DE102006027103B3 - Stirling engine for converting heat into mechanical energy comprises a rotating displacer with a drive unit driven in an electromotive, pneumatic or hydraulic manner and a controller for controlling the drive unit of the displacer - Google Patents

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Abstract

Stirling engine comprises a rotating displacer (2) with a drive unit driven in an electromotive, pneumatic or hydraulic manner and a controller for controlling the drive unit of the displacer. The controller is connected to a measuring unit for measuring the displacer position, rotation, plunger position, pressure inside the machine and the temperature on both the hot and cold sides of the machine. Preferred Features: The drive unit of the displacer is driven using a synchronous motor (4) or an electric motor.

Description

Stirlingmaschinen allgemeinStirling engines generally

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.When Stirling machines are called machines that convert heat into mechanical ones Work (striling motor) or mechanical work in Heat differences implement (heat pump, chiller) and whose operation is at least similar to the Carnot process.

StirlingmotoreStirling engines

Stirlingmotore arbeiten üblicherweise mit ein- oder mehreren Kolben oder Membranen, mit denen ein Arbeitsmedium (z.B. Luft) zwischen kalten und warmen Räumen hin- und hergeschoben werden kann. Befindet sich das Arbeitsmedium überwiegend in warmen Bereichen, so expandiert es und drückt dabei auf einen Arbeitskolben oder eine Arbeitsmembran. Es wird mechanische Arbeit verrichtet. Wird nun das Arbeitsmedium überwiegend in die kalten Bereiche verschoben (verdrängt) so zieht es sich wieder zusammen und der Arbeitskolben/die Arbeitsmembran bewegt sich in seine/ihre ursprüngliche Stellung zurück. Diese Vorgänge wiederholen sich immer wieder in der angegebenen Art und Weise.Stirling engines usually work with one or more pistons or membranes, with which a working medium (e.g., air) between cold and warm rooms can be. Is the working medium predominantly in warm areas, so it expands and pushes on a working piston or working diaphragm. It becomes mechanical Work done. Now the working medium is mostly in the cold areas moved (displaced) so it contracts again and the working piston / working diaphragm moves to his / her original position back. These processes Repeat again and again in the manner indicated.

Die Hubbewegung des Arbeitskolbens/der Arbeitsmembran kann nun direkt genutzt werden (z.B. in einer Kolbenpumpe) oder zunächst in eine Drehbewegung umgesetzt und dann genutzt werden (z.B. in einem Stromgenerator).The Lifting movement of the working piston / the working diaphragm can now directly be used (for example in a piston pump) or initially in rotated and then used (e.g., in one Power generator).

Das Verschieben des Arbeitsmediums wird dabei von einem sog. Verdränger übernommen. In einigen Konstruktionen überschneiden sich auch die Funktion des Verdrängers mit der Funktion des Arbeitskolbens. Ein Beispiel hierfür findet sich in " DE 44 29 602 A1 – Synchronkolben-Stirlingmaschine". Dort gibt es einen Expansionszylinder und einen Kompressionszylinder. Beide stellen eine Kombination aus Verdränger- und Arbeitskolben dar.The displacement of the working medium is taken over by a so-called. Displacer. In some constructions also the function of the displacer overlap with the function of the working piston. An example of this can be found in " DE 44 29 602 A1 - Synchronous piston Stirling engine. "There is an expansion cylinder and a compression cylinder, both of which are a combination of positive displacement piston and working piston.

Steuerung des Verdrängers/Steuerung des StirlingmotorsControl of the displacer / control of the Stirling engine

Der Verdränger wird in der Regel mechanisch oder pneumatisch gesteuert. Die Bewegung des Verdrängers ist dabei mehr oder weniger starr mit der Bewegung des Arbeitskolbens verknüpft. Die Drehzahl und die Leistung des Stirlingmotors können dabei nur durch Erhöhung oder Verminderung der Wärmezufuhr in den warmen Bereich oder durch Erhöhung oder Verminderung der Wärmeabfuhr aus dem kalten Bereich beeinflußt werden. Die Beeinflussung nach diesem Prinzip ist aber sehr träge. Will man eine exakte Drehzahlregelung bei schwankendem Last-Drehmoment erreichen kommt man dabei sehr schnell an die Grenzen des Machbaren.Of the displacement is usually controlled mechanically or pneumatically. The movement of the displacer is more or less rigid with the movement of the working piston connected. The speed and power of the Stirling engine can only by increasing or reduction of heat input in the warm area or by increasing or decreasing the heat dissipation influenced from the cold area become. The influence on this principle is very slow. Will you achieve an exact speed control with fluctuating load torque you get very fast to the limits of the feasible.

In " DE 28 20 526 A1 – Verfahren zum Steuern und Regeln eines auch mit freischwingendem Kolben arbeitenden Heissgasmotors" wird eine Methode beschrieben den oszillierenden Verdränger von außen durch Magnetfelder zu steuern, die von einem Elektromagneten erzeugt werden. Dabei wird auch auf das Prinzip der Fremdsteuerung eingegangen, bei der die Bewegung des Verdrängers durch ein "Zeitschaltwerk" gesteuert wird. Die dort beschriebene Methode hat jedoch verschiedene Nachteile. Die Bewegung des Verdrängers wird nicht nur durch das Magnetfeld der Steuerung beeinflußt sondern auch durch Vibrationen oder Stöße von Außen. Die Lage des Verdrängers hängt bei gleicher Bestromung des Elektromagneten auch von der Einbaulage des Stirlingmotors ab, da die Schwerkraft von Fall zu Fall anders auf diesen wirkt. Nicht um sonst wird von"... das der Zylinder bevorzugt senkrecht steht" gesprochen.In " DE 28 20 526 A1 A method of controlling the oscillating displacer from the outside by means of magnetic fields generated by an electromagnet is described, which also deals with the principle of external control, in which the movement of the oscillating displacer is controlled externally by a hot gas engine The movement of the displacer is influenced not only by the magnetic field of the control, but also by vibrations or impacts from the outside, The position of the displacer depends on the same current of the electromagnet also depends on the installation position of the Stirling engine, since gravity acts differently on these from case to case. Not otherwise is spoken of "... the cylinder is preferably vertical".

In " DE 100 34 377 C1 – Wärmekraft- oder Kältemaschine mit freiem Verdränger, bewegtem Zylinder und feststehendem Kolben" wird beschrieben, wie durch einen besonderen Aufbau der Maschine diese mit "verbesserten Verdrängersteuerzeiten" ausgestattet werden kann. Dies wird im Wesentlichen durch einen freischwingenden Verdränger erreicht, also eine rein mechanische Lösung. Des Weiteren wird vorgeschlagen die Bewegung des Verdrängers mit"... Federmechanismus, Magnet ... ganz oder in Teilabschnitten [zu führen]". Die Bewegung des Verdrängers wird aber auf jeden Fall durch die Bewegung des Kolbens bzw. des Zylinders ausgelöst. Eine solche mechanische Eigensteuerung ist in ihren Möglichkeiten stark begrenzt und es sind keine Beeinflussungsmöglichkeiten von Außen aufgezeigt.In " DE 100 34 377 C1 It is described how a special construction of the machine can be equipped with "improved displacement control times" This is achieved essentially by a free-running displacer, ie a purely mechanical solution Furthermore, it is proposed to guide the movement of the displacer with "... spring mechanism, magnet ... in whole or in part." However, the movement of the displacer is definitely triggered by the movement of the piston or of the cylinder. Such a mechanical self-control is severely limited in its possibilities and there are no influencing possibilities shown from the outside.

In " DE 33 14 705 A1 – Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter" wird beschrieben, daß der Verdränger auch elektromotorisch angetrieben werden kann. Es handelt sich dabei aber um einen linear bewegten Verdränger, der durch den Elektromotor sinusförmig bewegt wird. Im Wesentlichen wird von der Maschine ein Arbeitsmedium in einem Druckbehälter gespeichert. Dieses kann dann in einem Expansionsmotor in Drehbewegung umgesetzt werden. Der Expansionsmotor kann über ein Ventil abgeschaltet werden, wobei die Druckerzeugung aber weiter laufen soll. Es stünde also keine Drehbewegung mehr für den Antrieb des Verdrängers zur Verfügung, daher hat der Erfinder für diesen Zweck einen Elektromotor vorgesehen. Die Drehzahl des Expansionsmotors wird über ein Proportionalventil gesteuert, also nicht direkt über den Stirling-Prozess. Der Aufbau der Maschine ist leider recht komplex, es gibt viele Einzelkomponenten.In " DE 33 14 705 A1 It is described that the displacer can also be driven by an electric motor, but it is a linear displacement displacer which is moved sinusoidally by the electric motor. Essentially the machine stores a working medium in a pressure vessel This can then be converted to rotary motion in an expansion motor The expansion motor can be switched off via a valve, but pressure generation should continue, so there would be no more rotary motion available to drive the displacer, so the inventor has for this purpose The speed of the expansion engine is controlled by a proportional valve, not directly via the Stirling process, but the design of the machine is unfortunately quite complex, with many individual components.

In " DE 693 29 862 T2 – Freikolben-Stirlingmaschine mit veränderlicher Federung" wird eine linear arbeitende Stirlingmaschine beschrieben, bei der der Verdränger vom Arbeitskolben, über eine Feder mit von Außen veränderbaren Federkonstante, angetrieben wird. Dadurch wird eine elegante Möglichkeit geschaffen, die Leistung der Maschine einfach zu kontrollieren. Die Drehzahl der Maschine könnte geregelt werden, aber nicht exakt vorgegeben werden (ohne Regelung). Da die Feder nicht unendlich weich bzw. hart gemacht werden kann ergeben sich auch gewisse Einschränkungen im Bezug auf die Einflußnahme.In " DE 693 29 862 T2 - Free-piston Stirling engine with variable suspension "is described a linearly operating Stirling engine at the displacement of the working piston, via a spring with externally variable spring constant, is driven. This provides an elegant way to easily control the performance of the machine. The speed of the machine could be regulated, but not specified exactly (without control). Since the spring can not be made infinitely soft or hard, there are also certain limitations in terms of influence.

Bei meinen Recherchen habe ich keinen Hinweis auf eine einfache Möglichkeit gefunden Stirlingmotore schnell (mit schnell ist schneller als durch Abkühlen und wieder Aufwärmen des warmen Bereichs gemeint) anzuhalten und wieder zu starten, die Drehzahl schnell und präzise zu beeinflussen oder das abgegebene Drehmoment schnell zu beeinflussen. Das heißt nicht, das es eine solche Möglichkeit nicht gibt. Ich habe halt Keine gefunden.at my research I have no indication of a simple way found Stirlingmotore fast (with fast is faster than through cooling down and warm up again the warm area meant) to stop and restart the Speed fast and accurate to influence or to influence the output torque quickly. This means not that it is such a possibility does not exist. I just did not find any.

In " EP 0 240 677 A1 – Verfahren und Vorrichtung um Stirling-Maschinen zu starten." wird eine komplexe Methode mit mehreren Ventilen und einem Hilfsmotor beschrieben die allerdings nur zum Anfahren des Stirlingmotors gedacht ist.In " EP 0 240 677 A1 - Method and device to start Stirling engines. "Is a complex method with several valves and an auxiliary engine described which is only intended to start the Stirling engine.

Stirlingmotore mit rotierenden VerdrängernStirling engines with rotating displacers

Stirlingmotore sind in der Regel mit einem sich hin- und herbewegenden (oszillierenden) Verdränger ausgestattet. in " DE 43 07 211 A1 – Rotationsverdränger-Stirlingmotor" ist ein Stirlingmotor beschrieben, bei dem sich der Verdränger dreht (rotiert). Der Verdränger ist zylinderförmig und rotiert in einem ebenfalls zylinderförmigen Gehäuse. Er besitzt eine "Ausarbeitung" in der sich das Arbeitsmedium größtenteils befindet. Die Ausarbeitung des Verdrängers, und somit das Arbeitsmedium, zeigt durch die Drehbewegung abwechselnd in Richtung einer warmen und in Richtung einer kalten Seite des Gehäuses. Der Rest funktioniert ähnlich wie bei klassischen Stirlingmotoren. Insbesondere wird der Verdränger über ein Pleuel und eine Kurbelwelle vom Arbeitskolben angetrieben (starre Kopplung). Der Motor kann durch "einfache Verdrehung des Verdrängers auf der Welle" im Rechts- und Linkslauf betrieben werden. Ansonsten gibt es auch hier keine Eingriffsmöglichkeiten für eine Steuerung.Stirling engines are usually equipped with a reciprocating (oscillating) displacer. in " DE 43 07 211 A1 - Rotary Displacer Stirling Engine "describes a Stirling engine in which the displacer rotates (rotates) The displacer is cylindrical and rotates in a likewise cylindrical housing It has a" development "in which the working fluid is mostly located , and thus the working medium, shows by the rotation alternately in the direction of a warm and in the direction of a cold side of the housing.The rest works in a similar way to classic Stirling engines, in particular, the displacer is driven by a connecting rod and a crankshaft from the working piston (rigid coupling) The motor can be operated by "simple rotation of the displacer on the shaft" in clockwise and anti-clockwise rotation, otherwise there is no possibility of intervention for a control.

Der Erfindung liest daher die Aufgabe zugrunde, bei Stirlingmotoren die Steuerung von Drehzahl und Drehmoment zu verbessern.Of the The invention therefore reads the task with Stirling engines to improve the control of speed and torque.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 geläst.These Task is solved by the features of claim 1.

Ausgehend von einem Stirlingmotor mit rotierendem Verdränger wird der Verdränger nicht durch mechanische Kopplung mit dem Arbeitskolben bewegt sondern durch einen Elektromotor. Der Elektromotor wird durch eine entsprechende Steuerung/Regelung angesteuert, der die gewünschten Sollwerte und die gewünschte Betriebsart so wie ggf. gemessene Istwerte, wie Temperatur der warmen- und kalten Zone, Druck im Inneren des Stirlingmotors, Drehwinkel oder Drehzahl des Verdrängers, Stellung des Arbeitskolbens, der Arbeitsmembran, usw. zugeführt werden.outgoing from a Stirling engine with a rotary displacer, the displacer is not through mechanical coupling with the working piston moves but through an electric motor. The electric motor is replaced by a corresponding Controlled / regulated, the desired setpoints and the desired mode such as possibly measured actual values, such as temperature of hot and cold Zone, pressure inside the Stirling engine, rotation angle or speed the repressor, position the working piston, the working diaphragm, etc. are supplied.

Der Verdränger kann auch pneumatisch oder hydraulisch angesteuert werden. Mir erscheint aber ein Elektromotor am sinnvollsten.Of the displacement can also be controlled pneumatically or hydraulically. I appear but an electric motor makes the most sense.

Einzelheiten der Lösung werden anhand einiger konkreter Beispiele erläutert.details the solution will be explained with some concrete examples.

Anwendungsbeispiele sind:Application examples are:

Heißluftmotore (Stirlingmotore), Kältemaschinen und Wärmepumpen (speziell nach dem Stirling-Prinzip), Steuerungstechnik, Regelungstechnik, Sicherheitstechnik Hot air engines (Stirlingmotore), chillers and heat pumps (especially according to the Stirling principle), control technology, control engineering, safety technology

Stirlingmotor mit exakter Einhaltung der Drehzahl (1) Der Verdränger (2) wird über einen permanenterregten Synchronmotor (4) angetrieben. Dieser befindet sich im Inneren des Motorgehäuses (1), es muß also nur die Zuleitung dicht durch das Gehäuse geführt werden. Die Welle (3) des Verdrängers ist nicht nach außen geführt, es entsteht also keine Dichtungsproblematik. Der Synchronmotor muß die Drücke im Inneren aushalten können, daß ist aber kein größeres Problem. Er muß des Weiteren die Temperaturen im Inneren ertragen können. Dazu muß er entsprechend ausgelegt werden (Lagerung, Querschnitte der Wicklungsdrähte, Curie-Temperatur des Permanentmagneten).Stirling engine with exact compliance with the speed ( 1 ) The displacer ( 2 ) is controlled by a permanent-magnet synchronous motor ( 4 ). This is located inside the motor housing ( 1 ), so it must only be done tightly through the housing, the supply line. The wave ( 3 ) of the displacer is not led to the outside, so there is no sealing problem. The synchronous motor must be able to withstand the pressures inside, but that is not a major problem. He must also be able to endure the temperatures inside. For this purpose, it must be designed accordingly (storage, cross sections of the winding wires, Curie temperature of the permanent magnet).

Der Verdränger sitzt entweder direkt auf der Welle des Synchronmotors oder wird von diesem über einen Riemen (5), o.ä., angetrieben. Die zweite Möglichkeit erlaubt den Synchronmotor im kalten Bereich anzubringen. Diese ist auch in 1 dargestellt.The displacer sits either directly on the shaft of the synchronous motor or is of this via a belt ( 5 ), etc., driven. The second possibility allows to mount the synchronous motor in the cold area. This one is also in 1 shown.

Der Synchronmotor wird nun mit Strom einer festen Frequenz gespeist. Dadurch dreht er (und der Verdränger) mit einer konstanten Drehzahl. Die Erwärmung und Abkühlung und somit das Ausdehnen und Abkühlens des Arbeitsmediums (6) folgt somit einem festen zeitlichen Rhythmus. Folglich bewegt sich auch der Arbeitskolben (7) im selben Rhythmus und treibt die Kurbelwelle und somit die Abtriebswelle (8) mit einer konstanten, vorherbestimmten Drehzahl an. Diese entspricht im vorliegenden Fall der Drehzahl des Synchronmotors. Um einen runden Lauf des Motors zu gewähren ist eine Schwungscheibe (9) auf der Abtriebswelle anzubringen.The synchronous motor is now fed with current at a fixed frequency. This causes it (and the displacer) to rotate at a constant speed. The heating and cooling and thus the expansion and cooling of the working medium ( 6 ) thus follows a fixed time rhythm. Consequently, the working piston ( 7 ) in the same rhythm and drives the crankshaft and thus the output shaft ( 8th ) at a constant, predetermined speed. This corresponds in the present case, the speed of the synchronous motor. To ensure a smooth running of the engine is a flywheel ( 9 ) on the output shaft.

Beim Ein- und Ausschalten und bei sonstigen Änderungen der Drehzahl wird die Frequenz niemals sprungförmig sondern immer rampenförmig mit einer definierten Steilheit (Hertz pro Sekunde) geändert, damit der Motor nicht "außer Tritt" gerät. Dies wird durch eine geeignete Steuerung realisiert.At the Switching on and off and other speed changes the frequency never jumped but always ramp shaped changed with a defined slope (hertz per second) so that the engine does not "get out of step". this will realized by a suitable control.

Wird ein Stirlingmotor dieser Bauart mit zuwenig Wärme versorgt oder zu stark belastet, so reicht der in der Erwärmungsphase erzeugte Druck im Arbeitsmedium nicht aus um den Arbeitskolben in der durch die Drehzahl vorgegebenen Zeit in den Umkehrpunkt zu Drücken. In diesem Fall gerät der Stirlingmotor "außer Tritt" und bleibt stehen. Dieses Verhalten findet man auch bei Elektromotoren. Man spricht dort vom Kippmoment. Um diesen Fall auszuschließen kann die Steuerung des Stirlingmotors so gestaltet werden, daß die Wärmezufuhr rechtzeitig erhöht wird oder (falls möglich) die Drehzahl herabgesetzt wird.Becomes a Stirling engine of this type supplied with too little heat or too strong loaded, so the pressure generated in the heating phase in the Working fluid is not around the working piston in the speed preset time to the reversal point to press. In this case, the Stirling engine gets "out of step" and stops. This behavior is also found in electric motors. One speaks there from the tilting moment. To rule out this case, the controller of the Stirling engine are designed so that the heat is increased in a timely manner or (if possible) the speed is lowered.

Belastet man einen Stirlingmotor dieser Bauart, so kommt es zu einem "Hinterherhinken" der Abtriebswelle gegenüber dem unbelasteten Betrieb. Es stellt sich also ein Winkelversatz zwischen belastetem und unbelastetem Betrieb ein. Dieses Verhalten entspricht dem Polradwinkel bei synchronen Drehstrommotoren. Die Drehzahl bleibt aber gleich. Über die Messung des Hinterherhinkens in Form eines Winkels kann das im vorherigen Absatz beschriebene Kippen vorhergesagt werden.loaded a Stirling engine of this type, it comes to a "lagging behind" the output shaft across from the unloaded operation. It turns so an angle offset between loaded and unloaded operation. This behavior corresponds the rotor angle with synchronous three-phase motors. The speed remains but immediately. About the Measurement of the lagging in the form of an angle can be the one in the previous one Paragraph described tilting can be predicted.

Das exakte Einhalten der Drehzahl ist z.B. beim Antrieb eines Drehstromgenerators von Bedeutung. Die Drehzahl entscheidet dort direkt über die Frequenz der abgegebenen Spannung. In der Regel wird die Erzeugung einer Frequenz von genau 50Hz oder 60Hz gewünscht.The exact maintenance of the speed is e.g. when driving an alternator significant. The speed decides there directly over the frequency the delivered voltage. In general, the generation of a Frequency of exactly 50Hz or 60Hz desired.

Zusatzfunktion "Sicherer Halt" (2)Additional function "Safe stop" ( 2 )

Mit "Sicherem Halt" ist in diesem Zusammenhang im Sinne der Maschinenrichtlinie eine Maßnahme gemeint, mit der eine Steuerung bei bestimmten Ereignissen (z.B. Drücken des Not-Aus-Tasters, Öffnen einer Schutztüre) den Motor so sicher anhalten kann, daß eine Gefährdung von Personen weitestgehend ausgeschlossen werden kann.With "safe stop" is in this context within the meaning of the Machinery Directive means a measure with which a Control on certain events (for example, pressing the emergency stop button, opening a Safety door) the engine can stop so safely that a hazard to persons as far as possible can be excluded.

Eine übergeordnete Sicherheitssteuerung (A1) stellt der Steuerung des Stirlingmotors ein Signal zur Verfügung, daß den "Sicheren Halt" auslösen soll. Wegen der Drahtbruchsicherheit gilt: Spannung liegt an -> Motor darf drehen. Keine Spannung -> Motor muß sicher anhalten.A parent Safety control (A1) provides control of the Stirling engine a signal available that should trigger the "safe stop". Because of the wire breakage safety applies: Voltage is applied -> Motor may turn. No voltage -> engine must be safe stop.

Dieses Signal ist in der Steuerung des Stirlingmotors an die Spule eines Schützes (K1) angelegt. Bei der Anforderung "Sicherer Halt" trennt nun dieses Schütz die Stromzufuhr des Synchronmotors (M) (Verwendung der Schließerkontakte). Der Verdränger bleibt nun aufgrund einer definiert hohen Reibung in den Lagern oder aufgrund der Selbsthemmung eines Getriebes zwischen Synchronmotor und Verdränger stehen. Folglich bleibt auch der Stirlingmotor stehen. Ein geschlossener Öffnerkontakt des (zwangsgeführten) Schützes kann nun zusammen mit einer sicheren Stillstandserkennung der Abtriebswelle (B1) als Rückmeldung des erfolgten Halts mit der übergeordneten Sicherheitssteuerung verschaltet werden (z.B. um eine Schutztüre zu entriegeln). Die übergeordnete Steuerung kann auf die dargelegte Art und Weise auch den Anlauf des Stirlingmotors verhindern (-> Sichere Anlaufsperre).This Signal is in the control of the Stirling engine to the coil of a contactor (K1) created. In the case of the request "safe stop", this contactor now disconnects the power supply of the synchronous motor (M) (use of normally open contacts). The displacer remains now due to a defined high friction in the bearings or due the self-locking of a gearbox between synchronous motor and displacer stand. Consequently, the Stirling engine stops too. A closed NC contact of (forcibly guided) contactor can now together with a safe standstill detection of the output shaft (B1) as feedback of the held stop with the parent Safety controller are interconnected (for example, to unlock a guard). The parent Control can in the manner outlined also the startup prevent the Stirling engine (-> safe Restart interlock).

Eine zusätzliche Fangeinrichtung kann den Verdränger in einer definieren Stellung stehen lassen. Dadurch kann bewirkt werden, daß die Abtriebswelle des Stirlingmotors in einer definierten Position anhält (Nicht dargestellt).A additional Catching device can be the displacer leave in a defined position. This can cause be that the Output shaft of the Stirling engine stops in a defined position (not shown).

Stirlinglinearmotor (3)Stirling linear motor ( 3 )

In 3 ist ein Stirlingmotor dargestellt, der nur Hubbewegungen liefern kann. Der Verdränger (2) wird mit einem Schrittmotor (4) oder einem lagegeregelten Servomotor (4) angesteuert. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß sich der Verdränger endlos drehen kann. Ein begrenzter Arbeitsbereich (10) (Aussparung in Richtung kalter Seite bis Aussparung in Richtung warmer Seite) genügt. Dies bildet die Basis für die im Folgenden beschriebenen Anwendungen.In 3 is a Stirling engine shown, which can only deliver strokes. The displacer ( 2 ) is powered by a stepper motor ( 4 ) or a position-controlled servomotor ( 4 ). It is not essential that the displacer can rotate endlessly. A limited workspace ( 10 ) (Opening in the direction of the cold side to the recess in the direction of the warm side) is sufficient. This forms the basis for the applications described below.

Stirlinglinearmotor mit Positionsregelung (3)Stirling linear motor with position control ( 3 )

Zusätzlich muß noch die Position des Arbeitskolbens (7) gemessen werden (13).In addition, the position of the working piston ( 7 ) are measured ( 13 ).

Mit einer klassischen Regelung wird nun die Istposition des Arbeitskolbens mit der gewünschten Sollposition verglichen und der Verdränger entsprechend gedreht. Die Regelung wird bei Bedarf mit einer Sollwertaufschaltung oder einer Vorsteuerung versehen um das Regelverhalten zu verbessern. Des Weiteren kann in die Regelung die Temperatur an der warmen und an der kalten Seite mit einbezogen werden.With A classic control is now the actual position of the working piston with the desired target position compared and the displacer rotated accordingly. If necessary, the control is set with a setpoint input or a feedforward provided to improve the control behavior. Furthermore, in the scheme the temperature at the warm and to be involved in the cold side.

Wird noch der Druck im Inneren des Motors gemessen (12), so kann daraus auf die Kraft am Arbeitskolben geschlossen werden, was eine kostengünstige Möglichkeit der Kraftmessung darstellt. Die Bestimmung der Kraft erlaubt dann auch eine Kaskadenregelung (Mit Kraftregler und übergeordnetem Positionsregler).Is still the pressure inside the engine measured ( 12 ), it can be concluded that the force on the working piston, which is a cost-effective way of measuring force. The determination of the force then also allows a cascade control (with force controller and higher-level position controller).

Man erhält so einen Linearmotor der nach einem stark verfremdeten Stirlingprinzip arbeitet und dessen Kolben positionsgeregelt ist.This gives a linear motor to the egg a strongly alienated Stirling principle works and its piston is position-controlled.

Bei einem Ausfall der Steuerung/Regelung kann mit einer Rückholfeder (11) der Verdränger in eine definierte Position gedreht werden. Bleibt der Verdränger dabei so stehen, daß das Arbeitsmedium gekühlt wird (ist auch so dargestellt) erfolgt am Arbeitskolben eine Rückzugsbewegung.In the event of a failure of the control unit, a return spring ( 11 ) of the displacer are rotated in a defined position. Remains the displacer stand so that the working fluid is cooled (is also shown) takes place on the working piston a return movement.

Stirlinglinearmotor mit Kraftregelung (3)Stirling linear motor with force control ( 3 )

Zusätzlich muß noch der Druck im Inneren des Motors gemessen werden (12).In addition, the pressure inside the engine has to be measured ( 12 ).

Aus dem gemessenen Druck wird über die Kolbenfläche auf die Kraft am Arbeitskolben geschlossen. Mit einer klassischen Regelung wird nun die Istkraft des Arbeitskolbens mit der gewünschten Sollkraft verglichen und der Verdränger entsprechend gedreht. Die Regelung wird bei Bedarf mit einer Sollwertaufschaltung oder einer Vorsteuerung versehen um das Regelverhalten zu verbessern. Des Weiteren kann in die Regelung die Temperatur an der warmen und an der kalten Seite mit einbezogen werden.Out the measured pressure is over the piston surface closed to the force on the working piston. With a classic Regulation will now be the actual force of the working piston with the desired force compared and the displacer rotated accordingly. If necessary, the control is set with a setpoint input or a feedforward provided to improve the control behavior. Furthermore, in the scheme the temperature at the warm and to be involved in the cold side.

Einen solchen Stirlinglinearmotor kann man z.B. als Pressenantrieb zum Fügen oder Umformen verwenden oder zum Zusammendrücken von großen Holz-Elementen (z.B. Fenster) nach dem Leimen.a such Stirling linear motor can e.g. as a press drive for Joining or Use reshaping or for squeezing large wood elements (e.g., windows) after sizing.

Stirlingmotor mit Motormanagement (Ohne Darstellung)Stirling engine with engine management (Without representation)

Wird in die Steuerung des Stirlingmotors auch die Temperatur an der warmen und an der kalten Seite miteinbezogen und sind in der Steuerung des Stirlingmotors sein Verhalten in Form von Kennlinien bzw. Kennlinienfeldern bekannt, so kann der Stirlingmotor bzw. die Gesamtanwendung bei optimalen Wirkungsgrad betrieben werden. Dazu ist von der Steuerung eine entsprechende Drehzahl und ggf. ein entsprechendes Profil für die Winkelgeschwindigkeit des Verdrängers innerhalb einer Umdrehung vorzugeben. Das Arbeiten auf optimalem Wirkungsgrad ist bei vielen Anwendungen interessant.Becomes in the control of the Stirling engine also the temperature at the warm and are involved in the cold side and are in control of the Stirling engine its behavior in the form of characteristics or characteristic curves known, so the Stirling engine or the overall application at optimal efficiency are operated. This is from the controller a corresponding speed and possibly a corresponding profile for the angular velocity the repressor to pretend within a turn. Working on optimal Efficiency is interesting in many applications.

Durch eine geeignete Steuerung kann man bei einem Stirlingmotor, der für die Abgabe von Hüben gedacht ist (Stirlinglinearmotor), den Arbeitskolben bzw. die Arbeitsmembran einen definierten Bewegungsablauf ausführen lassen. Ist am Arbeitskolben z.B. ein Lineargenerator angeschlossen, so ist es von Interesse, daß der Arbeitskolben sich sinusförmig bewegt, damit die erzeugt Spannung auch sinusförmig ist. Ist am Arbeitskolben eine Kolbenpumpe angeschlossen, wäre eine trapezförmige Bewegung von Interesse, damit die Kolbenpumpe das Medium kontinuierlich fördert.By A suitable controller can be found in a Stirling engine, which is responsible for the delivery of strokes is thought (Stirling linear engine), the working piston or the working diaphragm to execute a defined movement sequence. Is at the working piston e.g. connected to a linear generator, so it is of interest that the Working piston sinusoidal moved so that the voltage generated is also sinusoidal. Is at the working piston connected to a piston pump, would be a trapezoidal movement of interest so that the piston pump continuously pumps the medium.

Kombinationcombination

Die angegebenen Anwendungsbeispiele geben nur einen Ausschnitt der Möglichkeiten, die sich durch die beschriebene Lösung realisieren lassen. Sie lassen sich natürlich auch beliebig kombinieren.The given application examples give only a selection of the possibilities which can be realized by the described solution. she of course you can also combine as desired.

Vorteileadvantages

Stirlingmotor, der vorgegebene Drehzahl auch bei Lastschwankungen exakt einhält.Stirling engine, the specified speed also complies exactly with load fluctuations.

Stirlingmotor mit "Sicherem Halt".Stirling engine with "safe stop".

Stirlingmotor, der sich leicht von modernen elektronischen Steuerungssystemen (SPS, PC, ...) ansteuern läßt.Stirling engine, slightly different from modern electronic control systems (PLC, PC, ...) can be controlled.

Stirlingmotor, der eine Hubbewegung nach Positionsvorgabe ausführen kann (Stirlinglinearmotor).Stirling engine, which can execute a stroke movement according to position specification (Stirling linear motor).

Stirlingmotor, der auch im Stillstand eine Kraft/ein Drehmoment ausüben kann.Stirling engine, which can exert a force / torque even at a standstill.

Die eben genannte Kraft/Drehmoment kann einfach gemessen/geregelt werden (Über Innendruck).The just mentioned force / torque can be easily measured / regulated (About internal pressure).

Stirlingmaschinen (Motore, Wärmepumpen, Kältemaschinen, ...) erhalten einen höheren Wirkungsgrad.Stirling engines (Engines, heat pumps, chillers, ...) get a higher one Efficiency.

Der Arbeitskolben kann sich auch ohne eine Kurbelwelle sinusförmig (o.ä.) bewegen.Of the Working piston can also move without a crankshaft sinusoidal (or similar).

Claims (7)

Stirlingmaschine mit rotierendem Verdränger, dadurch gekennzeichnet, daß 1.1 der Antrieb des Verdrängers entweder 1.1 elektromotorisch oder 1.1.2 pneumatisch oder 1.1.3 hydraulisch erfolgt. 1.2 die Stirlingmaschine mit einer Steuerung ausgestattet ist, die den Antrieb des Verdrängers steuert und die eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist: Die Steuerung 1.2.1 bekommt die gewünschte Betriebsart mitgeteilt (z.B. Drehzahlregelung, Halt, Positionieren) 1.2.2 bekommt zugehörige Sollwerte mitgeteilt (z.B. Drehzahl, Drehmoment, Position) 1.2.3 ist mit einer Messvorrichtung für die Verdrängerstellung verbunden 1.2.4 ist mit einer Messvorrichtung für die Verdrängerdrehzahl verbunden 1.2.5 ist mit einer Messvorrichtung für die Arbeitskolbenposition verbunden 1.2.6 ist mit einer Messvorrichtung für die Abtriebsdrehzahl/Antriebsdrehzahl verbunden 1.2.7 ist mit einer Messvorrichtung für den Druck im Inneren der Stirlingmaschine verbunden 1.2.8 ist mit einer Messvorrichtung für die Temperatur der kalten Seite der Stirlingmaschine verbunden 1.2.9 ist mit einer Messvorrichtung für die Temperatur der warmen Seite der Stirlingmaschine verbunden 1.2.10 ist mit einer übergeordneten Sicherheitssteuerung verbunden 1.2.11 ist mit einer übergeordneten Ablaufsteuerung (z.B. SPS) verbunden 1.2.12 hat durch Kennlinien oder Kennlinienfelder Kenntnis von den Eigenschaften des mechanischen Aufbaus der StirlingmaschineStirling machine with rotating displacer, characterized in that 1.1 the drive of the displacer is either 1.1 electromotive or 1.1.2 pneumatic or 1.1.3 hydraulic. 1.2 the Stirling engine is equipped with a control that controls the drive of the displacer and having one or more of the following features: The control 1.2.1 gets notified of the desired operating mode (eg speed control, stop, positioning) 1.2.2 gets notified associated setpoints (eg speed, torque, position) 1.2.3 is connected to a positive displacement measuring device 1.2.4 is connected to a positive displacement measuring device 1.2.5 is connected to a working piston position measuring device 1.2.6 is equipped with a measuring device for the displacement position Output speed / input speed connected 1.2.7 is connected to a pressure measuring device inside the Stirling engine 1.2.8 is connected to a cold side temperature measuring device of the Stirling engine 1.2.9 is connected to a hot side temperature measuring device of the Stirling engine 1.2.10 is connected to a higher-level safety controller 1.2.11 is connected to a higher-level sequence control (eg PLC) 1.2.12 has knowledge of the characteristics of the mechanical structure of the Stirling engine through characteristic curves or characteristic curves Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2.1 der Antrieb des Verdrängers mit einem Synchronmotor oder einem drehzahlgeregelten sonstigen Elektromotor erfolgt. 2.2 die Drehzahl der Abtriebswelle mit der Drehzahl des Verdrängers zusammenhängt.Stirling engine according to claim 1, characterized in that that 2.1 the drive of the displacer with a synchronous motor or a speed-controlled other electric motor he follows. 2.2 the speed of the output shaft with the speed of the displacer related. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 3.1 der Antrieb des Verdrängers mit einer sicherheitstechnisch bewährten Abschaltvorrichtung abgeschaltet werden kann (z.B. Schütz, stellungsüberwachtes Ventil). 3.2 das sichere Abschalten des Antriebs des Verdrängers auch ein sicheres Abschalten/Anhalten des Stirlingmotors bewirkt.Stirling engine according to claim 1, characterized in that that 3.1 the drive of the displacer switched off with a safety-proven shutdown device (for example contactor, position-monitored valve). 3.2 the safe shutdown of the drive of the displacer also a safe shutdown / stop the Stirling engine causes. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 4.1 der Verdränger mit "sicher reduzierter Drehzahl" angetrieben wird. 4.2 das der sicher langsam drehende Verdränger auch zu einer entsprechend langsam drehenden Abtriebswelle führt.Stirling engine according to claim 1, characterized in that that 4.1 the displacer with "certainly reduced Speed "driven becomes. 4.2 the sure slow rotating displacer too leads to a correspondingly slowly rotating output shaft. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung so gestaltet ist, daß entweder 5.1 die Lage des Arbeitskolbens geregelt werden kann oder 5.2 die Kraft, die der Arbeitskolben ausübt, geregelt werden kann oder 5.3 die Lage des Arbeitskolbens einem definierten Bewegungsprofil folgt.Stirling engine according to claim 1, characterized in that that the Control is designed so that either 5.1 the position of the working piston can be regulated or 5.2 the Force that the working piston exerts can be regulated or 5.3 the position of the working piston a defined movement profile follows. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung so gestaltet ist, daß die Stirlingmaschine mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.Stirling machine according to claim 1, characterized that the Control is designed so that the Stirling engine is operated with optimum efficiency. Stirlingmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung so gestaltet ist, daß die Kombination aus Stirlingmaschine und antreibender oder angetriebener Maschine mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.Stirling machine according to claim 1, characterized that the Control is designed so that the Combination of Stirling engine and driving or driven Machine is operated with optimum efficiency.
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