DE10234401A1 - Regenerator für das Arbeitsgas eines Stirlingmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Regenerator zur kurzzeitigen Speicherung und Wiederabgabe der Wärme eines abwechselnd in zwei Richtungen strömendes Gases in einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Wärmekraftmaschine. Der Regenerator ist ausgebildet in der Form eines dickwandigen Rohres, das von einer Stirnseite zur anderen eine durchgehende Materialstruktur aufweist, die vorwiegend durch die Verwendung und Anordnung von massenproduzierten Elementen so ausgebildet sind, dass das Arbeitsmedium, vorzugsweise Luft, den Regenerator von einer Stirnseite zur anderen mit regeneratorischer Wirkungsweise durchströmen kann. DOLLAR A Die Erfindung erlaubt eine einfache und preiswerte Herstellungsweise des Regenerators. Besonders die Kombination mehrerer verschiedener Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften ist vorteilhaft. So kann man eine zwar mechanisch empfindliche aber gut regeneratorisch wirkende Struktur, die für sich allein weder hohen Temperaturen standhalten würde, noch den mechanischen Belastungen gewachsen wäre, durch eine schützende vorgelagerte stabile Struktur mit für sich allein nicht ausreichender regeneratorischer Effizienz so ergänzen, dass die Temperaturspitzen und mechanische Belastungen durch die stabile Struktur aufgenommen werden, während die hauptsächliche regeneratorische Funktion durch die empfindliche Struktur erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Regenerator zur kurzzeitigen Speicherung und Wiederabgabe der Wärme eines abwechselnd in zwei Richtungen strömenden Gases in einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Wärmekraftmaschine.
• Es ist bekannt, dass bei einem Stirlingmotor Regeneratoren eingesetzt werden, die vom Arbeitsmedium durchströmt werden, wobei diese zwischen einem heißen und einem kalten Raum hin- und hergeschoben wird. Durch eine entsprechende Mechanik wird bei diesen Vorgängen das Volumen des Arbeitsmediums durch Expansion und Kompression in der Weise verändert, dass mechanische Energie erzeugt wird. Dabei wird durch diesen Prozess der heißen Seite Wärme entzogen und der kalten Seite Wärme zugeführt, was einerseits durch äußere Wärmeeinspeisung auf der heißen Seite und andererseits durch Kühlung auf der kalten Seite ausgeglichen werden muss. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades dient hierbei ein Regenerator, der die Wärme des von der heißen Seite kommenden Arbeitsmediums vor Eintritt in einen oder mehrere Kühler solange zwischenspeichert, bis sie bei Strömungsumkehr wieder an das vom Kühler zur heißen Seite strömenden Medium abgegeben werden kann.
• Die Erfindung bezieht sich auf einen solchen Wärmespeicher für das Arbeitsmedium einer nach dem Stirlingprinzip betriebenen Wärmekraftmaschine, bei welcher in bekannter Weise mittels eines durch ein Kurbelgetriebe gesteuerter hin- und hergehender Verdrängerkolben die Verschiebevorgänge von heiß nach kalt und umgekehrt vornimmt, wobei die Strömungsführung so ausgelegt ist, dass das Arbeitsmedium von dem jeweiligen durch den Verdrängerkolbenweg verkleinerten Volumen auf einer Seite des Kolbens hin zu dem durch den Verdrängerkolbenweg im gleichen Maße vergrößerten Volumen auf der anderen Seite des Kolbens fließt und dabei den um den Verdrängerkolben herum ringförmig angeordneten Regenerator durchströmen muss. Im Strömungsweg zwischen Kühler und der kalten Seite des Verdrängerkolbens besteht ein abzweigender Verbindungsweg zu einem Arbeitskolben, der seinerseits durch eine mit dem Hub des Verdrängerkolbens synchronisierte oszillierende Bewegung für Expansions- und Kompressions-Vorgänge im Arbeitsgas der Maschine sorgt.
• Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe des Regenerators ist es, die im Arbeitsgas nach Verlassen des Erhitzers mitgeführte Wärme möglichst vollständig an das Material der Regeneratorstruktur abzugeben, bevor das Arbeitsgas in den Kühler eintritt. Wenn im nächsten Schritt des Arbeitszyklus das im Kühler abgekühlte Arbeitsgas zurückströmt, soll die zuvor im Regeneratormaterial gespeicherte Wärme wieder möglichst vollständig an das Arbeitsgas abgegeben werden, bevor es in den Erhitzer eintritt. Durch diese Funktion ergibt sich eine immer heiße Seite und eine immer kalte Seite des Regenerators. Daraus entsteht die weitere Aufgabe, den Verlust durch direkten Wärmetransport durch das Material von der heißen auf die kalte Seite so weit wie möglich zu verhindern. Gleichzeitig gilt es, den dem strömenden Arbeitsgas entgegengesetzten Widerstand durch die Regeneratorstruktur so gering wie möglich zu halten.
• Es sind Regeneratorstrukturen bekannt, die beispielsweise aus Stahlwolle oder ähnlichem lockerem Gespinst bestehen. Diese erfüllen die Anforderungen indes nur teilweise; nachteilig ist hier insbesondere die nicht sehr genau reproduzierbare homogene Dichte und die geringe mechanische Stabilität, so dass sich die Strukturen durch die einwirkenden Strömungskräfte während eines längeren Betriebes erheblich ändern können. Die Verformbarkeit des Materials führt nicht nur dazu, dass sich im Verlaufe des Betriebes bevorzugte Strömungsgassen durch die Struktur ausbilden, welche die Effizienz mindern, sondern auch zum Abbrechen feiner Fasern, die sich in der Folge durch sämtliche Gaswege ausbreiten und an den reibenden und dichtenden Stellen des Motors stark lebensdauereinschränkende Schäden verursachen.
• Andere Regeneratorstrukturen, beispielsweise übereinander geschichtete feine Drahtgitter, vermeiden zwar einige der vorbeschriebenen Nachteile, sind jedoch nur mit hohem Aufwand herzustellen und in der richtigen Lage zu fixieren. Weitere speziell entwickelte Sonderstrukturen sind ebenfalls durch hohe Preise gekennzeichnet, da sie kein Massenprodukt sind. Bei der kommerziellen Verwertung der Stirlingtechnik spielt indes das Kostenargument eine dominierende Rolle.
• Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einem zylinderförmigen Ringregenerator-Element, das von einer Stirnseite zur anderen durchgehende Materialstrukturen aufweist, die vorwiegend durch die Verwendung und Anordnung von massenproduzierten Elementen so ausgebildet sind, dass das Arbeitsmedium, vorzugsweise Luft, den Regenerator von einer Stirnseite zur anderen in der gewünschten Weise durchströmt. Gleichzeitig bildet die innere Zylindermantelfläche des Ringregenerators-Elements den oberen, nicht mit Dichtungsaufgaben behafteten Teil des Zylinders für den Verdrängerkolben, so dass zusätzliche Laufbüchsen eingespart werden können. Eine zweckentsprechende Struktur wird beispielsweise erreicht durch eine große Anzahl, den Ringraum ausfüllenden und in Strömungsrichtung angeordneten Röhrchen oder Stäbchen aus schlecht wärmeleitendem Material. Eine andere Möglichkeit besteht in gerollten Folien deren eine Lage gewellt und deren darüberliegende glatt ausgeführt ist, wie es in ähnlicher Weise im Kfz-Katalysatorenbau bekannt ist. Grundsätzlich können aber auch neu entwickelte preiswerte Technologien zum Einsatz kommen, beispielsweise aufgeschäumte Metalle oder neuartige Sintertechnologien. Als Materialien kommen vorwiegend Werkstoffe mit schlechter Wärmeleitung, wie Edelstahl oder Keramiken in Betracht, da nur das Gas, nicht jedoch die Wärme mit möglichst geringem Verlust durchgeleitet werden soll.
• Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer einfachen und preiswerten Herstellungsweise des Regenerators. In Versuchen hat sich auch die Kombination mehrerer verschiedener Strukturen als vorteilhaft erwiesen. So ist es erfindungsgemäß zum Beispiel möglich, eine gut regeneratorisch wirkende aber mechanisch empfindliche Faserstruktur, die für sich allein weder hohen Temperaturen standhalten würde, noch aus statischen Gründen geeignet wäre, mittels einer schützend vorgelagerten stabilen Struktur mit für sich allein nicht ausreichender regeneratorischer Effizienz so zu ergänzen, dass die Temperaturspitzen und mechanische Belastungen durch die stabile Struktur aufgenommen werden, während die hauptsächliche regeneratorische Funktion durch die empfindliche Struktur erfolgt und somit durch die Kombination mehrerer an sich ungeeigneter Strukturen ein dennoch geeigneter Regenerator entsteht.
• 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Stirlingmotor in der sogenannten Gamma-Typ Bauweise. Im Gehäuse 1 ist eine Kurbelwelle 2 gelagert, welche über die Pleuel 3 und 4 den Verdrängerkolben 5 und den Arbeitskolben 6 hin und her bewegt. Das Arbeitsmedium (Gas) fließt von der Heißkammer 12 durch den Erhitzerkopf 7 und dessen die äußere Wärme aufnehmenden Röhrchen 8, weiter durch den um den Verdrängerkolben 5 herum gelagerten Regenerator 9 und das den Verdrängerzylinder bildenden Ringkühler-Element 10 in die Kaltkammer 11, deren Außenwand durch die innere Mantelfläche des Kühlers 10 gebildet wird und fließt auch auf gleichem Wege wieder zurück. Am Boden der Kaltkammer 11 zweigt eine Leitung 13 ab, die eine Verbindung zum Hubraum des Arbeitskolbens 6 herstellt, so dass durch dessen Hub das Volumen des Arbeitsgases komprimiert und expandiert werden kann.
• 2 zeigt den Regenerator 9 als separat montierbares und austauschbares Modul, wobei die regeneratorisch wirksame Struktur zwischen einem Außenzylinder 15 und einem Innenzylinder 14 eingebettet ist. Hierbei bildet die innere Mantelfläche des Innenzylinders 14 die Außenwand der Heißkammer.
• 3 zeigt die stirnseitige Ansicht einer Regeneratorstruktur, die aus zahlreichen in Strömungsrichtung angeordneten Röhrchen gebildet wird. Das Arbeitgas fließt sowohl innen durch die Röhrchen, als auch durch die an den zusammenstoßenden Außendurchmessern der Röhrchen gebildeten Zwischenräume.
• 4. zeigt die stirnseitige Ansicht einer Regeneratorstruktur, die aus zahlreichen in Strömungsrichtung angeordneten Drähten oder dünnen Stangen gebildet wird. Das Arbeitgas fließt durch die an den zusammenstoßenden Außendurchmessern der Stangen gebildeten Zwischenräume.
• 5 zeigt die stirnseitige Ansicht einer Regeneratorstruktur, die aus der Aufwicklung von je einer gewellter und einer flacher Folie in übereinander liegende zahlreiche Lagen gebildet wird. Das Arbeitgas fließt durch die hierdurch gebildeten Längskanäle.
• 6 zeigt einen aus verschiedenen Strukturen zusammengesetzten Regenerator. Auf der heißen Seite befindet sich eine temperaturfeste und mechanisch stabile Struktur 16, deren Aufgabe es ist, die Temperaturspitzen und mechanische und dynamische Kräfte von der regeneratorisch wirksamen Struktur 17 fernzuhalten. Auf der kalten Seite befindet sich eine weitere mechanisch stabile Struktur als weiterer Schutz für die Struktur 17 gegen mechanische und dynamische Kräfte.

Claims (8)

1. Regenerator für gasförmige und flüssige Medien mit alternierender Strömungsrichtung, bevorzugt für das Arbeitsgas einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine, gekennzeichnet dadurch, dass der Regenerator als zylinderförmiger Ringkörper ausgeführt ist, der mit einer definiert ausgerichteten Struktur versehen ist, die von beiden Stirnseiten her abwechselnd durchströmt werden kann.
2. Regenerator nach 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur mittels den Ringkörper füllende längs ausgerichtete und mit den Öffnungen zu den Stirnseiten weisenden Röhrchen gebildet wird.
3. Regenerator nach 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur mittels den Ringkörper füllende längs ausgerichtete und mit den Enden zu den Stirnseiten weisenden Stangen oder Drähte gebildet wird.
4. Regenerator nach 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur mittels eines oder mehrerer den Ringkörper füllende, spiralförmig gewickelte Bänder mit wellenförmig längs eingeprägten Kanälen zur Führung des strömenden Mediums, deren Öffnungen zu den Stirnseiten des Hohlkörpers weisen gebildet wird.
5. Regenerator nach 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur durch ein porös aufgeschäumtes Metall gebildet wird.
6. Regenerator nach 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Struktur durch ein gefasertes Material gebildet wird, das so zusammengesintert oder anderweitig gefestigt ist, dass es in seiner zusammenhängenden Struktur durch die auftretenden Strömungskräfte nicht verändert wird.
7. Regenerator nach 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass der Regenerator durch Zusammensetzen verschiedener Strukturen gemäß den vorangehenden Ansprüchen oder aber durch gleiche Strukturen, jedoch mit unterschiedlicher Feinheit gebildet wird, wobei die verschiedenen Strukturen so geartet sein können, dass sie jede für sich nicht den Anforderungen an einen Regenerator genügen, sehr wohl aber in ihrer Kombination.
8. Regenerator nach 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die als Regenerator wirkende eine oder mehrere Strukturen zwischen eine, die Rundheit bzw. Form sicherstellende Außen- und Innenwand eingebettet ist, wodurch ein leicht zu montierendes und auswechselbares Modul entsteht.