DE3931312A1

DE3931312A1 - Stirling-maschine

Info

Publication number: DE3931312A1
Application number: DE3931312A
Authority: DE
Inventors: Eckhart Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1991-03-28

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Maschine, bei der eine steife, wärmeaufnehmende Blechwand und eine steife, wärmeabge bende Blechwand einander mit Abstand gegenüber angeordnet sind, einen Gehäuseraum begrenzen und an den äußeren Randkanten mit einander verbunden sind, bei der in dem Gehäuseraum zwischen den beiden Blechwänden eine poröse, luftdurchlässige Regenera torplatte hin- und herbewegbar ist und bei der ein an den Ge häuseraum angeschlossener Arbeitszylinder mit einer Arbeits membran versehen ist, die über ein erstes Gestänge an einer Schwungmasse angreift, die über ein zweites Gestänge an der Regeneratorplatte angreift.

Unter Stirling-Maschine wird hier eine Niedertemperatur-Kraft maschine mit kleinem Kompressionsverhältnis und großem Ver drängervolumen verstanden.

Bei einer bekannten (Veröffentlichung "19th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference", August 1984, S. 1807- 1812) Stirling-Maschine dieser Art sind die wärmeabgebende und die wärmeaufnehmende Blechwand jeweils flach plattenförmig gestaltet und erfolgt die Verbindung der Randkanten über eine umlaufende Seitenwand, so daß ein rechteckiges Gehäuse vor liegt. Die Regeneratorplatte ist ein steifer Festkörper, dessen Randkanten sich ebenfalls zwischen den Blechwänden hin- und herbewegen. Der Anschluß des Arbeitszylinders an den Gehäuse raum ist im Bereich der Seitenwand vorgesehen. Die bekannte Stirling-Maschine ist ein kleines Labormodell. Bei einer grö ßeren, für die Praxis brauchbaren Bauweise treten erhebliche Schwierigkeiten auf. Da bereits bei einer Blechwandgröße von 1 m² und einer Verdichtung von 1:1,05 eine Kraft von 500 kp die Blechwände auseinanderdrückt, ist für die flachen, steifen Blechwände eine aufwendige schwere Stützkonstruktion nötig.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Stirling-Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einer größeren, für die Praxis brauchbaren Bauweise auf vereinfachte Weise ver steifte Blechwände aufweist. Die erfindungsgemäße Stirling-Ma schine ist, diese Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Blechwände kegelmantelförmig gestaltet sind und daß die Regeneratorplatte von einem biegbaren Vlies gebildet ist, das mit einer kreisförmigen Randkante bei den Randkanten der kegelmantelförmigen Blechwände zwischen diesen angeordnet ist.

Die beiden kegelmantelförmigen Blechwände sind z. B. an den Randkanten durch eine umlaufende Seitenwand miteinander ver bunden, an der der Anschluß vorgesehen ist. Es ist auch denk bar, die Vlies-Regeneratorplatte - in ihrer Fläche gesehen - undehnbar auszubilden und die äußeren Randkanten frei, d.h. ungehalten und nachgiebig auszuordnen. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Verbindung der beiden ke gelmantelförmigen Blechwände an den Randkanten wandungsfrei ist und der Anschluß des Arbeitszylinders an den Gehäuseraum an der einen kegelmantelförmigen Blechwand vorgesehen ist, und/oder wenn die Vlies-Regeneratorplatte gering elastisch dehnbar ist und an der Randkante von einem starren Ringgebilde gehalten ist.

Die Kegelmantelform ergibt bei verringertem Bauaufwand eine verbesserte Festigkeit gegen die Druckkraft auf die Blechwände und verlangt eine biegbare Regeneratorplatte, um eine Hin- und Herbewegung zu ermöglichen. Eine biegbare Regeneratorplatte aus mattenartigem Vlies läßt sich bei größeren Regeneratorplatten auch einfacher verwirklichen als eine steife Festkörper-Regene ratorplatte. Die Kegelmantelform "atmet" bei einem bestimmten pulsierenden Druck trotz verringerter steifigkeitsverbessernder Maßnahmen nicht. Bauaufwand und Gewicht der erfindungsgemäßen Stirling-Maschine stehen in einem günstigen Verhältnis zu der angestrebten erhöhten Leistung, die in der Regel im Bereich 2- 100 W liegt. Das Vlies läßt sich in der Regel von einer Kegel spitze zur anderen auslenken, wobei es sich an die Blechwände dicht anlegt. Die Stirling-Maschine arbeitet jedoch auch dann wirkungsvoll, wenn die wechselnde Anlage des Vlieses an die Blechwände nicht oder nicht vollständig erfolgt. Da eine zwi schen den Blechwänden angeordnete, umlaufende Seitenwand wegge fallen ist, bewegen sich die Randkanten der Regeneratorplatte nicht hin und her.

Eine innere Rückstellkraft der an die kegelförmigen Blechwände anpaßbaren Vlies-Regeneratorplatte ist nicht erwünscht oder nötig. Die Anlage der aus Vlies bestehenden Regeneratorplatte an die Blechwände ist aufgrund der Oberflächenstruktur des Vlieses federnd, großflächiger und enger und somit verbessert. Der Kegelmantel kann ein idealer Kegel sein, der spitz und im Querschnitt kreisrund ist. Der Kegelmantel kann im Querschnitt auch ein Vieleck mit mehr als vier Ecken sein. Der Begriff "Kegelmantel" umfaßt auch eine Kugelschale, die nicht spitz ist, sich jedoch ebenfalls zum Scheitelpunkt hin verjüngt. Die Schwungmasse ist in der Regel ein Schwungrand und kann auch ein Pendel sein.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn die beiden kegelmantelförmigen Blechwände im Bereich der Kegelspitzen mit tels Verstärkungsplatten und eines die Vlies-Regeneratorplatte gleitbar durchdingenden Zugankers gegeneinander verspannt sind. Durch eine einfache bauliche Maßnahme wird eine erhebliche wei tere Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit der Blechwände erreicht. Die Verstärkungsplatten nehmen Kraft auf und vertei len diese günstig auf die Blechwände.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn die kreisförmige Randkante der Vlies-Regeneratorplatte zwischen den Randkanten der kegelmantelförmigen Blechwände eingeklemmt ist. Auf einfache Weise ist der Übergang zwischen den Räumen beiderseits der Regeneratorplatte an deren Randkante abge dichtet, so daß bei Bewegung der Regeneratorplatte sämtliche die Räume wechselnde Luft durch die Regeneratorplatte hindurch muß, wodurch der Wirkungsgrad der Stirling-Maschine verbessert ist.

Das Regeneratorplatt-Vlies ist z. B. ein einheitliches Stück. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Vlies-Regeneratorplatte aus mindestens drei Lagen geschichtet ist, von denen mindestens eine im Aufbau von den anderen unter schiedlich ist. Die Lagen haben unterschiedliche Funktionen. Eine innere Lage ist primär Wärmespeicher, wogegen die beiden äußeren Lagen einen federnden Berührungskontakt mit den Blech wänden ermöglichen sollen, einen guten Wärmeübergang vermit teln sollen und auch Wärmespeicher sein sollen. Die innere Vlies-Lage ist z. B. Metallwolle und die beiden äußeren Vlies- Lagen sind z. B. handelsübliches Luftfiltermaterial.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es weiterhin, wenn an der Vlies-Regeneratorplatte radial verlaufende Versteifungs streben angebracht sind. Die Versteifungsstreben, die gegen über dem Randbereich und dem Mittenbereich des Regenerator platte-Vlieses gelenkig sind, verbessern die Wirkungsweise und den Wirkungsgrad des Vlieses. Die Versteifungsstreben sind in der Regel in das Vlies eingebettet.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es ebenso, wenn die Schwungmasse in einer zu der Berührungsfläche der beiden kegel mantelförmigen Blechwände parallelen Ebene angeordnet ist. Diese platzsparende Anordnung der Schwungmasse ist bei einfa cher Ausbildung der Gestänge erreicht und vereinfacht die Wärmeabgabe bzw. Kühlung.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn in die Vlies-Regeneratorplatte eine vom Mittelpunkt radial nach außen ragende Auslenkstange eingebettet ist, die zwischen den äußeren Randkanten der kegelmantelförmigen Blechwände mit einem Aus lenkhebel herausragt, der Bestandteil des zweiten Gestänges ist. Dies vereinfacht die Dichtung an der Stelle, an der das zweite Gestänge den Gehäuseraum verläßt. Die Auslenkstange ist in diesem Bereich schwenkbar bzw. drehbar gelagert.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es dabei, wenn die Auslenkstange um 90° versetzt zu einer an der Arbeitsmembran angreifenden Pleuelstang angeordnet ist und die beiden Gestänge an einem gemeinsamen, am Schwungrad vorgesehenen Kurbelzapfen angreifen. Dies vereinfacht die Bauweise des zweiten Gestänges im Hinblick auf die um 90° gegeneinander versetzte Arbeits weise der Arbeitsmembran und der Regeneratorplatte.

Eine besonders zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung liegt vor, wenn der Arbeitszylinder im Quer schnitt Pkw-reifenförmig ausgebildet ist und aus biegbarem sowie nicht dehnbarem Material besteht. Der Arbeitszylinder ist eine Art Balg und läßt bei verringertem Bauvolumen einen vergrößerten Hub der Arbeitsmembran zu, was im Hinblick auf die größere, d. h. leistungsfähigere Bauweise der erfindungsge mäßen Stirling-Maschine erwünscht ist.

Die erfindungsgemäße Stirling-Maschine ist z. B. eine solare Kraftmaschine, der die nötige Wärmeenergie durch Sonnenstrah lung zugeführt wird. Sie läßt sich als Antrieb für eine Wasser pumpe in sonnenreichen, nicht industrialisierten Gegenden, als Antrieb für einen Drucklufterzeuger für Taucher, druckluftge triebene Binnenseebote oder Sauerstoffeinleitung in tote Ge wässer, als Antrieb einer Pumpe zur Bewässerung von Schreber gärten oder zum Betrieb eines Springbrunnens oder als Antrieb einer Pumpe in solaren Warmwassersystemen einsetzen. Die er findungsgemäße Stirling-Maschine kann aber auch warmwasserge trieben sein und läßt sich z. B. als Antrieb einer Pumpe im Warmwasserheizungskreislauf einsetzen. Die erfindungsgemäße Maschine treibt also in der Regel eine Pumpe. Die Pumpleistung: Bei ΔT = 50° und 0,5 m² sonnenbeschienener Fläche werden z. B. 1 m³ Wasser pro eine Stunde 1 m hochgepumpt.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung schematisch dargestellt und zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer Stirling-Maschine,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirling-Maschine gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt einer weiteren Stirling-Maschine,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Regeneratorplatte-Vlies der Stirling-Maschine gemäß Fig. 1 oder 3 und

Fig. 5 einen Schnitt des Regeneratorplatte-Vlieses gemäß Fig. 4 in einem gegenüber Fig. 4 vergrößerten Maßstab.

Die Stirling-Maschinen gemäß Zeichnung umfassen jeweils zwei kegelmantelförmige Blechwände 1, 2, die aus Metall bestehen und deren Öffnungs- bzw. Kegelwinkel 15 stumpf ist und in der Regel 160°-110° beträgt. Die beiden Blechwände 1, 2 sind an ihren äußeren umlaufenden Randkanten von einem umlaufenden dichtenden U-Profil 11 zusammengehalten. Durch beide Blech wände 1, 2 ist mittig, bei deren Spitzen, ein Zuganker 9 hin durchgesteckt, dessen Enden an je einer Verstärkungsplatte 8 angreifen, die außen an der Blechwand 1, 2 anliegen. Die Blech wände 1, 2 begrenzen einen Gehäuseraum 16, der von einer als Vlies ausgebildeten Regeneratorplatte 3 unterteilt ist, die auch die Funktion eines Verdrängers hat, zwischen den Randkan ten der beiden Blechwände 1, 2 eingeklemmt ist und von dem Dichtungs-U-Profil 10 gehalten ist.

Die eine Blechwand 1 ist wärmeaufnehmend und ihr ist eine nicht gezeigte Wärmezufuhreinrichtung bzw. Heizeinrichtung zu geordnet, die z. B. Sonneneinstrahlung oder ein an der Blech wand 1 anliegendes Warmwasserrohr ist. Die andere Blechwand 2 ist wärmeabgebend und ihr ist eine Wärmeabfuhreinrichtung 17 bzw. Kühleinrichtung zugeordnet. Diese ist gemäß Zeichnung von radial verlaufenden Lüfterlamellen gebildet, die an einer Seite eines Schwungrades 5 vorgesehen sind. Die Welle des Schwung rades 5 ist in einem Lager 7 so angeordnet gelagert, daß das Schwungrad 5 sich parallel zu den Blechwänden 1, 2 befindet und ein von der Wärmeabfuhreinrichtung 17 erzeugter Luftstrom die Wärme abgebende Blechwand 2 bestreicht. Die Drehachse des Schwungrades 5 ist koaxial zur Mittelachse der Blechwände 1, 2 und das Schwungrad ist nur einseitig gelagert. Das Schwung rad 5 trägt an der mit der Wärmeabfuhreinrichtung 17 versehenen Seite exzentrisch zu der Drehwelle einen Kurbelzapfen 10.

Die Wärme abgebende Blechwand 2 ist nahe ihrer Randkante mit einem Anschluß 12 zu einem Arbeitszylinder 18 versehen. Gemäß Fig. 1 weist der Arbeitszylinder 18 Abstand von der Blechwand 2 auf und umfaßt der Anschluß 12 ein Verbindungsrohr. Gemäß Fig. 3 sitzt der Arbeitszylinder 18 unmittelbar an der Blech wand 2, so daß der Anschluß 12 nur ein Durchbruch ist. Der Arbeitszylinder weist im wesentlichen die Form eines Reifens auf, der an der dem Anschluß 12 entgegengesetzten Seite durch eine Arbeitsmembran 4 abgeschlossen ist. An die Arbeitsmembran 4 ist gemäß Fig. 1 eine Pleuelstange 6 unmittelbar angelenkt, die parallel zum Schwungrad 5 und der Mittelebene der Blech wände 1, 2 verläuft, wobei der Arbeitszylinder 18, in Richtung seines Durchmessers gesehen, rechtwinkelig zu dieser Mittel ebene und dem Schwungrad angeordnet ist. Die Pleuelstange 6 greift anderenends drehbar an dem Kurbelzapfen 10 an. Gemäß Fig. 3 greift an der Arbeitsmembran 4 ein Ende eines zweiarmi gen gewinkelten Zwischenhebels 19 gelenkig an, dessen anderes Ende an die Pleuelstange 6 angelenkt ist. Das Schwungrad 5 wird im Takt des Arbeitshubes der Arbeitsmembran 4 angetrieben gedreht.

Gemäß Fig. 4 ist in die Regeneratorplatte 3 eine Auslenkstange 21 eingebettet, die bis zu einem Loch 24 für den Zuganker 9 sich erstreckt und anderenends mit einem Auslenkhebel 20 her ausragt. Die Auslenkstange 21 verläßt gemäß Fig. 2 die Blech wände 1, 2 bei einer zusätzlichen Dichtung 25 und ist unter 90° zu der Pleuelstange 6 angeordnet. Dies ist in Fig. 1 und 3 nicht dargestellt, um das Gestänge zwischen der Auslenkstange 21 und dem Schwungrad 5 anzudeuten, das in Fig. 1 und 3 um 90° versetzt dargestellt ist. Am freien Ende des Auslenkhebels 20 sitzt ein abgewinkelter Hebelarm 14, an den eine Pleuel stange 13 angelenkt ist, die an dem Kurbelzapfen 10 angreift.

Wenn sich das Schwungrad 5 dreht, so wird die Auslenkstange 21 hin- und hergeschwenkt, wodurch die Regeneratorplatte 3 hin- und herbewegt wird. Gemäß Fig. 4 und 5 ist die Regenera torplatte 3 aus einer inneren Lage 23 und zwei äußeren Lagen 22 geschichtet und sind in die Regeneratorplatte 3 Verstei fungsstreben 26 eingebettet, die in Umfangsrichtung gesehen Abstand voneinander aufweisen.

Claims

1. Stirling-Maschine,
bei der eine steife, wärmeaufnehmende Blechwand und eine steife, wärmeabgebende Blechwand einander mit Abstand gegen über angeordnet sind, einen Gehäuseraum begrenzen und an den äußeren Randkanten miteinander verbunden sind,
bei der in dem Gehäuseraum zwischen den beiden Blechwänden eine poröse luftdurchlässige Regeneratorplatte hin- und herbewegbar ist, und
bei der ein an den Gehäuseraum angeschlossener Arbeitszylin der mit einer Arbeitsmembran versehen ist, die über ein erstes Gestänge an einer Schwungmasse angreift, die über ein zweites Gestänge an der Regeneratorplatte angreift, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Blechwände (1, 2) kegelmantelförmig gestaltet sind und daß die Regeneratorplatte (3) von einem biegbaren Vlies gebildet ist, das mit einer kreisförmigen Randkante bei den Randkanten der kegelmantelförmigen Blechwände (1, 2) zwischen diesen angeordnet ist.

2. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der beiden kegelmantelförmigen Blechwände (1, 2) an den Randkanten wandungsfrei ist und der Anschluß (12) des Arbeitszylinders (18) an den Gehäuseraum (16) an der einen kegelmantelförmigen Blechwand (2) vorgesehen ist.

3. Stirling-Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vlies-Regeneratorplatte (3) gering ela stisch dehnbar ist und an der Randkante von einem starren Ringgebilde gehalten ist.

4. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet,daß die beiden kegelmantelförmigen Blechwände (1, 2) im Bereich der Kegelspitzen mittels Verstärkungsplatten (8) und eines die Vlies-Regeneratorplatte (3) gleitbar durchdringenden Zugankers (9) gegeneinander verspannt sind.

5. Stirling-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Randkante der Vlies-Regeneratorplatte (3) zwischen den Randkanten der kegelmantelförmigen Blechwände (1, 2) eingeklemmt ist.

6. Stirling-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vlies-Regeneratorplatte (3) aus mindestens drei Lagen (22, 23) geschichtet ist, von denen mindestens eine (23) im Aufbau von den anderen (22) unterschiedlich ist.

7. Stirling-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vlies-Regeneratorplatte (3) radial verlaufende Versteifungsstreben (26) angebracht sind.

8. Stirling-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse (5) in einer zu der Berührungsfläche der beiden kegelmantelförmigen Blechwände (1, 2) parallelen Ebene angeordnet ist.

9. Stirling-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vlies-Regeneratorplatte (3) eine vom Mittelpunkt radial nach außen ragende Aus lenkstange (21) eingebettet ist, die zwischen den äußeren Randkanten der kegelmantelförmigen Blechwände (1, 2) mit einem Auslenkhebel (20) herausragt, der Bestandteil des zweiten Gestänges ist.

10. Stirling-Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkstange (21) um 90° versetzt zu einer an der Arbeitsmembran (4) angreifenden Pleuelstange (6) angeordnet ist und die beiden Gestänge an einem gemeinsamen, an der Schwungmasse (5) vorgesehenen Kurbelzapfen (10) angreifen.

11. Stirling-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (18) im Querschnitt Pkw-reifenförmig ausgebildet ist und aus bieg barem sowie nicht dehnbarem Material besteht.