Stirlingmotor mit stapelförmigem Aufbau

November 9, 2023

Prinzip und bisherige Entwicklung

Im Jahre 1980 realisierte Prof. Ivo Kolin erstmals eine Wärmekraftmaschine basierend auf dem Stirling-Prozess, die warmes Wasser als Wärmequelle nutzte und so mit einer Temperaturdifferenz von unter 50° Celsius arbeitet: Ein mit Luft (Arbeitsmedium) gefülltes gegen die Umgebung abgeschlossenes Volumen in der Form eines flachen Quaders oder Zylinders ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten von einer kalten und warmen Platte berandet. Der Temperaturunterschied dieser Platten entspricht der Arbeitstemperaturdifferenz der Maschine. Zwischen diesen Flächen wird eine Verdränger-Platte mit geeigneter thermischer Masse diskontinuierlich hin- und herbewegt und bringt die eingeschlossene Luft periodisch in Kontakt mit der warmen und kalten Wärmetauscher-Platte. Aus der Erwärmung und Abkühlung resultiert eine Druckschwankung des Arbeitsgases, die auf einen angekoppelten Arbeitskolben wirkt und so in mechanische Leistung umgewandelt wird. Diese Maschine erbrachte bei einem Arbeitsvolumen von ca. 1,5 Litern eine mechanische Leistung von ca. 1 Watt. Die Weiterentwicklung zu noch kleineren Antriebstemperaturdifferenzen erfolgte durch James R. Senft, der das alte Prinzip der pneumatischen Verdrängersteuerung (nach O. Ringbom) wiederentdeckte und so Maschinen realisierte, die durch Temperaturdifferenzen von ca. 1° Celsius angetrieben werden können. Die Leistung dieser Maschinen liegt jedoch bei einem Maschinenvolumen von ca. 0,1 Liter nur im Milliwatt-Bereich.

Anforderung

Anforderung an einen neuen Motor ist die Möglichkeit, Temperaturdifferenzen wie sie z.B. als Schwankung der Luftaußentemperatur im Tag-Nacht-Rhythmus auftreten, ausnutzen zu können und gleichzeitig eine mechanische Leistung von ca. 10-100 Watt zu erreichen.
Bei einer angenommen Arbeitstemperaturen von

T_max = 20° C = 293 ° K

und

T_min = 10° C = 283 ° K

ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad von

η <= 1 – T_min / T_max = 0,034

Pro Watt erzeugter mechanischer Leistung muss daher unter idealen Bedingungen eine Wärmeleistung von mindestens 30 Watt durch die Maschine fließen. In realen Maschinen wird dieser Wert sicherlich einen Faktor 2 bis 3 größer sein. Um diese Wärmemenge zu übertragen, ist eine entsprechend große Dimensionierung der Wärmetauscherflächen unabdingbar und die zentrale Konstruktionsaufgabe.

Neues patentiertes Design eines Niedertemperatur-Stirlingmotors

Um die gesamte erforderliche Wärmetauscherleistung bereitzustellen, ist das gesamte Arbeitsvolumen in einzelne Zellen aufgeteilt, die jeweils von zwei Wärmetauscherflächen berandet sind. Die ganze Maschine besteht aus einem Stapel von solchen abwechselnd warmen und kalten Wärmetauscherplatten. Die Wärme wird dabei über zwei getrennte Wasserkreisläufe durch die als Hohlkammerplatten ausgelegten Wärmetauscher zu- bzw. abgeführt. Durch die Stapelung der Tauscherplatten kann die gesamte erforderliche Tauscherfläche in einer kompakten Maschine untergebracht werden. Dazwischen liegen die eigentlichen luftgefällten Arbeitsvolumina in denen sich die Verdrängerplatten (durch zyklische Druckschwankung – Ringbomkopplung) diskontinuierlich hin und her bewegen und so die Luft periodisch die warmen bzw. kalten Tauscherplatten anströmt. Daraus resultiert ein periodisches Aufheizen bzw. Abkühlen des Arbeitsgases.
Es existieren zwei getrennte Verdrängerstapel. Diese Stapel verbinden jeweils mechanisch die Verdrängerplatten, die sich synchron bewegen müssen. Die beiden Plattenstapel sind getrennt an Deck- bzw. Bodenplatte gelagert, um ihre gegenläufige Bewegung zu erreichen.
Die einzelnen Zellen sind pneumatisch gekoppelt und verrichten Arbeit an einem gemeinsamen Arbeitskolben. Dieser ist entsprechend der ursprünglichen Kolin-Idee als Membran mit Arbeitspleuel ausgelegt und mit einem Schwungrad gekoppelt, an dem mechanische Arbeit abgenommen werden kann. Für diese Idee wurde ein Patent erteilt. Die entsprechende Druckschrift Patent DE 195 34 379 A1 kann als PDF-Dokument heruntergeladen werden.