Technologie

Freikolben-Stirlingmotor mit elektrisch bewegtem und elektronisch gesteuertem freikolbenstirlingschemaVerdränger, Arbeitskolben und Gegenschwinger (E-Stirling)

Vorteile

  • Die Umkehrpunkte der bewegten Teile lassen sich mit Wegsensoren millimetergenau einstellen, ohne dass es zu Kollisionen kommt.
  •  Die Amplituden der schwingenden Teile und ihre Phasenlage zueinander können präzise eingestellt und beliebig verändert werden. Daraus folgt:
  • Die Leistungsregelung ist über einen weiten Bereich durch Veränderung ihrer Amplituden oder ihrer Phasenlage möglich. Das ergibt ein sehr gutes Teillastverhalten ohne dass die Erhitzerkopftemperatur abgesenkt werden muss, wobei der Wirkungsgrad hoch bleibt. Der Flox-Betrieb des Brenners, der Brennraumtemperaturen über 850°C erfordert, ist dabei uneingeschränkt möglich.
  • Die Maschine ist absolut vibrationsfrei. Durch einen Beschleunigungssensor erfasst, lassen sich mit dem elektrisch betätigten Gegenschwinger auch subharmonische Schwingungen ausgleichen.
  •  Die Maschine ist wegen ihrer Lautlosigkeit und Wartungsfreiheit für Micro-KWK im Ein- und Mehrfamilienhaus und kleinere Gewerbebetriebe für gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe, sowie für konzentrierte Solarstrahlung ideal geeignet. Durch die schnelle Leistungsregelung sind alle denkbaren Betriebsarten möglich: Inselbetrieb, Netzbetrieb, stromgeführt, wärmegeführt.
  •  Der elektrisch und elektronisch gesteuerte Freikolben-Stirlingmotor ist zum Patent angemeldet.

Technische Beschreibung

(im Vergleich zu bisher bekannten Freikolben-Stirlingmotoren)

Die moderne Leistungselektronik macht ihn möglich und bezahlbar – den elektrisch und elektronisch gesteuerten Freikolben-Stirlingmotor. Jetzt kann die Stirlingmaschine ihre Vorzüge gegenüber anderen Maschinen erst richtig ausspielen:

  •  Höchste Motorwirkungsgrade bis 42%
  • Prinzipielle Wartungsfreiheit (80.000 Stunden und mehr)
  • Lautlosigkeit: vibrationsfrei und unhörbar

Bei den bisher bekannten Freikolben-Stirlingmotoren sind Verdränger und Arbeitskolben auf Federn gelagert. Auf den Arbeitskolben, an dem der bewegte Teil des Lineargenerators befestigt ist, wirkt das gesamte Arbeitsgasvolumen sowie das gesamte Puffervolumen als Gasfeder, welche zusammen mit der bewegten Masse von Arbeitskolben und Lineargenerator die Arbeitsfrequenz des Stirlingmotors vorgibt. Es ist die Eigenfrequenz dieses Masse-Feder-Systems. Sie ist abhängig von Arbeitsgasdruck, Arbeitsgastemperatur, Arbeitsgasart, Arbeitsgasvolumen, Puffervolumen, Arbeitskolbenfläche und der bewegten Masse. Oft ist der Arbeitskolben zusätzlich auf einer mechanischen Feder gelagert, um seine Mittellage zu definieren. Diese Feder bestimmt ebenfalls die Arbeitsfrequenz mit.

Der Verdränger ist über die Verdrängerstange auf einer mechanischen Feder gelagert, die entweder im Pufferraum oder im Verdränger selbst angeordnet ist. Die Verdrängerstange führt also aus dem Arbeitsgasvolumen hinaus und erzeugt so während des sich periodisch ändernden Arbeitsgasdruckes eine der Querschnittsfläche der Verdränerstange entsprechende Kraft zur Bewegung des Verdrängers. Die mechanische Feder des Verdrängers muss so bemessen sein, dass sie zusammen mit der Verdrängermasse als zweites Masse-Federsystem die gleiche Eigenfrequenz hat, wie der Arbeitskolben auf der Gasfeder. Dann sind beide Masse-Federsysteme in Resonanz und können im Idealfall freiwillig mit der für den Stirlingprozess gewünschten 90°-Phasenverschiebung zueinander schwingen. Der Idealfall ist in bekannten Freikolben-Stirlingmaschinen jedoch nur gegeben, wenn die oben genannten Abhängigkeiten genau austariert sind. Die Amplitude des Verdrängers wird hier durch den Strömungswiderstand des Arbeitsgases durch Erhitzer, Regenerator und Kühler definiert. Weder eine bestimmte Phasenverschiebung noch eine gewünschte variable Amplitude sowie notwendige präzise Umkehrpunkte des Verdrängers bei Vollausschlag lassen sich ohne Kollisionen während des Betriebes einstellen. Die einzigen beiden Möglichkeiten die Verdrängeramplitude zu verkleinern, wenn der Verdränger mit dem Erhitzerkopf kollidiert ist bei diesen Freikolben-Stirlingmotoren entweder die Erhitzerkopftemperatur abzusenken, was aber mit einem rapiden Wirkungsgradverlust einhergeht oder den Arbeitskolbenhub zu verkleinern, was aber mit einem rapiden Leistungsverlust einhergeht.

Der E-Stirlingmotor mit dem elektrisch bewegten und elektronisch gesteuerten Verdränger hat diese Probleme nicht. Der Verdränger lässt sich in der idealen Phasenlage mit jeder gewünschten Amplitude betätigen, was einen hohen Wirkungsgrad, maximale Leistung bei höchster Erhitzerkopftemperatur und eine schnelle Leistungsregelung ohne große Wirkungsgradverluste ermöglicht.

Bisher bekannte Freikolben-Stirlingmaschinen verwenden passive Vibrationsdämpfer. In der Regel ist es eine auf Spiralfedern außen um das Motorgehäuse herum resonant gelagerte ringförmige Masse, die durch die auf- und abwärts gehenden Vibrationen des Motorgehäuses gegenphasig zu Schwingungen angeregt wird und die Vibrationen 1. Ordnung dadurch je nach Auslenkung mehr oder weniger stark dämpft. Durch so einen auf Spiralfedern gelagerten Gegenschwinger ist die Stirlingmaschine nur in vertikaler Position betreibbar.

Der Gegenschwinger in der E-Stirlingmaschine wird aktiv betrieben, ist innerhalb des Motorgehäuses angeordnet und besteht aus einer Masse, die zwischen lageunabhängigen Tellerfedern ebenfalls resonant angeordnet ist und somit von den Vibrationen 1. Ordnung ebenfalls gegenphasig zum Schwingen angeregt wird. Ein auf dem Motorgehäuse befestigter Beschleunigungssensor erfasst neben den Vibrationen 1. Ordnung auch subharmonische Schwingungen. Die zusätzliche elektrische Anregung und elektronische Steuerung des Gegenschwingers kann die Vibrationen 1. Ordnung und die subharmonischen Schwingungen vollständig auslöschen. Das Resultat ist eine vibrationsfreie, lautlose Stirlingmaschine, die lageunabhängig, also auch liegend und über Kopf betrieben werden kann, was in Biomassefeuerungen mit stationärer Wirbelschicht und in solaren Anwendungen mit der Sonne nachgeführten Parabolspiegeln zwingend notwendig ist.

Warum können Freikolben-Stirlingmotoren wartungsfrei sein? Durch die reine lineare Anlenkung von Verdränger und Arbeitskolben ohne Pleuel, wirken auf diese keine Querkräfte, so dass sie bewegt werden können, ohne Kontakt mit den Zylinderwänden zu haben. Verdränger, Arbeitskolben und Verdrängerstange sind dabei mit einem Spalt von 15 bis 25 Mikrometern in den Zylinder bzw. in die Verdrängerstangen-Laufbuchse eingepasst. Diese enge Passung wirkt als Spaltdichtung. Kolbenringe entfallen. Um Verdränger, Arbeitskolben und Verdrängerstange exakt in der Mittellage zu den Führungszylinderwänden zu halten, verwendet man zusätzlich eine Luftlagerung. Das ist eine Anordnung von winzigen Kanälen unter der Verdränger- und Arbeitskolbenmantelfläche, die abwechselnd von den Kolbenober- und Unterseiten her, je nach anliegender Druckdifferenz, winzige Düsen zum Dichtspalt hin mit Arbeitsgas versorgen und hierdurch um die Kolben herum Gaspolster aufbauen, so dass Verdränger, Arbeitskolben und Verdrängerstange berührungslos und verschleißfrei laufen. Solche Luftlager sind in anderen Anwendungen Stand der Technik. Wir arbeiten hier mit dem innovativen Hersteller solcher Luftlager, der AeroLas GmbH aus München zusammen.

E-Stirling ohne Gehäusetopf
E-Stirling ohne Gehäusetopf

Die Tellerfedern, auf denen die Schwingspulen von Lineargenerator, Verdrängerantrieb und Gegenschwingerantrieb gelagert sind, sind auf eine sehr hohe Lebensdauer auslegbar, indem man die maximale Auslenkung entsprechend klein wählt (vergleiche: Wöhlerkurve im Bereich der Dauerfestigkeit). Neben der in axialer Richtung flexiblen und in radialer Richtung steifen Aufhängung der Schwingspulen übernehmen diese Tellerfedern auch die Stromzu- bzw. –abführung.

In einem Magnetfeld bewegte Schwingspulen sind die einfachsten Linearantriebe die es gibt. In jedem Lautsprecher sind sie zu finden und heißen deshalb allgemein „Voice Coil“ Linearantriebe. Weniger bekannt ist, dass diese als Lineargenerator oder als Linearmotor einen hervorragenden Wirkungsgrad von über 98% erzielen können und in entsprechender niederohmiger, stromsteifer Ausführung viele Kilo-Newton an Kraft erzeugen können.