DE60120965T2

DE60120965T2 - Stirlingmaschine und wärmepumpe

Info

Publication number: DE60120965T2
Application number: DE60120965T
Authority: DE
Inventors: Sander Pels
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: DE60120965D1; EP1287251B1; WO2001094769A1; ATE331132T1; EP1287251A1; US6877314B2; JP2003536015A; WO2001094769A9; US20040040297A1; NL1015383C1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stirlingmotor, versehen mit zumindest einem hin und her beweglichen Kolben und mit einem in einem Gebrauchszustand heißen Bereich und einem kalten Bereich. Der Stirlingmotor, wie 1817 von Stirling erfunden, besteht aus einem Zylinder, der an einer Seite erhitzt und an einer anderen Seite abgekühlt wird. In dem Zylinder können sich ein Verdrängerkolben und ein Arbeitskolben bewegen. Der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben sind jeweils mit einem Schwungrad verbunden. In dem Stirlingmotor wird ein Stirling-Kreisprozess durchlaufen, wobei der Arbeitskolben externe Arbeit verrichten kann.
Der Nachteil des bekannten Stirlingmotors ist es, dass die Wärme und die Kälte praktisch einem Punkt zugeführt werden müssen, während in der Praxis eine Wärmequelle und eine Kältequelle oft an verschiedenen Stellen verfügbar sind. Der Stirlingmotor gemäß der Erfindung tritt diesem Nachteil entgegen und ist dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Bereich und der kalte Bereich separat ausgeführt und mittels zweier Leitungen sowie mittels einer Achse oder einer hydraulischen Verbindung miteinander verbunden sind.
Eine günstige Ausführungsform des Stirlingmotors gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Bereich mit einer ersten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, dass der kalte Bereich mit einer zweiten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, und dass die Achse oder das hydraulische System eine Koppelung zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung bildet. Auf diese Weise können die isotherme Expansion völlig in dem warmen Motorbereich und die isotherme Kompression völlig in dem kalten Motorbereich stattfinden. Darüber hinaus wird auf diese Weise ein Stirlingmotor geschaffen, der pro aufgehende oder abgehende Bewegung der Kolben einen vollständigen und praktisch kontinuierlichen Stirling-Kreisprozess durchläuft.
Eine weitere günstige Ausführungsform des Stirlingmotors gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leitungen gegenseitig thermisch mit einem Gegenstromwärmetauscher verbunden sind. Vorzugsweise sind die Leitungen selbst gegenseitig über ihre volle Länge thermisch fest miteinander verbunden und werden so während des isochoren Taktes des Stirlingzyklus für den Wärmetausch genutzt.
Eine günstige Ausführungsform gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche sich in einer ersten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen können, dass die zweite Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche sich in einer zweiten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen können. Dabei wird erfindungsgemäß das Verhältnis in Durchmesser zumindest im Wesentlichen anhand einer voraussichtlichen Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Kältequelle bestimmt.
Eine günstige Ausführungsform gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vier Zylinder mit acht Anschlüssen versehen sind, und dass eine Ventilanordnung für das gegenseitige Verbinden der acht Anschlüsse zur Durchführung eines Stirling-Kreisprozesses vorgesehen ist. Auf diese Weise kann immer in dem richtigen, das heißt in dem bestmöglichen Moment von einem Takt zu einem folgenden Takt des Stirlingzyklus umgeschaltet werden.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Wärmepumpe, versehen mit zumindest einem hin und her beweglichen Kolben und mit einem in einem Gebrauchszustand heißen Pumpenbereich und einem kalten Pumpenbereich. Die Wärmepumpe gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der warme Pumpenbereich und der kalte Pumpenbereich separat ausgeführt und mittels zweier Leitungen sowie einer Achse oder einer hydraulischen Verbindung miteinander verbunden sind. Es ist dann zum Beispiel möglich, den kalten Pumpenbereich in dem Boden unterzubringen, und den warmen Pumpenbereich in einer Wohnung zu installieren, so dass alle freikommende Wärme genutzt werden kann.
Eine günstige Ausführungsform der Wärmepumpe gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der warme Pumpenbereich mit einer ersten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, dass der kalte Pumpenbereich mit einer zweiten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, und dass die Achse oder das hydraulische System eine Koppelung zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung bildet. Auf diese Weise kann die isotherme Kompression völlig in dem warmen Pumpenbereich und die isotherme Expansion kann völlig in dem kalten Pumpenbereich stattfinden. Darüber hinaus wird auf diese Weise eine Wärmepumpe geschaffen, die pro aufgehende oder abgehende Bewegung der Kolben einen vollständigen und praktisch kontinuierlichen Stirling-Kreisprozess durchläuft.
Eine weitere günstige Ausführungsform der Wärmepumpe gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leitungen gegenseitig thermisch mit einem Gegenstromwärmetauscher verbunden sind. Vorzugsweise sind die Leitungen selbst gegenseitig über ihre volle Länge thermisch fest miteinander verbunden und werden so während des isochoren Taktes des Stirlingzyklus für den Wärmetausch genutzt.
Eine günstige Ausführungsform gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche sich in einer ersten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen können, dass die zweite Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche sich in einer zweiten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen können. Dabei wird gemäß der Erfindung das Verhältnis in Durchmesser zumindest im Wesentlichen anhand einer gewünschten Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Kältequelle bestimmt.
Eine günstige Ausführungsform gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vier Zylinder mit acht Anschlüssen versehen sind, und dass eine Ventilanordnung für das gegenseitige Verbinden der acht Anschlüsse zur Durchführung eines Stirling-Kreisprozesses vorgesehen ist. Auf diese Weise kann immer im richtigen, das heißt in dem bestmöglichen Moment von einem Takt des Stirlingzyklus zu einem folgenden Takt des Stirlingzyklus umgeschaltet werden.
Die Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der beigefügten Figuren näher ausgeführt, von denen
1 ein mögliches pV-Diagramm eines Stirling-Kreisprozesse darstellt;
2 schematisch einen Stirlingmotor oder Wärmepumpe gemäß der Erfindung während einer abgehenden Bewegung der Kolben darstellt;
3 schematisch einen Stirlingmotor oder Wärmepumpe gemäß der Erfindung während einer aufgehenden Bewegung der Kolben darstellt;
4 schematisch eine hydraulische Verbindung zwischen den Kolben darstellt.
1 stellt ein mögliches pV-Diagramm eines Stirling-Kreisprozesses dar, wobei ein Volumengas in Takt 1 isothermisch komprimiert wird, danach in Takt 2 isochor erhitzt wird, danach in Takt 3 isotherm expandiert und schließlich in Takt 4 isochor abgekühlt wird. Bei einem Stirlingmotor nach dem Stand der Technik werden diese vier Takte ständig in chronologischer Reihenfolge durchlaufen, währen in dem Stirlingmotor gemäß der Erfindung alle vier Takte ständig und gleichzeitig durchlaufen werden.
2 stellt schematisch einen Stirlingmotor oder eine Wärmepumpe gemäß der Erfindung während einer abgehenden Bewegung der Kolben 5, 6, 7, 8 in den Zylindern 9, 10, 11, 12 dar. Die Zylinder 9, 10, 11, 12 sind mit einem Gas gefüllt, das in einem im Voraus bestimmten Temperaturbereich eine große externe Arbeit verrichten kann. Für niedrige Temperaturen kann zum Beispiel Helium genommen werden, während für höhere Temperaturen zum Beispiel R-12 und R-22 Kühlmittel verwendet werden können. Bei einer auf- oder abgehenden Bewegung wird das Gas transportiert, wobei es eine Anzahl Doppelschiebeventile 13, 14, 15, 16 passieren muss.
Die Zylinder 9, 10 und die Schiebeventile 13, 14 bilden gemeinsam mit den zwischen liegenden Leitungen den warmen Motorbereich des Stirlingmotors. Diesem Teil wird ständig Wärme zugeführt, und zwar in dem Maße, dass eine Temperatur T_hoch aufrechterhalten wird. Die Zylinder 11, 12 und die Schiebeventile 15, 16 bilden gemeinsam mit den zwischen liegenden Leitungen den kalten Motorbereich des Stirlingmotors. Diesem Teil wird ständig in dem Maße Wärme entzogen, dass eine Temperatur T_niedrig aufrechterhalten wird. Die Leitungen 17, 18 verbinden den warmen Motorbereich mit dem kalten Motorbereich; sie bilden gemeinsam einen Gegenstromwärmetauscher und sind dazu mittels einer Brücke 20 mit einem sehr geringen Wärmewiderstand fest miteinander verbunden. Zu diesem Zweck können sie zum Beispiel aus Kupfer gefertigt sein und über ihre gesamte Länge mit einem Silberlot aneinander gelötet sein.
Die Zylinder 9, 12 weisen vorzugsweise dieselben Abmessungen auf, und die Zylinder 10, 11 haben ebenfalls vorzugsweise dieselben Abmessungen. Weiterhin lässt sich einfach herleiten, dass für das Verhältnis zwischen den Oberflächen von Kolben 5 und Kolben 6 sowie von Kolben 8 und Kolben 7 vorzugsweise T_hoch/T_niedrig gewählt wird.
Mit den Schiebeventilen in dem in dieser Figur gezeichneten Stand wird Gas aus dem Raum unter dem Kolben 6 zu dem Raum über dem Kolben 5 gepresst, wobei das Gas expandiert wird, während die Temperatur der in dem warmen Motorbereich herrschenden Temperatur T_hoch gleich bleibt. Weiterhin wird Gas aus dem Raum unter dem Kolben 8 zu dem Raum über dem Kolben 7 gepresst, wobei das Gas komprimiert wird, während die Temperatur der in dem kalten Motorbereich herrschenden Temperatur T_niedrig gleich bleibt. Auch wird Gas aus dem Raum unter dem Kolben 5 über die Leitung 17 zu einem gleich großen Raum über dem Kolben 8 gepresst, der dabei seine Wärme an das Gas abgibt, das aus dem Raum unter dem Kolben 7 über die Leitung 18 zu dem gleich großen Raum über dem Kolben 6 gepresst wird. Zusammenfassend werden während der Abwärtsbewegung der Kolben alle vier Takte des Stirlingzyklus durchlaufen.
3 zeigt schematisch einen Stirlingmotor oder eine Wärmepumpe gemäß der Erfindung während einer aufgehenden Bewegung der Kolben. Mit den Schiebeventilen in dem in dieser Figur gezeichneten Stand wird Gas aus dem Raum über dem Kolben 6 zu dem Raum unter dem Kolben 5 gepresst, wobei das Gas expandiert, während die Temperatur der in dem warmen Motorbereich herrschenden Temperatur T_hoch gleich bleibt. Weiterhin wird Gas aus dem Raum über dem Kolben 8 zu dem Raum unter dem Kolben 7 gepresst, wobei das Gas komprimiert wird, während die Temperatur der in dem kalten Motorbereich herrschenden Temperatur T_niedrig gleich bleibt. Auch wird Gas aus dem Raum über dem Kolben 5 über die Leitung 17 zu dem gleich großen Raum unter dem Kolben 8 gepresst, der dabei seine Wärme an das Gas abgibt, das aus dem Raum über dem Kolben 7 über die Leitung 18 zu dem gleich großen Raum unter dem Kolben 6 gepresst wird. Zusammenfassend werden während der Abwärtsbewegung der Kolben alle vier Takte des Stirlingzyklus gleichzeitig durchlaufen.
Angemerkt sei noch, dass eine Stange 20, welche die Kolben 5, 6, 7, 8 auf eine völlig bekannte Art und Weise mit einem Schwungrad verbindet, und dass eine Stange 21, welche die Schiebeventile 13, 14, 15, 16 verbindet, von zum Beispiel zwei auf dem Schwungrad angeordneten Nocken so betätigt wird, dass, wenn die Kolben 5, 6, 7, 8 ihren unteren Totpunkt erreicht haben, sich in dem in 3 dargestellten Stand befinden, und wenn die Kolben 5, 6, 7, 8 ihren oberen Totpunkt erreicht haben, die Schiebeventile sich in dem in 2 dargestellten Stand befinden.
Anstelle der in 2 und 3 gezeigten Schiebeventile können selbstverständlich auch andere Ventile angewendet werden, solang sie die bei den Figuren beschriebenen Funktionen realisieren können. So kann es nützlich sein, elektrisch betätigte Ventile zu verwenden und an die Stange 20 einen Positionssensor oder einen Geschwindigkeitssensor zu koppeln. Anstelle eines von einem Schwungrad fest bestimmten Umschaltmoments kann dann zum Beispiel ein Mikroprozessor verwendet werden, um aus der Position und/oder der Geschwindigkeit von Stange 20 und möglicherweise aus T_hoch und T_niedrig einen bestmöglichen Umschaltmoment zu bestimmen.
Mit elektrisch betätigten Ventilen bildet nur die Stange 20 noch eine rigide Verbindung zwischen den Kolben in dem warmen Motorbereich und dem kalten Motorbereich. 4 stellt eine mögliche Ausführungsform einer hydraulischen Verbindung zwischen den Kolben dar, wodurch es möglich ist, den kalten Motorbereich und den warmen Motorbereich separat zu montieren, so dass sie nur über die Leitungen 17, 18 und eine hydraulische Leitung 22 verbunden sind. Die Stange 20 ist dabei in einen Teil 20a, der die Kolben 5, 6 verbindet, und einen Teil 20b, der die Kolben 7, 8 verbindet, aufgeteilt. Teil 20a ist dabei mit einem Kolben 23a und Teil 20b mit einem Kolben 23b verbunden, welche Kolben sich in den Zylindern 24a bzw. 24b bewegen können. Die Zylinder 24a, 24b und die Leitung 22 sind wie üblich mit einem Hydrauliköl gefüllt.
Die Beschreibung zu 1–3 bezieht sich speziell auf den Stirlingmotor. In dem Fachgebiet ist bekannt, dass man einen Stirlingmotor auch mechanisch antreiben kann, was eine Wärmepumpe ergibt, für die die bei 1–3 gegebene Erläuterung nahezu unverändert anwendbar ist. Dabei wird, wie bekannt ist, das pV-Diagramm aus 1 in umgekehrter Richtung durchlaufen.

Claims

Stirlingmotor versehen mit zumindest einem hin und her beweglichen Kolben und mit einem in einem Gebrauchszustand heißen Bereich und einem kalten Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Bereich und der kalte Bereich separat ausgeführt und mittels zweier Leitungen sowie mittels einer Achse oder einer hydraulischen Verbindung miteinander verbunden sind.
Stirlingmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Bereich mit einer ersten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, dass der kalte Bereich mit einer zweiten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, und dass die Achse oder das hydraulische System eine Koppelung zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung bildet.
Stirlingmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leitungen gegenseitig thermisch mit einem Gegenstromwärmetauscher verbunden sind.
Stirlingmotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche in einer ersten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen kann, dass die zweite Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche in einer zweiten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen kann.
Stirlingmotor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Zylinder mit acht Anschlüssen versehen sind, und dass eine Ventilanordnung für das gegenseitige Verbinden der acht Anschlüsse zur Durchführung eines Stirling-Kreisprozesses vorgesehen ist.
Wärmepumpe versehen mit zumindest einem in einem Gebrauchszustand hin und her beweglichen angetriebenen Kolben und einem warmen Pumpenbereich und einem kalten Pumpenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Pumpenbereich und der kalte Pumpenbereich separat ausgeführt und mittels zweier Leitungen sowie einer Achse oder einer hydraulischen Verbindung miteinander verbunden sind.
Wärmepumpe gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Pumpenbereich mit einer ersten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, dass der kalte Pumpenbereich mit einer zweiten Anordnung zweier gekoppelter Kolben versehen ist, und dass die Achse oder das hydraulische System eine Koppelung zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung bildet.
Wärmepumpe gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leitungen gegenseitig thermisch mit einem Gegenstromwärmetauscher verbunden sind.
Wärmepumpe gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche in einer ersten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen kann, dass die zweite Anordnung gekoppelter Kolben einen großen und einen kleinen Kolben umfasst, welche in einer zweiten Einheit eines großen und eines kleinen Zylinders bewegen kann.
Wärmepumpe gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Zylinder mit acht Anschlüssen versehen sind, und dass eine Ventilanordnung für das gegenseitige Verbinden der acht Anschlüsse zur Durchführung eines Stirling-Kreisprozesses vorgesehen ist.