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Die
Erfindung betrifft einen Stirlingmotor und insbesondere seinen Erhitzer
zur Übertragung von externer Wärme in das Arbeitsgas
des Stirlingmotors.
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Ein
Stirlingmotor ist eine auf der Basis des thermodynamischen Stirling-Kreisprozesses
arbeitende, bekannte Wärmekraftmaschine. Zur Vergrößerung
der Oberfläche und damit zur Verbesserung der Wärmeübertragung
weisen nach dem Stand der Technik Erhitzer von Stirlingmotoren beispielsweise Rohre
mit Wendeln auf, die das Arbeitsgas enthalten. Die
WO 2005/017338 A1 zeigt
einen Aufbau mit Rohrschlangen, die mit einem Rippen aufweisenden Hohlkörper
aus wärmeleitfähigem Material umgossen sind. Die
Anordnung der gebogenen Rohre auf engem Raum ist aufwendig und erfordert
enge Biegeradien. Weiterhin ist die Anformung von Rippen am Hohlkörper
aufwendig.
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Es
stellt sich daher die Aufgabe, einen Erhitzer eines Stirlingmotors
in vorteilhafter Weise weiterzubilden und insbesondere einfacher
und kostengünstiger herzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch einen Stirlingmotor mit einem Erhitzer, bestehend
aus einem Hohlzylinder aus wärmeleitfähigem Material
mit mehreren Kanälen, gelöst. Die Kanäle
stehen mit der Heißgaskammer eines Stirlingmotors, d. h.,
mit dem Expansionszylinder bei Alphatyp-Stirlingmotoren bzw. mit
der Heißgas-Verdrängerzylinderkammer bei Bettatyp- und
Gammatyp-Stirlingmotoren, in Verbindung und enthalten ein Arbeitsgas.
Die Kanäle sind über den Querschnitt des Hohlzylinders
verteilt, sie durchziehen den Hohlzylinder entlang seiner Zylinderachse, und
ihre Mündungen sind auf der von der Heißgaskammer
abgewandten Seite des Hohlzylinders mittels eines ringförmigen
Verbindungselements miteinander verbunden. Eine ringförmigen
Verbindungselements miteinander verbunden. Eine derartige Ausführung
erlaubt eine vorzugsweise geradlinige Führung der Kanäle
im Hohlzylinder, enge Biegeradien können vermieden werden,
so dass die Kanäle eng zueinander beabstandet werden können,
und die Gesamtheit der Kanaloberfläche groß gestaltet
werden kann.
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Die
Kanäle werden kreisförmig über den Querschnitt
des Hohlzylinders eng aneinander liegend angeordnet, wobei es sich
als vorteilhaft erwiesen hat, die Kanäle auf mehreren Durchmessern
anzuordnen. Beispielsweise können die Kanäle im
Bereich des ringförmigen Verbindungselements auf dem Umfang
zweier konzentrischer Kreise derart angeordnet werden, dass die
Kanäle, die auf dem Umfang des kleineren Kreises angeordnet
sind, in der Heißgaskammer und die Kanäle, die
auf dem Kreisumfang mit dem größeren Durchmesser
verteilt sind, in einem um die Heißgaskammer positionierten
ringförmigen Regenerator münden. Um einen dem
Außenumfang der Heißgaskammer und des Regenerators
entsprechenden Erhitzer darstellen zu können, können
die Kanäle im Bereich ihrer Einmündung in Heißgaskammer
und Regenerator nach radial innen eingezogen sein, wobei die auf
dem Umfang des kleinen Kreises verteilten Kanäle, die in
der Heißgaskammer münden, auf den Umfang von zwei
konzentrischen Kreisen mit noch kleineren Durchmessern derart aufgeteilt
werden können, dass jeweils über den Umfang abwechselnd
ein Kanal auf dem inneren und ein Kanal auf dem äußeren
Durchmesser angeordnet wird.
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Als
Hohlzylinder im Sinne der Erfindung sind auch Hohlkörper
mit einer zentralen Öffnung zu verstehen, die nicht den
strengen geometrischen Anforderungen eines Hohlzylinders genügen,
beispielsweise mit nicht zueinander parallelen und/oder nicht planen
Zylinderflächen.
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Das
ringförmige Verbindungselement kann im einfachsten Fall
aus einer geschlossenen Röhre mit einer der Anzahl der
Kanäle entsprechenden Anzahl an Öffnungen bestehen,
mit denen die Mündungen der Kanäle dicht verbunden
werden. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das ringförmige
Verbindungselement mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein.
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Weiterhin
vorteilhaft ist eine vorzugsweise glatte Ausbildung der Oberfläche
des Hohlzylinders. Dies bedeutet, dass auf Rippen und andere die
Oberfläche vergrößernde Maßnahmen
verzichtet wird, so dass die Kanäle bis an den effektiven
Außendurchmesser unter Einhaltung der notwendigen Wandstärke
angenähert werden können.
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Der
Hohlzylinder kann aus wärmeleitfähigen Materialien
wie bevorzugt Kupfer und dessen Legierungen hergestellt sein. Die
Kanäle können direkt in den Hohlzylinder eingebracht
sein. Es hat sich jedoch als vorteilhaft gezeigt, wenn die Kanäle
aus Rohren gebildet sind. Dabei haben sich Stahlrohre als besonders
vorteilhaft erwiesen, die auf der der Heißgaskammer abgewandten
Seite mit dem ringförmigen Verbindungselement fest verbunden,
beispielsweise verschweißt, sind, und die auf der Seite
der Heißgaskammer und des Regenerators entsprechend mit
einer Aufnahme aufgenommen, beispielsweise verschweißt,
sind. Hierzu können die Rohre im Bereich der Aufnahme an
der Heißgaskammer und am Regenerator auf einen engeren
Durchmesser vorgebogen werden.
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In
vorteilhafter Weise sind die Rohre mit dem Hohlzylinder umgossen,
so dass ein aufwendiges Einfädeln der Rohre oder ein Bohren
des Hohlzylinders zur Darstellung der Kanäle entfallen
kann.
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Zur
Verbesserung der Energiebilanz kann bei ausschließlicher
Erwärmung der Innenfläche des Hohlzylinders am
Außenumfang des Hohlzylinders eine Abschirmung vorgesehen
sein. Diese kann durch eine Isolation bewirkt werden oder durch
ein den Wärmeübertragungsverlust verringerndes
Abschirmblech, das unter Einhaltung eines vorgegebenen Luftspalts
den Hohlzylinder umgibt.
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In
vorteilhafter Weise wird der Stirlingmotor mit dem vorgeschlagenen
Erhitzer in einem Solarsystem mit einer Fokussiereinheit zur Fokussierung von
Sonnenstrahlen auf den Erhitzer eingesetzt. Die Solarstrahlung kann
im Wesentlichen im Innenraum des Hohlzylinders absorbiert werden,
wobei die Öffnung des Hohlzylinders genähert als
schwarzer Körper betrachtet werden kann. Hierzu kann ein
Durchmesser der Öffnung des Hohlzylinders so begrenzt sein,
dass er gleich oder nur geringfügig größer
als ein Brennfleck der Fokussiereinheit ist, um die aus der Öffnung
austretende Wärmestrahlung im Sinne eines verbesserten
Wirkungsgrads zu minimieren.
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Die
Erfindung wird anhand der 1 bis 6 näher
erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen Gammatyp-Stirlingmotor mit einem Erhitzer,
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2 eine
Anordnung von Röhren für einen Erhitzer,
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3 eine
Grundplatte zur Aufnahme der Röhren der 2,
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4 einen
Erhitzer ohne Kupfermantel,
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5 einen
Erhitzer mit Kupfermantel und
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6 einen
Außenzylinder zur Aufnahme des Erhitzers.
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Die 1 zeigt
einen Schnitt durch einen Stirlingmotor in der sogenannten Gamma-Typ-Bauweise.
Im Gehäuse 1 ist die Kurbelwelle 2 gelagert, welche über
die Pleuel 3, 4 den Verdrängerkolben 5 und
den Arbeitskolben 6 hin und her bewegt. Der Erhitzer 7 ist über
seine Kanäle 8 und sein ringförmiges Verbindungselement 18 mit
der Heißgas-Verdrängerzylinderkammer 12 und
dem Regenerator 9 verbunden. Funktionell gehört
der Erhitzer 7 zur Heißgaskammer 12,
seine innere Oberfläche ist als ein Teil der Wand der Heißgaskammer 12 zu
betrachten.
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Die
Aufgabe des Erhitzers 7 besteht allein in der Übertragung
von externer Wärme in das in der Heißgaskammer 12 befindliche
Arbeitsgas für dessen Zustandsänderung „Heißgasexpansion".
Während der Heißgasexpansion, während
der sich der Verdrängerkolben 5 in der Kaltgaskammer 11 befindet,
dehnt sich das in der Heißgaskammer 12 befindliche
Arbeitsgas infolge der über den Erhitzer 7 permanent
zugeführten externen Wärme näherungsweise
isotherm aus, indem es über die Kanäle 8 des
Erhitzers durch den radial außerhalb der Heißgaskammer 12 positionierten
ringförmigen Regenerator 9 strömt und
von dort durch den ringförmigen Kühler 10 und
den Spaltraum 26 in die Leitung 13, die direkt
in den Arbeitszylinder 27 führt. Bei der Expansion
des heißen Arbeitsgases der Heißgaskammer 12 wird das
in Regenerator 9, Kühler 10, Spaltraum 26 und Leitung 13 befindliche,
vergleichsweise kalte Arbeitsgas in den Arbeitszylinder 27 gedrängt – abgesehen von
einer gewissen Durchmischung – und der Arbeitskolben 6 um
dessen Hub verschoben, wodurch das über Pleuel 4 und
Kurbelwelle 2 mit dem Arbeitskolben 6 gekoppelte
Schwungrad 28 in Rotation versetzt wird.
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Für
die anderen drei Zustandsänderungen eines Arbeitszyklus
einer Stirlingmaschine,
- – Abkühlung
des Arbeitsgases mit Hilfe des Regenerators 9 durch die
Bewegung des Verdrängerkolbens 5 aus der Kaltgaskammer 11 in
die Heißgaskammer 12 bei nahezu ruhendem Arbeitskolben 6 in
der Position seiner größten Verschiebung,
- – Kompression des kalten Arbeitsgases durch die vom
rotierenden Schwungrad über Kurbelwelle 2 und
Pleuel 4 bewirkte Rückwärtsbewegung des Arbeitskolbens 6 in
seine Anfangslage bei nahezu ruhendem Verdrängerkolben 5 in
der Heißgaskammer 12
- – und Erwärmung des Arbeitsgases mit Hilfe
des Regenerators 9 durch die Bewegung des Verdrängerkolbens 5 aus
der Heißgaskammer 12 in die Kaltgaskammer 11 bei
nahezu ruhendem Arbeitskolben 6 in seiner Anfangslage,
hat
der Erhitzer 7 keine Funktion.
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Der
Erhitzer 7 besteht wesentlich aus die Kanäle 8 bildenden
Rohren 14a, 14b, die auf der Grundplatte 15 dicht
aufgenommen, beispielsweise verschweißt, sind. Die Grundplatte 15 ist
mit dem den Regenerator 9 und den ringförmigen
Kühler 10 umhüllenden Außenzylinder 25 dicht
verbunden, beispielsweise verschweißt. Die auf unterschiedlichen Durchmessern
angeordneten radial inneren und radial äußeren
Rohre 14a, 14b sind als Rohrabschnitte, ausgehend
von der Grundplatte 15, parallel zueinander und parallel
zur Zylinderachse 16 ausgerichtet und weisen am stirnseitigen
Ende des Erhitzers 7 Mündungen 17 auf,
die in dem ringförmigen Verbindungselement 18 münden.
Die Mündungen 17 sind dicht mit dem Verbindungselement 18 verbunden, beispielsweise
verschweißt. Das Verbindungselement 18 weist ein
allen Mündungen 17 gemeinsames Verbindungsvolumen 19 auf,
so dass die Kanäle 8 beziehungsweise die Röhren 14a, 14b miteinander kommunizierend
verschaltet sind.
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Die
Röhren 14a, 14b sind von dem Hohlkörper 22 umgeben,
der vorzugsweise aus Kupfer gebildet ist und in einem Gussverfahren
um die Röhren 14a, 14b angeordnet wird.
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2 zeigt
eine leicht abgeänderte Anordnung der Röhren 14a, 14b im
Erhitzer 7 der 1. Zur minimalen Beabstandung
der Röhren 14a, 14b und Anpassung an
die Abmessungen der Grundplatte 15 sind die Röhren 14a, 14b im
Bereich der Grundplatte 15 (1) nach
radial innen abgebogen. Durch die enge Beabstandung kann das ringförmige Verbindungselement 18 (1)
entsprechend schmal ausgestaltet werden und die lichte Weite des als
Hohlzylinder ausgestalteten Erhitzers 7 (1) erweitert
werden, ohne den Außendurchmesser des Erhitzers 7 gegenüber
dem Außendurchmesser des Außenzylinders 25 (6)
zu erweitern.
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3 zeigt
die Grundplatte 15 zur Aufnahme der Röhren 14a, 14b der 2.
Zur Aufnahme der radial äußeren Röhren 14b ist
ein Lochkreis mit Öffnungen 20 auf großem
Durchmesser vorgesehen. Zur Aufnahme der radial inneren Rohre 14a sind Lochkreise
mit Öffnungen 21a, 21b auf verschiedenen
Durchmessern angeordnet, so dass eine den Öffnungen 20 entsprechende
Anzahl an Öffnungen 21a, 21b auf kleinerem
Durchmesser untergebracht werden kann und eine entsprechende Dichte
von Röhren 14a, 14b im Erhitzer untergebracht
werden kann. Die Grundplatte 15 weist eine konvexe Geometrie
zur Angleichung an den Verdrängerkolben 5 auf, damit
sie zur Fixierung des Erhitzers 7 am Stirlingmotor verschweißt
werden kann.
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4 zeigt
einen Zusammenbau der Röhren 14a, 14b und
der Grundplatte 15 sowie aufgesetztem ringförmigen
Verbindungselement 18. Das Verbindungselement 18 verbindet
die einzelnen Röhren 14a, 14b miteinander
und dichtet diese nach außen ab.
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5 zeigt
den kompletten Erhitzer 7 mit dem aus leitfähigem
Material gebildeten Hohlkörper 22, der die Röhren
der 4 ummantelt. Der vorzugsweise aus Kupfer gebildete
Hohlkörper 22 wird um die Rohre gegossen, wobei
im Endzustand das Verbindungselement 18 und die Grundplatte 15 einen
einheitlichen Durchmesser vorgeben können.
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Zur
Anwendung des Erhitzers 7 für Absorption von Solarstrahlung
ist es vorteilhaft, wenn die Innenfläche 23 und
die Außenfläche 24 des Hohlkörpers 22 glatt
ausgestaltet sind. Auf diese Weise ist bei einer Einstrahlung von
Solarstrahlung in den Innenraum des Hohlkörpers 22 eine
einfache Herstellung bei optimiertem Wirkungsgrad möglich.
Im Innenraum, der sich idealerweise als schwarzer Strahler verhält,
ist die Ausgestaltung der Oberfläche bei ausreichender
Wärmeleitfähigkeit des Kupfers ohne Bedeutung,
während eine glatte Außenfläche 24 die Abstrahlung
von Wärme vermindert. In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel
kann der Wärmeverlust durch Abstrahlung der Außenfläche
weiter vermindert werden, wenn um die Außenfläche
ein Abschirmblech angeordnet ist.
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6 zeigt
den Außenzylinder 25 zur Aufnahme des Erhitzers 7 der 1 und 5.
Der Außenzylinder 25 wird mit dem Erhitzer 7 dicht
verbunden, beispielsweise verschweißt, und mittels des Flansches 29 an
das Gehäuse 1 des Stirlingmotors der 1 angeflanscht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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