DE2707781A1 - Vorwaermer fuer den aeusseren heizkreis eines stirling-motors - Google Patents

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Anwaltsakte: GFK-2737

FORD-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, OTTOPLATZ 2, 5 KÖLN-DEUTZ

Vorwärmer für den äußeren Heizkreis eines Stirling-Motors

Im Vergleich zu einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine wird für einen Stirling-Motor gewöhnlich ein wesentlich größerer Kühler benötigt, weil dabei der praktisch überwiegende Anteil aller Wärme weniger über die Auspuffgase an die Atmosphäre abgegeben und eher dem Kühlsystem zugeleitet wird, bei welchem eben der Kühler das wesentlichste Bauelement darstellt. Ein hierbei auch eingesetzter Vorwärmer erfüllt dabei den Zweck, aus den Auspuffgasen des äußeren
Heizkreises Wärme abzuziehen und diese Wärme wieder an die
angesaugte und vergleichsweise kältere Luft abzugeben, wobei sich bis jetzt im wesentlichen die beiden folgenden

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Bauarten für solche Vorwärmer durchgesetzt haben: Bei der einen Bauart, die nach dem Gegenstromprinzip arbeitet, stehen für den Wärmeaustausch ortsfest ausgebildete Strömungskanäle zur Verfügung, die an Jedem einzelnen Arbeitszylinder angeordnet sind: Bei der anderen Bauart ist hingegen ein in Drehung versetztes Rad vorgesehen, das bei seiner Drehung abwechselnd den Auspuffgasen und der angesaugten Luft ausgesetzt wird, so daß mithin dieses Rad einen Wärraetransport hin zu dem Ort besorgt, wo die vergleichsweise kältere Luft angesaugt wird.

Bei der einen Bauart mit den ortsfesten Strömungskanälen im Gegenstromprinzip ist nachteilig, daß damit ein sehr schlechter Wirkungsgrad für den Wärmeaustausch erreicht wird. Bei der anderen Bauart solcher Vorwärmer sind andererseits ziemlich aufwendige Antriebseinrichtungen für die Drehung des Rades erforderlich, wobei die damit bereitgestellten transportablen Warmespeicherräume auch noch vergleichsweise ziemlich komplizierte Abdichtungen zwischen den Aufheizzonen und den Kühlzonen erfordern, um eine unerwünschte Vermischung der heißeren Gasströme mit den kühleren Luftströmen bei der Drehung des Rades zu verhindern. Wegen der mithin in diesen Einzelheitendoch weitgehend Übereinstimmenden Problematik sind nahezu alle diesbezügliche Verbesserungsvorschläge in der Vergangenheit aus dem Gebiet der Gasturbinen zugeflossen, ohne daß es aber bis jetzt gelungen ist, brauchbare Ergebnisse für eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades für den Wärmeaustausch mit einem minimalen technischen Aufwand zu erzielen.

Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen Vorwärmer für den äußeren Heizkreis eines St Ir ling-Motors bereitzustellen, der im Vergleich zu diesen bekannten Ausführungen mit geringeren Kosten hergestellt und unterhalten wer-

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den kann und bei dem insbesondere mit einer sowohl im Volumen als auch im Gewicht kleineren Baugröße eine verbesserte Wärmeausnutzung bei einer geringeren Gefahr für Wärmerisse und sonstigen zu Störungen führenden Materialbeanspruchungen gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen gelöst, die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführt sind. In den weiteren Ansprüchen sind bevorzugte Ausbildungen der Erfindung erfaßt, die in der Gesamtheit oder in Unterkombinationen von Jeweiligen Parametern abhängige optimale Lösungen dieser Aufgabe ergeben.

Die Erfindung ist damit hauptsächlich in den folgenden Einzelheiten besonders vorteilhaft. Es wird einerseits bei Bereitstellung ortsfesterer Strömungskanäle für eine Umkehrung der Wärmeströmung gesorgt, so daß damit anstelle dynamisch beanspruchter Dichtungen in der Abdichtwirkung weniger kritische Dichtkörper eingesetzt werden können. Es sind damit weiterhin Konstruktionen möglich, bei denen die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Kontaktzeit vergrößert und gleichzeitig auch die Geschwindigkeit der Strömungsumkehrung erhöht wird. Dabei können auch in der Bauweise und in der Betätigung wesentlich vereinfachte Ventile zur Steuerung der Strömungsumkehrung eingesetzt werden, letztlich selbst in Vielfachanordnungen, bei denen die relativ zueinander beweglichen Dichtflächen ohne besondere Schwierigkeiten sogar mit Nulltoleranzen versehen werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

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Fig. 1 eine Schemadarstellung des äußeren Heizkreises eines Stirling-Motors, bei dem ein Vorwärmer gemäß einer bevorzugten Ausführungsgrom der Erfindung verwirklicht ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht dieses Vorwärmers nach der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht derselben Einzelheit gemäß einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab eine Perspektivansicht eines Teils der in dem Vorwärmer benutzten Matrix,

Fig. 5 und 6 Schnittansichten des Vorwärmers gemäß einer alternativen AusfUhrungsform, wobei zwei verschiedene Arbeitsstellungen gezeigt sind,

Fig. 7 und 8 eine Schnittansicht und die zugehörige Seitenansicht des äußeren Heizkreises eines Stirling-Motors, bei reichem der Vorwärmer nach den Fig. 5 und 6 verwendet werden kann,

Fig. 9 und Io eine Schnittansicht eines Steuerventils mit eingebauter Vorwärmer-Matrix, wobei zwei verschiedene Arbeitsstellungen gezeigt sind,

Fig. 11 und 12 das Strömungsbild in zwei verschiedenen Arbeitsphasen eines äußeren Heizkreises, bei dem Ventile der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Art verwendet sind,

Fig. 13 eine Perspektivansicht eines weiteren äußeren Heizkreises für einen St irling-Motor, bei dem nur ein solches Ventil nach den Fig. 9 und 10 verwendet ist,

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Fig. 14 eine der Pig. 13 entsprechende Perspektivansicht eines äußeren Heizkreises, bei dem jedoch eine Vielzahl dieser Ventile verwendet ist,

Fig. 15 und 16 zwei weitere äußere Heizkreise in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung und

Fig. 17 und 18 das Strömungsbild in zwei verschiedenen Arbeitsphasen des äußeren Heizkreises der Fig. 15.

Bei dem äußeren Heizkreis gem. Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Vorwärmers A gezeigt, der dabei an ein Gebläse B angeschlossen ist, mittels welchem Luft durch den Vorwärmer A hindurch einer Verbrennungseinheit C über einen Strömungsweg D zugeführt wird, der zwei abwechselnd zueinander über den Vorwärmer A an das Gebläse B angeschlossene Zuleitungskanäle D-I und D-2 umfaßt. An die Verbrennungseinheit C sind andererseits zwei ebenfalls abwechseln zueinander über den Vorwärmer A an ein gemeinsames Auslaßrohr E-3 angeschlossene Auslaßkanäle E-I undE-2 angeschlossen, über welche die verbrannten Gase hin zur Atmosphäre entlassen werden.

Der Vorwärmer A umfaßt wenigstens zwei für einen Wärmeaustausch eingerichtete Matritzen 10 und 11, die bei dieser Ausführungsform zu beiden Seiten einer mittleren Trennwand 12 eines diese Matritzen gemeinsam aufnehmenden Gehäuses 16 angeordnet sind. Jede der beiden Matritzen 10 und 11 ist zur Bereitstellung einer Vielzahl von Durchströmkanälen einerseits für die mittels des Gebläses B durch die Matritzen hindurchgedrückte Luft und andererseits für die aus der Verbrennungseinheit C ausgestoßenen Verbrennungsgase perforiert ausgebildet und dazu eingerichtet, daß sie einmal aus diesen heißeren Verbrennungsgasen Wärme absorbieren und andererseits diese absorbierte Wärme an die verhältnismäßig kühlere Luft im Gegenstromprinzip

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abgeben. Dabei ist Jede der beiden Matritzen durch eine Steuereinrichtung abgestützt, die ein beiden Matritzen gemeinsames Gehäuse umfaßt und als ein Ventil arbeitet, indem in einen im wesentlichen rechteckigen Hohlraum 14 verhältnismäßig geringer Höhe 15 das vorerwähnte Gehäuse 16 verschieblich eingesetzt ist. Damit können durch eine Verschiebung des Gehäuses 16 nach der einen oder nach der anderen Seite entsprechend der in Fig. 1 eingezeichneten Doppelpfeile die beiden Matritzen 10 und 11 abwechselndmit den beiden Einlaßkanälen D-I und D-2 und in entsprechender Weise abwechselnd mit den beiden Auslaßkanälen E-I und E-2 in Verbindung gebracht werden, so daß damit besondere äußere Ventile eingespart werden.

Das die verhältnismäßig geringe Profilhöhe 15 aufweisende Gehäuse 16 ist bevorzugt zweiteilig ausgebildet, damit die beiden Matritzen 10 und 11 entsprechend einfach in die Hohlräume 17 eingesetzt werden können. Die Matritzen sind dabei so dimensioniert, daß sie mit ihrer größten Abmessung in der Verschieberichtung des Gehäuses 16 ausgerichtet sind und dabei dann zwischen dem Mittelsteg 12 und den Wänden 18 dea Gehäuses 16 fest eingepreßt sind. Das Gehäuse 16 weist gegenüberliegende Dichtflächen I9 und 20 auf, die mit entsprechenden Dichtflächen 23 und 24 des Gehäuses I3 zusammenwirken. Die Dichtflächen 23 und 24 stellen mithin eigentliche Ventilsitze für das mit seinen Dichtflächen I9 und 20 alsVentil ansprechbare Gehäuse 16 dar, durch dessen Verschiebung in der einen oder in der anderen Richtung die beiden Innenräume 17 abwechselnd mit den Kanälen D und E in Verbindung gebracht werden können. Indem die zusammenwirkenden Dichtflächen der beiden Gehäuse 13 und 16 plan ausgeführt sind und für das Gehäuse 16 nur eine translatorische Bewegung vorgesehen ist, können an dieser Stelle äußerst enge Passungstoleranzen eingehalten werden, die eine optimale Abdichtung ermöglichen. Für eine besonders gün-

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stige Abdichtung kann dabei noch entsprechend der in Fig. 2 gezeigten Einzelheit ein besonderes Gehäuseteil 25 vorgesehen sein, das für die Anlage seiner Dichtfläche 27 an die Dichtfläche 19 des Gehäuses 16 durch Federn 26 vorgespannt ist, welche sich mit dem einen Ende 26a an dem Gehäuse 13 und mit dem anderen Ende 26b an dem Gehäuseteil 25 abstützen. Es ist alternativ dazu auch möglich, entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Einzelheit die beiden Teile 30 und 31 des Gehäuses 16 für einen wechselseitigen Übergriff auszubilden. Ein an dem einen Gehäuseteil 31 ausgebildeter Steg 32 wirkt dabei mit einem dieses Gehäuseteil übergreifenden Steg 33 des anderen Gehäuseteils 30 zusammen, um in axial fluchtenden Bohrungen eine Druckfeder 50 aufzunehmen, welche die beiden Gehäuseteile 30 und 31 spreizt und damit deren Dichtflächen 19 und 20 in eine entsprechend verstärkte Berührung mit den Dichtflächen 23 und 24 des Gehäuses I3 drückt. Solche Stege 32 und 33 sind dabei selbstverständlich an beiden Enden des Gehäuses 16 ausgebildet, so daß ein Kippmoment verhindert wird, und in Abhängigkeit von der Größe des Gehäuses 16 können an den Stegen 32 und 33 auch mehrere axial fluchtende Bohrungen für eine jeweilige Mehrfachanordnung solcher Druck federn 50 ausgebildet sind, damit eine wirklich dichte Anlage praktisch mit einer Nulltoleranz der beiden Gehäuseteile 30 und 31 an dem umgebenden Gehäuse I3 erreicht wird. An den Stegen 32 und 33 sind im übrigen noch die einander übergreifenden und zueinander parallelen Stegflächen 32a und 33a über einen O-Ring 34 gegeneinander abgedichtet, der in eine umlaufende Nut 35 der einen Stegfläche 32a eingefügt sind, während die dazu quer ausgerichteten und ebenfalls zueinander parallelen Stegflächen 32b und 33b einen durch die Spreizkraft der Druckfedern 50 festgelegten gegenseitigen Abstand voneinander einhalten . Damit bei einer Vormontage des Gehäuses 16 die beiden Gehäuseteile 30 und 31 durch die Druckfedern 50 nicht voneinander weggedrückt werden, ist noch eine

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Halteklammer j56 an dem einen Gehäuseteil J>0 festgeschraubt, um so an diesem Gehäuseteil das durch die Druckfedern 50 auseinandergesprizte andere Gehäuseteil J>\ zu halten. Sobald das Gehäuse 16 in das Gehäuse \J> des äußeren Heizkreises A eingebaut ist, wird diese Halteklammer 36 entfernt, damit dadurch nicht die Arbeitsweise der durch dieses Gehäuse 16 bereitgestellten Steuereinrichtung beeinträchtigt wird.

Die Verschiebung des Gehäuses 16 und damit der beiden Matritzen

10 und 11 in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Doppelpfeile ist mittels einer nicht näher gezeigten äußeren Betätigungseinrichtung möglich, die entweder mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch so angetrieben wird, daß damit eine intermitierende und ^kontinuierliche Umkehrung der Wärmeströmung gesteuert wird. In dieser Hinsicht gilt für die in Fig. 1 festgehaltene Stellung des Gehäuses 16, daß dabei die durch das Gebläse B zugeleitete Luft über die eine Matritze

11 und den einen Einlaßkanal D-2 die Verbrennungseinheit C des äußeren Heizkreises A erreicht, während andererseits die dort erzeugten Verbrennungsgase über den einen Auslaßkanal E-I und die andere Matritze 10 für einen Auslaß in die Atmosphäre über das gemeinsame Auslaßrohr E-J5 abgeleitet werden. In dieser Stellung des Gehäuses 16 fluchtet also die eine Auslaßöffnung 44 am verzweigten Auslaßende der Anschlußleitung des Gebläses B an das Gehäuse XJ> mit einer gleich großen Einlaßöffnung 43 des die Matritze 11 aufnehmenden Hohlraumes 22, während gleichzeitig eine entsprechende Auslaßöffnung 41 mit der korrespondierenden Einlaßöffnung 42 des Einlaßkanals D-2 fluchtet. Die Einlaßöffnung 46 des anderen Einlaßkanals D-I ist hingegen in dieser Stellung des Gehäuses 16 durch dessen Dichtfläche I9 blockiert,und gleichartig blockiert dann die andere Dichtfläche 20 des Gehäuses 16 eine zweite Auslaßöffnung 45 der Anschlußleitung des Gebläses B. Ähnliche Verhältnisse liegen bei der Matritze 10 bezüglich der beiden Auslaß-

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kanäle E-I und E-2 vor, indem bei dieser Stellung des Gehäuses 16 die Auslaßöffnung 48 des Auslaßkanals E-I dann mit der Einlaßöffnung 47 zu dem die Matritze IO aufnehmenden Hohlraum 21 fluchtet, dessen entsprechende Auslaßöffnung 49 dann mit einer korrespondierenden Einlaßöffnung 50 des gemeinsamen Auslaßrohres E-3 fluchtet. Der andere Auslaßkanal E-2 ist andererseits dann durch die beiden Dichtflächen I9 und 20 des Gehäuses 16 für eine Verbindung mit dem gemeinsamen Auslaßrohr E-3 blockiert. Indem die maßgeblichen Auslaßöffnungen 44 und 45 der Anschlußleitung des Gebläses B und die Einlaßöffnungen 42 und 46 der beiden Einlaßkanäle D-2 und D-I bei dieser Ausbildung nur einen sehr geringen Abstand voneinander einzuhalten brauchen, um die beiden Matritzen 10 und 11 abwechselnd für eine Hindurchleitung der Luft an das Gebläse B anzuschliessen bzw. gleichfalls abwechselnd für eine Ausleitung der Verbrennungsgase aus der Verbrennungseinheit C über das gemeinsame Auslaßrohr E-3 in die Atmosphäre, braucht für das Gehäuse 16 nur ein entsprechend minimaler Verschiebeweg bereitgestellt zu werden. Die zusammenwirkenden Dichtflächen sind mithin nur einer statischen Beanspruchung unterworfen, was in Verbindung mit der vorgesehenen intermitierenden und diskontinuierlichen Bewegung des Gehäuses 16 bei gleichzeitiger Vermeidung einer Bewegung während der primären Strömungsperiode die bereits erwähnte Möglichkeit ergibt, die zusammenwirkenden Dichtflächen mit einer Nulltoleranz auszubilden. Diese Nulltoleranz kann besonders dadurch sehr einfach aufrecht erhalten werden, daß entsprechend der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausbildungen besondere Druckfedern 26 bzw. 50 vorgesehen sind, ua dl· zusammenwirkenden Dichtflächen in eine hinrelohend enge Berührung zu drücken. Mithin 1st in diesen Einzelheiten eine Konstruktion verwirklicht, bei welcher durch die Vermeidung eines Reibungskontaktes irgendwelche Verschleißprobleme nicht auftreten, so daß Insbesondere auch der kritische Arbeitsbereich bei höheren Temperaturen damit völlig be-

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herrscht wird. Insbesondere kann mit dieser Konstruktion kein Wärmeverlust auftreten und auch nicht ein Verdünnungseffekt aufgrund größerer Mengen an eventuell eingefangener bzw. bei der Strömungsumkehrung zurückgehaltener Luft, wobei diesbezüglich ja gilt, daß diese Strömungsuinkehrung durch die über eine minimale Wegstrecke bewirkte Bewegung des Gehäuses 16 bzw. damit gleichwertig der beiden Matritzen 10 und 11 erreicht wird, so daß als hierbei zu berücksichtigendes Leckage-Volumen allenfalls die äußeren Enden der beiden Hohlräume 21 und 22 in Betracht kommen, deren effektives Volumen aber wegen der geringen Profilhöhe 15 des Gehäuses 16 minimal klein ist.

Für die Fertigung der beiden Matritzen 10 und 11 eignen sich insbesondere Materialien aus der Gruppe der Lit^Lum-Aluminium-Silikate oder der Magnesium-Aluminium-Silikate bzw. anderer äquivalenter keramischer Materialien. Weil in der beschriebenen Anordnung die Matritzen praktisch keinen mechanischen Beanspruchungen unterworfen sind, ist es alternativ dazu auch möglich, die Matritzen entsprechend der Fig. 4 aus einer Vielzahl lose geschütteter Kugeln 51 zu bilden, die in einem Käfig 52 aufgenommen sind. Der Käfig 52 ist dabei entweder aus miteinander verflochtenen Drähten oder aus perforierten Blechen gebildet, und die Kugeln 51 bestehen bevorzugt auch hierbei aus einem den damit bezweckten Wärmeaustausch besonders begünstigenden keramischen Material, wobei die Kugelform unter dem Gesichtspunkt besonders vorteilhaft ist, daß dadurch die hindurchgeleiteten Verbrennungsgase eine für die Wärmeabgabe besonders günstige Streuung erfahren. Weil soibhe Kugeln 51 praktisch nur eine gegenseitige Punktberührung haben, kann damit also eine enorm große Vielzahl vereinzelter Strömungswege für die hindurohgeleiteten Verbrennungsgase bereitsgestellt werden, so daß ein enorm günstiger Wirkungsgrad für die Wärmeabgabe erreicht wird. Das Ausmaß dieser Wärmeabgabe kann andererseits

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dadurch auf einen gewünschten Wert gesteuert werden, daß die Kugeln 5I eine entsprechende Größe erhalten.

An dieser Stelle sei noch besonders darauf hingewiesen, daß wegen der praktisch plattenförmigen Ausbildung der für den Wärmeaustausch maßgeblichen Matritzen des Vorwärmers das wirksame Volumen einer einzigen Matritze verhältnismäßig klein ist. Um daher für den praktischen Betrieb eines Störling-Motors eine ausreichende Speicherkapazität für den Wärmeaustausch zur Verfugung zu haben, ist es erforderlich, eine entsprechend größere Vielzahl von Matritzen bereitzustellen, so daß darüber ein Gesamtvolumen zur Verfügung steht, das den gestellten Forderungen gerecht wird. Pur eine solche Vielfachanordnung der Matritzen erweist sich ein Vielfaches von Jeweils zwei Matritzen unter dem Gesichtspunkt als besonders vorteilhaft, daß damit eine gewisse Überlappung bei der Umkehrung der Wärmeströmung erreichbar ist und mithin immer wenigstens die eine Matritze jedes Matritzenpaares für eine ununterbrochene Absorption der Wärme zur Verfügung steht.

Bei der AusfUhrungsform gemäß der Fig. 5 und 6 ist die plattenförmlge Ausbildung des Vorwärmers zugunsten einer säulenform verlassen, mit der ein vergrößertes Speichervolumen der entsprechenden Matritzen 53 und 54 erreichbar ist. Die Matritzen sind auch hier wieder in ein als Schieber ausgebildetes Gehäuse 55 eingesetzt, welches wie das Gehäuse 16 mit einem umgebenden Gehäuse 56 zur abwechselnden Durchleitung der mittels eines entsprechenden Gebläses zugeleiteten Luft durch die beiden Matritzen 53 und 54 hin zu einer entsprechenden Verbrennungseinheit des zugeordneten äußeren Heizkreises eingerichtet 1st und zu einer ebenso abwechselnden Ausleitung der Verbrennungegase aus dieser Verbrennungseinheit über die beiden Matritzen hin zu einem gemeinsamen Auslaßrohr und von

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dort zur Atmosphäre. Well hierbei nicht die Möglichkeit besteht, das innere Gehäuse 55 durch gleichartige Druckfedern gegen das äußere Gehäuse an den maßgeblichen Dichtflächen vorzuspannen, tritt hierbei auch keine Nulltoleranz an diesen zueinander konzentrischen Dichtflächen 57 und 58 auf, Jedoch ist eine weitgehende Annäherung möglich, wenn diese zusammenwirkenden Dichtflächen mit hinreichend engen Toleranzen gefertigt werden. In den Fig. 5 und 6 sind zwei verschiedene Arbeitsstellungen des Gehäuses 55 gezeigt, wobei die einzelnen Strömungspfeile die verschiedenen Ströraungswege der über die Ansohlußleitung 59 zugeleiteten Luft abwechselnd über die beiden Matritzen 53 und 54 hin zu den Einlaßkanälen 6O und 61 der nicht näher gezeigten Verbrennungseinheit des Heizkreises verdeutlichen und andererseits die Strömungswege der Verbrennungsgase aus dieser Verbrennungseinheit über die entsprechenden Auslaßkanäle 62 und ebenfalls abwechselnd über die beiden Matritzen 53 und 54 hin zu dabei getrennten Auslaßrohren 64 und 65.

Bei der alternativen Ausführungsform eines äußeren Heizkreises gem. den Fig. 7 und 8 sind zwei parallel zueinander zu beiden Selten einer Verbrennungseinheit J2 angeordnete Vorwärmer 73 und 7^ vorgesehen, die gleich ausgeführt sein können wie der in den Fig. 5 und 6 gezeigte Vorwärmer. Eine solohe paarweise Anordnung der Vorwärmer erlaubt, daß die zugeordnete Steuereinrichtung nicht gleichzeitig betätigt werden muß, so daß zu keinem Zeitpunkt eine Unterbrechung in der Zuleitung der Luft und in der Ableitung der Verbrennungsgaee zu und aus der Verbrennungeeinheit J2 auftritt. Mit einem solchen Heizkreis wird Mithin eine entsprechend verbesserte Zuleitung der Luft andie bzw. an jede Verbrennungseinheit erreicht, und weiterhin werden damit die während eines Strömungsweohsels bzw. einer Umkehrung der Wärmeströmung auftretenden Stoßbelastungen des Gebläsedruckes

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verringert. Es ist damit auch möglich, bei einer vorgesehenen Mehrfachanordnung eine doch verhältnismäßig sehr kleine Baugröße für den gesamten Heizkreis zu erhalten, wobei bezüglich der Vorwärmer noch folgende konstruktive Einzelheiten im besonderen gelten.

Die beiden Vorwärmer 73 und 74 sind an ein nicht näher gezeigtes Gebläse angeschlossen, so daß die Luft über Verteilerkanäle 77 und 78 an kreisringförmige Einlaßräume 79 der beiden Vorwärmer zugeleitet werden kann. Auf der einen, aussen liegenden Seite dieser paarweise angeordneten Einlaßräume 79 sind gleichartig ausgebildete Auslaßräume 80 angeordnet, die über entsprechende Auslaßkanäle 85 an ein gemeinsames Auslaßrohr 86 für die Verbrennungsgase angeschlossen sind, während auf der anderen, innen liegenden Seite zwei weitere solcher kreisringförmlger Räume 81 angeordnet sind, die über sich verzweigende Anschlußleitungen 84a und 84b mit einem sog. Heizkopf der Verbrennungseinheit J2 Verbindung haben und zu beiden Seiten eines ebenfalls kreisringförmigen Raumes 82 liegen, der unmittelbar an die Verbrennungseinheit 72 angeschlossen ist. Die beiden Vorwärmer 73 und 74 nehmen im übrigen analog der Ausführungsform gem. den Fig. 5 und 6 Jeweils zwei entweder als Vollkörper oder als Ringkörper ausgebildete Matritzen in einer jeweiligen Tandemanordnung auf, wobei Jede Matritze eine axiale Länge hat, die über drei dieser kreisringföraigen Räume reicht, welche entlang der Vorwärmer in einem gleichen gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Mithin ist für die Arbeitsweise dieses Heizkreisea erkennbar, dafl die zentral angeordnete Verbrennungeeinheit 72 von den beiden Vorwärmern 73 und 74 ständig vorgewärmt· Luft über die Ansohlußkanäle 83 erhält, während die Verbrennungsgaae über den Heizkopf und die Auslaßkanäle 84 und das jeweilige Auslaßrohr 86 abgeführt werden. Die beiden Vorwärmer 73 und 74 arbeiten im Gegentakt

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so daß beispielsweise in der in den Fig..7 und 8 festgehaltenen Hochlage der oberen Matritze 87 des Vorwärmers 73 der Heizkopf der Verbrennungseinheit 72 über diese obere Matritze 87 und gleichzeitig über die dann in ihrer Tiefstlage befindliche untere Matritze des Vorwärmers 7^ für eine Aufwärmung dieser beiden Matritzen an das Jeweilige Auslaßrohr 86 angeschlossen ist. Die untere Matritze des Vorwärmers 73 und die obere Matritze 88 des Vorwärmers 7^ sind dann entsprechend an das Gebläse angeschlossen, so daß die Luft nach einer Vorwärmung durch diese Matritzen über die Anschlußkanäle 83 in die Verbrennungseinheit 72 einströmen kann. Der Wechsel dieser Anschlußverhältnisse der beiden Vorwärmer 73 und Jk wird intermitierend und diskontinuierlich vorgenommen, vorzugsweise unter Vermeidung einer gleichzeitigen Bewegung und insbesondere unter Vermeidung einer gleiohen Phase, so daß auf alle Fälle sichergestellt ist, daß in Jeder momentanen Schließstellung eines Ventils eine geöffnete Stellung eines anderen Ventils vorliegt und mithin die Verbrennungseinheit 72 niemals völlig abgesperrt ist. Hinsichtlich der Betätigungseinrichtung für diese Bewegung der Matritzen sollte noch gelten, daß damit eine überaus rasche Bewegungsphase durchführbar ist, damit andererseits die Aufenthaltsdauer der Matritzen in der Luftströmung und in der Strömung der Verbrennungsgase keine beachtliche Verkürzung durch diese Bewegung erfährt und mithin optimal ist.

Bei der Ausführungsform eines Vorwärmers 9I gem. der Fig. 9 und 10 ist anstelle einer hin- und hergehenden Bewegung der Matrix 90 eine Drehbewegung um eine zentrale Achse 102 verwirklicht, um damit zu einer Umkehrung der Wärmeströmung zu kommen. Die Matrix 90 ist hierbei als ein im wesentlichen rechteckiger Körper ausgebildet, der in einer die Drehachse 102 aufnehmenden Ebene satt in ein im Querschnitt kreisförmiges Gehäuse 91a eingesetzt ist, welohes in einem komple-

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mentär ausgeführten Außengehäuse 91b drehbar 1st. Das Gehäuse 91a hat wenigstens eine Einlaßöffnung 92 und eine diametral gegenüberliegende Auslaßöffnung 93, deren kürzeste Verbindung quer zu der Drehachse 102 ausgerichtet ist und die - in der in Fig. 9 festgehaltenen Anschlußstellung der Einlaßöffnung 92 an ein Gebläse 98 und der Auslaßöffnung 93 an eine Verbrennungseinheit 99 eines äußeren Heizkreises - mit zwei entsprechenden öffnungen 95 und 97 des äußeren Gehäuses 91b fluchten, um in dieser Stellung die Matritze 90 für die Durchleitung der Luft anzuordnen. In einer um 9O⁰ um die Drehachse 102 gedrehten Stellung des Gehäuses 91a fluchten die beiden öffnungen 92 und 93 mit zwei weiteren öffnungen 94 und 96 des äußeren Gehäuses 9lb, wobei dann die Matritze 90 eine Anordnung hat, welche für die Durchleitung der aus dem Heizkopf 100 der Verbrennungseinheit 99 abgeleiteten Verbrennungsgase hin zu einem Auslaßrohr 101 eingerichtet ist. In einer in Fig. 10 festgehaltenen Zwischenstellung sind alle vier öffnungen 94 bis 97 des äußeren Oehäuses 9lb durch das innere Gehäuse 9la blockiert, so daß dann also durch die Matritze 90 weder Luft noch Verbrennungsgase hindurohgeleitet werden können.

In dem Strömungebild derFig. 11 und 12 ist gezeigt, wie eine Tandemanordnung zweier solcher Vorwärmer 104 und 105 am zweckmäßigsten arbeitet. In Flg. 11 ist gezeigt, daß hierbei der Vorwärmer 104 mit seiner Matritze 90 für eine Hindurchleitung der Luft eingerichtet ist, während gleichzeitig der Vorwärmer IO5 eine Schaltstellung hat, bei welcher dessen Matritze 90 für eine Zuleitung von Luft gesperrt und stattdessen für ein· Durchleitung der Verbrennungsgase aus dem Heizkopf eingerichtet ist. Wenn hingegen ein« Umkehrung der Wärmeströmung gesteuert ist, dann 1st die Matritze 90 des Vorwärmers 104 für eine Durchleitung der Verbrennungs-

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gase eingerichtet bei dann gleichzeitiger Sperrung gegen eine Hindurchleitung der Luft, während gleichzeitig der Vorwärmer 105 mit seiner Matritze 90 dann für diese Hindurchleitung der Luft eingerichtet ist.

In Fig. 11 ist im übrigen noch gezeigt, daß bei dieser Ausführungsform eines Vorwärmers eine gewisse Menge der Verbrennungsgase zurückgehalten wird, wenn die jeweilige Matritze 90 aus der für die Durchleitung der Luft eingerichteten Stellung in die für die Durchleitung der Auspuffgase eingerichtete Stellung gedreht wird. Diese Restmenge ist durch die beiden gekreuzten Querschnittsflächen IO6 verdeutlicht, wobei es klar ist, daß der Anteil dieser Restmenge abhängt von dem durch das Gehäuse 91a zur Verfügung gestellten Freiraum. Das Zurückhalten einer solchen Restmenge der Verbrennungsgase erfüllt einmal den Zweck, eine gewisse Vorwärmung der Luft zu erreichen, bevor diese naoh einer erfolgten Umkehrung der Wärmeströmung erneut in die Matritze eintritt, und zum anderen wird damit ein gewisser VerdUnnungseffekt erzielt, indem ja ständig eine solche Restmenge der Verbrennungsgase zirkuliert wird.

Solange bei solchen drehbaren Ausführungsformen die Matritze in einer die Drehachse aufnehmenden Ebene angeordnet ist, besteht damit die Gefahr, daß bei einer Anordnung von zwei Matrltzen oder einem Vielfachen davon entlang der Drehachse ein Ungleichgewicht einerseits zwisohen den von der Luft und andererseits den von den Verbrennungsgasen durchströmten Teilräumen aufgrund der dort vorherrschenden unterschiedlichen Druokverhältnisse. In dieser Hinsieht 1st in Flg. I3 verdeutlicht, daß hierbei die oben liegenden Teilräume eines in einem äußeren Gehäuse 107 drehbaren inneren Gehäuses IO8 an ein Gebläse 109 angeschlossen sind zur Hindurohleitung der Luft durch die dort angeordnete obere Matritze hin zu

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dem Anschlußkanal 110 der Verbrennungseinheit des betreffenden Heizkreises. Gleichzeitig sind die unteren Teilräume für die Durchleitung der Luft gesperrt und stattdessen für eine Durchleitung der Verbrennungsgase durch die untere Matritze 111 aus dem Heizkopf der Verbrennungseinheit hin zu dem Auslaörohr geöffnet. Folglich gilt, daß bei einer solchen Konstruktion in den drei Querschnittsebenen X, Y und Z unterschiedliche Druckverhältnisse vorliegen, die eben das vorerwähnte Ungleichgewicht entlang der maßgeblichen Drehachse schaffen.

Ein solches Ungleichgewicht ist indessen nicht bei der in Fig. 14 gezeigten Konstruktion vorhanden. Die beiden funktionell vergleichbaren Matritzen 112 und 113 sind hierbei als Kreisscheiben ausgebildet und quer zur Drehachse satt in das Innere Gehäuse 114 eingesetzt, das auch hier in einem äußeren Gehäuse 115 drehbar 1st. Mithin trennt hierbei die obere Matritze 112 einen oberen Raum 117 von einem darunter liegenden Raum 118, so daß in einer entsprechenden Drehstellung des Gehäuses 114 über zwei diametral gegenüberliegende Einlaßöffnungen 112a von dem angeschlossenen Gebläse Luft in den oberen Raum 11? zugeleitet werden kann, um nach Hindurohleitung durch die Matritze 112 dann über den unteren Raum 118 und eine daran angeschlossene Auslaßöffnung 119 der Verbrennungseinheit des zugeordneten Heizkreises zugeführt zu werden. Durch das Gehäuse 114 sind dabei dann gleichzeitig die an den unteren Raun II8 angeschlossenen Einlaßöffnungen 122 und entsprechende Auslaßöffnungen des oberen Rauae 117 für eine Hindurohleitung der Verbrennungsgase durch die obere Matritze 112 gesperrt, da zu dieses Zeitpunkt dann ein die untere Matritze 113 einschließender Strömungsweg für die Ableitung der Verbrennungsgase bereitsteht, der durch eine zentrale Trennwand 116 räumlich von dem die Matritze 112 einschließenden Strömungsweg getrennt ist. Zu beiden

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Selten der unteren Matrltze 113 sind also ebenfalls drei entsprechende Räume bereitgestellt, die Einlaßöffnungen 120 und Auslaßöffnungen 121 für die Luft haben sowie entsprechende Einlaßöffnungen und Aualaßöffnungen 123 für die Verbrennungsgase, von welchen die letzteren bei einer Umkehrung der Wärmeströmung durch das Gehäuse 114 geschlossen werden, während dann gleichzeitig die ersteren für eine Durchleitung der Luft durch die zugeordnete Matritze 113 geöffnet werden. Bei einer solchen Umkehrung der Wärmeströmung vertauschen sich dann auch die Öffnungsverhältnisse der beiden Räume 117 und 118 zu beiden Selten der oberen Matritze 112 entsprechend, so daß also hler entlang der Drehachse ausgeglichene Druckräume vorliegen.

In den Fig. 15 und 16 ist schließlich noch die Ausführungsform eines äußeren Heizkreises gezeigt, bei dem der Vorwärmer 125 zwei ortsfest angeordnete Matritzen umfaßt, die abwechselnd zueinander in die Luftströmung und in die Strömung der Verbrennungsgase eingeschaltet werden. Es sind hierzu zwei Vierwegeventile 126 und 127 vorgesehen, die mittels zugeordneter Betätigungseinrichtungen 139 und l4o ao gesteuert werden, daß in der einen Sohaltstellung die von einem Gebläse 128 angelieferte Luft durch die eine Matritze hindurchgeleitet werden kann, während gleichzeitig die Verbrennungsgase aus dem Heizkopf 13* der Verbrennungseinheit 133 über die andere Matritze abgeleitet werden. Die Ventile 126 und 127 sind dabei also einerseits füreine Durchschaltung der im Strömungsweg der Luft liegenden öffnungen 129 bis 132 eingestellt und andererseits für eine entsprechende Durchschaltung der im Strömungsweg der Verbrennungsgase liegenden öffnungen 135 bis I38, und wird eine Umkehrung der Wärmeströmung vorgenommen, dann sind die beiden Ventile 126 und 127 für eine entsprechende Durchschaltung der dann im Strömungsweg der Luft liegenden öffnungen I29, I37, I36

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und 132 eingestellt sowie für eine entsprechende Durchschaltung der dann im Strömungsweg der Verbrennungsgase liegenden öffnungen 135, IJl, 130 und I38. Wie in Fig. 16 gezeigt, können dieselben Strömungsverhältnisse auch mit vier Dreiwegeventilen 141 bis 144 erreicht werden, die hierbei gegenüber den Vierwegeventilen wegen einer einfacheren Konstruktion zu bevorzugen sind, wobei die betreffenden Betfitigungseinrichtungen 145 eine ebenso einfache Steuerung erfahren können. Die zugehörigen Strömungsbilder der Fig. 17 und 18 zeigen schließlich noch, daß bei dieser Ausführungsform doch größere Restmengen an Verbrennungsgasen für eine entsprechend verstärkte Verdünnung bei der Umkehrung der Wärmeströmung zurückgehalten werden, was auch hler durch die gekreuzten Flachen 146 verdeutlicht 1st, so daß in dieser Hinsicht diese Ausführungsform den Ausführungsformeη entsprechend unterlegen 1st, bei denen die Matritzen selbst für die Umkehrung der Wärmeströmung bewegt werden.

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Claims (19)

PATENTANWALT DIPL.-ING. HANS-PETER GAUGER PATENTANWALT DIPL.-INC. CAUCER ' TAL 71 - SOOO MÖNCHEN 2 TAL 71 8OOO MÜNCHEN 2 TELEFON 089/29 73 63 PRIVAT: 089/93 02 41 TELEGRAMMADRESSE/ CABLE ADDRESS CAUPAT MÜNCHEN IHR ZEICHEN , YOUR REF.ι ■ ETREFPt REF.l UNSER ZEICHEN : OUR REF.ι Anwaltsakte: GFK-2757 GFK-2737 DATU M OATE : 23. Feb. 1P77 Ansprüche

1. ^Vorwärmer für den äußeren Heizkreis eines Stirling-

otors, gekennzeichnet durch wenigstens ein mit einer perforierten Matrix versehenes Wärmetauschelement, das für eine Absorption von Wärme aus heißeren Gasen und eine Abgabe der Wärme an kühlere Gase eingerichtet ist, die beide in einer bevorzugten Richtung durch die mit einer Steuereinrichtung für eine intermitierende und diskontinuierliche Umkehrung der Wärmeströmung versehene Matrix hindurchgeleitet werden.

2. Vorwärmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umkehrung der Wärmeströmung die Steuereinrichtung für eine intermittierende und diskontinuierliche Bewegung des Wärmetauschelements angeordnet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Vorwärmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung für eine Aufnahme des Wärmetauschelements eingerichtet ist.

k. Vorwärmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauschelement im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und eine quer zu der Strömungsrichtung der Gase liegende Q.uerschnittsfläche von nicht mehr als etwa 65 cm hat bei einer in der Strömungsrichtung gemessenen Dicke von nicht mehr als etwa 16,5 cm.

5. Vorwärmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Wärmetauschelement aus einer Vielzahl im wesentlichen kugelförmiger Einzelelemente (51) aufgebaut ist, die für eine gegenseitige Berührung angeordnet sind.

6. Vorwärmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die kugelförmigen Einzelelemente (51) in einem aus geflochtenen Drähten oder perforierten Blechen gebildeten Gehäuse (52) angeordnet sind.

7. Vorwärmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei für eine gleichzeitige Bewegung angeordnete Wärmetauschelemente vorgesehen sind, die für eine abwechselnde und aneinandergereihte Durchströmung der heißeren und der kühleren Gase eingerichtet sind.

8. Vorwärmer mindestens nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Wärmetauschelemente (10, 11) in einem nach Art eines Ventilschiebers ausgebildeten Gehäuse (16) aufgenommen sind, das für Je-

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des Wärmetauschelement wenigstens zwei im abwechselnden Strömungsweg der Gase liegende Ein- und Auslaßöffnungen aufweist, mit welchen in Abhängigkeit von der abwechselnden Relativlage des Gehäuses korrespondierende Verbindungsöffnungen in einem äußeren Gehäuse (1?) des äußeren Heizkreises zur fluchtenden Anordnung gebracht werden können, in welches das die Wärmetauschelemente aufnehmende Gehäuse abgedichtet eingesetzt ist.

9. Vorwärmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem die Wärmetauschelemente (10, 11) aufnehmenden Gehäuse (16) gegenüberliegende Dichtflächen (19, 20) ausgebildet sind, welche mit entsprechenden Dichtflächen (23, 24) an dem äußeren Gehäuse (13) zusammenwirken.

10. Vorwärmer nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Dichtflächen (19, 20) an dem die Wärmetauschelemente (10, 11) aufnehmenden Gehäuse (16) und die korrespondierenden Dichtflächen (23, 24) an dem äußeren Gehäuse (13) mittels Druckfedern (26, 50) od.dgl. für eine Nulltoleranz gegeneinander vorgespannt sind.

11. Vorwärmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß das äußere Gehäuse (13) ein bewegliches Gehäuseteil (25) aufweist, welches durch die Druckfedern (26) mit einer Dichtfläche (27) gegen die eine entsprechende Dichtfläche (I9) an dem die Wärmetauschelemente (10, 11) aufnehmenden Gehäuse (16) vorgespannt wird.

12. Vorwärmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß das die Wärmetauschelemente (10, 11) aufnehmende Gehäuse (16) aus zwei Gehäuseteilen besteht, welche durch die Druckfedern (50) für die Berührung mit den

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Dichtflächen (23, 24) des äußeren Gehäuses (I3) gespreizt werden.

13. Vorwärmer nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmetauschelemente (10, 11) in separaten Räumen (21, 22) des Gehäuses (Ιό) angeordnet sind.

14. Vorwärmer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß die separaten Räume (21, 22) ein Jeweils größeres Volumen haben als das zugeordnete Wärmetauschelement (10, 11).

15. Vorwärmer mindestens nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmetauschelemente (90, 112, 113) in einem drehbeweglichen Gehäuse (91a, 108, 114) angeordnet sind, das für jedes Wärmetauschelement mit wenigstens zwei im Strömungsweg der Gase liegenden Ein- und Auslaßöffnungen versehen ist, die bei der Drehung des Gehäuses mit ebenfalls im Strömungsweg der Gase liegenden entsprechenden öffnungen eines umgebenden äußeren Gehäuses (91b, 107, II5) abwechselnd überdeckt und abgesperrt werden können.

16. Vorwärmer nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichn e t , daß die Wärmetausehelemente (112, II3) quer zur Drehachse des sie aufnehmenden Gehäuses (114) angeordnet sind.

17. Vorwärmer nach Anspruch I5 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch das die Wärmetauschelemente (90, 112, 113) aufnehmende Gehäuse (9la, I08, 114) die Anschlußöffnungen des äußeren Gehäuses (91b, 107, 115) für den abwechselnden Durchtritt der Gase geöffnet und geschlossen werden.

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18. Vorwärmer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Tandemanordnung mit einem zweiten Vorwärmer für einen Anschluß an eine zentral angeordnete gemeinsame Verbrennungseinheit des äußeren Heizkreises, wobei jeder Vorwärmer wenigstens zwei Wärmetauschelemente umfaßt, die in zeitlich überlappender Reihenfolge abwechselnd und intermitierend sowie diskontinuierlich für eine Zu- und Ableitung der Gase zu und aus der Verbrennungseinheit angeordnet sind.

19. Vorwärmer mindestens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wärmetauschelemente vorgesehen sind, die für eine über zwei Vierwegeventile (126, 127) oder über vier Dreiwegeventile (141 bis 144) abwechselnd gesteuerte aneinandergereihte Durchströmung der heißeren und der kühleren Gase eingerichtet sind.

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