STIRLINGMOTOR

Beschreibung

[0001] Die Erfindung richtet sich auf einen Stirlingmotor mit einem beheizbaren Zylinderkopf mit einer Vielzahl von etwa U-förmig gekrümmten Erhitzerröhrchen und mit einem Kühler für das Arbeitsgas.

[0002] Stirlingmotoren sind in einer Vielzahl von Gestaltungen bekannt, hier sei als Beispiel die DE-40 16 238-C2 als Kombination eines solchen Motors mit einer Heizkesselanlage genannt.

[0003] Das Grundprinzip eines solchen Stirlingmotors besteht darin, daß ein konstantes Gasvolumen (heute wird meist Helium eingesetzt) innerhalb der Stirlingmaschine, von zwei Kolben hin und her geschoben wird. Auf der einen Seite wird das Helium durch die Flamme eines Gasbrenners in den Erhitzerröhrchen erhitzt und auf der anderen Seite von einem Kühler abgekühlt. Dazwischen befindet sich ein Regenerator, der dem Gas auf seinem Weg von der heißen zur kalten Seite Wärme entzieht und bei Rückströmen wieder zuführt. Ein Getriebe verbindet die beiden Kolben so, daß Leistung z.B. über Generatoren entnommen werden kann. Die Kolben werden dabei im Wechsel parallel oder gegeneinander bewegt, wodurch das Gas durch den einen Kolben komprimiert und nach der Wärmezufuhr durch den anderen wieder entspannt wird.

[0004] Neben mechanischen Problemen liegt ein erkennbarer Problemkreis in der Optimierung der Wärmeübertragung von der Flamme des Brenners auf die Erhitzerröhrchen einerseits und in der Optimierung des Kühlers andererseits. Aus der DE-28 21 164-A1 ist ein entsprechender Stirlingmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Der dort offenbarte Heißgasmotor beschäftigt sich nicht mit den hier im Vordergrund stehenden energetischen Problemen, dies gilt auch für andere im Stand der Technik vorbeschriebene Lösungen. So zeigt beispielsweise die DE-34 44 995-A1 eine Verwirbelungseinrichtung bei entsprechenden Strömungsmaschinen.

[0005] Darüber hinaus sind aus der DE-42 32 555-A1 oder beispielsweise der DE-44 01 247-A1 Kühler bekannt, deren Kühlkörper mit einer außen umlaufenden, spiralförmigen, vom Kühlmedium durchströmten Nut versehen sind. Derartige, mit spiralförmigen Nuten versehene Kühlkörper sind vergleichsweise aufwendig in der Herstellung, wobei hinzukommt, daß sich das Kühlmedium beim Durchlaufen der Spiralnut immer weiter aufheizt, so daß derartige Kühlkörper nicht optimal ausgelegt werden können.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist die Optimierung der Energiebilanzen bei einem Stirlingmotor, insbesondere die Schaffung einer Lösung, mit der die Wärmeübertragung auf die Erhitzerröhrchen und die Leistungsfähigkeit des Kühlers verbessert wird.

[0007] Bei einem Stirlingmotor der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die nach außen weisenden Teilröhrchen der vom Arbeitsmedium durchströmten Erhitzerröhrchen wenigstens bereichsweise mit einer Keramikhinterlegung zur Optimierung der Strömung der Heizgase versehen sind.

[0008] Üblicherweise weist ein Erhitzer bei der hier diskutierten Bauart zwei koaxiale Röhrchenreihen auf, die in Kreisform konzentrisch angeordnet und über Rohrkrümmer zu U-förmigen Erhitzerröhrchen zusammengefaßt sind, wobei die Röhrchen an einem Ende mit dem Expansionsraum und am anderen Ende mit dem Regenerator verbunden sind.

[0009] Die kreisringförmig angeordneten Röhrchenreihen stehen innen wärmeübertragungstechnisch günstig nebeneinander, die äußeren Röhrchenreihen sind aber aufgrund der geometrischen Gegebenheit automatisch gespreizt nebeneinander angeordnet, so daß sich in den Zwischenräumen die Abgasströmung verlangsamt und die Wärmeübertragung verschlechtert. Wie auch in der gattungsbildenden Druckschrift dargestellt, behilft man sich bisher damit, die äußeren Röhrchen als Rippen-Rohre zu gestalten, derart, daß beispielsweise Wärmeübertragungsrippen aufgelötet werden, was zwangsläufig erhebliche Kosten verursacht und damit wirtschaftlich an sich nicht vertretbar ist.

[0010] Durch die erfindungsgemäße Hinterlegung mit keramischen Strömungsleitelementen, wie sie eine Keramikhinterlegung darstellt, wird mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln eine Optimierung der Umströmung der äußeren Röhrchen erreicht.

[0011] Zweckmäßig sind die Elemente der Keramikhinterlegung aus querschnittlich etwa T-förmigen Keramikprofilelementen gebildet, wobei der T-Steg zwischen benachbarten Röhrchen von außen nach innen weist und der T-Kopf bereichsweise die Röhrchen außen überdeckt. An dieser Stelle sei bemerkt, daß Strömungsleitelemente an Kühlrohren für sich gesehen bekannt sind, wie sie beispielsweise in JP 61-226 547-A gezeigt sind.

[0012] Um definierte Strömungskanäle zwischen der Außenoberfläche der äußeren Röhrchen und der Keramikhinterlegung zu gewährleisten, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, daß die Innenfläche insbesondere im Übergangsbereich vom T-Schenkel zum T-Kopf zur Bildung von Um- bzw. Durchströmungsspalten mit Abstandhalter versehen ist. Bei derartigen Abstandhaltern kann es sich um kleine in die Keramik eingegossene Stege handeln, ggf. auch punktuell aufgebrachte Keramiknokken oder Keramikpocken od. dgl.

[0013] Nach der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß der Kopf-Krümmungsbereich der Erhitzerröhrchen mit einem Keramik-Ringdeckel versehen ist, wobei zur Optimierung der Querströmung durch die Freiräume der äußeren Röhrchen der Keramik-Ringdeckel mit einer Kopfronde mit Strömungsstegen derart versehen ist, daß kein Abstand zwischen Innenfläche des Ringdeckels und Außenfläche der Kopfkrümmungsbereiche entsteht.

[0014] Zur Optimierung der Kühlleistung des Kühlers sieht die Erfindung vor, daß der Kühler als Kühlwasser umströmter Leichtmetallkörper mit Radialrippen innerhalb eines topfförmigen Gehäuses ausgebildet ist, wobei der Abstand der Radialrippen zueinander größer ist als der Spalt zwischen Topfinnenwand und äußere Radialrippen-Begrenzungswand. Dieser Kühlblock ermöglicht dadurch eine besonders gute Kühlung, daß die vollständige Durchströmung der Spalte zwischen den Radialrippen gewährleistet ist.

[0015] Um zu gewährleisten, daß das Kühlwasser zur guten Kühlung nur einen besonders kurzen Weg innerhalb des Kühlers zurücklegt, sieht die Erfindung vor, daß am Umfang wenigstens zwei alle Radialrippen überbrückende Nuten zur Bildung des Kühlmittelzuflusses bzw. Kühlmittelabflusses vorgesehen sind. So kann über die eine Nut in den Kühler das Kühlwasser auf alle Spalte zwischen den Kühlrippen verteilt werden und auf der gegenüberliegenden Nut das Kühlwasser abgezogen werden, so daß wieder Kühlwasseranteil den Kühler praktisch über einen halben Kreisbogen umströmt. Lange Wege, wie etwa bei bekannten spiralförmig angeordneten Kühlrippen, werden damit sicher vermieden.

[0016] Im Kühlkörper können erfindungsgemäß nach innen versetzte Durchgangsbohrungen bzw. Axialrippen für das zu kühlende Arbeitsgas vorgesehen sein.

[0017] Um ein Abdichtproblem zwischen den Kühlkörper aufnehmendem Gehäusetopf und dem Kühlkörper mit einfachen Mitteln zu lösen, sieht die Erfindung vor, daß der Kühlkörper wenigstens an seiner mit dem Topfboden korrespondierenden Bodenfläche mit Ringdichtungen versehen ist.

[0018] Eine weitere, kostruktiv einfache Gestaltung besteht darin, daß der Kühlkörper auf seiner zum Erhitzer weisenden Randfläche einen nach außen weisenden Dichtkragen mit wenigstens einer Ringdichtung aufweist. Damit lassen sich Ringdichtungen als Dichtmittel vorsehen, die keinen axialen Beanspruchungen unterworfen sind. Natürlich können in Ergänzung zu den Ringdichtungen auch an der Zylinderaußenwand des Kühlkörpers entsprechende Dichtungen vorgesehen sein.

[0019] Um ggf. auftretenden Leckagen vorzubeugen bzw. begegnen zu können, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, daß der mit dem Kragen des Kühlers zusammenwirkende Randbereich des Gehäuses mit einer Drainage versehen ist.

[0020] Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1

eine vereinfachte Prinzipdarstellung eines Stirlingmotors mit Erhitzerröhrchen und Kühler,

Fig. 2

eine vergrößerte Schnittdarstellung, etwa gemäß Linie II-II in Fig. 1 durch den Erhitzerkopf,

Fig. 3

in vereinfachter räumlicher Darstellung ein Element der Keramikhinterlegung,

Fig. 4

in vergleichbarer Darstellung ein Detail der Keramikhinterlegung,

Fig. 5

einen Detailschnitt durch den Fußbereich eines mit der Keramikhinterlegung versehenen Röhrchens,

Fig. 6

die keramische Kopfabdeckung,

Fig. 7

in vereinfachter räumlicher Darstellung den Kühlkörper sowie in

Fig. 8

einen Detailschnitt etwa nach Linie VIII-VIII in Fig. 7 durch einen Teilbereich des Gehäuses mit Kühlkörper.

[0021] Der in Fig. 1 stark vereinfacht wiedergegebene, allgemein mit 1 bezeichnete Stirlingmotor weist einen von einer Brennerflamme beheizten Zylinderkopf, allgemein mit 3 bezeichnet, auf mit einer Vielzahl von U-förmig gekrümmten Erhitzerröhrchen 4, einen angedeuteten Regenerator 5, einen sich anschließenden Kühlkörper 6, einen Verdrängerkolben 7, einen Arbeitskolben 8 und ein Getriebe 9, wobei es hier auf letztere nicht näher ankommt.

[0022] Der von der Flamme 2 beheizte Zylinderkopf 3 weist, wie oben schon gesagt, eine Vielzahl von Erhitzerröhrchen 4 auf, die von, bezogen auf den Zylinderkopf, innen geraden Erhitzer-Teilröhrchen 4a, einem jeweiligen Rohrkrümmer 4b und außen liegenden Teilröhrchen 4c gebildet sind, wobei die Teilröhrchen 4a in den Expansionsraum 7a führen, während die außen liegenden Teilröhrchen 4c den Regenerator 5 beaufschlagen.

[0023] Wie sich insbesondere aus Fig. 2 ergibt, liegen die inneren Teilröhrchen 4a geometrisch vergleichsweise dicht beieinander, während die äußeren Teilröhrchen 4c vergleichsweise stark gespreizt angeordnet sind. Die inneren Teilröhrchen 4a bieten gute Strömungsverhältnisse für die Abgase, deren Strömungsverlauf mit einem Pfeil 10 in den Fig. 1 und 2 angedeutet ist.

[0024] Um den gleich guten Strömungsverlauf bei den weiter auseinanderstehenden Teilröhrchen 4c zu erreichen, weisen diese eine allgemein mit 11 bezeichnete Keramikhinterlegung auf. Diese Keramikhinterlegung 11 besteht aus einzelnen, querschnittlich etwa T-förmigen Keramikprofilelementen 12 mit einem von innen nach außen angeordneten T-Steg 12a und einem T-Kopf 12b, der sich außen an den Teilröhrchen 4c unter Aufrechterhaltung eines Spaltes anlegt.

[0025] Diese Spaltbildung wird dadurch erreicht, daß die Innenfläche der Keramikprofilelemente 12 im Übergangsbereich vom T-Schenkel 12a zum Kopf 12b Rippen 13 aufweist, die sich unmittelbar an die Teilröhrchen 4c legen. Damit werden gleiche Strömungsverhältnisse bei der Umspülung der Teilröhrchen 4c vom Abgas erreicht, wie bei der Umspülung der innen liegenden Teilröhrchen 4a.

[0026] Um eine günstige Querströmung im Bereich der Teilröhrchen 4c zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein Keramik-Ringdeckel 14 oben übergestülpt, der einen Fixierbund 15 für den Kopfbereich der Keramikelemente 12 aufweist.

[0027] In Fig. 5 ist noch dargestellt, wie der Fußbereich der einzelnen Keramikelemente 12 in der Gehäusewand 17 positioniert ist, wobei dort ein Fixierbund 18 vorgesehen sein kann, der die entsprechenden Fußbereiche festhält.

[0028] Der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Kühler 6 des Stirlingmotors 1 besteht im wesentlichen aus einem Leichtmetallkühlblock 20, der in einem topfförmigen Gehäuse 21 untergebracht ist, welches den Zufluß 22 und den in Fig. 8 nicht näher dargestellten, räumlich gegenüberliegenden Kühlwasserabfluß aufweist.

[0029] Der Kühlblock 20 ist als Leichtmetallkörper gestaltet und weist eine Mehrzahl von parallel außen umlaufenden Radialrippen 23 auf, die zwischen sich Strömungskanäle 24 ausbilden und die zur Innenwand des Gehäuses 21 einen vergleichsweise geringen Spalt 25 ausbilden, der deutlich geringer ist, als die Breite des jeweiligen Strömungskanales 24. Beidseitig im Bereich des Kühlwasserzutrittes 22 und des gegenüberliegenden Kühlwasseraustrittes sind im Kühlkörper 20 zwei alle Radialrippen 23 überbrückende Axialnuten 26 vorgesehen, über die das Kühlwasser auf die einzelnen Strömungskanäle 24 verteilt bzw. aus denen es nicht abgenommen wird.

[0030] Weiter nach innen versetzt weist der Kühlblock 20 eine Vielzahl von Axialbohrungen 28 auf, wobei es sich auch um eine Vielzahl von Rippen handeln kann, die entsprechende Durchströmkanäle für das zu kühlende Arbeitsmedium darstellen.

[0031] Um den Kühlblock 20 gegenüber den benachbarten Bauelementen optimal abzudichten, weist dieser auf der zum Topfboden weisenden Unterseite 20a im dargestellten Beispiel zwei Axialdichtungen 29 auf, eine Radialdichtung 30 und wiederum eine Axialdichtung 31 auf seiner nach oben weisenden Seite, die als nach außen weisender Dichtkragen 32 ausgebildet ist, wie sich dies insbesondere aus Fig. 8 ergibt.

[0032] Schließlich kann der mit dem Kragen 32 des Kühlkörpers 20 zusammenwirkende Randbereich 33 des Gehäuses 21 ebenso wie der zwischen den beiden Topfbodendichtungen 29 liegende Bereich 34 mit einer Drainagenut od. dgl. versehen sein, um Leckage-Kühlwasser abzuführen, was in Fig. 8 nur andeutungsweise wiedergegeben ist.

Ansprüche

1. Stirlingmotor mit einem beheizbaren Zylinderkopf mit einer Vielzahl von etwa U-förmig gekrümmten Erhitzerröhrchen und mit einem Kühler,
dadurch gekennzeichnet,
daß die nach außen weisenden Teilröhrchen (4c) der vom Arbeitsmedium durchströmten Erhitzerröhrchen (4) wenigstens bereichsweise mit einer Keramikhinterlegung (11) zur Optimierung der Strömung (10) der Heizgase versehen sind.

2. Stirlingmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elemente der Keramikhinterlegung (11) aus querschnittlich etwa T-förmigen Keramikprofilelementen (12) gebildet sind, wobei der T-Steg (12a) zwischen benachbarten Röhrchen (4) von außen (2) nach innen (1) weist und der T-Kopf (12b) bereichsweise die Röhrchen (4c) außen überdeckt.

3. Stirlingmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenflächen insbesondere im Übergangsbereich vom T-Steg (12a) zum T-Kopf (12b) zur Bildung von Um- bzw. Durchströmungsspalten mit Abstandhalter (13) versehen ist.

4. Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kopf-Krümmungsbereich (4b) der Erhitzerröhrchen (4) mit einem Keramik-Ringdeckel (14) versehen ist.

5. Stirlingmotor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Keramik-Ringdeckel (14) mit einer Kopfronde mit Strömungsstegen (15) derart versehen ist, daß kein Abstand zwischen Innenfläche (16) des Ringdeckels (14) und Außenfläche der Kopfkrümmungsbereiche (4b) auftritt.

6. Stirlingmotor nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Keramik-Ringdeckel (14) und an der Gehäusewand (17) ein Fixierbund (15 bzw. 18) zur Halterung des Kopf- bzw. Fußbereiches der Keramikelemente (12) vorgesehen ist.

7. Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühler als Kühlwasser umströmter Leichtmetallkörper (20) mit Radialrippen (23) innerhalb eines topfartigen Gehäuses (21) ausgebildet ist, wobei der Abstand der Radialrippen (23) zueinander größer ist als der Spalt (25) zwischen Topfinnenwand und äußerer Radialrippen-Begrenzungswand.

8. Stirlingmotor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Umfang wenigstens zwei alle Radialrippen (23) überbrückende Nuten (27) zur Bildung des Kühlmittelzuflusses bzw. Kühlmittelabflusses vorgesehen sind.

9. Stirlingmotor nach Anspruch 7 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper (20) wenigstens an seiner mit dem Topfboden korrespondierenden Bodenfläche mit Ringdichtungen (29) versehen ist.

10. Stirlingmotor nach Anspruch 7 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper (20) auf seiner zum Erhitzer weisenden Randfläche einen nach außen weisenden Dichtkragen (32) mit einer Ringdichtung (31) aufweist.

Claims

1. A Stirling engine having a heatable cylinder head with a plurality of approximately U-shaped curved heating tubes and having a cooler, characterized in that the outwardly facing tube parts (4c) of the heating tubes (4) past which the working medium flows are provided at least regionally with a ceramic backing (11) to optimize the flow (10) of the heating gases.

2. A Stirling engine according to claim 1, characterized in that the elements of the ceramic backing (11) are formed from profiled ceramic elements (12) approximately T-shaped in cross-section, wherein the T upright (12a) points from the outside (2) to the inside ( I ) between adjacent tubes (4) and the top (12b) of the T covers the tubes (4c) regionally on the outside.

3. A Stirling engine according to claim 1 or 2, characterized in that the inner surfaces, in particular in the transition region from the T upright (12a) to the head (12b) of the T are provided with spacers (13) to form gaps for flow around or through.

4. A Stirling engine according to any of the preceding claims, characterized in that the top bend region (4b) of the heating pipes (4) is provided with a ceramic ring cover (14).

5. A Stirling engine according to claim 4, characterized in that the ceramic ring cover (14) is so provided with a head disc with flow webs (15) that there is no space between the inner surface of the ring cover (14) and the outer surface of the head bend regions (4b).

6. A Stirling engine according to claim 4 or 5, characterized in that fixing flanges (15 and 18) are provided on the ceramic ring cover (14) and on the housing wall (17) for retaining the head and foot regions respectively of the ceramic elements (12).

7. A Stirling engine according to any of the preceding claims, characterized in that the cooler is in the form of a light metal body (20) through which cooling water flows, with radial ribs (23) inside a pot-like housing (21), wherein the spacing of the radial ribs (23) from one another is greater than the gap (25) between the pot inner wall and the outer radial ribs bounding wall.

8. A Stirling engine according to claim 7, characterized in that at least two grooves (27) bridging across all radial ribs (23) are provided on the periphery to form inflow and outflow paths for the coolant.

9. A Stirling engine according to claim 7 any following, characterized in that the cooling body (20) is provided with ring seals (29) at least on its bottom surface corresponding with the pot bottom.

10. A Stirling engine according to claim 7 or any following, characterized in that the cooling body (20) comprises an outwardly extending sealing collar (32) with a ring seal (31) on its edge surface facing the heater.

Revendications

1. Moteur Stirling avec une culasse chauffante présentant une pluralité de tubes de réchauffeur courbés à peu près en forme de U ainsi qu'un radiateur, caractérisé en ce que les parties de tuyau (4c) - allant vers l'extérieur - des tuyaux de réchauffeur (4) traversés par le fluide moteur sont dotées, au moins par zones, d'un revêtement en céramique (11) de façon à optimiser l'écoulement (10) du gaz combustible.

2. Moteur Stirling selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments du revêtement en céramique (11) sont formés d'éléments profilés en céramique (12) avec une section transversale en forme de T, dans lequel l'entretoise en T (12a) se situe entre des tubes adjacents (4) de l'extérieur (2) vers l'intérieur (1) et dans lequel la tête en T (12b) recouvre les tubes (4c) à l'extérieur, par zones.

3. Moteur Stirling selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces intérieures sont munies de pièces d'écartement (13), en particulier au niveau de la zone de transition allant de l'entretoise en T (12a) à la tête en T (12b) pour créer des fentes autour desquelles ou à travers lesquelles circule le fluide.

4. Moteur Stirling selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de courbure de tête (4b) des tubes de réchauffeur (4) est équipée d'un couvercle annulaire (14) en céramique.

5. Moteur Stirling selon la revendication 4, caractérisé en ce que le couvercle annulaire (14) en céramique est doté d'un flan circulaire de tête avec des entretoises servant à l'écoulement (15) de telle sorte qu'aucun écart n'apparaisse entre les surfaces intérieures (16) du couvercle annulaire (14) et les surfaces extérieures des zones de courbure de tête (4b).

6. Moteur Stirling selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce qu'un bord de fixation (15 ou 18) est prévu au niveau du couvercle annulaire (14) en céramique et de la paroi du carter (17) afin de maintenir la zone de tête ou de support des éléments en céramique (12).

7. Moteur Stirling selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le radiateur est conçu en tant que corps en métal léger (20) autour duquel circule l'eau de refroidissement et présente des nervures radiales (23) à l'intérieur d'un carter (21) de type creuset dans lequel l'écart des nervures radiales (23) les unes par rapport aux autres est supérieur à la fente (25) située entre la paroi intérieure du creuset et la paroi de délimitation extérieure des nervures radiales.

8. Moteur Stirling selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins deux rainures (27) reliant l'ensemble des nervures radiales (23) sont prévues au niveau de la circonférence de façon à former l'admission du fluide caloporteur ou l'évacuation du fluide caloporteur.

9. Moteur Stirling selon la revendication 7 ou l'une des revendications suivantes, caractérisé en ce que le refroidisseur (20) est doté de joints annulaires (29) au moins au niveau de sa surface correspondant au fond du creuset.

10. Moteur Stirling selon la revendication 7 ou l'une des revendications suivantes, caractérisé en ce que le refroidisseur (20) présente une collerette d'étanchéité (32) allant vers l'extérieur avec un joint annulaire (31) au niveau de sa surface d'extrémité orientée vers le réchauffeur.

Zeichnung