WO2017021176A1 - Hydrostirling-maschine - Google Patents

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WO2017021176A1 PCT/EP2016/067523 EP2016067523W WO2017021176A1 WO 2017021176 A1 WO2017021176 A1 WO 2017021176A1 EP 2016067523 W EP2016067523 W EP 2016067523W WO 2017021176 A1 WO2017021176 A1 WO 2017021176A1
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • F02G1/0435Hot 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 the engine being of the free piston type

Abstract

Es wird eine Hydrostirling-Maschine mit wenigstens zwei Hydrostirling-Einheiten (10, 20), einer Energiewandler-Einheit und einem gemeinsamen Arbeitsflüssigkeits-Kreislauf, welcher für jede Hydrostirling-Einheit wenigstens eine Arbeitsflüssigkeitsleitung (50, 60) aufweist, welche die Hydrostirling-Einheit mit der Energiewandler-Einheit verbindet, beschrieben. Um zu erreichen, dass eine angetriebene Achse in der Energiewandler-Einheit immer in dieselbe Richtung drehen kann und um eine hydraulische Entkopplung der Hydrostirling-Einheiten (10, 20) zu erreichen, ist die Energiewandler-Einheit eine Turbineneinheit (30), welche einen Turbinenbehälter (32) und ein in diesem Turbinenbehälter (32) angeordnetes Turbinenrad (34), insbesondere ein Pelton-Turbinenrad, aufweist. Hierbei erstrecken sich die Arbeitsflüssigkeitsleitung (50, 60) zwischen den Hydrostirling-Einheiten (10, 20) und der Turbineneinheit (30) derart, dass Arbeitsflüssigkeit, welche von einer Hydrostiriing-Einheit (10, 20) zur Turbineneinheit (30) fließt, zunächst auf das Turbinenrad (34) trifft und dann in einen Bereich des Turbinenbehälters (32) unterhalb des Turbinenrades (34) fällt. Weiterhin weist der Arbeitsflüssigkeits-Kreislauf für jede Hydrostirling-Einheit (10, 20) wenigstens eine Arbeitsflüssigkeits-rückleitung (70, 74) auf, welche die Turbineneinheit (30) mit der Hydrostirling-Einheit (10, 20) verbindet. Hierbei weist jede Verdrängerkolbeneinheit einen sich vom Verdrängerkolben (13, 23) nach unten erstreckenden Zylindermantel (14, 24), dessen Außenfläche im Wesentlichen mit der Außenfläche des Verdrängerkolbens (13, 23) fluchtet, auf.

Description

Hydrostirling-Maschine
Beschreibung
Technisches Ggbj^ Die Erfindung betrifft eine Hydrostirling-Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stirlingmotoren sind seit langer Zeit bekannt und haben trotz ihrer grundsätzlichen Einfachheit und trotz des theoretisch hohen erzielbaren Wirkungsgrades bisher kaum Eingang in die Praxis gefunden.
Ein „klassischer" Stirlingmotor weist wenigstens einen mit Gas, beispielsweise Luft, gefüllten Zylinder, einen axialbeweglich in diesen Zylinder gehaltenen Verdrängerkolben (auch Regenerator genannt) sowie einen ebenfalls axialbeweglich in diesen Zylinder gehaltenen sogenannten Arbeitskolben auf. Hierbei sind Verdrängerkolben und Arbeitskolben über eine Kurbelwelle miteinander gekoppelt, so dass sie eine gegenläufige Bewegung durchführen, wobei der Phasenwinkel normalerweise 180 Grad beträgt. In anderen Ausführungsformen des Stiriingmotores können Arbeitskolben und Verdrängerkolben auch in getrennten, jedoch miteinander verbundenen Zylindern angeordnet sein.
Solche mechanischen Stirlingmotoren laufen in der Regel relativ schnell, worin auch die Probleme begründet liegen, welche ihren Durchbruch in der Praxis bislang verhindert haben: durch die relativ schnellen Bewegungen weicht der tatsächliche Stirlingprozess vom theoretisch erreichbaren Stirlingprozess relativ stark ab, was natürlich zu einer Verschlechterung des theoretisch erreichbaren Wirkungsgrades führt. Weiterhin unterliegt insbesondere der Arbeitskolben einem hohen Dichtungsverschleiss, was bisherige mechanische Stiriingmotoren sehr wartungsaufwendig macht beziehungsweise ihre Lebensdauer stark herabsetzt.
Stand der Technik
Aus der gattungsbildenden DE 10 2006 028 561 B3 ist eine sogenannte Hydrostirling-Maschine mit einem Hydraulikmotor und zwei Hydrostirling-Einheiten bekannt geworden. Jede Hydrostirling-Einheit weist hierbei einen Zylinder und einen in diesem Zylinder axialbeweglichen Verdrängerkolben auf. Hierbei wird die Axialposition der Verdrängerkolben aktiv gesteuert. Bei der dort beschriebenen Hydrostirling-Maschine ist der Arbeitskolben durch eine inkompressible Flüssigkeit ersetzt, welche zwischen den Zylindern der Hydrostirling-Einheiten hin und her fließt und hierbei den als Energiewandler-Einheit dienenden Hydraulikmotor antreibt. Die gezeigte Hydrostirling-Maschine hat gegenüber „klassischen" Stiriingmotoren mit Arbeitskolben den Vorteil, dass der Arbeitskolben durch eine Flüssigkeit ersetzt ist, so dass an dieser Stelle keine Dichtungsprobleme am Arbeitskolben auftreten, und dass die Maschine grundsätzlich langsamer laufen kann. Ein Nachteil der in der DE 10 2006 028 561 B1 beschriebenen Maschine liegt darin, dass der Hydraulikmotor zwischen zwei Halbtakten die Richtung wechseln muss.
Gegenstand der Erfindung
Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Hydro-Stirling-Maschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Hydro-Stirling-Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Energiewandler-Einheit als Turbineneinheit mit einem Turbinenbehälter und einem in diesem Turbinenbehälter angeordneten Turbinenrad, insbesondere einem Pelton-Turbinenrad , ausgebildet. Der Einsatz einer anderen Gleichdruck-Turbine wäre jedoch ebenfalls möglich. Der Arbeitsflüssigkeits-Kreislauf weist mehrere Leitungen auf, wobei sich jeweils wenigstens eine Arbeitsflüssigkeitsleitung zwischen einer Hydrostirling-Einheit und der Turbineneinheit derart erstrecken, dass Arbeitsflüssigkeit, welche von einer Hydrostirling-Einheit zur Turbineneinheit fließt, zunächst auf das Turbinenrad trifft und dann in einen Bereich des Turbinenbehälters unterhalb des Turbinenrades fällt. Weiterhin weist der Arbeitsflüssigkeits-Kreislauf wenigstens zwei Arbeitsflüssigkeitsrückleitungen auf, wobei jeweils wenigstens eine Arbeitsflüssigkeitsrückleitung den Turbinenbehälter mit einer Hydrostirling-Einheit verbindet.
Hierdurch ist es möglich, dass sich das als Energiewandler dienende Turbinenrad immer in dieselbe Richtung drehen kann, was zum Antrieb eines Stromgenerators sehr vorteilhaft ist. Weiterhin sind die beiden Hydrostirling-Einheiten hydraulisch entkoppelt. Dies hat den Vorteil, dass sie nicht exakt phasenstarr gekoppelt sind. Zum anderen kann der hohe Wirkungsgrad einer Pelton-Turbine über einen weiten Lastbereich genutzt werden.
Um auf eine einfache, wartungsfreie und reibungsfreie Art eine Abdichtung zwischen Verdrängerkolben und Behälterinnenwand zu erreichen, sind die Verdrängerkolben jeweils Teil einer Verdrängerkolbeneinheit, welche außer dem Verdrängerkolben einen sich vom Verdrängerkolben nach unten erstreckenden Zylindermantel, dessen Außenfläche im Wesentlichen mit der Außenfläche des Verdrängerkolbens fluchtet, aufweist.
Um die Steuerung der Verdrängerkolben zu vereinfachen, sind sie vorzugsweise so dimensioniert, dass sie schwimmen. Hierdurch ist lediglich eine Steuerung, keine Regelung notwendig. Die Schwimmfähigkeit kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass jeder Verdrängerkolben mit einem Auftriebskörper verbunden ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispieien mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Kurzbeschreibunq der Figuren
Figur 1 Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hydrostirling-Maschine, wobei die Behälter noch nicht mit Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind,
Figur 2 eine detailliertere Darstellung der ersten Hydrostirling-Einhe'rt,
Figur 2a das Detail D aus Figur 2.
Figur 3 das in Figur 2 Gezeigte in einem Arbeitszustand, wobei der Verdrängerkolben abgesenkt ist,
Figur 4 das in Figur 3 Gezeigte, wobei der Arbeitskolben angehoben ist,
Figur 5 die Hydrostirling-Maschine aus Figur 1 in einem ersten Arbeitszustand,
Figur 5a ein p-V-Diagramm, in welchem die der Figur 2 entsprechenden
Zustände der beiden Hydrostirling-Einheiten eingezeichnet sind,
Figur 6 das in Figur 5 Gezeigte in einem nachfolgenden Arbeitszustand,
Figur 6a das p-V-Diagramm mit entsprechend Figur 6 eingezeichneten
Zuständen der Hydrostirling-Einheiten,
Figur 7 das in Figur 6 Gezeigte in einem nachfolgenden Arbeitszustand, Figur 7a das p-V-Diagramm mit entsprechend Figur 7 eingezeichneten Zuständen der Hydrostiriing-Einheiten,
Figur 8 das in Figur 7 Gezeigte in einem nachfolgenden Arbeitszustand,
Figur 8a das p-V-Diagramm mit entsprechend Figur 8 eingezeichneten
Zuständen der Hydrostiriing-Einheiten,
Figur 9 Das in Figur 8 Gezeigte in einem nachfolgenden Arbeitszustand,
Figur 9a das p-V-Diagramm mit entsprechend Figur 9 eingezeichneten
Zuständen der Hydrostiriing-Einheiten,
Figur 10 eine zweite Ausführungsform in einer der Figur 1 entsprechenden
Darstellung,
Figur 10a das p-V-Diagramm mit entsprechend Figur 10 eingezeichneten
Zuständen der Hydrostiriing-Einheiten,
Figur 11 eine dritte Ausführungsform in einer der Figur 1 entsprechenden
Darstellung und
Figur 12 einen Teil einer Hydrostirling-Einheit mit einer verbesserten thermischen Trennung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Zunächst wird mit Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hydrostirling-Maschine beschrieben, wobei die Darstellung schematisch und ohne Details ist.
Die Hydrostirling-Maschine weist drei Hauptelemente, nämlich zwei gleichartige Hydrostiriing-Einheiten (erste Hydrostirling-Einheit 10 und zweite Hydrostirling- Einheit 20), sowie eine Turbineneinheit 30, auf. Die Hydrostirling-Einheiten 10, 20 sind, wie erwähnt, gleichartig aufgebaut und weisen jeweils einen Behälter 11 , 21 , einen Heizkopf 12, 22 zum Beheizen des jeweils oberen Teils eines Behälters 11 , 21 , einen Verdrängerkolben 13, 23 sowie eine Hebeeinrichtung 16, 26 zum Anheben des jeweiligen Verdrängerkolbens 13, 23 auf. Auf eine konkrete Ausgestaltung der Hebeeinrichtungen 16, 26 wird später eingegangen. Die Mantelflächen der Behälter 11 , 21 sind jeweils vorzugsweise zweiteilig aufgebaut (in Figur 1 nicht dargestellt), so dass eine thermische Trennung des oberen, heißen Endes, vom unteren, kalten Bereich des Behälters erfolgt.
Jeder Verdrängerkolben 13, 23 weist eine ringförmige Isolierung 13a, 23a sowie einen von dieser Isolierung 13a, 23a umschlossenen, zumindest abschnittsweise gasdurchlässigen Regenerator 13b, 23b auf. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Isolierung 13a, 23a oben bündig mit dem Regenerator 13b, 23b ist, sich jedoch über sein unteres Ende hinaus erstreckt (nur in den Figuren 2 bis 4 dargestellt). Die Regeneratoren 13b, 23b können beispielsweise aus Drahtgewebe bestehen. Zur Abdichtung erstreckt sich jeweils ein unten offener Hohlzylinder, also ein Zylindermantel 14, 24 vom äußeren Rand des Verdrängerkolbens 13, 23. Über Bolzen 91 , 111 ist jeweils der untere Rand des Zylindermantels 14, 24 mit einem Auftriebskörper 90, 1 10 verbunden. Hierauf wird später nochmals mit Bezug auf die Figuren 2 bis 4 näher eingegangen. Verdrängerkolben, Zylindermantel und Auftriebskörper bilden jeweils eine Verdrängerkolbeneinhe'rt.
Es ist eine Turbineneinheit 30 vorgesehen, über welche die beiden Hydrostirling- Einheiten 10, 20 miteinander verbunden sind, worauf später genauer eingegangen wird. Die Turbineneinheit 30 weist einen Druckbehälter, welcher als Turbinenbehälter 32 bezeichnet wird, auf, in dessen Innerem ein Turbinenrad 34, welches vorzugsweise das Turbinenrad einer Peltonturbine ist, angeordnet ist. Das Turbinenrad 34 ist mittels einer über ein druckdichtes Lager durch die Behälterwand des Turbinenbehälters 32 geführten Welle oder eine mittels einer Magnetkupplung mit einem Generator 36 zur Stromerzeugung verbunden. Die dem Generator 36 nachgeschalteten elektrischen Aggregate sind nicht dargestellt, da sie für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung sind. ln der Regel ist es zu bevorzugen, die Hydrostiriing-Maschine unter erhöhtem Vordruck von beispielsweise 10 bis 50 bar zu betreiben, wozu ein Kompressor oder eine Druckgasflasche 40 vorgesehen ist, welcher mit einer Druckgasleitung 42 mit dem Inneren des Turbinenbehälters 32 verbunden ist. Der Turbinenbehälter 32 bildet, ebenso wie die unteren Abschnitte der Behälter 1 1 , 21 , das kalte Ende der Hydrostiriing-Maschine. Dies ist durch die angedeuteten Kühlrippen symbolisiert. Der Arbeitsflüssigkeits-Kreislauf der Hydrostiriing-Maschine weist folgende Bestandteile auf: Jede der beiden Hydrostirling-Einhe'rten 10, 20 ist mit der Turbineneinheit 30 mittels einer Arbeitsflüssigkeitsleitung 50, 60 verbunden, welche jeweils im Bereich des Bodens des Behälters 11 , 21 der jeweiligen Hyd rostirling-Einheit beginnt und in einer auf das Turbinenrad 34 gerichteten, regelbaren Düse 56, 66 endet. Jede dieser Arbeitsflüssigkeitsleitung 50, 60 weist weiterhin ein Sperrventil 52, 62 auf. Diese Arbeitsflüssigkeitsleitungen dienen dazu, dass Arbeitsflüssigkeit, welche vorzugsweise aus Wasser oder überwiegend aus Wasser besteht, von dem jeweiligen Behälter 11 , 21 einer Hydrostirling-Einheit 10, 20 zur Turbineneinheit 30 strömen kann, um dort unter Wandlung von Druck in Geschwindigkeit das Turbinenrad 34 anzutreiben.
Weiterhin ist jeder Behälter 11 , 21 einer Hydrostirling-Einheit mittels einer Arbeitsflüssigkeitsrückleitung 70, 74 mit dem Turbinenbehälter 32 verbunden, in welcher jeweils eine in beide Richtungen antreibbare Pumpe 73, 76 angeordnet ist. Diese Arbeitsflüssigkeitsrückleitungen 70, 74 erstrecken sich jeweils von Behälterboden zu Behälterboden (oder nahe des Behälterbodens) und weisen jeweils ein Sperrventil 72, 78 auf.
Ein Austausch von Arbeitsgas, beispielsweise Stickstoff, zwischen den Behältern findet nicht, oder nur über Lösung des Arbeitsgases in der Arbeitsflüssigkeit statt, so dass die Gasmenge in jedem Zylinder über die Zeit konstant ist. Die Arbeitsflüssigkeit ist vorzugsweise Wasser. Es ist zu bevorzugen, dass - wie auch dargestellt - sämtliche Behälter denselben Durchmesser aufweisen.
Nun wird nun mit Bezug auf die Figur 2 ein konkretes bevorzugtes Ausführungs- beispiel einer Hebeeinrichtung beschrieben, wobei zur sprachlichen Vereinfachung nur eine Hebeeinrichtung, nämlich die Hebeeinrichtung der ersten Hydrostirling-Einheit 10 beschrieben wird. Die Hebeeinrichtung der zweiten Hydrostirling- Einheit 20 ist vorzugsweise natürlich genau gleich aufgebaut. Der besondere Vorteil der nun beschriebenen Hebeeinrichtung ist, dass sie eine weitere Funktion übernimmt, nämlich das Zuführen von aus der Turbineneinheit rückströmender Arbeitsflüssigkeit in den Behälter der Hydrostirling-Einheit, derart, dass ein guter Wärmeübergang zwischen Arbeitsflüssigkeit und Arbeitsgas stattfindet.
Es ist, wie bereits erwähnt, ein Auftriebskörper 90, beispielsweise in Form einer Hohlkugel vorgesehen, welche über Verbindungselemente, wie beispielsweise Bolzen 91 mit dem Zylindermantel 14 verbunden ist. Der Hohlkörper weist ein vollständig ummanteltes Durchgangsloch auf, durch welches sich ein statisches Steigrohr 92 erstreckt, dessen unteres Ende starr und dicht mit dem Behälter 11 verbunden ist und in welches die erste Arbeitsflüssigkeitsrückleitung 70 mündet. Zwischen dem statischen Steigrohr 92 und der Wandung des Loches ist wenigstens ein Lager, beispielsweise in Form eines Kugellagers, vorgesehen. Eingezeichnet sind in der Figur 2 zwei solcher Lager 96. Im Inneren des statischen Steigrohres 92 ist ein bewegliches Steigrohr 94 nach Art eines Kolbens axial beweglich gelagert. Weiterhin trägt der Verdrängerkolben 13 an seiner Unterseite einen Deflektor 98.
Am unteren Ende des beweglichen Steigrohres 94 ist ein Rückfluss-Sperrventil, beispielsweise in Form eines vorgespannten Kugelventils vorgesehen, durch welches Arbeitsflüssigkeit bei Überschreiten eines vorbestimmten Differenzdrucks vom statischen Steigrohr 92 in das bewegliche Steigrohr 94 gelangen kann. Im Bereich des unteren Endes trägt die Außenwandung des beweglichen Steigrohrs 94 Kolbendichtungsringe, welche symbolisch dargestellt sind. Die Kolbendichtungsringe befinden sich vollständig innerhalb des Arbeitsflüssigkeitskreislaufs. Diese Details sind in Figur 2a symbolisch dargestellt. Das obere Ende des beweglichen Steigrohres 94 weist eine nach oben gerichtete Öffnung 95 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Steigrohr am oberen Ende vollständig offen, was jedoch nicht zwingend ist.
Die Funktionsweise der Hebeeinrichtung 16 wird nun mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 näher erläutert. Der Auftrieb des Auftriebskörpers 90 ist in Bezug auf die Arbeitsflüssigkeit (in der Regel Wasser) so bemessen, dass die untere Fläche des Regenerators 13b gerade auf der Arbeitsflüssigkeit schwimmt (wie in Figur 3 dar- gestellt), wobei ein unterer Abschnitt der Isolierung 13a in die Arbeitsflüssigkeit eintaucht. Im passiven Zustand, das heißt, wenn kein Wasser durch die Steigrohre strömt, stellt sich somit das in Figur 3 Gezeigte ein. Strömt nun von der Turbineneinheit 30 rücklaufendes Wasser durch das statische Steigrohr 92 so öffnet sich das Rückfluss-Sperrventil, Arbeitsflüssigkeit strömt durch die Steigrohre, tritt am oberen Ende des beweglichen Steigrohres aus der Öffnung 95 aus und drückt so den Verdrängerkolben nach oben. Da Arbeitsflüssigkeit nur zwischen dem oberen Ende des beweglichen Steigrohres und dem Deflektor austreten kann, entweicht Arbeitsflüssigkeit an dieser Stelle in Form eines Films (hydrodynamisches Paradoxon). Dies ist in Figur 4 dargestellt. Damit das bewegliche Steigrohr 94 bei absinkendem Verdrängerkolben in das statische Steigrohr 92 einsinken kann, darf der Deflektor 98 das obere Ende des beweglichen Steigrohres (das heißt die Öffnung 95) nicht dicht verschließen.
Der benötigte Arbeitsflüssigkeitsdruck wird überwiegend von der Turbineneinheit zur Verfügung gestellt, es ist jedoch zusätzlich eine in beide Richtungen antreibbare Pumpe 73 in der Arbeitsflüssigkeitsrückleitung vorgesehen (Fig. 1).
Der Betrieb der eben beschriebenen Maschine wird nun anhand eines halben Zyklus mit Bezug auf die Figuren 5 bis 9a näher beschrieben, wobei beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Vordruck von 12 bar herrscht. Die Figur 5 zeigt den Startpunkt eines Zyklus, wobei der Startzeitpunkt bei einem Kreisprozess natürlich willkürlich festlegbar ist. Die Figur 5a zeigt das p-V- Diagramm zur Figur 5, wobei die Zustände der Arbeitsgase der beiden Hydrostirling-Einheiten 10, 20 eingezeichnet sind. Zum (wie gesagt beliebigen) Startzeitpunkt des Zyklus befindet sich der Verdrängerkolben 13 der ersten Hydrostirling-Einheit 10 in seinem oberen Totpunkt, wobei er zur besseren Wärmeübertragung an der oberen Behäiterwandung anliegen kann. Weiterhin hat der Behälter 1 1 seinen maximalen Arbeitsflüssigkeits-Füllstand und somit sein minimales Gasvolumen. Das Gas befindet sich zwischen der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit und der Unterseite des Verdrängerkolbens 13, ist also relativ kalt. Der Druck im Behälter 11 der ersten Hydrostirling-Einheit 10 ist der Vordruck, also 12 bar.
Der Arbeitsfiüssigkeitspegel im Turbinenbehälter 32 ist maximal und der Druck im Turbinenbehälter ist ebenfalls der Vordruck, also 12 bar. Das momentane Gasvolumen im Turbinenbehälter entspricht dem Gasvolumen im Behälter 11 der ersten Hydrostirling-Einheit 10.
Der Arbeitsflüssigkeits-Pegel der zweiten Hydrostirling-Einheit 20 ist minimal und die Unterseite des Verdrängerkolbens 23 liegt auf der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit auf. Auch im Behälter 21 der zweiten Hydrostirling-Einheit 20 herrscht der Vordruck, also 12 bar, das Arbeitsgas ist relativ heiß.
Nun wird, wie in Figur 6 gezeigt, die erste Pumpe 73 kurz in Rücklaufrichtung angetrieben, so dass der erste Verdrängerkolben 13 abgesenkt wird, bis er auf die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit trifft. Hierbei durchströmt das relativ kalte Gas den Regenerator 13b des Verdrängerkolbens 13, wobei dieses erhitzt wird. Hierdurch wird das Gas isochor komprimiert, im gezeigten Ausführungsbeispiel auf ca. 33 bar. Der Zustand der zweiten Hydrostirling-Einheit 20 ändert sich hierbei nicht.
Nun wird, wie in Figur 7 gezeigt, die zweite Pumpe 76 bei kurz geöffnetem Sperrventil 78 angetrieben und somit der Verdrängerkolben 23 der zweiten Hydrostirling-Einheit 20 angehoben. Hierdurch fließt das heiße Gas durch den Regenerator, kühlt ab und wird somit isochor dekomprimiert, im gezeigten Ausführungsbeispiel auf ca. 4,3 bar. Als nächstes wird das Sperrventil 78 wieder geöffnet, so dass Arbeitsflüssigkeit vom Turbinenbehälter 30 in den Behälter 21 der zweiten Hydrostirling-Einheit fließt und hierbei ein Druckausgleich zwischen dem Turbinenbehälter und dem Behälter 21 der ersten Hydrostirling-Einheit stattfindet (Fig. 8). Im beschriebenen Ausführungsbeispiel herrscht nach Abschluss des Druckausgleichs im Turbinenbehälter 30 und im Behälter 21 ein Druck von ca. 8 bar. Das Arbeitsgasvolumen in diesen beiden Behältern ist jetzt gleich. Der Turbinenbehälter 30 hat seinen minimalen Arbeitsflüssigkeits-Pegel und seinen minimalen Druck erreicht. Somit herrscht der maximale Druckunterschied zwischen dem ersten Stirling-Behälter 10 und dem Turbinen-Behälter 30. Dieser Zustand ist in Figur 8 gezeigt.
Nun wird das Sperrventil 52 der ersten Arbeitsflüssigkeitsleitung 50, das Sperrventil 78 der zweiten Arbeitsflüssigkeits-Rückleitung 74 und auch die Regeldüse 56 geöffnet, so dass ein Druckausgleich zwischen dem Behälter 1 1 der ersten Hydrostirling-Einheit 10, dem Turbinenbehälter 30 und dem Behälter 21 der zweiten Stirling-Einheit 20 stattfinden kann. Das heiße Gas im Behälter 11 expandiert im Wesentlichen isotherm und drückt die Arbeitsflüssigkeit aus dem Behälter 1 1. Der Verdrängerkolben schwimmt hierbei weiter auf der Arbeitsflüssigkeit. Arbeitsflüssigkeit strömt vom Behälter 11 der ersten Hydrostirling-Einheit 10 durch die erste Arbeitsflüssigkeitsleitung 50, trifft auf das Turbinenrad 34 und gelangt somit in den Turbinenbehälter 32. Die Regeldüse 56 ist hierbei zu Beginn nur teilweise geöffnet und öffnet bei zunehmendem Druckausgleich immer mehr. Hierbei wird Arbeit geleistet, so dass der Generator 36 elektrische Energie erzeugt. Durch das geöffnete Absperrventil 76 der zweiten Arbeitsflüssigkeits-Rückleitung 74 steigt nicht nur der Arbeitsflüssigkeits-Pegel im Turbinenbehälter 30 sondern auch im Behälter 21 der zweiten Hydrostirling- Einheit 20, bis der Zustand der Figur 9 erreicht ist, in welchem die beiden Hydrostirling-Einheiten Ihre Zustände gegenüber Figur 5 getauscht haben. Nun beginnt der zweite Halb-Zyklus mit der isochoren Kompression im Behälter 21 der zweiten Hydrostirling-Einheit. Die Figur 10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer der Figur 1 entsprechenden Darstellungen. Grundsätzlich ist die Hydrostirling-Maschine des zweiten Ausführungsbeispiels aufgebaut wie die Hydrostirling-Maschine des ersten Ausführungsbeispiels, die beiden Hydrostirling-Einheiten 10 und 20 verfü- gen jedoch zusätzlich über eine Dampferzeugungseinheit 17, 27, welche jeweils aus einem Dampferzeuger 17b, 27b, einen Reservoir 17c, 27c und einen Rücklauf 17d, 27d besteht. Die Dampferzeuger erhalten ihre Wärme ganz oder überwiegend von der äußeren Wandung des Behälters unterhalb der Trennstelle zwischen heißem und kaltem Teil des Behälters und tragen somit zur gewünschten Kühlung bei. Der erzeugte Dampf wird - vorzugsweise als überhitzter Dampf (wozu ein nicht dargestellter zusätzlicher Überhitzer vorgesehen sein kann) - in den Turbinenbehälter eingespritzt (Bezugszeichen 100), In diesem Fall wird anstatt eines Druckausgleiches zwischen dem Turbinenbehälter und dem Behälter der zweiten Hydrostirling-Einheit der Turbinenbehälter derart mit Dampf ausge- presst, dass der In Figur 10 gezeigte Zustand statt des in Figur 8 gezeigten Zu- standes erreicht wird. Strömt dann kaltes Wasser von der ersten Hydrostirling- Einheit in den Turbinenbehälter, so kondensiert der überhitzte Wasserdampf sofort aus und es steht ein noch erhöhtes Druckgefälle zur Verfügung. Um zu erreichen, dass die Arbeitsflüssigkeitsmenge, das heißt hier Wassermenge, in der Hydrostirling-Maschine konstant bleibt, muss über den Rücklauf 17d kontinuierlich oder in gewissen zeitlichen Abständen Wasser entnommen werden. Da die Menge an eingespritztem überhitztem Wasserdampf sehr klein sein kann, ist es ausreichend, in gewissen zeitlichen Abständen Wasser zu entnehmen.
Die Figur 1 1 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel in einer der Figur 1 entsprechenden Darstellung. Es ist keine Dampfeinspritzungen dargestellt, diese kann jedoch zusätzlich vorhanden sein. Der Unterschied zu den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen besteht darin, dass zusätzlich zu den Arbeitsflüssigkeitsrückleitungen 70, 74 Bypass-Leitungen 71 , 75 vorgesehen sind, welche den Turbinenbehälter 32 und die Behälter 11 , 21 der Hydrostirling-Einheiten 20, 30 unter Umgehung der Pumpen 73, 76 und der Hebeeinrichtungen miteinander verbinden. In jeder Bypass-Leitung ist ein Sperrventil vorgesehen. Man könnte diese Bypass-Leitungen auch als zweite Arbeits- flüssigkeitsrückleitungen bezeichnen. Solange die Maschine mit geringer Frequenz (beispielsweise ein Zyklus pro Minute) und somit mit maximalem Wir- kungsgrad betrieben wird, können die Bypass-Leitungen in der Regel funktionslos bleiben. Soll jedoch die Maschine mit höherer Leistung und somit mit größerem Durchsatz an Arbeitsflüssigkeit betrieben werden, so kann es sinnvoll sein, dass ein Teil der vom Turbinenbehälter 32 in den jeweiligen Behälter 11 , 21 der betreffenden Hydrostirling-Einheit 10, 20 rücklaufenden Arbeitsflüssigkeit die Pumpe und die Hebeeinrichtung umgeht. Hierfür dienen die Bypass-Leitungen 71 , 75.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass in den Figuren 5 bis 11 die Hebeeinrichtungen nicht im Detail dargestellt sind, es jedoch zu bevorzugen ist, dass diese wie mit Bezug auf die Figuren 2 bis 4 beschrieben ausgebildet sind. Gründsätzlich ist es jedoch auch denkbar, Hebeeinrichtungen einzusetzen, welche vom Arbeitsflüssigkeitskreislauf unabhängig sind.
Die Figur 12 zeigt eine Möglichkeit, wie die thermische Trennung zwischen oberem Behälterbereich und unterem Behälterbereich während der Phase, in wel- eher sich der Verdrängerkolben 13 in seiner oberen Endstellung befindet, verbessert werden kann. Hierfür weist die Innenwand des Mantels des Behälters 11 eine nach unten weisende Stufe und der Zylindermantel 14 einen Anschlag auf. Weiterhin kann eine, vorzugsweise von der Stufe getragene, Dichtung 1 1c vorgesehen sein. Wie dargestellt, wird die Stufe vorzugsweise dadurch erzeugt, dass der Behälter 11 aus einem oberen Behälterteil 11a und einem an den oberen Behälterteil 11a angeflanschten unteren Behälterteil 11b besteht, wobei der obere Behälterteil 11 a einen kleineren Innendurchmesser als der untere Behälterteil aufweist. Der Anschlag des Zylindermantels 14 ist vorzugsweise als Sicke 14a ausgebildet. Stufe und Anschlag sind so angeordnet, dass der Anschlag an der Stufe beziehungsweise an der Dichtung 14a anliegt, wenn sich der Verdrängerkolben 13 in seiner oberen Endstellung befindet (s. beispielsweise Figur 10). Hierdurch wird erreicht, dass kein kaltes Wasser im Spalt zwischen Zylindermantel 14 und Innenseite des oberen Behälterteils 11a nach oben steigen kann, wenn sich der Verdrängerkolben in seiner oberen Endstellung befindet, wodurch die thermische Entkopplung verbessert wird. Natürlich kann die beschriebene Maßnahme bei beiden Hyd rostirli ng-E i nheiten 10, 20 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste
10 erste Hydrostirling-Einheit
11 Behälter
1 1a oberer Behälterteil
1 1b unterer Behälterteil
1 1c Dichtung
12 Heizkopf
13 Verdrängerkolben
13a Isolierung
13b Regenerator
14 Zylindermantel
14a Sicke
16 Hebeeinrichtung
17 Dampferzeugungseinheit
17b Dampferzeuger
17c Reservoir
17d Rücklauf
20 zweite Hydrostirling-Einheit
21 Behälter
22 Heizkopf
23 Verdrängerkolben
23a Isolierung
23b Regenerator
24 Zylindermantel
26 Hebeeinrichtung
27 Dampferzeugungseinheit
27b Dampferzeuger
37c Reservoir
37d Rücklauf
30 Turbineneinheit
32 Turbinenbehälter
34 Turbinenrad Generator
Druckgasflasche
Druckgasleitung
erste Arbeitsflüssigkeitsleitung
Sperrventil
Regeldüse
zweite Arbeitsflüssigkeitsleitung
Sperrventil
Regeldüse
erste Arbeitsflüssigkeitsrückleitung
erste Bypass-Leitung
Sperrventil
Pumpe
zweite Arbeitsflüssigkeitsrückleitung
zweite Bypass-Leitung
Pumpe
Sperrventil
Auftriebskörper der ersten Hydrostiriing-Einheit Bolzen
statisches Steigrohr
bewegliches Steigrohr
Öffnung
Lager
Deflektor
Dampfeinspritzung
Auftriebskörper der zweiten Hydrostiriing-Einheit Bolzen

Claims

Patentansprüche
1. Hydrostirling-Maschine mit:
wenigstens zwei Hydrostirling-Einheiten (10, 20), welche jeweils einen als stehender Zylinder ausgebildeten Behälter (11 , 21) aufweisen wobei für jeden Behälter (11 , 21) eine Heizeinrichtung zur Beheizung eines oberen Endes oder eines oberen Endbereichs vorgesehen ist und wobei im Inneren jedes Behälters (1 1 , 21) ein axial bewegliche, steuerbare Verdrängerkolbeneinheit mit einem Verdrängerkolben (13, 23), welcher einen Regenerator (13b, 23b) aufweist, angeordnet ist,
einer Energiewandler-Einheit und
einem gemeinsamen Arbeitsflüssigkeits-Kreislauf, welcher für jede Hydrostirling-Einheit wenigstens eine Arbeitsflüssigkeitsleitung (50, 60) aufweist, welche die Hydrostirling-Einheit mit der Energiewandler-Einheit verbindet,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Energiewandler-Einheit eine Turbineneinheit (30) ist, welche einen Turbinenbehälter (32) und ein in diesem Turbinenbehälter (32) angeordnetes Turbinenrad (34) aufweist,
dass sich die Arbeitsflüssigkeitsleitung (50, 60) zwischen den Hydrostirling-
Einheiten (10, 20) und der Turbineneinheit (30) derart erstrecken, dass Arbeitsflüssigkeit, welche von einer Hydrostirling-Einheit (10, 20) zur Turbineneinheit (30) fließt, zunächst auf das Turbinenrad (34) trifft und dann in einen Bereich des Turbinenbehälters (32) unterhalb des Turbinenrades (34) fällt,
dass der Arbeitsflüssigkeits-Kreislauf für jede Hydrostirling-Einheit (10, 20) wenigstens eine Arbeitsflüssigkeitsrückleitung (70, 74) aufweist, welche die Turbineneinheit (30) mit der Hydrostirling-Einheit (10, 20) verbindet, und dass jede Verdrängerkolbeneinheit einen sich vom Verdrängerkolben (13, 23) nach unten erstreckenden Zylindermantel (14, 24), dessen
Außenfläche im Wesentlichen mit der Außenfläche des Verdrängerkolbens (13, 23) fluchtet, aufweist.
2. Hydrostirling-Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskraft der Verdrängerkolbeneinheit jeweils derart größer als deren Gewichtskraft ist, dass der Regenerator (13b, 23b) auf der Arbeitsflüssigkeit schwimmt.
3. Hydrostirling-Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, jeder Verdrängerkolben eine den Regenerator (13b, 23b) umlaufende Isolierung (13a, 23a) aufweist, deren spezifisches Gewicht kleiner als das spezifische Gewicht der Arbeitsflüssigkeit ist und welche sich über das untere Ende des Regenerators (13b, 23b) erstreckt, so dass ein unterer Abschnitt der Isolierung (13a, 23a) in die Arbeitsflüssigkeit eintaucht.
4. Hydrostirling-Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verdrängerkolbeneinheit einen mit dem Verdrängerkolben (13, 23) verbundenen Auftriebskörper (90, 110) aufweist.
5. Hydrostirling-Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylindermantel (14, 24) zumindest einen Teil der Verbindung zwischen Verdrängerkolben (13, 23) und Auftriebskörper (90, 110) bildet.
6. Hydrostirling-Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (11 , 21) auf ihrer Innenseite jeweils eine nach unten weisende Stufe (11a) und die Zylindermäntel (13, 23) jeweils einen Anschlag zur Anlage an diese Stufe (1 1a) aufweisen.
7. Hydrostirling-Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Verdrängerkolben (13, 23) im Inneren des Behälters (11 , 21 ) jeder Hydrostirling-Einheit ein mit der Arbeitsflüssigkeitsrückleitung (70, 74) verbundenes statisches Steigrohr (92) und ein nach Art eines Kolbens in dem statischen Steigrohr (92) angeordnetes bewegliches Steigrohr (94) vorgesehen ist.
8. Hydrostirling-Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das statische Steigrohr (92) durch den Auftriebskörper (90) erstreckt.
9. Hydrostirling-Maschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Steigrohr (94) an seinem oberen Ende eine nach oben weisende Öffnung (95) aufweist.
10. Hydrostirling-Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (13) nicht fest mit dem beweglichen Steigrohr (94) verbunden ist.
1 1. Hydrostirling-Maschine nach Anspruch 9 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (13) einen zur Öffnung (95) weisenden Deflektor (98) aufweist.
12. Hydrostirling-Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenbehälter (32) eine Dampfeinspritzung (100) aufweist.
13. Hydrostirling-Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die der Dampfeinspritzung (100) zugeordneten Dampferzeuger (17b, 27b) jeweils mit der Außenwand eines Behälters (11 , 21) einer Hydrostirling- Einheit (10, 20) in Kontakt stehen.
14. Hydrostirling-Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Hydrostirling-Einheiten (10, 20) vorgesehen sind, in denen jeweils ein Stirling-Kreisprozess abläuft.
15. Hydrostirling-Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (34) ein Pelton- Turbinenrad ist.
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