DE10210735A1

DE10210735A1 - Stirling-Maschine

Info

Publication number: DE10210735A1
Application number: DE10210735A
Authority: DE
Inventors: Masaki Ban; Masahiro Asai
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: US6578359B2; DE10210735B4; US20020124561A1; JP2002266699A

Abstract

Ein thermo-elektromagnetischer Generator erzeugt unter Verwendung des Wärmegenerators einer Stirling-Maschine effizient elektrischen Strom. Wenn ein Hochtemperatur-Betriebsgas und ein Niedrigtemperatur-Betriebsgas abwechselnd durch einen Wärmegenerator (23) einer Stirling-Maschine strömen, wird die Temperatur des Wärmegenerators (23) periodisch erhöht und gesenkt. Ein thermo-elektromagnetischer Generator (G), der dem Wärmegenerator (23) in Baueinheit zugeordnet ist, weist ein Joch (33) auf, das einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der durch den Wärmegenerator (23) läuft, einen Permanentmagneten (32) zum Zuführen magnetischer Flüsse zum magnetischen Kreis und eine Induktionsspule (35), die auf Änderungen der magnetischen Flüsse des magnetischen Kreises anspricht. Der Wärmegenerator (23), der aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, weist eine Curie-Temperatur auf, die in einem Variationsbereich der Temperaturen des Wärmegenerators (23) liegt. Wenn die Temperatur des Wärmegenerators (23) sich periodisch über die Curie-Temperatur hinweg ändert, werden die durch die Induktionsspule (35) verlaufenden magnetischen Flüsse jedes Mal dann stark geändert, wenn die Temperatur des Wärmegenerators (23) die Curie-Temperatur passiert, wodurch eine große elektromotorische Kraft über der Induktionsspule (35) erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stirling-Maschine mit einem thermo-elektromagnetischen Generator, der einem Wärmeregenerator zum Speichern und Abgeben der Wärme eines Betriebsgases zugeordnet ist, welches zwischen einer Expansionskammer und einer Kompressionskammer strömt.

In "Increasing the performance of semi-free-piston Stirling engine regenera tor with compound mesh matrix", Transactions (B) of the Japan Society of Mechanical Engineers, Bd. 62, Nr. 595, wurde beschrieben, wie die Lei stungsfähigkeit eines Wärmeregenerators erhöht wird, um den thermischen Wirkungsgrad einer Stirling-Maschine zu verbessern, indem eine laminierte Anordnung von Metallsieben unterschiedlicher Maschenweiten verwendet wird, anstelle einer laminierten Anordnung von Metallsieben mit gleicher Maschenweite, die bisher im allgemeinem als Stirling-Maschine-Wärmerege nerator verwendet wurde.

Da das Betriebsgas durch kleine Durchlässe vor und zurück strömt, die von den Metallmaschen des Wärmeregenerators geschaffen werden, senkt der von den Metallmaschen der Strömung des Betriebsgases entgegengesetzte Widerstand den thermischen Gesamtwirkungsgrad der Stirling-Maschine. Hinsichtlich der Tatsache, daß die Temperatur des Wärmeregenerators periodisch ansteigt und absinkt, wurde vorgeschlagen, einen thermo-elek tromagnetischen Generator mit dem Wärmeregenerator zu kombinieren, um elektrischen Strom zu erzeugen und den Energieverlust zu kompensieren, der durch den der Strömung des Betriebsgases entgegengesetzten Wider stand hervorgerufen wird.

Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der obenerwähnten Nachteile gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektrischen Strom effizient zu erzeugen mit einem thermo-elektromagnetischen Generator unter Verwendung des Wärmeregenerators einer Stirling-Maschine.

Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß einer in Anspruch 1 beschrie benen Erfindung eine Stirling-Maschine vorgeschlagen, die einen Verbin dungspfad, der eine mittels einer Heizeinheit beheizte Expansionskammer und eine mittels einer Kühleinheit gekühlte Kompressionskammer verbindet, einen im Verbindungspfad angeordneten Wärmeregenerator zum Speichern und Abgeben der Wärme eines Betriebsgases, das zwischen der Expan sionskammer und der Kompressionskammer strömt, und einen thermo elektromagnetischen Generator umfaßt, der dem Wärmeregenerator zuge ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der thermo-elektromagnetische Generator ein Joch, das einen geschlossenen magnetischen Kreis schafft, der durch den Wärmeregenerator geführt ist, ein Magnetomotorikkraft-Mittel zum Zuführen der magnetischen Flüsse zum magnetischen Kreis, und eine Induktionsspule aufweist, die auf eine Änderung der magnetischen Flüsse im Magnetkreis anspricht, wobei der Wärmeregenerator, der aus einem ferro magnetischen Material gefertigt ist, eine Curie-Temperatur aufweist, die in einem Variationsbereich der Temperaturen des Wärmeregenerators liegt.

Da bei der obigen Anordnung die Temperatur des Wärmeregenerators, der aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, sich periodisch über die Curie-Temperatur hinweg ändert, werden die magnetischen Flüsse, die durch die Induktionsspule laufen, jedesmal dann stark verändert, wenn die Temperatur des Wärmeregenerators die Curie-Temperatur passiert, wobei eine große elektromotorische Kraft über der Induktionsspule erzeugt wird. Da der thermo-elektromagnetische Generator, der dem Wärmeregenerator zugeordnet ist, effizient elektrischen Strom erzeugen kann, wird ein Energie verlust, der durch den der Strömung des Betriebsgases entgegengesetzten Widerstand hervorgerufen wird, wenn dieses durch den Wärmeregenerator strömt, kompensiert, wodurch der thermische Gesamtwirkungsgrad der Stirling-Maschine erhöht wird.

Gemäß einer in Anspruch 2 beschriebenen Erfindung enthält der Wärmere generator zusätzlich zur Anordnung des Anspruches 1 mehrere Segmente, die in der Richtung unterteilt sind, in der das Betriebsgas strömt, wobei die Segmente entsprechende Curie-Temperaturen aufweisen, die von einer Seite des Wärmeregenerators nahe der Expansionskammer zu einer Seite des Wärmeregenerators nahe der Kompressionskammer zunehmend absinken.

Da bei der obigen Anordnung der Wärmeregenerator in mehrere Segmente unterteilt ist und die Curie-Temperaturen der entsprechenden Segmente von der Seite des Wärmeregenerators nahe der Expansionskammer zur Seite des Wärmeregenerators nahe der Kompressionskammer zunehmend absinken, wird selbst dann, wenn die Temperaturverteilung des Wärmerege nerators von der Seite der Heizeinheit zur Seite der Kühleinheit zunehmend geringer wird, die Temperatur des gesamten Bereiches des Wärmeregene rators über die Curie-Temperatur hinweg erhöht und gesenkt, was dem thermo-elektromagnetischen Generator erlaubt, effizient elektrischen Strom zu erzeugen.

Die Permanentmagneten 32 in der Ausführungsform entsprechen dem Magnetomotorikkraft-Mittel gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im folgenden auf der Grundlage der in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Ausführungsfor men beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht, die eine Gesamtstruktur einer γ-Typ-Stirling-Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines thermo-elektromagnetischen Generators;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 einen Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und der magnetischen Permeabilität eines Wärmeregenerators zeigt;

Fig. 5 eine schematische Ansicht des thermo-elektromagnetischen Genera tors;

Fig. 6 einen Graph, der die Beziehung zwischen dem magnetischen Feld und der Flußdichte des thermo-elektromagnetischen Generators zeigt;

Fig. 7 eine Ansicht, die einen wesentlichen Abschnitt einer Stirling-Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;

Fig. 8(a) und 8(b) Ansichten, die Temperaturverteilungen eines Wärmere generators zeigen;

Fig. 9 eine Ansicht, die eine Gesamtstruktur einer α-Typ-Stirling-Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht längs der Linie 10-10 der Fig. 9;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht längs der Linie 11-11 der Fig. 10;

Fig. 12 eine Ansicht, die eine Gesamtstruktur einer γ-Typ-Stirling-Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt; und

Fig. 13 eine Querschnittsansicht längs der Linie 13-13 der Fig. 12.

Die Fig. 1 bis 6 zeigen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung. Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine Gesamtstruktur einer γ-Typ-Stirling- Maschine zeigt. Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines thermo-elektro magnetischen Generators. Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 2. Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Tempe ratur und der magnetischen Permeabilität eines Wärmeregenerators zeigt. Fig. 5 ist eine schematische Ansicht des thermo-elektromagnetischen Generators. Fig. 6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Magnet feld und der Flußdichte des thermo-elektromagnetischen Generators zeigt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine γ-Typ-Stirling-Maschine E eine Verdrän gungsvorrichtung 11 und eine Antriebszylindervorrichtung 12 auf, wobei die jeweiligen Zylinderachsen einander schneiden. Ein Verdrängungskolben 14, der gleitend in einen Verdrängungszylinder 13 eingesetzt ist, und ein An triebskolben 16, der gleitend in einen Antriebszylinder 15 eingesetzt ist, sind über entsprechende Verbindungsstangen 18, 19 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 17 verbunden, die als Abtriebswelle dient. Der Verdrängungskol ben 14 und der Antriebskolben 16 werden somit im wesentlichen um 90° zueinander phasenverschoben hin und her bewegt.

Das Innere des Verdrängungszylinders 13 ist durch den Verdrängungskolben 14 in eine Expansionskammer 20 im Kopf des Verdrängungszylinders 13 und eine Kompressionskammer 21 im unteren Bereich des Verdrängungszylin ders 13 unterteilt. Die Expansionskammer 20 und die Kompressionskammer 21 sind über einen Verbindungsdurchlaß 22 mit darin angeordnetem Wärme regenerator 23 verbunden. Um die Expansionskammer 20 ist eine Heizein heit 24 angeordnet zum Beheizen eines Betriebsgases in der Expansions kammer 20 durch die Verbrennung eines Brennstoffgases. Um die Kompres sionskammer 21 ist eine Kühleinheit 25 angeordnet zum Kühlen des Be triebsgases in der Kompressionskammer 21 durch Umwälzung von Kühlwas ser.

Wenn das Betriebsgas, das von der Heizeinheit 24 in der Expansionskam mer 20 auf eine hohe Temperatur aufgeheizt worden ist, sich durch den Verbindungsdurchlaß 22 in Richtung zur Kompressionskammer 21 bewegt aufgrund der Bewegung des Verdrängungskolbens 14 in Fig. 1 nach links, absorbiert der Wärmeregenerator 23, der Wärme speichern und abgeben kann, die vom Betriebsgas bei der hohen Temperatur entnommene Wärme. Wenn das mittels der Kühleinheit 25 auf eine niedrige Temperatur abge kühlte Betriebsgas in der Kompressionskammer 21 sich durch den Verbin dungsdurchlaß 22 in Richtung zur Expansionskammer 20 bewegt aufgrund einer Bewegung des Verdrängungskolbens 14 in Fig. 1 nach rechts, gibt der Wärmeregenerator 23 die gespeicherte Wärme an das Betriebsgas bei der niedrigeren Temperatur ab. Somit steigt die Temperatur des Wärmeregene rators 23 selbst an, wenn dieser die Wärme speichert, und sinkt ab, wenn dieser die Wärme abgibt, was zu Temperaturänderungen des Wärmeregene rators 23 synchron mit der Hubbewegung des Verdrängungskolbens 14 führt.

Eine Arbeitskammer 26, die zwischen dem Antriebszylinder 15 und dem Antriebskolben 16 der Antriebszylindervorrichtung 12 definiert ist, steht mit der Kompressionskammer 21 der Verdrängungsvorrichtung 11 über einen Verbindungsdurchlaß 27 in Verbindung.

Eine Struktur eines thermo-elektromagnetischen Generators G wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 und die Fig. 2 und 3 beschrieben.

Der Wärmeregenerator 23 ist aus einem ferromagnetischen Material, wie z. B. einem temperaturempfindlichen Ferrit, hergestellt und weist mehrere kleine Durchlässe auf, um eine erforderliche Oberfläche für den Kontakt mit dem Betriebsgas zu schaffen. Ein Magnetpolpaar 31 und ein Permanentma gnetpaar 32 sind als Magnetomotorikkraft-Mittel an gegenüberliegenden Seiten des Wärmeregenerators 23 aufgebracht, wobei ein U-förmiges Joch 33 mit seinen gegenüberliegenden Enden mit den entsprechenden Seiten der Permanentmagneten 32 verbunden ist. Der Wärmeregenerator 23, die Magnetpole 31, die Permanentmagneten 32 und das Joch 33 bilden gemein sam einen geschlossenen magnetischen Kreis. Eine Induktionsspule 35, die auf Änderungen der magnetischen Flüsse des magnetischen Kreises anspricht, ist um einen Spulenkörper 34 angeordnet, der auf dem Abschnitt des Jochs 33 montiert ist, der dem Wärmeregenerator 23 gegenüberliegt. Die Induktionsspule 35 weist Windungen auf, die in Ebenen gewickelt sind, die senkrecht zur Richtung der magnetischen Flüsse verlaufen.

Fig. 4 zeigt die Eigenschaften der Änderungen der magnetischen Permeabi lität µ bezüglich der Temperatur T des Wärmeregenerators 23. Die magneti sche Permeabilität µ ändert sich insbesondere über eine Curie-Temperatur Tc hinweg. Genauer, in einem Temperaturbereich unterhalb der Curie- Temperatur Tc nimmt die magnetischen Permeabilität µ ab, steigt anschlie ßend an und nimmt erneut ab, während die positiven Werte beibehalten werden, wenn die Temperatur des Wärmeregenerators 23 zunimmt. In einem Temperaturbereich gleich oder größer als die Curie-Temperatur Tc wird jedoch die magnetische Permeabilität µ gleich Null. Die Curie-Temperatur Tc ist in einem Variationsbereich der Temperaturen des Wärmeregenerators 23 angeordnet (ein Bereich zwischen seiner maximalen und seiner minimalen Temperatur).

Im folgenden wird der Betrieb der vorliegenden Ausführungsform beschrie ben, die wie oben beschrieben angeordnet ist.

Zuerst wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 der Betrieb der γ-Typ-Stirling- Maschine E beschrieben. Die Expansionskammer 20 der Verdrängungsvor richtung 11 wird mittels der Heizeinheit 24 beheizt, wobei die Kompressions kammer 21 der Verdrängungsvorrichtung 11 mittels der Kühleinheit 25 gekühlt wird. Der Verdrängungskolben 14 wird anschließend in Fig. 1 nach links bewegt, wobei die Wärme des Hochtemperatur-Betriebsgases, das aus der Expansionskammer 20 herausgedrückt wird, vom Wärmeregenerator 23 absorbiert wird, wobei der Druck in dem Raum (Expansionskammer 20, Kompressionskammer 21, Verbindungsdurchlaß 22 und Wärmeregenerator 23), in dem sich das Betriebsgas mit einer niedrigen Temperatur befindet, gesenkt wird. Wenn der Verdrängungskolben 14 in Fig. 1 nach rechts bewegt wird, wird das Niedrigtemperatur-Betriebsgas aus der Kompressionskammer 21 herausgedrückt, wobei die vom Wärmeregenerator 23 absorbierte Wärme an das Niedrigtemperatur-Betriebsgas abgegeben wird. Das Betriebsgas erhält nun eine hohe Temperatur, wobei der Druck in dem Raum, in dem sich das Betriebsgas befindet, ansteigt.

Wenn daher der Antriebskolben 16, der der Arbeitskammer 26 der Antriebs zylindervorrichtung 12 zugewandt ist, die über den Verbindungsdurchlaß 27 mit dem obenbeschriebenen Raum in Verbindung steht, auf eine solche Phase eingestellt wird, daß der Antriebskolben 16 sich in einem Kompres sionshub befindet, wenn der Druck des Betriebsgases niedrig ist, und der Antriebskolben 16 sich in einem Expansionshub befindet, wenn der Druck des Betriebsgases hoch ist, d. h. wenn der Verdrängungskolben 14 und der Antriebskolben 16 im wesentlichen 90° zueinander phasenverschoben sind, ist es möglich, der mit dem Antriebskolben 16 verbundenen Kurbelwelle 17 mechanische Energie zu entnehmen.

Wenn die Stirling-Maschine E auf diese Weise arbeitet, strömen bei der Hubbewegung des Verdrängungskolbens 14 wechselweise das Hochtempe ratur-Betriebsgas und das Niedrigtemperatur-Betriebsgas durch den Wärme regenerator 23, um zu bewirken, daß die Temperatur des Wärmeregenera tors 23 periodisch ansteigt und absinkt, wobei als Ergebnis der thermo elektromagnetische Generator G eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt.

Wie aus Fig. 5, die den thermo-elektromagnetischen Generator G schema tisch zeigt, und aus Fig. 6, die die Beziehung zwischen dem Magnetfeld und der Flußdichte zeigt, deutlich wird, wird die Flußdichte des magnetischen Kreises durch BR dargestellt, wenn die Magnetfelder der Permanentmagne ten 32 des thermo-elektromagnetischen Generators G gleich 0 sind. Wenn der Wärmeregenerator 23 auf eine Temperatur gleich oder größer als die Curie-Temperatur Tc aufgeheizt wird, wird der Wärmeregenerator 23 äquivalent zu einem Luftspalt, da die magnetische Permeabilität µ des Wärmeregenerators 23 vernachlässigbar wird. Der Luftspalt legt ein entma gnetisiertes Feld H (magnetischer Widerstand) an, wobei der Betriebspunkt nach P verschoben wird und die Flußdichte auf B reduziert wird. Wenn das Joch 33 eine Querschnittsfläche A aufweist, werden die magnetischen Flüsse Φ des magnetischen Kreises dargestellt durch Φ = B.A. Wenn somit die Temperatur des Wärmeregenerators 23 niedriger ist als die Curie- Temperatur Tc, werden die magnetischen Flüsse Φ₀ des magnetischen Kreises dargestellt durch Φ₀ = B_R.A, wobei dann, wenn die Temperatur des Wärmeregenerators 23 gleich oder größer ist als die Curie-Temperatur Tc, die magnetischen Flüsse Φ₁ des magnetischen Kreises dargestellt werden durch Φ₁ = B_L.A. Somit schwanken die magnetischen Flüsse Φ des magneti schen Kreises schnell zwischen Φ₀ und Φ₁. Wenn somit die Temperatur T des Wärmeregenerators 23 über die Curie-Temperatur Tc hinweg variiert, weist die Rate dΦ/dt der zeitabhängigen Änderung der magnetischen Flüsse Φ des magnetischen Kreises einen großen Wert auf, wodurch es möglich wird, eine induzierte elektromotorische Kraft V = -N(dΦ/dt) zu erzeugen, wobei N die Anzahl der Windungen der Induktionsspule 35 darstellt.

Wenn das Hochtemperatur-Betriebsgas und das Niedrigtemperatur-Betriebs gas abwechselnd durch den Wärmeregenerator 23 strömen, erzeugt der thermo-elektromagnetischen Generator G somit elektrischen Strom, der einen Verlust ausgleicht, der durch den Widerstand hervorgerufen wird, der der Strömung des Betriebsgases durch den Wärmeregenerator 23 entge gengesetzt wird. Wenn die Frequenz der Hubbewegung des Verdrängungs kolbens 14 ansteigt, nimmt auch der Verlust zu, der vom Widerstand gegen die Strömung des Betriebsgases durch den Wärmeregenerator 23 hervorge rufen wird. Da die Rate dΦ/dt der zeitabhängigen Änderung der magneti schen Flüsse Φ ansteigt, nimmt jedoch auch die Menge der erzeugten elektrischen Leistung zu. Wenn die Frequenz der Hubbewegung des Ver drängungskolbens 14 ansteigt, wird, da die Temperaturamplitude des Wärmeregenerators 23 reduziert wird, die thermische Beanspruchung des Wärmeregenerators 23 verringert und die Lebensdauer des Wärmeregene rators 23 erhöht. Da die vom Wärmeregenerator 23 gespeicherte Wärme menge reduziert wird, ist es jedoch erforderlich, für den Wärmeregenerator 23 ein Wärmespeichermaterial mit höherer Leistungsfähigkeit zu verwenden.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 7, 8(a) und 8(b) beschrieben.

Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Wärmeregenerator 23 in mehrere (in dieser Ausführungsform drei) Segmente 23a bis 23c unterteilt, um eine vom thermo-elektromagnetischen Generator G erzeugte elektromo torische Kraft zu erhöhen.

Fig. 8(a) zeigt einen Zustand, bei dem das Volumen der Kompressionskam mer 21 durch den Verdrängungskolben 14 reduziert ist, wobei der Wärmere generator Wärme abgibt und seine Temperatur gesenkt wird, während Fig. 8(b) einen Zustand zeigt, bei dem das Volumen der Expansionskammer 20 durch den Verdrängungskolben 14 reduziert ist und der Wärmeregenera tor 23 Wärme absorbiert und seine Temperatur erhöht wird. In jedem der in den Fig. 8(a) und 8(b) gezeigten Zustände ist die Temperaturverteilung des Wärmeregenerators 23 nicht gleichmäßig, vielmehr weist die Seite des Wärmeregenerators 23, die mit der Expansionskammer 20 in Verbindung steht, eine höhere Temperatur auf, während die Seite des Wärmeregenera tors 23, die mit der Kompressionskammer 21 in Verbindung steht, eine niedrigere Temperatur aufweist.

In dem in Fig. 7 gezeigten Graphen stellt die untere Kurve A eine Tempera turverteilung dar, wenn der Wärmeregenerator 23 Wärme abgibt, während die obere Kurve B eine Temperaturverteilung darstellt, wenn der Wärmere generator Wärme speichert. Wenn angenommen wird, daß der Wärmerege nerator 23 in seiner Gesamtheit eine einzige Curie-Temperatur Tc1 aufweist, kann der Bereich a des Wärmeregenerators 23 seine Temperatur über die Curie-Temperatur Tc1 hinweg ändern, jedoch kann der Bereich b des Wärmeregenerators 23 seine Temperatur nicht über die Curie-Temperatur Tc1 hinweg ändern, so daß die Leistungsfähigkeit des thermo-elektromagne tischen Generators G nicht ausreichend genutzt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Wärmeregenerator 23 in drei Segmente 23a bis 23c unterteilt, die aus solchen Materialien gefertigt sind, daß sie unterschiedliche Curie-Temperaturen Tc1 bis Tc3 aufweisen. Das erste Segment 23a nahe der Hochtemperatur-Expansionskammer 20 weist die höchste Curie-Temperatur Tc1 auf, während das dritte Segment 23c nahe der Niedrigtemperatur-Kompressionskammer 21 die niedrigste Curie-Temperatur Tc3 aufweist und das mittlere zweite Segment 23b, dessen Temperatur mittelmäßig ist, eine mittlere Curie-Temperatur Tc2 aufweist.

Wenn die Temperatur des ersten Segments 23a sich zwischen den Kurven A und B ändert, ändert sie sich in ihrem vollen Bereich über die Curie-Tempe ratur Tc1 hinweg. Wenn die Temperatur des zweiten Segments 23b sich zwischen den Kurven A und B ändert, ändert sie sich in ihrem vollen Bereich über die Curie-Temperatur Tc2 hinweg. Wenn die Temperatur des dritten Segments 23c sich zwischen den Kurven A und B ändert, ändert sie sich in ihrem vollen Bereich über die Curie-Temperatur Tc3 hinweg. Somit kann der Wärmeregenerator 23 in seiner Gesamtheit effektiv genutzt werden, was die vom thermo-elektromagnetischen Generator G erzeugte elektromotorische Kraft erhöht.

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 9 bis 11 beschrieben.

Gemäß der dritten Ausführungsform ist ein thermo-elektromagnetischer Generator einem Wärmeregenerator 23 einer α-Typ-Stirling-Maschine E zugeordnet.

Wie in Fig. 9 gezeigt, weist die α-Typ-Stirling-Maschine E zwei Antriebszylin dervorrichtungen 12a, 12b auf, die winkelmäßig voneinander um einen im wesentlichen rechten Winkel beabstandet sind. Die Antriebszylindervorrich tungen 12a, 12b weisen entsprechende Antriebszylinder 15a, 15b, entspre chende darin eingesetzte Antriebskolben 16a, 16b, eine gemeinsame Kurbelwelle 17, entsprechende Verbindungsstangen 19a, 19b, die die gemeinsame Kurbelwelle 17 mit dem Antriebskolben 16a, 16b verbinden, eine der oberen Fläche des Antriebskolbens 16a zugewandte Expansions kammer 20, eine der oberen Fläche des Antriebskolbens 16b zugewandte Kompressionskammer 21, einen Wärmeregenerator 23, der Wärme spei chern und abgeben kann, einen Verbindungsdurchlaß, der den Wärmerege nerator 23 mit der Expansionskammer 20 und der Kompressionskammer 21 verbindet, eine Heizeinheit 24 zum Beheizen der Expansionskammer 20 sowie eine Kühleinheit 25 zum Kühlen der Kompressionskammer 21 auf.

In den Fig. 10 und 11 weist der thermo-elektromagnetische Generator G, der dem Wärmeregenerator 23 zugeordnet ist, welcher eine zylindrische Form aufweist, vier Anordnungen eines Magnetpolpaares 31 und eines dazwi schen sandwich-artig angeordneten Permanentmagneten 32 auf, wobei die vier Anordnungen fest an der äußeren Umfangsoberfläche des Wärmerege nerators 23 in winkelmäßig beabstandeten Intervallen von 90° montiert sind. Der thermo-elektromagnetische Generator G weist ferner ein zylindrisches Joch 33 auf und ist radial außerhalb der vier Anordnungen positioniert und an diesen befestigt, wobei Induktionsspulen 35 um Spulenkörper 34 gewickelt sind, welche um die entsprechenden Permanentmagneten 32 angeordnet sind. Die Induktionsspulen 35 weisen Windungen auf, die in Ebenen senk recht zur Richtung der magnetischen Flüsse gewickelt sind.

Wenn bei der dritten Ausführungsform die Stirling-Maschine E in Betrieb ist, strömen das Hochtemperatur-Betriebsgas und das Niedrigtemperatur- Betriebsgas abwechselnd durch den Wärmeregenerator 23, wobei sie bewirken, daß die Temperatur des Wärmeregenerators 23 periodisch über die Curie-Temperatur Tc hinweg ansteigt und absinkt, so daß der thermo elektromagnetische Generator G elektromotorische Kräfte erzeugt, die über die vier Induktionsspulen 35 . . . induziert werden, um somit elektrischen Strom zu erzeugen. Die vorliegende Ausführungsform bietet die gleichen Vorteile wie die erste Ausführungsform, und erlaubt ferner, daß der thermo-elektro magnetische Generator G in der Größe reduziert ist und eine große elektri sche Leistung erzeugt aufgrund der vier Induktionsspulen 35 . . ., die um den Wärmeregenerator 23 angeordnet sind.

Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 12 und 13 beschrieben.

Gemäß der vierten Ausführungsform ist ein Wärmeregenerator 23 einer γ- Typ-Stirling-Maschine E, die die gleiche ist wie die Stirling-Maschine gemäß der ersten Ausführungsform, in einer ringförmigen Form konstruiert, die um einen Verdrängungszylinder 13 angeordnet ist, wobei ein ringförmiger thermo-elektromagnetischer Generator G, der die gleiche Struktur aufweist wie in der dritten Ausführungsform, um den ringförmigen Wärmeregenerator 23 angeordnet ist. Die vorliegende Ausführungsform bietet die gleichen Vorteile wie die dritte Ausführungsform, zusätzlich zu den Vorteilen der ersten Ausführungsform.

Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben genauer beschrieben worden sind, können verschiedene Entwurfsänderungen und Abwandlungen an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Zum Beispiel wurden in den Ausführungsformen die γ-Typ-Stirling-Maschine E und die α-Typ-Stirling-Maschine E beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf eine β-Typ-Stirling-Maschine anwendbar.

Die Stirling-Maschine E ist nicht auf diejenigen beschränkt, die die Aus gangsleistung von der Kurbelwelle 17 entnehmen, sondern kann auch ein Betätigungselement zum Entnehmen der Eingangsleistung des Verdrän gungskolbens 14 als Ausgangsleistung vom Antriebskolben 16 sein.

In den Ausführungsformen wurde die Heizeinheit 24 für eine offene Verbren nung des Kraftstoffes gezeigt. Die Heizeinheit 24 kann jedoch auch ein Typ sein, der eine katalytische Verbrennung durchführt. Das von der Kühleinheit 25 verwendete Kühlmittel ist nicht auf Kühlwasser beschränkt.

Ein thermo-elektromagnetischer Generator erzeugt unter Verwendung des Wärmeregenerators einer Stirling-Maschine effizient elektrischen Strom. Wenn ein Hochtemperatur-Betriebsgas und ein Niedrigtemperatur-Betriebs gas abwechselnd durch einen Wärmeregenerator einer Stirling-Maschine strömen, wird die Temperatur des Wärmeregenerators periodisch erhöht und gesenkt. Ein thermo-elektromagnetischer Generator, der dem Wärmeregene rator in Baueinheit zugeordnet ist, weist ein Joch auf, das einen geschlosse nen magnetischen Kreis bildet, der durch den Wärmeregenerator läuft, einen Permanentmagneten zum Zuführen magnetischer Flüsse zum magnetischen Kreis, und eine Induktionsspule, die auf Änderungen der magnetischen Flüsse des magnetischen Kreises anspricht. Der Wärmeregenerator, der aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, weist eine Curie-Temperatur auf, die in einem Variationsbereich der Temperaturen des Wärmeregenera tors liegt. Wenn die Temperatur des Wärmeregenerators sich periodisch über die Curie-Temperatur hinweg ändert, werden die durch die Induktionsspule verlaufenden magnetischen Flüsse jedes Mal dann stark geändert, wenn die Temperatur des Wärmeregenerators die Curie-Temperatur passiert, wodurch eine große elektromotorische Kraft über der Induktionsspule erzeugt wird.

Beschreibung der Bezugszeichen

20

Expansionskammer

21

Kompressionskammer

22

Verbindungsdurchlaß

23

Wärmeregenerator

23

a-

23

c Segment

24

Heizeinheit

25

Kühleinheit

32

Permanentmagnet (Magnetomotorikkraft-Mittel)

33

Joch

35

Induktionsspule
G thermo-elektromagnetischer Generator
Tc Curie-Temperatur
Tc1-Tc3 Curie-Temperatur

Claims

1. Stirling-Maschine mit einem Verbindungspfad (22), der eine mittels einer Heizeinheit (24) beheizte Expansionskammer (20) und eine mittels einer Kühleinheit (25) gekühlte Kompressionskammer (21) verbindet, einem Wärmeregenerator (23), der im Verbindungspfad (22) angeordnet ist, um die Wärme eines Betriebsgases zu speichern und abzugeben, welches zwischen der Expansionskammer (20) und der Kompressionskammer (21) strömt, und einem elektromagnetischen Generator (G), der dem Wärmeregenerator (23) zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der thermoelektrische Generator (G) ein Joch (33), das einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, der durch den Wärmeregenerator (23) läuft, ein Magnetomotorikkraft-Mittel (32) zum Zuführen der magneti schen Flüsse zum Magnetkreis, und eine Induktionsspule (35) umfaßt, die auf eine Änderung des magnetischen Flusses im Magnetkreis anspricht, und
der Wärmeregenerator (23), der aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, eine Curie-Temperatur (Tc) aufweist, die in einem Variationsbereich der Temperaturen des Wärmeregenerators (23) liegt.

2. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeregenerator (23) mehrere Segmente (23a bis 23c) umfaßt, die in der Richtung unterteilt sind, in der das Betriebsgas strömt, wobei die Seg mente (23a bis 23c) entsprechende Curie-Temperaturen (Tc1 bis Tc3) aufweisen, die von einer Seite des Wärmeregenerators (23) nahe der Expansionskammer (20) in Richtung zu einer Seite des Wärmeregenerators (23) nahe der Kompressionskammer (21) zunehmend absinken.