DE102009023973A1

DE102009023973A1 - Stirling cooler

Info

Publication number: DE102009023973A1
Application number: DE200910023973
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: WO2010139325A3; WO2010139325A2

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 (6) entlang einer Verdrängerachse (16) bewegbaren Verdränger (15) aufweist. Man möchte einen guten Wirkungsgrad sicherstellen. Hierzu ist vorgesehen, dass der Verdränger (15) einen Korpus (20) aus Kunststoff aufweist, der mit einem Metallring (22) versehen ist, dessen Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Korpus (20).A Stirling cooling device (1) is provided with a drive device (2) which generates periodically changing gas pressures, and a displacer unit (4) connected to the drive device (2), which has a displacer housing (6) along a displacer axis (16 ) has movable displacer (15). One would like to ensure a good efficiency. For this purpose, it is provided that the displacer (15) has a body (20) made of plastic, which is provided with a metal ring (22) whose outer diameter is greater than the outer diameter of the body (20).

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.The The invention relates to a Stirling cooling device with a Drive device, the periodically changing gas pressures generated, and connected to the drive means displacer unit, the one in a displacer housing along a displacer axis having movable displacer.

Eine derartige Stirling-Kühleinrichtung ist beispielsweise aus EP 1 348 918 A1 bekannt. Die Antriebseinrichtung ist hier als Kolbenpumpe ausgebildet mit einem Kolben, der sich in einem Zylinder bewegt. In einer Verlängerung des Zylinders ist der Verdränger angeordnet.Such a Stirling cooling device is made, for example EP 1 348 918 A1 known. The drive device is designed here as a piston pump with a piston which moves in a cylinder. In an extension of the cylinder, the displacer is arranged.

Eine Stirling-Kühleinrichtung arbeitet nach dem Stirling-Prinzip und hat daher ein relativ gutes Verhältnis von erzeugbarer Kälteleistung zu Masse. Eine Stirling-Kühleinrichtung ist daher gut für mobile Anwendungen geeignet, beispielsweise eine tragbare Kühlbox. Da man bei einer mobilen Anwendung aber auch den Energievorrat mittransportieren muss, ist ein guter Wirkungsgrad wichtig. Ein guter Wirkungsgrad ist auch bei stationären Anwendungen gewünscht.A Stirling cooling device works on the Stirling principle and therefore has a relatively good ratio of producible Cooling capacity to mass. A Stirling cooling device is therefore well suited for mobile applications, for example a portable cooler. As you can with a mobile application though also has to transport the energy supply, is a good efficiency important. A good efficiency is also at stationary Applications desired.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stirling-Kühleinrichtung einen guten Wirkungsgrad sicherzustellen.Of the Invention is the object of a Stirling cooling device to ensure a good efficiency.

Diese Aufgabe wird bei einer Stirling-Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Verdränger einen Korpus aus Kunststoff aufweist, der mit einem Metallring versehen ist, dessen Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Kunststoffs.These Task is at a Stirling cooling device of the beginning mentioned type solved in that the displacer a body made of plastic, which provided with a metal ring is, whose outer diameter is larger as the outer diameter of the plastic.

Damit kombiniert man die Vorteile eines metallenen Verdrängers, nämlich erhöhte Stabilität und gute Laufeigenschaften, mit den Vorteilen eines Kunststoffs, nämlich geringe Masse und gute Herstellbarkeit. Da der Metallring einen größeren Außendurchmesser als der Korpus aufweist, dient der Metallring dazu, den Verdränger im Verdrängergehäuse zu führen. Da ein Metallring mit einer relativ hohen Genauigkeit gefertigt werden kann, kann man dafür sorgen, dass ein Expansionsraum, der vom Verdränger begrenzt wird, durch den Verdränger gut abgedichtet werden kann. Ein Metallring hat darüber hinaus den Vorteil, dass er Wärme in der Regel besser leitet als Kunststoff. Man kann dann den Metallring verwenden, um Wärme, die im Verdränger entsteht, abzuführen.In order to Combining the advantages of a metal displacer, namely increased stability and good running properties, with the advantages of a plastic, namely low mass and good manufacturability. Because the metal ring is a larger one Outer diameter than the body, the metal ring is used in addition to the displacer in the displacer housing to lead. Because a metal ring with a relatively high accuracy can be made, you can make that a Expansion space bounded by the displacer the displacer can be sealed well. A metal ring In addition, it has the advantage of being heat usually better conducts than plastic. You can then use the metal ring, to dissipate heat generated in the displacer.

Vorzugsweise ist im Verdrängergehäuse eine Laufbuchse aus Kunststoff angeordnet, in der sich der Verdränger bewegt. Der Metallring wirkt mit dieser Laufbuchse zusammen. Eine Materialpaarung Metall-Kunststoff kann man so wählen, dass sich hier nur eine relativ geringe Reibung ergibt. Dementsprechend wird auch nur wenig Reibungswärme erzeugt. Die Reibungswärme entspricht einem Anteil der Antriebsleistung, der nicht für die Kälteerzeugung verwendet werden kann. Je geringer die Reibungswärme ist, desto besser ist der Wirkungsgrad.Preferably is in the displacement housing a liner made of plastic arranged, in which the displacer moves. The metal ring interacts with this bushing. A material combination metal-plastic You can choose so that only a relatively small Friction results. Accordingly, only little frictional heat generated. The frictional heat corresponds to a proportion of Drive power not for refrigeration can be used. The lower the frictional heat, the better the efficiency.

Vorzugsweise ist der Metallring im Bereich eines axialen Endes des Verdrängers angeordnet. Man kann dann die Wärme, die über den Metallring abgeführt werden soll, von dem entsprechenden Ende aus abführen.Preferably the metal ring is in the region of an axial end of the displacer arranged. You can then heat that over the metal ring should be removed from the corresponding end dissipate.

Vorzugsweise weist der Verdränger eine Stirnwand auf und der Metallring verbindet die Stirnwand und den Korpus miteinander. Diese Ausgestaltung hat vor allem im Hinblick auf die Fertigung Vorteile. Man kann den Korpus mit einem Hohlraum versehen, weil er vor dem Anbringen der Stirnwand von einer Seite her offen ist. Der Metallring bekommt dann eine zweite Funktion, nämlich die Verbindung von Korpus und Stirnwand.Preferably the displacer has an end wall and the metal ring connects the front wall and the body with each other. This embodiment has advantages especially with regard to production. You can do that Body provided with a cavity, because he before attaching the Front wall is open from one side. The metal ring then gets a second function, namely the connection of corpus and front wall.

Hierbei ist bevorzugt, dass der Metallring einstückig mit der Stirnwand ausgebildet ist. Dies hat zur Folge, dass auch die Stirnwand aus einem Metall besteht. Da die Stirnwand im Betrieb einem Gasdruck ausgesetzt ist, ist sie höher belastbar, wenn sie aus einem Metall gebildet ist.in this connection it is preferred that the metal ring is integral with the end wall is trained. This has the consequence that even the front wall off a metal exists. Since the end wall is exposed during operation to a gas pressure is, it is higher loadable when made of a metal is formed.

Vorzugsweise ist die Stirnwand mit Hilfe einer Feder an einer gegenüberliegenden Bodenwand des Korpus abgestützt. Die Feder sorgt dann dafür, dass der Verdränger in Axialrichtung, d. h. in Richtung der Verdrängerachse, gespannt bleibt. Andererseits werden durch die Feder im Betrieb kleinere Verformungen zugelassen, so dass sich der Verdränger beispielsweise beim Auftreten von Druckspitzen ohne Beschädigungen verformen kann.Preferably is the front wall by means of a spring on an opposite Supported bottom wall of the body. The spring then ensures that the displacer in the axial direction, d. H. in the direction of Displacer axis, remains taut. On the other hand, by the spring is allowed in operation minor deformations, so that itself the displacer, for example, when pressure peaks occur without Damage can deform.

Vorzugsweise geht von der Bodenwand ein Führungsrohr aus, in dem ein mit dem Verdrängergehäuse verbundenes Führungselement angeordnet ist, und die Feder ist über das Führungsrohr an der Bodenwand abgestützt. Wenn man den Verdränger mit Hilfe des Führungsrohres auf dem Führungselement führt, dann muss man die Masse des Führungselements nicht mit bewegen. Dennoch ist es möglich, auf beiden Seiten des Verdrängers unterschiedlich große Druckangriffsflächen zu erzeugen. Das Führungsrohr übernimmt dann die weitere Aufgabe, die Kraft der Feder von der Stirnwand an die Bodenwand weiterzuleiten.Preferably emanates from the bottom wall a guide tube in which a with the displacer housing connected guide element is arranged, and the spring is over the guide tube supported on the bottom wall. If you use the displacer with Help of the guide tube on the guide element leads, then you have the mass of the guide element do not move with it. Nevertheless, it is possible on both sides the displacer different sized pressure attack surfaces to create. The guide tube then takes over Another task to pass the force of the spring from the front wall to the bottom wall.

Vorzugsweise erzeugt die Feder radial gerichtete Kräfte. Der Verdränger wird dann auch in radialer Richtung aufgespannt, so dass er sich mit ausreichender Dichtigkeit an seine Lauffläche anlegen kann.Preferably the spring generates radially directed forces. The displacer is then clamped in the radial direction, so that he himself with sufficient tightness to create his tread.

Vorzugsweise umschließt der Korpus einen Hohlraum und ein Abschnitt im Inneren des Führungsrohres auf der nicht am Verdrängergehäuse befestigten Seite des Führungselements ist mit dem Hohlraum verbunden. Bei einer Bewegung des Verdrängers gegenüber dem Führungselement verringert und vergrößert sich das Volumen, das vom Führungselement im Führungsrohr begrenzt ist. Diese Volumenänderung führt zu Druckänderungen im Innern des Verdrängers. Da aber über den Hohlraum ein relativ großer Puffer zur Verfügung steht, können diese Druckänderungen klein gehalten werden. Man kann damit erreichen, dass sich der Korpus zwar gegebenenfalls etwas in radialer Richtung ausdehnen kann. Diese Ausdehnung kann aber so klein gehalten werden, dass sie nicht den Durchmesser des Metallrings erreicht. Man verhindert also, dass zwischen dem Korpus und der Lauffläche ein reibender Kontakt entsteht.Preferably The body encloses a cavity and a section inside the guide tube on the not on the displacer housing attached side of the guide element is connected to the cavity connected. At a movement of the displacer opposite reduced and enlarged the guide element the volume of the guide element in the guide tube is limited. This volume change leads to pressure changes inside the repressor. But because of the cavity relatively large buffer is available, these can Pressure changes are kept small. You can achieve that that the body possibly something in the radial direction can expand. But this extent can be kept so small that it does not reach the diameter of the metal ring. You prevent so that between the body and the tread a rubbing Contact arises.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Verdränger einen Stirnwandeinsatz aufweist und der Korpus zwischen dem Metallring und dem Stirnwandeinsatz angeordnet ist. Die Stirnwand ist an dem Stirnwandeinsatz angeordnet. Stirnwandeinsatz und Metallring sind zwei voneinander getrennte Elemente. Der Korpus ist zwischen dem Metallring und dem Stirnwandeinsatz angeordnet. Dementsprechend kann man den Metallring dazu verwenden, den Stirnwandeinsatz im Korpus zu befestigen, indem der Korpus auf den Stirnwandeinsatz aufgespannt wird. Dadurch ergibt sich zum Einen eine stabile Verbindung und zum Anderen auch eine ausreichende Abdichtung des Hohlraums im Innern des Verdrängers.In A preferred embodiment provides that the displacer having an end wall insert and the body between the metal ring and the end wall insert is arranged. The front wall is on the End wall insert arranged. End wall insert and metal ring are two separate elements. The body is between the Metal ring and the end wall insert arranged. Accordingly you can use the metal ring to the end wall insert in Fasten the carcass by placing the carcass on the end wall insert is spanned. This results in a stable connection and on the other hand also a sufficient sealing of the cavity inside the repressor.

Vorzugsweise sind mindestens zwei Metallringe in einem axialen Abstand zueinander am Korpus angeordnet. Mit zwei Metallringen kann man die Führung verbessern. Die Gefahr, dass der Verdränger kippt, wird klein gehalten.Preferably At least two metal rings are at an axial distance from one another arranged on the body. With two metal rings you can take the lead improve. The danger that the displacer tilts becomes kept small.

Bevorzugterweise ist der Korpus als Spritzgussteil ausgebildet. Man kann den Korpus daher preisgünstig, aber mit hoher Genauigkeit fertigen.preferably, the body is designed as an injection molded part. You can see the corpus therefore inexpensive, but finished with high accuracy.

Vorzugsweise weist der Korpus zumindest annähernd den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Metallring auf. Dadurch werden im Betrieb, wenn sich der Korpus und der Metallring erwärmen, ungünstige Wärmespannungen zwischen dem Metallring und dem Korpus vermieden.Preferably the body has at least approximately the same coefficient of thermal expansion like the metal ring on. This will be in operation when the Body and the metal ring warm, unfavorable Thermal stress between the metal ring and the body avoided.

Bevorzugterweise ist der Metallring aus Stahl gebildet. Stahl weist eine ausreichende Festigkeit und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit auf.preferably, the metal ring is made of steel. Steel has sufficient Strength and sufficient thermal conductivity on.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment described in conjunction with the drawing. Herein show:

1 eine schematische Schnittansicht durch eine Stirling-Kühleinrichtung, 1 a schematic sectional view through a Stirling cooling device,

2 eine Schnittansicht einer abgewandelten Verdrängereinheit und 2 a sectional view of a modified displacer unit and

3 eine Schnittansicht einer weiteren Verdrängereinheit. 3 a sectional view of another displacer unit.

Eine Stirling-Kühleinrichtung 1 weist eine Antriebseinrichtung 2 auf, die im vorliegenden Fall als Kolbenpumpe ausgebildet ist. Die Antriebseinrichtung 2 weist zwei nicht näher dargestellte Kolben auf, die entlang einer Kolbenachse 3 (in 1 senkrecht zur Zeichen ebene) gegenphasig bewegbar sind. Durch die Bewegung der Kolben werden periodisch wechselnde Gasdrücke erzeugt.A Stirling cooling device 1 has a drive device 2 on, which is formed in the present case as a piston pump. The drive device 2 has two pistons, not shown, along a piston axis 3 (in 1 perpendicular to the sign plane) are in opposite phase movable. The movement of the pistons creates periodically changing gas pressures.

Eine Verdrängereinheit 4 ist über eine Leitung 5 mit der Antriebseinrichtung 2 verbunden. Die Antriebseinrichtung 2, die Verdrängereinheit 4 und die Leitung 5 sind gasdicht gekapselt, so dass ein in der Antriebseinrichtung 2 und der Verdrängereinheit 4 enthaltenes Gas auf einen erhöhten Druck vorgespannt sein kann, beispielsweise in der Größenordnung von 20 bis 30 bar.A displacer unit 4 is over a line 5 with the drive device 2 connected. The drive device 2 , the displacer unit 4 and the line 5 are gas-tight encapsulated, so that one in the drive device 2 and the displacer unit 4 contained gas may be biased to an increased pressure, for example in the order of 20 to 30 bar.

Die Verdrängereinheit 4 weist ein Verdrängergehäuse 6 auf, das durch eine Isolierplatte 7 geführt ist. Das Verdrängergehäuse 6 ragt mit seinen beiden Enden aus der Isolierplatte 7 hervor. Das der Antriebseinrichtung 2 zugewandte Ende des Verdrängergehäuses 6 wird auch als ”heiße Seite” bezeichnet. Das andere Ende des Verdrängergehäuses 6 wird als ”kalte Seite” bezeichnet. Auf der kalten Seite ist ein Wärmetauscher 8 und auf der heißen Seite ist ein Wärmetauscher 9 auf das Verdrängergehäuse 6 aufgespannt. Die beiden Wärmetauscher 8, 9 sind jeweils mit Ventilatoren 10, 11 versehen, mit deren Hilfe ein Luftstrom durch die Wärmetauscher 8, 9 erzeugt werden kann.The displacer unit 4 has a displacer housing 6 on top of that by an insulating plate 7 is guided. The displacer housing 6 protrudes with its two ends from the insulating plate 7 out. That of the drive device 2 facing end of the displacer housing 6 is also called "hot side". The other end of the displacer housing 6 is called the "cold side". On the cold side is a heat exchanger 8th and on the hot side is a heat exchanger 9 on the displacer housing 6 clamped. The two heat exchangers 8th . 9 are each with fans 10 . 11 provided with their help, an air flow through the heat exchanger 8th . 9 can be generated.

Im Verdrängergehäuse 6, das aus Metall gebildet sein kann, ist eine Laufbuchse 12 angeordnet, die aus einem Kunststoff gebildet ist. Die Laufbuchse 12 ist über einen Fuß 13 mit dem Verdrängergehäuse 6 verbunden, wobei der Fuß 13 mehrere Durchbrechungen 14 aufweist, durch die Gas hindurchtreten kann.In the displacer housing 6 , which can be made of metal, is a liner 12 arranged, which is formed of a plastic. The bush 12 is over a foot 13 with the displacer housing 6 connected, with the foot 13 several openings 14 through which gas can pass.

Innerhalb der Laufbuchse 12 ist ein Verdränger 15 angeordnet. Der Verdränger 15 ist entlang einer Verdrängerachse 16 bewegbar.Inside the bushing 12 is a displacer 15 arranged. The displacer 15 is along a displacer axis 16 movable.

An einem Ende ist der Verdränger 15 mit einer Resonanzfeder 17 verbunden. Die Verbindung erfolgt über einen Hohlniet 18, der in eine Bodenwand 19 des Verdrängers 15 hineingesteckt ist. Die Bodenwand 19 bildet einen Teil eines Korpus 20 des Verdrängers 15, der aus einem Kunststoff gebildet ist.At one end is the displacer 15 with a resonance spring 17 connected. The connection is made via a rivet 18 standing in a floor wall 19 the repressor 15 is inserted. The bottom wall 19 forms part of a corpus 20 the repressor 15 made of a plastic is.

An dem der Bodenwand 19 gegenüberliegenden Ende weist der Verdränger 15 eine Stirnwand 21 auf, die einstückig mit einem Metallring 22 ausgebildet ist. Der Metallring 22 und die Stirnwand 21 sind aus Stahl gebildet. Der Metallring 22 weist einen Außendurchmesser auf, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des Korpus 20, so dass sich im Bereich des Korpus 20 ein Spalt 23 zwischen dem Korpus 20 und der Laufbuchse 12 ergibt. Dieser Spalt 23 ist in 1 übertrieben groß dargestellt. Bei maßstäblicher Darstellung wäre er praktisch nicht sichtbar.At the bottom wall 19 opposite end has the displacer 15 an end wall 21 on, which is integral with a metal ring 22 is trained. The metal ring 22 and the front wall 21 are made of steel. The metal ring 22 has an outer diameter that is slightly larger than the outer diameter of the body 20 , so that in the area of the body 20 A gap 23 between the body 20 and the liner 12 results. This gap 23 is in 1 shown exaggeratedly big. In scale representation, it would be virtually invisible.

Der Kunststoff des Korpus 20 weist im Wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf wie das Metall des Metallrings 22. Im Wesentlichen heißt, dass Abweichungen von +20% möglich sind.The plastic of the body 20 has substantially the same thermal expansion coefficient as the metal of the metal ring 22 , In essence, deviations of + 20% are possible.

Von der Bodenwand 19 erstreckt sich ein Führungsrohr 24 in Richtung auf die Stirnwand 21. In dem Führungsrohr ist ein Führungselement 25 angeordnet, das den inneren Querschnitt des Führungsrohres 24 ausfüllt. Das Führungselement 25 ist dabei an einem Federdraht 26 befes tigt, der durch den Hohlniet 18 geführt ist und mit dem Verdrängergehäuse 6 verbunden ist.From the bottom wall 19 extends a guide tube 24 towards the front wall 21 , In the guide tube is a guide element 25 arranged, which is the inner cross section of the guide tube 24 fills. The guide element 25 is doing on a spring wire 26 fastened by the rivet 18 is guided and with the displacer housing 6 connected is.

Die Stirnwand 21 stützt sich mit Hilfe einer Feder 27 an der Stirnseite des Führungsrohres 24 ab. Die Feder 27 hat dabei einerseits eine Kraftwirkung, die parallel zur Verdrängerachse 16 gerichtet ist, andererseits aber auch eine Kraftwirkung, die radial zur Verdrängerachse 16 gerichtet ist. Dadurch wird der Verdränger 15 in Axialrichtung gespannt gehalten. Gleichzeitig wird aber auch der Metallring 22 in radialer Richtung gespannt.The front wall 21 is supported by a spring 27 on the front side of the guide tube 24 from. The feather 27 on the one hand has a force acting parallel to the displacer axis 16 directed, on the other hand, but also a force acting radially to the displacement axis 16 is directed. This will be the displacer 15 kept taut in the axial direction. At the same time but also the metal ring 22 stretched in the radial direction.

Das Führungselement 25 teilt das Innere des Führungsrohres 24 in zwei Abschnitte. Der der Stirnwand 21 benachbarte Abschnitt steht, da das Führungsrohr 24 stirnseitig offen ist, mit einem Hohlraum 28 in Verbindung, der praktisch das gesamte Innere des Verdrängers 15 ausfüllt. Der Hohlraum 28 bildet damit ein Puffervolumen für Gas, das bei einer Bewegung des Verdrängers 15 nach links (bezogen auf die Darstellung der 1) aus dem Inneren des Führungsrohres 24 verdrängt wird. Damit ist es möglich, einen Druckanstieg im Hohlraum 28 so gering zu halten, dass der Korpus 20 des Verdrängers 15 nicht so weit aufgeweitet wird, dass er mit der Laufbuchse 12 in Kontakt kommt, wenn der Druck im Inneren des Verdrängers 15 ansteigt.The guide element 25 divides the inside of the guide tube 24 in two sections. The front wall 21 adjacent section stands, as the guide tube 24 open at the front, with a cavity 28 in connection, which is virtually the entire interior of the repressor 15 fills. The cavity 28 thus forms a buffer volume for gas, which occurs during a movement of the displacer 15 to the left (referring to the illustration of the 1 ) from the inside of the guide tube 24 is displaced. This makes it possible to increase the pressure in the cavity 28 so small that the body 20 the repressor 15 not widened so much that he with the liner 12 comes into contact when the pressure inside the displacer 15 increases.

Das Führungsrohr 24 spart an der Bodenwand 19 einen Bereich aus, der nicht als Druckangriffsfläche zur Verfügung steht. Dementsprechend ist die Druckangriffsfläche an der Stirnwand 21 größer als die an der Bodenwand 19. Mit dieser Dimensionierung kann man erreichen, dass sich die Kolben in der Antriebseinrichtung 2 und der Verdränger 15 mit einer Phasenverschiebung von etwa 90° relativ zueinander bewegen.The guide tube 24 saves on the bottom wall 19 an area that is not available as a pressure application area. Accordingly, the pressure-engaging surface on the end wall 21 bigger than the one on the bottom wall 19 , With this dimensioning can be achieved that the pistons in the drive device 2 and the displacer 15 with a phase shift of about 90 ° relative to each other.

Zwischen der Laufbuchse 12 und dem Verdrängergehäuse 6 sind ausgehend von der heißen Seite ein Wärmetauscher 29, ein Regenerator 30 und ein weiterer Wärmetauscher 31 angeordnet. Die Stirnwand 21 begrenzt mit dem Verdrängergehäuse 6 einen Expansionsraum 32.Between the bush 12 and the displacer housing 6 are starting from the hot side, a heat exchanger 29 , a regenerator 30 and another heat exchanger 31 arranged. The front wall 21 limited to the displacer housing 6 an expansion area 32 ,

Die Stirling-Kühleinrichtung arbeitet nach dem Stirling-Prozess. Der Stirling-Prozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der aus zwei isothermen und zwei isochoren Zustandsänderungen eines Gases besteht.The Stirling cooling system works according to the Stirling process. The Stirling process is a thermodynamic cycle that from two isothermal and two isochoric state changes of one Gas exists.

Das von der Antriebseinrichtung 2 zugeförderte Gas wird durch den Regenerator 30 gefördert, der Wärme von dem Gas aufnimmt. Das Volumen des Gases bleibt gleich und die Temperatur sinkt (erste isochore Zustandsänderung). Das dann kältere Gas auf der ”kalten Seite” des Verdrängergehäuses 6 nimmt Wärme von außen auf, wobei der Wärmetauscher 9 hier unterstützend wirkt. Das Volumen des Gases im Expansionsraum 32 vergrößert sich bei konstanter Temperatur (erste isotherme Zustandsänderung). Dabei wird der Verdränger 15 nach links verdrängt. Dies ist möglich, weil die Druckangriffsfläche an der Stirnseite 21 größer ist als an der Bodenwand 19.That of the drive device 2 supplied gas is passed through the regenerator 30 promoted, which absorbs heat from the gas. The volume of the gas remains the same and the temperature decreases (first isochoric change of state). The then colder gas on the "cold side" of the displacer housing 6 absorbs heat from the outside, the heat exchanger 9 here supportive acts. The volume of gas in the expansion space 32 increases at constant temperature (first isothermal state change). This is the displacer 15 displaced to the left. This is possible because the pressure application area on the front side 21 is larger than on the bottom wall 19 ,

Wenn der von der Antriebseinrichtung 2 gelieferte Druck abnimmt, dann wird der Verdränger 15 durch die Kraft der Resonanzfeder 17 zurückbewegt. Das Gas strömt durch den Regenerator 30 und nimmt die dort gespeicherte Wärme auf. Die Temperatur steigt bei konstantem Volumen (zweite isochore Zustandsänderung). Das dann auf der heißen Seite befindliche Gas gibt bei gleichbleibender Temperatur unter Abnahme seines Volumens Wärme an die Umgebung ab (zweite isotherme Zustandsänderung).If that of the drive device 2 supplied pressure decreases, then the displacer 15 by the force of the resonance spring 17 moved back. The gas flows through the regenerator 30 and absorbs the heat stored there. The temperature increases at constant volume (second isochoric change of state). The then located on the hot side gas at constant temperature while reducing its volume heat to the environment from (second isothermal state change).

Reibungswärme, die bei diesem Vorgang möglicherweise zwischen dem Verdränger 15 und der Laufbuchse 12 entsteht, kann über den Metallring 22 und die Stirnwand 21 nach außen abgeführt werden, so dass der Verdränger 15 keinen übermäßigen Temperaturanstieg erfährt. Der Verdränger 15 kann daher mit geringer Reibung in der Laufbuchse 12 geführt werden, so dass Energieverluste klein bleiben und sich daraus ein guter Wirkungsgrad ergibt.Frictional heat, which in this process may be between the displacer 15 and the liner 12 can arise over the metal ring 22 and the front wall 21 be discharged to the outside, so that the displacer 15 does not experience excessive temperature rise. The displacer 15 can therefore with low friction in the bushing 12 be led so that energy losses remain small and results in a good efficiency.

2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Verdrängereinheit, bei der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. 2 shows a modified embodiment of the displacer unit, wherein the same elements are provided with the same reference numerals.

Bei der Ausgestaltung nach 1 ist der Metallring 22 am Umfang des Korpus 20 befestigt. Bei der Ausgestaltung nach 2 ist der Metallring 22 über die Stirnwand 21 mit dem Führungsrohr 24 verbunden. Hierzu weist die Stirnwand 21 einen nach innen ragenden Fortsatz 33 auf, der das Führungsrohr 24 an dessen stirnseitigem Ende übergreift. Der Fortsatz 33 weist mehrere Öffnungen 34 auf, so dass das Innere des Führungsrohres 24 zwischen dem Führungselement 25 und der Stirnwand 21 mit dem Hohlraum 28 in Verbindung stehen kann.In the embodiment according to 1 is the Me tallring 22 on the circumference of the body 20 attached. In the embodiment according to 2 is the metal ring 22 over the front wall 21 with the guide tube 24 connected. For this purpose, the end wall 21 an inwardly projecting extension 33 on, the guide tube 24 overlaps at its front end. The extension 33 has several openings 34 on, leaving the interior of the guide tube 24 between the guide element 25 and the front wall 21 with the cavity 28 can be connected.

Eine Feder ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen.A Spring is not provided in this embodiment.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Verdrängereinheit, die ebenfalls ohne Feder auskommt. Gleiche und entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen. 3 shows a further embodiment of a displacer unit, which also works without spring. The same and corresponding parts are denoted by the same reference numerals as in FIGS 1 and 2 Mistake.

Die Stirnwand 21 ist an einem Stirnwandeinsatz 35 ausgebildet, der in den Korpus 20 eingesteckt ist. Der Metallring 22 ist an einer axialen Position am Korpus 20 angeordnet, in der er den Stirnwandeinsatz 35 noch umgreift. Dementsprechend ist der Korpus 20 zwischen dem Metallring 22 und dem Stirnwandeinsatz 35 eingespannt. Diese Spannkräfte können hier relativ gering sein. Dennoch sorgt der Metallring 22 dafür, dass der Korpus 20 dicht am Stirnwandeinsatz 35 anliegt, so dass der Hohlraum 28 dicht verschlossen ist.The front wall 21 is on a front wall insert 35 trained in the body 20 is plugged in. The metal ring 22 is at an axial position on the body 20 arranged, in which he the end wall insert 35 still embraces. Accordingly, the body is 20 between the metal ring 22 and the end wall insert 35 clamped. These clamping forces can be relatively low here. Nevertheless, the metal ring ensures 22 for the corpus 20 close to the end wall insert 35 abuts, leaving the cavity 28 is tightly closed.

Ein zweiter Metallring 36 ist an dem Ende des Korpus 20 angeordnet, das der Stirnwand 21 abgewandt ist. Dadurch wird der Korpus 20 an zwei relativ weit axial voneinander entfernten Positionen in der Laufbuchse 12 geführt. Eine Stabilisierung im Innern des Korpus 20 ist dementsprechend entbehrlich.A second metal ring 36 is at the end of the corpus 20 arranged, the front wall 21 turned away. This will make the body 20 at two relatively far axially spaced positions in the liner 12 guided. A stabilization inside the body 20 is therefore expendable.

In die Bodenwand 19 ist ein Rohr 37 eingesetzt, über das der Verdränger 15 mit der Resonanzfeder 17 verbunden ist. Das Rohr 37 kann dazu über zwei Schrauben 38, 39 mit dem Rohr 37 verbunden sein.In the bottom wall 19 is a pipe 37 used, over which the displacer 15 with the resonance spring 17 connected is. The pipe 37 can do this via two screws 38 . 39 with the pipe 37 be connected.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1348918 A1 [0002]

Claims

Stirling cooling device with a drive device which generates periodically changing gas pressures, and a displacer unit connected to the drive device, which has a displacer movable in a displacer housing along a displacer axis, characterized in that the displacer ( 15 ) a body ( 20 ) made of plastic, with a metal ring ( 22 ) whose outer diameter is greater than the outer diameter of the body ( 20 ).

Cooling device according to claim 1, characterized in that in the displacement housing ( 6 ) a bushing ( 12 ) is arranged made of plastic, in which the displacer ( 15 ) emotional.

Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the metal ring ( 22 ) in the region of an axial end of the displacer ( 15 ) is arranged.

Cooling device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the displacer ( 15 ) an end wall ( 21 ) and the metal ring ( 22 ) the front wall ( 21 ) and the body ( 20 ) connects to each other.

Cooling device according to claim 4, characterized in that the metal ring ( 22 ) in one piece with the end wall ( 21 ) is trained.

Cooling device according to claim 4 or 5, characterized in that the end wall ( 21 ) by means of a spring ( 27 ) on an opposite bottom wall ( 19 ) of the body ( 20 ) is supported.

Cooling device according to claim 6, characterized in that from the bottom wall ( 19 ) a guide tube ( 24 ), in which a with the displacement ( 6 ) connected guide element ( 25 ), and the spring ( 27 ) over the guide tube ( 24 ) on the bottom wall ( 19 ) is supported.

Cooling device according to claim 6 or 7, characterized in that the spring ( 27 ) generates radially directed forces.

Cooling device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the body ( 20 ) a cavity ( 28 ) and a section inside the guide tube ( 24 ) on the not on the displacement housing ( 6 ) fixed side of the guide element ( 25 ) with the cavity ( 28 ) connected is.

Cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the displacer ( 15 ) an end wall insert ( 35 ) and the body ( 20 ) between the metal ring ( 22 ) and the end wall insert ( 35 ) is arranged.

Cooling device according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least two metal rings ( 22 . 36 ) at an axial distance from each other on the body ( 20 ) are arranged.

Cooling device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the body ( 20 ) is designed as an injection molded part.

Cooling device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the body ( 20 ) at least approximately the same thermal expansion coefficient as the metal ring ( 22 ) having.

Cooling device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the metal ring ( 22 ) is made of steel.