DE2235296C2 - Wärmekraftmaschine für den Stirling-Prozess - Google Patents

Description

— Halterungen (18, 44) zum flexiblen Abstützen der Maschine, derart, daß ihre Bauteile entlang ,₅ der Achse zu schwingen vermögen, die durch die heiße (H) und die kalte Kammer (C) verläuft, während sie in radialer Richtung federnd gehalten sind,

— Absi» Jimeinrichtungen (19, 46, 47, 54) zum schwingungstechnischen Abstimmen der Maschine derart, daß ihre Teile im Betrieb in einer für den Stirling-Prozeß geeigneten Weise gegeneinander schwingen.

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2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß ein Verdrängerkolben (4b) in einem Zylinder (3b) zwischen der heißen Kammer (H) jo und de-taken Kammer (C)angeordnet ist,

— daß flexible Halterungen (Sb) den Verdrängerkolben (4b)der&n abstützen, daß er entlang der genannten Achse zu schwingen vermag, und

— daß ein Arbeitskolben (5^), der durch flexible Teilstücke (\6b) mit dem Zylinder (3b) verbunden ist, einen Teil der Endwand des Zylinders (3b) an der kalten Kammer (C)bildet.

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Umwandeln der Schwingbewegungen der Bauteile der Maschine in nutzbare Arbeit in Form eines mit der Maschine verbundenen elektromechanischen Wandlers (11).

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmekraftmaschinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Die GB-PS 12 52 258 bezieht sich auf eine solche Wärmekraftmaschine, die mit heißen und kalten Kammern von variablem Volumen ausgestattet ist, welche über einen Regenerator untereinander verbunden sind, wobei jede der Kammern einen flexiblen Aufbau aufweist, der in der Lage ist, wiederholte Verlagerungen bzw. Abbiegungen auszuführen. Elastische Kupplungseinrichtungen sind vorgesehen, um Seitcnteilstücke der heißen und kalten Kammer zu „verbinden, wobei diese Seitenteilstücke mit Hilfe des flexiblen Aufbaus beweglich sind. Die elastischen Kupplungsmittel übertragen Kräfte zur Aufrechterhaltung einer hin und her gehenden Verdrängung von Gas zwischen den Kammern, und die Bauteile der Maschine werden so abgestimmt, daß sie in richtiger Phasenbezieh'ung entsprechend den durch die Kupplungseinrichtungen übertragenen Kräften schwingen.

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65 Verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung erbringen Verbesserungen der Maschine nach der GB-PS 12 52 258.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine für den Stirling-Prozeß zu schaffen, die sehr lange Zeit ohne Bedienung und Wartung laufen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wob, \ weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen zu entnehmen sind.

Die Bauteile der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine sind mechanisch praktisch verschleißfrei und in der Konstruktion einfach im Hinblick auf die Art und Weise, wie die Kraftrückkopplung erzielt wird, um einen kontinuierlichen Betrieb der Maschine aufrechtzuerhalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Dabei zeigt

F i g. 1 schematisch einen Schnitt einer Maschine gemäß der Erfindung,

F i g. 2 bis 5 je eine Abänderungsform der Maschine nach F i g. 1 und

Fig. 6 schematisch einen Schnitt einer Alternativ-Ausführungsform.

In den Figuren «verden für gleiche Feile die gleichen Bezugsziffern verwendet, wobei in den F i g. 2 bis 5 teilweise die Buchstaben a bis c/angefügt sind.

Wie aus Fi g. 1 hervorgeht, weist eine Stirlingzyklus-Wärmekraftmaschine 1 eine heiße (H)und eine kalte (C) Kammer von veränderbarem Volumen auf, die über einen ringförmigen Regeneratorspalt 2 untereinander in Verbindung stehen, über welchen Helium zwischen den Kammern H. C in hin und her gehender Weise verdrängt wird. Ein geschlossener Behälter 3 von Zylinderform ist vorgesehen, und ein Gasverdränger-Kolbenbauteil 4 sowie ein gasbetätigter Kolbenbauteil 5, beide von hohler Form, sind ^;i Tandemanordnung innerhalb des Behälters 3 vorgesehen. Radial angeordnete flexible Anker 6 stützen den Kolbenbauteil 4 innerhalb des Behälters 3 flexibel ab. und flexible Halterungen 18 sind vorgesehen, damit die Bauteile 4, 5 aufeinander zu und voneinander weg um eine durch beide Bauteile hindurch verlaufende Achse schwingen können (wie durch die Pfeile 8,9 angedeutet und weiter unten beschrieben wird). Die heiße Kammer H wird zwischen dem Verdränger-Kolbenbauteil 4 und der benachbarten Endwand 10 des Zylinders 3 gebildet, während die kalte Kammer C zwischen benachbarten Endteilen der Kolbenbauteile 4, 5 gebildet wird. Ein elektromechanischer Wandler 11 mit einer Magnet- und Spulen-Bauteilgruppe ist zum Umwandeln der Schwingbewegung des Kolbenbauteils 5 in nutzbare elektrische Arbeit vorgesehen.

Im einzelnen sind eine Radioisotop-Wärmequelle 12 zum Erwärmen des Heliums in der heißen Kammer H und eine Kühlvorrichtung 13 zum Abziehen von Wärme aus dem Helium in der kalten Kammer C vorgesehen. Die Anker 6 sind in zwei Gruppen vorhanden. Die Anker 6 jeder Gruppe stehen im gleichen Abstand [voneinander und erstrecken sich radial vom Kolbenbautcil 4 nach den Enden von rohrförmigen Verlängerungen 14, die radial nach außen vom Behälter 3 vorragen.

Zwei Gruppen von Ankern 7 erstrecken sich radial nach außen von einer hohlen Betätigungsstange 15, die sich in den Kolbenbauteil 5 hinein erstreckt, nach dem Mantel des Kolbenbauteils 5, um letzteren außer

Reibungskontakt mit dem Behalter 3 zu halten.

Die Stange 15 erstreckt sich in Längsrichtung durch die Endwand 16 des Behälters 3 und ist an der Endwand durch einen Flansch 17 befestigt. Der Behälter 3 wird an seinen Enden durch flexible Halterungen 18 gehalten, so daß er reibungsarm hängt bzw. »schwimmt«. Da die Betätigungsstange 15 am Behälter 3 befestigt ist, bewegen sich beide zusammen hin und her.

Eine Abstimmeinrichtung 19 ist in Form einer Zusatzmasse ii.ierhalb des Kolbenbauteils 4 über radial angeordnete Abstimmfedern 20 aufgehängt. Diese Innenanordnung der Federn 20 hat den Vorteil, daß sie nicht zu einem Widerstand für die Gasströmung zwischen den Kammern H, C führt. Kann jedoch ein gewisser Widerstand gegenüber dieser Gasströmung zugelassen werden, so können auch Abstimmfedern verwendet werden, die außerhalb des Kolbenbauteils 4 angeordnet sind. Beispielsweise können flache Federn verwendet werden, die an den Enden des Kolbenbauteils 4 angeordnet werden.

Der elektromechanische Wandler 11, der aus einer Magnet- und Spulen-Bauieiigruppe besteht, weist eine bewegliche Spule 21 auf, die von der Stange rJ getragen wird und im Ringspalt 22 eines Topfmagneten 23 beweglich ist. Es kann jedoch auch eine Bauteügruppe mit beweglichem Eisen anstelle der Bauteügruppe mit beweglicher Spule verwendet werden.

Im Betrieb wird kontinuierlich Wärme auf das Helium in der heißen Kammer H mittels der Wärmequelle 12 Obertragen und aus der kalten Kammer C mittels der Kühlvorrichtung 13 abgezogen. Das Helium wird veranlaßt, sich zwischen den Kammern H. C über den Regeneratorspait 2 in einer hin und her gehenden Weise durch Schwingungen des Verdränger-Kolbenbauteils 4 und mit einer zyklischen Änderung von Temperaturen und Druck /u bewegen. Der Arbeits-Kolbenbauteil 5 wird veranlaßt, durch Druckändsrungen. die im verdrängten Gas auftreten, zu schwingen. Die Kolbenbauteile 4, 5 schwingen mit einer Differenz in der Phase. Wenn die Amplituden der Schwingung der Kolbenbauteile 4, 5 nicnt groß genug sind, um sich zu überlappen, dann ist der Leistungsausgang maximal, wenn die Bewegungen des Kolbenbauteils 5 denen t'es Kolbenbauteils 4 um 90° nacheilen. Sollten sich die Amplituden jedoch überlappen, nämlich dann, wenn die Volumenänderungen der heißen und kalten Kammer H. Cgieich sind (wie beim vorliegenden Beispiel), dann ist die optimale Phasennacheilung 45 . Die Gasdrücke in jeder der Kammern H. Csind stets im wesentlichen gleich und steigen zusammen an und fallen zusammen ab, in dem Maße, wie das Gas abwechselnd erwärmt und abgekühlt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Wirkflächen der Kolbenbauteile 4,5 gleich sind.

Der relativ kleine Regeneratorspalt 2, der zwischen dem Behälter 3 und dem Kolbenbauteil 4 gebildet wird, dient auch als Gasströmungsweg zwischen der heißen und der kalten Kammer //. C Diese einfache Form eines Regenerators arbeitet durch Abgeben von Wärme an die benachbarten Oberflächen des Kolbenbauteils 4 und des Behälters 3 und durch Abziehen von Wärme aus diesen.

Durch das Schwingen des Kolbenbauteils 5 und des «!Behälters 3 wird eine Schwingung der beweglichen Spule 21 im Ringspalt 22 des Magneten 23 verursacht. Dies führt zur Erzeugung eines elektrischen Wechselstromes, der dazu verwendet werden kann, nützliche Arbeit zu leisten. Da die Wärmequelle 12 ein Radioisotop ist, kann Ue Maschine eine sehr lange Lebensdauer haben und braucht nur eine geringe oder keine Wartung während ihrer Lebensdauer. Um in der Praxis die Maschine in Betrieb zu halten, muß e-n gewisser Teil der beim Bewegen der Stange 15 abgegebenen Energie an die Maschine zurückgegeben werden.

Eine Rückkopplung kann z. B. durch die in F i g. 1 dargestellte Anordnung erzielt werden, wobei eine Schwingung des G asverdranger- Kolbenbauieils 4 durch Rückführung einer Kraft vom Kolbenbauteil 5 aufrechterhalten wird.

Wie in F i g. 1 dargestellt, ist ein Magnet 24 in die eine Endfläche des Kolbenbauteils 4 eingebaut, und ein Teil 25 aus magnetischem Material ist in die benachbarte Endfläche des Kolbenbauteils 5 eingebaut, so daß das Teil 25 in Richtung auf den Magneten 24 angezogen wird. Wenn somit der Gasdruck in der kalten Kammer C abfällt und der Kolbenbauteil 4 uch in Richtung auf den Kolbenbauteil 5 bewegt, dann sind magnetische Kräfte in der Weise wirksam, daß sie diese Bewegung beschleunigen, die außerdem die Vi- jrängung von Gas

in uic iiciijc näiiiiucr 11 ucSCmcünigt.

Der Magnet 24 und das Teil 25 berühren sich in Wirklichkeit niemals, da die Tendenz, die Koibenbautei-Ie 4 und 5 einander anziehen zu lassen, durcn die Zugspannung in den flexiblen Ankern 6 begrenzt wird, die dann federnd nachgiebig wirksam sind, um den Kolbenbauteil 4 zurück in Richtung auf die heiße Kammer H zu ziehen, und somit das Bestreben haben, die Kolbenbauteile 4 und 5 voneinander weg zu bewegen. In dem Maße, wie der Kolbenbauteil 4 zurück in Richtung auf die heiße Kammer // gezogen wird, verdrängt er Gas aus dieser Kammer in die kalte Kammer C, und sobald er das Ende seines Hubs erreicht, wird die Zugspannung in den flexiblen Ankern 6 wirksam, um ihn in Richtung auf die kalte Kammer C zurückzuziehen, um Gas aus dieser Kammer zu verdrängen und um den Magneten 24 und das Teil 25 wieder einander zu nähern, woraufhin der Zyklus wiederholt wird.

Die Wirkung des Magneten 24 kann durch Einreglung vor. Nebenschluß- ode Reihenspalten verändert werden, welche in den Magnetkreis eingebaut werden. Diese Spalten können dazu gebracht werden, daü sie sich mit der Lage des Arbeits-Kolbenbauteils 5 relativ zur Maschinenbefestigung ändern.

Der Arbeits-Kolber.bauteil 5 wird nach außen durch einen Anstieg des Gasdrucks innerhalb des Behälters 3 verschoben. Diese Verschiebung bzw. Verlagerung bewirkt eine gleichzeitige und entsprechende Verlagerung der Stange 15 und des Behälters 3. bis die Zugspannung in den Halterungen 18 am »heißen« Ende der Maschine den Behälter 3. die Stange 15 und den KolbMibauteil 5 in der entgegengesetzten Richtung zurückzieht. Die Gasdruckänderungen am Kolbenbauteil 5 plus der Zug. pannung in den Halterungen 18 am »kalten« Ende der Maschine veranlassen dann diese Komponenten, die Richtung erneut umzukehren. Die gesamte Maschine wird so abgestimmt, daß die Kolbenbauteile 4 und 5 mit der gewünschten Phasendifferenz schwingen.

Die Kölbenbauteile 4,5 brauchen nicht durd> radiale '-Anker gehalten zu werden. Sie können-beispielsweise durch Flachfedern an ihren Enden abgestützt werden.

Wie aus F i g. 2 hervorgeht, kann die Maschine auch in einer aufrechten Lage angeordnet werden. Geschieht dies, so kann dem zweiten Kolbenbauteil 5a die Möglichkeit gegeben Werden, an einer langen Feder 30

frei zu hängen, die am Kopf des Kolbenbauleils 5a und an der Endwand 16 des Behälters 3 befestigt ist und sich zwischen diesen erstreckt. Die Feder 30 ersetzt somit die Anker 7 und den inneren Teil der Stange 15 nach Fig. 1.

Bei der Maschine 16 befindet sich der gasbetätigte Arbeitskolben 56 nicht innerhalb des Behälters 36, sondern bildet statt dessen einen Teil der Behälter-Endwand 166. Der übrige Teil der Endwand 166 ist flexibel ausgebildet, damit dem Arbeilskolben 56 die Möglichkeit gegeben ist, in Richtung auf den Verdrängerkolben 46 und von diesem weg zu schwingen.

Bei der Maschine Ic gemäß Fig.4 ist der Kolbenbauteil 4c mit radial angeordneten zylindrischen Hohlräumen 35 an seinen Enden versehen, und flexible Halteanker 6c innerhalb dieser Hohlräume befestigen den Kolbenbauteil 4can der Wand des Behälters 3c.

Bei der Maschine \d gemäß Fig.5 weist der Kolbenbauteil 4dringförmige Endieile auf und schwingt innerhalb des Behälters 2d auf einer zentralen höhten Führungsstange 40.

Andere Abänderungsformen sind möglich, beispielsweise könnten die Relativstellungen der Kolbenbauteile 4, 5 umgekehrt werden.

Fig. 6 zeigt eine Stirlingzyklus-Maschine 41 von einfacher Konstruktion mit einer heißen Kammer H am einen Ende der Maschine und einer kalten Kammer C am anderen Ende der Maschine. Jede der heißen und kalten Kammern H. Cweist ein veränderbares Volumen auf. Ein einzelner, mittig angeordneter Regenerator 42, der sich in einem rohrförmigen Gehäuse 43 befindet, ist zwischen der heißen und der kalten Kammer angeordnet und mit diesen verbunden, um eine Zwischenverbindung zu bilden, über welche beim Betrieb der Maschine Heliumgas zwischen den Kammern in hin und hergehender Weise verdrängt wird. Radial angeordnete flexible Halterungen 44 bestehen aus Einrichtungen zum ficxibicn Abiiützcn der maschine 4i, 5O daS beim Betrieb sie als Ganzes entlang einer zentralen horizontalen Achse 45 frei schwingen kann, die durch die heiße und die kalte Kammer f/und Chindurchverläuft. Abstimmungseinrichtungen 46,47, 54 in Form von Zusatzmassen sind vorgesehen, um die Betriebsteile der Maschine 41 dazu zu zwingen, mit einer Beziehung zu schwingen, die mit dem Arbeitsprozeß der Maschine in Einklang steht.

Im einzelnen weist die äußere Wand der heißen Kammer Weine runde Endplatte 48 und die Innenwand eine flexible Membran 49 auf, die durch einen zentralen Ansatz 50 von Ringform ausgesteift ist, an welchem das -, eine Ende des Regeneratorgehäuses 43 befestigt ist. Die Innenwand der kalten Kammer Cweist eine Ringplatte 51 auf, an welcher das andere Ende des Gehäuses 43 befestigt ist. Die Außenwand der kalten Kammer C weist eine flexible Membran 52 auf, die durch einen

in zentralen Ansatz 53 versteift ist. Die Zusatzmasse 46 ist an der Endplatte 48 befestigt, während die Zusatzmasse 47 am zentralen Ansatz 53 befestigt ist. Eine zentral angeordnete Stange 15e erstreckt sich nach außen von der Endplatte 48 durch die Zusatzmasse 46 hindurch.

Die Abstimmungsmasse 54 besieht aus einer Ringplatle, die auf dem Regeneratorgehäuse 43 sitzt und an der Endplatte 51 befestigt ist.

Im Betrieb stellen die Abstimmungseinrichtungen 46, 47, 54 sicher, daß das heiße Ende (Platte 48), das kalte

2D Ende (Membran 52) und die Verdrängerieiie (Piatie 51) der Maschine 41 die gewünschten relativen Resonanzbewegungen beibehalten. Wenn auch die Stange 15eam heißen Ende der Maschine dargestellt ist, so kann sie alternativ auch am kalten Ende derselben angeordnet

2> werden, vorausgesetzt, daß die Abstimmungsmassen entsprechend eingeregelt werden.

Die Halterungen 44 sind ausreichend flexibel, um sicherzustellen, daß die verschiedenen Massen der Maschiijs 1 einander ausgleichen, wenn die Maschine

jo entlang der Achse 45 schwingt.

Bei der Anordnung nach Fig.6 kann der einzelne Regenerator der Maschine durch eine Vielzahl von Regeneratoren ersetzt werden.
Die Maschinen werden vorzugsweise aus Edelstahl

J5 hergestellt. Jedoch kann ein großer Teil jeder Maschine aus Quarz oder einem Keramikmaterial hergestellt sein.

Wenn auch das Gas, das bei der oben beschriebenen

Msschins verwendet wird. Helium ist, so ksnn *iuch irgendein anderes Gas, z. B. Stickstoff, verwendet werden, welches die Eigenschaften eines hohen Wärme-Diffusionsvermögens und niedriger Viskosität sowie geringer Masse (d. h. geringer Gasreibungseigenschaften) besitzt.

Verschiedene Merkmale der Erfindung können kombiniert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Wärmekraftmaschine für den Stirling-Prozeß mit einer heißen Kammer und einer kalten Kammer, die je ein veränderbares Volumen haben, mit mindestens einem zwischen die heiße und kalte Kammer geschalteten Regenerator zur Bildung einer Zwischenverbindung, über welche bei in Betrieb befindlicher Maschine Gas zwischen den Kammern hin und her verdrängt wird, gekennzeichnet durch