DE602004003560T2 - Kühlmittel durchdrungenes kaltes ende eines druckbehälters - Google Patents

Kühlmittel durchdrungenes kaltes ende eines druckbehälters Download PDF

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Q. Thomas Goffstown GURSKI
C. Christopher Nashua LANGENFELD
Michael Manchester NORRIS
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Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Druckeingrenzungsstruktur und die Kühlung einer unter Druck stehenden Maschine mit geschlossenem Kreislauf.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung sowie die begleitenden Zeichnungen besser zu verstehen sein.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Stirling-Kreislauf-Motors mit Arbeitsräumen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht senkrecht zur Ansicht des Stirling-Kreislauf-Motors aus 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3a ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors mit einer Kühlmittelrohrleitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 3b ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors mit einer Kühlmittelrohrleitung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
  • 3c ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors mit einer Kühlmittelrohrleitung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
  • 3d ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stirling-Kreislauf-Motors mit einer Kühlmittelrohrleitung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
  • 4a ist eine Perspektivansicht einer Kühlspule zum Wärmetausch gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 4b ist eine Perspektivansicht einer Kühlanordnung, die über die Kühlspule aus 4a gegossen ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 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
  • 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.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Alternative Kühleinrichtungskonfigurationen sind in den 3a3d 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (21)

  1. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf, die einen kaltseitigen Druckbehälter (102) und einen Kolben (128) aufweist, der eine lineare Hin- und Herbewegung innerhalb eines Zylinders (122) ausführt, der ein Arbeitsfluid enthält, das von Wärme einer externen Wärmequelle mittels Wärmeleitung über einen Heizkopf (106) erwärmt wird, wobei ein Wärmetauscher (120) zum Kühlen des Arbeitsfluids innerhalb des kaltseitigen Druckbehälters (102) angeordnet ist, und wobei der Wärmetauscher (120) ein Kühlmittelrohr (130) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr (130, 148) ein durchgehender Abschnitt einer Kühlmittelrohrleitung ist, die durch den kaltseitigen Druckbehälter (102) führt, um Kühlmittel von außerhalb des kaltseitigen Druckbehälters zu dem Wärmetauscher (120) und durch den Wärmetauscher zu fördern und um Kühlmittel von dem Wärmetauscher aus dem kaltseitigen Druckbehälter heraus zu fördern.
  2. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei der Heizkopf (106) direkt mit dem kaltseitigen Druckbehälter (102) verbunden ist.
  3. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei der Heizkopf (106) des Weiteren einen Flansch zum Übertragen einer mechanischen Last von dem Heizkopf zu dem kaltseitigen Druckbehälter (102) umfasst.
  4. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittelrohr (130, 148) einen einzigen durchgehenden Rohrleitungsabschnitt aufweist.
  5. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei ein Außendurchmesser eines Abschnitts des Kühlmittelrohrs (130, 148), der durch den kaltseitigen Druckbehälter (102) führt, zu dem kaltseitigen Druckbehälter abgedichtet ist.
  6. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt des Kühlmittelrohrs (148) innerhalb eines Arbeitsvolumens des Wärmetauschers (120) angeordnet ist.
  7. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 6, wobei der Abschnitt des Kühlmittelrohres (148), der innerhalb des Arbeitsvolumens des Wärmetauschers (120) angeordnet ist, eine Vielzahl von ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen umfasst.
  8. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 6, die des Weiteren mindestens ein Abstandselement (154) umfasst, um einen Fluss des Arbeitsgases zu einer bestimmtem Umgebung des Abschnittes des Kühlmittelrohres (148) in dem Arbeitsvolumen des Wärmetauschers (120) zu lenken.
  9. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher des Weiteren eine ringförmige Kühlanordnung (156) umfasst, die das Kühlmittelrohr (148) umgibt, wobei ein Fluss des Arbeitsgases in dem Arbeitsvolumen des Wärmetauschers (120) entlang mindestens einer Oberfläche der ringförmigen Kühlanordnung gerichtet ist.
  10. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt des Kühlmittelrohres (148) um eine Innenwand des Wärmetauschers (120) gewickelt ist.
  11. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei der kaltseitige Druckbehälter ein Füllfluid enthält.
  12. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 11, wobei ein Abschnitt des Kühlmittelrohres (130) zum Kühlen des Füllfluids innerhalb des kaltseitigen Druckbehälters (102) angeordnet ist.
  13. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 11 oder 12, die weiterhin einen Ventilator (134) umfasst, um das Füllfluid zu zirkulieren und zu kühlen.
  14. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Abschnitt des Kühlmittelrohres (130), der innerhalb des kaltseitigen Druckbehälters (102) angeordnet ist, ausgedehnte Wärmeübertragungsoberflächen auf der Außenseite des Kühlmittelrohres aufweist.
  15. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (120) weiterhin eine Vielzahl von ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen auf mindestens einer Oberfläche des Wärmetauschers umfasst.
  16. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (120) einen Körper (152) aufweist, der durch Gießen eines Metalls über das Kühlmittelrohr (130) ausgebildet ist.
  17. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 16, wobei der Wärmetauscherkörper (152) eine Arbeitsfluid-Kontaktoberfläche umfasst, die eine Mehrzahl von erweiterten Wärmeübertragungsoberflächen aufweist.
  18. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 17, die des Weiteren eine flussbeschränkende Gegenoberfläche zum Eindämmen jeglichen Flusses des Arbeitsfluids zu einer bestimmten Umgebung des Wärmetauscherkörpers (152) aufweist.
  19. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt der Rohrleitung um einen Expansionszylinder herum gewickelt ist.
  20. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, wobei die Rohrleitung durch Verbinden von mehreren Rohrleitungsstücken ausgebildet ist.
  21. Unter Druck stehende Maschine mit geschlossenem Kreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sie ein Füllgas mit einem Druck aufweist, der in et wa gleich dem mittleren Druck des Arbeitsgases während des Betriebs der Maschine ist.
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