DE8802439U1

DE8802439U1 - Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip mit in Resonanz schwingendem Verdränger, der über ein Gestänge zu Schwingungen angeregt wird

Info

Publication number: DE8802439U1
Application number: DE8802439U
Authority: DE
Original assignee: Kufner Walter Dipl-Ing (fh) 8997 Hergensweiler De
Current assignee: Kufner Walter Dipl-Ing (fh) 8997 Hergensweiler De
Priority date: 1988-02-25
Filing date: 1988-02-25
Publication date: 1988-04-14

Description

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* Beschreibung

Bezeichnung der Erfindung:

Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip mit in Resonanz schlingendem Verdränger, der über ein Gestänge zu Schwingungen angeregt wird.

Erfinder: Walter Kufner Dipl.Ing.FH.

■ Alpsteinstraße 6

D- 8997 Hergensweiler

Zweck der Erfindung:

Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie unter Verwendung möglichst einfacher Bauteile und unter weitgehender Vermeidung von schädlichen Emissionen wie CO und NOx sowie Schall, bei größtmöglicher Brennstoffvielfalt.

Stand der Technik:

Heißgasmotoren sind vom Prinzip her seit 1816 bekannt (Robert Stirling).

Ein Heißgasmotor hat mindestens eine Arbeitskammer, deren eine Seite beim Betrieb der Maschine ständig erwärmt wird, während die andere Seite ständig gekühlt wird. Im Arbeitsraum ist ein Verdränger eingebaut, der von einer Seite zur anderen Seite axial verschiebbar ist. Dieser Verdränger transportiert die im Arbeitsraum eingeschlossenen Gase wechselweise von der warmen Seite zur kalten Seite und umgekehrt.

An der warmen Seite dehnen sich die Gase aus, an der kalten Seite verdichten sie sich. Die dadurch entstehenden Druckschwankungen werden mit Hilfe von Membranen oder Kolben mit zugehörigem Gestänge in mechanische Energie umgesetzt.

Die Kammer hat ein wärmeisolierendes Gehäuse (r.ß. Holz, Kunststoff oder Keramik), an dessen jeweiliger Stirnseite metallene Wärmetauscherflächen für die Erwärmung bzw. Abkühlung der Arbeitsgase angebracht sind. Der Verdränger, der aus wärmeisolierendem Material besteht (z.B. PU-Schaum, Foamglas oder Keramikfaeer), wird über ein Gestänge und einer Durchführung von einem Wärmetauscher zum anderen und zurück bewegt.

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Die hierfür erforderliche Bewegungeenergie kommt vom Heißüä&fflotor selbst, indem der Arbeitekolben oder die Arbtitemeinbren ein Schwungred entreibt, von welchem aus über Hebel der Verdränger im richtigen Moment en die richtige Stelle bewegt wird. Diese Bewegung erfogt entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich. Bei kontinuierlicher Bewegung eilt der Verdränger dem Arbeitskolben um 90 Grad vor. Bei diskontinuierlicher Bewegung wird der durch eine Drehdurchführung und einen Schubantrieb angehängte Verdränger über eine vorgespannte Feder bistabil an der kalten bzw. warmen Wärmetauscherwand gehalten, sobald die Überschiebung von der einen nach der anderen Seite beendet ist. Hierzu wird z.B. auch eine Schwinggabel eingesetzt, ewf vjslchsr Mitnehmer montiert sind. Zwischen Verdrängerrand und Gehäusewand befindet sich ein Spalt, durch den die Gase hindurchströmen, wenn sich der Verdränger bewegt. In diesen Spalt ist ein Regenerator eingebaut, der aus Metallfasern oder aus Metallgewebe besteht.

Nachteile der bekannten Ausführungen:

- separat angeordnete Membran oder Kolben mit zugehörigem Gehäuse ergibt zusätzlichen Schadraum.

- Drehzahlkonstanthaltung -wie z.B. bei Generatorbetrieb nötig- ist ohne zusätzlichen Regler nicht mäglich.

- Verdränger- und Kolbenantrieb bestehen aus vielen Einzelteilen, die den mechanischen Wirkungsgrad herabsetzen.

- Bei diskontinuierlichem Betrieb ist die Hubfrequenz oder Drehzahl nur gering.

Die neue Gestaltung des Gebrauchsgegenstandes "Heißgasmotor" wurde erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen verwirklicht:

(siehe hierzu auch Zeichnung 1)

- Der Zylinder (1) wurde direkt auf den Wärmetauscher (2) der kalten Seite aufgesetzt.

Durch diese Maßnahme wird der Schadraum deutlich reduziert.

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Die Energie, die notwendig ist, um einerseits die Schwingung aufrecht zu erhalten und andererseits die geringfügige Reibung in den Gelenken und der Stopfbüchse des Verdrängerantriebes (3) zu kompensieren, wird dem schwingenden System wie folgt mitgeteilt:

Die Bewegung der Verbindungsstange (4) zwischen Kurbelwelle (5) und Haupthebel (6) bewirkt mit Hilfe des Zwischenlagers (7) eine auf- und abgehende Bewegung des Verdrängers (8). Bei sehr langsamer Drehung des Schwungrades (10) bis ca. 60 &ugr;pm eilt der Verdränger (8) dem Arbeitskolben (9) um 90 Grad voraus. Wenn sich der Arbeitskolben in der oberen oder unteren Totlage (OT oder UT) befindet, ist der Verdränger in der Mittelstellung. Bei sehr kleiner Drehzahl ist die Bewegung der beiden Kolben sinusförmig d.h. kontinuierlich. Bei höheren Drehzahlen (ab ca. 120 upm) mach.: sich aber die Masse des Verdrängers bemerkbar. Wenn die Verdrängermasse aus einer der beiden Endlagen herausbewegt werden soll, muß sie beschleunigt werden. Die hierzu erforderliche Kraft kommt über das Gestänge des Verdrängerantriebes (3). Der Verdränger (8) beginnt bereits dann sich aus der Endlage zu bewegen, wenn sich der Arbeitskolben (9) erst in der Mittellage befindet. Besser wäre es, wenn sich der Verdränger erst dann aus der Endlage bewegen würde, wenn der Arbeitskolben kurz vor seinem jeweiligen Totpunkt stünde (Verdränger bei warmem Wärmetauscher (13) und Arbeitskolben kurz vor UT, bzw. Verdränger bei kaltem Wärmetauscher (2) und Arbeitskolben kurz vor OT). Nun müßte sich aber der Verdränger sehr rasch in die andere Endlage bewegen, weil sonst die Maschine aufhören würde, sich zu drehen. Solange der Verdränger in einer der beiden Endlagen ist, findet Wärmeübergang bei konstanter Temperatur statt (Isotherme Zustandsänderung des Arbeitsgases), beim Wechsel des Verdrängers von der einen Seite zur anderen findet Wärmeübergang bei konstantem Volumen statt (Isochore Zustandsänderung). Die Isothermen sollen innerhalb eines Arbeitsspieles so lange wie möglich dauern, was aber bedingt, daß die Isochoren so schnell wie möglich durchfahren werden müssen. Dem sind aber durch die Massenträgheit des Verdrängers Grenzen gesetzt.

Das Problem wurde durch erfindungsmäßige Neugestaltung des Verdrängerantriebes wie folgt gelöst!

- Der Hebel (11), der die Auf- und Abbewegung auf den Verdränger (8) überträgt, wurde als Federstab ausgebildet.

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Durch diese Maßnahme ist nun der Bewegungsablauf in der gewünschten Weise verändert: (s. auch Zeichnung 2)

Wenn der Verdränger (8) in einer der beiden. Endlagen ist und die Kraft, die ihn beschleunigen doll, beginnt wirken-, weil sich die Schubstange (3) des Verdrängerantriebes weiterbewegt, biegt eich wegen der Masgenträgheit des Verdirängers der Federstab (11) durch und speichert einen Teil der Kraft. Dies so lange, bis die Kraft soweit angewachsen ist, daß der Verdränger sich zu bewegen beginnt. Inzwischen hat sich der Arbeitskolben (9) seiner Totlage genähert. Der Verdränger (8) wird nun durch das zusätzliche Freiwerden der gespeicherten Kraft in der Feder immer schneller und nähert sich der anderen Endlage. Weil aber der Arbeitskolben, der sich ja nur kontinuierlich bewegen kann, oben erst den Totpunkt überschritten hat, ist auch die Schubstange (3) noch nicht sehr weit verschoben. Daher wird die Stabfeder (11) durch den Schwung der Verdrängermasse in die entgegengesetzte Richtung durchgebogen. Dies bremst den Verdränger ab, wodurch dieser nun nur sanft an die zweite Endlage anschlägt. Währenddessen durchläuft der Abeitskolben kontinuierlich seinen Weg. Die Federkraft wirkt bei ihrer Entspannung unterstützend auf den Kurbeltrieb. Dies ist aber kein zusätzlicher Gewinn, es wird lediglich das zurückgegeben, was beim ersten Spannen der Feder zusätzlich aufgewendet wurde. Wenn sich der Arbeitskolben (9) seiner zweiten Totlage nähert, beginnt die Stabfeder sich wieder zu spannen, was die Rückbewegung des Verdrängers einleitet. Sobald die Kraft groß genug ist, wechselt der Verdränger auf die andere Seite, wo er wieder durch die Feder (11) abgebremst wird, bevor er sanft anschlägt.

Die Abstimmung von Federstab (11), Verdrängermasse (8) und Drehzahl ex'folgte so, daß ab einer Mindestdrehzahl von 120 upm der Verdränger 15 Grad vor dem Totpunkt des Arbeitskolbens (9) seinen Wechsel von der einen in die andere Endlage beginnt und 15 Grad danach beendet hat. (Gemessen als Drehwinkel der Kurbelwelle)

Der Vorteil dieser erfindungsmäßigen Neugestaltung ist, daß ein nahezu diskontinuierlicher Betrieb der Maschine bei erhöhter Drehzahl gefahren wird. Dies vergrößert die Leistungsdichte der Maschine.

Claims

Schutzanspruch

Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip, gekennzeichnet durch folgende Teile und deren Zuordnung zueinander:

- Zylinder (1) aus Stahl oder Glas und Kolben (3) aus Holz oder Kunststoff mit Dichtmanschette aus Leder oder Kunststoff direkt auf den Wärmetauscher der kalten Seite (2) durch Verschrauben oder Schweißen aufgesetzt.

- VerdrängerantrieB bestehend aus Schubstange (3), Zwischenlager (7) und Federstab (11). Federstab (11) und Masse des Verdrängerb (8) als schwingendes System bei Drehzahlen oberhalb 120 upm.

Teile des Verdrängerantriebes sind aus Stahl.