DE102017128273A1

DE102017128273A1 - Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor mit konstruktionsseitiger Anpassung an erhöhte Lastanforderungen

Info

Publication number: DE102017128273A1
Application number: DE102017128273.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Koch
Original assignee: Ges Zur Foerderung Von Medizin Bio und Umwelttechnologien E V; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Current assignee: KOCH, THOMAS, DE
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine (M), insbesondere Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor mit einem, durch mindestens ein Gehäuseteil (1A, 2A, 1A-2A) gebildeten Druckraum, der gegenüber der Umgebung druckdicht ausgebildet ist und mit einem Arbeitsfluid (FL) gefüllt ist, und der auf einer Heißseite (HS) durch äußere Wärmezufuhr bei höherer Temperatur und durch auf einer 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.Es ist vorgesehen, dass die Arbeitsräume durch die Kolben (3, 4) fluidseitig voneinander getrennt sind und über die Kolben (3, 4) druckseitig in einer Wirkverbindung stehen, 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 oder auf einer höheren Temperatur gehalten wird, und der andere auf Kaltseite (KS) angeordnete Kolben (3, 4) gegenüber dem auf der Heißseite (HS) angeordneten Kolben (3, 4) auf einer niedrigeren Temperatur gehalten oder auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird, wobei die in den Arbeitsräumen erzeugten Druckschwankungen periodisch auf die bewegbaren Kolben (3, 4) wirken, die mit koaxial zueinander angeordneten 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.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere einen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Stirling-Motor, insbesondere eine Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor anzugeben, der trotz des bei dem höheren theoretischen Arbeitsvermögen sehr hohen Druck innerhalb des Stirlingmotors einen kompakten konstruktiven Aufbau aufweist.
Ausgangspunkt der Erfindung ist einer Wärmekraftmaschine mit einem, 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.
Erfindungsgemäß 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.
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.
Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass die Energiespeicherräume als thermische Regeneratoren ausgebildet sind.
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.
Die beweglichen Kolben sind in Zylindern angeordnet, die druckseitig über Verbindungsöffnungen mit den als thermische Regeneratoren ausgebildeten Energiespeicherräumen in Verbindung stehen.
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.
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.
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.
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.
Bevorzugt ist in dem jeweiligen Kolbeninnenraum zwischen dem Exzenter der Exzenterwellen und den Innenseiten der Kolben jeweils eine Gleitlagerbuchse angeordnet.
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.
Es ist vorgesehen, dass das Arbeitsfluid im Druckraum flüssiges überkritisches Kohlenstoffdioxid oder Xenon oder Ethen ist.
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 einer Ausgestaltung sind mehrere Wärmekraftmaschinen in Längsrichtung der Exzenterwellen gesehen getrennt voneinander als Kaskade angeordnet, wie ebenfalls in der Beschreibung näher erläutert ist.
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.
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%.
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 400mal höheres theoretisches Arbeitsvermögen erreicht wird.
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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen 1 bis 8 erläutert.
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.

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M (vgl. 1 bis 89, 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.
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-Stirlingmotor M in einem externen Warmwasserpuffer gespeichert.
Zusätzlicher Wärmebedarf des Gebäudes wird durch einen Gasbrennwertkessel oder alternativ von einer Wärmepumpe gedeckt und ebenfalls im externen Warmwasserpuffer gespeichert.
Zur Energiewandelung wird erfindungsgemäß das besondere Verhalten eines Arbeitsfluids FL verwendet, welches abweichend von idealen Gasen einen überkritischen Zustand aufweist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M treibt zudem in bevorzugter Ausgestaltung einen Generator an, welcher die erzeugte Elektroenergie einspeist, insbesondere in ein Hausnetz einspeist.
Die gewünschte Temperatur der Heißseite HS, insbesondere mindestens 32°C oder größer kann entweder durch die Mischung, des aus dem externen Warmwasserpuffer zufließenden Mediums L_ZU (vgl. 1 und 7) und dem von der Heißseite HS zurück fließenden Medium L_AB , oder durch die Durchflussgeschwindigkeit des aus dem externen Warmwasserpuffer zufließenden Mediums L_ZU - ohne Zumischung - eingestellt werden.
Mit Hilfe dieser Temperatureinstellungen kann die Momentanleistung des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M beziehungsweise die Einspeiseleistung des Generators an den gewünschten Bedarf angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Lösung erfüllt folgende Funktionen:
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.
Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M im 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.
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.
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.
Zur Vermeidung dieser Überlastung kann die Leistung reduziert werden, wodurch sich jedoch in nachteiliger Weise die Attraktivität des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors verringert.
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.
Eine neuartige Konstruktion eines Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M verzichtet auf Kolbenbolzen, Kolbenbolzenlager und Pleuel.
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.
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 × Breite × Tiefe (H/B/T) von jeweils 25 cm aufweist.
Mit einem solchen kompakten Bauteil von 25 cm × 25 cm × 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.
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.
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.
Die beiden Regeneratoren R1, R2 (vgl. 1) bilden die Wärmespeichermasse des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor M der Wärmekraftmaschine.
Grundsätzlich ist der Betrieb des Stirlingmotors auch ohne Regeneratoren möglich, jedoch fehlt dann die Wärmespeichermasse, um den Stirlingmotor effizient betreiben zu können.
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.
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.
Der Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor 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.
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.
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.
Zumindest auf der Heißseite HS ist mindestens eine Zulauföffnung L_Zu und eine Ablauföffnung L_AB vorgesehen, um (vgl. 1) dem Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M ein Wärme führendes Medium, insbesondere Wasser zuführen zu können, welches nach seiner Wärmeabgabe über die Ablauföffnung L_AB abgeführt wird. Bevorzugt wird diese Wärme, wie bereits erwähnt, aus einem Kreislauf einer Solarwärmeanlage entnommen, die in einem Warmwasserpuffer der Solarwärmeanlage gespeichert ist.
Zusätzlich ist auf der Kaltseite KS (vgl. 1) ebenfalls mindestens eine Zulauföffnung L_Zu und eine Ablauföffnung L_AB vorgesehen, um (vgl. 1) dem Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M eine Wärme abführendes Medium zuführen zu können, welches nach seiner Wärmeaufnahme über die Ablauföffnung L_AB abgeführt wird. Bevorzugt wir diese Abwärme, wie erwähnt der Kaltseite KS des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M in vorteilhafter Weise als Nutzwärme zur Gebäudeheizung genutzt.
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.
Auf jeder der Exzenterwellen 5, 6 ist jeweils ein Zahnrad 9, 10 angeordnet, die ineinander greifen, mithin miteinander verzahnt sind.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Energiespeicherräume sind erfindungsgemäß als Wärmetauscher, insbesondere als thermische Regeneratoren R1, R2 (vgl. 1 und 2) ausgebildet.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Erfindungsgemäß, ist somit durch die geringer 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 eine kompakte Baugruppe ausbildbar ist, die den hohen Arbeitsdrücken zwischen 7,0 MPa (70 bar) und 7,5 MPa (75 bar) stand hält.
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.
Die Wärmetauscher, insbesondere die Regeneratoren R1, R2 im 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.
Eine verringerte Temperaturdifferenz auf den beiden Seiten des Regenerators R1, R2 reduziert proportional dessen Übertragungsleistung.
Eine Verkleinerung der Regeneratoren R1, R2 bewirkt ebenfalls eine Verringerung der Übertragungsleistung, da weniger Oberfläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht.
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.
Die folgende erfindungsgemäße konstruktive Ausgestaltung führt diese sich widerstrebenden Randbedingungen wie folgt in vorteilhafter Weise zusammen.
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.
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.
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.
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 oder nichtmetallischen Material, ausgebildet ist.
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 R1, R2 wird dafür gesorgt, dass das Arbeitsfluid AF nicht an dem porösen Aluminiumkörper vorbeiströmen kann.
In einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Speichermasse aus einer Schüttung von kompakten oder hohlen metallischen oder nichtmetallischen Kügelchen gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers aus Stahl, Aluminium oder Glas ausgebildet ist, der zwischen 0,5 mm und 20 mm beträgt.
Bei der zweiten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Oberfläche der Kügelchen vollständig glatt oder glatt und teilweise strukturiert oder vollständig strukturiert ist.
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.
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.
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.
Bei diesen Ausgestaltungsvarianten ist die Schicht aus einem dauerelastischen oder einem plastischen oder einem thermisch veränderlichen oder einem chemisch veränderlichen Material ausgebildet ist.
Insbesondere ist bei einer zweiten Ausgestaltungsvariante vorgesehen, dass die Schicht aus einem dauerelastischen Material, insbesondere Gummi oder Weichkunststoff ausgebildet ist.
Bei einer dritten Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Schicht aus einem plastischen Material, insbesondere Zinn ausgebildet ist.
Bei einer vierten Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass die Schicht aus einem thermisch veränderlichen Material, insbesondere einem Kunststoff oder Wachs ausgebildet ist. schließlich ist in einer fünften Ausgestaltungsvariante vorgesehen, dass die Schicht aus einem chemisch veränderlichen Material, insbesondere aus einem Epoxidharz ausgebildet ist.
Bei allen Ausgestaltungsvarianten beträgt die Schichtdicke bevorzugt das 0,1 bis 0,5 -fache des eingesetzten maximalen Kugeldurchmessers.
Bei der zuvor genannten Baugröße des Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M von H/B/T von 25 cm x 25 cm x 25 cm werden Kügelchen von vorzugsweise 0,5 mm bis 0,6 mm eingesetzt, wobei ein Wärmetauscher R1, R2 einen Innen-Durchmesser von circa 30 mm bei einer Länge von circa 100 mm bis 150 mm aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher R1, R2 mit den Kügelchen gefüllt wird.
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.
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 thermische 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.
Es 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.
Prinzipiell kommen somit - wie erläutert - metallische und auch nichtmetallische Materialien für die Kügelchen in Frage, wie nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.
Insbesondere preisgünstigere Materialien, wie beispielsweise Glas als ist trotz einer geringeren Wärmeleitfähigkeit ebenfalls geeignet.
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.
Bevorzugt ist - wie erläutert - 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.
Vorgesehen ist -wie erläutert - ferner bevorzugt, 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.
In einer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist- wie erläutert- 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. Bei einer idealen Kugelpackung der Kügelchen entsteht eine tetraederförmige, kristallähnliche Struktur, die dem ansteigenden Lauf des Gewindes weitestgehend folgen kann. 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.
In einer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist - wie erläutert - 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.
Vorgeschlagen wird eine Kugeleinbettung im Randbereich des Wärmetauschers 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.
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:
Die Schicht ist erfindungsgemäß in Ausgestaltungsvarianten aus einem dauerelastischen oder einem plastischen oder einem thermisch veränderlichen oder einem chemisch veränderlichen Material ausgebildet.
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 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 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 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.
Der Wärmetauscher weist mindestens ein verschließbares Befüllelement R1-1, R2-1 (vgl. 2) auf, über welches das Arbeitsfluid FL und die aus dem metallischen Material oder nichtmetallischen ausgebildeten Kügelchen in den Innenraum des Wärmetauschers einfüllbar ist/sind.
Nochmals zusammengefasst einige Vorteile des erfindungsgemäßen Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotors M und des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 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°C bis 30,06°C 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. Es kann somit beispielsweise sowohl Umweltwärme als auch Abwärme genutzt werden, und zwar ohne dass es einer vorherigen Konzentration der Wärme bedarf.
Insbesondere die geringe Baugröße eines 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.
Im erwähnten Ausführungsbeispiel (Baugröße von 25 cm × 25 cm × 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.
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.
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.
Bezugszeichenliste

M: Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor
FL: Arbeitsfluid

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

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

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009057210 B4 [0009]
EP 2333285 A1 [0010]
CN 102418621 A [0011]
EP 1592875 B1 [0012]
US 6701721 B1 [0012]
DE 102006061509 A1 [0013]

Claims

Wärmekraftmaschine (M), insbesondere Hochleistungsniedrigtemperatur-Stirlingmotor mit einem, durch mindestens ein Gehäuseteil (1A, 2A, 1A-2A) gebildeten Druckraum, der gegenüber der Umgebung druckdicht ausgebildet ist und mit einem Arbeitsfluid (FL) gefüllt ist, und der auf einer Heißseite (HS) durch äußere Wärmezufuhr bei höherer Temperatur und durch auf einer 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsräume durch die Kolben (3, 4) fluidseitig voneinander getrennt sind und über die Kolben (3, 4) druckseitig in einer Wirkverbindung stehen, 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 oder auf einer höheren Temperatur gehalten wird, und der andere auf Kaltseite (KS) angeordnete Kolben (3, 4) gegenüber dem auf der Heißseite (HS) angeordneten Kolben (3, 4) auf einer niedrigeren Temperatur gehalten oder auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird, wobei die in den Arbeitsräumen erzeugten Druckschwankungen periodisch auf die bewegbaren Kolben (3, 4) wirken, die mit koaxial zueinander angeordneten 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.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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) - zwischen den Kolbenstirnflächen - je einen zwischen der Heißseite (HS) und der Kaltseite (KS) liegenden Energiespeicherraum bilden.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherräume als thermische Regeneratoren (R1, R2) ausgebildet sind.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Energiespeicherräume ausgebildeten thermischen Regeneratoren (R1, R2) in dem Gehäuse (1A, 2A, 1A-2A) integriert angeordnet sind oder außerhalb des Gehäuse (1A, 2A, 1A-2A) angeordnet sind.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Kolben (3, 4) in Zylindern (1, 2) angeordnet sind, die druckseitig über Verbindungsöffnungen (11, 12) mit den als thermische Regeneratoren (R1, R2) ausgebildeten Energiespeicherräumen in Verbindung stehen.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einteilig oder mehrteilig ausgebildeten Zylinder (1, 2) jeweils einen Kolbeninnenraum (3A, 4A) bilden, in dem ein Exzenter (5A, 6A) der Exzenterwellen (5, 6) angeordnet ist, wobei die Kolbeninnenräume (3A, 4A) gegenüber den Arbeitsräumen druckdicht und fluiddicht ausgebildet sind, wobei die auf die Kolbenstirnflächen (A3, A4) des jeweiligen Kolbens (3, 4) wirkenden Kräfte (F) zu der periodischen Bewegung des Kolben (3, 4) führen und der jeweilige Kolben (3, 4) in Abhängigkeit der Stellung des Exzenters (5A, 6A) auf die Exzenterwellen (5, 6) einwirkt.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwellen (5, 6) über an den Kolbeninnenraum (3A, 4A) angrenzende Lager (5D, 6D) in Längsrichtung bezüglich ihrer Längsachsen (5B, 6B) koaxial zueinander im Gehäuse (1A, 2A, 1A-2A) gelagert sind, wobei die Exzenterwellen (5, 6) mindestens einendseitig aus dem Kolbeninnenraum (3A, 4A) herausgeführt sind.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (5A, 6A) der einen Exzenterwellen (5, 6) gegenüber der anderen Exzenterwelle (5, 6) den vorgegebenen Versatz (V) der Exzenterwellen (5, 6) zueinander bildet, wobei der Versatz (V) zwischen einem Exzentermittelpunkt (5C, 6C) des Exzenters (5A, 6A) und dem Mittelpunkt der Längsachse (5B, 6B) der einen gegenüber der anderen Exzenterwelle (5, 6) zueinander gebildet wird, wobei der vorgegebene Versatz (V) der Exzenter (5A, 6A) zwischen 90° und 170° beträgt.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Versatz (V) durch auf den Exzenterwellen (5, 6) außerhalb des Gehäuses (1A, 2A, 1A-2A) angeordnete Zahnräder (9, 10) fixiert ist, die entsprechend des vorgegebenen Versatzes (V) miteinander verzahnt sind.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweilige Kolbeninnenraum (3A, 4A) zwischen dem Exzenter (5A, 6A) der Exzenterwellen (5, 6) und den Innenseiten der Kolben (3, 4) jeweils eine Gleitlagerbuchse (7, 8) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den jeweiligen Kolbens (3, 4) wirkenden Kräfte (F) bezüglich der Längsachsen (5B, 6B) der Exzenterwellen (5, 6) ausgerichtet sind und orthogonal als Querkräfte auf die Exzenterwellen (5, 6) einwirken.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid (FL) im Druckraum flüssiges überkritisches Kohlenstoffdioxid oder Xenon oder Ethen ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid (FL) Kohlenstoffdioxid ist, 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.
Wärmekraftmaschine (M) nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, 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.
Wärmekraftmaschine (M) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmekraftmaschinen (M_n) in Längsrichtung der Exzenterwellen (5, 6) gesehen getrennt voneinander als Kaskade angeordnet sind, wobei die in mehreren Arbeitsräumen erzeugten Druckschwankungen periodisch auf die mehreren bewegbaren Kolben (3, 4) wirken, die mit den Exzenterwellen (5, 6) in Wirkverbindung stehen, wobei die koaxial angeordneten Exzenterwellen (5, 6) in Längsrichtung der Exzenterwellen (5, 6) gesehen in einem vorgegebenen Versatz (V) exzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei der vorgegebene Versatz (V) in mehreren kaskadierenden Wärmekraftmaschinen (M_n) vorzugsweise symmetrisch in Abhängigkeit der Anzahl (n) der die Kaskade bildenden Wärmekraftmaschinen (M_n) von Wärmekraftmaschine (Mn) zu Wärmekraftmaschine (M_n) um 360°/n verlagert ist.