DE4122815A1 - Dichtungsanordnung für eine Stirling-Tieftemperatur-Kältemaschine - Google Patents

Description

Tieftemperatur-Kältemaschinen, die nach dem Stirling-Prozeß arbeiten sind, bekannt, wobei ein motorgetriebener Kom­ pressor eine zyklische Volumenänderung in der mit Kältemit­ teldruckgas gefüllten Arbeitskammer hervorruft. Das unter Druck gesetzte Kältemittelgas wird aus der Kompressorar­ beitskammer durch einen Wärmetauscher in eine Expansionskam­ mer geführt, an der der kalte Kopf angebracht ist. Der Wärmetauscher besteht aus einem am kalten Kopf angeordneten Wärmetauscher, einem Regenerator und einem weiteren neben dem Kompressor liegenden Wärmetauscher. Der Regenerator hat Öffnungen an beiden Enden, so daß das Kältemittelgas ein- und austreten kann.

Der Kompressor und Expander reziprozieren in einem bestimm­ ten Verhältnis zueinander, so daß sich die Volumenänderungen in der Arbeitskammer ergeben, die erforderlich sind, um den Stirling-Prozeß durchzuführen, und das Kältemittelgas wird durch den Wärmetauscher in abwechselnden Richtungen hin­ durchgeführt. Die Temperatur am einen Ende des Regenerators liegt über der Umgehungstemperatur im Betrieb, während die Temperatur am anderen Ende die Tiefsttemperatur erhält. Gas mit Tiefsttemperatur tritt in den Expander ein und sobald das Gas expandiert, absorbiert es Wärme, idealerweise bei konstanter Temperatur. Der zu kühlende Gegenstand ist neben der Expansionskammer am kalten Ende des kalten Kopfes ange­ ordnet. Da die Kältemaschine abgedichtet ist, verändert sich das Volumen der Expansions- und Kompressorkammer während der Hin- und Herbewegung der Expander- und Kompressorkolben. Der Wirkungsgrad der Stirling-Kältemaschine wird durch die rich­ tige zeitliche Abstimmung der Kolbenbewegungen optimiert. Insbesondere sollten die Bewegungen derart sein, daß Volu­ menänderungen der Expansionskammer den Volumenänderungen der Kompressionskammer um etwa 90° voreilen. Dadurch erreichen der Druck und die Temperatur der Kompressionskammer eine Spitze bevor das Kältemittelgas aus dem Wärmetauscher am warmen Ende in den Regenerator eintritt.

Die hauptsächlichen Bauarten der Stirling-Kältemaschinen sind die geteilte bzw. integrierte Bauweise ("Split" bzw. "Integral"). Die geteilte Stirling-Maschine hat einen Kom­ pressor, der vom Expander mechanisch getrennt ist. Zyklisch variierendes Druckgas wird zwischen dem Kompressor und dem Expander über eine Übergangsleitung ausgetauscht. Bei den meisten geteilten Stirling-Kältemaschinen wird die richtige Zeitgabe der Expanderbewegung erzielt, indem man Präzisions­ reibungsdichtungen benutzt.

Bei der integrierten Stirling-Kältemaschine sind der Kom­ pressor, die Wärmetauscher und der Expander in einem gemein­ samen Gehäuse angeordnet. Typisch ist ein Elektromotor für den Antrieb. Eine im Gehäuse angeordnete Kurbelwelle dient zur zeitlichen Bewegungssteuerung des Kompressors und Ex­ panders ähnlich einer Brennkraftmaschine, die auf diese Weise die Kolbenhübe steuert. Eine typische integrierte Kältemaschine erfordert jedoch Lager für die Kurbelwelle. Für die Antriebsverbindung des Kompressors und Expanders benutzt man Kolbenstangen, die zusätzliche Lager erfordern. Dabei tritt das Problem auf, daß diese Lager geschmiert werden müssen. Da die Schmiermittel bei den Tiefsttempera­ turen einfrieren, wird der Durchfluß im Regenerator ver­ stopft. Viele unterschiedliche Dichtungen finden Verwendung. So sind bei Stirling-Kältemaschinen Gleitdichtungen mit hydraulisch beaufschlagten Balgen bekannt, die einem Verschleiß unterliegen und das Schmiermittel vom Regenerator fernhalten. Diese Anordnungen liefern Abrieb, der die Lebensdauer verkürzt.

Um ölbehaftetes Kältemittelgas im Kurbelwellengehäuse vom ölfreien Kältemittelgas im Regenerator fernzuhalten, kann man auch eine Balgendichtung verwenden, die für diesen Anwendungszweck besonders geeignet ist. Ein Balgen besteht aus mehreren aufeinandergelegten bzw. axial beabstandeten Elementen und erfordert sehr große Höhen/Längenabmessungen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Bauhöhe des Kolbens, des Zylinders und der Balgenanordnung bei einer Sterling-Kältemaschine zu verringern, wobei auch das Gewicht der Kolben verkleinert werden soll. Ferner soll der Abstand zwischen der Führungsfläche und der Stirnfläche des Kolbens verringert werden, um so den Hebelarm für ein Verkanten zu verkleinern.

Erfindungsgemäß ist die Kolbenanordnung bei-einer Stirling- Kältemaschine ungewöhnlich insofern, als der Kolben aus einem Dichtabschnitt und einem Führungsabschnitt besteht. Es gibt keine Kolbenringe o. ä. und der Dichtabschnitt bewegt sich in einer Bohrung mit einem sehr kleinen Spiel, jedoch ohne Kontakt zwischen dem Dichtabschnitt und der Bohrung, weil dieser Spalt frei von Schmiermittel und Verschleißpar­ tikeln sein muß. Die Länge des Dichtabschnittes sowie das Kolbenspiel bestimmt den Druckabfall am Dichtabschnitt. Der Führungsabschnitt ist durch eine Balgendichtung gegenüber dem ölfreien Kältemittel getrennt. Der Führungsabschnitt wirkt mit einer Bohrung zusammen, um die Bewegung der Kolbendichtung zu führen. Damit der Kolben nicht verkantet und dann der Dichtabschnitt die Bohrungswandung berührt, ist es notwendig, den Führungsabschnitt in einer langen Bohrung mit kleinem Spiel anzuordnen. Weil in Rücksicht auf den Wirkungsgrad der Kältemaschine sehr kleine, kritische Ab­ messungstoleranzen eingehalten werden müssen, würden sogar winzige Verunreinigungen im Schmiermittel einen unannehm­ baren Verschleiß der sich bewegenden Teile zur Folge haben, der die Lebensdauer verkürzt. Die axial beabstandte Auf­ teilung des konventionellen Kolbens, des Zylinders und des Balgens einer konventionellen Stirling-Kältemaschine wird erfindungsgemäß durch eine Teleskopanordnung ersetzt. Insbesondere ist wenigstens der Führungsabschnitt des Zylinders mindestens teilweise innerhalb und axial zusammenfallend mit dem Balgen angeordnet, so daß die Höhe/Länge des Kolbens, Zylinders und Balgens verringert wird.

Grundsätzlich ist ein Abschnitt des Führungsabschnittes des Zylinders als axialer rohrförmiger Abschnitt oder Kragen ausgebildet. Der Balgen umgibt, bzw. ist mindestens teil­ weise axial fluchtend mit dem Kragen angeordnet, so daß für die relative Bewegung eine Art teleskopierende Wirkung erzielt ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stirling- Kältemaschine;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Expanders, wobei der Kolben im oberen Totpunkt steht;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, wobei der Kolben im unteren Totpunkt steht;

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 3 mit zusätzlichen Bauteilen des kalten Kopfes und Regenerators;

Fig. 5 eine teilweise Schnittansicht des Kompressors in der oberen Totpunktlage;

Fig. 6 ein Schnitt durch eine Balgendichtung.

In den Fig. 1 bis 5 hat ein Tieftemperaturkühler 10 mit Stirling-Kältekreislauf ein Kurbelwellengehäuse 12. Dieses hat einen Ölsumpf 13 und ist mit ölversetztem Helium (Kälte­ mittelgas) gefüllt. Ein nicht dargestellter Motor ist im Gehäuse 12 angeordnet und treibt über eine Kurbelwelle 44 den Kolben 30 eines Expanders 31 und den Kolben 130 eines Kompressors 131. Fig. 1 zeigt, daß der Kolben 30 gegenüber dem Gehäuse 12 mit einer einzigen Balgendichtung 24 und in ähnlicher Weise auch der Kolben 130 gegenüber dem Gehäuse 130 mit einer einzigen Balgendichtung 124 abgedichtet ist. Somit bilden das Kurbelwellengehäuse 12 und die Dichtung 24 einen Kamm 34, der gegenüber dem Inneren des Gehäuses 12 isoliert ist. Ebenso bilden das Kurbelwellengehäuse 12 und die Dichtung 124 einen Kamm 134, der gegenüber dem Inneren des Gehäuses 12 isoliert ist. Die Kämme 34 und 134 sind jedoch über den Kompensator einer Pufferkammer 50 mitein­ ander verbunden. Die Pufferkammer 50 ist von der Kammer 54 durch eine Membran 52 getrennt und die Kammer 54 ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Inneren des Kurbelwellen­ gehäuses 12. Der Expander 31 und Kompressor 131 sind über eine Leitung 59, den Regenerator 60 und eine Leitung 61 miteinander verbunden.

Das Gas im Regenerator 60, und in den Kammern 34, 50 und 134 sowie im Expander 31 und Kompressor 130 ist reines Helium. In dem in Fig. 1 dargestellten System arbeitet der Kom­ pressor 131 etwa 90° hinter dem Expander 131.

Beim Austreibhub des Kolbens 130 wird das Helium aus dem Kompressor 131 durch den Regenerator 60 bei etwa 90° der Drehung hinausgedrückt, bevor der Expander 31 den Ansaughub beginnt. Wenn der Expander 31 den Ansaughub beginnt, so expandiert das Helium, wodurch am kalten Kopf 62 ein Kühl­ effekt auftritt. Wenn der Kompressor 131 seinen Saughub beginnt, so liegt der Kolben 30 etwa am unteren Totpunkt, so daß bei Beginn des Austreibhubes des Expanders 31 der Kompressor 131 einen Druckunterschied am Regenerator 60 erzeugt hat, der eine Strömungsumkehr durch den Regenerator 60 vom Expander 31 zum Kompressor 131 zur Folge hat. Beim Reziprozieren der Kolben 30 und 130 sind somit die Kammern 34 und 134 Membranpumpen und die Kammer 50 kompensiert die Druck- und Volumenänderungen.

In den Fig. 2 bis 4 ist ein Zylinder 14 dargestellt, der mit dem Kurbelwellengehäuse 12 durch Schrauben oder in ande­ rer Weise mit Dichtungen verbunden ist. Der zylindrische Teil 14-1 liegt innerhalb des Wärmetauschers 16 des Expan­ ders und ist mit einer Bohrung 14-2 versehen. Der Einsatz 14 weist ferner koaxiale rohrförmige Teile 14-3 und 14-4 mit einer Bohrung 14-5 auf. Ein ringförmiges unteres Endstück 18 ist am Einsatz 14 mit Schrauben oder anders befestigt und umgibt den rohrförmigen Teil 14-3. Ein O-Ring oder eine andere Dichtung 20 bildet eine Strömungsmitteldichtung zwi­ schen dem Endstück 18 und dem Einsatz 14. Eine ringförmige Balgendichtung 24 ist zwischen dem unteren Endstück 18 und dem Kolben 30 strömungsmitteldicht beispielsweise durch Schweißen befestigt.

Der Kolben 30 hat einen Kolbenkopf mit einem ringförmigen zylindrischen Abschnitt 30-1, der in der Bohrung 14-2 nicht kontaktierend gleitet, sowie eine angeformte Führungsstange 30-2, die in der Bohrung 14-5 gleitet. Die Führungsstange 30-2 ist an einem Schuh 40 befestigt und dieser über den Treibring 42 an der Kurbelwelle 44, wie dies bekannt ist.

Ein oberes ringförmiges Endstück 22 ist strömungsmitteldicht an den zylindrischen Abschnitt 30-1 des Kolbens 30 und an den Balgen 24 angeschweißt oder in anderer Weise befestigt.

Der rohrförmige Teil 14-3, das untere Endstück 18, die innere Fläche des Balgens 24, das obere Endstück 22 und das Innere des zylindrischen Abschnitts 30-2 bilden eine Kammer 32, die mit dem Inneren des Kurbelwellengehäuses 12 über eine Bohrung 14-6 im Zylindereinsatz 14 verbunden ist. Eine zweite Kammer 34 wird von der Außenfläche des Balgens 24, dem unteren Endstück 18, dem oberen Endstück 22 und der Bohrung 14-2 gebildet. Die Kammer 34 hat eine gedrosselte Verbindung längs des Kolbens 30 über die spielbehaftete Kolbendichtung 14-8 zwischen dem zylindrischen Abschnitt 30- 1 und der Bohrung 14-2 wie oben erläutert und ist außerdem in Strömungsmittelverbindung über 14-7 mit der Pufferkammer 50. Die Pufferkammer 50 ist von der Pufferkammer 54 mittels der Membran 52 abgetrennt. Die Pufferkammer 54 steht in Verbindung mit dem Inneren des Gehäuses 12 über 12-1.

Der Regenerator 60 ist näher in Fig. 4 dargestellt und ist über dem Wärmetauscher bzw. Kühler 16 angeordnet und mit diesem integriert, und weist einen Zylinder 16-1 im oberen Gehäuseteil bzw. einer Büchse 16-2 und dem kalten Kopf 62 auf. Der Ringraum zwischen dem Zylinder 16-1 und dem Manteil 16-2 ist mit einer Drahtgewebeeinlage 60-1 gefüllt, die als Regenerator dient. Der Zylinder 16-1 bildet allgemein eine Fortsetzung der Bohrung 14-2 und nimmt den Kolbenkopf 30-3 auf, der am Kolben 30 befestigt ist, um ein einstückiges Bauteil zu bilden. Der Kolbenkopf 30-3 besteht aus sehr dünnem rostfreiem Stahl, so daß er eine sehr kleine Wärme­ leitfähigkeit besitzt. Damit ergibt sich eine Verringerung des Wärmeübergangs zwischen dem kalten Gas im Zylinder 16-1 und dem Kolben 30. Der Kolbenkopf 30-3 hat ein größeres Kolbenspiel gegenüber der Zylinderwand 16-1 als der Kolben 30, weil eine größere Radialbewegung des Kolbenkopfes 30-3 möglich ist wegen des größeren Abstandes von der Bohrung 14- 5, in der die Führungsstange 30-2 geführt ist. Aus dem Kompressor 131 über die Leitung 61 austretendes Heliumgas gelangt in die Bohrung 16-3 im unteren Gehäuseabschnitt 16-4 und dann in die Ringkammer 16-5. Das Heliumgas gelangt aus der Ringkammer 16-5 in Kapillarröhren 17 durch das Draht­ gewebe 16-1 des Regenerators 60 im oberen Gehäuseteil 16-2 und über den kalten Kopf 62. Der Ringraum zwischen- m Zylinder 16-1 und dem oberen Gehäuseteil 16-2 bildet einen Teil der Leitung 59 in Fig. 1. Das Heliumgas wird in die den zylindrischen Abschnitt 16-1 über die Leitung 59 beim Saug­ hub des Kolbens 30 und des integrierten Kolbenkopfes 30-3 eingesaugt. Während des Austreibhubes wird die Strömung umgekehrt. Der Wärmetauscher 16 weist ferner einen Einlaß­ anschluß 16-6 und einen Auslaßanschluß 16-7 auf, die über die Ringkammer 16-8 verbunden sind, welche die die Kapillar­ röhren 17 enthaltende Kammer umgibt. Deshalb werden die Kapillarröhren 17 gekühlt wie auch das durch die Röhren 17 strömende Gas, wenn der Anschluß 16-6 mit einem Wärmeüber­ tragungsmedium beaufschlagt ist.

Der Kompressor 131 ist gemäß Fig. 5 ähnlich dem Expander 31 aufgebaut, wobei ähnliche Bauteile mit einer vorgestellten 1 versehen sind. Ein Deckel 146 ist am Kurbelwellengehäuse 12 befestigt und wirkt mit der Bohrung 130-1 des Zylinders 114 zusammen, um das Gasvolumen zu definieren, daß vom Kolben 130 komprimiert wird. Der Deckel 146 hat eine Bohrung 146-1, die an die Leitung 61 angeschlossen ist und eine Bohrung 146-2, mit der die Bohrung 114-7 an die Kammer 50 ange­ schlossen ist. Das Zusammenwirken des Kolbens 130, des Balgens 134 und der spielbehafteten Dichtung 114-8 ist das gleiche wie das des Kolbens 30, des Balgens 24 und der spielbehafteten Dichtungen 14-9 und 14-10.

Gemäß Fig. 6 ist der Balgen 24 von mehreren metallischen Bellville-Elementen oder anderen passenden Elementen 24-1 gebildet, die übereinander miteinander verschweißt werden, um eine flüssigkeitsdichte Einheit zu bilden. Insbesondere ist jedes Zwischenelement 24-1 am Außenumfang mit dem benachbarten Element 24-1 verschweißt und am inneren Umfang mit einem anderen Nachbarelement 24-1. Das untere Element ist an das ringförmige untere Endstück 18 und das obere Element an das obere ringförmige Endstück 2 angeschweißt. Der Balgen 124 ist in ähnlicher Weise aufgebaut.

Im Betrieb wird die Kurbelwelle 44 von einem nicht darge­ stellten Motor in Drehung versetzt, so daß der Treibring 42 des Expanders 31 und der Treibring 142 des Kompressors 131 angetrieben werden. Beide Ringe 42 und 142 sind etwa 90° außer Phase, so daß der Kolben 130 des Kompressors 131 90° hinter dem Kolben 30 her läuft. Bei einem Vergleich der oberen Totpunktlage in Fig. 1 mit der unteren Totpunktlage der Fig. 3 und 4 zeigt sich, daß die Kammern 32 und 34 jeweils ihr größtes Volumen in der in Fig. 2 dargestellten Lage haben und ihre kleinsten Volumen in den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Lagen. Demzufolge bilden die Kammern 32 und 34 Pumpvolumen während des Betriebes der Kältemaschine 10. Beginnt man mit der Lage der Anordnung gemäß Fig. 2, so haben die Kammern 32 und 34 maximales Volumen. Bewegt sich der Kolben 30 aus der Lage gemäß Fig. 2 in die Lage der Fig. 3 und 4, so kehrt ölversetztes Kältemittelgas in der Kammer 32 in das Gehäuse 12 über die Bohrung 14-6 im Zylin­ dereinsatz 14 zurück. Zusätzlich wird die Pufferkammer 50 über die Bohrung 14-7 mit Kältemittelgas aus der Kammer 34 beaufschlagt und das Gas drückt auf die Membran 52 im Gegensinn zum Kältemittel in der Kammer, das auf Kurbel­ wellengehäusedruck ist. Die Membran 52 wird dann abhängig vom Druckunterschied zwischen den Kammern 50 und 54 ein­ gestellt. Wegen der Kolbenspieldichtung 14-8, die von dem kleinen Dichtspalt zwischen dem zylindrischen Abschnitt 30-1 und der Bohrung 14-2 gebildet wird, ist die Druckdifferenz normalerweise kleiner als 10 psi. Aus einem weiteren Ver­ gleich der Fig. 2 und 3 ergibt sich, daß der zylindrische Teil 30-1 des Kolbens 30 in eine Lage bewegbar ist, in der der axiale Abstand zwischen dem rohrförmigen Teil 14-3 und dem zylindrischen Teil 30-1 minimal ist oder sogar negativ ist, so daß die Höhe/Länge der Anordnung um einen Betrag verringert ist, der der Höhe/Länge des Balgens entspricht.

Die voranstehende Beschreibung des Expanders 31 gilt auch für die entsprechenden Teile des Kompressors 131.

Claims (7)

1. Strömungsmaschine mit einem Gehäuse (12) und einer zylindrischen Bohrung (14-2) für einen Kolben (30) und mit einer koaxial zur Kolbenbohrung angeordneten Führungs­ bohrung (14-5), wobei die Führungsbohrung (14-5) einen von einem ring­ förmigen Kragen (14-3) gebildeten Abschnitt aufweist, der sich in die Kolbenbohrung erstreckt und mit der Kolben­ bohrung zusammenwirkt, um einen axial zum Kragen fluchtenden Ringraum zu bilden,
wobei der Kolben (30) einen ringförmigen zylindrischen Abschnitt (30-1) aufweist, der verschiebbar in der Kolben­ bohrung (14-2) angeordnet ist und der eine integrierte Führungsstange (30-2) aufweist, die in der Führungsbohrung (14-5) verschiebbar angeordnet ist, in der Führungsbohrung geführt und mit einem Antrieb (40, 42, 44) verbunden ist,
wobei der ringförmige zylindrische Abschnitt (30-1) des Kolbens (30) ein Spiel gegenüber der Kolbenbohrung (14-2) derart aufweist, daß bei normaler Betriebsweise keine Berührung erfolgt und
wobei eine Balgenanordnung (24, 124) wenigstens teilweise in dem Ringraum um den ringförmigen Kragen (14-3) angeordnet ist, deren erstes Ende an dem Gehäuse (12) dicht befestigt ist und dessen zweites Ende an dem ringförmigen zylin­ drischen Abschnitt des Kolbens dicht befestigt ist, so daß die Balgenanordnung bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens (30) expandiert und kontrahiert und teleskopisch gegenüber dem ringförmigen Kragen bewegbar ist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Balgenanordnung (24, 124) ein Spiel gegenüber der Kolben­ bohrung derart aufweist, daß beim Expandieren und Kon­ trahieren der Balgenanordnung in der Kolbenbohrung keine Berührung mit der Kolbenbohrung während normaler Betriebsbe­ dingungen erfolgt.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Balgenanordnung ein ringförmiges unteres Endstück (18) aufweist, das am Gehäuse (12) befestigt ist sowie ein ring­ förmiges oberes Endstück (22), das an dem ringförmigen zylindrischen Abschnitt befestigt ist.

4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Strömungsmaschine eine Tiefsttemperatur- Stirling-Kältemaschine ist, wobei das Gehäuse (12) ein Querhaupt (14) bzw. einen Zylindereinsatz aufweist, in dem die Führungsbohrung und der ringförmige Kragen ausgebildet sind.

5. Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (30, 130) für den Expander (31) und den Kompressor (131) der Stirling-Kältemaschine zusammen mit den Balgenanordnungen (24, 124) und der teleskopischen Anordnung der Balgenanordnungen mit dem ringförmigen Kragen einander entsprechend ausgebildet sind.

6. Strömungsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Zylinder (14) einen Teil des Gehäuses (12) bildet und in dem Zylinder die Führungsbohrung (14-5), der ringförmige Kragen (14-3), der Ringraum und die Kolbenbohrung (14-2) ausgebildet sind, so daß die Führungsbohrung und die Kolbenbohrung in dem gleichen Bauteil ausgebildet sind.

7. Strömungsmaschine nach Anspruch 6, wobei der Zylinder (14) einen rohrförmigen Abschnitt (14-4) aufweist, der mit dem ringförmigen Kragen zusammenwirkt, um die Führungsbohrung zu bilden, so daß die Führungsbohrung eine Länge aufweist, die ausreicht, um die Verkantungsgefahr für den Kolben zu verringern.