DE112016001342T5

DE112016001342T5 - Stirlingmotor und Verfahren zur Anwendung eines Stirlingmotors

Info

Publication number: DE112016001342T5
Application number: DE112016001342.6T
Authority: DE
Inventors: Olivier Paccoud; Jürgen Kleinwächter; Patrick Genkinger
Original assignee: Sun Orbit GmbH
Current assignee: Seawa De GmbH
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-12-21
Also published as: AU2016238521A1; EP3274577A2; US10774784B2; US11448159B2; MX2017012091A; WO2016151401A2; CN107396638A; ES2852024T3; US20200325847A1; PT3274577T; EP3274577B1; US20180252183A1; WO2016151401A3; CN107396638B

Abstract

Die Erfindung besteht aus einer niedrigtemperatur und niederfrequenten Stirlingmaschine. Die besondere geometrische Gestaltung bietet große Wärmetauschflächen sowie großdimensionierte Regeneratoren um einen hohen Carnot-Wirkungsgrad zu erzielen. Sowohl der Verdrängungskolben als auch der Kraftkolben sind über eine Membran auf Polymerbasis mit der Zylinderwand verbunden. Der kältere Bereich des Stirlingmotor umfasst den Arbeitsbereich zylindrisch. Dies macht eine thermische Isolierung des Arbeitsbereichs obsolet. Dieser Motor kann als Grundversorger und Hauptantriebsmaschine, mit angeschlossenen solarthermischen Kollektoren, dienen und zum Beispiel Wärmespeicher auf Basis von Druckwasser oder Öl beheizen. Im reversiblen Zustand kann dieser Motor auch als Wärmepumpe oder Kühlmotor arbeiten.

Description

Anwendungsbereich
Die Erfindung besteht aus einem Niedrigtemperatur-Stirlingmotor, bestimmten Aufbauprinzipien dieses Stirlingmotors, unter anderem bestehend aus Membranen, sowie unterschiedlichen Methoden zur Verwendung des Stirlingmotor.
Hintergrund zur Erfindung
Stirlingmotoren gehören zum Stand der Technik seit ihrer Entwicklung Anfang des 18. Jahrhunderts. Innerhalb eines geschlossener Kreislaufes wird ein Arbeitsmedium bei unterschiedlichen Temperaturen angetrieben, um entweder mechanische Energie zu erzeugen, mithilfe eines Temperaturunterschiedes, oder einen Temperaturunterschied, mithilfe mechanischer Energie, zu erzeugen. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, wird die Erwärmung und Kühlung des Arbeitsmediums, welches hermetisch isoliert ist, durch Wärmetauscher an der kalten und warmen Seite des Motors generiert. Dies gewährleistet einen Betrieb des Motors unter Verwendung nahezu aller bekannten Wärmequellen.
Die thermodynamische Beschreibung, in idealisierter Konfiguration, des Stirlingkreisprozesses erfolgt durch folgende Effizienzformel (9): Eta = 1 – Tu/To, mit folgender Definition:

To: = Temperatur der warmen Seite (K)
Tu: = Temperatur der kalten Seite (K)

Dies ist equivalent zum Carnot-Wirkungsgrad
7 zeigt die Effizienz, zwischen den unterschiedlich temperierten Gasen, als Funktion der Temperatur T. Um eine hohe Effizienz zu erzielen, ist es zunächst notwendig die warme Seite des Kreislaufs zu betrachten, welcher üblicherweise 800°C übersteigt. Der Graph illustriert, dass ein idealer Stirlingmotor in diesem Fall 70% der zugeführten Wärme in mechanische Energie umwandelt. Dennoch erzielen heutige Hochtemperaturmotoren nur eine Leistung von 50% der idealen Leistung, was zu einer Effizienz von 35% führt (in anderen Worten, es besteht ein Carnotwirkungsgrad von 50%).
Insbesondere folgende Ursachen führen zum Verlust von Wirkung:

a) Hohe Arbeitslast der kompakten Motoren führt zu einem großen hydrodynamischen Reibungsverlust des Arbeitsmediums, üblicherweise einem Gas.
b) Regeneratorverluste aufgrund kurzer Erwärmungs- und Kühlungsphasen; die „Wärmewelle” kann nicht vollständig auf die Regeneratormatrix wirken (Erwärmungszyklus) und dementsprechend, wird die Wärme nicht vollständig an das Arbeitsmedium abgegeben (Kühlzyklus).
c) Kleine Oberflächen der Wärmetauscher führen zu hohen Temperaturunterschieden zwischen den Wärmetauscherfluid im Wärmetauscher und dem Arbeitsmedium.
d) Der ideale Stirlingprozess wird in 7 dargestellt (Volumen/Druck-diagramm) und besteht aus 4 Schritten (beginnend mit Schritt 1 nach 2; 2 zu 3; 3 zu 4 und 4 wieder zu 1).
• 1-2: Isothermer Kompression des Arbeitsmediums;
• 2-3: Isochorer Verdrängung des Gases (durch den Regenerator) von kalt zu warm;
• 3-4: Isothermer Expansion des Arbeitsmediums;
• 4-1: Isochorer Verdrängung des Gases (durch den Regenerator) von warm zu kalt..

Die bisher beschriebenen Hochtemperatur-Stirlingmotoren können nur sehr schlecht, in Bezug auf den isothermen Prozess, das Arbeitsmedium verdichten und ausdehnen. Dies führt zu weiteren Arbeitsverlusten.
Beschreibung der Erfindung
Um mindestens eins der oben genannten Probleme zu lösen, wird die hier beschriebene Erfindung als Niedrigtemperatur-Stirlingmotor (Erfindungsname „SunPulse”) beschrieben. Die Gestaltung und der Aufbau der Erfindung wird mindestens ein, bevorzugt aber mehrere, Problem(e) der bisher beschriebenen Hochtemperaturmotoren effektiv verhindern.
Ein Aspekt der Erfindung zielt darauf ab einen Stirlingmotor zu verwenden, der mindestens aus einem Zylinder besteht mit einer Expansionskammer, einer Kompressionskammer, einem Kraftkolben und einem Verdrängungskolben, die alle innerhalb mindestens eines Zylinders sind;
Ebenfalls, befindet sich innerhalb des Zylinders mindestens ein Regenerator, welcher die Expansionskammer und Kompressionskammer verbindet.
Ebenfalls, beinhaltet der Zylinder mindestens einen Wärmetauscher und mindestens eine Wärmebank.
Ebenfalls, befindet sich ein Arbeitsmedium in der Expansionskammer, in der Kompressionskammer und im Regenerator.
Dies ist dadurch gekennzeichnet das innerhalb des Motors mindestens eine Membran mindestens einen Kolben mit mindestens einem Zylinder verbindet.
Eine Membran soll als flexibles sheet, bevorzugt als rollbares sheet, verstanden werden.
Die Membran ist bevorzugt in der Form eines kreisähnlichen Rings zu betrachten.
Eine einfache Konstruktion erlaubt mindestens einen Kolben an einem Ende mit mindestens einer Membran zu verbinden und mindestens ein Ende dieser Membran mit mindestens einem Zylinder des Motors zu verbinden.
Insbesondere sollte der Kraftkolben mit dem Zylinder verbunden sein.
Insbesondere sollte die Kraftkolbenmembran aufblasbar sein.
Insbesondere ein Ende der Kraftkolbenmembran ist fest verbunden mit dem Kraftkolben und mindestens ein anderes Ende dieser Membran ist fest verbunden mit mindestens einem Zylinder des Motors.
Insbesondere der Verdrängungskolben ist mit einem zylindrischen Erwärmer durch eine Verdrängungskolbenmembran verbunden, innerhalb der Expansionskammer.
Insbesondere die Verdrängungskolbenmembran ist thermisch isoliert.
Es ist von Vorteil, wenn ein Ende der Verdrängungskolbenmembran fest mit dem Verdrängungskolben verbunden ist und ein anderes Ende dieser Membran fest mit dem zylindrischen Erwärmer verbunden ist.
Bevorzugt mindestens eine Membran sollte ein Polymer sein.
Bevorzugt mindestens eine Membran sollte doppelschichtig sein.
Bevorzugt mindestens eine Membran sollte aus einem halogenen olefinen Polymer sein.
Bevorzugt am Regenerator anliegend, auf Seite der Expansionskammer, ist der Wärmetauscher und ebenfalls am Regenerator anliegend ist die Wärmebank, auf Seite der Kompressionskammer.
Bevorzugt sollte die Kompressionskammer die Expansionskammer des Kraftkolbens, mindestens teilweise, zylindrisch umgeben. Dies erübrigt eine thermische Isolierung.
Bevorzugt sollte die Kompressionskammer den Regenerator, zumindest teilweise, zylindrisch umgeben. Dies erübrigt eine thermische Isolierung des Regenerators.
Es ist von Vorteil, wenn mindestens eine polymerbasierte Membran mit mindestens einem Kolben und mindestens einem Zylinder gasdicht verbunden ist. Dies verlangt vom Arbeitsmedium ständig, auf dem Weg von einer Kammer zur anderen Kammer, durch den Regenerator zu fließen.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung verlangt das der Motor mit einem Schwungrad verbunden ist, welches mit einem hydraulischen Kolben verbunden ist.
Bevorzugt wird der Motor in einem luftdichten Gehäuse, bei einem Überdruck von mindestens 1.5 Bar und bis zu 5 Bar, verwahrt.
Es ist von Vorteil, wenn der Motor eine Verbindung zum Schwungrad besitzt, welches luftdicht, an dem luftdichten Gehäuse des Motors, gelagert ist.
Bevorzugt hat mindestens ein Kraftkolben, einen Durchmesser mindestens 10-mal größer als der vertikale Hub des Kolbens.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet und eine Kompressionskammer mit einer Wärmebank verbindet; in dem mindestens ein Kraft- und ein Verdrängungskolben innerhalb mindestens eines Zylinders ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator bewegen; in dem mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt; in dem mindestens eine Wärmebank das Arbeitsmedium in der Kompressionskammer kühlt; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine polymerbasierte Membran, mit mindestens einem Kolben und dem Zylinder des Motors, gasdicht verbunden ist.
Bevorzugt ist der Kraftkolben durch eine doppelschichtige, polymerbasierte und aufblasbare Kraftkolbenmembran mit dem Zylinder verbunden; und der Verdrängungskolben ist mit der Expansionskammer durch eine thermisch isolierte Verdrängungskolbenmembran verbunden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zielt darauf ab, eine Membran zur Verbindung eines Kolbens mit einem Gehäusezylinder eines Sterlingmotors zu verwenden; wobei die Membran polymerbasiert, vielschichtig sowie aufblasbar ist und gasdicht verbaut wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet und eine Kompressionskammer mit einer Wärmebank verbindet; in dem mindestens ein Kraft- und ein Verdrängungskolben innerhalb mindestens eines Zylinders ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator bewegen; in dem mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt; in dem mindestens eine Wärmebank das Arbeitsmedium in der Kompressionskammer kühlt; dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einem Schwungrad verbunden ist, welches mit einem hydraulischen Kolben verbunden ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet und eine Kompressionskammer mit einer Wärmebank verbindet; in dem mindestens ein Kraft- und ein Verdrängungskolben innerhalb mindestens eines Zylinders ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator bewegen; in dem mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt; in dem mindestens eine Wärmebank das Arbeitsmedium in der Kompressionskammer kühlt; dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einem Schwungrad verbunden ist, welches einen hydraulischen Kolben antreibt.
Die innovative Hydraulikpumpe, in Verbindung mit dem gegenwärtigen niederfrequenten Stirlingmotor und den hier formulierten Anforderungen stellt einen wesentlichen Fortschritt im Bereich der solar betriebenen Pumpen dar. Insbesondere, im Vergleich zu photovoltaischen Pumpen in Verbindung mit schnell rotierenden elektrischen Bohrlochpumpen.
Die Effizienz langsam arbeitender Hydraulikpumpen, direkt verbunden über ein Schwungrad, ist wesentlich besser als bei anderen elektrischen Pumpen.
Sollte dieses System auch nachts betrieben werden, besonders interessant in klimatisch heißeren Gebieten, dann ist die thermische Speicherfähigkeit (25) wesentlich wirtschaftlicher als die Energiespeicherung einer Batterie in einem Photovoltaik-System (PV).
Außerdem, beinhaltet ein Stirlingmotor-betriebenes Hydraulikpumpensystem keine gefährlichen oder seltenen Materialien wie ein PV-System.
Ein weiteres besonderes Merkmal einer Stirlingmotor-betriebenen Hydraulikpumpe ist ihre Fähigkeit, die Pumpe genau nach Bedarf des Bohrlochs auszurichten.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet und eine Kompressionskammer mit einer Wärmebank verbindet; in dem mindestens ein Kraft- und ein Verdrängungskolben innerhalb mindestens eines Zylinders ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator bewegen; in dem mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt; in dem mindestens eine Wärmebank das Arbeitsmedium in der Kompressionskammer kühlt; dadurch gekennzeichnet, dass der Motor verbunden ist mit einem Schwungrad, welches mit einen Exzenter-Pin im Zentrum seiner Rotation, sowie der Peripherie, versehen ist.
Bevorzugt ist der Exzenter-Pin auf einer Aussparung entlang des Diameters des Schwungrades angebracht.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet und eine Kompressionskammer mit einer Wärmebank verbindet; in dem mindestens ein Kraft- und ein Verdrängungskolben innerhalb mindestens eines Zylinders ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator bewegen; in dem mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt; in dem mindestens eine Wärmebank das Arbeitsmedium in der Kompressionskammer kühlt; dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einem Schwungrad verbunden ist, mit einem Exzenter-Pin, wobei der Exzenter-Pin, den Verdrängungskolben mit einer Stange antreibend, derart mit dem Schwungrad verbunden ist, dass der Exzenter-Pin auf der Aussparung beliebig im Rotationszentrum bewegt werden kann, zu dem Übersetzungsrad, auf dem Schwungraddiameter, um die Motorleistung zu steuern.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt ein Verfahren zur Verwendung von mindestens zwei Stirlingmotoren dar, so dass beide Motoren derart verbunden sind, dass ein thermischer Erstbeweger existiert, welcher den zweiten Motor antreibt und das System in beide Richtungen arbeitet, als Wärmepumpe oder Kühlmaschine.
Bevorzugt arbeitet der reversibel arbeitende Stirlingmotor mit einer externen Energiequelle.
Bevorzugt verwendet der reversibel arbeitende Stirlingmotor mit einer externen Quelle in Form einer Photovoltaikanlage und produziert Eis zur Lagerung.
Bevorzugt arbeitet der Erstbeweger als 3-Wege System für Elektrizität, Heizen und Kühlen in Verbindung mit solarthermischen Kollektoren und geeigneten Wärmespeichern.
Bevorzugt ist das langsame, drehmoment-starke Schwungrad direkt verbunden mit verschiedenen Subsystemen wie Kompressoren, Mühlen, Sägen, Förderbändern und eine beliebige Verbindung dieser.
Eine weitere Ausgestaltung dieser Erfindung ist ein Stirlingmotor, bestehend aus mindestens einem Zylinder, einer Expansionskammer, einer Kompressionskammer, einem Kraftkolben und einem Hubkolben;
in dem mindestens ein Regenerator, im Zylinder, die Expansionskammer mit der Kompressionskammer verbindet;
in dem der Zylinder mindestens einen Wärmetauscher beinhaltet und eine Wärmebank; und
in dem ein Arbeitsmedium in der Expansionskammer, in der Kompressionskammer und im Regenerator vorhanden ist;
dadurch gekennzeichnet, dass der Motor in einem luftdichten Gehäuse gelagert ist, welches mit einem Druck von mindestens 1,5 Bar und höchstens 5 Bar beladen ist.
Bevorzugt ist der Stirlingmotor über eine Verbindung, durch das Gehäuse, mit dem Schwungrad verbunden; und das Gehäuse lagert diese Verbindung mit einem rotierenden Kugellager.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet und eine Kompressionskammer mit einer Wärmebank verbindet; in dem mindestens ein Kraft- und ein Verdrängungskolben innerhalb mindestens eines Zylinders ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator bewegen; in dem mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt; in dem mindestens eine Wärmebank das Arbeitsmedium in der Kompressionskammer kühlt; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Motor in einem luftdichten Gehäuse eingebracht ist und unter einem Druck von mindestens 1,5 Bar und höchstens 5 Bar arbeitet.
Bevorzugt liegt die Kolbenarbeit bei mindestens über 1,5 Hz und unter 5 Hz.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet und eine Kompressionskammer mit einer Wärmebank verbindet; in dem mindestens ein Kraft- und ein Verdrängungskolben innerhalb mindestens eines Zylinders ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator bewegen; in dem mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt; in dem mindestens eine Wärmebank das Arbeitsmedium in der Kompressionskammer kühlt; dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mindestens eines Kraftkolbens mindestens 5 mal größer ist, als die vertikale Verdrängung der Kraftkolbens.
Bevorzugt liegt die Arbeitsfrequenz der vertikalen Arbeit des Kraftkolbens zwischen 1 bis 5 Hz bei einer Mindestlaufzeit von einer Minute.
Bevorzugt liegt das Verhältnis des Durchmessers eines Kraftkolbens, zur (höchsten) Stellung der vertikalen Bewegung eines Kolbens (im Niedertemperaturbetrieb des Stirlingmotors), bei mindestens 1:5; besser noch bei bis zu 1:100; noch bevorzugter bei 1:50 und am ehesten bei 1:15.
Die beschriebene Erfindung ist mit verschiedenen Ausgestaltungen dargelegt, wie bis jetzt beschrieben.
Jede Ausgestaltung ist unabhängig von der anderen beschrieben, jedoch können einzelne Merkmale auch mit anderen Ausgestaltungen vereinbart werden.
Dies gilt unabhängig für alle beschriebenen Merkmale der Ausgestaltungen.
Dies gilt unabhängig und ganz besonders für alle charakterisierenden Eigenschaften aller Ausgestaltungen.
Wie in dem Effizienz-/Temperaturgraph (7) erkennbar ist, hat der Stirlingmotor dieser Erfindung einen höheren Carnotwirkungsgrad. Dies wird im Folgenden erklärt: Es wurde festgestellt, dass es eine bevorzugte Höchsttemperatur von 300°C gibt, aufgrund der Materiaeigenschaften, der in der Erfindung beschriebenen Membran.
Die beschriebene Niedertemperatur-maschine (Wärmeseitige Temperatur bevorzugt zwischen 80 und maximal 300°C) wird bevorzugt, durch eine oder mehr, der folgenden Eigenschaften beschrieben:

a) Niedrige Arbeitsfrequenz (1–5 Hz, im Vergleich zu typischen 100–300 Hz Hochtemperaturmaschinen). Dadurch wird eine niedrigere Verdrängungsenergie erzielt (Bewegung des Arbeitsmediums zwischen kalten und warmen Arbeitsbereich des Stirlingprozesses) welche einen höheren Netto-Energiegewinn erzeugt.
b) Höhere Regeneratoreffizienz aufgrund längerer „Kontaktzeiten” des Arbeitsmediums mit der Regeneratormatrix
c) Größere Wärmetauscherfläche gegenüber Arbeitsmediumvolumen reduziert Wärmeverlust und erzeugt so höhere Effizienz
d) Bessere Annäherung an isotherme Expansion und Kompression aufgrund des guten Verhältnisses Fläche zu Medium (siehe c) und einer niedrigeren Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums.

Diese positiven Eigenschaften erlauben die Gestaltung eines Stirlingmotors, der eine gute Effizienz bei niedrigen Temperaturen bietet (Siehe Effizienz/Temperatur Graph)
Um diese positive Eigenschaften bei einer vorhandenen Niedrigenergiedichte zu erreichen, muss der Stirlingmotor in entsprechend großen Dimensionen gestaltet werden.
Bevorzugt dazu gehören, große Durchmesser der Kraft- und Verdrängungskolben. Diese sind gut versiegelt im Verbund mit den Zylinderwänden.
Dies kann durch klassische Zylinderringe erzielt werden. Jedoch verlangen diese eine nahezu perfekt runde Formgebung der zugehörigen Zylinder, sowie eine besonders hochwertige Glattheit der Zylinderwände.
Bei Verwendung von Zylindern mit großen Durchmessern, kann dies zu einer sehr teuren Erfindung führen. Daher haben wir eine Membranhalterung entwickelt, nach einer Ausgestaltung dieser Erfindung, welche die Anforderungen der Erfindung perfekt bedienen.
Die polymerbasierten Membrane werden entsprechend ihren Temperaturleistungsgrenzen innerhalb der Erfindung verwendet.
Ein bevorzugtes Beispiel sind Membrane aus Flourpolymer, deren Bestandteile können bei Temperaturveränderungen von –100°C bis zu +280°C verwendet werden.
Daher ist die derzeitige Höchsttemperatur der gegenwärtigen Stirlingmaschine bei 280°C bis 300°C; ebenfalls liegt die diesbezügliche untere Temperaturgrenze bei –100°C (Im Falle einer reversiblen Verwendung als Kühlmaschine).
Die Verwendung von Membranen, wie später weiter dargelegt, bringt noch folgende zusätzliche Vorteile: Hohe Lebenszeit, weniger Reibungsverluste als bei Kolbenringen und die Möglichkeit Zylinder mit höheren Fertigungstoleranzen, im Bezug auf ihre Rundheit, zu verwenden.
Dies erlaubt die Fertigung in kleinen und mittelständischen Betrieben, ohne die Verwendung von hochpräzisen Massenfertigungswerkzeugen.
Neben allen anderen Wärmequellen, kann dieser Stirlingmotor ebenfalls mit solarthermischer Wärme, sowie außerhalb von ausreichend Sonneneinstrahlung mit gespeicherter Solarwärme, betrieben werden.
In der einfachsten Verwendung, erzielen stationäre Sonnenkollektoren mit Vakuumschläuchen, 150°C Prozesstemperatur (Druckfrei über Thermoöl oder bei 5 Bar mit Wasser) bei einer Effizienz von 50%. Diese Wärme kann effektiv und wirtschaftlich in Wärmespeichertanks gelagert werden, sowohl über Nacht als auch für mehrere Tage um einen normalen Betrieb des Stirlingmotors zu gewährleisten. Dies erlaubt die Erzeugung von Energieautonomie, insbesondere bei kleineren Anwendungen in Dörfern und Farmen in sonnigeren Ländern.
Wenn der Niedertemperatur-Stirlingmotor mit einem Temperaturwechsel von 150°C (wärmeseitig) und 40°C (kaltseitig) betrieben wird, entwickelt er eine mechanische Effizienz von ungefähr 13%. Die überschüssige Wärme kann dem häuslichen Gebrauch zugeführt werden (Co-Generierung).
Um die höchstmögliche Eingangstemperatur von 280°C zu erzielen, mittels Solarkollektoren, muss eine Arbeitseffizienz von 65% verwendet werden.
Einen Niedertemperatur-Stirlingmotor mit einem Temperaturwechsel zwischen 280°C (warmseitig) und 40°C (kaltseitig) zu betreiben, erzeugt eine mechanische Effizienz von ungefähr 22%. Auch hier wird überschüssige Wärme als Nutzwärme weitergegeben.
Allgemein bezieht sich die Erfindung auf einen Niedertemperatur- und niederfrequente Stirlingmotor.
Die besondere Geometrie der Erfindung erlaubt die Verwendung großer Wärmetauscher, sowie großer Regeneratoren, um einen guten Carnotwirkungsgrad zu erzielen.
Kraft- und Verdrängungskolben sind bevorzugt mit runden, polymerbasierten, Membranen an der Zylinderwand befestigt.
Der kalte Arbeitsbereich, insbesondere die Kompressionskammer, liegt an der äußeren Peripherie des Stirlingmotors und umrundet zylindrisch die Expansionskammer, im Zylinder, so dass eine thermische Isolierung obsolet wird.
Der Motor ist besonders geeignet um als Grundversorger und Erstbeweger, mithilfe von thermischen Solarkollektoren und verbunden mit Warmöltanks oder Druckwasserspeichern, zu dienen.
Im Umkehrmodus, reversibel betrieben, arbeitet der Motor als effektive Wärmepumpen-Kältemaschine.
Detailierte Beschreibung der Erfindung
Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf einen Stirlingmotor. Bevorzugt einen Niedertemperatur-Stirlingmotor, mit Betriebstemperaturen von –100°C bis zu 300°C.
Der Stirlingmotor besitzt nach einer Ausgestaltung der Erfindung mindestens eine Membran.
Bevorzugt verbindet mindestens diese eine Membran einen Kolben mit der Zylinderwand.
Diese Verbindung des Kolbens mit der Zylinderwand ist bevorzugt gasdicht, mithilfe der Membran, zu gestalten.
Diese Gasdichte Verbindung wird durch die Verbindung von Membran mit Zylinderwand und Kolben unter der Verwendung von Nieten erzielt.
Die Membran wird bevorzugt aus gasdichtem Material hergestellt.
Die Membran ist bevorzugt vielschichtig, am ehesten doppelschichtig.
Jede Membranschicht der vielschichtigen Membran ist ein sheet.
Die Verwendung von vielschichtigen (mindestens zwei und am ehesten 2) Membranen für den Kraftkolben ist bevorzugt. Dies erlaubt ein aufblasen der Membran innerhalb der Schichten.
Bevorzugt besteht die Membran (für Kraft- und Verdrängerkolben) aus einem Polymer.
Es hat sich bestätigt das ein Polymer eine gute Zugbelastung, eine gute Dehnungsfähigkeit und/oder einen niedrigen Reibungskoeffizienten besitzt.
Diese Materialien haben sich als bevorzugt herausgestellt, da sie nicht die vorhandenen Betriebseigenschaften der beschriebenen Erfindung beeinflussen.
Bevorzugt besteht die Membran aus einem Polymer in mindestens einem sheet, bevorzugt doppelschichtig, und kann aus einem Polymer in faserähnlicher Struktur bestehen.
Bevorzugt besteht das Polymer aus einem oder mehreren Polymeren und Co-Polymeren basierend auf Monomeren aus der Gruppe bestehend aus ungesättigten Kohlenwasserstoffen, ungesättigten fluorisierten Kohlenwasserstoffen, ungesättigten Flourcholenwasserstoffen, sowie Co-Polymeren dieser Monomere.
Polymere hergestellt aus Äther- oder Esterverbindungen zwischen Monomeren können auch dienlich zur Verwendung, in einer Membran in dieser Verbindung sein (z. B. Polyurethane)
Bevorzugte Monomere sind Polyolefine.
Bevorzugte ungesättigte Kohlenwasserstoffe sind Ethylen und Propylen.
Bevorzugte Monomere sind Ethylen, Propylen, fluorisiertes Ethylen und fluorisiertes Propylen und eine Mischung dieser.
Bevorzugtes polyolefinbasiertes Material ist flourisiert und bevorzugt aus Monomeren die eine Addition aus mono, di, tri und/oder tetra-flourisierten Monomeren darstellt.
Am ehesten bevorzugt, sind flourisierte Monomere aus der Gruppe von: Tetraflourethylen, Chlortriflourethylen, Hexaflourpropylen, Perflour (alkyl vinyl ether), vinylidene Flour und vinyle Flour. Das polyolefin basierte Material kann auch aus nicht flourisierten Monomere die nicht addierte Produkte darstellen bestehen (z. B. reguläre Ethylene oder Propylene mit Wasserstoff)
Molare Verhältnisse von flourinierten und regulären Monomeren sind bevorzugt 40:60 und 60:40.
Bevorzugt wird das Polymermaterial aus folgender Gruppe bestehend aus PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PFA (Perfluoroalkoxy; zum Beispiel Teflon PFA), ETFE (Ethylene-Tetrafluoroethylene; zum Beispiel Tefzel, Fluon, Neoflon und Texon), EFEP (Ethylene-Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene), FEP (Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene; zum Beispiel Teflon FEP, Neoflon FEP und Dyneon FEP), PTFE (Polytetrafluoroethylene; zum Beispiel Teflon), ECTFE (Ethylene-Chlorotrifluoroethylene; zum Beispiel Halar), PCTFE (Polychlorotrifluoroethylene; zum Beispiel Neoflon PCTFE, Aclon und Kel-F), Vermengungen hiervon und Copolymere der Monomere.
Bevorzugte Beispiele von fluorisierten Polyolefinen Materialien sind PTFE, FEP, PFA und/oder eine Mixtur dieser.
PTFE ist ein besonders bevorzugtes polyolefinbasiertes Material.
Bevorzugt, ist die Kraftkolben Membran faserverstärkt. Es hat sich bestätigt das ein solches faserverstärktes Material die Kraftkolbenmembran wesentlich verstärkt; unter anderem beugt es Deformierungen und andere Unregelmäßigkeiten während des Betriebs vor. Hier sind besonders hochfeste Fasern bevorzugt.
Bevorzugt werden Naturfasern, Metalfasern, Fiberglass, Aramid (wie Kevlar, Twaron oder Technora) Karbon, Polyester (PET, PEN) UHMW-PE (wie Dyneema, Spectra oder Certran), Flüssigkristallpolymere(Vectran) Poly-(P-Phenylene-2,6-Benzobisoxazol) (wie Zylon) Fasern, sowie eine beliebige Vermengung dieser.
Preferably, fibers are selected from natural fibers, meta! fibers, fiber glass, aramid (such as Kevlar, Twaron or Technora), carbon, polyester (such as PET or PEN), UHMW-PE (such as Dyneema, Spectra or Certran), liquid crystal polymer (such as Vectran), poly-(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole) (such as Zylon) fibers and mixtures thereof.
Bevorzugt besteht die Faser aus einem der folgenden Möglichkeiten: einer gestrickten Herstellung, einer gewebten Herstellung, einer einfach gelegten, lose gelegten Faserteilen entweder wahllos ausgelegt, mit einer Richtung gelegt, oder eine Mixtur aus beidem.
Bevorzugt besteht die Kraftkolbenmembran aus mindestens einer polymerbasierte Membran sheet.
Bevorzugt besteht die Kraftkolbenmembran aus mindestens einem vielschichtigen Membran sheet, am ehesten aus einem doppelschichtigen. Die Verwendung einer vielschichtigen Membran (mindestens zwei und am ehesten zwei) für den Kraftkolben ist bevorzugt. Die erlaubt die Membran innerhalb ihrer Schichten aufzublasen.
Bevorzugt wird ein Gas zum aufblasen der Membran verwendet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Arbeitsmedium das Medium zum aufblasen der Membran.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Medium zum aufblasen der Membran entweder Luft, Kohlendioxid, Stickstoff, Xenon, Krypton, Argon, Helium oder eine Mischung dieser Gase.
Bevorzugt ist die Membran gasdicht mit einem Kolben und der Zylinderwand verbunden.
Diese gasdichte Verbindung wird durch die Verwendung von Nieten erzielt.
Bevorzugt besitzen die Kraft- und Verdrängungskolben einen kreisrunden Umfang.
Die Membran der Erfindung ist bevorzugt um den Kolben gelegt und bietet eine gasdichte Verbindung um den Kolbenkopf, zwischen dem Kolben und der Zylinderwand.
Nicht notwendigerweise kann auch die Membran des Verdrängungskolbens aufblasbar sein.
Bevorzugt ist die Verdrängungskolbenmembran auch doppelschichtig.
Der Wärmtausch ist bevorzugt durch einen Isolator begrenzt, welcher Bestandteil der Verdrängungskolbenmembran ist. Isolierung kann durch die Auswahl des richtigen Polymers für die Membran, garantiert werden.
Als Alternative kann eine weitere Membran verwendet werden und hieraus folgende doppelschichtige Membran kann mit einem isolierenden Gas beladen werden, z. B. Krypton oder Xenon.
Ebenfalls können andere Dämmmaterialien verwendet werden, z. B. Wolle oder isolierende Polymere. Diese Maßnahmen können miteinander kombiniert werden.
Der Stirlingmotor der Ausgestaltung mit dem hydraulischen Kolben hat bevorzugt eine Verbindung zu einem weiteren hydraulischen Zylinder.
Bevorzugt treiben Druckveränderungen des ersten hydraulischen Kolbens den zweiten hydraulischen Kolben an. Dieser zweite hydraulische Kolben ist tauchfähig.
Bevorzugt pumpt dieser Kolben Wasser welches durch zwei Einwegeventile getrieben wird. Fortführend wird das Wasser durch ein Steigrohr gepumpt und dann durch einen Druckausgleich geführt. Ein Vorzug der hydraulischen Wasserpumpe und ihrer Ausgestaltung in dieser Erfindung ist die Anpassung der Funktion an die Tiefe des Bohrlochs.
Der Stirlingmotor mit der Ausgestaltung des Schwungrades und des Exzenter-Pins bietet den Vorteil einer allgemeinen Steuerung von Stirlingmotoren.
Der Pin kann bewegt und positioniert werden, sowie optional festgestellt (auf einer Aussparung oder einer Schiene) auf dem Schwungrad, auf dem Diameter des Schwungrades. Genauer noch im Zentrum der Rotation des Schwungrades und seiner Peripherie.
In einer bevorzugten Gestaltung bewegt sich der Pin fortwährend im Verlauf des Stirlingprozesses.
Der Stirlingmotor im Sinne der verschiedenen Ausgestaltungen der gegenwärtigen Erfindung besteht bevorzugt aus mindestens einem den folgenden Bestandteile: einem Kraftkolben, einem Verdrängungskolben, mindestens einem Zylinder, einem Regenerator, einem Wärmetauscher (warmseitig), einer Wärmebank (kaltseitig), einem Arbeitsmedium und einem Kurbelmechanismus.
Der Stirlingmotor kann eine oder mehrere Verbindungsstangen aufweisen.
Bevorzugt weist der Stirlingmotor ein Schwungrad auf.
Obwohl allgemein als ”Zylinder” beschrieben, muss klar sein, dass der ”Zylinder” nicht unbedingt in zylindrischer Form ist.
Dennoch besitzt die runde Form des zylindrischen Gehäuses (1) einige Vorteile: Sie erlaubt die Verwendung von gleichartig runden, ringähnlichen Membranen/7,4); Sie verhindert Falten in den Membranen die entstehen können wenn deren Formen mit Ecken versehen sind; dementsprechend ist die Lebenszeit von runden Membranen höher.
Das aufblasen der Kraftkolbenmembran (7) verhindert ein Flattern durch den konstanten Wechsel von Drücken zwischen dem Arbeitsmediumbereich (2) und der umgebenden Luft.
Bevorzugt flattert die Membran nicht und bleibt gerade (es sind weniger als 45° Beugung der Membran in einem Prozesszyklus erkennbar).
Bevorzugt haben bei Kolben (Kraft und Hub) einen runden Umfang um sich dem Zylinder anzupassen. Dennoch können auch andere Geometrien aufgenommen werden.
Bevorzugt ist die Oberfläche konisch ausgeprägt um den Druckaufbau in der Zylinderkammer zu unterstützen.
Beide Kolben haben bevorzugt einen sich aus dem Zylinder herein- und herausbewegenden Arbeitsweg.
Bevorzugt besteht der Stirlingmotor aus mindestens einem Zylinder, am ehesten aber 2 Zylindern.
Mindestens dieser eine Zylinder weist eine Expansionskammer auf (wärmeseitig) und eine Kompressionskammer (kaltseitg).
Ein Zylinder kann sowohl als Expansionsraum für den Verdrängungskolben dienen, als auch als Kompressionskammer für den Kraftkolben.
Der Regenerator ist eine Verbindung (Kanal) zwischen der Kompressionskammer und der Expansionskammer.
Der Regenerator erlaubt einem Arbeitsmedium zwischen den zwei Kammern zu fließen. Allgemein unterscheidet der Regenerator den Stirlingmotor von anderen Wärmkraftmaschinen.
Üblicherweise weist der Regenerator Stahlwolle auf, um auf einer großen Oberfläche die Aufnahme oder Übertragung an ein Arbeitsmedium zu gewährleisten.
Der Stirlingmotor verwendet oft ein Arbeitsmedium, bevorzugt Luft.
Das Arbeitsmedium fließt zwischen der Expansionskammer und der Kompressionskammer. Der Wärmetauscher in der Expansionskammer wärmt das Medium und die Wärmebank in der Kompressionskammer kühlt das Arbeitsmedium.
Bevorzugt arbeitet der Kraftkolben im Zylinder, in der Kompressionskammer.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher am Regenerator anliegend, am ehesten an der Wand des Regenerators.
Bevorzugt liegt der Wärmetauscher der Expansionskammer zugewandt um das Arbeitsmedium zu erwärmen.
Der Wärmetauscher weist eine Beschlauchung mit Wärmefluss auf (häufig Öl oder Wasser), optional in Verbindung mit Leitfinnen um den Fluss des Arbeitsfluid zu leiten.
Bevorzugt arbeitet der Kraftkolben im Zylinder, in der Expansionskammer.
Bevorzugt an der Wand des Regenerators, liegt die Wärmebank der Kompressionskammer zugewandt.
Die Wärmebank weist üblicherweise eine Beschlauchung mit Kühlmittel (häufig Wasser) auf, optional auch mit Leitfinnen um den Fluss des Arbeitsfluids zu steuern.
Bevorzugt weist der Stirlingmotor dieser Erfindung eine thermische Isolierung zwischen der Expansionskammer und der Kompressionskammer auf. Als Anteil am äußeren Teil des Stirlingmotors mit den zwei Kammern, nimmt die Kompressionskammer bevorzugt mehr Fläche in Anspruch als die Expansionskammer.
Bevorzugt stellt der Stirlingmotor dieser Erfindung ein geschlossenes System dar.
Bevorzugt ist der Stirlingmotor gasdicht.
Bevorzugt ist der Stirlingmotor thermodynamisch stabil. Bevorzugt erlaubt der Stirlingmotor die Veränderung von Drücken, Volumina und Temperaturen.
Der Stirlingmotor der verschiedenen Ausgestaltungen weist bevorzugt einen Hebelmechanismus auf.
Bevorzugt weist der Stirlingmotor der verschiedenen Ausgestaltungen ein Schwungrad auf.
Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf eine Verfahren einen Stirlingmotor in verschiedenen Ausbildungen zu verwenden.
Bevorzugt besitzt der Stirlingmotor der Erfindung, in den verschiendenen Ausgestaltungen einen kurzen Hub, eine relative niedrige Hubfrequenz und produziert dennoch einen hohen Energiebetrag.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, stellt ein Verfahren für die gegenwärtige Erfindung, die Verwendung eines Stirlingmotors mit einer niedrigen Hubfrequenz von höchstens 10 Hz (in s-1), im Besonderen höchstens 6 Hz, am ehesten mindestens 0,5 Hz, bevorzugt mindestens 1 Hz, am ehesten 2 Hz dar (dies stellt natürlich den Regelbetrieb dar, von mindestens einer Minute, wahrscheinlicher 2 Stunden und bevorzugt längere Zeiten von bis zu 24 Stunden oder länger).
Es hat sich herausgestellt das ein niederfrequenter Hub des Stirlingmotors der gegenwärtigen Erfindung überraschend stark den Energieverbrauch des Motors senkt, was zu einer hohen Effizienz und Langlebigkeit führt.
Bevorzugt, erlauben die Verfahren der gegenwärtigen Erfindung die Verwendung eines Stirlingmotors bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen in Relation zu den Stirlingmotoren die zum Stand der Technik zählen. Die Effizienz des Stirlingmotors ist erhalten, oder sogar erhöht. Die Verwendung bei niedrigen Temperaturen ist wünschenswert und erlaubt die Verwendung von druckbeladenem Heißwasser zum Wärmetausch. Im Sinne der Erfindung ist das Kühlmittel der Kompressionskammer nicht unter –100°C und nicht über 100°C.
Der Erfindung folgend ist die bevorzugte Temperatur des Wärmetauschermediums für die Expansionskammer mindestens 80°C und höchstens 300°C, eher noch höchstens 280°C und ehestens höchstens 250°C.
Der Erfindung folgend ist die höchste Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Wärmetauschermedium mindestens 80°C und höchstens 200°C.
Ein bevorzugtes Wärmetauschermedium ist Wasser, bevorzugt unter hohem Druck; gewünschte Zustände sind hier zwischen 150°C und 200°C sowie 2 bar bis 6 bar, oder auch 5 bar.
Ein bevorzugtes Kühlmittel ist Wasser, z. B. mit einer Temperatur zwischen 0°C bis 25°C. Ein weiteres bevorzugtes Kühlmittel ist flüssiges Kohlendioxid bei einer Temperatur von ungefähr –90°C.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Kraftkolben einen Durchmesser im Verhältnis zum Hubweg von mindestens 5:1 auf, noch bevorzugter mindestens 10:1, noch bevorzugter höchstes 100:1 und noch bevorzugter von 50:1.
Den Hubweg bezeichnet man gelegentlich als Amplitude.
Diese Verhältnisse bezeugen dass der Kraftkolben wesentlich größer ist als im Stand der Technik üblich und der Hubweg wesentlich kürzer als im Stand der Technik derzeit. Diese Merkmale erzeugen die bemerkenswerten Vorteile dieser Erfindung welche vor allem in der hohen Effizienz bei niedriger Temperatur liegen.
Bevorzugt liegt der Kolbenhub bei höchstens 10 Hz und mindestens 0,5 Hz.
Weitere Vorteile sind die Verwendung von einem kurzen Hubweg (kleine Amplitude); einem langsamen Hub (niederfrequent); und/oder niedrigen Temperaturen, um dennoch eine hohe Effizienz zu erzielen. Jede dieser Eigenschaften, alleinstehend oder kombiniert, bieten einen Vorteil zum Stand der Technik an. Unter anderem erlauben sie die Verwendung von günstigeren, langlebigeren und handhabungsfreundlicheren Materialien. Ebenfalls erlaubt dieser Stirlingmotor das Sammeln von Sonnenenergie, sowie Verwahren von bis zu 14 Tagen, um den Gebrauch des Motors 24 Std zu gewärhleisten.
Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung ist die reversible Verwendung der Niedertemperatur-Stirlingmaschine als Wärmepumpe oder Kältemaschine. Per Definition haben Stirling Kühlkreisläufe oder Wärmekreisläufe eine bessere Leistung als übliche Kompressoren, welche zusätzlich Kühlmedien mit möglicher negativer Klimabilanz verwenden.
Ebenfalls, verlieren klassische Kompressoren einen wesentlichen Teil an Energie durch inhärente Notwendigkeit eines Antriebschubs. Im Gegensatz hierzu benötigen Stirlingmotoren im reversiblen Zustand diesen Schub nicht, da ihr Kühlmedium ein Gas ist, welches nicht die Phase wechselt.
Auch gilt, umso besser der Carnotwirkungsgrad ist, desto näher rückt der „COP” dem thermodynamisch möglichen Betrag. Klassische Stirlingmotoren gelten als sehr gute System um den absoluten Nullwert (OK) anzufahren (Kryokühler). Ein Grund warum sie nicht für übliche Raumkühlung als Klimaanlage verwendet werden, ist die zu geringe Fläche zum Wärmeaustausch bei kleineren schnell arbeitenden Stirlingmotoren.
Alle Argumente die die Wärmepumpe technisch unterstützen, wie großflächiger Wärmaustauscher, niedrigfrequenter Erstbeweger, gelten auch für den reversiblen Betrieb als Kühlmaschine. Diese Maschinen sind ideal geeignet für Klimaanlagen, Eisherstellung, Kühllagerungen und Befreiung von CO2 Lasten in der Atmosphäre sowie andere Tätigkeiten bis zu –100°C (Grenze der technischen Belastbarkeit der Membranen).
Zwei Klassen dieser Kühlpumpen sind realisierbar:

1). Die Niedrigtemperatur-Stirlingmotor – Niedrigtemperatur-Stirlingmotor („SunPulse – SunPulse”) Konfiguration, welche erlaubt einen thermisch angetriebenen Niedrigtemperatur Stirlingmotor, als Erstbeweger zur Erzeugung von Energie für einen reversiblen zweiten Niedrigtemperatur Kühlprozess, zu verwenden. Eine interessante Anwendungsart ist die Verwendung im Haus als Klimaanlage. Hier sammelt ein Stirlingmotor, ähnlich wie in 2 die Wasserpumpe, solarthermische Energie in einem Reservoir, um damit eine Niedertemperatur Kühlpumpe zu betreiben, rund um die Uhr.
2). Die externe Quelle einer Niedertemperatur-Stirlingmotor-Konfiguration. Eine typische Anwendung findet sich in der Kombination eines photovoltaischen (PV) Panels mit einer Niedertemperatur Stirling-Kühlanlage. Während der Sonneneinstrahlung liefern die PV-Panels Strom zum Betreiben der Niedertemperatur-Stirlingmotor Kühleinheit. Wasser, als Speichermedium, kann zum Beispiel bei einer eingebrachten Temperatur von 20°C, in Eis eingefroren werden mit einer COP von 5. Dies gibt einer Eingangsleistung von 100 W eine PV Ausgangsleistung von ca. 500 W Kühlleistung. Das Eis kann als Speicher 24 h in Anspruch genommen werden.

Die Senkung der Betriebstemperatur von leistungsstarken Stirlingmotoren in dieser Erfindung, bietet eine Vielzahl an innovativen Lösungen. Eine wichtige Lösung stellt die solare Ko-Generierung dar (mit dachmontierten) thermischer Kollektoren um einen Tag- und Nachtbetrieb zu gewährleisten (durch Wärmespeicher). Ein Niedertemperatur-Stirlingmotor erzeugt Strom und Wärme für das Gebäude. Zusätzlich kann noch System 1 hinzugefügt werden um eine Trigenerierung zu gewährleisten: Strom, Wärme, Kühlen.
Je mehr dieser Anlagen in den südlichen Regionen mit regelmäßigem Sonnenschein aufgestellt werden, desto unabhängiger werden dieses Systeme.
In Regionen mit anhaltend schlechtem Wetter, kann die Solarenergie durch Biomasse unterstützt werden (typischerweise Bio-Gas oder Verbrenner von Biomasse), oder durch reversible thermochemische Speicher. In beiden Fällen ist die verlangte niedrige Temperatur von Vorteil; Bei der Biomasseverbrennung entsteht keine Mineralisierung der Rauchpartikel, welche die Kapazität der Wärmetauscher verringern. In der thermochemischen Speicherung sind attraktive Systeme wie „zeolithe Wasser” oder MgH2 vorhanden.
Als Vorreiter zur Erzeugung von lokaler, Kleinmengen-Energieautonomie hat der Niedertemperatur-Stirlingmotor einen weiteren Vorteil: Viele Systeme wie Luftkompressoren, Sägen und Mühlen verlangen mechanische Energie um zu laufen; Wenn, wie bei der Niedertemperatur Stirlingmaschine, die Energie bei langsamer rotierender Geschwindigkeit und hohem Drehmoment ganztägig; können sie an Förderbänder angeschlossen werden oder ähnliche Vorrichtungen, um elektrische Motoren in diesem Feld nutzlos werden zu lassen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben:
Ein Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einer Expansionskammer, einer Kompressionskammer, einem Kraftkolben, einem Verdrängungskolben; die alle innerhalb mindestens eines Zylinders sind; einem Regenerator der eine Expansionskammer mit einem Wärmetauscher verbindet, mindestens einer Kurbelwelle die mindestens einen Kolben mit einem Schwungrad verbindet, einem Arbeitsmedium in der Expansionskammer, der Kompressionskammer und dem Regenerator; mindestens einem Wärmetauscher, mindestens einer Wärmebank, mindestens zwei Membranen die polymerbasiert sind und den Kraftkolben sowie Verdrängungskolben mit mindestens einem Zylinder verbinden; in dem der Zylinder als funktional betrachtet wird, z. B. als Raum mit einer umgebenden Wand (Hier muss also keine geometrisch eindeutige zylindrische Form vorhanden sein).
Es ist gewünscht das mindestens eine der Membranen doppelschichtig ist, bevorzugt aufblasbar und doppelschichtig; und den Kraftkolben mit dem Zylinder verbindet. Besonders bevorzugt ist die Steuerung der Aufladung durch einen flexiblen Schlauch der den Arbeitsgasraum mit einem Einwegeventil verbindet.
Ebenfalls ist es bevorzugt das die Membran ein halogenisiertes olefinbasiertes Polymer ist.
Überdies kann der Verdrängungskolben über eine Verdrängungskolbenmembran mit der Expansionskammer verbunden sein.
Bevorzugt ist die Verdrängungskolbenmembran thermisch isoliert, z. B. bestehend aus einer Isolationsschicht die eine Wärmeleitfähigkeit besitzt welche niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Oberflächenmaterials der Membran.
Bevorzugt liegt der Wärmetauscher am Regenerator anliegend der Expansionskammer entgegen, die Wärmebank liegt am Regenerator ebenfalls an, der Kompressionskammer zugewandt.
Ein Verfahren zur Verwendung eines Stirlingmotor, bestehend aus mindestens einem Zylinder mit einer Expansionskammer, einer Kompressionskammer, einem Kraftkolben und einem Verdrängungskolben die sich innerhalb des Zylinders bewegen; einem Arbeitsmedium dass durch einen Regenerator strömt der eine Expansionskammer und eine Kompressionskammer verbindet, mindestens einer Kurbelwelle die mindestens einen Kolben mit einem Schwungrad verbindet, einem Wärmetauscher der ein Arbeitsmedium in der Expansionskammer erwärmt, der Kompressionskammer und dem Regenerator; mindestens einem Wärmetauscher, mindestens einer Wärmebank die das Arbeitsmedium kühlt, mindestens zwei Membranen die polymerbasiert sind und den Kraftkolben sowie Verdrängungskolben mit mindestens einem Zylinder gasdicht verbinden.
Bevorzugt treibt das Schwungrad einen hydraulischen Kolben an. Bevorzugt, treiben die Druckschwankungen des hydraulischen Kolben einen tauchfähigen zweiten hydraulischen Kolben an; welcher Wasser durch ein Einwegesystem von zwei Ventilen treibt; eine Rückstellfeder; ein Steigrohr sowie ein Luft/Wasser Druckausgleichsystem.
Sowohl der Motor als auch das Verfahren, können noch weiter entwickelt werden; wenn ein Exzenter-Pin an der ersten hydraulischen Pumpe mechanisch verschoben und befestigt werden kann, in beliebiger Position innerhalb des Zentrums der Rotation des Schwungrades, kann die Pumpe an jede Brunnentiefe angepasst werden.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn der Exzenter-Pin der die Verdrängungskolbenverbindung antreibt permanent verfahren werden kann, entlang des Zentrums der Rotation bis zur Peripherie des zugehörigen Übersetzungsrades, um die Motorleistung zu steuern.
Bevorzugt 2 Motoren sind derart verbunden, so das seiner als thermischer Erstbeweger den zweiten Motor antreibt; und dieser sowohl als Wärmepumpe arbeiten kann als auch als Kühlpumpe.
Der reversibel arbeitenden Stirlingmotor ist von einer externe Energiequelle angetrieben.
Die externe Quelle ist bevorzugt eine Photovoltaikanlage und der Stirlingmotor produziert dementsprechend Eis zum Lager.
Alternativ arbeitet der Erstbeweger als Tri-Generierersystem in Kombination mit solarthermischen Kollektoren und geeigneten Wärmespeichern.
Bevorzugt wird die langsame, drehmomentstarke Leistung des Schwungrades direkt mechanisch mit unterschiedlichen Subsystemen verbunden, u. a. Kompressoren, Mühlen, Sägen.
Überblick der Figuren
1 ist eine graphische Darstellung eines Nidertemperatur-Stirlingmotors nach einer Ausgestaltung dieser Erfindung.
2 ist eine graphische Darstellung eines Niedertemperatur-Stirlingmotors als permanent arbeitende Solarwasserpumpe nach einer Ausgestaltung dieser Erfindung.
3 ist eine graphische Darstellung eines Schwungrades mit einem einstellbaren Exzenter-Pin nach einer Ausgestaltung dieser Erfindung.
4 ist eine graphische Darstellung eines Schwungrades mit einer Leistungsregulierung nach einer Ausgestaltung dieser Erfindung
5 ist eine graphische Darstellung eines Stirlingmotors mit einer domähnlichen zylindrischen Abdeckung nach einer Ausgestaltung dieser Erfindung.
6 dargestellt auf 2 Blatt, stellt schematisch die Leistungsausgabe unter bestimmten Druckverhältnissen dar.
7 ist eine Darstellung der Systemeffizienz in Abhängigkeit der Temperaturwechsel zwischen warmem und kalten Gas.
8 ist eine Volumen/Druck-Darstellung der Phasen eines üblichen Stirlingprozesses.
Detailierte Beschreibung der Figuren
1 repräsentiert einen schematischen Schnitt von Niedertemperatur-Stirlingmotoren im Sinne der Erfindung. Ein zylindrisches Gehäuse (1) beinhaltet das hermetisch abgedichtete Arbeitsmedium (2) dargestellt durch (XXX). (3) ist der kreisrunde Verdrängungskolben, verbunden mit der warmen Seite des zylindrischen Wärmetauschers durch ein doppelschichtiges, flexibles polymerbasiertes Membran (4).
Der Verdrängerkolben (3) ist thermisch isoliert; sowie die Membran (4), welcher innen, zwischen den Schichten, mit einer flexiblen Isolierung versehen ist (Schaum, Fasern).
Der Verdrängungskolben oszilliert vertikal innerhalb des Arbeitsmediums (bevorzugt ein Gas), angetrieben durch eine Stange (5) und verbunden mit dem Verdrängungsexzenter (5a). Der Verdrängungskolben (3) trennt den Arbeitsmediumbereich (2) in einen Expansionsraum (2a) und den kalten Kompressionsraum (2b).
Der Verdrängungskolben (3) treibt periodisch das Arbeitsmedium durch den zylindrischen Erwärmer, bzw. Wärmetauscher (12), den Regenerator (11), die kühlere Wärmebank (13) und gleichartig zurück. Auf diese Art wird das Arbeitsmedium periodisch erwärmt und gekühlt und erzeugt so eine sinusförmige Druckfluktuation, dargestellt in (15) und bewegt sich in vier Schritten, wie dargestellt im Volumen-Druck Diagramm (14). Diese Druckfluktuationen leisten Arbeit an dem Kraftkolben (6) welcher das zylindrische Stirlinggehäuse (1) nach oben hin schließt. Der Kraftkolben (6) ist hermetisch dichtend mit dem Gehäuse (1) verbunden durch eine aufblasbare, flexible doppelschichtige Membran (7). Diese Membran kann entweder vollständig luftdicht sein, oder in Verbindung mit einem Schlauch über ein Einwege-Ventil (7a) der im kalten Arbeitsmediumbereich endet (2b). Die Druckfluktuationen (15) in diesem Raum, füllen periodisch die doppelschichtige Membran (7) mit der Höchstbeladung an Druck des Kreislaufs, um etwaige Druckentweichungen der doppelschichtigen Membran zu kompensieren.
Der Kraftkolben (6) entnimmt die Kreislaufenergie, welche thermodynamisch durch das Arbeitsmedium erzeugt wird, als mechanische Energie. Seine oszillierende Bewegung wird durch die Kraftkolbenstange (8) auf den Kraftkolbenexzenter (8a) übertragen. Dieser Exzenter überträgt die laterale Oszillation des Kraftkolbens (6) in eine rotierende Bewegung des Verbindungselements (9) welches mit dem Schwungrad (10) verbunden ist.
Die Kurbelwellenvorrichtung dargestellt durch (8), (8a), (5) und (5a) koordiniert die Bewegung des Verdrängerkolbens (3) gegenüber des Kraftkolbens (6) als Funktion der Zeit.
Auf diese Art ist der thermodynamische Stirlingprozess (zwei isotherme sowie zwei isochore Prozessschritte), wie oben beschrieben, gewährleistet.
Die gegenwärtige Erfindung, dargestellt in 1, stellt die einfachste Umsetzung eines Stirlingmotors dar; Einen Motor der Arbeit mithilfe von Umgebungsluft leistet.
Die großen Dimensionierungen erlauben, wie dargestellt am Beispiel des Wärmetauscher-Regenerator-Wärmebank-Systems (12, 11, 13), eine gute Wirkung auf die Motoreffizienz.
Die leicht konische Ausprägung des Zylinders (1) ermöglicht eine weitere Gestaltung der Erfindung: Da der Kühler (13) den äußeren Teil der Zylinderstruktur darstellt (12, 11, 13), muss der Stirlingmotor nicht zusätzlich von der Außenluft isoliert werden. Diese einfache Beschaffenheit stellt eine wesentliche Vereinfachung und wirtschaftliche Verbesserung gegenüber gegenwärtigen Stirlingmotoren dar.
Die große Wärmetauscheroberfläche, in Verbindung mit niedrigen Arbeitsfrequenzen, gestattet die Verwendung von Umgebungsluft als Arbeitsmedium. Dies ist ein weiterer wesentlicher Vorteil im Vergleich zu Hochtemperaturmotoren welche Helium oder Wasserstoff benötigen.
2a zeigt eine typische Anwendung der gegenwärtigen Erfindung. Sie zeigt einen Niedrigtemperatur-Stirlingmotor als permanent arbeitende solare Wasserpumpe. Benanntes Kollektorenfeld ist an (26) erkenntlich, welches thermische Wärme von 150°C erzeugt, mit einer Effizienz von 50%, um diese Wärme dann in einem Wärmespeicher (25) zu speichern. Die warme Flüssigkeit fließt durch den Wärmtauscher (12) der Niedrigtemperatur-Stirlingmaschine. Eine kleinere Menge des geförderten Wassers fließt durch den Kühler (13), von dort durch eine Leitung (13a) zum „Kunden” (24a). Das Schwungrad mit hohem Drehmoment und moderat rotierender Geschwindigkeit betreibt einen ersten hydraulischen Zylinder (16), befestigt an einem Exzenter Pin (16a) und einem rotierenden Fixpunkt (17).
Das periodisch mit Druck beladene Wasser in dem ersten hydraulischen Zylinder, wird durch ein dünnes Stahlrohr (18) getrieben und dann in einen weiteren hydraulischen,, tauchfähigen Zylinder (19) am Boden des Bohrlochs geführt.
Dieser zweite Zylinder oszilliert kohärent zum Motor des verbundenen anderen Zylinders (16). Der zweite hydraulische Zylinder (19) dient als Ventil und Rückführzylinder (20a) und weist 2 Einwege-Ventile (20, 22) auf, sowie eine Feder (21). In seiner Bewegung zum inneren Endpunkt, öffnet Zylinder (19) das Ventil (20) und die Ventile sowie Rücklaufzylinder (20a) laufen voll Wasser. Fortlaufend wird das Wasser durch die Steigleitung (23) gedrückt.
Bevor das Pumpwasser in den ”Kundentank” (24a) fließt, wird das Wasser in ein Wasser/Luft Reservoir gepumpt (24).
(24) verändert das pulsierende Verhalten des Wassers in ein stetes Verhalten. Die Feder (21) führt die Pumpe zurück in ihre Ausgangslage, nach jedem „Arbeitspulse”.
2 zeigt weiterhin einen Wasser/Tiefen-Zustellgraph an; welcher besonders gut die exzellenten Pumpeigenschaften, einer unter Atmosphärendruck arbeitenden, Niedertemperatur-Stirlinganlage mit 400 W mechanischer Leistung zeigt. Die Fließrate wird als Funktion der Pumptiefe bei 400 W hydraulischer Leistung dargestellt.
3 zeigt schematisch, wie der Exzenter-Pin (16a), auf dem der hydraulische Zylinder (16) montiert ist, durch einen Schiebemechanismus (16b) in jede Stellung innerhalb des Zentrums der Rotation des Schwungrades (16c) und des äußeren Umfangs des Schwungrades bewegt werden kann. Dies bedeutet, dass im Sinne des Wasser/Tiefen Graphes in 2, der zugehörige Kolbenhub bei gegebener Bohrlochtiefe immer so eingestellt werden kann, dass der Niedertemperatur-Stirlingmotor immer mit dem besten Arbeitspunkt arbeitet.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist in 4 schematisch dargestellt. Es behandelt die Leistungseinstellung von Niedertemperatur-Stirlingmotoren. Dies wird ähnlich zur Regulierung der hydraulischen Pumpe eingestellt. In diesem Fall wird der Exzenter-Pin (5a), die Verdrängungskolbenstange stets vor und zurück bewegend (5), permanent vom Zentrum der Rotation zum äußeren Perimeter der rotierenden Kurbelwelle verschoben.
Dementsprechend ist die Verdrängeramplitude, welche in direktem Zusammenhang mit der Motorleistung steht, permanent veränderbar von null-Hub (Kraft) zu maximalem Hub (Kraft). Dies kann entweder Manuell erfolgen, durch Feststellung des Pins, oder durch permanentes Bewegen des Pins während der Betriebszeit, angeregt durch einen hydraulischen oder elektrischen linearen Aktuator.
5 zeigt ein domähnliches zylindrisches Gehäuse (27) mit einem rotierenden Kugellager um die Achse (9). Dieser Aufbau erlaubt es, ohne die Designmerkmale von Niederfrequenten und großdimensionierten Wärmetauschern und Regeneratoren zu verletzen, den Niedertemperatur-Stirlingmotor mir leicht verdichteter Luft zu beladen, üblicherweise 5 bar.
Der Leistungsausstoß von druckbeladenen Motoren vergrößert sich linear mit dem absoluten Druck, so lange die Relation zwischen Leistungsausstoß und Wärmetauscheroberfläche günstig bleibt. Es hat sich uns gezeigt das dies bei bis zu 5 bar Druckbeladung der Fall ist.
Der größere Leistungsausstoß wird durch größere Druckdifferenzen des Arbeitsmediums erzielt. Dies ist schematisch in 6 dargestellt (siehe 2, (12)) So können leicht druckbeladene Stirlingmotoren, die Möglichkeit bieten, das notwendige räumliche Volumen zu verringern und dementsprechend Material einsparen, innerhalb eines zuvor klar definierten Bereichs.
Dies gilt ebenfalls für eine Erhöhung der Arbeitsfrequenz auf bis zu 4 Hz.
1 zeigt einen Querschnitt einer realisierten Niedertemperatur Stirlingmaschine; mit einem Durchmesser von 1 Meter, einer Höhe von 0,4 Meter, einer Arbeitsfrequenz von 1,5 Hz und einer Arbeitsleistung von 0,5 kW.
Wenn, wie in 6 beschrieben, der Motor mit bis zu 4 bar beladen ist, wird eine Leistung von ca 2 kW erzielt. Die Erhöhung der Arbeitsfrequenz auf 3 Hz wird ungefähr eine Leistung von 4 kW erzielen.
7 zeigt die Effizienz als Funktion des Temperaturunterschiedes zwischen dem warmen Gas und dem kalten Gas, mit dem Temperaturunterschied (in Kelvin) auf der X-Achse und dem Carnotwirkungsgrad (nn%) auf der y-Achse.
Die Volllinie stellt die niedrige Temperatur des Stirlingmotors dar. Carnotwirkungsgrad >> 50%. Die gepunktete Linie repräsentiert den idealen Stirlingmotor. Carnotwirkungsgrad >> 50%. Die Volllinie mit Dreiecken repräsentiert die Hochtemperatur-Stirlingmotoren mit einem Carnotwirkungsgrad von 50%.
8 stellt den idealen Stirlingkreislauf dar (Volumen gegenüner Druck), in 4 Schritten. Wobei Q1 = Q2 = Oszillierende, reversibler Wärmetausch mit dem Regenerator.
Bezugszeichenliste
Ventil

20A: Federzylinder
21: Feder
22: Ein-Wege Ventil
23: Steigrohr
24: Wasser/Luft

24A: Kundenreservoir
25: Speichertank
26: Solarkollektoren
27: Zylindrische Abdeckung; Luftdichte Abdeckung

Claims

Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder (1) mit einer Expansionskammer (2A) und einer Kompressionskammer (2B), einem Kraftkolben (6) und einen Hubkolben (3) die innerhalb mindestens eines Gehäusezylinders sind (1); welcher ebenfalls mindestens einen Regenerator (11) beinhaltet, der die Expansionskammer (2A) mit der Kompressionskammer (2B) verbindet; in dem mindestens ein Wärmetauscher (12) und eine Wärmebank (13) vorhanden sind; in dem ein Arbeitsmedium (2) innerhalb der Expansionskammer (2A), der Kompressionskammer (2B) und dem Regenerator (11) vorhanden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mindestens eine Membran (4, 7) aufweist, welche mindestens einen Kolben (3, 6) mit mindestens einem Gehäusezylinder (1) verbindet.
Motor nach Anspruch 1, in dem mindestens ein Ende von mindestens einer Membran (4, 7) fest montiert ist an mindestens einem Kolben (3, 6) und ein anderes Ende dieser Membran (4, 7) fest verbunden ist mit dem Zylinder (1).
Motor nach Anspruch 1 oder 2, in dem der Kraftkolben (6) über eine Kraftkolbenmembran (9) verbunden ist.
Motor nach Anspruch 3, in dem die Kraftkolbenmembran (7) aufblasbar ist.
Motor nach den Ansprüchen 1–4, in dem ein Ende der Kraftkolbenmembran (7) fest verbunden ist mit mindestens einem Kraftkolben (6) und ein weiteres Ende dieser Kraftkolbenmembran (7) ist fest verbunden mit dem zylindrischen Gehäuse (1).
Motor nach den Ansprüchen 1–5, in dem der Hubkolben (3) verbunden ist mit einer (zylindrischen) Heizung (12), in der Expansionskammer (2A) innerhalb des zylindrischen Gehäuses, mithilfe einer Hubkolbenmembran (4).
Motor nach Anspruch 5, in dem die Hubkolbenmembran (4) mit einer thermischen Ummantelung versehen ist.
Motor nach den Ansprüchen 1–7, in dem ein Ende der Hubkolbenmembran (4) fest verbunden ist mit einem Hubkolben (3) und ein anderes Ende der Hubkolbenmembran (4) fest verbunden ist mit der (zylindrischen) Heizung (12).
Motor nach Anspruch 8, in dem mindestens eine Membran (4, 7) auf Polymeren basiert und/oder mindestens eine Membran (4, 7) doppelschichtig ist und/oder mindestens eine Membran (4, 7) aus einem halogenen olefinbasiertem Polymer.
Motor nach den Ansprüchen 1–9, in dem der Wärmetauscher (12), an dem Regenerator (11) anliegt und der Expansionskammer (2A) zugewandt ist und die Wärmebarriere (13) an dem Regenerator (11) anliegt und der Kompressionskammer (2B) zugewandt ist.
Motor nach den Ansprüchen 1–10, in dem, zumindest teilweise, die Expansionskammer (2A) zylindrisch umgeben ist von der Kompressionskammer (2B), innerhalb des Gehäuses.
Motor nach den Ansprüchen 1–11, in dem die Kompressionskammer (2B) zumindest teilweise zylindrisch um den Regenerator (11) führt.
Motor nach den Ansprüchen 1–12, dadurch gekennzeichnet das mindestens eine Polymermembran (4, 7) verbunden ist mit einem Kolben (3, 6) und mit dem zylindrischen Gehäuse (1) und diese Verbindung als gasundurchlässig gilt.
Motor nach den Ansprüchen 1–13, dadurch gekennzeichnet das der Motor verbunden ist mit einem Schwungrad (10) welches verbunden ist mit einem hydraulischen (Wasser) Kolben (16).
Motor nach den Ansprüchen 1–14, dadurch gekennzeichnet das der Motor in einem luftdichten Gehäuse (27) ist und mit einem Druck von 1,5 bar bis 5 bar beladen ist.
Motor nach Anspruch 15, der eine Verbindung zu einem Schwungrad (10) besitzt welche durch das luftdichte Gehäuse (27) führt und durch dieses Gehäuse (27) lose gelagert ist.
Motor nach den Ansprüchen 1–16, dadurch gekennzeichnet das der Durchmesser mindestens eines Kraftkolbens (6) mindestens zehn Mal größer ist als der Hub des Kolbens (6).
Verfahren das mindestens zwei Stirlingmotoren verwendet, in welchem mindestens zwei Motoren verbunden sind, so dass mindestens ein Motor als thermischer Erstbeweger den zweiten Motor antreibt und das Verfahren im 2-Wegeprinzip sowohl als Kühlmaschine als auch als Wärmepumpe dient.
Verfahren nach Anspruch 18, in dem der reversibel arbeitende Stirlingmotor von einer externen Energiequelle angetrieben werden kann.
Verfahren nach den Ansprüchen 18–19, in dem die externe Energiequelle eine Photovoltaikanlage ist und die Stirlingmotor-Kühlanlage Eis produziert.
Verfahren nach den Ansprüchen 18–20, in dem der Erstbeweger als Dreifachgenerierer für Elektrizität, Wärme und Kühlung dient, in Verbindung mit solarthermischen Kollektoren und einem geeigneten Wärmespeicher.
Verfahren nach den Ansprüchen 18–21, in dem die niedrige Geschwindigkeit und hohe Kraft des Schwungrades direkt verbunden ist mit verschiedenen Untersystemen bestehend aus Kompressoren, Mühlen, Sägen, Fließbändern und einem beliebigen Verbund dieser.
Verfahren in dem eine Membran verwendet wird um einen Kolben mit dem Zylinder eines Stirlingmotor zu verbinden und die Membran ein vielschichtiger aufblasbarer Polymer ist und die Verbindung gasdicht ist.
Stirlingmotor bestehend aus mindestens einem Zylinder mit mindestens einem Regenerator der über einen Wärmetauscher mit der Expansionskammer verbunden ist und über eine Wärmebarriere mit einer Kompressionskammer, in dem ein Kraft und ein Hubkolben in mindestens einem Zylinder ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator treiben und mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium erwärmt und mindestens ein Wärmespeicher das Arbeitsmedium kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einem Schwungrad verbunden ist welches mit einem hydraulischen Kolben verbunden ist.
Verfahren zum Gebrauch eines Stirlingmotors, in dem der Motor mindestens einen Zylinder mit mindestens einem Regenerator über einen Wärmetauscher mit der Expansionskammer verbindet und über eine Wärmebarriere mit einer Kompressionskammer verbindet und in dem ein Kraft und ein Hubkolben in mindestens einem Zylinder ein Arbeitsmedium durch mindestens einen Regenerator treiben und mindestens ein Wärmetauscher das Arbeitsmedium erwärmt und mindestens ein Wärmespeicher das Arbeitsmedium kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einem Schwungrad verbunden ist welches einen hydraulischen Kolben antreibt.