DE102009023976A1

DE102009023976A1 - Stirling cooler

Info

Publication number: DE102009023976A1
Application number: DE200910023976
Authority: DE
Inventors: Poul Erik Hansen; Kaja Lenz; 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: WO2010139324A3; WO2010139324A2

Abstract

Es wird eine Stirling-Kühleinrichtung (1) angegeben mit einer Antriebseinrichtung (29), die periodisch wechselnde Gasdrücke erzeugt, und eine Verdrängereinheit (4), die mit der Antriebseinrichtung (2) verbunden ist und einen in einem Verdrängergehäuse (6) entlang einer Verdrängerachse (29) bewegbaren Verdränger (11) aufweist, der an seinen beiden Stirnseiten unterschiedlich große Druckangriffsflächen aufweist. Man möchte einen guten Wirkungsgrad erzielen. Hierzu ist vorgesehen, dass der Verdränger (11) in seinem Inneren ein Dichtungsrohr (24) aufweist, das von einer Stirnseite ausgeht und in dem mindestens ein mit dem Verdrängergehäuse (6) verbundenes Dichtungselement (25) angeordnet ist, das den Querschnitt des Dichtungsrohrs (24) ausfüllt.There is provided a Stirling cooling device (1) with a drive device (29) which generates periodically changing gas pressures, and a displacer unit (4), which is connected to the drive device (2) and one in a displacer housing (6) along a Verdrängerachse (29) movable displacer (11) having at its two end faces of different sizes pressure application surfaces. You want to achieve a good efficiency. For this purpose, it is provided that the displacer (11) has in its interior a sealing tube (24) which starts from an end face and in which at least one sealing element (25) connected to the displacer housing (6) is arranged, which measures the cross section of the sealing tube (FIG. 24).

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kühleinrichtung mit einer Antriebseinrichtung, die periodisch wechselnde Gasdrücke erzeugt, und eine Verdrängereinheit, die mit der Antriebseinrichtung verbunden ist und einen in einem Verdrängergehäuse entlang einer Verdrängerachse bewegbaren Verdränger aufweist, der an seinen beiden Stirnseiten unterschiedlich große Druckangriffsflächen aufweist.The The invention relates to a Stirling cooling device with a Drive device, the periodically changing gas pressures generated, and a displacer unit with the drive means is connected and one in a displacer housing displacer movable along a displacer axis has, at its two end faces of different sizes Having pressure application surfaces.

Eine derartige Stirling-Kühleinrichtung ist beispielsweise aus EP 1 348 918 A1 bekannt. Der Verdränger und ein Kolben der Antriebseinrichtung befinden sich im gleichen Zylinder. Wenn der Kolben hin und her bewegt wird, erzeugt er wechselnde Gasdrücke, also Druckimpulse, die auf den Verdränger wirken. Der Verdränger ist mit einer Resonanzfeder verbunden und zwar über eine Stange, die den Kolben durchsetzt. Diese Stange vermindert die Größe der Druckangriffsfläche auf der dem Kol ben zugewandten Stirnseite des Verdrängers. Damit wird dafür gesorgt, dass der Kolben und der Verdränger mit einer Phasenverschiebung von etwa 90° zueinander arbeiten.Such a Stirling cooling device is made, for example EP 1 348 918 A1 known. The displacer and a piston of the drive device are located in the same cylinder. When the piston is moved back and forth, it generates alternating gas pressures, that is, pressure pulses acting on the displacer. The displacer is connected to a resonance spring via a rod passing through the piston. This rod reduces the size of the pressure application surface on the Kol ben facing end face of the displacer. This ensures that the piston and the displacer work with a phase shift of about 90 ° to each other.

Eine Stirling-Kühleinrichtung hat ein relativ gutes Verhältnis von erzielbarer Kälteleistung zu Baugröße und Masse. Eine Stirling-Kühleinrichtung ist daher besonders gut für mobile Anwendungen geeignet. Da man bei mobilen Anwendungen, beispielsweise einer tragbaren Kühlbox, aber auch den Energievorrat mit transportieren muss, ist ein guter Wirkungsgrad eine weitere Voraussetzung, um die Stirling-Kühleinrichtung für mobile Anwendungen gebrauchen zu können. Ein guter Wirkungsgrad ist natürlich auch bei stationären Anwendungen erwünscht.A Stirling cooler has a relatively good ratio from achievable cooling capacity to size and mass. A Stirling cooling device is therefore special well suited for mobile applications. Since you are mobile Applications, such as a portable cooler, but also has to transport the energy supply, is a good efficiency another requirement to the Stirling cooling device for mobile applications. One good efficiency is of course also for stationary Applications desired.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen guten Wirkungsgrad zu erzielen.Of the Invention is based on the object of good efficiency achieve.

Diese Aufgabe wird bei einer Stirling-Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Verdränger in seinem Inneren ein Dichtungsrohr aufweist, das von einer Stirnseite ausgeht und in dem mindestens ein mit dem Verdrängergehäuse verbundenes Dichtungselement angeordnet ist, das den Querschnitt des Dichtungsrohres ausfüllt.These Task is at a Stirling cooling device of the beginning mentioned type solved in that the displacer has a sealing tube in its interior, that of a front side goes out and in the at least one with the displacer housing connected sealing element is arranged, which has the cross section fills the sealing tube.

Mit dieser Ausgestaltung wird die Druckangriffsfläche auf der Stirnseite, von der das Dichtungsrohr ausgeht, um den Querschnitt des Dichtungsrohres vermindert. Ein Gasdruck, der auf diese Stirnseite wirkt, wirkt zwar auf die Druckangriffsfläche, so dass das Gas den Ver dränger verschiebt. Es wirkt auch auf das Dichtungselement, das sich jedoch nicht bewegen kann, weil es mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist. Dementsprechend muss man bei der Bewegung des Verdrängers das Dichtungselement nicht mit bewegen. Die bewegte Masse wird also klein gehalten, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt. Der Querschnitt des Dichtungsrohres ist so dimensioniert, dass sich zusammen mit den Strömungsverhältnissen im Übrigen die gewünschte Phasenverschiebung zwischen der Bewegung des Verdrängers und dem Druckimpuls ergibt. Die Druckimpulse können, wie bisher auch, von einer Kolbenpumpe erzeugt werden, die in diesem Fall als Antriebseinrichtung dient. Andere Antriebseinrichtungen sind natürlich möglich. Durch das Zusammenwirken von Dichtungselement und Dichtungsrohr kann das Verdrängerelement auch geführt werden. Dementsprechend kann man auch von einem ”Führungselement” und von einem ”Führungsrohr” sprechen oder einfach nur von ”Element” und ”Rohr”.With This configuration, the pressure application area on the Front side from which the sealing tube goes out to the cross section of the sealing tube is reduced. A gas pressure acting on this face, Although acts on the pressure application surface, so that the gas moves the displacer. It also acts on the sealing element, however, it can not move because it is connected to the displacer housing is. Accordingly, one must be in the movement of the displacer do not move the sealing element. The moving mass is so small held, which has a positive effect on the efficiency. The cross section of the sealing tube is dimensioned so that together with the flow conditions by the way the desired phase shift between the movement of the displacer and the pressure pulse. The pressure pulses can, as before, generated by a piston pump be used, which serves as a drive device in this case. Other Drive devices are of course possible. Through the interaction of sealing element and sealing tube the displacer can also be guided. Accordingly one can also of a "guidance element" and speak of a "guide tube" or just from "element" and "pipe".

Vorzugsweise weist das Dichtungsrohr in einem Abschnitt auf der von der Stirnseite abgewandten Seite des Dichtungselements eine Verbindung zu einem im Verdränger angeordneten Hohlraum auf. Das Dichtungselement lässt zwar eine Bewegung des Verdrängers zu, d. h. es wird das Dichtungsrohr nicht gasdicht verschließen. Andererseits darf aber eine schnelle Druckfortpflanzung zwischen dem Dichtungselement und dem Dichtungsrohr nicht erfolgen, um die gewünschte Phasenverschiebung bei der Bewegung des Verdrängerelements zu erhalten. Dies führt dazu, dass das Gas in dem Abschnitt des Dichtungsrohres, der vom Dichtungselement verschlossen ist, komprimiert werden muss, wenn sich dieses Volumen verringert. Das Gas muss expandieren, wenn sich das Volumen vergrößert. Wenn man nun einen Hohlraum sozusagen als zusätzlichen Puffer vorsieht, dann sind die Druckänderungen, die mit der Veränderung des Volumens verbunden sind, nicht mehr so groß, weil der Hohlraum als Puffer wirkt. Je kleiner die Druckänderungen in diesem Volumen sind, desto weniger zusätzliche Energie muss die Antriebseinrichtung aufbringen und desto besser ist der Wirkungsgrad.Preferably points the sealing tube in a section on the front side opposite side of the sealing element connects to a arranged in the displacer cavity. The sealing element Although allows a movement of the displacer, d. H. it will not seal the sealing tube gas-tight. On the other hand, however, a fast pressure propagation between the sealing element and the sealing tube does not take place to the desired phase shift during the movement of the displacer element to obtain. This causes the gas in the section the sealing tube, which is closed by the sealing element, must be compressed as this volume decreases. The Gas needs to expand as the volume increases. If you now have a cavity as an additional Buffers, then the pressure changes with the Change in volume are connected, not so big, because the cavity acts as a buffer. The smaller the Pressure changes in this volume are the less additional Energy has to apply the drive device and the better the efficiency.

Hierbei ist bevorzugt, dass der Hohlraum das Dichtungsrohr umgibt. Damit steht in Umfangsrichtung ein relativ großes Volumen zur Verfügung, das dann einen ausreichend großen Puffer bildet.in this connection it is preferred that the cavity surround the sealing tube. In order to is in the circumferential direction a relatively large volume Available, then a sufficiently large buffer forms.

Auch ist von Vorteil, wenn sich der Hohlraum über die gesamte Länge des Dichtungsrohres erstreckt. Damit ist praktisch der gesamte Innenraum des Verdrängers als Hohlraum ausgebildet, der nur vom Dichtungsrohr unterbrochen ist. Damit steht sozusagen das maximale Puffervolumen zur Verfügung.Also is advantageous when the cavity over the entire Length of the sealing tube extends. This is handy the entire interior of the displacer is formed as a cavity, which is only interrupted by the sealing tube. This is, so to speak the maximum buffer volume available.

Vorzugsweise ist das Dichtungselement an einem Federdraht gehalten, der mit dem Verdrängergehäuse verbunden ist. Ein Federdraht hat eine relativ große Steifigkeit parallel zu seiner Längserstreckung. Das Dichtungselement wird also mit der notwendigen Zuverlässigkeit an dem Ort entlang der Verdrängerachse gehalten, wo es ursprünglich positioniert ist. Andererseits hat der Federdraht eine relativ geringe Steifigkeit quer zu seiner Längserstreckung. Damit ist es möglich, dass der Verdränger sich im Verdrängergehäuse praktisch ohne radialen Einfluss des Dichtungselements positionieren kann. Damit kann die Reibung zwischen dem Dichtungsele ment und dem Dichtungsrohr klein gehalten werden, was sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt.Preferably, the sealing element is held on a spring wire, which is connected to the displacer housing. A spring wire has a relatively high rigidity parallel to its longitudinal extent packaging. Thus, the sealing member is held with the necessary reliability at the location along the displacer axis where it is originally positioned. On the other hand, the spring wire has a relatively low rigidity transverse to its longitudinal extent. This makes it possible for the displacer to be able to position itself in the displacer housing with virtually no radial influence of the sealing element. Thus, the friction between the Dichtungsele element and the sealing tube can be kept small, which in turn has a positive effect on the efficiency.

Vorzugsweise sind auf dem Federdraht in Richtung der Verdrängerachse hintereinander mindestens zwei Dichtungselemente angeordnet. Damit man eine ausreichende Gasdichtigkeit zwischen dem Dichtungselement und dem Dichtungsrohr bekommt, kann man nur eine relativ kleine Toleranz akzeptieren. Bei einem Dichtungselement beträgt diese Toleranz beispielsweise 5 bis 10 μm. Wenn man zwei Dichtungselemente verwendet, dann kann man auch eine Toleranz von 10 bis 15 μm akzeptieren, ohne die Dichtigkeit zu verschlechtern. Mit zwei oder mehr Dichtungselementen wird also die Fertigung vereinfacht.Preferably are on the spring wire in the direction of the displacement axis at least two sealing elements arranged one behind the other. With it a sufficient gas tightness between the sealing element and gets the sealing tube, you can only a relatively small tolerance accept. For a sealing element, this tolerance is for example, 5 to 10 microns. If you have two sealing elements used, then you can also have a tolerance of 10 to 15 microns accept without worsening the tightness. With two or more sealing elements so the production is simplified.

Bevorzugterweise ist der Federdraht durch eine Resonanzfederanordnung hindurchgeführt. Da das Dichtungselement nur an einem relativ dünnen Federdraht gehalten ist, benötigt man praktisch keinen zusätzlichen Bauraum, so dass an der Stirnseite, an der der Federdraht in den Verdränger hineinragt, auch die Resonanzfederanordnung angeordnet sein kann. Die gegenüberliegende Stirnseite kann dann ausschließlich dazu verwendet werden, einen Expansionsraum für das Gas zu expandieren oder zu komprimieren.preferably, the spring wire is passed through a resonant spring arrangement. Since the sealing element only on a relatively thin spring wire is held, you need virtually no additional Installation space, so that at the front side, at which the spring wire in the Displacer protrudes, including the Resonanzfederanordnung can be arranged. The opposite front side can then be used exclusively to an expansion space for the gas to expand or compress.

Vorzugsweise weist die Resonanzfederanordnung eine im Ruhezustand ebene Feder auf, die über einen Hohlniet mit dem Verdränger verbunden ist. Der Hohlniet gestattet ohne größere Probleme, dass der Federdraht durch die Resonanzfederanordnung hindurchgeführt wird. Er stellt eine ausreichende Verbindung zwischen der Feder und dem Verdränger sicher. Er lässt sich auf einfache Weise in den Verdränger einbringen und dort befestigen, beispielsweise durch Einpressen.Preferably The resonance spring arrangement has a spring which is flat when at rest up, over a rivet with the displacer connected is. The rivet allows without larger Problems that the spring wire passed through the resonant spring assembly becomes. He makes a sufficient connection between the spring and the displacer for sure. He settles in a simple way bring in the displacer and fasten there, for example by pressing.

Vorzugsweise ist das Dichtungselement als Kugel ausgebildet. Kugeln stehen mit einer hohen Genauigkeit zur Verfügung, beispielsweise aus der Produktion von Kugellagern. Sie sind preisgünstig und lassen sich leicht montieren. Eine exakt mittige Positionierung der Kugel auf dem Federdraht ist im Übrigen nicht erforderlich, weil der Federdraht in geringem Maße seitlich ausweichen kann.Preferably the sealing element is designed as a ball. Bullets are available a high accuracy available, for example the production of ball bearings. They are cheap and can be easily mounted. An exactly central positioning the ball on the spring wire is otherwise not required because the spring wire to avoid a small extent laterally can.

Vorzugsweise ist das Dichtungsrohr aus einem Kunststoff gebildet. Wenn die Kugel oder ein anderes Dichtungselement aus Metall, beispielsweise Stahl, gebildet ist, dann kann man mit einem geeigneten Kunststoff dafür sorgen, dass die Reibung zwischen dem Dichtungselement und dem Dichtungsrohr klein ist.Preferably the sealing tube is made of a plastic. If the ball or another sealing element made of metal, for example steel, is formed, then you can with a suitable plastic for it Ensure that the friction between the sealing element and the sealing tube is small.

Bevorzugterweise ist das Dichtungsrohr einstückig mit einem Korpus des Verdrängers ausgebildet. Dies hat mehrere Vorteile. Zum Einen ist die Gefahr klein, dass sich durch zusätzliche Verbindungsstellen zwischen dem Korpus und dem Dichtungsrohr Undichtigkeiten ergeben. Zum Anderen kann man den Korpus und das Dichtungsrohr gemeinsam fertigen, beispielsweise als Spritzgussteil.preferably, the sealing tube is integral with a body of the displacer educated. This has several advantages. One is the danger small, that is due to additional junctions between the body and the sealing tube leaks. On the other hand one can manufacture the body and the sealing tube together, for example as an injection molded part.

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

einzige Figur: eine schematische Schnittansicht einer Stirling-Kühleinrichtung.single Figure: a schematic sectional view of a Stirling cooling device.

Eine Stirling-Kühleinrichtung 1 weist eine Antriebseinrichtung 2 auf, die über eine Gasleitung 3 mit einer Verdrängereinheit 4 verbunden ist. Die Antriebseinrichtung 2, die Gasleitung 3 und die Verdrängereinheit 4 sind hermetisch gekapselt, so dass ein darin befindliches Gas auf einen gewissen Druck vorgespannt sein kann, beispielsweise 20 bis 30 bar.A Stirling cooling device 1 has a drive device 2 on, over a gas pipe 3 with a displacer unit 4 connected is. The drive device 2 , the gas pipe 3 and the displacer unit 4 are hermetically sealed, so that a gas therein can be biased to a certain pressure, for example 20 to 30 bar.

Die Antriebseinrichtung 2 ist als Kolbenpumpe ausgebildet. Die Antriebseinrichtung 2 weist in nicht näher dargestellter Weise zwei Kolben auf, die sich entlang einer Kolbenachse 5, die auf der Zeichenebene senkrecht steht, gegenphasig bewegen. Wenn sich die Kolben aufeinander zu bewegen, dann wird Gas von der Antriebseinrichtung 2 durch die Gasleitung 3 zur Verdrängereinheit 4 verdrängt. Wenn sich die Kolben voneinander weg bewegen, dann wird das Gas von der Verdrängereinheit 4 wieder zurückgesaugt.The drive device 2 is designed as a piston pump. The drive device 2 has in a manner not shown on two pistons extending along a piston axis 5 , which is perpendicular to the drawing plane, move in opposite phases. When the pistons move towards each other, then gas from the drive means 2 through the gas line 3 to the displacer unit 4 repressed. When the pistons move away from each other, then the gas from the displacer unit 4 sucked back again.

Die Verdrängereinheit 4 weist ein Verdrängergehäuse 6 auf, das durch eine Isolierplatte 7 geführt ist, wobei zwischen dem Verdrängergehäuse 6 und der Isolierplatte 7 ein Spalt 8 verbleibt, der durch Dichtungen 9, 10 verschlossen ist. Die Dichtungen 9, 10 haben gleichzeitig die Wirkung einer Feder, so dass das Verdrängergehäuse 6 federnd in der Isolierplatte 7 gelagert ist. Im Verdrängergehäuse 6 ist ein Verdränger 11 angeordnet, der in einer Laufbuchse 12 geführt ist. Die Laufbuchse 12 ist an einem Ende, das der Antriebseinrichtung 2 zugewandt ist, über einen Fuß 13 mit dem Verdrängergehäuse 6 verbunden. Der Fuß 13 weist in Umfangsrichtung verteilt mehrere Durchgänge 14 auf, durch die Gas strömen kann.The displacer unit 4 has a displacer housing 6 on top of that by an insulating plate 7 is guided, wherein between the displacer housing 6 and the insulating plate 7 A gap 8th which remains through seals 9 . 10 is closed. The seals 9 . 10 at the same time have the effect of a spring, so that the displacement housing 6 resilient in the insulating plate 7 is stored. In the displacer housing 6 is a displacer 11 arranged in a bushing 12 is guided. The bush 12 is at one end, that of the drive device 2 facing over a foot 13 with the displacer housing 6 connected. The foot 13 has several passages distributed in the circumferential direction 14 on, through which gas can flow.

In einem Zwischenraum zwischen dem Verdrängergehäuse 6 und der Laufbuchse 11 ist an dem der Antriebseinrichtung 2 benachbarten Ende ein erster innerer Wärmetauscher 15 und am anderen Ende ein zweiter innerer Wärmetauscher 16 angeordnet. Zwischen den beiden Wärmetauschern 15, 16 ist ein Regenerator 17 angeordnet.In a space between the Ver drängergehäuse 6 and the liner 11 is on the drive device 2 adjacent end a first inner heat exchanger 15 and at the other end a second inner heat exchanger 16 arranged. Between the two heat exchangers 15 . 16 is a regenerator 17 arranged.

Das Verdrängergehäuse 6 ragt auf beiden Seiten aus der Isolierplatte 7 hervor. Die Seite, die der Antriebseinrichtung 2 benachbart ist, wird als ”heiße Seite” bezeichnet. Die andere Seite wird als ”kalte Seite” bezeichnet. An der heißen Seite ist ein erster äußerer Wärmetauscher 18 angeordnet, der mit einem Ventilator 19 zusammenwirkt. An der kalten Seite ist ein zweiter äußerer Wärmetauscher 20 angeordnet, der mit einem Ventilator 21 zusammenwirkt.The displacer housing 6 protrudes from the insulating plate on both sides 7 out. The side, the drive device 2 is called "hot side". The other side is called the "cold side". On the hot side is a first outer heat exchanger 18 arranged with a fan 19 interacts. On the cold side is a second outer heat exchanger 20 arranged with a fan 21 interacts.

Der Verdränger 11 ist als Hohlkörper ausgebildet. Er weist einen Korpus 22 und einen Deckel 23 auf. Im Inneren des Verdrängers 11 ist ein Dichtungsrohr 24 angeordnet. Im Dichtungsrohr 24 ist ein Dichtungselement 25 angeordnet, das den Querschnitt des Dichtungsrohrs 24 ausfüllt. Das Dichtungselement 25 ist an einem Federdraht 26 gehalten, der mit einer Basis 27 des Verdrängergehäuses 6 verbunden ist. Man kann das Dichtungsrohr 24 auch als ”Führungsrohr” oder einfach als ”Rohr” bezeichnen und das Dichtungselement 25 als ”Element” oder ”Führungselement”.The displacer 11 is formed as a hollow body. He has a body 22 and a lid 23 on. Inside the repressor 11 is a sealing tube 24 arranged. In the sealing tube 24 is a sealing element 25 arranged, which is the cross section of the sealing tube 24 fills. The sealing element 25 is on a spring wire 26 kept that with a base 27 of the displacer housing 6 connected is. You can use the sealing tube 24 also referred to as a "guide tube" or simply as a "tube" and the sealing element 25 as an "element" or "guide element".

Der Verdränger 11 ist mit einer Resonanzfeder 28 verbunden. Die Resonanzfeder 28 ist in der dargestellten Ruhestellung als ebene Feder ausgebildet. Sie weist mehrere spiralförmig geführte Arme auf, die den Ver dränger 11 in Schwerkraftrichtung abstützen, eine Bewegung entlang einer Verdrängerachse 29 aber zulassen.The displacer 11 is with a resonance spring 28 connected. The resonance spring 28 is formed in the illustrated rest position as a flat spring. It has several spirally guided arms, the United dränger 11 supported in the direction of gravity, a movement along a displacement axis 29 but allow.

Der Federdraht hat eine relativ hohe Steifigkeit entlang der Verdrängerachse 29, aber eine relativ geringe Steifigkeit seitlich dazu. Dementsprechend kann sich der Verdränger 11 in der Laufbuchse 12 in eine energetisch günstige Position bewegen, ohne dass er von dem Federdraht 26 daran gehindert wird.The spring wire has a relatively high rigidity along the displacement axis 29 but a relatively low stiffness sideways. Accordingly, the displacer 11 in the bush 12 move in an energetically favorable position, without him from the spring wire 26 prevented from doing so.

Das Dichtungsrohr 24 weist auf der Seite des Dichtungselements 25, die von der Antriebseinrichtung 2 abgewandt ist, eine Öffnung 30 auf, mit der das Gasvolumen, das zwischen dem Dichtungselement 25, dem Dichtungsrohr 24 und dem Deckel 23 eingeschlossen ist, mit einem Hohlraum 31 in Verbindung steht, der bis auf das Dichtungsrohr 24 das komplette Innere des Verdrängers 11 ausfüllt.The sealing tube 24 points on the side of the sealing element 25 coming from the drive device 2 turned away, an opening 30 on, with the gas volume between the sealing element 25 , the sealing tube 24 and the lid 23 is enclosed, with a cavity 31 communicating, except for the sealing tube 24 the complete interior of the displacer 11 fills.

Der Hohlraum 31 bietet damit ein Ausweichvolumen oder einen Puffer für das Gas, das bei einer Bewegung des Verdrängers 11 nach links zwischen dem Deckel 23 und dem Dichtungselement 25 komprimiert wird. Da dieses Ausweichvolumen relativ groß ist, wird sich bei der Bewegung des Verdrängers 11 nach links im Inneren des Verdrängers 11 kein nennenswerter Druckanstieg ergeben. Die Gefahr, dass sich der Verdränger 11 radial aufweitet und dann eine zu starke Reibung zur Laufbuchse 12 entwickelt, ist daher praktisch vernachlässigbar klein. In gleicher Weise wird sich bei einer Bewegung des Verdrängers nach rechts (die Richtungsangaben beziehen sich auf die Darstellung der Figur) keine übermäßige Druckabsenkung ergeben, so dass der Verdränger in radi aler Richtung nicht eingeschnürt wird und ein Spalt zwischen dem Verdränger 11 und der Laufbuchse 12 nicht zu groß wird.The cavity 31 thus offers an evasive volume or a buffer for the gas, which occurs during a movement of the displacer 11 to the left between the lid 23 and the sealing element 25 is compressed. Since this evasive volume is relatively large, the movement of the displacer will increase 11 to the left inside the displacer 11 no appreciable increase in pressure. The danger that the displacer 11 radially expands and then too strong friction to the liner 12 developed, is therefore practically negligible small. Similarly, in a movement of the displacer to the right (the directional information refers to the representation of the figure) will not result in excessive pressure drop, so that the displacer is not constricted in radial direction aler and a gap between the displacer 11 and the liner 12 not too big.

Die Resonanzfeder 28 ist über einen Hohlniet 32 mit dem Verdränger 11 verbunden. Der Hohlniet 32 ist einfach durch die Resonanzfeder 28 hindurchgeführt und in den Verdränger eingepresst. Das Dichtungsrohr 24 weist hierzu eine kleine Ausweitung auf, die aber ein Untermaß gegenüber dem Durchmesser des Hohlniets 32 hat.The resonance spring 28 is over a rivet 32 with the displacer 11 connected. The rivet 32 is easy by the resonance spring 28 passed and pressed into the displacer. The sealing tube 24 has a small expansion, but an undersize compared to the diameter of the hollow rivet 32 Has.

Durch den Hohlniet 32 hindurchgeführt ist der Federdraht 26. Dementsprechend bleibt die andere Stirnseite des Verdrängers 11, an der der Deckel 23 angeordnet ist, frei, um einen Expansionsraum 33 zu begrenzen. Die Stirnseite, die den Expansionsraum 33 begrenzt, bildet eine Druckangriffsfläche, die um den Querschnitt des Dichtungselements 25 größer ist als die Druckangriffsfläche an der gegenüberliegenden Stirnseite.Through the hollow rivet 32 passed through is the spring wire 26 , Accordingly, the other end face of the displacer remains 11 at the lid 23 is arranged, free to an expansion room 33 to limit. The front side, the expansion space 33 limited forms a pressure application surface, which is around the cross section of the sealing element 25 larger than the pressure application area on the opposite end face.

Die Stirling-Kühleinrichtung arbeitet nach dem Stirling-Prozess. Der Stirling-Prozess ist im Idealfall ein Kreisprozess, der zwei isochore und zwei isotherme Zustandsänderungen des Gases aufweist.The Stirling cooling system works according to the Stirling process. The Stirling process is ideally a cycle process, the two Isochore and two isothermal state changes of the gas having.

Wenn Gas von der Antriebseinrichtung 2 durch die Gasleitung 3 zur Verdrängereinheit 4 gefördert wird, dann tritt dieses Gas durch den ersten Wärmetauscher 15, den Regenerator 17 und den zweiten Wärmetauscher 16 hindurch und gelangt in den Expansionsraum 33. Beim Durchlaufen des Regenerators 17 gibt das Gas Wärme ab. Das Volumen bleibt gleich. Die Temperatur sinkt (erste isochore Zustandsänderung). Auf beiden Seiten des Verdrän gers 11 herrscht der gleiche Druck. Da die Druckangriffsfläche im Expansionsraum 33 aber größer ist als am anderen Ende, wird der Verdränger 11 gegen die Kraft der Resonanzfeder 28 nach links verschoben.When gas from the drive device 2 through the gas line 3 to the displacer unit 4 is promoted, then this gas passes through the first heat exchanger 15 , the regenerator 17 and the second heat exchanger 16 through and enters the expansion area 33 , When going through the regenerator 17 the gas gives off heat. The volume remains the same. The temperature drops (first isochoric change of state). On both sides of the predatory gers 11 the same pressure prevails. Because the pressure application area in the expansion space 33 but greater than at the other end, becomes the displacer 11 against the force of the resonance spring 28 moved to the left.

Im Expansionsraum 33 nimmt das Gas Wärme auf. Sein Volumen vergrößert sich bei konstanter Temperatur, so dass der Verdränger 11 nach links bewegt wird (erste isotherme Zustandsänderung).In the expansion room 33 the gas absorbs heat. Its volume increases at a constant temperature, allowing the displacer 11 is moved to the left (first isothermal state change).

Der Verdränger 11 bewegt sich dann unter der Wirkung der Resonanzfeder 28 wieder nach rechts und verdrängt das Gas aus dem Expansionsraum 33 durch den zweiten Wärmetauscher 16, den Regenerator 17 und den Wärmetauscher 15 auf die heiße Seite. Beim Durchströmen des Regenerators 17 nimmt das Gas weitere Wärme auf. Sein Volumen bleibt gleich. Die Temperatur steigt (zweite isochore Zustandsänderung). Auf der heißen Seite gibt das Gas bei gleich bleibender Temperatur unter Abnahme seines Volumens Wärme an die Umgebung ab (zweite isotherme Zustandsänderung). Die notwendige Antriebsleistung wird von der Antriebseinrichtung 2 in Form von Druckimpulsen zur Verfügung gestellt.The displacer 11 then moves under the action of the resonance spring 28 back to the right and displaces the gas from the expansion room 33 through the second heat exchanger 16 , the regenerator 17 and the heat exchanger 15 on the hot side. When flowing through the regenerator 17 the gas absorbs more heat. Its volume remains the same. The temperature rises (second isochoric change of state). On the hot side, the gas releases heat to the environment at a constant temperature while decreasing its volume (second isothermal state change). The necessary drive power is provided by the drive device 2 provided in the form of pressure pulses.

Dadurch, dass das Gas, das zwischen dem Dichtungselement 25 und dem Deckel 23 angeordnet ist, nicht nennenswert komprimiert werden muss, setzt dieses Gas der Bewegung des Verdrängers 11 auch keinen größeren Widerstand entgegen.This causes the gas to be between the sealing element 25 and the lid 23 is arranged, does not need to be compressed appreciably, this gas sets the motion of the displacer 11 also no major resistance.

Das Dichtungselement 25 ist als Kugel ausgebildet, wie sie beispielsweise aus Kugellagern bekannt ist. Derartige Kugeln können mit einer relativ hohen Genauigkeit gefertigt werden und sind dennoch relativ preisgünstig zu haben. Der Federdraht 26 lässt eine kleine seitliche Ausweichbewegung des Verdrängers 11 in der Laufbuchse 12 zu.The sealing element 25 is designed as a ball, as it is known for example from ball bearings. Such balls can be manufactured with a relatively high accuracy and are still relatively inexpensive to have. The spring wire 26 leaves a small lateral evasive movement of the displacer 11 in the bush 12 to.

Man kann auf dem Federdraht 26 auch mehr als die eine dargestellte Kugel anordnen. Bei einer größeren Anzahl von Dichtungselementen 25 sinken die Anforderungen an die Genauigkeit. Auch andere Gestaltungen des Dichtungselements, etwa als Zylinder, sind möglich.You can on the spring wire 26 even more than arranging an illustrated ball. For a larger number of sealing elements 25 decrease the requirements for accuracy. Other configurations of the sealing element, such as cylinders, are possible.

Der Korpus 22 ist gemeinsam mit dem Dichtungsrohr 24 einstückig aus Kunststoff gebildet. Er kann beispielsweise als Spritzgussteil ausgebildet sein. Auch der Deckel 23 kann als Spritzgussteil aus Kunststoff gebildet sein. Es ist aber auch möglich, den Deckel 23 aus Metall zu bilden.The body 22 is in common with the sealing tube 24 formed in one piece from plastic. It may be formed, for example, as an injection molded part. Also the lid 23 can be formed as an injection molded plastic. But it is also possible the lid 23 made of metal.

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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 which is connected to the drive device and has a displacer movable in a displacer housing along a Verdrängerachse displacer having at its two end faces of different sized pressure application surfaces, characterized in that the Displacer ( 11 ) in its interior a sealing tube ( 24 ), that emanates from an end face and in which at least one with the displacer housing ( 6 ) connected sealing element ( 25 ) is arranged, which is the cross section of the sealing tube ( 24 ).

Cooling device according to claim 1, characterized in that the sealing tube ( 24 ) in a section on the side facing away from the end face of the sealing element ( 25 ) a connection ( 30 ) to one in the displacer ( 11 ) arranged cavity ( 31 ) having.

Cooling device according to claim 2, characterized in that the cavity ( 31 ) the sealing tube ( 24 ) surrounds.

Cooling device according to claim 2 or 3, characterized in that the cavity ( 31 ) over the entire length of the sealing tube ( 24 ).

Cooling device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sealing element ( 25 ) on a spring wire ( 26 ), which is connected to the displacer housing ( 6 ) connected is.

Cooling device according to claim 5, characterized in that on the spring wire ( 26 ) in the direction of the displacer axis ( 29 ) at least two sealing elements are arranged.

Cooling device according to claim 5 or 6, characterized in that the spring wire ( 26 ) by a resonance spring arrangement ( 28 ) is passed.

Cooling device according to claim 7, characterized in that the resonance spring arrangement ( 28 ) has a flat spring at rest, which via a tubular rivet ( 32 ) with the displacer ( 11 ) connected is.

Cooling device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sealing element ( 25 ) is formed as a ball.

Cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the sealing tube ( 24 ) is formed of a plastic.

Cooling device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the sealing tube ( 24 ) in one piece with a body ( 22 ) of the displacer ( 11 ) is trained.