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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stirlingmotoranordnung. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Anordnung, welche sich zur Verwendung bei
einer kombinierten Wärme-
und Energieeinheit (chp, „combined
heat and power")
eignet.
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Wenn
ein Gerät,
wie beispielsweise eine chp-Einheit in einer Haushaltsumgebung installiert ist,
ist es wichtig, dass Geräusche
und Vibrationen, welche beträchtliche
Belästigungen
verursachen könnten,
bei einem sehr niedrigen Pegel gehalten werden. Da das Gerät einen
Stirlingmotor umfasst, der mit einem Generator kombiniert ist, erzeugt
es einen wesentlich höheren
Pegel an Geräuschen
und Vibrationen, als akzeptabel wäre. Es ist daher notwendig,
die Übertragung
von Geräuschen
und Vibrationen an die Haushaltsumgebung durch das Gehäuse und
den Stützrahmen
der kombinierten Wärme- und Energieeinheit
zu minimieren.
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Ein
Stirlingmotor-Brenner ist oben an dem Motor um den Heizkopf herum
angeordnet. Ein Problem für
das auf dem Stirlingmotor basierende chp-System ist das Erfordernis,
sicherzustellen, dass Verbrennungsgase nicht nach unten in den von
der Einheit umschlossenen, abgedichteten Raum strömen, was
eine Akkumulation potentiell schädlicher Gase
zur Folge hat. Irgendeine Art von Dichtung wird daher zwischen dem
Stirlingmotor und dem Brennergehäuse
benötigt.
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Bei
Betrieb vibriert der Stirlingmotor aufgrund seiner sich hin- und
herbewegenden Komponenten. Ein Vibrationsverringerungssystem, umfassend
verschiedene Dämpfungs-
und Absorptionskomponenten kann den verbleiben den Vibrationspegel
auf einen niedrigen Pegel bringen, aber dies ist immer noch genug,
um Probleme bei jeder Dichtung zu bewirken, die zwischen dem vibrierenden
Motor und dem ortsfesten Brennergehäuse angeordnet ist. Die Dichtung
muss extrem robust ausgelegt sein, bei hohen Temperaturen funktionieren
und unter allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Abdichtung beibehalten,
wie durch die Gasgerät-Zertifizierungsprozedur
definiert. Einige herkömmliche
Dichtungs-Auslegungen sind üblicherweise
wesentlich steifer als das Motor-Aufhängungssystem und würden, wenn
sie bei dem Gerät
verwedet würden,
zu einer nicht akzeptablen Übertragung
von Kräften
zwischen dem oszillierenden Motor und den statischen Brennerkomponenten
führen.
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Ein übermäßiger Verschleiß, eine
Ermüdung oder
Verschlechterung einer derartigen Dichtung würde bewirken, dass Verbrennungsgase
in die umschlossene Einheit lecken, was eine Gefahrensituation und
ansteigende Geräuschpegel
zur Folge hat.
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Die
US 5,918,463 offenbart einen
Stirlingmotor mit einem Stück
einer flexiblen, halbmassiven oder massiven Faserkeramikdichtung
in Form einer Unterlegscheibe zwischen dem Brennergehäuse und dem
Stirlingmotor. Die
US 4,573,320 offenbart
einen Stirlingmotor mit einer Balgdichtung zwischen einer Kraftstoffdüse und einem
Gehäuse,
in dem ein Stirlingmotor aufgenommen ist.
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Es
ist eine übliche
Praxis, einen Motor abzustützen,
indem er auf Federn angebracht wird, welche einen großen Anteil
der während
des normalen Betriebs des Motors erzeugten Vibrationen isolieren. Ein
Beispiel eines Stirlingmotors mit einer derartigen Anordnung ist
die
US 4,400,941 . Um
den Grad der Isolation zu maximieren, ist ein Anbringungssystem mit
einer niedrigen Steifigkeit erforderlich. Die Umsetzung dessen mit
Kompressionsfedern kann zu einer Instabilität führen, insbesondere, wenn die
beteiligten Kräfte
zusätzlich
zu vertikalen Oszillationen auch lateral auftreten. Es wird daher
eine alternative Stützanordnung
benötigt.
Unsere vorherige Patentanmeldung PCT/GB/ 02/05111 erläutert eine
Lösung
für dieses
Problem, wobei Federn um die Außenfläche des
Stirlingmotors herum angeordnet sind, um den Motor an einem Anbringungsflansch
aufzuhängen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Stirlingmotoranordnung bereitgestellt, umfassend
einen Stirlingmotor mit einem warmen Kopf und einem kalten Bereich,
einem Brenner, der derart angeordnet ist, dass er dem Kopf Wärme zuführt, und
einer gewellten Dichtung zwischen dem Stirlingmotor und dem Brenner,
um die Strömung
von Verbrennungsgasen von dem Kopf in die umgebende Umwelt zu verhindern,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ringförmig ist und den Kopf umgibt,
und wobei der Stirlingmotor durch einen Anbringungsrahmen wenigstens
teilweise über
die Dichtung abgestützt
ist.
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Die
Dichtung kann daher flexibel genug ausgelegt werden, so dass sie
die Relativbewegung (sowohl Vertikal-, als auch Horizontal- und
Drehbewegung) zwischen dem Motor und dem Brenner verkraftet. Zusätzlich sind
geeignete Materialien für
die Dichtung erhältlich,
welche die mit den Brenngasen assoziierten hohen Temperaturen aushalten
können und
durch die beteiligten Gase nicht korrodiert werden.
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Indem
der Stirlingmotor durch den Anbringungsrahmen wenigstens teilweise über die
Dichtung abgestützt
ist, wird eine Anordnung bereitgestellt, welche den Motor abstützt, und
welche einen großen
Teil der Schwingungen isoliert, während gleichzeitig eine sehr
wirksame Dichtung bereitgestellt wird, die verhindert, dass Verbrennungsgase
in den Körper
des Gehäuses
der chp-Einheit entweichen.
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Da
ein Teil des Gewichts des Stirlingmotors durch die Dichtung abgestützt ist,
kann das Aufhängungssystem
leichter ausgeführt
werden, da es weniger Gewicht abstützt, oder kann sogar vollständig entfernt
werden, mit offensichtlichen Kostenvorteilen.
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Vorzugsweise
ist eine Isolierung zwischen der Dichtung und dem Motor vorgesehen,
um den Durchtritt von warmen Verbrennungsgasen von dem Brenner zu
der Dichtung zu verringern.
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Die
Dichtung kann zum Beispiel ein Balg sein.
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Der
Balg kann derart angeordnet sein, dass er sich von einer dem Brenner
benachbarten Position entlang eines wesentlichen Abschnitts der
Länge des Stirlingmotors
erstreckt. In diesem Fall sind Mittel zum Führen von Kühlmittel durch den Balg vorgesehen,
um eine Strömung
von Kühlmittel
zu einem Motorkühler
und von diesem weg bereitzustellen. Dies umfasst vorzugsweise einen
Kühlmitteleinlass
und ein Kühlmittelauslassrohr,
welches sich durch den Balg erstreckt und durch eine flexible Dichtung
abgedichtet ist. Der Balg ist vorzugsweise in diesem Bereich mit
einem zylinderförmigen
Abschnitt versehen. Diese längliche
Auslegung des Balgs verringert den Pegel des von dem Stirlingmotor übertragenen
Geräuschs,
indem um den Körper
des Motors herum ein abgedichtetes Gaskissen bereitgestellt wird.
Auf die gleiche Art und Weise kann dieses Gaskissen allerdings den
Motor isolieren und Wärmeverluste
von dem Gehäuse
verringern. Da insbesondere der Generator auf eine Luftkühlung um
das untere Motor-/Absorbergehäuse
angewiesen ist, um die Temperatur des Magneten bei einem Betriebspegel
zu halten, kann dies unvorteilhaft sein. Um dies zu überwinden,
ist es möglich,
Kühlrippen
an dem freiliegenden unteren Ende des Motors hinzuzufügen, um
den Wärmeverlust
zu verbessern, wodurch die wärmende
Wirkung des Balgs kompensiert wird.
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Als
eine Alternative zu dem sich entlang einer wesentlichen Länge des
Motors erstreckenden Balg kann der Balg oberhalb des Motorkühlers aufhören. In
diesem Fall ist es nicht notwendig, Kühlmittel durch den Balg zu
führen.
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Wenn
der Balg so angeordnet ist, dass er sich derart vertikal erstreckt,
wird das Gewicht des Stirlingmotors entlang der Länge des
Balgs getragen. Der Balg kann allerdings unter einem Winkel gegenüber der
Senkrechten ange ordnet sein.
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Das
Gewicht des Stirlingmotors kann vollständig durch den Balg getragen
sein. Alternativ kann das Gewicht des Stirlingmotors teilweise durch
den Balg getragen sein und teilweise durch eines oder mehrere zusätzliche
federnde Elemente, wie beispielsweise Federn, an denen der Motor
aufgehängt ist.
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Beispiele
von Stirlingmotoranordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines ersten Beispiels ist;
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1a einen
Abschnitt von 1 detaillierter zeigt;
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2 eine
Ansicht ähnlich
zu 1 ist, welche ein zweites Beispiel zeigt;
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3a und 3b Querschnittsansichten von
alternativen Balg-Querschnitten sind;
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4 eine
Querschnittsansicht durch einen Teil eines Stirlingmotors ist, welche
eine alternative Auslegung einer Dichtung zeigt, die nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5 eine
Ansicht ähnlich
zu 4 ist, die eine weitere Balg-Anordnung zeigt;
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6 eine
Ansicht ähnlich
zu 2 ist, die ein drittes Beispiel zeigt;
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7 eine
Ansicht ähnlich
zu 2 ist, die ein Beispiel zeigt, welches nicht gemäß der Erfindung ist;
und
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8 eine
Schnittansicht durch die Linie VIII-VIII in 7 ist.
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Die
Stirlingmotoranordnung umfasst einen Stirlingmotor 1, der
innerhalb eines Gehäuses 2 aufgenommen
ist. Die Auslegung des Stirlingmotors 1 ist im Fachgebiet
gut bekannt. Der Motor ist grob in drei Segmente aufgeteilt, einen
Heizkopf 3, einen Kühler 4 und
einen Generator 5. Der Motor weist Verdränger- und
Leistungskolben auf, welche beide derart angeordnet sind, dass sie
sich in vertikaler Richtung hin- und herbewegen. Dies erzeugt eine
resultierende vertikale Vibration des Stirlingmotors selbst. Um diese
Vibration zu verringern ist eine ringförmige Dämpfungsmasse 6 durch
eine Anzahl von Kompressionfedern 7 sowohl oberhalb als
auch unterhalb der Dämpfungsmasse
abgestützt.
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Um
zu dem Heizkopf 3 Wärme
zu übertragen,
wird ein Gas-Luft-Gemisch entlang eines Einlasskanals 8 zu
einem Brennerelement 9 zugeführt, wo es entzündet wird.
Die erzeugte Wärme
wird über eine
Mehrzahl von ringförmigen
Rippen 10 zu einem Heizkopf 3 übertragen. Die Verbrennungsgase
strömen
durch die Rippen 10 nach oben um den oberen Abschnitt des
Heizkopfs herum und in einen Wärmetauscher 11,
in dem sie das einströmende Gas-Luft-Gemisch vorwärmen und
anschließend Wasser
für den
Haushaltsgebrauch erwärmen.
Eine Keramikfaserisolation 12 erhöht den Widerstand gegen eine
Gasströmung
nach unten, so dass nur eine sehr geringe Gasströmung nach unten auftritt.
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Durch
das Vorhandensein einer ringförmigen Dichtung
in Form eines Balgs 20, der den Stirlingmotor 1 umgibt,
wird verhindert, dass die Verbrennungsgase in die äußere Umgebung
entweichen. An seinem oberen Ende weist der Balg einen ringförmigen Flansch 21 auf,
welcher mittels Bolzen an der unteren Fläche der Brenner/Wärmetauscher-Anordnung 22 befestigt
ist. Dieser Flansch 21 sitzt auf dem Einheitsrahmen 23.
Dieser Rahmen 23 ist ein starrer Kastenrahmen, der an der
Wand eines Gebäudes angebracht
ist. An seinem unteren Ende endet der Balg 20 in einem
unteren ringförmigen
Flansch 24, welcher mittels Bolzen oder mittels eines Klemmrings mit
einem Anbringungsring 25 verbunden ist, der um einen unteren
Abschnitt des Gehäuses 2 des
Stirlingmotors 1 herum neben den Generator 5 geschweißt ist.
Auf diese Art und Weise ist das Gewicht des Stirlingmotors 1,
umfassend die Rippen 10 zusammen mit dem Vibrationsdämpfer 6 und
dessen zugehörigen
Anbringungen alle über
den Balg 20 an dem Einheitsrahmen 23 abgestützt.
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Um
Kühlflüssigkeit
um den Kühler 4 herum zirkulieren
zu lassen, ist es notwendig, einen Durchfluss von Kühlmittel
zu dem Kühler
hin und von diesem weg bereitzustellen. Ein ringförmiger Kühlmittelkanal 30 umgibt
das Gehäuse 2 in
der Nähe
des Kühlers 4.
Dieser ringförmige
Kanal wird mit Kühlflüssigkeit
von einem Einlassrohr 31 gespeist, während der Auslass von dem Kanal 30 über ein
Auslassrohr 32 stattfindet. Das Einlassrohr 31 und
das Auslassrohr 32 erstrecken sich durch die Wand des Balgs 20,
wie detaillierter in 1a gezeigt. An dieser Stelle
ist die Wand des Balgs 20 zylinderförmig und ist mit einem Paar
von runden Öffnungen 33 versehen.
Eine steife Rohrverlängerung 34,
welche in den ringförmigen Kanal 30 geschraubt
ist, ist durch die Öffnung 33 geführt. Das
Einlassrohr 31/Auslassrohr 32 (je nach Fall) ist
an der steifen Rohrverlängerung 34 unter Verwendung
einer Schlauchklemme mit einem Klemmring 35 befestigt.
An jeder Öffnung 33 ist
unter Verwendung einer flexiblen Gummi-Dichtscheibe 36 eine
Abdichtung hergestellt. Diese Dichtung drückt gegen die steife Rohrverlängerung 34.
Diese Anordnung ermöglicht
es, dass die Rohre 31/32 ohne Beschädigung vibrieren.
Da die Dichtscheiben 36 in Berührung mit den Kühlmittelrohren
stehen, ist die Temperatur in diesem Bereich ausreichend niedrig,
um die Verwendung einer kommerziell erhältlichen Gummidichtung zu ermöglichen,
was zu niedrigen Verschleißraten
für Komponenten
in diesem Bereich führt.
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Da
es nicht beabsichtigt ist, dass der Stirlingmotor an seinem Einbauort
gewartet wird, besteht kein Erfordernis für einen Zugang zu den Komponenten,
welche innerhalb des Balgs 20 abgedichtet sind. Wenn eine
Motor-Fehlfunktion auftritt, wird der Motor entfernt, repariert
und als ein einzelnes Modul (einschließlich des Balgs) ersetzt. Die
steifen Rohrverlängerungen 34 und
die Dichtscheiben 33 können
allerdings in Wartungsintervallen ersetzt werden.
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Ein
zweites Beispiel einer Stirlingmotoranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 2 gezeigt. Dies ist größtenteils
gleich dem in 1 gezeigten Beispiel, wobei
die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind, um gleiche Komponenten
zu bezeichnen. Eine weitere Beschreibung dieser gemeinsamen Komponenten
wird hier nicht wiederholt.
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Das
zweite Beispiel unterscheidet sich von dem ersten Beispiel darin,
dass der Balg 20' oberhalb des
Kühlers 4 endet.
In diesem Fall ist die obere Anbringung gleich der bei dem ersten
Beispiel, aber die untere Anbringung findet über eine Anbringungsplatte 24' statt, welche
um das Gehäuse 2 herum
oberhalb des Kühlers 4 geschweißt ist.
In diesem Fall liegen weder die ringförmige Dämpfungsmasse 6 noch der
ringförmige
Kühlmittelkanal 30 innerhalb
des Balgs. Es ist daher nicht erforderlich, eine Verbindung zwischen
dem Kühlmitteleinlassrohr 31/Kühlmittelauslassrohr 32 und
dem Balg vorzusehen.
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Bei
dieser Anordnung ist der Stirlingmotor 1 umfassend die
Rippen 10 zusammen mit dem Vibrationsdämpfer 6 über den
Balg 20' an
dem Einheitsrahmen 23 abgestützt.
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Der
Balg 20 besteht aus einer flexiblen Edelstahlröhre (AISI 32 oder
AISI 316Ti) mit ringförmigen gewellten
Biegungen. Die kostengünstigste
Querschnittsform des Balgs ist der Querschnitt von 1 und 2 mit
abgerundeten Enden, wie detaillierter in 3a gezeigt.
Dieser ist durch einen hydraulischen Formprozess hergestellt. Alternativ
kann der Querschnitt scharte Kanten 40 aufweisen, welche
jeweils geschweißt
sind. Der Balg mit abgerundetem Querschnitt weist weiterhin vorteilhaftere
Eigenschaften im Hinblick auf das Ermöglichen von lateralen Bewegungen
zwischen seinen Enden auf. Dies kann wichtig sein, wenn von dem
Stirlingmotor erzeugte Vibrationskräfte sowohl horizontal als auch vertikal
auftreten können,
und verringert die Übertragung
von Kräften
innerhalb des Systems.
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Üblicherweise
beträgt
das Gewicht des Stirlingmotors 1 und der Dämpfungsmasse
6 20 bis 100 kg. Die Steifigkeit des Balgs wird derart eingestellt, dass
sie an das Motorgewicht sowie an den für eine zulässige Ausdehnung vorhandenen
Raum angepasst ist.
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Üblicherweise
werden für
den Motor von 1 3 bis 4 Biegungen
oberhalb des Kühlers
und 12 bis 18 Biegungen unterhalb des Kühlers 4 liegen. Bei
dem kurzen Balg von 2 werden üblicherweise 3 bis 4 Biegungen
vorhanden sein. Die Steifigkeit pro Biegung beträgt 380 N/mm bis 50 N/mm für einen 60
kg schweren Motor. Die Steifigkeit pro Biegung wird geändert, indem
der Außendurchmesser
des Balgs geändert
wird, während
der Innendurchmesser konstant gehalten wird. Eine niedrige Steifigkeit
hat den Vorteil, dass Vibrationspegel verringert werden, aber muss
gegen das zusätzliche
Gewicht und den zusätzlich
um den Motor herum benötigten
Raum abgewogen werden.
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Alternativen
zu den sich vertikal erstreckenden Balgen sind in 4 und 5 gezeigt.
Diese Beispiele sind in allen anderen Aspekten ähnlich zu 2.
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2 zeigt
eine ringförmige
Scheibe 20'' mit konzentrischen
ringförmigen
Biegungen, welche in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Scheibe
aufgebogen sind. In diesem Fall weist die Anbringungsplatte 24'' einen sich nach oben erstreckenden
ringförmigen
Flansch 50 auf, während
ein unterer ringförmiger
Flansch 51 von dem Gehäuse
des Brenners 9 hängt.
Die Dichtung 20'' ist zwischen
diesen beiden Flanschen angebracht und mit ringförmigen Klemmen 52 an
ihrem Platz gehalten. Eine derartige Anordnung kann allerdings nicht
das Gewicht des Motors abstützen
und bildet daher keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
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Eine ähnliche
Anordnung ist in 5 gezeigt, aber in diesem Fall
ist die Dichtung ein Balg 20''', welcher um etwa 45° gegenüber der
Horizontalen geneigt ist.
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Bei
den bisher beschrieben Beispielen ist das gesamte Gewicht des Stirlingmotors 1 und
der Dämpfungsmasse 6 über die
Dichtung 20 aufgehängt.
Als eine Alternative kann, wie in 6 gezeigt,
die Dichtung einen Teil des Gewichts des Stirlingmotors 1 und
der Dämpfungsmasse 6 tragen, während eine
zusätzliche
Aufhängung
für den
Stirlingmotor 1 und die Dämpfungsmas se 6 bereitgestellt ist.
Diese kann in der Form einer Mehrzahl von Federn 60 vorliegen,
welche um den Motor herum angeordnet sind und zwischen dem Einheitsrahmen 23 und
dem unteren Flansch 24 angebracht sind. Dies ermöglicht es,
die Größe und damit
das Gewicht des Balgs zu verringern. In diesem Fall wäre ein Versagen
der Federn nicht so schwerwiegend wie ein Versagen der Balg-Aufhängung, so
dass diese Anordnung das Risiko einer teuren Abschaltzeit der chp verringert.
Die Verringerung des Gewichts und der Kosten bei der Dichtung müssen allerdings
gegen die zusätzlichen
Komponenten abgewogen werden, welche bei dieser Anordnung benötigt werden,
mit ihrem zugehörigem
zusätzlichen
Gewicht und Kosten. Obwohl 6 mit einem
Balg gezeigt ist, der dem in 2 ähnelt, wäre es ebenfalls
möglich,
irgendeine der alternativen Konfigurationen von 1 und 3 bis 5 zu verwenden.
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7 zeigt
eine Stirlingmotoranordnung, bei der der Stirlingmotor horizontal
angebracht ist. Die meisten Aspekte der Stirlingmotoranordnung ähneln der
in 2 gezeigten und werden hier nicht detailliert
beschrieben. In diesem Fall dient der Balg 20 rein als
eine Dichtung und trägt
kein Gewicht der Stirlingmotoranordnung. Dieses Beispiel bildet
daher keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Die ringförmige Scheibe 20''' von 4 eignet
sich besonders für diesen
Typ der horizontalen Anbringung.
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Stattdessen
wird das Gewicht der Anordnung durch eine Stütze 70 getragen. Diese
umfasst zwei gebogene Halterungen 71, 72, welche
an dem Motor 1 jeweils neben dem Kühler 4 und am Ende des
Generators 5 angebracht sind. Kühlmitteldurchgänge 73 innerhalb
der Halterungen 71, 72 ermöglichen den Durchfluss von
Luft und verhindern, dass die Temperatur des Gehäuses 2 neben dem Generator 5 auf
nicht akzeptable Werte ansteigt. Beine 74 erstrecken sich
von jeder der gebogenen Halterungen in eine Basis 75, in
der sie durch Gummisitze 76 gehalten werden, um die Übertragung
von Vibrationen an die Basis 75 zu verringern.