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Technischer
Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Druckeingrenzungsstruktur und
die Kühlung
einer unter Druck stehenden Maschine mit geschlossenem Kreislauf.
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Hintergrund
der Erfindung
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Stirling-Kreislauf-Maschinen,
einschließlich Motoren
und Kühlschränke, besitzen
eine lange technische Historie, die detailliert beschrieben ist
in Walker, "Stirling-Motoren", Oxford Universitätszeitung (1980),
die hierin durch Bezugnahme beinhaltet ist. Das Prinzip, das dem
Stirling-Kreislauf-Motor zugrunde liegt, ist die mechanische Realisierung
des thermodynamischen Stirling-Kreislaufs: isovolumetrisches Erhitzen
eines Gases in einem Zylinder, isotherme Expansion des Gases (während der
Arbeit geleistet wird, indem ein Kolben angetrieben wird), isovolumetrische
Abkühlung
und isotherme Kompression.
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Im
Stand der Technik enthält
die Wärmeübertragungsstruktur
zwischen dem Arbeitsgas und dem Kühlfluid auch das unter hohem
Druck stehende Arbeitsgas des Stirling-Kreislauf-Motors. Die beiden Funktionen der Wärmeübertragung
und der Druckeingrenzung erzeugen konkurrierende Anforderungen für das Design.
Die Wärmeübertragung
wird durch eine möglichst
dünne Wand
aus einem Material mit der höchsten
thermischen Leitfähigkeit
maximiert. Dünne
Wände aus
schwachen Materialien begrenzen jedoch den maximal erlaubten Arbeitsdruck und
deshalb die Leistung des Motors. Zudem erfordern Vorschriften und
Produktstandards Designs, die bei einem Druck getestet werden können, der
ein Mehrfaches des nominellen Arbeitsdrucks ist.
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DE-3500124
offenbart eine unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf
mit einem kaltseitigen Druckbehälter
und einem Kolben, der in einem Zylinder bewegbar ist, der ein Arbeitsfluid
enthält,
wobei das Arbeitsfluid mit Hilfe eines Wärmetauschers mit einem Kühlmittelrohr,
das im kaltseitigen Druckbehälter
angeordnet ist, gekühlt
wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine
unter Druck stehende Maschine mit einem geschlossenen Kreislauf vorgesehen,
die einen kaltseitigen Druckbehälter
und einen Kolben besitzt, der einer linearen Hin- und Herbewegung
in einem Zylinder unterliegt, der ein Arbeitsfluid enthält, das
durch Wärmeleitung über einen Heizkopf
durch Wärme
von einer externen Wärmequelle
erwärmt
wird, wobei ein Wärmetauscher
zum Kühlen
des Arbeitsfluids innerhalb des kaltseitigen Druckbehälters angeordnet
ist, und wobei der Wärmetauscher
ein Kühlmittelrohr
umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr ein durchgehender
Abschnitt einer Kühlmittelrohrleitung
ist, die durch den kaltseitigen Druckbehälter führt, um Kühlmittel von außerhalb
des kaltseitigen Druckbehälters zum
Wärmetauscher
und durch den Wärmetauscher zu
führen
und um Kühlmittel
vom Wärmetauscher
zur Außenseite
des kaltseitigen Druckbehälters
zu führen.
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Der
Heizkopf kann direkt mittels Schweißen oder anderer Verfahren
mit dem kaltseitigen Druckbehälter
verbunden sein. In einer Ausführungsform umfasst
der Heizkopf eine Stufe oder einen Flansch, der eine mechanische
Last vom Heizkopf zum kaltseitigen Druckbehälter überträgt.
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Ein
Außendurchmesser
eines Abschnitts des Kühlmittelrohrs,
der durch den kaltseitigen Druckbehälter führt, kann zu dem kaltseitigen
Druckbehälter abgedichtet
sein. In einer Ausführungsform
ist ein Abschnitt des Kühlmittelrohrs
um einen Innenbereich des Wärmetauschers
gewickelt.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist ein Abschnitt des Kühlmittelrohrs
innerhalb eines Arbeitsvolumens des Wärmetauschers angeordnet. Der
Abschnitt des Kühlmittelrohrs,
der innerhalb des Arbeitsvolumens des Wärmetauschers angeordnet ist, kann
eine Mehrzahl von ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen umfassen.
Wenigstens ein Abstandselement kann enthalten sein, um den Fluss des
Arbeitsgases zu einer bestimmten Umgebung des Abschnitts des Kühlmittelrohrs
im Arbeitsvolumen des Wärmetauschers
zu leiten. Der Wärmetauscher
kann außerdem
eine ringförmige
Kühlanordnung
aufweisen, die das Kühlmittelrohr
umgibt, wobei ein Fluss des Arbeitsgases im Arbeitsvolumen des Wärmetauchers
entlang wenigstens einer Oberfläche
der ringförmigen
Kühlanordnung
gelenkt wird. Der Wärmetauscher
kann außerdem
eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsoberflächen auf
mindestens einer Oberfläche
des Wärmetauschers
umfassen.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
enthält
der kaltseitige Druckbehälter
ein Füllfluid,
und ein Abschnitt des Kühlmittelrohrs
ist innerhalb des kaltseitigen Druckbehälters angeordnet, um das Füllfluid zu
kühlen.
Die unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf kann
auch einen Ventilator im kaltseitigen Druckbehälter umfassen, damit das Füllfluid
zirkuliert und gekühlt
wird. Der Abschnitt des Kühlmittelrohrs,
der innerhalb des kaltseitigen Druckbehälters angeordnet ist, kann
ausgedehnte Wärmeübertragungsoberflächen an
der Außenseite
des Kühlmittelrohrs
umfassen. In einer weiteren Ausführungsform
besitzt der Wärmetauscher
einen Körper, der
gebildet wird, indem ein Metall über
das Kühlmittelrohr
gegossen wird. Der Körper
des Wärmetauschers
kann eine Arbeitsfluid-Kontaktoberfläche umfassen,
die eine Mehrzahl von ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen aufweist.
Eine flussbeschränkende
Gegenoberfläche
kann verwendet werden, um jeglichen Fluss des Arbeitsfluids zu einer
bestimmten Umgebung des Wärmetauscherkörpers einzudämmen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung sowie
die begleitenden Zeichnungen besser zu verstehen sein.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Stirling-Kreislauf-Motors mit Arbeitsräumen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittsansicht senkrecht zur Ansicht des Stirling-Kreislauf-Motors
aus 1 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3a ist
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors
mit einer Kühlmittelrohrleitung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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3b ist
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors
mit einer Kühlmittelrohrleitung
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung;
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3c ist
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors
mit einer Kühlmittelrohrleitung
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung;
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3d ist
eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors
mit einer Kühlmittelrohrleitung
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung;
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4a ist
eine Perspektivansicht einer Kühlspule
zum Wärmetausch
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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4b ist
eine Perspektivansicht einer Kühlanordnung,
die über
die Kühlspule
aus 4a gegossen ist, gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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5a ist
eine detaillierte Querschnittsansicht von oben des inneren Abschnitts
des übergossenen
kühlenden
Wärmetauschers
aus 4b mit vertikalen Rillen gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung; und
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5b ist
eine detaillierte Querschnittsansicht von oben des inneren Abschnitts
des übergossenen
kühlenden
Wärmetauschers
aus 4b mit vertikalen und horizontalen Rillen, die
Wärmetauschstifte
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung erzeugen.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden die Wärmetausch- und die Druckbehälterfunktionen
der Kühleinrichtung
einer unter Druck stehenden Maschine mit geschlossenem Kreislauf
getrennt, wodurch vorteilhafterweise sowohl die Kühlung des
Arbeitsgases als auch der erlaubte Arbeitsdruck des Arbeitsgases
maximiert wird. Das Erhöhen
des maximal erlaubten Arbeitsdrucks und das Kühlen führen zu einer erhöhten Motorleistung.
Ausführungsformen
der Erfindung erzielen eine gute Wärmeübertragung und erfüllen die
gesetzlichen Vorschriften für
die Druckeingrenzung durch Verwendung eines kleinen (relativ zum
Durchmesser des Heizkopfs) Metallrohrs zur Wärmeübertragung und trennen das
Kühlfluid
vom unter hohem Druck stehenden Arbeitsgas.
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Bezug
nehmend auf 1 ist ein hermetisch abgedichteter
Stirling-Kreislauf-Motor gemäß bevorzugter
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt dargestellt und allgemein
mit Bezugsziffer 50 bezeichnet. Auch wenn die Erfindung allgemein
unter Bezugnahme auf einen Stirling-Motor beschrieben wird, wie
er in 1 und 2 dargestellt ist, soll klar
sein, dass viele Motoren, Kühlgeräte und andere
Maschinen auf ähnliche
Weise aus verschiedenen Ausführungsformen
und Verbesserungen, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind,
Nutzen ziehen können.
Ein Stirling-Kreislauf-Motor, wie er in 1 dargestellt
ist, arbeitet unter Druckbedingungen. Der Stirling-Motor 50 enthält ein unter
hohem Druck stehendes Arbeitsfluid, vorzugsweise Helium, Stickstoff
oder eine Mischung von Gasen bei einem Druck von 20 bis 140 mal
dem Atmosphärendruck.
Typischerweise umgibt ein Motorgehäuse 70 die sich bewegenden
Teile des Motors, schützt
diese und hält
die Druckbedingungen aufrecht, bei denen der Stirling-Motor arbeitet
(und dient als solches als kaltseitiger Druckbehälter). Ein Stirling-Motor mit
freiem Kolben verwendet auch einen kaltseitigen Druckbehälter, um
die Druckbedingungen des Motors aufrecht zu erhalten. Ein Heizkopf 52 dient
als warmseitiger Druckbehälter.
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Der
Stirling-Motor 50 enthält
zwei getrennte Gasvolumina, ein Arbeitsgas-Volumen und ein Füllgas-Volumen,
die durch Kolbendichtringe 68 getrennt sind. Im Arbeitsgas-Volumen
ist das Arbeitsgas durch den Heizkopf 52, den Regenerator 54,
eine Kühleinrichtung 56,
einen Kompressionskopf 58, einen Expansionskolben 60,
einen Expansionszylinder 62, einen Kompressionskolben 64 und
einen Kompressionszylinder 66 eingegrenzt und wird außerhalb der
Kolbendichtringe 68 begrenzt. Das Füllgas ist ein gesondertes Volumen
von Gas, das durch den kaltseitigen Druckbehälter 70, den Expansionskolben 60 und
den Kompressionskolben 64 umgeben ist und innerhalb der
Kolbendichtringe 68 eingegrenzt wird.
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Das
Arbeitsgas wird abwechselnd durch den Kompressionskolben 64 und
den Expansionskolben 60 komprimiert und ausgedehnt. Der
Druck des Arbeitsgases oszilliert beträchtlich über den Verlauf des Hubs der
Kolben. Während
des Betriebs kann eine undichte Stelle im Bereich der Kolbendichtringe 68 auftreten,
weil die Kolbendichtringe 68 nicht hermetisch dichtend
sind. Diese undichte Stelle führt
zu einem gewissen Austausch von Gas zwischen dem Arbeitsgas-Volumen
und dem Füllgas-Volumen.
Weil das Füllgas
im kaltseitigen Druckbehälter 70 auf
den mittleren Druck des Arbeitsgases eingestellt wird, ist jedoch
der tatsächliche
Massenaustausch zwischen den beiden Volumina gleich Null.
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2 zeigt
einen Querschnitt des Stirling-Kreislauf-Motors aus 1 senkrecht
zur Ansicht aus 1 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Der Stirling-Kreislauf-Motor 100 ist hermetisch
abgedichtet. Ein Motorgehäuse 102 dient
als kaltseitiger Druckbehälter
und enthält
ein Füllgas
im mittleren Betriebsdruck des Motors in einem inneren Volumen 104.
Das Motorgehäuse 102 kann
beliebig stark ausgebildet werden, ohne die thermische Leistung
zu opfern, indem ein ausreichend dicker Stahl oder ein anderes strukturelles
Material verwendet wird. Ein Heizkopf 106 dient als warmseitiges
Druckgefäß und wird
vorzugsweise aus einer Hochtemperatur-Superlegierung, wie Inconel 625,
GMR-235 etc. hergestellt. Der Heizkopf 106 wird verwendet,
um Wärmeenergie
durch Wärmeleitung
von einer externen Wärmequelle
(nicht dargestellt) auf das Arbeitsfluid zu übertragen. Die Wärmeenergie
kann von verschiedenen Wärmequellen
stammen, wie Sonnenstrahlung oder Verbrennungsgasen. Beispielsweise kann
eine Brennvorrichtung verwendet werden, um heiße Verbrennungsgase 107 zu
erzeugen, die verwendet werden, um das Arbeitsfluid zu erhitzen.
Ein Expansionszylinder (oder Arbeitsraum) 122 ist innerhalb
des Heizkopfs 106 angeordnet und definiert einen Teil des
Arbeitsgas-Volumens, wie oben bezüglich 1 diskutiert
wurde. Ein Expansionskolben 128 wird verwendet, um das
im Expansionszylinder 122 enthaltene Arbeitsfluid zu verdrängen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist das Motorgehäuse 102 direkt
an Verbindungsstellen 108 mit dem Heizkopf 106 verschweißt, um einen
Druckbehälter
zu erzeugen, der derart ausgestaltet sein kann, dass er einem beliebigen
Druck standhält,
ohne dabei, wie andere Ausgestaltungen, durch die Anforderungen
der Wärmeübertragung
in der Kühlvorrichtung
eingeschränkt
zu sein. In einer alternativen Ausführungsform sind das Motorgehäuse 102 und
der Heizkopf 106 entweder aneinander gelötet oder
miteinander verschraubt. Der Heizkopf 106 besitzt einen
Flansch oder eine Stufe 110, die den Heizkopf in Axialrichtung
begrenzt und den Axialdruck vom Heizkopf 106 auf das Motorgehäuse 102 überträgt, wodurch
der Druck auf die geschweißten oder
gelöteten
Verbindungsstellen 108 verringert wird. Die Verbindungsstellen 108 dienen
dazu, das Motorgehäuse 102 (oder
den kaltseitigen Druckbehälter)
abzudichten und den Biegebeanspruchungen und ebenen Beanspruchungen
standzuhalten. In einer alternativen Ausführungsform sind die Verbindungsstellen 108 mechanische
Verbindungen mit einer Elastomerdichtung. In noch einer anderen
Ausführungsform
wird die Stufe 110 durch eine innere Schweißnaht zusätzlich zu
der äußeren Schweißnaht an
den Verbindungsstellen 108 ersetzt.
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Das
Motorgehäuse 102 ist
aus zwei Stücken aufgebaut,
einem oberen Motorgehäuse 112 und
einem unteren Motorgehäuse 116.
Der Heizkopf 106 wird zunächst am oberen Motor gehäuse 112 befestigt.
Als Zweites wird eine Kühleinrichtung 120 installiert,
wobei eine Kühlmittelrohrleitung 114 durch
Löcher
im oberen Motorgehäuse 112 dringt.
Als Drittes werden der Expansionskolben 128 und der Kompressionskolben 64 (in 1 dargestellt)
sowie Antriebskomponenten 140, 142 installiert.
Anschließend
wird das untere Motorgehäuse 116 an
Verbindungsstellen 118 mit dem oberen Motorgehäuse 112 verbunden. Vorzugsweise
werden das obere Motorgehäuse 112 und
das untere Motorgehäuse 116 mittels
Schweißen verbunden.
Alternativ hierzu kann ein verschraubter Flansch verwendet werden,
wie es in 2 dargestellt ist.
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Um
eine direkte Verbindung des Heizkopfes 106 zum oberen Motorgehäuse 112 zu
ermöglichen, wird
die Kühlungsfunktion
des Wärmekreislaufs durch
eine Kühleinrichtung 120 ausgeführt, die
innerhalb des Motorgehäuses 102 angeordnet
ist, wodurch vorteilhafterweise die Druckeingrenzungserfordernisse
reduziert werden, denen die Kühleinrichtung
unterliegt. Durch Anordnen der Kühleinrichtung 120 innerhalb
des Motorgehäuses 102 wird
der Druck über
die Kühleinrichtung
auf die Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsgas im Arbeitsgas-Volumen, einschließlich des
Expansionszylinders 122, und dem Füllgas im inneren Volumen 104 des
Motorgehäuses
begrenzt. Der Unterschied im Druck wird durch die Kompression und
Expansion des Arbeitsgases erzeugt und ist typischerweise auf einen
Prozentsatz des Arbeitsdrucks begrenzt. In einer Ausführungsform
ist der Druckunterschied auf weniger als 30% des Arbeitsdrucks begrenzt.
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Die
Kühlmittelrohrleitung 114 besitzt
vorteilhafterweise einen kleinen Durchmesser im Vergleich zum Durchmesser
der Kühleinrichtung 120.
Der kleine Durchmesser der Kühlmittelleitungen,
wie sie durch die Kühlmittelrohrleitung 114 gegeben
sind, ist der Schlüssel
dazu, hohe Wärmeübertragungsraten zu
erzielen und große
Druckunterschiede zu unterstützen.
Die erforderliche Wanddicke zum Widerstehen oder Unterstützen eines
gegebenen Drucks ist proportional zum Durchmesser des Rohrs oder
Behälters.
Die geringe Belastung auf die Rohrwände ermöglicht es, dass verschiedene
Materialien für
die Kühlmittelrohrleitung 114 verwendet
werden können, einschließlich eines
dünnwandigen
Edelstahlrohrs oder eines Kupferrohrs mit dickeren Wänden, ohne hierauf
beschränkt
zu sein.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der Anordnung der Kühleinrichtung 120 vollständig innerhalb
des Volumens des Motorgehäuses 102 (oder
des kaltseitigen Druckbehälters)
ist, dass jedes Leck des Arbeitsgases durch die Kühleinrichtung 120 lediglich
zu einer Reduzierung der Motorleistung führen wird. Wenn die Kühleinrichtung
eine Schnittstelle mit der äußeren Umgebung
wäre, würde im Gegensatz
hierzu ein Leck des Arbeitsgases durch die Kühleinrichtung den Motor aufgrund
des Verlusts des Arbeitsgases unbrauchbar machen, außer wenn
der mittlere Druck des Arbeitsgases durch eine externe Quelle aufrecht erhalten
wird. Die verringerte Anforderung für eine leckdichte Kühleinrichtung
ermöglicht
die Verwendung von weniger teuren Herstellungstechniken einschließlich Sintertechnik
und Spritzguss, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Die
Kühleinrichtung 120 wird
verwendet, um Wärmeenergie
mittels Wärmeleitung
aus dem Arbeitsgas abzuleiten und dadurch das Arbeitsgas zu kühlen. Ein
Kühlmittel,
entweder Wasser oder ein anderes Fluid, wird mittels der Kühlmittelrohrleitung 114 durch
das Motorgehäuse 102 und
die Kühleinrichtung 120 geführt. Die
Durchführung
der Kühlmittelrohrleitung 114 durch
das obere Motorgehäuse 112 kann
mittels einer weichgelöteten
oder hartgelöteten Verbindung
für Kupferrohre,
mittels Schweißen
im Falle von Edelstahl- und Stahlrohren, oder auf andere aus dem
Stand der Technik bekannte Weise abgedichtet sein.
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Das
Füllgas
im inneren Volumen 104 kann aufgrund des Erwärmens, das
aus der Wärme
resultiert, die in Motor-/Generator-Windungen verteilt wird, aufgrund
mechanischer Reibung im Antrieb, nicht-reversibler Kompression/Expansion
des Füllgases
und des Vorbeiblasens heißer
Gase aus dem Arbeitsgas-Volumen entsteht, ebenfalls einer Kühlung bedürfen. Das
Kühlen
des Füllgases
im Motorgehäuse 102 erhöht die Leistung
und Effizienz des Motors sowie die Lebensdauer der Lager, die im
Motor verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist ein zusätzliches Längenstück der Kühlmittelrohrleitung 130 innerhalb des
Motorgehäuses 102 angeordnet,
um Wärme
aus dem Füllgas
im inneren Volumen 104 zu absorbieren. Das zusätzliche
Längenstück der Kühlmittelrohrleitung 130 kann
einen Satz ausgedehnter Wärmeübertragungsoberflächen 148 umfassen,
wie Rippen, um eine zusätzliche
Wärmeübertragung
zu liefern. Wie in 2 dargestellt ist, kann das
zusätzliche
Längensstück der Kühlmittelrohrleitung 130 an
der Kühlmittelrohrleitung 114 zwischen
dem Motorgehäuse 102 und
der Kühleinrichtung 120 befestigt
sein. In einer alternativen Ausführungsform
kann das Längenstück der Kühlmittelrohrleitung 130 ein
separates Rohr sein, das einen eigenen Durchgang durch das Motorgehäuse 102 besitzt,
der mit der Kühlschleife mittels
Schläuchen
außerhalb
des Motorgehäuses 102 verbunden
ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die ausgedehnte Kühlmittelrohrleitung 130 durch
ausgedehnte Oberflächen
an der äußeren Oberfläche der Kühleinrichtung 120 oder
des Antriebsgehäuses 72 ersetzt
sein. Alternativ kann ein Ventilator 134 am Motorgehäuse befestigt
sein, um das Füllgas
im inneren Volumen 104 zu zirkulieren. Der Ventilator 134 kann
separat oder in Verbindung mit der zusätzlichen Kühlmittelrohrleitung 130 oder
den ausgedehnten Oberflächen
an der Kühleinrichtung 120 oder
dem Antriebsgehäuse 72 verwendet
werden, um das Füllgas
im inneren Volumen 104 direkt zu kühlen.
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Vorzugsweise
ist die Kühlmittelrohrleitung 114 ein
durchgehendes Rohr, das durch das innere Volumen 104 des
Motorgehäuses
und die Kühleinrichtung 120 läuft. Alternativ
können
zwei Teile eines Rohrs zwischen dem Motorgehäuse und den Durchführöffnungen
der Kühleinrichtung
verwendet werden. Ein Rohr bringt das Kühlmittel von außerhalb des
Motorgehäuses 102 zur
Kühleinrichtung 120.
Ein zweites Rohr bringt das Kühlmittel
von der Kühleinrichtung 120 aus
dem Motorgehäuse 102 heraus
zurück.
In einer anderen Ausführungsform
können mehrere
Stücke
von Rohrleitungen zwischen dem Motorgehäuse 102 und der Kühleinrichtung
verwendet werden, um Rohrleitungen mit ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen innerhalb
des Motorgehäusevolumens 104 hinzuzufügen oder
um die Herstellung zu erleichtern. Die Rohrleitungsverbindungen
und die Verbindungen zwischen den Rohrleitungen und der Kühleinrichtung
können
hartgelötet, weichgelötet, geschweißt sein
oder als mechanische Verbindungsstellen ausgebildet sein.
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Verschiedene
Verfahren können
verwendet werden, um die Kühlmittelrohrleitung 114 mit
der Kühleinrichtung 120 zu
verbinden. Jedes bekannte Verfahren zum Verbinden der Kühlmittelrohrleitung 114 mit
der Kühleinrichtung 120 liegt
im Bereich der Erfindung. In einer Ausführungsform kann die Kühlmittelrohrleitung 114 an
der Wand der Kühleinrichtung 120 mittels
Weichlöten,
Hartlöten
oder Kleben befestigt sein. Die Kühleinrichtung 120 ist
in Form eines Zylinders um den Expansionszylinder 122 und den
ringförmigen
Strömungsweg
des Arbeitsgases außerhalb
des Expansionszylinders 122 angeordnet. Dementsprechend
kann die Kühlmittelrohrleitung 114 um
das Innere der Kühleinrichtungszylinderwand
gewickelt sein und wie oben erwähnt
befestigt sein.
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Alternative
Kühleinrichtungskonfigurationen sind
in den 3a–3d dargestellt,
die die Komplexität
der Herstellung des Kühleinrichtungskörpers reduzieren. 3a zeigt
eine Seitenansicht eines Stirling-Kreislauf-Motors einschließlich der
Kühlmittelrohrleitung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. In 3a umfasst die Kühleinrichtung 152 einen
Arbeitsraum 150 der Kühleinrichtung.
Das Kühlmittelrohr 148 ist
innerhalb des Arbeitsraums 150 der Kühleinrichtung angeordnet, sodass
das Arbeitsgas über
eine Außenoberfläche des
Kühlmittelrohrs 148 strömen kann.
Das Arbeitsgas wird durch den Kühleinrichtungskörper 152 und
einen Kühleinrichtungsmantel 126 derart
eingegrenzt, dass es am Kühlmittelrohr 148 vorbei
fließt.
Das Kühlmittelrohr tritt
durch Öffnungen
in entweder der Kühleinrichtung 152 oder
dem Antriebsgehäuse 72 (in 2 dargestellt)
in den Arbeitsraum 150 ein oder aus dem Arbeitsraum 950
aus. Der Kühleinrichtungs-Gießprozess
wird vereinfacht, wenn eine Dichtung um die Kühlmittelleitungen 148 vorliegt.
Zudem verbessert das Anordnen der Kühlmittelleitung 148 im
Arbeitsraum die Wärmeübertragung
zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlmittel. Das Kühlmittelrohr 148 kann
glatt sein oder ausgedehnte Wärmeübertragungsoberflächen oder
-rippen an der Außenseite des
Rohrs besitzen, um die Wärmeübertragung
zwischen dem Arbeitsgas und der Kühlmittelrohrleitung 148 zu
erhöhen.
In einer anderen Ausführungsform, die
in 3b dargestellt ist, können Abstandselemente 154 dem
Arbeitsraum 150 der Kühleinrichtung hinzugefügt werden,
um das Arbeitsgas zu zwingen, näher
an den Kühlmittelrohrleitungen 148 vorbeizuströmen. Die
Abstandselemente sind vom Kühleinrichtungsmantel 126 und
vom Kühleinrichtungskörper 152 getrennt,
um eine Einfügung
des Kühlmittelrohrs
und der Abstandselemente in den Arbeitsraum zu ermöglichen.
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In
einer anderen Ausführungsform,
die in 3c dargestellt ist, ist die
Kühlmittelrohrleitung 148 überzogen,
um eine ringförmige
Kühlanordnung 156 zu
bilden, bei der das Arbeitsgas an beiden Seiten des Kühleinrichtungskörpers 152 strömen kann. Die
ringförmige
Kühlanordnung 156 kann
auch ausgedehnte Wärmeübertragungsoberflächen an
ihren inneren und äußeren Oberflächen 160 umfassen. Der
Körper
der Kühleinrichtung 152 grenzt
das Arbeitsgas derart ein, dass es an den ausgedehnten Wärmetauschoberflächen der
Kühlanordnung 156 vorbei
strömt.
Die Kühlanordnung 156 ist
typischerweise einfacher herzustellen als die Kühleinrichtung 120 in 2.
Die ringförmige
Kühlanordnung 156 liefert
grob das Doppelte des Wärmeübertragungsbereichs
der Kühleinrichtung 120,
die in 2 dargestellt ist. In einer anderen Ausführungsform,
die in 3d dargestellt ist, kann der
Kühleinrichtungsmantel 126 über den
Kühlmittelleitungen 148 gegossen
sein. Der Kühleinrichtungskörper 152 grenzt
das Arbeitsgas dermaßen
ein, dass es am Kühleinrichtungsmantel 126 vorbei
strömt.
Der Kühleinrichtungsmantel 126 kann
auch ausgedehnte Wärmetauschoberflächen an
einer Oberfläche 160 aufweisen,
um die Wärmeübertragung
zu erhö hen.
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Wenn
man zu 2 zurückkehrt,
ist es ein bevorzugtes Verfahren zum Verbinden des Kühlmittelrohrs 114 mit
der Kühleinrichtung 120,
die Kühleinrichtung
um das Kühlmittelrohr
zu gießen.
Dieses Verfahren wird unter Bezugnahme auf die 4a und 4b beschrieben
und kann auf eine unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem
Kreislauf ebenso angewendet werden wie auf andere Anwendungen, bei
denen es vorteilhaft ist, eine Kühleinrichtung
innerhalb des Motorgehäuses
anzuordnen.
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Bezug
nehmend auf 4a kann ein Wärmetauscher,
beispielsweise eine Kühleinrichtung 120 (in 2 dargestellt),
hergestellt werden, indem ein Hochtemperatur-Metallrohr 302 in
eine gewünschte Form
gebracht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Metallrohr 302,
bestehend aus Kupfer, zu einer Spule geformt. Anschließend wird ein
Gießprozess
bei niedrigerer Temperatur (bezüglich
der Schmelztemperatur des Rohrs) verwendet, um das Rohr 302 mit
einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit
zu übergießen, um
eine Gasgrenzfläche 304 (und 132 in 2),
Dichtungen 306 (und 124 in 2) zum Rest
des Motors und eine Struktur zu bilden, um das Antriebsgehäuse 72 (in 2 dargestellt)
mit dem Heizkopf 106 (in 2 dargestellt) mechanisch
zu verbinden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material
mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
das verwendet wird, um die Rohrleitung zu übergießen, Aluminium. Das Übergießen der
Rohrleitung 302 mit einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit
stellt eine gute Wärmeverbindung
zwischen der Rohrleitung und den Wärmeübertragungsoberflächen sicher,
die sich in Kontakt mit dem Arbeitsgas befinden. Eine Dichtung wird
um das Rohr 302 erzeugt, wo das Rohr das offene Gussteil
bei 310 verlässt.
Dieses Herstellungsverfahren für
einen Wärmetauscher
liefert vorteilhafterweise auf billige Weise Kühlkanäle in gegossenen Metallteilen.
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4b ist
eine Perspektivansicht einer Kühlanordnung,
die über
die Kühlspule
aus 4a gegossen ist. Der Gießprozess kann jeder der nachfolgend
genannten Prozesse sein: Spritzguss, Präzisionsguss oder Sandguss.
Das Material des Rohrs wird aus Materialien ausgewählt, die
während
des Gießprozesses
nicht schmelzen oder zerfallen. Die Rohrmaterialien umfassen Kupfer,
Edelstahl, Nickel und Superlegierungen wie Inconel, sind aber nicht hierauf
beschränkt.
Das Gießmaterial
wird unter denen ausgewählt,
die bei einer relativ geringen Temperatur im Vergleich zum Rohr
schmelzen. Typische Gießmaterialien
umfassen Aluminium und seine verschiedenen Legierungen, sowie Zink
und dessen verschie dene Legierungen.
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Der
Wärmetauscher
kann auch ausgedehnte Wärmeübertragungsoberflächen aufweisen,
um den Zwischenflächenbereich 304 (und 132,
wie in 2 dargestellt) zwischen dem heißen Arbeitsgas
und dem Wärmetauscher
zu vergrößern, um
die Wärmeübertragung
zwischen dem Arbeitsgas und dem Kühlmittel zu verbessern. Ausgedehnte
Wärmeübertragungsoberflächen können an
der Arbeitsgasseite des Wärmetauschers 120 erzeugt
werden, indem ausgedehnte Oberflächen
an der inneren Oberfläche (oder
Gasgrenzfläche) 304 ausgebildet
werden. Bezug nehmend auf 2 kann ein
Kühleinrichtungsmantel 126 (dargestellt
in 2) in den Wärmetauscher
gedrückt
werden, um eine Gasgrenze an dem inneren Durchmesser des Wärmetauschers
zu bilden. Der Kühleinrichtungsmantel 126 lenkt
den Strom des Arbeitsgases an der inneren Oberfläche der Kühleinrichtung vorbei.
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Die
ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen können durch
alle möglichen
nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erzeugt werden. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden Längsrillen 504 in
die Oberfläche geschnitten,
wie im Detail in 5a gezeigt ist. Alternativ können querlaufende
Rillen 508 zusätzlich
zu den längslaufenden
Rillen 504 ausgebildet werden, wodurch zueinander ausgerichtete
Stifte 510 erzeugt werden, wie in 5b dargestellt
ist. Gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung werden die Rillen unter einem Winkel ausgeschnitten,
um den Wärmetauschbereich
zu erhöhen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
werden die ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen auf
der Gasgrenzfläche 304 (wie
in 4b dargestellt) der Kühleinrichtung aus Metallschaum, Streckmetall
oder anderen Materialien mit einem hochspezifischen Oberflächenbereich
gebildet. Beispielsweise kann ein Zylinder aus Metallschaum an die
Innenoberfläche
der Kühleinrichtung 304 gelötet werden.
Wie oben diskutiert kann ein Kühleinrichtungsmantel 126 (dargestellt
in 2) hineingepresst werden, um eine Gasgrenze am
inneren Durchmesser des Metallschaums zu bilden. Andere Verfahren
zum Ausbilden und Befestigen von Wärmeübertragungsoberflächen am
Körper
der Kühleinrichtung
sind in der parallelen US-Patentanmeldung 09/884,436 vom 19. Juni
2001 mit dem Titel "Thermische
Systemverbesserungen bei einem Stirling-Motor" beschrieben.
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Alle
hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können in anderen Anwendungen
außer dem Stirling-Motor
oder anderen unter Druck stehenden Maschinen mit geschlossenem Kreislauf,
für die
die Erfindung beschrieben wurde, angewendet werden. Die beschriebenen
Ausführungsformen
der Erfindung sollen lediglich beispielhaft sein, und zahlreiche Variationen
und Modifikationen werden einem Fachmann offensichtlich erscheinen.
All diese Variationen und Modifikationen sollen vom Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung umfasst sein, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.