DE102009023972A1

DE102009023972A1 - Stirling-Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102009023972A1
Application number: DE200910023972
Authority: DE
Inventors: Poul Erik Hansen; Snorri Jonsson; Ana Mari Tataru Kjaer; Klaus Reinwand; Jan Thomsen
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010139330A2; WO2010139330A3

Abstract

Es wird eine Stirling-Kühleinrichtung (1) angegeben mit einer Antriebseinrichtung (2), die periodisch wechselnde Gasdrücke erzeugt, und einer mit der Antriebseinrichtung (2) verbundenen Verdrängereinheit (4), die einen in einem Verdrängergehäuse (16) entlang einer Verdrängerachse (26) bewegbaren Verdränger aufweist, der in einer Laufbuchse (21) geführt ist. Man möchte eine derartige Kühleinrichtung mit einfacher Konstruktion zur Verfügung stellen können. Hierzu ist vorgesehen, dass die Laufbuchse (21) einseitig im Verdrängergehäuse (16) gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kühleinrichtung mit einer Antriebseinrichtung, die periodisch wechselnde Gasdrücke erzeugt, und einer mit der Antriebseinrichtung verbundenen Verdrängereinheit, die einen in einem Verdrängergehäuse entlang einer Verdrängerachse bewegbaren Verdränger aufweist, der in einer Laufbuchse geführt ist.
Eine derartige Kühleinrichtung ist beispielsweise aus EP 1 348 918 A1 bekannt. Die Laufbuchse ist hierbei von einem Regenerator umgeben, der die Verbindung zwischen der Laufbuchse, die auch als „Verdrängerzylinder” bezeichnet werden kann, und dem Verdrängergehäuse bildet. Der Regenerator muss also zusätzlich zu seiner Regenerator-Funktion auf eine mechanische Haltbarkeit hin dimensioniert werden. Dies macht den Aufbau aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stirling-Kühleinrichtung mit einfacher Konstruktion zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird bei einer Stirling-Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Laufbuchse einseitig im Verdrängergehäuse gehalten ist.
Mit dieser Ausgestaltung wird der Aufbau der Verdrängereinheit vereinfacht. Man kann die Laufbuchse an einem Ende im Verdrängergehäuse festhalten, so dass es nicht mehr notwendig ist, den Regenerator zur Befestigung der Laufbuchse im Verdrängergehäuse zu verwenden. Eine einseitige Halterung der Laufbuchse im Verdrängergehäuse vermeidet auch eine mechanische Überbestimmung, so dass die Gefahr vermindert wird, dass durch eine ungenaue Montage innere Spannungen entstehen, die zu einer erhöhten Reibung beitragen könnten, beispielsweise bei der Bewegung des Verdrängers in der Laufbuchse.
Vorzugsweise weist die Laufbuchse einen Außenflansch mit mindestens einer Durchgangsöffnung auf, mit dem die Laufbuchse im Verdrängergehäuse befestigt ist. Der Außenflansch ist im einfachsten Fall eine Umformung der Wand der Laufbuchse radial nach außen. Auch ein anderer radial nach außen vorstehender Vorsprung kann als Außenflansch verwendet werden. Mit dem Außenflansch wird die Laufbuchse an ihrem einen Ende mit dem Gehäuse verbunden. Die Durchgangsöffnung oder die Durchgangsöffnungen im Außenflansch gestatten den Durchtritt von Gas, so dass das Gas durch den Ringspalt zwischen der Laufbuchse und dem Verdrängergehäuse strömen kann, wenn dies erforderlich ist.
Vorzugsweise erstreckt sich der Außenflansch radial nach außen bis zu einer Umfangswand des Verdrängergehäuses. Der Außenflansch dient also nicht nur zur Befestigung der Laufbuchse im Verdrängergehäuse, sondern auch zur Zentrierung der Laufbuchse im Verdrängergehäuse. Dies erleichtert die Fertigung weiter.
Vorzugsweise weist die Umfangswand des Verdrängergehäuses eine Stufe auf, an der der Außenflansch anliegt. Dies vereinfacht die Fertigung weiter. Man muss die Laufbuchse im Grunde nur noch in das Verdrängergehäuse einsetzen. Danach ist es in radialer Richtung fixiert, weil sich der Außenflansch bis zur Umfangswand erstreckt. In Axialrichtung ist die Laufbuchse ebenfalls positioniert, weil die Stufe verhindert, dass die Laufbuchse zu weit in das Verdrängergehäuse eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise ist der Verdränger mit einer Resonanzfeder verbunden, die zwischen der Laufbuchse und dem Verdrängergehäuse eingeklemmt ist. Die Resonanzfeder ist eine Rückstellfeder, die auf die Betriebsfrequenz der Kühleinrichtung abgestimmt ist. Dadurch, dass sie klemmend gehalten ist, vermeidet man Spannungen in der Resonanzfeder, die die Resonanzfrequenz verändern könnten.
Hierbei ist bevorzugt, dass das Verdrängergehäuse eine Bodenplatte aufweist, die in einen von der Umfangswand des Verdrängergehäuses umgebenen Raum eingesetzt ist. Das Verdrängergehäuse ist also an einer Stirnseite offen, wenn die Bodenplatte noch nicht montiert ist. Dies erlaubt es, das Verdrängergehäuse beispielsweise als Tiefziehteil aus einem Metallblech zu fertigen. Auch die Herstellung als Kunststoff-Spritzteil ist möglich, weil das Innere des Verdrängergehäuses bis zur Montage der Bodenplatte frei zugänglich ist. Wenn man die Bodenplatte in den Raum einsetzt, der außen von der Umfangswand begrenzt ist, dann ergibt sich automatisch auch eine Zentrierung der Bodenplatte.
Vorzugsweise ist die Bodenplatte an ihrem Umfang mit der Umfangswand verbunden. Die Bodenplatte benötigt also keine anderen Verbindungen.
Hierbei ist besonders bevorzugt, dass der Außenflansch zwischen der Stufe und der Bodenplatte eingespannt ist. Wenn man die Verdrängereinheit zusammenbaut, dann ist es lediglich erforderlich, die einzelnen Teile nach und nach in das Verdrängergehäuse einzusetzen und dann den Umfang der Bodenplatte mit der Umfangswand des Verdrängergehäuses zu verbinden. Da diese Verbindung axial auf einen relativ kurzen Bereich beschränkt ist, kann man auch Verbindungsarten, beispielsweise Schweißen, wählen, die ansonsten innere Spannungen in den einzelnen Bauteilen erzeugen könnten. Da man diese Spannungen nun von den anderen Bauteilen der Verdrängereinheit fernhält, muss man bei der Konstruktion der übrigen Teile nicht auf derartige Spannungen achten. Dies vereinfacht die Konstruktion.
Vorzugsweise ist zwischen der Laufbuchse und dem Verdrängergehäuse auf einer heißen Seite ein Wärmetauscher angeordnet, der in wärmeleitender Verbindung mit dem Verdrängergehäuse steht. Eine nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Kühleinrichtung weist an der Verdrängereinheit eine heiße Seite und eine kalte Seite auf. An der heißen Seite der Verdrängereinheit gibt das Gas Wärme an die Umgebung ab. An der kalten Seite der Verdrängereinheit nimmt das Gas Wärme von der Umgebung auf. Wenn man einen Wärmetauscher an der heißen Seite anordnet, dann stellt man eine größere Wärmeübergangsfläche zur Verfügung, an der das Gas Wärme abgeben kann. Da der Wärmetauscher in wärmeleitender Verbindung mit dem Verdrängergehäuse steht, kann die Wärme dann gut nach außen abgeführt werden.
In ähnlicher Weise kann zwischen der Laufbuchse und dem Verdrängergehäuse auf der kalten Seite ein Wärmetauscher angeordnet sein, der in wärmeleitender Verbindung mit dem Verdrängergehäuse steht. Der Wärmetauscher stellt eine größere Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung, die vom Gas, das durch den Wärmetauscher strömt, kontaktiert wird, so dass eine verbesserte Wärmeübertragung von außen auf das Gas möglich ist. Die beiden Wärmetauscher stehen vorzugsweise nur mit dem Verdrängergehäuse in wärmeleitender und damit in mechanischer Verbindung. Eine entsprechende Verbindung mit der Laufbuchse erfolgt nicht, so dass eine mechanische Überbestimmung vermieden werden kann. Natürlich ist ein leichter Kontakt zwischen einem oder beiden Wärmetauschern und der Laufbuchse nicht auszuschließen, sofern er nicht zu einer Überbestimmung des mechanischen Aufbaus führt.
Vorzugsweise ist zwischen der Laufbuchse und dem Verdrängergehäuse ein Regenerator angeordnet. Der Regenerator befindet sich damit zwischen den beiden Wärmetauschern. Er nimmt Wärme vom Gas auf, wenn das Gas in ei ne Richtung hindurchströmt, und gibt Wärme an das Gas ab, wenn das Gas in die andere Richtung hindurchströmt.
Vorzugsweise ist ein Ringspalt zwischen der Laufbuchse und dem Verdrängergehäuse zu einem Expansionsraum hin offen und von einer gewölbten Wand des Verdrängergehäuses überbrückt. Damit ergeben sich günstige Strömungsverhältnisse. Das Gas, das den Ringspalt durchströmt, wird dann durch die gewölbte Wand des Verdrängergehäuses in den Expansionsraum geleitet, ohne dass größere Verwirbelungen und damit Druckverluste entstehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt die
einzige Fig. eine schematische Schnittansicht einer Stirling-Kühleinrichtung.
Eine Stirling-Kühleinrichtung 1 weist eine Antriebseinrichtung 2 auf, die über eine Leitung 3 mit einer Verdrängereinheit 4 verbunden ist. Die Antriebseinrichtung 2, die Leitung 3 und die Verdrängereinheit 4 sind hermetisch gekapselt, so dass ein darin befindliches Gas auf einen erhöhten Druck vorgespannt sein kann, beispielsweise in der Größenordnung von 20 bis 30 bar.
Die Antriebseinrichtung 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kolbenpumpe ausgebildet, bei der zwei Kolben (nicht näher dargestellt) entlang einer Kolbenachse 5 (senkrecht zur Zeichenebene) gegenphasig bewegbar sind. Wenn die beiden Kolben aufeinander zu bewegt werden, dann wird Gas durch die Leitung 3 zur Verdrän gereinheit 4 gefördert. Wenn die Kolben voneinander weg bewegt werden, dann wird das Gas von der Verdrängereinheit 4 wieder zurückgesaugt.
Die Verdrängereinheit 4 ist durch eine Isolierplatte 6 geführt. Dabei ist zwischen der Verdrängereinheit 4 und der Isolierplatte 6 ein Spalt 7 vorgesehen, der durch zwei Dichtungen 8, 9 abgedichtet ist. Die Dichtungen 8, 9 haben gleichzeitig die Aufgabe, die Verdrängereinheit 4 federnd, also elastisch nachgiebig, in der Isolierplatte 6 zu halten.
Die Verdrängereinheit 4 ragt auf beiden Seiten aus der Isolierplatte 6 heraus. Auf der der Antriebseinrichtung 2 zugewandten Seite bildet die Verdrängereinheit 4 eine „heiße Seite” 10. Auf der anderen Seite bildet die Verdrängereinheit 4 eine „kalte Seite” 11. Auf der heißen Seite 10 ist ein Wärmetauscher 12 auf die Verdrängereinheit 4 gespannt, der mit einem Ventilator 13 gekoppelt ist, um einen Luftstrom durch den Wärmetauscher 12 zu erzeugen. Auf der kalten Seite 11 ist ebenfalls ein Wärmetauscher 14 vorgesehen, der mit einem Ventilator 15 gekoppelt ist, um einen Luftstrom durch den Wärmetauscher 14 zu erzeugen. Die beiden Wärmetauscher 12, 14 haben einen kleinen Abstand zur Isolierplatte 6.
Die Verdrängereinheit 4 weist ein becherartiges Verdrängergehäuse 16 mit einer Umfangswand 17, einer Stirnwand 18 und einer Bodenplatte 19 auf. Die Umfangswand 17 bildet im Bereich der heißen Seite eine Stufe 20.
In das Verdrängergehäuse 16 ist eine Laufbuchse 21 eingesetzt, die man auch als „Verdrängerzylinder” bezeichnen kann. Die Laufbuchse 21 weist an ihrem der Antriebseinrichtung 2 zugewandten Ende einen umlaufenden Außenflansch 22 auf, der mehrere Durchbrechungen 23 hat, durch die Gas, das über die Leitung 3 zugeführt wird, in einen Ringspalt 24 strömen kann, der zwischen der Laufbuchse 21 und der Umfangswand 17 des Verdrängergehäuses 16 ausgebildet ist. Der Ringspalt 24 ist zur Stirnwand 18 hin offen. Die Stirnwand 18 ist gewölbt und überdeckt mit ihrer Wölbung auch den Ringspalt 24.
Die Laufbuchse 21 liegt mit ihrem Außenflansch 22 an der Stufe 20 an. Der Außenflansch 22 erstreckt sich bis zur Umfangswand 17. Er wird durch die Umfangswand 17 in radialer Richtung fixiert. Um die Stufe 20 zu bilden, hat die Umfangswand 17 einen Abschnitt 17a mit vergrößertem Durchmesser.
In der Laufbuchse 21 ist ein Verdränger 25 angeordnet, der entlang einer Verdrängerachse hin und her bewegbar ist. Der Verdränger ist als Hohlkörper mit einem Hohlraum 27 ausgebildet. Er ist über einen Hohlniet 28 mit einer Resonanzfeder 29 verbunden. Die Resonanzfeder 29 ist im Ruhezustand (wie dargestellt) eben ausgebildet. Sie ist zwischen der Bodenplatte 19 und dem Außenflansch 22 eingeklemmt. Der Außenflansch 22 und die Resonanzfeder 29 werden gemeinsam gegen die Stufe 20 geklemmt. Sobald sie mit ausreichender Kraft dort festgehalten worden sind, kann die Bodenplatte 19 an ihrem Umfang mit dem Abschnitt 17a der Umfangswand 17 des Verdrängergehäuses 16 verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen.
Da die Laufbuchse 21 nur einseitig mit dem Verdrängergehäuse 16 verbunden ist, ergibt sich keine mechanische Überbestimmung. Spannungen, die bei der Montage ansonsten entstehen können, werden von vorneherein vermieden.
Der Verdränger 25 weist in seinem Inneren ein Führungsrohr 30 auf, in dem ein Führungselement 31 angeordnet ist, das den Querschnitt des Führungsrohrs 30 ausfüllt. Das Führungselement 31 ist an einem Federdraht 32 befestigt, der wiederum durch den Hohlniet 28 geführt und in der Bodenplatte 19 befestigt ist. Der Federdraht 32 ist in Längsrichtung, also in eine Richtung parallel zur Verdrängerachse 26, sehr steif. Er ist aber relativ weich quer zur Verdrängerachse 26, so dass sich der Verdränger 25 relativ frei innerhalb der Laufbuchse 21 positionieren kann, um eine übermäßige Reibung zwischen dem Verdränger 25 und der Laufbuchse 21 zu vermeiden.
In dem Ringraum 24 ist auf der heißen Seite 10 ein innerer Wärmetauscher 33 angeordnet. Auf der kalten Seite ist in dem Ringraum 24 ein weiterer innerer Wärmetauscher 34 angeordnet. Beide Wärmetauscher 33, 34 stehen in wärmeleitender Verbindung mit dem Verdrängergehäuse 16, genauer gesagt dessen Umfangswand 17. Eine Berührung mit der Laufbuchse 21 ist zwar möglich. Sie führt aber nicht zu einer mechanischen Überbestimmung. Alternativ dazu können die beiden Wärmetauscher 33, 34 auch mechanisch fest mit der Laufbuchse 21 verbunden sein. In diesem Fall können sie das Verdrängergehäuse 16 zwar auf der Innenseite berühren, eine mechanische Überbestimmung erfolgt aber auch in diesem Fall nicht.
Zwischen den beiden Wärmetauschern 33, 34 ist im Ringspalt 24 ein Regenerator 35 angeordnet.
Das Führungsrohr 30 ist auf der der Antriebseinrichtung 2 zugewandten Seite offen. Damit ist die Druckangriffsfläche auf dieser Seite des Verdrängers 25 kleiner als die Druckangriffsfläche in einem Expansionsraum 36 auf der gegenüberliegenden Seite des Verdrängers 25, so dass man bei einer entsprechenden Dimensionierung und Abstimmung mit der Resonanzfeder 29 erreichen kann, dass sich die Kolben in der Antriebseinrichtung 2 und der Verdränger 25 mit einer Phasenverschiebung von etwa 90° zueinander bewegen.
Die Stirling-Kühleinrichtung 1 arbeitet nach dem Stirling-Prozess. Der Stirling-Prozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der aus zwei isothermen und zwei isochoren Zustandsänderungen besteht. Wenn die Antriebseinrichtung 2 einen Gasimpuls erzeugt, indem sie die beiden Kolben entlang der Kolbenachse 5 aufeinander zu bewegt, dann strömt Gas durch den Regenerator 35, der Wärme von dem Gas aufnimmt. Das Volumen des Gases bleibt gleich. Die Temperatur des Gases sinkt (erste isochore Zustandsänderung). Das dann kältere Gas auf der „kalten Seite” 11 des Verdrängergehäuses 16 nimmt Wärme von außen auf. Dabei ist der innere Wärmetauscher 34 hilfreich. Das Volumen des Gases vergrößert sich im Expansionsraum 36 bei konstanter Temperatur (erste isotherme Zustandsänderung). Der Verdränger 25 wird dem entsprechend verschoben, weil sich der Expansionsraum 36 vergrößert.
Bei der Rückbewegung des Verdrängers 25, die von der Resonanzfeder 29 bewirkt wird, wird das Gas wieder durch den Regenerator geführt und nimmt die dort gespeicherte Wärme auf. Die Temperatur des Gases steigt bei gleichbleibendem Volumen (zweite isochore Zustandsänderung). Das Gas strömt dann zurück in Richtung auf die Antriebseinrichtung 2. Im inneren Wärmetauscher 33 auf der heißen Seite 10 gibt das Gas Wärme an die Umgebung ab. Die Temperatur bleibt gleich. Das Volumen sinkt (zweite isotherme Zustandsänderung). Die notwendige Antriebsleistung wird von der Antriebseinrichtung zur Verfügung gestellt.
Ein Abschnitt im Inneren des Führungsrohres 30, der zwischen dem Führungselement 31 und der Stirnseite 37 des Verdrängers 25 angeordnet ist, steht über eine Öffnung 38 mit dem Hohlraum 27 in Verbindung. Bei einer Bewegung des Verdrängers 25 nach links wird das dort befindliche Gas in den Hohlraum 27 verdrängt, der einen Puffer mit einem entsprechend großen Volumen bildet, so dass durch die Bewegung des Verdrängers 25 allenfalls ein kleiner Druckanstieg im Innern des Verdrängers 25 erzeugt wird. Dieser Druckanstieg ist so gering, dass er nicht zu einer radialen Aufweitung des Verdrängers 25 und damit einem Klemmen des Verdrängers 25 in der Laufbuchse 21 führt.
Das Führungselement 31 ist als Kugel ausgebildet, wie sie beispielsweise aus Kugellagern bekannt sind. Auf dem Federdraht 32 können auch mehrere derartige Füh rungselemente 31 vorgesehen sein, um die Anforderungen an die Toleranz weiter herabzusetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1348918 A1 [0002]

Claims

Stirling-Kühleinrichtung mit einer Antriebseinrichtung, die periodisch wechselnde Gasdrücke erzeugt, und einer mit der Antriebseinrichtung verbundenen Verdrängereinheit, die einen in einem Verdrängergehäuse entlang einer Verdrängerachse bewegbaren Verdränger aufweist, der in einer Laufbuchse geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (21) einseitig im Verdrängergehäuse (16) gehalten ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (21) einen Außenflansch (22) mit mindestens einer Durchgangsöffnung (23) aufweist, mit dem die Laufbuchse (21) im Verdrängergehäuse (16) befestigt ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Außenflansch (22) radial nach außen bis zu einer Umfangswand (17a) des Verdrängergehäuses (16) erstreckt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswand (17, 17a) des Verdrängergehäuses (16) eine Stufe (20) aufweist, an der der Außenflansch (22) anliegt.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (25) mit einer Resonanzfeder (29) verbunden ist, die zwischen der Laufbuchse (21) und dem Verdrängergehäuse (16) eingeklemmt ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängergehäuse (16) eine Bodenplatte (19) aufweist, die in einen von der Umfangswand (17a) des Verdrängergehäuses (16) umgebenen Raum eingesetzt ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (19) an ihrem Umfang mit der Umfangswand (17a) verbunden ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenflansch (22) zwischen der Stufe (20) und der Bodenplatte (19) eingespannt ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laufbuchse (21) und dem Verdrängergehäuse (16) auf einer heißen Seite (10) ein Wärmetauscher (33) angeordnet ist, der in wärmeleitender Verbindung mit dem Verdrängergehäuse (16) steht.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laufbuchse (21) und dem Verdrängergehäuse (16) auf der kalten Seite (11) ein Wärmetauscher (34) angeordnet ist, der in wärmeleitender Verbindung mit dem Verdrängergehäuse (16) steht.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laufbuchse (21) und dem Verdrängergehäuse (16) ein Regenerator (35) angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringspalt (24) zwischen der Laufbuchse (21) und dem Verdrängergehäuse (16) zu einem Expansionsraum (36) hin offen ist und von einer gewölbten Wand (18) des Verdrängergehäuses (16) überdeckt ist.