DE60224261T2 - Antriebseinheit mit linearer hubbewegung auf grundlage eines stirlingmotors und bei dem antriebssystem verwendetes verfahren - Google Patents

Antriebseinheit mit linearer hubbewegung auf grundlage eines stirlingmotors und bei dem antriebssystem verwendetes verfahren Download PDF

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    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2280/00Output delivery
    • F02G2280/10Linear generators

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsgruppe mit linearer Hin- und Herbewegung auf der Basis eines Stirlingmotors. Sie betrifft ebenfalls ein Verfahren, das in dieser Stromerzeugungsgruppe eingesetzt wird.
  • Allgemein umfasst der Stirlingmotor eine Kolben-Zylinder-Einheit, die ein Arbeitsfluid einschließt. Abwechselnd wird das Fluid in Kontakt mit einer warmen Quelle und einer kalten Quelle gebracht. Beim Erwärmen des Fluids steigt der Druck, wobei der Motorkolben angeschoben wird, anschließend bringt ein Verschiebungskolben das Fluid zur kalten Quelle, derart, dass der Druck sinkt. Da der Druck sinkt, komprimiert der Motorkolben das Fluid. Der Zyklus kann dann von neuem beginnen. Dabei kann die vom Kolben ausgeübte lineare Hin- und Herbewegung verwendet werden, um Elektrizität im unabhängigen Betrieb zu erzeugen.
  • Im Stand der Technik beschreibt das Dokument US 4 649 283 das Prinzip eines Generators, der aus einem Stirlingmotor aufgebaut ist, auf dem elektromagnetische Elemente angeordnet sind, die durch eine lineare Hin- und Herbewegung zweier Kolben, die untereinander und mit der Kammer des Stirlingmotors über Federn verbunden sind, elektrische Energie erzeugen.
  • Das Dokument FR 2 510 181 beschreibt eine Stromerzeugungsgruppe, die einen Stirlingmotor umfasst, der aus einem Kolben und einem Verschiebungskolben aufgebaut ist. Ein Ende des Kolbens ist über ein Federelement mit der geschlossenen Kammer des Motors verbunden. Die elektromagnetischen Elemente sind auf dem Kolben und im Inneren der Kammer angeordnet. Dieses Dokument offenbart ebenfalls einen Stirlingmotor, der aus zwei in Opposition stehenden und in einer ersten Kammer eingeschlossenen Kolben sowie einem in einer zweiten Kammer eingeschlossenen Verschiebungskolben aufgebaut ist, wobei die zwei Kammern über eine Leitung kommunizierend verbunden sind, die das Fließen des Arbeitsfluids zwischen den beiden Kammern gestattet. Die in diesem Dokument offenbarte Vorrichtung gestattet keinen Betrieb nahe am Stirlingzyklus. Außerdem machen die Federelemente, die zur Verbindung der Kolben verwendet werden, die Vorrichtung anfälliger und die Köpfe der Kolben müssen mit Dämpfern ausgestattet werden, um ein Zusammenstoßen zwischen ihnen zu vermeiden. Außerdem ist die Steuerung der Drehzahl besonders komplex, da sie über mechanische Mittel, die von außerhalb der Gruppe zugänglich sind, und über ein elektronisches System geschieht.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die oben genannten Nachteile zu beheben, indem sie eine Stromerzeugungsgruppe vorschlägt, bei der das Motorelement aus einem Verbrennungsmotor vom Stirlingtyp und das Generatorelement aus einer elektromagnetischen Einheit, deren bewegter Teil aus dem Kolben und dem Verschiebungskolben des Stirlingmotors gebildet wird, aufgebaut ist.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung einer unabhängigen Stromerzeugungsgruppe, die dafür geeignet ist, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug mitgeführt zu werden und dabei im Vergleich zu aktuellen elektrischen Systemen eine Energieeinsparung sowie Robustheit und zuverlässige Sauberkeit bereitzustellen.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Realisierung einer Stromerzeugungsgruppe, die dafür geeignet ist, ein breites Leistungsspektrum von einigen Watt bis zu einigen tausend Kilowatt zu erzeugen.
  • Aus dem Dokument FR 1 407 682 ist bereits eine Verbrennungsmaschine vom Stirlingtyp bekannt, die zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird und die wenigstens einen Kolben mit einer linearen Hin- und Herbewegung umfasst, um durch elektromagnetische Kopplung mit feststehenden magnetischen Elementen elektrische Energie zu erzeugen. Diese Maschine umfasst außerdem wenigstens zwei Verschiebungskolben, die in einer mit dem Kolben gemeinsamen Kammer derart angeordnet sind, das die Verschiebungskolben-Kolben-Einheit zwei Motoren vom Stirlingtyp bildet, die in Opposition zueinander arbeiten.
  • Bei einer solchen Vorrichtung wird der thermische Teil durch den Kolben und Verschiebungskolben gebildet, die in Opposition zueinander arbeiten. Der „Motor"-Takt des einen entspricht dem „Widerstands"-Takt des anderen. Dies entspricht zwei in Opposition zueinander arbeitenden Stirlingmotoren. Daraus ergibt sich die Fähigkeit zur Erzeugung eines breiten Leistungsspektrums, das von einigen Watt bis zu einigen tausend Kilowatt reicht. Außerdem erhöht der Umstand, dass der Kolben und die Verschiebungskolben in einer einzigen Kammer zusammengefasst werden, die Robustheit der Vorrichtung.
  • Diese Maschine hat, wie auch die in GB 2.290.351 beschriebene, einen Kolben mit Permanentmagneten.
  • Die Erfindung schlägt ihrerseits eine Stromerzeugungsgruppe zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie auf der Basis eines mit einem Stirlingprozess arbeitenden Verbrennungsmotors vor, die wenigstens einen Kolben mit linearer Hin- und Herbewegung umfasst, um über eine elektromagnetische Kopplung mit feststehenden magnetischen Elementen elektrische Energie zu erzeugen, die außerdem wenigstens zwei Verschiebungskolben umfasst, die in einer gemeinsamen Kammer mit dem Kolben derart angeordnet sind, dass die Verschiebungskolben-Kolben-Einheit zwei Motoren vom Stirlingtyp bildet, die in Opposition zueinander arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Kolben und feststehenden magnetischen Elementen zusammengesetzte Einheit einen Asynchrongenerator bildet und dadurch, dass der Kolben aus einem leitenden unmagnetischen Material besteht, wobei die Erregung des Generators in diesem induzierte Ströme erzeugt, die das magnetische Schweben sicherstellen. Ein solcher Aufbau hat den Vorteil eine begrenzte Reibung zu gestatten.
  • Bei einem solchen Aufbau ist das Material des Kolbens vorteilhafterweise Aluminium oder eine Legierung.
  • Vorzugsweise ist die Kammer eine vollständig geschlossene Hülle ohne Fugen. Das in dieser Kammer eingeschlossene Arbeitsfluid, wie etwa Helium, kann daher große Drücke erfahren, was sich günstig auf den Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugungsgruppe und ihre spezifische Leistung auswirkt. Vorteilhafterweise ist die Hülle der Kammer für Magnetfelder durchlässig und sie hält hohen Drücken, beispielsweise 80 Bar, sowie maximalen Temperaturen des Motors, die 650°C erreichen können, stand. Die Konzeption dieses Motors ist derart, dass sie einen Betrieb ohne regelmäßige Wartung gestattet, wobei die einzigen bewegten Elemente, Kolben und Verschiebungskolben, für die Lebensdauer gefettet werden können.
  • Das Dokument FR 2 510 181 des Stands der Technik beschreibt eine Stromerzeugungsgruppe deren Kolben nicht in Opposition zueinander arbeiten. Die Kolben des Stands der Technik haben denselben „Motor"-Takt und sie werden durch eine Federvorrichtung zurückgeführt.
  • Die aus dem Kolben und feststehenden magnetischen Elementen bestehende Einheit bildet einen Asynchrongenerator. Der Fachmann versteht dabei leicht, dass jeder Typ eines elektrischen Generators, synchron oder asynchron, mit veränderlicher Reluktanz, mit permanenten Magneten oder solchen mit Flussumschaltung, verwendet werden kann. Gemäß der Erfindung ist der elektrische Teil vollständig mit dem thermischen Teil integriert. Die magnetischen Elemente können entlang der Kammer derart angeordnet werden, dass die lineare Hin- und Herbewegung der Verschiebungskolben ebenfalls zur Erzeugung der elektrischen Energie beiträgt. Der Kolben und die Verschiebungskolben sind die Rotoren des Stromgenerators.
  • Die zwei Verschiebungskolben können starr miteinander verbunden werden. Vorzugsweise sind sie jedoch voneinander unabhängig, wobei dies es gestattet, den Motor nach dem theoretischen Stirlingzyklus arbeiten zu lassen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Eigenschaft der Erfindung sind die zwei Verschiebungskolben gegenüber der Kammer frei beweglich, im Gegensatz zu den Systemen des Stands der Technik, bei denen Rückholfedern verwendet werden.
  • Die Stromerzeugungsgruppe gemäß der Erfindung kann außerdem elektromagnetische Mittel umfassen, die fest mit der Kammer verbunden sind, um die Bewegung der Verschiebungskolben durch elektromagnetische Kopplung zu steuern. Da die Verschiebungskolben hierdurch wie Stellorgane gesteuert werden, kann ein thermischer Zyklus sehr nahe am theoretischen Stirlingzyklus hergestellt werden. Wenn die beiden Verschiebungskolben verbunden sind, kann die Steuerung für jeden der Verschiebungskolben auf der Hälfte des Wegs stattfinden, für den gegenteiligen Fall findet die Steuerung auf dem ganzen Weg jedes von ihnen statt.
  • Die elektromagnetischen Mittel können innerhalb oder außerhalb der Kammer angeordnet werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stromerzeugungsgruppe außerdem einen zweiten Kolben, wobei die so erhaltenen zwei Kolben starr miteinander verbunden sind und sich zu beiden Seiten der zwei Verschiebungskolben befinden. Diese Anordnung gestattet es, über einen doppelten Stromgenerator zur verfügen, der in Richtung der Enden des Motors beispielsweise in Zylinderform angeordnet ist, in Zonen, die leicht zu kühlen sind. Außerdem sind Heizungsmittel, um dem Stirlingmotor Wärme zuzuführen, in einer zentralen Zone des Zylinders angeordnet. Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung und noch immer im Rahmen der zwei durch ein starres Mittel verbundenen Kolben, kann jeder Kolben mehrere konzentrische hohle Zylinder umfassen, die miteinander über ein Ende verbunden sind. Diese Zylinder sind dafür vorgesehen, in weiteren konzentrischen hohlen Zylindern zu gleiten, die mit feststehenden magnetischen Elementen versehen und im Inneren der Kammer angeordnet sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Stromerzeugungsgruppe einen Stirling-Verbrennungsmotor, beispielsweise mit zylindrischer Form, umfassen, derart, dass Heizungsmittel, um diesem Motor Wärme zuzuführen, an den Basisabschnitten des Zylinders, an den Enden, angeordnet sind. In diesem Fall können Kühlungsmittel außerhalb der Kammer angeordnet sein oder sie können aus der Zirkulation eines Fluids in Röhren, die die Kammer durchziehen, bestehen.
  • Gemäß einer Eigenschaft der Erfindung beträgt der Weg der Verschiebungskolben im wesentlichen das Doppelte des Kolbenwegs. Es können jedoch auch größere Verhältnisse vorgesehen werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mittels einer Stromerzeugungsgruppe vorgeschlagen. Hierfür werden zwei Verschiebungskolben gesteuert, die in einer Kammer angeordnet sind, die einen Stirling-Verbrennungsmotor bildet und wenigstens einen Kolben umfasst, derart, dass die Verschiebungskolben-Kolben-Einheit wie zwei in Opposition arbeitende Stirlingmotoren arbeitet. Vorteilhafterweise kann eine Phasenverschiebung von im wesentlichen fünfundvierzig Grad in der relativen Bewegung zwischen den Verschiebungskolben und dem Kolben eingesetzt werden.
  • Vorzugsweise sind die Verschiebungskolben dafür geeignet, das in der Kammer enthaltene Arbeitsfluid zu regenerieren, um einen Wärmeaustausch zu gestatten. Der Korpus der Verschiebungskolben übernimmt selbst die Rolle des Regenerators. Es kann jedoch auch sinnvoll die Realisierung externer Regeneratoren in Form einer Ableitungsleitung vorgesehen werden.
  • Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden beim Lesen der detaillierten Beschreibung einer in keiner Weise einschränkenden Ausführungsform ersichtlich, sowie aus der beigefügten Zeichnung, in der:
  • 1 eine schematische Schnittansicht einer Stromerzeugungsgruppe gemäß der Erfindung darstellt, die entsprechend einem Aufbau vom Typ A realisiert ist, bei dem die Wärmezufuhr an den Enden des Motors geschieht und die Verschiebungskolben sich auf beiden Seiten des Kolbens befinden;
  • 2 eine schematische Schnittansicht einer Stromerzeugungsgruppe gemäß der Erfindung darstellt, die entsprechend einem Aufbau vom Typ B realisiert ist, bei dem die Wärmezufuhr im Zentrum eines Motors mit zwei Kolben stattfindet;
  • 3 eine schematische Schnittansicht einer Stromerzeugungsgruppe gemäß der Erfindung darstellt, die entsprechend einem Aufbau vom Typ C realisiert ist, bei dem der Motor zwei konzentrische Hüllen umfasst, wobei der Kolben I-förmig ist;
  • 4 eine schematische Schnittansicht einer Stromerzeugungsgruppe gemäß der Erfindung darstellt, die entsprechend einem Aufbau vom Typ D realisiert ist, bei dem der Motor zwei konzentrische Zylinder umfasst;
  • 5 eine schematische Schnittansicht einer Stromerzeugungsgruppe gemäß der Erfindung darstellt, die entsprechend einem Aufbau vom Typ E realisiert ist, mit einer Wärmezufuhr im Zentrum des Motors;
  • 6 eine schematische Schnittansicht einer Stromerzeugungsgruppe gemäß Aufbau E darstellt;
  • 7 eine detaillierte Schnittansicht eines Kolbens für einen Aufbau von Typ E darstellt; und
  • 8 eine radiale Schnittansicht im Bereich der Kolben des in 7 gezeigten Aufbaus darstellt.
  • Es werden nun verschiedene Aufbauten von Stromerzeugungsgruppen gemäß der Erfindung beschrieben.
  • Der in 1 dargestellte Aufbau vom Typ A umfasst eine Arbeitskammer 9 in Zylinderform mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt. Das Motorelement der Stromerzeugungsgruppe ist zum einen aus einem Kolben 1, der zylinderförmig und in seiner Mitte gelocht ist, und zum anderen aus zwei zylinderförmigen Verschiebungskolben 2 und 3, die untereinander durch ein starres Mittel 11 verbunden sind, zusammengesetzt. Dieses Mittel ist dafür geeignet, im Loch des Kolbens 1 zu gleiten. Dadurch sind die Verschiebungskolben 2 und 3 auf beiden Seiten des Kolbens 1 angeordnet. Der Kolben und die Verschiebungskolben sind in der Kammer 9 derart eingeschlossen, dass das verbleibende Volumen in dieser Kammer von einem Fluid 8, wie etwa Helium, ausgefüllt wird. Das Motorelement entspricht zwei Stirlingmotoren, die in Opposition zueinander arbeiten und für die die Wärmezufuhren 10 an den Enden stattfinden. Diese Wärmezufuhren, die beispielsweise von einem Gasheizkessel kommen, gestatten es, eine Temperatur von etwa 650°C zu erreichen. Kühlungsmittel 7, wie etwa Kühlbleche, gestatten es, an zwei Zonen in der Nähe des Motorzentrums eine Temperatur zwischen 80 und 100°C beizubehalten. Die Wärmezufuhren und die Kühlbleche zur Kühlung befinden sind außerhalb der Kammer. Das Innere der zylindrischen Kammer schließt nur den Kolben 1, die Verschiebungskolben 2 und 3 und das Arbeitsfluid 8 ein.
  • Die äußere zentrale Zone der Kammer ist mit einer Gruppe magnetischer Elemente 6, wie etwa Wicklungen, ausgestattet, die den Statorteil des Stromgenerators bilden, dessen Rotor vom Kolben gebildet wird. Die Wicklungen 6 sind in ein Joch 12 integriert, das in der zentralen Zone der Kammer befestigt ist. Die Wicklungen sind zur Energieerzeugung mit nicht dargestellten elektrischen Mitteln verbunden.
  • Zur Steuerung der Verschiebungskolben 2 und 3 wie Stellglieder und zur Steuerung der Arbeitsfrequenz des Motors sind elektromagnetische Mittel 5 vorhanden, wie etwa Wicklungen an den seitlichen Zonen der Kammer nahe an den Enden. Diese Wicklungen 5 sind in Blöcken 4 in Kranzform integriert. Die Steuerung der Verschiebungskolben geschieht für jeden der Verschiebungskolben auf der Hälfte des Wegs. Der gesamte Weg der Verschiebungskolben ist kontrollierbar, da diese starr verbunden sind.
  • Bei diesem Aufbau vom Typ A kann es vorgesehen werden, dass die Verbindung 11 entfällt, in diesem Fall kann der Motor gemäß dem theoretischen Stirlingzyklus arbeiten. Und zur Verbesserung der Steuerung der Verschiebungskolben können die elektromagnetischen Mittel 5 und 4 derart verlängert werden, dass sie die Kühlbleche 7 ersetzen, wobei die Steuerung der Verschiebungskolben dann über jeweils deren ganzen Weg geschieht. In diesem Fall wird die Kühlung über die Zirkulation einer Flüssigkeit innerhalb des Jochs realisiert.
  • In 2 ist ein Aufbau vom Typ B dargestellt, bei dem die Kammer 23 in der zentralen Zone einen ausgehöhlten Kranz 24 umfasst, damit sie über Heizungsmittel 13 verfügt. Der Motor umfasst zwei Kolben 14 und 15, die durch eine Verbindung 16 starr verbunden sind. Diese Kolben sind auf beiden Seiten von zwei Verschiebungskolben 20 und 21 angeordnet, die ebenfalls mittels der Verbindung 22 starr verbunden sind. Die Verschiebungskolben-Verbindungs-Einheit 20, 21 und 22 umfasst einen zentralen Kanal, in dem das Verbindungsmittel 16 der Kolben gleitet. Bei diesem Aufbau sind die magnetischen Elemente 17a und 17b, die den Stator des Stromgenerators bilden, aus zwei Kränzen aufgebaut, die, gekoppelt mit den Kolben 14 und 15, an den Enden der Kammer angeordnet sind. Die elektromagnetischen Mittel 18a und 18b zur Steuerung der Verschiebungskolben werden durch zwei Kränze gebildet, die auf beiden Seiten der Heizungsmittel 13 angeordnet sind. Die Kühlbleche 19a und 19b bilden ebenfalls zwei Kränze, die zwischen den magnetischen Elementen 17a und 17b und den elektromagnetischen Steuerungsmitteln 18a und 18b angeordnet sind.
  • Dieser Aufbau gestattet das Vorhandensein zweier Stromgeneratoren (14, 17a; 15, 17b) nahe bei leicht zu kühlenden Zonen. Dieser Aufbau kann ebenfalls in mehreren Varianten vorliegen, bei denen die starre Verbindung 22 entfällt, die elektromagnetischen Steuerungsmittel 18a und 18b auf den gesamten Weg der Verschiebungskolben vergrößert werden und die Kühlbleche 19a und 19b durch eine Flüssigkeitszirkulation im Joch ersetzt werden können.
  • Der Aufbau vom Typ C in 3 umfasst eine Kammer 25 mit der Form eines Zylinders mit quadratischem Querschnitt. Diese Kammer umfasst zwei offene und konzentrische Zylinder mit quadratischem Querschnitt 26 und 27. Diese Zylinder sind im Inneren der Kammer 25 angeordnet und jeweils an einer Basis dieser Kammer befestigt. Die Seitenwände dieser beiden Zylinder umfassen elektromagnetische Mittel 36 und 37 zur Steuerung zweier Verschiebungskolben 32 und 33, die im Inneren der beiden Zylinder gleiten. Die Heizungsmittel 28 und 29 sind an jedem Ende der Kammer 25 angeordnet. Die Kühlung geschieht über das Zirkulieren einer Flüssigkeit in Röhren 34 und 35, die die Kammer 25 durchziehen. Der Kolben 30 hat die Form eines liegenden großen „H", dessen Verbindungsstrich zwischen den Zylindern 26 und 27 angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird der Statorteil des Stromgenerators durch magnetischen Wicklungen 31 gebildet, die über die ganze Länge zweier Seitenwände der Kammer 25 angeordnet sind.
  • 4 stellt einen Aufbau vom Typ D dar, der zwei konzentrische Zylinder 38 und 39 umfasst. Der innere Zylinder 39 umfasst alle elektromagnetischen Komponenten 45, 46 und 47, die als Stator für den Stromgenerator bzw. als Steuerungsmittel für die Verschiebungskolben 41 und 42 dienen. Weitere als Stator dienende Wicklungen 51 sind außerhalb des äußeren Zylinders 38 in einer zentralen Zone angeordnet. Der Kolben 40 und die beiden Verschiebungskolben bewegen sich im äußeren Zylinder 38, der als Arbeitskammer dient. Die beiden Verschiebungskolben 41 und 42 sind durch mehrere starre Verbindungsmittel 43, 44 verbunden, die in Kanälen im Inneren des Kolbens 40 gleiten. Außerhalb der Arbeitskammer 38, auf beiden Seiten der Wicklungen 51, sind Kühlbleche 49 und 59 angeordnet. An den Enden der Arbeitskammer 38 sind Heizungsmittel platziert.
  • Der in 5 dargestellte Aufbau vom Typ E ist mit dem Aufbau vom Typ D verwandt, wobei jedoch Heizungsmittel 52 im Zentrum des Motors vorgesehen sind. Es sind ebenfalls zwei Kolben 53 und 54 vorhanden, die mittels Elementen 55a, 55b, 55c und 55d verbunden sind und die auf beiden Seiten von zwei Verschiebungskolben 56 und 57 platziert sind. Die Verbindungsmittel 55a, 55b, 55c und 55d gleiten innerhalb eines Mittels zur Verbindung 58 der beiden Verschiebungskolben. Die Statorwicklungen 59, 60, 61 und 62 sind nahe an den Enden des Motors vorgesehen, was die Kühlung erleichtert und die Wirksamkeit des Stromgenerators erhöht. Wie beim Aufbau vom Typ B wird der Weg der Kolben durch ein Luftpolster gedämpft. In 6 sind zwei Radialschnitte des Aufbaus vom Typ E dargestellt. Der Schnitt A ist in einer Ebene ausgeführt, die durch den Kolben 53 verläuft. Der Schnitt B ist in einer Ebene ausgeführt, die durch den Verschiebungskolben 57 verläuft. Es sind die vier starren Mittel 55a, 55b, 55c und 55d zu erkennen, die durch den Verschiebungskolben 57 hindurch gleiten.
  • In 7 ist im Detail eine vereinfachte Schnittansicht einer Variante eines Kolbens des Aufbaus vom Typ E zu sehen. Die Kammer wird durch zwei konzentrische Zylinder 63 und 67 gebildet. Der innere konzentrische Zylinder 67 ist hohl. Die Enden der Kammer umfassen auf der Innenseite Vorsprünge 65, die in Form eines konzentrischen hohlen Zylinders in regelmäßig Abständen verteilt sind. Diese Vorsprünge umschließen magnetische Elemente oder Spulen 66, die den Stator des Asynchrongenerators bilden. Der Rotorteil wird durch mehrere hohle konzentrische Zylinder 64 gebildet, die in den Freiraum zwischen den Vorsprüngen 65 eingreifen. Die Schnittansicht stellt somit zwei eingreifende Kämme dar. Der Rotor 64 besteht aus einem unmagnetischen leitenden Material, wie etwa Aluminium. Die Erregung des Asynchrongenerators gestattet es, im Rotor induzierte Ströme zu erzeugen. Diese Ströme erzeugen abstoßende Kräfte, die zu einem magnetischen Schweben des Rotors 64 im freien Raum zwischen den Vorsprüngen 65 führen, wodurch die Reibung bei der Hin- und Herbewegung der Kolben erheblich verringert wird. Die Oberflächen der Vorsprünge 65 können Mittel zum Zentrieren und Führen umfassen, die nur beim Starten des Generators nützlich sind.
  • 8 stellt einen Radialschnitt eines Kolbens des Aufbaus vom Typ E aus 7 dar. Dieser Radialschnitt lässt die konzentrischen Kolben 64 erkennen.
  • Bei der in 5 dargestellten Kammer sind die magnetischen Elemente 62 auf den seitlichen Blechen angeordnet, die elektrische Erzeugung geschieht damit in einer Ebene senkrecht zur Ebene der mechanischen (oder thermischen) Erzeugung, die parallel zur Bewegungsachse der Kolben ist. Berücksichtigt man, dass die elektromagnetische Kraft etwa zehn mal kleiner ist als die mechanische Kraft, gestattet es der Umstand, dass der Kolben in mehrere konzentrische Zylinder aufgespalten ist, wie dies in 7 zu sehen ist, die Oberfläche für die elektromagnetische Wechselwirkung erheblich zu vergrößern.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Einheit, die zwei in Opposition zueinander arbeitenden Stirlingmotoren entspricht, die auf denselben Kolben oder einen geteilten Kolben einwirken, und dies in ein und derselben Arbeitskammer. Der Verschiebungskolben wird elektromagnetisch wie ein Stellglied gesteuert.
  • Die Stromerzeugungsgruppe gemäß der Erfindung, die zur unabhängigen Stromerzeugung vorgesehen ist, kann in einer stationären oder einer mitgeführten Anlage eingesetzt werden, wobei sie insbesondere dafür ausgelegt ist, elektrische Hybridfahrzeuge mit Strom versorgen zu können, jedoch ebenfalls dafür ausgelegt ist, jedes Problem zur unabhängigen Stromerzeugung bei stationären Anlagen zu lösen, mit einem Einsatz von Systemen zur doppelten oder dreifachen gleichzeitigen Erzeugung. Diese Vorrichtung gestattet es auch, das Problem der Speicherung der elektrischen Energie (Batterien) zu lösen und Elektrofahrzeuge zu konzipieren, die im Vergleich zu Fahrzeugen mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen verringerten Verbrauch und verminderte umweltverschmutzende Emissionen bieten.

Claims (22)

  1. Stromerzeugungsgruppe zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie auf der Basis eines mit einem Stirlingprozess arbeitenden Verbrennungsmotors, die wenigstens einen Kolben (1) mit linearer Hin- und Herbewegung umfasst, um über eine elektromagnetische Kopplung mit feststehenden magnetischen Elementen (6) elektrische Energie zu erzeugen, die außerdem wenigstens zwei Verschiebungskolben (2, 3) umfasst, die in einer gemeinsamen Kammer (9) mit dem Kolben derart angeordnet sind, dass die Verschiebungskolben-Kolben-Einheit zwei Motoren vom Stirlingtyp bildet, die in Opposition zueinander arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Kolben und feststehenden magnetischen Elementen zusammengesetzte Einheit einen Asynchrongenerator bildet und dadurch, dass der Kolben aus einem leitenden unmagnetischen Material besteht, wobei die Erregung des Generators in diesem induzierte Ströme erzeugt, die das magnetische Schweben sicherstellen.
  2. Stromerzeugungsgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende unmagnetische Material Aluminium oder eine Legierung ist.
  3. Stromerzeugungsgruppe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Verschiebungskolben starr miteinander verbunden (11) sind.
  4. Stromerzeugungsgruppe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Verschiebungskolben (32, 33) voneinander unabhängig sind.
  5. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Verschiebungskolben gegenüber der Kammer frei beweglich sind.
  6. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem elektromagnetische Mittel (5) umfasst, die fest mit der Kammer verbunden sind, um die Bewegung der Verschiebungskolben durch elektromagnetische Kopplung zu steuern.
  7. Stromerzeugungsgruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Mittel (36) innerhalb der Kammer angeordnet sind.
  8. Stromerzeugungsgruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Mittel (5) außerhalb der Kammer angeordnet sind.
  9. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (9) eine vollständig geschlossene Hülle ist.
  10. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen zweiten Kolben umfasst, wobei die zwei Kolben (14, 15) starr miteinander verbunden (16) sind und sich zu beiden Seiten der zwei Verschiebungskolben (20, 21) befinden.
  11. Stromerzeugungsgruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kolben (53, 54) mehrere konzentrische hohle Zylinder (64) umfasst, die miteinander über ein Ende verbunden sind, wobei diese Zylinder dafür vorgesehen sind, in weiteren konzentrischen hohlen Zylindern (65) zu gleiten, die mit feststehenden magnetischen Elementen (66) versehen und im Inneren der Kammer (63) angeordnet sind.
  12. Stromerzeugungsgruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kolben (53, 54) ein leitendes unmagnetisches Material umfasst, das es diesem Kolben gestattet, bei einer Bewegung im Schwebezustand zu sein.
  13. Stromerzeugungsgruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die einen Stirling-Verbrennungsmotor mit zylindrischer Form umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Heizungsmittel (13) umfasst, um einer zentralen Zone des Zylinders Wärme zuzuführen.
  14. Stromerzeugungsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die einen Stirling-Verbrennungsmotor mit zylindrischer Form umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Heizungsmittel (10) umfasst, um den Basisabschnitten des Zylinders Wärme zuzuführen.
  15. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Kühlungsmittel (7) umfasst, die außerhalb der Kammer angeordnet sind.
  16. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Kühlungsmittel (34, 35) umfasst, die durch die Zirkulation eines Fluids in Röhren, die die Kammer durchziehen, arbeiten.
  17. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg der Verschiebungskolben im wesentlichen das Doppelte des Kolbenwegs beträgt.
  18. Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem magnetische Elemente umfasst, die derart entlang der Kammer angeordnet sind, dass die lineare Hin- und Herbewegung der Verschiebungskolben zur Erzeugung elektrischer Energie beiträgt.
  19. Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie mittels einer Stromerzeugungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verschiebungskolben (2, 3) gesteuert werden, die in einer Kammer (9) angeordnet sind, die einen Stirling-Verbrennungsmotor bildet und wenigstens einen Kolben (1) umfasst, derart, dass die Verschiebungskolben-Kolben-Einheit wie zwei in Opposition arbeitende Stirling-Motoren arbeitet, in der eine Phasenverschiebung von im wesentlichen fünfundvierzig Grad in der relativen Bewegung zwischen den Verschiebungskolben und dem Kolben eingesetzt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungskolben (2, 3) dazu geeignet sind, das in der Kammer (9) enthaltene Arbeitsfluid zu regenerieren.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass den Enden des Stirlingmotors Wärme zugeführt wird und dadurch, dass an einer zentralen Zone dieses Motors Kühlungsmittel angeordnet werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass einer zentralen Zone des Stirlingmotors Wärme zugeführt wird und dadurch, dass an den Enden dieses Motors Kühlungsmittel angeordnet werden.
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