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Die
Erfindung betrifft einen Gaskühler
für einen
Stirlingmotor, mit einem ersten Anschlussflansch, mit einem zweiten
Anschlussflansch, wobei der erste Anschlussflansch eine erste Flanschfläche aufweist, wobei
der zweite Anschlussflansch eine zweite Flanschfläche aufweist,
mit einem ersten Anschlussflansch und zweiten Anschlussflansch verbindenden Rohrbündel und
mit einem das Rohrbündel
dichtend umschließenden
und mit dem ersten Anschlussflansch einenends sowie dem zweiten
Anschlussflansch anderenends verbundenen Gehäuse.
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Gaskühler von
Stirlingmotoren sind von entscheidender Bedeutung für Leistung
und Wirkungsgrad des Stirlingmotors, da die gesamte Abwärme des
Stirlingmotors über
den Gaskühler
abgeführt werden
muss. Je niedriger das Temperaturniveau des abgekühlten Arbeitsgases
ist, desto besser sind Wirkungsgrad und Leistung des Stirlingmotors.
Daher wird eine Abkühlung
des Arbeitsgases auf eine Temperatur wenig oberhalb der Eintirttstemperatur des
Kühlmediums
in den Gaskühler
angestrebt. In der Praxis werden Temperaturdifferenzen zwischen dem
abgekühlten
Arbeitsgas und der Kühlmedium von
etwa 40 K erreicht.
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Das
Arbeitsgas durchströmt,
ausgehend vom Verdichtungszylinder, zunächst den Gaskühler, den
Regenerator, den Erhitzer und gelangt schließlich in den Arbeitszylinder.
Anschließend
strömt
das Arbeitsgas auf dem gleichen Weg wieder zurück in den Verdichtungszylinder.
Da beim Betrieb des Stirlingmotors zumindest im Bereich des Erhitzers
das Arbeitsgas Temperaturen von ca. 650°C und demzufolge auch Teile
des Erhitzers Temperaturen von über 700°C erreichen,
ist es unvermeidlich, dass Wärmedehnungen
im Stirlingmotor entstehen, wenn dieser in Betrieb genommen wird.
Insbesondere bei Stirlingmotoren mit einer V-Anordnung von Arbeitszylinder und
Verdichtungszylinder führt
die Wärmedehnung dazu,
dass aufgrund der Wärmedehnungen
Kräfte auf
den Gaskühler
einwirken, welche in Richtung der Flanschflächen des Gaskühlers gerichtet
sind.
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Aus
der
US 3,831,380 und
der
US 4,055,953 sind
Stirliung-Motoren bekannt, deren Arbeits- und Verdichterkolben in
einem Zylinder laufen. Bei dieser Bauform ist das der Erfindung
zu Grunde liegende Problem nicht von großer Bedeutung.
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Aus
der
US 4,753,072 ist
ein Stirling-Motor bekannt mit einer V-Anordnung von Arbeits- und Verdichterkolben.
Der Gaskühler
umfasst ein Gehäuse, welches
mit einem einen ersten Anschlussflansch und einen zweiten Anschlussflansch
verbunden ist. Diese Konstruktion ist relativ steif, so dass aus
den im Betrieb entstehenden Wärmedehnungen
große mechanische
Spannungen resultieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaskühler bereitzustellen, bei dem
die aus den Wärmedehnungen
resultierenden Spannungen sowohl des Gaskühlers als auch der mit dem
Gaskühler verbundenen
Baugruppen wie Arbeitszylinder, Regenerator, Erhitzer und Verdichtungszylinder
reduziert werden. Gleichzeitig soll die Zuverlässigkeit des Gaskühlers und
damit auch des gesamten Stirlingmotors erhöht werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Gaskühler
für einen
Stirlingmotor mit einem ersten Anschlussflansch, mit einem zweiten
Anschlussflansch, wobei der erste Anschlussflansch eine erste Flanschfläche aufweist,
wobei der zweite Anschlussflansch eine zweite Flanschfläche aufweist,
mit einem ersten Anschlussflansch und zweiten Anschlussflansch verbindenden
Rohrbündel
und mit einem das Rohrbündel
dichtend umschließenden und
mit dem ersten Anschlussflansch einenends sowie dem zweiten Anschlussflansch
anderenends verbundenen Gehäuse,
wobei erster Anschlussflansch und zweiter Anschlussflansch zueinander
in einer von der ersten Flanschfläche aufgespannten Ebene und
einer von der zweiten Flanschfläche
aufgespannten Ebene verschiebbar sind, so dass die unvermeidlichen
Wärmedehnungen
keine oder nur geringe Spannungen im Gaskühler oder den mit dem Gaskühler unmittelbar
oder mittelbar verbundenen Baugruppen des Stirlingmotors induzieren.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die mechanische Beanspruchung aller Baugruppen des Stirlingmotors reduziert wird
und somit die Möglichkeit
eines mechanischen Versagens des Stirlingmotors verringert wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Gehäuse
des Gaskühlers
in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt unterteilt
und sind erster Abschnitt und zweiter Abschnitt durch einen Faltenbalg
dichtend miteinander verbunden. Durch die Verwendung dieses an sich
bekannten Bauteils, welches in verschiedensten Ausführungen
von Zulieferfirmen hergestellt wird, kann auf einfache und kostengünstige Weise
die gewünschte
Flexibilität
in Längs-
und Querrichtung zu den Flanschflächen erreicht werden. Da das
im Mantelraum des Gaskühlers
befindliche Kühlwasser
nur unter geringem Druck steht, ist auch die Druckbeanspruchung
des Gehäuses
und des Faltenbalgs nur gering, so dass die Druckfestigkeit des
Faltenbalgs in jedem Fall ausreichend ist.
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In
weiterer Ergänzung
der Erfindung ist vorgesehen, dass Gehäuse und Faltenbalg aus metallischen
Werkstoffen hergestellt sind und/oder dass erster Abschnitt und
zweiter Abschnitt mit dem Faltenbalg durch Löten oder Schweißen verbunden sind,
so dass die Herstellung des erfindungsgemäßen Gaskühlers
unter Einsatz konventioneller Herstellungstechniken erfolgen kann.
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Bei
einer anderen erfindungsgemäßen Variante
ist vorgesehen, dass der erste Anschlußflansch oder der zweite Anschlußflansch
an ihrem Außendurchmesser
mit Spiel von dem Gehäuse
fixiert wird, so dass sowohl axiale als auch radiale Relativbewegungen
zwischen Flanschring und Gehäuse
möglich sind,
ohne das Gehäuse
zu verspannen.
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Zur
Abdichtung zwischen erstem Anschlußflansch oder zweitem Anschlußflansch
und dem Gehäuse
kann ein Dichtring, insbesondere ein O-Ring vorgesehen sein.
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Der
erfindungsgemäße Gaskühler ist
besonders zur Verwendung in einem Stirlingmotor mit einer V-Anordnung
von Verdichtungszylinder und Arbeitszylinder geeignet, da bei dieser
Bauart Wärmedehnungen
in Richtung der Flanschflächen
auftreten.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Zeichnung und deren Beschreibung sowie den Patentansprüchen entnehmbar.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen Stirlingmotor in V-Anordnung mit einem ersten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Gaskühlers;
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2 eine
Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Gaskühlers;
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3 einen
Längsschnitt
durch das zweite Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Gaskühlers;
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4 ein
Detail aus 3;
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5 eine
Ansicht von vorne des Gaskühlers
gemäß der 2–4 und
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6 einen
Schnitt entlang der Schnittlinie A-A in 2 durch
den erfindungsgemäßen Gaskühler.
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Der
Stirlingmotor weist ein Kurbelgehäuse 1 auf, in dem
eine Kurbelwelle 3 drehbar gelagert ist. An einem Hubzapfen 5 der
Kurbelwelle 3 sind ein erstes Pleuel 7 und ein
zweites Pleuel 9 drehbar gelagert. Das erste Pleuel 7 ist über einen
ersten Kreuzkopf 10 und eine erste Kolbenstange 11 mit
einem Verdichtungskolben 12 verbunden. Das zweite Pleuel 9 ist über einen
zweiten Kreuzkopf 13 und eine zweite Kolbenstange 14 mit
einem Arbeitskolben 15 verbunden. Die konstruktive Ausgestaltung
von Verdichtungskolben 12 und Arbeitskolben 15 ist
im Zusammenhang mit 1 nicht von Bedeutung und wird
deshalb an dieser Stelle nicht näher
erläutert. Der
Verdichtungskolben 12 läuft
in einem Verdichtungszylinder 16, während der Arbeitskolben 15 in
einem Arbeitszylinder 17 läuft. Die Kurbelwelle 3 und der
Hubzapfen 5 sind ölgeschmiert,
während
der Verdichtungskolben 12 und der Arbeitskolben 15 trocken im
Verdichtungszylinder 16 bzw. im Arbeitszylinder 17 laufen.
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Zwischen
dem Verdichtungszylinder 16 und dem Arbeitszylinder 17 kann
das Arbeitsgas hin- und hergeschoben werden. Dabei nimmt das in 1 nicht
dargestellte Arbeitsgas beim Verschieben aus dem Verdichtungszylinder 16 in
den Arbeitszylinder 17 Wärme aus einem Regenerator 21 auf
und erwärmt
sich dabei auf etwa 650° Celsius.
Der Regenerator 21 besteht im Allgemeinen aus einem Paket
von Drahtsieben, die in 1 nicht im Einzelnen dargestellt
sind. Anschließend
wird das Arbeitsgas in einem Erhitzer 23, der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 aus
berippten Rohren aufgebaut ist, auf etwa 700° Celsius erwärmt. Diese Erwärmung erfolgt
durch Wärmeübertragung
von einem in 1 nicht dargestellten Brenner über den
Erhitzer 23 auf das Arbeitsgas. Gleichzeitig erfolgt eine
annähernd isotherme
Expansion des Arbeitsgases im Arbeitszylinder 17, wodurch
mechanische Arbeit vom Arbeitsgas auf den Arbeitskolben 15 übertragen
wird. Anschließend
wird das Arbeitsgas vom Arbeitszylinder 17 in den Verdichtungszylinder 16 zurückgeschoben, wobei
das Arbeitsgas Wärme
an den Regenerator 21 überträgt und anschließend von
einem Gaskühler 25 abgekühlt wird.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Gaskühlers 25 weist
ein Anschlußflansch
am Übergang
zu dem Regenerator 21 einen Bereich mit einem prismatischen
Querschnitt auf und wird in diesem Bereich von einem Gehäuse 37 so
fixiert, dass der Anschlußflansch
die auftretenden Wärmedehnungen
in radialer und axialer Richtung ausgleichen kann. Gedichtet wird
der Spalt zwischen prismatischem Querschnitt und Gehäuse 37 durch
einen O-Ring.
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Als
Wärmequelle
kann bei einem Stirlingmotor prinzipiell jede Wärmequelle mit ausreichendem Temperaturniveau
herangezogen werden, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird
ein Brenner eingesetzt (nicht dargestellt), der einen gasförmigen oder
flüssigen
Brennstoff verbrennen kann. Der sogenannte Hochtemperaturbereich
des Stirlingmotors ist durch eine Wärmedämmung 27 gegen Wärmeverluste
geschützt.
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In 2 weist
der in seiner Gesamtheit mit 25 bezeichnete Gaskühler einen
ersten Anschlussflansch 29 und einen zweiten Anschlussflansch 31 auf.
Der erste Anschlussflansch 29 ist in eingebautem Zustand
mit dem Verdichtungszylinder 15 gemäß 2 verschraubt,
während
der zweite Anschlussflansch 31 mit dem Regenerator 21 gemäß 1 verbunden
ist. Der erste Anschlussflansch 29 weist eine erste Flanschfläche 33 auf.
Der zweite Anschlussflansch 31 weist eine zweite Flanschfläche 35 auf.
Der Gaskühler 25 weist
ein Gehäuse,
welches in seiner Gesamtheit mit 37 bezeichnet wird, auf.
Das Gehäuse 37 verbindet
ersten Anschlussflansch 29 und zweiten Anschlussflansch 31 miteinander
und begrenzt den Mantelraum des Gaskühlers 25. Am Gehäuse 37 ist
in 2 ein Stutzen 39 erkennbar, durch den
das Kühlwasser
den Gaskühler 25 verlässt. Ein
zweiter Stutzen zur Kühlwasserzufuhr
ist in 2 nicht erkennbar.
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Das
Gehäuse 37 weist
einen ersten Abschnitt 37a und einen zweiten Abschnitt 37b auf.
Zwischen erstem Abschnitt 37a und zweitem Abschnitt 37b ist
ein Faltenbalg 41 angeordnet. Der Faltenbalg 41 ist
elastisch sowohl in Richtungen, welche in der von erster Flanschfläche 33 oder
zweiter Flanschfläche 35 aufgespannten
Ebene liegen oder senkrecht zu diesen Ebenen verlaufen. Damit ist
gewährleistet, dass
Wärmedehnungen,
die bei der Inbetriebnahme des Stirlingmotors zwangsläufig entstehen,
nur zu sehr geringen mechanischen Spannungen im Stirlingmotor führen. Dadurch
werden unzulässige
Verformungen und Beanspruchungen von Baugruppen des Stirlingmotors
vermieden, was dessen Zuverlässigkeit
und Lebensdauer deutlich erhöht.
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In 3 ist
ein Längsschnitt
durch das Ausführungsbeispiel
gemäß 2 dargestellt.
Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Um
Wiederholungen zu vermeiden, werden nur die Ergänzungen erläutert. In 3 ist
erkennbar, dass der Stutzen 39 eine Bohrung 43 aufweist,
durch die das Kühlwasser
aus dem vom Gehäuse 37 umschlossenen
Mantelraum strömen
kann.
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Desweiteren
ist erkennbar, dass zwischen erstem Anschlussflansch 29 und
zweitem Anschlussflansch 31 ein Rohrbündel 45 angeordnet
ist. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind in 3 nur einzelne Rohre des Rohrbündels 45 mit
einer Bezugszeichenlinie versehen. Durch das Rohrbündel 45 kann
das Arbeitsgas vom Verdichtungszylinder 15 in den Regenerator 21 (siehe 1)
strömen.
Beim Rückströmen vom
Regenerator in den Verdichtungszylinder gibt das Arbeitsgas, welches
in 3 nicht dargestellt ist, Wärme an das im Mantelraum des Gaskühlers 25 befindliche
Kühlwasser
ab und kühlt sich
dadurch bis auf etwa 40 K auf die Eintrittstemperatur des Kühlwassers
in dem Gaskühler 25 ab.
Zur Verbesserung der Wärmeübertragung
ist in dem Rohrbündel 45 ein
Leitblech 46 vorgesehen.
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In 4 ist
das Detail x aus 3 vergrößert dargestellt. Aus dieser
Darstellung wird deutlich, dass der zweite Abschnitt 37b des
Gehäuses
so ausgebildet ist, dass sich zwischen zweitem Abschnitt 37b und
Faltenbalg 41 eine große
Verbindungsfläche ergibt.
Diese Verbindungsfläche
erstreckt sich in einem Bereich 47 parallel zur zweiten
Flanschfläche 35 und
in einem Bereich 49 in einer Richtung senkrecht zur zweiten
Flanschfläche 35.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die Verbindung zwischen zweitem Abschnitt 37b und
Faltenbalg 41 sämtliche
im Betrieb und bei der Montage auftretenden Kräfte aufnehmen kann und die
Dichtigkeit dieser Verbindung unter allen Betriebszuständen und über die
gesamte Lebensdauer des Stirlingmotors gewährleistet ist. Die Verbindung
von Faltenbalg 41 mit dem ersten Abschnitt 37a kann
in gleicher Weise erfolgen.
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In 5 ist
eine Ansicht von links des Gaskühlers
gemäß 2 dargestellt.
Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass im Bereich der zweiten Flanschfläche 35 das
Rohrbündel 45,
von dem aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur einige wenige Rohre mit Bezugszeichenlinien versehen wurden,
in ein Lochblech 51 eingelötet sind, so dass das Kühlwasser,
welches das Rohrbündel
umströmt,
nicht durch den zweiten Anschlussflansch 31 den Gaskühler 25 verlassen
kann. Die Ausgestaltung des ersten Anschlussflansches 29 ist
gleich wie die des in 5 dargestellten zweiten Anschlussflansches 31.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch den Gaskühler 25 entlang
der Schnittlinie A-A aus 2. In dieser Darstellung wird
besonders deutlich, dass das Arbeitsgas durch eine Vielzahl von
Röhrchen, welche
in ihrer Summe als Rohrbündel 45 bezeichnet wird,
strömen
kann, so dass sich eine große
Fläche zur
Wärmeübertragung
zwischen dem in 6 nicht dargestellten Kühlwasser,
welches die Röhrchen
des Rohrbündels 45 außen umströmt, ergibt.
Dadurch wird die Wärmeübertragung
verbessert. Außerdem ist
in 6 das Leitblech 46 erkennbar.