EP0481037A1 - Stirling engine - Google Patents

Stirling engine

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Publication number
EP0481037A1
EP0481037A1 EP91907869A EP91907869A EP0481037A1 EP 0481037 A1 EP0481037 A1 EP 0481037A1 EP 91907869 A EP91907869 A EP 91907869A EP 91907869 A EP91907869 A EP 91907869A EP 0481037 A1 EP0481037 A1 EP 0481037A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
regenerator
stirling
plate
space
rotation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP91907869A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hans KLEINWÄCHTER
Jürgen KLEINWÄCHTER
Eckhart Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bomin Solar GmbH and Co KG
Original Assignee
Bomin Solar GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bomin Solar GmbH and Co KG filed Critical Bomin Solar GmbH and Co KG
Publication of EP0481037A1 publication Critical patent/EP0481037A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/068—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having other power cycles, e.g. Stirling or transcritical, supercritical cycles; combined with other power sources, e.g. wind, gas or nuclear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • F02G2243/04—Crank-connecting-rod drives
    • F02G2243/06—Regenerative displacers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G2254/30—Heat inputs using solar radiation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/30—Displacer assemblies
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    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/42—Displacer drives
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a Stirling machine with a housing space, which is divided into two partial spaces by a gas-permeable regenerator plate which can be moved back and forth, one of which is heatable and the second of which is provided with cooling, and the second of which Partial space communicates with a working cylinder which engages a working shaft via a first drive device and the regenerator plate via a second drive device.
  • the invention also relates to a method for operating fronting machines.
  • the heat-emitting and the heat-absorbing sheet metal wall are each designed to be flat plate-shaped.
  • the edge edges are connected via a circumferential side wall, so that a rectangular housing is present.
  • the regenerator plate is a rigid solid, the edge of which also moves back and forth between the sheet metal walls.
  • the connection of the working cylinder to the housing space is provided in the area of the side wall.
  • the well-known Stirling engine is a small laboratory model. There are considerable difficulties with a larger construction that can be used in practice.
  • the invention is therefore based on the object of developing a Stir ⁇ ling machine of the type mentioned, which is characterized by a high pressure stability, by simple mobility of the regenerator plate working as a displacer and thus by a particularly low cost due to a long service life Manufacturing excels.
  • the geometric design of the housing space according to the invention with the pivotable fastening of the regenerator plate in the tip of the housing space makes it easy and completely to prevent problems with the guidance and mounting of the movable regenerator plate.
  • the regenerator plate swivels with little wear around a single axis of rotation and moves the working gas located in the housing space, as a rule this is air, between the two subspaces depending on the corresponding work cycle.
  • regenerator plate itself and the two of these are opposite boundary walls of the housing space are cylindrical segment-shaped, the curvatures of the boundary walls and the regenerator plate being matched to one another.
  • this geometry enables relatively large pressure differences between the housing space and the surroundings with relatively little material expenditure.
  • the invention thus enables a Stirling engine to be produced which is characterized by simple manufacture, low maintenance and, based on the achievable output, low material expenditure.
  • a machine in which the for operation i.e. heat required for heating the working gas can be coupled directly or indirectly into the corresponding sub-area of the housing space, is particularly suitable in sunny, non-industrialized areas, for example as a drive for water pumps, compressed air generators for divers, pressure-driven inland boats or also for the oxygen inlet dead water. It can also be used as a pump for irrigating, for example, allotment gardens or for operating fountains or as a drive for a pump in solar hot water systems.
  • the boundary wall of the heatable partial space is made of translucent material and the regenerator surface opposite this boundary wall is provided with a gas-permeable light absorber.
  • an additional increase in the efficiency of the Stirling engine can be achieved by using a volumetric light absorber that enables energy absorption in depth and, for example, consists of a braid of different meshes arranged in multiple layers.
  • the cooling of the second part of the housing space of the Stirling machine according to the invention can be achieved simply and effectively by a cooling system which is applied directly to the corresponding regenerator surface and resonates with the regenerator. Because of the relatively low frequencies, such an arrangement does not cause any problems.
  • a hose or tube system through which water flows can be used for cooling in a simple manner.
  • the available power of the Stir ⁇ ling machine can be increased by simply increasing e.g. the width of the housing space can be reached.
  • the flywheel mass required for a single machine can be dispensed with or at least considerably reduced.
  • modules act on a common working wave, it is also possible to use individual modules in a manner known per se to operate as a refrigerator if the boundary wall associated with the usually heated sub-room is shielded from heat or light radiation.
  • FIGS. 1 to 6 Further explanations of the invention can be found in the exemplary embodiment shown schematically in FIGS. 1 to 6.
  • the Stirling machine shown consists of a wedge-shaped housing space i with boundary walls 2 and 3, which are designed to be cylinder-shaped to increase the strength.
  • a regenerator plate 4 which is also cylindrical segment-shaped and is mounted in the top of the housing space in an axis of rotation 5.
  • the regenerator plate 4 forms two sub-spaces 6 and 7 in the housing space 1, the heating in the sub-space 6 and the required cooling of the working gas oscillating back and forth through the regenerator plate 4, in the present case this is air.
  • the subspace 7 communicates with a working cylinder formed by a membrane 8, which in turn is connected to a working shaft 14 via a linkage 9, the working shaft 14 is also connected to the regenerator plate 4 via a second linkage 11.
  • the boundary wall 2 is made of a translucent material. An improvement in efficiency can be achieved. if a double-transparent cover is used, which allows the light rays to enter the sub-space 6 unhindered, but prevents the heat from being radiated outwards.
  • the air-permeable light absorber 12 is flat arranged on the regenerator plate 4. The cooling takes place by means of a water-carrying hose system 13, which is fastened on the opposite side of the regenerator plate 4 and resonates with it according to the machine's working cycle.
  • the regenerator plate 4 swings in the direction of the boundary wall 2.
  • the hot air flows through the regenerator plate and releases its heat to the storage medium of the plate, as a result of which the pressure in the motor housing drops (FIG. 2). .
  • the flywheel 10 now presses the membrane 8 together via the linkage 9, the air in the housing being compressed.
  • the resulting compression heat is released to the cooling system 13.
  • the regenerator plate 4 pivots in the direction of the boundary wall 2 by means of the linkage 11.
  • FIG. 5 shows a drive unit consisting of 4 individual modules I to IV in the example, and in this example the modules are arranged horizontally.
  • the individual modules can be arranged side by side in a row, but it is expedient to form a drive unit from module pairs, as in the example shown.
  • the individual modules of a pair of modules are expediently arranged such that the axes of rotation (5) of the regenerator plates (4) lie parallel to one another and the rotary movements of the axes of rotation (5) are at the ends of the axes of rotation outside the parallelogram rods (15, 16 to IS ', 16') attacking the housing spaces (1) are each rotated in the same direction by the working shaft (14).
  • the regenerator plate (4) of one module is lowered and at the same time the regenerator plate (4) of the second module is raised.
  • a weight balance follows automatically within each pair of modules, without the counterweights otherwise required.

Landscapes

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Abstract

Moteur Stirling comprenant un espace (1) limité par une enveloppe, divisé en deux chambres (6, 7) par une plaque du régénérateur (4) perméable au gaz et animée d'un mouvement alternatif, l'une des chambres étant munie de moyens de réchauffage et la seconde, de moyens de refroidissement (13), cette seconde chambre (7) étant en liaison avec un cylindre moteur qui, par l'intermédiaire d'un premier dispositif de commande (9), agit sur un arbre moteur (14) ou sur une masse d'inertie (10) et, par l'intermédiaire d'un second dispositif de commande, sur la plaque du régénérateur (4), caractérisé en ce que l'espace (1) limité par l'enveloppe est réalisé en forme de coin, et en ce que la plaque du régénérateur (4) est montée oscillante sur un axe de rotation (5), au sommet dudit espace limité par l'enveloppe. Grâce à la forme d'exécution proposée de l'espace (1) limité par l'enveloppe, avec le montage oscillant de la plaque du régénérateur (4) servant également de piston de refoulement, la fonction de déplacement de la plaque du régénérateur (4) est pleinement assurée, en raison de l'oscillation à usure réduite autour de l'axe de rotation (5).Stirling engine comprising a space (1) limited by an envelope, divided into two chambers (6, 7) by a plate of the regenerator (4) permeable to gas and animated with a reciprocating movement, one of the chambers being provided with means heating and the second, cooling means (13), this second chamber (7) being connected to a motor cylinder which, by means of a first control device (9), acts on a motor shaft ( 14) or on an inertia mass (10) and, via a second control device, on the regenerator plate (4), characterized in that the space (1) limited by the casing is made in the form of a wedge, and in that the regenerator plate (4) is mounted oscillating on an axis of rotation (5), at the top of said space limited by the casing. Thanks to the proposed embodiment of the space (1) limited by the casing, with the oscillating mounting of the regenerator plate (4) also serving as a discharge piston, the function of moving the regenerator plate ( 4) is fully ensured, due to the low wear oscillation around the axis of rotation (5).

Description

Stirling-MaschineStirling engine
Die Erfindung betrifft eine Stirling-Maschine mit einem Ge¬ häuseraum, der durch eine hin- und herbewegbare gasdurchläs¬ sige Regeneratorplatte in zwei Teilräume aufgeteilt ist, wo¬ bei der eine beheizbar und der zweite mit einer Kühlung ver¬ sehen ist und wobei der zweite Teilraum mit einem Arbeitszy¬ linder kommuniziert, der über eine erste Antriebseinrichtung an einer Arbeitswelle und über eine zweite Antriebseinrich¬ tung an der Regeneratorplatte angreift. Die Erfindung be¬ trifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben von Stir- 1ing-Maschinen.The invention relates to a Stirling machine with a housing space, which is divided into two partial spaces by a gas-permeable regenerator plate which can be moved back and forth, one of which is heatable and the second of which is provided with cooling, and the second of which Partial space communicates with a working cylinder which engages a working shaft via a first drive device and the regenerator plate via a second drive device. The invention also relates to a method for operating fronting machines.
Bei einer bekannten (Veröffentlichung "19th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference", August 1984, S. 1807 - 1812) Stirling-Maschine dieser Art sind die wärmeab¬ gebende und die wärmeaufnehmende Blechwand jeweils flach plattenförmig gestaltet. Die Verbindung der Randkanten er¬ folgt über eine umlaufende Seitenwand, so daß ein rechtecki¬ ges Gehäuse vorliegt. Die Regeneratorplatte ist ein steifer Festkörper, dessen Randkanten sich ebenfalls zwischen den Blechwänden hin- und herbewegen. Der Anschluß des Arbeitszy¬ linders an den Gehäuseraum ist im Bereich der Seitenwand vorgesehen. Die bekannte Stirling-Maschine ist ein kleines Labormodell. Bei einer größeren, für die Praxis brauchbaren Bauweise treten erhebliche Schwierigkeiten auf. Da bereits bei einer Blechwandgröße von 1 m2 und einer Verdichtung von 1 : 1,05 eine Kraft von 500 kp die Blechwände auseinander¬ drückt, ist für die flachen, steifen Blechwände eine aufwen¬ dige schwere Stützkonstruktion nötig. Auch erweist sich die Führung der als Verdrängerkolben dienenden Regeneratorplatte relativ aufwendig und führt zu einer merklichen Verteuerung einer derartigen Stirling-Maschine, die sich ja gerade durch Einfachheit und somit durch eine kostengünstige Herstellung auch in größeren Stückzahlen auszeichnen soll.In a known Stirling machine (publication "19th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference", August 1984, pp. 1807-1812) of this type, the heat-emitting and the heat-absorbing sheet metal wall are each designed to be flat plate-shaped. The edge edges are connected via a circumferential side wall, so that a rectangular housing is present. The regenerator plate is a rigid solid, the edge of which also moves back and forth between the sheet metal walls. The connection of the working cylinder to the housing space is provided in the area of the side wall. The well-known Stirling engine is a small laboratory model. There are considerable difficulties with a larger construction that can be used in practice. Since already with a sheet metal wall size of 1 m 2 and a compression of 1: 1.05, a force of 500 kp pushes the sheet metal walls apart, a complex, heavy support structure is necessary for the flat, rigid sheet metal walls. Also, the guidance of the regenerator plate serving as a displacer piston proves to be relatively complex and leads to a noticeable increase in the cost of such a Stirling engine, which is supposed to be characterized by its simplicity and thus by cost-effective production even in large numbers.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Stir¬ ling-Maschine der eingangs genannten Art zu entwickeln, die sich durch eine hohe Druckstabilität, durch eine einfache Bewegbarkeit der als Verdrängerkolben arbeitenden Regenera¬ torplatte und somit bei hohen Standzeiten durch eine beson¬ ders kostengünstige Herstellung auszeichnet.The invention is therefore based on the object of developing a Stir¬ ling machine of the type mentioned, which is characterized by a high pressure stability, by simple mobility of the regenerator plate working as a displacer and thus by a particularly low cost due to a long service life Manufacturing excels.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gehäuseraum keilförmig ausgebildet und die Regeneratorplatte in der Gehäuseraumspitze schwenkbar gelagert ist.This object is achieved in that the housing space is wedge-shaped and the regenerator plate is pivotally mounted in the housing space tip.
Durch die erfindungsgemäße geometrische Ausbildung des Ge¬ häuseraumes mit der schwenkbaren Befestigung der Regenera¬ torplatte in der Spitze des Gehäuseraumes lassen sich Pro¬ bleme mit der Führung und Lagerung der beweglichen Regenera¬ torplatte einfach und vollständig verhindern. Die Regenera¬ torplatte schwenkt verschleißarm um eine einzige Drehachse und bewegt dabei je nach dem entsprechenden Arbeitstakt das im Gehäuseraum befindliche Arbeitsgas, in der Regel ist dies Luft, zwischen den beiden Teilräumen hin und her.The geometric design of the housing space according to the invention with the pivotable fastening of the regenerator plate in the tip of the housing space makes it easy and completely to prevent problems with the guidance and mounting of the movable regenerator plate. The regenerator plate swivels with little wear around a single axis of rotation and moves the working gas located in the housing space, as a rule this is air, between the two subspaces depending on the corresponding work cycle.
Eine besonders stabile Maschinenkonfiguration, die insbeson¬ dere bei größeren Leistungseinheiten von Bedeutung ist, läßt sich erreichen, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfin¬ dung die Regeneratorplatte selbst und die beiden dieser ge- genüberliegenden Begrenzungswände des Gehäuseraumes zylin- dersegmentförmig ausgebildet sind, wobei die Krümmungen der Begrenzungswände und der Regeneratorplatte einander angepaßt sind. Diese Geometrie ermöglicht, wie sich bei einem ersten Prototyp gezeigt hat, relativ große Druckdifferenzen zwi¬ schen Gehäuseraum und Umgebung bei relativ geringem Materi¬ alaufwand.A particularly stable machine configuration, which is particularly important in the case of larger power units, can be achieved if, according to a further feature of the invention, the regenerator plate itself and the two of these are opposite boundary walls of the housing space are cylindrical segment-shaped, the curvatures of the boundary walls and the regenerator plate being matched to one another. As has been shown in a first prototype, this geometry enables relatively large pressure differences between the housing space and the surroundings with relatively little material expenditure.
Durch die Erfindung läßt sich somit eine Stirling-Maschine darstellen, die sich durch einfache Herstellbarkeit, durch Wartungsarmut und bezogen auf die erreichbare Leistung durch geringen Materialaufwand auszeichnet. Eine derartige Maschi¬ ne, bei der die für den Betrieb d.h. für die Aufheizung des Arbeitsgases benötigte Wärme direkt oder auch indirekt in den entsprechenden Teilraum des Gehäuseraumes eingekoppelt werden kann, eignet sich insbesondere in sonnenreichen, nicht industrialisierten Gegenden beispielsweise als Antrieb für Wasserpumpen, Drucklufterzeuger für Taucher, druckge¬ triebene Binnenseeboote oder auch für die Sauerstoffeinlei¬ tung in tote Gewässer. Sie kann auch als Pumpe für die Be¬ wässerung von beispielsweise Schrebergärten oder auch zum Betrieb von Springbrunnen oder als Antrieb einer Pumpe in solaren Warmwassersystemen eingesetzt werden.The invention thus enables a Stirling engine to be produced which is characterized by simple manufacture, low maintenance and, based on the achievable output, low material expenditure. Such a machine, in which the for operation i.e. heat required for heating the working gas can be coupled directly or indirectly into the corresponding sub-area of the housing space, is particularly suitable in sunny, non-industrialized areas, for example as a drive for water pumps, compressed air generators for divers, pressure-driven inland boats or also for the oxygen inlet dead water. It can also be used as a pump for irrigating, for example, allotment gardens or for operating fountains or as a drive for a pump in solar hot water systems.
Bei der Nutzung von Solarenergie läßt sich eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades dadurch erreichen, daß nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Begrenzungswand des beheizbaren Teilraumes aus lichtdurchlässigem Material be¬ steht und die dieser Begrenzungswand gegenüberliegende Rege¬ neratorfläche mit einem gasdurchlässigen Lichtabsorber ver¬ sehen ist. Diese Anordnung ermöglicht die Einkopplung der benötigten Solarenergie direkt in den zu beheizenden Teil¬ raum des Arbeitsgehäuses und die unmittelbare Abgabe der vom Absorber aufgenommenen Solarwärme an das Arbeitsgas. Wir- kungsgradmindernde Wärmeübertragungsflächen sind bei einer derartigen Weiterbildung nicht mehr erforderlich.When using solar energy, a significant improvement in efficiency can be achieved in that, according to a further feature of the invention, the boundary wall of the heatable partial space is made of translucent material and the regenerator surface opposite this boundary wall is provided with a gas-permeable light absorber. This arrangement enables the required solar energy to be coupled directly into the part space of the working housing to be heated and the solar heat absorbed by the absorber to be released directly to the working gas. We- Heat transfer surfaces that reduce the degree of efficiency are no longer required in such a development.
Eine zusätzliche Wirkungsgraderhöhung der Stirling-Maschine kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch die Verwendung eines volumetrischen Lichtabsorbers erzielt wer¬ den, der eine Energieaufnahme in die Tiefe ermöglicht und beispielsweise aus einem mehrlagig angeordneten Geflecht un¬ terschiedlicher Maschenweite besteht.According to a further feature of the invention, an additional increase in the efficiency of the Stirling engine can be achieved by using a volumetric light absorber that enables energy absorption in depth and, for example, consists of a braid of different meshes arranged in multiple layers.
Die Kühlung des zweiten Teilraumes des Gehäuseraumes der er¬ findungsgemäßen Stirling-Maschine läßt sich einfach und wir¬ kungsvoll durch ein Kühlsystem erreichen, welches unmittel¬ bar auf der entsprechenden Regeneratorfläche aufgebracht ist und mit dem Regenerator mitschwingt. Aufgrund der relativ niedrigen Frequenzen bereitet eine derartige Anordnung kei¬ nerlei Probleme. Zur Kühlung kann in einfacher Weise ein wasserdruchströmtes Schlauch- oder Röhrensystem verwendet werden.The cooling of the second part of the housing space of the Stirling machine according to the invention can be achieved simply and effectively by a cooling system which is applied directly to the corresponding regenerator surface and resonates with the regenerator. Because of the relatively low frequencies, such an arrangement does not cause any problems. A hose or tube system through which water flows can be used for cooling in a simple manner.
Zwar kann grundsätzlich die verfügbare Leistung der Stir¬ ling-Maschine durch einfaches Vergrößern z.B. der Breite des Gehäuseraumes erreicht werden. Vorteilhafterweise werden je¬ doch zwei oder mehrere Stirling-Maschinen modulartig zu ei¬ ner Antriebseinheit zusammengefaßt, wobei alle Einzelmodule einer Antriebseinheit auf eine gemeinsame Arbeitswelle ein¬ wirken. Erfolgt die Ankopplung der Einzelmodule phasenver¬ setzt um den Betrag 2 T /n (n = Anzahl der Module) gegenüber jeweils dem im Arbeitszyklus vor- und nachgeschalteten Mo¬ dul, so wird ein gleichmäßiger Rundlauf der Arbeitswelle er¬ reicht. Die bei einer Einzelmaschine erforderliche Schwung¬ masse kann entfallen oder doch wesentlich reduziert werden.In principle, the available power of the Stir¬ ling machine can be increased by simply increasing e.g. the width of the housing space can be reached. Advantageously, however, two or more Stirling engines are combined in modules to form a drive unit, all individual modules of a drive unit acting on a common working shaft. If the coupling of the individual modules is phase-shifted by the amount 2 T / n (n = number of modules) compared to the module connected upstream and downstream in the work cycle, then a uniform concentricity of the work shaft is achieved. The flywheel mass required for a single machine can be dispensed with or at least considerably reduced.
Wirken mehrere Module auf eine gemeinsame Arbeitswelle ist es zudem möglich, einzelne Module in an sich bekannter Weise als Kältemaschine zu betreiben, wenn die dem üblicherweise beheizten Teilraum zugeordnete Begrenzungswand gegen Wärme¬ bzw. Lichteinstrahlung abgeschirmt wird.If several modules act on a common working wave, it is also possible to use individual modules in a manner known per se to operate as a refrigerator if the boundary wall associated with the usually heated sub-room is shielded from heat or light radiation.
Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in den Figu¬ ren 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.Further explanations of the invention can be found in the exemplary embodiment shown schematically in FIGS. 1 to 6.
Zur Erläuterung des Aufbaues einer erfindungsgemäßen Stir¬ ling-Maschine wird insbesondere auf Figur 2 verwiesen. Die dargestellte Stirling-Maschine besteht aus einem keilförmi¬ gen Gehäüseraum i mit Begrenzungswänden 2 und 3, die zur Er¬ höhung der Festigkeit zylinderseg entförmig ausgebildet sind. Innerhalb des Gehäuseraumes l ist eine ebenfalls zy¬ lindersegmentförmig ausgebildete Regeneratorplatte 4 vorge¬ sehen, die in der Gehäuseraumspitze in einer Drehachse 5 gelagert ist. Die Regeneratorplatte 4 bildet im Gehäuseraum 1 zwei Teilräume 6 und 7, wobei im Teilraum 6 die Aufheizung und im Teilraum 7 die erforderliche Kühlung des durch die Regeneratorplatte 4 hin- und herpendelnden Arbeitsgases, im vorliegenden Falle ist dies Luft, erfolgt. Der Teilraum 7 kommuniziert mit einem durch eine Membran 8 gebildeten Ar¬ beitszylinder, der wiederum über ein Gestänge 9 mit einer Arbeitswelle 14 in Verbindung steht, über ein zweites Ge¬ stänge 11 ist die Arbeitswelle 14 zudem mit der Regenerator¬ platte 4 verbunden.For an explanation of the structure of a Stir¬ ling machine according to the invention, reference is made in particular to Figure 2. The Stirling machine shown consists of a wedge-shaped housing space i with boundary walls 2 and 3, which are designed to be cylinder-shaped to increase the strength. Provided within the housing space 1 is also a regenerator plate 4, which is also cylindrical segment-shaped and is mounted in the top of the housing space in an axis of rotation 5. The regenerator plate 4 forms two sub-spaces 6 and 7 in the housing space 1, the heating in the sub-space 6 and the required cooling of the working gas oscillating back and forth through the regenerator plate 4, in the present case this is air. The subspace 7 communicates with a working cylinder formed by a membrane 8, which in turn is connected to a working shaft 14 via a linkage 9, the working shaft 14 is also connected to the regenerator plate 4 via a second linkage 11.
Da im vorliegenden Falle Solarwärme genutzt werden soll, ist die Begrenzungswand 2 aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt. Eine Wirkungsgradverbesserung kann erreicht werden. wenn eine doppeltransparente Abdeckung verwendet wird, die die Lichtstrahlen ungehindert in den Teilraum 6 eindringen läßt, aber das Abstrahlen von Wärme nach außen verhindert. Der luftdurchlässige Lichtabsorber 12 ist flä- chendeckend auf der Regeneratorplatte 4 angeordnet. Die Küh¬ lung erfolgt durch ein wasserführendes Schlauchsystem 13, welches auf der gegenüberliegenden Seite der Regenerator¬ platte 4 befestigt ist und mit dieser entsprechend dem Ar¬ beitstakt der Maschine mitschwingt.Since solar heat is to be used in the present case, the boundary wall 2 is made of a translucent material. An improvement in efficiency can be achieved. if a double-transparent cover is used, which allows the light rays to enter the sub-space 6 unhindered, but prevents the heat from being radiated outwards. The air-permeable light absorber 12 is flat arranged on the regenerator plate 4. The cooling takes place by means of a water-carrying hose system 13, which is fastened on the opposite side of the regenerator plate 4 and resonates with it according to the machine's working cycle.
Im Betrieb der Maschine ergibt sich folgender Arbeitsablauf: Bei minimalem Volumen des Teilraumes 7, d.h. die Regenera¬ torplatte 4 ist unmittelbar vor die Begrenzungswand 3 ge¬ schwenkt, befindet sich die gesamte Arbeitsluft im heißen Teilraum 6. Der Druck im Motor steigt und die Membran 8 ex¬ pandiert und treibt über das Gestänge 9 die Arbeitswelle 14 bzw. das Schwungrad 10 an (Fig. 1) .The following workflow results when the machine is in operation: With a minimal volume of sub-space 7, i.e. the regenerator plate 4 is pivoted immediately in front of the boundary wall 3, the entire working air is located in the hot subspace 6. The pressure in the engine rises and the membrane 8 expands and drives the working shaft 14 or the flywheel via the linkage 9 10 on (Fig. 1).
Sobald die Membran 8 ihr maximales Volumen erreicht hat, schwingt die Regeneratorplatte 4 in Richtung Begrenzungswand 2. Die heiße Luft durchströmt dabei die Regeneratorplatte und gibt ihre Wärme an das Speichermedium der Platte ab, wo¬ durch der Druck im Motorgehäuse abfällt (Fig.2).As soon as the membrane 8 has reached its maximum volume, the regenerator plate 4 swings in the direction of the boundary wall 2. The hot air flows through the regenerator plate and releases its heat to the storage medium of the plate, as a result of which the pressure in the motor housing drops (FIG. 2). .
Das Schwungrad 10 drückt nunmehr über das Gestänge 9 die Membran 8 zusammen, wobei die Luft im Gehäuse komprimiert wird. Die anfallende Kompressionswärme wird an das Kühlsy¬ stem 13 abgegeben. Gleichzeitig schwenkt mittels dem Gestän¬ ge 11 die Regeneratorplatte 4 in Richtung Begrenzungswand 2.The flywheel 10 now presses the membrane 8 together via the linkage 9, the air in the housing being compressed. The resulting compression heat is released to the cooling system 13. At the same time, the regenerator plate 4 pivots in the direction of the boundary wall 2 by means of the linkage 11.
Sobald der untere Totpunkt der Membran 8 erreicht ist, schwenkt die Regeneratorplatte zurück in Richtung Begren¬ zungswand 3 (Fig. 3) . Dabei nimmt die verdrängte Luft sowohl die in der Platte 4 gespeicherte Wärme als auch die von au¬ ßen zugeführte Solarwärme auf. Dies führt zur Druckerhöhung im Gehäuse und somit zur erneuten Expansion der Membran 8 (Fig. 4). Figur 5 zeigt eine, im Beispiel aus 4 Einzel-Modulen I bis IV bestehende Antriebseinheit und zwar sind in diesem Bei¬ spiel die Module liegend angeornet. Selbstverständlich kön¬ nen die einzelnen Module in einer Reihe nebeneinander an¬ geordnet werden, jedoch ist es zweckmäßig, eine Antriebsein¬ heit wie im gezeigten Beispiel aus Modul-Paaren zu bilden.As soon as the bottom dead center of the membrane 8 is reached, the regenerator plate swings back in the direction of the boundary wall 3 (FIG. 3). The displaced air absorbs both the heat stored in the plate 4 and the solar heat supplied from the outside. This leads to an increase in pressure in the housing and thus to a renewed expansion of the membrane 8 (FIG. 4). FIG. 5 shows a drive unit consisting of 4 individual modules I to IV in the example, and in this example the modules are arranged horizontally. Of course, the individual modules can be arranged side by side in a row, but it is expedient to form a drive unit from module pairs, as in the example shown.
Dabei werden zweckmäßigerweise, wie in Fig. 6 dargestellt, die Einzel-Module jeweils eines Modul-Paares so angeordnet, daß die Drehachsen (5) der Regeneratorplatten (4) parallel nebeneinander liegen und die Drehbewegungen der Drehachsen (5) über an den Drehachsenenden außerhalb der Gehäuseräume (1) angreifende Parallelogramm-Gestänge (15, 16 bis IS', 16') jeweils gleichläufig durch die Arbeitswelle (14) ge¬ dreht werden. Dadurch wird bei liegender Anordnung der Modu¬ le die Regeneratorplatte (4) des einen Moduls gesenkt und gleichzeitig die Regeneratorplatte (4) des zweiten Moduls angehoben. Es folgt somit automatisch ein Gewichtsausgleich innerhalb jedes Modul-Paares, ohne die sonst erforderlichen Gegengewichte.Here, as shown in Fig. 6, the individual modules of a pair of modules are expediently arranged such that the axes of rotation (5) of the regenerator plates (4) lie parallel to one another and the rotary movements of the axes of rotation (5) are at the ends of the axes of rotation outside the parallelogram rods (15, 16 to IS ', 16') attacking the housing spaces (1) are each rotated in the same direction by the working shaft (14). As a result, when the modules are arranged horizontally, the regenerator plate (4) of one module is lowered and at the same time the regenerator plate (4) of the second module is raised. A weight balance follows automatically within each pair of modules, without the counterweights otherwise required.
Bei einer solchen aus mehreren Modulen bestehenden Antriebs¬ einheit ist es möglich, ein Modul oder einzelne Module in an sich bekannter Weise als Kältemaschine zu betreiben. Dazu muß lediglich der Teilraum 6 des entsprechenden Moduls gegen Wärme bzw. Sonneneinstrahlung abgeschirmt werden. With such a drive unit consisting of several modules, it is possible to operate a module or individual modules as a refrigeration machine in a manner known per se. All that needs to be done is to shield sub-area 6 of the corresponding module against heat or solar radiation.

Claims

Patentansprüche; Claims;
1. Stirling-Maschine mit einem Gehäuseraum, der durch eine hin- und herbewegbare gasdurchlässige Regeneratorplatte in zwei Teilräume aufgeteilt ist, wobei der eine beheiz¬ bar und der zweite mit einer Kühlung versehen ist und wobei der zweite Teilraum mit einem Arbeitszylinder kommuniziert, der über eine erste Antriebseinrichtung an einer Arbeitswelle und über eine zweite Antriebseinrich¬ tung an der Regeneratorplatte angreift, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Gehäuseraum (1) keilförmig ausgebildet und die Regenera orplatte (4) in der Gehäuseraumspitze in einer Drehachse (5) schwenkbar gelagert ist.1. Stirling machine with a housing space which is divided by a reciprocating gas-permeable regenerator plate into two sub-rooms, the one being heated and the second being provided with cooling and the second sub-room communicating with a working cylinder which communicates via a first drive device engages on a working shaft and via a second drive device on the regenerator plate, characterized in that the housing space (1) is wedge-shaped and the Regenera orplatte (4) is pivotally mounted in the housing space tip in an axis of rotation (5) .
2. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Regeneratorplatte (4) und die beiden dieser gegenüberliegenden Begrenzungswände (2, 3) des Gehäuse¬ raumes (1) zylindersegmentförmig ausgebildet sind, wobei die Krümmungen der Begrenzungswände (2, 3) und der Rege¬ neratorplatte (4) einander angepaßt sind.2. Stirling engine according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net that the regenerator plate (4) and the two these opposite boundary walls (2, 3) of the housing chamber (1) are cylindrical segment-shaped, the curvatures of the boundary walls (2, 3) and the regenerator plate (4) are matched to one another.
3. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswand (2) des beheizbaren Teilraumes (6) aus lichtdurchlässigem Materi¬ al besteht und die dieser gegenüberliegende Regenerator¬ fläche mit einem gasdurchlässigen Lichtabsorber (12) ver¬ sehen ist.3. Stirling machine according to one of claims 1 or 2, characterized in that the boundary wall (2) of the heatable partial space (6) consists of translucent materi¬ al and the opposite Regenerator¬ surface with a gas-permeable light absorber (12) ver¬ see is.
4. Stirling-Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Lichtabsorber (12) als volumetrischer Absor¬ ber ausgebildet ist.4. Stirling engine according to claim 3, characterized gekennzeich¬ net that the light absorber (12) is designed as a volumetric absorber.
5. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zweiten Teilraum zu¬ gewandte Regeneratorfläche kühlbar (13) ausgebildet ist. 5. Stirling engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the regenerator surface facing the second subspace is coolable (13).
6. Verfahren zum Betreiben von Stirling-Maschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehre¬ re Stirling-Maschinen (I, II, III, IV) auf eine gemein¬ same Arbeitswelle (14) einwirken.6. A method for operating Stirling machines according to one of claims 1 to 5, characterized in that mehre¬ re Stirling machines (I, II, III, IV) act on a common shaft (14).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Stirling-Maschinen einander so zugeordnet sind, daß jeweils die Drehachsen (5) der Regenerator¬ platten (4) parallel nebeneinander liegen und die Dreh¬ bewegungen der Drehachsen (5) über an den Drehachsenen¬ den außerhalb der Gehäuseräume (1) angreifende Parallelo¬ gramm-Gestänge (15, 16) bzw. (15', 16"*) jeweils gleich¬ läufig durch die Arbeitswelle (14) gedreht werden.7. The method according to claim 6, characterized in that two Stirling machines are assigned to each other so that the axes of rotation (5) of the Regenerator¬ plates (4) are parallel to each other and the rotary movements of the axes of rotation (5) on the parallelogram rods (15, 16) or (15 ', 16 " *) attacking the rotary axes outside the housing spaces (1) are each rotated in the same way by the working shaft (14).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der auf die gemeinsame Arbeitswelle (14) einwirkenden Stirling-Maschinen (I, II, III, IV) als Kältemaschine betrieben wird. 8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that at least one of the common working shaft (14) acting Stirling machines (I, II, III, IV) is operated as a refrigerator.
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