DE10112243A1 - Verdränger für Gaskältemaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Gestaltung eines spaltgedichteten Verdrängerkolbens für Gaskältemaschinen, der im Kaltteil der Gaskältemaschinen eingesetzt wird, die nach dem Stirling-Verfahren, dem Gifford-McMahon-Verfahren, dem Solvay-Verfahren oder dem Vuilleumier-Verfahren arbeiten. DOLLAR A Mit der Erfindung sollen der Wärmeleitungsverlust und der Wärmeverlust, der durch den massegetragenen Enthalpiestrom über das Spaltleck erfolgt, voneinander entkoppelt werden, sodass beide Verluste voneinander unabhängig minimiert werden können. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Breite des Ringspaltes in Richtung des warmen Raumes 2 der

Description

Die Erfindung betrifft einen spaltgedichteten Verdrängerkolben für Gaskältemaschinen, der im Kaltteil der Gaskältemaschinen eingesetzt wird, die nach dem Stirling-Verfahren, dem Grifford-McMahon-Verfahren, dem Solvay-Verfahren oder dem Vuilleumier-Verfahren arbei­ ten.

Es ist bekannt, die Abdichtung zwischen kalten und warmen Raum des Verdrängers über Dichtungsringe, z. B. Kolbenringe, vorzunehmen. So wird z. B. in DE 39 43 772 C2 eine mehrstufige Gaskältemaschine vorgeschlagen, bei der Kolbenringe bzw. Labyrinthdichtun­ gen eingesetzt werden. Im Refrigerator gemäß DE 195 10 620 A1 werden ebenfalls Dich­ tungsringe zur Abdichtung des Verdrängerkolbens gegenüber dem Arbeitsraum eingesetzt. Diese Dichtungen sind verschleißbehaftet, was folglich die Lebensdauer und die kältetechni­ schen Parameter der Gaskältemaschinen beeinträchtigt.

Um die Forderung nach geringem Verschleiß und langer Lebensdauer von schnelllaufenden Gaskältemaschinen erfüllen zu können, werden bereits seit längerer Zeit spaltgedichtete Verdrängerkolben zur Verschiebung des Gases zwischen dem kalten und dem warmen Raum eingesetzt. Bei dieser Art von Verdrängerkolben erfolgt die Abdichtung zwischen dem kalten und dem warmen Raum nicht über verschleißbehaftete Kolbenringe als Dichtelemen­ te, sondern über einen wohldefinierten Leckgasstrom durch den Ringspalt zwischen Ver­ drängerkolben und Zylinder. So wird z. B. in DE 44 25 524 A1 eine Kühlvorrichtung mit ei­ nem Regenerator beschrieben, bei der ein Nutenmuster, das an der Außenumfangsoberflä­ che des Verdrängers oder der Innenumfangsoberfläche des Zylinders ausgebildet ist, wobei die Nut eine Gasströmung durch einen Spalt zwischen dem Zylinder und dem Verdränger ermöglicht.

Die Breite des Ringspalts stellt ein Optimierungsproblem dar. Mit einem engen Ringspalt erreicht man einen geringen Leckgasstrom. Allerdings stehen sich Verdrängerkolbenwand und Zylinderwand über sehr kurze Distanz gegenüber. Da sich im Verlauf eines Zyklusses zeitweise Bereiche mit großer Temperaturdifferenz direkt gegenüberstehen, tritt ein hoher Wärmeleitungsverlust radial über den Ringspalt auf (Shuttleverlust). Wenn der Spalt weiter gewählt wird, reduziert sich dieser Verlust zunehmend, dafür vergrößert sich aber der Wär­ meverlust, der durch den massegetragenen Enthalpiestrom über das Spaltleck erfolgt. Da beide Verlustprozesse über die Spaltbreite miteinander gekoppelt sind, wird die Spaltbreite üblicherweise so gewählt, daß die Summe beider Verluste minimal wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, über eine geeignete und dennoch einfache Gestaltung der Spaltbreite, beide Verlustmechanismen weitgehend voneinander zu entkoppeln, so daß sich beide Verluste unabhängig voneinander minimieren lassen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen der Erfindung. Erfindungsgemäß wird der Spalt des Verdrängerkolbens so gestaltet, dass er über 10. . .20% seiner Gesamt­ länge einen engeren Spalt hat, der die Dichtfunktion erfüllt, während über die restliche Länge ein deutlich größerer Spalt zur Verringerung des Shuttleverlustes zu realisieren ist. Die Grö­ ße des Dichtspalts in Richtung des warmen Raums sollte zwischen 0,05% (bei einem Dichtspalt über 10% der Kolbenlänge) und 0,1% (bei einem Dichtspalt über 20% der Kol­ benlänge) des Durchmessers des Verdichterkolbens betragen. Der Spalt in Richtung des kalten Raums ist dahingehend zu optimieren, dass er möglichst groß ist, um den Shuttlever­ lust so klein wie möglich zu halten. Gleichzeitig darf das Totvolumen des kalten Raums nicht zu stark vergrößert werden. Der Spalt ist daher optimal so groß zu wählen, dass das im Spaltraum eingeschlossene Gasvolumen bei 20. . .30% des Hubvolumens des Verdrängers liegt.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Verdängerkolbens wird durch die Verringerung der Verdrängerverluste eine deutliche Steigerung der Leistungszahl der Gaskältemaschine erreicht, wobei alle anderen Funktionsteile unverändert bleiben können.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Abbil­ dung ist der erfindungsgemäße Verdränger im schematischen Schnitt dargestellt. Im unte­ rem Bereich befindet sich der warme Raum 2 dem der Bereich des Verdrängerkolbens 1.1 zugeordnet ist, der aufgrund seines größeren Durchmessers den engen Spalt bildet. In der Abbildung erstreckt sich der enge Spalt über ca. 12% der Gesamtlänge des Verdrängerkol­ bens 1. Auf der dem kalten Raum 3 zugewandten Seite befindet sich der Bereich des Ver­ drängerkolbens 1.2, der aufgrund seines geringeren Durchmessers den weiteren Spalt bil­ det. Die exakte Bewegung des Verdrängerkolbens 1 wird über eine Linearführung erreicht, die hier nicht dargestellt wurde.

Zum Beispiel ließe sich bei einem Integral-Stirlingkühler (nominell 15 W bei 80 K) durch die Substitution des Verdrängerkolbens (Länge 40 mm, Durchmesser 32 mm) mit einer Spaltbreite von 0,04 mm durch einen Verdrängerkolben mit einer Spaltbreite von 0,02 mm über 10% der Länge und 0,59 mm über 90% der Länge dessen pV-Leistungszahl von 6,56% auf 9,17% bei gleichzeitiger Absenkung des Mitteldrucks von 2,0 MPa auf 1,6 MPa steigern.

Der erfindungsgemäß gestaltete Verdrängerkolben 1 kann so gestaltet werden, dass er den Regenerator der Gaskältemaschine enthält. Außerdem kann er aktiv gesteuert werden bzw. frei mit der Druckwelle schwingen und er kann in Split- und Integral-Gaskältemaschinen ein­ gesetzt werden.

Wird der Verdränger im thermischen Antriebsteil einer Vuilleumier-Gaskältemaschine einge­ setzt, sollte sich der Dichtspalt über 5. . .20% der Gesamtlänge des Verdrängerkolbens 1 in Richtung des kalten Raumes 3 erstrecken.

Claims (8)

1. Verdränger für Gaskältemaschinen mit spaltgedichtetem Verdrängerkolben (1), da­ durch gekennzeichnet, dass die Breite des Ringspalts in Richtung des warmen Raums (2) der Gaskältemaschine über eine Länge von 10. . .20% der Gesamtlänge des Verdrängerkolbens (1) zwischen 0,05. . .0,1% des Verdrängerkolbendurchmes­ sers gewählt wird und über die restliche Länge so groß gewählt wird, dass das im Spalt eingeschlossene Gasvolumen zwischen 20. . .30% des Hubvolumens des Ver­ drängerkolbens (1) beträgt.

2. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser den Regenerator der Gaskältemaschine enthält.

3. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aktiv gesteuert wird.

4. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er frei mit der Druck­ welle schwingt.

5. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einer Integral- Gaskältemaschine eingesetzt wird.

6. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Split- Gaskältemaschine eingesetzt wird.

7. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er im Kaltteil von Gas­ kältemaschinen eingesetzt wird, die nach dem Stirling-Verfahren, dem Gifford- McMahon-Verfahren, dem Solvay-Verfahren oder dem Vuilleumier-Verfahren arbei­ ten.

8. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Verdränger im thermischen Antriebsteil einer Vuilleumier-Gaskältemaschine eingesetzt wird, wobei der Dichtspalt sich hier über 5. . .20% der Gesamtlänge des Verdrängerkolbens (1) in Richtung des kalten Raums (3) erstreckt.