DE10229442B4

DE10229442B4 - Wärmetauscher zur Abkühlung des Arbeitsgases eines Stirlingmotors

Info

Publication number: DE10229442B4
Application number: DE2002129442
Authority: DE
Inventors: Lutz Pasemann
Original assignee: Individual
Current assignee: PASEMANN, LUTZ, DR., 76131 KARLSRUHE, DE
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: DE10229442A1

Abstract

Wärmetauscher zur Abkühlung eines Gases mittels Flüssigkeitskühlung, insbesondere zur Kühlung des Arbeitsgases einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmetäuscher in Form eines zylinderförmigen Ringkörpers ausgeführt ist, der von einer Stirnseite zur anderen führende Bohrungen aufweist, die so angeordnet sind, dass das zu kühlende Gas den Ringkörper von einer Stirnseite zur anderen durchströmt, während das kühlende flüssige Medium die äußere Zylindermantelfläche umfließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Abkühlung eines Gases mittels Flüssigkeitskühlung, insbesondere zur Kühlung des Arbeitsgases einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine.
Es ist bekannt, dass bei einem Stirlingmotor Wärmetauscher zur Kühlung eingesetzt werden, wobei das Arbeitsmedium zwischen einem heißen und einem kalten Raum hin- und hergeschoben wird. Durch eine entsprechende Mechanik wird dabei das Volumen des Arbeitsmediums expandiert und komprimiert, wobei mechanische Energie erzeugt wird. Durch diesen Prozess wird der heißen Seite Wärme entzogen und der kalten Seite Wärme zugeführt, was durch äußere Wärmeeinspeisung und durch einen oder mehrere Kühler ausgeglichen werden muss. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist in den meisten Fällen zusätzlich ein Regenerator vorgesehen, der die Wärme des Arbeitsmediums vor Eintritt in den kühlenden Teil zwischenspeichert, um sie bei Flussumkehr wieder an das vom Kühler zur heißen Seite strömende Medium abzugeben.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur Abkühlung des Arbeitsmediums einer nach dem Stirlingprinzip betriebenen Wärmekraftmaschine, bei welcher in bekannter Weise ein mittels eines Getriebes gesteuerter oszillierender Verdrängerkolben die Verschiebevorgänge von heiß nach kalt und umgekehrt vornimmt, wobei die Strömungsführung so ausgeführt ist, dass das Arbeitsmedium von dem durch den Kolbenweg verkleinerten Volumen auf der einen Seite des Verdrängerkolbens hin zu dem durch den Kolbenweg im gleichen Maße vergrößerten Volumen auf der anderen Seite des Verdrängerkolbens fließt und dabei den Regenerator und einen um den Verdrängerkolben herum ringförmig angeordneten und der Abkühlung des Mediums dienenden Wärmetauscher durchströmen muss. Im Strömungsweg zwischen Kühler und der kalten Seite des Verdrängerkolbens besteht ein abzweigender Verbindungsweg zu einem Arbeitskolben, der seinerseits durch Expansion- und Kompression-Vorgänge für den Antrieb der Maschine sorgt. Durch diese Aufteilung der Strömungswege entstehen zwangsläufig Vorzugsrichtungen des Arbeitsmediums, die jedoch in der bisher angewandten Kühlergeometrie nicht berücksichtigt werden.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die thermische und widerstandsseitig angepasste Kompensation von Strömungs-Unsymmetrien. Darüber hinaus muss die Konstruktion des Kühlen so ausgelegt sein, dass die Kühleffizienz optimal im Verhältnis zum Strömungswiderstand steht, jedoch auch der Herstellungsprozess dabei nicht unangemessen hohen Aufwand erfordert und die Anzahl der nötiger. Teile klein gehalten wird.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einem zylinderförmigen Ringkühler-Element aus gut die Wärme leitendem Material, vorzugsweise Aluminium, das von einer Stirnseite zur anderen führende Bohrungen aufweist, die so angeordnet sind, dass das zu kühlende Arbeitsmedium, vorzugsweise Luft, den Ringkörper von einer Stirnseite zur anderen durchströmt, während das kühlende Medium, vorzugsweise Wasser, die äußere Zylindermantelfläche umfließt. Hierbei wird mittels einer weiteren den Kühler umschließenden Hülse zwischen dieser und dem Ringkühler-Element ein Ringspalt gebildet, durch den das Kühlmedium geleitet wird. Gleichzeitig dient die innere Zylindermantelfläche des Ringkühler-Elements als Lauffläche des Verdrängerkolbens, so dass zusätzliche Laufbüchsen eingespart werden können. Aus der EP 0202 034 B1 und der EP 0935 063 A2 sind bereits zylindrische, ringförmige Wärmetauscher zur Abkühlung des Arbeitsgases einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine bekannt, die aber im Unterschied zur erfindungsgemäßen Lösung keine von einer Stirnseite des Wärmetauschers zur anderen führende Bohrungen aufweisen, die in ihrer Verteilung und ihrem Durchmesser so ausgeführt sind, dass für das zu kühlende Arbeitsgas, das die Bohrungen durchströmt, Strömungsvorzugsrichtungen entstehen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer einfachen Herstellungsweise des Kühlers aus Rohrmaterial, das von einer oder zwei Stirnseiten aus mit durchgehenden Bohrungen versehen ist, mit zweckentsprechender Wahl von Anzahl, Verteilung und Durchmesser. Dies erlaubt auch unsymmetrische Anordnungen zur Beeinflussung der Vorzugsrichtungen. Vorteilhaft ist auch, dass durch das zwischen den Bohrungen stehen bleibende massive Material die Kühlung sehr gut an die Lauffläche des Verdrängerkolbens geführt wird, und damit gleichzeitig auch die Außenwand der Kaltgaskammer eine optimale Kühlung erhält.
Durch Versuche stellte es sich als besonders vorteilhaft heraus, wenn ein vergrößerter Strömungsquerschnitt durch den Kühler an der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüberliegenden Seite des Kühlers angebracht ist.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Stirlingmotor. Im Gehäuse 1 ist eine Kurbelwelle 2 gelagert, welche über die Pleuel 3 und 4 den Verdrängerkolben 5 und den Arbeitskolben 6 hin und her bewegt. Das Arbeitsmedium (Gas) fließt von der Heißkammer 12 durch den Erhitzerkopf 7 und dessen die äußere Wärme aufnehmende Röhrchen 8, weiter durch den um den Verdrängerkolben 5 herum gelagerten Regenerator 9 und das den Verdrängerzylinder bildende Ringkühler-Element 10 in die Kaltkammer 11 und auf gleichem Wege wieder zurück.
Am Boden der Kaltkammer 11 zweigt eine Leitung 13 ab, die eine Verbindung zum Hubraum des Arbeitskolbens 6 herstellt. Das kühlende Medium (Wasser) strömt durch den Eintritt 14 einer das Ringkühler-Element 10 umgebenden Hülse 15 zum Austritt 16 um das Ringkühler-Element 10 herum. Die Dichtungen 21 und 22 an dessen Stirnseiten verhindern einen Austritt des Kühlmediums in das Motorinnere.
2 zeigt das Ringkühler-Element 10 einzeln im Querschnitt. Von einer Stirnseite zur anderen führen Bohrungen 17, durch die das Arbeitsmedium strömen kann.
3 zeigt einen parallel zur Stirnseite des Ringkühler-Elements 10 verlaufenden Querschnitt. Alle Bohrungen haben gleichen Durchmesser. Die Anzahl der Löcher ist auf der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüber liegenden Seite dadurch erhöht, dass einige zusätzliche Bohrungen in zweiter Reihe 18 zu den auf einem Teilkreis gleichmäßig verteilten Bohrungen in erster Reihe 19 angebracht sind.
4 zeigt einen parallel zur Stirnseite des Ringkühler-Elements 10 verlaufenden Querschnitt. Alle Bohrungen sind auf einem Teilkreis gleichmäßig verteilt. Der Querschnitt ist auf der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüber liegenden Seite dadurch erhöht, dass einige Bohrungen 20 in ihrem Durchmesser gegenüber den übrigen Bohrungen 19 vergrößert sind.
5 zeigt einen parallel zur Stirnseite des Ringkühler-Elements 10 verlaufenden Querschnitt. Alle Bohrungen 19 haben gleichen Durchmesser. Die Anzahl der Löcher ist auf der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüber liegenden Seite dadurch erhöht, dass sie dort dichter zusammenstehend angebracht sind.
Natürlich sind auch Kombinationen der in 3 bis 5 gezeigten Anordnungsmuster möglich.

Claims

Wärmetauscher zur Abkühlung eines Gases mittels Flüssigkeitskühlung, insbesondere zur Kühlung des Arbeitsgases einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmetäuscher in Form eines zylinderförmigen Ringkörpers ausgeführt ist, der von einer Stirnseite zur anderen führende Bohrungen aufweist, die so angeordnet sind, dass das zu kühlende Gas den Ringkörper von einer Stirnseite zur anderen durchströmt, während das kühlende flüssige Medium die äußere Zylindermantelfläche umfließt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bohrungen nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Zylinderachse des Wärmetauschers angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch Bohrungen mit unterschiedlichem Durchmesser.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass sich durch die Verteilung der Bohrungen auf dem stirnseitigen Ringquerschnitt und/oder ihre unterschiedlichen Lochdurchmesser eine Vorzugsrichtung des durchströmenden Gases einstellt.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Verteilung und Ausführung der Bohrungen so durchgeführt ist, dass sich auf der dem abzweigenden Strömungskanal gegenüber liegenden Seite ein größerer Querschnitt ergibt als auf der dem abzweigenden Strömungskanal zugewandten Seite.
Wärmetauscher, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass nach dem Einbau des Wärmetauschers in ein diesen umschließendes Zylinderrohr mittels Dichtungen an den Stirnseiten ein ringförmiger Spalt auf der Außendurchmesserseite des Moduls entsteht, durch den das Kühlmedium geleitet wird.