Die Erfindung betrifft eine nach dem Stirling-Kreisprozess arbeitende Wärmekraftmaschine mit Multivalenzcharakter, d. h. Nutzung unterschiedlicher Energiequellen (Sonne, Verbrennung vorhandener Materialien), zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme, die speziell als unabhängige Energieversorgung von Haushalten, insbesondere als Insellösung, geeignet ist.
Aus dem Stand der Technik sind Wärmezyklusmaschinen bekannt, die auf dem Stirlingmotor, der mehr als ein Jahrhundert lang unter Einsatz immer modernerer Werkstoffe weiterentwickelt und optimiert wurde, basieren. Diesen Maschinen gemeinsam ist das Prinzip der Kreisprozessarbeit, wie sie durch Gustav Schmidt in den 1870er Jahren unter Berücksichtigung von Totvolumen, verschiedener Ladedrücke, diverser Temperaturunterschiede, Laufgeschwindigkeiten u.v.a.m. vorausberechnet wurde.
Der bekannte Aufbau von Stirlingmotoren, bei dem Verdränger- und Arbeitskolben mechanisch, z. B. mittels eines Gestänges, gekoppelt werden, wurde dabei weitestgehend beibehalten. Eine Ausnahme hiervon bilden der Ringbom·Motor und die neuesten Niedrigtemperatur-Stirlingmotoren.
Die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit unter Verwendung von Kolben zieht zwangsläufig eine zyklische Beschleunigung und Abbremsung der Kolbenmasse nach sich, wodurch der Wirkungsgrad reduziert wird. Die
Aus
Ein weiteres Problem von insbesondere unter Ladedruck arbeitenden Wärmezyklusmaschinen ist deren Dichtigkeit, da aufgrund ihres Konstruktionsprinzips ständig das Arbeitsgas (meist Helium) entweicht und somit entsprechend nachgefüllt werden muss. Das Drehmoment, das letztlich in elektrische oder mechanische Antriebsleistung zu wandeln ist, wird nämlich außerhalb der eigentlichen Maschine über einen auf der Arbeitswelle angebrachten Generator, Pumpe o.ä. abgenommen, d. h., die ständig rotierende Welle muss an der Durchtrittsöffnung, an der sie aus dem Maschinengehäuse geführt wird, heliumdicht abgedichtet werden. Einzige Ausnahme ist hier die Nutzung eines Lineargenerators zur Stromerzeugung, der direkt in die Wandung eines Arbeitszylinders eingebracht wird, wobei hier jedoch wieder bewegte Kolben zum Einsatz kommen.
Um einen nennenswerten Anteil an mechanischer Energie zu erzielen, sind ein hohes Temperaturgefälle, hohe Ladedrücke und daraus resultierende hohe Ansprüche an die Materialien erforderlich, die ihrerseits nicht geschmiert werden können. Entsprechend hoch sind die Kosten für eine Maschine, die meist fest an eine dedizierte Energiequelle montiert ist, um optimiert eingestellt zu sein.
Aufgabe der Erfindung ist, eine kostengünstige, langlebige und wartungsarme Wärmezyklusmaschine für z. B. die Energieversorgung eines Haushaltes bereitzustellen, mit welcher eine effiziente Umwandlung von Wärme aus einer beliebigen externen Wärmequelle ermöglicht sein soll, wobei ein allmählicher Leckageverlust von Arbeitsgas vermieden werden soll.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmezyklusmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird für eine dezentrale Energieversorgung eine hermetisch dichte Wärmezyklusmaschine mit zwei, als geteilte Doppelwandgefäße ausgeführten Kammern (d. h. Verdrängerzylinder), deren Doppelwand jeweils von heißem Öl bzw. kaltem Wasser durchströmt wird, zwei gegenläufig arbeitenden Verdrängern und einem radial durchströmten Arbeitsrotor bereitgestellt, wobei alle bewegten Teile in einem abgeschlossenen, insbesondere hermetisch dichten, Gehäuse angeordnet sind.
Die Wärmezyklusmaschine weist in grundsätzlich bekannter Weise eine Kammeranordnung auf, die zwei zylinderförmige Kammern mit im Wesentlichen identischem Fassungsvermögen umfasst. Jede der Kammern ist von einem aus zwei, thermisch gegeneinander isolierten Teilgehäusen aufgebauten, doppelwandigen Kammergehäuse, jeweils umfassend eine innere und eine äußere Gehäusewand, umschlossen. Durch die inneren und die äußeren Teilgehäusewände ist jeweils ein Hohlraum gebildet, der von einem Wärmefluid durchströmbar ist. Hierzu weist jedes der Teilgehäuse in seiner äußeren Gehäusewand einen Wärmefluideingang zur Einleitung eines Wärmefluids in den zwischen der inneren und der äußeren Teilgehäusewand ausgebildeten Hohlraum sowie einen Wärmefluidausgang zur Ausleitung des Wärmefluids aus dem Hohlraum auf.
Indem in die Doppelwand des ersten Teilgehäuses ein heißes Wärmefluid (z. B. 300 °C heißes Öl) und in die Doppelwand des zweiten Teilgehäuses ein kaltes Wärmefluid (z. B. Wasser mit einer Temperatur von weniger als 50 °C) eingeleitet werden, sind in der Kammer ein heißer und ein kalter Bereich ausgebildet.
Weiterhin beinhaltet die Wärmezyklusmaschine jeweils eine oder (vorzugsweise) mehrere, mit einem Ventil verschließbare Arbeitsgaszuleitungen von jeder Kammer zu einem den Arbeitsrotor umhausenden Rotorgehäuse und Arbeitsgasableitung von dem Rotorgehäuse zu den Kammern, wobei jeweils ein Absperrventil in die Arbeitsgasableitung vor ihrem Eintritt in jede der Kammern eingebracht ist. Diese Arbeitsgasableitung ist in Form eines zwischen den beiden Kammern entlang der Rotationsache des Arbeitsrotors verlaufenden Hohlzylinders ausgebildet, wobei der Arbeitsrotor drehbar, z. B. mittels Wälzlagern, auf der Arbeitsgasableitung gelagert ist. An der Position, an der der Rotor angeordnet ist, sind Durchbrüche in die Arbeitsgasableitung eingebracht, sodass das aus dem Rotor ausströmende Arbeitsgas radial in die Arbeitsgasableitung einströmen kann.
Innerhalb jeder der Kammern ist ein für das Arbeitsgas durchlässiger Verdrängerkolben, dessen Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Kammer ist, beweglich angeordnet. Vorzugsweise ist hierbei der Durchmesser des Verdrängerkolbens nur geringfügig kleiner als der Kammerinnendurchmesser, um den Strömungsquerschnitt für das an der Kammerinnenwand entlang strömende Arbeitsgas klein zu halten. Die Länge des Verdrängerkolbens entspricht vorzugsweise in etwa der halben Kammerlänge. Somit kann der Verdrängerkolben den heißen bzw. den kalten Bereich innerhalb einer Kammer (nahezu) vollständig ausfüllen, sodass ein in der Kammer befindliches Arbeitsgas in den jeweilig anderen, d. h. den nicht von dem Verdrängerkolben ausgefüllten Bereich, der Kammer hineingedrängt wird.
Erfindungsgemäß sind beide zylinderförmige Kammern durch eine jeweils an einer ihrer Stirnseiten angeordnete, mittels eines Absperrventils verschließbare Hydraulikleitung verbunden. Jeder Verdrängerkolben ist starr mit einem in der Hydraulikleitung beweglich angeordneten Schubkolben verbunden, wobei der Schubkolben dicht mit der Innenwandung der Hydraulikleitung abschließt; sodass er diese gegen die Kammer abdichtet.
Von den Kammern, den Schubkolben, den Arbeitsgaszuleitungen, der Arbeitsgasableitung und dem Rotorgehäuse ist hierbei ein hermetisch dichter Arbeitsgasraum gebildet. Eventuelle Leckagen von Arbeitsgas in die Hydraulikleitung, d. h. an den Schubkolben vorbei, beeinträchtigt die Dichtigkeit nicht, da die Hydraulikleitung nur mit den Kammern verbunden ist.
Die Funktionsweise der Wärmezyklusmaschine ergibt sich wie folgt:
Durch das erste Teilgehäuse jeder Kammer wird ein von einer externen Wärmequelle, z. B. ein Öl- oder Gasbrenner, ein Holzvergaser oder eine solare Parabolrinne, erhitztes Wärmefluid, durch das zweite Teilgehäuse ein kaltes, d. h. als Kühlmittel wirkendes, Wärmefluid durchgeleitet. Somit bilden sich in jeder Kammer ein heißer und ein kalter Bereich aus.
Die Verdrängerkolben pendeln in den Kammern zwischen diesen beiden Bereichen, d. h. zwischen heißem und kaltem Bereich, hin und her, wobei sich der eine Verdrängerkolben in seiner Kammer z. B. im heißen Bereich und der andere Verdrängerkolben zur selben Zeit in seiner Kammer im kalten Bereich befindet. Durch die Kopplung über Hydraulikleitung und Schubkolben bewegen sich die Verdrängerkolben nahezu gleichzeitig in den jeweils anderen Bereich ihrer Kammer, wobei durch Schließen und Öffnen des Absperrventils in der Hydraulikleitung eine gewisse Zeitverzögerung bis zum Verschieben der einzelnen Verdrängerkolben ermöglicht ist, d. h., die Verdrängerkolben können erst dann von einem Bereich, z. B. dem heißen Bereich, der Kammer in den anderen Bereich, z. B. kalten Bereich, verschoben werden, wenn das Absperrventils in der Hydraulikleitung geöffnet ist.
Das Arbeitsgas, welches sich im heißen Bereich einer Kammer befindet, wird entsprechend erhitzt und dehnt sich somit aus. Hiermit geht, da das Kammervolumen konstant bleibt, eine Druckerhöhung einher. Durch entsprechendes Öffnen der Ventile der Arbeitsgaszuleitungen von der Kammer in das Arbeitsrotorgehäuse und Schließen des Ventils der Arbeitsgasableitung zu der Kammer strömt das heiße Arbeitsgas - ggf. durch den gasdurchlässigen Verdrängerkolben bzw. zwischen Gehäusewand und Verdrängerkolben vorbei - in das Arbeitsrotorgehäuse, wo es den Arbeitsrotor antreibt, und von dort schließlich in den kalten Bereich der anderen Kammer.
Das erhitzte Arbeitsgas wirkt aber auch auf den Schubkolben und drückt denselben in die Hydraulikleitung. Durch Schließen des Absperrventils in der Hydraulikleitung wird dieser Schubaufbau (vorläufig) jedoch nicht auf den anderen Verdrängerkolben übertragen. Nach einer gewissen Zeit, z. B. wenn der Massestrom des heißen Arbeitsgases zum Antrieb des Arbeitsrotors nachlässt, wird das Absperrventil der Hydraulikleitung geöffnet, sodass beide Verdrängerkolben in den jeweils anderen Bereich ihrer Kammer verschoben werden.
Entsprechend der Bewegung der Verdrängerkolben wird das Arbeitsgas in den Kammern in den jeweils anderen Bereich gedrängt, d. h., das heiße Arbeitsgas wandert in den kalten Bereich und das in der anderen Kammer befindliche kalte Arbeitsgas wandert in den heißen Bereich seiner Kammer. Das noch heiße Arbeitsgas wird beim Durchgang durch den Verdrängerkolben, der aus einem Regeneratormaterial besteht, d. h. er kann Wärmeenergie speichern, abgekühlt, während das (noch kalte) Arbeitsgas in der anderen Kammer beim Durchgang durch den Verdrängerkolben vorgewärmt wird. Im heißen Bereich der Kammer wird das vorgewärmte Arbeitsgas weiter erhitzt, während das Arbeitsgas in der anderen Kammer in deren kaltem Bereich weiter abgekühlt wird.
Somit ändern sich die Druckverhältnisse in den Kammern. In derjenigen Kammer, die zuvor unter hohem Druck stand, sinkt der Gasdruck, während der Gasdruck in der anderen Kammer durch das Erhitzen des Arbeitsgases ansteigt. Nun werden die Ventile der zu dem Rotorgehäuse führenden Arbeitsgaszuleitungen von der Kammer, in der der Druck angestiegen ist, geöffnet (die Ventile der Arbeitsgaszuleitungen der anderen Kammer wurden zuvor geschlossen) und das Ventil der Arbeitsgasableitung zu der Kammer (mit dem nun hohen Druck) wird geschlossen bzw. das zu der anderen, nunmehr unter geringem Druck stehenden Kammer geöffnet. Somit strömt das Arbeitsgas - ggf. durch den gasdurchlässigen Verdrängerkolben bzw. zwischen Gehäusewand und Verdrängerkolben - in das Arbeitsrotorgehäuse, wo es den Arbeitsrotor antreibt, und von dort schließlich in den kalten Bereich der anderen Kammer.
Durch das zyklische Strömen von Arbeitsgas zwischen den beiden Kammern wird der Arbeitsrotor ständig angetrieben, wobei die Antriebskraft zum Antrieb des Arbeitsrotors aufgrund der einzelnen Zyklen ebenfalls zyklisch schwankt.
Auf dem Arbeitsrotor können Permanentmagnete befestigt sein, wobei ein im Arbeitsrotorgehäuse angeordneter Stator Induktionsspulen aufweisen kann. Dadurch ist es möglich, mittels Induktion direkt innerhalb des Arbeitsrotorgehäuses Strom zu erzeugen, sodass eine nach außen geführte, rotierende Welle entfallen kann.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmezyklusmaschine ist somit ihre hermetische Dichtigkeit aufgrund der geschlossenen Konstruktion, d. h., alle beweglichen Teile inklusive Generator verbleiben im Inneren der Maschine. Lediglich die Stromleitungen des Generators werden nach außen aus dem Gehäuse herausgeführt.
Ein weiterer Vorteil ist die Multivalenz der Wärmezyklusmaschine durch die Möglichkeit der Anbindung an einen Heißölkreislauf eines vorhandenen Heizgerätes, bspw. Öl- oder Gasbrenner, Holzvergaser, solare Parabolrinne etc., wobei beliebig wechselnde Wärmeenergiequellen zuschaltbar sind, sodass auf - je nach örtlichen Gegebenheiten - vorhandene Energiequellen zurückgreifbar ist. Zusätzlich ist die durch die Kühlung des Arbeitsgases anfallende Abwärme für z. B. eine Warmwasserheizung nutzbar.
Indem die Verdränger als Kolben ausgeführt sind, ist ein kurzes Verweilen an den Totpunkten (d. h. Endpositionen der zyklischen Hin und Her Bewegung) gewährleistet, wodurch eine effizientere Erhitzung bzw. Abkühlung des Arbeitsgases ermöglicht ist. Zudem ist die Verweilzeit der Verdrängerkolben an den Totpunkten mittels des Absperrventils der Hydraulikleitung steuerbar.
Zusätzlich ist die mechanische Effizienz durch die Verwendung eines Arbeitsrotors (d. h. Aufhebung des Arbeitskolbenprinzips) und durch eine Vermeidung des Kontakts der Verdrängerkolben zu den Kammergehäusewänden erhöht.
Auch ist die Wärmezyklusmaschine von einer langen Lebensdauer gekennzeichnet, da auf Maximaltemperaturen bzw. -drücke verzichtet werden kann, und somit aufgrund geringerer Materialbelastung ein geringerer Wartungsaufwand erforderlich ist.
Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass der Verdrängerkolben mittels Rädern, die auf beispielsweise drei, innerhalb der Kammer an deren Innenwand angeordneten Schienen laufen, beweglich gelagert ist. Hierbei sind die Schienen in vorteilhafter Weise in der Kammermitte unterbrochen, d. h. sie verlaufen nicht durchgängig von einer Stirnseite zu der gegenüberliegenden Stirnseite der Kammer, sodass zwar jedes Rad über seine gesamte Lauflänge immer auf einer Schiene läuft, jedoch kein Wärmetransport innerhalb der Kammer über die Schienen vom heißen in den kalten Bereich möglich ist. Durch die Verwendung dieses Rad-Schiene-Systems sind die Reibungskräfte zwischen Verdrängerkolben und Kammerinnenwand stark verringert, sodass der mechanische Wirkungsgrad verbessert ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Arbeitsrotor zwei Paare parallel zueinander angeordneter, kreisrunder Scheiben aufweist, wobei zwischen den Scheiben jedes Paares spiralförmig vom Außenrand zum Zentrum verlaufende Strömungskanäle ausgebildet sind, durch welche das Arbeitsgas strömt, um den Rotor in Rotation zu versetzen.
In vorteilhafter Weise sind auf jedem Rotorscheibenpaar, z. B. jeweils auf der dem anderen Rotorscheibenpaar zugewandten Außenseite, Permanentmagnete angeordnet, z. B. aufgeklebt. Ein als kreisrunde Platte ausgebildeter Stator kann zwischen den beiden Rotorscheibenpaaren angeordnet sein, wobei die Statorplatte (in ihrem Inneren oder auf ihrer Oberfläche) über Induktionsspulen zur Erzeugung von elektrischem Strom verfügen kann. Somit ist der elektrische Strom innerhalb des Arbeitsrotorgehäuses erzeugbar, sodass keine rotierende Welle aus dem Arbeitsrotorgehäuse herauszuführen ist - das Arbeitsrotorgehäuse bleibt hermetisch dicht.
Zu Verringerung des Totraumes für das Arbeitsgas kann die Erfindung derart ausgestaltet sein, dass die Anzahl der Arbeitsgaszuleitungen von einer Kammer zu dem Rotorgehäuse der Anzahl der spiralförmig vom Außenrand zum Zentrum verlaufenden Strömungskanäle eines Rotorscheibenpaares entspricht. Insbesondere können die Anschlüsse für die Arbeitsgaszuleitungen zu dem Rotorgehäuse auf der Stirnseite jeder Kammer auf einem Kreis gleichmäßig beabstandet angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Arbeitsrotor mittels wenigstens zweier Kugellager, beispielsweise zweier Schrägkugellager mit einem Druckwinkel von z. B. 10° in O-Ausführung, auf der Arbeitsgasableitung gelagert, wobei die Wandung der Arbeitsgasableitung radial durch leicht zentripetal gerichtete Laminarprofile unterbrochen, d. h. im Bereich des Arbeitsrotors, beispielsweise zwischen den Platten jedes Rotorplattenpaares, spiralförmig von der Außenwand zu der Innenwand verlaufende Durchbrüche aufweist. Das Arbeitsgas kann hierdurch ungebremst und laminar von den z. B. spiralförmig vom Außenrand zum Zentrum verlaufenden Strömungskanälen des Arbeitsrotors in die Arbeitsgasableitung hineinströmen sowie mit hoher Geschwindigkeit (unterhalb Schallgeschwindigkeit) und hoher Drallwirkung durch das Innere der Arbeitsgasableitung zurück über das jeweils geöffnete Absperrventil in die jeweilige Kammer strömen. Die hohe Geschwindigkeit sorgt dabei für hohen Impuls des Gases und damit für einen guten Füllungsgrad der Kammern.
Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die zu dem Arbeitsgasraum gerichtete Innenseite, d. h. die innere Gehäusewand, jeder Kammer eine aufgeraute bzw. grobkörnige Oberfläche aufweist, um die zur Wärmeübertragung nutzbare Fläche zu vergrößern.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die inneren Gehäusewände auf den Stirnflächen der Kammern in das Innere der Kammern gerichtete, z. B. stabförmige Auswölbungen aufweisen, die von dem durch die doppelwandige Gehäusewand der Kammern durchgeleiteten Wärmefluid durchströmbar sind. Hierbei weisen die Verdrängerkolben an den entsprechenden Positionen in Größe und Form übereinstimmende Ausnehmungen auf, sodass die Auswölbungen der Gehäuseinnenwand bei der im Betrieb der Wärmezyklusmaschine pendelnden Bewegung der Verdrängerkolben nahezu passgenau in die Ausnehmungen der Verdrängerkolben "einfahren". Dieses konstruktive Merkmal vergrößert ebenfalls die zur Wärmeübertragung von der Kammergehäusewand auf das Arbeitsgas nutzbare Fläche.
Gemäß einer Ausführungsform bestehen die Verdrängerkolben im Wesentlichen aus einem offenporigen Metall- oder Keramikschaum, dessen Porengröße vom Rand zum Zentrum stetig abnimmt. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Zylindermantel massiv ausgebildet ist, während innerhalb des massiven Zylindermantels ein offenporiger Metall- oder Keramikschaum angeordnet ist, dessen Porengröße vom Zylindermantel zur Zylinderlängsachse stetig zunimmt, d. h. die Poren werden vom Rand zum Zentrum hin größer.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
Die Wärmezyklusmaschine gemäß
Der in dem Rotorgehäuse 15 angeordnete Arbeitsrotor 13 umfasst die Strömungskanäle 10 sowie die Permanentmagneten 11. Der Stator 14 umfasst die Induktionsspulen 12. Der Arbeitsrotor 13 ist mittels der Wälzlager 19 auf der Arbeitsgasableitung 20 drehbar gelagert. An der Position, an der das Arbeitsgas aus den Strömungskanälen 10 des Arbeitsrotors 13 austritt, sind in die Arbeitsgasableitung 20 die Durchbrüche 16 eingebracht. Die Arbeitsgasableitung 20 kann jeweils mit dem zwischen der Kammer 2 und dem Arbeitsrotor 13 eingebrachten Absperrventil 9 geschlossen bzw. geöffnet werden.
Von den Kammern 2 sind jeweils 24 Arbeitsgaszuleitungen 18 zu dem Rotorgehäuse 15 geführt, wobei jeweils mittels eines Wechselventils 17 der Arbeitsgaszufluss von der einen Kammer 2 zu dem Arbeitsrotor 13 geöffnet und von der anderen Kammer 2 unterbrochen werden kann.
Die beiden Verdrängerkolben 1 sind über die Hydraulikleitung 21, in welcher ein jeweils mit einem Verdrängerkolben 1 starr verbundener Schubkolben 22 vor und zurück bewegbar ist, in ihrem Bewegungsablauf miteinander gekoppelt. Um hierbei die Verweildauer der Verdrängerkolben 1 an ihren jeweiligen Endpositionen zu erhöhen, ist die Hydraulikleitung 21 durch das Absperrventil 25 quasi "blockierbar".
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