DE3605303A1 - Kolbenstangen-dichtungsanordnung fuer eine stirling-maschine - Google Patents

Kolbenstangen-dichtungsanordnung fuer eine stirling-maschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Kolbenstangen-Dichtungsanordnung für eine Stirling-Maschine und insbesondere auf eine Dichtungsanordnung für die einen Arbeitskolben der Stirling-Maschine mit einem Führungskolben, der als Abtriebsbauteil von z.B. einem Klimagerät dient, verbindende Kolbenstange.
Zur Erläuterung des Standes der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, zeigt die
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Dichtungsanordnung für eine Stirling-Maschine.
Die Stirling-Maschine S weist einen Arbeitskolben 2 in einem Zylinder 1 auf, um einen Verdichtungsraum 3 zu
Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844
Bayer. Vereinsbank (München! Kto 508 941
Postscheck (München) KtO 6'0 43-ö
bilden, der über einen Kühler, einen Wärmetauscher und eine Heizvorrichtung, die alle nicht gezeigt sind, mit einer (nicht gezeigten) Expansionskammer zu verbinden ist. Als Arbeitsgas kommen Helium- oder Wasserstoffgas zur Anwendung, um den Kolben 2 zwischen dem Verdichtungsraum und der Expansionskammer hin- und herzubewegen. Diese Hin- und Herbewegung des Kolbens 2 wird zu einem Antriebsmechanismus 12 übertragen und als mechanische Arbeitsleistung abgeführt.
Der Kolben 2 und der Antriebsmechanismus 12, von dem nur ein Teil in der Zeichnung angedeutet ist, sind durch die Kolbenstange 8 miteinander verbunden. Um ein Entweichen von Gas vom Dichtungsraum 3 zum Antriebsmechanismus zu unterbinden, sind längs des Außenumfangs der Kolbenstange 8 verschiedene Dichtungselemente angeordnet. Die Dichtungsanordnung umfaßt (von oben nach unten in Fig. 1) einen Abstreifdichtungsring 4, eine Hochdruck-ölkammer 5, einen öldichtungsring 6, eine Niederdruck-Ölkammer 7 und einen weiteren Abstreifdichtungsring 41. Die beiden ölkammern 5 und 7 stehen untereinander über eine ölpumpe P und ein Rückschlagventil in Verbindung, um das Überschußöl in der Kammer 7 zurück in die Kammer 5 zu führen.
In diesem System ist es notwendig, eine elektrische Schaltung vorzusehen, die die Menge an überschußöl in der Niederdruck-Ölkammer 7 ermittelt und die Pumpe 9 in korrekter Weise betreibt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kolbenstangen-Dichtungsanordnung für eine Stirling-Maschine zu schaffen, die die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile vermeidet.
Hierbei ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Kolbenstangen-Dichtungsanordnung anzugeben, die ein Abstreifen von öl von einer Niederdruck- zu einer Hochdruck-Ölkammer begünstigt und erleichtert.
Erfindungsgemäß wird ein öldichtungselement mit einem Spalt oder einer Kehle an seiner einen, der Niederdruck-Ölkammer zugewandten Stirnfläche geschaffen. Diese Kehle ist zur Oberfläche der Niederdruck-Ölkammer hin offen und zwischen der Niederdruck- sowie der Hochdruck-Ölkammer angeordnet, um bei der Hin- und Herbewegung der Kolbenstange das Abstreifen von Öl von der Niederdruckzur Hochdruck-Ölkammer zu ermöglichen.
Weitere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung deutlich. Es zeigen:
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Dichtungsanordnung für eine Stirling-Maschine in der bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Dichtungselement gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ein vergleichendes Diagramm über Ergebnisse eines Versuchs mit dem Erfindungsgegenstand und mit einer herkömmlichen Vorrichtung.
Zu Fig. 1 gleichartige oder gleiche Bauteile in Fig.2 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht nochmals näher erläutert.
Gemäß Fig. 2 ist der öldichtungsring 61 zwischen der Hochdruck- sowie Niederdruck-Ölkammer 5 bzw. 7 angeordnet und weist eine mit einer (nicht gezeigten) Halterung in Berührung befindliche äußere Kegelmantelfläche 13 auf, wobei die größere Kegelstumpf-Stirnfläche 14 Hochdruck-
..■,,.:. ΌΌ 3805303
öl aus der Hochdruck-Ölkammer 5 und die kleinere Kegelstumpf-Stirnflache 15 Niederdrucköl aus der Niederdruck-; Ölkammer 7 empfängt. Der öldichtungsring 61 hat eine Innenumfangsflache 16, an der die Kolbenstange 8 anliegt, und einen Spalt oder eine Kehle 17, die zur kleineren kegelstumpf-Stirnflache 15 hin offen ist und parallel zur Achse der Kolbenstange 8 bzw. des Dichtungsringes 61 verläuft.
Gemäß Fig. 3 ist die Kehle 17 von der kleineren Stirnfläche 15 her eingeschnitten, wobei ihre Tiefe zwei Drittel oder die Hälfte der axialen Gesamtlänge B des Oldichtungsringes 6" beträgt. Die Breite b der Kehle ist gleich der oder doppelt so groß wie die Abmessung a zwischen der Innenumfangsflache 16 und der dieser nahegelegenen Wand der Kehle 17.
Gemäß Fig. 2 ist der Verdichtungsraum 3 über einen ölvorratsbehälter 9, ein Rückschlagventil 18 und ein ölfilter mit der Hochdruck-Ölkammer 5 verbunden. Der Druck im Vorratsbehälter 9 wird auf der minimalen Druckhöhe des Arbeitsfluids gehalten.
Im Vorratsbehälter 9 ist ein Schwimmer 10 .angeordnet-, der elektrisch mit einem in einer den Vorratsbehälter":
9 mit der Niederdruck-Ölkammer 7 verbindenden Druckleitung liegenden Magnetventil 11 verbunden ist. Dieses ' Magnetventil 11 wird betätigt, um die Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter 9 sowie der Niederdruck-Ölkammer 7 im Ansprechen auf die Lage des Schwimmers
10 auf dem ölspiegel im Vorratsbehälter 9 zu regeln. Auf diese Weise werden die Ölpegel der Hochdruck- sowie Niederdruck-Ölkammer 5 und 7 ständig auf einem vorbestimmten Wert gehalten.
Versuchsbeispiel
Der minimale Druck des Arbeitsgases wurde auf weniger als 19,6 bar gehalten. Die Länge B des Öldichtungsringes 61 betrug 15 mm, die Tiefe des Schlitzes 17 von der Stirnfläche 15 aus war 10 mm (= 2/3 von B), die Abmessung a von der Innenunfangswand 16 aus war 2,5 mm, während die Breite b des Schlitzes 17, der ringförmig ausgestaltet war, 3 mm betrug.
Das Versuchsergebnis ist in Fig. 4 gezeigt, wobei die von der Niederdruck-Ölkammer 7 zur Hochdruck-Ölkammer 5 hin abgestreifte ölmenge 1,5 cm3/min betrug.
Es wurde ein weiterer Versuch unter gleichen Bedingungen ausgeführt, wobei der öldichtungsring eine Kehle nicht aufwies, sondern, wie es üblich ist, eine kegelförmige Innenumfangsflache hatte. Das Versuchsergebnis zeigt, daß von der Hochdruck-Ölkammer 5 zur Niederdruck-Ölkammer 7 ein öldurchsickern (eine Ölleckage) von 0,17 cm3/min erfolgte und ein Ölabstreifen nicht stattfand.
Eine Kolbenstangen-Dichtungsanordnung für eine Stirling-Maschine umfaßt somit erfindungsgemäß eine Hochdruck-Ölkammer, eine öldichtung und eine Niederdruck-Ölkammer, die hintereinander zwischen einem Verdichtungsraum der Maschine und einer Antriebseinheit eines Leistungsverbrauchers angeordnet sind. Die Öldichtung ist mit einer ringförmigen Kehle versehen, die zu ihrer der Niederdruck-Ölkammer zugewandten Stirnfläche hin offen ist, um von der Niederdruck-Ölkammer zur Hochdruck-Ölkammer sickerndes öl abzustreifen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf ihre bevorzugte Ausführungsforin dargestellt und beschrieben, jedoch ist sie darauf nicht beschränkt. Bei Kenntnis der offenbarten Erfindung wird der Fachmann Möglichkeiten zu Abwandlungen, Auslassungen und Änderungen sehen, die jedoch als im Rahmen der Erfindung liegend zu betrachten sind.
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- Leerseite -

Claims (7)

Patentansprüche
1. Kolbenstangen-Dichtungsanordnung für eine Stirling-
- mit einer einen Arbeitskolben der Stirling-Maschine mit einer als Leistungsverbraucher dienenden Antriebseinrichtung verbindenden Kolbenstange,
- mit einem der einen Stirnseite eines Kompressionsraumes, der von der einen Stirnfläche des Kolbens sowie einem Zylinder der Maschine abgegrenzt ist, zunächstgelegenen ersten Abstreifdichtungsring,
- mit einer dem ersten Abstreifdichtungsring zunächstgelegenen, die Kolbenstange umgebenden Hochdruck-Ölkammer,
- mit einer der Hochdruck-Ölkammer zunächstgelegenen, die Kolbenstange umgebenden öldichtung,
- mit einer der öldichtung zunächstgelegenen, die Kolbenstange umgebenden Niederdruck - ölkammer und
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Postscheck !München) KIo 670-43-804
- mit einem der Niederdruck-Ölkammer zunächstgelegenen, die Kolbenstange umgebenden zweiten Abstreifdichtungsring,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Öldichtung (6') eine äußere, mit einer Halterung in Berührung befindliche Kegelmantelfläche (13) hat,
- daß die größere Kegelstumpf-Stirnfläche (14) der Öldichtung einer Stirnseite der Hoch-druck-ölkammer (5) zugewandt ist,
- daß die kleinere Kegelstumpf-Stirnfläche (15) der öldichtung einer Stirnfläche der Niederdruck-Ölkammer (7) zugewandt ist und
- daß in der kleineren Kegelstumpf-Stirnfläche eine zu dieser Stirnfläche (15) hin offene, ringförmige Kehle (17) ausgebildet ist.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Kehle (17) der öldichtung (61) in Richtung der Achse der Kolbenstange (8) verläuft.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kehle (17) in einem radialen Abstand (a) zur Innenumfangsflache (16) der öldichtung (6') ausgebildet ist.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Kehle (17) zwei Drittel bis zur Hälfte der axialen Länge (B) der Öldichtung (6') und ihre Breite (b) zum Abstand (a) von der Innenumfangsflache (16) bis zu der dieser Fläche nahegelegenen Seitenwand der Kehle (17) gleich bis doppelt so groß ist.
5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichtungsraum (3) mit der Hochdruck-Ölkammer (5) über ein lediglich eine Strömung von der Hochdruck-Ölkammer zum Verdichtungsraum zulassendes Rückschlagventil (18) sowie einen der Hochdruck-Ölkammer (5) Öl zuführenden ölvorratsbehälter (9) verbunden ist, in dem ein in Abhängigkeit vom Ölspiegel im ölvorratsbehälter bewegbarer Schwimmer (10) angeordnet ist.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruck-Ölkammer (7) mit der Hochdruck-Ölkammer (5) über den Ölvorratsbehälter (9) verbunden ist und daß in einer den Ölvorratsbehälter sowie die Niederdruck-Ölkammer verbindenden Leitung eine die Fluidströmung zwischen dem Behälter (9) sowie der Kammer (7) regelndes Magnetventil (11) angeordnet ist.
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (10) im ölvorratsbehälter (9) das Magnetventil (11) im Ansprechen auf seine Bewegung betätigt.
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