DE10209998A1

DE10209998A1 - Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie

Info

Publication number: DE10209998A1
Application number: DE2002109998
Authority: DE
Inventors: Gerhard Stock
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: DE10209998B4; WO2003074857A1; AU2003227010A1; AR038873A1

Abstract

Ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, besteht aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter (1), der über einen Flüssigkkolben (4) mit der Anordnung wirksam verbunden ist und jeweils eine obere Einspritzöffnung (3) für Warmwasser sowie für Kaltwasser und eine untere mit einem Arbeitskreislauf (14) verbundene Wasserablauföffnung (12) aufweist. Der Flüssigkolben (4) ist innerhalb des Druckbehälters (1) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter, der über einen Flüssigkolben mit der Anordnung wirksam verbunden ist und jeweils eine obere Einspritzöffnung für Warmwasser sowie für Kaltwasser und eine untere mit einem Arbeitskreislauf verbundene Wasserablauföffnung aufweist.

Aus der EP 0 043 879 A1 ist ein als Zylinder ausgebildetes Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie bekannt. In dem Zylinder ist ein Kolben mit einer Kolbenstange verschiebbar gelagert. Der von der Kolbenstange durchragte Zylinderraum weist ein Einlassventil sowie Auslassventil für Luft auf, wobei das Auslassventil über einen Bypass mit einem Arbeitsraum des Zylinders gekoppelt ist. Der Arbeitsraum ist mit einer Einspritzöffnung für Warmwasser sowie einem Auslaufventil versehen. Mit der Lagerung von Kolben und Kolbenstange in dem Zylinder gehen verhältnismäßig große Reibungsverluste einher.

Im Weiteren offenbart die WO 00/53898 ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter. Der Druckbehälter ist über einen verschiebbaren Kolben mit der Anordnung wirksam verbunden und weist jeweils eine obere Einspritzöffnung für Warmwasser sowie für Kaltwasser und eine untere Wasserablauföffnung auf. Der Kolben ist als Flüssigkolbenpumpe ausgebildet, die eingangsseitig mit der Wasserablauföffnung des Druckbehälters, der ein Wasserzulauf eines Arbeitskreislaufes zugeordnet ist, und ausgangsseitig mit einem Wasserablauf des Arbeitskreislaufes verbunden ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gasausdehnungselement der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einem einfachen Aufbau einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Flüssigkolben innerhalb des Druckbehälters vorgesehen ist.

Durch die Anordnung des Flüssigkolbens innerhalb des Druckbehälters ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche Komponente, beispielsweise eine separate Flüssigkolbenpumpe, zur Übertragung der Expansionsenergie des komprimierbaren Gases bzw. Gasgemischs auf ein nichtkomprimierbares Medium sowie dessen Rückstellung vorzusehen. Darüber hinaus werden Energieverluste aufgrund von Übertragungswegen vermieden. Das bei der Zufuhr von Kaltwasser kontraktierende und bei der Zufuhr von Warmwasser expandierende Gas, beispielsweise Luft, beaufschlagt direkt den Flüssigkolben bzw. wird von dem Flüssigkolben beaufschlagt, der Arbeit verrichtet, die dem Arbeitskreislauf zur Umwandlung der thermischen Energie zugeführt wird.

Bevorzugt schwimmt auf der druckbeaufschlagten Oberfläche des Flüssigkolbens eine von dem Gas oder Gasgemisch beaufschlagte druckbeständige Trennschicht. Die Trennschicht definiert im Wesentlichen die von dem Gas bzw. Gasgemisch direkt beaufschlagte Fläche des Flüssigkolbens und sorgt für eine gleichmäßige Kraftübertragung.

Zweckmäßigerweise ist die Trennschicht zu der Innenwandung des Druckbehälters geringfügig beabstandet. Durch die Beabstandung der Trennschicht ist sichergestellt, dass das in den Druckbehälter eingesprühte Warm- oder Kaltwasser über die Wasserablauföffnung abgeleitet wird, weshalb der Flüssigkolben in einer nicht von dem Gas beaufschlagten Ausgangslage einen konstanten Pegel aufweist und der Druckbehälter oberhalb der Trennschicht vollständig mit dem Gas bzw. Gasgemisch gefüllt ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennschicht als ein eine druckfeste Außenhaut und einen Schwimmerkern umfassender Kegel ausgebildet. Der Kegel begünstigt eine Verwirbelung des in den Druckbehälter eingesprühten Warm- bzw. Kaltwassers mit dem Gas, so dass eine schnelle Erwärmung bzw. Abkühlung des Gases erfolgt.

Um einen verhältnismäßig stabilen Aufbau des Kegels bei einer relativ dünnen Ausbildung der Außenhaut zu erzielen, stützt sich vorzugsweise die Außenhaut unmittelbar auf dem Schwimmerkern ab. Der Schwimmerkern stabilisiert sonach die Außenhaut des Kegels.

Zur schnellen Ableitung des in den Druckbehälter eingesprühten Kalt- oder Warmwassers ist zweckmäßigerweise die Außenhaut aus einem wasserabweisenden und hitzebeständigen Material gefertigt. Darüber hinaus schützt das hitzebeständige Material der Außenhaut den Schwimmerkörper vor einer temperaturbedingten Beschädigung. Vorzugsweise besteht die Außenhaut aus einem nichtrostenden Stahl, einer Titan- oder Aluminiumlegierung.

Damit eine thermische Trennung zwischen dem eingesprühten Kalt- oder Warmwasser und dem Flüssigkolben weitgehend sichergestellt ist, besteht vorteilhafterweise der Schwimmkern aus einem Polyvinylchlorid- oder Polyurethan-Hartschaum.

Um das Ablaufen des eingesprühten Kalt- oder Warmwassers von dem Kegel zu begünstigen und eine relativ große Auftriebsfläche zur Verfügung zu stellen, ist bevorzugt die Spitze des Kegels in Richtung der oberen Einspritzöffnungen ausgerichtet.

Damit der Kegel einen relativ großen Auftrieb erfährt, weist der Kegel einen auf der Oberfläche des Flüssigkolbens schwimmenden zylindrischen Ansatz auf, dessen Außendurchmesser dem größten Durchmesser des Kegels entspricht.

Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dem Kegel eine Führungseinrichtung zur zentrischen Lagezentrierung des Kegels innerhalb des Druckbehälters zugeordnet. Somit nimmt der Kegel stets eine definierte Lage innerhalb des Druckbehälters ein und ein seitliches Kippen des Kegels ist ausgeschlossen.

Vorzugsweise umfasst die Führungseinrichtung eine an dem Kegel befestigte Führungsstange, die in einer in dem Druckbehälter angeordneten Führungshülse verschiebbar gelagert ist. Die Führungseinrichtung ist somit vollständig innerhalb des Druckbehälters angeordnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Führungseinrichtung ein Wegmeßsystem zugeordnet. Mittels dieses Wegmeßsystems ist die Position des Kegels und damit auch die Lage des Flüssigkolbens innerhalb des Druckbehälters stets genau zu bestimmen. Nach einer Kopplung des Wegmeßsystems mit einer entsprechenden Steuerung der Einspritzdüsen erfolgt eine Einspritzung von Kalt- oder Warmwasser in Abhängigkeit von der Lage des Flüssigkolbens. Das Wegmeßsystem ist beispielsweise als induktiver Wegaufnehmer ausgebildet und sendet ein elektrisches Signal an die Steuereinheit, die Stellorgane zum Öffnen und Schließen von Ventilen ansteuert.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasausdehnungselementes mit zugeordneten Komponenten.
Ein zylindrischer Druckbehälter 1 weist an seiner Oberseite eine Einspritzöffnung 3 für Kaltwasser sowie eine Einspritzöffnung 2 für Warmwasser auf, wobei beide Einspritzöffnungen 2, 3 mit jeweils einer in das Innere gerichteten Sprüh- und Zerstäuberdüse 21 versehen sind. Innerhalb des geschlossenen Druckbehälters 1 befindet sich ein Flüssigkolben 4 aus Wasser, auf dessen Oberfläche 5 eine Trennschicht 6 schwimmt. Die Trennschicht 6 umfasst einen Kegel 7, dessen einen stumpfen Winkel einschließende Spitze 8 in Richtung der Einspritzdüsen 2, 3 weist, und einen an der Unterseite des Kegels 7 angeordneten zylindrischen Ansatz 9. Der Durchmesser des Ansatzes 9 entspricht dem größten Durchmesser des Kegels 7, also dem der Grundfläche des Kegels 7. Die Trennschicht 6 besteht aus einer aus einem druck- sowie hitzebeständigen Material gefertigten Außenhaut 10 sowie einem die Außenhaut 10 abstützenden Schwimmerkörper 11. Der Durchmesser des Ansatzes 9 und damit auch der Durchmesser der Grundfläche des Kegels 7 weist ein geringfügiges Spiel zu der Innenwand des Druckbehälters 1 auf. In den Boden 22 des Druckbehälters 1 ist eine Wasserablauföffnung 12 eingelassen, die über Leitungen 23 mit eingesetzten Rückschlagventilen 13 mit einem Arbeitskreislauf 14 in Verbindung steht.
An der Spitze 8 des Kegels 7 ist eine Führungsstange 15 befestigt, die zur Lagezentrierung der Trennschicht 6 in dem Druckbehälter 1 mit einer an der Oberseite des Druckbehälters 1 festgelegten Führungshülse 16 zusammenwirkt. Zugleich wirken die Führungsstange 15 und die Führungshülse 16 als induktives Wegmeßsystem 24 zusammen, das ein elektrisches Signal bezüglich der Stellung des Kegels 7 und damit der Höhe der Oberfläche 5 des Flüssigkolbens 4 an eine Steuereinheit 17 sendet.
Um Luft 18 bzw. andere Gase oder Gasgemische innerhalb des Druckbehälters 1 zu erwärmen, wird warmes Wasser über die Einspritzöffnung 2 in das Innere des Druckbehälters 1 gesprüht. Hierzu öffnet die Steuereinheit 17 ein der Einspritzöffnung 2 zugeordnetes, in eine Zuleitung 25 eingesetztes Ventil 19, indem sie ein Stellorgan 26 des Ventils 19 über eine Verbindungsleitung 27 ansteuert. Beim Einsprühen des warmen Wassers dehnt sich die Luft 18 aus und verrichtet über den verschiebbaren Flüssigkolben 4 Arbeit. Die Wegstreckenänderung des Flüssigkolbens 4 wird von dem Wegmeßsystem 24 erfasst, das ein entsprechendes elektrisches Signal zur Auswertung über die Leitung 28 an die Steuereinheit 17 übermittelt. Die Temperaturverteilung des warmen Wassers innerhalb der Luft 18 wird durch die Form des Kegels 4 begünstigt. Nachdem der Flüssigkolben 4 eine untere Endlage erreicht hat, wird die Einspritzöffnung 2 für das Warmwasser durch eine entsprechende Ansteuerung des Stellorgans 26 des Ventils 19 durch die Steuerung 17 geschlossen. Eines der Rückschlagventile 13 wird geöffnet und der erzeugte Druck pflanzt sich in dem Arbeitskreislauf 14 fort. Während dieser Zeit ist das andere Rückschlagventil 13 geschlossen, das beim Kontrahieren der Luft 18 in dem Druckbehälter 1 geöffnet wird.
Nach dem Druckanstieg und dem durch die Flüssigkolbendisplazierung hervorgerufenen Druckabfall im Druckbehälter sowie nach einer entsprechenden Reduzierung der Temperatur fällt Wasser aus, das über die Außenhaut 10 des Kegels 7 dem Flüssigkolben 4 und über diesen dem Arbeitskreislauf 14 zugeführt wird.
Zum Kontrahieren der Luft 18 wird über die mit der Sprüh- und Zerstäuberdüse 21 versehene Einspritzöffnung 3 Kaltwasser in den Druckbehälter 1 gesprüht, indem ein in eine Zuleitung 25 eingesetztes Ventil 20 durch die Beaufschlagung eines Stellorgans 26 seitens der Steuereinheit 17 geöffnet wird. Durch den entstehenden Unterdruck kommt der Flüssigkolben 4 in seine obere Endlage, die ebenfalls durch das Wegmeßsystem 24 erfasst wird. Beim Erreichen der oberen Endlage sendet das Wegmeßsystem über eine Leitung 28 ein elektrisches Signal zur weiteren Verarbeitung an die Steuereinheit 17, die daraufhin das Stellorgan 26 des Ventils 20 zum Schließen desselben veranlasst.

Claims

1. Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter (1), der über einen Flüssigkolben (4) mit der Anordnung wirksam verbunden ist und jeweils eine obere Einspritzöffnung (2, 3) für Warmwasser sowie für Kaltwasser und eine untere mit einem Arbeitskreislauf (14) verbundene Wasserablauföffnung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkolben (4) innerhalb des Druckbehälters (1) vorgesehen ist.

2. Gasausdehnungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der druckbeaufschlagten Oberfläche (5) des Flüssigkolbens (4) eine von dem Gas oder Gasgemisch beaufschlagte druckbeständige Trennschicht (6) schwimmt.

3. Gasausdehnungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (6) zu der Innenwandung des Druckbehälters (1) geringfügig beabstandet ist.

4. Gasausdehnungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (6) als ein eine druckfeste Außenhaut (10) und einen Schwimmerkern (11) umfassender Kegel (7) ausgebildet ist.

5. Gasausdehnungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Außenhaut (10) unmittelbar auf dem Schwimmerkern (11) abstützt.

6. Gasausdehnungselement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (11) aus einem wasserabweisenden und hitzebeständigen Material gefertigt ist.

7. Gasausdehnungselement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (11) aus einem nichtrostenden Stahl, einer Titan- oder Aluminiumlegierung besteht.

8. Gasausdehnungselement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmerkern (11) aus einem Polyvinylchlorid- oder Polyurethan-Hartschaum besteht.

9. Gasausdehnungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (8) des Kegels (7) in Richtung der oberen Einspritzöffnungen (2, 3) ausgerichtet ist.

10. Gasausdehnungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel (7) einen auf der Oberfläche (5) des Flüssigkolbens (4) schwimmenden zylindrischen Ansatz (9) aufweist, dessen Außendurchmesser dem größten Durchmesser des Kegels (7) entspricht.

11. Gasausdehnungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kegel (7) eine Führungseinrichtung zur zentrischen Lagezentrierung des Kegels (7) innerhalb des Druckbehälters (1) zugeordnet ist.

12. Gasausdehnungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung eine an dem Kegel (7) befestigte Führungsstange (15) umfasst, die in einer in dem Druckbehälter (1) angeordneten Führungshülse (16) verschiebbar gelagert ist.

13. Gasausdehnungselement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungseinrichtung ein Wegmeßsystem (24) zugeordnet ist.