PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60120183T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001309785
Titel HEIZKOPF FÜR EINE STIRLINGMASCHINE
Anmelder Microgen Energy Ltd., Reading, Berkshire, GB
Erfinder CLARK, Antony, David, Hugglescote Leicestershire LE67 2BU, GB;
LOWRIE, Robert, James, Derby DE1 2RR, GB
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 60120183
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.08.2001
EP-Aktenzeichen 019542265
WO-Anmeldetag 14.08.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/GB01/03637
WO-Veröffentlichungsnummer 2002014671
WO-Veröffentlichungsdatum 21.02.2002
EP-Offenlegungsdatum 14.05.2003
EP date of grant 31.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F02G 1/055(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Ein Stirling-Motor ist ein von Außen beheizter Motor mit hin- und hergehender Bewegung. Er weist einen Zylinder auf, innerhalb welchem ein Hin- und Herbewegen eines Kolbens oder von Kolben dazu dient, ein Arbeitsfluid zwischen warmen und kalten Wärmetauschern zu bewegen und eine Leistungsausgabe bereitzustellen.

Wärme wird im Allgemeinen einem Ende des Zylinders des Stirling-Motors zugeführt, um das Gas im Inneren zu erwärmen und um den Arbeitskolben anzutreiben. Das Ende des Stirling-Motors, welches erwärmt wird, wird als Wärmeübertragungskopf bezeichnet und ist im Allgemeinen von einer ringförmigen Heizeinrichtung oder von einem Brenner umgeben, welcher dem Wärmeübertragungskopf Wärme zuführt. Der Zylinder wird im Allgemeinen vertikal angeordnet, wobei ihn ein Brenner derart umgibt, um Wärme zuzuführen, sodass heiße Abgase von dem Brenner nach oben entweichen können. Um die Übertragung von Wärme zu dem Zylinder des Stirling-Motors zu verbessern, um damit seine Effizienz zu erhöhen, kann der Wärmeübertragungskopf mit Rippen versehen sein, um seinen Oberflächenbereich zu vergrößern.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Übertragung von Wärme zu dem Wärmeübertragungskopf zu verbessern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt: ein Wärmeübertragungskopf für einen Stirling-Motor mit einer Achse einer Hin- und Herbewegung, wobei der Kopf eine Mehrzahl von Außenrippen umfasst, welche einen ersten Satz bereitstellen, wobei jede Rippe von dem Wärmeübertragungskopf nach außen vorsteht und eine Länge, eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, und wobei wenigstens zwei der benachbarten Rippen derart angeordnet sind, dass wenigstens ein Abschnitt ihrer Längen im Wesentlichen parallel ist, und derart angeordnet sind, dass wenigstens ein Anteil einer beliebigen Strahlungswärme, welcher an einer Seite einer der zwei benachbarten Rippen aufgenommen wird, auf eine Seite der anderen Rippe reflektiert wird, wobei ein zweiter Satz von Rippen über dem ersten Satz vorgesehen ist, wobei jede aus dem zweiten Satz von Rippen eine Länge, eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die Länge einer jeden Rippe aus der zweiten Mehrzahl von Rippen in einer Ebene verläuft, welche, im Gebrauch, in der Richtung der Achse der Hin- und Herbewegung des Wärmeübertragungskopfes verläuft.

Wärme wird von dem ersten Satz von Rippen bei jeder Reflexion absorbiert, sodass durch das Anordnen der Rippen derart, dass Strahlungswärme zwischen zwei im Wesentlichen parallelen benachbarten Rippen reflektiert wird, wegen der multiplen Reflexionen mehr von der Wärmeenergie absorbiert wird, was eine effizientere Wärmeübertragung bereitstellt. Die Anordnung des zweiten Satzes von Rippen ermöglicht, dass Verbrennungsgase von dem Brenner aus nach oben zwischen diesen strömt, um zu ermöglichen, dass Wärme von den Verbrennungsgasen absorbiert wird.

Wenigstens ein Anteil der Strahlungswärme, welche auf die Seite der anderen im Wesentlichen parallelen Rippe reflektiert wird, wird vorzugsweise zu der einen Rippe zurück reflektiert, um die Wärmeübertragung weiter zu verbessern.

Die nebeneinander liegenden Seiten von zwei benachbarten Rippen können bei ihrem Verlauf vom Wärmeübertragungskopf weg divergieren, um einen Gesamt-Sägezahn-Querschnitt bereitzustellen, bei welchem jede Rippe einen im Wesentlichen dreieckigen oder dreiecksstumpfförmigen Querschnitt aufweist. Dies verringert eine Strahlungswärmeübertragung von den Rippenspitzen zurück zu dem Brenner, äußeren Wänden und heißen Gasen.

Die Länge der Rippen kann um die Peripherie oder den Umfang des Stirling-Motors verlaufen, was die physische Festigkeit des Wärmeübertragungskopfs vergrößert.

Wenigstens einige der Außenrippen, welche derart angeordnet sind, dass sie Strahlungswärme zwischen sich reflektieren, sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sie einer Strahlungswärmequelle, wie z.B. einer Heizeinrichtung oder einem Brenner, im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet sind.

Um die Wärmeübertragung zu verbessern, ist jede aus dem zweiten Satz von Rippen im Gebrauch an einem zylindrischen Teil des Stirling-Motors angebracht und weist einen erweiterten Abschnitt auf, welcher über dem zylindrischen Teil verläuft, jedoch nicht direkt an den Stirling-Motor angebracht ist. Um die Stabilität dieser und weiterer Anordnungen zu verbessern, ist der zweite Satz von Rippen vorzugsweise durch einen Umfangsring verbunden.

Beispiele von Wärmeübertragungsköpfen, welche die vorliegende Erfindung darstellen, werden nun mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Es stellt dar:

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragungskopfs;

2 ist eine Querschnitts-Seitenansicht der Rippen des in 1 gezeigten Wärmeübertragungskopfs;

3 ist eine Querschnitts-Seitenansicht eines alternativen Satzes von Rippen für den Wärmeübertragungskopf; und

4 ist eine Querschnitts-Seitenansicht eines zweiten alternativen Satzes von Rippen für den Wärmeübertragungskopf.

Der in 1 dargestellte Wärmeübertragungskopf 10 bildet die Spitze eines Stirling-Motors. Der Kopf 10 liegt in der Gestalt eines Zylinders 11 mit einer Kuppel 12 an einem Ende vor. Ein ringförmiger Brenner 20 ist schematisch gezeigt. Der Brenner 20 umgibt den Wärmeübertragungskopf 10 und ist derart angeordnet, dass er ihn mit Wärme versorgt, um zu veranlassen, dass der Stirling-Motor in Betrieb geht. Der Brenner 20 in diesem Beispiel wird durch Erdgas angetrieben.

Der Wärmeübertragungskopf ist mit einer Mehrzahl von länglichen ersten Rippen 30 versehen, wobei die Länge von jeder um den zylindrischen Abschnitt des Wärmeübertragungskopfs 10 herum in Umfangsrichtung verläuft. Das Längenverhältnis der ersten Rippen 30 ist derart, dass der Spalt 4 zwischen benachbarten Rippenspitzen verglichen mit der Rippenhöhe 5 klein ist. Der Wärmeübertragungskopf 10 ist ebenso mit einer Mehrzahl von zweiten Rippen 40 versehen, wobei die Länge von jeder in Längsrichtung in der Richtung der Achse des zylindrischen Abschnitts 11 des Wärmeübertragungskopfs verläuft. Die zweiten Rippen 40 sind in radialen Ebenen um den Wärmeübertragungskopf 10 herum angeordnet.

Wie in 2 gezeigt ist, weist jede Rippe 30 eine erste Unterseite 31 und eine zweite Oberseite 32 auf. Die Seiten 31, 32 von jeder Rippe sind im Wesentlichen flach und konvergieren zueinander hin, da sie von dem Wärmeübertragungskopf 10 weg verlaufen. Der Querschnitt der Spitze 33 von jeder Rippe 30, wo die beiden Seiten 31, 32 konvergieren, ist in 5 gekrümmt gezeigt, aber könnte eine Spitze oder ein beliebiger anderer geeigneter Querschnitt sein. Der Querschnitt des Bereichs 34, wo die Basen der zwei benachbarten Rippen 30 mit dem Wärmeübertragungskopf 10 verbunden sind, ist ebenso in 2 gekrümmt gezeigt, aber er könnte ein beliebiger geeigneter Querschnitt sein. Jede Rippe 30 in diesem Beispiel weist eine Höhe 5 von ungefähr 25 mm ausgehend von der Wand des Wärmeübertragungskopfs 10 zu seiner Spitze 33 auf, und der Spalt 4 zwischen den Spitzen 33 von benachbarten Rippen 30 beträgt ungefähr 5 mm. Die Höhe 5 von jeder Rippe beträgt vorzugsweise mehr als das Doppelte der Entfernung zwischen den Spitzen 33 der benachbarten Rippen 30, um eine Reflexion von Strahlungswärme auf die Rippen zu fördern. Die Höhe 5 von jeder Rippe kann jedoch das Dreifache, Vierfache oder Fünffache des Spalts 4 zwischen den Spitzen 33 der benachbarten Rippen 30 betragen.

Eine Strahlungswärmequelle, in diesem Fall ein Brenner 20, ist derart gegenüber der Mehrzahl von Rippen 30 angeordnet, dass Strahlungswärme in die Räume zwischen den benachbarten Rippen 30 geleitet wird. Wie in 2 gesehen werden kann, wird Strahlungswärme, welche auf eine der Seiten 31, 32 einer Rippe 30 trifft, zu der benachbarten Seite der benachbarten Rippe 32, 31 reflektiert. Bei jeder Reflexion wird Wärme von der Rippe 30 des Wärmeübertragungskopfs 10 absorbiert und verwendet, um den Stirling-Motor zu betreiben. Die dreieckige Struktur von jeder Rippe 30, welche eine Gesamtsägezahnform erzeugt, kann mehrfache Reflexionen von Strahlungswärme zwischen jedem Paar von Rippen 30 erzeugen, wobei jede Reflexion gestattet, dass der Wärmeübertragungskopf 10 mehr Wärme absorbiert.

Wenn Strahlungswärme den Punkt 34 erreicht, bei welchem sich zwei benachbarte Rippen 30 treffen, wird die Strahlungswärme von dem Wärmeübertragungskopf 10 weg reflektiert und kann mehr Reflexionen gegen die Rippen 30 auf ihrem Weg weg von dem Wärmeübertragungskopf 10 treffen, was dem Wärmeübertragungskopf 10 gestattet, noch mehr Wärme zu absorbieren.

Über den ersten Rippen 30 zeigt 2 den Querschnitt von einer der zweiten Rippen 40 in einer Ebene, welche in der Richtung der Achse des zylindrischen Abschnitts des Wärmeübertragungskopfs 10 verläuft. Heiße Verbrennungsgase von dem Brenner 20 strömen zwischen den benachbarten zweiten Rippen 40 nach oben, und ein Großteil der Wärme von den Verbrennungsgasen wird von den Rippen 40 absorbiert.

Die Rippen 40 sind derart angeordnet, dass sie eine hohe Gasgeschwindigkeit aufrechterhalten, und weisen einen hohen Konvektions-Wärmeübertragungskoeffizienten auf. Die Rippen 40 weisen vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf, um die Rippeneffizienz zu vergrößern. Der Wärmeübertragungskopf 10 ist derart relativ zu der Wärmequelle 20 angeordnet, dass Strahlungswärme von der Wärmequelle in die Räume zwischen den benachbarten Rippen 30 geleitet wird. Die zweiten Rippen sind vorzugsweise über der Wärmequelle 20 angeordnet, um Wärme von den hochsteigenden Verbrennungsgasen zu absorbieren. Bei dieser Anordnung wird eine größere Proportion von Wärme von der Wärmequelle 20 durch den Wärmeübertragungskopf 10 absorbiert, was die Effizienz vergrößert.

3 zeigt eine alternative Anordnung von Rippen für einen Wärmeübertragungskopf 10. Die in 3 gezeigten Rippen sind mit denjenigen in 2 gezeigten identisch, mit Ausnahme der Tatsache, dass Kanäle quer in die Seiten der Rippen 30 bei Punkten gemacht wurden, welche in Umfangsrichtung mit Abstand um den Wärmeübertragungskopf 10 herum angeordnet sind. Die Kanäle verlaufen in der Richtung der Achse des zylindrischen Abschnitts des Wärmeübertragungskopfs 10. Die Kanäle verlaufen weiterhin in die Seiten der Rippen 30 näher an der Spitze des Wärmeübertragungskopfs 10, um eine zunehmende Strömung von Verbrennungsgasen aufzunehmen. Die Kanäle können unter Verwendung einer Kreissäge in die Rippen 30 geschnitten werden.

Die Rippen können aus einem beliebigen geeigneten wärmeleitenden Material, wie z.B. Metall, gewöhnlicherweise Stahl, hergestellt sein. Der Wärmeleitungskopf 10 und die Rippen 30, 40 können aus demselben integralen Stück oder aus gesonderten Stücken von Material ausgebildet sein, welches an den zylindrischen Teil des Kopfs gelötet ist, um die Wärmeleitung von den Rippen 30, 40 zu dem Wärmeleitungskopf 10 zu verbessern.

Zusätzliche Umfangsschlitze können bei dem Rippenabschnitt 40 zum Zwecke eines Spannungsabbaus verwendet werden, abhängig von der Zylinderkonstruktion und den Betriebsdrücken und -temperaturen.

4 zeigt eine alternative Anordnung von Rippen für einen Wärmeübertragungskopf 10. Diese Anordnung ist weitestgehend dieselbe wie die in 2 gezeigte. Zusätzlich kann diese Anordnung Kanäle umfassen, wie sie in 3 gezeigt sind. Bei dieser Anordnung weisen die Rippen 40 einen erweiterten Abschnitt 40A auf, welcher über dem zylindrischen Abschnitt des Wärmeübertragungskopfs verläuft. Die Rippen 40 sind jedoch nur an dem zylindrischen Abschnitt des Kopfs angebracht, und es gibt eine Lücke zwischen der Kuppel 12 und dem erweiterten Abschnitt 40A der Rippen 40.

Ein Ring 41 verläuft um den äußeren Umfangsrand der oberen Flächen des erweiterten Abschnitts 40A herum, wodurch er die Rippen 40 miteinander verbindet. Ein zweiter Umfangsring 42 mit dreieckigem Querschnitt verläuft um den unteren inneren Teil der Rippen 40 herum. Dies stellt eine steife Struktur bereit, welche gestattet, dass die Rippen als eine einzige Komponente hergestellt und eingebaut werden. Die erweiterten Rippen gestatten ein höheres Niveau von Wärmeübertragung ausgehend von den Brennergasen, wobei diese gesamte Leitung durch den unteren Teil der Rippe auftritt, welcher an dem Kopf 10 angebracht ist.


Anspruch[de]
Wärmeübertragungskopf für einen Stirling-Motor mit einer Achse einer Hin- und Herbewegung, wobei der Kopf eine Mehrzahl von Außenrippen umfasst, welche einen ersten Satz bereitstellen, wobei jede Rippe von dem Wärmeübertragungskopf nach außen vorsteht und eine Länge, eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, und wobei wenigstens zwei der benachbarten Rippen derart angeordnet sind, dass wenigstens ein Abschnitt ihrer Längen im Wesentlichen parallel ist, und derart angeordnet sind, dass wenigstens ein Abschnitt einer beliebigen Strahlungswärme, welcher an einer Seite einer der zwei benachbarten Rippen aufgenommen wird, auf eine Seite der anderen Rippe reflektiert wird, wobei ein zweiter Satz von Rippen über dem ersten Satz vorgesehen ist, wobei jede aus dem zweiten Satz von Rippen eine Länge, eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei jede aus der zweiten Mehrzahl von Rippen in einer Ebene angeordnet ist, welche, im Gebrauch, in der Richtung der Achse der Hin- und Herbewegung des Wärmeübertragungskopfes verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Satz von Rippen an einer zylindrischen Wand des Kopfes vorgesehen ist. Wärmeübertragungskopf nach Anspruch 1, wobei benachbarte Seiten von zwei benachbarten Rippen bei ihrem Verlauf vom Wärmeübertragungskopf weg divergieren. Wärmeübertragungskopf nach Anspruch 2, wobei jede Rippe einen im Wesentlichen dreieckigen oder dreiecksstumpfförmigen Querschnitt aufweist. Wärmeübertragungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der Rippen des ersten Satzes um den Umfang des Stirling-Motors herum verläuft. Wärmeübertragungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einige der Rippen des ersten Satzes derart angeordnet sind, dass sie einer Strahlungswärmequelle im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet sind, sodass Strahlungswärme auf beide Seiten wenigstens einiger der Rippen gerichtet werden kann. Wärmeübertragungskopf nach Anspruch 5, wobei wenigstens einige von jeder des zweiten Satzes von Rippen vertikal über der Strahlungswärmequelle verlaufen. Wärmeübertragungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede aus dem zweiten Satz von Rippen, im Gebrauch, an einem zylindrischen Teil des Stirling-Motors angebracht ist, und einen erweiterten Abschnitt aufweist, welcher über dem zylindrischen Teil verläuft, jedoch nicht direkt an den Stirling-Motor angebracht ist. Wärmeübertragungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Satz von Rippen miteinander durch wenigstens einen Umfangsring verbunden sind. Stirling-Motor mit einem Wärmeübertragungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com