DE4109289A1 - Stirling-maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Maschine mit einem Ge­ häuseraum, der durch eine hin- und herbewegbare gasdurchläs­ sige Regeneratorplatte in zwei Teilräume aufgeteilt ist, wo­ bei der eine beheizbar und der zweite mit einer Kühlung ver­ sehen ist und wobei der zweite Teilraum mit einem Arbeitszy­ linder kommuniziert, der über eine erste Antriebseinrichtung an einer Arbeitswelle und über eine zweite Antriebseinrich­ tung an der Regeneratorplatte angreift. Die Erfindung be­ trifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben von Stir­ ling-Maschinen.

Bei einer bekannten (Veröffentlichung "19th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference", August 1984, S. 1807-1812) Stirling-Maschine dieser Art sind die wärmeab­ gebende und die wärmeaufnehmende Blechwand jeweils flach plattenförmig gestaltet. Die Verbindung der Randkanten er­ folgt über eine umlaufende Seitenwand, so daß ein rechtecki­ ges Gehäuse vorliegt. Die Regeneratorplatte ist ein steifer Festkörper, dessen Randkanten sich ebenfalls zwischen den Blechwänden hin- und herbewegen. Der Anschluß des Arbeitszy­ linders an den Gehäuseraum ist im Bereich der Seitenwand vorgesehen. Die bekannte Stirling-Maschine ist ein kleines Labormodell. Bei einer größeren, 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 auseinander­ drückt, ist für die flachen, steifen Blechwände eine aufwen­ dige schwere Stützkonstruktion nötig. Auch es eist sich die Führung der als Verdrängerkolben dienenden Regeneratorplatte relativ aufwendig und führt zu einer merklichen Verteuerung einer derartigen Stirling-Maschine, die sich ja gerade durch Einfachheit und somit durch eine kostengünstige Herstellung auch in größeren Stückzahlen auszeichnen soll.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Stir­ ling-Maschine der eingangs genannten Art zu entwickeln, die sich durch eine hohe Druckstabilität, durch eine einfache Bewegbarkeit der als Verdrängerkolben arbeitenden Regenera­ torplatte und somit bei hohen Standzeiten durch eine beson­ ders kostengünstige Herstellung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gehäuseraum keilförmig ausgebildet und die Regeneratorplatte in der Gehäuseraumspitze schwenkbar gelagert ist.

Durch die erfindungsgemäße geometrische Ausbildung des Ge­ häuseraumes mit der schwenkbaren Befestigung der Regenera­ torplatte in der Spitze des Gehäuseraumes lassen sich Pro­ bleme mit der Führung und Lagerung der beweglichen Regenera­ torplatte einfach und vollständig verhindern. Die Regenera­ torplatte schwenkt verschleißarm um eine einzige Drehachse und bewegt dabei je nach dem entsprechenden Arbeitstakt das im Gehäuseraum befindliche Arbeitsgas, in der Regel ist dies Luft, zwischen den beiden Teilräumen hin und her.

Eine besonders stabile Maschinenkonfiguration, die insbeson­ dere bei größeren Leistungseinheiten von Bedeutung ist, läßt sich erreichen, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfin­ dung die Regeneratorplatte selbst und die beiden dieser ge­ genüberliegenden Begrenzungswände des Gehäuseraumes zylin­ dersegmentförmig ausgebildet sind, wobei die Krümmungen der Begrenzungswände und der Regeneratorplatte einander angepaßt sind. Diese Geometrie ermöglicht, wie sich bei einem ersten Prototyp gezeigt hat, relativ große Druckdifferenzen zwi­ schen Gehäuseraum und Umgebung bei relativ geringem Materi­ alaufwand.

Durch die Erfindung läßt sich somit eine Stirling-Maschine darstellen, die sich durch einfache Herstellbarkeit, durch Wartungsarmut und bezogen auf die erreichbare Leistung durch geringen Materialaufwand auszeichnet. Eine derartige Maschi­ ne, bei der die für den Betrieb d. h. für die Aufheizung des Arbeitsgases benötigte Wärme direkt oder auch indirekt in den entsprechenden Teilraum des Gehäuseraumes eingekoppelt werden kann, eignet sich insbesondere in sonnenreichen, nicht industrialisierten Gegenden beispielsweise als Antrieb für Wasserpumpen, Drucklufterzeuger für Taucher, druckge­ triebene Binnenseeboote oder auch für die Sauerstoffeinlei­ tung in tote Gewässer. Sie kann auch als Pumpe für die Be­ wässerung von beispielsweise Schrebergärten oder auch zum Betrieb von Springbrunnen oder als Antrieb einer Pumpe in solaren Warmwassersystemen eingesetzt werden.

Bei der Nutzung von Solarenergie läßt sich eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades dadurch erreichen, daß nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Begrenzungswand des beheizbaren Teilraumes aus lichtdurchlässigem Material be­ steht und die dieser Begrenzungswand gegenüberliegende Rege­ neratorfläche mit einem gasdurchlässigen Lichtabsorber ver­ sehen ist. Diese Anordnung ermöglicht die Einkopplung der benötigten Solarenergie direkt in den zu beheizenden Teil­ raum des Arbeitsgehäuses und die unmittelbare Abgabe der vom Absorber aufgenommenen Solarwärme an das Arbeitsgas. Wir­ kungsgradmindernde Wärmeübertragungsflächen sind bei einer derartigen Weiterbildung nicht mehr erforderlich.

Eine zusätzliche Wirkungsgraderhöhung der Stirling-Maschine kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch die Verwendung eines volumetrischen Lichtabsorbers erzielt wer­ den, der eine Energieaufnahme in die Tiefe ermöglicht und beispielsweise aus einem mehrlagig angeordneten Geflecht un­ terschiedlicher Maschenweite besteht.

Die Kühlung des zweiten Teilraumes des Gehäuseraumes der er­ findungsgemäßen Stirling-Maschine läßt sich einfach und wir­ kungsvoll durch ein Kühlsystem erreichen, welches unmittel­ bar auf der entsprechenden Regeneratorfläche aufgebracht ist und mit dem Regenerator mitschwingt. Aufgrund der relativ niedrigen Frequenzen bereitet eine derartige Anordnung kei­ nerlei Probleme. Zur Kühlung kann in einfacher Weise ein wasserdurchströmtes Schlauch- oder Röhrensystem verwendet werden.

Zwar kann grundsätzlich die verfügbare Leistung der Stir­ ling-Maschine durch einfaches Vergrößern z. B. der Breite des Gehäuseraumes erreicht werden. Vorteilhafterweise werden je­ doch zwei oder mehrere Stirling-Maschinen modulartig zu ei­ ner Antriebseinheit zusammengefaßt, wobei alle Einzelmodule einer Antriebseinheit auf eine gemeinsame Arbeitswelle ein­ wirken. Erfolgt die Ankopplung der Einzelmodule phasenver­ setzt um den Betrag 2π/n (n = Anzahl der Module) gegenüber jeweils dem im Arbeitszyklus vor- und nachgeschalteten Mo­ dul, so wird ein gleichmäßiger Rundlauf der Arbeitswelle er­ reicht. Die bei einer Einzelmaschine erforderliche Schwung­ masse kann entfallen oder doch wesentlich reduziert werden.

Wirken mehrere Module auf eine gemeinsame Arbeitswelle ist es zudem möglich, einzelne Module in an sich bekannter Weise als Kältemaschine zu betreiben, wenn die dem üblicherweise beheizten Teilraum zugeordnete Begrenzungswand gegen Wärme- bzw. Lichteinstrahlung abgeschirmt wird.

Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in den Fig. 1 bis 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Zur Erläuterung des Aufbaues einer erfindungsgemäßen Stir­ ling-Maschine wird insbesondere auf Fig. 2 verwiesen. Die dargestellte Stirling-Maschine besteht aus einem keilförmi­ gen Gehäuseraum 1 mit Begrenzungswänden 2 und 3, die zur Er­ höhung der Festigkeit zylindersegmentförmig ausgebildet sind. Innerhalb des Gehäuseraumes 1 ist eine ebenfalls zy­ lindersegmentförmig ausgebildete Regeneratorplatte 4 vorge­ sehen, die in der Gehäuseraumspitze in einer Drehachse 5 gelagert ist. Die Regeneratorplatte 4 bildet im Gehäuseraum 1 zwei Teilräume 6 und 7, wobei im Teilraum 6 die Aufheizung und im Teilraum 7 die erforderliche Kühlung des durch die Regeneratorplatte 4 hin- und herpendelnden Arbeitsgases, im vorliegenden Falle ist dies Luft, erfolgt. Der Teilraum 7 kommuniziert mit einem durch eine Membran 8 gebildeten Ar­ beitszylinder, der wiederum über ein Gestänge 9 mit einer Arbeitswelle 14 in Verbindung steht. Über ein zweites Ge­ stänge 11 ist die Arbeitswelle 14 zudem mit der Regenerator­ platte 4 verbunden.

Da im vorliegenden Falle Solarwärme genutzt werden soll, ist die Begrenzungswand 2 aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt. Eine Wirkungsgradverbesserung kann erreicht werden, wenn eine doppeltransparente Abdeckung verwendet wird, die die Lichtstrahlen ungehindert in den Teilraum 6 eindringen läßt, aber das Abstrahlen von Wärme nach außen verhindert. Der luftdurchlässige Lichtabsorber 12 ist flä­ chendeckend auf der Regeneratorplatte 4 angeordnet. Die Küh­ lung erfolgt durch ein wasserführendes Schlauchsystem 13, welches auf der gegenüberliegenden Seite der Regenerator­ platte 4 befestigt ist und mit dieser entsprechend dem Ar­ beitstakt der Maschine mitschwingt.

Im Betrieb der Maschine ergibt sich folgender Arbeitsablauf: Bei minimalem Volumen des Teilraumes 7, d. h. die Regenera­ torplatte 4 ist unmittelbar vor die Begrenzungswand 3 ge­ schwenkt, befindet sich die gesamte Arbeitsluft im heißen Teilraum 6. Der Druck im Motor steigt und die Membran 8 ex­ pandiert und treibt über das Gestänge 9 die Arbeitswelle 14 bzw. das Schwungrad 10 an (Fig. 1).

Sobald die Membran 8 ihr maximales Volumen erreicht hat, schwingt die Regeneratorplatte 4 in Richtung Begrenzungswand 2. Die heiße Luft durchströmt dabei die Regeneratorplatte und gibt ihre Wärme an das Speichermedium der Platte ab, wo­ durch der Druck im Motorgehäuse abfällt (Fig. 2).

Das Schwungrad 10 drückt nunmehr über das Gestänge 9 die Membran 8 zusammen, wobei die Luft im Gehäuse komprimiert wird. Die anfallende Kompressionswärme wird an das Kühlsy­ stem 13 abgegeben. Gleichzeitig schwenkt mittels dem Gestän­ ge 11 die Regeneratorplatte 4 in Richtung Begrenzungswand 2.

Sobald der untere Totpunkt der Membran 8 erreicht ist, schwenkt die Regeneratorplatte zurück in Richtung Begren­ zungswand 3 (Fig. 3). Dabei nimmt die verdrängte Luft sowohl die in der Platte 4 gespeicherte Wärme als auch die von au­ ßen zugeführte Solarwärme auf. Dies führt zur Druckerhöhung im Gehäuse und somit zur erneuten Expansion der Membran 8 (Fig. 4).

Fig. 5 zeigt eine, im Beispiel aus 4 Einzel-Modulen I bis IV bestehende Antriebseinheit. Selbstverständlich können die einzelnen Module in einer Reihe nebeneinander angeordnet werden, jedoch ist es zweckmäßig, eine Antriebseinheit wie im gezeigten Beispiel aus Modul-Paaren zu bilden.

Bei einer solchen aus mehreren Modulen bestehenden Antriebs­ einheit ist es möglich, ein Modul oder einzelne Module in an sich bekannter Weise als Kältemaschine zu betreiben. Dazu muß lediglich der Teilraum 6 des entsprechenden Moduls gegen Wärme bzw. Sonneneinstrahlung abgeschirmt werden.

Claims (7)

1. Stirling-Maschine mit einem Gehäuseraum, der durch eine hin- und herbewegbare gasdurchlässige Regeneratorplatte in zwei Teilräume aufgeteilt ist, wobei der eine beheiz­ bar und der zweite mit einer Kühlung versehen ist und wobei der zweite Teilraum mit einem Arbeitszylinder kommuniziert, der über eine erste Antriebseinrichtung an einer Arbeitswelle und über eine zweite Antriebseinrich­ tung an der Regeneratorplatte angreift, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gehäuseraum (1) keilförmig ausgebildet und die Regeneratorplatte (4) in der Gehäuseraumspitze in einer Drehachse (5) schwenkbar gelagert ist.

2. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Regeneratorplatte (4) und die beiden dieser gegenüberliegenden Begrenzungswände (2, 3) des Gehäuse­ raumes (1) zylindersegmentförmig ausgebildet sind, wobei die Krümmungen der Begrenzungswände (2, 3) und der Rege­ neratorplatte (4) einander angepaßt sind.

3. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswand (2) des beheizbaren Teilraumes (6) aus lichtdurchlässigem Materi­ al besteht und die dieser gegenüberliegende Regenerator­ fläche mit einem gasdurchlässigen Lichtabsorber (12) ver­ sehen ist.

4. Stirling-Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lichtabsorber (12) als volumetrischer Absor­ ber ausgebildet ist.

5. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zweiten Teilraum zu­ gewandte Regeneratorfläche kühlbar (13) ausgebildet ist.

6. Verfahren zum Betreiben von Stirling-Maschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehre­ re Stirling-Maschinen (I, II, III, IV) auf eine gemein­ same Arbeitswelle (14) einwirken.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der auf die gemeinsame Arbeitswelle (14) einwirkenden Stirling-Maschinen (I, II, III, IV) als Kältemaschine betrieben wird.