DE102021106804A1

DE102021106804A1 - Active cooler

Info

Publication number: DE102021106804A1
Application number: DE102021106804.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Braun; Jörg Vollmond
Original assignee: AVL Deutschland GmbH
Current assignee: AVL Deutschland GmbH
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flachplatten-Stirlingmaschine (1) mit einer Arbeitskammer (2), einem als Regenerator ausgeführten Verdränger (3), einer Heizseite (4) mit einer Heizplatte (5) und einer Kühlseite (4) mit einer Kühlplatte (8), welche(r) über zumindest eine Schubstange (10) mit einer Welle (11) einer elektrischen Maschine (12) antriebsverbunden ist, wobei der Verdränger (3) zwischen einer der Heizseite (4) zugeordneten Warmposition und einer der Kühlseite (4) zugeordneten Kaltposition verschiebbar angeordnet ist.Eine Steigerung des Wirkungsgrades kann erzielt werden, wenn die Heizplatte (5) und/oder die Kühlplatte (8) auf der der Arbeitskammer (2) zugewandten Verdrängerseite (3a, 3b) zumindest eine Verrippung (16) und der Verdränger (3) auf zumindest einer der Verrippung (16) zugewandten Verdrängerseite (3a, 3b) zumindest eine mit der Verrippung (16) korrespondierende Gegenverrippung (17) aufweist, wobei die Verrippung (16) und die korrespondierende Gegenverrippung (17) so versetzt zueinander angeordnet sind, dass sie in der Warmposition oder der Kaltposition des Verdrängers (3) ineinandergreifen.The invention relates to a flat-plate Stirling machine (1) with a working chamber (2), a displacer (3) designed as a regenerator, a heating side (4) with a heating plate (5) and a cooling side (4) with a cooling plate (8), which is drive-connected via at least one connecting rod (10) to a shaft (11) of an electrical machine (12), the displacer (3) between a warm position assigned to the heating side (4) and a cold position assigned to the cooling side (4). is displaceably arranged. An increase in the efficiency can be achieved if the heating plate (5) and/or the cooling plate (8) on the displacement side (3a, 3b) facing the working chamber (2) has at least one ribbing (16) and the displacement element ( 3) has at least one counter-ribbing (17) corresponding to the ribbing (16) on at least one displacement side (3a, 3b) facing the ribbing (16), the ribbing (16) and the corresponding counter-ribbing (17) being so ver are arranged relative to one another such that they engage in one another in the warm position or the cold position of the displacer (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachplatten-Stirlingmaschine mit einer Arbeitskammer, einem als Regenerator ausgeführten Verdränger, einer Heizseite mit einer Heizplatte, welche vorzugsweise von einem Kühlmedium durchflossene Rohre aufweist, und einer Kühlseite mit einer Kühlplatte, welche über zumindest eine Schubstange mit einem Welle einer elektrischen Maschine antriebsverbunden ist, wobei der Verdränger zwischen einer der Heizseite zugeordneten Warmposition und einer der Kühlseite zugeordneten Kaltposition verschiebbar angeordnet ist.The invention relates to a flat-plate Stirling machine with a working chamber, a displacer designed as a regenerator, a heating side with a heating plate, which preferably has tubes through which a cooling medium flows, and a cooling side with a cooling plate, which is connected via at least one connecting rod to a shaft of an electrical machine is drive-connected, wherein the displacer is arranged to be displaceable between a warm position assigned to the heating side and a cold position assigned to the cooling side.

Stirling-Maschinen sind Maschinen, die zumindest annähernd nach dem Stirling-Kreisprozess betrieben werden, welcher aus zwei isothermen Zustandsänderungen und zwei isochoren Zustandsänderungen besteht. Stirlingmaschinen können dabei als Arbeitsmaschinen oder als Kraftmaschinen betrieben werden.Stirling machines are machines that are operated at least approximately according to the Stirling cycle, which consists of two isothermal changes of state and two isochoric changes of state. Stirling engines can be operated as working machines or as prime movers.

Der Flachplatten-Stirlingmotor ist eine einfache Bauform des Stirlingmotors mit diskontinuierlicher Steuerung eines plattenförmigen Regenerators. Ein Flachplatten-Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die mit sehr geringem Temperaturniveau noch Arbeit generieren kann. Durch die diskontinuierliche Arbeitsweise ist der Wirkungsgrad vergleichsweise gut.The flat-plate Stirling engine is a simple design of the Stirling engine with intermittent control of a plate-shaped regenerator. A flat-plate Stirling engine is a heat engine that can still generate work at very low temperatures. Due to the discontinuous mode of operation, the efficiency is comparatively good.

Die Kraft und der Hub werden dabei durch eine Arbeitsplatte über Hebel und/oder Schubstangen auf ein Schwungrad übertragen. In einer gasdicht geschlossenen Arbeitskammer bewegt sich ein als Rekuperator ausgeführter Verdränger, der an ein Schwungrad beispielsweise mittels Antriebshebel gekoppelt ist, mit dem mechanische Arbeit verrichtet werden kann, zwischen einer Kaltposition und einer Warmposition. In einer ersten Phase wird das Arbeitsgas (Luft, Wasserstoff, Helium usw.) in der Arbeitskammer beim Hereindrücken der Kühlplatte verdichtet. Der Verdränger/Regenerator verharrt dicht an der heißen Plattenseite in der Warmposition. Bei kleinem Gasvolumen klappt der Verdränger/Regenerator von der Warmposition der heißen Seite auf die kalte Seite in die Kaltposition um. Das Arbeitsgas strömt durch den porösen Verdränger/Regenerator von der kalten Seite zur warmen Seite und nimmt die gespeicherte Wärme auf. Das erwärmte Gas dehnt sich aus und drückt die Arbeitsplatte nach außen. Diese Hubbewegung wird auf das Schwungrad übertragen und ist der Arbeitstakt. Bei großem Gasvolumen klappt der Verdränger von der kalten auf die warme Seite um. Das Arbeitsgas strömt durch den porösen Verdränger/Regenerator und gibt Wärme an ihn ab, was zu einer Druckreduktion in der Arbeitskammer führt.The force and the stroke are transmitted to a flywheel by a worktop via levers and/or push rods. In a gas-tight, closed working chamber, a displacer designed as a recuperator, which is coupled to a flywheel, for example by means of a drive lever, with which mechanical work can be performed, moves between a cold position and a warm position. In a first phase, the working gas (air, hydrogen, helium, etc.) is compressed in the working chamber when the cooling plate is pressed in. The displacer/regenerator remains in the warm position close to the hot plate side. In the case of small gas volumes, the displacer/regenerator flips over from the warm position of the hot side to the cold side in the cold position. The working gas flows through the porous displacer/regenerator from the cold side to the warm side and absorbs the stored heat. The heated gas expands and pushes the countertop outwards. This lifting movement is transferred to the flywheel and is the working stroke. With large gas volumes, the displacer flips over from the cold to the warm side. The working gas flows through the porous displacer/regenerator and gives off heat to it, resulting in a pressure reduction in the working chamber.

Aus der DE 10 2004 047 054 A1 ist ein Flachplatten-Stirlingmotor bekannt, bei dem die Einbringung der Energie durch wasserführende Wärmetauscher erfolgt, die in dem Stirlingmotor direkt eingebaut sind. Zur Vergrößerung der Austauschfläche Wasser/Luft werden Rohre mit angebrachten Lamellen eingesetzt. Damit kann eine Steigerung des Wirkungsgrades durch Verbesserung der Wärmeübertragung erreicht werden.From the DE 10 2004 047 054 A1 a flat-plate Stirling engine is known in which the energy is introduced by water-carrying heat exchangers that are installed directly in the Stirling engine. To increase the water/air exchange surface, tubes with attached fins are used. In this way, an increase in efficiency can be achieved by improving heat transfer.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad bei einer Flachplatten-Stirlingmaschine weiter zu steigern, wobei möglichst geringer Bauraum beansprucht werden soll.It is the object of the invention to further increase the efficiency of a flat-plate Stirling machine, while requiring as little installation space as possible.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass

• die Heizplatte auf einer der Arbeitskammer zugewandten Heizplattenkontaktseite zumindest eine Verrippung und der Verdränger auf einer der Heizplatte zugewandten ersten Verdrängerseite zumindest eine mit der Verrippung der Heizplatte korrespondierende Gegenverrippung aufweist und/oder
• die Kühlplatte auf einer der Arbeitskammer zugewandten Kühlplattenkontaktseite zumindest eine Verrippung und der Verdränger auf zumindest einer der Kühlplattenkontaktseite zugewandten zweiten Verdrängerseite zumindest eine mit der Verrippung der Kühlplatte korrespondierende Gegenverrippung aufweist,
• wobei die Verrippung und die korrespondierende Gegenverrippung so versetzt zueinander angeordnet sind, dass sie in der Warmposition oder der Kaltposition des Verdrängers verzahnungsartig ineinandergreifen.

The object is achieved according to the invention in that

• the heating plate has at least one ribbing on a heating plate contact side facing the working chamber and the displacer has at least one counter ribbing corresponding to the ribbing of the heating plate on a first displacement side facing the heating plate and/or
• the cooling plate has at least one ribbing on a cooling plate contact side facing the working chamber and the displacer has at least one counter ribbing corresponding to the ribbing of the cooling plate on at least one second displacement side facing the cooling plate contact side,
• wherein the ribbing and the corresponding counter ribbing are offset from one another in such a way that they mesh like teeth in the warm position or the cold position of the displacer.

In der Warmposition ist der Verdränger über die erste Verdrängerseite des Verdrängers mit der Heizplattenkontaktseite in thermischem Kontakt und von der Kühlplatte thermisch getrennt. In der Kaltposition dagegen ist der Verdränger über die zweite Verdrängerseite des Verdrängers mit der Kühlplattenkontaktseite in thermischem Kontakt und von der Kühlplatte thermisch getrennt. In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass zumindest eine Verrippung und/oder Gegenverrippung als Verzahnung ausgebildet ist.In the warm position, the displacer is in thermal contact with the heating plate contact side via the first displacer side of the displacer and is thermally separated from the cooling plate. In the cold position, on the other hand, the displacer is in thermal contact with the cooling plate contact side via the second displacing side of the displacer and is thermally separated from the cooling plate. In one embodiment variant it is provided that at least one ribbing and/or counter ribbing is designed as a toothing.

Unter einer Verzahnung wird hier eine Formgebung der Verrippung oder Gegenverrippung mit Zähnen zur Herstellung einer die thermische Leitfähigkeit erhöhenden Verbindung verstanden.A toothing is understood here as a shaping of the ribbing or counter-ribbing with teeth for the production of a connection that increases the thermal conductivity.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in der Warmposition oder der Kaltposition die Zähne der Verzahnungen der Verrippung und der Gegenverrippung ineinandergreifen. Eine einfache Fertigung und ein besonders gute Wärmeübertragung lässt sich erreichen, wenn die Zähne der Verzahnungen gerade Flanken aufweisen, welche vorzugsweise spitz zulaufen.Provision is preferably made for the teeth of the toothing of the ribbing and the counter-ribbing to mesh in the warm position or the cold position. A simple production and a particularly good heat transfer can be reach when the teeth of the gears have straight flanks, which preferably taper to a point.

Um eine kompaktere Bauweise zu erreichen und den diskontinuierlichen Prozess optimal zu steuern, ist gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass der Verdränger durch eine zumindest eine Polung aufweisende Magneteinrichtung verschiebbar ist, wobei vorzugsweise die Polung mit der Welle der elektrischen Maschine antriebsverbunden ist.In order to achieve a more compact construction and to optimally control the discontinuous process, one embodiment of the invention provides that the displacer can be displaced by a magnetic device having at least one polarity, with the polarity preferably being drive-connected to the shaft of the electrical machine.

Zur Erzielung einer kompakten Bauweise ist bei der erfindungsgemäßen Flachplatten-Stirlingmaschine kein Schwungrad auf der Welle vorgesehen. Der gleichmäßige Lauf kann dadurch erreicht werden, dass die mit einem elektrischen Energiespeicher verbundene elektrische Maschine über die Welle fest mit der Schubstange antriebsverbunden ist. Der elektrische Energiespeicher sowie das Trägheitsmoment des Rotors samt Welle der elektrischen Maschine ersetzen einen durch ein Schwungrad gebildeten mechanischen Speicher. Dies ermöglicht es, einerseits Bauraum einzusparen und andererseits die bewegten Massen der Anordnung wesentlich zu verringern. Der magnetische Antrieb des Regenerators begünstigt die kompakte Bauweise.In the flat-plate Stirling engine of the present invention, no flywheel is provided on the shaft to achieve a compact structure. Smooth running can be achieved in that the electric machine, which is connected to an electric energy store, is drive-connected to the connecting rod via the shaft. The electrical energy store and the moment of inertia of the rotor together with the shaft of the electrical machine replace a mechanical store formed by a flywheel. This makes it possible, on the one hand, to save installation space and, on the other hand, to significantly reduce the moving masses of the arrangement. The magnetic drive of the regenerator favors the compact design.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Flachplatten-Stirlingmaschine in einer aktiven Kühleinrichtung eingesetzt und als Arbeitsmaschine oder als Kraftmaschine betrieben wird. Über die Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder das Bremsmoment der elektrischen Maschine kann der Wärmeübergang an der aktiven Kühleinrichtung gezielt eingestellt und somit beispielsweise die Temperatur eines Kühlkreislaufes bei einer Brennkraftmaschine gezielt geregelt werden. Die elektrische Maschine wird überwiegend als Generator betrieben. Bei stillstehender elektrischer Maschine isoliert die Prozessluft in der Arbeitskammer das Kühlmedium von der Außenluft, wodurch die Kühleinrichtung deaktiviert ist. Wird die elektrische Maschine aktiv angetrieben, kann die Wärmeübertragung verbessert und dadurch Spitzenlasten für das Kühlsystem abgefangen werden. Somit ist eine Steuerung der Temperatur des Kühlkreislaufes ohne weitere Thermostatventile möglich.It is particularly advantageous if the flat-plate Stirling engine is used in an active cooling device and is operated as a working machine or as a prime mover. The heat transfer at the active cooling device can be adjusted in a targeted manner via the speed of the electric machine and/or the braking torque of the electric machine, and thus, for example, the temperature of a cooling circuit in an internal combustion engine can be controlled in a targeted manner. The electrical machine is mainly operated as a generator. When the electrical machine is at a standstill, the process air in the working chamber isolates the cooling medium from the outside air, as a result of which the cooling device is deactivated. If the electric machine is actively driven, heat transfer can be improved and peak loads for the cooling system can be absorbed. This means that the temperature of the cooling circuit can be controlled without additional thermostatic valves.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die aktive Kühleinrichtung einen in einen - vorzugsweise durch einen Motorkühlkreislauf einer Brennkraftmaschine gebildeten Kühlkreislauf eingebundenen Flüssigkeitskühler aufweist, wobei der Flüssigkeitskühler die Heizplatte auf der Heizseite der Flachplatten-Stirlingmaschine ausbildet. Die Kühleinrichtung weist einen hohen Wirkungsgrad auf und beansprucht nur wenig Bauraum. Eine besonders kompakte Anordnung ergibt sich dabei, wenn der Flüssigkeitskühler und die Flachplatten-Stirlingmaschine als Baueinheit ausgebildet sind. Damit eignet sich die Kühleinrichtung insbesondere für Kraftfahrzeuge mit beschränktem Bauraum.In an advantageous embodiment variant of the invention, it is provided that the active cooling device has a liquid cooler integrated into a cooling circuit, preferably formed by an engine cooling circuit of an internal combustion engine, the liquid cooler forming the heating plate on the heating side of the flat-plate Stirling engine. The cooling device has a high level of efficiency and takes up little space. A particularly compact arrangement results when the liquid cooler and the flat-plate Stirling engine are designed as a structural unit. The cooling device is therefore particularly suitable for motor vehicles with limited installation space.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in den Figuren gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the non-limiting exemplary embodiment shown in the figures.

Darin zeigen schematisch

1 eine Flachplatten-Stirlingmaschine gemäß dem Stand der Technik,
2 eine aktive Kühleinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Flachplatten-Stirlingmaschine, in einer Seitenansicht,
3 diese Kühleinrichtung in einer warmseitigen Ansicht,
4 das Detail III aus 2,
5 eine Kühlplatte der Flachplatten-Stirlingmaschine aus 2,
6 eine Heizplatte der Flachplatten-Stirlingmaschine aus 2.

In it show schematic

1 a prior art flat plate Stirling engine,
2 an active cooling device with a flat-plate Stirling machine according to the invention, in a side view,
3 this cooling device in a warm-side view,
4 detail III 2 ,
5 a cooling plate of the flat plate Stirling engine 2 ,
6 a hotplate of the flat-plate Stirling machine 2 .

Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference symbols.

1 zeigt eine bekannte Flachplatten-Stirlingmaschine 101 mit einer gasdicht geschlossenen Arbeitskammer 102, einem als Regenerator ausgeführten Verdränger 103, einer Heizseite 104 mit einer Heizplatte 105 und einer Kühlseite 107 mit einer um eine Achse 108a schwenkbaren Kühlplatte 108. Der Regenerator ist ein Wärmeüberträger, welcher eine als Kurzzeitspeicher dienende Füllmasse aufweist. Die Kühlplatte 108 ist über zumindest einen Antriebshebel 109 und/oder eine Schubstange 110 mit einer Welle 111 einer elektrischen Maschine 112 antriebsverbunden. Der Verdränger 103 ist zwischen einer der Heizseite 104 zugeordneten Warmposition und einer der Kühlseite 107 zugeordneten Kaltposition verschiebbar angeordnet. 1 shows a known flat-plate Stirling machine 101 with a gas-tight closed working chamber 102, a displacer 103 designed as a regenerator, a heating side 104 with a heating plate 105 and a cooling side 107 with a cooling plate 108 that can be pivoted about an axis 108a has filling compound serving as short-term storage. The cooling plate 108 is drive-connected to a shaft 111 of an electrical machine 112 via at least one drive lever 109 and/or a push rod 110 . The displacer 103 is arranged to be displaceable between a warm position assigned to the heating side 104 and a cold position assigned to the cooling side 107 .

In der Arbeitskammer 102 bewegt sich der Verdränger 103, der an ein Schwungrad 113 beispielsweise mittels Verdrängerschubstange 120 und Verdrängerantriebshebel 121 gekoppelt ist, von einer in 1 dargestellten Warmposition in eine gegenüberliegende Kaltposition und wieder zurück. In einer ersten Phase wird das beispielsweise durch Luft, Wasserstoff, Helium etc. gebildete Arbeitsgas in der Arbeitskammer 102 beim Hereindrücken der Kühlplatte 108 verdichtet. Der Verdränger 103 verharrt in der der Heizseite 104 zugeordneten Warmposition dicht an der heißen Seite der Heizplatte 105. Bei kleinem Gasvolumen klappt der Verdränger 103 von der heißen Heizseite 104 auf die kalte Kühlseite 107 um und nimmt die Kaltposition ein. Das Arbeitsgas strömt durch den porösen Verdränger 103 von der kalten Seite zur warmen Seite und nimmt die gespeicherte Wärme auf. Das erwärmte Gas dehnt sich aus und drückt die Kühlplatte 108 nach außen. Diese Hubbewegung wird auf das Schwungrad 113 übertragen und ist der Arbeitstakt. Bei großem Gasvolumen klappt der Verdränger 103 von der kalten Kühlseite 107 auf die warme Heizseite 104 - also von der Kaltposition in die Warmposition - um. Das Arbeitsgas strömt durch den porösen Verdränger 103 und gibt Wärme an ihn ab, was zu einer Druckreduktion in der Arbeitskammer 102 führt. Durch die Bewegung des Schwungrades 113 über Antriebshebel 109 und Schubstange 110 der als Kraftmaschine betriebenen StirlingMaschine 101 wird die generatorisch betriebene elektrische Maschine 112 angetrieben, der beispielsweise eine Batterie lädt.In the working chamber 102, the displacer 103, which is coupled to a flywheel 113, for example by means of a displacer push rod 120 and a displacer drive lever 121, moves from an in 1 illustrated warm position to an opposite cold position and back again. In a first phase, the working gas formed, for example, by air, hydrogen, helium, etc., is compressed in the working chamber 102 when the cooling plate 108 is pressed in. The displacer 103 remains in the warm position associated with the heating side 104 close to the hot side of the heating plate 105. When the gas volume is small, the displacer 103 folds over from the hot heating side 104 to the cold cooling side 107 and assumes the cold position. The working gas flows through the porous displacer 103 from the cold side to the warm side and absorbs the stored heat. The heated gas expands and pushes the cold plate 108 outward. This lifting movement is transmitted to the flywheel 113 and is the working cycle. With a large volume of gas, the displacer 103 folds over from the cold cooling side 107 to the warm heating side 104—that is, from the cold position to the warm position. The working gas flows through the porous displacer 103 and gives off heat to it, which leads to a pressure reduction in the working chamber 102 . The movement of the flywheel 113 via the drive lever 109 and push rod 110 of the Stirling engine 101 operated as a prime mover drives the electrical machine 112 operated as a generator, which charges a battery, for example.

2 zeigt eine aktive Kühleinrichtung 14 mit einer erfindungsgemäßen Flachplatten-Stirlingmaschine 1. Auch hier weist die Flachplatten-Stirlingmaschine 1 eine gasdicht geschlossene Arbeitskammer 2, einen als Regenerator ausgeführten Verdränger 3, eine Heizseite 4 mit einer Heizplatte 5 mit von einem Kühlmedium eines Kühlkreislaufes W in Richtung der Pfeile (2, 3, 6) von oben nach unten durchflossene Rohre 6 und eine Kühlseite 7 mit einer Kühlplatte 8 auf. Der Verdränger 3 weist eine der Heizplatte 5 zugewandte erste Verdrängerseite 3a und eine der Kühlplatte 8 zugewandte zweite Verdrängerseite 3b auf. Mit Bezugszeichen 5a ist eine der Arbeitskammer 2 und dem Verdränger 3 zugewandte Heizplattenkontaktseite der Heizplatte 5 und mit Bezugszeichen 8a eine der Arbeitskammer 2 und dem Verdränger 3 zugewandte Kühlplattenkontaktseite der Kühlplatte 8 bezeichnet. Eine der Kühlplattenkontaktseite 8a abgewandte Anströmseite 8b der Kühlplatte 8 wird von Luft L angeströmt. 2 shows an active cooling device 14 with a flat-plate Stirling machine 1 according to the invention. Here, too, the flat-plate Stirling machine 1 has a gas-tight closed working chamber 2, a displacer 3 designed as a regenerator, a heating side 4 with a heating plate 5 with a cooling medium of a cooling circuit W in the direction W of arrows ( 2 , 3 , 6 ) tubes 6 through which flow occurs from top to bottom and a cooling side 7 with a cooling plate 8 . The displacer 3 has a first displacer side 3a facing the heating plate 5 and a second displacer side 3b facing the cooling plate 8 . Reference number 5a denotes a heating plate contact side of heating plate 5 facing working chamber 2 and displacer 3 , and reference number 8a denotes a cooling plate contact side of cooling plate 8 facing working chamber 2 and displacer 3 . Air L flows against an inflow side 8b of the cooling plate 8 facing away from the cooling plate contact side 8a.

Die Kühlplatte 8 ist über zumindest einen Antriebshebel 9 und/oder eine Schubstange 10 mit einer Welle 11 einer elektrischen Maschine 12 antriebsverbunden. Der Verdränger 3 ist zwischen einer der Heizseite 4 zugeordneten Warmposition und einer der Kühlseite 7 zugeordneten Kaltposition verschiebbar angeordnet. Im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kühlplatte 8 um eine Achse 8a schwenkbar gelagert. Alternativ dazu kann die Kühlplatte 8 als im Gehäuse verschiebbar gelagerter Kolben ausgebildet sein.The cooling plate 8 is drivingly connected to a shaft 11 of an electrical machine 12 via at least one drive lever 9 and/or a push rod 10 . The displacer 3 is arranged to be displaceable between a warm position assigned to the heating side 4 and a cold position assigned to the cooling side 7 . in 2 illustrated embodiment, the cooling plate 8 is mounted pivotably about an axis 8a. As an alternative to this, the cooling plate 8 can be designed as a piston which is movably mounted in the housing.

Die um die Achse 8a schwenkbar gelagerte Kühlplatte 8 wird - bei Betrieb der Flachplatten-Stirlingmaschine 1 als Arbeitsmaschine - über einen Antriebshebel 9 und eine Schubstange 10 durch die Welle 11 einer elektrischen Maschine 12 angetrieben oder treibt - bei Betrieb der Flachplatten-Stirlingmaschine 1 als Kraftmaschine - über Antriebshebel 9 und Schubstange 10 die Welle 11 der elektrischen Maschine 12 an. Die elektrische Maschine 12 ist in dem in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der der Kühlseite 8 abgewandten Heizseite 4, als auf der Seite der Heizplatte 5, angeordnet. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise der aktiven Kühleinrichtung 14. Die Heizplatte 5 und die Kühlplatte 8 der aktiven Kühleinrichtung 14 können in einem Kraftfahrzeug - ähnlich einem KFZ-Kühler - verbaut sein.The cooling plate 8, which is pivotably mounted about the axis 8a, is driven or drives - when the flat-plate Stirling engine 1 is operated as a working machine - via a drive lever 9 and a connecting rod 10 through the shaft 11 of an electric machine 12 - when the flat-plate Stirling engine 1 is operated as a power machine - Via drive lever 9 and connecting rod 10, the shaft 11 of the electric machine 12. The electric machine 12 is in the in 2 and 3 illustrated embodiment on the cooling side 8 facing away from the heating side 4, as on the side of the heating plate 5, arranged. This enables a very compact design of the active cooling device 14. The heating plate 5 and the cooling plate 8 of the active cooling device 14 can be installed in a motor vehicle—similar to a motor vehicle radiator.

Zur Verbesserung der Wärmeübergänge sind auf der luftumströmten Anströmseite 8b der Kühlplatte 8 Kühlrippen 15 vorgesehen. Weiters kann zur Verbesserung der Kühlung ein Stautrichter 20 vorgesehen sein, welcher beispielsweise durch eine oder mehrere die Luft trichterartig im Bereich eines Staubereichs 20b bündelnde Leitflächen 20a gebildet sein kann. Die von dem Stautrichter 20 gebündelte Luft wird über die Kühlrippen 15 beispielsweise von unten nach oben entsprechend der Pfeile L über die Kühlplatte 8 geführt (siehe 2, 5). Auf der warmen Heizseite 4 ist die Heizplatte 5 angeordnet, in welcher das heiße Kühlmedium, beispielsweise Wasser, zum Beispiel von oben nach unten geführt wird, wie in 6 durch Pfeile angedeutet ist.In order to improve the heat transfer, cooling fins 15 are provided on the inflow side 8b of the cooling plate 8 around which the air flows. Furthermore, to improve the cooling, an accumulation funnel 20 can be provided, which can be formed, for example, by one or more guide surfaces 20a bundling the air in a funnel-like manner in the area of an accumulation area 20b. The air bundled by the accumulation funnel 20 is guided via the cooling ribs 15, for example from bottom to top according to the arrows L, over the cooling plate 8 (see 2 , 5 ). The heating plate 5 is arranged on the warm heating side 4, in which the hot cooling medium, for example water, is guided from top to bottom, for example, as in 6 is indicated by arrows.

Weiters weisen die Heizplatte 5 und/oder die Kühlplatte 8 für einen besseren Wärmeübergang jeweils auf der der Arbeitskammer 2 zugewandten Seite Verrippungen 16 auf. Der Verdränger 3 weist demgegenüber jeweils eine Gegenverrippung 17 auf, welche mit der Verrippung 16 und der Heizplatte 5 und/oder der Kühlplatte 8 korrespondiert (siehe 4). Die Verrippungen 16 und Gegenverrippungen 17 sind dabei so angeordnet, dass sie in der Warmposition oder der Kaltposition des Verdrängers 3 ineinandergreifen. Die Verrippungen 16 und Gegenverrippungen 17 können dabei beispielsweise als Verzahnungen 18 ausgebildet sein, deren Zähne 19 in der Warmposition oder Kaltposition ineinandergreifen. Die Zähne 19 können dabei beispielsweise ebene Flanken 19a aufweisen, die spitz zulaufen. Die Verrippungen 16 und Gegenverrippungen 17 verbessern den Wärmeübergang zwischen dem Verdränger 3 und der Heizplatte 5 und/oder der Kühlplatte 8, wodurch der Wirkungsgrad der Flachplatten-Stirlingmaschine 1 wesentlich gesteigert werden kann.Furthermore, the heating plate 5 and/or the cooling plate 8 have ribs 16 on the side facing the working chamber 2 for better heat transfer. In contrast, the displacer 3 has a counter ribbing 17 which corresponds to the ribbing 16 and the heating plate 5 and/or the cooling plate 8 (see FIG 4 ). The ribbing 16 and counter ribbing 17 are arranged in such a way that they engage in one another when the displacer 3 is in the warm position or in the cold position. The ribbing 16 and counter ribbing 17 can be formed, for example, as teeth 18 whose teeth 19 mesh in the warm position or cold position. The teeth 19 can have, for example, flat flanks 19a that taper to a point. The ribbing 16 and counter ribbing 17 improve the heat transfer between the displacer 3 and the heating plate 5 and/or the cooling plate 8, as a result of which the efficiency of the flat-plate Stirling engine 1 can be significantly increased.

Der Verdränger 3 kann prinzipiell mechanisch oder magnetisch zwischen der Warmposition und der Kaltposition hin- und her bewegt werden. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Verdränger 3 durch eine zumindest eine Polung aufweisende - In 2 mit Bezugszeichen 21 angedeutete - Magneteinrichtung zwischen Warmposition und Kaltposition verschoben. Die Polung der Magneteinrichtung 21 ist dabei an den Drehwinkel der elektrischen Maschine 12 gekoppel, beispielsweise mit der Welle 11 der elektrischen Maschine 12 antriebsverbunden. Der Verdränger 3 ist somit magnetisch an die Welle 11 der elektrischen Maschine 12 gekoppelt. Durchführungen für Hebel im Gehäuse 2a der Arbeitskammer 2 sind somit nicht erforderlich. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass Reibungsverluste minimiert und Abdichtungsprobleme verhindert werden können.In principle, the displacer 3 can be moved back and forth mechanically or magnetically between the warm position and the cold position. At the in 2 illustrated embodiment, the displacer 3 by at least one polarity having - In 2 with reference numeral 21 indicated - moved magnetic device between warm position and cold position. The polarity of the magnetic device 21 is coupled to the angle of rotation of the electrical machine 12, for example, drivingly connected to the shaft 11 of the electric machine 12 . The displacer 3 is thus magnetically coupled to the shaft 11 of the electrical machine 12 . Implementations for levers in the housing 2a of the working chamber 2 are therefore not required. This design has the advantage that friction losses are minimized and sealing problems can be prevented.

Wie bei bekannten Flachplatten-Stirlingmaschinen 1 wird bei der erfindungsgemäßen Flachplatten-Stirlingmaschinen 1 der Verdränger 3 in der Arbeitskammer 2 hin- und her bewegt. Die Bewegung erfolgt aber nicht durch mechanisch, sondern durch magnetische Koppelung mit der Welle 11. In einer ersten Phase wird das beispielsweise durch Luft, Wasserstoff, Helium etc. gebildetes Arbeitsgas in der geschlossenen und nach außen dichten Arbeitskammer 2 beim Hereindrücken der Kühlplatte 8 verdichtet. Der Verdränger 3 verharrt in der der Heizseite 4 zugeordneten Warmposition dicht an der heißen Seite der Heizplatte 5. Bei kleinem Gasvolumen klappt der Verdränger 3 von der heißen Heizseite 4 auf die kalte Kühlseite 7 um und nimmt die Kaltposition ein. Das Arbeitsgas strömt durch den porösen Verdränger 3 von der kalten Seite zur warmen Seite und nimmt die gespeicherte Wärme auf. Das erwärmte Gas dehnt sich aus und drückt die Kühlplatte 8 nach außen. Diese Hubbewegung wird auf die Welle 11 der elektrischen Maschine 12 übertragen, wobei Arbeit an der Welle 11 vollrichtet wird. Bei großem Gasvolumen wird der Verdränger 3 durch Verschieben der Polung der Magneteinrichtung 21 von der kalten Kühlseite 7 auf die warme Heizseite 4 - also von der Kaltposition in die Warmposition - umgeschwenkt. Das Arbeitsgas strömt durch den porösen Verdränger 3 und gibt Wärme an ihn ab, was zu einer Druckreduktion in der Arbeitskammer 2 führt.As with known flat-plate Stirling machines 1, the displacer 3 is moved back and forth in the working chamber 2 in the flat-plate Stirling machine 1 according to the invention. However, the movement does not take place mechanically, but by magnetic coupling with the shaft 11. In a first phase, the working gas formed, for example, by air, hydrogen, helium etc. is compressed in the closed and outwardly sealed working chamber 2 when the cooling plate 8 is pressed in. The displacer 3 remains in the warm position assigned to the heating side 4 close to the hot side of the heating plate 5. With a small gas volume, the displacer 3 folds over from the hot heating side 4 to the cold cooling side 7 and assumes the cold position. The working gas flows through the porous displacer 3 from the cold side to the warm side and absorbs the stored heat. The heated gas expands and pushes the cooling plate 8 outwards. This lifting movement is transmitted to the shaft 11 of the electrical machine 12, work being carried out on the shaft 11. If the gas volume is large, the displacer 3 is pivoted by shifting the polarity of the magnetic device 21 from the cold cooling side 7 to the warm heating side 4--ie from the cold position to the warm position. The working gas flows through the porous displacer 3 and gives off heat to it, which leads to a pressure reduction in the working chamber 2 .

Die in der aktiven Kühleinrichtung 14 eingesetzte Flachplatten-Stirlingmaschine 1 kann als Arbeitsmaschine oder als Kraftmaschine betrieben werden, wobei bei motorischen Antrieb durch die elektrische Maschine 12 die Kühlleistung erhöht wird. Über die Drehzahl der elektrischen Maschine 12 und/oder über das Bremsmoment der elektrischen Maschine 12 kann der Wärmeübergang an der aktiven Kühleinrichtung 14 gezielt eingestellt und somit beispielsweise die Temperatur eines Kühlkreislaufes bei einer Brennkraftmaschine gezielt geregelt werden. Bei abgeschalteter elektrischer Maschine 12 isoliert die Prozessluft in der Arbeitskammer 2 das Kühlmedium von der Außenluft, wodurch die Kühleinrichtung 14 deaktiviert ist. Somit ist eine Steuerung der Temperatur des Kühlkreislaufes ohne weitere Thermostatventile möglich.The flat-plate Stirling machine 1 used in the active cooling device 14 can be operated as a work machine or as a power machine, with the cooling capacity being increased when the electric machine 12 is driven by a motor. The heat transfer at the active cooling device 14 can be adjusted in a targeted manner via the speed of the electric machine 12 and/or via the braking torque of the electric machine 12 and thus, for example, the temperature of a cooling circuit in an internal combustion engine can be controlled in a targeted manner. When the electrical machine 12 is switched off, the process air in the working chamber 2 insulates the cooling medium from the outside air, as a result of which the cooling device 14 is deactivated. This means that the temperature of the cooling circuit can be controlled without additional thermostatic valves.

Die erfindungsgemäße aktive Kühleinrichtung 14 besteht aus einer Kombination einer Flachplatten-Stirlingmaschine 1 und eines in einen Kühlkreislauf W eingebundenen Flüssigkeitskühlers 13, beispielsweise eines Kühlwasserkühlers einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei die Komponenten der Flachplatten-Stirlingmaschine 1 und der Flüssigkeitskühler 13 zu einer Kühleinheit verbaut sind. Die Heizplatte 5 auf der Heizseite 4 der Flachplatten-Stirlingmaschine 1 bildet dabei den in den Kühlkreislauf W eingebundenen Flüssigkeitskühler 13. Dadurch kann Bauraum eingespart werden. Dabei ist eine gute Wärmeübertragung im Bereich der durch Luft angeströmten Kühlplatte 8 von Bedeutung. Dies wird durch den Stautrichter 20 und die Kühlrippen 15 erreicht, welche Kanäle für die Luftströmung bilden.The active cooling device 14 according to the invention consists of a combination of a flat-plate Stirling engine 1 and a liquid cooler 13 integrated into a cooling circuit W, for example a cooling water cooler of an internal combustion engine of a motor vehicle, the components of the flat-plate Stirling engine 1 and the liquid cooler 13 being built into a cooling unit. The heating plate 5 on the heating side 4 of the flat-plate Stirling machine 1 forms the liquid cooler 13 integrated into the cooling circuit W. Installation space can thereby be saved. Good heat transfer in the area of the cooling plate 8 against which the air flows is important. This is achieved by the accumulation funnel 20 and the cooling fins 15, which form channels for the air flow.

Durch die Ausführung der Flachplatten-Stirlingmaschine 1 mit einer fix mit dem Antriebshebel 9 verbundenen Elektrischen Maschine 12 kann die Trägheit der elektrischen Maschine 12 an Stelle eines separaten Schwungrades als Schwungmasse eingesetzt werden, wodurch ein separates Schwungrad entfallen kann. An Stelle eines durch ein Schwungrad gebildeten zusätzlichen mechanischen Energiespeichers kann ein durch eine Batterie gebildeter elektrischer Energiespeicher B zur Verringerung der Ungleichförmigkeit eingesetzt werden. Das ist vor allem dann möglich, wenn der Verdränger 103 nicht - wie meist üblich - mechanisch, sondern magnetisch/elektrisch bewegt wird. Es wird dadurch nämlich das durch den Verdränger 103 entstehende mechanische Schleppmoment vermieden und elektrisch aufgebracht. Dies ermöglicht eine äußerst kompakte Bauweise.By designing the flat-plate Stirling engine 1 with an electric machine 12 fixedly connected to the drive lever 9, the inertia of the electric machine 12 can be used as a flywheel mass instead of a separate flywheel, which means that a separate flywheel can be omitted. Instead of an additional mechanical energy store formed by a flywheel, an electrical energy store B formed by a battery can be used to reduce the non-uniformity. This is especially possible if the displacer 103 is not moved mechanically, as is usually the case, but magnetically/electrically. This is because the mechanical drag torque produced by the displacer 103 is avoided and applied electrically. This enables an extremely compact design.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102004047054 A1 [0005]DE 102004047054 A1 [0005]

Claims

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) mit einer Arbeitskammer (2), einem als Regenerator ausgeführten Verdränger (3), einer Heizseite (4) mit einer Heizplatte (5), welche vorzugsweise von einem Kühlmedium durchflossene Rohre (6) aufweist, und einer Kühlseite (4) mit einer Kühlplatte (8), welche(r) über zumindest eine Schubstange (10) mit einer Welle (11) einer elektrischen Maschine (12) antriebsverbunden ist, wobei der Verdränger (3) zwischen einer der Heizseite (4) zugeordneten Warmposition und einer der Kühlseite (4) zugeordneten Kaltposition verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die Heizplatte (5) auf einer der Arbeitskammer (2) zugewandten Heizplattenkontaktseite (5a) zumindest eine Verrippung (16) und der Verdränger (3) auf einer der Heizplatte (5) zugewandten ersten Verdrängerseite (3a) zumindest eine mit der Verrippung (16) der Heizplatte (5) korrespondierende Gegenverrippung (17) aufweist und/oder • die Kühlplatte (8) auf einer der Arbeitskammer (2) zugewandten Kühlplattenseite (8a) zumindest eine Verrippung (16) und der Verdränger (3) auf zumindest einer der Kühlplattenkontaktseite (8a) zugewandten zweiten Verdrängerseite (3b) zumindest eine mit der Verrippung (16) der Kühlplatte (8) korrespondierende Gegenverrippung (17) aufweist, • wobei die Verrippung (16) und die korrespondierende Gegenverrippung (17) so versetzt zueinander angeordnet sind, dass sie in der Warmposition oder der Kaltposition des Verdrängers (3) ineinandergreifen.Flat-plate Stirling machine (1) with a working chamber (2), a displacer (3) designed as a regenerator, a heating side (4) with a heating plate (5), which preferably has tubes (6) through which a cooling medium flows, and a cooling side ( 4) with a cooling plate (8) which is drive-connected via at least one connecting rod (10) to a shaft (11) of an electrical machine (12), the displacer (3) between a warm position assigned to the heating side (4). and a cold position assigned to the cooling side (4), characterized in that • the heating plate (5) has at least one ribbing (16) on a heating plate contact side (5a) facing the working chamber (2) and the displacer (3) on one of the the first displacement side (3a) facing the heating plate (5) has at least one counter-ribbing (17) corresponding to the ribbing (16) of the heating plate (5) and/or facing the cooling plate (8) on one of the working chambers (2). en cooling plate side (8a) has at least one ribbing (16) and the displacer (3) has at least one counter ribbing (17) corresponding to the ribbing (16) of the cooling plate (8) on at least one second displacer side (3b) facing the cooling plate contact side (8a). , • wherein the ribbing (16) and the corresponding counter ribbing (17) are offset from one another in such a way that they engage in one another in the warm position or the cold position of the displacer (3).

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Verrippung (16) und/oder Gegenverrippung (17) als Verzahnung (18) ausgebildet ist.Flat plate Stirling machine (1) after claim 1 , characterized in that at least one ribbing (16) and/or counter ribbing (17) is designed as a tooth system (18).

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Warmposition oder der Kaltposition die Zähne (19) der Verzahnungen (18) der Verrippung (16) und der Gegenverrippung (17) ineinandergreifen.Flat plate Stirling machine (1) after claim 2 , characterized in that in the warm position or the cold position the teeth (19) of the toothing (18) of the ribbing (16) and the counter ribbing (17) mesh.

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (19) der Verzahnung (18) ebene Flanken aufweisen, welche vorzugsweise spitz zulaufen.Flat plate Stirling machine (1) after claim 2 or 3 , characterized in that the teeth (19) of the toothing (18) have flat flanks, which preferably taper to a point.

Flachplatten-Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (3) durch eine zumindest eine Polung aufweisende Magneteinrichtung (21) verschiebbar ist, wobei vorzugsweise die Polung mit der Welle (11) der elektrischen Maschine (12) antriebsverbunden ist.Flat plate Stirling machine according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the displacer (3) can be displaced by a magnetic device (21) having at least one polarity, the polarity preferably being drive-connected to the shaft (11) of the electrical machine (12).

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem elektrischen Energiespeicher verbundene elektrische Maschine (12) über die Welle (11) fest mit der Schubstange (10) antriebsverbunden ist.Flat plate Stirling machine (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the electrical machine (12) connected to an electrical energy store is drive-connected to the push rod (10) via the shaft (11).

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) auf der Seite der Heizplatte (5) angeordnet ist.Flat plate Stirling machine (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the electrical machine (12) is arranged on the side of the heating plate (5).

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (8) auf einer der Arbeitskammer (2) abgewandten Anströmseite Kühlrippen (15) und/oder Kühlkanäle aufweist.Flat plate Stirling machine (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the cooling plate (8) has cooling ribs (15) and/or cooling channels on an inflow side facing away from the working chamber (2).

Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (8) auf der der Arbeitskammer (2) abgewandten Anströmseite (8b) zumindest einen Stautrichter (15) aufweist.Flat plate Stirling machine (1) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the cooling plate (8) has at least one accumulation funnel (15) on the inflow side (8b) facing away from the working chamber (2).

Aktive Kühleinrichtung (14), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer als Arbeitsmaschine und/oder Kraftmaschine betreibbaren Flachplatten-Stirlingmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung (14) einen in einen - vorzugsweise durch einen Motorkühlkreislauf einer Brennkraftmaschine gebildeten Kühlkreislauf (W) eingebundenen Flüssigkeitskühler (13) aufweist, wobei der Flüssigkeitskühler (13) die Heizplatte (5) auf der Heizseite (4) der Flachplatten-Stirlingmaschine (1) ausbildet.Active cooling device (14), in particular for a motor vehicle, with a flat-plate Stirling machine (1) that can be operated as a working machine and/or engine according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the active cooling device (14) has a liquid cooler (13) integrated into a cooling circuit (W) preferably formed by an engine cooling circuit of an internal combustion engine, the liquid cooler (13) having the heating plate (5) on the heating side (4) of the flat-plate Stirling engine (1).

Aktive Kühleinrichtung (14) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskühler (13) und die Flachplatten-Stirlingmaschine (1) als Baueinheit ausgebildet sind.Active cooling device (14) after claim 10 , characterized in that the liquid cooler (13) and the flat-plate Stirling engine (1) are designed as a unit.

Kraftfahrzeug mit einer aktiven Kühleinrichtung (14) nach Anspruch 10 oder 11.Motor vehicle with an active cooling device (14). claim 10 or 11 .