EP0543132A1 - Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip - Google Patents

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EP0543132A1
EP0543132A1 EP92117253A EP92117253A EP0543132A1 EP 0543132 A1 EP0543132 A1 EP 0543132A1 EP 92117253 A EP92117253 A EP 92117253A EP 92117253 A EP92117253 A EP 92117253A EP 0543132 A1 EP0543132 A1 EP 0543132A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
hot
heat exchanger
heat
cold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP92117253A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vaclav Prech
Klaus Dr. Schubert
Wilhelm Dr. Bier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP0543132A1 publication Critical patent/EP0543132A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures

Definitions

  • the present invention relates to a heat engine for a closed cycle with hot gas according to the Stirling principle with at least one hot and one cold room in preferably one cylinder each, in or on each of which a piston moving according to the process or a diaphragm bellows with tap mechanical energy works and with a regenerator for the working medium.
  • heat engines based on the Stirling principle each consist of an externally cooled or heated cylinder with pistons that are coupled to one another.
  • the two cylinders are connected by a tube and filled with a working gas, the working medium.
  • this gas for example helium or air, expands in the hot cylinder due to the heat supplied and pushes its piston downward, so that mechanical work is done.
  • the piston pushes the hot gas into the cold cylinder, the gas in the connecting pipe giving off heat to the regenerator placed therein, a heat accumulator and the cold heat exchanger following in the flow direction of the working gas and thereby cooling.
  • the piston in the cold cylinder leads that in the hot cylinder, that in the working cylinder, with a crankshaft drive by about a quarter of a turn, making room for the gas. Then when it starts to compress again, it compresses the gas and back into the hot cylinder. The gas absorbs the heat previously given off to the regenerator. Overall, the work done in the displacement is greater than that required to push the working gas. The difference between the work performed and the work to be performed then results in the work gained as an efficient part of the available energy after the completion of a cycle. The work is now available in mechanical form.
  • the known systems are therefore limited in performance and efficiency. They have long distances for the working medium and large dead volumes as well as flow resistance, especially at connection points and curvatures of the channels.
  • the object of the present invention is therefore to improve a heat engine according to the Stirling principle with regard to the heat exchange during the supply and dissipation of heat.
  • the present invention now proposes the features of a heat engine of the type described at the outset, which are set out in the characterizing part of claim 1 from a) to d). Further advantageous features for solving the task are specified in the characteristics of the subclaims.
  • the performance of a heat engine according to the Stirling principle is significantly increased. This is done according to the invention through the use of the novel, particularly combined and particularly compact heat exchanger unit, which is arranged in a particularly advantageous manner directly between the working and slide cylinders of the heat engine.
  • the heat exchanger 1 is a so-called micro-heat exchanger with a large aspect ratio, which is to be understood as the arithmetic ratio of the channel length to the dimensions of the internal structures (wall thicknesses or channel widths).
  • Micro heat exchangers that can be produced have aspect ratios of more than 10,000, the smallest dimensions of the inner structures being in the 10 ⁇ m range for wall thicknesses, in the 100 ⁇ m range for channel widths and the channel lengths in the cm range to a maximum in the m range.
  • the aspect ratio of such micro heat exchangers can be predetermined in a wide range, as can the shape and arrangement of the channels.
  • the micro heat exchanger 1 acc. 2 now consists of stacked, grooved, plate-shaped foils 10, the orientation of the grooves 11 being alternately offset by an angle, preferably 90 °, and the grooves 11 of a foil 10 with the back of the wall 12 of the foil lying above or lying against it 10 form the channels of the heat exchanger 1.
  • the heat exchanger 1 is constructed in the manner of a storage heat exchanger and has three types of channels 13, 14 and 15, which are formed from the grooves 11 described:
  • the channels 13 of the first type extend lengthways through the heat exchanger 1 and bring the working medium 9 flowing back and forth in them with the hot medium 18 in the channels 14 of the second type and the cold medium 19 in the channels 15 of the third type as in a cross-flow heat exchanger in heat exchange.
  • These channels 14 and 15 are arranged one behind the other approximately at right angles to the channels 13. Between them, the respective films 10 have an un-grooved part 20, which serves as a regenerator 21 for the Stirling process.
  • the channels 13 of the first type, which carry the working medium 9, lead directly from the hot space 5 into the cold 6, so that the flow losses become minimal.
  • the heat exchanger 1 shows the exact installation of the heat exchanger 1 in a Stirling engine.
  • This can be a mechanical work or a refrigerator, the type of micro heat exchanger described is suitable for all types of fluids.
  • the heat exchanger is seated in a housing 2, which is flanged directly between the two cylinders 3 and 4.
  • the heat exchanger is inserted so that the channels 13 of the first type connect the hot and the cold room 5 and 6 directly, so that the working medium 9 through the piston movements 22 and 23 with little loss back and forth between the rooms 5 and 6
  • the openings 26 and 27 of the housing 2, in which the front and rear surfaces 24 and 25 of the heat exchanger 1 are located each correspond to the cylinders 3 and 4 or their spaces 5 and 6.
  • the regenerator 21 or the corresponding one Zone of the heat exchanger 1 lies approximately in the middle of the housing 2, a thickening 28 in this area separates the channels 14 and 15 or their inflow areas 29 and 30 from each other.
  • the inflow regions 29 and 30 lie behind the inlet connections 31 and 32 for the hot 18 and the cold medium 19 on the other side of the housing 2, and the outlet connections 33 and 34 lie correspondingly at the outlet of the channels 14 and 15 from the heat exchanger 1.
  • the housing 2 of the heat exchanger 1 thus forms the cylinder head cover of both cylinders 3, 4 and thus has openings 26, 27 for the working medium 9 which correspond to the cylinders.
  • the surfaces 24, 25 of the heat exchanger 1 with the openings of the channels 13 of the first type each form the end of the hot 5 and the cold room 6.
  • the inlet 31, 32 and the outlet openings 33, 34 for the warm 18 and the cold medium 19 lie laterally transversely to the first openings 26, 27 in the housing 2 and correspond to the channels 14, 15 of the second and third types of the heat exchanger 1.
  • the regenerator part 21 of the heat exchanger 1 lies between them and separates them from one another.
  • the basic function of the Stirling process in the machine according to the invention is as described at the beginning.
  • the working medium 9 circulates through the channels 13 of the first type between the hot and the cold room 5 and 6.
  • the energy supply to the process through the hot medium 18 takes place via the channels 14 of the second type on the channels 13, the medium 18 through the Stub 31 and 33 is supplied or discharged.
  • the residual heat to be dissipated is dissipated in the channels 15 of the third type from the channels 13 of the first type by means of the cold medium 19, this medium 19 being supplied or removed through the connecting pieces 32 and 34. is derived.
  • part of the heat between the cold and hot zones is temporarily stored in accordance with the Stirling process, so that it serves as a thermal separation.
  • FIG. 3 shows how the heat exchanger according to FIGS. 1 and 2 is installed in a Stirling engine which has 7.8 membrane bellows 35 and 36 instead of the pistons.
  • the membrane bellows can have single bellows such as 35 or double or multiple bellows such as 36.
  • the mechanical work on the membranes is tapped here via plunger 37.
  • the hot space is here through the space 38 between the front surfaces 24 of the heat exchanger 1 and the membrane of the membrane bellows 35, the cold 39 between the rear surfaces 25 and the membrane of the membrane bellows 36 educated.
  • the control of the membranes in relation to one another is not shown since it is state of the art.
  • FIGS. 4 and 5 show the designs of the heat exchanger in other cylinder arrangements of the heat engine, the positions of the same elements corresponding to those in FIG. 1.
  • the heat exchanger is curved in an arc, in the parallel cylinder arrangement according to FIG. 5 with inclined side surfaces 26 and 27.
  • the principle of operation and the construction of the heat exchanger are the same as those described for FIG. 1, the function also.

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Abstract

Eine Wärmekraftmaschine für einen geschlossenen Kreisprozess mit Heißgas nach dem Stirling-Prinzip mit mindestens je einem heißen und einem kalten Raum 5,6 in jeweils einem Zylinder 3,4, in oder an welchem jeweils ein, entsprechend dem Prozess gesteuerter Kolben 7,8 oder eine Membran arbeitet und mit einem Regenerator 21. Zwischen den Stirnseiten 16,17 des heißen und des kalten Zylinders 3,4 ist unmittelbar ein Mikrowärmetauscher 1 angeordnet, der ein großes Aspektverhältnis aufweist, wobei unter Aspektverhältnis das Verhältnis der Kanallänge zu den Abmessungen der inneren Strukturen zu verstehen ist. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine für einen geschlossenen Kreisprozess mit Heißgas nach dem Stirling-Prinzip mit mindestens je einem heißen und einem kalten Raum in vorzugsweise jeweils einem Zylinder, in oder an welchem jeweils ein entsprechend dem Prozeß sich bewegender Kolben oder ein Membranbalg mit Abgriff der mechanischen Energie arbeitet und mit einem Regenerator für das Arbeitsmedium.
  • Wärmekraftmaschinen nach dem Stirling-Prinzip bestehen in ihrer einfachsten Bauart aus je einem von außen gekühlten bzw erhitzten Zylinder mit Kolben, die miteinander gekoppelt sind. Die beiden Zylinder sind durch ein Rohr miteinander verbunden und mit einem Arbeitsgas, dem Arbeitsmedium gefüllt. Zunächst dehnt sich dieses Gas-z.B. Helium oder Luft-im heißen Zylinder aufgrund der zugeführten Wärme aus und schiebt dessen Kolben nach unten, so daß mechanische Arbeit geleistet wird. Auf seinem Rückweg drückt der Kolben das heiße Gas in den kalten Zylinder, wobei das Gas in dem Verbindungsrohr Wärme an den darin plazierten Regenerator,einem Wärmespeicher und dem in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases folgenden kalten Wärmetauscher abgibt und sich dabei abkühlt. Der Kolben im kalten Zylinder, dem sog.Schiebezylinder, eilt dem im heißen, dem im Arbeitszylinder,bei einem Kurbelwellenantrieb ungefähr um eine Viertelumdrehuhng voraus, macht also dem Gas Platz. Wenn er dann wieder zu komprimieren beginnt, preßt er das Gas zusammen und in den heißen Zylinder zurück. Dabei nimmt das Gas zuvor an den Regenerator abgegebene Wärme wieder auf. Insgesamt ist die bei der Verdrängung geleistete Arbeit größer als die zum Schieben des Arbeitsgases aufzuwendende. Aus der Differenz der geleisteten und aufzuwendenden Arbeit ergibt sich dann nach Ablauf eines Zyklus die gewonnene Arbeit als ein effizienter Anteil an der zur Verfügung stehenden Energie.Die Arbeit steht nun in mechanischer Form zur Verfügung.
  • Bei den bekannten Bauarten von Wärmekraftmaschinen nach dem Stirling-Prinzip geschieht nun der Wärmeaustausch entweder direkt über die Zylinderwand des Arbeits- bzw des Schiebezylinders oder über einen angeschlossenen mit verhältnismäßig großem Ballast- oder Totvolumen belasteten, konventionellen Wärmetauscher oder ein großvolumiges Wärmeübertragungssystem.
  • Die bekannten Systeme sind daher in der Leistungsfähigkeit und der Effizienz eingeschränkt. Sie weisen lange Wege für das Arbeitsmedium und große Totvolumina wie auch Strömungswiderstände insbesondere an Verbindungstellen und Krümmungen der Kanäle auf.
  • Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip bezüglich des Wärmeaustausches bei der Wärmezu- und der Wärmeabfuhr zu verbessern.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfindung bei einer Wärmekraftmaschine der eingangs beschriebenen Art die Merkmale vor, die in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 von a) bis d) angeführt sind. Weitere vorteilhafte Merkmale zur Lösung der Aufgabenstellung sind in den Kennzeichen der Unteransprüche angegeben.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird nun die Leistungsfähigkeit einer Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip wesentlich gesteigert. Die geschieht erfindungsgemäß durch den Einsatz der neuartigen, besonders kombinierten und besonders kompakten Wärmetauschereinheit, die in besonders vorteilhafter Weise unmittelbar zwischen die Arbeits- und Schieberzylinder der Wärmekraftmaschine angeordnet ist.
  • Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert:
    Es zeigen die
    • Fig.1 den schematischen Querschnitt durch den Zylinderkopf einer erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine, die
    • Fig.2 den Wärmetauscher selbst in perspektivischer Schrägdarstellung, die
    • Fig.3 eine Wärmekraftmaschine mit Membranen anstelle von Kolben
    • Fig.4 eine Wärmekraftmaschine mit V-förmiger Zylinderanordnung und die
    • Fig.5 eine Wärmekraftmaschine mit parallel angeordneten Zylindern jeweils in prinzipieller Darstellung
    Die Fig.1 zeigt den in Fig.2 einzeln dargestellten Wärmetauscher 1, der der Länge nach in ein Gehäuse 2 eingebaut ist, wobei dieses Gehäuse mit seinen beiden Stirnseiten 16 und 17 jeweils gegen den heißen 3 und den kalten Zylinder 4 dicht geschraubt ist. Die beiden koaxialen Zylinder 3 und 4 sind Teile einer Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip, in ihnen befinden sich der heiße Raum 5 mit dem Arbeitskolben 7 sowie der kalte Raum 6 mit dem Verdrängerkolben 8.Die beiden Kolben 7 und 8 können auch, wie in der Fig.3 dargestellt, durch eine Membrane als Arbeitsglied ersetzt sein. Die beiden Kolben 7 und 8 oder die entsprechenden Membranen sind auf nicht dargestellte Weise so miteinander gekoppelt, daß ihre Relativbewegung zueinander nach der bekannten Stirling-Arbeitsweise erfolgt.Solche Koppelungen sind ebenso bekannt, wie verschiedene Möglichkeiten die mechanische Arbeit von dem Arbeitsglied abzugreifen. Das fluide Arbeitsmedium 9 für diesen Prozess in den beiden Räumen 5 und 6 kann He, CO2, Luft oder auch ein anderes Gas sein.
  • Der Wärmetauscher 1 ist ein sog. Mikrowärmetauscher mit einem großen Aspektverhältnis, wobei unter diesem das rechnerische Verhältnis der Kanallänge zu den Abmessungen der inneren Strukturen (Wanddicken oder Kanalweiten) zu verstehen ist. Herstellbare Mikrowärmetauscher weisen Aspektverhältnisse von über 10 000 auf, wobei die kleinsten Abmessungen der inneren Strukturen bei Wandstärken im 10µm-Bereich, bei Kanalweiten im 100µm- Bereich und die Kanallängen im cm-bis maximal im m-Bereich liegen. Das Aspektverhälnis solcher Mikrowärmetauscher ist in weiten Bereichen vorgebbar ebenso wie die Form und die Anordnung der Kanäle.
  • Der Mikrowärmetauscher 1 gem. Fig.2 besteht nun aus übereinandergestapelten, genuteten, plattenförmigen Folien 10, wobei die Ausrichtung der Nuten 11 abwechselnd um einen Winkel, vorzugsweise von 90° gegeneinander versetzt ist und die Nuten 11 einer Folie 10 mit der Rückseite der Wand12 der darüber- bzw anliegenden Folie 10 die Kanäle des Wärmetauschers 1 bilden.
  • Der Wärmetauscher 1 ist nach Art eines Speicherwärmetauschers aufgebaut und weist drei Arten von Kanälen 13, 14 und 15 auf, die aus den beschriebenen Nuten 11 gebildet sind:
    Die Kanäle 13 der ersten Art durchsetzen den Wärmetauscher 1 der Länge nach und bringen das in ihnen hin- und herströmende Arbeitsmedium 9 mit dem heissen Medium 18 in den Kanälen 14 der zweiten Art und dem kalten Medium 19 in den Kanälen 15 der dritten Art wie bei einem Kreuzstromwärmetauscher in Wärmeaustausch. Diese Kanäle 14 und 15 sind hintereinander etwa im rechten Winkel zu den Kanälen 13 angeordnet. Zwischen ihnen weisen die jeweiligen Folien 10 einen ungenuteten Teil 20 auf, der als Regenerator 21 für den Stirling-Prozess dient.Die das Arbeitsmittel 9 führenden Kanäle 13 der ersten Art führen unmittelbar von dem heißen Raum 5 in den kalten 6, so daß die Strömungsverluste minimal werden.
  • In der Fig.1 ist nun der genaue Einbau des Wärmetauschers 1 in eine Stirling-Maschine dargestellt. Dabei kann es sich um eine mechanische Arbeit leistende oder um eine Kältemaschine handeln, die beschriebene Art Mikrowärmetauscher ist für alle Arten von Fluiden geeignet. Wie bereits erwähnt sitzt der Wärmetauscher in einem Gehäuse 2, welches direkt dicht zwischen die beiden Zylinder 3 und 4 geflanscht ist. In das Gehäuse 2 ist der Wärmetauscher so eingesetzt, daß die Kanäle 13 der ersten Art den heißen und den kalten Raum 5 und 6 unmittelbar verbinden, so daß das Arbeitsmedium 9 durch die Kolbenbewegungen 22 und 23 verlustarm zwischen den Räumen 5 und 6 hin- und herströmen kann.Dazu korrespondieren die Öffnungen 26 und 27 des Gehäuses 2, in welchen die Vorder- und Hinterflächen 24 und 25 des Wärmetauschers 1 liegen, jeweils mit den Zylindern 3 und 4 bzw deren Räumen 5 und 6.Der Regenerator 21 bzw. die entsprechende Zone des Wärmetauschers 1 liegt etwa in der Mitte des Gehäuses 2, eine Verdickung 28 in diesem Bereich trennt die Kanäle 14 und 15 bzw. deren Anströmbereiche 29 und 30 dicht voneinander.
  • Die Anströmbereiche 29 und 30 liegen hinter den Einlaßstutzen 31 und 32 für das heiße 18 bzw das kalte Medium 19 auf der anderen Seite des Gehäuses 2, am Austritt der Kanäle 14 und 15 aus dem Wärmetauscher 1 liegen entsprechend die Auslasstutzen 33 und34.
    Das Gehäuse 2 des Wärmetauschers 1 bildet somit die Zylinderkopfdeckel beider Zylinder 3,4 und weist damit mit den Zylindern korrespondierende Öffnungen 26,27 für das Arbeitsmedium 9 auf. Die Flächen 24,25 des Wärmetauschers 1 mit den Öffnungen der Kanäle 13 der ersten Art bilden jeweils den Abschluss des heißen 5 und des kalten Raumes 6. Die Eintritts-31,32 und die Austrittsöffnungen 33,34 für das warme 18 und das kalte Medium 19 liegen seitlich quer zu den ersten Öffnungen 26,27 im Gehäuse 2 und korrespondieren mit den Kanälen 14,15 der zweiten und der dritten Art des Wärmetauschers 1. Der Regeneratorteil 21 des Wärmetauschers 1 liegt dazwischen und trennt beide voneinander.
  • Die prinzipielle Funktion des Stirling-Prozesses ist bei der erfindungsgemäßen Maschine wie eingangs beschrieben. Das Arbeitsmedium 9 zirkuliert durch die Kanäle 13 der ersten Art zwischen dem heißen und dem kalten Raum 5 und 6. Die Energiezufuhr zum Prozeß durch das heiße Medium 18 erfolgt über die Kanäle 14 der zweiten Art auf die Kanäle 13, wobei das Medium 18 durch die Stutzen 31 und 33 zu- bzw. abgeführt wird. Die abzuführende Restwärme wird in den Kanälen 15 der dritten Art aus den Kanälen 13 der ersten Art mittels des kalten Mediums 19 abgeführt, wobei dieses Medium 19 durch die Stutzen 32 und 34 zu-bzw. abgeleitet wird. Im Regeneratorteil 21 wird ein Teil der Wärme zwischen kalter und heißer Zone entsprechend dem Stirling-Prozeß zwischengespeichert, er dient damit als thermische Trennung.
    In der Fig.3 ist dargestellt, wie der Wärmetauscher nach den Fig.1 und 2 in eine Stirling- Maschine eingebaut ist, die an Stelle der Kolben 7,8 Membranbälge 35 und 36 aufweist. Die Membranbälge können einfache wie 35 oder doppelte bzw. mehrfache Bälge wie 36 aufweisen. Der Abgriff der mechanischen Arbeit an den Membranen erfolgt hier über Stößel 37. Der heiße Raum wird hier durch den Zwischenraum 38 zwischen den Vorderflächen 24 des Wärmetauschers 1 und der Membran der Membranbälge 35, der kalte 39 zwischen den Hinterflächen 25 und der Membran der Membranbälge 36 gebildet. Die Steuerung der Membranen in ihrem Verhältnis zueinander ist nicht dargestellt, da sie Stand der Technik ist.
  • Die in der Fig.3 mit gleichen Ziffern benannten Elemente sind identisch mit denen der Figuren 1 bis 2.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen die Ausführungen des Wärmetauschers bei anderen Zylinderanordnungen der Wärmekraftmaschine, wobei die Positionen gleicher Elemente der der Fig.1 entsprechen.
  • Bei der V-förmigen Zylinderanordnung gem. der Fig.4 ist der Wärmetauscher bogenförmig gekrümmt, bei der parallelen Zylinderanordnung gem. der Fig.5 mit schrägen Seitenflächen 26 und 27 ausgeführt. Das Arbeitsprinzip und der Aufbau des Wärmetauschers sind die gleichen wie die zu der Fig.1 beschriebenen, die Funktion ebenfalls.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmetauscher
    2
    Gehäuse
    3
    heißer Zylinder
    4
    kalter Zylinder
    5
    heißer Raum
    6
    kalter Raum
    7
    Arbeitskolben
    8
    Verdrängerkolben
    9
    Arbeitsmedium
    10
    Folien
    11
    Nuten
    12
    Rückseite der Wand
    13
    Kanäle 1.Art
    14
    Kanäle 2.Art
    15
    Kanäle 3.Art
    16
    Stirnseite heiß
    17
    Stirnseite kalt
    18
    heißes Medium
    19
    kaltes Medium
    2o
    ungenuteter Teil
    21
    Regenerator, Wärmespeicherzone
    22
    Kolbenbewegung
    23
    Kolbenbewegung
    24
    Vorderfläche
    25
    Hinterfläche
    26
    Gehäuseöffnung
    27
    Gehäuseöffnung
    28
    Verdickung
    29
    Anströmbereich
    30
    Anströmbereich
    31
    Einlasstutzen
    32
    Einlasstutzen
    33
    Auslasstutzen
    34
    Auslasstutzen
    35
    Membran einfach
    36
    Membran doppelt
    37
    Stößel
    38
    heißer Raum
    39
    kalter Raum

Claims (7)

  1. Wärmekraftmaschine für einen geschlossenen Kreisprozess mit Heißgas nach dem Stirling-Prinzip mit mindestens je einem heißen und einem kalten Raum in vorzugsweise jeweils einem Zylinder, in oder an welchem jeweils ein entsprechend dem Prozess sich bewegender Kolben oder ein Membranbalg mit Abgriff der mechanischen Energie arbeitet und mit einem Regenerator für das Arbeitsmedium, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    a) zwischen den Stirnseiten (16,17) des heißen und des kalten Zylinders (3,4) ist unmittelbar ein Wärmetauscher (1) angeordnet, der ein großes Aspektverhältnis aufweist, wobei unter Aspektverhältnis das Verhältnis der Kanallänge zu einer Abmessung der inneren Strukturen zu verstehen ist,
    b) der Wärmetauscher (1) besteht aus übereinandergestapelten, genuteten plattenförmigen Folien (10), wobei die Nutenausrichtung abwechselnd um einen Winkel gegeneinander versetzt ist und die Nuten (11) einer Folie (10) mit der Rückseite (12) der anliegenden Folie (10) die Kanäle des Wärmetauschers (1) bilden,
    c) der Wärmetauscher (1) weist nach Art eines Speicherwärmetauschers drei Arten von Kanälen (13,14,15) auf, von welchen die Kanäle (13) der ersten Art das Arbeitsmedium (9) der Maschine abwechselnd nacheinander zum Wärmeübergang auf zwei weitere Kanäle (14,15) der zweiten und der dritten Art mit zwei anderen Wärmetauschmitteln, dem heißen und dem kalten Medium (18,19) des Stirling-Prozesses in Austausch bringen,
    d) die Kanäle (13) der ersten Art führen unmittelbar von dem heißen (5) in den kalten (6) Raum und verbinden diese miteinander auf direktem Weg, während die Kanäle (14,15) der zweiten und der dritten Art im Winkel der Versetzung nach b) zwischen den beiden Räumen (5,6) quer zu ihnen verlaufen.
  2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
    e) zwischen den Kanälen (14,15) der zweiten und der dritten Art ist innerhalb des Wärmetauschers (1) der Regeneratorteil (21) für das Arbeitsmedium (9) gelegen, wobei dieser Teil (21) aus dem nicht quergenuteten Anteil (20) der Folien (10) zwischen den Kanälen (14,15) der zweiten und der dritten Art besteht.
  3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichet durch das weitere Merkmal:
    f) der Winkel, um den die Nuten der plattenförmigen Folien (10) gegeneinander versetzt sind, beträgt ca.90°.
  4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinder (3,4) des heißen und des kalten Raumes bezogen auf ihre Längsachsen miteinander fluchten.
  5. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinder (3,4) des heißen und des kalten Raumes mit ihren Längsachsen V-förmig zueinander angeordnet sind.
  6. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinder (3,4) des heißen und des kalten Raumes mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet sind.
  7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
    g) das Gehäuse (2) des Wärmetauschers (1) bildet die Zylinderkopfdeckel beider Zylinder (3,4) und weist mit den Zylindern korrespondierende Öffnungen (24,25) für das Arbeitsmedium (9) auf,
    h) die Flächen des Wärmetauschers (1) mit den Öffnungen der Kanäle (13) der ersten Art bilden jeweils den Abschluss des heißen (5) und des kalten Raumes (6) ,
    i) die Eintritts-(31,32) und die Austrittsöffnungen (33,34)für das warme und das kalte Medium (18,19) liegen seitlich quer zu den ersten Öffnungen (26,27) in der Wand des Gehäuses (2) und korrespondieren mit den Kanälen (14,15) der zweiten und der dritten Art des Wärmetauschers (1),
    j) der Regeneratorteil (21) des Wärmetauschers (1) liegt unmittelbar zwischen den Kanälen (14,15)und trennt beide voneinander.
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