-
Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Kälteerzeugung in einem Kreisprozess mit einer Kältemaschine.
-
Kältemaschinen arbeiten üblicherweise in einem Kreisprozess, in welchem ein Kältemittel verdampft und expandiert. Die dafür benötigte Wärme wird dem Kühlraum entnommen. Anschließend muss das gasförmige vorliegende Kältemittel wieder komprimiert werden, um es zu verflüssigen. In dem Prozess erfolgt somit stets eine Änderung des Aggregatzustands des Kältemittels. Um eine Verdampfung des Kältemittels bei den gegebenen Arbeitstemperaturen zu erreichen, sind nur sehr spezielle chemische Verbindungen geeignet, die oftmals auf der Basis von Halogenen aufgebaut sind und die eine extreme Schädigung der Ozonschicht hervorrufen. Außerdem sind solche Kältemittel sehr leicht flüchtig und entweichen selbst in flüssigkeitsdichten Kreisläufen allein durch Permeation durch die Wände der Behälter und Leitungen.
-
Möglich ist der Einsatz von Kohlendioxid als umweltfreundliches Kältemittel, jedoch sind dafür erhebliche Drücke erforderlich, die beispielsweise für die Verwendung als Kältemaschine in einem Fahrzeug nicht geeignet sind oder deren sichere Beherrschung in einem Fahrzeug zumindest einen hohen Aufwand nach sich zieht. Als Ersatz für die herkömmlichen Fluorkohlenwasserstoffe vorgesehene neue Kältemittel für Fahrzeugklimaanlagen haben sich als extrem brennbar erwiesen, so dass im Falle eines Unfalls eine erhebliche Brandgefahr durch austretende Kühlmittel besteht.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Kältemaschine anzugeben, die zur Verwendung in Automobilen und als stationäre Anlage geeignet ist und die ohne Hochdrucktechnik einsetzbar ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kältemaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Kälteerzeugung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
-
Erfindungswesentlich ist zunächst, dass ein unschädliches Gas oder auch eine Gasmischung wie Luft als Kältemittel eingesetzt wird und dass keine Aggregatzustandsänderung des Kältemittels erfolgt. Das heißt, dass auch bei der Kompression des eingesetzten Gases als Kältemittel in der Kältemaschine das Kältemittel für den erforderlichen Kreisprozess gasförmig bleibt.
-
Expansion und Kompression des gasförmigen Kältemittels sind räumlich entkoppelt bzw. getrennt.
-
Das gasförmige Kältemittel wird im geschlossen System mittels eines Kolbens, der sich über eine Kurbelwelle im Zylinder auf- und ab bewegen kann, in Umlauf gebracht. Für einen Arbeitszyklus wird nur eine Kurbelwellenumdrehung benötigt, das heißt, der Kolben bewegt sich für einen Zyklus nur einmal hoch und einmal wieder runter.
-
Das Hauptmerkmal dieser Erfindung ist das Expansionsrohr (Kälterohr), das am Anfang seitlich mit dem Zylinderraum zwischen dem unteren Totpunkt (UT) und oberen (OT) verbunden ist.
-
Am Ende ist das Expansionsrohr über ein Ventil mit dem Kurbelraum im Kurbelgehäuse der Maschine verbunden. Das Ventil öffnet nur in einer Durchflussrichtung zum Kurbelraum. Der Gaskreislauf wird durch ein Rücklaufrohr geschlossen. Diese Rohrleitungsverbindung ist an einem Ende mit dem Kurbelraum verbunden, am anderen Ende, das etwas höher als der untere Totpunkt des Kolbens im Zylinder liegt, mit dem Zylinder verbunden. Der Kolben öffnet somit die Rohrleitungsverbindung kurz vor erreichen seines unteren Totpunktes (UT). Die Maschine wird mit einem Motor angetrieben.
-
Mit dem Abwärts- oder Saughub des Kolbens wird eine Entspannung der im Expansionsrohr befindlichen Luftportion erreicht. Durch diese Entspannung kühlt sich die Luftportion im Expansionsrohr bereits ab, wohingegen beim anschließenden Gegenhub des Kolbens in dem Expansionsrohr keine Kompression erfolgt. Vielmehr wird die Entspannung der Luft im Expansionsrohr wieder ausgeglichen und eine neue Gasportion in das Expansionsrohr nachgeschoben, ohne einen besonderen Druckaufwand.
-
Im Expansionsrohr der Kältemaschine können nur Druckabfallimpulse entstehen, die für die Kälteerzeugung thermisch wirksam werden. Bei z.B. 1000 U/min der Maschine treten auch 1000 Druckabfallimpulse im Expansionsrohr auf, die das Expansionsrohr, immer weiter abkühlen lassen. Durch jeden Zyklus der Maschine wird Wärme entzogen, so dass über die Folge vieler Einzelimpulse nach Art eines Kaskadeneffekts eine deutliche Abkühlung des Expansionsrohrs und des darin befindlichen Mediums erreicht wird. Um den Wärmeentzug aus der Umgebung zu erreichen, muss das Expansionsrohr aus gut Wärme leitendem Material bestehen, z.B. Kupfer.
-
Die minimal erreichbare Temperatur an der Außenseite des Expansionsrohrs kann somit nicht nur an einem einzelnen Druckabfallimpuls festgemacht werden. Die maximale Abkühlung wird erfindungsgemäß vielmehr durch viele, schnell aufeinander folgende Druckabfallimpulse aufgebaut, wohingegen bei herkömmlichen Kältemaschinen die minimal erreichbare Temperatur an den Siedepunkt des verwendeten Kältemittels festgemacht wird.
-
Der genannte Kaskaden-Effekt kann einfach gesteuert werden, z.B. durch die Regulierung der Umdrehungszahl des Motors, der die Kältemaschine antreibt. Hierdurch wird direkt die Anzahl der Zyklen, von denen jeder für sich mit einem Wärmeentzug am Expansionsrohr verbunden ist, pro Zeiteinheit gesteuert.
-
Der Luftumlauf in der Maschine kann unabhängig von der Drehzahl der Maschine z.B. durch ein Drosselventil im Rücklaufrohr, der sogenannten Rohrleitungsverbindung, geregelt werden.
-
In dem Expansionsrohr (Kälterohr) ist durch die Ventilsteuerung nur eine wirkliche Flussrichtung des Kältemittelgases zum Kurbelraum hin möglich. Und zwar kann das Kältemittelgas nur zum Kurbelraum fließen, da das Ventil nur in dieser Flussrichtung öffnet. Bei dem Arbeitsschritt "Expansion der Gasportion im Expansionsrohr" findet im Expansionsrohr bestenfalls nur eine Luftverdünnung statt, auch wenn auch ein gewisses Quantum an Luft in den Zylinderraum zurückfließt. Hat der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, so ist im Zylinderraum – oberhalb des Kolbens noch ein großer Unterdruck vorhanden. In der Hauptsache findet im Kälterohr aber ein heftiger Druckabfallimpuls statt. Dieser Druckabfallimpuls wird durch die Flussträgheit der Luft noch verstärkt, da die Luft sehr, sehr kurz zuvor noch in einer entgegengesetzten Richtung floss bzw. auch noch fliest. Die Luftsäule im Expansionsrohr wird quasi durch die Luftträgheit deshalb ausgebremst bzw. auseinandergezogen. Dieser Effekt ist für den Wärmeentzug bzw. die sogenannte Kälteerzeugung im Kälterohr sehr förderlich.
-
Nach dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist das Expansionsrohr eine Art Blinddarm im System, der sich an einem Ende an den Zylinderraum anschließt und an dem anderen Ende zunächst über ein Ventil verschlossen ist. Dazwischen erstreckt sich das Expansionsrohr über eine relativ große Länge bei relativ kleinem Innendurchmesser im Vergleich zu Länge und Durchmesser des Zylinderraums. Das Expansionsrohr kann beispielsweise bis zu 2 Meter lang bei einem Innendurchmesser von 16 mm sein, wobei gute Kühlleistungen erzielt werden.
-
Nur durch die große Länge des Expansionsrohrs und den kleinen Innendurchmesser ist eine laminare Strömung möglich, so dass man in einer anschaulichen Beschreibung davon sprechen kann, dass quasi Luftportionen durch das Expansionsrohr geschoben werden. Kleinere Längen/Durchmesser-Verhältnisse würden hingegen zur Turbulenzen in der Luftströmung führen. Erfindungsgemäß kommt es nicht auf einen hohen Luftumsatz bzw. Umsatz eines anderen gasförmigen Kältemediums an, sondern auf die Druckabfallimpulse.
-
Da das Expansionsrohr bei der Kältemaschine etwa in der Mitte am Zylinder angebracht ist, wird auch das anfallende Gasvolumen nicht unbedingt gezwungen, in das Expansionsrohr ganz geschoben zu werden, bzw. nicht einmal bis zu Hälfte.
-
Vorzugsweise besteht eine Verbindung des Endes des Expansionsrohrs mit einem unteren Zylinderraum und/oder einem Kurbelraum, die über das Ventil während des Saughubs unterbrochen ist. Damit wird ein geschlossenes System gebildet, so dass insbesondere nur trockene Luft als Kältemittel zum Einsatz kommt, während ein offenes System nur in trockener Umgebung eingesetzt werden könnte, da es ansonsten zu einem hohen Anfall an Kondensat kommen würde.
-
Als unterer Zylinderraum ist das Volumen innerhalb des Zylinders bezeichnet, das unterhalb der Dichtebene des Kolbens liegt, wenn sich dieser am unteren Totpunkt befindet, also in der Regel unterhalb der Kolbenringe. Entsprechend ist der obere Zylinderraum derjenige Teil des Zylinderraums oberhalb davon.
-
Bei einer bevorzugten Variante ist noch ein Verdichtungsraum über den oberen Totpunkt des Kolbens vorgesehen. Dieser Verdichtungsraum oder auch Kompressionsraum ist mit zahlreichen Kühllamellen versehen. Die Kühllamellen werden mit einer Kühlflüssigkeit z.B. Wasser durchströmt. Für die Kühllamellen wird ein sekundärer Kreislauf mit Verbindungsrohren, Umwälzpumpe und Außenkühler vorgesehen. Man kann diese Ausführung auch als eine Hybrid-Kältemaschine bezeichnen, da bei dieser Ausführungsform zwei sich ergänzende Kühlkreisläufe, die zur Kälteerzeugung dienen, in einer Maschine vereinigt sind.
-
Bei der erfindungsgemäßen Kältemaschine gemäß der bevorzugten Ausführungsform mit einem Kompressionsraum und mit einem Bypassrohr wird – bedingt durch die besondere Lage der Abzweigöffnungen entlang des Kolbenhubs – nur etwa die Hälfte der Luft des Zylinderraums durch den Kolben in die Expansionsleitung geschoben. Auf der Unterseite des Kolbens, also im Bereich des sogenannten unteren Zylinderraums und des sich anschließenden Kurbelraums, steht zum Ansaugen der Luft aus dem Expansionsrohr der volle Hub zur Verfügung. Hierdurch wird zusätzlich zur Expansion der Luftsäule am Beginn des Expansionsrohrs noch ein Druckabfall-Impuls an dessen Ende erzeugt.
-
Von Vorteil der erfindungsgemäßen-Kältemaschine ist auch die sehr plötzliche Öffnung des Expansionsrohrs hin zum Zylinder. Der Kolben hat hier etwa die höchste Geschwindigkeit im Zylinder erreicht. Der Druckabfall-Impuls hat hier eine sehr hohe Dynamik, was für die Kälteerzeugung wichtig ist.
-
Möglich ist, dass sich der Zylinderraum noch oberhalb der Abzweigöffnung des Expansionsrohrs fortsetzt. Er wird dann als Kompressionsraum bezeichnet, weil es dort keinerlei beim Aufwärtshub offene Auslässe mehr gibt und somit eine Kompression der dort befindlichen Gasportion erfolgt. Durch die Kompression erhitzt sich die Umgebung, so dass wenigstens eine Kühleinrichtung vorgesehen sein sollte, um eine Überhitzung des Gases zu verhindern. Je höher das Expansionsrohr am Zylinder angebracht ist, desto mehr ist das Expansionsrohr hinsichtlich seiner Dimensionen anzupassen, da ein größerer Luftwechsel stattfindet. Es können auch mehrere Expansionsrohre auf unterschiedlichen Höhen am Zylinder angebracht werden, und zwar übereinander von etwa der halben Höhe des oberen Zylinderraums bis nach oben.
-
Neben der Verwendung von Luft als Kältemittel sind auch Gase wie z.B. Helium oder Kohlendioxid einsetzbar.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht außerdem Schiebeventile vor, bei denen Verbindungen über sich dichtend aneinanderlegende und gegeneinander über die Kurbelbewegung verdrehbare Segmente hergestellt und geschlossen werden. Damit wird insbesondere erreicht, dass das Expansionsrohr zum Kurbelraum hin bereits vollständig geschlossen ist, wenn der Abwärtshub des Kolbens die Abzweigöffnung des Expansionsrohrs im oberen Zylinderraum öffnet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1a–1d eine Kältemaschine gemäß einer ersten Ausführungsform, in verschiedenen Betriebsstadien, jeweils in schematischer Schnittdarstellung;
-
2a–2e eine Kältemaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform, in verschiedenen Betriebsstadien, jeweils in schematischer Schnittdarstellung;
-
3 eine Kältemaschine gemäß einer dritten Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung;
-
4a–4d jeweils eine Ventilstellung bei der dritten Ausführungsform der Kältemaschine und
-
5 eine Kältemaschine gemäß einer vierten Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung.
-
In 1a ist eine Kältemaschine 100 in einer schematischen Schnittansicht in Anfangsposition dargestellt. Die Funktions-Beschreibung kann ähnlich wie bei einem Verbrennungsmotor in Arbeitstakten beschrieben werden. Dabei ist die Kältemaschine 100 sozusagen ein Zweitakter. Wie schon erwähnt, wird für einen Zyklus nur eine Kurbelwellenumdrehung benötigt, das heißt, der Kolben der Maschine bewegt sich für einen Arbeitszyklus nur einmal hoch und einmal wieder herunter.
-
Zentraler Bestandteil der Kältemaschine 100 sind ein Zylinder 10 und ein darin auf und ab bewegbarer Kolben 20. Durch eine Kurbelwelle 50, die motorisch angetrieben ist, und mittels eines Pleuels 51 wird der Kolben 20 bewegt. Die Kurbelwelle 50 dreht sich rechts herum, also im Uhrzeigersinn. Das Innere des Zylinders 10 wird durch den Kolben 20 bzw. durch eine mit dem Kolben 20 wandernde Dichtebene, die durch die Kolbenringe 21 gebildet wird, in einen oberen Zylinderraum 11 und einen unteren Zylinderraum 12 geteilt.
-
Bei der in 1a dargestellten Position des Kolbens 20 befindet dieser sich an einem unteren Totpunkt UT und liegt vollständig innerhalb des unteren Zylinderraums 12. Unmittelbar über dem Kolben 20, im Bereich des unteren Totpunkts UT, befindet sich eine Mündungen 15 einer weiteren Rohrleitung 60, auf die noch eingegangen werden wird. Alle Drücke in allen Bereichen der Maschine sind ausgeglichen.
-
Im oberen Zylinderraum 11 ist oberhalb der Mündung 15 eine Abzweigöffnung 14 angeordnet, von der aus sich ein langes, schmales Expansionsrohr 30 erstreckt, das wärmeleitend ist und in einen Kühlraum 2 hineinragt. Insbesondere ist das Expansionsrohr aus Kupfer oder Aluminium gebildet. Um durch den Kühlraum 2 hindurchgeführt und wieder zurück zum Zylinder 10 geführt werden zu können, ist es im dargestellten Ausführungsbeispiel bügelförmig ausgebildet.
-
Oberhalb der Abzweigöffnung 14 befindet sich der obere Totpunkt OT des Kolbens 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erweitert sich der obere Zylinderraum 11 zu einem Kompressionsraum 16, welcher eine Vielzahl von Kühllamellen enthält.
-
Das Expansionsrohr 30 erstreckt sich von der Abzweigöffnung 14 aus bis zu einem Rückschlagventil 33, das in diesem Betriebsstadium geschlossen ist. Zwischen der Abzweigöffnung 14 und dem Ventil 33 ist eine Expansionsstrecke 32 ausgebildet, in welcher die dort befindliche Gasmenge mit der Abwärtsbewegung des Kolbens 20 und gegen das sperrende Ventil 33 expandiert werden kann.
-
In der in 1a gezeigten Stellung am unteren Totpunkt ist das System 100 drucklos, d.h. in allen abzweigenden Rohrleitungen 30, 60 sowie im oberen und unteren Zylinderraum 11, 12 und außerdem im Kurbelraum 52 herrscht jeweils der gleiche Druck.
-
Hierbei kann es sich um Umgebungsdruck handeln, was den Vorteil hat, dass die Kältemaschine 100 auch offen ausgebildet sein kann und das Gas durch Zufuhröffnungen von der Außenseite ausgetauscht werden kann, so dass ständig gekühltes Gas, insbesondere Luft in das System eingeschleust werden kann, wo hingegen erwärmtes Gas ausgeschleust wird. Möglich ist jedoch auch, einen Betrieb im geschlossenen System vorzunehmen, bei dem Gase oder Gasmischungen mit erhöhter Wärmekapazität und unter erhöhtem Druck eingesetzt werden.
-
Durch die Lage der Abzweigöffnung 14 ändern sich auch die Längen der Teil-Hubstrecken, die der Kolben 20 bei der Aufwärtsbewegung zurücklegt. Der erste Teil des Hubes zwischen den beiden unteren strichpunktierten Linien kann als Einschub-Hub bezeichnet werden, da das Gas in das Expansionsrohr 30 hineingeschoben wird. Hat der Kolben 20 mit seiner Dichtebene den Oberrand der Abzweigöffnung 14 erreicht, verschließt er die Abzweigöffnung 14. In dem verbleibenden Raum oberhalb des Kolbens 20 gibt es keine Öffnungen mehr. Daher entspricht die restliche Strecke einem Kompressionshub, der die Luft in dem Kompressionsraum 16 komprimiert.
-
Bei der Darstellung nach 1b hat gegenüber 1a der Aufwärtshub des Kolbens 20 durch eine Drehung der Kurbelwelle 50 begonnen. In der Abfolge der 1a bis 1d ist die Drehrichtung der Kurbelwelle rechts herum, also im Uhrzeigersinn vorgesehen.
-
Die Kolbenringe 21 befinden sich oberhalb der Abzweigöffnung 15, so dass die Leitungen 60 mit dem sogenannten unteren Zylinderraum 12 in Verbindung stehen. Das Ventil 33 ist geöffnet, so dass die Verbindung zwischen dem unteren Zylinderraum 12, dem Kurbelraum 52 und dem Expansionsrohr 30 offen ist. Mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens 20 wird Luft in das Expansionsrohr 30 geschoben, aber nicht gedrückt.
-
Gelangt der Kolben 20 über die in 1b gezeigte Stellung noch etwas nach oben, so verschließt er die Abzweigöffnung 14 des Expansionsrohrs 30. Mit diesem Teilhub des Kolbens 20 wird somit keine Kompression innerhalb des Expansionsrohres 30 bewirkt, so dass auch die bei der Kompression anfallende Wärme nicht zur Erwärmung des Expansionsrohrs 30 führt.
-
In 1c ist der Kolben 20 an seinem oberen Totpunkt OT angelangt. Die Gasportion ist nun oberhalb des Kolben 20 in einem Kompressionsrum 16 maximal komprimiert, während alle unterhalb der Kolbenringe 21 befindlichen Teile des Zylinders 10 sowie der von dort abzweigenden Rohrleitungen 30, 60, der untere Zylinderraum 12 und das Kurbelraums 52 miteinander in offener Verbindung miteinander stehen und einen gleichen Gasdruck aufweisen.
-
In dem für die Kälteerzeugung wesentlichen Arbeitstakt bewegt sich der Kolben 20 wieder nach unten, wie 1d zeigt. Oberhalb des Kolbens 20 im oberen Zylinderraum 11 entspannt sich die durch die Lamellen abgekühlte Luft weiter herunter. Nun passiert der Kolben 20 auf etwa der halben Wegstrecke nach unten die Öffnung 14 des Expansionsrohrs 30. Im Expansionsrohr 30 entsteht ein heftiger Unterdruckimpuls, da das Ventil 33 zum Kurbelraum 52 geschlossen ist. Auch im Expansionsrohr 30 kühlt sich die Luft ab. Gleichzeitig wird unterhalb des Kolbens 20 im Kurbelraum 52 die Luft komprimiert, da das Ventil des Expansionsrohrs 30 zum Kurbelraum 52 zuvor geschlossen wurde. Auch bei dieser Kompression entsteht Abfall-Wärme. Die Wärme wird über die Außenwände, insbesondere über die Oberfläche des Kurbelgehäuses, an die Außenluft abgegeben.
-
Der Abwärtshub des Kolbens 20 endet am unteren Totpunkt UT, so dass wieder die in 1a dargestellte Stellung eingenommen wird und der Zyklus von neuem beginnen kann. Steht der Kolben 20 wieder unten, hat er kurz zuvor eine Öffnung 15 zu einem Gasrückführungsrohr 60 geöffnet. Auch das Gasrückführungsrohr 60 muss gekühlt werden, entweder durch die Außenluft oder durch eine Wasserkühlung.
-
Die gekühlte komprimierte Luft vom Kurbelraum 52 strömt wieder in den oberen Zylinderraum 11. Gleichzeitig wird die Luft durch den Unterdruck, der noch im Zylinderraum 11 vorhanden ist, angesaugt. Schon durch die Luftentspannung wird eine gewisse zusätzliche Abkühlung der Luft im Zylinderraum 11 oberhalb des Kolbens 20 erreicht. Der obere Zylinderraum 11 ist also wieder nachgefüllt worden und in dem System sind somit alle Gasdrücke wieder ausgeglichen. Ein neuer wirkungsvollerer Arbeitszyklus kann beginnen.
-
Die erzielte Kühlleistung hängt im Wesentlichen von der Anzahl der Zyklen bzw. der Hübe des Kolbens 20 pro Zeit ab und damit von der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 50, die beispielsweise 1000 U/min beträgt.
-
In den 2a bis 2e ist eine Kältemaschine 100‘ gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der Kältemaschine 100 durch:
- – ein zusätzliches Ventil 61‘ in der Verbindungsleitung 60 und
- – eine Bypassleitung 40‘, die sich zwischen einem Endbereich der Expansionstrecke 32 und dem oberen Zylinderraum 11 erstreckt.
-
Die Konfiguration und die Ausgangsstellung der Kältemaschine 100‘ in 2a stimmen weitgehend mit der bei der Kältemaschine 100 in 1a überein.
-
Die zusätzliche Bypassleitung 40‘ erstreckt sich zwischen einer Öffnung 13 im oberen Zylinderraum 11, die kurz oberhalb der Stirnseite des Kolbens 20 angeordnet ist, wenn dieser sich am UT befindet. Damit liegt die Öffnung 13 der Öffnung 15 für die Verbindungsleitung 60 vorzugsweise diametral im oberen Zylinderraum 11 gegenüber. Die Bypassleitung 40‘ führt mit ihrem anderen Ende zu einer Öffnung 41‘ im Expansionsrohr 30.
-
Wenn die Öffnung 15 im Zylinder 10 vom Kolben 20 beim Aufwärtshub gemäß 2b überdeckt wird, wird die Verbindungsleitung 60 vom Luftvolumen im oberen Zylinderraum 11 abgetrennt, allerdings mit einer gewissen Verzögerung, bis nämlich die Kolbenringe 21 oberhalb der Öffnung 15 stehen. Das zusätzliche Ventil 61‘ hingegen ermöglicht eine schnellere und vollständigere Abtrennung der Verbindungsleitung 60 schon im Anfangsweg der Kolbenbewegung. Außerdem wird mit dem Aufwärtshub des Kolbens 20 auch die Öffnung 15 der Bypassleitung 40‘ abgesperrt. Ein Teil der Luft, die sich oberhalb des Kolbens 20 im oberen Zylinderraums 11 befindet, wird in die Expansionsleitung 30 geschoben, aber nicht gedrückt. Auf der Unterseite des Kolbens im Zylinderraum und im Kurbelraum 52 entsteht deshalb zeitgleich ein Unterdruck. Das Rückschlagventil 33 wird durch den Unterdruck geöffnet. Die Luft in der Expansionsleitung 30 kann nun drucklos in Richtung des Kurbelraums 52 strömen.
-
In 2c steht der Kolben 20 der Kältemaschine 100‘ oben, am oberen Totpunkt OT. Alle Rohrleitungsverbindungen 30, 40‘, 60 zum oberen Zylinderraum 11 sind durch den Kolben 20 abgeschnitten bzw. geschlossen worden. Oberhalb des Kolbens 20 befindet sich ein Kompressionsraum 16, in welchem Kühllamellen angebracht sind. Im Wesentlichen komm hier nur noch eine restliche Luftmenge im oberen Zylinderraum 11 zur Kompression, die nicht in das Expansionsrohr 30 geschoben wurde. Der Zylinder 10 mitsamt seines Kompressionsraums 16 ist von einem Kühlraum 2, durch welchen sich ein Teil des Expansionsrohrs 30 erstreckt, thermisch getrennt. Die Kühllamellen haben die Aufgabe, die durch die Kompression im Zylinderraum 11 entstandene Wärme zur Außenseite abzuführen. Die Lamellen werden mit Wasser als Kühlflüssigkeit durchströmt. Ein Außenkühler mit Kühlgebläse sowie die Kühlleitungsrohre zu den Lamellen sind nicht gezeichnet.
-
Bei dem Weg des Kolbens 20 gemäß 2d nach unten, zum unteren Totpunkt, wird die Luft oberhalb des Kolbens 20 im oberen Zylinderraum 11 entspannt und kühlt sich ab. Der Kolben 20 hat hier die größte Geschwindigkeit erreicht. Da das Rückschlagventil 33 geschlossen ist, entsteht ein plötzlicher Druckabfall in der Expansionsleitung 30. Im Expansionsrohr 30 kühlt sich die Luft ab. Durch diesen Vorgang werden auch die Außenwände des Expansionsrohrs 30 abgekühlt. Es kann nur wenig Luft in den Zylinderraum 11 oberhalb des Kolbens fließen, da das Rückschlagventil 33 geschlossen ist. Der Zugang 15 zur Verbindungsleitung 60 wird anschließend wieder frei. Unterhalb des Kolbens 20, im unteren Zylinderraum 12 und im Kurbelraum 52 wird die Luft komprimiert; das Rückschlagventil 61‘ steht kurz vor der Öffnung.
-
Bei der Stellung in 2e steht der Kolben 20 wieder unten. Durch die Strömungsträgheit der Luft wird in dem Expansionsrohr 30 ein Druckausgleich zum oberen Zylinderraum 11 eingeleitet.
-
Bei einer Kältemaschine 100‘ mit einer Bypassleitung 40‘ konnte experimentell eine Erhöhung der Kühlleistung im Vergleich zu ersten Ausführungsform einer Kältemaschine 100 ohne Bypassleitung nachgewiesen werden. Zurückzuführen ist dies vermutlich auf folgende Zusammenhänge:
Der Kolben 20 der Kältemaschine 100‘ bewegt sich mit einer hohen durchschnittlichen Geschwindigkeit. Am unteren Totpunkt UT gemäß 2e öffnet der Kolben 20 die Öffnung 13 der Bypassleitung 40‘ und zugleich auf der anderen Seite die Öffnung 15 der Verbindungsleitung 60. Im Zylinderraum ist noch ein Unterdruck vorhanden, der zusätzlich noch einen kurzen Unterdruck-Impuls an der Öffnung 13, und über die Bypassleitung 40‘ und die Öffnung 41‘ dann im Expansionsohr 30 entstehen lässt. Auf der anderen Seite, über die Verbindungsleitung 60, strömt die vorkomprimierte Luft wieder in den oberen Zylinderraum 11. Der obere Zylinderraum 11 wird wieder vollständig mit Luft aufgefüllt.
-
Das Vakuum bzw. der Unterdruck oberhalb des Kolben 20 im oberen Zylinderraum 11 wird durch die vorkomprimierte Luft über das Rückschlagventil 61‘ vollständig ausgeglichen. Ein neuer Zyklus kann beginnen.
-
Um bei hohen Kurbelwellengeschwindigkeiten und entsprechend kurzen Taktzeiten eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten, kann insbesondere vorgesehen sein, statt einfacher Rückschlagventile 33, 61‘, wie bei den Ausführungsformen nach den 1a bis 2e gezeigt, Schiebeventile vorzusehen und mit der Kurbelwelle zu verbinden. Eine solche Ausführungsform einer Kältemaschine 100'' ist in 3 gezeigt.
-
Das Expansionsrohr 30 mündet an einer stationären Ventilöffnung 72'' am Kurbelraum 52; die Verbindungsleitung 60 mündet an einer weiteren stationären Ventilöffnung 71''. Die stationären Ventilöffnungen 71'', 72'' werden durch ein auf der Kurbelwelle 50 umlaufendes Ventilelement 73'' überstrichen und damit wechselweise geöffnet und geschlossen. Sofern die stationären Ventilöffnungen 71'', 72'' auf einer Durchmesserlinie angeordnet sind, ist das Ventilelement 73'' als Kreissegment mit einem Bogenwinkel von mehr als 180° ausgebildet, so dass über das Ventilelement 73'' beide stationären Ventilöffnungen 71'', 72'' verschließbar sind.
-
Die einzelnen Ventilstellungen sind in den 4a bis 4d dargestellt. Dabei ist das auf der Kurbelwelle 50 umlaufende Ventilelement 73'' jeweils schraffiert dargestellt; dieses läuft über eine stationäre Dichtfläche 74'', in welcher die Ventilöffnungen 71'', 72'' angeordnet sind:
-
4a: Am UT des Kolbens 20 entsprechend 2a sind beide Ventilöffnungen 71'', 72'' verschlossen.
-
4b: bei dem Aufwärtshub des Kolbens 20 öffnet die Ventilöffnung 72'', um das Einströmen von Luft in das Expansionsrohr 30 zu ermöglichen.
-
4c: Am OT des Kolbens 20 entsprechend 2c und dem anschließenden Abwärtshub des Kolbens 20 bleibt die Ventilöffnung 72'' verschlossen, während die Ventilöffnung 71'' geöffnet ist.
-
4d: die Ventilöffnung 71'' ist geöffnet; die Ventilöffnung 72'' ist verschlossen.
-
5 zeigt eine sehr einfache Ausführungsform einer Kältemaschine 200, die das Grundprinzip der Erfindung dennoch verwirklicht. In einem Zylinderraum 211 in einem Gehäuse 210 ist wiederum ein Kolben 220 angeordnet, der über eine Kurbelwelle 250 und ein Pleuel 251 angetrieben wird. Der obere Zylinderraum 211, also der oberhalb eines unteren Totpunkts UT gelegene Teil des Zylinderraums, ist zum einen über eine Verbindungsleitung 260 mit einem Kurbelraum 252 im Kurbelgehäuse verbunden. Zum anderen erstreckt sich eine sehr lange und zugleich dünne Expansionsleitung 230 von einer Abzweigungsöffnung 214, die ganz nah am oberen Totpunkt OT positioniert ist, zum Kurbelraum 252. Die Expansionsleitung 230 ist über ein Ventil 233 mit dem Kurbelraum 252 verbunden, so dass diese während des Expansionsvorgangs vom Kurbelraum 252 getrennt ist.
-
Der Unterschied zu den anderen, vorstehend beschrieben Ausführungsformen liegt darin, dass bei der Kältemaschine 200 oberhalb des OT kein Kompressionsraum vorhanden ist. Die Teilstrecke des Kolbens 220, die unter Bezug auf 1a oben als Kompressionshub bezeichnet wurde, entfällt bei dieser Ausführungsform. Auch gibt es in dem Bereich keine Kühlvorrichtung. Es findet also außer der Abkühlung im Expansionsrohr 230 kein zusätzlicher, überlagerter Kühlprozess im Zylinder statt wie bei den zuerst beschriebenen Ausführungsformen. Der übrige Prozess zur Kälteerzeugung verläuft wie oben dargestellt.
