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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmetauscher.
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Es gibt einen steigenden Bedarf an kleinen, hocheffizienten Wärmemaschinen für kohlenstoffsparende Anwendungen in den Industrien der Energieeinsparung und der erneuerbaren Energien. Die Anwendungen umfassen Mikro-Kraftwärmekopplung, konzentrierte Solarenergie und Kraftwärmekopplung, Wärmepumpen, Energie bzw. Strom aus Abfall und Prozesswärme und Energie aus festen Biofestmassesystemen in kleinem Maßstab. Für viele Jahre war der Stirling-Motor der favorisierte Hauptantrieb, zum großen Teil wegen der hohen theoretischen Effizienz des Stirling-Zyklus. In der Praxis haben jedoch technische Gegebenheiten verhindert, dass hohe Anteile dieser theoretischen Effizienz erzielt wurden und die Kosten sind hoch geblieben. Im Ergebnis ist der Stirling-Motor kein nennenswerter kommerzieller Erfolg geworden.
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Ein Grund für den ausbleibenden kommerziellen Erfolg von Stirling-Motoren liegt darin, dass aufgrund der Tatsache, dass die nicht gleichphasige Kolbenumkehr des Stirling-Motors umkehrende, ungleichmäßige Gasströme mit zyklisch variierenden Gasbedingungen hervorruft, die Wärmetauscher, die für die Leistungsfähigkeit des Motors entscheidend sind, nur für einen Punkt des Zyklus ausgelegt werden können und für den übrigen Teil des Zyklus nicht optimal sind. Dies führt auch zu einer anormalen Erhitzung und Abkühlung der Gasladung bzw. des Arbeitsgases nach der Expansion bzw. Kompression. Beide Faktoren erhöhen die Belastungen der Wärmetauscher und vergrößern den Bedarf an einer Vorerhitzung von Luft am heißen Ende und der Wärmeabfuhr am kalten Ende.
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Ein zweiter Grund liegt darin, dass es ein deutliches Ungleichgewicht in dem Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsgasen unter niedrigem Druck und dem Arbeitsgas unter hohem Druck gibt, sowie ein ähnliches aber weniger gravierendes Ungleichgewicht beim Kühler. In dem Heizer wird dies noch durch normalerweise im Querstrome erfolgenden Wärmeaustausch verschärft. Das Vergrößern der Oberflächendichte auf der Außenseite des Heizers ohne nennenswerte Vergrößerung seines inneren Volumens und das Bereitstellen von Gegenstrom-/Parallelstrom-Wärmeaustausch würden das Ungleichgewicht vermindern, ist jedoch mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht in kosteneffektiver Weise möglich.
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Diese beiden Faktoren tragen dazu bei, dass der Stirling-Motor allgemein und insbesondere auch seine Wärmetauscher größer, teurer und weniger effizient sind als es die Theorie nahelegt.
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Andere Motoren und/oder Zyklen sind für diese Anwendungen vorgeschlagen und in einigen Fällen auch verwendet worden. Beispiele umfassen die sich drehenden Mikroturbinen nach dem Brayton-Zyklus und den organischen Rankine-Zyklen mit einer Expansionskammer auf der Basis der Technologie eines Scrollverdichters bzw. Spiralverdichters im umgekehrten Betriebszustand (Rückwärtslauf). Die Rotations- bzw. Kreisbewegungen der Komponenten vermindern oder beseitigen im Falle der Turbine das Problem der ungleichmäßigen Strömung des Stirling-Motors. Die theoretische Effizienz dieser Zyklen sind jedoch nicht so hoch wie diejenige des Stirling-Motors und, ebenso wie beim Stirling-Motor, verhindern Einschränkungen in der Leistungsfähigkeit der Wärmetauscher in Kombination mit anderen Faktoren, dass sie die Anforderungen für ihre potentielle Massenvermarktung erfüllen.
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Eine Teillösung des Problems des Wärmetauschers wird durch die
WO-A-2006/064202 und die
WO-A-2008/047096 bereitgestellt, die die Gestaltung von Leitungen für Wärmetauscher offenbaren, welche nahezu in Endform hergestellt werden auf der Basis von Pulver mit Zusatzschichten, durch Herstellungstechniken auf der Basis von Energiestrahlung, wie zum Beispiel Laserstrahlen. Solche Herstellungstechniken sind unter verschiedenen Namen bekannt, wobei ein derartiger Name das gezielte Laserschmelzen (SLM – Selective Laser Melting) ist. SLM kann verwendet werden, um kompakte Wärmetauscher/Reaktoren herzustellen, wie es in der
WO-A-2006/064202 beschrieben ist. Komponenten, die mittels SLM hergestellt sind, werden normalerweise auf einer dicken Metallplatte aufgebaut, oftmals mit mittels SLM aufgebauten Trägern bzw. Stützen zwischen dem Bauteil und der Platte und werden dann nach der Vollendung des Aufbaus durch maschinelle Bearbeitung oder andere geeignete Verfahren von der Platte getrennt. SLM ermöglicht die Herstellung kompakterer Wärmetauscher mit größeren Oberfläche-/Volumen-Verhältnissen, geringeren hydraulischen Durchmessern und einer fast vollständigen Freiheit in der 3D-Gestaltung, in Kombinationen, die ansonsten mit anderen Herstelltechnologien nicht möglich bzw. herstellbar sind.
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Eine weitere potentielle Lösung liegt in der Wärmemaschine mit dem Brayton-Zyklus, welche auf der kommerziellen Scrollverdichtertechnologie beruht. Die
WO-A-2003/069130 offenbart eine solche Wärmemaschine, deren hauptsächliche mechanische Komponenten ein kalter Scrollverdichter und eine heiße Scrollexpansionsmaschine sind, die normalerweise beide je ein Gehäuse, eine stationäre Spirale und eine kreisende Spirale mit zugehörigen Ventilen, Leitungen, Lagern und anderen Komponenten aufweisen. Die
WO-A-2003/069130 offenbart auch eine Heizfläche in Form von Finnen oder Flügeln an einer Außenfläche des Gehäuses der Spirale und eine Heizkammer, die an einem äußeren Umfang des Scrollgehäuses vorgesehen ist. Der Vorteil soll darin liegen, dass hierdurch ein Mittel zum Heizen des Arbeitsgases bereitgestellt wird, während dieses in dem Expansionsraum expandiert, sowie eine Mittel zum Kühlen desselben, während es in dem Verdichter komprimiert wird, was demnach ermöglicht, dass die Expansions- bzw. Entspannungs- und Verdichtungsvorgänge sich den idealerweise möglichen und effizientesten isothermischen Gasprozessen enger annähern. Der Vorteil kann als eine Veränderung in dem Motorzyklus von einem Brayton-Zyklus zu dem potentiell effizienteren Ericsson-Zyklus interpretiert werden. Es ist jedoch schwierig, dass mit solchen Finnen oder Flügel ein Mittel zum Verbessern des Wärmetauschers bereit zu stellen, welches ausreicht einen beträchtlichen Unterschied in der Effizienz zu erzielen.
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Die
WO-A-2006/008463 offenbart ein Verfahren zum Herstellen massiver Strukturen und zylindrischer Komponenten für eine Maschine mit hin- und herbewegbarem Kolben in Form einer Mehrzahl von Rohren, die voneinander beabstandet sind und relativ zueinander durch Abstandhalter gehalten werden, welche durch Laserschmelzen hergestellt sind. Die Abstandhalter können Finnen bzw. Flügel aufweisen, um die Wärmeübertragung auf Fluid in den Zwischenvolumina zwischen den Rohren zu vergrößern. Die Zwischenvolumina können evakuiert, mit Fluid gefüllt oder mit Material gefüllt werden, welches sich verfestigt und in einer Vielfalt unterschiedlicher Weisen verwendet werden kann. Unterschiedliche Zwischenvolumina können in unterschiedlichem Maße unter Druck gesetzt werden, um die Spannungen, die auf die verschiedenen, dünnwandigen Rohre ausgeübt werden, zwischen diesen zu verteilen. Dies ermöglicht, dass mechanische und thermische Lasten über die Struktur hinweg verteilt werden, die durch die Mehrzahl von voneinander beabstandeten Rohren gebildet wird, die relativ zueinander durch mittels Laserschweißen gebildete Abstandhaltern gehalten werden.
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Unter einem Aspekt gesehen stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung bereit, die eine Wand hat, welche so ausgestaltet ist, dass sie zumindest als Teil einer Kammer für das Aufnehmen bzw. Enthalten eines Arbeitsfluides dient, wobei die Wand einen Wärmetauscherabschnitt umfasst, der mit der Wand einstückig ausgebildet ist und wobei der Wärmetauscherabschnitt ein Array bzw. Feld aus Leitungen hat, welche durch selbigen hindurch verlaufen und eine Fluidverbindung mit der Außenseite des Wärmetauscherabschnittes der Wand bereitstellen, wobei der Wärmeaustauscherabschnitt so ausgestaltet ist, dass er zur Festigkeit der Wand beiträgt und das Aufnahmevolumen bzw. einen Behälter für das Arbeitsfluid bereitstellt.
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Die vorliegende Technik zielt darauf ab, die Größe und das Gewicht von Wärmemaschinen und anderen Maschinen zu reduzieren um die Effizienz dieser Maschinen, wie zum Beispiel von Kompressoren, Wärmepumpen, Turbinen und dergleichen, zu steigern. Die vorliegende Technik bildet einen Wärmetauscher in einem Stück mit einer Wand, die zumindest als Teil einer Kammer für die Aufnahme eines Arbeitsfluids dient. Der Wärmetauscher hat eine Fluidverbindung mit der Außenseite des Wärmetauschers über zumindest einen Teil seines Arrays bzw. seiner Anordnung aus Leitungen, sodass die Wärme aus dem Wärmetauscher heraus oder in den Wärmetauscher hinein übertragen werden kann und dementsprechend aus dem Arbeitsfluid heraus oder in dieses hinein. Die Technik geht von der Erkenntnis aus, dass der Wärmetauscher, der dafür vorgesehen ist, eine solche Wärmeübertragung zu unterstützen, auch verwendet werden kann, um einen Teil der strukturellen Festigkeit der Wand und das Aufnahmevolumen für das Arbeitsfluid bereitzustellen. Der Wärmetauscher ist dafür vorgesehen, seine Wärmetauschfunktion zu erfüllen, jedoch wird durch die vorliegende Technik ein zusätzlicher Vorteil realisiert, der darin besteht, den Wärmetauscher einstückig mit der Wand auszubilden, welche das Arbeitsfluid enthält, sodass der Wärmetauscher einen Teil der Festigkeit der Wand liefert. Die Wand kann deshalb dünner gemacht werden (wodurch Gewicht und Material gespart wird) als es ansonsten der Fall wäre, wenn der Wärmetauscher nicht zu der Festigkeit der Wand beitragen würde. Der Wärmetauscher profitiert auch von seiner engen Nähe bzw. Nachbarschaft zu dem Arbeitsfluid, durch welches Wärme ausgetauscht und zur Außenseite des Wärmetauschers und des Arbeitsfluids übertragen wird. Zusätzlich bietet die vorliegende Technik die Möglichkeit, den Wärmeaustausch in die Vorgänge der Verdichtung und Expansion des Arbeitsfluids einzubeziehen, wodurch es möglich wird, die Zykluseffizienz der Maschine in vorteilhafter Weise zu modifizieren. Ein Beispiel ist bereits erwähnt worden bezüglich der Effizienzverbesserung einer Maschine auf der Basis der Technologie der Spiralverdichter. Ein Zweites liegt in der Verwendung der Zwischenkühlung und/oder Zwischenheizung für Mikroturbinen. Konventionell ist das Zwischenkühlen und Zwischenheizen nur für Großturbinen kosteneffizient, und zwar wegen der damit verbundenen zusätzlichen Kosten, Materialien, Größe und Gewicht. Die vorliegende Technik bietet die Möglichkeit, Kosten, Größe und Gewicht der zusätzlichen Wärmeaustauschkomponenten in einem Maße zu reduzieren, dass das Zwischenkühlen und Zwischenheizen kosteneffizient wird.
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SLM kann verwendet werden, um die Wand und den Wärmetauscherabschnitt herzustellen.
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Dies bringt nicht nur die Vorteile der bereits beschriebenen SLM-Wärmetauscher mit sich, sondern kann auch direktere Wärmeaustauschverbindungen beispielsweise zwischen einer Wärmequelle und einem Arbeitsfluid bieten und hilft dabei, die Größe, Gewicht und Kosten der Verteiler, Rohre und Verbindungen zu reduzieren. Ein Beispiel ist die SLM-Herstellung eines Zylinders und von Zuleitungen, die auf seiner äußeren Oberfläche liegen.
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Im Falle eines Zylinders kann eine Struktur aus Leitungen, die parallel zur Achse der Zylinder verlaufen, eine Gitterstruktur bilden, die in bzw. zwischen einer inneren und einer äußeren Zylinderwand enthalten ist. Die addierte Dicke dieser beiden Wände kann dünner sein als eine alternative, ursprüngliche massive Wand, wegen der Stärke bzw. Festigkeit, die durch die Gitterstruktur der Leitungen bereitgestellt wird. In einem extremen Fall kann die Leitungsstruktur die gesamte Festigkeit bereitstellen und es wird keinerlei zusätzliche Zylinderwand benötigt. Abhängig von den Erfordernissen kann jedoch eine dünne Beschichtung bzw. Abdeckung notwendig sein, um die Innenfläche der Struktur zu bilden, um als eine Oberfläche zu wirken, mit welcher beispielsweise ein Kolbenring in Kontakt stehen kann.
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Beispielsweise können der Zylinder, der Brenner, der Heizer und der Luftvorheizer eines Stirling-Motors unter Verwendung von SLM als eine Komponente aufgebaut sein. Andere Komponenten, wie zum Beispiel der Wärmerückgewinner, können ebenfalls in denselben SLM-Aufbau integriert sein. In anderen Ausführungsformen enthalten die oben beschriebenen Komponenten möglicherweise nicht das Gehäuse: stattdessen können die integrierten Komponenten ein zylindrisch geformtes Bauteil bilden, welches an einer dünnwandigen Hülle durch Schweißen, Hartlöten, Wärmeschrumpfen, einem Klebstoff oder mit anderen Mitteln angebracht ist.
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Durch diese Mittel kann ein weiter Bereich normalerweise massiver Bauteile von Wärmemaschinen und anderen Maschinen aus Gitterstrukturen aufgebaut sein, wodurch die Materialien, aus welchen sie aufgebaut sind, in reduzierten Mengen verwendet werden, um die benötigten Kapazitäts- und Festigkeitsspezifikationen zu erfüllen. Wärmetauscherelemente bieten zumindest einen Teil der benötigten Festigkeit oder es können zusätzliche Nichtwärmetauscherelemente bereitgestellt werden, um die strukturelle Festigkeit oder andere wünschenswerte Eigenschaften sicherzustellen. Beispielsweise könnte das, was normalerweise die massive Wand eines unter Druck stehenden Zylinders wäre, aus einem SLM-Gitter aufgebaut sein, das zwischen zwei viel dünneren SLM-Wänden aufgenommen wäre, was die Struktur leichter macht und weniger Material erfordert, um die Festigkeits- und sonstigen Spezifikationen zu erfüllen. Es versteht sich, dass es in vielen Fällen möglich ist, Wärmetauscherleitungen in einer Gitterstruktur zu kombinieren, sodass einige Komponenten der Struktur sowohl den Wärmeaustausch als auch strukturelle Funktionen erfüllen, was zu weiteren Einsparungen in Material, Kosten und Gewicht führt. In einigen Fällen kann die Struktur so ausgestaltet sein, dass die Kräfte auf die unter Druck stehenden Leitungen den durch den Druck innerhalb des Zylinders auf die Zylinderwand ausgeübten Kräften entgegenwirken, was zusätzliche Material-, Gewichts- und Kostenersparnisse ermöglicht.
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Das Arbeits- bzw. Beladungsfluid kann unter Druck stehen. Ein solches unter Druck stehendes Arbeitsfluid erfordert eine Festigkeit der Wand seiner Kammer, um das unter Druck stehende Arbeitsfluid aufzunehmen bzw. zu enthalten.
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Die Wand kann entweder eine Zylinderwand oder ein Zylinderkopf oder beides sein, wie diese typischerweise bei Anordnungen aus einem Zylinder und einem hin- und her beweglichen Kolbenverwendet werden.
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Die vorliegende Technik kann vorteilhafterweise auch in einem Gehäuse eines Turbinenverdichters und/oder einem Gehäuse einer Turbinenexpansionskammer verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Gebiete möglicher Anwendungen der vorliegenden Technik sind gegeben, wenn die Wand Teil eines Gehäuses, einer statischen Spirale oder einer sich bewegenden Spirale eines Spiralverdichters oder einer Spiralexpansionsvorrichtung oder gleichzeitig von mehreren der vorgenannten Elementen ist.
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Die vorliegende Technik kann auch Anwendung finden, wo die Wand Teil einer Maschine ist, die nach dem Stirling-Zyklus oder nach dem Ericsson-Zyklus arbeitet. Diese Ausführungsformen umfassen Maschinen, bei welchen der Zyklus in einer Richtung verwendet wird und Wärmepumpen, Kühleinrichtungen und Gefriereinrichtungen, wenn der Zyklus in der entgegengesetzten Richtung verwendet wird.
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Der oben erwähnte Wärmetauscher kann verwendet werden, um das Arbeitsfluid zu kühlen oder zu erhitzen, je nach Anwendung. In jedem Fall wird Wärme durch Fluidverbindung zwischen dem Wärmetauscherabschnitt und der Außenseite der Wand des Wärmetauscherabschnitts übertragen.
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In einigen Ausführungsformen kann die Anordnung aus Leitungen so ausgestaltet sein, dass sie ein einziges Wärmeaustauschfluid trägt bzw. führt, um Wärme mit dem Arbeitsfluid auszutauschen. In anderen Ausführungsformen kann die Anordnung von Leitungen so ausgestaltet sein, dass sie einen Wärmeaustausch zwischen Fluiden bereitstellt, die durch unterschiedliche Leitungen in der Anordnung übertragen werden.
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In einigen Ausführungsformen kann die Anordnung aus Leitungen eine erste Leitung aufweisen, die für zumindest einen Abschnitt der zweiten Leitung innerhalb der zweiten Leitung angeordnet ist. Derartige Leitung-in-Leitung-Wärmeaustauschanordnungen können hoch effizient sein. Die Leitungen müssen nicht konzentrisch sein.
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In einigen Ausführungsformen bilden die erste Leitung und die zweite Leitung ein Paar von konzentrischen Leitungen, wobei die erste Leitung durch die Wand der zweiten Leitung hindurchtritt.
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In einigen Ausführungsformen haben zumindest einige aus der Anordnung von Leitungen Eintritts- und Austrittsanschlüsse, welche eine Fluidverbindung mit dem Arbeitsfluid bereitstellen. Auf diese Weise kann der Wärmeaustausch mit dem Arbeitsfluid verbessert werden, indem man zulässt, dass das Arbeitsfluid innerhalb einiger der Leitungen der Anordnung von Leitungen strömt.
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Die Anordnung aus Leitungen kann so ausgestaltet sein, dass ein Querschnitt durch zumindest einen Teil der Anordnung von Leitungen die Form einer Gitterstruktur bzw. einer periodischen Anordnung aus Leitungen hat. Dies bietet eine dichte und effiziente Anordnung. Innerhalb eines derartigen Gitters aus Leitungen kann eine Vielzahl innerer Leitungen enthalten sein, die innerhalb des jeweiligen sechseckigen Querschnittes anderer Leitungen angeordnet sind. Eine derartige Anordnung liefert eine effiziente Packung von Leitungen innerhalb des Wärmetauscherabschnitts.
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Der Wärmetauscherabschnitt trägt zur Festigkeit der Wand bei. In einigen Ausführungsformen kann es sein, dass die Wand eine nicht ausreichende Festigkeit hat, um ohne die durch den Wärmetauscherabschnitt hinzugefügte Festigkeit das Arbeitsfluid während des Arbeitsbetriebs aufzunehmen. In anderen Ausführungsformen kann die Wand so ausgestaltet sein, dass sie ohne den Beitrag des Wärmetauscherabschnittes genug Festigkeit für den normalen Arbeitsbetrieb bietet, jedoch dient der Wärmetauscherabschnitt dazu, einen Zusatzbeitrag zu der Festigkeit des Behälters des Arbeitsfluids hinzuzufügen, welcher für eine verbesserte Robustheit und Zuverlässigkeit wünschenswert ist.
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Unter einem anderen Aspekt gesehen bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen zumindest einer Komponente einer Vorrichtung, die eine Wand umfasst, welche dafür ausgelegt ist, zumindest als Teil einer Kammer für die Aufnahme eines Arbeitsfluids zu dienen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten eines zu schmelzenden Materials,
Schmelzen vorbestimmter Bereiche jeder Schicht mit Hilfe eines Energiestrahles gemäß einem vorbestimmten Modell, um die Schicht mit Material einer vorangehenden Schicht zu verschmelzen, um einen massiven Aufbau zu bilden, in welchem geschmolzene Abschnitte jeder Schicht mit geschmolzenen Abschnitten einer vorangehenden Schicht verschmelzen, wobei
der Schritt des Aufschmelzens mit Hilfe eines Energiestrahles die Wand und einen Wärmetauscherabschnitt einstückig ausbildet, wobei der Wärmetauscherabschnitt eine Anordnung aus Leitungen aufweist, die durch diesen hindurchverlaufen und eine Fluidverbindung mit der Außenseite des Wärmetauscherabschnittes bereitstellt, wobei der Wärmetauscherabschnitt zu der Festigkeit der Wand beiträgt, um einen Aufnahmebehälter für das Arbeitsfluid zu bilden.
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Es versteht sich, dass das Ausbilden der Wand und des Wärmetauscherabschnittes in einstückiger Weise konventionell erzielt werden kann durch die Verwendung von Energiestrahlschmelztechniken, wie zum Beispiel SLM.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich in Form eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 schematisch einen Zylinder für die Aufnahme eines Arbeitsfluids nach dem Stand der Technik zeigt,
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2 schematisch einen Zylinder für die Aufnahme eines Arbeitsfluids zeigt, der einen einstückig damit ausgebildeten Wärmetauscher innerhalb der Zylinderwand hat,
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3, 4 und 5 schematisch eine Vielfalt unterschiedlicher Anordnungen von Leitungen in einer Zylinderwand zeigen,
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6 schematisch ein Gitter aus Leitungen im Querschnitt zeigt,
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7 schematisch einen Spiralverdichter veranschaulicht, einschließlich der Leitungen in einem oder mehreren der statischen oder sich bewegenden Spiralmaschinen,
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8 bis 15 schematisch Leitungsanordnungen innerhalb der Wände eines Spiralverdichters veranschaulichen,
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16, 17 und 18 schematisch einen Stirling-Motor veranschaulichen, der eine Kammerwand enthält, die Wärmetauscherleitungen umfasst,
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19 schematisch einen Turbinenverdichter veranschaulicht,
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20 schematisch eine Turbinenexpansionskammer veranschaulicht, und
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21 schematisch einen Zylinder mit einem Wärmetauscherabschnitt veranschaulicht, der als ein Material mit einer kontrollierten Porosität ausgebildet ist und der Leitungen dahindurch bereitstellt.
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1 veranschaulicht einen Zylinder nach dem Stand der Technik, wie zum Beispiel einen Zylinder, der in einer Maschine mit einem hin- und her beweglichen Kolben verwendet wird. Dieser Zylinder enthält ein Arbeitsgas 2, welches in der Zylinderwand 4 aufgenommen sein muss bzw. enthalten sein muss. Die Zylinderwand 4 ist massiv und hat eine Dicke, sodass sie eine Festigkeit hat, die ausreichend ist, um das Arbeitsgas 2 aufzunehmen bzw. zu enthalten.
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2 veranschaulicht einen Zylinder 6 für eine Maschine mit hin- und herbeweglichem Kolben. Der Zylinder 6 nimmt ein Arbeitsgas 8 auf. Die Wand des Zylinders 6 weist einen massiven Abschnitt 10 und einen Wärmetauscherabschnitt 12 auf. Der Wärmetauscherabschnitt enthält eine Mehrzahl von Leitungen, die eine Leitungsanordnung bilden. Diese Anordnung von Leitungen steht in Fluidverbindung mit der Außenseite des Zylinders 6. Wärme kann demnach von dem Zylinder 6 abgeführt oder zu dem Zylinder 6 hingeführt werden über das Fluid, welches durch diese Leitungen innerhalb des Wärmetauscherabschnittes 12 strömt.
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Anhand der 2 erkennt man, dass der massive Abschnitt 10 der Wand dünner ist als die zylindrische Wand 4 der Ausführungsform nach 1. Der massive Abschnitt 10 der Wand gemäß 2 kann dünner gemacht werden, da eine zusätzliche Festigkeit für den Zylinder 6 bereitgestellt wird durch den Wärmeaustauscherabschnitt 12. Die Gesamtmenge an Material, die erforderlich ist, um ein Behältnis für das Heizgas 8 und die Wärmeaustauschfunktion zu und von dem Arbeitsgas 8 bereitzustellen, kann durch die kombinierte Verwendung des Wärmeaustauscherabschnitts 12, sodass er sowohl als Wärmeaustauschmechanismus als auch für die Bereitstellung von Festigkeit für den Zylinder 6 bei der Aufnahme des Arbeitsgases 8 dient, reduziert werden.
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3 veranschaulicht eine beispielhafte Anordnung der Leitungen durch den Wärmetauscherabschnitt 12. In diesem Beispiel verlaufen die Leitungen parallel zur zentralen Achse des Zylinders 6. Die Leitungen haben Eingangs- und Ausgangsanschlüsse für die Bereitstellung einer Fluidverbindung mit anderen Einrichtungen, wie zum Beispiel mit anderen Wärmetauschern außerhalb des Zylinders 6.
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4 zeigt eine weitere Variante. In dieser Ausführungsform verlaufen die Leitungen wiederum parallel zur Achse des Zylinders, jedoch sind in diesem Fall mehrere Leitungsabschnitte entlang der Länge des Zylinders vorgesehen, wobei jeder der Leitungsabschnitte seine eigene Fluidverbindung mit der Außenseite des Zylinders hat.
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5 zeigt eine weitere Variante. In dieser Variante folgen die Leitungen einem Pfad entlang eines Abschnitts einer Schraubenlinie, die in dem Wärmetauscherabschnitt 12 verläuft. Die Leitungen haben wiederum Eingangs- und Ausgangsanschlüsse.
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6 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung von Leitungen. Die Anordnung von Leitungen ist derart in einer (regelmäßigen) Gitteranordnung mit äußeren Leitungen 14 mit hexagonalem Querschnitt ausgebildet, welche jeweils eine innere, kreisförmige Leitung 16 enthalten. Die innere Leitung 16 verläuft typischerweise durch die Wand der äußeren Leitung 14 an irgendeinem Punkt entlang der Länge derselben (beispielsweise an einem Verteilerabschnitt). Die Anordnung nach 6 liefert eine dichte, regelmäßige Anordnung mit hoher Festigkeit innerhalb des Wärmetauscherabschnittes 12.
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7 veranschaulicht schematisch einen Scroll- bzw. Spiralverdichter 18. Der Spiralverdichter 18 könnte ebenso gut als Spiralexpansionskammer dienen und die folgende Erläuterung eines Spiralverdichters kann in der gleichen Weise auch auf eine Spiralexpansionskammer angewendet werden.
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Der Spiralverdichter 18 weist ein Gehäuse 20, eine statische Spirale 22 und eine sich bewegende Spirale 24 auf. Die statische Spirale 22 weist eine Anordnung von Leitungen 26 auf, welche innerhalb der Wand, welche die statische Spirale 22 bildet, einen Wärmetauscherabschnitt bildet. Diese Leitungen 26 liegen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Spiralverdichters 18. Zumindest einige der Leitungen 26 stehen in Fluidverbindung mit der Außenseite des Spiralverdichters 18, sodass die Wärme in den Spiralverdichter 18 hinein oder aus diesem heraus übertragen werden kann. Möglicherweise stehen einige der Leitungen 26 in Fluidverbindung mit dem Arbeitsgas 28, um auf diese Weise die Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsgas 28 und dem durch die anderen Leitungen 26 geführten Fluid zu unterstützen, die außerhalb des Spiralverdichters 18 vorbeilaufen.
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Das Arbeitsgas 28 wird in den sichelförmigen Kammern unter Druck gesetzt, welche zwischen den Spiralen erzeugt werden, während diese sich relativ zueinander bewegen, und dementsprechend müssen die Wände der statischen Spirale 22 und der sich bewegenden Spirale 24 eine ausreichende Festigkeit bzw. Stabilität haben, um das Arbeitsgas aufzunehmen. Die sichelförmigen Kammern stehen relativ zueinander unter unterschiedlichem Druck. Das gesamte Arbeitsgas kann ebenfalls unter Druck stehen, mit dem Ergebnis, dass das Gehäuse des Kompressors einen Behälter bildet. Der Wärmetauscherabschnitt, welcher die Anordnung von Leitungen 26 innerhalb der statischen Spirale 22 enthält, trägt zur Festigkeit bzw. Stabilität der statischen Spirale 22 bei, sodass sie ihre Funktion für die Aufnahme des Arbeitsfluids während der Kompression bzw. Verdichtung erfüllen kann.
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8 veranschaulicht schematisch einen weggeschnittenen Abschnitt einer Spiralwand, welche eine Anordnung von Leitungen ineinander veranschaulicht. Eine innere Leitung 30 trägt Fluid, welches über geeignete Verteiler und Leitungen (nicht dargestellt) mit der Außenseite der Spirale in Fluidverbindung steht. Eine äußere Leitung 32 steht über Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 34, 36 mit dem Arbeitsfluid in Verbindung, das in den Kammern gehalten wird, welche zwischen der statischen Spirale 22 und der sich bewegenden Spirale 24 gebildet werden (zu Beginn des Verdichtungsvorgangs und am Ende des Expansionsvorganges ist das Arbeitsfluid durch das Gehäuse ebenso wie durch die Spiralen begrenzt). Das Arbeitsfluid wird durch die Relativbewegung der Spiralen 22, 24 mit bewegt und hierdurch wird der Strom des Arbeitsfluids zwischen der Wand der äußeren Leitung 32 und der Wand der inneren Leitung 30 angetrieben bzw. bewirkt. Dies führt zu einem erhöhten Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid 28 und dem Fluid innerhalb der inneren Leitung 30.
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9 veranschaulicht schematisch die Anordnung gemäß 8 aus einem anderen Blickwinkel. Der Strom des Arbeitsfluids in die äußere Leitung und aus der äußeren Leitung heraus ist dargestellt. Die innere Leitung führt ein Fluid, welches mit der Außenseite des Spiralverdichters in Verbindung steht.
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10 ist eine alternative Ausführungsform, in welcher die Leitungen in einer Richtung parallel zur Rotationsachse des Spiralverdichters angeordnet sind.
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11 veranschaulicht eine Ausführungsform, in welcher die Leitungen unter einem Winkel angeordnet sind, der zwischen parallel zur Rotationsachse und senkrecht zur Rotationsachse liegt.
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12 zeigt eine weitere Ansicht einer Ausführungsform, in welcher die Leitung parallel zur Rotationsachse des Spiralverdichters liegen.
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13 veranschaulicht eine Ausführungsform, in welcher Leitungen in dem Gehäuse des Spiralverdichters vorgesehen sind. Eingangs- und Ausgangsanschlüsse sind durch das Gehäuse des Spiralverdichters veranschaulicht. Solche Eingangs- und Ausgangsanschlüsse können eine Fluidverbindung mit Leitungen innerhalb der statischen Spirale 22 oder der sich bewegenden Spirale 24 bereitstellen.
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14 veranschaulicht eine weitere Ansicht von Leitungen, die innerhalb der Spiralen 22, 24 vorgesehen sind und die in einer Richtung senkrecht zur Rotationsachse der Spiralen 22, 24 verlaufen.
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15 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform, in welcher Leitungen 38 parallel zu der Rotationsachse der Spiralen durch die Spiralen 22, 24 hindurch verlaufen und durch Kopfabschnitte 40 verbunden sind, um einen Fluidstrom in die Leitungen 38 in Kommunikation bzw. Verbindung mit den Mechanismen außerhalb des Spiralverdichters hinein und aus diesem heraus bereitzustellen, wie z. B. mit Wärmetauschern, Fluidvorratsbehältern, Pumpen und dergleichen.
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16 veranschaulicht schematisch einen Schnitt durch einen Stirlingmotor. Der Zylinderkopf 42 des Stirlingmotors wird durch SLM-Technik hergestellt und umfasst eine Anordnung von Leitungen gemäß den vorliegenden Techniken. Diese Leitungen stellen Heizleitungen für den Stirlingmotor bereit. Der Zylinderkopf 42 dient auch dem Zweck, dass Arbeitsgas 44 aufzunehmen.
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17 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Zylinderkopf 42 und veranschaulicht die Anordnung von Leitungen, die innerhalb der Zylinderkopfwand einen Wärmetauscherabschnitt bilden. Die Innenfläche des Zylinderkopfes, welche mit dem Arbeitsgas 44 in Kontakt steht, ist massiv und mit dieser massiven ist die Anordnung aus Leitungen wie sie in 17 dargestellt sind (welche den Wärmetauscherabschnitt des Zylinderkopfes bilden), Wand einstückig ausgebildet (unter Verwendung von SLM-Techniken).
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16, 17 und 18 beziehen sich auf einen Stirlingmotor, jedoch könnte dies in gleicher Weise auch auf eine Maschine mit dem Ericsson-Zyklus angewendet werden.
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19 veranschaulicht schematisch einen Turbinenverdichter 46, der ein Gehäuse hat, das aus einem massiven Abschnitt 48 und einem Wärmetauscherabschnitt 50 gebildet wird. Der Wärmetauscherabschnitt enthält eine Anordnung von Leitungen, die Fluid führen, welches sich in Fluidverbindung mit Vorrichtungen außerhalb des Gehäuses 46 befassen. Der Wärmetauscherabschnitt 50 trägt zur Stärkung bzw. Festigkeit des Gehäuses 46 bei ebenso wie er auch seine Funktion als Wärmetauscher 40 erfüllt. Dementsprechend kann der massive Abschnitt 48 des Gehäuses 46 dünner hergestellt werden und damit auch das Gewicht des Gehäuses 46 und die Materialmenge, die in dem Gehäuse 46 verwendet wird, kann reduziert werden.
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20 ist ähnlich der 19, zeigt jedoch in diesem Fall eine Turbinenexpansionskammer.
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21 veranschaulicht schematisch einen Zylinder 52 mit einer massiven inneren Wand 54, welche von einem Wärmetauscherabschnitt 56 umgeben ist. Der Wärmetauscherabschnitt ist durch eine SLM-Technik hergestellt, wobei die Parameter dieser Technik derart eingestellt sind, dass ein gewünschtes Niveau an Porosität durch den Wärmetauscherabschnitt 56 erzielt wird. Der Wärmetauscherabschnitt 56 hat in dieser Ausführungsform eine Form, in welcher eine nicht regelmäßige Ansammlung von Lücken zwischen massiven Bereichen die Leitungen durch den Wärmetauscherabschnitt 56 bildet und als die Anordnung von Leitungen dient. Fachleute auf dem Gebiet der SLM-Herstellung betrachten eine Porosität in einem fertigen Produkt normalerweise als eine unerwünschte Eigenschaft. In der vorliegenden Anwendung kann jedoch eine solche Porosität verwendet bzw. ausgenutzt werden, um eine Fluidverbindung durch einen Wärmetauscherabschnitt bereitzustellen und eine Wärmetauscherfunktion zu ermöglichen. Der Wärmetauscherabschnitt 56 trägt auch zur Festigkeit bzw. Stabilität des Zylinders 52 bei, der erforderlich ist, um das Arbeitsgas darin aufzunehmen.
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Es gibt eine Vielfalt von Ausführungsformen, die jeweils gemeinsame Merkmale haben und auch Merkmale haben, die für einen bestimmten Typ einer Wärmemaschine oder sonstige Maschinen geeignet sind. Die Maschine bzw. der Motor kann auf einer Spiralverdichtertechnologie beruhen (wie in den 7 bis 15 dargestellt), wobei ein oder mehrere grundlegende Bestandteile, typischerweise das Gehäuse, die feste Spirale und die kreisende Spirale durch SLM- oder ähnliche Verfahren derart hergestellt sind, dass einige oder alle der Wände des Spiralgehäuses und/oder einige oder alle der Wände der Spiralen selbst in ihrem Inneren oder durch sie hindurchgehend einige oder sämtliche Leitungen eines oder mehrerer der Wärmetauscher der Maschine enthalten, sodass einige oder alle der Wände der Spiralgehäuse oder einige oder alle der Spiralwände selbst Teil eines oder mehrerer der Wärmetauscher werden, die für den Betrieb der Maschine erforderlich sind.
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Für das Gehäuse ist ein Beispiel derartiger Leitungen eine Reihe von geraden, parallelen Leitungen, die innerhalb der Dicke der zylindrischen Wand des Gehäuses parallel zu der Längsachse des Gehäuses verlaufen, mit Eingangs- und Ausgangspunkten für jede Leitung an der Außenfläche des Gehäuses an oder in der Nähe der Enden bzw. Stirnseiten des Zylinders, wo eine geeignete Verteilung vorgesehen ist. Derartige Leitungen können durch die gesamte oder nahezu die gesamte Länge des zylindrischen Gehäuses hindurch verlaufen.
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Alternativ könnten derartige Leitungen an einem Punkt oder einer Linie parallel zur Achse des zylindrischen Gehäuses in das Gehäuse eintreten, wobei der Eintrittspunkt nicht notwendigerweise an oder in der Nähe eines der Enden des Gehäuses sein muss, und an einem anderen Punkt auf derselben Linie wieder austreten, wobei die Verteilung bzw. die Verteiler für derartige Anordnungen angepasst sind.
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Es versteht sich, dass andere Anordnungen ebenfalls möglich sind. Beispielsweise sind die Leitungen innerhalb der Dicke der Wand möglicherweise nicht parallel zur Achse der zylindrischen Gehäusewand. Solche Leitungen können gerade verlaufen, wenn sie in der Ebene betrachtet werden, welche die Leitung und die Linie durch den Mittelpunkt der Leitung enthält, die die Längsachse des Zylinders unter einem rechten Winkel schneidet. Alternativ können die Leitungen in allen Ebenen gekrümmt verlaufen. Ein extremer Fall tritt dann auf, wenn jede von einer Reihe paralleler Leitungen in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Achse der zylindrischen Wand parallel zu den Stirnflächen des Zylinders verläuft. Leitungen können miteinander verbunden sein, sie können auch U-Formen oder Variationen hiervon annehmen.
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Ähnliche Anordnungen sind möglich für die Wände der Spiralen. Eine bevorzugte Anordnung hat eine Anzahl von Leitungen, die innerhalb der Spiralwand vertikal gestapelt sind, wobei die Ebene jeder Leitung senkrecht zur Achse der Spirale verläuft und jede Leitung nahezu der kompletten Länge der Form der Spiralwand folgt und jeweils mit gemeinsamen Ausgangs- und Eingangsanschlüssen an oder in der Nähe des Zentrums und am äußeren Umfang verbunden ist, je nachdem wie es erforderlich ist. In der Praxis können derartige horizontale Leitungen nicht kontinuierliche Leitungen sein, sondern sie können in segmentierte Gruppen aufgeteilt sein, um die Wärmeübertragung und den Fluidstrom durch jede Gruppe zu verbessern, wobei jede Gruppe mit Eintritts- und Austrittsköpfen verbunden ist, die die Form einer einzelnen Leitung annehmen können, welche in ihrem Durchmesser typischerweise größer ist als der der segmentierten bzw. aufgeteilten Leitungen.
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Eine alternative Anordnung hat vertikal verlaufende Leitungen, wobei die Köpfe bzw. Anschlussköpfe horizontal verlaufen. Auch hier können in der Praxis für die Verbesserung des Wärmetauschs und des Fluidstroms die vertikalen Leitungen in Gruppen aufgeteilt sein, die jeweils ihren horizontalen Eingangs- und Ausgangskopf haben.
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Es versteht sich, dass es, weil die Bewegung der sich bewegenden Spirale kreisförmig umlaufend und nicht rotierend ist, möglich ist, Fluid in Verteiler zu leiten und von diesen zu den Leitungen in den Wänden der sich bewegenden Spiralen, und zwar mit Hilfe von flexiblen Druckschläuchen, ohne die Komplexität einer Verbindung, die erforderlich wäre, wenn die Bewegung vollständig rotierend wäre.
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Es versteht sich, dass die Vergrößerungen der Wärmeübertragungsflächen, welche durch diese Verfahren bereitgestellt werden, alle auf einer Seite des Wärmetauschers vorgesehen sind. In dieser Ausführungsform ist es die Seite, welche von dem Kühlmittel und/oder der Wärmequelle besetzt ist. In vielen Fällen wird es vorteilhaft sein, die Oberfläche des Wärmeaustauschs auf der anderen Seite des Wärmetauschers zu vergrößern anstatt nur oder zusätzlich die Wärmeaustauschfläche der bereits beschriebenen Seite zu vergrößern. In der vorliegenden Ausführungsform ist dies die Seite des Arbeitsfluids, welche durch die Innenfläche des Spiralgehäuses und die Oberflächen der festen und sich bewegenden Spiralwände begrenzt ist. Derartige Vergrößerungen können erzielt werden mit Hilfe von Arbeitsfluidleitungen innerhalb der Dicke der Wände des Spiralgehäuses und/oder der Wände einer oder beider Spiralen.
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Typischerweise haben diese Leitungen Eingangs- und Ausgangsanschlüsse an derselben Wandfläche.
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Typsicherweise werden die Querschnitte der Leitungen und die Formen ihrer Anschlüsse so ausgestaltet, dass dann, wenn das Fluid, welches komprimiert oder expandiert wird, entlang der Wandflächen vorbeitritt, kleine Anteile des Fluids durch eine Kombination von Impuls, Druckänderungen und die aerodynamischen Formen der Leitung sowie deren Eingangs- und Ausgangsanschlüssen in, durch und aus jede(r) der Leitungen hinein, hindurch bzw. heraus gedrückt wird.
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Vorzugsweise stehen diese Leitungen über zumindest einen Teil ihrer Länge mit geeigneten Teilen der Leitungen in Eingriff, durch welche das Kühlmittel oder die Wärmequelle im Falle des Verdichters bzw. der Expansionskammer hindurchtritt, sodass ein effektiverer Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlmittel oder der Wärmequelle stattfinden kann. Vorzugsweise stehen sie so in Eingriff, dass eine Leitung – normalerweise eine Leitung für Kühlmittel oder eine Wärmequelle – das Arbeitsfluid in ihrem Inneren enthält, um einen Gegenstromwärmeaustausch zwischen den Fluiden in den beiden Leitungen zu erlauben.
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Typischerweise sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse jeder dieser Leitungen so angeordnet, dass, in einer Draufsicht entlang der Zylinderachse gesehen, wobei die Spiralen vertikal ausgerichtet sind, der Abstand zwischen ihnen relativ zu den Längen der Fläche der beiden Wände der sichelförmigen Kompressions- oder Expansionskammer an diesem Punkt in dem Zyklus kurz ist. Dies stellt sicher, dass eine große Anzahl kleiner Mengen des Fluids durch jede Leitung hindurchtritt, um so den Wärmetausch zu vergrößern, bevor die Relativbewegung der Kammerwände verursacht, dass ein Anschluss sich in seiner relativen Position zu einer Nachbarkammer, welche durch dieselben Gehäuse- oder Spiralwandflächen gebildet wird, verschiebt, die sich typsicherweise bei einem höheren oder einem niedrigeren Druck befindet als die ursprüngliche Kammer. An diesem Punkt kann Fluid aus der Kammer mit höherem Druck in die Kammer mit niedrigerem Druck eintreten. Im Allgemeinen sind die Leitungen so angeordnet, dass sie das Ausmaß, mit welchem dies geschieht, vermindern.
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In einigen Fällen kann es jedoch aus Gründen der Temperaturregelung oder aus anderen Gründen wünschenswert sein, einen kontrollierten bzw. geregelten Fluidstrom zwischen benachbarten Kammern mit demselben Gehäuse und/oder Spiralwandflächen zu haben, wobei in diesem Fall einige oder alle Leitungen länger sein können, sodass eine Leitung für eine längere Zeitdauer zwei Kammern überbrückt, und mehr Fluid zwischen den Kammern über den sich bewegenden Kontaktpunkt oder minimalen Abstand zwischen den Kammern übertragen wird. Alternativ kann es vorteilhaft sein, dass Fluid von einer Kammer zu einer Nachbarkammer fließt, die sich auf der anderen Seite einer der Wände befindet, deren Oberflächen diese Kammer bilden. In diesem Fall kann ein Anschluss einer Leitung auf der anderen Seite der Wand der anderen Leitung liegen, sodass Fluid in die Leitung auf einer Seite der Wand von einer Kammer auf dieser Seite der Wand eintritt und auf der anderen Seite der Wand in eine benachbarte Kammer eintritt.
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Eine weitere Ausführungsform (wie in den 16, 17 und 18 dargestellt) ist der Heizer eines Stirlingmotors, durch welchen Wärme von der Wärmequelle, üblicherweise aber nicht immer aus Verbrennung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, auf das Arbeitsgas übertragen wird, welches innerhalb des Motors eingeschlossen bzw. abgedichtet ist. Es gibt zwei Hauptverfahren. Das erste besteht in dem direkten Heizen des heißen Zylinders. Typischerweise laufen Verbrennungsgase über und zwischen den Flügeln bzw. Finnen auf der Außenfläche des Zylinders entlang. Wärme von den Verbrennungsgasen wird dann auf die Flügel bzw. Finnen durch das Metall der Zylinderwand übertragen, und zwar auf Finnen, die an der Innenwand des Zylinders angebracht sind und damit auch auf das Arbeitsgas, welches zwischen den inneren Finnen hindurchläuft. Eine Variation dieses Verfahrens besteht darin, einen Brenner mit hoher Strahlung zu verwenden, wobei in diesem Fall die Finnen bzw. Flügel auf der Außenseite des Zylinders womöglich nicht notwendig sind. Das zweite Verfahren verwendet einen getrennten, normalerweise rohrförmigen Wärmetauscher. Eine übliche Form besteht aus eng beabstandeten Rohren, wobei jedes Rohr zu einer U-Form gebogen ist und die Rohre in einer Anordnung angeordnet sind. Typischerweise nimmt eine Anordnung die Form vertikaler U-Rohre an, die in einem Kreis angeordnet sind, sodass die inneren Abschnitte der U-Formen einen inneren Kreis bilden und die äußeren Abschnitte der U-Rohre einen äußeren Kreis bilden. Ein Ende jedes Rohres kann direkt mit dem heißen Zylinder des Motors verbunden sein und das andere mit dem Regenerator oder es können Verteiler verwendet werden. In einer kreisförmigen Anordnung verlaufen die Verbrennungsgase typischerweise in einem Betrieb mit Querstromwärmeübertragung von der Innenseite des Arrays radial nach außen zwischen den inneren Abschnitten der U-förmigen Rohre und setzen sich dann radial außen zwischen den zweiten, äußeren Längenabschnitten der U-förmigen Rohre fort. Die zweiten, äußeren Abschnitte sind oftmals mit Finnen bzw. Flügeln versehen, um die Wärmeübertragung von dem Verbrennungsgas, das bereits einen Teil seiner Wärme an die inneren Abschnitte verloren hat, auf die Rohre zu übertragen.
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Keines dieser Verfahren bietet eine zufriedenstellende Lösung für die Probleme, denen man sich hinsichtlich der Fehlanpassung in den Gasbedingungen zwischen den Verbrennungsgasen und dem Arbeitsgas gegenübersieht. Typischerweise ist der Druck des Arbeitsgases um ein bis drei Größenordnungen größer als der Druck und die spezifische Wärme der Verbrennungsgase. Dies bedeutet, dass die Oberfläche der Wärmeübertragung auf der Verbrennungsseite des Heizers idealerweise um eine ähnliche Größenordnung größer sein sollte als die Wärmeübertragungsfläche des Arbeitsgases, um ein Gleichgewicht mit dem Heizer herzustellen und seine Leistungsfähigkeit maximal und seine Größe, Kosten und den Druckabfall minimal zu machen. In der Praxis kann man dies unmöglich erreichen, zumindest nicht zu akzeptablen Kosten und die beiden oben beschriebenen Verfahren liefern notwendige aber nicht zufriedenstellende Kompromisse.
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Die vorliegenden Techniken stellen einen kompakten Wärmetauscher bereit, der beispielsweise eine Brennkammer, einen Luftvorheizer und einen Heizer beinhaltet, die integraler Bestandteil mit einer Komponente des Motors selbst, beispielsweis eines Zylinders sein können. Der Heizer besteht aus einer großen Anzahl von Arbeitsgasrohren mit geringen hydraulischen Radien, welche den ringförmigen Regenerator mit der Oberseite des Verschiebungszylinders verbinden. In der Draufsicht von oben auf einen vertikal ausgerichteten Zylinder beginnen die Rohre typischerweise vertikal dort, wo bei einem konventionellen Motor der Heizerkopf angeordnet wäre. Sie verlaufen gekrümmt, bis sie sich nahezu horizontal und von der Achse des Zylinders aus radial nach außen erstrecken und kehren dann um vertikal nach unten in Richtung des ringförmigen Regenerators. Die Rohre sind in Schichten angeordnet. In der Draufsicht verläuft die unterste Sicht von der Außenseite der Oberseite des Zylinders zu der Innenseite des ringförmigen Regenerators. Die höchste bzw. oberste Schicht ist die Schicht, die am dichtesten an der Achse des Zylinders beginnt und zu dem am weitesten außen liegenden Teil des ringförmigen Regenerators verläuft. Typischerweise beginnt jede Ebene in der Draufsicht an einem Kreis, dessen Zentrum die Längsachse des Zylinders ist. Der Kreis für die oberste Schicht hat den kleinsten Durchmesser, während der Kreis für die unterste Schicht den größten Durchmesser hat und am nächsten an dem Außenumfang des Zylinders liegt. Zwischen benachbarten Rohren in jeder Schicht und zwischen benachbarten Schichten befinden sich Lücken, durch welche Verbrennungsgase von der Brennkammer, welche oberhalb des Heizers selbst angeordnet ist, hindurchtreten können.
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Es versteht sich anhand der vorangehenden Beschreibung, dass einige Mittel vorgesehen werden sollte, um sicherzustellen, dass die Lücken zwischen benachbarten Rohren in denselben Schichten einen kontrollierbaren und konsistenten Durchtritt der heißen Verbrennungsgase und eine kontrollierbare und konsistente Wärmeübertragung auf die Rohrwände gewährleisten. Um außerdem konsistente Massenstromraten des Arbeitsgases durch jedes Rohr sicherzustellen, kann es wünschenswert sein, dass jedes Rohr dieselbe oder nahezu dieselbe Länge hat. Diese beiden Erfordernisse können auf zwei Arten erfüllt werden. Zunächst kann der hauptsächliche horizontale oder nahezu horizontale Abschnitt jedes Rohres in der Draufsicht die Form einer Evolvente haben, was sicherstellt, dass die Lücken zwischen benachbarten Rohren in jeder Schicht dieselben sein können. Zum zweiten kann die Form der Evolventen und der Winkel unter welchem sie beginnen zwischen den Schichten eingestellt werden, um auf diese Weise sicherzustellen, dass jedes Rohr dieselbe Gesamtlänge hat. Beispielsweise können die Rohre in der obersten Schicht, welche bei einem Kreis beginnen, der dem Zentrum der Oberseite des Zylinders am nächsten liegt, entlang eines nahezu radialen Pfades relativ zu dem Kreis verlaufen, von welchem aus sie starten, bis zu dem Punkt an welchem sie nach unten in Richtung des Regenerators umkehren. Im Gegensatz dazu können die Rohre in der untersten Schicht, die bei dem am weitesten außen liegenden Durchmesser des Zylinders beginnen, entlang eines nahezu tangentialen Pfades relativ zu dem Kreis verlaufen, von welchem aus sie beginnen. Durch diese Mittel können die Rohre näherungsweise oder exakt dieselbe Länge haben.
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Finnen bzw. Flügel können auf den Heizerrohren integriert bzw. eingebaut sein. Falls erforderlich können sie auch als Streben dienen, welche benachbarte Rohre aneinander anbringen bzw. fixieren. Die Finnen können zusammen mit geeigneten Klappen auch in der Weise ausgerichtet sein, dass sie Leitungen für Verbrennungsgase bilden, welche die nahezu horizontalen Abschnitte oder andere Abschnitte der Heizerrohre umgeben. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustausch im Gegenstrom stattfinden, während das Arbeitsgas in einer Richtung strömt und im parallelen Strom, wenn es in der anderen Richtung strömt. Vorzugsweise wird er so ausgelegt sein, dass während des Expansionsteiles des Zyklus der Gegenstromwärmetausch stattfindet, wenn das Arbeitsgas von dem Regenerator in den Verschieber oder heißen Zylinder tritt.
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Variationen dieser grundlegenden Geometrie sind möglich. Es versteht sich, dass die Evolventen so angeordnet sein können, dass die Lücke zwischen benachbarten Rohren entlang ihres längsten und nahezu horizontalen Abschnittes variiert, beispielsweise von dem Zylinderende zu dem Regeneratorende hin zunimmt oder abnimmt. Alternativ kann die Lücke entlang der relevanten Längenabschnitte der beiden Rohre konstant sein.
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Es versteht sich außerdem, dass die Anzahl von Rohren in jeder Schicht gemäß dem hydraulischen Durchmesser, der Wanddicke und dem Wiederholabstand variiert. Selbstverständlich kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, dass der hydraulische Durchmesser, die Wandstärke und der Wiederholabstand zwischen den Schichten derselbe bleibt. In anderen Fällen kann es jedoch beispielsweise für den Wiederholabstand in den oberen Schichten bevorzugt sein, dass er größer als in den unteren Schichten ist, um zu ermöglichen, dass eine strahlungsarme Übertragung tiefer in die Schicht eindringt.
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Wenn der Heizer nach diesem Modell hergestellt ist, ist es klar, dass er die Form einer einzelnen Honigwabenstruktur annehmen kann. Die Struktur kann an der Oberseite der Zylinderwand beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen angebracht werden. Alternativ kann diese Struktur bzw. der Aufbau durch Energiestrahlverfahren direkt auf der Oberseite der Zylinderwand aufgebracht werden, wobei letztere als Basis des Aufbaus verwendet wird.
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Anders als konventionelle Rohrheizer, bei welchen die Fläche der Zylinderwärme, die von dem Verteiler oder einzelnen Rohranschlüssen aufgenommen wird, relativ klein ist, kann die gesamte Fläche der Oberseite des Zylinders von Rohranschlüssen in Anspruch genommen werden. Auf diese Weise kann der konventionelle Zylinderkopf teilweise oder vollständig beseitigt werden, mit entsprechenden Kostenersparnissen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/064202 A [0007, 0007]
- WO 2008/047096 A [0007]
- WO 2003/069130 A [0008, 0008]
- WO 2006/008463 A [0009]
