zwei Gewindespitzen dem größten Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen beträgt, so dass die Kugeloberfläche der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen zumindest teilweise in dem Gewindegang des Innengewindes liegt, wodurch die Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher verschlossen sind.According to a first embodiment variant is provided that on the inner surface of the inner wall of the heat exchanger, a thread is arranged, the pitch between two thread crests is the largest diameter of the metallic or non-metallic beads, so that the spherical surface of the metallic or non-metallic beads at least partially in the thread of Internal thread is located, whereby the edge flow channels are closed in the heat exchanger.

Gemäß den nachfolgenden Ausgestaltungsvarianten ist vorgesehen, dass auf der Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers eine Schicht aus einem formvariablen Material mit einer vorgebbaren Schichtdicke angeordnet ist, der die Kügelchen ihre Oberflächenform aufprägen, wodurch die Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher verschlossen sind.According to the following design variants, it is provided that a layer of a shape-variable material with a predefinable layer thickness is arranged on the inner surface of the inner wall of the heat exchanger, which impose the beads their surface shape, whereby the edge flow channels are sealed in the heat exchanger.

Bei diesen Ausgestaltungsvarianten ist die Schicht aus einem dauerelastischen oder einem plastischen oder einem thermisch veränderlichen oder einem chemisch veränderlichen Material ausgebildet ist.In these embodiments, the layer is formed of a permanently elastic or a plastic or a thermally variable or a chemically variable material.

Insbesondere ist bei einer zweiten Ausgestaltungsvariante vorgesehen, dass die Schicht aus einem dauerelastischen Material, insbesondere Gummi oder Weichkunststoff ausgebildet ist.In particular, it is provided in a second embodiment variant that the layer is formed of a permanently elastic material, in particular rubber or soft plastic.

Bei einer dritten Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Schicht aus einem plastischen Material, insbesondere Zinn ausgebildet ist.In a third embodiment variant, it is provided that the layer is formed from a plastic material, in particular tin.

Bei einer vierten Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Schicht aus einem thermisch veränderlichen Material, insbesondere einem Kunststoff oder Wachs ausgebildet ist.In a fourth embodiment variant, it is provided that the layer is formed from a thermally variable material, in particular a plastic or wax.

schließlich ist in einer fünften Ausgestaltungsvariante vorgesehen, dass die Schicht aus einem chemisch veränderlichen Material, insbesondere aus einem Epoxidharz ausgebildet ist.Finally, it is provided in a fifth embodiment variant, that the layer of a chemically variable material, in particular made of an epoxy resin is formed.

Bei allen Ausgestaltungsvarianten beträgt die Schichtdicke bevorzugt das 0,1 bis 0,5 -fache des eingesetzten maximalen Kugeldurchmessers.In all embodiments, the layer thickness is preferably 0.1 to 0.5 times the maximum ball diameter used.

Zudem ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher mindestens ein verschließbares Befüllelement aufweist, über das ein Arbeitsfluid und die aus dem metallischen oder nichtmetallischen Material ausgebildeten Kügelchen in den Innenraum des Wärmetauschers einfüllbar ist/sind.In addition, it is provided that the heat exchanger has at least one closable filling element, via which a working fluid and the beads formed from the metallic or non-metallic material can be filled into the interior of the heat exchanger.

Der Wärmetauscher weist zwei Verbindungsöffnungen auf, über die ein Arbeitsfluid in angrenzende Arbeitsräume ein- und ausströmt.The heat exchanger has two connection openings, through which a working fluid flows into adjacent work spaces.

Schließlich ist bei der zweiten Ausführungsvariante vorgesehen, dass der Wärmetauscher zwei Verbindungsöffnungen aufweist, über die das Arbeitsfluid in angrenzende Arbeitsräume ein- und ausströmt, wobei arbeitsraumseitig oder wärmetauscherseitig jeweils mindestens ein Gitterelement, insbesondere aus einem Edelstahldrahtgewebe angeordnet ist, dessen Maschenweite in Abhängigkeit der Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen kleiner ist als der Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen.Finally, it is provided in the second embodiment that the heat exchanger has two connection openings, through which the working fluid in adjacent working spaces and flows out, wherein the working space side or heat exchanger side in each case at least one grid element, in particular is arranged from a stainless steel wire mesh, the mesh size depending on the diameter of the metallic or non-metallic beads is smaller than the diameter of the metallic or non-metallic beads.

Die Erfindung beschreibt ferner die Verwendung des Wärmetauschers für eine Wärmekraftmaschine, insbesondere einen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor, der folgende Merkmale aufweist:The invention further describes the use of the heat exchanger for a heat engine, in particular a high-performance, low-temperature Stirling engine, which has the following features:

Die Wärmekraftmaschine umfasst einen durch mindestens ein Gehäuseteil gebildeten Druckraum, der gegenüber der Umgebung druckdicht ausgebildet ist und mit einem Arbeitsfluid gefüllt ist, und der auf einer Heißseite durch äußere Wärmezufuhr bei höherer Temperatur und durch auf einer Kaltseite durch äußere Wärmeabfuhr bei gegenüber der höheren Temperatur tieferer Temperatur mechanisch Leistung abgibt, wobei der mindestens eine Druckraum durch periodisch bewegbare Kolben in zwei fluiddichte und druckdichte Arbeitsräume geteilt ist.The heat engine comprises a pressure chamber formed by at least one housing part, which is formed pressure-tight with respect to the environment and filled with a working fluid, and on a hot side by external heat input at higher temperature and by on a cold side by external heat dissipation at lower than the higher temperature Temperature mechanical output delivers, wherein the at least one pressure chamber is divided by periodically movable piston in two fluid-tight and pressure-tight working spaces.

Es ist vorgesehen, dass die Arbeitsräume durch die Kolben fluidseitig voneinander getrennt sind und über die Kolben druckseitig in einer Wirkverbindung stehen, wobei einer der Kolben auf der Heißseite durch die äußere Wärmezufuhr gegenüber dem anderen auf der Kaltseite angeordneten Kolben auf eine höhere Temperatur gebracht oder auf einer höheren Temperatur gehalten wird, wobei der andere auf Kaltseite angeordnete Kolben gegenüber dem auf der Heißseite angeordneten Kolben auf einer niedrigeren Temperatur gehalten oder auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird, wobei die in den Arbeitsräumen erzeugten Druckschwankungen periodisch auf die bewegbaren Kolben wirken, die mit koaxial zueinander angeordneten Exzenterwellen in Wirkverbindung stehen, wobei die koaxial angeordneten Exzenterwelle in Längsrichtung der Exzenterwellen gesehen in einem vorgebbaren Versatz exzentrisch zueinander angeordnet sind.It is envisaged that the working chambers are separated from each other by the pistons on the fluid side and are in operative connection via the pistons, wherein one of the pistons on the hot side is brought to a higher temperature by the external heat supply with respect to the other piston arranged on the cold side is maintained at a higher temperature, the other cold side piston being maintained at a lower temperature relative to the hot side piston or brought to a lower temperature, the pressure variations produced in the working spaces periodically acting on the movable pistons coaxial with mutually arranged eccentric shafts are in operative connection, wherein the coaxially arranged eccentric shaft seen in the longitudinal direction of the eccentric shafts are arranged eccentrically to each other in a predetermined offset.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Kolben sich parallel gegenüberliegende Kolbenstirnflächen aufweist, wobei zwei auf der gleichen Seite liegende Kolbenstirnflächen der Kolben - zwischen den Kolbenstirnflächen - je einen zwischen der Heißseite und der Kaltseite liegenden Energiespeicherraum bilden.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that each of the pistons has parallel opposing piston end faces, wherein two piston end faces of the pistons located on the same side-between the piston end faces-each form an energy storage space lying between the hot side and the cold side.

Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass die Energiespeicherräume der Wärmetauschers als thermische Regeneratoren der Wärmekraftmaschine ausgebildet sind.The invention provides that the energy storage spaces of the heat exchanger are designed as thermal regenerators of the heat engine.

Dabei ist vorgesehen, dass die als Energiespeicherräume ausgebildeten thermischen Regeneratoren in einer Ausführungsform in dem Gehäuse integriert angeordnet sind oder in einer anderen Ausführungsform außerhalb des Gehäuses angeordnet sind.It is provided that the formed as energy storage spaces thermal regenerators are arranged integrated in one embodiment in the housing or are arranged outside the housing in another embodiment.

Die beweglichen Kolben sind in Zylindern angeordnet, die druckseitig über Verbindungsöffnungen mit den als thermische Regeneratoren ausgebildeten Energiespeicherräumen in Verbindung stehen.The movable pistons are arranged in cylinders which are connected on the pressure side via connection openings with the energy storage spaces designed as thermal regenerators.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, bilden einteilig oder mehrteilig ausgebildete Zylinder jeweils einen Kolbeninnenraum, in dem jeder Exzenterwelle ein Exzenter zugeordnet ist, der gemeinsam mit der Exzenterwelle in dem Kolbeninnenraum angeordnet ist, wobei die Kolbeninnenräume gegenüber den Arbeitsräumen druckdicht und fluiddicht ausgebildet sind, wobei die auf die Kolbenstirnflächen des jeweiligen Kolbens wirkenden Kräfte zu der periodischen Bewegung des Kolben führen und der jeweilige Kolben in Abhängigkeit der Stellung des Exzenters auf die Exzenterwellen einwirkt.In a preferred embodiment of the invention, integrally formed or multi-part cylinder each form a piston interior, in which each eccentric shaft is associated with an eccentric, which is arranged together with the eccentric shaft in the piston interior, the piston inner spaces are formed pressure-tight and fluid-tight with respect to the work spaces, the acting on the piston end faces of the respective piston forces to the periodic movement of the piston and the respective piston acts as a function of the position of the eccentric on the eccentric shafts.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Exzenterwellen über an den Kolbeninnenraum angrenzende Lager in Längsrichtung bezüglich ihrer Längsachsen koaxial zueinander im Gehäuse gelagert sind, wobei die Exzenterwellen mindestens einendseitig aus dem Kolbeninnenraum herausgeführt sind. In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, dass zur Vermeidung möglicher Undichtigkeiten am Wellenausgang eine gekapselte Magnetkupplung angeordnet ist, über die eine Leistungsabgabe an den Generator beziehungsweise die Generatorwelle erfolgt. In einer weiteren Ausführungsform kann der Generator auch in den Druckbereich des Gehäuses integriert werden.According to the invention it is further provided that the eccentric shafts are mounted on the piston inner space adjacent bearing in the longitudinal direction with respect to their longitudinal axes coaxially with each other in the housing, wherein the eccentric shafts are led out at least one end side of the piston interior. In another embodiment, it is possible that to avoid possible leaks at the shaft output an encapsulated magnetic coupling is arranged, via which a power output to the generator or the generator shaft. In a further embodiment, the generator can also be integrated into the pressure range of the housing.

Der Exzenter der einen Exzenterwellen bildet gegenüber der anderen Exzenterwelle den vorgegebenen Versatz der Exzenterwellen zueinander, wobei der Versatz zwischen einem Exzentermittelpunkt des Exzenters und dem Mittelpunkt der Längsachse der einen gegenüber der anderen Exzenterwelle zueinander gebildet wird, wobei der vorgegebene Versatz der Exzenter zwischen 90° und 170° beträgt. The eccentric of the eccentric shafts relative to the other eccentric shaft the predetermined offset of the eccentric shafts to each other, wherein the offset between an eccentric center of the eccentric and the center of the longitudinal axis of the one relative to the other eccentric shaft is formed to each other, wherein the predetermined offset of the eccentric between 90 ° and 170 °.

Die Wärmekraftmaschine zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der vorgegebene Versatz durch auf den Exzenterwellen außerhalb des Gehäuses angeordnete Zahnräder fixiert ist, die entsprechend des vorgegebenen Versatzes miteinander verzahnt sind.The heat engine is characterized in particular by the fact that the predetermined offset is fixed by arranged on the eccentric shafts outside the housing gears, which are interlocked with each other according to the predetermined offset.

Bevorzugt ist in dem jeweiligen Kolbeninnenraum zwischen dem Exzenter der Exzenterwellen und den Innenseiten der Kolben jeweils eine Gleitlagerbuchse angeordnet.Preferably, in each case a plain bearing bush is arranged in the respective piston interior between the eccentric of the eccentric shafts and the inner sides of the piston.

Die auf den jeweiligen Kolben der Wärmekraftmaschine wirkenden Kräfte sind bezüglich der Längsachsen der Exzenterwellen ausgerichtet, wodurch die Kräfte orthogonal als Querkräfte auf die Exzenterwellen einwirken.The forces acting on the respective pistons of the heat engine are aligned with respect to the longitudinal axes of the eccentric shafts, whereby the forces act orthogonally as transverse forces on the eccentric shafts.

Es ist vorgesehen, dass das Arbeitsfluid im Druckraum flüssiges überkritisches Kohlenstoffdioxid oder Xenon oder Ethen ist.It is envisaged that the working fluid in the pressure space is liquid supercritical carbon dioxide or xenon or ethene.

Insbesondere ist das Arbeitsfluid Kohlenstoffdioxid CO2, welches in den Arbeitsräumen und den Energiespeicherräumen des Druckraumes in einem Arbeitspunkt verwendet wird, der bei einem Druck von 7,2 MPa (72 bar) eine Temperatur von 30°C aufweist, wie in der Beschreibung noch näher erläutert ist.In particular, the working fluid is carbon dioxide CO 2 , which is used in the working spaces and the energy storage spaces of the pressure chamber at an operating point which has a temperature of 30 ° C at a pressure of 7.2 MPa (72 bar), as in the description even closer is explained.

In einer Ausgestaltung sind mehrere Wärmekraftmaschinen in Längsrichtung der Exzenterwellen gesehen getrennt voneinander als Kaskade angeordnet, wie ebenfalls in der Beschreibung näher erläutert ist.In one embodiment, a plurality of heat engines seen in the longitudinal direction of the eccentric shafts are arranged separately from each other as a cascade, as also explained in more detail in the description.

Erfindungsgemäß ist die Wärmekraftmaschine ein Stirlingmotor, insbesondere ein Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor, der konstruktiv entsprechend der zu beachtenden Randbedingungen verändert ist, dessen Arbeitstemperatur < 50°C liegt und der sein optimales Betriebsfenster bereits bei 27° bis 37°C erreicht, wobei Temperaturdifferenzen zwischen einer Heiß- und Kaltseite des Stirlingmotors von weniger als 10K benötigt werden, wie nachfolgend erläutert wird.According to the invention, the heat engine is a Stirling engine, in particular a high-performance low-temperature Stirling engine, which is structurally changed according to the boundary conditions to be observed, the working temperature <50 ° C and reaches its optimum operating window already at 27 ° to 37 ° C, wherein temperature differences between a hot and cold side of the Stirling engine of less than 10K are needed, as explained below.

Bei einem idealen Gas führt eine Temperaturerhöhung von 30°C auf 31 °C zu einer Druckänderung (p1/p2=T1/T2) oder einer Volumenänderung (V1/V2=T1/T2) von nur circa 0,3%.With an ideal gas, a temperature increase from 30 ° C to 31 ° C leads to a pressure change (p1 / p2 = T1 / T2) or a volume change (V1 / V2 = T1 / T2) of only approx. 0.3%.

Der erfindungsgemäße Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor nutzt jedoch ein Arbeitsfluid FL, insbesondere Kohlenstoffdioxid CO2 das bereits in einem geringen Temperaturbereich, beispielsweise 30°C bis 31 °C seinen Druck um circa 2,3% und sein Volumen um circa 16,5% ändert, wodurch ein circa 400-mal höheres theoretisches Arbeitsvermögen erreicht wird.However, the high-performance, low-temperature Stirling engine according to the invention uses a working fluid FL , in particular carbon dioxide CO 2, which alters its pressure by approximately 2.3% and its volume by approximately 16.5% even in a low temperature range, for example 30 ° C. to 31 ° C., thereby achieving approximately 400 times higher theoretical working capacity ,

Der erfindungsgemäße Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor zeichnet sich durch eine hohe Kompaktheit aus, und ermöglicht bereits bei Temperaturen unter 50°C eine hohe Leistungsabgabe. Als Arbeitsfluid FL können auch Xenon oder Ethen zum Einsatz kommen.The high-performance low-temperature Stirling engine according to the invention is characterized by a high degree of compactness, and enables a high power output even at temperatures below 50 ° C. As a working fluid FL Xenon or ethene can also be used.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen 1 bis 8 erläutert.The invention is described below with reference to the associated 1 to 8th explained.

Es zeigen:

  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor in einer möglichen Ausführungsform in einer Außenansicht;
  • 2 einen Schnitt A-A gemäß 1 durch den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor;
  • 3 einen Schnitt B-B gemäß 2 durch den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor;
  • 4 einen Schnitt C-C gemäß 2 durch den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor;
  • 5 einen Schnitt F-F gemäß 2 durch den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor;
  • 6 einen Schnitt G-G gemäß 2 durch den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor;
  • 7 einen Schnitt H-H gemäß 2 durch den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor;
  • 8 einen Schnitt K-K gemäß 6 durch den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor.
Show it:
  • 1 a perspective view of a high-performance low-temperature Stirling engine in a possible embodiment in an external view;
  • 2 a cut AA according to 1 by the high performance low temperature Stirling engine;
  • 3 a cut BB according to 2 by the high performance low temperature Stirling engine;
  • 4 a cut CC according to 2 by the high performance low temperature Stirling engine;
  • 5 a cut F - F according to 2 by the high performance low temperature Stirling engine;
  • 6 a cut GG according to 2 by the high performance low temperature Stirling engine;
  • 7 a cut HH according to 2 by the high performance low temperature Stirling engine;
  • 8th a cut KK according to 6 by the high-performance low-temperature Stirling engine.

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M (vgl. 1 bis 8, der in der Lage ist, Wärmemengen bereits bei niedrigem Temperaturniveau in elektrische Energie umzuwandeln, und dabei ein Leistungsniveau zur signifikanten Unterstützung des elektrischen Energiebedarfes, insbesondere einer beispielhaft erläuterten Gebäudeversorgung zu erreichen.The invention relates to a high-performance low-temperature Stirling engine M (see. 1 to 8th , which is able to convert amounts of heat already at a low temperature level into electrical energy, and thereby to achieve a level of performance for significant support of the electrical energy demand, in particular an exemplified building supply.

Für ein Gewerbegebäude ist eine Gesamtlösung vorgesehen, welche die Versorgung mit Wärme und Elektroenergie kombiniert. Dabei wird vorzugsweise zunächst mittels einer Solarwärmeanlage (nicht dargestellt) Umweltwärme aufgenommen und bezüglich des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M in einem externen Warmwasserpuffer gespeichert.For a commercial building, a total solution is provided which combines the supply of heat and electricity. In this case, preferably first by means of a solar thermal system (not shown) received environmental heat and with respect to the high-performance low-temperature Stirling engine M stored in an external hot water buffer.

Zusätzlicher Wärmebedarf des Gebäudes wird durch einen Gasbrennwertkessel oder alternativ von einer Wärmepumpe gedeckt und ebenfalls im externen Warmwasserpuffer gespeichert. Additional heat demand of the building is covered by a gas condensing boiler or alternatively by a heat pump and also stored in the external hot water buffer.

Zur Energiewandelung wird erfindungsgemäß das besondere Verhalten eines Arbeitsfluids FL verwendet, welches abweichend von idealen Gasen einen überkritischen Zustand aufweist. For energy conversion according to the invention, the special behavior of a working fluid FL used which, unlike ideal gases, has a supercritical state.

Bei Erwärmung eines flüssigen Arbeitsfluids über den Siedepunkt hinaus wechselt dieses Arbeitsfluid im Allgemeinen in den gasförmigen Aggregatzustand. Wenn dabei der bestehende Druck ein Verdampfen nicht zulässt, nimmt der Stoff einen besonderen Zustand an, welcher sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase zutrifft. Beim Wechsel in diesen als „überkritisch“ bezeichneten Zustand dehnt sich der als Arbeitsfluid FL verwendete Stoff mit extremen Volumenzuwachs aus, wie er ansonsten nur im Verdampfungsprozess entsteht, und entfaltet dabei gleichzeitig eine Kraft, wie sie vergleichsweise bei der Ausdehnung von Flüssigkeiten auftritt. Aus energietechnischer Sicht verbindet der sogenannte überkritische Zustand somit technisch ausnutzbarer Vorteile von Flüssigkeiten und auch von Gasen.When a liquid working fluid is heated above the boiling point, this working fluid generally changes to the gaseous state of matter. If the existing pressure does not permit vaporization, the substance assumes a special condition, which applies to both liquids and gases. When changing to this condition called "supercritical", it expands as a working fluid FL used material with extreme volume growth, as it otherwise only arises in the evaporation process, while at the same time unfolding a force that occurs comparatively in the expansion of liquids. From an energy-technical point of view, the so-called supercritical state thus combines technically exploitable advantages of liquids and also of gases.

Beispielsweise bildet Kohlenstoffdioxid CO2 diesen überkritische Zustand als Eigenschaft bereits in einem Arbeitspunkt bei einer Temperatur von 30°C und einem Druck von 7,2 MPa (72 bar) aus und zeigt sich für die nachfolgend beschriebene Erfindung als besonders geeignet.For example, carbon dioxide CO 2 forms this supercritical state as a property already at an operating point at a temperature of 30 ° C. and a pressure of 7.2 MPa (72 bar) and is found to be particularly suitable for the invention described below.

Ein neuartiger Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotorlösung M, der nachfolgend erläutert wird, nutzt die besonderen Ausdehnungseigenschaften von flüssigem Kohlenstoffdioxid CO2 im überkritischen Zustand und bewältigt gleichzeitig die damit einhergehende hohe Belastung der technischen Motorkomponenten durch eine neuartige Konstruktion.A novel high-performance, low-temperature Stirling engine solution M , which will be discussed below, exploits the particular expansion characteristics of liquid carbon dioxide CO 2 in the supercritical state and at the same time copes with the concomitant high load of the engine technical components by a novel construction.

Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M wird auf der Heißseite HS (vgl. 1) mit mindestens 32°C betrieben. Dazu wird die Heißseite HS vorzugsweise von dem externen Warmwasserpuffer (nicht dargestellt) beheizt.The high performance low temperature Stirling engine M gets on the hot side HS (see. 1 ) operated at a minimum of 32 ° C. This is the hot side HS preferably heated by the external hot water buffer (not shown).

Über ein schematisch angedeutetes Leitungssystem L (vgl. 1 und 6 bis 8) wird der Heißseite HS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M Wärme zugeführt, wie noch detailliert erläutert wird.About a schematically indicated piping system L (see. 1 and 6 to 8th ) becomes the hot side HS high-performance low-temperature Stirling engine M Heat is supplied, as will be explained in detail.

Eine Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M (vgl. 1) wird von dem Kaltwasserpuffer auf eine Temperatur von maximal 30°C gekühlt. Dazu wird die Kaltseite KS von dem externen Kaltwasserpuffer beispielsweise inaktiv und/oder aktiv gekühlt.A cold side KS high-performance low-temperature Stirling engine M (see. 1 ) is cooled by the cold water buffer to a maximum temperature of 30 ° C. For this purpose, the cold side KS is cooled by the external cold water buffer, for example, inactive and / or active.

Über ein analog zur Heißseite HS ausgeführtes Leitungssystem L (vgl. 1 und 6 bis 8) wird von der Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M Wärme abgeführt, wie ebenfalls noch erläutert wird.About an analogous to the hot side HS executed piping system L (see. 1 and 6 to 8th ) is from the cold side KS high-performance low-temperature Stirling engine M Heat dissipated, as will also be explained.

Diese besondere Betriebsweise ermöglicht erfindungsgemäß bereits bei einer minimalen Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Heißseite HS und der Kaltseite KS von 2°K die Normalfunktion des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M.This particular mode of operation according to the invention already allows for a minimal temperature difference .DELTA.T between the hot side HS and the cold side KS of 2 ° K the normal function of the high-performance low-temperature Stirling engine M ,

Der erforderliche Wärmeenergiebedarf auf der Heißseite HS und der Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors wird durch entsprechend hohe Volumenströme aus zumindest dem externen Warmwasserspeicher oder beiden externen Pufferspeichern dem externen Warmwasserspeicher und dem externen Kaltwasserspeicher realisiert.The required heat energy requirement on the hot side HS and the cold side KS of the high-performance low-temperature Stirling engine is realized by correspondingly high volume flows from at least the external hot water tank or two external buffer storage the external hot water tank and the external cold water tank.

Da der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M während des Betriebes kontinuierlich seine Heißseite HS kühlt und seine Kaltseite KS erwärmt, wird letztlich Wärme vom externen Warmwasserpuffer zum externen Kaltwasserpuffer transportiert. Es ist beispielsweise erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Heizkreislauf des Gebäudes aus dem Kaltwasserpuffer versorgt wird, sodass das Gebäude als Kühler arbeitet.As the high-performance low-temperature Stirling engine M continuously during operation its hot side HS cools and its cold side KS heated, heat is ultimately transported from the external hot water buffer to the external cold water buffer. It is inventively provided that a heating circuit of the building is supplied from the cold water buffer, so that the building works as a cooler.

Mit anderen Worten, auf die Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M transportierte Wärme wird beispielsweise über den Heizkreislauf des Gebäudes, der mit dem Kaltwasserpuffer in Verbindung steht, abgeführt. Somit dient die Abwärme der Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M in vorteilhafter Weise schließlich als Nutzwärme zur Gebäudeheizung.In other words, on the cold side KS high-performance low-temperature Stirling engine M transported heat is dissipated, for example via the heating circuit of the building, which communicates with the cold water buffer. Thus, the waste heat of the cold side is used KS high-performance low-temperature Stirling engine M in an advantageous manner, finally, as useful heat for heating the building.

Die Gebäudeheizung wird dabei entsprechend großflächig ausgelegt, um bei einer für die Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M vorgesehenen Temperatur von max. 30°C als Vorlauftemperatur der Gebäudeheizung einen ausreichenden Wärmeübergang zu realisieren.The heating of the building is designed to cover a large area, at one for the cold side KS high-performance low-temperature Stirling engine M provided temperature of max. 30 ° C as the flow temperature of the building heating to realize a sufficient heat transfer.

Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M treibt zudem in bevorzugter Ausgestaltung einen Generator an, welcher die erzeugte Elektroenergie einspeist, insbesondere in ein Hausnetz einspeist.The high performance low temperature Stirling engine M In addition, in a preferred embodiment, drives a generator which feeds the generated electrical energy, in particular feeds it into a household grid.

Die gewünschte Temperatur der Heißseite HS, insbesondere mindestens 32°C oder größer kann entweder durch die Mischung, des aus dem externen Warmwasserpuffer zufließenden Mediums LZU (vgl. 1 und 7) und dem von der Heißseite HS zurück fließenden Medium LAB , oder durch die Durchflussgeschwindigkeit des aus dem externen Warmwasserpuffer zufließenden Mediums LZU - ohne Zumischung - eingestellt werden.The desired temperature of the hot side HS , in particular at least 32 ° C or greater can either by the mixture of the inflowing from the external hot water buffer medium L TO (see. 1 and 7 ) and from the hot side HS back flowing medium L AB , or through the flow rate of the medium flowing from the external hot water buffer L TO - without admixture - be adjusted.

Mit Hilfe dieser Temperatureinstellungen kann die Momentanleistung des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M beziehungsweise die Einspeiseleistung des Generators an den gewünschten Bedarf angepasst werden.Using these temperature settings, the instantaneous power of the high-performance, low-temperature Stirling engine M or the feed power of the generator to be adapted to the desired needs.

Die erfindungsgemäße Lösung erfüllt folgende Funktionen:The solution according to the invention fulfills the following functions:

Es wird eine wirtschaftliche Energiespeicherung über den Warmwasserpuffer gewährleistet. Zudem wird eine effektive Umwandlung von Umweltwärme in Elektroenergie realisiert. Außerdem wird eine zeitliche Entkoppelung von Wärmeerzeugung und Wärmebedarf sowie des Bedarfs an elektrischer Energie vorgenommen.An economic energy storage via the hot water buffer is guaranteed. In addition, an effective conversion of environmental heat into electrical energy is realized. In addition, a temporal decoupling of heat generation and heat demand and the need for electrical energy is made.

Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M im Detail:The high performance low temperature Stirling engine M in detail:

Die Ausgestaltungen herkömmlicher Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotoren weisen eine Kolben-Kurbelwellenkonstruktion auf, die den Druck des Arbeitsfluids über den Kolbenboden des Kolbens aufnimmt. Im Kolben ist ein Kolbenbolzen eingesetzt. Dieser leitet die Kraft über ein Lager, insbesondere ein Gleitlager oder eine Nadellager auf das obere Pleuelauge weiter. Der Pleuel an sich stützt sich gegen die Kurbelwelle ab und leitet die Kraft vom unteren Pleuelauge über Lager an die Kurbelwelle weiter. Das entstehende Drehmoment liegt am Kurbelwellenzapfen als rotierende Arbeit an.The embodiments of conventional high-performance, low-temperature Stirling engines have a piston-crankshaft construction which receives the pressure of the working fluid through the piston crown of the piston. In the piston, a piston pin is used. This forwards the force via a bearing, in particular a sliding bearing or a needle bearing on the upper connecting rod eye. The connecting rod itself is supported against the crankshaft and passes the power from the lower connecting rod eye via bearings to the crankshaft. The resulting torque is applied to the crankshaft journal as a rotating work.

Beim geplanten Einsatz des Kohlenstoffdioxid CO2 entstehen insbesondere im überkritischen Zustand des Arbeitsfluids erhebliche, insbesondere größere Drücke als bei herkömmlichen Arbeitsfluiden (wie Stickstoff, Helium oder Luft), die keinen überkritischen Zustand einnehmen, wodurch immense Kräfte auf den Kolbenboden des Kolbens wirken.In the planned use of the carbon dioxide CO 2 , in particular in the supercritical state of the working fluid, considerable, and in particular larger, pressures than with conventional working fluids (such as nitrogen, helium or air), which do not assume a supercritical state, causing immense forces acting on the piston crown of the piston.

Bei den herkömmlichen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotoren sind die Bauteile der Wirkungskette Kolbenbolzen, Kolbenbolzenlager und der obere Pleuelbereich konstruktiv relativ klein ausgeführt, weshalb die dort anliegenden Flächenpressungen, Biegespannungen und Scherspannungen, bei den jetzt vorliegenden größeren Drücken, zu deren Überlastung führen.In the conventional high-performance low-temperature Stirling engines, the components of the chain of action piston pin, piston pin bearing and the upper connecting rod are constructively designed relatively small, which is why the surface pressure, bending stresses and shear stresses applied there, at the now present greater pressures, leading to their overload.

Zur Vermeidung dieser Überlastung kann die Leistung reduziert werden, wodurch sich jedoch in nachteiliger Weise die Attraktivität des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors verringert.To avoid this overload, the power can be reduced, but disadvantageously reduces the attractiveness of the high-performance low-temperature Stirling engine.

Es besteht auch die Möglichkeit, um die hohen Kräfte sicher aufnehmen zu können, wie es in der Praxis bisher zumeist erfolgt, die Bauteile überzudimensionieren, wodurch in nachteiliger Weise Größe, Gewicht und Kosten erhöht werden, sodass die Wirtschaftlichkeit des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor sinkt.There is also the possibility to safely absorb the high forces, as has been done in practice so far, to oversize the components, which disadvantageously size, weight and cost are increased, so that the efficiency of the high-performance low-temperature Stirling engine decreases.

Eine neuartige Konstruktion eines Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M verzichtet auf Kolbenbolzen, Kolbenbolzenlager und Pleuel.A novel construction of a high-performance, low-temperature Stirling engine M dispenses with piston pin, piston pin bearing and connecting rod.

Der neue Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M ist in einer perspektivischen Außenansicht in 1 und in einer Schnittdarstellung in 2 dargestellt ist, wobei empfohlen wird die nachfolgende Beschreibung in einer Zusammenschau der 1 bis 5 nachzuvollziehen.The new high-performance, low-temperature Stirling engine M is in a perspective outside view in 1 and in a sectional view in 2 The following description is recommended in a synopsis of the 1 to 5 understand.

Es wird hinsichtlich der Figuren vorausgeschickt, dass der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M bei einem Temperaturunterschied ΔT des Arbeitsfluids AF von 10K zwischen Heißseite HS und Kaltseite KS als ein kompaktes Bauteil ausgebildet ist, mit einer Höhe x Breite x Tiefe (H/B/T) von jeweils 25 cm aufweist.It is preceded with respect to the figures that the high-performance low-temperature Stirling engine M at a temperature difference .DELTA.T of the working fluid AF of 10K between hot side HS and cold side KS is formed as a compact component having a height x width x depth (H / B / T) of 25 cm.

Mit einem solchen kompakten Bauteil von 25 cm x 25 cm x 25 cm kann mit dem Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M (ohne Kaskadierung) eine Leistung erreicht werden, die circa 2 kW beträgt, wenn als Arbeitsfluids AF wie erläutert überkritisches Kohlenstoffdioxid CO2 eingesetzt wird.With such a compact component of 25 cm x 25 cm x 25 cm can work with the high-performance low-temperature Stirling engine M (without cascading), a power that is approximately 2 kW when working as working fluid AF as explained supercritical carbon dioxide CO2 is used.

Im Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M (vgl. 1) wird das komprimierte Arbeitsfluid FL, insbesondere überkritisches Kohlenstoffdioxid CO2 abwechselnd von einem kalten Steuerzylinder 2, mittels einem Steuerkolben 4 und einem Arbeitskolben 3 eines warmen Arbeitszylinders 1 über die Regeneratoren 9, 10 in den warmen Arbeitszylinders 1 und vom warmen Arbeitszylinder 1 in den kalten Steuerzylinder 2 verschoben. Ein erster Regenerator R1 weist analog zu dem warmen Arbeitszylinders 1 eine Heißseite R1-HS und analog zu dem kalten Steuerzylinder 2eine Kaltseite R1-KS auf.In high-performance low-temperature Stirling engine M (see. 1 ) becomes the compressed working fluid FL , in particular supercritical carbon dioxide CO 2 alternately from a cold control cylinder 2 , by means of a control piston 4 and a working piston 3 a warm working cylinder 1 about the regenerators 9 . 10 in the warm working cylinder 1 and from the warm working cylinder 1 in the cold control cylinder 2 postponed. A first regenerator R1 has analogous to the warm working cylinder 1 a hot side R1 - HS and analogous to the cold control cylinder 2, a cold side R1- KS on.

Ein zweiter Regenerator R2 weist ebenfalls analog zu dem warmen Arbeitszylinders 1 eine Heißseite R2-HS und analog zu dem kalten Steuerzylinder 2 eine Kaltseite R2-KS auf.A second regenerator R2 also analogous to the warm working cylinder 1 a hot side R2 -HS and analogous to the cold control cylinder 2 a cold side R2 -KS on.

Die beiden Regeneratoren R1, R2 (vgl. 1) bilden die Wärmespeichermasse des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M der Wärmekraftmaschine.The two regenerators R1 . R2 (see. 1 ) form the heat storage mass of the high-performance, low-temperature Stirling engine M the heat engine.

Grundsätzlich ist der Betrieb des Stirlingmotors auch ohne Regeneratoren möglich, jedoch fehlt dann die Wärmespeichermasse, um den Stirlingmotor effizient betreiben zu können.In principle, the operation of the Stirling engine is possible without regenerators, but is missing then the heat storage mass to operate the Stirling engine efficiently.

Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M ist eine an sich bekannte Vorrichtung, die aus einer Temperaturdifferenz eines zwischen zwei Kolben 3, 4 hin und her geförderten Arbeitsfluids mechanische Energie erzeugen kann.The high performance low temperature Stirling engine M is a device known per se, which consists of a temperature difference between one of two pistons 3 . 4 back and forth funded working fluid can generate mechanical energy.

Dieser Vorgang benötigt eine Kältequelle und eine Wärmequelle. Die Kältequelle wird im erfindungsgemäßen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M durch die Kaltseite KS realisiert. Die Wärmequelle wird durch die Heißseite HS realisiert.This process requires a cold source and a heat source. The cold source is in the high-performance low-temperature Stirling engine according to the invention M realized by the cold side KS. The heat source is through the hot side HS realized.

Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M weist die genannten zwei Zylinder 1, 2 auf, nämlich den kalten Steuerzylinder 2 (Kaltseite KS) und den warmen Arbeitszylinder 1 (Heißseite HS) vgl. den Schnitt F-F gemäß 5 und den Schnitt B-B gemäß 3.The high performance low temperature Stirling engine M has the mentioned two cylinders 1 . 2 on, namely the cold control cylinder 2 (Cold side KS ) and the warm working cylinder 1 (Hot side HS ) see. the cut F - F according to 5 and the cut BB according to 3 ,

Die Kälte und die Wärme wird den beiden Zylindern 1, 2 durch die ihnen zugeordneten Kaltseiten KS und Heißseiten HS der Regeneratoren R1, R2 bereitgestellt, die mit den jeweiligen Zylindern 1, 2 über Verbindungsöffnungen 12, 13 (vgl. 1 und 4, 5) verbunden sind.The cold and the heat is the two cylinders 1 . 2 through the cold sides assigned to them KS and hot sides HS the regenerators R1 . R2 provided with the respective cylinders 1 . 2 via connection openings 12 . 13 (see. 1 and 4 . 5 ) are connected.

Gemäß den 6 bis 7 (Schnitte G-G und H-H) wird die Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr über je mindestens ein Leitungssystem L gewährleistet, welches im Gehäuse 1A des Arbeitszylinders 1 beziehungsweise im Gehäuse 2A des Steuerzylinders 2, um die jeweiligen Zugänge der Regeneratoren R1 und R2 herum auf der Heißseite HS und bevorzugt auch auf der Kaltseite KS im Gehäuse 1A und 2A des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M ausgebildet ist. Gemäß 8 sind in den Gehäusen 1A, 2A entsprechende Leitungsabzweige L1 ausgebildet, um die Wirkung der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr zu erhöhen.According to the 6 to 7 (cuts GG and HH ), the heat supply and heat dissipation via at least one piping system L ensures which in the housing 1A of the working cylinder 1 or in the housing 2A of the control cylinder 2 to the respective accesses of the regenerators R1 and R2 around on the hot side HS and preferably also on the cold side KS in the case 1A and 2A high-performance low-temperature Stirling engine M is trained. According to 8th are in the cases 1A . 2A corresponding line branches L1 designed to increase the effect of heat and heat dissipation.

Zumindest auf der Heißseite HS ist mindestens eine Zulauföffnung LZu und eine Ablauföffnung LAB vorgesehen, um (vgl. 1) dem Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M ein Wärme führendes Medium, insbesondere Wasser zuführen zu können, welches nach seiner Wärmeabgabe über die Ablauföffnung LAB abgeführt wird. Bevorzugt wird diese Wärme, wie bereits erwähnt, aus einem Kreislauf einer Solarwärmeanlage entnommen, die in einem Warmwasserpuffer der Solarwärmeanlage gespeichert ist.At least on the hot side HS is at least one inlet opening L to and a drain hole L AB intended to (cf. 1 ) the high performance low temperature Stirling engine M a heat-conducting medium, in particular to be able to supply water, which after its heat release via the drain opening L AB is dissipated. Preferably, this heat, as already mentioned, taken from a cycle of a solar heating system, which is stored in a hot water buffer of the solar thermal system.

Zusätzlich ist auf der Kaltseite KS (vgl. 1) ebenfalls mindestens eine Zulauföffnung LZu und eine Ablauföffnung LAB vorgesehen, um (vgl. 1) dem Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M eine Wärme abführendes Medium zuführen zu können, welches nach seiner Wärmeaufnahme über die Ablauföffnung LAB abgeführt wird. Bevorzugt wir diese Abwärme, wie erwähnt der Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M in vorteilhafter Weise als Nutzwärme zur Gebäudeheizung genutzt.Additionally is on the cold side KS (see. 1 ) Also at least one inlet opening L to and a drain hole L AB intended to (cf. 1 ) the high performance low temperature Stirling engine M to be able to supply a heat dissipating medium, which after its heat absorption via the drain opening L AB is dissipated. We prefer this waste heat, as mentioned the cold side KS high-performance low-temperature Stirling engine M used in an advantageous manner as useful heat for heating buildings.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind (vgl. 2) in den beiden Zylindern 1, 2 jeweils die Kolben 3, 4 angeordnet, welche durch ihre translatorische Bewegung jeweils eine Exzenterwelle 5, 6 rotatorisch antreiben, die jeweils in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung in einem Kolbeninnenraum 3A, 4A angeordnet sind.In a preferred embodiment of the invention are (see. 2 ) in the two cylinders 1 . 2 each the pistons 3 . 4 arranged, which by their translational movement in each case an eccentric shaft 5 . 6 rotationally driving, each in a preferred embodiment of the invention in a piston interior 3A . 4A are arranged.

Auf jeder der Exzenterwellen 5, 6 ist jeweils ein Zahnrad 9, 10 angeordnet, die ineinander greifen, mithin miteinander verzahnt sind.On each of the eccentric shafts 5 . 6 is each a gear 9 . 10 arranged, which interlock, are thus interlocked with each other.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass jede der Exzenterwellen 5, 6 einen Exzenter 5A, 6A aufweist, wobei der Exzenter 5A der ersten Exzenterwelle 5 gegenüber dem Exzenter 6A der zweiten Exzenterwelle 6 - vorgebbar - zwischen 90° und 170°, in einem sogenannten Versatz V, versetzt angeordnet sind.According to the invention it is further provided that each of the eccentric shafts 5 . 6 an eccentric 5A . 6A having, wherein the eccentric 5A the first eccentric shaft 5 opposite the eccentric 6A the second eccentric shaft 6 - specifiable - between 90 ° and 170 °, in a so-called offset V , are arranged offset.

Der vorgegebene nach verschiedenen Randbedingungen ausgewählte Versatz V der Exzenter 5A, 5B der Exzenterwellen 5, 6 ist durch die zwei entsprechend ineinandergreifende Zahnräder 9, 10 fixiert.The default offset selected according to different boundary conditions V the eccentric 5A . 5B the eccentric waves 5 . 6 is through the two interlocking gears 9 . 10 fixed.

In dem in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Exzenter 5A der ersten Exzenterwelle 5 gegenüber dem Exzenter 6A der zweiten Exzenterwelle 6 um 90° versetzt angeordnet.In the in the 1 to 5 illustrated embodiment is the eccentric 5A the first eccentric shaft 5 opposite the eccentric 6A the second eccentric shaft 6 arranged offset by 90 °.

Durch den Versatz V (im Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit einem 90°-Versatz V) wird eine kontinuierliche translatorische Bewegung der Arbeitskolben 2, 4, da der Arbeitskolbens 2 mit der innenliegenden ersten Exzenterwelle 5 und dem Exzenter 5A über die Zahnräder 9, 10 mit der im Steuerkolben 4 innenliegenden zweiten Exzenterwelle 6 und dem Exzenter 6A und somit mit dem Steuerkolben 4 verbunden ist, in eine rotatorische Bewegung der Exzenterwellen 5, 6 umgewandelt. Somit wird durch den Versatz V der zeitlichen Verzögerung des Steuerkolbens 4 gegenüber dem Arbeitskolben 2 Rechnung zu getragen.By the offset V (In the embodiment according to 2 with a 90 ° offset V ) is a continuous translational movement of the working piston 2 . 4 because of the working piston 2 with the inner first eccentric shaft 5 and the eccentric 5A over the gears 9 . 10 with the in the control piston 4 inner second eccentric shaft 6 and the eccentric 6A and thus with the control piston 4 connected, in a rotational movement of the eccentric shafts 5 . 6 transformed. Thus, by the offset V the time delay of the control piston 4 opposite the working piston 2 Accounted for.

Nach dem bekannten Stirling-Prinzip kann im Betrieb des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M an den Exzenterwellen 5, 6 oder an den Zahnrädern 11, 12 ein nutzbares Drehmoment abgenommen werden.According to the known Stirling principle, during operation of the high-performance low-temperature Stirling engine M on the eccentric shafts 5 . 6 or on the gears 11 . 12 a usable torque can be removed.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind im Kolbeninnenraum 3A, 4A (vgl. 2) Gleitlagerbuchsen 7, 8, die vorzugsweise mit einer Teflon-Innenbeschichtung 7A, 8A versehen sind, jeweils zwischen den Exzentern 5A, 6A der Exzenterwellen 5, 6 und den Kolben 3, 4 angeordnet. Die Gleitlagerbuchsen 7, 8 verringern in vorteilhafter Weise die Reibung zwischen den Exzenterwellen 5, 6 und den Innenseiten der Kolben 3, 4.In a preferred embodiment of the invention are in the piston interior 3A . 4A (see. 2 ) plain bearing bushes 7 . 8th , preferably with a Teflon inner coating 7A . 8A are provided, respectively between the eccentrics 5A . 6A the eccentric waves 5 . 6 and the piston 3 . 4 arranged. The plain bearing bushes 7 . 8th advantageously reduce the friction between the eccentric shafts 5 . 6 and the insides of the pistons 3 . 4 ,

Da durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung keine Pleuelstange erforderlich ist, kann mit diesem erläuterten Prinzip mit höherem Arbeitsfluid-Drücken als bisher gearbeitet werden, wie nachfolgend erläutert wird.Since no connecting rod is required by the inventive design, can be worked with this explained principle with higher working fluid pressures than before, as will be explained below.

Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M weist somit durch mindestens ein Gehäuseteil 1A, 2A, 1A-2A gebildeten Druckraum auf, der gegenüber der Umgebung druckdicht ausgebildet ist und mit dem Arbeitsfluid FL gefüllt ist, und der auf der Heißseite HS durch äußere Wärmezufuhr bei höherer Temperatur und durch auf der Kaltseite KS durch äußere Wärmeabfuhr - bei gegenüber der höheren Temperatur tieferer Temperatur - mechanisch Leistung abgibt, wobei der mindestens eine Druckraum durch periodisch bewegbare Kolben 3, 4 in zwei fluiddichte und druckdichte Arbeitsräume geteilt ist.The high performance low temperature Stirling engine M thus has at least one housing part 1A . 2A . 1A - 2A formed pressure chamber, which is pressure-tight with respect to the environment and with the working fluid FL is filled, and the one on the hot side HS by external heat input at higher temperature and by on the cold side KS by external heat dissipation - in relation to the higher temperature lower temperature - mechanical output power, the at least one pressure chamber by periodically movable piston 3 . 4 divided into two fluid-tight and pressure-tight work spaces.

Die Arbeitsräume sind durch die Kolben 3, 4 fluidseitig voneinander getrennt und stehen über die Kolben 3, 4 druckseitig in einer Wirkverbindung, wobei einer der Kolben 3, 4 auf der Heißseite HS durch die äußere Wärmezufuhr gegenüber dem anderen auf der Kaltseite KS angeordneten Kolben 3, 4 auf eine höhere Temperatur gebracht und der andere auf Kaltseite KS angeordnete Kolben 3, 4 gegenüber dem auf der Heißseite HS angeordneten Kolben 3, 4 auf eine niedrigeren Temperatur gehalten wird, wobei die in den Arbeitsräumen erzeugten Druckschwankungen periodisch auf die translatorisch bewegbaren Kolben 3, 4 wirken, die mit koaxial zueinander angeordneten rotierenden Exzenterwellen 5, 6 in Wirkverbindung stehen, wobei die koaxial angeordneten Exzenterwellen 5, 6 in Längsrichtung der Exzenterwellen 5, 6) gesehen in einem vorgebbaren Versatz V exzentrisch zueinander angeordnet sind.The work spaces are through the pistons 3 . 4 Fluid side separated and are above the piston 3 . 4 on the pressure side in an operative connection, wherein one of the pistons 3 . 4 on the hot side HS through the external heat supply to the other on the cold side KS arranged piston 3 . 4 brought to a higher temperature and the other on cold side KS arranged piston 3 . 4 opposite to the one on the hot side HS arranged piston 3 . 4 is maintained at a lower temperature, wherein the pressure fluctuations generated in the work spaces periodically to the translationally movable piston 3 . 4 act, with coaxially arranged rotating eccentric shafts 5 . 6 are in operative connection, wherein the coaxially arranged eccentric shafts 5 . 6 in the longitudinal direction of the eccentric shafts 5 . 6 ) seen in a predetermined offset V are arranged eccentrically to each other.

Vorgesehen ist, dass jeder der Kolben 3, 4 sich parallel gegenüberliegende Kolbenstirnflächen A3, A4 aufweist, wobei zwei auf der gleichen Seite liegende Kolbenstirnflächen A3, A4 der Kolben 3, 4 je einen zwischen der Heißseite HS und der Kaltseite KS liegenden Energiespeicherraum bilden.It is envisaged that each of the pistons 3 . 4 parallel opposing piston end faces A3 . A4 having two piston faces located on the same side A3 . A4 The piston 3 . 4 one each between the hot side HS and the cold side KS form lying energy storage space.

Die Energiespeicherräume sind erfindungsgemäß als Wärmetauscher, insbesondere als thermische Regeneratoren R1, R2 (vgl. 1 und 2) ausgebildet.The energy storage rooms are according to the invention as heat exchangers, in particular as thermal regenerators R1 . R2 (see. 1 and 2 ) educated.

Bevorzugt sind die Energiespeicherräume der thermischen Regeneratoren R1, R2 (wie in den 1 und 2 dargestellt) in dem Gehäuse 1A, 2A, 1A-2A integriert angeordnet, oder sie sind außerhalb des Gehäuse 1A, 2A, 1A-2A (nicht dargestellt) angeordnet.The energy storage spaces of the thermal regenerators are preferred R1 . R2 (as in the 1 and 2 shown) in the housing 1A . 2A . 1A - 2A integrated, or they are outside the housing 1A . 2A . 1A - 2A (not shown) arranged.

Im Betrieb des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M herrscht in den Regeneratoren R1 und R2 unter Verwendung des Arbeitsfluids Kohlenstoffdioxid CO2 im genannten Arbeitspunkt bei einer Temperatur von 30°C ein Druck von circa 7,2 MPa (72 bar).In the operation of the high-performance low-temperature Stirling engine M prevails in the regenerators R1 and R2 using the working fluid carbon dioxide CO 2 in said operating point at a temperature of 30 ° C, a pressure of about 7.2 MPa (72 bar).

Je nach Temperatur auf der Heißseite R1-HS, R2-HS und der Kaltseite R1-KS, R2-KS (vgl. 1) und dem Betriebszustand des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M liegen die Drücke temperaturabhängig in den Regeneratoren R1 und R2 zwischen circa 7,0 MPa (70 bar) und 7,5 MPa (75 bar), wobei gemäß dem Stirling-Prinzip zwischen den sich gegenüberliegenden stirnseitigen Flächen A3 des Arbeitskolbens 3 (vgl. 2) und den gegenüberliegenden stirnseitigen Flächen A4 des Steuerkolbens A4 (vgl. 2) eine Druckdifferenz Δp vorliegt, die eine Aufrechterhaltung des Stirling-Kreisprozesses gewährleistet.Depending on the temperature on the hot side R1 -HS, R2-HS and the cold side R1 - KS . R2 - KS (see. 1 ) and the operating state of the high-performance low-temperature Stirling engine M the pressures are temperature dependent in the regenerators R1 and R2 between about 7.0 MPa (70 bar) and 7.5 MPa (75 bar), according to the Stirling principle between the opposite end faces A3 of the working piston 3 (see. 2 ) and the opposite end faces A4 of the control piston A4 (see. 2 ) there is a pressure difference Δp which ensures maintenance of the Stirling cycle.

Vorgesehen ist, dass Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid FL in den Arbeitsräumen des Druckraumes und den Energiespeicherräumen temperaturabhängig vorzugsweise bei einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen 2K und 10K zwischen der Heißseite HS und der Kaltseite KS der Kolben 3, 4 zwischen 7,0 MPa (70 bar) und 7,5 MPa (75 bar) schwankt, wobei die Druckschwankungen durch die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Heiß- und Kaltseite HS, KS bei einer Temperatur auf der Heißseite HS von maximal 37°C und einer Temperatur auf der Kaltseite KS von minimal 27°C hervorgerufen werden.It is envisaged that carbon dioxide as a working fluid FL in the working spaces of the pressure chamber and the energy storage spaces depending on temperature, preferably at a temperature difference .DELTA.T between 2K and 10K between the hot side HS and the cold side KS The piston 3 . 4 between 7.0 MPa (70 bar) and 7.5 MPa (75 bar) varies, with pressure fluctuations due to the temperature difference .DELTA.T between the hot and cold side HS . KS at a temperature on the hot side HS of a maximum of 37 ° C and a temperature on the cold side KS be caused by a minimum of 27 ° C.

Die Druckdifferenzen Δp (p31-p32 und p41-p42) (vgl. 1) sind jedoch durch die konstruktive Ausgestaltung, der an den stirnseitigen sich gegenüberliegenden Flächen A3 des Arbeitskolbens 3 anliegenden Drücke p31, p32 beziehungsweise der an den stirnseitigen sich gegenüberliegenden Flächen A4 des Arbeitskolbens 4 anliegenden Drücke p41, p42 relativ gering.The pressure differences Δp (p31-p32 and p41-p42) (cf. 1 ) are, however, by the structural design, on the front side opposite surfaces A3 of the working piston 3 adjacent pressures p31 . p32 or at the front side opposite surfaces A4 of the working piston 4 adjacent pressures p41 . p42 relatively low.

Die durch die verbleibende Druckdifferenz Δp wirkende Kraft F wirkt zudem durch die konstruktive Gestaltung des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M auf den jeweiligen Kolben 3, 4 und nicht auf die jeweilige Exzenterwelle 5, 6. Die Kraft F wird in Abhängigkeit der Stellung des Exzenters 5A, 6A (vgl. 2, 3, 4, 5) auf die Exzenterwelle 5, 6 übertragen.The by the remaining pressure difference Ap Acting force F In addition, it has a constructive effect on the high-performance low-temperature Stirling engine M on the respective piston 3 . 4 and not on the respective eccentric shaft 5 . 6 , The power F will depend on the position of the eccentric 5A . 6A (see. 2 . 3 . 4 . 5 ) on the eccentric shaft 5 . 6 transfer.

Die Längsachsen 5B, 6B der Exzenterwellen 6, 7 liegen quer zu über den jeweiligen Kolben 3, 4 auf den Exzenters 5A, 6A und die Exzenterwellen 6, 7 wirkenden Kraft F. Mithin ist die auf die Exzenterwellen 6, 7 wirkende Kraftdifferenz relativ gering. Somit ist in vorteilhafter Weise erreicht, dass die auf die Kolben 3, 4 wirkenden Querkräfte minimiert sind.The longitudinal axes 5B . 6B the eccentric waves 6 . 7 lie across to the respective piston 3 . 4 on the eccentric 5A . 6A and the eccentric shafts 6 . 7 acting force F , So that's on the eccentric shafts 6 . 7 acting force difference relatively low. Thus, it is achieved in an advantageous manner that on the piston 3 . 4 acting transverse forces are minimized.

Erfindungsgemäß, ist somit durch die geringere mechanische Kraftübertragung des jeweiligen Kolbens 3, 4 auf den Exzenters 5A, 6A und die Exzenterwellen 6, 7 und somit auf die Exzenterwellenlager 5D, 6D (vgl. 4 und 5) eine Bauteilreduzierung der jeweiligen Bauteile möglich, wodurch insgesamt ein kompaktes Bauteil ausbildbar ist, das den hohen Arbeitsdrücken zwischen 7,0 MPa (70 bar) und 7,5 MPa (75 bar) stand hält.According to the invention, is thus due to the lower mechanical power transmission of the respective piston 3 . 4 on the eccentric 5A . 6A and the eccentric shafts 6 . 7 and thus on the eccentric shaft bearings 5D . 6D (see. 4 and 5 ) a component reduction of the respective components possible, whereby a total of a compact component can be formed, which withstands the high working pressures between 7.0 MPa (70 bar) and 7.5 MPa (75 bar).

Dadurch ist es möglich, den Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M mit einem Arbeitsfluid FL zu betreiben, welches sich in einem überkritischem Zustand (z.B. CO2) befindet, wodurch der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M bei hohen Drücken und geringen Temperaturen und geringen Temperaturdifferenzen betrieben werden kann.This makes it possible to use the high-performance, low-temperature Stirling engine M with a working fluid FL to operate, which is in a supercritical state (eg, CO 2 ), whereby the high-performance low-temperature Stirling engine M can be operated at high pressures and low temperatures and low temperature differences.

Die Wärmetauscher, insbesondere die Regeneratoren R1, R2 im Detail:The heat exchangers, in particular the regenerators R1 . R2 in detail:

Um die Leistung des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M bei geringer Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite HS, KS sowie geringer Bauteilgröße zu gewährleisten, muss der Heißseite HS die notwendige Wärmemenge mittels eines relativ großen Volumenstroms herangeführt werden, wobei der Strömungswiderstand in den Regeneratoren R1, R2 möglich klein sein soll.To the performance of the high-performance low-temperature Stirling engine M with low temperature difference between hot and cold side HS . KS as well as to ensure small component size, the hot side needs HS the necessary amount of heat be introduced by means of a relatively large volume flow, the flow resistance in the regenerators R1 . R2 should be possible small.

Eine verringerte Temperaturdifferenz auf den beiden Seiten des Regenerators R1, R2 reduziert proportional dessen Übertragungsleistung.A reduced temperature difference on both sides of the regenerator R1 . R2 proportionally reduces its transmission power.

Eine Verkleinerung der Regeneratoren R1, R2 bewirkt ebenfalls eine Verringerung der Übertragungsleistung, da weniger Oberfläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht. A reduction of the regenerators R1 . R2 also causes a reduction of the transmission power, as less surface is available for heat transfer.

Eine kleinteiligere Ausführung des Regenerators R1, R2 kann zwar die Übertragungsfläche erhöhen, erzeugt jedoch zunehmende Kapillareffekte und erhöht damit den mechanischen Widerstand bei der Durchströmung der Regeneratoren R1, R2 mit dem Arbeitsfluid FL.A smaller version of the regenerator R1 . R2 Although it can increase the transfer area, but generates increasing capillary effects and thus increases the mechanical resistance in the flow through the regenerators R1 . R2 with the working fluid FL ,

Die folgende erfindungsgemäße konstruktive Ausgestaltung führt diese sich widerstrebenden Randbedingungen wie folgt in vorteilhafter Weise zusammen.The following structural design according to the invention brings these resistive boundary conditions together as follows in an advantageous manner.

Die in den 1 und 2 gezeigten Regenerator R1, R2 erlauben die Durchströmung mit einem relativ hohen Volumenstrom bei geringem mechanischen Widerstand und großer Oberfläche zur Wärmeübertragung bei einer insgesamt kompakten Ausführung der Regeneratoren R1, R2.The in the 1 and 2 shown regenerator R1 . R2 allow the flow with a relatively high flow rate with low mechanical resistance and high surface area for heat transfer in a total compact design of the regenerators R1 . R2 ,

Vorgeschlagen werden rekuperative Regeneratoren R1, R2. Sie entziehen beim Durchströmen des Arbeitsgases zum einen dem durch Zufuhr von Wärmeenergie erwärmten Arbeitsgas Wärmeenergie, kühlt es ab und speichert zumindest einen Teil die ihm entzogene Wärmeenergie rekuperativ in der in den Regeneratoren R1, R2 angeordneten Speichermasse in den jeweiligen Energiespeicherräumen.Proposed recuperative regenerators R1 . R2 , As they pass through the working gas, they withdraw thermal energy from the working gas heated by the supply of heat energy, cool it and store at least some of the heat energy withdrawn from it in the regenerators R1 . R2 arranged storage mass in the respective energy storage spaces.

Die derart rekuperativ gespeicherte Wärmeenergie wird beim Durchströmen des, dem durch Entzug von Wärmeenergie abgekühlten Arbeitsfluids FL, aus der in der Speichermasse gespeicherten Wärmeenergie wieder zugeführt.The recuperatively stored heat energy is flowing through the, cooled by the withdrawal of heat energy working fluid FL , fed back from the heat energy stored in the storage mass.

Vorgeschlagen wird ein Wärmetauscher, der insbesondere als ein thermischer Regenerator R1, R2 eines Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M fungiert und der mindestens ein Gehäuseteil 1A, 2A, 1A-2A aufweist, in welchem ein Energiespeicherraum ausgebildet ist, in dem eine Speichermasse zur Wärmespeicherung angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher ein Feststoffwärmespeicher mit den beschriebenen rekuperativen Eigenschaften ist, dessen Speichermasse aus einem gut leitenden, vorzugsweise metallischen Material, ausgebildet ist.Proposed is a heat exchanger, in particular as a thermal regenerator R1 . R2 a high-performance low-temperature Stirling engine M acts and the at least one housing part 1A . 2A . 1A - 2A in which an energy storage space is formed, in which a storage mass is arranged for heat storage, wherein the heat exchanger is a solid heat storage with the described recuperative properties, the storage mass of a highly conductive, preferably metallic material is formed.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Speichermasse aus einem porösen Aluminiumkörper ausgebildet ist, der in dem mindestens einen Gehäuseteil 1A, 2A, 1A-2A angeordnet ist, wobei das Aluminium Porengrößen von 0,14 mm bis 3,00 mm und eine innere Oberfläche zwischen 20.000 und 2.500 m2/m3 aufweist. Zwischen dem porösen Aluminiumkörper und einer Innenwandfläche des Wärmetauschers wird dafür gesorgt, dass das Arbeitsfluid nicht am dem porösen Aluminiumkörper vorbeiströmen kann.In one embodiment, it is provided that the storage mass is formed from a porous aluminum body, which in the at least one housing part 1A . 2A . 1A - 2A The aluminum has pore sizes of 0.14 mm to 3.00 mm and an inner surface of between 20,000 and 2,500 m 2 / m 3. Between the aluminum porous body and an inner wall surface of the heat exchanger, it is ensured that the working fluid can not flow past the aluminum porous body.

In einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Speichermasse aus einer Schüttung von kompakten oder hohlen metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers ausgebildet ist, der zwischen 0,5 mm und 20 mm beträgt.In another embodiment, it is provided that the storage mass is formed from a bed of compact or hollow metallic or non-metallic beads of the same or different diameter, which is between 0.5 mm and 20 mm.

Bei der zuvor genannten Baugröße eines Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors von H/B/T von 25 cm x 25 cm x 25 cm werden metallische oder nichtmetallischen Kügelchen von vorzugsweise 0,5 mm bis 0,6 mm eingesetzt, wobei ein Wärmetauscher R1, R2 einen InnenDurchmesser von circa 30 mm bei einer Länge von circa 100 bis 150 mm aufweist.In the aforementioned size of H / W / T high performance low temperature Stirling engine of 25cm x 25cm x 25cm, metallic or non-metallic beads of preferably 0.5mm to 0.6mm are used, with a heat exchanger R1 . R2 an inner diameter of about 30 mm at a length of about 100 to 150 mm.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass bezogen auf eine maximale Kugelpackung bei gleichgroßen Kügelchen (unabhängig vom Kugeldurchmesser) circa 73% des Wärmetauschervolumens von dem Kugelvolumen und circa 27% des Wärmetauschervolumens von dem Fluidvolumen des Arbeitsfluids AF eingenommen wird. It is preferably provided that based on a maximum spherical packing with the same size beads (regardless of the ball diameter) about 73% of the heat exchanger volume of the spherical volume and about 27% of the heat exchanger volume of the fluid volume of the working fluid AF is taken.

Bei diesen Parametern ergibt sich je Wärmetauscher R1, R2 eine Kugelgesamtoberfläche von circa 1 m2 und somit bei einem Wärmeübergang von CO2 auf die metallischen Kügelchen von 1000 J/m2 eine thermischen Übertragungsleistung jedes der Wärmetauscher R1, R2 von circa 1000 W/K. es hat sich herausgestellt, dass bei dieser Baugröße ein gutes Verhältnis zwischen gewünschtem geringen Strömungswiderstand und gewünschter hoher thermischer Übertragungsleistung erreicht wird.These parameters result for each heat exchanger R1 . R2 a total spherical surface of about 1 m 2 and thus with a heat transfer of CO2 to the metallic beads of 1000 J / m 2 a thermal transfer performance of each of the heat exchangers R1 . R2 of about 1000 W / K. It has been found that in this size a good ratio between the desired low flow resistance and the desired high thermal transmission performance is achieved.

Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass die kompakten oder hohlen metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers aus Stahl oder Aluminium oder Glas ausgebildet sind.The invention provides that the compact or hollow metallic or non-metallic beads of the same or different diameter are made of steel or aluminum or glass.

Bezüglich einer gewünschten nach schnellen Wärmetauschabfolgen wird für die Kügelchen materialseitig wegen der guten Wärmeleitfähigkeit bevorzugt Metall (Stahl oder Aluminium) vorgeschlagen.With regard to a desired after rapid heat exchange sequences is preferred for the beads material side because of the good thermal conductivity metal (steel or aluminum) proposed.

Prinzipiell kommen aber auch nichtmetallische Materialien für die Kügelchen in Frage.In principle, however, non-metallic materials are also suitable for the beads.

Insbesondere preisgünstigere Materialien, wie beispielsweise Glas ist trotz einer geringeren Wärmeleitfähigkeit ebenfalls geeignet.In particular, less expensive materials such as glass is also suitable despite lower thermal conductivity.

Glas als Material kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn größere Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotoren mit langsameren Wärmetauschabfolgen und damit niedrigerer Drehzahl konzipiert werden. Ein Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M mit einem Wärmetauscher R1, R2 in Kombination, der mit Glaskügelchen gefüllt, kann preisgünstiger gefertigt werden, und kann insbesondere mit höherem Wirkungsgrad und geringerer Temperaturspreizung ΔT des Arbeitsfluids AF zwischen Heiß- und Kaltseite betrieben werden.Glass as a material can be used in particular when larger high-performance low-temperature Stirling engines are designed with slower heat exchange sequences and thus lower rotational speeds. A high performance low temperature Stirling engine M with a heat exchanger R1 . R2 in combination, filled with glass beads, can be made cheaper, and in particular with higher efficiency and lower temperature spread .DELTA.T of the working fluid AF be operated between hot and cold side.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Oberfläche der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen vollständig glatt oder glatt und teilweise strukturiert oder vollständig strukturiert ist. Die Ausbildung einer Oberflächenstruktur der Kügelchen erhöht den Wärmeübergang und damit die mögliche Frequenz der Wärmetauschabfolgen. Die Packungsdichte der Kügelchen nimmt in Abhängigkeit von der Oberflächenrauigkeit der Oberflächenstruktur der Kügelchen etwas ab, jedoch wird dieser Effekt dadurch kompensiert, dass der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M durch den erhöhten Wärmeübergang und die damit mögliche höhere Frequenz der Wärmetauschabfolgen mit höherer Drehzahl betrieben werden kann.It is preferably provided that the surface of the metallic or non-metallic beads is completely smooth or smooth and partially structured or completely structured. The formation of a surface structure of the beads increases the heat transfer and thus the possible frequency of the heat exchange sequences. The packing density of the beads slightly decreases depending on the surface roughness of the surface structure of the beads, but this effect is compensated for by the high-performance, low-temperature Stirling engine M can be operated at a higher speed by the increased heat transfer and the possible higher frequency of the heat exchange sequences.

Vorgesehen ist ferner, dass die Kügelchen in eine Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers R1, R2 eingebettet sind, so dass Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher R1, R2 durch eine Kugeleinbettung im Randbereich des Wärmetauschers R1, R2 verschlossen sind. Hierdurch wird erreicht, dass das Arbeitsfluid FL zwischen Innenwand des Wärmetauschers und der Schüttung nicht an der Kugelschüttung vorbeiströmen kann.It is further provided that the beads in an inner surface of the inner wall of the heat exchanger R1 . R2 are embedded so that edge flow channels in the heat exchanger R1 . R2 by a ball embedding in the edge region of the heat exchanger R1 . R2 are closed. This ensures that the working fluid FL between the inner wall of the heat exchanger and the bed can not flow past the ball bed.

In einer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist in einer ersten Ausgestaltungsvariante auf der Innenfläche des Wärmetauschers ein Gewindegang angeordnet, dessen Steigung - als Abstand zwischen zwei Gewindespitzen - dem Durchmesser der Kügelchen beziehungsweise bei unterschiedlichen Durchmessern der Kügelchen dem größten Durchmesser entspricht, sodass die Kugeloberfläche der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen zumindest teilweise in dem Gewindegang des Innengewindes eingebettet ist.In a preferred embodiment of the invention, a thread is arranged in a first embodiment variant on the inner surface of the heat exchanger whose pitch - as a distance between two thread crests - the diameter of the beads or at different diameters of the beads corresponds to the largest diameter, so that the spherical surface of the metallic or non-metallic beads is at least partially embedded in the thread of the internal thread.

Bei einer idealen Kugelpackung der Kügelchen entsteht eine tetraederförmige, kristallähnliche Struktur, die dem ansteigenden Lauf des Gewindes weitestgehend folgen kann.An ideal sphere packing of the beads results in a tetrahedral, crystal-like structure that can follow the increasing course of the thread as far as possible.

Sollten bei dieser ersten Ausgestaltungsvariante inselartige Störstellen auftreten, welche ähnlich dem Gewinde in einer Spirale beide Seiten des jeweiligen Wärmetauschers R1, R2 miteinander verbinden, werden noch weitere Ausführungsvarianten vorgeschlagen.Should occur in this first embodiment variant island-like impurities, which similar to the thread in a spiral both sides of the respective heat exchanger R1 . R2 connect with each other, further variants are proposed.

In einer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers R1, R2 eine Schicht aus einem formvariablen Material mit einer vorgebbaren Schichtdicke angeordnet ist, der die Kügelchen ihre Oberflächenform aufprägen, wodurch die Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher R1, R2 verschlossen sind. Generell ist vorgesehen, dass eine Schicht aus einem dauerelastischen oder einem plastischen oder einem thermisch veränderlichen oder einem chemisch veränderlichen Material ausgebildet ist.In a preferred embodiment of the invention it is provided that on the inner surface of the inner wall of the heat exchanger R1 . R2 a layer of a shape-variable material with a predetermined layer thickness is arranged, which impress the beads their surface shape, whereby the edge flow channels in the heat exchanger R1 . R2 are closed. In general, it is provided that a layer of a permanently elastic or a plastic or a thermally variable or a chemically variable material is formed.

Vorgeschlagen wird eine Kugeleinbettung im Randbereich des Wärmetauschers R1, R2Proposed is a ball embedding in the edge region of the heat exchanger R1 , R2

Die Innenwand des jeweiligen Wärmetauschers R1, R2 wird bevorzugt mit einer dünnen Schicht mit einer Schichtdicke von circa 0,1 bis 0,5-fach des Kugeldurchmessers mit einer formvariablen Schicht beschichtet.The inner wall of the respective heat exchanger R1 . R2 is preferably coated with a thin layer having a layer thickness of about 0.1 to 0.5 times the ball diameter with a shape-variable layer.

Die Kugeln am Rand des Wärmetauschers R1, R2 prägen dieser Schicht die eigene Oberflächenform auf und verschließen Randströmungskanäle. Das Aufprägen der Oberflächenform kann auf verschiedene Weise erzielt werden: The balls on the edge of the heat exchanger R1 . R2 This layer has its own surface shape and closes edge flow channels. The imprinting of the surface shape can be achieved in various ways:

Die Schicht ist erfindungsgemäß aus einem dauerelastischen oder einem plastischen oder einem thermisch veränderlichen oder einem chemisch veränderlichen Material ausgebildet.According to the invention, the layer is formed from a permanently elastic or a plastic or a thermally variable or a chemically variable material.

In einer zweiten Ausgestaltungsvariante wird die Schicht aus einem dauerelastischen Material, insbesondere Gummi oder Weichkunststoff ausgebildet. Die Kügelchen werden beim Befüllen von oben und/oder von unten leicht an die Innenwand angepresst, so dass durch die Kügelchen auf die Schicht im Randbereich des Wärmetauschers eine beschichtungs-verformende Kraft ausgeübt wird. Bei Demontage stellt sich wieder der ursprüngliche Beschichtungsausgangszustand ein und der Befüllvorgang kann beliebig wiederholt und die Anpassung kann erneut gegebenenfalls in veränderter Art und Weise hervorgerufen werden.In a second embodiment variant, the layer is formed from a permanently elastic material, in particular rubber or soft plastic. The beads are slightly pressed during filling from above and / or from below to the inner wall, so that a coating-forming force is exerted by the beads on the layer in the edge region of the heat exchanger. When disassembling, the original coating starting state again sets in and the filling process can be repeated as desired and the adaptation can again be brought about, if necessary, in a different manner.

In einer dritten Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Schicht aus einem plastischen Material, insbesondere Zinn ausgebildet ist. Die Kugeln werden wie zu der zweiten Ausführungsvariante erläutert mit beschichtungs-verformender Kraft eingefüllt. Die Abdrücke der Kugeloberflächen in der Schicht bleiben jetzt erhalten. Beim erneuten Befüllen wird die Schicht umgeformt. Der Befüllvorgang kann mehrmals wiederholt werden.In a third embodiment variant, it is provided that the layer is formed from a plastic material, in particular tin. The balls are filled as explained to the second embodiment variant with coating-deforming force. The impressions of the spherical surfaces in the layer are now preserved. When refilling, the layer is reshaped. The filling process can be repeated several times.

In einer vierten Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Schicht aus einem thermisch veränderlichen Material, insbesondere einem Kunststoff oder Wachs ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsvariante werden die Kugeln werden ohne Krafteinwirkung eingefüllt. Der jeweilige Wärmetauscher R1, R2 wird soweit erwärmt, dass die Beschichtung erweicht und punktuell dem Druck der Kugeln nachgibt. Eine mechanische hervorgerufene Schwingung des Wärmetauschers R1, R2 unterstützt die Ausprägung der maximalen Packungsdichte der Kügelchen innerhalb des jeweiligen Wärmetauschers R1, R2.In a fourth embodiment variant, it is provided that the layer is formed from a thermally variable material, in particular a plastic or wax. In this embodiment, the balls are filled without applying force. The respective heat exchanger R1 . R2 is heated so far that the coating softens and gives way to the pressure of the balls. A mechanical induced vibration of the heat exchanger R1 . R2 supports the expression of the maximum packing density of the beads within the respective heat exchanger R1 . R2 ,

In einer fünften Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Schicht aus einem chemisch veränderlichen Material, insbesondere aus einem Epoxidharz ausgebildet ist. Die Beschichtung wird durch chemische Reaktion angepasst. Die Beschichtung erfolgt durch ein zähflüssiges Material, was innerhalb einer bestimmten Zeit gegebenenfalls unter Temperaturerhöhung abbindet. Innerhalb der Abbindezeit erfolgt der Befüllvorgang. Die Randkugeln werden in vorteilhafter Weise mit der Innenwand des jeweiligen Wärmetauschers R1, R2 verklebt. bei dieser Ausführungsvariante ist erst nach Entfernen der Randkugeln und der alten Beschichtung eine Neubefüllung des jeweiligen Wärmetauschers R1, R2 mit den Kügelchen möglich.In a fifth embodiment variant, it is provided that the layer is formed from a chemically variable material, in particular from an epoxy resin. The coating is adapted by chemical reaction. The coating is carried out by a viscous material, which sets within a certain time optionally with an increase in temperature. Within the setting time of the filling process takes place. The edge balls are advantageously with the inner wall of the respective heat exchanger R1 . R2 bonded. in this embodiment, only after removal of the edge balls and the old coating is a refilling of the respective heat exchanger R1 . R2 possible with the beads.

Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass der Wärmetauscher zwei Verbindungsöffnungen 11, 12 aufweist, über die das Arbeitsfluid FL in angrenzende Arbeitsräume ein- und ausströmt, wobei arbeitsraumseitig oder wärmetauscherseitig jeweils mindestens ein Gitterelement 13, 14, insbesondere aus einem Edelstahldrahtgewebe angeordnet ist, dessen Maschenweite in Abhängigkeit der Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen kleiner ist als der Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen.Furthermore, it is provided in particular that the heat exchanger has two connection openings 11 . 12 over which the working fluid FL flows into adjacent work spaces and flows out, wherein the working space side or heat exchanger side in each case at least one grid element 13 . 14 , In particular, is arranged from a stainless steel wire mesh whose mesh size is smaller than the diameter of the metallic or non-metallic beads depending on the diameter of the metallic or non-metallic beads.

Der Wärmetauscher weist mindestens ein verschließbares Befüllelement R1-1, R2-1 (vgl. 2) auf, über welches das Arbeitsfluid FL und die aus dem metallischen oder dem nichtmetallischen Material ausgebildeten Kügelchen in den Innenraum des Wärmetauschers einfüllbar ist/sind.The heat exchanger has at least one closable filling element R1 - 1 . R2 - 1 (see. 2 ), over which the working fluid FL and the beads formed of the metallic or non-metallic material are / can be filled into the interior of the heat exchanger.

Nochmals zusammengefasst einige Vorteile des erfindungsgemäßen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M und des erfindungsgemäßen Wärmetauschers R1, R2.Again, summarized some advantages of the high-performance low-temperature Stirling engine according to the invention M and the heat exchanger according to the invention R1 . R2 ,

Ein Vorteil besteht in dem sehr großen Ausdehnungsfaktor von flüssigem Kohlenstoffdioxid CO2 schon bei geringem Temperaturänderungen des Kohlenstoffdioxids. Flüssiges Kohlenstoffdioxid weist beispielsweise im Bereich von 30,0° bis 30,06° bereits einen Ausdehnungsfaktor von 258% je Kelvin auf. Durch diesen hohen Ausdehnungsfaktor kann bereits durch geringe Temperaturänderungen eine Volumenänderung hervorgerufen werden, die im Betrieb des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M zu einem hohen Arbeitsvermögen führt. Außerdem ist die dynamische Viskosität von flüssigem Kohlenstoffdioxid CO2 in den beschriebenen Temperaturbereichen äußerst gering, wodurch Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere in den Wärmetauschern R1, R2 realisierbar sind. Im Ergebnis können somit schon bei Temperaturen von unter 50°C hohe Leistungen des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M erzeugt werden, die sonst nur mit Stirlingmotoren erzeugt werden können, die wesentlich größer sind oder in anderen höheren Temperaturbereichen gefahren werden. Der Leistungsbereich des beschriebenen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotoren reicht von wenigen Watt bis zu mehreren Megawatt, wodurch die Leistung unter anderem durch die beschriebene Kaskadierung in einfacher Weise beeinflusst werden kann. Die Kaskadierung ist somit als modulare Lösung zu verstehen, welche eine adaptive Anpassung der beschriebenen Standardlösung an die jeweiligen lokalen Gegebenheiten durch den modularen Aufbau ermöglicht. Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M nutzt wie erläutert geringste Temperaturunterschiede zwischen der Heißseite HS und der Kaltseite KS bei insgesamt geringem Temperaturniveau, so dass sich im Ergebnis die Anzeige der möglichen einsetzbaren Wärmequellen erhöht. Hierdurch sind insbesondere Wärmequellen einsetzbar, deren Temperaturniveau gemeinhin nicht ausreicht um eine Wärmekraftmaschine zu betreiben.An advantage consists in the very large expansion factor of liquid carbon dioxide CO 2 even at low temperature changes of the carbon dioxide. For example, liquid carbon dioxide already has an expansion factor of 258% per Kelvin in the range from 30.0 ° to 30.06 °. This high expansion factor can already be caused by small temperature changes, a volume change in the operation of the high-performance low-temperature Stirling engine M leads to a high work capacity. In addition, the dynamic viscosity of liquid carbon dioxide CO 2 in the described temperature ranges is extremely low, whereby flow rates, especially in the heat exchangers R1 . R2 are feasible. As a result, even at temperatures below 50 ° C high performance of the high-performance low-temperature Stirling engine M can be generated, which can otherwise be produced only with Stirling engines, which are much larger or are driven in other higher temperature ranges. The power range of the described high-performance low-temperature Stirling engines ranges from a few watts to several megawatts, whereby the performance can be influenced in a simple manner, inter alia, by the described cascading. The cascading is thus to be understood as a modular solution, which allows an adaptive adaptation of the described standard solution to the respective local conditions by the modular structure. The high performance low temperature Stirling engine M uses explained as least temperature differences between the hot side HS and the cold side KS at a low overall temperature level, so that increases the display of the possible heat sources used as a result. As a result, in particular heat sources can be used whose temperature level is generally not sufficient to operate a heat engine.

Es kann somit beispielsweise sowohl Umweltwärme als auch Abwärme genutzt werden, und zwar ohne dass es einer vorherigen Konzentration der Wärme bedarf.It can thus be used, for example, both environmental heat and waste heat, without the need for a prior concentration of heat.

Insbesondere die geringe Baugröße des erfindungsgemäßen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M mit einer Leistung von 2 kW gewährleistet, im Gegensatz zu großen und schwierigeren bekannten Stirlingmotoren, einen Einsatz in beliebigen Anwendungen, bei denen nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht.In particular, the small size of the high-performance low-temperature Stirling engine according to the invention M with a power of 2 kW, in contrast to large and difficult known Stirling engines, ensures use in any application in which only a small space is available.

Im erwähnten Ausführungsbeispiel (Baugröße von 25 cm x 25 cm x 25 cm) weisen die Zylinderkolben 3, 4 nur einen Durchmesser von circa 80 mm auf. Der Durchmesser der Exzenterwellen 5, 6 beträgt nur circa 30 mm, wobei die Durchmesser der Exzenter 5A, 6A bezogen auf den jeweiligen äußeren Ring des Exzenters nur circa 61 mm beträgt.In the mentioned embodiment (size of 25 cm x 25 cm x 25 cm) have the cylinder piston 3 . 4 only a diameter of about 80 mm. The diameter of the eccentric shafts 5 . 6 is only about 30 mm, with the diameter of the eccentric 5A . 6A based on the respective outer ring of the eccentric is only about 61 mm.

Hinzu kommt, dass der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M sehr geräuscharm ist und ein geschlossenes System darstellt, aus dem die einmal eingebrachten Betriebsstoffe im Betrieb des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M nicht entweichen. Die Abdichtung des Gehäuses ist zudem in vorteilhafter Weise durch Elastomerabdichtungen möglich, da in System nur Temperaturen von kleiner 50°C herrschen. Ein Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor benötigt keinen Starter bzw. kein Startersystem, keine Ventile, keine Zündkerzen und auch keine Abgasanlage. Außerdem werden insgesamt nur wenige Bauteile von geringer Größe benötigt, so dass ein serienmäßig hergestellter Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M preiswert zu produzieren ist. Der erfindungsgemäße Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M kann problemlos in regenerative Energieversorgungssysteme integriert werden, so dass im gesamten System keine konventionellen Brennstoffe mehr erforderlich sind, um die gewünschten Nennleistung, die zumeist nur mit Einsatz von konventionellen Brennstoffen gewährleistet ist, zu erreichen.In addition, the high-performance low-temperature Stirling engine M is very quiet and represents a closed system from which the once introduced supplies in the operation of the high-performance low-temperature Stirling engine M do not escape. The sealing of the housing is also possible in an advantageous manner by Elastomerabdichtungen, as prevail in system only temperatures of less than 50 ° C. A high-performance low-temperature Stirling engine requires no starter or starter system, no valves, no spark plugs and no exhaust system. In addition, a total of only a few components of small size are needed, so that a mass-produced high-performance low-temperature Stirling engine M is inexpensive to produce. The high-performance low-temperature Stirling engine according to the invention M It can be easily integrated into regenerative energy systems, eliminating the need for conventional fuels throughout the system to achieve the desired rated power, which is typically only available with conventional fuels.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist ebenfalls wie erläutert nur eine geringe Bauteilgröße auf. Der Wärmetauscher R1, R2 arbeitet bei geringer zwischen der Heißseite HS und der Kaltseite KS vorhandener Temperaturdifferenz ΔT optimiert, durch eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit bei einem relativ geringem Strömungswiderstand, da die Oberfläche der Speichermasse sehr hoch ist.The heat exchanger according to the invention also has, as explained, only a small component size. The heat exchanger R1 . R2 operates at low between the hot side HS and the cold side KS existing temperature difference .DELTA.T optimized by a relatively low flow rate at a relatively low flow resistance, since the surface of the storage mass is very high.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

MM
Hochleistungsniedrigtemperatur-StirlingmotorHigh-performance low-temperature Stirling engine
FLFL
Arbeitsfluidworking fluid

Heißseite:

1
Arbeitszylinder (Heißseite)
1A
Gehäuse
3
Arbeitskolben (Heißseite)
3A
Kolbeninnenraum
A3
Kolbenstirnflächen des Arbeitskolbens 3
p31
Arbeitsdruck einer Kolbenstirnfläche
p32
Arbeitsdruck einer Kolbenstirnfläche
5
erste Exzenterwelle (Heißseite)
5A
Exzenter
5B
Längsachse der erste Exzenterwelle 5
5C
Exzentermittelpunkt
5D
Exzenterwellenlager
7
Gleitlagerbuchse (Heißseite)
7A
Innenbeschichtung
9
erstes Zahnrad
11
Verbindungsöffnung
13
Gitterelement
Hot side:
1
Working cylinder (hot side)
1A
casing
3
Working piston (hot side)
3A
Piston interior
A3
Piston end faces of the working piston 3
p31
Working pressure of a piston end face
p32
Working pressure of a piston end face
5
first eccentric shaft (hot side)
5A
eccentric
5B
Longitudinal axis of the first eccentric shaft 5
5C
Exzentermittelpunkt
5D
eccentric shaft bearing
7
Plain bearing bush (hot side)
7A
internal coating
9
first gear
11
connecting opening
13
grid element

Kaltseite:

2
Steuerzylinder (Kaltseite)
2A
Gehäuse
4
Steuerkolben (Kaltseite)
4A
Kolbeninnenraum
A4
Kolbenstirnflächen des Steuerkolbens 4
p41
Arbeitsdruck einer Kolbenstirnfläche
p42
Arbeitsdruck einer Kolbenstirnfläche
6
zweite Exzenterwelle (Kaltseite)
6A
Exzenter
6B
Längsachse der zweiten Exzenterwelle 6
6C
Exzentermittelpunkt
6D
Exzenterwellenlager
8
Gleitlagerbuchse (Kaltseite)
8A
Innenbeschichtung
10
zweites Zahnrad
12
Verbindungsöffnung
14
Gitterelement
Cold side:
2
Control cylinder (cold side)
2A
casing
4
Control piston (cold side)
4A
Piston interior
A4
Piston end faces of the control piston 4
p41
Working pressure of a piston end face
p42
Working pressure of a piston end face
6
second eccentric shaft (cold side)
6A
eccentric
6B
Longitudinal axis of the second eccentric shaft 6
6C
Exzentermittelpunkt
6D
eccentric shaft bearing
8th
Plain bearing bush (cold side)
8A
internal coating
10
second gear
12
connecting opening
14
grid element

Wärmetauscher:

R1
erster Regenerator
R1-HS
Heißseite des Regenerators
R1-KS
Kaltseite des Regenerators
R1-1
Befüllelement
R1-2
Innengewinde
R2
zweiter Regenerator
R2-HS
Heißseite des Regenerators
R2-KS
Kaltseite des Regenerators
R2-1
Befüllelement
R2-2
Innengewinde
F
Kraft
1A-2A
Innengehäuseteil
Heat exchanger:
R1
first regenerator
R1-HS
Hot side of the regenerator
R1-KS
Cold side of the regenerator
R1-1
filling element
R1-2
inner thread
R2
second regenerator
R2-HS
Hot side of the regenerator
R2-KS
Cold side of the regenerator
R2-1
filling element
R2-2
inner thread
F
force
1A-2A
Inside housing part

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (17)

Wärmetauscher, insbesondere als thermischer Regenerator (R1, R2) eines Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors (M) aufweisend, mindestens ein Gehäuseteil (1A, 2A, 1A-2A), welches einen Energiespeicherraum bildet, in dem eine Speichermasse zur Wärmespeicherung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Feststoffwärmespeicher ist, dessen Speichermasse aus einem gut leitenden, vorzugsweise metallischen oder nichtmetallischen Material, ausgebildet ist.Heat exchanger, in particular as a thermal regenerator (R1, R2) of a high-performance low-temperature Stirling engine (M), comprising at least one housing part (1A, 2A, 1A-2A), which forms an energy storage space in which a storage mass for heat storage is arranged, characterized the heat exchanger is a solid heat store whose storage mass is formed from a highly conductive, preferably metallic or non-metallic material. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermasse aus einem porösen Aluminiumkörper ausgebildet ist, der in dem Energiespeicherraum des mindestens einen Gehäuseteils (1A, 2A, 1A-2A) angeordnet ist.Heat exchanger after Claim 1 , characterized in that the storage mass is formed of an aluminum porous body, which is arranged in the energy storage space of the at least one housing part (1A, 2A, 1A-2A). Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermasse aus einer Schüttung von kompakten oder hohlen metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers ausgebildet ist, wobei der Durchmesser zwischen 0,5 mm und 20 mm beträgt.Heat exchanger after Claim 1 , characterized in that the storage mass is formed from a bed of compact or hollow metallic or non-metallic beads of the same or different diameters, wherein the diameter is between 0.5 mm and 20 mm. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kompakten oder hohlen metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers aus Stahl oder Aluminium oder Glas ausgebildet sind.Heat exchanger after Claim 3 , characterized in that the compact or hollow metallic or non-metallic beads of the same or different diameter are made of steel or aluminum or glass. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kügelchen vollständig glatt oder glatt und teilweise strukturiert oder vollständig strukturiert ist.Heat exchanger after Claim 3 or 4 , characterized in that the surface of the beads is completely smooth or smooth and partially structured or completely structured. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kügelchen in eine Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers (R1, R2) eingebettet sind, so dass Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher (R1, R2) durch eine Kugeleinbettung im Randbereich des Wärmetauschers (R1, R2) verschlossen sind.Heat exchanger after Claim 3 , characterized in that the beads are embedded in an inner surface of the inner wall of the heat exchanger (R1, R2), so that edge flow channels in the heat exchanger (R1, R2) are closed by a ball embedding in the edge region of the heat exchanger (R1, R2). Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers (R1, R2) ein Gewindegang angeordnet ist, dessen Steigung zwischen zwei Gewindespitzen dem größten Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen beträgt, so dass die Kugeloberfläche der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen zumindest teilweise in dem Gewindegang des Innengewindes liegt, wodurch die Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher (R1, R2) verschlossen sind.Heat exchanger after Claim 6 , characterized in that on the inner surface of the inner wall of the heat exchanger (R1, R2) a thread is arranged whose pitch between two thread crests is the largest diameter of the metallic or non-metallic beads, so that the spherical surface of the metallic or non-metallic beads at least partially in the Thread of the internal thread is, whereby the edge flow channels in the heat exchanger (R1, R2) are closed. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenfläche der Innenwand des Wärmetauschers (R1, R2) eine Schicht aus einem formvariablen Material mit einer vorgebbaren Schichtdicke angeordnet ist, der die Kügelchen ihre Oberflächenform aufprägen, wodurch die Randströmungskanäle in dem Wärmetauscher (R1, R2) verschlossen sind.Heat exchanger after Claim 6 , characterized in that on the inner surface of the inner wall of the heat exchanger (R1, R2) a layer of a shape-variable material with a predetermined layer thickness is arranged, which impress the beads their surface shape, whereby the edge flow channels in the heat exchanger (R1, R2) are closed , Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem dauerelastischen oder einem plastischen oder einem thermisch veränderlichen oder einem chemisch veränderlichen Material ausgebildet ist.Heat exchanger after Claim 8 , characterized in that the layer is formed of a permanently elastic or a plastic or a thermally variable or a chemically variable material. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem dauerelastischen Material, insbesondere Gummi oder Weichkunststoff ausgebildet ist.Heat exchanger after Claim 8 , characterized in that the layer is formed of a permanently elastic material, in particular rubber or soft plastic. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem plastischen Material, insbesondere Zinn ausgebildet ist.Heat exchanger after Claim 8 , characterized in that the layer of a plastic material, in particular tin is formed. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem thermisch veränderlichen Material, insbesondere einem Kunststoff oder Wachs ausgebildet ist.Heat exchanger after Claim 8 , characterized in that the layer is formed of a thermally variable material, in particular a plastic or wax. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem chemisch veränderlichen Material, insbesondere aus einem Epoxidharz ausgebildet ist.Heat exchanger after Claim 8 , characterized in that the layer is formed of a chemically variable material, in particular of an epoxy resin. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke das 0,1 bis 0,5 -fache des maximalen Kugeldurchmessers beträgt.Heat exchanger after Claim 8 , characterized in that the layer thickness is 0.1 to 0.5 times the maximum ball diameter. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (R1, R2) mindestens ein verschließbares Befüllelement (R1-1, R2-1) aufweist, über das ein Arbeitsfluid (FL) und die aus dem metallischen oder nichtmetallischen Material nach Anspruch 3 ausgebildeten Kügelchen in den Innenraum des Wärmetauschers einfüllbar ist/sind.Heat exchanger after Claim 1 , characterized in that the heat exchanger (R1, R2) has at least one closable filling element (R1-1, R2-1), via which a working fluid (FL) and that of the metallic or non-metallic material according to Claim 3 trained beads can be filled in the interior of the heat exchanger is / are. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (R1, R2) zwei Verbindungsöffnungen (11, 12) aufweist, über die das Arbeitsfluid (FL) in angrenzende Arbeitsräume ein- und ausströmt.Heat exchanger after Claim 1 , characterized in that the heat exchanger (R1, R2) has two connecting openings (11, 12) through which the working fluid (FL) flows into adjacent working spaces and flows out. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (R1, R2) zwei Verbindungsöffnungen (11, 12) aufweist, über die das Arbeitsfluid (FL) in angrenzende Arbeitsräume ein- und ausströmt, wobei arbeitsraumseitig oder wärmetauscherseitig jeweils mindestens ein Gitterelement (13, 14), insbesondere aus einem Edelstahldrahtgewebe angeordnet ist, dessen Maschenweite in Abhängigkeit der Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen kleiner ist als der Durchmesser der metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen.Heat exchanger after Claim 16 , characterized in that the heat exchanger (R1, R2) has two connection openings (11, 12) via which the working fluid (FL) flows into and out of adjacent work spaces, wherein at least one grate element (13, 14), respectively on the working space side or on the heat exchanger side, in particular from one Stainless steel wire mesh is arranged whose mesh size is smaller than the diameter of the metallic or non-metallic beads depending on the diameter of the metallic or non-metallic beads.
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