WO2009086823A2 - Stirlingmotor sowie verfahren zur anwendung eines stirlingmotors - Google Patents

Stirlingmotor sowie verfahren zur anwendung eines stirlingmotors Download PDF

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WO2009086823A2
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regenerator
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Peter Suer
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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
    • 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
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
    • 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
    • F02G2270/30—Displacer assemblies

Definitions

  • the invention relates to a Stirling engine and a method for using a Stirling engine.
  • a Stirling engine is a heat engine for the use of solar energy, low-temperature heat or heat of combustion for power generation, as a drive for water pumps or as a chiller dar. Although the Stirling process is standard thermodynamics, he could not prevail since its 192 years of existence to the extent he deserves it.
  • the known displacement piston in Stirling machines usually perform in a cylinder from a translational movement, wherein the working medium air, helium, hydrogen and so forth is pushed axially in the direction of the piston movement. If the walls of the cylinder jacket surfaces are to be used as cooling or heating surfaces, the molecules of the working medium are swirled uncontrollably when pushed out, which has a positive effect on the convective heat transfer, but does not mean that the molecules are forced close to the heating and cooling surfaces to strip along to absorb or release heat. Molecules that are not permanently guided close to the cooling or heating surfaces, therefore, have the effect of dead space.
  • the mechanically dissipated useful work of the Stirling engine is proportional to the speed. Unfortunately, however, increasing the speed does not help unless the cooling and heating surfaces are increased at the same time. At this physical barrier, most historical Stirling applications have failed. If the heating and cooling surfaces are run at twice the speed of heat transfer, they are half the time available, that is, the effects cancel each other out. Due to the increased wind speed, the heat transfer is indeed improved, but unfortunately not proportional.
  • the axial movement of the translatory displacement piston are kinematic reasons of the drive, which is usually a crank drive limits, that is, the extensibility of the cylinder is limited, so that consequently the heating and cooling surfaces can not be increased arbitrarily.
  • An increase in piston and cylinder diameter, with the aim of increasing the heating and cooling surfaces are limited for reasons of increased forces on the engine.
  • a Stirling engine shows, in which an elongated cylinder consists of two half-shells, one of which is a heater and the other is a cooler.
  • a crankshaft in the cylinder drives a reciprocating piston as a working piston and at the same time receives the displacer, which rotates with the crankshaft.
  • This solution lacks a regenerator for storage and targeted uptake and release of heat energy.
  • a rotary piston with a special, comb-like structure is also known from DE 41 03 623 Al.
  • the invention has for its object to provide a Stirling engine, in which the working medium is guided close to the cooling or heating surfaces along with the largest possible cooling and heating surfaces and short ways to the regenerator should be present and an increase in the volume Regenerator and shielding the Cooling surface during the heating phase or a shielding of the heating surface during the cooling phase is made possible.
  • a method for applying such a Stirling engine is to be specified.
  • a gyro-type stirling engine having at least a radiator, a heater, a regenerator, a displacer, reciprocating a working fluid between the radiator and the heater through the regenerator, and a power piston for outputting the kinetic energy recovered has been further developed according to the invention, that the displacement piston is designed as a reversing rotary piston.
  • the invention belongs to the family of gamma-type Stirling machines. That is, there is a displacer piston and a working piston, both pistons being housed in separate cylinders.
  • the new solution results overall in a much improved, controlled heat transfer, the molecules of the working medium are passed close to the heating and cooling surfaces.
  • the heating and cooling surfaces are alternately shielded (covered) by the reversing rotating displacement piston and charged with the working medium. This results in a reduction of the harmful fault heat flux compared to many other Stirling engines.
  • Regenerator, heater and cooler can be extended axially as a continuous casting profile.
  • a limitation of the length results only from the torsion of the displacer and the different thermal expansion of hot and cold half shell. These problems can be handled constructively in a simple way. Due to the almost infinitely increase in surface area for heater, regenerator and cooler, the thermodynamically optimal heat flow can be adjusted. Overall, an improved overall efficiency can be achieved by the invention, so that finally the long-awaited breakthrough succeeds with the Stirling process, in particular for improving the environmental conditions.
  • the displacement piston is a reversing oscillating rotary piston.
  • the oscillating movement of the displacer corresponds approximately to a sinusoidal function with a dome flattening, similar to a trapezoidal curve.
  • the Stirling engine according to the invention has a gearbox for the synchronization of the displacer and working piston movements or for intermediate energy storage.
  • a gearbox for the synchronization of the displacer and working piston movements or for intermediate energy storage.
  • a structurally very simple embodiment of a Stirling engine according to the invention is seen in that the radiator and the heater are each formed as half-shells, between which the displacer is rotatably mounted.
  • the half-shells consisting of cooler and heater have a tubular cylinder space in which the displacer piston is rotatably mounted.
  • the regenerator is arranged parallel to the common radiator-heater displacement piston axis, then it is an external regenerator, that is, the regenerator is located outside the displacement piston.
  • the parallel arrangement of the regenerator is a special variant.
  • a particularly advantageous and very compact solution for a Stirling engine according to the invention is that the displacer is hollow and the cavity is filled with heat storage material, so that the
  • Displacer forms an internal regenerator.
  • the heat storage material can be used in any type of regenerator, ie also in external regenerators, wherein laminated cores or Blechrippenausf ⁇ ihritch have proven particularly useful. It makes sense for the Stirling engine presented here to store kinetic energy via at least one energy store, which can be a flywheel or an energy buffer, for example, and which, if necessary, emits the stored energy again.
  • the Stirling engine can be assembled as a panel module in a plane. Because of the panel geometry, the Stirling engine is suitable, for example, for a modular construction. This makes it suitable for use in large-scale power plants, where the panel modules are put together to form a football field. It is also possible, the panel modules ring-shaped and / or polygonal, so for example, to a hexagon, octagon or a regular polygon together. Uses for large power plants are those with power generators, combined heat and power, solar cooling and in particular those with the use of low-temperature heat or solar pump power plants.
  • Stirling engine is annular and / or as a polygon and / or a multi-cylinder engine is assembled. This possibility is a contribution to increase performance or to increase operational safety.
  • An inventive Stirling engine can be used very advantageously also in the field of solar energy use. So it can be used in a solar parabolic trough or combined with Fresnel solar energy collectors.
  • the panels can be heated directly from the sun without the detour via a heat transfer fluid to enable higher process temperatures.
  • a heat transfer fluid to enable higher process temperatures.
  • the working piston is designed to reduce friction and leakage as a diaphragm or bellows cylinder.
  • the membranes and bellows can be made of elastic plastic or metal.
  • the working medium within the Stirling engine according to the invention may be air, hydrogen or helium.
  • the displacer is liquid and designed, for example, in the form of an electrical disc rotating capacitor.
  • this solution also means that the half-shells are designed to match.
  • a erfmdungsconcees method for using a Stirling engine is that the displacer in a recess, the working medium by reversing, oscillating rotational movements close to the cooling and heating surfaces of the radiator and heater half shells along to effect an effective heat transfer.
  • a further embodiment of this method also provides that the displacement piston alternately shields the heating and cooling surfaces in each case with its side remote from the working medium during its rotational movements in order to prevent an undesired heat flow to the working medium.
  • the heating and cooling surfaces are shielded and thus covered.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a stirling engine according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a perspective view of a Stirling engine according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a Stirlin engine according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 4 shows the view into a Stirling engine according to the invention
  • Figure 5 another, special embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a first variant of a Stirling engine according to the invention.
  • This consists of a cooler 1 and a heater 2, which are both formed as half shells.
  • a displacer 4 is rotatably mounted in the present between the radiator 1 and heater 2, tubular cylinder chamber 11, a displacer 4 is rotatably mounted.
  • the displacer piston 4 has in the exemplary embodiment, two different diameters d] and ⁇ j, each of the diameters makes up about half of the total circumference of the displacer 4.
  • the displacer 4 In the transition region between the larger diameter dj to the smaller diameter d 2 , the displacer 4 each have a stop 12 and 13, respectively.
  • the stops 12, 13 act in the reversing Rotation of the displacer 4 with corresponding sealing surfaces 14 and 15 together.
  • the reversing rotational movement of the displacement piston 4 is illustrated by a double arrow "A" in FIG. 1.
  • the Stirling engine has outlet bores 9 and 10, through which the working medium is transported in dependence on the direction of movement of the displacer piston 4.
  • the displaced working medium is respectively through a regenerator 3, which receives and stores the heat energy until the process reverses and the regenerator 3 delivers it back to the working medium
  • the regenerator 3 is fluidically connected to a movable in the direction of the arrow "B" working piston 5, the implementation the thermal energy is used in kinetic energy.
  • the example in FIG. 1 is an external regenerator 3, which is arranged parallel to the common radiator-heater displacement piston axis 8.
  • In the regenerator 3 is a heat storage material 7. A detailed explanation of the process is carried out below in connection with the illustration in Figure 3.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a Stirling engine according to the invention.
  • the displacement piston 4 is formed as an elongate body which is rotatably mounted in the tubular cylinder chamber 11.
  • a gear 6 is also provided, which is connected by a belt 15 to a shaft 16 of the displacer 4 and the kinetic energy to a working piston 5 outputs.
  • a housing 18 is used for storage of the displacer 4.
  • FIG. 3 is the most illustrative of the process of the Stirling engine according to the invention.
  • the displacer 4 is rotatably mounted in a tubular cylinder chamber 11.
  • the tubular cylinder space 11 is in the two half-shells 1, 2 formed, of which one half-shell serves as a radiator 1 and the other half-shell as a heater 2.
  • the displacer 4 is shown in its start position, wherein the large diameter d] is located in the upper part of the picture and the smaller diameter d 2 can be seen below.
  • the working medium which is a gas, is located in the free sector 17, which is formed by displacement piston 4 and heater half-shell 2.
  • the working piston 5 now expands and performs isothermal kinetic energy to the outer gear 6 from.
  • the displacer 4 rotates counterclockwise by 165 ° and pushes the working medium in the direction of the sealing surface 14, where it is transferred through a plurality of outlet holes 10 in the regenerator 3 and gives off heat to the regenerator 3.
  • the operating pressure is lowered.
  • the working fluid flows through a plurality of upper outlet holes 9 in the freed upper segment, which now forms between displacer 4 and radiator half shell 1. This process is not shown in FIG.
  • the stop 12 of the displacement piston 4 finally abuts against the corresponding sealing surface 14 and thereby closes the outlet bores 10.
  • the working medium then dissipates heat energy via the radiator half shell 1 and is isothermally compressed by the working piston 5. During this quarter-clock, the outer gear 6 ensures that the displacer 4 stands still for as long as possible.
  • the displacer 4 rotates clockwise back to the start position.
  • the working medium gas flows through the upper outlet holes 9 in the regenerator 3 and takes the previously stored Heat up again to be condensed further. From the regenerator 3, it flows through the lower outlet bores 10 back to the heater half-shell 2.
  • the further heat absorption serves the isothermal work output by the working piston 5, whereby the cycle process begins again. Also during this quarter-clock, the outer gear 6 ensures that the displacer 4 is stationary for as long as possible.
  • Figure 4 allows a view into a Stirling engine according to the invention and shows the displacer 4 and its storage in the housing 18.
  • the flow-conducting connection between the regenerator 3 and the displacer 4 consists of the outlet holes 9.
  • About the shaft 16 and the gear 6 is a Coupling to the working piston 5.
  • FIG. 1 Another special embodiment of a Stirling engine according to the invention is shown in FIG.
  • the displacement piston 4 acts as a regenerator and thus forms an internal regenerator 3, which in the present case is filled with heat storage material 7.
  • the regenerator 3 is here arranged parallel and coaxial to the common radiator-Erhitzer- Verdrängerkolbenachse 8.
  • the outlet holes 9 and 10 are each introduced directly into the stops 12 and 13 of the displacer 4 in this solution. This is a very compact version of a Stirling engine.
  • FIG. 6 shows the enlarged detail VI from FIG. Visible here is the outlet hole 9, which is introduced into the stop 13 forming surface of the displacer 4 and thus forms a connection between the filled with heat storage material 7 regenerator 3 within the displacer 4 and the free sector 17, in this illustration only consists of the distance between stop 13 and corresponding sealing surface 15.
  • An inventive oscillating reversing displacement piston 4 as a rotary piston and also the half-shells 1, 2 can be solid, liquid and executed in any morphological shape, that is, for example, in the form of an electrical disc rotating capacitor. It is only important that the displacer 4 alternately shields the heating and cooling surfaces (hidden), and that it reciprocates the working medium by its oscillating reversing rotation through the regenerator 3 between the radiator and heater half shell.

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Abstract

Es wird ein Stirlingmotor vom Gammatyp mit einem Kühler (1), einem Erhitzer (2), einem Regenerator (3), einem Verdrängerkolben (4), zur Hin- und Herbewegung eines Arbeitsmediums zwischen Kühler (1) und Erhitzer (2) durch den Regenerator (3) und mit einem Arbeitskolben (5) für die Abgabe der gewonnenen kinetischen Energie vorgestellt. Erfindungsgemäß ist der Verdrängerkolben (4) als ein reversierender Rotationskolben ausgeführt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Anwendung eines derartigen Stirlingmotors aufgezeigt, bei dem der Verdrängerkolben (4) in einer Aussparung das Arbeitsmedium durch reversierend, oszillierende Drehbewegungen dicht an den Kühl- und Heizflächen der Kühler- und Erhitzerhalbschalen entlang führt, um einen effektiven Wärmeübergang zu bewirken.

Description

Stirlingmotor sowie Verfahren zur Anwendung eines Stirlingmotors
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor sowie ein Verfahren zur Anwendung eines Stirlingmotors.
Ein Stirlingmotor stellt eine Wärmekraftmaschine für die Nutzung von Sonnenenergie, Niedertemperaturwärme oder Verbrennungswärme zur Stromerzeugung, als Antrieb für Wasserpumpen oder als Kältemaschine dar. Obwohl der Stirlingprozeß zum Standardlehrstoff der Thermodynamik gehört, konnte er sich seit seinem 192 jährigen Bestehen nicht in dem Maße durchsetzen, wie er es verdient hätte.
Die bekannten Verdrängerkolben in Stirlingmaschinen führen meist in einem Zylinder eine translatorische Bewegung aus, wobei das Arbeitsmedium Luft, Helium, Wasserstoff und so weiter axial in Richtung der Kolbenbewegung ausgeschoben wird. Sofern die Wandungen der Zylindermantelflächen als Kühloder Heizflächen genutzt werden sollen, werden die Moleküle des Arbeitsmediums beim Ausschieben unkontrolliert verwirbelt, was sich zwar positiv auf den konvektiven Wärmeübergang auswirkt, jedoch nicht dazu führt, dass die Moleküle gezwungen werden, dicht an den Heiz- und Kühlflächen entlang zu streifen um Wärme aufzunehmen beziehungsweise abzugeben. Moleküle, die also nicht permanent dicht an den Kühl- beziehungsweise Heizflächen entlang geführt werden, wirken sich daher als Totraum aus. Stirlingmotore mit translatorisch bewegten Verdrängerkolben, die die Mantelflächen des Verdrängerzylinders erst gar nicht als Kühler oder Erhitzer nutzen, sondern externe Erhitzer und Kühler verwenden, sind noch weitaus stärker benachteiligt, weil die Heiz- und Kühlflächen beständig Wärme zu- beziehungsweise abführen. Daraus ergibt sich ein fortwährender Fehlerwärmestrom.
Die mechanisch abgeführte Nutzarbeit der Stirlingmaschine ist zwar proportional zur Drehzahl. Leider hilft aber eine Erhöhung der Drehzahl nicht, wenn nicht gleichzeitig die Kühl- und Heizflächen vergrößert werden. An dieser physikalischen Barriere sind die meisten historischen Stirlinganwendungen gescheitert. Wenn die Heiz- und Kühlflächen mit doppelter Drehzahl durchlaufen werden steht ihnen nur die halbe Zeit zur Wärmeübertragung zur Verfügung, das heißt, die Effekte heben sich gegenseitig auf. Durch die dabei erhöhte Windgeschwindigkeit wird der Wärmeübergang zwar verbessert, aber leider nicht proportional. Der axialen Bewegung des translatorischen Verdrängerkolbens sind aus kinematischen Gründen des Antriebs, wozu meist ein Kurbeltrieb dient, Grenzen gesetzt, das heißt, die Verlängerbarkeit des Zylinders ist begrenzt, so dass folglich die Heiz- und Kühlflächen nicht beliebig vergrößert werden können. Einer Vergrößerung von Kolben- und Zylinderdurchmesser, mit dem Ziel, die Heiz- und Kühlflächen zu vergrößern, sind aus Gründen der erhöhten Kräfte auf das Triebwerk Grenzen gesetzt.
Aus der DE 43 07 211 Al geht ein Stirlingmotor hervor, bei dem ein länglicher Zylinder aus zwei Halbschalen besteht, von denen eine einen Erhitzer und die andere einen Kühler darstellt. Eine Kurbelwelle in dem Zylinder treibt einen Hubkolben als Arbeitskolben an und nimmt gleichzeitig den Verdrängerkolben auf, der mit der Kurbelwelle rotiert. Bei dieser Lösung fehlt ein Regenerator zur Speicherung und gezielten Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie. Ein Rotationskolben mit einer speziellen, kammartigen Struktur ist darüber hinaus aus der DE 41 03 623 Al bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stirlingmotor bereitzustellen, bei dem das Arbeitsmedium dicht an den Kühl- oder Heizflächen entlang geführt wird, wobei möglichst großflächige Kühl- und Heizflächen und kurze Wege zum Regenerator vorhanden sein sollten und eine Vergrößerung des Regeneratorvolumens sowie ein Abschirmen der Kühlfläche während der Heizphase beziehungsweise ein Abschirmen der Heizfläche während der Kühlphase ermöglicht ist. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Anwendung eines derartigen Stirlingmotors angegeben werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der sich anschließenden
Unteransprüche.
Ein Stirlingmotor vom Gammatyp, der zumindest einen Kühler, einen Erhitzer, einen Regenerator, einen Verdrängerkolben, zur Hin- und Herbewegung eines Arbeitsmediums zwischen Kühler und Erhitzer durch den Regenerator und einen Arbeitskolben für die Abgabe der gewonnenen kinetischen Energie aufweist, wurde erfϊndungsgemäß dahingehend weitergebildet, dass der Verdrängerkolben als ein reversierender Rotationskolben ausgeführt ist.
Systematisch gehört die Erfindung in die Familie der Gammatyp- Stirlingmaschinen. Das heißt, es gibt einen Verdrängerkolben und einen Arbeitskolben, wobei beide Kolben in getrennten Zylindern untergebracht sind. Durch die neue Lösung ergibt sich insgesamt ein wesentlich verbesserter, kontrollierter Wärmeübergang, wobei die Molekühle des Arbeitsmediums dicht an den Heiz- und Kühlflächen vorbeigeführt werden. Die Heiz- und Kühlflächen werden alternierend durch den reversierenden rotierenden Verdrängerkolben abgeschirmt (abgedeckt) und mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt. Daraus folgt im Vergleich zu vielen anderen Stirlingmaschinen eine Verminderung des schädlichen Fehlerwärmestromes.
Regenerator, Erhitzer und Kühler lassen sich wie ein Stranggussprofil axial beliebig verlängern. Eine Begrenzung der Länge ergibt sich lediglich aus der Torsion des Verdrängerkolbens und der unterschiedlichen Wärmedehnung von heißer- und kalter Halbschale. Diese Probleme lassen sich aber in einfacher Weise konstruktiv umgehen. Durch die der Länge nach nahezu frei steigerbare Flächenvergrößerung für Erhitzer, Regenerator und Kühler kann der thermodynamisch optimale Wärmefluss abgestimmt werden. Insgesamt kann durch die Erfindung ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad erreicht werden, so dass mit dem Stirlingprozess endlich der lange erwartete Durchbruch gelingt, insbesondere zur Verbesserung der Umweltbedingungen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Verdrängerkolben ein reversierend oszillierender Rotationskolben ist. Die oszillierende Bewegung des Verdrängerkolbens entspricht dabei annähernd einer Sinusfunktion mit Kuppenabflachung, ähnlich einer Trapezkurve.
Von besonderem Vorteil ist es darüber hinaus auch, wenn der Stirlingmotor nach der Erfindung ein Getriebe für die Synchronisierung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen beziehungsweise zur Energiezwischenspeicherung aufweist. Mittels eines derartigen Getriebes lässt sich folglich ein exakt abgestimmter, optimierter Bewegungsverlauf realisieren. Als Getriebe kann beispielsweise ein Schrittgetriebe, ein Hebelgetriebe, ein Hydraulikgetriebe oder ein Kurbeltrieb dienen, wobei jeweils eine diskontinuierliche Steuerung erreicht wird.
Eine baulich sehr einfache Ausführung eines erfindungsgemäßen Stirlingmotors wird darin gesehen, dass der Kühler und der Erhitzer jeweils als Halbschalen ausgebildet sind, zwischen denen der Verdrängerkolben drehbar gelagert ist.
Entsprechend einem weitergehenden Vorschlag weisen die aus Kühler und Erhitzer bestehenden Halbschalen einen röhrenförmigen Zylinderraum auf, in dem der Verdrängerkolben drehbar gelagert ist.
Wird der Regenerator parallel zur gemeinsamen Kühler-Erhitzer- Verdrängerkolbenachse angeordnet, so handelt es sich um einen externen Regenerator, das heißt, der Regenerator befindet sich außerhalb des Verdrängerkolbens. Dabei stellt die parallele Anordnung des Regenerators eine spezielle Ausfuhrungsvariante dar.
Eine besonders vorteilhafte und sehr kompakte Lösung für einen Stirlingmotor nach der Erfindung besteht darüber hinaus darin, dass der Verdrängerkolben hohl ausgebildet und der Hohlraum mit Wärmespeichermaterial gefüllt ist, sodass der
Verdrängerkolben einen internen Regenerator bildet.
Damit lässt sich insgesamt die Abdichtung erheblich vereinfachen und es können problemlos mehrere Motoren nebeneinander angeordnet werden, was insbesondere bauliche Vorteile bietet.
Das Wärmespeichermaterial kann natürlich in jeder Art Regenerator, also auch in externen Regeneratoren verwendet werden, wobei sich Blechpakete beziehungsweise Blechrippenausfϊihrungen besonders bewährt haben. Sinnvoller Weise verfugt der hier vorgestellte Stirlingmotor zur Speicherung kinetischer Energie über mindestens einen Energiespeicher, der beispielsweise eine Schwungmasse oder ein Energiepuffer sein kann und der die gespeicherte Energie im Bedarfsfall wieder abgibt.
Ein ganz wesentlicher Vorzug der Erfindung besteht darin, dass der Stirlingmotor als Panelmodul in einer Ebene zusammensetzbar ist. Auf Grund der Panelengeometrie eignet sich der Stirlingmotor nämlich beispielsweise für eine Modulbauweise. Damit ist er in Großkraftwerken einsetzbar, wo die Panelmodule wie ein Fußballfeld zu einer Fläche zusammengesetzt werden. Möglich ist es auch, die Panelmodule ringförmig und/oder polygonal, also zum Beispiel zu einem Hexagon, Oktagon oder einem regelmäßigen Vieleck zusammenzusetzen. Nutzungen für Großkraftwerke sind diejenigen mit Stromgeneratoren, Kraft- Wärmekopplung, Solarkühlung und insbesondere die mit einer Nutzung von Niedertemperaturwärme beziehungsweise Solarpumpkraftwerke.
Ein weiterer Vorschlag geht dahin, dass der Stirlingmotor ringförmig und/oder als Polygon und/oder zu einem Mehrzylindermotor zusammensetzbar ist. Diese Möglichkeit ist ein Beitrag zur Leistungssteigerung beziehungsweise zur Erhöhung der Betriebssicherheit.
Ein erfindungsgemäßer Stirlingmotor lässt sich sehr vorteilhaft auch im Bereich der Solarenergienutzung einsetzen. So kann er in einer Solarparabolrinne verwendet oder mit Fresnelkollektoren zur Solarstromgewinnung kombiniert werden.
In einer Solarparabolrinne können die Panele ohne den Umweg über ein Wärmeträgerfluid direkt von der Sonne erhitzt werden um höhere Prozesstemperaturen zu ermöglichen. Außerdem ist im Gegensatz zur bekannten Parabolrinnentechnik ein autarker Betrieb ohne Wartungspersonal möglich. Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung geht ferner dahin, dass der Arbeitskolben zur Verminderung von Reibung und Undichtigkeit als Membranoder Balgzylinder ausgeführt ist. Dabei können die Membranen und Bälge aus elastischem Kunststoff oder Metall bestehen.
Das Arbeitsmedium innerhalb des erfindungsgemäßen Stirlingmotors kann Luft, Wasserstoff oder Helium sein.
Darüber hinaus besteht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung darin, dass der Verdrängerkolben flüssig und beispielsweise in Form eines elektrischen Scheibendrehkondensators ausgeführt ist. Zu dieser Lösung gehört natürlich auch, dass die Halbschalen hierzu angepasst gestaltet werden.
Ein erfmdungsgemäßes Verfahren zur Anwendung eines Stirlingmotors besteht darin, dass der Verdrängerkolben in einer Aussparung das Arbeitsmedium durch reversierend, oszillierende Drehbewegungen dicht an den Kühl- und Heizflächen der Kühler- und Erhitzerhalbschalen entlang führt, um einen effektiven Wärmeübergang zu bewirken.
Eine weitere Ausgestaltung dieses Verfahrens sieht ferner vor, dass der Verdrängerkolben bei seinen Drehbewegungen alternierend jeweils mit seiner dem Arbeitsmedium abgewandten Seite die Heiz- und Kühlflächen abschirmt, um einen ungewollten Wärmestrom zum Arbeitsmedium zu verhindern. Dabei werden die Heiz- und Kühlflächen abgeschirmt und damit verdeckt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefugten Zeichnungen näher erläutert. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen keine Einschränkung auf die dargestellten Varianten dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung des Prinzips der Erfindung. Dabei sind gleiche oder gleichartige Bauteile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise veranschaulichen zu können, sind in den Figuren nur stark vereinfachte Prinzipdarstellungen gezeigt, bei denen auf die für die Erfindung nicht wesentlichen Bauteile verzichtet wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile bei einer erfindungsgemäßen Lösung nicht vorhanden sind. Es zeigt: Figur 1 : eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Stirlinmotors in einer ersten Ausführung, Figur 2: eine perspektivische Darstellung eines Stirlingmotors nach der
Erfindung, Figur 3 : eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Stirlinmotors in einer zweiten Ausfuhrung,
Figur 4: den Blick in einen erfindungsgemäßen Stirlingmotor,
Figur 5: eine weitere, spezielle Ausführung eines erfindungsgemäßen
Stirlingmotors und Figur 6: den vergrößerten Ausschnitt VI aus Figur 5.
In der Figur 1 ist eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Stirlingmotors dargestellt. Dieser besteht aus einem Kühler 1 und einem Erhitzer 2, die beide als Halbschalen ausgebildet sind. In dem zwischen Kühler 1 und Erhitzer 2 vorhandenen, röhrenförmigen Zylinderraum 11 ist ein Verdrängerkolben 4 drehbar gelagert. Der Verdrängerkolben 4 weist bei dem Ausfuhrungsbeispiel zwei unterschiedliche Durchmesser d] und άj auf, wobei jeder der Durchmesser etwa die Hälfte des Gesamtumfanges des Verdrängerkolbens 4 ausmacht. Im Übergangsbereich zwischen dem größeren Durchmesser dj zu dem kleineren Durchmesser d2 weist der Verdrängerkolben 4 je einen Anschlag 12 beziehungsweise 13 auf. Die Anschläge 12, 13 wirken bei der reversierenden Rotation des Verdrängerkolbens 4 mit korrespondierenden Dichtflächen 14 und 15 zusammen. Die reversierende Rotationsbewegung des Verdrängerkolbens 4 ist in der Figur 1 durch einen Doppelpfeil „A" verdeutlicht. Ferner weist der Stirlingmotor Auslassbohrungen 9 und 10 auf, durch die das Arbeitsmedium in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens 4 transportiert wird. Das verdrängte Arbeitsmedium wird jeweils durch einen Regenerator 3 geführt, der die Wärmeenergie aufnimmt und speichert, bis sich der Prozess umkehrt und der Regenerator 3 sie wieder an das Arbeitsmedium abgibt. Der Regenerator 3 ist strömungsleitend mit einem in Richtung des Pfeils „B" bewegbaren Arbeitskolben 5 verbunden, der zur Umsetzung der thermischen Energie in kinetische Energie dient. Bei dem Beispiel in der Figur 1 handelt es sich um einen externen Regenerator 3, der parallel zur gemeinsamen Kühler- Erhitzer- Verdrängerkolbenachse 8 angeordnet ist. In dem Regenerator 3 befindet sich ein Wärmespeichermaterial 7. Eine genaue Erläuterung des Prozesses erfolgt nachfolgend im Zusammenhang mit der Darstellung in Figur 3.
Die Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Stirlingmotors nach der Erfindung. Die Besonderheit dieser Darstellung besteht darin, dass hier der Verdrängerkolben 4 als ein langgestreckter Körper ausgebildet ist, der in dem röhrenförmigen Zylinderraum 11 drehbar gelagert ist. Außerhalb des eigentlichen Stirlingmotors ist ferner ein Getriebe 6 vorhanden, das von einem Riemen 15 an einer Welle 16 des Verdrängerkolbens 4 angeschlossen ist und die kinetische Energie an einen Arbeitskolben 5 abgibt. Zur Lagerung des Verdrängerkolbens 4 dient ein Gehäuse 18.
Anhand der Darstellung in der Figur 3 lässt sich am anschaulichsten der Prozess des erfindungsgemäßen Stirlingmotors erläutern.
Der Verdrängerkolben 4 ist in einem röhrenförmigen Zylinderraum 11 drehbar gelagert. Der röhrenförmige Zylinderraum 11 ist in den zwei Halbschalen 1 , 2 ausgebildet, von denen die eine Halbschale als Kühler 1 und die andere Halbschale als Erhitzer 2 dient.
In der Figur 3 ist der Verdrängerkolben 4 in seiner Startposition gezeigt, wobei der große Durchmesser d] sich im oberen Bildteil befindet und der kleinere Durchmesser d2 unten zu sehen ist. Das Arbeitsmedium, bei dem es sich um ein Gas handelt, befindet sich in dem freien Sektor 17, der aus Verdrängerkolben 4 und Erhitzerhalbschale 2 gebildet wird.
Zunächst expandiert nun der Arbeitskolben 5 und führt isotherm kinetische Energie an das äußere Getriebe 6 ab. Dann dreht sich der Verdrängerkolben 4 um 165° gegen den Uhrzeigersinn und schiebt das Arbeitsmedium in Richtung der Dichtfläche 14, wobei es durch eine Vielzahl Auslassbohrungen 10 in den Regenerator 3 überführt wird und Wärme an den Regenerator 3 abgibt. Dabei wird der Betriebsdruck gesenkt. Gleichzeitig strömt das Arbeitsmedium durch eine Vielzahl obere Auslassbohrungen 9 in das frei werdende obere Segment, das sich nunmehr zwischen Verdrängerkolben 4 und Kühlerhalbschale 1 bildet. Dieser Vorgang ist in der Figur 3 nicht gezeigt.
Der Anschlag 12 des Verdrängerkolbens 4 liegt schließlich an der korrespondierenden Dichtfläche 14 an und verschließt dabei die Auslassbohrungen 10.
Das Arbeitsmedium führt anschließend Wärmeenergie über die Kühlerhalbschale 1 ab und wird durch den Arbeitskolben 5 isotherm komprimiert. Während dieses Vierteltakts sorgt das äußere Getriebe 6 dafür, dass der Verdrängerkolben 4 möglichst lange still steht.
Im nächsten Vierteltakt dreht sich der Verdrängerkolben 4 im Uhrzeigersinn zurück in die Startposition. Das Arbeitsmedium Gas strömt durch die oberen Auslassbohrungen 9 in den Regenerator 3 und nimmt die zuvor gespeicherte Wärme wieder auf, um weiter verdichtet zu werden. Aus dem Regenerator 3 strömt es durch die unteren Auslassbohrungen 10 zurück zur Erhitzerhalbschale 2.
Die weitere Wärmeaufnahme dient der isothermen Arbeitsabgabe durch den Arbeitskolben 5, wodurch der Kreisprozess von Neuem beginnt. Auch während dieses Vierteltakts sorgt das äußere Getriebe 6 dafür, dass der Verdrängerkolben 4 möglichst lange still steht.
Die Figur 4 erlaubt einen Blick in einen erfindungsgemäßen Stirlingmotor und zeigt den Verdrängerkolben 4 und dessen Lagerung in dem Gehäuse 18. Die strömungsleitende Verbindung zwischen dem Regenerator 3 und dem Verdrängerkolben 4 besteht aus den Auslassbohrungen 9. Über die Welle 16 und das Getriebe 6 besteht eine Kopplung zu dem Arbeitskolben 5.
Eine weitere, spezielle Ausfuhrung eines erfindungsgemäßen Stirlingmotors ist in der Figur 5 dargestellt. Hierbei fungiert der Verdrängerkolben 4 als Regenerator und bildet damit einen internen Regenerator 3, der vorliegend mit Wärmespeichermaterial 7 befullt ist. Der Regenerator 3 ist hier parallel und koaxial zur gemeinsamen Kühler-Erhitzer- Verdrängerkolbenachse 8 angeordnet. Die Auslassbohrungen 9 und 10 sind bei dieser Lösung jeweils unmittelbar in die Anschläge 12 und 13 des Verdrängerkolbens 4 eingebracht. Hierbei handelt es sich um eine sehr kompakte Ausführung eines Stirlingmotors.
In der Figur 6 ist der vergrößerte Ausschnitt VI aus Figur 5 zu sehen. Erkennbar ist hier die Auslassbohrung 9, die in die den Anschlag 13 bildende Oberfläche des Verdrängerkolbens 4 eingebracht ist und so eine Verbindung zwischen dem mit Wärmespeichermaterial 7 befüllten Regenerator 3 innerhalb des Verdrängerkolbens 4 und dem freien Sektor 17 bildet, der bei dieser Darstellung nur noch aus dem Abstand zwischen Anschlag 13 und korrespondierender Dichtfläche 15 besteht.
Ein erfindungsgemäßer, oszillierend reversierender Verdrängerkolben 4 als Rotationskolben und auch die Halbschalen 1, 2 können fest, flüssig und in jeder morphologischen Gestalt ausgeführt sein, also zum Beispiel in der Form eines elektrischen Scheibendrehkondensators. Wichtig ist nur, dass der Verdrängerkolben 4 alternierend die Heiz- und Kühlflächen abschirmt (verdeckt), und dass er das Arbeitsmedium durch seine oszillierend reversierende Drehung durch den Regenerator 3 zwischen Kühler- und Erhitzerhalbschale hin- und herbewegt.
Bezugszeichenliste:
1 Kühler
2 Erhitzer
3 Regenerator
4 Verdrängerkolben
5 Arbeitskolben
6 Getriebe
7 Wärmespeichermaterial
8 Kühler-Erhitzer- Verdrängerkolbenachse
9 Auslassbohrungen
10 Auslassbohrungen
11 Zylinderraum
12 Anschlag
13 Anschlag
14 Dichtfläche
15 Dichtfläche
16 Welle
17 freier Sektor
18 Gehäuse

Claims

Patentansprüche
1. Stirlingmotor vom Gammatyp, aufweisend:
- einen Kühler (1),
- einen Erhitzer (2),
- einen Regenerator (3),
- einen Verdrängerkolben (4), zur Hin- und Herbewegung eines Arbeitsmediums zwischen Kühler (1) und Erhitzer (2) durch den Regenerator (3) und
- einen Arbeitskolben (5) für die Abgabe der gewonnenen kinetischen Energie dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) als ein reversierender Rotationskolben ausgeführt ist.
2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) ein reversierend oszillierender Rotationskolben ist.
3. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor ein Getriebe (6) für die Synchronisierung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen beziehungsweise zur Energiezwischenspeicherung aufweist.
4. Stirlingmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) ein Schrittgetriebe, Hebelgetriebe, Hydraulikgetriebe oder Kurbeltrieb, jeweils zur diskontinuierlichen Steuerung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen ist.
5. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Kühler (1) und Erhitzer (2) als Halbschalen ausgebildet sind, zwischen denen der Verdrängerkolben (4) drehbar gelagert ist.
6. Stirlingmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Kühler (1) und Erhitzer (2) bestehenden Halbschalen einen röhrenförmigen Zylinderraum aufweisen, in dem der Verdrängerkolben (4) drehbar gelagert ist.
7. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (3) parallel zur gemeinsamen Kühler-Erhitzer- Verdrängerkolbenachse (8) angeordnet ist.
8. Stirlingmotor nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) hohl ausgebildet und der Hohlraum mit Wärmespeichermaterial gefüllt ist, sodass der Verdrängerkolben (4) einen internen Regenerator bildet.
9. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung kinetischer Energie ein Energiespeicher vorhanden ist.
10. Stirlingmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Schwungmasse oder ein Energiepuffer ist.
11. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor als Panelmodul in einer Ebene zusammensetzbar ist.
12. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor ringförmig und/oder als Polygon und/oder zu einem Mehrzylindermotor zusammensetzbar ist.
13. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor in einer Solarparabolrinne verwendbar oder mit Fresnelkollektoren zur Solarstromgewinnung kombinierbar ist.
14. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (5) zur Verminderung von Reibung und Undichtigkeit als Membran- oder Balgzylinder ausgeführt ist.
15. Stirlingmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen und Bälge aus elastischem Kunststoff oder Metall bestehen.
16. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Luft, Wasserstoff oder Helium ist.
17. Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) flüssig ist.
18. Stirlingmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) und die Halbschalen (1, 2) in Form eines elektrischen Scheibendrehkondensators ausgeführt sind.
19. Verfahren zur Anwendung eines Stirlingmotors nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) in einer Aussparung das Arbeitsmedium durch reversierend, oszillierende Drehbewegungen dicht an den Kühl- und Heizflächen der Kühler- und Erhitzerhalbschalen entlang fuhrt, um einen effektiven Wärmeübergang zu bewirken.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) bei seinen Drehbewegungen alternierend jeweils mit seiner dem Arbeitsmedium abgewandten Seite die Heiz- und Kühlflächen abschirmt, um einen ungewollten Wärmestrom zum Arbeitsmedium zu verhindern.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) alternierend die Heiz- und Kühlflächen abschirmt und damit verdeckt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor in einer Solarparabolrinne oder mit Fresnellkollektoren zur Solarstromgewinnung verwendet wird.
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