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Dokumentenidentifikation DE4011233A1 10.10.1991
Titel Erhitzerkopf, insbesondere für Stirling-Motoren
Anmelder Laing, Nikolaus, 7148 Remseck, DE
Erfinder Laing, Nikolaus, 7148 Remseck, DE
DE-Anmeldedatum 06.04.1990
DE-Aktenzeichen 4011233
Offenlegungstag 10.10.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.10.1991
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
IPC additional class // F24J 2/06  
Zusammenfassung Die Energiezufuhr erhält einen Stirlingmotor über einen Wärmeübertrager, der einer Wärmequelle ausgesetzt ist. Erfolgt die Wärmezufuhr über eine Flamme, so herrscht ein annähernd konstant verlaufendes Temperaturprofil. Erfolgt die Energiezufuhr über konzentrierte Bestrahlung, so kann das Temperaturprofil Spitzen aufweisen, in denen die Bestrahlungsstärke zu Temperaturen führt, die zum Schmelzen der bisher üblichen rohrförmigen Wärmeübertrager führen. Dies soll durch einen Überhitzerkopf vermieden werden, der aus einer dickwandigen Hohlkugel aus gut wärmeleitendem und hochtemperaturfestem Werkstoff besteht, deren Rückseite Wärmetauschrippen aufweist, die einen gasdurchströmten Raum von sichelförmigem Querschnitt durchsetzen und gleichzeitig die zweite sphärische Wandung des Raumes mit der ersten so verbinden, daß der Raum den Druckkräften der durchgesetzten Gase standhält. Durch die geforderte hohe Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit der Wandstärke wird der die Wandung durchsetzende Wärmestrom vergleichmäßigt. Hierdurch wird eine Erhöhung der gemittelten Temperatur ermöglicht, die zu ensprechend höheren Wirkungsgraden des Stirlingprozesses führt.

Beschreibung[de]

Der Stirlingmotor erlangt erneut Bedeutung und zwar in der Solartechnik. Wie bei allen thermodynamischen Kreisprozessen ist der Wirkungsgrad eine Funktion des Temperaturgefälles, den der Gasstrom während einer Periode erfährt. Die Fokusierung der Einstrahlung läßt theoretisch Extremtemperaturen zu, denen kein Werkstoff gewachsen ist. Aber auch eine Fokusierung, die rechnerisch zu vertretbaren Temperaturen führen würde, gewährt keine ausreichende Sicherheit gegen Materialschmelze im Erhitzerkopf eines Stirlingmotors, da sich Energiespitzen nicht vorhersehbarer örtlicher Strahlungsdichte ausbilden können.

Es ist zwar ein Weg beschrieben, der zu einer Vergleichsmäßigung des Temperaturprofiles der bestrahlten Fläche führt, indem der Strahlungsempfängerbereich zur Verdampferzone eines Wärmerohres gemacht wird.

Da aber als Wärmeträger für derartig hohe Temperaturen nur das Kondensat verdampfender Metalle in Frage kommt, erfährt der Aufbau eines Stirlingmotors eine erhebliche Verteuerung verbunden mit der Gefahr der hypergolen Verbrennung der Wärmeträgermetalle im Falle eines Luftzutritts.

Die Erfindung weist einen Weg, der diese Nachteile vermeidet. Gemäß der Erfindung besteht der Erhitzerkopf aus Siliziumkarbid, welches durch extreme Oxidationsbeständigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet ist. Die zur Vergleichsmäßigung des Temperaturprofiles erforderliche Wärmeleitfähigkeit kann durch eine Schicht aus phyrolytischer Kohle, die auf der Rückseite der bestrahlten Fläche so aufgebracht ist, daß die Wärmeleitebene parallel zur Schicht verläuft, noch wesentlich vergrößert werden. Die der Einstrahlung zugewandte Fläche des vom Wärmeträgergas zyklisch durchströmten Hohlkörpers ist vorteilhaft konkav ausgebildet und trägt auf ihrer Rückseite eine enge Verrippung.

Die der Einstrahlung abgewandte Wandung des Hohlkörpers schließt zusammen mit der berippten Wandung einen Raum ein, der einem sphärisch konkav-konvexen Rotationskörper entspricht. Die Endbereiche der Rippen sind mit dieser zweiten Wand verlötet, so daß der genannte Hohlraum extremen Drücken ausgesetzt werden darf. Siliziumkarbid weist im Bereich des Sonnenspektrums einen hohen Absorptionskoeffizienten auf, der jedoch durch geeignete Ausbildung der Oberfläche noch erheblich gesteigert werden kann.

Die Erfindung ist nicht nur zur Umsetzung von Solarenergie in mechanische Energie geeignet, sondern kann auch zur Umsetzung der Energie eines Plasmastrahles oder eines Lasers eingesetzt werden. Andererseits kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aber auch zur Aufheizung vieler Fluide, z. B. zur thermischen Zerstörung großer Moleküle in der Entgiftungstechnologie eingesetzt werden.

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen erläutert werden:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Erhitzerkopf mit Ringspalt.

Fig. 2 zeigt vergrößert die Rippen.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf die beiden Wandungsbereiche.

Fig. 1 zeigt die dem Sonnenlicht zugewandte Wandung 1 des Hohlraumes 2 mit Mondsichelquerschnitt. In der zweiten Wandung 3 befindet sich ein zentraler Durchbruch 4, während die zweite Öffnung vom Ringspalt 5 gebildet wird. Die erste Wandung geht in einen zylindrischen Bereich 6 über, der mit einem Kragen 7 der zweiten Wandung 3 verlötet ist. Die erste Wandung trägt zylinderstiftförmige Rippen 8, die ihrerseits mit der zweiten Wandung 3 verlötet sind. Die Öffnung 4 weist einen Flansch 9a auf, der zur Verbindung mit dem nicht gezeigten Zylinder des Stirlingmotors dient. Der Ringspalt 5 kommuniziert über Kanäle 5a mit dem Regenerator des Stirlingmotors, der Flansch 9b dient der Befestigung.

Fig. 2 zeigt in der rechten Hälfte eine Draufsicht auf Fig. 1, wobei die Lötnaht 6 sichtbar wird. Im zweiten Quadranten ist die der Einstrahlung ausgesetzte Oberfläche mit einer symbolisch dargestellten Feinstverrippung 20 gezeigt. Auf der linken Seite ist eine Ansicht von unten wiedergegeben, wobei die Wandung 3 im vierten Quadranten aufgeschnitten ist, so daß die zylinderförmigen Rippen 8 sichtbar werden. Im Zentrum sind Radialrippen 21 angeordnet, die ebenfalls in Ausnehmungen der Wandung 3 hineinragen und mit dieser verlötet sind. Längs der Pheripherie sind die Kanäle 5a sichtbar.

Fig. 3 zeigt die zylinderstiftförmigen Rippen 8, die mit der Wandung eine Einheit bilden. Zur Verminderung des schädlichen Raumes sind die Passagen 31 zwischen den Rippen eng bemessen. Innerhalb der zweiten Wandung 3 sind Vertiefungen 32 vorgesehen, in welche die Rippen 8 hineinragen. Der Spalt 33 ist mit Lot gefüllt. Da die zweite Wandung 3 unmittelbar neben dem nicht gezeigten Stirlingzylinder angeordnet ist, liegt deren Temperatur stets unter der Gastemperatur. Hierdurch ist es möglich, eine Arbeitstemperatur zu verwirklichen, die nahe an die Schmelztemperatur des Lotes heranreicht. Diese beträgt bei geeigneten Loten auf Siliziumbasis ca. 1350°C.


Anspruch[de]
  1. 1. Als Hohlkörper ausgebildeter Erhitzerkopf eines Stirlingmotors, dessen Innenraum über eine erste Öffnung mit einem Zylinder und über eine zweite Öffnung mit einem Regenerator kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper von einer ersten und einer zweiten Wandung eingeschlossen ist und daß die erste Wandung aus Siliziumkarbid besteht.
  2. 2. Erhitzerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hohlkörperwandung einen Strahlungsempfänger, z. B. im Fokusbereich eines konzentrierten Strahlenbündels bildet.
  3. 3. Erhitzerkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wandung konkav ausgebildet ist.
  4. 4. Erhitzerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper von einer konkaven und einer konvexen Wandung eingeschlossen ist.
  5. 5. Erhitzerkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der konkaven Wandung eine Einheit bildende Rippen den Hohlkörper durchsetzen.
  6. 6. Erhitzerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen stachelförmig ausgebildet sind.
  7. 7. Erhitzerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung als im Zentrum liegender Durchbruch und die zweite Öffnung als Ringspalt ausgebildet sind und daß die Rippen um die erste Öffnung herum angeordnet sind.
  8. 8. Erhitzerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung als konzentrischer Durchbruch ausgebildet ist und daß die zweite Öffnung auf mehrere über dem Umfang verteilt liegende Durchbrüche aufgeteilt ist und daß zwischen der ersten und den weiteren Durchbrüchen Rippen verlaufen, die zwischen sich Kanäle einschließen.
  9. 9. Erhitzerkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen zwischen sich Kanäle von solcher Länge und Weite einschließen, die zu annähernd gleichem Widerstand gegenüber dem Gasstrom führen.
  10. 10. Erhitzerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der strahlungsempfangenden Wandung des Hohlkörpers eine Einheit bildenden Rippen mit der zweiten Wandung des Hohlkörpers verlötet sind.
  11. 11. Erhitzerkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen in lotgefüllte Vertiefungen der zweiten Wandung hineinragen.
  12. 12. Erhitzerkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegende Oberfläche der 2. Wandung Strahlung an einen Körper von geringerer Temperatur abgibt.
  13. 13. Erhitzerkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pheripherie des Hohlraumes des Hohlkörpers von einem zylindrischen Wandbereich gebildet wird, der mit einem zylindrischen Wandbereich der ersten Wand eine Einheit bildet und daß dieser Bereich in den zylindrischen Bereich der zweiten Wand hineinragt, wobei die beiden zylindrischen Wandungsbereiche miteinander verlötet sind.
  14. 14. Erhitzerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Strahlungsempfängerfläche dienende Bereich der ersten Wandung eine oberflächenvergrößernde Schicht trägt.
  15. 15. Erhitzerkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus pyrolytisch aufgebrachten SiC-Kristallen besteht.
  16. 16. Erhitzerkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus im CVD-Verfahren erzeugte Whisker besteht.
  17. 17. Erhitzerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten Wand eine phyrolytische Kohleschicht aufgebracht ist.






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