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Stirlingkühler

Grundlagen:
Der Stirlingprozess kann auch umgekehrt werden.Wird ein Stirlingmotor angetrieben, von einer externen Quelle in Rotation versetzt kann er Temperaturdifferenzen erzeugen und als Wärmepumpe arbeiten. Wärme wird von der einen Begrenzung des Verdrängerzylinders zur anderen Begrenzung transportiert, eine Seite wird immer kälter, die andere immer wärmer. Im Gegensatz zur >>Kompressorkühlung<< hängt die erreichbare tiefste Temperatur nicht vom Medium, dem Füllgas ab, zumindest solange dieses nicht flüssig wird. Bei der Kompressorkühlung hingegen hängt die Funktion entscheidend vom Phasenübergang des Mediums ab. So kann ein Stirlingkühler mit Luft oder Helium arbeiten und benötigt nicht die umweltschädlichen FCKW's oder brennbare Kohlenwasserstoffe.

Das Schema zeigt die verschiedenen Möglichkeiten des Aufbaus eines Stirlinkühlers. Ganz links der einfachste Aufbau mit Verdichter, Verdränger und Regenerator. Etwas kompakter wird der Aufbau wenn die Regeneratormatrix in den Verdrängerkolben integriert wird. Ganz rechts die Art wie die meisten kommerziellen Kühler aufgebaut sind. Hier wird nur noch der Verdichterkolben vom Motor angetrieben.Der Verdrängerkolben mit Regenerator kann frei schwingen und wird durch die Druckstöße des Verdichters angetrieben. Um die erforderliche Phasenverschiebung zu gewährleisten wird der Verdrängerkolben mit einer Frequenz angeregt die etwas schneller ist als seine mechanische Resonanzfrequenz, die durch die Rückholfeder und die Masse des Kolbens bestimmt wird.
Um Je nach Art der Erzeugung der Druckwellen spricht man von einem Stirling- oder Gifford-McMahonkühler.Beim Stirlingkühler werden die Druckwellen wie im obigem Schema mit einem beweglichem Kolben erzeugt.Der Antrieb des Kolbens erfolgt mit einer Kurbelwelle oder einem Tauchspulensystem das im einfachsten Fall mit 50 Hz Wechselstrom erregt wird. Bei GM-Kühler verwendet man ein statisches Druckreservoir und generiert die Druckwellen mit periodisch schaltenden Magnet- oder mechanischen Ventilen.
Sehr große Anlagen wie sie z.B. zur Erzeugung von Flüssiggas gebraucht werden verwenden auch einen thermoakustischen Generator, der ähnlich wie der >>thermoakustische Motor<< arbeitet und periodische Druckwellen nur mit thermischer Energie erzeugen kann
Aufbau:
Der Kühler ist wie ein üblicher Stirlingmotor aufgebaut. Als Arbeitszylinder und -Kolben dient eine Injektionsspritze. Der Verdängerzylinder ist aus Glas. Der Verdrängerkolben aus einem Plexiglasrohr das mit Stahlwolle zur Regeneratorfunktion gefüllt ist. Angetrieber wird der Kühler mit einem Elektromotor. Der Hub des Arbeits- und Verdängerkolbens sind um 90° phasenverschoben. Der Verdrängerkolben läuft um 90° vor dem Arbeitskolben. So wird erreicht der der Druckverlauf und der Massenfluß die erforderliche Phasenverschiebung haben.
Der Hub des Arbeitskolben beträgt 1,5 cm, der des Verdrängers 2 cm. Der der Arbeitskolben einen etwas größeren Durchmesser hat ist der Hubraum in beiden Fällen etwa gleich
Der Temperaturverlauf wurde mit zwei Pt1000-Widerständen am warmen und kalten Ende des Verdrängerzylinders gemessen und mit dem PC aufgezeichnet. Ebenso wurde mit einem Drucksensor MPX51000DP der Druckverlauf oszillographiert.
Der mit 940 U/min angetriebene Arbeitszylinder erzeugt annähernd sinusförmige Druckpulse mit einer Größe von 0,3 bar und einer Frequenz von ~ 16 Hz.
Für den Test wurde der gesamte Verdrängerkolben mit einem Schaumstoffrohr thermisch isoliert.
Das kleine Diagramm zeigt die Auswirkung wenn die Phase um 180° verschoben wird. Nun wird die kalte Seite warm und die warme kalt. Allerdings ist die Abkühlung der warmen Seite nicht so ausgeprägt da diese Seite stärker an die Umgebung koppelt und mit dem warmen Gas aus dem Arbeitszylinder beaufschlagt wird.
Wesentlich bessere Ergebnisse erhält man durch eine deutliche Erhöhung des Fülldrucks der Anlage. Mit dem obigem Modell ist das aber nicht zu machen da zu viele Lecks vorhanden sind, vorallem die Durchführung der Verdrängerkolbenstange ( Sintergleitlager) leckt stark. Deshalb wurde ein neuer Stirlingkühler vollkommen in ein dickwandiges, gasdichtes Plexiglasgehäuse eingebaut.
Als Kompressor wurde der Motor und das Laufzeug eines Autoreifenkompressors verwendet. Durch die rechtwinklige Anordnung von Kompressorzylinder und Verdränger und die Benützung der gleichen Kurbelwelle für beide Pleuel wird die erforderliche Phasenverschiebung von 90° gewährleistet. Der Verdrängerzylinder ist aus einem dünnwandigem V2A Rohr der Verdrängerkolben aus einem Plexiglasrohr mit Stahlwollefüllung.
Mit einer Luftfüllung von 3 bar wurde nach 15 Minuten Laufzeit eine Temperatur von - 47,4 °C am kalten Ende des Regeneratorzylinders erreicht. Ein höherer Fülldruck würde auch eine noch tiefere Temperatur erlauben, kann aber aus Sicherheitsgründen dem Plexiglasgehäuse nicht zugemutet werden.
Wird der Kaltlfinger des Stirlingkühlers nicht an Luft betrieben sondern in ein Vakuumgefäss eingebaut erhält man noch tiefere Temperaturen.
Der Druck in der Vakuumkammer betrug in einem Fall 4x10-2 mbar und im anderen 2x10-6 mbar.Mit einem Fülldruck im Stirling von 3 bar und einer Drehzahl von etwa 300 Umdrehungen / Minute wurde eine Temperatur von -73°C b.z.w. 98,2 °C erreicht.