Patent DE-112009000903-B3 (DE)
Title: Stirlingmaschine
Inventor: PASEMANN LUTZ
IPC: F02G1/044
Filed: 2009-02-11
Granted: 2020-07-23
Abstract: Stirlingmaschine, bestehend aus einer Anzahl von zwei oder mehr Teilsystemen, die ein Arbeitsgas enthalten und alle miteinander verbunden sind, wobei das erste Teilsystem direkt mit einem Gegenstrom-Wärmetauscher (30) und dieser direkt mit dem letzten Teilsystem derart verbunden sind, dass im Betrieb in das kalte Arbeitsgas des ersten Teilsystems eine für seine isochore Erwärmung notwendige Wärmemenge über den Gegenstrom-Wärmetauscher (30) aus dem heißen Arbeitsgas des letzten Teilsystems übertragen wird, so dass das Arbeitsgas des letzten Teilsystems durch die Abgabe dieser Wärmemenge über den Gegenstrom-Wärmetauscher (30) isochor abgekühlt wird, und dass alle übrigen Teilsysteme über mit Ventilen verschließbare Bypass-Leitungen (31, 32) mit dem jeweils vorangestellten Teilsystem derart verbunden sind, dass sie im Betrieb dadurch isochor erwärmt werden, dass in sie über die geöffneten Bypass-Leitungen (31, 32) das heiße Arbeitsgas des jeweils vorangestellten Teilsystems geschoben wird, und simultan in das jeweils vorangestellte Teilsystem ihr eigenes kaltes Arbeitsgas gleicher Menge und gleich großen Volumens geschoben wird, wodurch das jeweils vorangestellte Teilsystem isochor abgekühlt wird,
 wobei bei einer Anzahl von zwei Teilsystemen, ein erstes Teilsystem aus einem ersten Expansionszylinder (10) mit zugehörigem Kolben (K11) und aus einem ersten Kompressionszylinder (11) mit zugehörigem Kolben (K12) besteht, und ein zweites Teilsystem aus einem zweiten Expansionszylinder (20) mit zugehörigem Kolben (K21) und einem zweiten Kompressionszylinder (21) mit zugehörigem Kolben (K22) besteht, wobei ein Verhältnis der Volumina der Expansionszylinder (10, 20) und der Kompressionszylinder (11, 21) des ersten und zweiten Teilsystems vorgesehen ist, bei dem das Volumen des Arbeitsgases am Ende seiner Heißgas-Expansion im Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems gleich ist sowohl dem Volumen des Arbeitsgases zu Beginn seiner Heißgas-Expansion im Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems als auch dem Volumen des kalten Arbeitsgases am Ende seiner Kaltgas-Kompression im Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems und auch gleich ist dem Volumen des kalten Arbeitsgases zu Beginn seiner Kompression im Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems,
 wobei die Gasmenge in beiden Teilsystemen gleich groß ist und das Kompressionsverhältnis des ersten Teilsystems gleich dem Kompressionsverhältnis des zweiten Teilsystems ist,
 und wobei der Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems mit einem Erhitzer (33) und mit dem Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems durch eine erste Verbindungsleitung (12) verbunden ist, und der Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems mit einem Kühler (34) und dem Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems durch eine zweite Verbindungsleitung (22) verbunden ist, wobei die beiden Verbindungsleitungen (12, 22) derart aneinander vorbeigeführt werden, dass sie den Gegenstrom-Wärmetauscher (30) bilden, und die Verbindungsleitungen (12, 22) durch ein Ventil (V3), das vor dem Eingang zum Gegenstrom-Wärmetauscher (30) auf der von den Expansionszylindern (10, 20) und dem Erhitzer (33) gebildeten Heißraumseite der Stirlingmaschine positioniert ist, und durch ein weiteres Ventil (V4), das vor dem Eingang zum Gegenstrom-Wärmetauscher (30) auf der von den Kompressionszylindern (11, 21) und dem Kühler (34) gebildeten Kaltraumseite positioniert ist, verschließbar sind, und die erste Verbindungsleitung (12) zwischen dem Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems und dem Erhitzer (33) durch ein zusätzliches Ventil (V5) verschließbar ist ebenso wie die zweite Verbindungsleitung (22) zwischen dem Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems und dem Kühler (34) durch ein zusätzliches Ventil (V6) verschließbar ist,
 und dass die Ventile (V3, V4, V5, V6) der beiden den Gegenstrom-Wärmetauscher (30) bildenden Verbindungsleitungen (12, 22) nur geöffnet sind während der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems, bei der das kalte Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems über den Gegenstrom-Wärmetauscher (30), wo es erwärmt wird, und den Erhitzer (33) in den Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems geschoben wird, und während der simultan verlaufenden isochoren Abkühlung des zweiten Teilsystems, bei der das heiße Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems über den Gegenstrom-Wärmetauscher (30), wo es abgekühlt wird, und den Kühler (34) in den Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems geschoben wird,
 und dass es eine durch ein Ventil (V1) verschließbare erste Bypass-Leitung (31) gibt, die den Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems mit dem Erhitzer (33) und dem Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems verbindet und damit die erste Verbindungsleitung (12) und die zweite Verbindungsleitung (22) auf der Heißraumseite vor dem Gegenstrom-Wärmetauscher (30) überbrückt, und dass es eine durch ein Ventil (V2) verschließbare zweite Bypass-Leitung (32) gibt, die den Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems mit dem Kühler (34) und dem Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems verbindet und damit die erste (12) und die zweite Verbindungsleitung (22) auf der Kaltraumseite vor dem Gegenstrom-Wärmetauscher (30) überbrückt, wobei die Ventile (V1, V2) der ersten (31) und zweiten Bypass-Leitung (32) geöffnet sind während der isochoren Erwärmung des zweiten Teilsystems, bei der das heiße Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems durch den Erhitzer (30) und von dort durch die erste Bypass-Leitung (31) in den Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems geschoben wird, und während der simultan ablaufenden isochoren Abkühlung des ersten Teilsystems, bei der das kalte Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems durch die zweite Bypass-Leitung (32) in den Kühler (34) und von dort in den Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems geschoben wird,
 und dass die Expansionszylinder (10, 20) des ersten und zweiten Teilsystems während der Heißgas-Expansion nur mit dem Erhitzer (33) verbunden sind,
 und die Kompressionszylinder (11, 21) des ersten und zweiten Teilsystems während der Kaltgas-Kompression nur mit dem Kühler (34) verbunden sind.