DE3511339C2

DE3511339C2 - Kolbenstangenabdichtung für einen Stirling-Motor

Info

Publication number: DE3511339C2
Application number: DE3511339A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Anjyo Aichi Momose
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: New Energy and Industrial Technology Development Organization
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1986-07-31
Also published as: GB8507265D0; GB2156907B; FR2562164A1; GB2156907A; FR2562164B1; DE3511339A1; JPS60159858U; US4564202A

Abstract

Eine Kolbenstangenabdichtung für einen Stirling-Motor die ein Fluid, welches in eine Zwischenkammer entwichen ist, von dieser Kammer zu einer mit Fluid gefüllten Kammer über einen daran angeordneten Ölabstreifer zurückdrückt. Die Abdichtung umfaßt einen O-Ring, der an der Kolbenstange in einer Position befestigt ist, in der der O-Ring unmittelbar über dem Ölabstreifer zu liegen kommt, wenn sich die Kolbenstange im unteren Totpunkt befindet. Die Zwischenkammer umfaßt einen an den Ölabstreifer angrenzenden Raum, der einen verringerten Durchmesser entsprechend dem äußeren Durchmesser des O-Ringes aufweist. Wenn sich die Kolbenstange in Richtung des unteren Totpunktes absenkt, wird der O-Ring in den Raum mit verringertem Durchmesser in Richtung auf den Ölabstreifer bewegt. Da der O-Ring auf der Innenwand des Raumes mit verringertem Durchmesser unter Druck gleitet, wird der Druck aufgebaut, der ein Fluid, das in die Zwischenkammer entwichen ist, von diesem Raum durch den Ölabstreifer in die mit Fluid gefüllte Kammer drückt.

Description

fläche der Kolbenstange gedruckt wird, um ein Ausströmen des Fluids in die Zwischenkammer zu verhindern.

Folglich leistet die erfindungsgemäße Abdichtung mit einem einfachen und nicht teuren Aufbau eine mehr aktive als passive Abdichtung, die eine zuverlässige Abdichtung zu jeder Zeit gewährleistet

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der gleiche oder gleichartige Teile in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Stirling-Motors und

F i g. 2 eine schematische Teilansicht der erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenstangenabdichtung des Stirling-Motors.

Wie in F i g. 1 dargestellt ist, enthält ein Stirling-Motor 1 einen Zylinder 2, dessen Innenraum durch einen Arbeitskolben 3 in einen Hochtemperatur-Expansionsraum 4 und einen Niedertemperatur-Verdichtungsraum 5 aufgeteilt wird. Der Expansionsraum 4 steht über einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler mit dem Verdichtungsraum eines benachbarten Zylinders in Verbindung, was in der Zeichnung nur angedeutet ist. Ein Arbeitsgas, wie z. B. Helium oder Wasserstoff wird zwischen dem Expansionsraum 4 und dem Verdichtungsraum des benachbarten Zylinders hin- und hergeschoben, indem die Phasen von isothermer Kompression, isochorer Erhitzung (d. h. Zustandänderung bei konstantem Volumen), isothermer Expansion und isochorer Kühlung zyklisch wiederholt werden, um den Arbeitskolben auf und ab zu bewegen.

Eine Kolbenstange 8 ist auf einer Seite mit dem Arbeitskolben 3 und auf der anderen Seite mit einem Führungskolben 7 verbunden. Der Führungskolben 7 ist mit einem Zapfgetriebemechanismus 6, wie z. B. einem Kurbelmechanismus, derart verbunden, daß er diesen antreibt. Die Auf- und Abbewegung des Arbeitskolbens 3 kann damit über die Kolbenstange 8 dem Motor entnommen werden, um eine mechanische Arbeit außerhalb der Motoranordnung zu verrichten.

Hilfsmittel zur Abdichtung der Kolbenstange 8 sind zwischen dem Zylinder 2 und einem Kurbelgehäuse 9 vorgesehen. Diese Hilfsmittel weisen, ausgehend von der Seite des Verdichtungsraumes 5, der Reihe nach auf eine Gasdichtung 10, eine Zwischenkammer 11, die auf dem geringsten Druckniveau des Arbeitsgases gehalten wird, einen Abstreifring 12, eine mit einem Fluid gefüllte Kammer 13, die ständig mit Schmieröl, Wasser oder ähnlichem gefüllt ist, und eine Dichtung 14.

Die Zwischenkammer 11 steht über eine stationäre Auslaßöffnung 15, ein Filtergehäuse 17 mit einem Filter 16 und einem Rückschlagventil 18 mit dem Verdichtungsraum 5 in Verbindung. Das Rückschlagventil 18 dient dazu, den Druck des Arbeitsgases in der Zwischenkammer 11 auf dem geringsten Niveau zu halten. Der Filter 16 hat die Aufgabe, Fluid aus dem Arbeitsgas, das von der Zwischenkammer 11 zu dem Verdichtungsraum 5 fließt, zu filtern. Die stationäre Auslaßöffnung 15, die zwischen dem Filtergehäuse 17 und der Zwischenkammer 11 angeordnet ist, erfüllt eine Pufferwirkung für den Fall, daß eine Druckschwankung im Arbeitsraum auftritt, beispielsweise wenn die Motorleistung gesteuert wird, und verhindert ferner einen Rückfluß des Fluids, z. B. öl oder Wasser, innerhalb der mit Fluid gefülten Kammer 13. Ein Fluid-Rückflußventil 19 ist zwischen dem Kurbelgehäuse 9 und der mit Fluid gefüllten Kammer 13 vorgesehen, um überflüssiges Fluid von der Kammer 13 zu dem Kurbelgehäuse 9 zurückzuführen. Eine nicht dargestellte Pumpe ist zwischen dem Kurbelgehäuse 9 und der mit Fluid gefüllten Kammer 13 angeordnet Ebenso ist es möglich, einen Fluidkreis (hier nicht dargestellt) zur Versorgung der mit Fluid gefüllten Kammer 13 vorzusehen.

Eine Kolbenstangenabdichtung gemäß der Erfindung umfaßt ein Dichtelement 22 z. B. einen O-Ring. Die Zwischenkammer 11 ist derart ausgebildet, daß sie im Inneren ein Teil 20 mit einem ersten Durchmesser aufweist und ein Teil 21 mit einem zweiten Durchmesser, der geringer ist und abgestimmt ist auf den äußeren Durchmesser des O-Ringes 22 und an den Abstreifring 12 angrenzt Der Abstreifring 12 ist an die mit Fluid gefüllte Kammer 13 angrenzend und dieser zugewandt angeordnet Der O-Ring 22 ist starr befestigt an der Kolbenstange 8, die, wie oben beschrieben ist, eine Auf- und Abbewegung erfährt Der O-Ring bewegt sich daher in der Zwischenkammer 11 auf und ab, so wie sich die Kolbenstange 8 auf und ab bewegt Der O-Ring 22 ist an der Kolbenstange 8 in einer Position befestigt, in der er sich unmittelbar über dem Abstreifring 12 sowie innerhalb des Teiles 21, das einen verringerten Durchmesser aufweist, der Zwischenkammer 11 befindet, wenn sich die Kolbenstange 8 im unteren Totpunkt befindet.

Wenn sich die Kolbenstange 8 nach unten in Richtung des unteren Totpunktes des Hubes bewegt, wird der O-Ring 22 dadurch in das Teil 21 der Zwischenkammer

11 geführt, das einen verringerten Durchmesser aufweist, so daß von dem O-Ring 22 der Bereich des äußeren Umfanges auf der inneren Umfangswand des Teiles 21 mit verkleinertem Durchmesser unter Druck anliegt und darauf gleitet. Wenn sich die Kolbenstange 8 absenkt und den O-Ring 22 in Richtung des Abstreifrings

12 bringt, wird das Volumen innerhalb des Teiles 21 der Zwischenkammer 11, das einen verkleinerten Durchmesser aufweist und von dem O-Ring und dem Abstreifring 12 begrenzt wird, allmählich verringert, wodurch der in dem Teil 21 bestehende Druck ansteigt. Der höhere Druck zwingt jedes Fluid, welches in das Teil mit verringertem Durchmesser der Zwischenkammer 11 gelangt ist, durch den Abstreifring 12 in die darunter liegende und mit Fluid gefüllte Kammer 13.

Wenn die Kolbenstange 8 ihre Hubbewegung nach oben macht, wird der daran befestigte O-Ring 22 aus dem unteren Bereich des Teiles 21 herausgezogen, wobei er weiterhin unter Druck an der Wandung gleitet und dabei von dem Abstreifring 12 entfernt wird. Dies vergrößert das Volumen des abgesperrten Teiles 21 der Zwischenkammer 11 und führt somit dort zu einem Druckabbau. Die Abnahme des Druckes führt zu einem strafferen Anliegen der Lippe des ölabstreifer 12 an der Kolbenstange 8, wodurch es für jedes Fluid sehr schwer wird, von der mit Fluid gefüllten Kammer 13 in die Zwischenkammer zu gelangen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenstangenabdichtung für einen Stirling-Motor, der umfaßt eine auf- und abwärtsgehende Kolbenstange (8), eine Zwischenkammer (11; 11', 21), die die Kolbenstange (8) umgibt und auf dem Niveau des geringsten Druckes des Arbeitsgases gehalten wird, eine mit Fluid gefüllte Kammer (13) unterhalb der Zwischenkammer, die die Kolbenstange (8) umgibt und zu deren Schmierung dient, und einen Abstreifring (12), der zwischen der mit Fluid gefüllten Kammer (13) und der Zwischenkammer (11; 11', 21) angeordnet ist, um ein Ausströmen des Fluids von der Kammer (13) in die Zwischenkammer (11; II', 21) zu verhindern, gekennzeichnet durch

— ein ringförmiges Dichtelement (22), das unverrückbar an der Kolbenstange (8) befestigt ist in einer Position, in der es unmittelbar über dem Abstreifring (12) zu stehen kommt, wenn die Kolbenstange (8) in dem unteren Totpunkt ihrer Auf- und Abwärtsbewegung ist,

— eine Ausbildung der Zwischenkammer (1Γ, 21) mit einem ersten Raum (1Γ) mit einem ersten Durchmesser und einem an den Abstreifring (12) angrenzenden zweiten Raum (21) mit einem zweiten Durchmeser, wobei der zweite Durchmesser dem äußeren Durchmesser des ringförmigen Dichtelementes (22) entspricht und kleiner ist als der erste Durchmesser und an den ölabstreifer (12) angrenzt.

2. Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Dichtelement (22) als O-Ring ausgebildet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenstangenabdichtung für einen Stirling-Motor, insbesondere auf eine Kolbenstangenabdichtung die derart ausgelegt ist, daß ein Fluid, das in eine Zwischenkammer entwichen ist, in eine mit Fluid gefüllte Kammer zurückgedrückt wird.

In einem Stirling-Motor wird das Innere eines Zylinders von einem Arbeitskolben aufgeteilt in einen Expansionsraum, der einen Hochtemperaturbereich bildet, und in einen Verdichtungsraum, der den Niedertemperaturbereich bildet. Ein Arbeitsgas wird zwischen dem Expansionsraum und dem Verdichtungsraum eines benachbarten Zylinders hin- und hergeschoben, um dadurch den Arbeitskolben auf und ab zu bewegen. Eine Antriebskraft wird mittels einer Stange, die mit dem Kolben verbunden ist, dem Motor entnommen. Die Kolbenstange ist auf ihrem anderen Ende mit einem Führungskolben verbunden, der in Verbindung mit einem Zapfgetriebemechanismus läuft. Der Führungskolben ist im Bereich des Kurbelgehäuses oder einer Taumelscheibenkammer angeordnet und steht unter atmosphärischem Druck, während das andere Ende der Kolbenstange und der Arbeitskolben in einem Druckbereich angeordnet sind, der unter einem hohen Druck steht. Dies führt zu einem Druckunterschied, der sich entlang der Kolbenstange ausbildet, so daß das Arbeitsgas dazu neigt, von dem Hochdruck-Verdichtungsraum in den Niederdruck-Antriebsbereich, wie z. B. in das Kurbelgehäuse, auszuströmen. Da die Leistung des Stirling-Motors proportional dem Durchschnittsdruck des Arbeitsgases ist, muß man sich mit einem Entweichen von Arbeitsgas von dem Verdichtungsraum zu beispielsweise dem Kurbelgehäuse beschäftigen, um ein Abfallen der Maschinenleistung zu verhindern.

Bei einem herkömmlichen Stirling-Motor (JP 58-104 347 A) ist im einzelnen eine Gasdichtung, eine

ίο Zwischenkammer, die auf dem untersten Druckniveau des Arbeitsgases gehalten wird, ein ölabstreifer, eine mit öl gefüllte Kammer und eine öldichtung zwischen dem Zylinder und dem Kurbelgehäuse vorgesehen, um die Kolbenstange abzudichten. Während sich die KoI-benstange hin- und herbewegt ist es jedoch unmöglich, mit dem ölabstreifer zu verhindern, daß öl, das an der Kolbenstange haftet, in die Zwischenkammer fließt Obwohl das öl, das auf diese Weise in die Zwischenkammer gelangt indem es an der Kolbenstange haftet, sich nicht als praktisches Problem darzustellen scheint, besteht die Gefahr, daß es sich im Laufe der Zeit in der Zwischenkammer ansammelt. Daher wäre es wünschenswert, eine Hilfsvorrichtung zu haben, die das öl effektiver entfernt.

Ein weiteres Problem in Stirling-Motoren ist ein Abfall der Wärmeaustauschleistung und dadurch bedingt ein Sinken der Motorleistung, was eintritt, wenn Schmieröl für die Kolbenstange in den Verdichtungsraum fließt, sich dort mit dem Arbeitsgas vermischt und im Regenerator des Stirling-Motors festsetzt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenstangenabdichtung für einen Stirling-Motor vorzusehen, die die zuvor erwähnten Probleme der herkömmlichen Ausführung löst

Ferner soll eine Kolbenstangenabdichtung für einen Stirling-Motor geschaffen werden, die ein Fluid, das durch den Abstreifring in die Zwischenkammer gelangt ist, in die mit Fluid gefüllte Kammer zurückdrückt.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Kolbenstangenabdichtung für einen Stirling-Motor gelöst. Diese weist einen O-Ring bzw. ein Ringdichtelement auf, der bzw. das an der Kolbenstange unverschiebbar befestigt ist in einer Position, in der der O-Ring unmittelbar über dem Abstreifring plaziert ist, wenn die Kolbenstange im unteren Totpunkt steht. Des weiteren ist die Zwischenkammer derart ausgebildet, daß sie einen ersten und einen zweiten Raum aufweist, wobei der Durchmesser des zweiten Raumes geringer ist als der

so des ersten und entsprechend dem äußeren Durchmesser des O-Ringes dimensioniert ist. Der zweite Raum grenzt an den Abstreifring, der wiederum an die mit Fluid gefüllte Kammer angrenzt. Wenn sich die Kolbenstange in den unteren Totpunkt absenkt, wird der O-Ring dadurch in den zweiten Raum auf den Abstreifring geführt. Da der O-Ring mit seinem äußeren Umfang auf der inneren Wand des zweiten Raumes unter Druck gleitet, wird in dem zweiten Raum ein Druck aufgebaut, um das Fluid, das über den Abstreifring oder als Film an der Kolbenstange haftend in den zweiten Raum der Zwischenkammer gelangt ist, von dem zweiten Raum durch den Abstreifring in die mit Fluid gefüllte Kammer zurückzudrücken. Wenn sich der O-Ring aus dem zweiten Raum der Zwischenkammer herausbewegt, indem die Kolbenstange ihren Aufwärtshub durchführt, wird der beim Abwärtshub aufgebaute Druck in dem zweiten Raum abgebaut; dieses Absenken des Druckes führt dazu, daß die Lippe des Abstreifrings eng an die Ober-