EP2740922B1 - Zylinder-Kolben-Baugruppe betrieben mit einem abgeschlossenen Arbeitsgas - Google Patents

Zylinder-Kolben-Baugruppe betrieben mit einem abgeschlossenen Arbeitsgas Download PDF

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EP2740922B1
EP2740922B1 EP12008152.6A EP12008152A EP2740922B1 EP 2740922 B1 EP2740922 B1 EP 2740922B1 EP 12008152 A EP12008152 A EP 12008152A EP 2740922 B1 EP2740922 B1 EP 2740922B1
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EP
European Patent Office
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piston
cylinder
ceramic material
assembly according
piston assembly
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EP2740922A1 (de
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Anna Kerstin Dipl.-Ing. Usbeck
Dieter Prof. Dr.-Ing. Krause
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.)
Technische Universitaet Hamburg TUHH
Tutech Innovation GmbH
Original Assignee
Technische Universitaet Hamburg TUHH
Tutech Innovation GmbH
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Publication date
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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
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/40—Piston assemblies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Definitions

  • the invention relates to a cylinder-piston assembly operated with a closed working gas according to the preamble of claim 1.
  • Such cylinder-piston assemblies are used for example in heat engines such as hot gas engines, in particular Stirling engines, which are also offered in use in combined heat and power plants.
  • the Stirling engine is operated unlike internal combustion engines with a sealed gas.
  • the working process includes a heating phase and a cooling phase of the gas used.
  • the heat dissipation and supply takes place at locally different locations.
  • the (working) piston is thus operated on one side with high, on the other side with low temperature. This leads to following technical problem.
  • the piston must withstand a high temperature gradient over the axial extent, the piston must be thermally insulating and it must be operated and sealed due to the closed gas volume without additional lubricants.
  • the Stirling engine thus operates on the principle of a closed cycle and is an example of the energy conversion of a poorly usable form of energy (thermal energy) in the better usable form of energy of mechanical energy.
  • the Stirling engine can be operated with any external heat source, resulting in significant environmental benefits.
  • Out DE 1 940 526 is a tightly closed piston compressor known which works without lubrication.
  • An electromagnetic field operates the piston to prevent radial contact between the piston and the cylinder.
  • the use of electromagnetic fields is expensive.
  • a cylinder-piston assembly is off JP 2008 231949 known.
  • the object of the invention is therefore to provide a cylinder-piston assembly operated with a closed working gas to provide, in which the piston and the cylinder are sealed against each other improved.
  • a cylinder-piston assembly in which for the piston at least two ceramic materials are combined with different thermal properties.
  • the sealing function can then be separated from the thermal insulation function.
  • a voltage-minimized connection of the ceramic components to a metallic basic construction can take place. It is advantageous to increase the service life and a lasting during the operating times high efficiency of the cylinder-piston assembly for performing mechanical work.
  • a portion of the piston acts thermally-insulating, another is designed with a thermally conductive ceramic. Due to the fact that the thermally conductive ceramic is arranged downstream of the thermally insulating ceramic, the thermally conductive ceramic is located on the colder side of the cylinder. This opens up the possibility of forming a sealing point that can be kept at a cold level.
  • the seal can be designed differently. Due to the lack of lubrication, however, u.a. a gap seal may be provided, i. a long gap between the piston and the cylinder inner wall, which is tightly tolerated. This is made possible by a suitable ceramic material selection, which allows for low start-up between stationary and moving components even in dry running.
  • a temperature gradient can be obtained which leads to a sealing surface cooled in relation to the heated cylinder space. At the same time it can be achieved that only small temperature differences between the piston and the cylinder inner wall occur in the region of the sealing surface. This prevents a different expansion of the components during operation. Thus, a narrow gap and thus a sufficiently small gas leakage is possible.
  • the thermally conductive ceramic simultaneously forms the sealing gap and can come into tribological contact with the stationary cylinder. It may therefore be provided that the cylinder a similar or identical ceramic material is made.
  • the thermally insulating ceramic material is subjected to high thermal loads, but can be made slightly smaller in diameter and can not come into tribological contact with stationary components.
  • the invention relates to a cylinder-piston assembly 1 operated with a closed working gas for forming a heat engine, preferably a Stirling engine, by external heat supply.
  • the external heat supply allows the use of a variety of heat sources, which includes in particular the external combustion.
  • Such hot gas engines have a high thermal efficiency.
  • a working gas for example, air, nitrogen, helium or hydrogen can be used. In order to gain mechanical work, the working gas is to be alternately heated and cooled and the volume change work to be given to the (working) piston.
  • the cylinder-piston assembly 1 has a double-acting piston 2 which is translationally movable in a cylinder 3.
  • the piston height h can be selected, if necessary, the cylinder height is adapted to it.
  • the operating principle of the cylinder-piston assembly 1 is determined by the fact that the working gas expands in a heated or hot cylinder space (expansion space) 4 and in a colder or cold cylinder chamber (compression space) 5 contracts again to volume change work on one end deliver with different temperatures operated piston 2.
  • the expansion chamber 4 and the compression chamber 5 are separated by a sealing point 10, which seals the translationally movable piston 2 in the cylinder 3. A mixing of the working gas from the expansion space 4 with the compression space 5 would lower the efficiency immediately.
  • the piston 2 may be connected via a piston rod 6 to a transmission (not shown).
  • the temperature of the working gas is selectable and is preferably in the range of 900 ° to -50 ° C.
  • the piston 2 is designed as a ceramic piston and comprises a heated or selectable heatable cylinder space (expansion space) 4 facing axial piston portion 7 of a thermally insulating ceramic material and a piston section 7 downstream, the sealing point 10 facing piston portion 8 of a thermally conductive ceramic material.
  • the piston 2 is consequently composed of at least two partial bodies or of several layers.
  • the composite piston 2 pursues the goal of dividing the piston 2 into different heat ranges.
  • the piston 2 should have a relatively low and preferably constant temperature in a preferably defined area.
  • the design of the piston 2 from at least two parts also allows a low heat conduction through the piston. 2
  • Fig. 2 illustrates the piston 2 comprises an upper, the expansion space. 4 facing piston portion 7, which is made of a thermally insulating ceramic material, whereas a lower, the compression chamber 5 facing piston portion 8 is made of a thermally conductive ceramic material.
  • This will set a high temperature gradient for the temperature T of the piston 2 in the insulating piston area of the piston portion 7, while in the lower piston area of the piston portion 8, the heat is dissipated quickly and thus the smallest possible temperature gradient occurs, as the diagram of Fig. 2 shows.
  • the transition region 9 between the two piston sections 7, 8 is the piston region where the sealing point 10 is formed.
  • the sealing point 10 can also be pulled into the piston portion 8, for which purpose the gap distance between the piston 2 and the inner wall 11 of the cylinder 3 should be as low as possible in order to avoid power losses. A narrow gap eliminates the need for additional guidance.
  • the cylinder and piston surfaces can be adapted to each other to make a clearance fit.
  • plain bearing bushings (not shown), for example made of silicon carbide, or segment guides can be used.
  • the seal for the sealing point 10 is selectable and can in a known manner, if necessary, assume leadership function for the piston 2 in the cylinder 3.
  • a gap leakage between the piston 2 and the inner wall 11 of the cylinder 3 is to be minimized in order to produce a high compression can.
  • this creates a high burden.
  • the thermal load is reduced.
  • a closely tolerated gap 12 can be formed between the inner wall 11 of the cylinder 3 and the piston 2 in order to minimize gas leakage between the work spaces expansion space 4 and compression space 5.
  • the at least two piston sections 7, 8 are in particular material or non-positively connectable by, for example, sintering, bonding or clamping.
  • the piston portion 7 of a thermally insulating ceramic material and the piston portion 8 of a thermally conductive ceramic material may be formed as ceramic sleeves which are fastened to each other to form a composite structure.
  • a hollow material for example, a solid material or a foamed material can be used.
  • An axial extension of the piston section 7 made of a thermally insulating ceramic material can be selected depending on a thermal depth step in which a predetermined temperature drop occurs (cf. Fig. 2 ).
  • the thermal depth stage can be determined by a temperature of the colder cylinder chamber 5.
  • An axial extent of the piston portion 8 of thermally conductive ceramic material can be up to the colder cylinder chamber 5 done.
  • the sealing and guiding surface 22 is the lateral surface of the piston portion 8. It can also only an axial portion of the lateral surface of the Piston section 8 may be formed as a sealing and guiding surface 22.
  • the sealing task is integrated in the cylinder-piston assembly 1. In this case, the working gas should at most only be able to flow past the piston 2 slightly and thus be compressed.
  • the advantages of this piston seal include low wear, long service life and lubrication-free operation. The leakage rate leads to a power loss during operation, so that it is to minimize.
  • the piston 2 here comprises the two piston sections 7, 8.
  • the heat transfer in the upper piston section 7 has been minimized by selecting the ceramic material and optionally the piston height h.
  • An adjustable large temperature gradient can be formed.
  • the piston portion 7 is made of zirconia, for example.
  • the lower piston portion 8 is made of silicon carbide, for example, and has it a high heat conduction.
  • the temperature gradient is characterized in the piston section 8 low and the thermal expansion in the entire piston section 8 almost constant.
  • the mating surface of the cylinder 3 is also made of silicon carbide, for example, so that the sealing and guiding surface 22 and the surface of the cylinder 3 may have the same coefficients of thermal expansion.
  • a good heat transfer can be achieved by a very narrow gap 12 (see. Fig. 1 ) and high conductivity of the materials is possible.
  • low coefficients of linear expansion of the materials facilitate the formation of a very narrow gap 12.
  • a clearance can be set between 0... 41 ⁇ m. The demand for such a narrow gap is due to the very strong increase in power loss.
  • the diameter of the upper piston portion 7 is preferably selected to be slightly smaller than that of the piston portion 8.
  • the diameter difference between the piston portion 7 and the piston portion 8 is preferably in the range of 0.1 to 0.5 mm.
  • the upper piston section 7 and the lower piston section 8 can be braced via a piston cover 13 with a piston head 14.
  • an expansion screw 15 can be screwed into the piston rod 6 in advance.
  • a closure cap 16 and a special nut 18 By means of a closure cap 16 and a special nut 18, the penetration of working gas into the piston 2 can be prevented, for which purpose additionally a flat gasket 17 can be provided. Tensioned ceramic is more resistant to pressure.
  • the upper and lower piston portion 7, 8 may each be made of several parts and made of different materials of the category thermal-insulating or thermal-conductive. Adjustable thermal depth stages for the upper piston portion 7 can be formed according to the application. The same applies to the thermally conductive lower piston portion 8, in particular if a choice of material is to be made for this in order to minimize the power loss due to a very narrow leakage gap 12.
  • thermally conductive ceramic material may preferably be provided silicon carbide or aluminum nitride.
  • thermal insulating ceramic material for example, alumina, zirconia or silicon nitride may be provided.
  • the insulating effect can be enhanced by targeted porosity. Due to the low thermal conductivity of the working gas, for example air, the gas inclusions provide an additional reduction in the thermal conductivity.
  • a field of application here are in particular small, decentralized combined heat and power plants.
  • the Stirling engine can also be used as a chiller. It is mechanically driven and transports heat from the cold to the hot area. It is a reverse cycle in this case.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Baugruppe betrieben mit einem abgeschlossenen Arbeitsgas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige Zylinder-Kolben-Baugruppen finden beispielsweise Verwendung bei Wärmekraftmaschinen wie Heißgasmotoren, insbesondere Stirlingmotoren, die auch im Einsatz in Blockheizkraftwerken angeboten werden.
  • Der Stirlingmotor wird anders als Verbrennungsmotoren mit einem abgeschlossenen Gas betrieben. Der Arbeitsprozess beinhaltet eine Phase des Erhitzens und eine Phase des Kühlens des eingesetzten Gases. Die Wärmeab- und -zufuhr findet an lokal unterschiedlichen Stellen statt. Der (Arbeits)Kolben wird dadurch einseitig mit hoher, auf der anderen Seite mit niedriger Temperatur betrieben. Dieses führt zu folgendem technischen Problem. Der Kolben muss über die axiale Erstreckung einen hohen Temperaturgradienten ertragen, der Kolben muss thermisch-isolierend ausgeführt werden und er muss aufgrund des abgeschlossenen Gasvolumens ohne zusätzliche Schmierstoffe betrieben und abgedichtet werden. Der Stirlingmotor arbeitet also nach dem Prinzip eines geschlossenen Kreisprozesses und ist ein Beispiel für die Energieumwandlung von einer schlecht nutzbaren Energieform (thermische Energie) in die besser einsetzbare Energieform mechanischer Energie. Der Stirlingmotor kann mit einer beliebigen äußeren Wärmequelle betrieben werden, wodurch sich wesentliche ökologische Vorteile ergeben.
  • Die fehlende Schmierung führt allerdings zu kurzen Standzeiten bei üblichen verschleißenden Dichtungen wie z.B. Kolbenringe oder Dichtungen aus PTFE. Diese Nachteile wurden bisher nicht zufriedenstellend gelöst, so dass derzeit kaum Stirlingmotoren in kommerziellem Einsatz zu finden sind.
  • Aus DE 1 940 526 ist ein dicht abgeschlossener Kolben-Kompressor bekannt, der ohne Schmierung arbeitet. Über ein elektromagnetisches Feld wird der Kolben betrieben, um einen radialen Kontakt zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu vermeiden. Die Verwendung elektromagnetischer Felder ist jedoch aufwendig.
  • Eine Zylinder-Kolben-Baugruppe ist aus JP 2008 231949 bekannt.
  • Die Bemühungen um die umweltfreundliche und energiesparende Erzeugung mechanischer und elektrischer Energie verstärken derzeit das Interesse an Stirlingmotoren. Wird der kalte Bereich genutzt, kann die Stirlingmaschine auch als Kältemaschine arbeiten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zylinder-Kolben-Baugruppe betrieben mit einem abgeschlossenen Arbeitsgas zu schaffen, bei der der Kolben und der Zylinder verbessert gegeneinander abgedichtet sind.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Hierdurch wird eine Zylinder-Kolben-Baugruppe geschaffen, bei der für den Kolben mindestens zwei keramische Werkstoffe mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften kombiniert werden. Die Dichtfunktion kann dann getrennt werden von der Funktion der thermischen Isolierung. Weiterhin kann eine spannungsminimierte Anbindung der keramischen Komponenten an eine metallische Grundkonstruktion erfolgen. Vorteilhaft ist die Erhöhung der Standzeiten sowie ein während der Betriebslaufzeiten anhaltender hoher Wirkungsgrad der Zylinder-Kolben-Baugruppe zum Leisten mechanischer Arbeit.
  • Erfindungsgemäß wirkt ein Anteil des Kolbens thermisch-isolierend, ein anderer ist mit einer thermisch leitenden Keramik ausgeführt. Dadurch, dass die thermisch-leitende Keramik der thermisch-isolierenden Keramik nachgeordnet ist, befindet sich die thermisch-leitende Keramik auf der kälteren Seite des Zylinders. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit, eine Dichtstelle auszubilden, die auf kaltem Niveau gehalten werden kann. Die Dichtung kann dabei unterschiedlich ausgeführt sein. Aufgrund der fehlenden Schmiermöglichkeit kann jedoch u.a. eine Spaltdichtung vorgesehen sein, d.h. ein langer Spalt zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand, der eng toleriert ist. Dies wird möglich durch eine geeignete keramische Werkstoffauswahl, die auch bei Trockenlauf geringen Anlauf zwischen stehenden und bewegten Komponenten zulässt.
  • Konstruktiv kann ein Temperaturgradient erwirkt werden, der zu einer gegenüber dem erwärmten Zylinderraum gekühlten Dichtfläche führt. Gleichzeitig kann erreicht werden, dass nur geringe Temperaturunterschiede zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand im Bereich der Dichtfläche auftreten. Dieses verhindert eine unterschiedliche Ausdehnung der Komponenten im Betrieb. Damit wird ein enger Spalt und damit eine hinreichend kleine Gasleckage erst möglich.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die thermisch-leitende Keramik gleichzeitig den Dichtspalt bildet und kann in tribologischen Kontakt mit dem stehenden Zylinder kommen. Es kann daher vorgesehen sein, dass der Zylinder aus einem ähnlichen oder identischen keramischen Werkstoff gefertigt ist. Der thermischisolierende keramische Werkstoff wird thermisch hoch beansprucht, kann aber im Durchmesser etwas kleiner ausgeführt und nicht in tribologischen Kontakt mit stehenden Komponenten gelangen.
  • Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
    • Fig. 1 zeigt schematisch eine Darstellung einer Zylinder-Kolben-Baugruppe mit einem doppelwirkenden Kolben,
    • Fig. 2 zeigt schematisch eine Darstellung eines zusammengesetzten Kolbens mit zugeordnetem Temperaturverlauf im Kolben,
    • Fig. 3 zeigt schematisch einen zusammengesetzten Kolben mit einem Verspannungssystem.
  • Wie Fig. 1 zeigt, betrifft die Erfindung eine Zylinder-Kolben-Baugruppe 1 betrieben mit einem abgeschlossenen Arbeitsgas zur Ausbildung einer Wärmekraftmaschine, vorzugsweise eines Stirlingmotors, durch äußere Wärmezufuhr. Die äußere Wärmezufuhr erlaubt den Einsatz unterschiedlichster Wärmequellen, zu denen insbesondere die äußere Verbrennung gehört. Derartige Heißgasmotoren besitzen einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Als Arbeitsgas ist beispielsweise Luft, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff einsetzbar. Um mechanische Arbeit zu gewinnen, ist das Arbeitsgas abwechselnd zu erwärmen und zu kühlen und die Volumenänderungsarbeit an den (Arbeits)Kolben abzugeben.
  • Die Zylinder-Kolben-Baugruppe 1 weist einen doppelwirkenden Kolben 2 auf, der in einem Zylinder 3 translatorisch bewegbar ist. Die Kolbenhöhe h kann gewählt werden, gegebenenfalls ist die Zylinderhöhe daran anzupassen.
  • Das Funktionsprinzip der Zylinder-Kolben-Baugruppe 1 wird dadurch bestimmt, dass sich das Arbeitsgas in einem erwärmten bzw. heißen Zylinderraum (Expansionsraum) 4 ausdehnt und in einem demgegenüber kälteren bzw. kalten Zylinderraum (Kompressionsraum) 5 wieder zusammenzieht, um Volumenänderungsarbeit an einen endseitig mit unterschiedlichen Temperaturen betriebenen Kolben 2 abzugeben.
  • Der Expansionsraum 4 und der Kompressionsraum 5 sind durch eine Dichtstelle 10 getrennt, die den translatorisch bewegbaren Kolben 2 im Zylinder 3 abdichtet. Eine Vermischung des Arbeitsgases aus dem Expansionsraum 4 mit dem des Kompressionsraums 5 würde den Wirkungsgrad unmittelbar absenken. Der Kolben 2 kann über eine Kolbenstange 6 an ein Getriebe (nicht dargestellt) angeschlossen sein. Die Temperatur des Arbeitsgases ist wählbar und liegt vorzugsweise im Bereich von 900° bis -50°C.
  • Der Kolben 2 ist als ein Keramik-Kolben ausgebildet und umfasst einen dem erwärmten bzw. wählbar erwärmbaren Zylinderraum (Expansionsraum) 4 zugewandten axialen Kolbenabschnitt 7 aus einem thermisch-isolierenden keramischen Werkstoff sowie einen diesem Kolbenabschnitt 7 nachgeordneten, der Dichtstelle 10 zugewandten Kolbenabschnitt 8 aus einem thermisch-leitenden keramischen Werkstoff.
  • Der Kolben 2 wird folglich aus mindestens zwei Teilkörpern oder aus mehreren Schichten zusammengesetzt. Der zusammengesetzte Kolben 2 verfolgt das Ziel, den Kolben 2 in unterschiedliche Wärmebereiche zu unterteilen. Im Hinblick auf die Dichtstelle 10 soll der Kolben 2 in einem vorzugsweise definierten Bereich eine relativ geringe und möglichst konstante Temperatur aufweisen. Die Gestaltung des Kolbens 2 aus mindestens zwei Teilen ermöglicht auch eine geringe Wärmeleitung durch den Kolben 2.
  • Wie Fig. 2 verdeutlicht, umfasst der Kolben 2 einen oberen, dem Expansionsraum 4 zugewandten Kolbenabschnitt 7, der aus einem thermisch-isolierenden keramischen Werkstoff hergestellt ist, wohingegen ein unterer, dem Kompressionsraum 5 zugewandter Kolbenabschnitt 8 aus einem thermisch-leitenden keramischen Werkstoff hergestellt ist. Dadurch wird sich im isolierenden Kolbenbereich des Kolbenabschnitts 7 ein hoher Temperaturgradient für die Temperatur T des Kolbens 2 einstellen, während im unteren Kolbenbereich des Kolbenabschnitts 8 die Wärme schnell abgeleitet wird und damit ein möglichst kleiner Temperaturgradient vorkommt, wie dies das Diagramm der Fig. 2 zeigt.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Übergangsbereich 9 zwischen den beiden Kolbenabschnitten 7, 8 der Kolbenbereich, wo die Dichtstelle 10 ausgebildet ist. Die Dichtstelle 10 kann natürlich auch in den Kolbenabschnitt 8 hineingerückt sein, wozu der Spaltabstand zwischen dem Kolben 2 und der Innenwand 11 des Zylinders 3 möglichst gering sein sollte, um Leistungsverluste zu vermeiden. Ein enger Spalt ermöglicht einen Verzicht auf eine zusätzliche Führung. Die Zylinder- und Kolbenoberflächen können aufeinander angepasst werden, um eine Spielpassung ausführen zu können. Alternativ können Gleitlagerbuchsen (nicht dargestellt), beispielsweise aus Siliciumcarbid, oder Segmentführungen eingesetzt werden.
  • Die Dichtung für die Dichtstelle 10 ist wählbar und kann in bekannter Weise, falls erforderlich, Führungsfunktion für den Kolben 2 im Zylinder 3 übernehmen. Eine Spaltleckage zwischen dem Kolben 2 und der Innenwand 11 des Zylinders 3 ist zu minimieren, um eine hohe Kompression erzeugen zu können. Allerdings entsteht dadurch eine hohe Belastung. Erfindungsgemäß wird die thermische Belastung reduziert. Erfindungsgemäß ist ein eng tolerierter Spalt 12 zwischen der Innenwand 11 des Zylinders 3 und dem Kolben 2 ausbildbar, um eine Gasleckage zwischen den Arbeitsräumen Expansionsraum 4 und Kompressionsraum 5 zu minimieren.
  • Die mindestens zwei Kolbenabschnitte 7, 8 sind insbesondere stoff- oder kraftschlüssig verbindbar durch beispielsweise sintern, verkleben oder verspannen.
  • Der Kolbenabschnitt 7 aus einem thermisch-isolierenden keramischen Werkstoff und der Kolbenabschnitt 8 aus einem thermisch-leitenden keramischen Werkstoff können als Keramikhülsen ausgebildet sein, die zur Ausbildung einer Verbundkonstruktion aneinander befestigbar sind. Anstelle eines Hohlmaterials kann beispielsweise auch ein Vollmaterial oder ein geschäumtes Material Verwendung finden.
  • Eine axiale Erstreckung des Kolbenabschnitts 7 aus einem thermisch-isolierenden keramischen Werkstoff kann abhängig von einer thermischen Tiefenstufe wählbar sein, in der ein vorbestimmter Temperaturabfall eintritt (vgl. Diagramm, Fig. 2). Die thermische Tiefenstufe kann durch eine Temperatur des kälteren Zylinderraums 5 bestimmt sein. Eine axiale Erstreckung des Kolbenabschnitts 8 aus thermisch-leitendem keramischem Werkstoff kann bis hin zum kälteren Zylinderraum 5 erfolgen.
  • Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Kolbenabschnitt 8 aus einem thermisch-leitenden keramischen Werkstoff die Dichtstelle 10 bilden unter Ausbildung einer Dichtungs- und Führungsfläche 22. Die Dichtungs- und Führungsfläche 22 ist dabei die Mantelfläche des Kolbenabschnitts 8. Es kann auch nur ein axiales Teilstück der Mantelfläche des Kolbenabschnitts 8 als Dichtungs- und Führungsfläche 22 ausgebildet sein. Bei dieser Lösung wird die Dichtungsaufgabe in der Zylinder-Kolben-Baugruppe 1 integriert. Hierbei soll das Arbeitsgas allenfalls nur geringfügig am Kolben 2 vorbeiströmen können und damit komprimiert werden. Die Vorteile dieser Kolbendichtung liegen unter anderem in der Verschleißarmut, der hohen Lebensdauer und dem schmierungsfreien Betrieb. Die Leckagerate führt zu einer Verlustleistung während des Betriebs, so dass diese zu minimieren ist.
  • Der Kolben 2 umfasst hier die zwei Kolbenabschnitte 7, 8. Die Wärmeübertragung im oberen Kolbenabschnitt 7 ist minimiert worden durch Wahl des keramischen Werkstoffs und gegebenenfalls der Kolbenhöhe h. Ein einstellbarer großer Temperaturgradient kann so ausgebildet werden. Um dies zu erreichen, ist der Kolbenabschnitt 7 beispielsweise aus Zirkoniumoxid hergestellt. Der untere Kolbenabschnitt 8 ist beispielsweise aus Siliciumcarbid hergestellt und weist damit eine hohe Wärmeleitung auf. Der Temperaturgradient ist dadurch im Kolbenabschnitt 8 gering und die Wärmeausdehnung im gesamten Kolbenabschnitt 8 nahezu konstant. Die Gegenlauffläche des Zylinders 3 ist beispielsweise ebenfalls aus Siliciumcarbid hergestellt, so dass die Dichtungs- und Führungsfläche 22 und die Fläche des Zylinders 3 die gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben können. Zwischen dem unteren Kolbenabschnitt 8 und der Gegenlauffläche des Zylinders 3 kann eine gute Wärmeübertragung erreicht werden, die durch einen sehr engen Spalt 12 (vgl. Fig. 1) und durch hohe Leitfähigkeit der Werkstoffe möglich ist. Zusätzlich erleichtern niedrige Längenausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe das Ausbilden eines sehr engen Spaltes 12. Damit kann sich beispielsweise ein Spiel zwischen 0 ... 41µm einstellen. Die Forderung nach solch einem engen Spalt ist durch die sehr stark steigende Verlustleistung begründet.
  • Der Durchmesser des oberen Kolbenabschnitts 7 ist vorzugsweise geringfügig kleiner gewählt als der des Kolbenabschnitts 8. Die Durchmesserdifferenz zwischen dem Kolbenabschnitt 7 und dem Kolbenabschnitt 8 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm.
  • Der obere Kolbenabschnitt 7 und der untere Kolbenabschnitt 8 können über einen Kolbendeckel 13 mit einem Kolbenboden 14 verspannt sein. Hierzu kann vorab eine Dehnschraube 15 in die Kolbenstange 6 eingeschraubt sein. Mittels einer Verschlusskappe 16 und einer Spezialmutter 18 kann das Eindringen von Arbeitsgas in den Kolben 2 verhindert werden, wozu zusätzlich eine Flachdichtung 17 vorgesehen sein kann. Verspannte Keramik ist druckfester.
  • Das zuvor Gesagte gilt auch hier, dass der obere und der untere Kolbenabschnitt 7, 8 jeweils mehrteilig und aus unterschiedlichen Werkstoffen der Kategorie thermisch-isolierend bzw. thermisch-leitend ausgebildet sein können. Einstellbare thermische Tiefenstufen für den oberen Kolbenabschnitt 7 sind anwendungsbezogen ausbildbar. Entsprechendes gilt für den wärmeleitenden unteren Kolbenabschnitt 8, insbesondere dann, wenn für diesen eine Werkstoffauswahl zu treffen ist zur Minimierung der Verlustleistung durch einen möglichst sehr engen Leckagespalt 12.
  • Als thermisch-leitender keramischer Werkstoff kann vorzugsweise Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid vorgesehen sein.
  • Als thermisch-isolierender keramischer Werkstoff kann beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Siliciumnitrid vorgesehen sein. Zusätzlich kann die Isolierwirkung durch gezielte Porosität verstärkt werden. Die Gaseinschlüsse sorgen durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsgases, beispielsweise Luft, für eine zusätzliche Minderung der Wärmeleitfähigkeit. Ein Anwendungsbereich sind hier insbesondere kleine, dezentrale Blockheizkraftwerke.
  • Der Stirlingmotor kann auch als Kältemaschine eingesetzt werden. Dabei wird er mechanisch angetrieben und transportiert Wärme vom kalten in den heißen Bereich. Es handelt sich in diesem Fall um einen umgekehrten Kreisprozess.

Claims (11)

  1. Zylinder-Kolben-Baugruppe betrieben mit einem abgeschlossenen Arbeitsgas, das sich in einem erwärmten Zylinderraum ausdehnt und in einem demgegenüber kälteren Zylinderraum wieder zusammenzieht, um Volumenänderungsarbeit an einen endseitig mit unterschiedlichen Temperaturen betriebenen Kolben abzugeben, und einer Dichtstelle, die den translatorisch bewegbaren Kolben im Zylinder abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) als ein Keramik-Kolben ausgebildet ist, der einen dem erwärmten Zylinderraum (4) zugewandten axialen Kolbenabschnitt (7) aus einem thermisch-isolierenden keramischen Werkstoff und einen diesem Kolbenabschnitt (7) nachgeordneten, der Dichtstelle (10) zugewandten Kolbenabschnitt (8) aus einem thermisch-leitenden keramischen Werkstoff umfasst.
  2. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche des Kolbenabschnitts (8) aus einem thermisch-leitenden keramischen Werkstoff mindestens teilweise eine Dichtungs- und Führungsfläche (22) als Dichtstelle (10) bildet.
  3. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (7) aus einem thermisch-isolierenden keramischen Werkstoff und der Kolbenabschnitt (8) aus einem thermisch-leitenden keramischen Werkstoff als Keramikhülsen ausgebildet sind, die zur Ausbildung einer Verbundkonstruktion (13, 14, 15, 16, 17, 18) aneinander befestigbar sind.
  4. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Erstreckung des Kolbenabschnitts (7) aus einem thermisch-isolierenden keramischen Werkstoff abhängig von einer thermischen Tiefenstufe wählbar ist, in der ein vorbestimmter Temperaturabfall eintritt.
  5. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Tiefenstufe durch eine Temperatur des kälteren Zylinderraums (5) bestimmt ist.
  6. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Erstreckung des Kolbenabschnitts (8) aus thermisch-leitendem keramischem Werkstoff bis hin zum kälteren Zylinderraum (8) erfolgt.
  7. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisch-leitender keramischer Werkstoff Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid vorgesehen ist.
  8. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisch-isolierender keramischer Werkstoff Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Siliciumnitrid vorgesehen ist.
  9. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) durch eine Kolbenstange (6) mechanische Arbeit auf einen Antrieb überträgt.
  10. Zylinder-Kolben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Einsatz als Wärmepumpe oder Kältemaschine.
  11. Heißgasmotor mit mindestens einer Zylinder-Kolben-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (8) zur Ausbildung einer Dichtungs- und Führungsfläche (22) an mindestens einem Teilbereich seiner Mantelfläche einen Durchmesser besitzt, der größer ist als der Durchmesser des Kolbenabschnitts (7), und die Durchmesserdifferenz in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm liegt.
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