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HINTERGRUNG DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glättungseinheit für ein Stirling-Kühlaggregat. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Glättungseinheit für ein Stirling-Kühlaggregat, die die Strömung eines Betriebsfluids glättet, das isothermischer Kompression oder isothermischer Expansion durch die hin- und hergehende Bewegung von Kolben in einem Kompressionsabschnitt und einem Expansionsabschnitt im Stirling-Kühlaggregat unterliegt.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Im Allgemeinen hält eine Klimaanlage eines Fahrzeugs die Temperatur im Fahrzeug ungeachtet einer Änderung der Umgebungstemperatur auf einem passenden Wert, um eine angenehme Atmosphäre im Innern zu schaffen.
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Eine derartige Klimaanlage enthält einen Kompressor, der ein Kühlmittel verdichtet, einen Kondensator, der das vom Kompressor verdichtete Kühlmittel kondensiert, ein Expansionsventil, das das vom Kondensator kondensierte und verflüssigte Kühlmittel schnell entspannt, und einen Verdampfer, der das im Expansionsventil entspannte Kühlmittel verdampft und Luft durch Verwenden der latenten Verdampfungswärme des Kühlmittels kühlt. Die vom Verdampfer gekühlte Luft wird in einen Innenraum geblasen, in dem die Klimaanlage installiert ist.
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Eine herkömmliche Klimaanlage verwendet jedoch FCKW/H-FCKW-Verbindungen als Kühlmittel, das das Betriebsfluid ist. Da die FCKW/H-FCKW-Verbindungen chemisch stabil sind, gelangen sie im unzersetzten Zustand in die Stratosphäre, wenn sie in die Atmosphäre austreten. Außerdem reagieren sie mit der ultravioletten Strahlung des Sonnenlichts in der Stratosphäre, so dass das Chloratom abgespalten wird und mit Ozon reagiert und Chlormonoxid bildet. Das Chloroxid kann die Ozonschicht zerstören.
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Seit kurzem wird Helium- oder Stickstoffgas anstelle der FCKW/H-FCKW-Verbindungen als das Betriebsfluid verwendet, um Umweltverschmutzung zu verhindern. Außerdem wird ein Stirling-Kühlaggregat mit Helium- oder Stickstoffgas als Betriebsfluid entwickelt. Bei dem Stirling-Kühlaggregat wird das Betriebsfluid durch endotherme Reaktion, die bei isothermer Expansion auftritt, auf eine ultratiefe Temperatur gekühlt und das gekühlte Betriebsfluid dient zum Kühlen des Fahrzeugs, indem die isotherme Kompression, der Konstantvolumenprozess, die isotherme Expansion und der Konstantvolumenprozess des Betriebsfluids wiederholt werden.
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Wenn das zwischen einem Kompressionsabschnitt und einem Expansionsabschnitt fließende Betriebsfluid einen Regenerationsabschnitt zwischen dem Kompressionsabschnitt und dem Expansionsabschnitt bei der isothermen Kompression und der isothermen Expansion des Betriebsfluids im Stirling-Kühlaggregat passiert, kann das Betriebsfluid durch das Druckungleichgewicht im Strömungsweg des Betriebsfluids jedoch nicht ungestört fließen. Deshalb kann der Wirkungsgrad des Stirling-Kühlaggregats schlechter werden.
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Die in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbarten Informationen dienen nur dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sollten nicht als Bestätigung oder Hinweis darauf verstanden werden, dass diese Informationen die dem Fachmann bekannten Stand der Technik bilden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind auf die Bereitstellung einer Glättungseinheit für ein Stirling-Kühlaggregat gerichtet, das die Vorteile der Erzielung eines Druckgleichgewichts bei der Lenkung von Fluidströmen und der Verbesserung des Wirkungsgrades des Stirling-Kühlaggregats bietet, indem die Strömung des Betriebsfluids geglättet wird, das isothermischer Kompression oder isothermischer Expansion durch die hin- und hergehende Bewegung von Kolben in einem Kompressionsabschnitt und einem Expansionsabschnitt im Stirling-Kühlaggregat ausgesetzt worden ist.
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Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Glättungseinheit für ein Stirling-Kühlaggregat einen Kompressionsabschnitt enthalten, der das ein Gehäuse füllende Betriebsfluid durch hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens verdichtet, einen Expansionsabschnitt, der das im Kompressionsabschnitt durch hin- und herge-hende Bewegung eines Kolbens verdichtete Betriebsfluid expandiert, und einen Regenerationsabschnitt, der den Kompressionsabschnitt mit dem Expansionsabschnitt fluidisch verbindet und Wärme am Kompressionsabschnitt erzeugt und Wärme am Expansionsabschnitt durch wiederholte isotherme Kompression, Konstantvolumenprozess, isotherme Expansion und der Konstantvolumenprozess des Betriebsfluids absorbiert, eine an einem Endabschnitt eines Wärmetauschers vorgesehene Glättungseinrichtung, die am Kompressionsabschnitt oder am Expansionsabschnitt im Gehäuse angeordnet ist und das aus dem Kompressionsabschnitt oder dem Expansionsabschnitt und durch den Wärmetauscher fließende Betriebsfluid glättet, und eine Fixierplatte, die zum Fixieren der Glättungseinheit am Endabschnitt des Wärmetauschers vorgesehen ist, wobei die Glättungseinrichtung zum Glätten der Strömung des Betriebsfluids zwischen dem Kompressionsabschnitt und dem Expansionsabschnitt eingerichtet ist, und wobei die Glättungseinrichtung durch ungleichmäßiges Verdichten von Draht gebildet ist.
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Die Fixierplatte ist mit einer Einführaussparung versehen, in die die Glättungseinrichtung eingeführt wird.
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Die Fixierplatte ist mit einer Mehrzahl durch die Einführaussparung verlaufende Durchgangsbohrungen versehen, durch die das Betriebsfluid fließt.
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Ein Dichtelement ist zwischen dem Außenumfang der Fixierplatte und dem Innenumfang des Gehäuses angeordnet.
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Ein Dichtelement ist zwischen einer Oberfläche des Wärmetauschers, die mit der Fixierplatte in Kontakt steht, und der Fixierplatte angeordnet.
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Das Gehäuse hat eine schräge Oberfläche, die zum Wärmetauscher relativ zu einer Durchflussöffnung, durch die das Betriebsfluid ein- und austritt, so geneigt ist, dass der Austrittsdruck vergleichmäßigt ist, wenn das die Glättungseinrichtung passierende Betriebsfluid austritt.
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Die schräge Oberfläche ist so geneigt, dass der Durchmesser der schrägen Oberfläche relativ zum Durchflussöffnung von der Durchflussöffnung zur Glättungseinrichtung größer wird.
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Die Fixierplatte ist am Endabschnitt des Wärmetauschers durch einen Sicherungsring befestigt, der in einer im Gehäuse ausgebildeten Ringnut sitzt.
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Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung haben noch andere Merkmale und Vorteile, die sich entweder aus den beiliegenden Zeichnungen erschließen, die hiermit einbezogen werden, oder darin detailliert angegeben sind, und aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, die zusammen dazu dienen, bestimmte Grundlagen der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Diagramm eines Stirling-Kühlaggregats mit einer Glättungseinheit für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine perspektivische Ansicht mit partiellem Ausbruch eines Stirling-Kühlaggregats mit einer Glättungseinheit für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine partielle Schnittansicht des Stirling-Kühlaggregats mit einer Glättungseinheit für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Glättungseinheit für ein Stirling-Kühlaggregat und eines Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Es versteht sich, das die beiliegenden Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstäblich sind, da sie eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale zeigen, die für die Grundlagen der Erfindung beispielhaft sind. Die hierin offenbarten spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung die z. B. bestimmte Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen umfassen, werden zum Teil durch die besondere vorgesehene Anwendung und die Umgebungsbedingungen am Einsatzort bestimmt.
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In den Figuren kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung in allen verschiedenen Figuren der Zeichnung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nunmehr werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung(en) ausführlich erläutert, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und nachstehend beschrieben werden. Obwohl die Erfindung(en) in Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen beschrieben werden, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung(en)nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränken soll. Die Erfindung(en) soll(en) im Gegenteil nicht nur die Ausführungsbeispiele, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen abdecken, die von Geist und Gültigkeitsbereich der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, erfasst sein können.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Es versteht sich, dass die in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsbeispiele und die Zeichnungen nur einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind und nicht alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung repräsentieren, und somit können am Einreichungsdatum der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen existieren.
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1 ist ein schematisches Diagramm eines Stirling-Kühlaggregats mit einer Glättungseinheit für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 2 ist eine perspektivische Ansicht mit partiellem Ausbruch eines Stirling-Kühlaggregats mit einer Glättungseinheit für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 3 ist eine partielle Schnittansicht des Stirling-Kühlaggregats mit einer Glättungseinheit für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Glättungseinheit für ein Stirling-Kühlaggregat und eines Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 1 dargestellt wird das Stirling-Kühlaggregat mit einer Glättungseinheit 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch eine rotierende Welle 103 betrieben. Die rotierende Welle 103 erhält das Antriebsdrehmoment von einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs über eine Riemenscheibe 101 und wird dadurch in Rotation versetzt. Das Stirling-Kühlaggregat enthält einen Kompressionsabschnitt 110, der das ein Gehäuse 109 füllende Betriebsfluid durch die hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens 107 verdichtet, einen Expansionsabschnitt 120, der das im Kompressionsabschnitt 110 durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 107 verdichtete Betriebsfluid expandiert, und einen Regenerationsabschnitt 130, der den Kompressionsabschnitt 110 mit dem Expansionsabschnitt 120 fluidisch verbindet.
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Das Stirling-Kühlaggregat erzeugt im Kompressionsabschnitt 110 Wärme und die Temperatur des Betriebsfluids steigt an. Das erwärmte Betriebsfluid wird in dem mit dem Kompressionsabschnitt 110 über ein Verbindungsrohr 140 verbundenen Regenerationsabschnitt 130 regenieriert. Danach absorbiert der Expansionsabschnitt 120 Wärme aus dem Betriebsfluid und kühlt das Betriebsfluid auf eine ultratiefe Temperatur. Wärmeerzeugung, Regenerierung und Wärmeabsorption erfolgen durch isotherme Kompression, den Konstantvolumentprozess und isotherme Expansion des Betriebsfluids.
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Dabei tauscht das Betriebsfluid, das im Expansionsabschnitt 120 gekühlt wird, Wärme mit einem anderen durch einen im Fahrzeug vorgesehenen Wärmetauscher zirkulierenden Betriebsfluid aus. Ein anderes Betriebsfluid, das durch Wärmeaustausch mit dem Betriebsfluid gekühlt wird, kühlt die in das Fahrzeuginnere austretende Luft. Dadurch kann die Klimatisierung des Fahrzeugs erzielt werden.
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Die Kolben 107 sind an der rotierenden Welle 103 angebracht, die durch den Kompressionsabschnitt 110 und den Expansionsabschnitt 120 hindurchgeht. Wenn also das Betriebsfluid im Kompressionsabschnitt 110 verdichtet wird, wird das Betriebsfluid im Expansionsabschnitt 120 entspannt. Die Kolben 107 stehen in einem vorgegebenen Winkel und die Kolben 107 sind über ein Paar Taumelscheiben 105 an der rotierenden Welle 103 im Kompressionsabschnitt 110 bzw. im Expansionsabschnitt 120 angebracht.
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Außerdem sind eine Kompressionskammer 111 und eine Expansionskammer 121 zum Verdichten oder Entspannen des Betriebsfluids durch die hin- und hergehende Bewegung der Kolben 107 im Kompressionsabschnitt 110 bzw. im Expansionsabschnitt 120 ausgebildet.
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Außerdem sind Wärmetauscher 150 im Kompressionsabschnitt 110 bzw. im Expansionsabschnitt 120 des Gehäuses 109 vorgesehen.
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Eine Glättungseinheit 10 für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist zum Glätten der Strömung des Betriebsfluids eingerichtet, das der isothermen Kompression oder der isothermen Expansion durch die hin- und hergehende Bewegung der Kolben 107 im Kompressionsabschnitt 110 und im Expansionsabschnitt 120 ausgesetzt war. Dadurch kann bei Fließen des Betriebsfluids ein Druckgleichgewicht hergestellt werden und der Wirkungsgrad des Stirling-Kühlaggregats wird verbessert.
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Zu diesem Zweck enthält die Glättungseinheit 10 für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wie in den 2 bis 4 dargestellt eine Glättungseinrichtung 11 und eine Fixierplatte 13.
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Die Glättungseinrichtungen 11 sind an beiden Endabschnitten des Wärmetauschers 150 angeordnet und glätten das aus dem Kompressionsabschnitt 110 oder Expansionsabschnitt 120 austretende und den Wärmetauscher 150 passierende Betriebsfluid.
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Die Glättungseinrichtung 11 ist dabei durch ungleichmäßiges Verdichten eines Drahtes gebildet, um den Strömungsdruck des Betriebsfluids zu vergleichmäßigen, wenn das durch den Kompressionsabschnitt 110 oder den Expansionsabschnitt 120 strömende Betriebsfluid aus dem Kompressionsabschnitt 110 oder dem Expansionsabschnitt 120 austritt.
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Außerdem fixieren die Fixierplatten 13 die Glättungseinrichtungen 11 an beiden Enden des Wärmetauschers 150. ++
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Eine Einführaussparung 15 zur Aufnahme der Glättungseinrichtung 11 ist am Ende des Wärmetauschers 150 und eine Mehrzahl Durchgangsbohrungen 17 entsprechend der Einführaussparung 15 für die Durchströmung des Betriebsfluids ist in der Oberfläche der Fixierplatte 13 angeordnet. Der Wärmetauscher 150 ist fluidisch mit dem Kompressionsabschnitt 110 oder dem Expansionsabschnitt 120 über die Durchgangsbohrung 17 verbunden.
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Deshalb leitet die Fixierplatte 13 das Betriebsfluid durch die Durchgangsbohrung 17in die Glättungseinrichtung 11 und in den Wärmetauscher 150. Dabei wird der Strömungsdruck des Betriebsfluids vergleichmäßigt, wenn das Betriebsfluid die Glättungseinrichtung 11 durchfließt. Deshalb glättet die Glättungseinrichtung 11 die Strömung des Betriebsfluids.
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Ein Dichtelement 19 kann zwischen dem Außenumfang der Fixierplatte 13 und dem Innenumfang des Gehäuses 109 angeordnet werden.
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Außerdem kann ein Dichtelement 19 zwischen einer Oberfläche des Wärmetauschers 150, die mit der Fixierplatte in Kontakt steht, und der Fixierplatte angeordnet werden.
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Die Dichtelemente 19 verhindern eine Leckage des Betriebsfluids zwischen dem Außenumfang der Fixierplatte 13 und dem Innenumfang des Gehäuses 109 sowie zwischen der Fixierplatte 13 und der Oberfläche des Wärmetauschers 150.
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Die Fixierplatten 13 sind an beiden Endabschnitten des Wärmetauschers 150 durch Sicherungsringe 23 angebracht, die in im Gehäuse 109 ausgebildeten Ringnuten 21 sitzen. Dadurch werden die Fixierplatten 13 im Gehäuse 109 fixiert.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel fixiert der Sicherungsring 23 die Glättungseinrichtung 11 und die Fixierplatte 13 am Endabschnitt des Wärmetauschers 150 und den Wärmetauscher 150 im Kompressionsabschnitt 110 oder im Expansionsabschnitt 120.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Oberfläche des Gehäuses 109 eine schräge Oberfläche 27, die zum Wärmetauscher 150 relativ zur Durchflussöffnung 25, durch die das Betriebsfluid ein- und austritt, so geneigt ist, dass der Austrittsdruck vergleichmäßigt ist, wenn das die Glättungseinrichtung 11 passierende Betriebsfluid austritt.
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Dabei ist die schräge Oberfläche 27 so geneigt, dass der Durchmesser der schrägen Oberfläche 27 relativ zur Durchflussöffnung 25 von der Durchflussöffnung 25 zur Glättungseinrichtung 11 größer wird.
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Deshalb ist der Druck des Betriebsfluids nach dem Durchfluss durch den Wärmetauscher 150 vergleichmäßigt, wenn es die Glättungseinrichtung 11 passiert, und dann tritt das Betriebsfluid aus der Glättungseinrichtung 11 aus. Wenn das Betriebsfluid durch die Durchflussöffnung 25 austritt, wird es entlang der schrägen Oberfläche 27 so geführt, dass an der Durchflussöffnung 25 ein gleichmäßiger Druck erzeugt wird.
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Das heißt, wenn das Betriebsfluid, das die Glättungseinrichtung 11 passiert hat, durch das sich verengende Verbindungsrohr 140 fließt, leitet die schräge Oberfläche 27 das Betriebsfluid mit gleichmäßigem Druck durch das Verbindungsrohr 140. Dieschräge Oberfläche 27 sowie die Glättungseinrichtung 11 vergleichmäßigen also den Druck des Betriebsfluids, um die Strömung des Betriebsfluids zu glätten.
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Wenn die Glättungseinheit 10 für das Stirling-Kühlaggregat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist der Druck des Betriebsfluids, das einer isothermen Kompression oder einer isothermen Expansion durch die hin- und hergehende Bewegung der Kolben 107 im Kompressionsabschnitt 110 und im Expansionsabschnitt 120 ausgesetzt war, vergleichmäßigt, wenn das Betriebsfluid den Wärmetauscher 150 passiert. Deshalb kann die Strömung des Betriebsfluids zwischen dem Kompressionsabschnitt 110, dem Expansionsabschnitt 120 und dem Regenerationsabschnitt 130 geglättet werden.
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Da außerdem die geglättete Strömung des Betriebsfluids druckausgeglichen ist, wenn sie das Verbindungsrohr 140 mit einem kleinen Durchmesser passiert, können das Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis des Betriebsfluids im Kompressionsabschnitt 110 und im Expansionsabschnitt 120 weiter verbessert werden. Deshalb kann der Wirkungsgrad des Stirling-Kühlaggregats verbessert werden.
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Zur Vereinfachung der Erläuterung und zur genauen Definition in den beigefügten Ansprüchen dienen die Begriffe ”obere/r/s”, ”untere/r/s”, ”innere/r/s” und ”äußere/r/s” zur Beschreibung von Merkmalen der Ausführungsbeispiele bezogen auf die Positionen dieser in den Figuren dargestellten Merkmale.
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Die obigen Beschreibungen bestimmter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung haben beispielhaften und beschreibenden Charakter. Sie sind nicht als erschöpfend oder als die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen einschränkend zu verstehen, und offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Variationen im Rahmen der obigen Lehren möglich. Sie sind nicht als erschöpfend oder als die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen einschränkend zu verstehen, und offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Variationen im Rahmen der obigen Lehren möglich sowie verschiedene Alternativen Modifikationen derselben Der Gültigkeitsbereich der Erfindung ist durch die beigefügen Ansprüchen und ihre Äquivalente definiert.
