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Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor vom Typ Alpha, bestehend aus sechs Arbeitszylinder mit sechs Arbeitskolben zu zwei Arbeitseinheiten in symmetrischer Anordnung. Die drei Zylinder des ersten Zylinderpaares sind mit einer hohlwandigen Ummantelung umgeben, durch dass ein Wärmeträgermedium von einer Solarthermieanlage fließt. Das zweite Zylinderpaar mit seinen drei Zylinderkammern verfügen auch über eine doppelwandige Vorrichtung zwecks Kühlung. Zwischen den Zylindersträngen befinden sich drei Regeneratoren.
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Hocherhitztes Thermoöl verteilt sich um die ersten drei Arbeitszylinder. Durch zyklische Bewegungen gelangt das Arbeitsgas vom erwärmten Expansionsbereich durch den Regenerator in den kalten Zylinderbereich. Hier dehnt sich das Gas aus und setzt über Kolben- und Pleuelstangen die Kurbelwelle in eine Kreisbewegung. Die Kraft kann zum Antrieb eines Generators führen.
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Nachteile bei dieser Bauart entstehen, wenn die Temperaturschwankungen zwischen der kalten und warmen Zone nicht optimal geregelt wird. Eine dysfunktionale Temperaturregelung bedeutet eine spürbare Verminderung der erzeugten Arbeitsleistung.
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Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Anordnung der anfangs genannten Bauart zu konstruieren, der den dargestellten Nachteil beseitigen soll.
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Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, einen Regenerator mit kreisrunden, hohlen Kupferleitungen und Drosselklappen an der Stirnseite des Zu- und Abströmkanals des Wärmespeichers zu installieren.
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Das Ziel ist, durch eine verbesserte, technische Regeneratorgestaltung, einen hohen Leistungswirkungsgrad zu generieren. Die Funktion des Regenerators ist so konzipiert, dass das erhitzte Fluid in seinem Strömungsverlauf am Ende des Strömungskanal zur kalten Zone durch eine Drosselklappe reguliert wird. Aufgrund des verdichteten Arbeitsdrucks kann das abgekühlte Gas nicht in den Zuströmkanal zurückströmen. Der vorhandene Gegendruck schließt mittels einer Ventilklappe die Austrittsöffnung. Die Druckverhältnisse bewirken nun das Öffnen einer zweiten Klappe zum Abströmrohr. Das kalte Gas fließt jetzt in den vorgewärmten Bereich des Regenerators und dann in die Arbeitszylinder.
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Der Zuström- und Abströmbereich des Regenerators ist mit runden und hohlen Kupferleitungen ausgekleidet, die die Temperaturen des Arbeitsgases zwischen dem warmen und kalten Zylinderbereich regulieren. Der Vorgang wiederholt sich zyklisch. Das Ergebnis ist eine optimierte Temperaturregelung des Hin- und Herströmenden Fluids während des wechselseitgen Öffnen und Schließen der Steuerklappen.
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Aus der nachfolgenden Beschreibung und der schematischen und perspektivischen Darstellungen des Stirlingmotors soll die Erfindung ausführlich erläutert werden.
- 1: Schematischer und perspektivischer Querschnitt des Alpha-Stirlingmotors.
- 2: Schematische Draufsicht des Alpha-Stirlingmotors.
- 3: Schematischer und perspektivischer Querschnitt des Regenerators des Alpha-Stirlingmotors.
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Wie aus den drei Darstellungen (1-3) zu ersehen ist, besteht der Alpha-Stirlingmotor aus sechs Arbeitskolben 5a-f die sich in sechs Arbeitszylinder 4a-f befinden. Dieses Konstrukt ist in Form zweier Zylindereinheiten symmetrisch angeordnet. Eine doppelwandige Ummantelung 6a-c, die um die Expansionszylinder 4a-c verlaufen, strömt hocherhitztes Thermoöl. Weiter sind die Kompressionszylinder 4d-f von hohlwandigen Kühlkörpern 7a-c ummantelt.
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Durch das Verschieben der heißen Temperatur aus den Ausdehnungszylinder 4a-c in den kühleren Bereich der Verdichtungszylinder 4d-f, wird durch das Arbeitsgas ein hoher Druck zwischen den Zylinderpaaren 4a-f aufgebaut. Luftkanäle verbinden die einzelnen Arbeitszylinder untereinander. Der Vorteil des Alpha-Stirlingmotors ist das Vermeiden von Totvolumen durch den Wegfall von Verdrängerkolben. Dadurch kann dieser Motortyp eine höhere Leistungdichte erzeugen als der Gamma-Stirlingmotor mit seinen Verdrängerkolben.
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Jetzt zum Regenerator:
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Die Erfindung betrifft einen Regenerator 8a-c zur kurzzeitigen Speicherung und Wiedergabe der Wärme eines abwechselnd in zwei Richtungen strömenden Abeitsmedium in einem Stirlingmotor des Typs Alpha.
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Das Ziel des Regenerators ist es, die im Arbeitsgas nach Verlassen des Erhitzers mitgeführte Wärme möglichst vollständig an die Kupferschlangen 9g-l des Regenerators 8a-c abzugeben, bevor das Fluid in den Kühler eintritt. Wenn im nächsten Schritt des Arbeitszyklus das im Kühler abgekühlte Gas zurückströmt, soll die zuvor in der Kupferspirale 9g-l des Regenerators 8a-c gespeicherte Wärme wieder möglichst vollständig an das Arbeitsgas abgegeben werden, bevor es in die heiße Zone eintritt. Durch diese Funktion ergibt sich eine permanent heiße Seite und eine permanent kalte Seite des Regenerators.
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Der Regenerator ist wie folgt aufgebaut:
- Der Regenerator hat die Form eines Doppelzylinders, und an beiden Stirnseiten zwei Längskanäle mit kreisrunden Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen.
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Die Erfindung dient dazu, den erreichbaren Wirkungsgrad des Alpha-Stirlingmotors heraufzusetzen. Dies wird mit Hilfe einer Ventilklappensteuerung 9a-f erreicht, die das Arbeitsmedium auf einen verlustarmen Weg zwischen den Zylindern des Motors leitet. Durch diesen effizienten Weg wird Energie eingespart und der Gesamwirkungsgrad angehoben.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Austrittsöffnung des Strömungskanal vom Erhitzer zum Kühler mit einer Drosselklappe 9a-f versehen ist. Strömt Gas durch den Kanal, öffnet sich eine Ventilklappe. Ist das Gas abgekühlt, so schließt sich die Klappe 9a-f (aufgrund des gebildeten Gegendruck). Just in dem Moment öffnet eine zweite Klappe die Eintrittsöffnung zum Abströmkanal. Der Vorgang des Hin- und Herschieben und das Öffnen und Schließen der Drosselklappen wiederholt sich wechselseitig im periodischen Arbeitsrhytmus.
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Das zyklische Verschieben des Wärmemediums von der heißen in die kalte Zone verursacht einen Druckanstieg im Kompressionszylinder. Der Druck versetzt die Arbeitskolben in eine Hubbewegung. Die generierten linearen Hin- und Her-Bewegungen der Kolben werden mit Hilfe der Doppel-Pleuelstangen 3a-d, die mit einer Kurbelwelle 2 verbunden sind, in eine Drehbewegung umgestzt. Die erzeugte Arbeitsleistung kann mechanisch an einen Generator weitergeleitet werden.
Die symmetrische Installation der beiden dreifach verschalteten Zylinderpaaren zu zwei Antriebssträngen, bewirkt einen höheren Energieoutput der Stirlingkonstruktion als bei einer parallelen Zylinderanordnung.
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Eine weitere Komponente stellt der Kompressor 10 dar. Er hat die Funktion, den Betriebsdruck in dem hermetisch verkapselten Motorgehäuse zu erhöhen. Der komprimierte Arbeitsdruck erzeugt eine zusätzliche Steigerung an mechanischer Leistung der Arbeitskolben. Eine zweite Nutzungsform ist die Abwärmeverwertung. Sie kann über einen geeigneten Wärmetauscher 11 in Verbindung mit einer Dampfturbine-Generator/Kombination 12 ergänzend elektrischen Strom produzieren.
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Die dargestellte Konfiguration der einzelnen Konstruktionselemente zu einer Wärmekraftmaschine ermöglicht ein Maximum an Arbeitsleistung im Niedertemperaturbereich.