DE3703665A1 - Stirling-motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stirling-Motor nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

In der klassischen Grundform ist der Stirling-Motor ein Heißluftmotor mit einem dichten Arbeitskolben und einem "undichten" Verdränger (Plungerkolben) in einer Zylinder­ laufbahn. Diese wird an ihrem oberen Ende beheizt und am unteren Ende gekühlt. Eine Kolbenstange des Verdrängers läuft durch eine Bohrung des Arbeitskolbens. Die Pleuel des Arbeitskolbens und des Verdrängers greifen an üblicherweise um 90° versetzten Kröpfungen einer Kurbelwelle an, so daß der Verdränger dem Arbeitskolben einen halben Hub voraus­ eilt. Der Verdränger schiebt die Luft über dem Arbeitskolben durch einen Spalt zwischen Zylinderlaufbahn und Verdränger in eine erhitzte Heißgaskammer am oberen Ende oder gekühlte Kaltgaskammer am unteren Ende. Dadurch wechselt der Gasdruck und der Arbeitskolben wird wechselweise hin- und herbewegt. Der Wirkungsgrad des Motors wird durch einen höheren, mittleren Druck des Arbeitsgases und bei Verwendung von Helium oder Wasserstoff als Arbeitsgas vergrößert. Eine weitere, bekannte Maßnahme zur Erhöhung des Wirkungsgrads ist die Vergrößerung der Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltgaskammer, was inbesondere durch den Einsatz von Keramik­ material möglich wäre. Die bisherigen Motorkonstruktionen sind in ihrem Aufbau und ihrer Geometrie meist so kompliziert, daß der Einsatz von Keramik schwierig und wenig sinnvoll ist.

Die besonderen Vorteile des Stirling-Motors gegenüber herkömm­ lichen Otto- oder Dieselmotoren liegen in dem wesentlich ge­ ringeren Schadstoffausstoß einer Dauerflamme und einem sanfte­ ren Druckverlauf, der den Stirling-Motor zu einem verschleiß­ festen, wartungsarmen und ruhigen Dauerläufer bei relativ ein­ facher Herstellung macht.

Ein effektives Einsatzgebiet für Stirling-Motoren ergibt sich in Verbindung mit Gebäudeheizungsanlagen. Stirling-Motoren können dabei mit Elektrogeneratoren die für ein Gebäude erfor­ derliche elektrische Energie erzeugen, bzw. überschüssige Energie in ein Verbundnetz einspeisen, wobei die durch den Motorbetrieb entstehende Abwärme über Wärmetauscher zur Ge­ bäudeheizung herangezogen werden kann. Für eine solche Verwen­ dung ist es erforderlich, Stirling-Motoren in Großserien mög­ lichst preisgünstig mit hohem Wirkungsgrad herzustellen. Zudem muß ein solcher Motor über eine möglichst lange Standzeit war­ tungsfrei zu betreiben sein. Hier setzt die vorliegende Erfin­ dung an.

Bei bekannten Stirling-Motoren ist der Verdränger ein tonnen­ förmiges oder flaschenförmiges Gebilde, wobei das Arbeitsgas den Temperaturwechsel im wesentlichen beim Durchströmen des Spalts zwischen Verdränger und Zylinderlaufbahn vornimmt. Der Verdränger hat durch seine großflächigen Außenwände und die erforderliche Stabilität ein ungünstig hohes Gewicht und große Massenträgheit. Um zweckmäßig große Wärmeübergangsflächen an den Außenseiten der Heißgaskammer zu erhalten, sind diese Flächen durch Verrippungen etc. relativ kompliziert aufge­ baut. Dies führt zu hohen Herstellungskosten, Schwierigkeiten beim Einsatz von Keramikmaterialien und fördert die Ablagerung von Verbrennungsrückständen. Bei einer herstellungsmäßig gün­ stigen und Ablagerungen entgegenwirkenden glatten Außenfläche der Heißgaskammer wird das gesamte Teil relativ groß, da für den Wärmeübergang bestimmte Flächengrößen zweckmäßig nicht unterschritten werden können. Ein solches großes Bauteil führt zwangsläufig zu einem großen und damit schwereren Verdränger­ körper hoher Massenträgheit und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrades.

Bei anderen bekannten Stirling-Motorausführungen ist der Ver­ dränger mit Dichtungen versehen und das Arbeitsgas wird durch Erhitzer- und Kühlerröhren geleitet, die durch ihre Windungen hohe Strömungsverluste aufweisen und viel totes Volumen haben, was den Wirkungsgrad vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen gattungsge­ mäßen Stirling-Motor so weiterzubilden, daß bei einfacher Her­ stellbarkeit ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung ist der Verdränger nicht mehr tonnen- oder flaschenförmig ausgeführt, sondern besteht aus zwei jeweils zur Heißgaskammer bzw. Kaltgaskammer hin weisenden Verdränger­ kolben, die durch eine Kolbenstange verbunden sind. Diese Ver­ drängerkolben weisen aber nicht den bisherigen Spalt zur Zylinderlaufbahn auf, sondern laufen relativ dicht, aber ohne notwendig einen Dichtheitsgrad wie bei einem Explosionsmotor haben zu müssen. Die Überströmverbindung zwischen der Heißgas­ kammer und Kaltgaskammer ist innerhalb der Zylinderlaufbahn­ wand durch Überströmkanäle ausgeführt. Diese Überström­ kanäle überbrücken in ihrer Längserstreckung die Kolbenstan­ genlänge und den Hubbereich der Verdrängerkolben, so daß das Gas um die Kolbenstange am Motorprozeß nicht unmittelbar teil­ nimmt.

Insgesamt gesehen ist damit die bisherige Längsaußenfläche der Verdrängerkörper ein ortsfestes Bauteil geworden, wobei ledig­ lich die stirnseitigen Teile als mit einer Kolbenstange ver­ bundene Verdrängerkolben bewegt werden. Dies führt zu geringe­ ren bewegten Massen mit geringerer Beanspruchung, geringerem Verschleiß und einer Reduzierung der Größe der bewegten Ver­ drängerkörperteile, so daß diese einfacher, beispielsweise auch in Keramik, herstellbar sind.

Eine solche Bauweise des Verdrängers ermöglicht nun auch die Erhitzeraußenoberfläche glattwandig bzw. mit minimaler Ver­ rippung auszuführen, ohne daß die dadurch bedingte lange Ge­ samtbauweise zu unbefriedigend hohen Wirkungsgradverlusten führen würden. Diese glattwandige Außenoberfläche führt zu einer einfachen Herstellung, insbesondere auch bei einer Aus­ führung mit Keramikmaterial und wirkt unerwünschten Ablagerun­ gen entgegen, so daß dadurch hohe wartungsfreie Standzeiten erreichbar sind. Vorteilhaft ist zudem die schlechte Wärmelei­ tung zwischen Heißgaskammer und Kaltgaskammer über die mög­ lichst dünnwandige und leichte Kolbenstange.

Die Überströmkanäle in der Zylinderlaufbahnwand werden nach Anspruch 2 am einfachsten dadurch erhalten, daß die Wand doppelwandig aus zwei aneinanderliegenden Zylindern besteht. Dabei ist der äußere Zylinder an seiner Innenfläche und/oder bevorzugt der innere Zylinder an seiner Außenfläche mit in der Längserstreckung verlaufenden Nuten versehen, die beim Zu­ sammensetzen der beiden Zylinder die Verbindung zwischen Heiß­ gas- und Kaltgaskammer herstellen. Durch die Anlagestege zwi­ schen den Nuten wird ein guter Wärmeübergang erreicht. Zweck­ mäßig werden einige Stege breiter gewählt und dort der Innen- und Außenzylinder miteinander mit üblichen Maßnahmen, wie Schweißen, Nieten, Schrauben etc. verbunden. Nach Anspruch 3 kann es je nach den Gegebenheiten zur Verbesserung einer mög­ lichst gleichmäßigen Strömung zweckmäßig sein, die Überström­ bohrungen in der Längserstreckung gerade oder leicht schrau­ benförmig zu gestalten. Durch die vorgeschlagene, sehr gerade Gasführung werden Strömungsverluste verringert, insbesondere gegenüber den bekannten Erhitzer- und Kühlerröhren mit einer Vielzahl von Windungen. Dadurch können die Überströmkanäle dünner gehalten werden, wodurch sich weniger totes Volumen und eine relativ größere Wärmetauscherfläche ergibt, was den Wir­ kungsgrad insgesamt erhöht.

Mit Anspruch 4 wird vorgeschlagen, die Zylinderlaufbahn so auszuführen, daß sie in ihrer Längsrichtung einen schlechten und in ihrer Radialrichtung einen guten Wärmeübergang auf­ weist. Maßnahmen dazu sind beispielsweise ein mehrteiliger Aufbau aus unterschiedlichen Materialien mit einem Oberteil aus Keramik und einem Zwischen- und Unterteil aus Metall. Wei­ ter können sogenannte Wärmeschikanen angebracht werden, die einen Wärmeübergang in Längsrichtung erschweren, wie z. B. Nuten in Radialebenen. Eine solche Anordnung erhöht insgesamt den Wirkungsgrad. Es können auch an sich bekannte Werkstoffe verwendet werden, die von sich aus (z. B. durch ihre Kristall­ struktur) in beiden Richtungen unterschiedliche Wärmeleit­ fähigkeit besitzen. Eine solche Anordnung erhöht insgesamt den Wirkungsgrad.

Eine Regeneratorwirkung wird vorteilhaft mit den Merkmalen des Anspruchs 5 dadurch erreicht, daß eine dünne Schicht eines gut wärmespeichernden Materials, insbesondere eine Kupferschicht, in den Überströmbohrungen angebracht wird. Die Beschichtung wird zweckmäßig so weit an die Heißgaskammer herangeführt, wie dies durch die dort herrschenden hohen Temperaturen möglich ist. Bei der doppelwandigen Ausführung der Zylinderlaufbahn wird die Beschichtung der Überströmkanäle einfach dadurch erreicht, daß die Außen- bzw. Innenwand der Zylinder insgesamt beschichtet werden. Als Innenzylinder kann beispielsweise ein bis in die Nähe der Heißgaskammer beschichtetes Keramikrohr verwendet werden. Es kann auch (evtl. zusätzlich) eine Folie eingebracht werden. Vorteilhaft dabei ist, daß diese nur einen geringen thermischen Kontakt zu den umgebenden Wärmesenken hat. Die Aufgabe eines "Wärmeschwamms" kann dadurch gut er­ füllt werden. An sich bekannte Gewebe, Vliese oder Schäume als Regeneratoren sollten dagegen wegen der großen Strömungswider­ stände vermieden werden.

Bei einem Stirling-Motor nach dem sogenannten β-Typ, bei dem der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben koaxial in einem Gehäuse angeordnet sind, ist der Hub des Arbeitskolbens bei der Bemessung des inneren Zylinders zu berücksichtigen (Anspruch 6).

Eine Kolbenstange kann vorteilhaft noch dünnwandiger und leichter ausgeführt werden, wenn sie gemäß Anspruch 7 an einer Lagerstütze gelagert ist und so gegen Ausknicken geschützt wird.

Wenn eine oder mehrere Lagerstützen nach Anspruch 8 als dichte, ortsfeste Platten ausgeführt sind, werden zu den ein­ zelnen Verdrängerkolben hin Kammern geschaffen, die als Gas­ federn wirken. Damit kann das Motorverhalten beeinflußt wer­ den, beispielsweise kann der Motor bevorzugt im Resonanzbe­ trieb der Gasfederanordnung gefahren werden. Eine günstige An­ ordnung ergibt sich dadurch, daß zwei Platten verwendet wer­ den, die in Längsrichtung verstellbar sind, wodurch weitere Steuer- und Einstellmöglichkeiten gegeben sind.

Zudem läßt sich in den Raum um die Kolbenstange, bevorzugt in einem Raum zwischen zwei Lagerplatten, eine Steuerungseinrich­ tung für die indirekte Kopplung von Verdränger und Arbeitskol­ ben anbringen sowie andere Steuer- und Überwachungseinrichtun­ gen.

Bei einem Aufbau des Motors aus verschiedenen Teilen und ent­ sprechend den Temperaturbelastungen gewählten, unterschied­ lichen Materialien nach Anspruch 9 kann der Preis für einen Motor verringert werden, da teuere Materialien mit schwieriger Bearbeitungstechnik nur im Bereich hoher Temperaturen verwen­ det werden.

Für einen gleichmäßigen Spannungsverlauf im Material bei Über­ druck bzw. Unterdruck und für einen gleichmäßigen Strömungs­ verlauf ist es nach Anspruch 10 zweckmäßig, die Verdrängerkol­ ben und entsprechend die Stirnseiten der Heißgas- und Kaltgas­ kammern kalottenförmig nach außen zu wölben. Durch die gegen­ seitige Anpassung der Konturen der Kolben und Kammerwände ent­ steht nur ein kleines Totvolumen.

Strömungsverluste werden insbesondere auch mit den Maßnahmen des Anspruchs 11 vermieden, wodurch der Gasstrom der Kalotten­ wölbung angepaßt wird und dadurch beim Austritt aus den Über­ strömbohrungen das Gas in einem großen einzigen Wirbel bei ge­ ringen Strömungsverlusten in die Kammern einströmt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung mit weiteren Merkmalen, Vorteilen und Einzelheiten näher erläu­ tert.

Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch das Motorgehäuse eines Stirling-Motors im Bereich des Verdrängers,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des oberen Teils aus Fig. 1

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt des unteren Teils aus Fig. 1,

Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt aus einem mittleren Be­ reich der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Stirling-Motor 1 darge­ stellt mit einem Motorgehäuse 2, einem Verdränger 3, einem Er­ hitzer 4 mit einer Heißgaskammer 5, einem Kühler 6 mit einer Kaltgaskammer 7 sowie einem Arbeitskolben 8.

Der Verdränger 3 besteht aus einem oberen Heißgas-Verdränger­ kolben 9 und einem unteren Kaltgas-Verdrängerkolben 10, die beide durch eine Kolbenstange 11 verbunden sind. Die Stirn­ flächen der Verdrängerkolben 9, 10 sind kalottenförmig nach außen gewölbt

Das Motorgehäuse 2 besteht aus einem äußeren Zylinder 12 (siehe auch Fig. 2 bis 4), der im oberen Teil entsprechend der Kalottenform des Heißgas-Verdrängerkolbens kalottenförmig ge­ schlossen ist und die Stirnfläche der Heißgaskammer 5 bildet. In seinem unteren Bereich bildet dagegen der äußere Zylinder 12 mit seiner Innenfläche die Lauffläche 13 für den Arbeits­ kolben 8.

Im geraden Zylinderbereich des Motorgehäuses 2 ist dieses doppelwandig ausgeführt durch einen inneren Zylinder 14, der an seiner Außenfläche eine Vielzahl längsverlaufender Nuten 15 und Stege 16 aufweist. Mit den Stegen 16 liegt der innere Zylinder 14 an der Innenfläche des äußeren Zylinders 12 an, so daß wegen der Nuten 15 Überströmkanäle 17 zwischen der Heißgaskammer 5 und der Kaltgaskammer 7 gebildet werden. Über breitere Stege 18 ist der innere Zylinder 14 mit dem äußeren Zylinder 12 verbunden.

Die Innenwand des inneren Zylinders 14 bildet die Zylinder­ laufbahn 19 für den Heißgas-Verdrängerkolben 9 bzw. Kaltgas- Verdrängerkolben 10. In der Heißgaskammer 5 ist der innere Zylinder 14 relativ weit nach oben gezogen und die Überström­ bohrungen 17 sind entsprechend der Kalottenform zur Heißgas­ kammer 5 hin abgebogen (siehe Fig. 2).

Im Bereich der Kaltgaskammer 7 hat dagegen der Verdrängerkol­ ben 10 eine relativ lange seitliche Lauf- und Führungsbahn und der innere Zylinder 14 reicht nur wenig in die Kaltgaskammer hinein. Dies ist erforderlich, damit der Arbeitskolben 8, der an der Innenseite des äußeren Zylinders 12 läuft, seinen Hub durchführen kann.

Die Kolbenstange 11 ist in einer oberen Lagerplatte 20 und einer unteren Lagerplatte 21 relativ dicht geführt, so daß zwei Kammern 22, 23 mit veränderlichem Volumen entstehen, die als Gasfedern wirken.

Der dargestellte Stirling-Motor 1 ist vom sogenannten b-Typ, wobei der Arbeitskolben 8 durchbohrt ist und durch diese Boh­ rung eine mit dem Verdränger 3 verbundene Kolbenstange 24 dichtend geführt und über ein Getriebe mit dem Arbeitskolben 8 gekoppelt ist.

Es ist zu erkennen, daß die Außenflächen des äußeren Zylinders glattflächig und damit einfach beispielsweise auch in Keramik­ material herstellbar sind. Das Motorgehäuse 2 ist ziemlich lang. Durch die spezielle Form des Verdrängers in Verbindung mit den stationären Innenwänden des inneren Zylinders 14 und den Überströmöffnungen 17 sind dennoch die bewegten Verdrän­ germassen relativ gering.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß mit der Erfindung ein Stirling-Motor einfacher Bauweise mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt wird.

Claims (11)

1. Stirling-Motor,
mit einem arbeitsgasgefüllten Motorgehäuse mit einer Zylinderlaufbahn,
mit einem Erhitzer mit Heißgaskammer,
mit einem Kühler mit Kaltgaskammer,
mit einem in der Zylinderlaufbahn beweglichen Verdränger mit einer Überströmverbindung für das Arbeitsgas zwi­ schen der Heißgaskammer und Kaltgaskammer zur wechsel­ weisen Änderung der Kammervolumen und
mit einem Arbeitskolben, der mit dem Verdränger ge­ koppelt ist und dessen Hubraum mit der Kaltgaskammer in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdränger (3) aus zwei jeweils zur Heißgaskammer (5) und zur Kaltgaskammer (7) hin weisende Verdrängerkol­ ben (9, 10) besteht, die durch eine Kolbenstange (11) ver­ bunden sind und die relativ dicht in der Zylinderlaufbahn (19) bewegbar sind, und
daß die Überströmverbindung als Überströmkanäle (17) innerhalb der Zylinderlaufbahnwand (12, 14) ausgeführt sind, wobei die Überströmkanäle (17) in ihrer Längser­ streckung wenigstens die Kolbenstangenlänge und deren Hub­ bereich als Verbindung zwischen der Heißgaskammer (5) und Kaltgaskammer (7) überbrücken.

2. Stirling-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zylinderlaufbahn doppelwandig aus zwei aneinander­ liegenden Zylindern (12, 14) besteht,
der innere Zylinder (14) an seiner Außenfläche und/oder der äußere Zylinder (12) an seiner Innenfläche Nuten (15) zur Bildung der Überströmkanäle (17) enthält,
die Länge des inneren Zylinders (14) die Längserstreckung der Überströmkanäle (17) bestimmt und
der äußere Zylinder (12) demgegenüber länger ist zur Bil­ dung der stirnseitigen Heißgas- (5) bzw. Kaltgaskammer (7).

3. Stirling-Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Überströmkanäle (17) bzw. Nuten (15) in der Längserstreckung gerade oder leicht schraubenförmig verlaufen.

4. Stirling-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbahn (12, 14, 19) in Längsrichtung einen schlechten und in Radialrichtung einen guten Wärmeübergang aufweist.

5. Stirling-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Schicht eines gut wärme­ speichernden Materials, insbesondere eine Kupferschicht, in einem Bereich der Überströmkanäle (17) zwischen der Heißgaskammer (5) und Kaltgaskammer (7) oder bis zur Kalt­ gaskammer (7) aufgebracht ist.

6. Stirling-Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, ausge­ führt als β-Typ, wobei der Arbeitskolben (8) und der Verdränger (3) koaxial in einem Gehäuse (2) angeordnet sind und der Arbeitskolben (8) die stirnseitige Begrenzung der Kaltgaskammer (7) bildet, so daß der Arbeitskolbenhub in der Kaltgaskammer (7) stattfindet, dadurch gekennzeich­ net, daß der innere Zylinder (14) etwa bis zur OT-Lage des Arbeitskolbens (8) reicht und der Kaltgas-Verdrängerkolben (10) eine Kolbenwandlänge größer als der Arbeitskolbenhub hat.

7. Stirling-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (11) an Lagerstützen (20, 21) gelagert ist, die mit der Innenseite der Zylin­ derlaufbahn bzw. des inneren Zylinders (14) verbunden sind.

8. Stirling-Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstützen wenigstens aus einer, bevorzugt in Längsrichtung verschiebbaren und arretierbaren Platte (20, 21) bestehen, die die Kolbenstange (11) dicht umschließt und zwischen den beiden Verdrängerkolben (9, 10) wenig­ stens zwei gegeneinander relativ dichte, als Gasfeder wir­ kende Kammern (22, 23) gebildet sind.

9. Stirling-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißgas-Verdrängerkolben (9) und alle Teile in seiner Umgebung aus Keramik gefertigt sind und der Kaltgas-Verdrängerkolben (10) und alle Teile in seiner Umgebung aus Metall gefertigt sind.

10. Stirling-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerkolben (9, 10) und ent­ sprechend die Stirnseiten der Heißgas- (5) und Kaltgas­ kammer (7) kalottenförmig nach außen gewölbt sind.

11. Stirling-Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkanäle (17) im Bereich der Kalotten­ wölbung enden und in ihrem Endbereich entsprechend der Kalottenwölbung gekrümmt sind.