DE102009023977A1

DE102009023977A1 - Stirling cooler

Info

Publication number: DE102009023977A1
Application number: DE200910023977
Authority: DE
Inventors: Poul Erik Hansen; Ana Mari Tataru Kjaer; Klaus Reinwand
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010139323A2; WO2010139323A3

Abstract

Es wird eine Stirling-Kühleinrichtung angegeben mit einer Antriebseinrichtung (2), die ein Gehäuse (47-49) und mindestens einen von einem Linearmotor (8, 9) entlang einer Kolbenachse (7) angetriebenen Kolben (5, 6) in einem Zylinder (29) aufweist, und einer Verdrängereinheit, die mit der Antriebseinrichtung (2) über eine gasführende Verbindung (24) verbunden ist und mindestens einen Verdränger aufweist, der in einem Verdrängergehäuse entlang einer Verdrängerachse bewegbar ist, wobei der Linearmotor (8, 9) einen mit dem Kolben (5, 6) verbundenen Anker (10, 11), der zwischen einem Innenstator (31) und einem Außenstator (32) angeordnet ist, und eine Spulenanordnung (35, 35') aufweist.
Man möchte einen guten Wirkungsgrad erzielen können.
Hierzu ist vorgesehen, dass die Spulenanordnung (35, 35') in Radialrichtung innerhalb des Ankers (10, 11) angeordnet ist.A Stirling cooling device is specified with a drive device (2) which has a housing (47-49) and at least one piston (5, 6) driven by a linear motor (8, 9) along a piston axis (7) in a cylinder ( 29), and a displacer unit, which is connected to the drive device (2) via a gas-conducting connection (24) and has at least one displacer which is movable in a Verdrängergehäuse along a Verdrängerachse, wherein the linear motor (8, 9) with a the armature (10, 11) connected to the piston (5, 6), which is arranged between an inner stator (31) and an outer stator (32), and a coil arrangement (35, 35 ').
One would like to be able to achieve a good efficiency.
For this purpose, it is provided that the coil arrangement (35, 35 ') is arranged in the radial direction within the armature (10, 11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kühleinrichtung mit einer Antriebseinrichtung, die ein Gehäuse und mindestens einen von einem Linearmotor entlang einer Kolbenachse angetriebenen Kolben in einem Zylinder aufweist, und einer Verdrängereinheit, die mit der Antriebseinrichtung über eine Gas führende Verbindung verbunden ist und mindestens einen Verdränger aufweist, der in einem Verdrängergehäuse entlang einer Verdrängerachse bewegbar ist, wobei der Linearmotor einen mit dem Kolben verbundenen Anker, der zwischen einem Innenstator und einem Außenstator angeordnet ist, und eine Spulenanordnung aufweist.The The invention relates to a Stirling cooling device with a Drive device comprising a housing and at least one piston driven by a linear motor along a piston axis in a cylinder, and a displacer unit, the with the drive device via a gas leading Connection is connected and at least one displacer having, in a Verdrängergehäuse along a displacer axis is movable, wherein the linear motor an armature connected to the piston, between an inner stator and an external stator, and a coil assembly having.

Eine derartige Stirling-Kühleinrichtung ist beispielsweise aus EP 1 348 918 A1 bekannt.Such a Stirling cooling device is made, for example EP 1 348 918 A1 known.

Eine Kühleinrichtung, die nach dem Stirling-Prinzip arbeitet, hat ein relativ gutes Verhältnis von erreichba rer Kälteleistung und Masse. Sie ist daher von der Bauart her gut geeignet für mobile Anwendungen.A Cooling device that works according to the Stirling principle, has a relatively good ratio of achievable cooling capacity and mass. It is therefore well suited for the type of mobile applications.

Da man bei mobilen Anwendungen, beispielsweise einer Kühleinrichtung für eine tragbare Kühlbox, aber auch den Energievorrat mit bewegen muss, ist man in besonderem Maße darauf angewiesen, dass die Kühleinrichtung einen guten Wirkungsgrad hat. Der gute Wirkungsgrad ist natürlich auch bei stationären Anwendungen ein Ziel.There one in mobile applications, such as a cooling device for a portable cooler, but also the energy supply to move with, one is particularly dependent on that the cooling device has a good efficiency. The good efficiency is of course also for stationary Applications a goal.

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 die Spulenanordnung in Radialrichtung innerhalb des Ankers angeordnet ist.These Task is at a Stirling cooling device of the beginning mentioned type solved in that the coil assembly is arranged in the radial direction within the armature.

Die Anordnung der Spulenanordnung in Radialrichtung innerhalb des Ankers hat zur Folge, dass man die Länge der Leiter, durch die der Strom innerhalb der Spulenanordnung fließt, kürzer halten kann. Dies hat zwei Vorteile. Zum Einen benötigt man weniger Kupfer, kann also Masse einsparen. Zum Anderen hat man bei gleicher Stromstärke geringere Ohm'sche Verluste. Innerhalb des Ankers steht genügend Platz zur Verfügung, so dass man die Spulenanordnung auch mit einem relativ großen Leitungsquerschnitt ausbilden kann, so dass der Strom mit ausreichender Stromstärke hindurch geschickt werden kann. Der Strom erzeugt also ein Magnetfeld, das die notwendigen Kräfte für die Bewegung des Kolbens erzeugen kann. Der Anker, der üblicherweise mit Permanent magneten versehen ist, liegt auf einem relativ großen Radius, so dass man relativ viel Kraft erzeugen kann.The Arrangement of the coil arrangement in the radial direction within the armature As a result, you have the length of the ladder through which the current within the coil assembly flows, shorter can hold. This has two advantages. For one thing needed less copper, so you can save mass. On the other hand you have at the same current intensity, lower ohmic losses. Within the anchor has enough space, so that the coil arrangement with a relatively large Conductor cross-section can form, so that the current with sufficient Amperage can be sent through. The electricity is generated So a magnetic field that provides the necessary forces for can generate the movement of the piston. The anchor, usually is provided with permanent magnets, lies on a relatively large Radius, so that one can generate relatively much force.

Vorzugsweise ist die Spulenanordnung im Innenstator aufgenommen. Die Spulenanordnung wird also vom Innenstator mechanisch gehalten. Damit erzielt man eine gute Ankopplung des von der Spulenanordnung erzeugten Magnetfeldes an den Innenstator und damit einen guten Wirkungsgrad.Preferably the coil assembly is received in the inner stator. The coil arrangement becomes So mechanically held by the inner stator. This one achieves one good coupling of the magnetic field generated by the coil assembly to the inner stator and thus a good efficiency.

Vorzugsweise ist der Innenstator aus zwei Teilen zusammengesetzt, die entlang der Kolbenachse hintereinander angeordnet sind. Dies erleichtert die Fertigung. Es ist auf einfache Weise möglich, die Spulenanordnung in den Innenstator zu integrieren. Hierzu muss lediglich mindestens eines der beiden Teile, aus denen der Innenstator zusammengesetzt ist, eine Ausnehmung aufweisen, in der die Spulenanordnung angeordnet werden kann. Das andere Teil wirkt dann als eine Art Deckel. Selbstverständlich ist es auch möglich, beide Teile mit Ausnehmungen zu versehen, die dann zusammen einen Hohlraum bilden, in dem man die Spulenanordnung unterbringen kann.Preferably The inner stator is composed of two parts that go along the piston axis are arranged one behind the other. This facilitates the Production. It is easily possible, the coil assembly to integrate into the inner stator. For this only needs at least one of the two parts that make up the inner stator, have a recess in which arranged the coil assembly can be. The other part then acts as a kind of cover. Of course it is also possible to provide both parts with recesses, which then together form a cavity in which the coil assembly can accommodate.

Hierbei ist bevorzugt, dass die beiden Teile gleich ausgebildet sind. Dies erleichtert die Fertigung. Man muss die beiden Teile dann nur mit entgegen gesetzter Orientierung zusammensetzen, um die notwendige Ausnehmung für die Spulenanordnung zu schaffen. Unter Umständen kann es erforderlich werden, die beiden Teile um die Kolbenachse noch um 180° zueinander zu verdrehen, beispielsweise dann, wenn die beiden Teile Öffnungen für die Durchführung von elektrischen Anschlüssen aufweisen.in this connection It is preferred that the two parts are identical. This facilitates the production. You have to use the two parts then only in the opposite direction to the necessary To provide recess for the coil assembly. In certain circumstances It may be necessary to have the two parts around the piston axis still to twist 180 ° to each other, for example, then if the two parts openings for carrying having electrical connections.

Vorzugsweise ist der Innenstator und/oder der Außenstator als Sinterelement ausgebildet. Ein Sinterteil ist zwar relativ teuer in der Herstellung. Durch die Verwendung eines Sinterteils oder Sinterelements ergibt sich aber eine gute Platzausnutzung und ein guter magnetischer Fluss. Man ist auch in der Formgebung der Sinterteile oder Sinterelemente freier, so dass man in gewissen Grenzen nahezu beliebige Formen realisieren kann.Preferably is the inner stator and / or the outer stator as a sintered element educated. A sintered part is relatively expensive to produce. By the use of a sintered or sintered element results but a good space utilization and a good magnetic flux. It is also in the shape of the sintered parts or sintered elements free, so that you can almost any shapes within certain limits can realize.

Bevorzugterweise sind der Innenstator und das Gehäuse durch eine Fügeelementanordnung verbunden, die mindestens eine Umformzone aufweist. Die Fügeelementanordnung kann als Fügeelement beispielsweise einen Niet aufweisen, bei dem die Umformzone dann durch einen Schließkopf gebildet wird. Die Fügeelementanordnung kann auch durch einen Stift gebildet sein, der an einem Ende mit einem Kopf versehen ist. Auf diesen Stift kann dann am anderen Ende ein Ringelement gepresst werden. Wenn man die Verbindung durch Umformen eines Fügeelements erreichen kann, dann reicht es zum Herstellen der Verbindung aus, eine Axialkraft auf die Fügeelementanordnung auszuüben. Dies kann in einer einfachen Presse geschehen. Komplizierte Bewegungen zum Herstellen der Verbindung zwischen Gehäuse und Innenstator sind nicht erforderlich.preferably, the inner stator and the housing are connected by a joining element arrangement, having at least one forming zone. The joining element arrangement may have as a joining element, for example, a rivet, in which the forming zone is then formed by a closing head becomes. The joining element arrangement can also by a pin be formed, which is provided at one end with a head. On This pin can then pressed at the other end a ring element become. When you make the connection by reshaping a joining element reach, then it is enough to make the connection, exert an axial force on the joining element arrangement. This can be done in a simple press. Complicated movements for establishing the connection between housing and inner stator are not required.

Vorzugsweise ist das Fügeelement als elektrischer Leiter ausgebildet, der mit der Spulenanordnung verbunden ist. Das Fügeelement erfüllt dann eine zweite Aufgabe, nämlich die Leitung von elektrischem Strom zur Spulenanordnung. Wenn das Fügeelement durch das Gehäuse hindurch geführt worden ist, dann kann der elektrische Strom von außen zugeführt werden.Preferably the joining element is designed as an electrical conductor, which is connected to the coil assembly. The joining element then fulfills a second task, namely the Conduction of electrical current to the coil arrangement. When the joining element has been passed through the housing, then the electric current can be supplied from the outside become.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Fügeelementanordnung ein Fügeelement aufweist, das mit der Innenseite des Gehäuses verbunden ist. Man vermeidet dabei eine Durchbrechung des Gehäuses, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das im Innern der Kühleinrichtung aufgenommene Gas bereits auf einen gewissen Druck vorgespannt ist und/oder dieses Gas relativ kleine Moleküle aufweist, wie beispielsweise Helium. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn man alle unnötigen Öffnungen im Gehäuse vermeiden kann.alternative or additionally, it may be provided that the joining element arrangement a joining element which is connected to the inside of the housing is. This avoids an opening of the housing, which is particularly advantageous if the recorded in the interior of the cooling device Gas is already biased to a certain pressure and / or this Gas has relatively small molecules, such as Helium. In this case it is beneficial to have all the unnecessary openings in the case can avoid.

Vorzugsweise ist der Außenstator durch ein radial federndes Element axial im Gehäuse festgelegt. Ein radial federndes Element kann beispielsweise durch einen Sprengring oder eine Ringfeder gebildet sein. Das radial federnde Element kann sich an der Innenwand des Gehäuses verkeilen oder verkrallen. Man kann auch eine Nut in der Innenwand des Gehäuses vorsehen, in der das radial federnde Element angeordnet wird.Preferably is the outer stator by a radially resilient element axially fixed in the housing. A radially resilient element can be formed for example by a snap ring or a ring spring be. The radially resilient element may be on the inner wall of the Wedge housing or dig into it. You can also do one Provide groove in the inner wall of the housing in which the radially resilient element is arranged.

Vorzugsweise ist der Außenstator in Radialrichtung innen am Gehäuse abgestützt, wobei zwischen dem Außenstator und dem Gehäuse mindestens ein Kanal vorgesehen ist. Das Gehäuse hält den Außenstator also radial fest. Da bei der Hin- und Herbewegung des Ankers aber ein bestimmtes Gasvolumen aus dem Spalt zwischen dem Innenstator und dem Außenstator, in dem sich der Anker bewegt, verdrängt werden muss, ist mindestens ein Kanal vorgesehen, durch den das verdrängte Gas axial am Außenstator vorbei strömen kann, um in einen Bereich zwischen dem Linearmotor und dem Kolben zu gelangen. Dort steht ein ausreichend großer Pufferraum zur Verfügung, in den das Gas eintreten kann, ohne den Druck nennenswert zu erhöhen. Die Bewegung des Ankers wird also nicht durch ein Gaspolster behindert.Preferably is the outer stator in the radial direction inside the housing supported, being between the outer stator and the housing is provided at least one channel. The housing holds the outer stator so radially fixed. There at the float's reciprocation but a certain volume of gas from the gap between the inner stator and the outer stator, in which the anchor is moving, must be displaced is provided at least one channel through which the displaced Gas can flow axially past the outer stator, to get into an area between the linear motor and the piston. There is a sufficiently large buffer space available, into which the gas can enter without appreciably increasing the pressure. The movement of the anchor is thus not hindered by a gas cushion.

Vorzugsweise ist mindestens ein Abschnitt des Kanals durch eine Nut am Außenstator gebildet. Man kann eine derartige Nut ohne Probleme vorsehen, ohne den Magnetfluss durch den Außenstator übermäßig zu behindern. Die Anordnung einer Nut im Außenstator ist in vielen Fällen einfacher, als das Gehäuse entsprechend umzuformen.Preferably is at least a portion of the channel through a groove on the outer stator educated. One can provide such a groove without problems, without the magnetic flux through the outside stator excessively to hinder. The arrangement of a groove in the outer stator is in many cases easier than the housing accordingly reshape.

Vorzugsweise ist mindestens ein Abschnitt des Kanals durch eine Ausformung einer Stirnseite des Gehäuses gebildet. Auch hier hat man dann einen Pfad zur Verfügung, durch den das Gas verdrängt werden kann, das durch die Bewegung des Ankers im Spalt heraus gedrückt wird. In der Stirnseite des Gehäuses lässt sich eine Ausformung insbesondere dann auf einfache Weise herstellen, wenn das Gehäuse jedenfalls in diesem Bereich als Tiefziehteil aus Blech gebildet ist. Beim Tiefziehen (oder einer anderen Umformart) kann man dann die Ausformungen gleich mit bilden.Preferably is at least a portion of the channel by a molding of a Formed front side of the housing. Here, too, you have one a path through which the gas displaces which is pushed out by the movement of the anchor in the gap becomes. In the front of the case can be in particular, to produce a molding in a simple manner, if the case at least in this area as a deep-drawn part made of sheet metal. In thermoforming (or another type of forming) can you then form the formations with the same.

Vorzugsweise ist der Anker als Zylinder mit einer Bodenwand ausgebildet, wobei in der Bodenwand mindestens eine Durchgangsöffnung angeordnet ist. Mit der Bodenwand erhält der zylinderförmige Anker eine relativ große mechanische Stabilität. In der Bodenwand werden dann auch die Befestigungsmittel angeordnet, mit denen der Anker mit dem Kolben verbunden ist. Dadurch, dass man in der Bodenwand mindestens eine Durchgangsöffnung, in der Regel mehrere Durchgangsöffnungen, vorsieht, ist auch hier eine Möglichkeit geschaffen, dass das Gas, das zwischen dem Anker und dem Innenstator eingeschlossen ist, bei einer Bewegung des Ankers entweichen oder nachströmen kann. Man vermeidet also auch hier die Ausbildung eines Druckpolsters oder eines Unterdrucks, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt, weil der Anker bei seiner Bewegung keine zusätzlichen Kräfte aufbringen muss.Preferably the anchor is designed as a cylinder with a bottom wall, wherein arranged in the bottom wall at least one passage opening is. With the bottom wall receives the cylindrical anchor a relatively high mechanical stability. In the Bottom wall then the fasteners are arranged, with where the armature is connected to the piston. By doing that in the bottom wall at least one passage opening, in The rule also provides several passages, is also here created a way that the gas between the anchor and the inner stator is included, in one movement escape the armature or can flow. So you avoid it Again, the formation of a pressure pad or a negative pressure, which has a positive effect on the efficiency, because the anchor at no additional forces to his movement got to.

Vorzugsweise weist die Antriebseinrichtung zwei in einem gemeinsamen Zylinder angeordnete Kolben auf, von denen jeder durch einen Linearmotor bewegbar ist. Die beiden Linearmotoren arbeiten dann im Gegentakt. Die beiden Kolben werden also gleichzeitig aufeinander zu oder voneinander weg bewegt. Da man zwei Kolben hat, muss jeder Kolben nur die halbe Gasmenge fördern. Dementsprechend benötigt man auch nur die halbe Hub-Amplitude und die Hälfte der elektromotorischen Kraft in jedem Linearmotor. Dadurch lässt sich die Baugröße der Linearmotoren klein halten, was sich wiederum positiv auf die Baugröße der gesamten Antriebseinrichtung auswirkt.Preferably has the drive device two in a common cylinder arranged pistons, each of which is movable by a linear motor is. The two linear motors then work in push-pull. The two Pistons are thus at the same time to each other or from each other moved away. Since you have two pistons, each piston needs only half Promote gas volume. Accordingly, you need even half the stroke amplitude and half of the electromotive Power in every linear motor. This allows the size keep the linear motors small, which in turn has a positive effect on the Size of the entire drive device affects.

Vorzugsweise sind die Spulenanordnungen der beiden Linearmotoren so angeordnet, dass sie bei gleicher Strombeaufschlagung entgegen gesetzte Wirkungen zeigen. Dies lässt sich im einfachsten Fall dadurch bewirken, dass die Spulenanordnungen gegensinnig von Strom durchflossen sind. In diesem Fall ergibt sich die gegensinnige Bewegung der beiden Kolben automatisch, wenn beide Spu lenanordnungen mit dem gleichen Stromanschluss verbunden sind.Preferably the coil arrangements of the two linear motors are arranged that they have opposite effects when the same current is applied demonstrate. This can be done in the simplest case by that the coil assemblies are in opposite directions flowing through current. In this case, the opposite movement of the two results Piston automatically when both Spu lenanordnungen with the same Power connection are connected.

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

1 einen schematischen Querschnitt durch eine Stirling-Kühleinrichtung, 1 a schematic cross section through a Stirling cooling device,

2 einen Teilschnitt II-II nach 1 und 2 a partial section II-II after 1 and

3 eine perspektivische Darstellung einer abgewandelten Ausgestaltung, teilweise im Schnitt. 3 a perspective view of a modified embodiment, partially in section.

Eine Stirling-Kühleinrichtung 1 weist eine Antriebseinheit 2 und ein Kühleinrichtung 3 auf. Die Antriebseinheit 2 weist im vorliegenden Fall einen Zylinder 4 auf, in dem zwei Kolben 5, 6 angeordnet sind. Die beiden Kolben 5, 6 sind gegenphasig entlang einer Kolbenachse 7 bewegbar. Ihr Antrieb erfolgt über Elektromagnete 8, 9, die auf Anker 10, 11 wirken, die wiederum über Kolbenstangen 12, 13 mit den Kolben 5, 6 verbunden sind. Die Kolbenachse 7 verläuft in 2 von links nach rechts und in 1 senkrecht zur Zeichenebene.A Stirling cooling device 1 has a drive unit 2 and a cooling device 3 on. The drive unit 2 has in the present case a cylinder 4 on, in which two pistons 5 . 6 are arranged. The two pistons 5 . 6 are out of phase along a piston axis 7 movable. They are driven by electromagnets 8th . 9 on anchor 10 . 11 act, in turn, via piston rods 12 . 13 with the pistons 5 . 6 are connected. The piston axis 7 runs in 2 from left to right and in 1 perpendicular to the drawing plane.

Die Kühleinrichtung 3 weist einen Verdränger 14 auf, der in einem Verdrängergehäuse 15 entlang einer Verdrängerachse 16 bewegbar ist. Der Verdränger 15 und die Kolben 5, 6 sind nicht mechanisch miteinander gekoppelt. Sie arbeiten mit einer Phasenverschiebung von etwa 90° zueinander.The cooling device 3 has a displacer 14 on, in a displacement housing 15 along a displacer axis 16 is movable. The displacer 15 and the pistons 5 . 6 are not mechanically linked. They work with a phase shift of about 90 ° to each other.

Das Verdrängergehäuse 15 ist durch eine Isolierwand 17 geführt. Es ragt auf beiden Seiten aus der Isolierwand 17 heraus. Hierbei wird die der Antriebseinheit 2 zugewandte Seite als ”warme Seite” und die auf der anderen Seite der Isolierwand 17 angeordnete Seite des Verdrängergehäuses 15 als ”kalte Seite” bezeichnet. An der warmen Seite ist ein erster Wärmetauscher 18 und an der kalten Seite ist ein zweiter Wärmetauscher 19 vorgesehen. Zwischen den beiden Wärmetauschern 18, 19 ist ein Regenerator 20 angeordnet. Die Wärmetauscher 18, 19 und der Regenerator 20 sind in einem Ringspalt angeordnet, der zwischen dem Verdrängergehäuse 15 und einer Laufbuchse 21 des Verdrängergehäuses 15 ausgebildet ist.The displacer housing 15 is through an insulating wall 17 guided. It protrudes from the insulating wall on both sides 17 out. Here, the drive unit 2 facing side as "warm side" and on the other side of the insulating wall 17 arranged side of the displacer housing 15 referred to as the "cold side". On the warm side is a first heat exchanger 18 and on the cold side is a second heat exchanger 19 intended. Between the two heat exchangers 18 . 19 is a regenerator 20 arranged. The heat exchangers 18 . 19 and the regenerator 20 are arranged in an annular gap between the displacer housing 15 and a liner 21 of the displacer housing 15 is trained.

Die beiden Wärmetauscher 18, 19 und der Regenerator 20 müssen allerdings nicht zwingend im Verdrängergehäuse 15 angeordnet sein, sofern auf andere Weise sicher gestellt ist, dass das Verdrängergehäuse 15 eine kalte Seite und eine warme Seite aufweist.The two heat exchangers 18 . 19 and the regenerator 20 However, they do not necessarily have to be in the displacer housing 15 be arranged, provided that in other ways it is ensured that the displacement housing 15 has a cold side and a warm side.

An der kalten Seite des Verdrängergehäuses 15 ist ein Kühlkörper 22 befestigt, wobei ein Ventilator 23 für einen Luftstrom durch den Kühlkörper 22 sorgt. Da der Kühlkörper 22 in Wärme leitender Verbindung mit der kalten Seite des Verdrängergehäuses 15 steht, wird über den Kühlkörper 22 Wärme an das Verdrängergehäuse 15 abgegeben und durch den Stirling-Prozess an die warme Seite des Verdrängergehäuses übertragen.On the cold side of the displacer housing 15 is a heat sink 22 attached, being a fan 23 for a flow of air through the heat sink 22 provides. Because the heat sink 22 in heat conductive connection with the cold side of the displacer housing 15 stands over the heat sink 22 Heat to the displacer housing 15 discharged and transferred by the Stirling process to the warm side of the displacer housing.

Das Verdrängergehäuse 15 und die Antriebseinheit 2 sind über eine Leitung 24 miteinander verbunden, wobei die Leitung 24 einen gekrümmten Abschnitt 25 aufweist. Die Leitung 24 mündet in eine Stirnseite des Verdrängergehäuses 15, die im Wesentlichen senkrecht auf der Verdrängerachse 16 steht. Die Leitung 24 mündet in die Antriebseinheit 2 in einem Bereich, der ausgehend von einem Scheitelpunkt 26 der Antriebseinheit 2 etwa 45° umfasst.The displacer housing 15 and the drive unit 2 are over a line 24 connected together, the line 24 a curved section 25 having. The administration 24 opens into an end face of the displacer housing 15 that is substantially perpendicular to the displacer axis 16 stands. The administration 24 flows into the drive unit 2 in an area starting from a vertex 26 the drive unit 2 about 45 °.

Auf der heißen Seite des Verdrängergehäuses 15 ist ein weiterer Kühlkörper 27 angeordnet, der mit einem Ventilator 28 verbunden ist. Der Ventilator 28 erzeugt einen Luftstrom durch den Kühlkörper 27, um Wärme, die mit Hilfe des Kühlaggregats 3 von der kalten Seite zur warmen Seite transportiert worden ist, zu führen.On the hot side of the displacer housing 15 is another heat sink 27 arranged with a fan 28 connected is. The ventilator 28 generates an air flow through the heat sink 27 to heat, with the help of the cooling unit 3 has been transported from the cold side to the warm side to guide.

Die beiden Linearantriebe 8, 9 sind spiegelbildlich gleich aufgebaut, wobei eine Mittelebene 30 als Symmetrieebene dient. Im Folgenden wird daher nur der Linearantrieb 8 näher erläutert. Der Linearantrieb 8 weist einen Innenstator 31 und einen Außenstator 32 auf. Zwischen dem Innenstator 31 und dem Außenstator 32 ist ein ringförmig umlaufender Spalt 33 vorgesehen, in den der Anker 10 eingesetzt ist. Der Anker 10 trägt im Spalt 33 Permanentmagnete 34.The two linear drives 8th . 9 are mirror images of the same, with a median plane 30 serves as a plane of symmetry. In the following, therefore, only the linear drive 8th explained in more detail. The linear drive 8th has an inner stator 31 and an outside stator 32 on. Between the inner stator 31 and the outside stator 32 is an annular circumferential gap 33 provided in the anchor 10 is used. The anchor 10 wears in the gap 33 permanent magnets 34 ,

Im Innenstator 31 ist eine Spulenanordnung 35 aufgenommen, d. h. der Innenstator 31 hält die Spulenanordnung 35 mechanisch fest. Gleichzeitig bildet der Innenstator 31 einen Pfad für den magnetischen Fluss, der von der Spulenanordnung 35 erzeugt wird, wenn Strom durch die Spulenanordnung 35 geleitet wird. Die Spulenordnung 35 weist hierzu zwei Anschlüsse 36, 37 auf. Die Spulenanordnung 35 wird so von Strom durchflossen, dass der durch den Anschluss 36 eintretende Strom in die Zei chenebene eintritt (bezogen auf die Darstellung der 2), und dann kreisförmig um die Kolbenachse 7 herum geführt wird. Würde man von rechts auf die Spulenanordnung 35 blicken, würde der Strom also entgegen dem Uhrzeiger fließen.In the inner stator 31 is a coil arrangement 35 received, ie the inner stator 31 holds the coil assembly 35 mechanically strong. At the same time the inner stator forms 31 a path for the magnetic flux coming from the coil assembly 35 is generated when current through the coil assembly 35 is directed. The coil order 35 has two connections for this purpose 36 . 37 on. The coil arrangement 35 is so traversed by electricity, that by the connection 36 incoming stream enters the row level (based on the representation of the 2 ), and then circular about the piston axis 7 is guided around. Would you right from the coil arrangement 35 look, the current would therefore flow counterclockwise.

Der Innenstator 31 ist aus zwei Teilen 38, 39 zusammengesetzt, die identisch ausgebildet sind. Um den Innenstator 31 zu bilden, wird eines der beiden Teile 38, 39 um 180° geklappt und um 180° bezogen auf die Kolbenachse 7 gedreht. Danach werden die beiden Teile 38, 39 zusammengesetzt und durch ein Fügeelement 40, auf das eine Scheibe 41 aufgepresst wird, miteinander in Axialrichtung verbunden. Das Fügeelement 40 ist auch mit dem Anschluss 37 der Spulenanordnung 35 verbunden.The inner stator 31 is from two parts 38 . 39 assembled, which are identical. Around the inner stator 31 to form one of the two parts 38 . 39 folded by 180 ° and by 180 ° relative to the piston axis 7 turned. After that, the two parts 38 . 39 assembled and by a joining element 40 on which a disc 41 is pressed together with each other in the axial direction. The joining element 40 is synonymous with the connection 37 the coil arrangement 35 connected.

Jedes der Teile 38, 39 weist eine ringförmige Ausnehmung 42, 43 auf. Wenn die beiden Teile 38, 39 zusammengesetzt worden sind, dann bilden die beiden Ausnehmungen 42, 43 einen ringförmigen Hohlraum, in dem man die Spulenanordnung 35 unterbringen kann. Jedes der beiden Teile 38, 39 weist eine radial innere Durchgangsöffnung 44 und eine radial äußere Durchgangsöffnung 45 in einer Stirnseite auf. Beide Durchgangsöffnungen 44, 45 sind durch eine Vertiefung 46 miteinander verbunden. Die innere Durchgangsöffnung 44 dient beim Teil 38 dazu, den Anschluss 37 hindurch zu führen. Die radial äußere Durchgangsöffnung 45 dient beim Teil 39 dazu, den Anschluss 36 hindurch zu führen.Each of the parts 38 . 39 has an annular recess 42 . 43 on. If the two parts 38 . 39 have been assembled, then form the two recesses 42 . 43 an annular Cavity in which the coil arrangement 35 can accommodate. Each of the two parts 38 . 39 has a radially inner passage opening 44 and a radially outer passage opening 45 in a front page. Both passage openings 44 . 45 are through a depression 46 connected with each other. The inner passage opening 44 serves at the part 38 to the connection 37 to lead through. The radially outer passage opening 45 serves at the part 39 to the connection 36 to lead through.

Beide Teile 38, 39 sind als Sinterelemente ausgebildet. Bei Sinterelementen hat man relativ große Freiheiten bei der Formgebung. Darüber hinaus hat Sintermaterial ohne größeren Zusatzaufwand in vielen Fällen eine gute magnetische Leitfähigkeit.Both parts 38 . 39 are formed as sintered elements. With sintered elements, one has relatively great freedom in shaping. In addition, sintered material without much additional effort in many cases has a good magnetic conductivity.

Der Außenstator 32 kann ebenfalls als Sinterelement ausgebildet sein. Der Außenstator ist so ausgebildet, dass er sich radial innen an einem Gehäuseelement 47 abstützt. Das Gehäuseelement 47 bildet zusammen mit einem Gehäuseelement 48, das den anderen Linearantrieb 9 umgibt, und einem Ringelement 49, das die beiden Gehäuseelemente 47, 48 verbindet, das Gehäuse. Durch das Ringelement 49 sind die Leitung 24, die in den Zylinderblock 4 mündet und mit dem Zylinder 29 in Verbindung steht, und ein elektrischer Anschluss 50 geführt, der mit dem Anschluss 36 der Spulenanordnung 35 verbunden ist.The outside stator 32 may also be formed as a sintered element. The outer stator is formed so as to be radially inward on a housing member 47 supported. The housing element 47 forms together with a housing element 48 that the other linear actuator 9 surrounds, and a ring element 49 that the two housing elements 47 . 48 connects the housing. Through the ring element 49 are the lead 24 in the cylinder block 4 flows and with the cylinder 29 communicates, and an electrical connection 50 led, who with the connection 36 the coil arrangement 35 connected is.

Der Außenstator 32 ist in axialer Richtung durch ein radial federndes Element 58 im Gehäuseelement 47 gehalten. Das radial federnde Element kann als Ringfeder ausgebildet sein, die sich aufgrund ihrer Federkraft an der Innenwand des Gehäuseelements 47 verkrallt. Man kann in der Innenwand des Gehäuseelements 47 aber auch eine Nut oder auch einen Vorsprung vorsehen, so dass man den Außenstator 32 mit Hilfe eines Sprengrings, der radial nach außen auffedert, befestigen kann.The outside stator 32 is in the axial direction by a radially resilient element 58 in the housing element 47 held. The radially resilient element may be formed as an annular spring, which due to their spring force on the inner wall of the housing element 47 digs. You can in the inner wall of the housing element 47 but also provide a groove or a projection, so that the outer stator 32 with the help of a snap ring, which springs radially outward, can attach.

Der Außenstator 32 weist eine achsparallel verlaufende Nut 51 auf, die zusammen mit dem Gehäuseelement 47 einen axial verlaufenden Kanal bildet. Das Gehäuseelement 47 weist eine Stirnseite 52 auf, die Ausformungen 53 aufweist, durch die radiale Nuten 54 gebildet sind. Die Nuten 51, 54 bilden dann einen Kanal, durch den Gas strömen kann, das bei einer Bewegung des Ankers 10 im Spalt 33 verdrängt oder angesaugt wird. Das Gas kann in einen Bereich 55 zwischen dem Anker 10 und dem Zylinderblock 4 strömen. Dort steht ein ausreichendes Puffervolumen zur Verfügung, so dass die Bewegung des Ankers 10 nicht durch den Aufbau eines Gaspolsters behindert wird.The outside stator 32 has an axially parallel groove 51 on that together with the housing element 47 forms an axially extending channel. The housing element 47 has an end face 52 on, the formations 53 has, through the radial grooves 54 are formed. The grooves 51 . 54 then form a channel through which gas can flow, during a movement of the armature 10 in the gap 33 is displaced or sucked. The gas can be in one area 55 between the anchor 10 and the cylinder block 4 stream. There is a sufficient buffer volume available, so that the movement of the armature 10 is not hindered by the construction of a gas cushion.

Der Anker 10 ist als Hohlzylinder mit einer Bodenwand 56 ausgebildet. Die Bodenwand weist mehrere Durchbrechungen 57 auf. Die Durchbrechungen 57 ermöglichen, dass Gas, das sich zwischen dem Anker 10 und dem Innenstator 31 befindet, bei einer Bewegung des Ankers in Richtung auf den Innenstator 31 zu in den Raum 55 entweichen kann. Bei einer Bewegung in die entgegen gesetzte Richtung kann das Gas durch die Durchbrechungen 57 nachgesaugt werden.The anchor 10 is as a hollow cylinder with a bottom wall 56 educated. The bottom wall has several openings 57 on. The breakthroughs 57 allow that gas, which is between the anchor 10 and the inner stator 31 is located, with a movement of the armature in the direction of the inner stator 31 to in the room 55 can escape. When moving in the opposite direction, the gas can pass through the openings 57 be sucked.

Wie oben erwähnt, weist die Antriebseinrichtung 2 zwei Kolben 5, 6 auf, die gegenphasig angetrieben sind. Dies lässt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, dass die Spulenanordnung 35 mit einer ersten Stromrichtung von Strom durchflossen wird, während die Spulenanordnung 35' des anderen Linearmotors 9 mit entgegen gesetzter Stromrichtung durchflossen wird. Man kann also beide Spulenanordnungen 35, 35' über den gleichen elektrischen Anschluss 50 mit Strom versorgen. Dieser Strom ist ein Wechselstrom, der dann automatisch zu der gegenphasigen Bewegung der beiden Kolben 5, 6 führt. Der Strom wird dann über die Fügeelemente 40 durch die Stirnwand 52 der Gehäuseelemente 47, 48 abgeführt. Dies setzt lediglich voraus, dass das Fügeelement 40 in der Lage ist, den Strom zu leiten. Vielfach kann es günstig sein, im Fügeelement 40 einen nicht näher dargestellten elektrischen Leiter vorzusehen, der in Umfangsrichtung isoliert ist. In diesem Fall wird vermieden, dass man die Gehäuseelemente 47, 48 unter Strom setzt. Unkritisch ist eine mangelnde Isolierung allerdings dann, wenn die Fügeelemente 40 mit einem Masseanschluss verbunden werden.As mentioned above, the drive means 2 two pistons 5 . 6 on, which are driven in phase opposition. This can be achieved in a simple manner in that the coil arrangement 35 Current flows through a first current direction while the coil arrangement 35 ' of the other linear motor 9 flows through with opposite current direction. So you can both coil arrangements 35 . 35 ' over the same electrical connection 50 supply electricity. This current is an alternating current, which then automatically leads to the out-of-phase movement of the two pistons 5 . 6 leads. The current is then passed over the joining elements 40 through the front wall 52 the housing elements 47 . 48 dissipated. This only requires that the joining element 40 is able to conduct the electricity. It can often be beneficial in the joining element 40 to provide an electrical conductor, not shown, which is insulated in the circumferential direction. In this case it is avoided that the housing elements 47 . 48 energized. However, a lack of insulation is uncritical when the joining elements 40 be connected to a ground terminal.

Die Kühleinrichtung 1 arbeitet nach dem Stirling-Prozess wie folgt:
Der Stirling-Prozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der aus zwei isothermen und zwei isochoren Zustandsänderungen eines Gases besteht. Wenn die beiden Kolben 5, 6 aufeinander zu bewegt werden, dann bringen sie Gas aus dem Zylinder 29 durch die Leitung 24 in die Kühleinheit 3. Dort strömt es durch den Regenerator 20, der Wärme vom Gas aufnimmt. Die Temperatur des Gases sinkt bei konstantem Volumen (1. isochore Zustandsänderung). Das dann kältere Gas auf der „kalten Seite” des Verdrängergehäuses 15 nimmt Wärme von außen auf. Sein Volumen vergrößert sich bei konstanter Temperatur (1. isotherme Zustandsänderung). Das Gas schiebt dabei den Verdränger 14 gegen die Kraft einer Feder in Richtung auf die Antriebseinrichtung 2. Wenn sich der Verdränger 14 zurück bewegt, dann schiebt er das Gas wieder durch den Regenerator 20. Das Gas nimmt die dort gespeicherte Wärme auf. Die Temperatur steigt. Das Volumen bleibt konstant (2. isochore Zustandsänderung). Das Gas gibt auf der warmen Seite bei gleich bleibender Temperatur unter Abnahme des Volumens Wärme an die Umgebung ab (2. isotherme Zustandsänderung). Der Kreisprozess beginnt von neuem. Die notwendige Antriebsleistung wird von den Kolben 5, 6 erzeugt, die das Gas in die Kühleinheit 3 verdrängen und von dort zurück saugen. Dabei bewegen sich die Kolben 5, 6 einerseits und der Verdränger 14 andererseits mit einer Phasenverschiebung von 90°.The cooling device 1 works according to the Stirling process as follows:
The Stirling process is a thermodynamic cycle that consists of two isothermal and two isochoric state changes of a gas. If the two pistons 5 . 6 be moved towards each other, then bring gas out of the cylinder 29 through the pipe 24 in the cooling unit 3 , There it flows through the regenerator 20 that absorbs heat from the gas. The temperature of the gas decreases at a constant volume (1st isochoric change of state). The then colder gas on the "cold side" of the displacer housing 15 absorbs heat from the outside. Its volume increases at constant temperature (1st isothermal state change). The gas pushes the displacer 14 against the force of a spring in the direction of the drive device 2 , When the displacer 14 moved back, then pushes the gas back through the regenerator 20 , The gas absorbs the heat stored there. The temperature is rising. The volume remains constant (2nd isochoric change of state). The gas releases heat to the environment on the warm side at a constant temperature while the volume decreases (second isothermal state change). The cycle process begins again. The necessary drive power is provided by the pistons 5 . 6 generated that the Gas in the cooling unit 3 displace and suck back from there. The pistons move 5 . 6 on the one hand and the displacer on the other 14 on the other hand with a phase shift of 90 °.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1348918 A1 [0002]

Claims

Stirling cooling device with a drive device ( 2 ), which is a housing ( 47 - 49 ) and at least one of a linear motor ( 8th . 9 ) along a piston axis ( 7 ) driven piston ( 5 . 6 ) in a cylinder ( 29 ), and a displacer unit ( 3 ) connected to the drive device ( 2 ) via a gas-conducting compound ( 24 ) and at least one displacer ( 14 ), which in a displacement housing ( 15 ) along a displacement axis ( 16 ) is movable, wherein the linear motor ( 8th . 9 ) one with the piston ( 5 . 6 ) connected anchors ( 10 . 11 ), which is located between an inner stator ( 31 ) and an external stator ( 32 ), and a coil arrangement ( 35 . 35 ' ), characterized in that the coil arrangement ( 35 . 35 ' ) in the radial direction within the armature ( 10 . 11 ) is arranged.

Cooling device according to claim 1, characterized in that the coil arrangement ( 35 . 35 ' ) in the inner stator ( 31 ) is recorded.

Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the inner stator ( 31 ) of two parts ( 38 . 39 ) which is along the piston axis ( 7 ) are arranged one behind the other.

Cooling device according to claim 3, characterized in that the two parts ( 38 . 39 ) are the same.

Cooling device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inner stator ( 31 ) and / or the outer stator ( 32 ) is formed as a sintered element.

Cooling device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inner stator ( 31 ) and the housing ( 47 - 49 ) by a joining element arrangement ( 40 . 41 ), which has at least one forming zone.

Cooling device according to claim 6, characterized in that the joining element ( 40 ) is designed as an electrical conductor, which is connected to the coil arrangement ( 35 ) connected is.

Cooling device according to claim 6 or 7, characterized in that the joining element arrangement ( 40 . 41 ) has a joining element which is connected to the inside of the housing.

Cooling device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the outer stator by a radially resilient element ( 58 ) axially in the housing ( 47 - 49 ).

Cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the external stator ( 32 ) in the radial direction inside the housing ( 47 - 49 ) is supported, wherein between the outer stator ( 32 ) and the housing ( 47 - 49 ) at least one channel is provided.

Cooling device according to claim 10, characterized in that at least a portion of the channel through a groove ( 51 ) on the outer stator ( 32 ) is formed.

Cooling device according to claim 10 or 11, characterized in that at least a portion of the channel by a molding ( 53 ) an end face ( 52 ) of the housing ( 47 - 49 ) is formed.

Cooling device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the armature ( 10 ) as a cylinder with a bottom wall ( 56 ) is formed, wherein in the bottom wall ( 56 ) at least one passage opening ( 57 ) is arranged.

Cooling device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the drive device ( 2 ) two in a common cylinder ( 29 ) arranged piston ( 5 . 6 ), each of which is controlled by a linear motor ( 8th . 9 ) is movable.

Cooling device according to claim 14, characterized in that the coil arrangements ( 35 . 35 ' ) of the two linear motors ( 8th . 9 ) are arranged so that they show opposite effects with the same current application.