-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines Wärmetauschers in einer thermisch betriebenen Wärmepumpe.
-
Stand der Technik
-
Eine Vuilleumier-Wärmepumpe 5, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist in 1 dargestellt. Ein heißer Verdrängungskörper 1 und ein kalter Verdrängungskörper 2 werden durch eine Kurbel 4 angetrieben. In 2 sind das obere Ende des kalten Verdrängungskörpers 2 und das untere Ende des heißen Verdrängungskörpers 1 aufgetragen dargestellt, wobei die beiden Kurven um 90° phasenverschoben sind. Die Wege der beiden Verdrängungskörper überlappen in dem mittleren Bereich des Zylinders, in welchem die Verdrängungskörper sich hin- und herbewegen.
-
Eine thermisch betriebene Wärmepumpe, bei welcher die Verdrängungskörper mechatronisch betätigt werden, ist in der gemeinschaftlich eingereichten Patentanmeldung PCT/US13/36101 offenbart, welche am 11. April 2013 eingereicht wurde. Die Verdrängungskörper werden unabhängig voneinander betätigt, so dass einer der Verdrängungskörper festgehalten werden kann, während der andere sich bewegt. Bei der in der PCT/US13/36101 offenbarten Wärmepumpe bewegt sich keiner der Verdrängungskörper in den Hub des anderen Verdrängungskörpers, d. h. es gibt keine räumliche Überlappung der beiden Verdrängungskörper. Dies unterscheidet sich von der Bewegung, welche in 2 für eine kurbelgetriebene Vuilleumier-Wärmepumpe dargestellt ist, bei welcher die Verdrängungskörper räumlich überlappen, allerdings nicht zeitlich, um ein Zusammenstoßen der Verdrängungskörper zu verhindern. Eine Wärmepumpe mit unabhängig voneinander betätigten Verdrängungskörpern, wie sie in der Anmeldung PCT/US13/36101 offenbart ist, bietet Möglichkeiten, welche in Wärmepumpen, bei denen die Bewegung der Verdrängungskörper durch eine Kurbelgeometrie eingeschränkt ist, nicht vorhanden sind.
-
Offenbarung
-
Um eine Möglichkeit auszunutzen, welche durch eine unabhängige Verdrängungskörperbetätigung geboten wird gegenüber bekannten Vuilleumier-Wärmepumpen, die mit einer Kurbelbewegung verbunden sind, wird eine Wärmepumpe offenbart, welche ein Gehäuse mit einer heißen Kappe, einer kalten Kappe, einem heißen Zylinderbereich benachbart der heißen Kappe und einem kalten Zylinderbereich benachbart der kalten Kappe umfasst. Die Wärmepumpe umfasst einen kalten Verdrängungskörper, welcher innerhalb des kalten Zylinderbereichs angeordnet ist, einen heißen Verdrängungskörper, welcher innerhalb des heißen Zylinderbereichs angeordnet ist, eine Stange, welche an die kalte Kappe gekoppelt ist und sich entlang einer Mittelachse des kalten Zylinderbereichs auf die heiße Kappe zu erstreckt und einen im Wesentlichen scheibenförmigen warmen Wärmetauscher. Der warme Wärmetauscher ist zwischen den heißen und kalten Verdrängungskörpern angeordnet. In dem warmen Wärmetauscher ist eine Öffnung für die Aufnahme der Stange festgelegt. Ein Durchmesser der Öffnung in dem warmen Wärmetauscher ist kleiner als ein Durchmesser des kalten Verdrängungskörpers. Der warme Wärmetauscher ist innerhalb eines warmen Wärmetauscher-Zylinderbereichs aufgenommen. Bei einigen Ausführungsbeispielen haben der heiße Zylinderbereich, der kalte Zylinderbereich und der warme Wärmetauscher-Zylinderbereich den gleichen Durchmesser.
-
Der warme Wärmetauscher weist einen Einlass auf, welcher den warmen Wärmetauscher-Zylinderbereich durchdringt, sowie einen Auslass, welcher den warmen Wärmetauscher-Zylinderbereich durchdringt.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der warme Wärmetauscher mindestens eine spiralförmig aufgewickelte Röhre, wobei benachbarte Windungen der Spirale durch höchstens einen vorgegebenen Abstand voneinander beanstandet sind. Ein Arbeitsmedium innerhalb der heißen und kalten Zylinderbereiche strömt durch die Beabstandungen zwischen benachbarten Windungen der Spirale als Reaktion auf eine Bewegung der Verdrängungskörper hindurch. Alternativ umfasst der warme Wärmetauscher einen Röhren-und-Hüllen-Wärmetauscher mit einem Arbeitsmedium innerhalb der heißen und kalten Zylinderbereiche, welches zwischen den Röhren in Reaktion auf eine Bewegung der Verdrängungskörper strömt. Alternativ kann eine beliebige geeignete Wärmetauscherkonfiguration für den warmen Wärmetauscher vorgesehen sein.
-
Die Wärmepumpe kann darüber hinaus einen heißen Wärmetauscher umfassen, welcher benachbart der heißen Kappe angeordnet und an eine Kammer innerhalb des heißen Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt ist, einen heißen Regenerator, dessen eines Ende an den heißen Wärmetauscher flüssigkeitsgekoppelt ist und dessen anderes Ende an eine Kammer innerhalb des kalten Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt ist, einen kalten Wärmetauscher, welcher an eine kalte Kammer innerhalb des kalten Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt ist und einen kalten Regenerator, dessen eines Ende an den kalten Wärmetauscher flüssigkeitsgekoppelt ist und dessen anderes Ende an eine heiße Kammer innerhalb des heißen Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt ist.
-
Die Hin- und Herbewegung des heißen Verdrängungskörpers wird durch die heiße Kappe und den warmen Wärmetauscher begrenzt. Die Hin- und Herbewegung des kalten Verdrängungskörpers wird durch die kalte Kappe und den warmen Wärmetauscher begrenzt.
-
Die Wärmepumpe kann darüber hinaus einen heißen Wärmetauscher umfassen, welcher benachbart der heißen Kappe angeordnet ist und an eine heiße Kammer innerhalb des heißen Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt ist, einen kalten Wärmetauscher, welcher an eine kalte Kammer innerhalb des kalten Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt ist, einen ringförmigen heißen Regenerator, welcher außerhalb des heißen Zylinderbereichs angeordnet ist und einen ringförmigen kalten Regenerator, welcher außerhalb des kalten Zylinderbereichs angeordnet ist. Ein erstes Ende des heißen Regenerators ist an den heißen Wärmetauscher flüssigkeitsgekoppelt und ein zweites Ende des heißen Regenerators ist an eine kalt-warme Kammer innerhalb des kalten Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt. Ein erstes Ende des kalten Regenerators ist an den kalten Wärmetauscher flüssigkeitsgekoppelt und ein zweites Ende des kalten Regenerators ist an eine heiß-warme Kammer innerhalb des heißen Zylinderbereichs flüssigkeitsgekoppelt.
-
Die heiße Kammer wird durch die heiße Kappe, den heißen Zylinderbereich und den heißen Verdrängungskörper begrenzt. Die kalte Kammer wird durch die kalte Kappe, den kalten Zylinderbereich und den kalten Verdrängungskörper begrenzt. Die heiß-warme Kammer wird durch den warmen Wärmetauscher, den heißen Zylinderbereich und den heißen Verdrängungskörper begrenzt. Die kalt-warme Kammer wird durch den warmen Wärmetauscher, den kalten Zylinderbereich und den kalten Verdrängungskörper begrenzt.
-
Es wird auch eine Wärmepumpe offenbart, welche ein Wärmepumpengehäuse mit einer heißen Kappe, einer kalten Kappe, einem heißen Zylinderbereich nahe der heißen Kappe und einem kalten Zylinderbereich nahe der kalten Kappe umfasst. Die Wärmepumpe weist einen kalten Verdrängungskörper auf, welcher innerhalb des kalten Zylinderbereichs angeordnet ist, einen heißen Verdrängungskörper, welcher innerhalb des heißen Zylinderbereichs angeordnet ist und einen im Wesentlichen scheibenförmigen warmen Wärmetauscher zwischen dem heißen Zylinderbereich und dem kalten Zylinderbereich. Der kalte Verdrängungskörper bewegt sich zwischen dem warmen Wärmetauscher und der kalten Kappe hin und her und der heiße Verdrängungskörper bewegt sich zwischen dem warmen Wärmetauscher und der heißen Kappe hin und her.
-
Die Wärmepumpe weist eine Stange auf, welche an die kalte Kappe gekoppelt ist und sich entlang einer Mittelachse des kalten Zylinderbereichs auf die heiße Kappe zu erstreckt. In dem warmen Wärmetauscher ist eine Öffnung für die Aufnahme der Stange festgelegt. Ein Durchmesser der Öffnung in dem warmen Wärmetauscher ist kleiner als ein Durchmesser des kalten Verdrängungskörpers.
-
Die Wärmepumpe umfasst darüber hinaus einen heißen Wärmetauscher, welcher benachbart der heißen Kappe angeordnet und an den heißen Zylinderbereich flüssigkeitsgekoppelt ist, einen heißen Regenerator, dessen eines Ende an den heißen Wärmetauscher und dessen anderes Ende an den kalten Zylinderbereich flüssigkeitsgekoppelt ist, einen kalten Wärmetauscher, welcher an den kalten Zylinderbereich flüssigkeitsgekoppelte ist und einen kalten Regenerator, dessen eines Ende an den kalten Wärmetauscher und dessen anderes Ende an den heißen Zylinderbereich flüssigkeitsgekoppelt ist.
-
Die Wärmepumpe kann einen ringförmigen heißen Regenerator umfassen, welcher außerhalb des heißen Zylinderbereichs angeordnet ist, einen ringförmigen kalten Regenerator, welcher außerhalb des kalten Zylinderbereichs angeordnet ist, eine heiße Kammer, welche durch den heißen Zylinderbereich, den heißen Verdrängungskörper und die heiße Kappe begrenzt wird, eine heiß-warme Kammer, welche durch den heißen Zylinderbereich, den heißen Verdrängungskörpern und den warmen Wärmetauscher begrenzt wird, eine kalt-warme Kammer, welche durch den kalten Zylinderbereich, den kalten Verdrängungskörper und den warmen Wärmetauscher begrenzt wird, eine kalte Kammer, welche durch den kalten Zylinderbereich, den kalten Verdrängungskörper und die kalte Kappe begrenzt wird, einen heißen Wärmetauscher, welcher an die heiße Kammer und den heißen Regenerator flüssigkeitsgekoppelt ist und einen kalten Wärmetauscher, welcher an die kalte Kammer und den kalten Regenerator flüssigkeitsgekoppelt ist. Der heiße Regenerator ist an den heißen Wärmetauscher und die kalt-warme Kammer flüssigkeitsgekoppelt. Der kalte Regenerator ist an den kalten Wärmetauscher und die heiß-warme Kammer flüssigkeitsgekoppelt.
-
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist die Wärmepumpe auch einen heißen Wärmetauscher auf, welcher in der heißen Kappe angeordnet ist, und einen kalten Wärmetauscher, welcher ringförmig um den kalten Zylinderbereich herum angeordnet ist.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung weist eine Wärmepumpe ein Gehäuse auf mit einer heißen Kappe an einem Ende des Gehäuses und einer kalten Kappe an dem anderen Ende des Gehäuses, einen Zylinder innerhalb des Gehäuses, einen im Wesentlichen scheibenförmigen warmen Wärmetauscher, welcher innerhalb des Gehäuses angeordnet und annähernd zentral zwischen der heißen Kappe und der kalten Kappe angeordnet ist, einen heißen Verdrängungskörper, welcher in einem Bereich des Zylinders zwischen dem warmen Wärmetauscher und der heißen Kappe angeordnet ist, und einen kalten Verdrängungskörper, welcher in einem Bereich des Zylinders zwischen dem warmen Wärmetauscher und der kalten Kappe angeordnet ist. Der Zylinder weist einen heißen Zylinderbereich und einen kalten Zylinderbereich auf. Eine heiße Kammer ist durch die heiße Kappe, den heißen Zylinderbereich und den heißen Verdrängungskörper begrenzt. Eine kalte Kammer ist durch die kalte Kappe, den kalten Zylinderbereich und den kalten Verdrängungskörper begrenzt. Eine heiß-warme Kammer ist durch den warmen Wärmetauscher, den heißen Zylinderbereich und den heißen Verdrängungskörper begrenzt. Eine kalt-warme Kammer ist durch den warmen Wärmetauscher, den kalten Zylinderbereich und den kalten Verdrängungskörper begrenzt. Die Wärmepumpe umfasst einen heißen Wärmetauscher, benachbart und flüssigkeitsgekoppelt an die heiße Kammer, einen kalten Wärmetauscher, flüssigkeitsgekoppelt an die kalte Kammer, einen heißen Regenerator und einen kalten Regenerator. Ein erstes Ende des heißen Regenerators ist an den heißen Wärmetauscher flüssigkeitsgekoppelt. Ein zweites Ende des heißen Regenerators ist an eine kalt-warme Kammer flüssigkeitsgekoppelt. Ein erstes Ende des kalten Regenerators ist an den kalten Wärmetauscher flüssigkeitsgekoppelt. Ein zweites Ende des kalten Regenerators ist an eine heiß-warme Kammer flüssigkeitsgekoppelt.
-
In einigen Ausführungsbeispielen ist der heiße Regenerator ringförmig außerhalb des Zylinders in der Nähe der heißen Kappe und der kalte Regenerator ringförmig außerhalb des Zylinders in der Nähe der kalten Kappe angeordnet.
-
In Wärmepumpen, bei welchen die Verdrängungskörper durch eine Kurbelanordnung angetrieben werden, kann ein warmer Wärmetauscher nicht innerhalb des Zylinders angeordnet sein, es sei denn, die Verdrängungskörper wären derart getrennt, dass sie räumlich nicht überlappen. Eine solche Anordnung würde ein zu großes Totvolumen bedeuten und würde die thermische Effizienz deutlich verschlechtern. Die mechatronisch betriebene Wärmepumpe ermöglicht es, dass der warme Wärmetauscher innerhalb des Zylinders angeordnet ist, ohne dass sich solch ein großes Totvolumen ergibt. Die Gase in dem Zylinder strömen einfach über den warmen Wärmetauscher, anders als bei Konfigurationen nach dem Stand der Technik, wo der warme Wärmetauscher in einem ringförmigen Volumen außerhalb des Zylinders angeordnet ist.
-
Ein Vorteil der offenbarten Konfiguration besteht darin, dass der warme Wärmetauscher einfacher hergestellt werden kann als ein Wärmetauscher, welcher in einem ringförmigen Volumen angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen, bei welchen Rekuperatoren in den Durchlässen angeordnet sind, besteht darin, dass die Rekuperatoren einfacher in einer kreisförmigen oder in einer anderen einfachen Querschnittsform ausgebildet werden können als in einem Ring. Ein weiterer Vorteil bei einigen Alternativen ist eine Reduktion des Totvolumens, indem Durchlässe zu dem und von dem warmen Wärmetauscher vermieden werden.
-
Die Vuilleumier-Wärmepumpe 5 in 1 weist vier Wärmetauscher auf: einen heißen Wärmetauscher 6, einen warm-heißen Wärmetauscher 7, einen warm-kalten Wärmetauscher 8 und einen kalten Wärmetauscher 9. Wenn sich der heiße Verdrängungskörper 1 nach unten bewegt und der kalte Verdrängungskörper 2 im Wesentlichen ortsfest ist (sich langsamst bewegend im Bereich seiner Umkehrung in seiner unteren Position), oder sich minimal bewegt, werden Gase zwischen den Verdrängungskörpern 1 und 2 durch den warm-heißen Wärmetauscher 7 in eine heiße Kammer gedrückt (das Volumen in dem Zylinder oberhalb des heißen Verdrängungskörpers 1). Wenn der kalte Verdrängungskörper 2 sich nach oben bewegt und der heiße Verdrängungskörper 1 im Wesentlichen ortsfest ist (sich langsamst bewegend im Bereich seiner Umkehrung in seiner oberen Position), werden Gase zwischen den Verdrängungskörpern 1 und 2 durch den warm-kalten Wärmetauscher 8 durch einen Regenerator und eine kalte Kammer gedrückt (Volumen im Zylinder unterhalb des kalten Verdrängungskörpers 2). Es gibt Zeiten in dem Zyklus, in welchen Gase von dem warm-heißen Wärmetauscher 8 in den Raum zwischen den Verdrängungskörpern gezogen werden und in anderen Zeiten von dem warm-kalten Wärmetauscher 8. Dies bedeutet Ineffizienzen, welche darin bestehen, dass mehr Totvolumen vorhanden ist, als wenn ein einzelner Wärmetauscher verwendet werden könnte, alleine schon die Tatsache, dass es zwei Wärmetauscher gibt sowie die Kosten und Komplikationen und das zusätzliche Verrohren der zwei Wärmetauscher. Andere Vorteile gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung umfassen: einen einzelnen warmen Wärmetauscher und das Fehlen einer Verrohrung von dem Raum zwischen den Verdrängungskörpern zu dem warmen Wärmetauscher. Anstelle dessen strömen die Gase direkt von einer Seite des einzelnen warmen Wärmetauschers.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Darstellung einer Vuilleumier-Wärmepumpe nach dem Stand der Technik, bei welcher die Verdrängungskörper kurbelgetrieben sind;
-
2 ist eine Darstellung der Verdrängungskörperbewegung der kurbelgetriebenen Verdrängungskörper aus 1;
-
3 ist eine Wärmepumpe mit mechatronisch betätigten Verdrängungskörpern;
-
4 und 16 sind Darstellungen einer Wärmepumpe gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
-
5 bis 15 sind Darstellungen der Wärmepumpe aus 4 in einer Reihe von Verdrängungskörperpositionen;
-
17 und 18 sind Draufsichten auf Ausführungsbeispiele eines warmen Wärmetauschers; und
-
19 ist eine Darstellung einer Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Wie der Fachmann verstehen wird, können zahlreiche Merkmale der Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren dargestellt und unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren beschrieben sind mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, kombiniert werden, um auf diese Weise zu alternativen Ausführungsbeispielen zu gelangen, welche nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen dar. Zahlreiche Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, welche mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung konsistent sind, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementationen gewünscht sein. Der Fachmann kann ähnliche Anwendungen oder Implementationen erkennen, unabhängig davon, ob diese explizit beschrieben oder dargestellt sind.
-
In 3 ist eine thermisch betriebene Wärmepumpe 300 dargestellt, welche ein Gehäuse 302 mit einer heißen Kappe 304 an jedem Ende aufweist. Innerhalb des Gehäuses 302 ist ein Zylinder 306 ausgebildet. In dem ringförmigen Raum zwischen dem Gehäuse 302 und dem Zylinder 306 sind ein heißer Regenerator 332, ein warmer Wärmetauscher 334, ein kalter Regenerator 336 und ein kalter Wärmetauscher 338 angeordnet. Ein heißer Verdrängungskörper 312 und ein kalter Verdrängungskörper 314 sind innerhalb des Zylinders 306 angeordnet und begrenzen eine heiße Kammer 320, eine warme Kammer 322 und eine kalte Kammer 326. Eine Stange 318 ist an die kalte Kappe 302 gekoppelt. Die Verdrängungskörper 312 und 314 bewegen sich innerhalb des Zylinders 306 kontrolliert durch ein elektronisches Steuergerät (ECU) 340 hin und her. Die Verdrängungskörper 312 und 314 weisen nicht dargestellte Federn auf, die bewirken, dass sie jeweils zwischen oberen und unteren Positionen oszillieren. Ebenfalls nicht dargestellt sind die Elektromagnete und die ferromagnetischen Platten, welche mit den Verdrängungskörpern 312 und 314 assoziiert sind. Das elektronische Steuergerät 340 liefert ein Signal an die Elektromagnete, um die ferromagnetischen Platten anzuziehen und die Verdrängungskörper in einer ihrer äußeren Positionen festzuhalten. Der Elektromagnet kann seinen zugeordneten Verdrängungskörper solange halten, bis das elektronische Steuergerät 340 dem Elektromagneten den Befehl zur Entmagnetisierung gibt und es so dem Verdrängungskörper ermöglicht, sich unter Federkontrolle in seine andere extreme Position zu bewegen. Weitere Einzelheiten zur mechatronischen Kontrolle der Verdrängungskörper kann in der PCT/US13/36101, angemeldet am 11. April 2013, gefunden werden.
-
Weiterhin bezogen auf 3, liefert eine nicht dargestellte Energiequelle Energie an ein Arbeitsmedium innerhalb des Gehäuses 302 über einen heißen Wärmetauscher 330. Wenn sich der heiße Verdrängungskörper 312 nach oben bewegt, strömen Gase aus der heißen Kammer 320 in den heißen Wärmetauscher 330, in den heißen Regenerator 332, in den warmen Wärmetauscher 334, durch Öffnungen 344 in dem Zylinder 306 in die warme Kammer 322, und in umgekehrter Reihenfolge bei einer Abwärtsbewegung des heißen Verdrängungskörpers 312. Bei einer Bewegung des kalten Verdrängungskörpers 314 nach unten bewegt sich das Arbeitsmedium in der kalten Kammer 326 durch Öffnungen 342 in dem Zylinder 306 in den kalten Wärmetauscher 338, in den kalten Regenerator 336, in den heißen Wärmetauscher 334, in die warme Kammer 322 über Öffnungen 344 in dem Zylinder 306 und in umgekehrter Reihenfolge bei Bewegung des kalten Verdrängungskörpers 314 nach oben. Die Wärmetauscher 334 und 338 weisen zwei Medien auf, welche Energie austauschen: das Arbeitsmedium und ein zweites Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert die Wärmepumpe Wärme für den Hausgebrauch und das zweite Medium ist Wasser, welches innerhalb des warmen Wärmetauschers 334 erwärmt wird. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel wird einem Medium Energie entzogen, wenn es dem kalten Wärmetauscher 338 zugeführt wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird dem kalten Wärmetauscher 338 zu Kühlzwecken ein zweites Medium zugeführt. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel wird Energie verbraucht mittels eines anderen Mediums, welches dem warmen Wärmetauscher 334 zugeführt wird. Vorkehrungen für Einlässe und Auslässe für ein anderes Medium als das Arbeitsmedium zu den Wärmetauschern 330, 334 und 338 sind in 3 nicht dargestellt.
-
Ein Beispiel der Bewegung der Verdrängungskörper aus 3 ist in 4 dargestellt. Die Kurve 240 ist eine Darstellung der Bewegung der unteren Kante des heißen Verdrängungskörpers (312 in 3) und die Linie 242 zeigt die Bewegung der oberen Kante des kalten Verdrängungskörpers (314 in 3). Zu einem Zeitpunkt 0 sind die Verdrängungskörper einander nahe. Zum Zeitpunkt 0 wird der Elektromagnet, welcher den heißen Verdrängungskörper hält, entmagnetisiert, um es dem heißen Verdrängungskörper zu ermöglichen, sich in seine obere Position zu bewegen. Die Bewegung ist näherungsweise sinusförmig. Zu einem Zeitpunkt a ist der obere Elektromagnet eingeschaltet, um den heißen Verdrängungskörper zu fassen und festzuhalten. Von dem Zeitpunkt 0 bis zu dem Zeitpunkt a bleibt der kalte Verdrängungskörper ortsfest in seiner oberen Position. Zum Zeitpunkt a wird der Elektromagnet, welcher den kalten Verdrängungskörper festhält, entmagnetisiert, um es dem kalten Verdrängungskörper zu ermöglichen, sich nach unten zu bewegen. Zu einem Zeitpunkt 2a hält der mit dem kalten Verdrängungskörper assoziierte Elektromagnet den kalten Verdrängungskörper fest. Die Elektromagnete werden magnetisiert und entmagnetisiert, um einen Zyklus von einem Zeitpunkt 0 bis zu einem Zeitpunkt 4a und darüber hinaus zu vervollständigen. Die Verweilzeiten der heißen und kalten Verdrängungskörper können verlängert werden, um den Zyklus derart abzuändern, dass eine Forderung nach Erwärmung oder Kühlung erfüllt werden kann.
-
In 5 ist ein Innenraum einer Wärmepumpe 10 dargestellt mit einem heißen Verdrängungskörper 12, welcher sich innerhalb eines heißen Zylinderbereichs 16 hin- und herbewegt und einem kalten Verdrängungskörper 14, welcher sich innerhalb eines kalten Zylinderbereichs 17 hin- und herbewegt. Die elektronischen Kontrollen zur Steuerung der nicht dargestellten Elektromagnete werden durch die Stange 18 bereitgestellt. Die Stange 18 erstreckt sich von der kalten Kappe 38 entlang einer Mittelachse 31 auf die heiße Kappe 28 zu. Eine heiße Kammer 60 ist oberhalb des heißen Verdrängungskörpers 12 angeordnet und eine heiß-warme Kammer 62 ist unterhalb des heißen Verdrängungskörpers 12 angeordnet. Eine kalte Kammer 66 ist unterhalb des kalten Verdrängungskörpers 14 und eine kalt-warme Kammer 64 ist oberhalb des kalten Verdrängungskörpers 14 angeordnet. Ein heißer Wärmetauscher 20 ist benachbart einer heißen Kappe 28 der Wärmepumpe 10 angeordnet. Der heiße Wärmetauscher 20 kann bei einigen Ausführungsbeispielen mit einem Brenner in Kontakt stehen. In anderen Ausführungsbeispielen wird eine andere Energiequelle, zum Beispiel ein Solarkollektor, verwendet. Ein warmer Wärmetauscher 40 ist innerhalb eines warmen Wärmetauscher-Zylinderbereichs 15 angeordnet, welcher zwischen dem heißen Zylinderbereich 16 und dem kalten Zylinderbereich 17 angeordnet ist. Der warme Wärmetauscher 40 weist im Wesentlichen eine Scheibenform auf, allerdings mit einer Öffnung im Zentrum für die Aufnahme der Stange 18. Ein Medium strömt innerhalb der Röhren des warmen Wärmetauschers 40 mit einem Einlass 42 und einem Auslass 44. Bei Bewegung der Verdrängungskörper 12 und 14 strömt das Arbeitsmedium innerhalb der Wärmepumpe 10 durch den warmen Wärmetauscher 40. Energie wird ausgetauscht mit einem Medium, welches dem warmen Wärmetauscher durch den Einlass 42 zugeführt wird. Ein kalter Wärmetauscher 30 ist benachbart einer kalten Kappe 38 der Wärmepumpe 10 angeordnet. Ein Medium strömt innerhalb der Röhren des kalten Wärmetauschers 30 mit einem Einlass 32 und einem Auslass 34. Das Arbeitsmedium strömt auf der Außenseite der Röhren des kalten Wärmetauschers 30, wobei die Gase von der kalten Kammer 66 zu dem Durchlass 36, in einen kalten Verdrängungskörper 54, in einen Durchlass 56 strömen und in die heiß-warme Kammer 62 austreten, wenn sich der Verdrängungskörper 14 nach unten bewegt, und in umgekehrter Reihenfolge, wenn sich der Verdrängungskörper 14 nach oben bewegt. Ein heißer Regenerator 50 ist außerhalb des Zylinders 16 in den Durchlässen 26 und 52 angeordnet. Wenn sich der heiße Verdrängungskörper 12 nach oben bewegt, strömt Gas in der heißen Kammer 60 auf die Außenfläche des Wärmetauschers 20, in den Durchlass 26, durch den heißen Regenerator 50, durch den Durchlass 52 und tritt in den unteren Wärmetauscher 64 aus.
-
In dem Ausführungsbeispiel der 5 haben die Zylinder 15, 16 und 17 die gleiche Größe. Alternativ kann einer der Zylinder 16 und 17 einen größeren Durchmesser aufweisen als der andere Zylinder.
-
Die Bewegung der Verdrängungskörper aus 5 ist in 6 dargestellt. Die Bewegung des heißen Verdrängungskörpers 12 ist durch die Kurve 244 dargestellt und die Bewegung des kalten Verdrängungskörpers ist durch die Kurve 246 dargestellt. Die Bewegung der Verdrängungskörper, Kurven 240 und 242, ist die gleiche wie die in 4 dargestellte Bewegung der Verdrängungskörper, Kurven 244 und 246, mit dem Unterschied, dass die beiden in 5 dargestellten durch die Höhe eines warmen Wärmetauschers 250 voneinander getrennt sind.
-
In den 7 bis 15 ist ein Zyklus in der Wärmepumpe 10 dargestellt. Beginnend in 7 ist der heiße Verdrängungskörper 12 in seiner unteren Position und der kalte Verdrängungskörper 14 in seiner oberen Position.
-
In 8 bewegt sich der heiße Verdrängungskörper 12 aufwärts, wie durch den Pfeil 98 dargestellt. Die Bewegung des heißen Verdrängungskörpers 12 bewirkt, dass Gas 102 in der heißen Kammer 60 durch den Wärmetauscher 20 in einen Durchlass 26 strömt, wie durch den Pfeil 104 gezeigt, durch den heißen Regenerator 50 in den Durchlass 52 strömt, wie gezeigt durch den Pfeil 106, und durch den warmen Tauscher 40 in die heiß-warme Kammer 62 strömt, wie durch den Pfeil 108 gezeigt.
-
In 9 hat der heiße Verdrängungskörper 12 seine obere Position erreicht und der kalte Verdrängungskörper 14 ist immer noch in seiner oberen Position.
-
In 10 bewegt sich der kalte Verdrängungskörper 14 nach unten, wie durch den Pfeil 120 angedeutet. Gas wird aus der kalten Kammer 66 herausgedrückt, wie durch den Pfeil 122 angezeigt, in den kalten Wärmetauscher 30, in den Durchlass 36, wie angezeigt durch den Pfeil 124, in den kalten Regenerator 54, in den Durchlass 56, wie angezeigt durch den Pfeil 126, in die heiß-warme Kammer 62, durch den warmen Wärmetauscher 40, wie durch den Pfeil 128 dargestellt, und schließlich in die kalt-warme Kammer 64.
-
In 11 hat der kalte Verdrängungskörper seine untere Position erreicht und der heiße Verdrängungskörper 12 ist immer noch in seiner oberen Position.
-
In 12 bewegt sich der kalte Verdrängungskörper 12 abwärts, wie durch den Pfeil 140 angedeutet. Gas wird aus der heiß-warmen Kammer 62 durch den warmen Wärmetauscher 40 gedrückt, wie durch den Pfeil 142 angedeutet, in den Durchlass 52, wie durch den Pfeil 144 angedeutet, in den kalten Regenerator 50, in den Durchlass 26, wie durch den Pfeil 146 angedeutet, in den heißen Wärmetauscher 20 und in die heiße Kammer 60, wie durch den Pfeil 148 angedeutet. In 13 erreicht der heiße Verdrängungskörper 14 seine untere Position und der kalte Verdrängungskörper 12 bleibt in seiner oberen Position.
-
In 14 bewegt sich der kalte Verdrängungskörper 14 aufwärts, wie durch den Pfeil 160 angedeutet. Gas aus der oberen warmen Kammer 64 wird durch den warmen Wärmetauscher 40 gezwungen, wie durch den Pfeil 162 angezeigt, in den Durchlass 56, wie angezeigt durch den Pfeil 164, in den kalten Regenerator 54, in den Durchlass 36, wie angezeigt durch den Pfeil 166, durch den kalten Wärmetauscher 30, in die kalte Kammer 66, wie angezeigt durch Pfeil 168.
-
In 15 hat der kalte Verdrängungskörper 14 seine obere Position erreicht, während der heiße Verdrängungskörper in seiner unteren Position verbleibt. Der Zyklus ist abgeschlossen, da die Position der Verdrängungskörper in 15 die gleiche ist wie die Startposition, dargestellt in 5.
-
Die Beschreibung der Gasbewegung impliziert, dass die Gase einen kompletten Zyklus durchlaufen. Zwar bewegen sich die Gase auf dem beschriebenen Weg, aber Gase, die auf einer Seite des Verdrängungskörpers starten, legen nicht den kompletten Weg zur anderen Seite des Verdrängungskörpers zurück, sondern bewegen sich anstelle dessen nur durch einen Teil der Schleife.
-
Eine alternative Konfiguration einer Wärmepumpe 100 ist in 16 dargestellt, bei welcher Regeneratoren integral mit dem Gehäuse ausgebildet sind. Die Konfiguration in 16 zeigt einen heißen Regenerator 70, welcher ringförmig außerhalb des Zylinders 16 angeordnet ist, und einen kalten Regenerator 74, welcher ringförmig außerhalb des Zylinders 17 angeordnet ist. In der Wärmepumpe 100 ist darüber hinaus ein Röhren-und-Hüllen-Wärmetauscher 90 dargestellt. Ein Einlass 92 ermöglicht es beispielsweise einer Flüssigkeit, durch die Hülle des Wärmetauschers 90 zu strömen. Das Medium tritt bei 94 aus. Das Arbeitsmedium innerhalb der Wärmepumpe 100 strömt innerhalb der Röhren des Wärmetauschers 90. In 16 ist ein kalter Wärmetauscher 31 ringförmig um den Zylinder 17 angeordnet. Der kalte Wärmetauscher 31 ist an den kalten Regenerator 74 und die kalte Kammer 66 flüssigkeitsgekoppelt. Das andere Medium, welches dem kalten Wärmetauscher 31 zugeführt wird, weist einen Einlass 33 und einen Auslass 35 auf.
-
In den 17 und 18 ist eine Sicht in die Zylinder der beiden zuvor beschriebenen warmen Wärmetauscher-Alternativen dargestellt. In 17 ist ein spiralförmiger Wärmetauscher 150, ähnlich demjenigen aus den 4 bis 15, innerhalb eines Zylinderbereichs 158 gezeigt. Aufgrund der Umkehrung im Zentrum der Spirale befinden sich sowohl ein Einlass 152 als auch ein Auslass 154 an der Peripherie der Spirale. Es ist eine Öffnung 156 durch den spiralförmigen Wärmetauscher 150 vorgesehen, um eine Stange aufzunehmen, welche elektrische Leiter trägt (Element 18 in 4).
-
Ein Röhren-und-Hüllen-Wärmetauscher 160, ähnlich dem in 16 dargestellten, ist in 18 gezeigt. Der Wärmetauscher 160 ist innerhalb eines Zylinders 168 enthalten. Es ist eine Öffnung 166 durch den spiralförmigen Wärmetauscher 150 vorgesehen, um die Stange aufzunehmen.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe 200 in 19 sind die Regeneratoren 250 und 254 entlang einer Wand 220 des Zylinders angeordnet, in welchem die Verdrängungskörper 12 und 14 sich hin- und herbewegen. Ein Wärmetauscher 240 ist zwischen den Verdrängungskörpern 12 und 14 angeordnet. Eine Öffnung durch die Zylinderwand 220 schafft eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem heißen Regenerator 250 und der Kammer 62, jedoch auf der unteren Seite des Wärmetauschers 240. Hinsichtlich des kalten Regenerators 254 gibt es eine Öffnung in der Zylinderwand 220, durch welche eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem kalten Regenerator 254 und der Kammer 62 geschaffen wird, auf der oberen Seite des Wärmetauschers 240. Wasser oder ein anderes zu erwärmendes Medium wird dem Wärmetauscher 240 durch einen Einlass 192 zugeführt, welcher durch den heißen Regenerator 250 hindurchgeht, und tritt durch einen Auslass 194 aus, welcher durch den kalten Regenerator 254 hindurchgeht. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der untere Bereich des Raumes für den heißen Regenerator 250 und der obere Bereich des Raumes für den kalten Regenerator 254 eine Erweiterung des Wärmetauschers 240. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel befindet sich ein Teil des Wärmetauschers 240 innerhalb der Zylinderwand 220 und ein Teil des Wärmetauschers 240 außerhalb der Zylinderwand 220.
-
Während der beste Modus im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird der Fachmann zahlreiche alternative Ausgestaltungen und Ausführungen innerhalb des Schutzbereiches der folgenden Ansprüche erkennen. Während zahlreiche Ausführungsbeispiele möglicherweise als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsbeispielen im Hinblick auf ein oder mehrere gewünschte Merkmale beschrieben wurden, wird sich der Fachmann bewusst sein, dass ein oder mehrere Merkmale abgeändert werden können, um gewünschte Systemeigenschaften zu erreichen, welche von der speziellen Anwendung und Implementation abhängen. Diese Eigenschaften umfassen nicht abschließend: Kosten, Beanspruchbarkeit, Haltbarkeit, Gesamtkosten, Marktfähigkeit, Aufmachung, Verpackung, Größe, Funktionstüchtigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit, etc. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gegenüber anderen Ausführungsbeispielen oder Implementationen aus dem Stand der Technik als weniger vorteilhaft beschrieben werden, sind nicht außerhalb des Schutzbereiches der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.