DE102008004075B4

DE102008004075B4 - Stirlingmotor

Info

Publication number: DE102008004075B4
Application number: DE200810004075
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-12
Filing date: 2008-01-12
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2028-01-13
Also published as: DE102008004075A1; WO2009086823A3; WO2009086823A2

Abstract

Stirlingmotor vom Gammatyp, bestehend aus 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), einem Arbeitskolben (5) für die Abgabe der gewonnenen kinetischen Energie und einem Getriebe (6) für die Synchronisierung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen sowie Energiezwischenspeicherung, wobei der Verdrängerkolben (4) als ein reversierender Rotationskolben ausgeführt ist und Kühler (1) und Erhitzer (2) sind als Halbschalen ausgebildet, zwischen denen der Verdrängerkolben (4) drehbar gelagert ist.

Description

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. Systematisch gehört die hier beschriebene Erfindung in die Familie der Gammatyp-Stirlingmaschinen. Das heißt, es gibt einen Verdrängerkolben und einen Arbeitskolben, wobei beide Kolben in getrennten Zylindern untergebracht sind. 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 Kühl- oder 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 Verfugung, 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 A1 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 A1 bekannt. Infolge der Rotation kann dieser Stirlingmotor nicht mit einem Regenerator betrieben werden.
Die US 3,460,344 A beschreibt darüber hinaus einen Stirlingmotor vom Gammatyp, bestehend aus einem Kühler, einem Erhitzer, einem Regenerator, einem Verdrängerkolben, zur Hin- und Herbewegung eines Arbeitsmediums zwischen Kühler und Erhitzer durch den Regenerator, einem Arbeitskolben für die Abgabe der gewonnenen kinetischen Energie und einem Getriebe für die Synchronisierung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen sowie Energiezwischenspeicherung, wobei der Verdrängerkolben als ein reversierender Rotationskolben ausgeführt ist. Dieser Stirlingmotor muss allerdings auf externe Erhitzer zurückgreifen und weist daher einen großen Totraum auf.
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.
Durch die Geometrie des Verdrängerkolbens werden die Moleküle des Arbeitsmediums dicht an den Heiz- und Kühlflächen vorbeigeführt. Dadurch ergibt sich ein verbesserter, kontrollierter Wärmeübergang. Die Heiz- und Kühlflächen werden alternierend durch den rotatorisch reversierenden Verdrängerkolben abgeschirmt (abgedeckt). Daraus folgt im Vergleich zu vielen anderen Stirlingmaschinen eine Verminderung des schädlichen und unbeabsichtigten Fehlerwärmestroms im Sinne eines Wärmeverlustes. Regenerator, Erhitzer und Kühler lassen sich wie ein Stranggussprofil axial beliebig verlängern, zum Beispiel 50 Meter lang. 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 umgehen. Durch die der Länge nach nahezu frei steigerbare Flächenvergrößerung für Erhitzer, Regenerator und Kühler kann der thermodynamisch optimale Wärmefluss abgestimmt werden. Auf Grund der Panelengeometrie eignet sich dieser Stirlingmotor für eine Modulbauweise. Anwendungen sind Großkraftwerke, wo die Panelmodule wie ein Fußballfeld zu einer Fläche zusammengesetzt werden. Möglich ist es auch, die Panelmodule ringförmig zum Beispiel zu einem Hexagon, Oktagon oder einem regelmäßigen Vieleck zusammenzusetzen. Nutzungen für Großkraftwerke dieser Bauart sind Kraft-Wärmekopplung, Stromgeneratoren, Solarpumpkraftwerke, Solarkühlung, insbesondere die Nutzung von Niedertemperaturwärme. 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. Durch den dreifach verbesserten Wärmeübergang am Erhitzer, am Regenerator und am Kühler, sowie der Möglichkeit, dem Regenerator entlang der langen Panelachse die „nötige Masse” zu verleihen, ist ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, so das mit dem Stirlingprozess endlich der lange erwartete Durchbruch gelingt, insbesondere zur Verbesserung der Umweltbedingungen.
Mit Bezug auf die 1–5 soll nachfolgend das Prinzip eines erfindungsgemäßen Stirlingmotors erläutert werden.
Der in den Figuren gezeigte Verdrängerkolben (4) ist in einer Röhre drehbar gelagert. Die Röhre besteht der Länge nach aus zwei Halbschalen, von denen eine Halbschale als Kühler (1) und eine Halbschale als Erhitzer (2) dient. 3 zeigt den Verdrängerkolben (4) in der Startposition großer Durchmesser oben, ausgefräster kleinerer Durchmesser unten. Dadurch befindet sich das Arbeitsmedium in dem freien Sektor, der aus Verdrängerkolben (4) und Erhitzerhalbschale (2) gebildet wird. Der Arbeitskolben (5) expandiert und führt isotherm kinetische Energie an das äußere Getriebe (6) ab. Dann dreht sich der Verdrängerkolben (4) um 165'' gegen den Uhrzeiger und schiebt das Arbeitsmedium Gas gegen den Anschlag (7) durch eine Vielzahl Auslassbohrungen (10) in den Regenerator (3), wobei es Wärme an den Regenerator (3) abgibt, um den Betriebsdruck weiter zu senken. Gleichzeitig strömt das Gas durch eine Vielzahl obere Auslassbohrungen (9) in das obere Segment, das sich nunmehr zwischen Verdrängerkolben (4) und Kühlerhalbschale (1) bildet. Das Gas führt Wärme über die Kühlerhalbschale (1) ab, und wird isotherm durch den Arbeitskolben (5) 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 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.
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. Egal ist dabei, ob der Verdrängerkolben (4) das Arbeitsmedium durch einen externen Regenerator schiebt, wie es in 1 gezeigt wird, oder ob der Verdrängerkolben (4) selber als Regenerator dient und einen internen Regenerator bildet, wie dies in 5 gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

1: Kühler
2: Erhitzer
3: Regenerator
4: Verdrängerkolben
5: Arbeitskolben
6: Getriebe
7: Anschlag
9: Auslassbohrungen
10: Auslassbohrungen

Claims

Stirlingmotor vom Gammatyp, bestehend aus 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), einem Arbeitskolben (5) für die Abgabe der gewonnenen kinetischen Energie und einem Getriebe (6) für die Synchronisierung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen sowie Energiezwischenspeicherung, wobei der Verdrängerkolben (4) als ein reversierender Rotationskolben ausgeführt ist und Kühler (1) und Erhitzer (2) sind als Halbschalen ausgebildet, zwischen denen der Verdrängerkolben (4) drehbar gelagert ist.
Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) ein reversierend oszillierender Rotationskolben ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung kinetischer Energie eine Schwungmasse oder ein Energiepuffer vorhanden ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (3) parallel zur gemeinsamen Kühler-Erhitzer-Verdrängerkolbenachse angeordnet und radial vom Verdrängerkolben (4) angeströmt ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) hohl ausgebildet und der Hohlraum mit Wärmespeichermaterial gefüllt ist, sodass der Verdrängerkolben (4) einen internen Regenerator bildet.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) ein Schrittgetriebe, Hebelgetriebe, Hydraulikgetriebe oder Kurbeltrieb, jeweils zur diskontinuierlichen Verdrängersteuerung ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor als Panelmodul in einer Ebene zusammensetzbar ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor ringförmig als Hexgon, Oktagon oder regelmäßiges Vieleck zu einem Mehrzylindermotor zusammensetzbar ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor in einer Parabolspiegelwanne verwendbar oder mit Fresnelkollektoren zur Solarstromgewinnung kombinierbar ist.
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.
Stirlingmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen und Bälge aus elastischem Kunststoff oder Metall bestehen.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Luft, Wasserstoff oder Helium ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) flüssig ist.
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 führt, um einen effektiven Wärmeübergang zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 14, 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.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (4) alternierend die Heiz- und Kühlflächen abschirmt und damit verdeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor in einer Parabolspiegelwanne oder mit Fresnellkollektoren zur Solarstromgewinnung verwendet wird.