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Dokumentenidentifikation DE19612616C2 07.03.2002
Titel Stirlingmotor
Anmelder SIPRA Patententwicklungs- und Beteiligungsgesellschaft mbH, 72461 Albstadt, DE
Erfinder Lohrmann, Tim, 58239 Schwerte, DE
Vertreter Frhr. von Schorlemer, R., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 34117 Kassel
DE-Anmeldedatum 29.03.1996
DE-Aktenzeichen 19612616
Offenlegungstag 02.10.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.03.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.03.2002
IPC-Hauptklasse F02G 1/055

Beschreibung[de]

Die Erfindung richtet sich auf einen Stirlingmotor mit einem 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 bekannt, hier sei als Beispiel die DE-40 16 238-C2 als Kombination eines solchen Motors mit einer Heizkesselanlage genannt.

Das Grundprinzip eines solchen Stirlingmotors besteht darin, 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 Erhitzerröhrchen 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 Wärme entzieht und bei Rückströmen wieder zuführt. Ein Getriebe 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 Wärmezufuhr durch den anderen wieder entspannt wird.

Neben mechanischen Problemen liegt ein erkennbarer Problemkreis 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 einer außen umlaufenden, spiralförmigen, vom Kühlmedium durchströmten Nut versehen sind. Derartige, mit spiralförmigen Nuten versehene Kühlkörper sind vergleichsweise aufwendig in der Herstellung, wobei hinzukommt, daß sich das Kühlmedium beim Durchlaufen der Spiralnut immer weiter aufheizt, 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 Herstellung verbessert wird.

Diese Aufgabe der eingangs bezeichneten Art wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kühler als Kühlwasser umströmter Leichtmetallkörper mit Radialrippen innerhalb eines topfartigen Gehäuses ausgebildet ist, wobei der Abstand der Radialrippen zueinander größer ist als der Spalt zwischen Topfinnenwand und äußerer Radialrippen-Begrenzungswand, 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 ausschließlich mit Radialrippen versehene Leichtmetallkörper einfach herstellen läßt, spiralförmige Wicklungen sind nicht mehr notwendig. Durch die überbrückenden Nuten zur Bildung des Kühlmittelzuflusses bzw. Kühlmittelabflusses werden vergleichsweise 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 bekannten 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 lösen, 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 Randfläche einen nach außen weisenden Dichtkragen mit wenigstens einer Ringdichtung aufweist. Damit lassen sich Ringdichtungen als Dichtmittel vorsehen, die keinen axialen Beanspruchungen unterworfen sind. Natürlich können in Ergänzung 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 beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

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

Fig. 2 in vereinfachter räumlicher Darstellung den Kühlkörper 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 Brennerflamme beheizten Zylinderkopf, allgemein mit 3 bezeichnet, auf mit einer Vielzahl von U-förmig gekrümmten Erhitzerröhrchen 4, einen angedeuteten Regenerator 5, einen sich anschließenden Kühlkörper 6, einen Verdrängerkolben 7, einen 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, während die außen liegenden Teilröhrchen 4c den Regenerator 5 beaufschlagen.

Die inneren Teilröhrchen 4a liegen geometrisch vergleichsweise dicht beieinander, während die äußeren Teilröhrchen 4c vergleichsweise stark gespreizt angeordnet sind. Die inneren 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 Leichtmetallkühlblock 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 Radialrippen 23 auf, die zwischen sich Strömungskanäle 24 ausbilden und die zur Innenwand des Gehäuses 21 einen vergleichsweise 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 Strömungskanäle 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 darstellen.

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 Bereich 34 mit einer Drainagenut od. dgl. versehen sein, um Leckage-Kühlwasser abzuführen, was in Fig. 3 nur andeutungsweise wiedergegeben ist.


Anspruch[de]
  1. 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 Gehäuses (21) ausgebildet ist, wobei der Abstand der Radialrippen (23) zueinander größer ist als der Spalt (25) zwischen Topfinnenwand und äußerer Radialrippen-Begrenzungswand, wobei am Umfang wenigstens zwei alle Radialrippen (23) überbrückende Nuten (27) zur Bildung des Kühlmittelzuflusses bzw. Kühlmittelabflusses vorgesehen sind.
  2. 2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (20) wenigstens an seiner mit dem Topfboden korrespondierenden Bodenfläche mit Ringdichtungen (29) versehen ist.
  3. 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.






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