DE102009023967A1

DE102009023967A1 - Stirling-Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102009023967A1
Application number: DE200910023967
Authority: DE
Inventors: Stig K. Andersen; Snorri J. Jonsson; Klaus Reinwand
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-16
Also published as: WO2010139327A2; WO2010139327A3

Abstract

Es wird eine Stirling-Kühleinrichtung angegeben mit einem Druckwellenerzeuger (2), der über eine Verbindungsleitung (4) mit einer Verdrängereinheit verbunden ist, wobei der Druckwellenerzeuger (2) zwei Kolben (7, 8) aufweist, die in einem Zylinderblock angeordnet sind. Man möchte einen guten Wirkungsgrad sicherstellen. Hierzu ist vorgesehen, dass der Zylinderblock zwei Teile (11, 12) aufweist, von denen jedes einen Zylinder (15, 16) aufweist, in dem einer der Kolben (7, 8) angeordnet ist, wobei die beiden Teile (11, 12) an einer Verbindungsfläche (13) miteinander verbunden sind, die auch einen Anschlusskanal (19) für die Verbindungsleitung (4) durchsetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kühleinrichtung mit einem Druckwellenerzeuger, der über eine Verbindungsleitung mit einer Verdrängereinheit verbunden ist, wobei der Druckwellenerzeuger zwei Kolben aufweist, die in einem Zylinderblock angeordnet sind.
Eine derartige Stirling-Kühleinrichtung ist beispielsweise aus US 4 697 113 bekannt.
Wenn der Druckwellenerzeuger über eine Verbindungsleitung mit der Verdrängereinheit verbunden ist, dann ist es einfacher, die Stirling-Kühleinrichtung in andere Anwendungen zu integrieren. Man ist nicht mehr darauf angewiesen, dass der Druckwellenerzeuger und die Verdrängereinheit die gleiche Arbeitsachse haben. Andererseits kann die Verbindungsleitung den Wirkungsgrad der Stirling-Kühleinrichtung verschlechtern, weil sie der Strömung des Gases in der Stirling-Kühleinrichtung einen Widerstand entgegensetzt.
Die Verwendung eines Druckwellenerzeugers mit zwei Kolben eröffnet die Möglichkeit, die Kolben mit entgegen gesetzten Bewegungsrichtungen arbeiten zu lassen. Damit bleibt der Massenschwerpunkt des Druckwellenerzeugers unverändert, so dass relativ wenige oder gar keine Vi-brationen nach außen gelangen. Andererseits erschwert diese Ausgestaltung es, die Verbindungsleitung an den Zylinderblock anzuschließen. Hierzu wird, wie dies in US 4 697 113 dargestellt ist, einfach eine radiale Bohrung in den Zylinderblock eingebracht.
Eine ähnliche Ausgestaltung ist aus US 4 713 939 bekannt. Auch hier wird der Zylinderblock mit einer radialen Bohrung versehen, auf die außen ein Anschlusselement für die Verbindungsleitung aufgesetzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stirling-Kühleinrichtung einen guten Wirkungsgrad sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einer Stirling-Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Zylinderblock zwei Teile aufweist, von denen jedes einen Zylinder aufweist, in dem einer der Kolben angeordnet ist, wobei die beiden Teile an einer Verbindungsfläche miteinander verbunden sind, die auch einen Anschlusskanal für die Verbindungsleitung durchsetzt.
Mit dieser Ausgestaltung erreicht man, dass die Mündung des Anschlusskanals in das Zylinderpaar für eine Bear beitung frei zugänglich ist. Diese Mündung kann daher so gestaltet werden, dass keine oder nur geringe Wirbel entstehen, wenn das Gas durch die Bewegung der Kolben in den Zylindern in die Verbindungsleitung gedrückt oder aus der Verbindungsleitung rückgefördert wird. Derartige Wirbel könnten insbesondere dann entstehen, wenn der Anschlusskanal mit einer scharfen Kante in das Zylinderpaar übergeht. Eine derartige Ausgestaltung ist aber praktisch unvermeidbar, wenn der Ausgangskanal einfach durch eine Bohrung gebildet wird, die die Wand des Zylinderblocks durchsetzt. Wenn hingegen die Verbindungsfläche den Anschlusskanal teilt, dann ist die Mündung des Anschlusskanals auch von ihrer Innenseite her zugänglich, so dass man größere Freiheiten bei der Gestaltung hat.
Vorzugsweise sind die beiden Teile zumindest im Bereich der Verbindungsfläche spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Mündung des Anschlusskanals in das Innere des Zylinderblocks, also in das Zylinderpaar. Damit ergeben sich symmetrische Abströmverhältnisse aus beiden Zylindern, so dass die beiden Kolben auch symmetrisch bewegt werden können. Dies hält das Risiko von Schwingungen, die nach außen gelangen können, klein.
Hierbei ist besonders bevorzugt, dass die beiden Teile gleich ausgebildet sind. Damit wird die Fertigung erleichtert. Man muss nur eine Art von Teilen herstellen, um den Zylinderblock zusammensetzen zu können.
Bevorzugterweise weist ein Übergangsbereich vom Zylinder in den Anschlusskanal eine doppelte Rundung auf.
Die erste Rundung liegt dabei in einer Ebene, die von der Achse der Zylinder und der Achse des Anschlusskanals aufgespannt wird. Die zweite Ebene steht senkrecht dazu. Mit der doppelten Rundung lassen sich hervorragende Strömungsverhältnisse erreichen, so dass ein ”Pfropf” oder eine ”Vena contracta” vermieden werden kann. Eine doppelte Rundung lässt sich besonders leicht herstellen, wenn die Mündung des Anschlusskanals in das Innere des Zylinderblocks frei zugänglich ist.
Bevorzugterweise weist der Übergangsbereich eine geglättete Oberfläche auf. Wenn man die Oberflächenrauigkeit niedrig wählt, dann ergeben sich beim Strömen des Gases aus den Zylindern in den Anschlusskanal nur geringe Verwirbelungen, was sich günstig auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Bevorzugterweise weist der Kolben eine abgerundete oder angeschrägte Stirnseitenkante auf. Diese Stirnseitenkante vermeidet, dass der Anschlusskanal verschlossen wird, wenn sich die beiden Kolben weitest möglich angenähert haben. Es verbleibt durch die abgerundete oder angeschrägte Stirnseitenkante zwar ein Totvolumen. Dies ist bei dem Druckwellenerzeuger aber unkritisch, weil es nicht darauf ankommt, ein möglichst großes Volumen von Gas vollständig zu fördern, sondern weil es darauf ankommt, Druckwellen zu erzeugen.
Vorzugsweise weist die Stirnseitenkante einen Rundungsradius auf, der dem Radius der Rundung des Übergangs entspricht. Damit ergeben sich gute Strömungsverhältnisse.
Auch ist von Vorteil, wenn der Zylinderblock mehrere radial vom Zylinderblock abstehende Arme aufweist, wobei in einem Arm der Ausgangskanal angeordnet ist. Man kann diese Arme einstückig mit dem Zylinderblock ausbilden, so dass man keine getrennte Abdichtung zwischen dem Ausgangskanal und den Zylindern benötigt. Dies erleichtert die Herstellung. Der Ausgangskanal kann an seinem radial äußeren Ende eine Durchmesservergrößerung aufweisen, in die man einen oder mehrere Dichtringe einlegen kann. Diese Dichtringe bewirken dann eine Abdichtung zur Verbindungsleitung hin.
Hierbei ist bevorzugt, dass die anderen Arme ebenfalls Kanäle aufweisen, die radial von innen nach außen verlaufen und gegenüber dem Zylinder verschlossen sind. Dies führt zu einer Material- und Gewichtsersparnis. Weiterhin dienen sie dazu, ähnliche Kraft- und Spannungsverhältnisse wie in dem Arm zu erzeugen, in dem der Ausgangskanal angeordnet ist. Damit ergeben sich in Umfangsrichtung gesehen quasi symmetrische Belastungsverhältnisse für den Zylinderblock, was zu einem relativ verschleißfreien Arbeiten des Druckwellenerzeugers führt.
Bevorzugterweise weisen die Arme an ihren radial äußeren Enden jeweils mindestens einen Flansch auf, an dem Spannmittel angeordnet sind, mit denen die Teile gegeneinander verspannbar sind. Die Arme haben also mehrere Funktionen. Sie dienen zum einen dazu, den Zylinderblock in einem äußeren Gehäuse zu befestigen, wobei in dem einen Arm der Anschlusskanal ausgebildet ist. Zum anderen dienen sie auch dazu, die beiden Teile des Zylinderblocks aneinander zu befestigen.
Vorzugsweise weisen die Arme an ihren radial äußeren Enden axial vorstehende Vorsprünge auf. Diese Vorsprünge dienen dazu, den Zylinderblock am Gehäuse zu befestigen. Diese Befestigung kann auch indirekt erfolgen, beispielsweise über einen Antriebsmotor für die Kolben.
Bevorzugterweise sind in Umfangsrichtung verteilt am Zylinderblock der Verbindungsfläche benachbart mehrere Befestigungsflansche vorgesehen. Diese Befestigungsflansche können zwischen den Armen angeordnet sein. Sie werden zusätzlich verwendet, um die beiden Teile des Zylinderblocks aneinander zu befestigen, so dass der Zylinderblock druckdicht ausgeführt werden kann.
Bevorzugterweise ist zwischen den beiden Teilen eine Dichtung angeordnet. Eine Dichtung vermindert die Anforderungen an die Bearbeitung der Stirnseiten der beiden Teile, die die Verbindungsfläche bilden. Sie erleichtert es, das Innere des Zylinderblocks, also die beiden Zylinder, nach außen abzudichten.
Vorzugsweise sind die Teile als Guss-, Spritz- oder Sinterteile ausgebildet. Die Struktur der Teile lässt sich also durch den Herstellungsprozess bereits an einem Rohling vorgeben, der dann nur noch in geringem Umfang bearbeitet werden muss. Dies ergibt eine kostengünstige Fertigungsweise.
Bevorzugterweise weist der Zylinderblock an seiner Außenseite mindestens eine in Axialrichtung verlaufende Vertiefung auf. Günstig ist es auch, wenn man mehrere Vertiefungen wählt, beispielsweise drei in Axialrichtung verlaufende Vertiefungen. Diese dienen als Montagehilfe und Drehsicherung für den Antriebsmotor der Kolben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Druckwellenerzeuger einer Stirling-Kühleinrichtung,
2 die Stirling-Kühleinrichtung im Querschnitt,
3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Erfindung und
4 ein Teil eines Zylinderblocks.
2 zeigt eine Stirling-Kühleinrichtung 1 mit einem Druckwellenerzeuger 2 und einer Verdrängereinheit 3, die über eine Verbindungsleitung 4 miteinander verbunden sind. Die Verdrängereinheit 3 weist einen Verdränger 5 auf, der in einem Verdrängerzylinder 6 hin und her bewegbar ist und zwar mit Hilfe von Gas, das durch den Druckwellenerzeuger 2 in Form von Druckwellen zu- oder abgefördert wird.
Der Druckwellenerzeuger 2 weist einen Zylinderblock auf, in dem zwei Kolben 7, 8 hin und her bewegbar angeordnet sind. Jeder Kolben 7, 8 ist durch einen Antriebsmotor 9, 10 angetrieben. Die Antriebsmotoren 9, 10 sind als Linearmotoren ausgebildet. Linearmotoren sind an sich bekannt. Ihr Aufbau wird daher im Folgenden nicht mehr im Einzelnen beschrieben.
Jeder Kolben 7, 8 ist in einem Teil 11, 12 eines Zylinderblocks angeordnet. Die beiden Teile 11, 12 liegen an einer Verbindungsfläche 13 aneinander an und sind hier verbunden. In der Verbindungsfläche 13 ist eine Dichtung 14 angeordnet. Die Dichtung 14 dichtet zwei Zylinder 15, 16, in denen die Kolben 7, 8 angeordnet sind, nach außen ab. Spannmittel 17 halten die beiden Teile 11, 12 in Axialrichtung zusammen.
Die Wirkungsweise dieser Ausgestaltung soll anhand von 3 erläutert werden. Dabei zeigt 3a einen Zylinderblock 18 nach dem Stand der Technik, 3b eine Schemadarstellung des Zylinderblocks mit den beiden Teilen 11, 12 nach 2 und 3c eine Schnittansicht entlang der Verbindungsfläche 13.
Um das Gas aus den Zylindern 15, 16 in die Verbindungsleitung 4 zu fördern, benötigt man einen Anschlusskanal 19. Dieser Anschlusskanal 19 wird nach dem Stand der Technik einfach durch eine Bohrung hergestellt, die im Inneren des Zylinderblocks 20 eine relativ scharfe Kante 20 bildet. An dieser Kante können Wirbel entstehen, die den Wirkungsgrad der Kühleinrichtung 1 erheblich herabsetzen können. Die scharfe Kante 20 ist aber praktisch unvermeidbar, weil sie im Inneren des Zylinderblocks 18 angeordnet ist und es relativ schwierig ist, dort ein Bearbeitungswerkzeug zu verwenden.
Wenn man hingegen, wie in 3b dargestellt, den Zylinderblock 18 in die beiden Teile 11, 12 aufteilt, dann kann man eine Mündung des Anschlusskanals 19 mit einem Übergangsbereich 21 bearbeiten, solange die beiden Teile 11, 12 noch nicht zusammengesetzt sind. Wie aus 4 hervorgeht, ist diese Mündung von der Stirnseite her frei zugänglich.
Der Übergangsbereich 21 weist eine erste Rundung 22 auf, die in einer Ebene liegt, die durch die Achsen der beiden Zylinder 15, 16 und die Achse des Ausgangskanals 19 aufgespannt wird. Ferner weist der Übergangsbereich 21 eine zweite Rundung 23 auf, die in einer Ebene liegt, die senkrecht zu der ersten Ebene liegt. Dadurch lässt sich das aus den Zylindern 15, 16 ausströmende und das in die Zylinder 15, 16 einströmende Gas gut führen. Wirbel werden vermieden oder zumindest klein gehalten. Der Wirkungsgrad der Kühleinrichtung 1 kann daher auf einem zufrieden stellenden Niveau gehalten werden.
Wie insbesondere aus 1 zu erkennen ist, weisen die beiden Kolben 7, 8 abgerundete Stirnkanten 24 auf. Beide Kolben 7, 8 sind gleich ausgebildet, so dass die weitere Erläuterung nur anhand des Kolbens 7 erfolgt. Die Stirnkante 24 weist einen Rundungsradius auf, der an den Rundungsradius der ersten Rundung 22 angepasst ist. Auch dann, wenn sich die beiden Kolben 7, 8 so weit annähern, wie dies im Betrieb zulässig ist, wird die Mündung des Anschlusskanals 19 nicht verschlossen, sondern es bleibt immer ein Ringspalt um die Kolben herum, der eine Verbindung zum Anschlusskanal 19 bildet. Die Rundung kann, wie dies schematisch in 3b dargestellt ist, auch durch einen Konus ersetzt werden, so dass die Stirnseitenkante 24 angeschrägt ist.
Die beiden Teile 11, 12 sind gleich aufgebaut. 4 zeigt das Teil 11 in perspektivischer Darstellung. Das Teil 11 weist einen Zylinderabschnitt 25 auf, in dessen Innerem der Zylinder 15 angeordnet ist. An seiner Umfangswand weist der Zylinderabschnitt 25 außen mehrere axial verlaufende Vertiefungen 26 auf, die zur Befestigung und Drehsicherung des Antriebsmotors 9 dienen.
Der Anschlusskanal 19 ist in einem radial vom Zylinderabschnitt 25 abstehenden Arm 27 angeordnet. Der Anschlusskanal 19 weist an seinem radial äußeren Ende eine Durchmesservergrößerung 28 auf mit zwei Nuten 29, in die Dichtringe eingelegt werden können.
Zusätzlich zum Arm 27 sind zwei weitere Arme 30, 31 vorgesehen, wobei die Arme 27, 30, 31 jeweils um 120° zueinander versetzt sind. Auch die beiden Arme 30, 31 weisen jeweils einen Kanal 32, 33 auf, die jedoch nicht bis in den Zylinder 15 reichen, sondern gegenüber dem Zylinder 15 durch eine Wand 34, 35 abgeschlossen sind. Durch die Kanäle 32, 33 haben die Arme 30, 31 mechanisch praktisch die gleichen Eigenschaften wie der Arm 27 mit dem Anschlusskanal 19.
An den radial äußeren Enden aller Arme 27, 30, 31 sind Flansche 36 vorgesehen mit Öffnungen 37, durch die die Spannmittel 17 geführt werden können. Weitere Flansche 38 mit Öffnungen 39 sind zwischen den Armen 27, 30, 31 vorgesehen. Hier können Spannmittel durchgeführt wer den, um Teile des Resonanzfedersystems des Pulswellenerzeugers zu befestigen.
Jeder Arm 27, 30, 31 weist an seiner radialen Außenseite axial verlaufende Vorsprünge 40 auf, mit denen die beiden Teile, die zusammen den Zylinderblock bilden, in einem Gehäuse 41 befestigt werden können. Die Befestigung kann unmittelbar am Gehäuse erfolgen. Sie kann aber auch indirekt erfolgen, wenn beispielsweise noch Teile der Antriebsmotoren 9, 10 zwischen den Vorsprüngen 40 und dem Gehäuse 41 angeordnet sind.
Die Teile 11, 12 können als Guss-, Spritz- oder Sinterteile ausgebildet werden. Da die Mündung von einer Stirnseite her zugänglich ist, ist es relativ einfach, den Übergangsbereich 21 zu glätten, beispielsweise durch Schleifen oder dergleichen. Unter Umständen ist eine Glättung aber nicht mehr erforderlich, wenn man bei der Herstellung des Rohlings bereits eine ausreichende Oberflächequalität erreichen kann. Es ist auch leichter, die Zylinder 15, 16 zu schleifen. Da jeweils nur ein Teil 11, 12 mit einem Kolben 7, 8 zusammenwirken muss, ist es auch relativ einfach, geeignete Paare von Teil 11, 12 und Kolben 7, 8 zusammenzusuchen, so dass Kolben 7, 8 und Zylinder 15, 16 gut zusammenpassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4697113 [0002, 0004]
- US 4713939 [0005]

Claims

Stirling-Kühleinrichtung mit einem Druckwellenerzeuger, der über eine Verbindungsleitung mit einer Verdrängereinheit verbunden ist, wobei der Druckwellenerzeuger zwei Kolben aufweist, die in einem Zylinderblock angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderblock zwei Teile (11, 12) aufweist, von denen jedes einen Zylinder (15, 16) aufweist, in dem einer der Kolben (7, 8) angeordnet ist, wobei die beiden Teile (11, 12) an einer Verbindungsfläche (13) miteinander verbunden sind, die auch einen Anschlusskanal (19) für die Verbindungsleitung (4) durchsetzt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (11, 12) zumindest im Bereich der Verbindungsfläche (13) spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (11, 12) gleich ausgebildet sind.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich (21) vom Zylinder (15, 16) in den Anschlusskanal (19) eine doppelte Rundung (22, 23) aufweist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (21) eine geglättete Oberfläche aufweist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7, 8) eine abgerundete oder angeschrägte Stirnseitenkante (24) aufweist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseitenkante (24) einen Rundungsradius aufweist, der dem Radius der Rundung (22) des Übergangs (21) entspricht.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderblock mehrere radial vom Zylinderblock abstehende Arme (27, 30, 31) aufweist, wobei in einem Arm (27) der Anschlusskanal (19) angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Arme (30, 31) ebenfalls Kanäle (32, 33) aufweisen, die radial von außen nach innen verlaufen und gegenüber dem Zylinder (15, 16) verschlossen sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (27, 30, 31) an ihren radial äußeren Enden jeweils mindestens einen Flansch (36) aufweisen, an dem Spannmittel (17) angeordnet sind, mit dem die Teile (11, 12) gegeneinander verspannbar sind.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (27, 30, 31) an ihren radial äußeren Enden axial vorstehende Vorsprünge (40) aufweisen.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung verteilt am Zylinderblock der Verbindungsfläche benachbart mehrere Befestigungsflansche (38) vorgesehen sind.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Teilen (11, 12) eine Dichtung (14) angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (11, 12) als Guss-, Spritz- oder Sinterteile ausgebildet sind.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderblock an seiner Außenseite mindestens eine in Axialrichtung verlaufende Vertiefung (26) aufweist.