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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an thermischen Komponenten
eines Stirling-Wärmezyklusmotors,
und insbesondere am Heizungskopf der Verbrennungskammernanordnung und
dem Regenerator.
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Hintergrund der Erfindung
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Stirling-Zyklusmaschinen
einschließlich
Motoren und Kühlschränken haben
ein langes technologisches Erbe, detailliert beschrieben in Walker,
Sterling Maschinen, Oxford University Press (1980), hierin durch
Bezugnahme mit eingegliedert. Das Prinzip, welches dem Stirling-Zyklusmotor unterliegt,
ist die mechanische Realisierung des thermodynamischen Stirling-Zyklus: isochores
Heizen eines Gases innerhalb eines Zylinders, isotherme Expansion
des Gases (während
derer Arbeit durch Antreiben eines Kolbens geleistet wird), isochores
Kühlen
und isotherme Kompression.
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Zusätzlicher
Hintergrund bezüglich
Aspekten von Stirling-Zyklusmaschinen und Verbesserungen daran werden
diskutiert in Hargreaves, The Phillips Stirling Engine (Elsevier,
Amsterdam, 1991), hierin durch Bezugnahme mit eingegliedert.
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Der
prinzipielle Betrieb eines Sterling Motors lässt sich leicht mit Bezug auf 1a bis 1b beschrieben,
wobei identische Bezugszeichen zum Identifizieren derselben oder ähnlicher
Teile verwendet werden. Viele mechanische Layouts von Stirling-Zyklusmaschinen
sind im Stand der Technik bekannt, und der besondere Stirling-Motor,
welcher allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet
ist, ist nur zu Illustrativzwecken gezeigt. In 1a bis 1b bewegen
sich ein Kolben 12 und ein Verdränger 14 in gefasster
hin-und-her Bewegung innerhalb Zylindern 16, welche bei
einigen Ausführungsformen des
Stirling-Motors ein einzelner Zylinder sein können. Ein Arbeitsfluid, welches
innerhalb der Zylinder 16 enthalten ist, wird durch Dichtungen
vom Entkommen um den Kolben 12 und den Verdränger 14 abgehalten.
Das Arbeitsfluid ist hinsichtlich seiner thermodynamischen Eigenschaften
gewählt,
wie in der nachstehenden Beschreibung erörtert, und ist typischerweise
Helium bei einem Druck von einigen Atmosphären. Die Position des Verdrängers 14 bestimmt
ob das Arbeitsfluid in Kontakt mit der heißen Grenzfläche 18 oder der kalten
Grenzfläche 20 ist, und
zwar entsprechend den Grenzflächen,
an denen Wärme
dem Arbeitsfluid zugeführt
oder dem Arbeitsfluid entzogen wird. Die Zuführung und Entziehung von Wärme wird
nachstehend weiter detailliert diskutiert. Das Volumen des Arbeitsfluids,
welches durch die Position des Kolbens 12 bestimmt ist,
wird als Kompressionsraum 22 bezeichnet.
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Während der
ersten Phase des Motorzyklus, dessen Startzustand in 1a dargestellt,
komprimiert der Kolben 12 das Fluid im Kompressionraum 22.
Die Kompression tritt bei im Wesentlichen konstanter Temperatur
auf, da Wärme
von Fluid an die umliegende Umgebung extrahiert wird. Der Zustand des
Motors 10 nach der Kompression ist in 1b abgebildet.
Während
der zweiten Phase des Zyklus bewegt sich der Verdränger 14 in
die Richtung der kalten Grenzfläche 20,
wobei das Arbeitsfluid vom Bereich der kalten Grenzfläche in den
Bereich der heißen
Grenzfläche 18 verdrängt wird.
Diese Phase kann als die Transferphase bezeichnet werden. Am Ende
der Transferphase ist das Fluid auf einem höheren Druck, da das Arbeitsfluid
bei konstantem Volumen geheizt worden ist. Der erhöhte Druck
ist symbolisch in 1c durch die Ablesung eines
Druckmessers 24 dargestellt.
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Während der
dritten Phase (dem Expansionstakt) des Motorzyklus steigt das Volumen
des Kompressionsraums 22 an, da Wärme von ausserhalb des Motors 10 entzogen
wird, um dadurch Wärme
in Arbeit umzuwandeln. In der Praxis wird Wärme an das Fluid mittels eines
Heizungskopfes 100 (in 2 gezeigt)
geliefert, was detaillierter in der nachstehenden Beschreibung erörtert wird.
Am Ende der Expansionsphase ist der Kompressionsraum 22 voll von
kalten Fluid, wie in 1d dargestellt. Während der
vierten Phase des Motorzyklus wird Fluid von dem Bereich der heißen Grenzfläche 18 in
den Bereich der kalten Grenzfläche 20 durch
die Bewegung des Verdrängers 14 in
entgegengesetztem Sinne transferiert. Am Ende dieser zweiten Transferphase füllt das
Fluid den Kompressionsraum 22 und die kalte Grenzfläche 20,
wie in 1a dargestellt, und ist bereit
für eine
Wiederholung der Kompressionsphase. Der Stirlingzyklus ist in einem
P-V (Druck-Volumen)-Diagramm dargestellt, wie in 1e gezeigt.
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Zusätzlichermaßen kann
beim Laufen von dem Bereich der heißen Grenzfläche 18 zum Bereich der
kalten Grenzfläche 20 das
Fluid durch einen Regenerator 134 (in 2 gezeigt) treten.
Der Regenerator 134 ist eine Matrix aus einem Material
mit einem großen
Verhältnis
des Oberflächenbereichs
zum Volumen, welche zum Absorbieren von Wärme aus dem Fluid dient, wenn
es heiß aus
dem Bereich der heißen
Grenzfläche 18 eintritt,
und zum Heizen des Fluids dient, wenn es von dem Bereich der kalten
Grenzfläche 20 vorbeiläuft.
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Stirling-Zyklusmotoren
werden nicht allgemein bei praktischen Anwendungen eingesetzt aufgrund
entmutigender Konstruktionsanforderungen für ihre Entwicklung. Diese involvieren
solche praktischen Erwägungen
wie Effizienz, Lebensdauer und Kosten. Die vorliegende Erfindung
wendet sich an diese Erwägungen.
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DE 42/9583 beschreibt einen
Wärmetransferapparat
für einen
Wärmemotor,
wie zum Beispiel einen Stirling-Motor. Eine zweiwandige Kammer hat Wände, welche
durch geschweißte
Schichtmetallstreifen verbunden sind, und Bolzen sind vorgesehen,
welche sich von der Außenseite
der zweiwandigen Kammer erstrecken.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmezyklusmotor geschaffen,
wie er in Anspruch 1 definiert ist. Ein Untersatz des Satzes von
Wärmetransferpins
bis zur Gesamtheit davon kann Wärmetransferpins
enthalten, welche sich von dem Heizungskopf in das externe Fluid
erstrecken. Eine Pinabstützung
kann vorgesehen sein zum Leiten des geheizten externen Fluids vorbei
an dem Satz von Wärmetransferpins.
Eine Dimension der Pinabstützung senkrecht
zum Heizungskopf kann in der Fließrichtung abnehmen, und der
Oberflächenbereich
der Wärmetransferpins
transversal zur Flussrichtung kann in Flussrichtung ansteigen. Die
Wärmetransferpins
können
eine Populationsdichte aufweisen, welche in Flussrichtung ansteigt,
und die Höhe
und Dichte der Wärmetransferpins
können
mit dem Abstand in Flussrichtung variieren.
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In Übereinstimmung
mit einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines
Wärmetäuschers
zum Transferieren thermischer Energie über einen Heizungskopf von
einem geheizten externen Fluid an das Arbeitsfluid nach Anspruch
9 geschaffen. Das Verfahren kann die Schritte des Gießens zumindest
einer Anordnung von Wärmetransferpins
einteilig auf einer Platte gegossen, und Ronden der Anordnung von
der Anordnung von War metransferpins an den Heizungskopf aufweisen. Der
Schritt des Bondens kann das mechanische Anbringen der Platte an
den Heizungskopf aufweisen und kann ebenfalls das Hartverlöten der
Platte mit Anordnung von Wärmetransferpins
an den Heizungskopf aufweisen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird leichter verstanden durch Bezugnahme auf folgende
Beschreibung in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung. Es
zeigen:
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1a bis 1e das
Prinzip des Betriebs einer Stirling-Zyklusmaschine nach dem Stand
der Technik;
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2 eine
Seitenansicht im Querschnitt vom Heizungskopf und der Verbrennungskammer.
eines thermischen Motors;
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3 einen
weiteren Querschnitt des Heizungskopfes und der Verbrennungskammer
von 2 entlang einer Richtung in der sowohl nach Innen
gerichtete als auch nach Außen
gerichtete thermische Pins hervortreten, und beinhaltet Wärmetransferpins,
welche sich an den inneren und äußeren Oberflächen der
Oberseite des Heizungskopfes aufreihen;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Anordnung von Wärmetransferpins separat gegossen zum
Anbau an einem Heizungskopf in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung;
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5a eine
perspektivische Oberansicht eines Heizungskopfs zum Anbringen gegossener
Segmente von Wärmetransferpinanordnungen,
wie zum Beispiel in 4 gezeigt;
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5b eine
perspektivische Oberansicht eines Heizungskopfes mit angebrachten
gegossenen Segmenten von Wärmetransferpinanordnungen,
wobei die Pinabstützung
entfernt ist, um die Wärmtransferpins
zu zeigen;
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5c eine
Querschnittsseitenansicht der Heizungskopfanordnung von 3 zum
Zeigen der Anordnung einer keramischen Isolierung zwischen den Heizungskopf- Temperatursensoren
und dem Abgas in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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6a eine
Querschnittsseitenansicht der Heizungskopfanordnung von 3 (wobei
aus Klarheitsgründen
einige Wärmetransferpins
schematisch gezeigt sind) zum Zeigen eines typischen Gradienten von
Temperaturen, wenn das Arbeitsfluid in den Regenerator eines Stirling-Zyklusmotors
getrieben wird, in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6b dieselbe
Querschnittsseitenansicht wie 6a mit
zusätzlichen
Wärmetransferpins
nicht skaliert gezeigt mit aus Klarheitsgründen entfernter Gasströmungskanalabdeckung;
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7a-7d die
Anwendung von Wärmetransferpinringen
zum Schaffen eines thermischen Transfers zwischen Fluiden und einem
Heizungskopf;
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8a die
Herstellung eines Regenerators durch Elektroplatieren eines fibrilosen
Ausgangsmaterials;
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8b ein
Querschnitt der Regeneratorkammer eines Stirling-Zyklus;
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9 eine
Seitenansicht im Querschnitt des Brenners und der Wärmewiedergewinnungsanordnung
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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10a eine Querschnittsansicht von der Seite eines
Kraftstoffeinlassverteilers für
einen Stirling-Zyklusmotor in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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10b eine Querschnittsansicht von der Oberseite
des Kraftstoffeinlassverteilers von 10a aufgestellt
durch den Schnitt BB;
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10c eine Querschnittsansicht von der Oberseite
des Kraftstoffeinlassverteilers von 10a aufgenommen
durch den Schnitt AA zum Zeigen der Kraftstoffstromdüsen;
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11 eine
Querschnittsseitenansicht der Heizungsanordnung von 3 (mit
einigen Wärmetransferpins
schematisch aus Klarheitsgründen
gezeigt) mit einer zweiten Verbrennungszone;
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12a und 12b Seitenquerschnittsansichten
eines Brenners und einer Wärmewiedergewinnungsanordnung
für einen
thermischen Zyklus;
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13a-13c alternative
Konfigurationen für
gefaltete Firmen zum Transferieren von Wärme zwischen dem Heizungskopf
und entweder dem Abgas oder dem Arbeitsfluid:
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Detaillierte Beschreibung
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Nunmehr
ist mit Bezug auf 2 eine Querschnittansicht des
Expansionsvolumens 98 eines Wärmezyklusmotors gezeigt, und
zwar aus Illustrationsgründen
als Stirling-Zyklusmotor allgemein durch Bezugszeichen 96 gekennzeichnet,
und von den entsprechenden thermischen Steuerstrukturen. Der Heizungskopf 100 ist
im Wesentlichen ein Zylinder mit einem geschlossenen Ende 120 (auch
als der Zylinderkopf bezeichnet) und einem offenen Ende 118. Das
geschlossene Ende 120 ist in einer Verbrennungskammer 122 angeordnet,
welche durch eine innere Brennerstruktur 110 definiert
ist. Heiße
Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer 122 sind
in direktem thermischen Kontakt mit dem Heizungskopf 100,
und thermische Energie wird durch Leitung von den Verbrennungsgasen
an den Heizungskopf und dem Heizungskopf an das Arbeitsfluid des
thermischen Motors, typischer Weise Helium, transferiert. Weitere
Gase, wie zum Beispiel Stickstoff, können innerhalb des Umfangs
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei ein bevorzugtes
Arbeitsfluid eine hohe Wärmleitfähigkeit
und eine geringe Viskosität
aufweist. Nicht brennbare Gase sind ebenfalls bevorzugt. Wärme wird
von den Verbrennungsgasen an den Heizungskopf transferiert, wenn
die Verbrennungsgase entlang der Aussenoberfläche des geschlossenen Endes 120 innerhalb
eines Gasströmungskanals 113 strömen.
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Das
Expansionsvolumen 98 ist auf seinen Seiten durch eine Expansionszylindereinlage 115 umgeben,
seinerseits angeordnet innerhalb des Heizungskopf 100 und
typischerweise unterstütz
durch den Heizungskopf. Der Expansionskolben 121 läuft entlang
der Innenseite der Expansionszylindereinlage 115. Wenn
der Expansionskolben zum geschlossenen Ende des Heizungskopfes 110 läuft, wird
das Arbeitsfluid innerhalb des Heizungskopfs verdrängt und
veranlasst durch Strömungskanäle zu fließen, welche
durch die äussere
Oberfläche
der Expansionszylindereinlage 115 und die inner Oberfläche des Heizungskopf 100 definiert
sind. Die Gesamteffizienz eines thermischen Motors hängt dabei
von der Effizienz des Wärmetransfers
zwischen den Verbrennungsgasen und dem Arbeitsfluid des Motors ab.
Ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Transferieren von
Wärme in
effizienter Weise von den Verbrennungsgasen in der Verbrennungskammer 122 an
das Arbeitsfluid in Expansionsvolumen 98 erfordert eine
Vielzahl von Heizschleifen (nicht in 2 gezeigt,
da sie keinen Teil der hier gezeigten spezifischen Ausführungsform
bilden), welches sich über
den Heizungskopf und die Verbrennungskammer erstrecken. Das Arbeitsfluid
wird entlang der Wärmeschleifen
transportiert und durch die Verbrennungsgase durch Leitung über die
Heizschleifen erwärmt.
Zum Erhöhen
des Wärmetransfers
haben die Heizschleifen typischerweise dünne Wände. Zusätzlich haben die Heizschleifen
typischerweise scharfe Krümmungen,
um in die Verbrennungskammer zu passen. Die Kombination dünner Wände und
scharfer Krümmungen
schafft lokale Bereiche von hoher Spannung, welche der Ort des Berstens
des Arbeitsfluidvolumens zu sein tendieren, um sobei einen Ausfall
des Motors zu verursachen.
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Alternativerweise
können
Finnen oder Pins verwendet werden, um den Grenzflächenbereich zwischen
den Heißfluid-Verbrennungsprodukten
und dem festen Heizungskopf zu erhöhen um so wiederum Wärme an das
Arbeitsfluid des Motors zu transferieren. Der Heizungskopf 100 kann
Wärmetransferpins 124,
hier gezeigt auf der Innenoberfläche
des Heizungskopfs 100, in dem Raum zwischen dem Heizungskopf
und der Expansionszylindereinlage 115 aufweisen. Zusätzlicherweise
können,
wie in 3 in einem Querschnitt des Stirling-Zyklusmotors 96 aufgenommen,
entlang eines unterschiedlichen Durchmessers des Expansionsvolumens 98 im
Vergleich zu 2 gezeigt, Wärmetransferpins ebenfalls auf der
Aussenoberfläche
des Heizungskopfes 100 angeordnet sein, um so einen großen Oberflächenbereich
für den
Transfer von Wärme
durch Leitung an den Heizungskopf 100 zu schaffen, und
daher an das Arbeitsfluid von den Verbrennungsgasen, welche vom
Brenner 122 an den Wärmetransferpins
vorbei fließen.
Die gestrichelte Linie 131 repräsentiert die Längsachse
des Expansionszylinders. 3 zeigt ebenfalls Wärmetransferpins 133,
welche sich an den inneren und äusseren
Oberflächen
der Oberseite des Heizungskopfs 100 aufreihen, in Übereinstimmung
mit einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung. Nach innen gerichtete Wärme transfereins 124 dienen
zum Schaffen eines großen
Oberflächenbereichs
für den
Transfer von Wärme
durch Leitung vom Heizungskopf 100 an das Arbeitsfluid,
welches vom Expansionsvolumen 98 durch den Expansionskolben
verdrängt
und durch die Regeneratorkammer 32 getrieben wird.
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Abhängig von
der Größe des Heizungskopfs können hunderte
oder tausende innere Wärmetransferpins 124 und äussere Wärmetransferpins 130 erwünscht sein.
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Ein
Verfahren zum Herstellen des Heizungskopfs 100 mit Wärmetransferpins 124 und 130 beinhaltet
das Gießen
des Heizungskopfs und der Pins als einteilige Einheit. Obwohl typischerweise
kostengünstiger
herstellbar als ein maschinelles Herstellen oder ein Zusammenbau
der Pinanordnung, können Gusspinanordnungen
noch begleitende Schwierigkeiten und wesentliche Kosten aufweisen.
Zusätzlicherweise
kann der Gießprozess
in einem Heizungskopf resultieren, der weniger als mit voller Dichte
mit Pins bevölkert
ist, um somit den Anteil von gasen zu erhöhen, welche nicht mit der Heizungskopfoberfläche kollidieren
und die Effizienz des Wärmetransfers reduzieren.
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Ein
Verfahren zum Bestücken
der Oberflächen
des Heizungskopfs 100 mit Wärmetransferpins in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Fabrikation der Heizung 100 und
der Anordnungen von Wärmetransferpins
in separaten Gießprozessen.
Eine Anordnung 150 von Wärmetransferpins 152,
gegossen mit der Scheibe 154, ist in 4 gezeigt.
Die Pinanordnungen 150 werden nach dem Gießen an der
inneren und äusseren
Oberfläche
des Heizungskopfs durch Hochtemperatur-Hartlöten angebracht. Somit kann
ein dichter bestückter
Kopf mit einer resultierenden geringen Rate von Gasleckstrom an
den Pins vorbei vorteilhaft erzielt werden.
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Bei
anderen Ausführungsformen
können Scheiben 154 durch
verschiedene mechanische Einrichtungen am Heizungskopf angebracht
werden. Schlitze können
in Teilern 506 (beschieben im nächsten Abschnitt) zum Halten
der Scheiben an ihrem Ort gegen den Kopfvorgesehen werden. Alternativerweise
können
die Scheiben 154 an den Heizungskopf gesintert werden.
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Bei
einer Ausführungsform
umfassen individuelle Anordnungen 150 jeweils mit einem
zugehörigen
Scheibensegment 154 bogenförmige Abschnitte des Umfangsabstands
um den Hei zungskopf. Dies erscheint klar in der Oberansicht der
Heizungskopfanordnung, welche in 5a perspektivisch
gezeigt ist. Der Zylinderkopf 120 ist gezeigt wie die äussere Oberfläche 502 des
Heizungskopfs. Stützsegmente zum
Lager von Anordnungen von Wärmetransferpins sind
nicht gezeigt, aber werden während
des Zusammenbaus in Räumen 504.
angesetzt, welche die äussere
Oberfläche 502 des
Heizungskopfs umgeben. Zwischen aufeinanderfolgenden Wärmetransferpinanordnungssegmenten
sind trapezförmige
Teiler 506, welche angeordnet sind zum Blockieren des Strömung von
Abgasen in einer Abwärtsrichtung
durch leglichen Weg der nicht an den Wärmetransferpins vorbeiführt. Der
Heizgasströmungsweg 113 (auch
in 2 gezeigt) ist auf der Aussenseite durch die Gasströmungskanalabdeckung 140 definiert.
Da die Abgase nicht durch die Teiler 506 fließen, wird
ein Temperatursensor, wie zum Beispiel ein Thermoelement 138 (gezeigt
in 2 und 5c), vorteilhafter weise in
Teiler 506 angeordnet, um die Temperatur des Heizungskopfes 100 zu überwachen,
womit der Temperatursensor in thermischen Kontakt steht. Die Position
der Pinanordnungen 150 und des innerhalb des Teilers 506 Temperatursensors 138 ist
in der Ansicht von 5b deutlicher gezeigt, in der
die Pinabstützung
entfernt ist. Die Temperaturerfassungsvorrichtung 138 ist
vorzugsweise innerhalb des Teilers 506 angeordnet, wie
in 5b gezeigt. Insbesondere liegt die Temperaturerfassungsspitze 139 des
Temperatursensors 138 vorzugsweise im Schlitz entsprechend
dem Teiler 506 so nah wie möglich am Zylinderkopf 120,
da dieser Bereich typischerweise der wärmste Teil des Heizungskopfes
ist. Alternativer Weise kann der Temperatursensor 138 direkt
am Zylinderkopf 120 angebracht werden, jedoch ein Ort des
Sensors im Schlitz, wie beschrieben, ist bevorzugt. Die Funktionstüchtigkeit
des Motors sowohl hinsichtlich Leistung als auch Effizienz ist am
Höchsten an
der höchstmöglichen
Temperatur.
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Obwohl
der Brenner entworfen ist, Umfangssymetrie aufzuweisen, können sich
heiße
Flecken auf dem Heizungskopf 120 entwickeln. Hinzu kommt da
Problem, dass die typischer Weise zu Herstellung des Heizungskopfs
verwendeten Legierungen wegen ihres hohen Schmelzpunktes relativ
geringe thermische Leitfähigkeit
aufweisen. Wenn sich heiße
Flecken bilden, können
sie nicht andauern, da die Gasströmung ausserhalb Kopfes axial
und nicht umfangsmässig
verläuft,
da die Teiler 506 (gezeigt in 5a) jeglichen
Umfangsfluss behindern. Zusätzlich
kann das Heizen die lokale Gasviskosität erhöhen, um dadurch einen größeren Fluss
in andere Kanäle
umzuleiten. Zum Ausmitteln der Temperaturverteilung auf dem Heizungskopf
ist eine Schicht eines hochthermisch leitfähigen Metalls wie zum Beispiel Kupfer,
einer Dicke von 0,001 in. und vorzugsweise etwa 0,005 in., aufgebracht
auf die innere Oberfläche 148 des
Heizungskopfs 120, und zwar durch Abschaltung oder Platierung
oder ein anderes Aufbringungsverfahren. Alternativerweise kann eine ähnliche
Beschichtung auf die Aussenoberfläche in Übereinstimmung mit einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung aufgebracht werden.
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Um
die Größe des Stirling-Zyklusmotors
gering zu halten, ist es wichtig den Wärmefluss vom Verbrennungsgas
durch den Wärmekopf
zu maximieren. Während
der Stand der Technik Leitungsschleifen verwendet, in denen der
Wärmetransfer
an das Arbeitsfluid erreicht wird, bewirken Schleifen sowohl geringere
Zuverlässigkeit
(da die Schleifen mechanisch verwundbar sind) und höhere Kosten
aufgrund der komplizierteren Schleifengeometrie und Extramaterialien.
Die limitierende Beschränkung
hinsichtlich des Wärmeflusses
in Übereinstimmung
mit Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind die thermomechanischen Eigenschaften
des Heizungskopfmaterials, welche in der Lage sein müssen, hohen
Temperaturen der Verbrennungskammmer zu widerstehen und gleichzeitig
die strukturelle Integrität
des unter Druck gesetzten Kopfes aufrechtzuerhalten. Die maximale
Designtemperatur ist durch den heißesten Punkt auf den Heizer
bestimmt, welcher üblicher
Weise an der Oberseite der Wand liegt. Idealerweise würde der
gesamte Heizungswand-Heißabschnitt
auf dieser Maximaltemperatur liegen, wie beispielsweise durch Steuern
des Kraftstoffflusses gesteuert werden kann.
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Wenn
die Verbrennungsgase an dem Heizungskopf vorbei in Gasströmungskanälen 113 (gezeigt
in 2) verlaufen, nimmt die Gastemperatur ab, da Wärme von
dem Gas an den Heizungskopf transferiert wird. Daraus resultierend
muss die maximal erlaubte Heizungskopftemperatur an der Oberseite
des Gasströmungskanals
durch das Material, welches für
den Heizungskopf verwendet wird, eingestellt werden. Das Material
wird vorzugsweise ausgewählt
aus der Familie von Hochnickellegierungen, üblicherweise als Superlegierungen
bezeichnet, wie zum Beispiel Inconel 600 (mit einer Maximaltemperatur
Tmax = 800°C vor der Erweichung), Inconel
625 (Tmax = 900°C), Inconel 754 (Tmax =
1080°C)
oder Hastelloy GMR 235 (Tmax = 935°C). Das Gas
im Gaskanal 113 kann beim Durchlaufen durch den Kanal um
bis zu 350°C
abkühlen,
was in einer Untererwärmung
des Bodens der Heißzone
resultiert.
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In Übereinstimmung
mit bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird das Temperaturprofil der Heizungswand
mittels einer Wärmetransfergeometrie
gesteuert, wie beschreiben werden wird. Ein Verfahren zum Steuern
der Geometrie funktioniert durch Vor sehen eines variablen Querschnitts
des Gasströmungskanals 113 (gezeigt in 2 und 6a).
die Radialdimension (senkrecht zur Wand des Heizungskopfes) und
somit der Querschnitt des Kanal ist groß an der Oberseite der Heizungswand,
um dadurch zu ermöglichen,
dass viel vom Gas an der Pinanordnung an der Oberseite der Wand
vorbeiströmt.
Der Beipass ermöglicht
es, dass das heißere
Gas die Stiftanordnung am Boden der Wand erreicht, um dadurch zu
ermöglichen,
dass die am Boden gelegene Stiftanordnung näher bei ihrer Maximaltemperatur
arbeitet. Der Temperaturgradient von der Oberseite der Heizung zum
Boden des Heißabschnitts
(vor dem Regeneratorvolumen 132, wie in 2 gezeigt)
ist von 350°C
auf 100°C
unter Verwendung eines Gasströmungskanals
mit variablem Querschnitt reduziert worden.
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Ein
zweites Verfahren zum Steuern der Geometrie funktioniert durch Variieren
der Populationsdichte und der Geometrie der Stiftanordnung als Funktion
der Position entlang des Gasströmungskanals.
Die Geometrie der Stifte kann eingestellt werden durch Variieren
des Höhe/Durchmesser (H/D)-Verhältnisses
der Pins. Falls ein Gießprozess zum
Bilden der Pinanordnung verwendet wird, kann der Bereich von H/D-Verhältnissen
durch den Prozess limitiert sein. Falls Pinringe verwendet werden, kann
der Bereich H/D-Verhältnissen
ausgeweitet werden.
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Jetzt
mit Bezug auf 6a bezeichnet der Pfeil 702 den
Weg von geheizten Abgasen am Heizungskopf vorbei. Äussere Wärmetransferpins 130 unterbrechen
die geheizten Abgase und transferieren Wärme über den Heizungskopf 100 und über die inneren
Heizungstransferpins 124 an das Arbeitsfluid, welches vom
Expansionszylinder 115 entlang des Weges 704 getrieben
wird. (Aus Gründen
der Klarheit sind die Wärmetransferpins 130 und 124 in 6a schematisch
gezeigt. Zusätzliche
Wärmetransferpins 130 und 124 sind
unskaliert in der Ansicht von 6b gezeigt.)
Aufeinanderfolgende Wärmetransferpins 706, 708 und 710 präsentieren
beispielsweise einen progressiv größeren Querschnitt für die Strömung des
Abgases entlang des Weges 702. Somit wird, während das
Abgas einen Teil seiner Wärme
vor der Ankunft an den unteren Stiften transferiert hat, Wärme dort
mit einer größeren Leitungsrate
extrahiert, um dadurch den Temperaturgradienten zwischen der Oberseite 712 und
dem Boden 714 des Weges des Arbeitsfluids zwischen dem
Expansionsvolumen 98 und dem Regeneratorvolumen 132 zu
reduzieren. Typische Temperaturen der Oberfläche des Expansionszylinders 115 sind
in 6a angedeutet: 850 Grad an der Oberfläche des
Zylinders, 750 Grad an dem Zentrum des Zylinders und 600 Grad am
Ende des Zylinders am dichtesten am Regeneratorvolumen.
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Ein
weiteres Verfahren zum Erzielen einer gleichmäßigeren Verteilung von Wärme von
den Abgasen zum Heizungskopf in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung liegt in der Schaffung eines abgeschrägten Teilers
auf dem Aussendurchmesser des Heizungskopfs mittels einer konzentrisch
abgeschrägten
Pinabstützung 146,
wie in 6a gezeigt. Die Durchschnittsansicht
von 6a zeigt wie eine angeschrägte Pinabstützung 146 ermöglicht,
dass ein Teil des heißesten
Abgases die Pins nahe der Oberseite des Heizungskopfes umgeht. Die
Pinabstützung 146 schafft
einen verengten ringförmigen
Spalt auf der Außenseite
der Pins welcher progressiv mehr und mehr von den Abgasen in den
Pinwärmetauscher
zwingt.
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Ein
weiters Verfahren zum Erhöhen
des Oberflächenbereichs
der Grenzfläche
zwischen einem Festkörper,
wie zum Beispiel dem Heizungskopf 100, und einem Fluid,
wie zum Beispiel Abgasen, wie oben erörtert, wird jetzt unter Bezugnahme
auf 7a bis 7d beschrieben.
Ein Effekt analog zum denjenigen der Herstellung von Wärmetransferpins
durchgießen
oder anderweitig kann erzielt werden durch stanzen von Löchern 160 in
einem dünnen ringförmigen Ring 162,
gezeigt in der Oberansicht in 7a und
in Seitenansicht in 7b. Die Dicke des Ringes 162,
welcher bezeichnet werden kann als ein "Wärmetransferpinring" ist vergleich zur
Dicke der oben erörterten
Wärmetransferpins
und wird bestimmt durch die Stärke
des wärmeleitenden
Materials an der hohen Temperatur der Verbrennungsgase, welche die
Löcher 160 durchtreten.
Die Gestalt und Anordnung der Löcher 160 innerhalb
jedes einzelnen Ringes ist eine Designangelegenheit für eine bestimmte
Anwendung, in der Tat liegt es innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung und der angehängten
Patentansprüche,
dass die Löcher 160 nicht durch
festes Material umgeben sind. Das Material der Ringe 162 ist
vorzugsweise ein oxidationsresistentes Metall, wie zum Beispiel
Inconel 125 oder Hastelloy GMR 235, obwohl andere wärmeleitenden
Materialien verwendet werden können.
Die Ringe 162 können
kostengünstig
hergestellt werden durch einen Metallstanzprozess. Die Ringe 162 werden
dann angebracht und hartverlötet
oder anderweitig an die äußere Oberfläche des
Heizungskopfs 100 gebondet, wie bezüglich der äußeren Pinringe 164 in 7c und
bezüglich
der inneren Pinringe 166 in 7d gezeigt.
Zusätzliche
Ringe können
zwischengesetzt sein zwischen die Pinringe, um den vertikalen Abstand
zwischen den Pins zu steuern. Der Expansionszylindereinsatz 115 ist
im inneren der inneren Pinringe 166 gezeigt.
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Der
gesamte Querschnittsbereich der Wärmetransferpins aufgenommen
als Scheibe senkrecht zur Zylinderachse 168 muss tatsächlich nicht
konstant sein und kann vorteilhaft variiert werden, wie oben detailliert
mit Bezug auf 6 diskutiert.
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Mit
Bezug auf 13a bis 13c können die
inneren oder äußeren Wärmetauschoberflächen ebenfalls
aus verschiedenen gefalteten Finnstrukturen 1200, 1202 oder 1204 gebildet
sein. Die gefalteten Finnstrukturen können aus einem Material ähnlich demjenigen
des Heizungskopf-Druckdomes oder aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
wie zum Beispiel Kupfer, gebildet werden, was eine verbesserte Effizienz
der Finnen schaffen kann. Die Finnen können aus Materialien mit hohem
Schmelzpunkt hergestellt werden, wie zum Beispiel demjenigen des
Heizungskopfs 100 (gezeigt in 2) und können kontinuierlich
von der Oberseite bis: zum Boden des Heizungskopfes verlaufen. Gefaltete
Firmen können
aus Schichtmetall hergestellt werden und an die Oberfläche des
Heizungskopfs hartverlötet
werden. Drei gefaltete Finnenkonfigurationen sind beispielshalber
gezeigt: Wellenförmige
Finnen 1200, lancierte Finnen 1202 und versetzte
Firmen 1204. In jedem Fall ist die Gasströmungsrichtung
angezeigt durch einen Pfeil mit den Bezugszeichen 1206.
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Finnen,
welche aus einem vom Heizungskopf 100 unterschiedlichen
Metall gebildet sind, sind in Übereinstimmung
mit alternativen Ausführungsformen
der Erfindung in axialen Segmenten angebracht, um eine differenzielle
thermische Ausdehnung daran zu hindern die hartverlötete Verbindung zwischen
den Finnen und dem Kopf zu brechen. Die Offset-Finnenkonfiguration von 13c bietet vorteilhafter Weise einen überlegenen
Wärmetransferkoeffizienten
im Vergleich zu den ebenen Finnen.
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Die
Verwendung eines Metalls mit hoher thermischer Leitfähigkeit
für die
gefalteten Firmen kann vorteilhafter Weise ermöglichen, dass die Finnen länger gestaltet
werden, um dadurch den Wärmetransfer
zu verbessern und den Widerstand gegenüber der Strömung des Gases zu reduzieren
und die Motoreffizienz zu verbessern.
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Wiederum
mit Bezug auf 2 wird, wenn das Arbeitsfluid
von dem Expansionszylinder 115 durch den Expansionskolben
verdrängt
wird, Arbeitsfluid weiter in der Passage über der inneren Stiftanordnung 124 gehalst
und durch die Regeneratorkammer 132 getrieben. Ein Regenerator 134 wird
in einer Stirling Zyklusmaschine, wie oben erörtert, verwendet, um Wärme zum
Arbeitsfluid hinzuzufügen
oder davon zu entfernen während
unterschiedlicher Phasen des Stirlingzyklus. Der in einer Stirlingzyklusmaschine
verwendete Regenerator muss hohe Wärmetransferraten ermöglichen
was typischer Weise einen großen
Wärmetransferbereich
und einen geringen Strömungswiderstand
für das
Arbeitsfluid vorschlägt. Ein
geringer Strömungswiderstand
trägt ebenfalls
bei zur Gesamteffizienz des Motors durch reduzieren der zum pumpen
des Arbeitsfluid erforderlichen Energie. Zusätzlicherweise muss der Generator 134 derart gefertigt
sein, dass er einem Abplatzen oder einer Fragmentierung widersteht,
da Fragmente in das Arbeitsfluid eingebracht und zum Kompressions-
oder Expansionszylinder transportiert werden können und in einer Beschädigung der
Kolbendichtungen resultieren.
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Ein
Regeneratordesign verwendet einige hundert gestapelte Metallschirme.
Obwohl sie an der Oberfläche
mit hohem Wärmetransfer,
einen geringen Strömungswiderstand
und ein geringes Abplatzen aufweisen, können Metallschirme dem Nachteil unterliegen,
dass ihr Schneiden und ihr Handling kleine Metallfragmente erzeugen
kann, welche vor dem Zusammenbau des Regenerators entfernt werden müssen.
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Ein
dreidimensionales Zufallsfasernetzwerk, wie zum Beispiel rostfreie
Stahlwolle oder keramische Fasern können beispielsweise als der
Regenerator verwendet werden, jetzt mit Bezug auf 8a beschrieben.
Der Regenerator 200 aus rostfreier Stahlwolle bietet vorteilhafter
Weise ein großes
Verhältnis
Oberflächenbereich
zu Volumen, um somit günstige
Wärmetransferraten
bei geringer Fluidströmungsreibung
in kompakter Form zu ermöglichen. Zusätzlicherweise
sind mühsame
Herstellungsschritte wie schneiden, reinigen und zusammenbauen großer Anzahlen
von Schirmen vorteilhaferweise eliminiert. Die geringe mechanische
Festigkeit von; Stahlwolle und die Tendenz von Stahlwolle zum Abspalten können überwunden
werden wie nachstehend beschrieben. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der Erfindung sind die individuellen Stahldrähte 202, 204 in
eine unitäre
3D-Drahtmatrix "querverbunden". Das Startmaterial
für den
Regenerator kann fibrilose und aus Zufallsfaserform, wie zum Beispiel
Stahlwolle, bestehen. Die Zusammensetzung der Faser kann ein Glas
oder eine Keramik oder ein Metall, wie zum Beispiel Stahl, Kupfer
oder andere Hochtemperatur materialien, sein. Der Durchmesser der
Faser ist vorzugsweise im Bereich von 10 Mikrometern zu 1 Millimeter
abhängig
von der Größe des Regenerators
und den Eigenschaften des Metalls. Das Startmaterial wird in eine
Form entsprechend der Endgestalt des Generators platziert, was im
Querschnitt in 8b abgebildet ist. Die Innenkanister-Zylinderwand 220,
die Außenkanister-Zylinderwand 222 und
das Regeneratornetzwerk 200 sind gezeigt. Die Dichte des
Regenerators wird kontrolliert durch die Menge an Startmaterial,
das in die Form gesetzt wird. Die Form kann porös sein, um Fluiden ein Durchtreten
durch die Form zu ermöglichen.
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Ungesinterte
Stahlwolle kann als Regeneratornetzwerk 200 verwendet werden.
Das Regeneratornetzwerk 200 wird dann innerhalb des Regeneratorkanisters
durch Regeneratorrückhalteschirme 224 zurückgehalten,
welche vorteilhafter Weise Stahlwollfragmente auffangen.
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Anwendbar
für Startmaterial
welches elektrisch leitfähig
ist, wird das Startmaterial in poröse Form versetzt und in ein
Elektrolydbad gebracht. Das Startmaterial kann ein Metall, wie zum
Beispiel rostfreier Stahl sein. Eine elektrische Verbindung wird
mit dem Startmaterial hergestellt, um dadurch eine Elektrode zu
bilden. Eine Quervernetzung der individuellen Fasern im Startmaterial
wird bewerkstelligt durch elektrisches Abscheiden eines zweiten
Materials auf dem Startmaterial. Die Auswahl des Startmaterials wird
von solchen Faktoren abhängen
wie zum Beispiel der besonderen ausgewählten Abscheidungstechnik und
der chemischen Kompatibilität
des ersten und zweiten Materials, wie den Durchschnittsfachleuten
im Gebiet der Elektrochemie bekannt. Während der Abscheidung wird
sich das zweite Material auf dem Startmaterial ausbilden und Brücken 208 zwischen
den individuellen Fasern des Startmaterials an Orten bilden, wo
die individuellen Fasern in Nähe
zueinander sind. Die Abscheidung wird fortgesetzt, bis die Brücken auf
eine hinreichende Größe gewachsen
sind, um die zwei individuellen Fasern starr an ihrem Ort zu halten.
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Die
Abscheidungsdauer hängt
von dem besonderen Abscheidungsprozess ab und lässt sich leicht durch einen
Durchschnittsfachmann bestimmen. Nach Vervollständigung der Abscheidung wird der
Regenerator aus dem Bad entfernt, und die Form wird gereinigt.
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Alternativermaßen wird
das Startmaterial in eine Form gebracht, welche porös sein kann
oder nicht. Die Form mit dem Startmaterial wird in einen Ofen gesetzt
und teilweise in ein einzel nes Stück gesintert. Die Auswahl der
Sintertemperatur und die Sinterzeit lassen sich durch einen Durchschnittsfachmann
im Sintergebiet leicht bestimmen.
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Das
Startmaterial kann in eine poröse
Form gesetzt werden. Die Form mit dem Startmaterial wird in ein
chemisches Bad gesetzt und ein zweites Material, wie zum Beispiel
Nickel, wird chemisch abgeschieden, um Brücken zwischen den individuellen Fasern
zu bilden.
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Alternativerweise
ist das Startmaterial eine Silikaglasfaser, welche in eine poröse Form
gesetzt wird. Die Glasfaser und Form werden in eine Lösung aus
Tetraethylorthosilikat (TEOS) und Ethanol getaucht, so dass die
Faser vollständig
von der Lösung benetzt
ist. Die Faser und die Form werden aus der Lösung entfernt und in feuchter
Atmosphäre
ablaufen gelassen. Die Lösung
wird miniskusförmig
gestaltete Brückenfasern
in naher Nähe
zueinander bilden. Die Feuchtigkeit der Atmosphäre startet die Hydrolyse-Kondensations-Reaktion,
welche das TEOS in Silika verwandelt, um eine Querverbindung zwischen den
zwei Fasern zu formen. Die Faser und Form können bei einer Temperatur von
unterhalb 1000°C, äußerst bevorzugt
unterhalb von 600°C,
wärmebehandelt
werden, um die Reaktionsprodukte zu entfernen und eine Silikabrücke zwischen
den Fasern zu bilden.
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Eine
keramische Schlemme kann auf einem Retikelschaum mit der Gestalt
des Regenerators abgeschieden werden. Die Schlemme wird auf dem
Retikelschaum getrocknet und wärmebehandelt,
um den Schaum auszubrennen und die Keramik zu sintern. Die Keramik
kann aus einer Oxydkeramik, wie zum Beispiel Kordierit, Alumina
oder Zirkonia zusammen gesetzt sein. Die Zusammensetzung der keramischen
Schlemme und das Wärmebehandlungsprofil
lassen sich durch einen Durchschnittsfachmann in der keramischen
Prozesstechnik leicht spezifizieren.
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Die
Abgasverbrennungsgase verlassen den Gastströmungskanal 113 durch
einen Port 114 der zu einer Vorverbrennungsluft vor Heizungseinlass
führt, welcher
jetzt mit Bezug auf 9 erörtert wird, welcher eine Seitenquerschnittsansicht
der Vorheizung und der Heizungskopfanordnung zeigt.
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Obwohl
Stirlingmotoren in der Lage sind eine hohe thermische Effizienz
und einen geringen Ausstoß von
Verschmutzungen zu bieten, auferlegen diese Ziele Anforderungen
thermischer Effizienz insbesondere auf einen Brenner, der in dem
Heizungskopf 110 des Stirlingmotors verwendet wird. Komponenten
solch einer thermischen Effizienz beinhalten das effiziente Pumpen
von Oxidationsmittel (typischerweise Luft und hierin und in den
angehängten Patentansprüchen unbegrenzt
als "Luft" bezeichnet) durch
den Brenner 122 zum Erzeugen der Verbrennung und die Wiedergewinnung
der in den Abgasen, welche den Heizungskopf verlassen, enthaltenen thermischen
Energie. Bei vielen Anwendungen wird Luft (oder ein anderes Oxidationsmittel)
vor der Verbrennung vorgeheizt, und zwar auf fast die Temperatur
des Heizungskopfes, um so die aufgezählten Ziele thermischer Effizienz
zu erreichen.
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Zum
Erreichen geringer Emissionen müssen der
Kraftstoff und die Luft gut gemischt sein mit hinreichenden Mengen
an Sauerstoff, um die Emission von Kohlenmonoxid (CO) zu beschränken, und
zusätzlich
müssen
sie bei hinreichend niedrigen Flammentemperaturen verbrannt werden,
um die Bildung von Stickoxyden (NOx) zu
limitieren. Die hohe Temperatur der vorgeheizten Luft, die erwünscht ist
zum Erzielen einer hohen thermischen Effizienz, kompliziert das
Erreichen der Ziele geringer Emission, indem sie es schwierig macht,
den Kraftstoffund die Luft vorzumischen und große Mengen von Überschussluft
erfordert, um die Flammentemperatur zu limitieren.
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Wie
hier und in den angehängten
Patentansprüchen
verwendet, ist der Ausdruck "Selbstzündtemperatur" definiert als die
Temperatur, an der ein Kraftstoff ohne einen Temperatur erniedrigenden
Katalysator unter vorherrschenden Bedingungen von Luft- und Kraftstoffdruck
zünden
wird. Die typische Temperatur vorgeheizter Luft überschreitet die Selbstzündungstemperatur
der meisten Kraftstoffe, was potenziell bewirkt, dass sich die Luft-Kraftstoffmischung
entzündet,
bevor sie in den Verbrennungskanal gelangt. Eine Lösung für dieses
Problem ist die Verwendung einer nicht vorgemischten Diffusionsflamme.
Da jedoch solche Diffusionsflammen nicht gut gemischt sind, resultieren
höhere
Emissionen von CO und NOx. Eine detaillierte
Diskussion der Flammendynamik ist gegeben durch Turns, ein Introduction-to-Combustion: Concepts
and Applications (McGrawhill, 1996), hier durch Bezugnahme miteingegliedert.
Jeglicher erhöhter
Luftfluss, der zum Limitieren der Flammentemperaturen vorgesehen
wird, steigert typischerweise die Leistung, welche durch eine Luftpumpe
oder ein Gebläse
verbraucht wird, um dadurch die Gesamtmotoreneffizienz zu degradieren.
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Geringe
Emissionen und hohe Effizienz können
durch Erzeugen einer vorgemischten Flamme sogar in Gegenwart von
oberhalb der Selbstzündungstemperatur
des Kraftstoffs vorgeheizten Luft und zusätzlich durch Minimieren des
Druckabfalls zwischen dem Lufteinlass und dem Flammenbereich erzielt
werden, um dadurch den Gebläseleistungsverbrauch
zu minimieren, wie in den gleichzeitig anhängigen US-Anmeldungen erörtert, von
denen die vorliegende Anmeldung ihre Priorität beansprucht.
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Der
Ausdruck "Flammengeschwindigkeit" ist definiert als
die Geschwindigkeit, bei der eine Flammenfront durch eine bestimmte
Kraftstoff-Luftmischung propagieren wird. Innerhalb der Beschreibung
und der angehängten
Ansprüche
soll der Ausdruck "Verbrennungsachse" sich auf die Errichtung des
prädominanten
Fluidflusses bei Verbrennung des Fluids beziehen.
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Typische
Komponenten der Brenner- und Vorheizeranordnung in Übereinstimmung
mit Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf 9 beschrieben.
Der Zielbereich für Verbrennungsgase
ist 1.700 bis 2.300 K mit einem bevorzugten Bereich von 1.900 bis
1.950 K. Betriebstemperaturen sind begrenzt durch die Festigkeit
des Heizungskopfs 110, welcher ein Arbeitsfluid bei einem
Betriebsdruck von typischerweise einigen Atmosphären enthalten muss. Da die
Festigkeit von Metallen und der Widerstand gegenüber Oxidation typischerweise
bei hohen Temperaturen abnimmt, ist es wichtig, Metallkomponenten
von den hohen Verbrennungstemperaturen abzuschirmen. Zu diesem Zweck
ist der Brenner 122 von einer keramischen Verbrennungskammer 904 umgeben,
selbsteingekapselt in einen Metallverbrennungskammereinsatz 906,
thermisch angebunden an den Heizungskopf 110 und gekühlt durch
eintretende Luft aus dem Vorheizungsweg (z. B. I.102, gezeigt in 12) oder durch Abgase 910. Zusätzlicherweise
ist der Heizungskopf 110 von der direkten Flammenheizung durch
die Heizungskopf-Flammenkappen 902 abgeschirmt. Die keramische
Verbrennungskammer 904 ist vorzugsweise unter Verwendung
eines keramischen Gussprozesses hergestellt. Die Abgasprodukte des
Verbrennungsprozesses folgen dem Weg 908 am Heizungskopf 110 vorbei
durch einen Kanal, um einen effizienten Wärmetransfer zum Heizungskopf und
zum Arbeitsgas, das innerhalb des Heizungskopf enthalten ist, vorzusehen,
und zwar unter Verwendung von Wärmetransferpins
oder einer anderen Wärmetransfereinrichtung,
wie oben diskutiert.
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Abgase
werden kanalisiert entlang des Weges 910 zwischen dem Kammereinsatz 906 und
der inneren Isolierung 911, um so zusätzliche Wärme von dem Kammereinsatz 906 zu
absorbieren, was den zusätzlichen
Vorteil der Verhinderung einer Überhitzung
des Kammereinsatzes bringt. Die Abgase werden dann nach unten durch
den Vorheizer 914 zurückgeführt und
um den Umfang des Heizungskopfes 110 ausgeblasen, wie durch
Pfeile mit Bezugszeichen 916 gezeigt. Der Vorheizer 914 ermöglicht ebenfalls
einen Austausch von Wärme
von den Abgasen an die Luft, welche von der umliegenden Umgebung
typischerweise durch eine Luftpumpe oder ein Gebläse eingezogen
wird. Der Vorheizer kann aus konturierten gefalteten Finnen, typischerweise aus
Inconel, hergestellt werden. Jedoch liegt jegliche Einrichtung zum
Austausch von Wärme
von dem Abgas zur Eingangsluft innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung. Unter Verwendung eines Vorheizers mit einem Bereich von
2,5 ft2 ist es möglich, mehr als 80 % der von
den Abgasen über
den Heizungskopf beförderten
Wärme rückzugewinnen.
Vorheizer mit anderem flächenmäßigen Umfang
sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie beschrieben
und beansprucht.
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Jetzt
mit Bezug auf 10A-10C ist
ein Einlassverteiler 599 gezeigt zur Anwendung auf einen
Stirling-Zyklusmotor oder eine andere Verbrennungsanwendung in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird Kraftstoff vorgemischt mit Luft, welche über die
Selbstzündtemperatur
des Kraftstoffs erhitzt werden kann, und eine Flamme wird am Ausbilden
gehindert, bis der Kraftstoff und die Luft gut vermischt sind. 10A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
einschließlich
eines Einlassverteilers 599 und einer Verbrennungskammer 610.
Der Einlassverteiler 599 hat eine axialsymmetrische Leitung 601 mit
einem Einlass 603 zum Empfangen von Luft 600.
Die Luft 600 wird vorgeheizt auf eine Temperatur von typischerweise oberhalb
900 K, was oberhalb der Selbstzündtemperatur
des Kraftstoffes sein kann. Die Leitung 601 befördert Luft 600,
die nach innen radial bezüglich
der Verbrennungsachse 620 zu einem Verwirbler 602 fließt, der
innerhalb der Leitung 601 angeordnet ist.
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10B zeigt eine Querschnittsansicht der Leitung 601 einschließlich des
Verwirblers 602 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform nach 10B hat der Verwirbler 602 einige spiralförmige Blätter 802 zum
Richten der Luftströmung 600 radial
nach innen und zum Auferlegen einer Rotationskomponente auf die
Luft. Der Durch messer des Verwirblerabschnitts der Leitung nimmt
vom Einlass 804 zum Auslass 806 des Verwirblers 602 ab,
wie durch die Länge
der Leitung 601 im Verwirblerabschnitt definiert. Der Abnahme des
Durchmessers der Verwirblerblätter 802 erhöht die Strömungsrate
der Luft 600 im Wesentlichen inversproportional zum Durchmesser.
Die Strömungsrate
ist erhöht,
sodass sie oberhalb der Flammengeschwindigkeit des Kraftstoffs liegt.
Am Auslass 806 des Verwirblers 602 wird Kraftstoff 606,
welcher bei einer bevorzugten Ausführungsform Propan ist, in die nach
innen fließende
Luft injiziert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Kraftstoff 606 durch den Kraftstoffinjektor 604 durch
eine Reihe von Düsen 800,
wie in 10C gezeigt, injiziert. Insbesondere
zeigt 10C eine Querschnittsansicht
der Leitung 601 und enthält die Kraftstoffstromdüsen 800.
Jede der Düsen 800 ist
am Ausgang der Verwirblungsblätter 802 positioniert
und ist zwischen zwei benachbarten Blättern zentralisiert. Die Düsen 800 sind
auf diese Weise positioniert, um die Effizienz des Mischens von
der Luft und dem Treibstoff zu erhöhen. Die Düsen 800 injizieren
simultan den Kraftstoff 606 über die Luftströmung 600.
Da die Luftströmung
schneller als die Flammengeschwindigkeit, wird sich eine Flamme
nicht an dem Punkt bilden, obwohl die Temperatur der Luft-/Kraftstoffmischung
oberhalb der Selbstzündtemperatur liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform,
bei der Propan verwendet wird, beträgt die Vorheiztemperatur, wie
durch die Temperatur des Heizungskopfs bestimmt, ca. 900 K.
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Wieder
mit Bezug auf 10A laufen die nun vermischten
Luft und Kraftstoff, im Weiteren als "Luft-Kraftstoffmischung" 609 bezeichnet,
in Richtung einer Kehle, welche eine konturierte Profilierung 622 aufweist
und am Auslass 607 der Leitung 601 angebracht
ist. Der Kraftstoff 606 wird über einen Kraftstoffregler 624 zugeführt.
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Die
Kehle 608 hat einen Innenradius 614 und eine Außendimension 616.
Der Übergang
der Luft-Kraftstoffmischung ist aus einer Richtung, welche im Wesentlichen
transversal und nach innen bezüglich
der Verbrennungsachse 620 verläuft, in eine Richtung, welche
im Wesentlichen parallel zur Verbrennungsachse ist. Die Kontur der
Profilierung 622 der Kehle 608 hat die Gestalt
einer invertierten Glocke, sodass der Querschnittsbereich der Kehle 608 bezüglich der
Verbrennungsachse konstant vom Einlass 611 der Kehle zum
Auslass 612 der Kehle bleibt. Die Kontur ist gleichmäßig ohne
Stufen und hält
die Strömungsgeschwindigkeit
vom Auslass des Verwirblers zum Auslass der Kehle 608 aufrecht,
um eine Separation und die resultierende Rezirkulation entlang irgendeiner
der Oberflächen
zu vermeiden. Der konstante Querschnittsbereich ermöglicht,
dass sich die Luft und der Kraftstoff kontinuierlich mischen, ohne
die Strömungsgeschwindigkeit
herabzusetzen und einen Druckabfall zu verursachen. Ein gleichmäßiger und
konstanter Querschnitt bewirkt einen effizienten Verwirbler, wobei
sich die Verwirblereffizienz auf den Anteil des statischen Druckabfalls über dem Verwirbler
bezieht, welcher in einen dynamischen Druck der Verwirblungsströmung konvertiert
wird. Verwirblungseffizienten von mehr als 80 % können typischerweise
durch Praktizierung der Erfindung erzielt werden. Somit kann der
parasitäre
Leistungsabfall des Gebläses
der Verbrennungsluft minimiert werden.
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Der
Auslass 612 der Kehle läuft
nach außen, um
zu ermöglichen,
dass die Luft-Kraftstoffmischung 609 sich
in der Kammer 610 verteilt, wobei die Luft-Kraftstoffmischung 609 sich
verlangsamt, um dadurch lokalisiert zu sein und die Flamme zu enthalten,
wobei eine Ausbildung einer torusförmigen Flamme verursacht wird.
Das Drehmoment, welches durch den Verwirbler 602 erzeugt
wird, produziert einen flammenstabilisierenden Ringscheitel, wie
im Stand der Technik vorbekannt.
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Mit
Bezug auf 11 ist ein Querschnitt des Brenners 122 und
des Abgasströmungswegs 113 gezeigt,
wie oben mit Bezug auf frühere
Figuren beschrieben. In Übereinstimmung
mit einer alternierenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird erkannt, dass die Verbrennungsabgase
oberhalb der Temperatur der Verbrennung des Kraftstoffes weit oberhalb
des Bereiches des Brenners 122 bleiben und dass, da die
Luft-Kraftstoffmischung typischerweise außerordentlich mager ist, hinreichend Oxidationsmittel
zur Wiederverbrennung der Abgase verbleibt.
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11 illustriert
weiterhin die Verwendung eines Temperatursensors 1002 typischerweise
eines Thermoelements zum Überwachen
der Temperatur des Heizungskopfes 120 an der Oberseite
der externen Pinanordnung 130 und zur Steuerung des Kraftstoffflusses
derart, dass die Temperatur am Sensor 1002 unterhalb einer
Temperatur gehalten wird, bei der der Heizungskopf signifikant an
Festigkeit verliert. Die Temperatur am Sensor 1002 ist
vorzugsweise bei annähernd
50°C unterhalb
der Schmelztemperatur des Heizungskopfmaterials gehalten.
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Bei
der Konfiguration, die in 11 abgebildet
ist, ist die Verwendung eines Gasströmungs-Bypasskanals 1004 mit variablem
Querschnitt illustriert, wie oben beschrieben. Die Anschrägung des
Bypasskanals ist aus Klarheitsgründen
der Beschreibung stark übertrieben.
Sogar, wenn ein Bypasskanal verwendet wird, ist das Temperaturprofil
als Funktion des Abstands von der Oberseite des Heizungskopfes nicht
flach, wie bevorzugt werden würde.
Zwei zusätzliche
Temperatursensoren 1006 und 1008 sind in der Mitte
bzw. am Boden der externen Pinanordnung 130 gezeigt, wodurch
die Temperatur des Abgases überwacht
werden kann.
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Zusätzlicher
Kraftstoff wird zu den Abgasen bei der Düse 10 über die
Nachbrennerkraftstoffleitung 1012 hinzugefügt. Die
Düse 1010 kann
ein Ringbrenner sein, welcher den Heizungskopf 120 umfangsmäßig umgibt
und gegenüber
der externen Pinanordnung 130 liegt, und zwar zwischen
den Positionen, die in 11 durch die Temperatursensoren 1002 und 1006 bezeichnet
sind. Der Kraftstofffluss durch die Nachbrennerkraftstoffleitung 1012 kann
auf der Basis der Abgastemperatur gesteuert werden, welche durch
den Temperatursensor 1008 gemessen wird. Die präzise Position
der Temperatur 1008 ist vorzugsweise derart, dass die Maximaltemperatur der
externen Pinanordnung, erzeugt durch die Verbrennung des Kraftstoffes,
der aus der Nachbrennerdüse 1010,
gemessen wird.
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Mit
Bezüg auf 12a ist eine Seitenansicht im Querschnitt von
einem Brenner und einem Wärmewiedergewinnungssystem
für einen
thermischen Zyklus, im Allgemeinen durch Bezugszeichen 1100, gezeigt,
Wärme wird
ausgetauscht zwischen heißen Abgasen,
erwärmt
im Brenner 122, und Luft, die am Lufteinlass 1104 in
einen Wärmetauscher 1106 der ausserhalb
der Heizungskopfanordnung liegt, eingezogen wird. Zusätzlich gezeigt
ist der Kraftstoffeinlass 1108 und die Zündeinrichtung 1110 die
verwendet wird um die Zündung
im Brenner zu initiieren. Der Abgasstrom 1112 läuft über die
Wärmetransferpins 130,
bevor er zum Wärmetauscher 1106 kanalisiert wird.
Ein Dichtring 1114 aus Kupfer oder aus einem anderen Metall
einer hinreichend hohen Schmelztemperatur bildet eine stabartige
Dichtung auf dem Kopfflansch 1116 des Heizers unmittelbar
unterhalb der Bodenreihe der Wärmetransferpins 130.
Der Kupferring 1114 passt eng auf den Kopfflansch 1116 des
Heizers, was eine labyrinthartige Dichtung erzeugt. Der rechte Abschnitt
der Querschnittsansicht von 12a,
welcher den Bereich der Dichtung zeigt, ist in 12b vergrößert dargestellt.
Der Kupferdichtungsring 1114 passt dicht auf den Heizungskopf 100 und
hat eine enge Passung innerhalb der ringförmigen Nut 1118 auf
der Bodenoberfläche
der Brennerabdeckung 1120. Die Konfiguration des Ringes 1114 in
der Nut 1118 produziert eine labyrinthartige Dichtung,
was bewirkt, dass das Abgas im Abgasplenum 1122 in einem
gewälzten
Weg um die Hinterseite des Dichtrings 1114 läuft, um
somit ein Lecken von Abgas zu limitieren. Die Dichte Passung des
Ringes 1114 auf den Kopf 110 begrenzt das Lecken
des Abgases in axialer Richtung aus dem Brenner heraus.
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Die
Vorrichtung und Verfahren, welche hierin beschrieben worden sind,
können
bei anderen Anwendungen verschiedene von dem Stirling-Motor im Sinne
der Beschreibung der Erfindung verwendet werden. Die detaillierten
Ausführungsformen
der Erfindung sind rein exemplarisch und zahlreiche Variation und
Modifikationen werden den Fachleuten klar erscheinen. Alle derartigen
Variationen und Modifikationen sollen innerhalb des Schutzumfangs
der Vorliegenden Erfindung, wie durch die angehängten Patentansprüche definiert,
liegen.