DE10234401B4

DE10234401B4 - Regenerator für das Arbeitsgas eines Stirlingmotors

Info

Publication number: DE10234401B4
Application number: DE2002134401
Authority: DE
Inventors: Lutz Pasemann
Original assignee: Individual
Current assignee: PASEMANN, LUTZ, DR., 76131 KARLSRUHE, DE
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: DE10234401A1

Abstract

Regenerator für das Arbeitsgas einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine, wobei der Regenerator als zylinderförmiger Ringkörper ausgeführt ist, der mit einer definiert ausgerichteten Struktur versehen ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur mittels zumindest eines den Ringkörper füllenden, spiralförmig gewickelten Bandes mit wellenförmig längs eingeprägten Kanälen, deren Öffnungen zu den Stirnseiten des Ringkörpers weisen, gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerator zur kurzzeitigen Speicherung und Wiederabgabe der Wärme eines abwechselnd in zwei Richtungen strömenden Gases in einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Wärmekraftmaschine.
Es ist bekannt, dass bei einem Stirlingmotor Regeneratoren eingesetzt werden, die vom Arbeitsmedium durchströmt werden, wobei dieses zwischen einem heißen und einem kalten Raum hin- und hergeschoben wird. Durch eine entsprechende Mechanik wird dabei das Volumen des Arbeitsmediums durch Expansion und Kompression in der Weise verändert, dass mechanische Energie erzeugt wird. Dabei wird durch diesen Prozess der heißen Seite Wärme entzogen und der kalten Seite Wärme zugeführt, was einerseits durch äußere Wärmeeinspeisung auf der heißen Seite und andererseits durch Kühlung auf der kalten Seite ausgeglichen werden muss. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades dient hierbei ein Regenerator, der die Wärme des von der heißen Seite kommenden Arbeitsmediums vor Eintritt in einen oder mehrere Kühler so lange zwischenspeichert, bis sie bei Strömungsumkehr wieder an das vom Kühler zur heißen Seite strömende Medium abgegeben wird.
Die Erfindung bezieht sich auf einen solchen Wärmespeicher für das Arbeitsmedium einer nach dem Stirlingprinzip betriebenen Wärmekraftmaschine, bei welcher in bekannter Weise ein durch ein Kurbelgetriebe gesteuerter hin- und hergehender Verdrängerkolben die Verschiebevorgänge von heiß nach kalt und umgekehrt vornimmt, wobei die Strömungsführung des Arbeitsgases so ausgelegt ist, dass das Gas den um den Verdrängerkolben herum ringförmig angeordneten Regenerator durchströmen muss. Im Strömungsweg zwischen Kühler und der kalten Seite des Verdrängerkolbens befindet sich ein abzweigender Verbindungsweg zu einem Arbeitskolben, der mit seiner oszillierenden Bewegung, die mit der des Verdrängerkolben abgestimmt ist, allein für Expansion und Kompression des Arbeitsgases in der Maschine sorgt.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe des Regenerators ist es, die im Arbeitsgas nach Verlassen des Erhitzers mitgeführte Wärme möglichst vollständig an das Material des Regenerators abzugeben, bevor das Arbeitsgas in den Kühler eintritt. Wenn im nächsten Schritt des Arbeitszyklus das im Kühler abgekühlte Arbeitsgas zurückströmt, soll die zuvor im Regeneratormaterial gespeicherte Wärme wieder möglichst vollständig an das Arbeitsgas abgegeben werden, bevor es in den Erhitzer eintritt. Durch diese Funktion ergibt sich eine permanent heiße Seite und eine permanent kalte Seite des Regenerators. Daraus entsteht die weitere Aufgabe, Wärmeleitung durch das Material von der heißen auf die kalte Seite so weit wie möglich zu verhindern. Gleichzeitig gilt es, den dem strömenden Arbeitsgas durch die Regeneratorstruktur entgegen gesetzten Widerstand so gering wie möglich zu halten.
Es sind Regeneratorstrukturen bekannt, die beispielsweise aus Stahlwolle oder ähnlichem lockeren Gespinst bestehen. Diese erfüllen die Anforderungen indes nur teilweise; nachteilig ist hier insbesondere die nicht genau reproduzierbare homogene Dichte und die geringe mechanische Stabilität, so dass sich die Strukturen durch die einwirkenden Strömungskräfte während eines längeren Betriebes erheblich ändern können. Die Verformbarkeit des Materials führt nicht nur dazu, dass sich im Verlaufe des Betriebes bevorzugte Strömungsgassen durch die Struktur ausbilden, welche die Effizienz mindern, sondern auch zum Abbrechen feiner Fasern, die sich in der Folge durch sämtliche Gaswege ausbreiten und an den reibenden und dichtenden Stellen des Motors stark die Motorlebensdauer einschränkende Schäden verursachen.
Andere Regeneratorstrukturen, beispielsweise übereinander geschichtete feine Drahtgitter, vermeiden zwar einige der oben beschriebenen Nachteile, sie sind jedoch nur mit hohem Aufwand herzustellen und in der richtigen Lage zu fixieren. Weitere speziell entwickelte Sonderstrukturen sind ebenfalls durch hohe Preise gekennzeichnet, da sie kein Massenprodukt sind. Bei der kommerziellen Verwertung der Stirlingtechnik spielt indes das Kostenargument eine dominierende Rolle.
Eine weitere Ausgestaltung besteht in einem zylinderförmigen Ringregenerator-Element, das von einer Stirnseite zur anderen durchgehende Materialstrukturen aufweist, die vorwiegend durch die Verwendung und Anordnung von massenproduzierten Elementen so ausgebildet ist, dass das Arbeitsmedium (z. B. Luft) den Regenerator von einer Stirnseite zur anderen in der gewünschten Weise durchströmt. Gleichzeitig bildet die innere Zylindermantelfläche des Ringregenerator-Elements den oberen, nicht mit Dichtungsaufgaben behafteten Teil des Zylinders für den Verdrängerkolben, so dass zusätzliche Laufbüchsen eingespart werden können. Eine zweckentsprechende Struktur wird beispielsweise erreicht durch eine große Anzahl den Ringraum ausfüllender und in Strömungsrichtung angeordneter Röhrchen oder Stäbchen, oder durch Aufwicklung von bandförmigem Werkstoff, der mit Draht umwickelt ist (gemäß Patentschrift DE 931 015 ), oder durch Aufwicklung von Fäden, einem Gewebeband oder perforiertem Blech, wie aus der Druckschrift DE 38 12 427 A1 bekannt ist.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung in gerollten Folien, deren eine Lage gewellt und deren darüberliegende glatt ausgeführt ist. Als Materialien kommen vorwiegend Werkstoffe mit schlechter Wärmeleitung wie Edelstahl oder Keramiken in Betracht, da nur das Gas, nicht jedoch die Wärme mit möglichst geringem Verlust durchgeleitet werden soll.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer einfachen und preiswerten Herstellungsweise des Regenerators.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Stirlingmotor in der sogenannten Gamma-Typ-Bauweise. Im Gehäuse 1 ist eine Kurbelwelle 2 gelagert, welche über die Pleuel 3 und 4 den Verdrängerkolben 5 und den Arbeitskolben 6 hin und her bewegt. Das Arbeitsmedium (Gas) fließt von der Heißkammer 12 durch den Erhitzerkopf 7 und dessen die äußere Wärme aufnehmende Röhrchen 8 und weiter durch den um den Verdrängerkolben 5 herum gelagerten Regenerator 9 und das den Verdrängerzylinder bildende Ringkühler-Element 10 in die Kaltkammer 11, deren Außenwand durch die innere Mantelfläche des Kühlers 10 gebildet wird. Auf gleichem Wege fließt das Arbeitsgas auch wieder zurück. Am Boden der Kaltkammer 11 zweigt eine Leitung 13 ab, die eine Verbindung zum Hubraum des Arbeitskolbens 6 herstellt, so dass durch dessen Bewegung das Arbeitsgas expandieren und komprimiert werden kann.
2 zeigt den Regenerator 9 als separat montierbares und austauschbares Modul, wobei die regenerativ wirksame Struktur zwischen einem Außenzylinder 15 und einem Innenzylinder 14 eingebettet ist. Hierbei bildet die innere Mantelfläche des Innenzylinders 14 die Außenwand der Heißkammer.
3 zeigt die stirnseitige Ansicht einer Regeneratorstruktur, die aus zahlreichen in Strömungsrichtung angeordneten Röhrchen gebildet wird. Das Arbeitgas fließt sowohl innen durch die Röhrchen als auch durch die an den zusammenstoßenden Außendurchmessem der Röhrchen gebildeten Zwischenräume.
4. zeigt die stirnseitige Ansicht einer Regeneratorstruktur, die aus zahlreichen in Strömungsrichtung angeordneten Drähten oder dünnen Stangen gebildet wird. Das Arbeitgas fließt durch die an den zusammenstoßenden Außendurchmessern der Stangen gebildeten Zwischenräume.
5 zeigt die stirnseitige Ansicht einer erfindungsgemäßen Regeneratorstruktur, die aus der Aufwicklung von je einer gewellten und einer flachen Folie in übereinander liegende zahlreiche Lagen gebildet wird. Das Arbeitgas fließt durch die hierdurch gebildeten Längskanäle.
6 zeigt einen aus verschiedenen Strukturen zusammengesetzten Regenerator. Auf der heißen Seite befindet sich eine temperaturfeste und mechanisch stabile Struktur 16, deren Aufgabe es ist, die Temperaturspitzen und mechanische und dynamische Kräfte von der regenerativ wirksamen Struktur 17 fernzuhalten. Auf der kalten Seite befindet sich eine weitere mechanisch stabile Struktur als Schutz für die Struktur 17.

Claims

Regenerator für das Arbeitsgas einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine, wobei der Regenerator als zylinderförmiger Ringkörper ausgeführt ist, der mit einer definiert ausgerichteten Struktur versehen ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur mittels zumindest eines den Ringkörper füllenden, spiralförmig gewickelten Bandes mit wellenförmig längs eingeprägten Kanälen, deren Öffnungen zu den Stirnseiten des Ringkörpers weisen, gebildet wird.
Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur von einer Stirnseite des Ringkörpers zur anderen führende Längskanäle hat, die durch eine spiralförmige Aufwicklung zweier übereinander liegender Folien gebildet werden, von denen die eine Folie gewellt und die andere flach ist.