DE3036530A1

DE3036530A1 - Stirling machine cylinder-piston unit - has stepped piston with protruding lower portion forming seal against sleeve

Info

Publication number: DE3036530A1
Application number: DE19803036530
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 7540 Neuenbürg Gropp; Hans Dipl.-Ing. 7530 Pforzheim Zenn
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 1980-09-27
Filing date: 1980-09-27
Publication date: 1982-05-19

Abstract

The cylinder-piston unit is particularly for a Stirling machine, the cylinder and piston being sealed to each other by a bellows round the piston. The bellows is enclosed by a concentric sleeve, forming a sleeve for the annular chamber between them near the stationary bellows end, while at the moving end there is a seal on the piston sliding against the sleeve. The piston (1) is stepped, its lower and radially-protruding portion (1b) forming the seal against the sleeve (3). Its upper portion protrudes above the bellows (4) and forms a sliding seal (5) against the cylinder wall (2).

Description

Zylinder-Kolben-Aggregat, insbesondere Cylinder-piston unit, in particular

für Stirling-Maschinen Die Erfindung betrifft ein Zylinder-Kolben-Aggregat, insbesondere für Stirling-Maschinen, wobei Zylinder und Kolben mittels eines den Kolben umgebenden Balges dicht miteinander verbunden sind und der Balg von einer konzentrischen Hülse umgeben ist, die nahe dem ortsfesten Balgende einen Abschluß für den Ringraum zwischen Balg und Pulse aufweist, während der Abschluß dieses Ringraumes nahe dem beweglichen Balgende mittels einer am Kolben angeordneten, längs der Hülse gleitenden Dichtung erfolgt, gemäß Patentanmeldung P 30 06 929. for Stirling engines The invention relates to a cylinder-piston unit, especially for Stirling engines, the cylinder and piston by means of a den Piston surrounding bellows are tightly connected to each other and the bellows by one concentric sleeve is surrounded, the close to the stationary bellows end a conclusion for the annulus between the bellows and the pulse, while the closure of this annulus near the movable bellows end means one arranged on the piston, along the sleeve sliding seal takes place, according to patent application P 30 06 929.

Durch die Anordnung des Balges innerhalb einer Hülse, wobei das bewegliche Balgende mit einer Dichtung in der Hülse geführt ist, wird bei dem Zylinder-Kolben-Aggregat gemäß der genannten älteren Patentanmeldung auf der Balgaußenseite ein Druck aufgebaut, der in hoher Näherung dem Druck auf der Balginnenseite, also im Zylinderraum, entspricht. Der Balg ist dadurch nur einer geringen Du.fferenzdruckbeanspruchung ausgesetzt.By arranging the bellows within a sleeve, the movable The end of the bellows is guided with a seal in the sleeve, in the case of the cylinder-piston unit according to the earlier patent application mentioned, a pressure built up on the outside of the bellows, which corresponds to a high approximation to the pressure on the inside of the bellows, i.e. in the cylinder chamber. As a result, the bellows is only exposed to a low degree of differential pressure.

Er kann dadurch dünner und flexibler ausgeführt werden und zeichnet sich durch eine gegenüber den bekannten Lösungen um Größenordnungen höhere Lastspielzahl aus.It can be made thinner and more flexible and draws by an order of magnitude higher number of load cycles than the known solutions the end.

Mit der vorliegenden Zusatzanmeldung sollen die innerhalb und außerhalb des Balges auftretenden Druckverläufe noch weiter aneinander angenähert werden. Die im Ringraum bzw. im Zylinderraum ablaufenden Kompressions- und Expansionsvorgänge sollen so synchron sein, daß die Differenzdruckbeanspruchung des Balges praktisch bei null liegt. Außerdem soll die konstruktive Ausbildung der Balgentlastung vereinfacht werden.With this additional application, the inside and outside of the bellows occurring pressure curves are brought closer to one another. The compression and expansion processes taking place in the annular space or in the cylinder space should be so synchronous that the differential pressure on the bellows is practical is at zero. In addition, the design of the bellows load should be simplified will.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben aLs Stufenkolben ausgebildet ist, dessen untere, radial überstehende Stufe (ile lange der Hülse gleitende Dichtung bildet und dessen obere, vom Balg umgebene Kolbenstufe über den Balg nach oben verlängert ist und am oberen Ende eine gleitende Abdichtung gegen den Arbeitsraum des Zylinders darstellt.This object is achieved according to the invention in that the piston is designed as a stepped piston, the lower, radially protruding step (ile long of the sleeve sliding seal forms and its upper, from Piston step surrounded by the bellows is extended upwards over the bellows and at the upper end represents a sliding seal against the working space of the cylinder.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß der Ringraum zwischen Kolben und Balg nicht mehr unmittelbar von dem im Zylinder herrschenden Druck beaufschlagt wird.This has the advantage that the annular space between the pistons and bellows are no longer directly acted upon by the pressure prevailing in the cylinder will.

Vielmehr teilen sich die im Arbeitsraum stattfindenden Druckvorgänge der Balginnenseite nur in abgeschwächter Form mit, da die Gleitführung zwischen der oberen Kolbenstufe und dem Zylinder eine starke Drosselwirkung ausübt. Diese abgeschwFchtenDruckSnderungen auf der Balginnenseite lassen sich einfacher durch einen entsprechenden Sttzdruck auf der Balgaußenseite kompensieren und auf die in der Stammanmeldung beschriebenen Drosselöffnungen in der Hülse kann weitgehend verzichtet werden. Dabei bleibt die bereits in der Stammanmeldung beschriebene Bemessung hinsichtlich der Volumina beidseits des Balges wesentlich, d. h., daß der zwischen dem Balg und der oberen Kolbenstufe befindliche Ringraum so zu bemessen ist, daß seine Druckänderungen denen im Arbeitsraum weitgehend angenähert sind und praktisch kein Austausch von Arbeitsgas zwischen diesen beiden Räumen stattfindet. Gleichermaßen wird der zwischen dem Balg und der Hülse befindliche Ringraum unter BerUcksichtigung der Leckage und des Stützdruckes im Kurbelgehäuse so bemessen, daß seine Druckänderungen denen auf der Balginnenseite nahezu gleich sind Zweckmäßigerweise ist die Gleitführung der oberen Kolbenstufe mit zumindest einer Dichtung versehen, um eine starke Drosselwirkung zwischen dem Arbeitsraum und dem Ringraum zwischen Balg und oberer Kolbenstufe sicherzustellen. Dabei ist es konstruktiv besonders günstig, wenn die Dichtung aus mehreren, axial benachbarten, in Umfangsrichtung.laufenden Nuten besteht. Jede dieser Nuten wirkt als Druckentlastungsstufe und verursacht bei der Durchströmung einen Druckabfall, so daß .insgesamt eine erhebliche Druckentlastung zwischen ciem Arbeitsraum und der Balginnenseite stattfindet. Zugleich hat diese Ausbildung in Form von Druckentlas t;ungsstufen den Vorteil, daß Reibungsverluste zwischen Kolben und Zylinder ausgeschaltet sind. Gleichartige Nuten sind zweckmäßig auch an der unteren Kolbenstufe vorgesehen, wo diese längs der Hülse gleitet.Rather, the printing processes taking place in the work space are shared the inside of the bellows only in a weakened form, as the sliding guide between the upper piston stage and the cylinder exerts a strong throttling effect. These Attenuated pressure changes on the inside of the bellows can be passed through more easily compensate for a corresponding support pressure on the outside of the bellows and apply it to the in The throttle openings in the sleeve described in the parent application can largely be dispensed with will. The dimensioning already described in the parent application remains with regard to the volumes on both sides of the bellows are significant, d. that is, that between the bellows and the annular space located in the upper piston stage is to be dimensioned so that its pressure changes are largely approximated to those in the work area and practically no exchange of Working gas takes place between these two spaces. Likewise, the between the bellows and the sleeve located annulus, taking into account the leakage and of the support pressure in the crankcase so that its pressure changes to those on the inside of the bellows are almost the same Appropriately is the Sliding guide of the upper piston stage provided with at least one seal to a strong throttling effect between the working space and the annular space between the bellows and ensure upper piston stage. It is particularly favorable in terms of construction if the seal consists of several axially adjacent ones running in the circumferential direction Grooves. Each of these grooves acts as a pressure relief stage and causes a pressure drop during the flow, so that overall a considerable pressure relief takes place between the work space and the inside of the bellows. At the same time this has Training in the form of pressure relief stages has the advantage that friction losses between piston and cylinder are switched off. Similar grooves are useful also provided on the lower piston step where it slides along the sleeve.

Weitere Merkmale und Vorteile des Anmeldungsegestandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; diese zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch das Zylinder-Kolben-Aggregat.Further features and advantages of the registration status result from the following description of an exemplary embodiment with reference to the drawing; this shows a partial longitudinal section through the cylinder-piston unit.

Mit 1 ist der Kolben einer Stirling-Maschine bezeichnet. Er ist als Stufenkolben ausgebildet und weist an seinem oberen, dem Arbeitsraum zugewandten Ende eine Kolbenstufe Ia'mit reduziertem aurChmesser, an seinem unteren, dem Pleuel zugewandten Ende eine überstehende Kolbenstufe ib auf.1 with the piston of a Stirling engine is referred to. He is as Stepped piston formed and has on its upper, the working space facing End of a piston stage Ia 'with a reduced aurCh knife, on its lower, the connecting rod facing end on a protruding piston stage ib.

Während die obere Kolbenstufe 1a in einem den Ar-Arbeitsraum der Stlrl.ing-Maschine umfassenden Zylinder 2 gleltet, läuft die untere Kolbenstufe 1b in einer Hülse 3, deren Durchmesser auf die radiale Erweiterung dieser unteren Kolbenstufe angepaßt i3t. Die Hülse 3 ist dicht mit dem unteren Rand des Zylinders 2 verbunden Sie kann selbs.verstandlieh auch einstückig mit dem Zylinder 2 verl,unden sein, so deß sie ajs untere Zylinderstufe altzusprechen ist.While the upper piston stage 1a in one of the Ar work space of the Stlrl.ing machine comprehensive cylinder 2 gleltet, the lower piston stage 1b runs in a sleeve 3, whose diameter is adapted to the radial expansion of this lower piston stage i3t. The sleeve 3 is tightly connected to the lower edge of the cylinder 2 you can Of course, it should also be in one piece with the cylinder 2, so it should be ajs lower cylinder stage is old-fashioned.

Der Zylinder 2 und die sich anschließende Hülse 7 einerseits und der Stufenkolben 1 andererseits schließen einen Ringraum ein, dessen Breite durch den Durchmesserunterschied zwischen oberer und unterer Kolben stufe 1a bzw Ib besti;nst wird und dessen Höhe von der jeweiligen Hubposition des Kolbens 1 abhängt. In diesem Ringraum ist ein Metallbalg, vorzugsweise ein Membranbalg 4 angeordnet.The cylinder 2 and the adjoining sleeve 7 on the one hand and the Graduated piston 1, on the other hand, enclose an annular space, the width of which by the The difference in diameter between the upper and lower piston stage 1a or Ib is determined and its height depends on the respective stroke position of the piston 1. In this A metal bellows, preferably a diaphragm bellows 4, is arranged in the annular space.

Der Membranbalg 4 umgibt den unteren Teil der oberen Kolbenstufe Ia. Er ist an seinem oberen Ende am Zylinder 2, an seinem unteren Ende am Kolben 1, und zwar vorzugsweise am oberen Ende der unteren Kolbenstufe 1b befestigt. Dadurch dichtet er den Arbeitsraum V hermetisch gegenüber dem Kurbel gehäuse V3 ab.The diaphragm bellows 4 surrounds the lower part of the upper piston stage Ia. It is at its upper end on cylinder 2, at its lower end on piston 1, and preferably attached to the upper end of the lower piston stage 1b. Through this it hermetically seals the working space V from the crankcase V3.

Die beiden Kolbenstufen 1a und Ib sind zumindest über einen Großteil ihrer zylindrischen Gleitflächen mit mehreren Druckentlastungsstufen in orm von nebeneinander angeordneten, in Umfangsrichtung laufenden Nuten 5 bzw. 6 versehen. Sie drosseln die Strömungsverbindung zwischen dem Zylinderraum V und dem Ringraum V1 innerhalb des Balges 4 einerseits und zwischen dem Kurbel gehäuse V3 und dem Ringraum V2 außerhalb des Balges 4 andererseits. Dadurch und durch die bereits erwähnte Bemessung der Räume V1 und V2 unter Berücksichtigung der thermodynamischen Gegebenheiten laufen die Kompressions- und Expansionsvorgänge im inneren Ringraum V1 und im unteren Ringraum V2 nahezu ideal synchron und die Differenzdruckbeanspruchung des Balges 4 liegt nahe null.The two piston stages 1a and Ib are at least over a large part their cylindrical sliding surfaces with several pressure relief stages in orm of grooves 5 and 6 arranged side by side and running in the circumferential direction. They throttle the flow connection between the cylinder space V and the annular space V1 within the bellows 4 on the one hand and between the crank housing V3 and the annular space V2 outside of the bellows 4 on the other hand. Thereby and through the aforementioned dimensioning of rooms V1 and V2, taking into account The compression and expansion processes run due to the thermodynamic conditions in the inner annulus V1 and in the lower annulus V2 almost ideally synchronous and the Differential pressure loading of the bellows 4 is close to zero.

Selbstverständlich besteht zusätzlich die Möglichkeit, den außerhalb des Balges 4 liegenden Ringraum V2 über nicht dargestellte Drosselbohrungen in der Hülse wand 3 mit dem Kurbelgehäuse V3 zu verbinden oder im Ringraum V2 einen Ausgleichsbalg vorzusehen, dessen Innenraum mit dem anderen Ringraum V1 in Verbindung steht. Aufgrund der ohnehin in sehr guter Näherung gleichlaufenden Druckveränderungen- zu beiden Seiten des Balges 4 sind solche Maßnahmen jedoch nur unter besonderen Einsatzbedingungen notwendig Daher zeichnet sich die angemeldete Druckabstützung des Balges nicht nur durch außerordentlich geringe Differenzdruckbeanspruchbtng, sondern auch durch eine einfache und kostengünstlge Konstruktion aus.Of course, there is also the possibility to do the outside of the bellows 4 lying annular space V2 via throttle bores, not shown, in the Sleeve wall 3 to connect to the crankcase V3 or a bellows in the annulus V2 to be provided, the interior of which is in communication with the other annulus V1. Because of the pressure changes, which are already in a very good approximation, parallel to both On the side of the bellows 4, however, such measures are only possible under special conditions of use necessary Therefore, the registered pressure support of the bellows not only stands out by extremely low differential pressure stress, but also by a simple and inexpensive construction.

Claims

Claims ¼ cylinder-piston unit, especially for Stirling engines, wherein the cylinder and piston are sealed to one another by means of a bellows surrounding the piston are connected and the bang is surrounded by a concentric sleeve that is close the stationary end of the bellows a closure for the annular space between the bellows and the sleeve has, while the closure of this annular space near the movable cover means a seal arranged on the piston and sliding along the sleeve takes place thereby characterized in that the piston (1) is designed as a stepped piston, the lower, radially protruding step (1b) forms the seal sliding along the sleeve (3) and its upper piston step (7a) surrounded by the bellows (4) over the bellows upwards is extended and at the upper end a sliding seal (5) against the working space of the cylinder (2).

2. Cylinder-piston unit according to claim 1, characterized in that that the sliding guide of the upper piston stage (1a) is provided with at least one seal is.

3. Cylinder-piston unit according to claim 1 or 2, characterized in that that the seal of the piston steps (1a, 1b) from several running in the circumferential direction There are grooves (5, 6).