WO2010015225A1

WO2010015225A1 - Stirlingmotor

Info

Publication number: WO2010015225A1
Application number: PCT/DE2009/001008
Authority: WO
Inventors: Lutz Pasemann
Original assignee: Lutz Pasemann
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2010-02-11
Also published as: WO2010015225A4; DE112009002403B4; DE112009002403A5; DE202008010349U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor und insbesondere seinen Erhitzer zur Übertragung von externer Wärme in das Arbeitsgas des Stirlingmotors, bestehend aus einem Hohlzylinder aus wärmeleitfähigem Material mit mehreren mit der Heißgaskammer eines Stirlingmotors in Verbindung stehenden Kanälen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle über den Querschnitt des Hohlzylinders verteilt sind und den Hohlzylinder entlang einer Zylinderachse durchziehen, und dass die Kanalmündungen an der von der Heißgaskammer abgewandten Seite des Hohlzylinders mittels eines ringförmigen Verbindungselements miteinander verbunden sind.

Description

Stirlingmotor

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor und insbesondere seinen Erhitzer zur Übertragung von externer Wärme in das Arbeitsgas des Stirlingmotors. Ein Stirtingmotor ist eine auf der Basis des thermodynamischen Stirling-Kreisprozesses arbeitende, bekannte Wärmekraftmaschine.

Zur Vergrößerung der Oberfläche und damit zur Verbesserung der Wärmeübertragung weisen nach dem Stand der Technik Erhitzer von Stiriingmotoren beispielsweise Rohre mit Wendeln auf, die das Arbeitsgas enthalten. Die WO 2005/017338 A1 zeigt einen Aufbau mit Rohrschlangen, die mit einem Rippen aufweisenden Hohlkörper aus wärme- leitfähigem Material umgössen sind. Die Anordnung der gebogenen Rohre auf engem Raum ist aufwendig und erfordert enge Biegeradien. Werterhin ist die Anformung von Rippen am Hohlkörper aufwendig.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Erhitzer eines Stirlingmotors in vorteilhafter Weise weiterzubilden und insbesondere einfacher und kostengünstiger herzustellen.

Die Aufgabe wird durch einen Stirlingmotor mit einem Erhitzer, bestehend aus einem Hohlzylinder aus wärmeleitfähigem Material mit mehreren Kanälen, gelöst. Die Kanäle stehen mit der Heißgaskammer eines Stirlingmotors, d. h., mit dem Expansionszylinder bei Alphatyp-Stirlingmotoren bzw. mit der Heißgas-Verdrängerzylinderkammer bei Bettatyp- und Gammatyp-Stiriingmotoren, in Verbindung und enthalten ein Arbeitsgas. Die Kanäle sind über den Querschnitt des Hohlzylinders verteilt, sie durchziehen den Hohlzylinder entlang seiner Zylinderachse, und ihre Mündungen sind auf der von der Heißgas- kammer abgewandten Seite des Hohlzylinders mittels eines ringförmigen Verbindungselements miteinander verbunden. Eine derartige Ausführung erlaubt eine vorzugsweise geradlinige Führung der Kanäle im Hohlzylinder, enge Biegeradien können vermieden werden, so dass die Kanäle eng zueinander beabstandet werden können, und die Gesamtheit der Kanaloberfläche groß gestaltet werden kann.

Die Kanäle werden kreisförmig über den Querschnitt des Hohlzylinders eng aneinander liegend angeordnet, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, die Kanäle auf mehreren Durchmessern anzuordnen. Beispielsweise können die Kanäle im Bereich des ringförmi- gen Verbindungselements auf dem Umfang zweier konzentrischer Kreise derart angeordnet werden, dass die Kanäle, die auf dem Umfang des kleineren Kreises angeordnet sind, in der Heißgaskammer und die Kanäle, die auf dem Kreisumfang mit dem größeren Durchmesser verteilt sind, in einem um die Heißgaskammer positionierten ringförmigen Regenerator münden. Um einen dem Außenumfang der Heißgaskammer und des Regenerators entsprechenden Erhitzer darstellen zu können, können die Kanäle im Bereich ihrer Einmündung in Heißgaskammer und Regenerator nach radial innen eingezogen sein, wobei die auf dem Umfang des kleinen Kreises verteilten Kanäle, die in der Heißgaskammer münden, auf den Umfang von zwei konzentrischen Kreisen mit noch kleineren Durchmessern derart aufgeteilt werden können, dass jeweils über den Umfang abwechselnd ein Kanal auf dem inneren und ein Kanal auf dem äußeren Durchmesser angeordnet wird.

Als Hohlzylinder im Sinne der Erfindung sind auch Hohlkörper mit einer zentralen Öffnung zu verstehen, die nicht den strengen geometrischen Anforderungen eines Hohlzylinders genügen, beispielsweise mit nicht zueinander parallelen und/oder nicht planen Zylinderflächen.

Das ringförmige Verbindungselement kann im einfachsten Fall aus einer geschlossenen Röhre mit einer der Anzahl der Kanäle entsprechenden Anzahl an Öffnungen bestehen, mit denen die Mündungen der Kanäle dicht verbunden werden. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das ringförmige Verbindungselement mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein.

Weiterhin vorteilhaft ist eine vorzugsweise glatte Ausbildung der Oberfläche des Hohlzylinders. Dies bedeutet, dass auf Rippen und andere die Oberfläche vergrößernde Maßnahmen verzichtet wird, so dass die Kanäle bis an den effektiven Außendurchmesser unter Einhaltung der notwendigen Wandstärke angenähert werden können.

Der Hohlzylinder kann aus wärmeleitfähigen Materialien wie bevorzugt Kupfer und dessen Legierungen hergestellt sein. Die Kanäle können direkt in den Hohlzylinder eingebracht sein. Es hat sich jedoch als vorteilhaft gezeigt, wenn die Kanäle aus Rohren gebildet sind. Dabei haben sich Stahlrohre als besonders vorteilhaft erwiesen, die auf der der Heißgaskammer abgewandten Seite mit dem ringförmigen Verbindungselement fest verbunden, beispielsweise verschweißt, sind, und die auf der Seite der Heißgaskammer und des Regenerators entsprechend mit einer Aufnahme aufgenommen, beispielsweise verschweißt, sind. Hierzu können die Rohre im Bereich der Aufnahme an der Heißgaskammer und am Regenerator auf einen engeren Durchmesser vorgebogen werden. In vorteilhafter Weise sind die Rohre mit dem Hohlzylinder umgössen, so dass ein aufwendiges Einfädeln der Rohre oder ein Bohren des Hohlzylinders zur Darstellung der Kanäle entfallen kann.

Zur Verbesserung der Energiebilanz kann bei ausschließlicher Erwärmung der Innenflä- che des Hohlzylinders am Außenumfang des Hohlzylinders eine Abschirmung vorgesehen sein. Diese kann durch eine Isolation bewirkt werden oder durch ein den Wärmeübertragungsverlust verringerndes Abschirmblech, das unter Einhaltung eines vorgegebenen Luftspalts den Hohlzylinder umgibt.

In vorteilhafter Weise wird der Stirtingmotor mit dem vorgeschlagenen Erhitzer in einem Solarsystem mit einer Fokussiereinheit zur Fokussierung von Sonnenstrahlen auf den Erhitzer eingesetzt. Die Solarstrahlung kann im Wesentlichen im Innenraum des Hohlzylinders absorbiert werden, wobei die Öffnung des Hohlzylinders genähert als schwarzer Körper betrachtet werden kann. Hierzu kann ein Durchmesser der Öffnung des Hohlzylinders so begrenzt sein, dass er gleich oder nur geringfügig größer als ein Brennfleck der Fokussiereinheit ist, um die aus der Öffnung austretende Wärmestrahlung im Sinne eines verbesserten Wirkungsgrads zu minimieren.

Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Gammatyp-Stiriingmotor mit einem Erhitzer,

Figur 2 eine Anordnung von Röhren für einen Erhitzer,

Figur 3 eine Grundplatte zur Aufnahme der Röhren der Figur 2,

Figur 4 einen Erhitzer ohne Kupfermantel,

Figur 5 einen Erhitzer mit Kupfermantel und

Figur 6 einen Außenzylinder zur Aufnahme des Erhitzers.

Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Stirlingmotor in der sogenannten Gamma-Typ- Bauweise. Im Gehäuse 1 ist die Kurbelwelle 2 gelagert, welche über die Pleuel 3, 4 den Verdrängerkolben 5 und den Arbeitskolben 6 hin und her bewegt. Der Erhitzer 7 ist über seine Kanäle 8 und sein ringförmiges Verbindungselement 18 mit der Heißgas- Verdrängerzylinderkammer 12 und dem Regenerator 9 verbunden. Funktionell gehört der Erhitzer 7 zur Heißgaskammer 12, seine innere Oberfläche ist als ein Teil der Wand der Heißgaskammer 12 zu betrachten. Die Aufgabe des Erhitzers 7 besteht allein in der Übertragung von externer Wärme in das in der Heißgaskammer 12 befindliche Arbeitsgas für dessen Zustandsänderung „Heiß- gasexpansion". Während der Heißgasexpansion, während der sich der Verdrängerkolben 5 in der Kaltgaskammer 11 befindet, dehnt sich das in der Heißgaskammer 12 befindliche Arbeitsgas infolge der über den Erhitzer 7 permanent zugeführten externen Wärme näherungsweise isotherm aus, indem es über die Kanäle 8 des Erhitzers durch den radial außerhalb der Heißgaskammer 12 positionierten ringförmigen Regenerator 9 strömt und von dort durch den ringförmigen Kühler 10 und den Spaltraum 26 in die Leitung 13, die direkt in den Arbeitszylinder 27 führt. Bei der Expansion des heißen Arbeitsgases der Heißgaskammer 12 wird das in Erhitzer 7, Regenerator 9, Kühler 10, Spaltraum 26 und Leitung 13 befindliche Arbeitsgas in den Arbeitszylinder 27 gedrängt - abgesehen von einer gewissen Durchmischung - und der Arbeitskolben 6 um dessen Hub verschoben, wodurch das über Pleuel 4 und Kurtseiwelle 2 mit dem Arbeitskolben 6 gekoppelte Schwungrad 28 in Rotation versetzt wird.

Für die anderen drei Zustandsänderungen eines Arbeitszyklus einer Stirlingmaschine,

- Abkühlung des Arbeitsgases mit Hilfe des Regenerators 9 durch die Bewegung des Verdrängerkolbens 5 aus der Kaltgaskammer 11 in die Heißgaskammer 12 bei nahezu ruhendem Arbeitskolben 6 in der Position seiner größten Verschiebung,

- Kompression des kalten Arbeitsgases durch die vom rotierenden Schwungrad über Kurbelwelle 2 und Pleuel 4 bewirkte Rückwärtsbewegung des Arbeitskolbens 6 in seine Anfangslage bei nahezu ruhendem Verdrängerkolben 5 in der Heißgaskammer 12

- und Erwärmung des Arbeitsgases mit Hilfe des Regenerators 9 durch die Bewegung des Verdrängerkolbens 5 aus der Heißgaskammer 12 in die Kaltgaskammer 11 bei nahezu ruhendem Arbeitskolben 6 in seiner Anfangslage, hat der Erhitzer 7 keine Funktion.

Der Erhitzer 7 besteht wesentlich aus die Kanäle 8 bildenden Rohren 14a, 14b, die auf der Grundplatte 15 dicht aufgenommen, beispielsweise verschweißt, sind. Die Grundplat- te 15 ist mit dem den Regenerator 9 und den ringförmigen Kühler 10 umhüllenden Außenzylinder 25 dicht verbunden, beispielsweise verschweißt. Die auf unterschiedlichen Durchmessern angeordneten radial inneren und radial äußeren Rohre 14a, 14b sind als Rohrabschnitte, ausgehend von der Grundplatte 15, parallel zueinander und parallel zur Zylinderachse 16 ausgerichtet und weisen am stimseitigen Ende des Erhitzers 7 Mün- düngen 17 auf, die in dem ringförmigen Verbindungselement 18 münden. Die Mündungen 17 sind dicht mit dem Verbindungselement 18 verbunden, beispielsweise verschweißt. Das Verbindungselement 18 weist ein allen Mündungen 17 gemeinsames Verbindungsvolumen 19 auf, so dass die Kanäle 8 beziehungsweise die Röhren 14a, 14b miteinander kommunizierend verschaltet sind.

Die Röhren 14a, 14b sind von dem Hohlkörper 22 umgeben, der vorzugsweise aus Kupfer gebildet ist und in einem Gussverfahren um die Röhren 14a, 14b angeordnet wird.

Figur 2 zeigt eine leicht abgeänderte Anordnung der Röhren 14a, 14b im Erhitzer 7 der Figur 1. Zur minimalen Beabstandung der Röhren 14a, 14b und Anpassung an die

Abmessungen der Grundplatte 15 sind die Röhren 14a, 14b im Bereich der Grundplatte 15 (Figur 1) nach radial innen abgebogen. Durch die enge Beabstandung kann das ringförmige Verbindungselement 18 (Figur 1) entsprechend schmal ausgestaltet werden und die lichte Weite des als Hohlzylinder ausgestalteten Erhitzers 7 (Figur 1) erweitert werden, ohne den Außendurchmesser des Erhitzers 7 gegenüber dem Außendurchmesser des Außenzylinders 25 (Figur 6)zu erweitem.

Figur 3 zeigt die Grundplatte 15 zur Aufnahme der Röhren 14a, 14b der Figur 2. Zur Aufnahme der radial äußeren Röhren 14b ist ein Lochkreis mit Öffnungen 20 auf großem Durchmesser vorgesehen. Zur Aufnahme der radial inneren Rohre 14a sind Lochkreise mit Öffnungen 21a, 21b auf verschiedenen Durchmessern angeordnet, so dass eine den Öffnungen 20 entsprechende Anzahl an Öffnungen 21a, 21b auf kleinerem Durchmesser untergebracht werden kann und eine entsprechende Dichte von Röhren 14a, 14b im Erhitzer untergebracht werden kann. Die Grundplatte 15 weist eine konvexe Geometrie zur Angleichung an den Verdrängerkolben 5 auf, damit sie zur Fixierung des Erhitzers 7 am Stiriingmotor verschweißt werden kann.

Figur 4 zeigt einen Zusammenbau der Röhren 14a, 14b und der Grundplatte 15 sowie aufgesetztem ringförmigen Verbindungselement 18. Das Verbindungselement 18 verbindet die einzelnen Röhren 14a, 14b miteinander und dichtet diese nach außen ab. Figur 5 zeigt den kompletten Erhitzer 7 mit dem aus leitfähigem Material gebildeten Hohlkörper 22, der die Röhren der Figur 4 ummantelt. Der vorzugsweise aus Kupfer gebildete Hohlkörper 22 wird um die Röhren gegossen, wobei im Endzustand das Verbindungselement 18 und die Grundplatte 15 einen einheitlichen Durchmesser vorgeben können.

Zur Anwendung des Erhitzers 7 für Absorption von Solarstrahlung ist es vorteilhaft, wenn die Innenfläche 23 und die Außenfläche 24 des Hohlkörpers 22 glatt ausgestaltet sind. Auf diese Weise ist bei einer Einstrahlung von Solarstrahlung in den Innenraum des Hohlkörpers 22 eine einfache Herstellung bei hohem Wirkungsgrad möglich. Im Innenraum, der sich idealerweise als schwarzer Strahler verhält, ist die Ausgestaltung der Oberfläche bei ausreichender Wärmeleitfähigkeit des Kupfers ohne Bedeutung, während eine glatte Außenfläche 24 die Abstrahlung von Wärme vermindert. In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann der Wärmeverlust durch Abstrahlung der Außenfläche weiter vermindert werden, wenn um die Außenfläche ein Abschirmblech angeordnet ist.

Figur 6 zeigt den Außenzylinder 25 zur Aufnahme des Erhitzers 7 der Figuren 1 und 5. Der Außenzylinder 25 wird mit dem Erhitzer 7 dicht verbunden, beispielsweise verschweißt, und mittels des Flansches 29 an das Gehäuse 1 des Stirlingmotors der Figur 1 angeflanscht.

Claims

Patentansprüche

1. Stirlingmotor mit einem Erhitzer, bestehend aus einem Hohlzylinder aus wärmelert- fähigem Material mit mehreren mit der Heißgaskammer eines Stiriingmotors in Verbindung stehenden, ein Arbeitsgas enthaltenden Kanälen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle über den Querschnitt des Hohlzylinders verteilt sind und den Hohlzylinder entlang seiner Zylinderachse durchziehen und deren Mündungen an der von der Heißgaskammer abgewandten Seite des Hohlzylinders mittels eines ringförmigen Verbindungselements miteinander verbunden sind.

2. Stirlingmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Hohlzylinders glatt ausgebildet ist.

3. Stirlingmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder aus Kupfer und dessen Legierungen gebildet ist.

4. Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle aus Rohren gebildet sind.

5. Stirlingmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre Stahlrohre sind.

6. Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre mit dem ringförmigen Verbindungselement verschweißt oder verlötet sind.

7. Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre mit dem Hohlzylinder umgössen sind.

8. Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder von einem Abschirmblech unter Einhaltung eines vorgegebenen Luftspalts umgeben ist.

9. Stiriingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Einsatz in einem Solarsystem mit einer Fokussiereinheit zur Fokussierung von Sonnenstrahlen auf den Erhitzer.

10. Stiriingmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Öffnung des Hohlzylinders größer oder gleich einem Brennfleck der Fokussiereinheit ist.

11. Stiriingmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Hohlzylinders axial beabstandet zum Brennfleck angeordnet ist.