DE19838884A1 - Regenerator sowie Verfahren zur Herstellung eines Regenerators - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Regenerator (62, 64) für eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine, mit einem Gehäuse (74, 74') und einer darin angeordneten Speichermatrix (72). Es wird vorgeschlagen, daß zur Vermeidung von Freiräumen im Randbereich der Speichermatrix (72) Füllstoffe (74, 74') eingebracht werden. Damit werden in vorteilhafter Weise Leckströme eines Arbeitsfluids, das die Speichermatrix (72) durchströmt, verhindert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Regenerator sowie von einem Verfahren zur Herstellung eines Regenerators nach der Gattung der Hauptansprüche. In der US-PS 5 469 709 wird ein Regenerator für eine Vuilleumier-Wärmepumpe beschrieben, bei dem durch spezielle Maßnahmen an der Gehäuseinnenwand Leckströme zwischen der Gehäuseinnenwand und dem Randbereich der Regeneratormatrix verhindert werden sollen. Dabei wird bei einer ersten Ausführungsform vorgeschlagen, die Speichermatrix durch Ringelemente zu begrenzen, die durch in der Gehäuseinnenwand eingebrachte Nuten gehalten sind. In einer zweiten Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Gehäuseinnenwand des Regenerators wellenförmig auszugestalten.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Regenerator sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Regenerators haben den Vorteil, daß Freiräume, die beispielsweise fertigungsbedingt sind, zwischen dem Gehäuse des Regenerators und der Regeneratormatrix bzw. in den Randbereichen der Regeneratormatrix sicher, auf einfache Art und Weise und damit kostengünstig vermieden werden. Damit werden in diesen Bereichen auftretende Leck- und Bypassströme des den Regenerator durchströmenden Arbeitsmediums unterbunden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Regenerators sowie des Herstellungsverfahrens für einen Regenerator nach den Hauptansprüchen möglich.

Als Füllstoffe, die im Randbereich der Speichermatrix eingebracht werden, bieten sich in vorteilhafter Weise Kunststoffe, wie zum Beispiel Silikone oder Harze an. Alternativ zu diesen Materialien können auch Metalle als Füllstoffe verwendet werden.

Ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Regenerators ergibt sich, wenn der Füllstoff bzw. die Füllstoffschicht mechanisch belastbar ist und somit gleichzeitig die Gehäusewand des Regenerators bildet.

Die erfindungsgemäße Herstellung des Regenerators erfolgt dadurch, daß auf den Randbereich der Speichermatrix ein Füllstoffin flüssiger oder viskoser Form aufgetragen wird, der in den Randbereich der Speichermatrix eindringt und dort aushärtet.

Bei der Verwendung eines metallischen Füllstoffes kann dieser beispielsweise im Plasmaspritzverfahren auf die Speichermatrix aufgetragen werden.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung des Gesamtaufbaus einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Vuilleumier-Wärmepumpe, Fig. 2 eine Teildarstellung eines Regenerators, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, Fig. 3 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Regenerators nach einem ersten Ausführungsbeispiel und Fig. 4 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Regenerators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist der Gesamtaufbau einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Vuilleumier- Wärmepumpe dargestellt. Die Wärmepumpe weist ein zylinderförmiges und druckdichtes Gehäuse 10 auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel dreiteilig aufgebaut ist. Oberhalb eines mittleren Gehäuseteils 12 ist ein Gehäuseteil 14, im folgenden als Erhitzerkopf bezeichnet, angeordnet, das mit Hilfe von Befestigungselementen 16 am mittleren Gehäuseteil 12 angeflanscht ist, während am unteren Ende des mittleren Gehäuseteils 12 mit Hilfe von Befestigungselementen 18 und einer Zwischenplatte 20 ein unteres Gehäuseteil 22 befestigt ist. Der Erhitzerkopf 14 ist von einem Gehäusedeckel 24 umgeben, in dem als wesentliches Element ein Wärmeerzeuger in Form eines Gasbrenners 26 angeordnet ist. Der Gasbrenner 26 weist eine Mischkammer 28 auf, in die einerseits ein Zufuhrrohr 30 für das Brenngas und andererseits eine Verbrennungsluftleitung 32 einmündet. Der Gasbrenner 26 weist weiterhin zwei gewölbte Leitbleche 34, 36 für das Brenngas-Luftgemisch sowie eine als Reaktionsoberfläche wirkende Brennerfläche 38 auf, durch die die Mischkammer 28 begrenzt wird und an der mit Hilfe einer Zündeinrichtung 40 das Brenngas-Luftgemisch entzündet wird. Die als Reaktionsoberfläche wirkende Brennerfläche 38 besteht aus einem Edelstahlgewebe, das beim Betrieb des Gasbrenners 26 glüht, so daß ein Großteil der erzeugten Wärme durch Strahlung abgegeben wird. In Strömungsrichtung der Verbrennungsgase gesehen ist hinter der Brenneroberfläche 38 ein halbkugelförmig ausgebildetes Leitblech 42 angeordnet, das in seiner Mitte eine Öffnung 44 aufweist, so daß die Verbrennungsgase über die Öffnung 44 an der ebenfalls halbkugelförmig ausgebildeten Trennwand des Erhitzerkopfs 14 entlangströmen können, bevor sie abgekühlt über ein Abgasrohr 46, den Gasbrenner 26 verlassen.

In dem vom mittleren und oberen Gehäuseteil 12, 14 gebildeten Zylinderraum sind zwei hintereinander angeordnete Kolben 48, 50 vorgesehen, wobei zwischen dem Kolben 48 und der Trennwand des Erhitzerkopfes 14 ein oberer Arbeitsraum 52, zwischen dem Kolben 48 und dem Kolben 50 ein mittlerer Arbeitsraum 54 und unterhalb des Kolbens 50 ein unterer Arbeitsraum 56 gebildet wird.

Der Kolben 48 ist an einer Kolbenstange 58 befestigt, während der Kolben 50 an einer koaxial zur Kolbenstange 58 geführten Kolbenstange 60 befestigt ist. Beide Kolbenstangen 58, 60 führen in das untere druckdichte Gehäuseteil 22, in dem ein nicht dargestelltes Getriebe angeordnet ist, das auf bekannte Art und Weise die Bewegung der beiden Kolbenstangen 58, 60 und damit die lineare Auf- und Abbewegung der Kolben 48, 50 steuert. Konzentrisch um die Kolben 48, 50 sind Regeneratoren 62, 64 angeordnet, die während des Gaskreisprozesses die Aufgabe haben, die innere Energie des in den Arbeitsräumen 52, 54, 56 befindlichen Arbeitsgases zwischenzuspeichern. Die Regeneratoren 62, 64 stehen mit den Arbeitsräumen 52, 54, 56 in Verbindung, so daß durch die Bewegung der Kolben 48, 50 das Arbeitsgas zwischen den Arbeitsräumen 52, 54, 56 periodisch verschoben wird. Das im Arbeitsraum 52 befindlichen Arbeits- bzw. Prozeßgas wird über die thermische Antriebsquelle des Gasbrenners 26 erhitzt. Bei der aufwärts gerichteten Bewegung des Kolbens 48 wird das im Arbeitsraum 52 befindliche heiße Prozeßgas über den Regenerator 62, der einen Teil der Prozeßwärme speichert, in den mittleren Arbeitsraum 54 verschoben. Der sich in Bezug auf das Temperaturniveau des Arbeitsgases im kalten Teil des druckdichten Gehäuses 10 befindliche Regenerator 64 übt die entsprechende Funktion auf einem niedrigeren Temperaturniveau aus: Ein Teil der Wärmeenergie des im Arbeitsraum 54 befindlichen Prozeßgases wird durch den Regenerator 64 gespeichert, wenn das Prozeßgas durch die aufwärts gerichtete Bewegung des Kolbens 50 vom mittleren Arbeitsraum 54 in den unteren Arbeitsraum 56 verschoben wird. Zwischen dem heißen Regenerator 62 und dem kalten Regenerator 64 ist ein erster Wärmeübertrager 66 angeordnet, der über ein entsprechendes Wärmeträgermedium einen Teil der zwischen den Arbeitsräumen 52 und 54 transportierten Prozeßwärme aufnehmen kann. Ein unterhalb des kalten Regenerators 64 angeordneter zweiter Wärmeübertrager 68 wird vom Arbeitsgas auf dem Weg vom Arbeitsraum 54 über den kalten Regenerator 64 zum kalten Arbeitsraum 56 mit Prozeßwärme beaufschlagt. Dieser kalte Wärmeübertrager 68 versorgt das im Arbeitsraum 56 befindliche Arbeitsgas auf der kalten Seite in den Expansionsphasen mit der für den Wärmepumpenprozeß charakteristischen Sekundärwärme. Die vollständige Beschreibung des Vuilleumier-Gaskreisprozesses ist für den im folgenden näher beschriebenen Aufbau der Regeneratoren nicht erforderlich.

Die Regeneratoren 62, 64 bestehen im wesentlichen, wie aus dem Stand der Technik (siehe Fig. 2) bekannt ist, aus einem Gehäuse 70, in dem eine poröse Speichermatrix 72 angeordnet ist. Die poröse Speichermatrix wird im allgemeinen durch metallische Gestrickpackungen oder Vliese gebildet; ebenso sind Drahtgeflechte, Granulat- oder Kugelschüttungen sowie ähnliche Strukturen und Materialien denkbar. Um einen effektiven Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und der Speichermatrix 72 und damit eine möglichst hohe Leistungsziffer bzw. einen möglichst hohen Wirkungsgrad einer nach dem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine zu erreichen, muß die Speichermatrix 72 möglichst vollständig und gleichmäßig vom Arbeitsgas durchströmt werden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, bilden sich zwischen dem Gehäuse 70 und der Speichermatrix 72 bzw. in den Randbereichen der Speichermatrix Freiräume bzw. Inhomogenitäten aus, die Leckströme des Arbeitsgases verursachen. Aus diesem Grund wird, wie in Fig. 3 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, zwischen dem Gehäuse 70 und der Speichermatrix 72 bzw. im Randbereich der Speichermatrix 72 ein in flüssiger oder viskoser Form vorliegender Füllstoff 74 eingebracht, der nach seinem Aushärten die in Fig. 2 mit Pfeilen symbolisch dargestellten Leck- und Bypassströme in Längsrichtung der Speichermatrix 72 sicher verhindert. Dabei wird der Füllstoff so gewählt, daß er aufgrund von Kapillarwirkung oder Benetzung nur im Randbereich von der Speichermatrix 72 absorbiert wird. Als Füllstoffe 74 sind unter Berücksichtigung der jeweiligen Einsatztemperatur des Regenerators (Stichwort kalter Regenerator 64, heißer Regenerator 62) grundsätzlich Kunststoffe, wie zum Beispiel Silikone oder Harze möglich, ebenso ist der Einsatz von Metallen denkbar, die beispielsweise durch plasmaspritzen auf den Randbereich der Speichermatrix 72 aufgetragen werden.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem der Füllstoff 74' gleichzeitig die Gehäusewand des Regenerators bildet, wodurch auf ein zusätzliches Regeneratorgehäuse verzichtet werden kann.

Der Einsatz der vorgeschlagenen Regeneratoren ist nicht auf die Anwendung der in Fig. 1 dargestellten Vuilleumier- Wärmepumpe eingeschränkt, sondern auch für andere regenerative Gaskreisprozesse, wie z. B. dem Stirling- oder Ericson-Prozeß verwendbar.

Claims (6)

1. Regenerator für eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine, mit einem Gehäuse und einer darin angeordneten Speichermatrix, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Freiräumen im Randbereich der Speichermatrix (72) bzw. zwischen Speichermatrix (72) und Gehäuse (70) Füllstoffe (74, 74') eingebracht sind, so daß Leck- und Bypassströme des durch den Regenerator strömenden Arbeitsmediums an der Speichermatrix (72) vorbei verhindert werden.

2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoffe (74, 74') Kunststoffe, wie z. B. Silikone oder Harze verwendet werden.

3. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (74, 74') aus einem Metall bzw. Metallegierung besteht.

4. Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (74') bzw. die Füllstoffschicht mechanisch belastbar ist und gleichzeitig die Gehäusewand des Regenerators bildet.

5. Verfahren zur Herstellung eines Regenerators für eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine, bei dem innerhalb eines Gehäuses eine Speichermatrix angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich der Speichermatrix (72) Füllstoffe in flüssiger oder viskoser Form aufgetragen werden, die in den Randbereich der Speichermatrix (72) eindringen und dort aushärten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Füllstoff (74, 74') durch Plasmaspritzen auf die Speichermatrix (72) aufgetragen wird.