-
Gebiet der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine neue konstruktive Ausgestaltung des Stirlingmotors vom α-Typ, mit der sich ein höherer Wirkungsgrad erzielen lässt, insbesondere für den Einsatz in der Energiewirtschaft.
-
Stand der Technik
-
Der klassische Stirlingmotor vom α-Typ ist ein Zweizylinder-Heißluftmotor. Seine Konstruktion wird zum Beispiel in Wikipedia beschrieben. Der Stirlingmotor wird hier als Verbrennungsmotor mit externer Verbrennung beschrieben, der mit zyklischer Kompression und Expansion des Arbeitsgases arbeitet. Dieser Motor hat zwei Arbeitskolben in getrennten Zylindern, jeder mit seinem eigenen Kolben, Der eine ist ein heißer Zylinder, auch Expansionszylinder genannt, der mit einem außerhalb des Zylinders befindlichen Erhitzers verbunden ist. Der andere ist ein kalter Zylinder, auch Kompressionszylinder genannt, der mit einem außerhalb des Zylinders befindlichen Kühler verbunden ist. Die Kolben komprimieren das Arbeitsgas bei niedriger Temperatur und expandieren es bei hoher Temperatur. Das Arbeitsgas wird über einen Regenerator, der zwischen den Zylindern angeschlossen ist, vom heißen Zylinder zum kalten Zylinder und umgekehrt geleitet. Die Verbindung zwischen den Zylindern wird durch einen Verbindungskanal mit bidirektionalem Durchgang zum Arbeitsraum der Zylinder gewährleistet. Ein Regenerator ist ein Wärmetauscher, der die Wärmeenergie im Zeitraum zwischen Expansion und Kompression des Arbeitsgases speichert. Der Regenerator kann aus einer Füllung bestehen, die in den Verbindungskanal zwischen den Zylindern eingesetzt wird, oder es wird ein einzelner Regenerator eines geeigneten Typs in den bidirektionalen Verbindungskanal zwischen den Zylindern angeschlossen. In dem heißen Zylinder dehnt sich das Gas bei der hohen Temperatur des Erhitzers aus. Im kalten Zylinder wird das Gas bei niedriger Temperatur des Kühlers verdichtet. Die Kolben sind mit einem Bewegungsmechanismus ausgestattet, bei dem es sich in der Regel um eine Kurbelwelle handelt. Die Kolben stehen in einem Winkel zueinander, normalerweise 90°. Es handelt sich um einen Motor mit geschlossenem Kreislauf, in dem Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
-
Ein Beispiel für eine andere konstruktive Ausgestaltung des Stirlingmotors vom α-Typ ist der Motor gemäß CZ PV 2002-2455. Hier werden zwei Kolben beschrieben, die in einem spitzen Winkel zueinander stehen, wobei diese Kolben durch ein Hook-Gelenk verbunden sind, das in einem stumpfen Winkel größer als 120 und kleiner als 180° eingestellt ist. Hier sind die Kolbenzylinder durch eine einfache Verbindungsleitung verbunden. Der Regenerator und der Kühler befinden sich außerhalb der Verbindungsleitung in einem Kanal, der durch die so genannte Ausgleichsleitung gebildet wird und einen Einlass und einen Auslass zum kalten Zylinder hat. Die Ein- und Auslässe zur/von der Verbindungsleitung erfolgen durch bidirektionale Durchgänge. Der Wärmetauscher besteht sowohl aus einer Heizkammer, die als Endteil des Zylinders über dem gekühlten, kalten Kolben angeordnet ist, als auch aus einer Verbindungsleitung.
-
Bei allen bekannten Typen des Stirlingmotors haben die Kolben die Form eines einfachen massiven Körpers, welcher der Form der Kolbenstange entspricht, in der der Kolben angebracht ist, wobei der Kolben eine ebene Stirnfläche und einen ebenen Boden aufweist. In der Fachsprache wird für die Kolbenstange eines Stirlingmotors in der Regel die Bezeichnung Zylinder verwendet, obwohl die Kolbenstange manchmal eine andere Form hat, z. B. als Gefäß mit einem Querschnitt eines Ovals oder eines regelmäßigen Polyeders. Dies entspricht der Form des Kolbens, dessen Körper ein Zylinder, Prisma, Oktaeder usw. ist.
-
Der Stirlingmotor vom Alpha-Typ ist aufgrund seiner Effizienz von großer Bedeutung. Heutzutage wird seine Bedeutung durch die Möglichkeit, alternative und erneuerbare Energiequellen zu nutzen, noch gesteigert. Das Problem bei diesen Geräten ist der Totraum der Kolben, der den erreichten Wirkungsgrad verringert.
-
Der Nachteil der derzeit bekannten Stirlingmotoren vom Alpha-Typ ist, dass sie keinen idealen Zyklus in Bezug auf den Wirkungsgrad ermöglichen. Über den Kolben entsteht ein vorübergehender Totraum, der ein geringeres Verdichtungsverhältnis der Kolben bewirkt. Es werden einige Arten von Regeneratoren mit relativ geringer Wärmeübertragungsfläche verwendet. Der Arbeitsgasweg ist relativ lang. Die Wärmeübertragungsflächen, an denen die Erwärmung oder Abkühlung des Arbeitsgases erfolgt, sind relativ klein. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Wärmequelle nicht weit vom Motor entfernt sein kann. Der Motor kann nur an eine Wärmequelle angeschlossen werden. Eine Regulierung durch zyklisches Schließen des Expansions- und Kompressionsraumes oder durch unidirektionale Durchströmung des Arbeitsgases ist nicht möglich.
-
Gegenstand der Erfindung
-
Die genannten Nachteile werden durch die Erfindung weitgehend beseitigt. Die Erfindung verbessert und modifiziert wesentlich die Konstruktion eines Stirlingmotors vom Alpha-Typ, der zwei in je einem Zylinder bewegliche Kolben, einen Regenerator, einen Erhitzer als Quelle thermischer Energie außerhalb des Zylinders und einen Kühler als Entnahmestelle thermischer Energie außerhalb des Zylinders umfasst. Der Erhitzer und der Kühler befinden sich außerhalb der Zylinder, und der Regenerator ist in einem Verbindungskanal untergebracht, der den Arbeitsraum des ersten Zylinders mit dem Arbeitsraum des zweiten Zylinders verbindet, wobei der Verbindungskanal mit dem Arbeitsraum der Zylinder durch bidirektionale Durchgänge verbunden ist. Der Grundgedanke der neuen Lösung besteht darin, dass beide Kolben mit mindestens einer Aussparung versehen sind, wobei der erste Wärmetauscher mit dem Erhitzer und der zweite Wärmetauscher mit dem Kühler verbunden ist, wobei diese Wärmetauscher bzw. deren Wärmeübertragungsflächen im Arbeitsraum der Zylinder angeordnet sind und in Form, Abmessungen und Position der Aussparung entsprechen, so dass sie zumindest teilweise in die Aussparung der Kolben hineinpassen. Der erste Wärmetauscher passt in die Aussparung des Kolbens im ersten Zylinder und der zweite Wärmetauscher passt in die Aussparung des Kolbens im zweiten Zylinder hinein.
-
Vorzugsweise gibt es einen unidirektionalen Auslass vom Arbeitsbereich jedes Zylinders zum Regenerator. Die unidirektionalen Auslässe werden aus dem Arbeitsbereich des Zylinders herausgeführt, immer an einer anderen Stelle als der bidirektionale Durchgang, der in den Arbeitsbereich hineinführt.
-
Der unidirektionale Auslass ist vorzugsweise mit einem unidirektionalen Verschluss am Ausgang des Zylinders ausgestattet.
-
Vorzugsweise enthält der Kolbenkörper einen Dorn, der den bidirektionalen Durchgang vom Zylinder dieses Kolbens zum Verbindungskanal verschließt, wobei sich der Kolbenkörper in einer Position befindet, in der der Kolben im oberen Totpunkt ist. In diesem Fall befindet sich der bidirektionale Durchgang oberhalb des Dorns. Die Abmessungen, die Form und die Position des Dorns sind so gewählt, dass der Dorn, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet, eng auf dem bidirektionalen Durchgang anliegt und den bidirektionalen Durchgang verschließt.
-
Vorzugsweise geht der Dorn aus dem Boden der Aussparung aus.
-
Vorzugsweise sind der erste und der zweite Wärmetauscher mit einer Öffnung für die Bewegung des Dorns und des Mediums versehen. Durch diese Öffnung läuft der Dorn durch den Wärmetauscher, während er sich durch den Wärmetauscher bewegt, wobei er den gesamten Wärmetauscher zumindest am oberen Totpunkt des Kolbens durchläuft.
-
Die Oberseite der Wärmetauscher liegt vorzugsweise eng an der Stirnseite des Zylinders an, und zwar an einer anderen Stelle als die Stelle, an der der bidirektionale Kanal in den Arbeitsraum eintritt. Die Formen, Abmessungen und die Positionen der Elemente entsprechen einander so, dass im oberen Totpunkt des Kolbens die gesamten Wärmetauscher in der Aussparung der Kolben platziert sind und nur mit dem für die Bewegung des Mediums notwendigen Spalt in diese hineinpassen. Die Spaltgröße kann berechnet und als die für die Strömung des Arbeitsgases erforderliche Größe bestimmt werden.
-
In diesem Fall sind die unidirektionalen Auslässe der Zylinder vorzugsweise oberhalb des Kolbens angeordnet, und zwar an einer solchen Stelle, dass der unidirektionale Auslass durch den Kolben im oberen Totpunkt verschlossen wird.
-
Vorzugsweise sind für die Zylinder Lamellenwärmetauscher vorgesehen. In diesem Fall enthalten beide Zylinder einen Lamellenwärmetauscher mit einem Flüssigkeitskreislauf.
-
Die Kolben befinden sich vorzugsweise in einer achsparallelen Position und sind in dieser Position mit einem Nockenmechanismus vom Typ Heben-Senken-Verweilen ausgestattet.
-
Die Nocken des Nockenmechanismus vom Typ Heben-Senken-Verweilen sind vorzugsweise mechanisch gekoppelt, um eine Drehbewegung in der gleichen Richtung und mit der gleichen Anzahl von Umdrehungen auszuführen. Dies wird zum Beispiel durch die Wahl eines Mechanismus mit Scheibennocken auf einer Welle oder eines Mechanismus mit Trommelnocken, die mechanisch über Zahnräder verbunden sind, ermöglicht.
-
Die entworfene neue Ausgestaltung des Stirlingmotors vom Alpha-Typ hat eine höhere Leistung als der aktuelle Stand und ist besonders für Stromgeneratoren geeignet. Sie ermöglicht die effiziente Nutzung von Abwärme aus Verbrennungsabgasen und ist auch für solare Wärmequellen geeignet. Durch die Nutzung der thermischen Energie der Sonneneinstrahlung können bis zu 40 % der Wärme in Strom umgewandelt werden. Der vorgesehene Stirlingmotor kann zur Stromerzeugung in Blockheizkraftwerken in Gebäuden wie kommunalen Gebäuden, Haushalten oder Geschäftsräumen eingesetzt werden. Er kann auch die Nutzung von Abwärme aus industriellen Prozessen wie Bäckereien, Röstereien usw. ermöglichen, die mit Hilfe dieses Motors zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Der Hauptvorteil dieses Motors ist der hohe Wirkungsgrad des Motors, der über dem derzeitigen Stand der Technik liegt. Es wird ein nahezu idealer Stirling-Zyklus erreicht. Die entworfene Lösung führt zu einer Verringerung des Totraums in den Zylindern und zu einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses. Durch die Wahl des Regenerators, der die Füllung in der Verbindungsleitung bildet, wird eine große Wärmeübertragungsfläche des Regenerationselements des Motors geschaffen. Es wird der minimale Arbeitsgasweg bei einer großen nutzbaren Wärmeübertragungsfläche der Wärmetauscher erreicht. Die Wärmequelle kann vom Motor entfernt sein. Ein weiterer Vorteil ist, dass der entworfene Motor an mehrere Wärmequellen gleichzeitig angeschlossen werden kann. Der entworfene Motor ermöglicht ein zyklisches Schließen des Expansions- und Kompressionsraums sowie eine unidirektionale Strömung des Arbeitsgases.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen
- 1 Schema eines beispielhaften erfindungsgemäßen Stirlingmotors mit Blick auf einen vertikalen Schnitt durch die Kolben und den Verbindungskanal.
- 2 Draufsicht auf einen Querschnitt eines Zylinders mit Kolben und Wärmetauscher an der in 1 mit A-A bezeichneten Stelle
- 3 A, B, C, und 4 D, E verschiedene Betriebsphasen des entworfenen Motors je nach Position und Bewegungsrichtung der Kolben, unter Angabe der Bewegungsrichtung der Medien und Nocken
- 5 ein Detail des Wärmetauschers, der in den vorherigen Figuren der Einfachheit halber nur in Blockform dargestellt ist, mit einer räumlichen Vorderansicht des vertikalen Schnitts durch die Mitte des Wärmetauschers.
- 6 räumliche Schrägansicht von unten des gesamten Wärmetauschers aus 5
-
Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung
-
Ein Beispiel für eine optimale Ausführungsform der Erfindung ist der in den 1 bis 6 dargestellte Stirlingmotor.
-
Es handelt sich um einen Stirlingmotor vom grundlegenden Alpha-Typ, der erfindungsgemäß konstruktiv angepasst ist. Er besteht aus zwei Kolben 1, 2, die jeweils in einem Zylinder 3, 4 beweglich sind, einem Erhitzer 5, der eine Wärmeenergiequelle bildet, und einem Kühler 6 als Entnahmestelle thermischer Energie. Die Zylinder 3, 4 haben einen Arbeitsraum oberhalb der Kolben 1, 2, wobei der Arbeitsraum des ersten Zylinders, des Expansionszylinders 3, mit dem Arbeitsraum des zweiten Zylinders, des Kompressionszylinders 4, durch einen Verbindungskanal 7 verbunden ist. In den Verbindungskanal 7 ist ein Regenerator 8 eingebaut, der aus einem Speichermaterial besteht, das die Wärme des strömenden Mediums aufnehmen und speichern kann. Die Speichermaterialien sind bekannt, so können z. B. Glasperlen oder partikelbasierte Krümel aus porösem Keramikmaterial oder ein System aus Blechlamellen verwendet werden. Als Arbeitsmedium wird Gas verwendet. Erhitzer 5 und Kühler 6 befinden sich außerhalb der Zylinder 3, 4. Der Verbindungskanal 7 ist über bidirektionale Durchgänge 9 mit dem Arbeitsraum der Zylinder 3, 4 verbunden. Ein erster Wärmetauscher 10 ist mit dem Erhitzer 5 und ein zweiter Wärmetauscher 11 mit dem Kühler 6 verbunden. Beide Kolben 1, 2 sind mit einer Aussparung 12 versehen. Der erste Wärmetauscher 10 befindet sich im Arbeitsraum des ersten Zylinders, des Expansionszylinders 3, der zweite Wärmetauscher 11 befindet sich im Arbeitsraum des zweiten Zylinders, des Kompressionszylinders 4. In beiden Zylindern ist der Wärmetauscher 10, 11, in einer Aussparung 12 untergebracht. In dieser beispielhaften Ausführungsform eines idealen Motors wurde die spezifische Form der Elemente aus Gründen der Klarheit und Veranschaulichung so gewählt, dass sie der gängigen Nomenklatur in diesem Bereich entspricht. Daher haben die Zylinder 3, 4 hier tatsächlich eine zylindrische Form, d. h. sie haben die Form eines Hohlkörpers mit kreisförmigem Querschnitt. Dementsprechend haben die beispielhaften Kolben 1, 2 die Form von Vollkörpern, deren Umfangswand ebenfalls kreisförmig ist. In der Praxis können jedoch alle in der Praxis verwendeten und als Motorzylinder bezeichneten Formen, d.h. auch Körper mit elliptischem Querschnitt oder Polyeder usw., als Zylinder 3, 4 im Sinne der Erfindung verwendet und somit als Zylinder im Sinne der Erfindung verstanden werden.
-
Vom Arbeitsraum jedes Zylinders 3, 4 führt ein unidirektionaler Auslass 13 zum Regenerator 8 an einer anderen Stelle als der bidirektionaler Durchgang 9. Diese unidirektionalen Auslässe 13 sind mit einem unidirektionalen Verschluss 14, z. B. einem einfachen Absperrventil, am Ausgang der Zylinder 3, 4 versehen.
-
Der Körper der Kolben 1, 2 umfasst einen Dorn 15, der einen vorübergehenden Verschluss des bidirektionalen Durchgangs 9 zum Verbindungskanal 7 ermöglicht. Diese Möglichkeit wird durch die Form und die gegenseitig geeignete Positionierung des Dorns 15 und des bidirektionalen Durchgangs 9 erreicht. Der bidirektionale Durchgang 9 befindet sich oberhalb des Dorns 15, und die Abmessungen dieser Elemente sind so gewählt, dass der Dorn 15 im oberen Totpunkt des Kolbens 1, 2 dicht auf dem bidirektionalen Durchgang 9 des jeweiligen Kolbens 1, 2 anliegt und der gegebene bidirektionale Durchgang 9 durch den Dorn 15 verschlossen ist.
-
In der vorliegenden idealen Ausführungsform der Erfindung haben die Kolben 1, 2 eine zylindrische, mantelförmige Umfangswand und der Dorn 15 hat eine zylindrische Form mit einer abgeschrägten Oberkante. Die Aussparung 12 hat ebenfalls eine zylindermantelförmige Umfangswand und der Dorn 15 geht mittig vom Boden 16 der Aussparung 12 aus, so dass die Aussparung 12 einen kreisringförmigen Hohlraum im Körper der Kolben 1, 2 zwischen dem Dorn 15 und der zylindrischen Wand der Aussparung 12 bildet. Dem Vorhandensein des Dorns 15 in der Aussparung 12 sind die beiden Wärmetauscher 10,11 durch ihre Form und Art angepasst. Es werden Lamellenwärmetauscher 10, 11 verwendet, deren Wärmeübertragungsflächen aus einer Vielzahl von Lamellen bestehen, und beide Lamellenwärmetauscher 10, 11 sind mit einer Öffnung 17 versehen, die einen Durchgangstunnel für die Bewegung des Dorns 15 bildet. Die Öffnung 17 in jedem der Wärmetauscher 10, 11, in diesem speziellen Beispiel eine zentrale Öffnung, ermöglicht es zusammen mit der Aussparung 12, das Arbeitsmedium während der Bewegung der Kolben 1, 2 effizienter an den Wärmeübertragungsflächen der Wärmetauscher 10, 11 vorbeizuführen. In diese Öffnung 17 wird der Dorn 15 während der Bewegung der Kolben 1, 2 ein- und ausgefahren.
-
Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 1, 2 bewegt sich der Dorn 15 allmählich von unten nach oben und drückt das Medium am jeweiligen Wärmetauscher 10, 11 vorbei nach oben in den bidirektionalen Durchgang 9 und den unidirektionalen Auslass 13. Wenn sich der Kolben 1, 2 nach unten bewegt, strömt das Medium nur durch den bidirektionalen Durchgang 9 in den Zylinder 3, 4, und im Zylinder 3, 4 strömt es an den Wärmeübertragungsflächen der Wärmetauscher 10, 11 vorbei und darunter. Je nachdem, um welchen Zylinder 3, 4 es sich handelt, wird das Arbeitsmedium erwärmt und expandiert, oder gekühlt und das Volumen des Arbeitsmediums reduziert. Als Arbeitsmedium sind Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Luft besonders geeignet.
-
In der Stellung, in der sich der Kolben 1, 2 im oberen Totpunkt befindet, durchläuft sein Dorn 15 den jeweiligen Wärmetauscher 10, 11 über die gesamte Höhenabmessung des Wärmetauschers 10, 11, wobei der Dorn 15 den bidirektionalen Durchgang 9 verschließt. Es ist nicht erforderlich, dass sich der Dorn 15 in der Mitte der Aussparung 12 oder des Zylinders 3, 4 befindet, oder dass er so hoch wie der Rand des Kolbens 1, 2 ist, je nach der Wahl der Formen und der Anordnung der Motorelemente kann er z. B. höher sein, wie auch in den Figuren dieser beispielhaften Ausführungsform gezeigt.
-
In einer optimalen Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den Figuren beispielhaft dargestellt ist, sind die Wärmetauscher 10, 11 im Arbeitsraum der Zylinder 3, 4 so angeordnet, dass ihr oberer Teil eng an der Stirnseite der Zylinder 3, 4 aufliegt und die Wärmetauscher 10, 11 im oberen Totpunkt der Kolben 1, 2 vollständig in die Aussparung 12 der Kolben 1, 2 hineinpassen, mit einem Umfangsspalt 18, der für die Strömung des Arbeitsmediums während der Bewegung der Kolben 1,2 erforderlich ist. In der gezeigten optimalen Ausführungsform der Erfindung sind die unidirektionalen Auslässe 13 von den Zylindern 3, 4 zum Regenerator 8 oberhalb des Kolbens 1, 2 angeordnet und die Kolben 1, 2 sind so dimensioniert und geformt, dass im oberen Totpunkt des jeweiligen Kolbens 1, 2 der unidirektionale Auslass 13 am Kolben 1, 2 geschlossen ist. So ist in der oberen Position des ersten Kolbens 1 im Expansionszylinder 3 der unidirektionale Auslass 13 des Expansionszylinders 3 geschlossen und in der oberen Position des zweiten Kolbens 2 im Kompressionszylinder 4 ist der unidirektionale Auslass 13 des Kompressionszylinders 4 geschlossen. In dem gezeigten Beispiel sind die Stirnflächen der Zylinder 3, 4 und die Oberseiten der Kolben 1, 2 eben, aber das ist keine Bedingung; sie können z. B. konvex, konkav oder anders geformt sein, aber sie passen in ihrer Form zueinander.
-
Für den erfindungsgemäßen Motor ist es optimal, Lamellenwärmetauscher 10, 11 mit Flüssigkeitskreislauf für die Zylinder 3, 4 zu wählen, die konstruktiv an die Form und die Abmessungen der Aussparungen 12 in den Kolben 1, 2 und an die Form und die Position der Dorne 15 angepasst sind, wie in den 5 und 6 gezeigt.
-
Die Erfindung betrifft ferner die Gewährleistung einer optimalen Bewegung der Kolben 1, 2. Die erfindungsgemäßen Kolben 1,2 haben im Gegensatz zum klassischen Stirlingmotor vom Alpha-Typ parallele Achsen. Um die gewünschte Bewegung zu erreichen, sind sie vorzugsweise mit einem Nockenmechanismus vom Typ Heben-Senken-Verweilen ausgestattet. Die Nocken 19, 20 des Nockenmechanismus sind mechanisch gekoppelt, so dass sie sich in die gleiche Richtung und mit der gleichen Anzahl von Umdrehungen drehen können, z. B. durch Kopplung auf einer Welle oder, wie im gezeigten Beispiel, mit Hilfe von zwei Wellen 21, 22 und einem Riemen 23. Die Kolben 1, 2 sind mit dem Nockenmechanismus verbunden, z. B. über Rollen 24, 25.
-
Die Umwälzung der Flüssigkeit im Flüssigkeitskreislauf der Wärmetauscher 10, 11 wird in herkömmlicher Weise durch die Pumpe 26 sichergestellt.
-
Ein konkretes Beispiel für den Motorbetrieb ist in den Beispielen der einzelnen Motorphasen in 3 und 4 dargestellt und ist wie folgt.
-
3 A zeigt den Zustand des Motors in den Endstellungen der Kolben 1, 2. Der erste, heiße Kolben 1 befindet sich oben, im oberen Totpunkt, der zweite, kalte Kolben 2 befindet sich unten. Der Nockenmechanismus, konkret der in 3 A rechts dargestellte Nocken 20, sorgt dafür, dass die Kolben 1, 2 für eine kurze Zeit in dieser Stellung verweilen. In der Stellung, in der sich der erste Kolben 1 im oberen Totpunkt befindet, durchläuft sein Dorn 15 den ersten Wärmetauscher 10 über die gesamte Höhenabmessung des ersten Wärmetauschers 10 und verschließt den bidirektionalen Durchgang 9 vom Expansionszylinder 3. Der bidirektionale Durchgang 9 des Kompressionszylinders 4, der sich oberhalb des zweiten Kolbens 2 befindet, ist offen. Der unidirektionale Auslass 13 vom Expansionszylinder 3 zum Regenerator 8 verschließt die Oberkante des ersten Kolbens 1. Ein unidirektionaler Verschluss 14 verschließt den unidirektionalen Auslass 13 vom Kompressionszylinder 4. Die Strömung des Arbeitsmediums wird gestoppt.
-
in 3 B verbleibt der erste, heiße Kolben 1 im oberen Totpunkt und verschließt den Verbindungskanal 7 auf der Seite des Expansionszylinders 3, während sich der zweite Kolben 2 nach oben bewegt. Bei dieser Bewegung komprimiert der zweite Kolben 2 das im Kompressionszylinder 4 enthaltene gekühlte Arbeitsmedium und drückt es weiter durch den bidirektionalen Durchgang 9 und den unidirektionalen Auslass 13 in den Verbindungskanal 7 und hier in den Regenerator 8. Wenn der zweite Kolben 2 in den oberen Totpunkt steigt, verschließt sein Dorn 15 den bidirektionalen Durchgang 9 vom Kompressionszylinder 4 und der Rand des zweiten Kolbens 2 verschließt den unidirektionalen Auslass 13 vom Kompressionszylinder 3. Der Motor geht in die nächste Phase über, wie in 3 C gezeigt.
-
In der nächsten Phase, gemäß 3 C, bewegt sich der erste Kolben 1 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. Der zweite Kolben 2 bleibt oben, in der Position des oberen Totpunktes, und verschließt den Verbindungskanal 7 auf der Seite des Kompressionszylinders 4. Das komprimierte Arbeitsmedium wird durch den Kompressionsdruck und den Sog infolge der Bewegung des ersten Kolbens 1 aus dem Verbindungskanal 7 herausgedrückt und strömt nur über den bidirektionalen Durchgang 9 in den Expansionszylinder 3. Der unidirektionale Auslass 13 des Expansionszylinders 3 wird durch einen unidirektionalen Verschluss 14, z. B. in Form einer Rückschlagklappe, verschlossen. Das Arbeitsmedium im Expansionszylinder 3 strömt in die Öffnung 17 des ersten Wärmetauschers 10 und an dessen Wärmeübertragungsflächen vorbei, d.h. zwischen dessen Rippen und durch den Spalt 18. An den Wärmeübertragungsflächen des ersten Wärmetauschers 10 wird das Arbeitsmedium erhitzt, dehnt sich aus, füllt allmählich den Arbeitsraum des Expansionszylinders 3 und drückt den ersten Kolben 1 in seine untere Endstellung. Der Motor geht in die in 4 D dargestellte Phase über.
-
Die 4 D zeigt den Zustand des Motors in den Endpositionen der Kolben 1, 2, wobei sich der erste, heiße Kolben 1 unten und der zweite, kalte Kolben 2 im oberen Totpunkt befindet. Der Nockenmechanismus, konkret der in 4 D links dargestellte Nocken 19, sorgt dafür, dass die Kolben 1, 2 für eine kurze Zeit in dieser Stellung verweilen. In der Stellung, in der sich der zweite Kolben 2 im oberen Totpunkt befindet, durchläuft sein Dorn 15 den zweiten Wärmetauscher 11 über die gesamte Höhenabmessung des zweiten Wärmetauschers 11 und verschließt den bidirektionalen Durchgang 9 vom Kompressionszylinder 4. Der bidirektionale Durchgang 9 des Expansionszylinders 3, der sich oberhalb des ersten Kolbens 1 befindet, ist offen. Der unidirektionale Auslass 13 vom Kompressionszylinder 4 zum Regenerator 8 verschließt die Oberkante des zweiten Kolbens 2. Ein unidirektionaler Verschluss 14 verschließt den unidirektionalen Auslass 13 vom Expansionszylinder 4. Die Strömung des Arbeitsmediums wird gestoppt.
-
Anschließend bewegt sich der erste Kolben 1 nach oben und gleichzeitig der zweite Kolben 2 nach unten, wie in 4 E dargestellt. Im Expansionszylinder 3 bewegt sich bei der Aufwärtsbewegung des ersten Kolbens 1 der Dorn 15 von unten durch die Öffnung 17 allmählich nach oben und drückt das Arbeitsmedium nach oben. Das durch den ersten Wärmetauscher 10 erwärmte Medium strömt vom Expansionszylinder 3 durch den unidirektionalen Auslass 13 und den bidirektionalen Durchgang 9 in den Verbindungskanal 7 und von dort in den Regenerator 8.
-
Es folgt die Phase, wie in der 3 A dargestellt. Die oben genannten Phasen 3A bis 4E werden in der angegebenen Reihenfolge wiederholt.
-
Im Expansionszylinder 3 wird das Arbeitsmedium über den ersten Wärmetauscher 10 durch Wärme aus einer externen Quelle, hier als Erhitzer 5 bezeichnet, aufgeheizt, z. B. in Form eines Verbrennungsmotors, eines Ofens oder einer Solarwärmequelle. Die Wärme wird im Regenerator 8 gespeichert, der abwechselnd von der einen und der anderen Seite vom Arbeitsmedium durchströmt wird. Im Kompressionszylinder 4 wird die Wärme vom Wärmeträger zum zweiten Wärmetauscher 11 übertragen und von dort über den Kühler 6 nach außen abgeführt. Der größte Wärmeeintrag nach außen erfolgt, wenn sich der zweite Kolben 2 nach unten bewegt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- erster Kolben
- 2
- zweiter Kolben
- 3
- Expansionszylinder
- 4
- Kompressionszylinder
- 5
- Erhitzer
- 6
- Kühler
- 7
- Verbindungskanal
- 8
- Regenerator
- 9
- bidirektionaler Durchgang
- 10
- erster Wärmetauscher
- 11
- zweiter Wärmetauscher
- 12
- Aussparung
- 13
- unidirektionaler Auslass
- 14
- unidirektionaler Verschluss
- 15
- Dorn
- 16
- Boden
- 17
- Öffnung
- 18
- Spalt
- 19, 20
- Nocken
- 21, 22
- Welle
- 23
- Riemen
- 24, 25
- Rolle
- 26
- Pumpe
