Dem Entwickler von Stirling- Maschinen stellen sich zwei besondere Herausforderungen: Zum einen sollte der ideale Stirlingprozess möglichst gut angenähert werden, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Zum anderen stellen die trockenlaufenden Kolbensysteme hohe Anforderungen an die Konstruktion, die Materialeigenschaften und die Fertigungstoleranzen. Um die Einsatzmöglichkeiten der Stirling- Kältemaschine in der Praxis zu untersuchen, wurde ein Prototyp entwickelt und optimiert.

Ausgangspunkt war der "Solo 161", ein Stirling- Motor, der kurz vor der Serienreife steht. Zentrale Baugruppen wie z.B. die Antriebseinheit wurden in eine erste Maschinenvariante übernommen. Umfangreiche Messungen an einem Teststand (Abb. 5) sowie begleitende Computersimulationen erlaubten die Optimierung der Systemkomponenten. Insgesamt konnte eine Steigerung des Gütegrades um 30% erreicht werden. Die Kälteleistung betrug 6 kW bei einer Bereitstellungs- temperatur von -40 °C. Auch die Betriebssicherheit konnte gegenüber der ersten Version entscheidend verbessert werden, sodass die Maschine in praxisnahen Anwendungen getestet werden konnte.

Optimierung des Regenerators

Die Optimierungen der verschiedenen Baugruppen soll exemplarisch für den Regenerator dargestellt werden. Der Regenerator ist eines der für den Wirkungsgrad wichtigsten Bauteile der Stirling- Maschine. Seine Aufgabe ist es, Wärme des Arbeitsgases beim Übergang vom warmen Kompressionsraum in den kalten Expansionsraum zwischenzuspeichern und wieder abzugeben.

Ein idealer Regenerator hat daher eine unendliche Wärmekapazität und einen unendlich guten Wärmeübergang. Gleichzeitig sollte er für das Gas keinen Strömungswiderstand darstellen und kein Totvolumen verursachen.

Nach dem heutigen Stand der Technik lässt sich ein solcher idealer Regenerator am besten durch ein Drahtgewebe annähern, das eine große Oberfläche mit einem geringen Strömungswiderstand verbindet. Dieses ist meist aus Edelstahl gefertigt. Die Drahtdurchmesser betragen 30-80 μm bei Maschenweiten von 80-150 μm (Abb. 6). Drahtgewebe hat gute Eigenschaften bezüglich Wärmespeicherung. Nachteilig ist jedoch ein relativ hoher Druckverlust. Über Simulations- rechnungen wurden daher Alternativen mit durchgehenden Strömungswegen untersucht. Bessere Gütegrade und Kälteleistungen konnten für Geometrien errechnet werden, die Wickeln von gewellter Folie entsprechen (Abb. 7).

Die Messergebnisse blieben jedoch weit hinter den simulierten Resultaten zurück. Ursache waren fertigungsbedingte Ungleichmäßigkeiten, die eine unterschiedliche Durchströmung der einzelnen Kanäle zur Folge hatten. Für den Prototyp wurde daher auf einen Regenerator aus Drahtgeflecht zurückgegriffen.