DE102016004938A1

DE102016004938A1 - Stirlingmotor

Info

Publication number: DE102016004938A1
Application number: DE102016004938.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2016-04-23
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Der Stirlingmotor nach dem Prinzip von Suer, wie er in dem Patent DE 10 2008 004 075 B4 beim DPMA dokumentiert ist hatte schwerwiegende Dichtungsprobleme. Die beim Suer-Motor vorgeschlagen Membran- oder Balgzylinder als Arbeitszylinder (5) waren für höhere Drücke unzureichend. Die Abdichtung der Welle des Verdrängerkolbens (4) mit Wellendichtungen oder Stopfbuchse führte bei höherem Druck zu Reibungsverlusten. Das Problem der Undichtigkeit wird durch einen äußeren Kessel (20) gelöst, durch den das Motorinnenleben komplett umhüllt wird und der dadurch zunächst gasdicht ist. Als Arbeitszylinder (5) werden ein- oder mehrere Schläuche verwendet, die durch einen Kurbeltrieb periodisch zusammengedrückt werden. Sie gelten als reibungsarm und leckagenfrei, halten aber im Vergleich zu Membran- oder Balgzylindern größere Drücke im Bereich 30 [bar] aus. Die Abdichtung der Welle des Verdrängerkolbens (4) erfolgt durch eine Spalttopfmagnetkupplung. Dadurch wird vollständige Dichtheit bei gleichzeitiger reibungsfreier Kraftübertragung erreicht. Der Motor findet Anwendung als BHKW, Stromgenerator, als Solarkraftwerk, Rauchgaskraftwerk, Schiffsantrieb, Wasserpumpstation, Kältemaschine usw..

Description

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor, Wärmekraftmaschine nach dem Prinzip von Suer, dokumentiert beim DPMA, Patent DE 10 2008 004 075 B4 . Die Erfindung gilt nur als Verbesserung des selbigen und bezieht sich nicht auf allgemeine Stirlingmotoren. Die Teile mit den Bezugszeichen (1) bis (6) sind der unveränderter Stand der Technik und die Teile mit den Bezugszeichen (20) bis (25) dienen der Verbesserung der Erfindung.
Der Stand der Technik gilt als bekannt und kann in der zitierten Patentschrift eingesehen werden.
Die Wärmedehnung, des als Rohrhalbschale ausgebildeten Erhitzers (2), erwies sich als schwerwiegendes Problem für die Dichtheit des Prototypmotors. Verschiedene Konstruktionen zur Lösung des Problems wurden nicht weiter verfolgt, weil die Dichtheit der Maschine nicht mit letzter Sicherheit garantiert werden konnte, insbesondere in Hinsicht auf Langlebigkeit von Dichtflächen, die bei der Wärmeausdehnung aufeinander reiben. Um Langzeittests zu vermeiden wurde nach einer konstruktiven Lösung gesucht, um in jedem Fall nahezu 100% Dichtheit zu gewährleisten.
Die Verwendung von Membran- oder Balgzylindern als Arbeitszylinder (5), wie für den Suer-Motor vorgeschlagen wurde, gilt als reibungsarm und leckagenfrei, kann aber nur begrenzt bei höherem Druck angewendet werden.
Die Abdichtung der Welle (24) des Verdrängerkolbens (4) mit Wellendichtungen oder Stopfbuchse führt bei höherem Druck zu Reibungsverlusten.
Das Problem der Undichtigkeit wird durch einen äußeren Kessel (20) gelöst, durch den das Motorinnenleben komplett umhüllt wird und der dadurch zunächst technisch gasdicht ist. Der als Rohrhalbschale ausgebildeten Erhitzer (2) ist mit dem Kessel mechanisch verbunden so dass der Wärmestrom bei äußerer Erwärmung des Kessels (20) zum Erhitzer (2) durchgeleitet wird. Der als Rohrhalbschale ausgebildeten Kühler (1) erhält eine zusätzliche Wärmeisolierung (21), um ihn gegen den heißen Kessel (20) abzuschirmen. Die Wasserrohre des Kühlers für Zu- und Ablauf sind durch den äußeren Kessel (20) hindurch nach außen geführt und mit handelsüblichen Rohrdichtungen technisch gasdicht abgedichtet.
Als Arbeitszylinder (5) werden ein- oder mehrere Schläuche verwendet, die durch ein Getriebe (6) wie z. B. Kurbelgetriebe periodisch zusammengedrückt werden. Sie gelten ebenfalls als reibungsarm und leckagenfrei, halten aber im Vergleich zu Membran- oder Balgzylindern größere Drücke im Bereich 30 [bar] aus. Um das heiße Arbeitsgas (Luft, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff) von den Schläuchen fernzuhalten haben sie eine Wasserbefüllung (22). Der zyklisch auf- und absteigende Wasserspiegel (23) wirkt dabei als eine Art Arbeitszylinder. Da Wasser als technisch inkompressibel gilt, ist der wasserbefüllte Raum kein zusätzlicher Totraum und wirkt nicht dämpfend auf den Stirlingprozess.
Die Abdichtung der Antriebswelle (24) des Verdrängerkolbens (4) erfolgt durch eine Spalttopfmagnetkupplung (25). Dadurch wird vollständige Dichtheit bei gleichzeitiger reibungsfreier Kraftübertragung erreicht.
Für die drei genannten Problemlösungen, „äußeren Kessel (20)”, „Schläuche als Arbeitszylinder (5)” und „Antriebswelle (24) mit Spalttopfmagnetkupplung (25)” wird Patentschutz beantragt. Zum besseren Verständnis ist der alte Suermotor in 1 dargestellt und der verbesserte erfindungsgemäße Motor, für den Schutz beantragt wird in 2 und 3.
Der Motor findet Anwendung als BHKW, Stromgenerator, als Solarkraftwerk, Rauchgaskraftwerk, Schiffsantrieb, Wasserpumpstation, Kältemaschine usw..
Als Verbesserung des Stirling-Prozesses gegenüber dem Stand der Technik kommen zum einen die für den Suermotor bereits bekannten Verbesserungen zum Tragen, weil dessen wirtschaftliche Ausnutzung durch diese Erfindung erst möglich wird. Darüber hinaus hat der Motor im Vergleich zu anderen Stirlingmotoren durch die Verwendung von Schläuchen als Arbeitszylinder (5) und der Spalttopfmagnetkupplung (25) weniger Reibungsverluste. Man könnte eine weitere Leistungssteigerung von 10% erwarten.
Mit Bezug auf die 2–3 soll nachfolgend das Prinzip eines erfindungsgemäßen Suer-Motors erläutert werden.
Der in den Figuren gezeigte Verdrängerkolben (4) ist in einer Röhre drehbar gelagert. Die Röhre besteht der Länge nach aus aus zwei Halbschalen, von denen eine Halbschale als Kühler (1) und eine Halbschale als Erhitzer (2) dient. Die heiße Halbschale des Erhitzers (2) wird von außen z. B. durch Gas-, Ölbrenner, Porenbrenner, heiße Gase oder Sonnenstrahlung erwärmt. 2 zeigt den Verdrängerkolben (4) in der Startposition großer Durchmesser oben, ausgefräster kleinerer Durchmesser unten. Dadurch befindet sich das Arbeitsmedium (z. B. Luft) in dem freien Sektor, der aus dem Verdrängerkolben (4) und der Erhitzerhalbschale (2) gebildet wird. Der als Arbeitszylinder wirkende Schlauch (5) expandiert und führt isotherm kinetische Energie an das äußere Getriebe (6) ab. Das Getriebe (6) sorgt für die Synchronisierung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen sowie Energiezwischenspeicherung. Die Energiezwischenspeicherung erfolgt z. B. mit einer Schwungscheibe. Dann dreht sich der Verdrängerkolben (4) um ca. 156° im Uhrzeigersinn und schiebt das Arbeitsmedium Gas durch eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen durch den Regenerator (3) im Inneren des Verdrängerkolben (4). Dabei wird Wärme an den Regenerator (3) abgegeben, was den Betriebsdruck senkt. Gleichzeitig strömt das Arbeitsgas durch eine Vielzahl Durchgangsbohrungen 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 als Arbeitszylinder wirkenden Schlauch (5) komprimiert. Die kinetische Energie für die Kompression wird zum Teil der gespeicherten Energie des Getriebes (6) entnommen. Die überschüssige Energie ist die produzierte Nutzenergie, die die Maschine nach außen abgibt. Die Kühlerhalbschale (1) besitzt einen internen Kühlwasserkreislauf, durch den die Wärme z. B. an eine äußere Fußbodenheizung abgegeben wird. Sie hat ihrerseits eine Wärme-isolierung (21), um sich gegen den heißen Kessel (20) abzuschirmen. Im nächsten Vierteltakt dreht sich der Verdrängerkolben (4) gegen den Uhrzeiger zurück in die Startposition. Das Gas strömt durch eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen wieder zurück durch den Regenerator (3) und nimmt die vorher gespeicherte Wärme wieder auf, wodurch es zu einem Druckanstieg kommt. Die weitere Wärmeaufnahme im Erhitzer (2) dient der isothermen Arbeitsabgabe an den als Arbeitszylinder wirkenden Schlauch (5), wodurch der Kreislauf von neuem beginnt.
Bezugszeichenliste

1: Kühler
2: Erhitzer
3: Regenerator
4: Verdrängerkolben
5: Arbeitskolben
6: Getriebe
20: Kessel
21: Wärmeisolierung
22: Wasserbefüllung
23: Wasserspiegel
24: Antriebswelle
25: Spalttopfmagnetkupplung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008004075 B4 [0001]

Claims

Stirlingmotor, wie dokumentiert beim DPMA als Patent DE 10 2008 004 075 B4, 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 Arbeitszylinder (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. Kühler (1), und Erhitzer (2) sind als Rohrhalbschalen ausgebildet, zwischen denen der Verdrängerkolben (4) drehbar gelagert ist. Der Verdrängerkolben (4) ist ein reversierend oszillierender Rotationskolben. Zur Speicherung der kinetischen Energie ist eine Schwungmasse oder Energiepuffer vorhanden. Der Verdrängerkolben (4) ist hohl ausgebildet. Sein Hohlraum ist mit Wärmespeichermaterial gefüllt, so dass der Verdrängerkolben (4) einen internen Regenerator bildet. Das Getriebe (6) ist ein Schritt-, Hebel-, Hydraulik- oder Kurbelgetriebe.
Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorinnenleben, mit den wesentlichen Bestandteilen Kühler (1), Erhitzer (2), Regenerator (3) und Verdrängerkolben (4), komplett durch einen äußeren Kessel (20) umhüllt wird und dadurch technisch gasdicht ist.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitszylinder (5) ein- oder mehrere Schläuche verwendet werden, die im Vergleich zu einer Zylinder-Kolbenanordnung reibungsärmer sind.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schläuche eine Wasserbefüllung (22) haben, um das heiße Arbeitsgas (z. B. Luft, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff) von den Schläuchen fernzuhalten.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Schläuchen zyklisch auf- und absteigende Wasserspiegel (23) als eine Art Arbeitszylinder wirkt, wodurch das technisch inkompressible Wasser keinen zusätzlichen Totraum darstellt und nicht den Stirlingprozess dämpft.
Stirlingmotor nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (24) des Verdrängerkolbens (4) durch eine Spalttopfmagnetkupplung (25) angetrieben wird, wodurch der Antrieb bei vollständige Dichtheit zum äußeren Kessel (20) mit gleichzeitig reibungsfreier Kraftübertragung, erfolgt.