EP2291583A2 - Stirlingmaschine - Google Patents

Stirlingmaschine

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Publication number
EP2291583A2
EP2291583A2 EP09711433A EP09711433A EP2291583A2 EP 2291583 A2 EP2291583 A2 EP 2291583A2 EP 09711433 A EP09711433 A EP 09711433A EP 09711433 A EP09711433 A EP 09711433A EP 2291583 A2 EP2291583 A2 EP 2291583A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
subsystem
working gas
cylinder
compression
expansion
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.)
Withdrawn
Application number
EP09711433A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz Pasemann
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Publication of EP2291583A2 publication Critical patent/EP2291583A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F02G1/044—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 having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output

Definitions

  • the Stirling engine is the heat-power machine that has the highest efficiency with ideal cycle.
  • the invention relates to a Stirling engine without conventional regenerator, which consists of two or more subsystems containing a working gas, and in which in ideal cycle each one Stirling cycle with the state changes isothermal compression, isochoric heating, isothermal expansion and isochoric cooling is feasible.
  • the first subsystem such a countercurrent heat exchanger with the last subsystem that in operation in the cold working gas of the first subsystem necessary for its isochore heating amount of heat over the countercurrent heat exchanger from the hot working gas of the last Subsystem is transmitted so that the working gas of the last subsystem isochronously cooled by the delivery of this amount of heat through the countercurrent heat exchanger, and that all other subsystems are connected via valve closable by-pass lines with the respective preceding subsystem such that they are in operation Isochor be heated by that in the open bypass lines, the hot working gas of the respective preceding subsystem is pushed, and simultaneously in the respective preceding subsystem their own cold working gas of the same amount and the same volume Gesc is lifted, whereby the respective preceding subsystem isochoric cooled.
  • FIGS. 1a to 4b schematically show an embodiment of a Stirling engine according to the invention comprising two subsystems in the different states of a cyclic process.
  • the first subsystem consists of a first expansion cylinder 10 and a first compression cylinder 11
  • the second subsystem consists of a second expansion cylinder 20 and a second compression cylinder 21.
  • the volumes of the expansion cylinders 10 and 20 and the compression cylinders 11 and 21 of the first and second subsystem are to be chosen so that the volume of the working gas at the end of its hot gas expansion in the expansion cylinder 10 of the first subsystem is equal to both the volume of the working gas at the beginning of its hot gas expansion in the expansion cylinder 20 of the second subsystem and the volume of the cards Working gas at the end of its cold gas compression in the compression cylinder 21 of the second subsystem, and that this volume is in turn equal to the volume of cold working gas at the beginning of its cold gas compression in Kompress ⁇ onszylinder 11 of the first subsystem.
  • the working gas quantities and the compression ratios of the two subsystems are the same size to choose, the compression ratio is formed in each case from the ratio of the volumes of cold working gas at the beginning and at the end of its compression.
  • the equality of the compression ratios of the first and second subsystems is equivalent to the fact that the ratio of the stroke volumes of the two subsystems is equal to the compression ratio of the first subsystem.
  • the expansion cylinder 10 of the first subsystem is connected to a heater 33 and to the compression cylinder 11 of the first subsystem through a first connection line 12, and the compression cylinder 21 of the second subsystem is connected to a radiator 34 and the expansion cylinder 20 of the second subsystem through a second connection line 22 connected, wherein the two connecting lines 12 and 22 are guided past each other so that they form a countercurrent heat exchanger 30, and the connecting lines 12 and 22 through a valve V3, in front of the inlet to the countercurrent heat exchanger 30 on the of the expansion cylinders 10 and 20 and the heater 33 formed hot room side of the Stirling engine is positioned, and by a valve V4, which is positioned in front of the inlet to the countercurrent heat exchanger 30 on the formed by the compression cylinders 11 and 21 and the cooler 34 cold room side, are closed, and in addition the Wegsleitu ng 12 between the expansion cylinder 10 of the first subsystem and the heater 33 by a valve V5 and the connecting line 22 between the compression cylinder 21 of the second subsystem and the
  • a closable by a valve V1 first bypass line 31 connects the expansion cylinder 20 of the second subsystem with the heater 33 and the Expansio ⁇ szylinder 10 of the first subsystem and thus bridges the connecting lines 12 and 22 on the hot room side in front of the counterflow heat exchanger 30, and a through a valve V2 closable second bypass line 32 connects the compression cylinder 11 of the first subsystem with the radiator 34 and the compression cylinder 21 of the second subsystem and thus bridges the connecting lines 12 and 22 on the cold side in front of the counterflow heat exchanger 30th
  • Fig. 1a shows schematically this embodiment of the Stirling engine according to the invention at the beginning of the hot gas expansion of the first subsystem and at the beginning of the simultaneously proceeding cold gas compression of the second subsystem, and in Fig. 1b the end of these state changes is shown.
  • the valves V1 and V2 of the first 31 and second bypass line 32 are closed to prevent mixing of the working gas of the first and second subsystem.
  • a Mixing would be possible with real process flow via non-closed bypass lines 31 and 32, if the position of the expansion piston K21 of the second subsystem and the compression piston K12 of the first subsystem of the ideal position shown in Fig. 1a and Fig. 1b during hot gas expansion deviates from the first subsystem or the cold gas compression of the second subsystem.
  • valves V3 and V4 of the connection lines 12 and 22 are closed so that no hot working gas of the hot room side can mix with the cold working gas of the cold room side.
  • the valve V5 is open, so that in operation by the supplied via the heater 33 external heat, the working gas expands in the expansion cylinder 10 of the first subsystem - isothermal - and shifts the expansion piston K11 by the stroke of the first subsystem.
  • the cold working gas in the compression cylinder 21 of the second subsystem is compressed by the movement of the compression piston K22 by the stroke of the second subsystem - ideally isothermal.
  • the radiator 34 is connected through the second connecting line 22 to the compression cylinder 21 of the second subsystem with the valve V6 open.
  • the cooling of the first subsystem and the simultaneous heating of the second subsystem which are ideally isochoric in each case, wherein in Fig. 2a the beginning and in FIG 2b shows the end of the isochoric heating of the second subsystem and the isochoric cooling of the first subsystem.
  • the valves V3 and V4 of the lines 12 and 22 remain closed, so that the hot room side is still separated from the cold room side.
  • the valves V1 and V2 of the two subsystems connecting bypass lines 31 and 32 are open.
  • the piston K11 of the expansion cylinder 10 of the first subsystem and the piston K21 of the expansion cylinder 20 of the second subsystem are moved simultaneously such that the hot working gas isochoric from the expansion cylinder 10 of the first subsystem via the heater 33 and the bypass line 31 in the expansion cylinder 20th of the second subsystem, and the piston K22 of the compression cylinder 21 of the second subsystem and the piston K12 of the compression cylinder 11 of the first subsystem are moved simultaneously such that the cold working gas isochoric from the compression cylinder 21 of the second subsystem via the radiator 34 and the bypass Line 32 in the Compression cylinder 11 of the first subsystem is pushed.
  • the isochoric cooling of the first subsystem and the simultaneous isochore heating of the second subsystem are followed in operation by the cold gas compression of the first subsystem and the simultaneous hot gas expansion of the second subsystem, the beginning of which is shown in FIG. 3a and whose end is shown in FIG Ideally, run isothermally.
  • the valves V3 and V4 of the hot room side to the cold room side connecting lines 12 and 22 are closed as well as the valves V5 and V6, so that the connection between the expansion cylinder 10 of the first subsystem and the heater 33 and the connection between the compression cylinder 21 of the second subsystem and the radiator 34 are interrupted.
  • valves V1 and V2 of the Bypass-Lertepteptept 31 and 32 are open, so that in operation expands the working gas in the expansion cylinder 20 of the second subsystem through the supplied heat through the heater 33 and 33 moves the piston K21 to the stroke of the second subsystem.
  • the cold working gas in the compression cylinder 11 of the first subsystem is compressed by the movement of the compression piston K12 by the stroke of the first subsystem while dissipating the heat of compression via the radiator 34 during operation.
  • This - in the ideal case isothermal state changes - is followed by the isochoric state changes shown in FIG. 4a and FIG. 4b, with the completion of which the cyclic process of the Stirling engine is completed.
  • FIG. 4a shows the beginning of the isochoric heating of the first subsystem and the beginning of the simultaneous isochoric cooling of the second subsystem
  • FIG. 4b shows the end point of these state changes.
  • the valves V1 and V2 of the bypass lines 31 and 32 are closed, ie, the two subsystems are separated from each other with respect to the working gas.
  • the valves V3 and V4 of the connection lines 12 and 22 and the valves V5 and V6 are opened, so that there is a heat exchange between the two subsystems via the countercurrent heat exchanger 30 during operation.
  • FIGS 1a to 4b illustrated embodiment in that on the valve
  • V4 is omitted, making the construction effort is smaller. Due to the now open from the cold room side countercurrent heat exchanger 30 there are with respect to the cold gas compressions of the first and second subsystem and with respect to the isochoric cold gas displacement of the compression cylinder 21 of the second subsystem in the compression cylinder 11 of the first subsystem in this second embodiment compared to the first additional dead space.
  • a third embodiment is obtained by modifying the embodiment shown in FIGS. 1a to 4b in that the valves V5 and V6 are dispensed with, which reduces the structural complexity.
  • the control of the working gas flow, which takes place in the embodiment shown in Fig. 1a to Fig. 4b through the valves V5 and V6, is in this modification of the expansion piston K11 of the first
  • a fourth embodiment is obtained by modifying the embodiment shown in FIGS. 1a to 4b by omitting the valves V4, V5 and V6. The consequences are in summary from those of the second and third embodiments.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stirlingmaschine, die aus zwei oder mehreren Teilsystemen besteht, die ein Arbeitsgas enthalten, und die erfindungsgemäß derart miteinander verbunden sind, das erste Teilsystem derart über einen Gegenstrom- Wärmetauscher mit dem letzten Teilsystem, dass im Betrieb in das kalte Arbeitsgas des ersten Teilsystems eine für seine isochore Erwärmung notwendige Wärmemenge über einen Gegenstrom-Wärmetauscher aus dem heißen Arbeitsgas des letzten Teilsystems übertragen wird, wodurch das Arbeitsgas des letzten Teilsystems isochor abgekühlt wird, und dass alle übrigen Teilsysteme über mit Ventilen verschließbare Bypass- Leitungen mit dem jeweils vorangestellten Teilsystem derart verbunden sind, dass sie im Betrieb dadurch isochor erwärmt werden, dass in sie über die geöffneten Bypass-Leitungen das heiße Arbeitsgas des jeweils vorangestellten Teilsystems geschoben wird, und simultan in das jeweils vorangestellte Teilsystem ihr eigenes kaltes Arbeitsgas gleicher Menge und gleich großen Volumens geschoben wird, wodurch das jeweils vorangestellte Teilsystem isochor abgekühlt wird.

Description

Stirlingmaschine
Die Stirlingmaschine ist die Wärme-Kraft-Maschine, die bei idealem Kreisprozess den höchsten Wirkungsgrad hat. Um bei einer realen Stirlingmaschine einen Wirkungsgrad zu erreichen, der dem idealen Wirkungsgrad möglichst nahe kommt, ist es wichtig, dass die Stirlingmaschine ein Regulativ besitzt, das bewirkt, dass während eines Kreisprozesses die innere Wärme gespeichert und möglichst wieder verlustfrei zur Verfügung gestellt wird.
Üblicherweise übernimmt der sog. „Regenerator" diese Aufgabe der Speicherung und Wiederbereitstellung der inneren Wärme in einer Stirlingmaschine. Nach dem Stand der Technik gibt es aber auch Stirlingmaschinen ohne das konventionelle Bauelement „Regenerator", wie z. B. aus der Patentschrift DE 197 52 996 bekannt ist. Die Erfindung betrifft eine Stirlingmaschine ohne konventionellen Regenerator, die aus zwei oder mehreren Teilsystemen besteht, die ein Arbeitsgas enthalten, und in denen bei idealem Kreisprozess jeweils ein Stirling-Kreisprozess mit den Zustandsänderungen isotherme Kompression, isochore Erwärmung, isotherme Expansion und isochore Abkühlung durchführbar ist.
Erfindungsgemäß sind die Teilsysteme derart miteinander verbunden, das erste Teilsystem derart über einen Gegenstrom-Wärmetauscher mit dem letzten Teilsystem, dass im Betrieb in das kalte Arbeitsgas des ersten Teilsystems die für seine isochore Erwärmung notwendige Wärmemenge über den Gegenstrom-Wärmetauscher aus dem heißen Arbeitsgas des letzten Teilsystems übertragen wird, so dass das Arbeitsgas des letzten Teilsystems durch die Abgabe dieser Wärmemenge über den Gegenstrom- Wärmetauscher isochor abgekühlt wird, und dass alle übrigen Teilsysteme über mit Ventilen verschließbare Bypass-Leitungen mit dem jeweils vorangestellten Teilsystem derart verbunden sind, dass sie im Betrieb dadurch isochor erwärmt werden, dass in sie über die geöffneten Bypass-Leitungen das heiße Arbeitsgas des jeweils vorangestellten Teilsystems geschoben wird, und simultan in das jeweils vorangestellte Teilsystem ihr eigenes kaltes Arbeitsgas gleicher Menge und gleich großen Volumens geschoben wird, wodurch das jeweils vorangestellte Teilsystem isochor abgekühlt wird. Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Stirlingmaschine benötigt die aus der Patentschrift DE 197 52 996 bekannte Stirlingmaschine für ihren Betrieb eine sog. Vorwärmkammer mit zugehörigem beweglichen Kolben, einem Erhitzer und einer durch ein Ventil verschließbaren Bypass-Leitung und eine sog. Vorkühlkammer mit zugehörigem beweglichen Kolben, einem Kühler und einer durch ein Ventil verschließbaren weiteren Bypass-Leitung, und eine Steuerung, die die Bewegung der Kolben in der Vorwärmkammer und der Vorkühlkammer und die der zugehörigen Ventile mit der Bewegung der übrigen Kolben und Ventile der Stirlingmaschine koordiniert. Darüber hinaus sind - im Unterschied zu der aus der Patentschrift DE 19752 996 bekannten Stirlingmaschine - die Erhitzer und Kühler der erfindungsgemäßen Stirlingmaschine als Bauelemente ausgeführt und entsprechend ihrer Einbindung in den Kreisprozess angeordnet.
In den Abbildungen 1a bis 4b ist schematisch eine Ausführungsform einer aus zwei Teilsystemen bestehenden erfindungsgemäßen Stirlingmaschine in den unterschiedlichen Zuständen eines Kreisprozesses dargestellt. Bei dieser doppeltwirkenden Stirlingmaschine besteht das erste Teilsystem aus einem ersten Expansionszylinder 10 und einem ersten Kompressionszylinder 11, und das zweite Teilsystem besteht aus einem zweiten Expansionszylinder 20 und einem zweiten Kompressionszylinder 21. Die Volumina der Expansionszylinder 10 und 20 und der Kompressionszylinder 11 und 21 des ersten und zweiten Teilsystems sind so zu wählen, dass das Volumen des Arbeitsgases am Ende seiner Heißgas-Expansion im Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems gleich ist sowohl dem Volumen des Arbeitsgases zu Beginn seiner Heißgas-Expansion im Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems als auch dem Volumen des karten Arbeitsgases am Ende seiner Kaltgas-Kompression im Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems, und dass dieses Volumen wiederum gleich dem Volumen des kalten Arbeitsgases zu Beginn von seiner Kaltgas-Kompression im Kompressϊonszylinder 11 des ersten Teilsystems ist. Darüber hinaus sind die Arbeitsgasmengen und die Kompressionsverhältnisse der beiden Teilsysteme gleich groß zu wählen, wobei das Kompressionsverhältnis jeweils aus dem Verhältnis der Volumina des kalten Arbeitsgases zu Beginn und am Ende seiner Kompression gebildet wird. Die Gleichheit der Kompressionsverhältnisse des ersten und zweiten Teilsystems ist gleichbedeutend damit, dass das Verhältnis der Hubvolumina der beiden Teilsysteme gleich dem Kompressionsverhältnis des ersten Teilsystems ist. Der Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems ist mit einem Erhitzer 33 und mit dem Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems durch eine erste Verbindungsleitung 12 verbunden, und der Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems ist mit einem Kühler 34 und dem Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems durch eine zweite Verbindungsleitung 22 verbunden, wobei die beiden Verbindungsleitungen 12 und 22 derart aneinander vorbeigeführt werden, dass sie einen Gegenstrom-Wärmetauscher 30 bilden, und die Verbindungsleitungen 12 und 22 durch ein Ventil V3, das vor dem Eingang zum Gegenstrom-Wärmetauscher 30 auf der von den Expansionszylindern 10 und 20 und dem Erhitzer 33 gebildeten Heißraumseite der Stirlingmaschine positioniert ist, und durch ein Ventil V4, das vor dem Eingang zum Gegenstrom-Wärmetauscher 30 auf der von den Kompressionszylindern 11 und 21 und dem Kühler 34 gebildeten Kaltraumseite positioniert ist, verschließbar sind, und zusätzlich die Verbindungsleitung 12 zwischen dem Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems und dem Erhitzer 33 durch ein Ventil V5 und die Verbindungsleitung 22 zwischen dem Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems und dem Kühler 34 durch ein Ventil V6 verschließbar ist. Eine durch ein Ventil V1 verschließbare erste Bypass-Leitung 31 verbindet den Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems mit dem Erhitzer 33 und dem Expansioπszylinder 10 des ersten Teilsystems und überbrückt damit die Verbindungsleitungen 12 und 22 auf der Heißraumseite vor dem Gegenstrom- Wärmetauscher 30, und eine durch ein Ventil V2 verschließbare zweite Bypass- Leitung 32 verbindet den Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems mit dem Kühler 34 und dem Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems und überbrückt damit die Verbindungsleitungen 12 und 22 auf der Kaltraumseite vor dem Gegenstrom-Wärmetauscher 30.
Es ist ein wichtiges Merkmal dieser Ausführungsform einer doppelt-wirkenden Stirlingmaschine, dass beide Teilsysteme einen Erhitzer (33) und einen Kühler (34) gemeinsam nutzen.
Fig, 1a zeigt schematisch diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stirlingmaschine zu Beginn der Heißgas-Expansion des ersten Teilsystems und zu Beginn der simultan ablaufenden Kaltgas-Kompression des zweiten Teilsystems, und in Fig. 1 b ist das Ende dieser Zustandsänderungen gezeigt. Die Ventile V1 und V2 der ersten 31 bzw. zweiten Bypass-Leitung 32 sind geschlossen, um eine Durchmischung des Arbeitsgases des ersten und zweiten Teilsystems zu verhindern. Eine Durchmischung wäre bei realem Prozessverlauf über nicht geschlossene Bypass- Leitungen 31 und 32 möglich, wenn die Position des Expansionskolbens K21 des zweiten Teilsystems und des Kompressionskolbens K12 des ersten Teilsystems von der in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten idealen Position während der Heißgas- Expansion des ersten Teilsystems bzw. der Kaltgas-Kompression des zweiten Teilsystems abweicht. Außerdem sind die Ventile V3 und V4 der Verbindungsleitungen 12 und 22 geschlossen, so dass sich kein heißes Arbeitsgas der Heißraumseite mit dem kalten Arbeitsgas der Kaltraumseite vermischen kann. Das Ventil V5 ist geöffnet, so dass im Betrieb durch die über den Erhitzer 33 zugeführte äußere Wärme das Arbeitsgas im Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems expandiert - im Idealfall isotherm - und den Expansionskolben K11 um den Hub des ersten Teilsystems verschiebt. Simultan zu dieser Heißgas-Expansion wird im Betrieb das kalte Arbeitsgas im Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems durch die Bewegung des Kompressionskolbens K22 um den Hub des zweiten Teilsystems komprimiert - im Idealfall isotherm. Für die Abführung der Kompressionswärme ist bei geöffnetem Ventil V6 der Kühler 34 durch die zweite Verbindungsleitung 22 mit dem Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems verbunden. Auf diese Heißgas-Expansion des ersten Teilsystems und simultane Kaltgas- Kompression des zweiten Teilsystems folgt im Betrieb die Abkühlung des ersten Teilsystems und die simultan stattfindende Erwärmung des zweiten Teilsystems, die im Idealfall jeweils isochor verlaufen, wobei in Fig. 2a der Beginn und in Fig. 2b das Ende der isochoren Erwärmung des zweiten Teilsystems und der isochoren Abkühlung des ersten Teilsystems gezeigt werden. Die Ventile V3 und V4 der Leitungen 12 und 22 bleiben geschlossen, so dass die Heißraumseite von der Kaltraumseite weiterhin getrennt ist. Die Ventile V1 und V2 der die beiden Teilsysteme verbindenden Bypass- Leitungen 31 und 32 sind geöffnet. Der Kolben K11 des Expansionszylinders 10 des ersten Teilsystems und der Kolben K21 des Expansionszylinders 20 des zweiten Teilsystems werden derart simultan bewegt, dass das heiße Arbeitsgas isochor aus dem Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems über den Erhitzer 33 und die Bypass-Leitung 31 in den Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems geschoben wird, und der Kolben K22 des Kompressionszylinders 21 des zweiten Teilsystems und der Kolben K12 des Kompressionszylinders 11 des ersten Teilsystems werden derart simultan bewegt, dass das kalte Arbeitsgas isochor aus dem Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems über den Kühler 34 und die Bypass-Leitung 32 in den Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems geschoben wird. Auf die isochore Abkühlung des ersten Teilsystems und die simultane isochore Erwärmung des zweiten Teilsystems folgen im Betrieb die Kaltgaskompression des ersten Teilsystems und die simultane Heißgasexpansion des zweiten Teilsystems, deren Beginn in Fig. 3a und deren Ende in Fig. 3b dargestellt sind, und die im Idealfall isotherm ablaufen. Die Ventile V3 und V4 der die Heißraumseite mit der Kaltraumseite verbindenden Leitungen 12 und 22 sind geschlossen wie auch die Ventile V5 und V6, so dass die Verbindung zwischen dem Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems und dem Erhitzer 33 und die Verbindung zwischen Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems und dem Kühler 34 unterbrochen sind. Die Ventile V1 und V2 der Bypass-Lertungen 31 und 32 sind geöffnet, so dass im Betrieb das Arbeitsgas im Expansionszlinder 20 des zweiten Teilsystems durch die über den Erhitzer 33 zugeführte äußere Wärme expandiert und den Kolben K21 um den Hub des zweiten Teilsystems verschiebt. Gleichzeitig wird das kalte Arbeitsgas im Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems im Betrieb durch die Bewegung des Kompressionskolbens K12 um den Hub des ersten Teilsystems unter Abführung der Kompressionswärme über den Kühler 34 komprimiert. Auf diese- im Idealfall isothermen Zustandsänderungen - folgen die in Fig. 4a und Fig.4b dargestellten isochoren Zustandsänderungen, mit deren Beendigung der Kreisprozess der Stirlingmaschine abgeschlossen ist.
Fig. 4a zeigt den Beginn der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems und den Beginn der simultan ablaufenden isochoren Abkühlung des zweiten Teilsystems, und Fig. 4b zeigt den Endpunkt dieser Zustandsänderungen. Die Ventile V1 und V2 der Bypass-Leitungen 31 und 32 sind geschlossen, d. h., die beiden Teilsysteme sind bezüglich des Arbeitsgases voneinander getrennt. Die Ventile V3 und V4 der Verbindungsleitungen 12 und 22 und die Ventile V5 und V6 sind geöffnet, so dass es im Betrieb über den Gegenstrom-Wärmetauscher 30 einen Wärmeaustausch zwischen den beiden Teilsystemen gibt. Das geschieht dadurch, dass der Kompressionskolben K12 und der Expansionskolben K11 des ersten Teilsystems derart simultan bewegt werden, dass das kalte Arbeitsgas isochor aus dem Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems durch die erste Verbindungsleitung 12 in den Gegenstrom-Wärmetauscher 30 und von dort über den Erhitzer 33 in den Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems geschoben wird, und gleichzeitig durch die simultane Bewegung des Expansionskolbens K21 und des Kompressionskolbens K22 des zweiten Teilsystems das heiße Arbeitsgas isochor Aus dem Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems durch die Verbindungsleitung 22 in den Gegenstrom-Wärmetauscher 30 geschoben wird und von dort über den Kühler 34 in den Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems, wobei das kalte Arbeitsgas des ersten Teilsystems die für seine isochore Erwärmung notwendige Wärmemenge von dem im Gegenstrom- Wärmetauscher 30 entgegen strömenden heißen Arbeitsgas des zweiten Teilsystems dadurch erhält, dass es eine für den Gegenstrom-Wärmetauscher 30 charakteristische, besonders enge thermische Kopplung der ersten 12 mit der zweiten Verbindungsleitung 22 gibt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel erhält man durch Abänderung der in den
Abbildungen 1a bis 4b dargestellten Ausführungsform dadurch, dass auf das Ventil
V4 verzichtet wird, wodurch der bauliche Aufwand kleiner wird. Aufgrund des nunmehr von der Kaltraumseite her offenen Gegenstrom-Wärmetauschers 30 gibt es in Bezug auf die Kaltgas-Kompressionen des ersten und zweiten Teilsystems und in Bezug auf die isochore Kaltgas-Verschiebung vom Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems in den Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems bei dieser zweiten Ausführungsform im Vergleich zur ersten zusätzlichen Totraum.
Ein drittes Ausführungsbeispiel erhält man durch Abänderung der in Fig. 1a bis 4b gezeigten Ausführungsform dadurch, dass auf die Ventile V5 und V6 verzichtet wird, was den baulichen Aufwand reduziert. Die Steuerung des Arbeitsgasstromes, die in dem in Fig. 1a bis Fig. 4b gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Ventile V5 und V6 erfolgt, ist bei dieser Abänderung von dem Expansionskolben K11 des ersten
Teilsystems und dem Kompressionskolben K22 des zweiten Teilsystems zu übernehmen.
Ein viertes Ausführungsbeispiel erhält man durch Abänderung der in Fig. 1a bis 4b gezeigten Ausführungsform dadurch, dass auf die Ventile V4, V5 und V6 verzichtet wird. Die Konsequenzen ergeben sich summarisch aus denen des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels.
Es versteht sich, dass die Erfindung sowohl das Arbeitsverfahren für verschiedene
Typen von Stirlingmaschinen wie Alpha-, Beta- Gamma-Stirlingmaschine als auch verschiedene Stirlingmaschinen zur Durchführung des vorgeschlagenen
Arbeitsverfahrens umfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Stirlingmaschine, bestehend aus einer Anzahl von zwei oder mehr Teilsystemen, die ein Arbeitsgas enthalten und alle miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass das erste Teilsystem derart über einen Gegenstrom- Wärmetauscher mit dem letzten Teilsystem verbunden ist, dass im Betrieb in das kalte Arbeitsgas des ersten Teilsystems eine für seine isochore Erwärmung notwendige Wärmemenge über den Gegenstrom-Wärmetauscher aus dem heißen Arbeitsgas des letzten Teilsystems übertragen wird, so dass das Arbeitsgas des letzten Teilsystems durch die Abgabe dieser Wärmemenge über den Gegenstrom- Wärmetauscher isochor abgekühlt wird, und dass alle übrigen Teilsysteme über mit Ventilen verschließbare Bypass-Leitungen mit dem jeweils vorangestellten Teilsystem derart verbunden sind, dass sie im Betrieb dadurch isochor erwärmt werden, dass in sie über die geöffneten Bypass-Leitungen das heiße Arbeitsgas des jeweils vorangestellten Teilsystems geschoben wird, und simultan in das jeweils vorangestellte Teilsystem ihr eigenes kaltes Arbeitsgas gleicher Menge und gleich großen Volumens geschoben wird, wodurch das jeweils vorangestellte Teilsystem isochor abgekühlt wird.
2. Stirlingmaschine nach Anspruch 1 mit einem ersten Teilsystem, bestehend aus einem ersten Expansionszylinder (10) mit zugehörigem Kolben (K11) und aus einem ersten Kompressionszylinder (11) mit zugehörigem Kolben (K12), und mit einem zweiten Teilsystem, bestehend aus einem zweiten Expansionszylinder (20) mit zugehörigem Kolben (K21) und einem zweiten Kompressionszylinder (21) mit zugehörigem Kolben (K22), wobei die Volumina der Expansionszylinder (10, 20) und der Kompressionszylinder (11 , 21) des ersten und zweiten Teilsystems sich so zueinander verhalten, dass das Volumen des Arbeitsgases am Ende seiner Heißgas-Expansion im Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems gleich ist sowohl dem Volumen des Arbeitsgases zu Beginn seiner Heißgas-Expansion im Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems als auch dem Volumen des kalten Arbeitsgases am Ende seiner Kaltgas-Kompression im Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems und auch gleich ist dem Volumen des kalten Arbeitsgases zu Beginn seiner Kompression im Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems, gekennzeichnet dadurch, dass die Gasmenge in beiden Teilsystemen gleich groß ist und das Kompressionsverhältnis des ersten Teilsystems gleich dem
Kompressionsverhältnis des zweiten Teilsystems ist, und dass der Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems mit einem Erhitzer
(33) und mit dem Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems durch eine erste Verbindungsleitung (12) verbunden ist, und dass der Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems mit einem Kühler
(34) und dem Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems durch eine zweite Verbindungsleitung (22) verbunden ist, wobei die beiden Verbindungsleitungen (12, 22) derart aneinander vorbeigeführt werden, dass sie einen Gegenstrom- Wärmetauscher (30) bilden, und die Verbindungsleitungen (12, 22) durch ein Ventil (V3), das vor dem Eingang zum Gegenstrom-Wärmetauscher (30) auf der von den Expansionszylindern (10, 20) und dem Erhitzer (33) gebildeten Heißraumseite der Stirlingmaschine positioniert ist, und durch ein weiteres Ventil (V4), das vor dem Eingang zum Gegenstrom-Wämnetauscher (30) auf der von den Kompressionszylindern (11 , 21) und dem Kühler (34) gebildeten Kaltraumseite positioniert ist, verschließbar sind, und die erste Verbindungsleitung (12) zwischen dem Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems und dem Erhitzer (33) durch ein zusätzliches Ventil (V5) verschließbar ist ebenso wie die zweite Verbindungsleitung (22) zwischen dem Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems und dem Kühler (34) durch ein zusätzliches Ventil (V6) verschließbar ist, und dass die Ventile (V3, V4, V5, V6) der beiden den Gegenstrom-Wärmetauscher
(30) bildenden Verbindungsleitungen (12, 22) nur geöffnet sind während der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems, bei der das kalte
Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems über den
Gegenstrom-Wärmetauscher (30), wo es erwärmt wird, und den Erhitzer (33) in den
Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems geschoben wird, und während der simultan verlaufenden isochoren Abkühlung des zweiten
Teilsystems, bei der das heiße Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems über den Gegenstrom-Wärmetauscher (30), wo es abgekühlt wird, und den Kühler (34) in den Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems geschoben wird, und dass es eine durch ein Ventil (V1) verschließbare erste Bypass-Leitung (31) gibt, die den Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems mit dem Erhitzer (33) und dem Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems verbindet und damit die erste
Verbindungsleitung (12) und die zweite Verbindungsleitung (22) auf der
Heißraumseite vor dem Gegenstrom-Wärmetauscher (30) überbrückt, und dass es eine durch ein Ventil (V2) verschließbare zweite Bypass-Leitung (32) gibt, die den Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems mit dem Kühler
(34) und den Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems verbindet und damit die erste (12) und die zweite Verbindungsleitung (22) auf der Kaltraumseite vor dem
Gegenstrom-Wärmetauscher (30) überbrückt, wobei die Ventile (V1 , V2) der ersten
(31) und zweiten Bypass-Leitung (32) geöffnet sind während der isochoren Erwärmung des zweiten Teilsystems, bei der das heiße
Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems durch den
Erhitzer (30) und von dort durch die erste Bypass-Leitung (31) in den
Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems geschoben wird, und während der simultan ablaufenden isochoren Abkühlung des ersten Teilsystems, bei der das kalte Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder (21) des zweiten
Teilsystems durch die zweite Bypass-Leitung (32) in den Kühler (34) und von dort in den Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems geschoben wird, und dass die Expansionszylinder (10, 20) des ersten und zweiten Teilsystems während der Heißgas-Expansion nur mit dem Erhitzer (33) verbunden sind, und die Kompressionsyzylinder (11 , 21) des ersten und zweiten Teilsystems während der Kaltgas-Kompression nur mit dem Kühler (34) verbunden sind.
3. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Stirlingmaschine derart mit einem mit Gas, Heizöl oder Festbrennstoff betriebenen Heizkessel gekoppelt ist, dass sie über ihre Erhitzer von der Verbrennungswärme des Brennstoffes beheizt und über ihre Kühler vom Wasser der Heizungsanlage gekühlt wird.
4. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass eine oder mehrere Stirlingmaschinen derart mit dem Abgaskanal eines Blockheizkraftwerkes gekoppelt sind, dass sie über ihre Erhitzer von dem im Abgaskanal strömenden heißen Auspuffgas beheizt werden.
5. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Stirlingmaschine derart mit einem Sonnenkollektor gekoppelt ist, dass sie über ihre Erhitzer von der Wärmestrahlung der Sonne beheizt wird.
6. Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die mit einer Heizquelle verbundene Stirlingmaschine derart mit einem elektrischen Strom erzeugenden Generator gekoppelt ist, dass das aus Heizquelle, Stirlingmaschine und Generator gebildete System im Betrieb Wärme in elektrische Energie umwandelt.
7. Stirlingsystem nach Anspruch 6 zur dezentralen Stromversorgung von Haushalten und Gehöften.
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