DE2259623A1

DE2259623A1 - Stirlingzyklus-waermekraftmaschine

Info

Publication number: DE2259623A1
Application number: DE2259623A
Authority: DE
Inventors: Edmund Harry Cooke-Yarborough; Ernest Franklin; Colin Douglas West
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1971-12-09
Filing date: 1972-12-06
Publication date: 1973-06-14
Also published as: NL7216559A; GB1361979A; US3805527A; SE383379B; IT975990B

Description

UlTITED KINGDOM ATOMIC MERGY AUTHORITY, 11, Charles II Street,

London, S. W. 1, England

Ii¹Ur diese Anmeldung wird die Priorität der britischen Patentanmeldung Nr. 5724-3/71 vom 9. Dezember 1971 in Anspruch genommen.

Stirlingszyklus-Wärmekraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf Stirlingzyklus-Wärmekraftmaschinen.

Die zugehörige britische Patentanmeldung 3128/68 bzw. GBPS 1 252 258 bezieht sich auf eine Stirlingzyklus-Wärmekraftmaschine, die mit heißen und kalten Kammern von variablem Volumen ausgestattet ist, welche über einen Regenerator untereinander verbunden sind, wobei jede der Kammern einen flexiblen Aufbau aufweist, der in der Lage ist, wiederholte Verlagerungen bzw. Durchbiegungen auszuführen. Kraftschlüssige Kupplungsmittel sind vorgesehen, um Seitenteilstücke der heißen und kalten Kammer mit-« einander zu verbinden, wobei diese Seitenteilstücke mit Hilfe des flexiblen Aufbaus bewegbar sind. Die kraftschlüssigen Kupplungsmittel übertragen eine Kraft bzw. Leistung zur Aufrechterhaltung einer hin und her gehenden Verdrängung von Gas zwischen den Kammern, und die Betriebskomponenten der Maschine werden so abgestimmt, daß

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sie in richtiger Phasenbeziehung in Ansprecherwiederung auf die durch die Kupplungsmittel übertragenen Kräfte resonieren.

Fig. 2 der Zeichnung der oben genannten britischen Patentschrift 1 252 258 zeigt den !Regenerator zentral zwischen einem Paar von durchbiegungsfähigen wänden angeordnet und an diesem befestigt ist, wobei jede Wand einen Teil entweder der heißen oder der kalten Kammer bildet. Die Wände, an denen der Regenerator befestigt ist, sind allgemein von flacher Form.

Es ist erwünscht, die heiße und kalte Kammer möglichst weit voneinander entfernt zu halten, um Wärmeverluste und Wärmebeanspruchungen zu reduzieren. Dies kann dadurch erfolgen, daß ein Regenerator von größerer Länge vorgesehen wird, aber dies bringt wiederum unannehmbare Gasströnningsverluste mit sich.

Eine Stirlingzyklus-Wärmekraftmaschine gemäß der Erfindung weist heiße und kalte Kammern von veränderbarem Volumen auf, die über einen zentral zwischen den Kammern angeordneten Regenerator untereinander verbunden sind, wobei der Regenerator an den Kammern mittels eines Paares von beweglichen Innenwänden befestigt ist, von denen jede einen inneren Endteil einer der Kammern bildet, wobei ferner das mittlere Teilstück jeder Innenwand eine Konkavform aufweist, bei welcher die Einbuchtungen durch die zentralen Teilstücke der voneinander abgewandten Innenwände gebildet werden, wobei die Kammern außerdem ein Paar von Außenwänden aufweisen, von denen jede einen äußeren Endteil einer der Kammern bildet, wobei das zentrale Teilstück jeder Außenwand eine konvexe Form aufweist und die Ausbuchtungen durch die zentralen Teilstücke der Außenwände gebildet werden, die in die durch die zentralen Teilstücke der Innenwände gebildeten Einbuchtungen Meinragen.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit, den größten Teil der heißen und kalten Kammer ohne Verlängerung des Regenerators gut voneinander auf Abstand zu halten.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine

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. 3- " 2258623

Seitenansicht im Mittelschnitt wiedergibt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist eine Stirlingzyklus-Wärmekraftmas chine 1 eine heiße Kammer (H) und eine kalte Kammer (C) von veränderbarem Yolumen auf, die über einen Regenerator 2 untereinander verbunden sind, welcher zentral zwischen den Kammern H, C angeordnet und an diesen mittels eines Paares von beweglichen Innenwänden 3» 4 befestigt ist. Die Innenwände 3, 4- bilden jeweils innere Endteile der heißen und kalten Kammer H, G. Das zentrale Teilstück jeder der Innenwände 3j 4-ist konkav ausgebildet, wobei die Einbuchtungen 5» 6 durch die zentralen Teilstücke der Innenwände gebildet werden, die voneinander abgewandt sind. Die Kammern H, G weisen außerdem ein Paar von Außenwänden 7, 8 auf, die jeweils äußere Endteilstücke der heißen und kalten Kammer (H, C) bilden. Das zentrale Teilstüek jeder der Außenwände 7, 8 ist konvex ausgebildet, wobei die Ausbuchtungen 9» 1° durch die zentralen Teilstücke der Außenwände gebildet werden, welche in die durch die zentralen Teilstücke der Innenwände 3» 4- gebildeten Einbuchtungen 5j 6 hineinragen.

Im einzelnen weist die Außenwand 7 ä.er heißen Kammer H ein zentrales kegelstumpfartiges Nabenteilstück 15 auf, welches an einer runden Halteplatte 17 aus Kupfer befestigt ist. Die Halteplatte 17 ist mit einem erhöhten ümfahgsteilstück 18 versehen. Die Innenwand 3 der heißen Kammer H weist ein zentrales trichterförmiges Teilstück 19 und ein dünnes flexibles membranartiges äußeres Teilstück 20 auf. Die Innen- und Außenwände 3, 7 werden um ihren Umfang herum durch einen Ring von Klemmschrauben 21 zusammengeklemmt. Die oberen Enden der Schrauben 21 sitzen in einem Metallring 22, und zwischen dem Ring 22 und dem äußeren Teilstück 20 der Innenwand 3 befindet sich ein Klemmring 23, der von einem Kippring 24 umgeben ist. Das erhöhte Umfangsteilstück 18 lokalisiert eine Goldringdichtung, die in einer in die Fläche des Teilstücks 18 eingearbeiteten Nut sitzt. (Die Goldringdichtung und ihre Lokalisierungsnut sind in der Zeichnung nicht dargestellt.)

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Die Goldringdichtung sichert eine gute Abdichtung mit dem membranartigen äußeren Teilstück 20 der Innenwand 3· Der Innendurchmesser des Klemmrings 23 ist so gewählt, daß dieser mit dem erhöhten Umfangsteilstück 18 der Außenwand 7 fluchtet, wodurch der äußere Teil des membranartigen äußeren Teilstückes 20 der Innenwände 3 parallel zum erhöhten Umfangsteilstück 18 festgeklemmt wird. Der Kippring 24 gibt dem Ring 22 die Möglichkeit, sicherzustellen, daß der Klemmring 23 einen guten Kontakt mit dem Hing 22 herstellt·

Die Maschineiwird von einer Stahlplatte 30 von runder Form gehalten, die an starren Halterungen 31 befestigt ist. Drei im gleichen Abstand voneinander angeordnete Biegehalterungen 32 erstrecken sich nach unten von der Platte 30, und deren untere Enden sind in eine Kupferplatte 33 eingeschraubt. Die Außenwand 7 der heißen Kammer H ruht auf der Platte 33 und ist an dieser durch einen Ring von Schrauben 34- befestigt. Die mit Schraubengewinde versehenen oberen Enden der Biegehalterungen 32 erstrecken sich nach oben durch Löcher 35 in der Platte 30 hindurch, wo sie durch Gewindebuchsen 36 lokalisiert werden, die ihrerseits in Blöcke 37 eingeschraubt sind, welche an der Platte 30 angeschweißt sind. Die oberen Enden der Buchsen 36 sind mit Sechskanten 38 versehen, wodurch ihre Axialbewegung mittels eines Schraubenschlüssels so eingestellt wird, daß eine genaue Ausrichtung der Platte 33 erreicht wird. Das "heiße" Ende der Haschine ist somit ortsfest angeordnet.

Die Außenwand 8 der kalten Kammer C weist ein zentrales kegelstumpf artiges Nabenteilstück 45 euf, welches an einer runden Halteplatte 47 befestigt ist, die ein dünnes flexibles membranartiges äußeres Teilstück 48 von runder Form aufweist. Die Innenwand 4 der kalten Kammer 0 weist ein zentrales trichterförmiges Teilstück 50 sowie ein äußeres oder Flanschteilstück 51 mit einem erhöhten Umfangsteil 52 auf. Die Innen- und Außenwände 4, 8 werden um ihren Umfang herum durch einen Klemmring 53 zusammengeklemmt, der durch Klemmschrauben 54- befestigt ist. Epoxyharz

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wird verwendet, um den erhöhten Umfängst eil 52 gegenüber dem Außenteilstück 48 der Außenwand 8 abzudichten. Der Innendurchmesser des Klemmrings 53 ist so gewählt, daß dieser mit dem Innendurchmesser des erhöhten Umfangsteils 52 der Innenwand 5 fluchtet· Dadurch wird sichergestellt, daß die Außenwand 8 gezwungen wird, sich in dem vom erhöhten Umf angsteil 52 nach innen liegenden Teil durchzubiegen. '

Drei im gleichen Abstand angeordnete Ansätze bzw. Aufhängeösen 55 sind an der Unterseite des Flanschteilstücks 51 der Innenwand 4 befestigt und erstrecken sich von diesem Teilstück aus radial nach außen. Brei im gleichen Abstand angeordnete Säulen sind an der Oberseite der Platte 30 befestigt und um ein Mittelloch 58 in dieser Platte verteilt. Die oberen Enden der Säulen stützen horizontal angeordnete Träger 59 ab, und die äußeren Enden der Träger 59 und der Ansätze 55 sind durch an den Enden mit Schraubengewinde versehene Stangen 60 miteinander starr verbunden, wobei die Stangen durch Löcher 61 in der Platte 30 hindurch verlaufen. Die Stangen 60 werden abwechselnd Zug- und Druckkräften ausgesetzt und sind flexibel genug, um eine Winkelbewegung der Träger 59 aufzunehmen.

Eine Ausgangswelle 65 erstreckt sich von der Halteplatte 47 der Außenwand 8 aus nach oben, wo sie mittels Flansche 66 mit einer Verlängerungswelle 67 verbunden ist, die einen Dreheisenwandler 68 trägt. Der Wandler 68 weist Stromzufuhr- und Stromrückführadern 69 auf.

Die inneren Enden von drei sich radial erstreckenden, im gleichen Abstand voneinander angeordneten Stangen 71 sind zwischen die Flansche 66 der Welle 65, 67 geklemmt. Die äußeren Enden der Stangen 71 sind mittels Klemm- und Distanzbauteile 72 an den äußeren Enden der Stangen 73 befestigt, die unter den Stangen 71 angeordnet sind und mit diesen fluchten bzw. parallel zu diesen verlaufen. Die inneren Enden der Stangen 73 sind durch Schrauben 74 an den oberen Enden von Säulen 75 befestigt. Die unteren Enden

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der Säulen 75 sind in einen Bundring 76 eingeschraubt, durch welchen sich die Ausgangswelle 65 nit Spiel hindurcherstreckt. Stäbe 77 »it an den Biden vorgesehenen Gewinden sind »wischen den Säulen angeordnet und verbinden den Bundring 76 pit den inneren Baden der Träger 59- Me Stangen 71, 73 sind flexibel und bilden steife Federn. Vie die Stangen 60 werden die Stangen 77 abwechselnd Zug- und Druckkräften unterworfen und nehmen eine Vinkelbewegung der Träger 59 auf.

Warme wird kontinuierlich der heißen Kammer H zugeführt (über die Platte 17 und die Außenwand 7), und zwar mit Hilfe eines Paares von koaxial angeordneten elektrischen Heizelementen

80. Die Elemente 80 befinden sich in einer ortsfesten Isolation

81, die den größten Teil der Haschine umgibt. Ein Kupfereinsatz

82 von Singform ist in die Platte 30 eingesetzt und dient dazu, soweit wie möglich einen radialen Ausgleich der Temperatur der kalten äußeren wand 8 sicherzustellen. Wärme wird aus der kalten Kammer C durch die Pumpwirkung abgeführt, die sich aus der Veränderung des Axialspiegels zwischen der Fläche der kalten Außenwand 8 und dem stationären, dieser benachbarten Kupfereinsatz ergibt, wenn die Außenwand 8 durch den Betrieb der Haschine bewegt wird. Diese Änderung des Axialabstandes zwingt warme luft aus dem Baum 46 zwischen der Außenwand 8 und dem Einsatz 82 heraus und zieht frische Luft aus der Umgebung in diesen Baum ein, und zwar über fluchtende Löcher (nicht dargestellt) im Einsatz und in der Platte 30.

Der Ringraum zwischen den Innenwänden 3» 4- ist teils durch die ortsfeste Isolierung 81 und teils durch eine weitere Isolierung 83 gefüllt, die sich axial mit den Innenwänden 3 und 4 bewegt. Die Querschnitts fläche der beweglichen Isolation 83 entspricht den effektiven Flächen der membranartigen äußeren Teilstücke 20, 48 der Innenwände 3« 4. Dadurch wird sichergestellt, daß, wenn sich diese flexiblen äußeren Teilstücke 20, 48 durchbiegen (wie nachfolgend beschrieben), jegliche Spalten, die zwischen diesen sich durchbiegenden Teilstücken und der Isolation

83 auftreten können, nicht zu einem übermäßigen "Pumpen" von Luft

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führen, was zu unannehmbaren Wärmeverlusten führt. Anker 84 verbinden die Innenwände 3» 4- miteinander.

Die Arbeitsräume der Maschine 1 sind mit Heliumgas gefüllt, und im Betrieb wird Wärme kontinuierlich der heißen Kammer H mittels der elektrischen Heizelemente 80 zugeführt und aus der kalten Kammer C durch Pumpen von Luft" aus dem Basu 46 heraus und in diesen hinein abgezogen. Das Heliumgas wird veranlaßt, sich zwischen der heißen und der kalten Kammer H, G hin und her und mit einer zyklischen Inderung von Temperatur und Druck dadurch zu bewegen, daß der "Verdränger", der durch die untereinander verbundenen Innenwände 3j A und den fiegenerator/gebildet wird, in Schwingung versetzt wird. Die. kalte Außenwand 8 wird dann dazu gebracht, durch Druckänderung^die in dem verdrängten Gas auftreten, zu schwingen.

Der "Verdränger" 2, 3, 4 und die "kalte" Außenwand 8 schwingen mit einer relativen Phasendifferenz. Die Volumenänderungen der heißen und kalten Kammer H, 0 sind im wesentli&en gleich. Die Gasdrücke in jeder dieser Kammern sind stets im wesentlichen gleich und steigen und fallen zusammen in dem Maße, wie das Gas abwechselnd erwärmt und abgekühlt wird. Eine Ausdehnung und Zusammenziehung des Gases ist im wesentlichen isothermisch·

Eine Schwingung der "kalten" Außenwand 8 verursacht eine Schwingung der Leistungs- und Verlängerungswellen 65» 67· dadurch wird ein elektrischer Wechselstrom durch den Wandler 68 erzeugt, wobei dieser Strom dazu verwendet werden kann, nützliche Arbeit zu verrichten.

Ein Teil der Energie, die beim Oszillieren der Wellen 65» 67 aufgegeben wird, muß der Maschine rückgeführt werden, um diese dadurch in Betrieb zu halten, daß die Verdrängung von Gas zwischen der heißen und kalten Kammer H, C aufrechterhalten wird. Diese "Rückkopplung" von Energie wird durch Kräfte erzielt, die von den Wellen 65, 67 durch das Durchbiegen der flexiblen Stangen 71» abgeleitet werden, wobei diese über die Stangen 77» die Träger

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und die Stangen 60 übertragen werden, um die Innenwände 3» 4 zu verlagern.

Die Einrichtung kann als eine nicht-zwangsläufige bzw. kraftschlüssige mechanische Kupplung angesehen werden. (Das Vorhandensein der flexiblen Stangen 72, 73 macht die Kupplung nichtpositiv bzw. nicht-zwangsläufig oder kraftschlüssig). Die Antriebswelle 65 dient als Betätigungsvorrichtung, und die flexiblen Stangen 72, 73 dienen als flexible Verbindung zwischen dieser Betätigungsvorrichtung und dem mechanischen Hebelsystem, welches durch die Stangen 77t Träger 59 und Stangen 60 gebildet wird, wodurch die Schwingung der Betätigungsvorrichtung (Welle 65) zu einer Verlagerung der Innenwand 4 und somit, über den dazwischenliegenden Regenerator 2, der Innenwand 3 führt.

Die eine oder andere der Wellen oder beide Wellen 65» 67 können mit Masse beladen bzw. belastet sein, um mit der Gaselastizität zu resonieren, und die Innenwände 3» 4 oder der Ringbund 76 können mit Masse beladen sein, um mit den Elastizitäten der Membranteilstücke 20, 48 zu resonieren.

Die elektrischen Heizelemente 80 können durch eine Radioisotop-Wärmequelle oder durch eine Wärmequelle, die mit nicht-nuklearem Brennstoff brennt, ersetzt werden. Eine Radioisotop-Wärmequelle würde jedoch der Maschine 1 eine lange Lebensdauer verleihen und dazu führen, daß sie während ihrer Lebensdauer nur einer geringen oder gar keiner Wartung bedarf.

d/ Das Heliumgas kann durch Wasserstoff oder irgeöein anderes

Gas ersetzt werden, welches die Eigenschaften eines hohen Wärme-Diffusionsvermögens bzw. einer hohen Temperaturleitzahl, geringe Viskosität und geringe Reibungseigenschaften besitzt.

Die Starrheit der Säulen 75 kann dadurch erhöht werden, daß sie an ihren oberen Enden verbunden bzw. zusammengeschlossen werden. Dies kann durch einen Metallring geschehen, der auf den flexiblen Stangen 73 ruht und durch Schrauben 74 fest in seiner

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/gehalten wird.

Eine besondere Aus füh rungs form der Maschine 1 hat folgende Abmessungen: .

Regenerator 2: Länge =3*16 cm

Querschnittsfläche = 3 cm ^ Hub » 0,9 mm

Außenwand 8: Hub . »..1,4 mm

Innenwände 3₅4: Durchmesser = 26 cm

Flexible Teilstücke 20, 48: Innendurchmesser = 16 cm Größter Abstand zwischen den Innenwänden 3,4: 8 cm.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination —■ in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Pat ent ansprüche

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Claims

" ¹⁰ ~ -5. OEZ. 1972

Pat ent ansprüche

1.) Stirlingzyklus-Wärmekraftmaschine mit einer heißen und eineiHcalten Kammer von veränderbarem Volumen, die über einen Begenerator miteinander in Verbindung stehen, der zentral zwiscim den Kammern angeordnet und an diesen mittels eines Paares von beweglichen Innenwänden befestigt ist, von denen jede einen inneren Endteil einer der Kammern bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Teilstück jeder Innenwand (3, 4-) konkav auegebildet ist, wobei die Einbuchtungen (5, 6) durch die zentralen Teilstücke der Innenwände, die voneinander abgewandt sind, gebildet werden, daß die Kammern (H, G) außerdem ein Paar von Außenwänden (7, 8) aufweisen, von denen jede einen äußeren Endteil einer Kammern

und

bildet/ daß das zentrale Teilstück jeder Außenwand konvex ausgebildet ist, wobei die Ausbuchtungen (9, 107 durch die zentralen Teilstücke der Außenwände gebildet werden, welche in die durch die zentralen Teilstücke der Innenwände gebildeten Einbuchtungen (5, 6) hineinragen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb derselben die Außenwand (8) der kalten Kammer (C) schwingt und daß Wärme aus der kalten Kammer durch eine Pumpwirkung abgezogen wird, die sich aus einer Änderung des Spiels zwischen der Außenwand (8) und einem ortsfesten Aufbau (82), der in der Nähe desselben angeordnet ist, ergibt.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der Maschine die Außenwand (8) der kalten Kammer (C) schwingt und daß Mittel (65, 66, 67, 71) vorgesehen sind, welche die Außenwand mit einem Wandler (68) verbinden, derart, daß eine Schwingung der Außenwand den Wandler veranlaßt, elektrische Energie zu erzeugen.

4. Maschine nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb derselben die eine der Außenwände (z. B. 7) ortsfest bleibt und die andere der Außenwände (z. B, 8) schwingt und daß Kupplungsmittel (65, 66, 71, 72, 73, 75, 76, 77,

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59» 60), die durch Schwingung der anderen Außenwand betätigt werden, vorgesehen sind, um Energie in die Maschine rückzuführen, derart, daß die Verdrängung von Arbeitsmedium zwischen der heißen und der kalten Kammer (H, O) aufrechterhalten bleibt.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsmittel nicht-zwangsläufig bzw. kraftschlüssig sind.

7- Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kraft schlüssigen Kupplungsmittel eine Betätigungsvorrichtung (65) aufweisen, die mit der anderen Außenwand (8) so verbunden ist, daß sie mit dieser schwingt, daß sie ferner eine Hebeleinrichtung (59, 60, 75, 77) aufweist, die mit der Innenwand (4-) in der Nähe der anderen Außenwand (8) verbunden ist, und* daß sie schließlich eine flexible Verbindung (71, 72, 73) zwischen der Betätigungsvorrichtung und der mechanischen Hebeleinrichtung aufweist, derart, daß eine Schwingung der Betätigungsvorrichtung zu einer Verlagerung der letzterwähnten Innenwand über die flexible Verbindung und die mechanische Hebeleinrichtung führt*-

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