DE2829351C2

DE2829351C2 - Vorrichtung zum Rückführen von Leckgasen, die aus einer Stirlingmaschine austreten

Info

Publication number: DE2829351C2
Application number: DE2829351A
Authority: DE
Inventors: Kenji Ageo Saitama Asano
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1977-07-06
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1982-12-02
Also published as: JPS592786B2; US4197707A; DE2829351A1; JPS5416050A

Description

a) einen den Pumpenzylinder in eine erste und eine zweite Kammer (B, A) unterteilenden und zwischen zwei Extremlagen verschiebbaren Kolben (41),

b) eine den Dichtblock (5) mit der ersten Kammer (B) des Pumpenzylinders verbindende Gaseinlaß-Leitung (6),

c) eine die erste Kammer (B)des Pumpenzylinders mit dem Zylinder der Stirling-Maschine verbindenden Gasauslaß-Leitung (7),

d) eine mit der zweiten Kammer (A) des Purtipenzylinders verbundene Einlaß- und Auslaßieitung (9) für ein Strömungsmittel, die selektiv mit einem Niederdruckvorrat (10) und mit einer Hochdruckversorgung (11) des Strömungsmittels verbindbar ist,

e) Steuersignalschalter (12,13), die zwischen zwei den Extremlagen des Kolbens (41) entsprechenden Stellungen umschaltbar sind, und

f) eine Steuereinrichtung mit einem Ventil (14) und mit einem Relais (18), die in Abhängigkeit von den Steuersignalen die Strömungsmittel-EinlfifV und -Auslaßleitung (9)

— mit dem Niederdruck-Strömungsmittelvorrat (10; verbindet, wenn sich der Kolben (41) in seiner Jem kleinsten Volumen der ersten Kammer (u) entsprechenden Extremlage befindet, so daß das durch die Gaseinlaß-Leitung (6) in die Kammer (B) strömende Leckgas den Kolben in seine andere Extremlage verschiebt,

— mit der Hochdruck-Strömungsmittelversorgung (11) verbindet, wenn sich der Kolben (41) in seiner dem kleinsten Volumen der zweiten Kammer (A) entsprechenden Stellung befindet, so daß in die Kammer (A) einströmendes Hochdruck-Strömungsmittel den Kolben wieder zurückschiebt und Gas aus der ersten Kammer (B) in den Zylinder der Stirling-Maschine austreibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel öl ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (14) ein Magnetventil ist, und daß die Schalter (12,13) an den beiden Enden des Pumpenzylinders angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter Näherungsschalter sind.

60

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Rückführen des durch die mit einem Dichtblock abgedichtete Kolbenstangenführung einer Stirling-Maschine austretenden Leckgases mit einer Kolbenpumpe, die je einen mit einem Rückschlagventil versehenen Gaseinlaß und Gasauslaß aufweist.

Stirling-Maschinen haben in den letzten Jahren im Hinblick auf ihre hohe Drehmomentleistung, ihr »sauberes« Abgas, den niedrigen Geräuschpegel, den niedrigen Brennstoffverbrauch, die geringen Wartungsansprüche und die im Vergleich zu herkömmlichen Benzin-Brennkraftmaschinen lange Betriebslebensdauer zunehmend Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Außerdem ist der thermische Wirkungsgrad einer Stirling-Maschine demjenigen von üblichen drennkraftmaschinen gleich oder überlegen, weil bei ersterer Wasserstoff oder Helium anstelle von Luft als Arbeitsmedium benutzt wird, wodurch der thermische Wirkungsgrad der Wärmetauscher erheblich verbessert wird.

Da das aus Wasserstoff oder Helium bestehende Arbeitsmedium jedoch vergleichsweise kleine Moleküle besitzt, ist die einwandfreie Abdichtung einer Stirling-Maschine schwierig. Solche Maschinen zeigen daher einen hohen Leckage- oder Undichtigkeitsgrad im Dichtungsbereich zwischen Zylinderwand und Kolbenstange.

Bei bisherigen Konstruktionen werden Mehrfachdichtringe zur Bildung eines Dichtbiockteils sehr häufig verwendet, wobei der Druck des Arbeitsmediums zunächst in dieser Anordnung vermindert und dadurch die Betriebslebensdauer der Dichtung erheblich verbessert wird. Zur Vervollkommnung der Dichtfähigkeit an diesem Dichtblockteil sind Konzepte zur Rückführung des über diesen Abschnitt ausgetretenen Arbeitsmediums in den Zylinderraum der Stirling-Maschine entwickelt worden. Diese Aufgabe ist jedoch wegen des Fehlens dafür geeigneter Mechanismen sehr schwierig zu lösen.

Bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 (GB-PS 12 88 528) wird das an der Kolbenstangenführung der Stirling-Maschine austretende Leckgas im Kurbelgehäuse gesammelt und nach Übersteigen eines für das Kurbelgehäuse kritischen Druckwerts durch c^;ne Gaspumpe einem Vorratsbehälter zugeführt, von wo es bei Bedarf dem Kolbenzylinder der Stirling-Maschine wieder zugeführt werden kann. Bei dieser Vorrichtung ist es vor allem nachteilhaft, daß mit der Gaspumpe nicht nur das Leckgas angesaugt wird, vielmehr die Ansaugung aus dem gesamten Kurbelgehäuse erfolgt, welches einer Spritzölschmierung ausgesetzt ist. Dadurch müssen die durch die Gaspumpe angesaugten Gase einer Reinigung unterzogen werden, wobei insbesondere das Öl separiert und wieder dem Kurbelgehäuse rückgeführt werden muß, bevor die Gase wieder der Stirling-Maschine zugeführt werden können. Dadurch wird nicht nur der Wirkungsgrad der Rückführvorrichtung wesentlich geschmälert, sondern damit ist auch ein entsprechend hoher apparativer Aufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine mit hohem Wirkungsgrad arbeitende und dennoch einfach aufgebaute Vorrichtung zur Rückführung von Leckgasen einer Stirling-Maschine zu schaffen.

Nach Maßgabe der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen in den Unteransprüchen angegeben sind.

Gemäß der Erfindung wird für die Rückführung ein zwei Arbeitskammern aufweisender Pumpenzylinder verwendet, der einen Freikolben aufweist und über einen Differenzdruck gesteuert ist. Die im Dichtblock

abgenommenen und zur einen Arbeitskammer des Pumpenzylinders geführten Leckgase verdrängen den Freikolben in eine Extremlage, wodurch ein Steuersignal erzeugt und hierüber eine mit einem Relair ausgerüstete Steuereinrichtung betätigt wird, um die ■>. andere Arbeitskammer mit der Hochdruck-Sirömungsmittelversorgung zu verbinden, wodurch der Kolben entgegen dem durch die Leckgase aufgebauten Druck verschoben und die Leckgase in die Stirling-Maschine rückgeführi werden. Ein Ansaugen aus einem Kurbeige- ι ο häuse ist somit nich? mehr erforderlich, vielmehr sind die Leckgasfr ?<;genüber der Außenumgebung abgedichtet, so daß keine gesonderten Maßnahmen zur Abscheidung von Verunreinigungen zu treffen sind. Dadurch verringert sich nicht nur der apparative Aufwand der Vorrichtung sondern erhöht sich auch der Wirkungsgrad der Rückführvorrichtung.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Stirling-Maschine,

F i g. 2 eine detaillierte schematische Darstellung der Rückführvorrichiung nach Fig. 1 für die Rückführung eines über den Dichtblockteil austretenden Arbeirsmediums, wobei die Öleinleitung in die zweite (Zylinder-)Kamrner beendet ist und der Kolben sich zur zweiten Kammer zu bewegen beginnt, und

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung, in welcher sich der Kolben zur ersten Kammer zu bewegen beginnt.

Gemäß Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einer Stirling-Maschine 2 verbunden. Gemäß F i g. 2 ist ein in einem Pumpenzylinder 3 geführter Kolben 41 mit Dichtringen 4 versehen. Der Kolben 41 unterteilt den Zylinder in zwei Kammern A und B. Eine Stirnwand der Kammer B ist mit einer Einlaßleitung 6, über die Leckgas von einem Dichtblock 5 über ein Rückschlagventil 8 in die Kammer B eintreten kann, sowie eine Gasauslaßleitung 7 zur Rückführung des Leckgases *o über ein Rückschlagventil 8' in einen Zylinder 211 der Stirling-Maschin. 2 versehen. An die Stirnwand der Kammer A ist eine Öleinlaß- und -auslaßleitung 9 zur Einleitung von Öl in die Kammer A und zur Ab'eitung aus ihr angeschlossen. Die Leitung 9 ist auf noch näher *~> zu beschreibende Weise durch Betätigung eines Magnetventils 14 entweder unmittelbar oder über eine Ölpumpe 11 mii dem Ölbehälter 10 verbindbar.

Der Pumpenzylinder 3 bildet eine Elektrode bzw. einen Pol, und da zumindest einer der Dichtringe 4 aus einem elektrisch leitenden Material besteht, bildet der Kolben 41 ebenfalls einen Ted desselben Pols. An den Stirnwänden des Zylinders 3 sind Schalter in Form von Gegenelektrode bzw. -pole bildenden Kontakten 12 bzw. 13 vorgesehen, die in Isolatoren 17 bzw. 17' ⁵S eingesetzt und dadurch gegenüber dem Zylinder 3 elektrisch isoliert sind. Die Kontakte sind mit dem Magnetventil 14 über ein Halterelais 18 verbunden, das an eine Stromquelle 19 angeschlossen ist.

Das Magnetventil 14 verbindet selektiv die Leitung 9 ^hCl mit einer Leitung 21 zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Kammer A und dem Ölbehälter 10, so daß kein Öldruck an der Kammer A anliegt, während gleichzeitig eine Leitung 20 mit einer Leitung 22 verbunden ist. Das Magnetventil 14 vermag zudem in ^h~> seiner anderen Stellung die Leitung 9 selektiv mit der Leitung 20 zu verbinden, um mittels einer Ölpumpe 11 Drucköl aus dem Ölbehälter 10 in die Kammer A zu fördern, während gleichzeitig die Leitung 21 mit der Letiung22 verbundsn ist.

Im Betrieb steht die Kammer A gerr;_ß Fig-2 über die Leitungen 9 und Λ mit de;« öübinäiier 10 in Y^; bindung, so daß kein Öldruck an ihr anliegt. Wen» daher eier Druck des aus dem Dichtblock 5 herausleki.f rrien bzw. austretenden Arbeitsmediums höher is' ?.!? der in der Kammer A herrschende Öldruck, wird der Kolben 41 zur Kammer A hin verschoben, so daß sich das ausgetretene Arbeitsmedium über das Rückschlagventil 8 und die Einlaßleitung 6 in der Kammer B ansammelt. Normalerweise «folgt die Verschiebung des Kolbens in Richtung auf Kammer A wegen der einer Kolbenbewegung entgegenwirkenden Kraft des öis in der Kammer A und der zum öffnen des Ventiis 8 erforderlichen Kraft dann, wenn der Druck des ausgetretenen Arbeitsmediums 8 bar übersteigt. Der optimale Druck des Leckmediums liegt im Bereich von 30 bis 50 bar. Gemäß F i g. 2 steht die Leitung 22 über die ölpumpe limit der Leitung 20 in Verbindung, wobei kein Öl in die Kimmer A gefördert wird.

Wenn der Kolben 41 die eine Extremis ;: erreicht und den Kontakt !2 berührt, wird das Haltcrc&is *8 betätigt, das seinerseits das Magnetventil 14 erregt Infolgedessen wird gemäß Fig.3 eine Verbindung zwischen der Kammer A und dem ölbehälter 10 über die Leitungen ·), 20 sowie die Ölpumpe 11 hergestellt und damit das Öl zwangsweise bzw. unter Druck in die Kammer A eingeleitet. Der Öldruck besitzt eine vorbestimmte, über dem Mindest-Arbeitsdruck einer Stirling-Maschine liegende Größe; der Öldruck in der Kamme- A ist daher höher als der Leckgasdruck in der Kammer B. Infolgedessen wird der Kolben 41 zur Kammer B getrieben, so daß das Leckgas über die Auslaßleitung 7 und das Rückschlagventil 8' in den Zylinder 211 der Stirling-Maschine zurückgeführt wird.

Wenn der Kolben 41 in der anderen Extremlage mit dem Kontakt 13 in Berührung kommt, wird das Halterelais 18 im entgegengesetzten Sinn betätigt und dadurch das Magnetventil 14 in die Stellung nach Fig 2 umgeschaltet, so daß die Leckgaseinleitung in die Kammer Bbeginnt.

Die ^v erstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen sich ständig, und das ausgetretene Arbeitsmedium wird dabei wirksam in den Zylinder 211 der Stirling-Maschine zurückgefördert.

Bei Verwendung von Helium als Arbeitsmedium sind die genannten Kontakte verwendbar. Falls jedoch Wasserstoff verwendet wird, müssen diese Kontakte durch kontaktlose bzw. Näherungsschalter ersetzt werden, um eine Funkenbildung zu verhindern. Selbstverständlich können anstelle der elektrischen Kontaktschalter 12 und 13 auch nichtelektrische Kontakte vorgesehen werden. Außerdem wird vorzugsweise ein bei 23 angedeutetes Drosselventil in der Einlaß- und AuslaDIeitung 9 angeordnet, um plötzlich auftretende Druckstöße zu dämpfer.

Da der Kolben bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich durch den Differenz- bzw. Wirkdruck zwischen Leckgasdruck und Öldruck verschoben wird, ist bei der Stirling-Machine kein zusätzlicher At.mosphärendruck b:w. kein zusätzliches Arbeitsgas erforderlich, vielmehr wird nur das ausgetretene Arbeitsgas bzw. -medium in die Kammer B des Pumpen/ylinders eingeleitet und in den Maschinenzylinder zurückgefordert, so daß eine vollkommene Leckgasrückführung für eine StHing-Maschinc rtd.isiert Axrden kann.

Zusammenfassend wird mit der F.rfindune also eine

Leckgas-Rückführvorriehtung für eine Slirling-Masehi- ist zunächst zur l-xmögliehunp einer Vergrößerung de

ne geschaffen, die einen durch einen Kolben in zwei ersten Kammer durch das I.eckgas mit einen

Kammern unterteilten Pumpenzylinder aufweist. Die Niedcrdruck-Ölvorrat verbunden, während sie in de

eine Kammer dient dabei zur Aufnahme des Leckgases einen Lxtremlage des Kolbens mit einer I lochdruck ö

vom Dichtblock über ein erstes Rückschlagventil sowie > Versorgung verbunden wird, um dabei das l.eckgas i

zur Rückführung dieses Gases zum Maschinenzylinder den Maschinenzylinder /urück/iifOidein.
über ein /weites Rückschlagventil. Die andere Kammer

Hierzu 2 Blatt Zeichnunsicn

Claims

Patentansprüche: 25

1. Vorrichtung zum Rückführen des djrch die mit einem Dichtblock abgedichtete Kolbenstangenführung einer Stirling-Maschine austretenden Leckgases mit einer Kolbenpumpe, die je einen mit einem Rückschlagventil versehenen Gaseinlaß und Gasauslaß aufweist, gekennzeichnet durch