DE102009030173A1

DE102009030173A1 - Stirlingmaschinen mit Verdrängung durch Pumpenmechanismus

Info

Publication number: DE102009030173A1
Application number: DE200910030173
Authority: DE
Inventors: Martin Mais
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Bei Stirlingmaschinen können zur Erhöhung der Oberfläche (und somit der Leistung) keine komplexen Oberflächen wie z. B. Lamellen verwendet werden, da ein Verdränger mit der entsprechenden Gegenform zu viel Totvolumen mit sich bringen würde. Das Arbeitsmedium wird aus der kalten/warmen Zone nicht mit einem Verdränger herausgeschoben, sondern mittels eines Pumpenmechanismus herausgesogen und in die andere Zone hineingedrückt. Dabei macht man sich zu Nutze, daß man mit einem großen Druck im Arbeitsmedium eine größere Wärmezu-/abfuhr erzielt als mit einem kleinen Druck. Die Oberfläche der kalten/warmen Zone kann nun mit einfachen Maßnahmen (z. B. Auffüllen mit vielen kleinen Kügelchen) extrem vergrößert werden. Ein Stirlingmotor besagter Bauart ist dafür geeignet aus nahezu beliebigen Wärmequellen Strom zu erzeugen.

Description

Betroffene technische Gebiete

Heißluftmotore (Stirlingmotore), Kältemaschinen und Wärmepumpen (speziell nach dem Stirling-Prinzip), Steuerungstechnik, Linearantriebe

Stand der Technik/Beschreibung der Mängel
Stirlingmaschinen allgemein
Als Stirlingmaschinen werden Maschinen bezeichnet, die Wärme in mechanische Arbeit umsetzten (Strilingmotor) oder die mechanische Arbeit in Wärmeunterschiede umsetzen (Wärmepumpe, Kältemaschine) und deren Arbeitsweise dem Carnot-Prozess zumindest ähnelt.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Stirlingmotore, die beschriebenen Probleme und Lösungsansätze lassen sich aber grundsätzlich auch auf Wärme-/Kältemaschinen anwenden.
Stirlingmotore allgemein
Stirlingmotore besitzen im Allgemeinen eine warme und eine kalte Zone. Ein gasförmiges Arbeitsmedium wird durch einen Verdränger abwechselnd in die kalte/in die warme Zone befördert. Ist es in der warmen Zone, so dehnt es sich aus, und bewegt einen Arbeitskolben, der nun Arbeit verrichten kann. Ist es in der kalten Zone, so zieht es sich zusammen, und zieht den Arbeitskolben zurück.
Die Wärme wird in der Regel durch das Gehäuse des Stirlingmotors zugeführt (und abgeführt). Um einen leistungsfähigen Stirlingmotor zu erhalten, ist es nötig, die Oberfläche, möglichst groß zu gestalten. Um die Bauform nicht all zu groß werden zu lassen, kann dies durch Anbringen von Fingern, Lamellen oder Ähnlichem geschehen.
Der Verdränger befördert das Medium von der warmen in die kalte Zone, indem er selber den Platz in der warmen Zone einnimmt. Dabei ist es wünschenswert, daß das Arbeitsmedium möglichst vollständig aus der warmen Zone entfernt wird, da verbleibendes Restmedium sich weiter Ausdehnen wird und so dem zusammenziehenden Arbeitsmedium in der kalten Zone entgegenwirkt.
Wenn die warme und die kalte Zone innen mit Fingern, Lamellen oder Ähnlichem ausgestattet ist, so muß der Verdränger natürlich eine entsprechende Gegenform aufweisen, damit das Arbeitsmedium zwischen den Fingern, den Lamellen möglichst gut verdrängt wird. Dies ist technisch jedoch schwierig zu realisieren, da aufgrund von Wärmeausdehnung und Fertigungstoleranzen zwischen dem Gehäuse und dem Verdränger immer etwas Luft gelassen werden muß. Will man eine große Oberfläche erreichen, so muß auch an vielen Stellen Luft gelassen werden, man erhält einen großen Raum für Restmedium.
Stirlingmotore gibt es in verschiedenen Bauformen. Die beiden Forderungen müssen aber im Prinzip immer möglichst gut erfüllt sein, sind aber schwierig unter einen Hut zu bringen.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde einen Stirlingmotor so zu gestalten, daß man eine möglichst große Oberfläche für einen möglichst guten Wärmeübergang hat, gleichzeitig aber das Arbeitsmedium möglichst vollständig von der einen Zone in die andere Zone bewegen kann.
Lösungsprinzip
Die Idee ist nun das Arbeitsmedium nicht mit einem Verdränger aus der einen Zone heraus in die andere zu verdrängen, sondern es mit einer Art Pumpe aus der einen Zone herauszusaugen und in die andere hineinzudrücken.
Eine mögliche Realisierung ist in 1 dargestellt. Die warme Zone (1) wird von außen beheizt und ist innen mit einer sehr großen Oberfläche ausgestattet um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen. Sie kann beispielsweise mit kleinen Kupferkügelchen oder mit Stahlwolle gefüllt sein. Die kalte Zone (2) wird von außen gekühlt und ist ebenfalls innen mit einer großen Oberfläche ausgestattet.
In 1 ist der Stirlingmotor im Ausgangszustand, kalte und warme Zone sind miteinander verbunden. Wir nehmen zunächst an, der Innendruck ist mit dem Umgebungsdruck identisch.
Nun wird der rechte Arbeitskolben (5) durch einen elektromagnetischen Linearantrieb (6) nach links gefahren (Schritt 1), wie in 2 dargestellt. Da der rechte Arbeitskolben (5) an dem Spalt zur kalten Zone (2) vorbeigefahren ist, ist das Arbeitsmedium nun in zwei Teile geteilt worden. Ein Teil wurde in die warme Zone (1) gedrückt und steht dort unter Überdruck. Aufgrund des Überdrucks findet ein guter Wärmeübergang auf das Arbeitsmedium statt. Der zweite Teil befindet sich in der kalten Zone (2) und im Kolbenraum unter Unterdruck. Aufgrund des Unterdrucks findet ein schlechter Wärmeübergang weg vom Arbeitsmedium statt. Der Druck des Arbeitsmediums in der warmen Zone wird aufgrund der Erwärmung merklich ansteigen, der Druck in der kalten Zone jedoch aufgrund der schlechten Kühlung kaum sinken (Schritt 2).
Durch den rechten Linearantrieb (6) wird der rechte Arbeitskolben (5) zurück in die Ausgangsstellung gefahren (1). In dem Moment, in dem der rechte Arbeitskolben (5) am Spalt zur kalten Zone (2) ankommt und die beiden Zonen wieder miteinander verbunden sind, würde das Arbeitsmedium aufgrund des verbleibenden Druckunterschiedes von der warmen in die kalte Zone strömen. Um dies zu verhindern und die Energie möglichst gut auszunutzen muß der linke Arbeitskolben (4) angetrieben durch den Linearantrieb (3) etwas nach links fahren, um im Moment des Öffnen des Spaltes Druckgleichheit zu erzeugen (Schritt 3).
Nun fährt der linke Arbeitskolben (4) nach Rechts (3) (Schritt 4). In der warmen Zone (1) herrscht nun Unterdruck, es findet kaum ein Wärmeübergang auf das Arbeitsmedium statt. In der davon getrennten kalten Zone (2) herrscht nun jedoch ein Überdruck, das Medium kann sich gut abkühlen (Schritt 5). Zum Schluß fährt der linke Arbeitskolben (4) wieder zurück nach links, der rechte Arbeitskolben (5) fährt so, daß in dem Moment, in dem der linke Arbeitskolben (4) den Spalt erreicht, wieder Druckgleichheit herrscht (Schritt 6). Der Strilingmotor ist wieder im Ausgangszustand.
In den Schritten 1–3 wird in Summe durch die Arbeitskolben Arbeit an den Linearantrieben verrichtet. In den Schritten 3–6 müssen die Linearantriebe in Summe Arbeit an die Arbeitskolben abgeben. Da die kalte Zone (2) ein größeres Volumen besitzt, als die warme Zone (1), der Überdruck in der kalten Zone im Schritt 5 folglich geringer ist als der Überdruck in der warmen Zone im Schritt 2, ist die Arbeit aus den Schritten 1–3 größer als die aus den Schritten 4–6, es wird insgesamt also Arbeit verrichtet.
Aus dieser Beschreibung ist der Zusammenhang mit klassischen Strilingmotoren noch nicht ersichtlich, er besteht aber dennoch. Wir betrachten im Folgenden nur den „aktiven” Teil des Arbeitsmediums. Fasst man die Schritte 6 und 1 zusammen, so erhält man insgesamt eine Kompression, da das Arbeitsmedium von der größeren kalten Zone in die kleinere warem Zone transportiert wurde. Schritt 2 stellt die Phase der Erwärmung dar. Die Schritte 3 und 4 lassen sich zu einer Expansion zusammenfassen, da das Arbeitsmedium von der kleineren warmen Zone in die größere kalte Zone transportiert wird. Schritt 5 stellt die Phase der Abkühlung dar. Man erhält also insgesamt eine Abfolge, wie man sie von klassischen Strilingmotoren her kennt.
Durch einen geeigneten mechanischen Aufbau muß erreicht werden, daß der Überdruck immer deutlich über dem Unterdruck liegt, damit der Wärmeübergang, der in der Unterdruck-Zone stattfindet, stets vernachlässigt werden kann.
Durch einen geeigneten mechanischen Aufbau muß des Weiteren erreicht werden, daß der unter Überdruck stehende Teil des Arbeitsmediums möglichst vollständig in der entsprechenden Zone ist und ein möglichst geringer Rest im Kolbenraum verbleibt. Dies ist in 2 so nicht dargestellt, da es sich hierbei nur um eine prinzipielle Darstellung handelt.
In einem Strilingmotor der beschriebenen Bauart kann schon in der Ausgangsstellung ein Überdruck eingebracht werden, er kann also „aufgeladen” werden, wie dies bei gängigen Stirlingmotoren der Fall ist. Der Arbeitsablauf ergibt sich entsprechend.
Man stelle sich nun vor, der Aufbau aus 1 wird noch einmal vollständig umhaust (gekapselt). Aus dieser Kapsel würden nur Leitungen für die beiden Linearantriebe und Rohre für die Wärmezu- und abführung herausgehen. Diese lassen sich problemlos abdichten, da sie sich nicht bewegen. Nun kann man einfach die Abdichtung der Kolbenstangen (8) weglassen. Der „inaktive” Teil des Arbeitsmediums ist dann direkt mit dem Medium im Innenraum der Kapsel verbunden, was die Funktion aber nicht beeinträchtigt. Eine leichte Undichtigkeit der Kolbendichtungen (7), die sich Aufgrund des bewegenden Kolbens nicht vollständig vermeiden läßt, vermindert zwar die Leistung des Stirlingmotors, führt aber nicht zu einem Verlust an Arbeitsmedium, da dieses ja insgesamt nicht aus der Kapsel entweichen kann. Es wird sich lediglich über einige Zeit hinweg der durchschnittliche Druck im Stirlingmotor und der Druck in der Kapsel angleichen.
Anwendung
Ein Stirlingmotor besagter Bauart ist dafür geeignet aus nahezu beliebigen Wärmequellen Strom zu erzeugen. Es muss lediglich ein genügend großer Temperaturunterschied vorhanden sein, da sonst der Wirkungsgrad und die Leistung zu gering sind.

Claims

Stirlingmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium mittels eines Pumpenmechanismus in der kalten Zone auf einen geringen und in der warmen Zone auf einen großen Druck gebracht werden kann, wodurch insgesamt dem Arbeitsmedium deutlich mehr Wärme zu- als abgeführt wird, es sich also erwärmt.
Stirlingmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium mittels eines Pumpenmechanismus in der kalten Zone auf einen großen und in der warmen Zone auf einen geringen Druck gebracht werden kann, wodurch insgesamt dem Arbeitsmedium deutlich weniger Wärme zu- als abgeführt wird, es sich also abkühlt.
Stirlingmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenmechanismus so realisiert ist, daß das Arbeitsmedium mittels zweier Kolben aus dem Pumpenraum in die kalte/warme Zone gedrückt und aus diesen zurück in den Pumpenraum gesogen werden kann.
Stirlingmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben mit einem Linearantrieb bewegt werden, der als Motor und Generator arbeiten kann.
Stirlingmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund einer Kapselung der ganzen Maschine 5.1 diese aufgeladen (unter Druck gesetzt) werden kann. 5.2 auf eine Abdichtung der Kolbenstangen verzichtet werden kann. 5.3 eine minimale Undichtigkeit der Kolbendichtungen nicht zu einem Verlust an Arbeitsmedium führt.