DE19612616C2 - Stirlingmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Stirlingmotor mit ei­ nem beheizbaren Zylinderkopf mit einer Vielzahl von etwa U- förmig gekrümmten Erhitzerröhrchen und mit einem Kühler für das Arbeitsgas.

Stirlingmotoren sind in einer Vielzahl von Gestaltungen be­ kannt, hier sei als Beispiel die DE-40 16 238-C2 als Kombi­ nation eines solchen Motors mit einer Heizkesselanlage ge­ nannt.

Das Grundprinzip eines solchen Stirlingmotors besteht dar­ in, daß ein konstantes Gasvolumen (heute wird meist Helium eingesetzt) innerhalb der Stirlingmaschine, von zwei Kolben hin und her geschoben wird. Auf der einen Seite wird das Helium durch die Flamme eines Gasbrenners in den Erhitzer­ röhrchen erhitzt und auf der anderen Seite von einem Kühler abgekühlt. Dazwischen befindet sich ein Regenerator, der dem Gas auf seinem Weg von der heißen zur kalten Seite Wär­ me entzieht und bei Rückströmen wieder zuführt. Ein Getrie­ be verbindet die beiden Kolben so, daß Leistung z. B. über Generatoren entnommen werden kann. Die Kolben werden dabei im Wechsel parallel oder gegeneinander bewegt, wodurch das Gas durch den einen Kolben komprimiert und nach der Wärme­ zufuhr durch den anderen wieder entspannt wird.

Neben mechanischen Problemen liegt ein erkennbarer Problem­ kreis in der Optimierung des Kühlers.

Aus der DE-42 32 555-A1 oder beispielsweise der DE- 44 01 247-A1 sind Kühler bekannt, deren Kühlkörper mit ei­ ner außen umlaufenden, spiralförmigen, vom Kühlmedium durchströmten Nut versehen sind. Derartige, mit spiralför­ migen Nuten versehene Kühlkörper sind vergleichsweise auf­ wendig in der Herstellung, wobei hinzukommt, daß sich das Kühlmedium beim Durchlaufen der Spiralnut immer weiter auf­ heizt, so daß derartige Kühlkörper nicht optimal ausgelegt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der die Leistungsfähigkeit des Kühlers bei einfacher Her­ stellung verbessert wird.

Diese Aufgabe der eingangs bezeichneten Art wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kühler als Kühlwasser um­ strömter Leichtmetallkörper mit Radialrippen innerhalb ei­ nes topfartigen Gehäuses ausgebildet ist, wobei der Abstand der Radialrippen zueinander größer ist als der Spalt zwi­ schen Topfinnenwand und äußerer Radialrippen-Begrenzungs­ wand, wobei am Umfang wenigstens zwei alle Radialrippen überbrückende Nuten zur Bildung des Kühlmittelzuflusses bzw. Kühlmittelabflusses vorgesehen sind.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß sich der ausschließ­ lich mit Radialrippen versehene Leichtmetallkörper einfach herstellen läßt, spiralförmige Wicklungen sind nicht mehr notwendig. Durch die überbrückenden Nuten zur Bildung des Kühlmittelzuflusses bzw. Kühlmittelabflusses werden ver­ gleichsweise kurze Wege des Kühlmittels möglich. So kann über die eine Nut in den Kühler das Kühlwasser auf alle Spalte zwischen den Kühlrippen verteilt werden und auf der gegenüberliegenden Nut das Kühlwasser abgezogen werden, so daß jeder Kühlwasseranteil den Kühler praktisch über einen halben Kreisbogen umströmt. Lange Wege, wie etwa bei be­ kannten spiralförmig angeordneten Kühlrippen, werden damit sicher vermieden.

Im Kühlkörper können erfindungsgemäß nach innen versetzte Durchgangsbohrungen bzw. Axialrippen für das zu kühlende Arbeitsgas vorgesehen sein.

Um ein Abdichtproblem zwischen den Kühlkörper aufnehmendem Gehäusetopf und dem Kühlkörper mit einfachen Mitteln zu lö­ sen, sieht die Erfindung vor, daß der Kühlkörper wenigstens an seiner mit dem Topfboden korrespondierenden Bodenfläche mit Ringdichtungen versehen ist.

Eine weitere, konstruktiv einfache Gestaltung besteht darin, daß der Kühlkörper auf seiner zum Erhitzer weisenden Rand­ fläche einen nach außen weisenden Dichtkragen mit wenig­ stens einer Ringdichtung aufweist. Damit lassen sich Ring­ dichtungen als Dichtmittel vorsehen, die keinen axialen Be­ anspruchungen unterworfen sind. Natürlich können in Ergän­ zung zu den Ringdichtungen auch an der Zylinderaußenwand des Kühlkörpers entsprechende Dichtungen vorgesehen sein.

Um ggf. auftretenden Leckagen vorzubeugen bzw. begegnen zu können, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, daß der mit dem Kragen des Kühlers zusammenwirkende Randbereich des Gehäuses mit einer Drainage versehen ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine vereinfachte Prinzipdarstellung eines Stirling­ motors mit Erhitzerröhrchen und Kühler,

Fig. 2 in vereinfachter räumlicher Darstellung den Kühlkör­ per sowie in

Fig. 3 einen Detailschnitt etwa nach Linie VIII-VIII in Fig. 2 durch einen Teilbereich des Gehäuses mit Kühlkörper.

Der in Fig. 1 stark vereinfacht wiedergegebene, allgemein mit 1 bezeichnete Stirlingmotor weist einen von einer Bren­ nerflamme beheizten Zylinderkopf, allgemein mit 3 bezeich­ net, auf mit einer Vielzahl von U-förmig gekrümmten Erhit­ zerröhrchen 4, einen angedeuteten Regenerator 5, einen sich anschließenden Kühlkörper 6, einen Verdrängerkolben 7, ei­ nen Arbeitskolben 8 und ein Getriebe 9, wobei es hier auf letztere nicht näher ankommt.

Der von der Flamme 2 beheizte Zylinderkopf 3 weist, wie oben schon gesagt, eine Vielzahl von Erhitzerröhrchen 4 auf, die von, bezogen auf den Zylinderkopf, innen geraden Erhitzer-Teilröhrchen 4a, einem jeweiligen Rohrkrümmer 4b und außen liegenden Teilröhrchen 4c gebildet sind, wobei die Teilröhrchen 4a in den Expansionsraum 7a führen, wäh­ rend die außen liegenden Teilröhrchen 4c den Regenerator 5 beaufschlagen.

Die inneren Teilröhrchen 4a liegen geometrisch vergleichs­ weise dicht beieinander, während die äußeren Teilröhrchen 4c vergleichsweise stark gespreizt angeordnet sind. Die in­ neren Teilröhrchen 4a bieten gute Strömungsverhältnisse für die Abgase, deren Strömungsverlauf mit einem Pfeil 10 in Fig. 1 angedeutet ist.

Der in den Fig. 2 und 3 näher dargestellte Kühler 6 des Stirlingmotors 1 besteht im wesentlichen aus einem Leicht­ metallkühlblock 20, der in einem topfförmigen Gehäuse 21 untergebracht ist, welches den Zufluß 22 und den in Fig. 3 nicht näher dargestellten, räumlich gegenüberliegenden Kühlwasserabfluß aufweist.

Der Kühlblock 20 ist als Leichtmetallkörper gestaltet und weist eine Mehrzahl von parallel außen umlaufenden Radial­ rippen 23 auf, die zwischen sich Strömungskanäle 24 ausbil­ den und die zur Innenwand des Gehäuses 21 einen vergleichs­ weise geringen Spalt 25 ausbilden, der deutlich geringer ist, als die Breite des jeweiligen Strömungskanales 24. Beidseitig im Bereich des Kühlwasserzutrittes 22 und des gegenüberliegenden Kühlwasseraustrittes sind im Kühlkörper 20 zwei alle Radialrippen 23 überbrückende Axialnuten 26 vorgesehen, über die das Kühlwasser auf die einzelnen Strö­ mungskanäle 24 verteilt bzw. aus denen es nicht abgenommen wird.

Weiter nach innen versetzt weist der Kühlblock 20 eine Vielzahl von Axialbohrungen 28 auf, wobei es sich auch um eine Vielzahl von Rippen handeln kann, die entsprechende Durchströmkanäle für das zu kühlende Arbeitsmedium darstel­ len.

Um den Kühlblock 20 gegenüber den benachbarten Bauelementen optimal abzudichten, weist dieser auf der zum Topfboden weisenden Unterseite 20a im dargestellten Beispiel zwei Axialdichtungen 29 auf, eine Radialdichtung 30 und wiederum eine Axialdichtung 31 auf seiner nach oben weisenden Seite, die als nach außen weisender Dichtkragen 32 ausgebildet ist, wie sich dies insbesondere aus Fig. 3 ergibt.

Schließlich kann der mit dem Kragen 32 des Kühlkörpers 20 zusammenwirkende Randbereich 33 des Gehäuses 21 ebenso wie der zwischen den beiden Topfbodendichtungen 29 liegende Be­ reich 34 mit einer Drainagenut od. dgl. versehen sein, um Leckage-Kühlwasser abzuführen, was in Fig. 3 nur andeu­ tungsweise wiedergegeben ist.

Claims (3)

1. Stirlingmotor mit einem beheizbaren Zylinderkopf mit einer Vielzahl von etwa U-förmig gekrümmten Erhitzerröhrchen und mit einem Kühler, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler als Kühlwasser umströmter Leichtmetallkörper (20) mit Radialrippen (23) innerhalb eines topfartigen Ge­ häuses (21) ausgebildet ist, wobei der Abstand der Radial­ rippen (23) zueinander größer ist als der Spalt (25) zwi­ schen Topfinnenwand und äußerer Radialrippen-Begrenzungs­ wand, wobei am Umfang wenigstens zwei alle Radialrippen (23) überbrückende Nuten (27) zur Bildung des Kühlmittelzu­ flusses bzw. Kühlmittelabflusses vorgesehen sind.

2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (20) wenigstens an seiner mit dem Topf­ boden korrespondierenden Bodenfläche mit Ringdichtungen (29) versehen ist.

3. Stirlingmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (20) auf seiner zum Erhitzer weisenden Randfläche einen nach außen weisenden Dichtkragen (32) mit einer Ringdichtung (31) aufweist.