DE19939143A1

DE19939143A1 - Solarmotorisch betriebene Klimaanlage

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Publication number: DE19939143A1
Application number: DE19939143A
Authority: DE
Inventors: Ernst J Daffner
Original assignee: F & E Ingenieurgmbh fur Energ
Current assignee: F & E Ingenieurgmbh fur Energ
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2001-02-22

Abstract

Verfahren zur Klimatisierung von Räumen. DOLLAR A Die Anlage weist folgende Komponenten auf: Dampfkessel (1), Dampfmotor (2), Kondensator (5), Kompressor (13); Pumpe (7), Entspannungsventile (17; 18), Wärmetauscher (16; 5). Kompressor (13) und Pumpe (7) werden durch einen Kolbenmotor (2), vorzugsweise Freikolbenmaschine bzw. Flügelzellenmotor, direkt angetrieben. Der Kolbenmotor (2) bezieht seine Antriebsenergie aus dem Verdampfer (1) welcher seine Verdampfungsenergie vorzugsweise von der Sonne bezieht (Sonnenkollektor). Die Anlage kann ohne Fremdenergie (elektrische Energie) betrieben werden. Zum heizen wird ein Teil des Dampfes aus dem Dampfkessel im Kompressor auf ein höheres Energieniveau gebracht und durch den hausseitigen Wärmetauscher geleitet. Dort gibt der Dampf seine Energie in Form von Wärme an den Heizungswärmetauscher ab und kondensiert dann in Drossel (17). Zum Kühlen wird das dampfförmige Arbeitsmittel durch den Außenwärmetauscher geleitet und abgekühlt, bis es kondensiert. Das unter Druck stehende Arbeitsmedium wird im Entspannungsventil (18) entspannt und gibt seine Kühlleistung an den Heizungswärmetauscher ab.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine solarbetriebene Klimaanlage zur Klimatisieren von Räumen. Der Kreisprozeß für Arbeits- und Kraftkreislauf ist ein Dampfprozeß und findet in einem geschlossenen Kreislauf statt, d. h. Antriebs- und Arbeitskreislauf sind teilweise zu einem Kreislauf zusammengefaßt (siehe Abbildung Nr. 1a-2c).

Es sind Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Wärme und Kälte bekannt, welche das Arbeitsmittel verdampfen, anschließend in einem Verdichter verdichten, danach in einem Kondensator verflüssigen und das verflüssigte Arbeitsmittel wieder in den Verdampfer zurückfördern (z. B. PATENTSCHRIFT DE 195 33 755 C2 oder DE 41 29 772 A1). Zum Beheizen eines Raumes sind diese Vorrichtungen gemeinhin als Wärmepumpen bekannt.

Zum Antrieb des Kompressors ist seither Fremdenergie notwendig. Diese wird meist in Form von elektrischer Energie zugeführt (Elektromotoren). Ebenso wird die Pumpe, welche das flüssige Arbeitsmedium aus dem Kondensator wieder auf den höheren Druck im Verdampfer pumpt, üblicherweise mit Elektromotoren angetrieben. Ein autarker Betrieb der Anlage mit Elektromotoren ist nicht bzw. nur über den Umweg durch den Einsatz von teueren Solarzellen möglich.

Desweiteren benötigen die bekannten Klimaanlagen eine Vielzahl von Sensoren für die Regelung und Steuerung der Anlage, welche alle elektrische Energie für den Betrieb benötigen. Stand der Technik ist auch ein Freikolbenmotor, welcher den Kolben auf einer Seite als Motorkolben und auf der anderen Seite als Arbeitsmaschine (hier Kompressor) nutzt. Auch sind Freikolbenmaschinen mit selbsttätiger Motorventilsteuerung (z. B. Patentanmeldg. 199 38 543.2 v. 18.9.99) bekannt. Ebenso Stand der Technik sind Flügelzellenmaschinen, welche als Arbeitsmaschinen (Pumpen) oder auch als Kraftmaschinen (Motoren) eingesetzt werden.

Die notwendigen Regelungseinrichtungen werden alle druckgesteuert betrieben. Elektronische Überwachungseinrichtungen sind nur als zusätzliche Sicherheit vorgesehen, beziehungsweise um den Betrieb und die Suche nach Störungen zu vereinfachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage zu schaffen, welche ausschließlich mit Thermalenergie, vorzugsweise mit Sonnenenergie betrieben werden kann und diese sowohl zum Heizen wie auch zum Kühlen einsetzbar ist. Im Prinzip kann zum Betrieb der Klimaanlage jede Wärmequelle eingesetzt werden. Zusätzlich ist aber auch die Möglichkeit gegeben die benötigte Wärmeenergie durch einen Heizkessel in die Anlage einzuspeisen. Außerdem soll die Anlage kostengünstig in der Herstellung, Wartung und Betrieb sein. Zudem werden die natürlichen Ressourcen durch niedrigen Primärenergiebedarf geschont.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches gelöst.

Ausführung mit einem Kompressor

In der Anheizphase, wenn infolge geringer Leckagen im gesamten System ein konstanter Druck herrscht, wird wie in Fig. 1a und 1b ersichtlich, das flüssige Kältemittel im Sonnenkollektor 1 verdampft und dadurch das Volumen vergrößert und somit der Druck im Sonnenkollektor 1 erhöht. Wenn die Druckdifferenz zwischen Kühler 5 und Sonnenkollektor 1 groß genug ist um den Betrieb des Motors zu gewährleisten, öffnet das digitale Ventil 19 und der Dampf kann vom Sonnenkollektor 1 über Leitung 2 in den Motor 3 gelangen und dort Arbeit verrichten, indem der Motor die Aggregate 2 und 3 antreibt. Über Leitung 4 gelangt der unter Druck stehende Dampf in den Außenkühler 5 (die Rückschlagventile 12 sorgen dafür, daß der Dampf vom Sonnenkollektor 1 durch den Motor 3 und zum Außenkühler 5 strömen muß). Im Außenkühler 5 wird der Dampf abgekühlt und verflüssigt. Durch die Verflüssigung wird das Volumen im Außenkühler 5 wesentlich kleiner gegenüber dem Sonnenkollektor 1. Im laufenden Betrieb wird durch die Pumpe 7 das unter dem Kühlerdruck 6 stehende flüssige Kühlmittel wieder auf den Sonnenkollektordruck in Sonnenkollektor 1 gepumpt. Da das flüssige Arbeitsmedium ein wesentlich kleineres Volumen als das dampfförmige Arbeitsmedium hat (etwa 30 mal kleiner) kann auch die Pumpe entsprechend klein gebaut werden. Die als Rückschlagventile ausgebildeten Kompressor und Pumpenventile 12 geben dem Kreislauf die richtige Fließrichtung: vom Sonnenkollektor 1 zum Motor 3 zum Außenkühler 5 durch die Pumpe 7 und wieder zum Sonnenkollektor 1.

In der Heizperiode Fig. 1a ist das Ventil 11 so geschaltet (z. B. mittels Magnetventil), daß ein Teil des Dampfes aus dem Sonnenkollektor 1 direkt in den Kompressor 13 geleitet wird. Dort wird das Kältemittel auf einen höheren Druck bzw. Enthalpie gebracht. Ventil 14 ist (z. B. mittels Magnetventil) so geschaltet, daß das Kältemittel über Leitung 15 direkt in den Wärmetauscher für den hausseitigen Heizkreislauf gelangt. Im Wärmetauscher 16 gibt das Arbeitsmittel den Großteil seiner Energie ab. In der Drossel 17 wird der Kühlmitteldruck aus dem Wärmetauscher 16 wieder dem Kühlmitteldruck aus dem Außenkühler 5 angepaßt. Das restliche Arbeitsmedium, welches nicht direkt vom Sonnenkollektor 1 in den Kompressor 13 gelangt, treibt den Motor 3 an und wird durch den Außenkühler 5 abgekühlt und über Pumpe 7 wieder dem Sonnenkollektor 1 zugeführt.

Zum Kühlen wird nach Fig. 1b ein Teil des aus dem Außenkühler 5 kommenden flüssigen Arbeitsmedium durch Drossel 18 geleitet. Das restliche flüssige Arbeitsmedium wird direkt aus dem Kühler 5 über die Pumpe 7 dem Sonnenkollektor 1 zugeführt. In Drossel 18 wird das Arbeitsmedium entspannt, wodurch es sich stark abkühlt. Im Wärmetauscher 16 gibt das Kältemittel seine Energie (Kälteleistung) an das Haussystem ab. Ventil 17 ist so geschaltet (z. B. mittels Magnetventil), daß das Kältemittel aus dem Kühler 16 in den Kompressor 13 gelangt. Im Kompressor 13 wird das Kältemittel auf den Druck im Außenkühler 5 gebracht. Ventil 14 ist so geschaltet (z. B. mittels Magnetventil), daß das Kältemittel aus dem Kompressor 13 in den Außenkühler 5 gelangt. Im Außenkühler 5 vereinigt sich der Kältemittelkreislauf aus dem Kompressor 13 mit dem aus dem Motor 3 kommenden Kältemittel. Im Außenkühler 5 wird das Kältemittel aus dem Kompressor 13 wieder verflüssigt.

Automatische Ventile

In der Heizperiode Fig. 1a, wenn die Umgebungstemperatur unter 15°C sinkt, ist Drossel 18 geschlossen, da im Hauswärmetauscher 16 die Temperatur und somit auch der Druck größer ist als im Außenkühler 5, dadurch schließt das Rückschlagventil 18. Aus dem selben Grund dichtet der Ventilkörper in Ventil 14 die Leitung 4 ab. Dadurch wird das Arbeitsmedium aus Kompressor 13 direkt in den Wärmetauscher 16 über Leitung 15 gefördert und gibt dort die Wärmeenergie ab.

Beim Heizen wird ein Teil des im Sonnenkollektor verdampften Arbeitsmediums direkt durch den Kompressor 13 gefördert. Das geschieht, weil das Rückschlagventil 17 öffnet und Ventil 11 die Leitung 10 freigibt. Durch den Kompressor 13 entsteht ein höherer Druck in Leitung 20 als der Sonnenkollektor 1 in Leitung 10 induziert. Durch diese Druckdifferenz schließen zwei starr miteinander verbundene Ventilkörper (z. B. Kugeln) in Ventil 11/Leitung 20 dicht. Da auch ein größerer Druck im Heizungswärmetauscher vorliegt als im Außenwärmetauscher 5, bleibt Rückschlagventil 18 geschlossen.

Kühlen

Wenn die Außentemperatur über 15° steigt, soll in der Regel gekühlt werden (Fig. 1b). Beim Kühlen ist Drossel 18 geöffnet, da im Haus wärmetauscher 16 eine geringere Temperatur bzw. ein geringerer Druck anliegt als im Außenkühler 5. Deshalb fließt das ganze Arbeitsmittel zuerst durch den Kühler 5, wo es kondensiert. Danach durch das Entspannungsventil 18 in den Wärmetauscher 16, wo das Arbeitsmittel seine Kühlleistung an das Haussystem abgibt. Da im Wärmetauscher 16 ein geringerer Druck als im Außenkühler 5 anliegt, wird der Ventilkörper in Ventil 14 auf Leitung 15 gedrückt und dichtet diese ab. Somit wird im Kühlungsfall das gesamte Arbeitsmittel zuerst durch den Außenkühler 5 geleitet. Drossel 17 schließt in diesem Fall. Da im Sonnenkollektor 1, also auch in Leitung 2 und 10, aber ein höherer Druck herrscht als in Leitung 20, dichtet das Ventil 11 Leitung 10 ab, und das Arbeitsmittel aus dem Wärmetauscher 16 fließt wieder in den Kompressor 13.

Kreislauf mit Entfeuchtung

Aus klimatechnischen Gründe werden zwei Kompressoren eingesetzt (siehe Fig. 2a, 2b, 2c), damit in der Kühlperiode die abgekühlte ent feuchtete Luft nachgeheizt werden kann. Somit kann in der Heizperiode und in feuchten Räumen, z. B. Schwimmbädern, die Luft entfeuchtet werden.

Der Motorkreislauf für Sonnenbetrieb (Fig. 2a; 2b)

Beim Antrieb des Motors 3 mit Sonne wird im Sonnenkollektor 1 das Kältemittel verdampft. Das digitale Ventil 19 ist geschlossen, bis ein bestimmter Differenzdruck zwischen Sonnenkollektor 1 und Außenkühler 5 überschritten wird. Ist dieser Differenzdruck überschritten, öffnet Ventil 19 und schließt gleichzeitig Ventil 61. Der Motor 3 beginnt zu laufen und treibt die Kompressoren 13, 19 sowie die Pumpe 7 an. Das Ventil 27 ist druckausgeglichen und wird mit einer Druckfeder in Ruhestellung nach Fig. 3a in Stellung 2 gehalten. Da der Heizkesselwärmetauscher 21 nicht in Betrieb ist, gibt Leitung 51 praktisch keinen Überdruck an den Kolben (Fig. 3a) an Ventil 28 weiter (deshalb bleibt Ventil 28 in Ruhestellung nach Fig. 3a, Stellung 2), und die Leitung zum Außenkühler 5 ist freigeschaltet. Bei Sonnenbetrieb muß der Motorkreislauf meist durch den Außenkühler zirkulieren, da die Temperaturdifferenz zwischen Sonnenkollektor 1 und Heizungswärmetauscher 16 für einen störungsfreien Betrieb zu gering ist, um den Motorkreislauf zum Heizen im Wärmetauscher 16 zu nutzen. Die Pumpe 7 bringt das kondensierte Arbeitsmedium wieder auf den Sonnenkollektordruck im Sonnenkollektor 1. Da bei ausreichender Sonneneinstrahlung keine Zusatzheizung benötigt wird, soll auch nichts durch den Heizkesselwärmetauscher 21 strömen. Dies wird durch Ventil 25 erreicht, indem ein Druckvergleich zwischen Leitung 26 und Leitung 36 vorgenommen wird. Kompressor 19 erzeugt einen gewissen Druck. Dieser wird über Steuerleitung 54 in einen Kolben in Ventil 25 weitergegeben (Fig. 3b). Mittels Steuerleitung 55 wird der Druck in Leitung 26 abgegriffen und an einen Kolben in Ventil 25 weitergegeben (Fig. 3b). In Leitung 26 herrscht, da der Heizkessel wärmetauscher 21 nicht in Betrieb ist, praktisch kein Überdruck, deshalb wird das Ventil 25 entsprechend Fig. 3b, Stellung 1 (nach Gesamt schaltbild Fig. 2a und 2b) geschaltet, und ein Teil des Fördervolumens aus Pumpe 7 gelangt direkt in den Sonnenkollektor.

Wenn die Pumpe 7 mehr Flüssigkeit in den Sonnenkollektor 1 fördert als dort verdampft werden kann, gibt eine Meldeeinrichtung (z. B. Schwimmerdose) ein Signal an Drossel 23 weiter. Diese öffnet, wenn der Dampf aus dem Sonnenkollektor 1 zuviel Flüssigkeit mitführt. Mit Leitung 24 und Drossel 23 wird somit die Fördermenge der Pumpe 7 in den Sonnenkollektor 1 geregelt (Bypass).

Motorkreislauf beim Heizen ohne Sonne (Fig. 2c)

Motorkreislauf beim Heizen ohne Sonne (Fig. 2c), wenn die Sonnen einstrahlung nicht mehr für eine genügende Heizleistung ausreicht, muß über den Heizkesselwärmetauscher 21 die entsprechende Energie für den Betrieb der Anlage eingespeist werden. Dazu muß Ventil 61 öffnen und gleichzeitig Ventil 19 schließen. Um keine Energie zu verschwenden, muß Ventil 28 so geschaltet werden, daß nichts durch den Außenwärme tauscher, sondern das gesamte Kühlmittel durch den Heizungswärme tauscher 16 strömt. Da das Ventil 28 druckausgeglichen ist, genügt ein geringer Überdruck aus dem Heizkesselwärmetauscher 21 und Ventil 28 schaltet nach Fig. 3a in Stellung 1, und der ganze Flüssigkeitsstrom fließt durch den Hauswärmetauscher 16. Ein Großteil des Volumenstroms soll durch den Heizkesselwärmetauscher fließen. Dazu muß Ventil 25 in Stellung 2 nach Fig. 3b geschaltet sein.

Dies wird erreicht, indem über Leitung 25 der Druck aus Leitung 26 in einen Kolben in Ventil 25 einspeist Fig. 3b) und außerdem über Leitung 54 der Druck aus Leitung 36 in einen Kolben in Ventil 25 eingespeist (Fig. 3b) wird. Leitung 24 und Drossel 23 sind so geschaltet wie oben beschrieben.

Kühlen, Nachheizen und Entfeuchten mit Sonne (Fig. 2a)

Zum Entfeuchten und Nachheizen mit Sonne (Fig. 2a) wird davon ausgegangen, daß die Sonne den Sonnenkollektor bei einer Außen temperatur von < 15°C auf etwa 20°C über der Außentemperatur erhitzt. Wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen Sonnen kollektor 1 und Wärmetauscher 5 muß der Motor entlastet werden. Der Motor 3 wird dadurch entlastet, daß Kompressor 13 sein Fördervolumen direkt durch den Außenkühler pumpt und nicht erst durch Drossel 18. Bei einer Außentemperatur von < 15°C wird nur eine geringe Heizleistung zum Nachheizen der gekühlten Luft gefordert, deshalb reicht ein Kom pressor (Kompressor 19) zum Heizen aus. Zum Entfeuchten der Luft in Kühler 27 wird aber die volle Leistung beider Kompressoren benötigt, deshalb fördern beide ihr Saugvolumen durch den Kühler 27. In Drossel 18 wird das Arbeitsmittel bis zur Verflüssigung entspannt. Über Leitung 57 wird am Ende von Kühler 16 der Aggregatzustand der Kühlflüssigkeit abgegriffen (z. B. mit einer Schwimmerdose). Die Drossel 18 schließt, wenn zuviel Dampf an Ende des Kühlers 16 anliegt, und die Drossel 18 öffnet, wenn nur Flüssigkeit aus dem Kühler 16 kommt. In Pumpe 7 wird das Kühlmittel wieder auf den Kollektordruck von Sonnenkollektor 1 aufgepumpt. Kompressor 13 und 19 saugen einen Teil des Flüssigkeitsstroms, welchen Pumpe 7 fördert, durch den Wärme tauscher 27 ab. In der Drossel 17 wird das unter Druck stehende flüssige Arbeitsmittel entspannt und kühlt ab. Im Wärmetauscher 27 verdampft das Arbeitsmedium wieder und nimmt Energie über den Wärmetauscher 27 auf. Drossel 17 wird wie Drossel 18 geregelt, nur daß am Ende von Kühler 27 die Kühlflüssigkeit dampfförmig vorliegen soll. Ventil 14 muß in diesem Fall nach Fig. 3c in Stellung 1 gebracht werden. Dieses wird durch Leitung 53 erreicht, welche den Druck aus Leitung 38 in einen Zylinder in Ventil 14 einspeist. Da Ventil 14 druckausgeglichen ist, ist der Druck in Leitung 34 unbedeutend, d. h. es findet ein Druckvergleich zwischen Leitung 38 und Wärmetauscher 16 statt. Da im Sonnenkollektor 1 eine höhere Temperatur, dadurch auch höherer Druck als im Wärmetauscher 16 anliegt, schaltet Ventil 14 in Stellung 1 nach Fig. 3c.

Das druckausgeglichene Ventil 11 muß nach Fig. 3a in Stellung 2 geschaltet sein. Dies wird erreicht, indem zwischen Leitung 15 (bzw. Wärmetauscher 16) und Sonnenkollektordruck aus Leitung 70 verglichen wird. Da im Sonnenkollektor 1 ein größerer Druck als im Wärmetauscher 16 anliegt, schaltet Ventil 11 entsprechend Fig. 3a in Stellung 3c.

Heizen und Entfeuchten mit Sonne (2b)

Beim Heizen und Entfeuchten mit Sonne (Fig. 2b), wird von einer Außentemperatur <15°C und einer Sonnenkollektortemperatur von etwa 25°C über der Umgebungstemperatur ausgegangen. In dieser Betriebsart werden die Dampfströme beider Kompressoren 13 und 19 durch den Wärmetauscher 16 geleitet, um die volle Heizleistung in der kalten Jahreszeit zu nutzen. Außerdem bezieht der Kompressor 13 sein Ansaugvolumen direkt aus dem Sonnenkollektor 1, da in der Heizperiode der Wärmetauscher 27 nur zum Entfeuchten der Luft benötigt wird und die Kälteleistung somit nur eine untergeordnete Rolle spielt.

Ventil 25, 17, 23, 18 und 28 werden - wie unter Nachheizen und Entfeuchten mit Sonne beschrieben - betrieben. Ventil 14 wird nach Fig. 3a in Stellung 1 geschaltet. Dies wird dadurch erreicht, daß im Wärmetauscher 16 eine höhere Temperatur und somit ein größerer Druck als im Sonnenkollektor 1 anliegt.

Ventil 11 wird nach Fig. 3a in Stellung 2 geschaltet. Dieses wird erreicht, indem im Wärmetauscher 16 eine höhere Temperatur und somit ein größerer Druck als im Sonnenkollektor 1 anliegt.

Heizen und Entfeuchten ohne Sonne

Die Schaltungsvariante Heizen und Entfeuchten ohne Sonne (Fig. 2c) wird benötigt, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert (z. B. in der Nacht oder bei Bewölkung) die Außentemperatur aber ein Heizen erfordert. In dieser Anordnung funktioniert die Anlage wie eine Wärmepumpe, nur daß die Antriebsenergie keine elektrischer Energie, sondern thermische Energie ist. Diese Energie kann z. B. von einem Heizkessel kommen und wird über den Wärmetauscher 21 in das System eingespeist. Der Wärmetauscher 21 übernimmt dann die Aufgabe den der Sonnenkollektor 1 bei Sonnenschein erfüllt (wie oben beschrieben). Der Sonnenkollektor 1 wird beim Heizen über Heizkessel als Außeneinheit einer Wärmepumpe genutzt und nimmt Energie aus der Umgebung auf. Damit der Sonnenkollektor 1 immer mit einem kälteren Arbeitsmedium versorgt wird als die Außentemperatur beträgt, wird über Leitung 56 am Ausgang des Sonnenkollektors 1 der Sättigungsgehalt des Dampfes (z. B. über eine Schwimmerdose) überprüft. Ist der Dampf sehr naß bzw. flüssig, wird Drossel 22 geschlossen. Das Arbeitsmedium kühlt dadurch stärker ab und kann mehr Energie aus der Umgebung über den Sonnenkollektor 1 absorbieren, außerdem wird weniger Arbeitsmedium durch den Sonnenkollektor 1 geleitet. Über Leitung 70 und 33 saugt der Kompressor 13 den Dampf aus dem Sonnenkollektor 1, pumpt diesen auf ein höheres Energieniveau und speist diesen in den Heizungswärmetauscher 16 ein. Da im Wärmetauscher 21 ein größerer Druck als im Wärmetauscher 16 anliegt, wird Ventil 14 nach Fig. 3a in Stellung 1 geschaltet. Nach demselben Schema wird Ventil 11 nach Fig. 3a Stellung 1 gebracht.

Freikolbenmotor (Fig. 4a) für die Schemata Fig. 1a und Fig. 1b (Anlage mit nur einem Kompressor)

Der Freikolbenmotor nach Fig. 4a ist nach seinen Hauptansprüchen nach Patent XYZ "Selbsttätige Motorventile" gekennzeichnet. Es wurden ein paar Veränderungen vorgenommen, um den Motor nach Patent XYZ auf die vorliegende Aufgabe zu adaptieren. Die Änderungen werden nachfolgend beschrieben.

Der Motor 3 (Fig. 1a) wird direkt über Kolben 6 (Fig. 4a) mit der Pumpe 7 (Fig. 4a) und Kompressor 13 gekoppelt.

Der Kolben 6 (Fig. 4a) ist sowohl Motorkolben für Motor 3 (siehe Fig. 1a) als auch Pumpenkolben für Pumpe 7 (Fig. 4a). Der Kolben 10 (Fig. 4a) ist hydraulisch mit dem Kolben 6 (Fig. 4a) in Raum 8 (Fig. 4a) gekoppelt. Dadurch wird eine gegenläufige Bewegung von Kolben 10 (Fig. 4a) und Motorkolben 6 erreicht und es kann ein Massenausgleich der beiden Kolben erfolgen. Ab einer bestimmten Druckdifferenz zwischen Sonnenkollektor 1 (Fig. 1a) und Außenkühler 3 (Fig. 1a), kommt der Motor 3 (Fig. 1a) in eine überkritische Frequenz. Um eine Beschädigung der Freikolbenmaschine zu vermeiden, muß diese abgebremst werden. Diese Frequenzanpassung wird mit Kolben 10 (Fig. 4a) erreicht, der dann als Gasdruckfeder arbeitet. Bei einer unterkritischen Frequenz wird Kolben 10 (Fig. 4a) vor seiner absoluten Endlage von den Gaspolstern, welche sich in den Räumen 9 und 11 (Fig. 4a) aufbauen, abgebremst. Wenn eine kritische Frequenz erreicht ist, steckt soviel kinetische Energie im Kolben 10 (Fig. 4a), daß dieser das Gaspolster so stark zusammendrückt, daß die Rückschlagventile 12 bzw. 13 (Fig. 4a) sich öffnen und das komprimierte Gas aus Raum 11 bzw. 9 ausströmt. Bei der Rückbewegung entsteht ein Unterdruck im Raum 11 bzw. 13 und der Kolben 10 bzw. über die Kopplung im Raum 8, wird der Kolben 6 bis zu einer unterkritischen Frequenz abgebremst. Wenn der Motor wieder in eine unkritische Frequenz kommt, füllen sich die Räume 9 und 11 durch Leckage und die Gasfeder 10 ist nahezu kraftneutral. Das bedeutet, der Kolben 6 kann sich fast ungebremst bewegen. Feder 14 sorgt dafür, daß der Kolben 6 bei geschlossenem Einlaßventil und geöffnetem Auslaßventil, wieder in seine Ruhetage, d. h. OT zurückkehrt. Die Rückseite von Motorkolben 6 ist gleichzeitig der Kompessorkolben. In Raum 4 wird das Arbeitsmedium, welches aus dem Sonnenkollektor 1 (Fig. 1a) bzw. aus dem Hauswärmetauscher 16 (Fig. 1b) kommt verdichtet und über das Auslaßventil 14 (Fig. 1a und Fig. 4a) weitergefördert.

Freikolbenmotor (Fig. 4b) für die Schemata Fig. 2a bis Fig. 2c (Anlage mit zwei Kompressoren)

Die Funktionsweise der Maschine bleibt im Prinzip identisch wie unter "Freikolbenmotor (Fig. 4a) für die Schemata Fig. 1a und Fig. 1b (Anlage mit nur einem Kompressor)" beschrieben. Es wird nur der Gasfederkolben 10 als Stufenkolben ausgebildet. Dadurch entsteht ein neuer Kompressorraum 17. Zusätzlich müssen noch die beiden Kompressorventile 18 und 19 eingefügt werden.

Schlitzsteuerung der Flügelzellenmaschine (Fig. 5)

Eine Verstellbarkeit der Flügelzellenmaschinen ist notwendig, um Verluste zu minimieren. Dies wird erreicht, indem der Einlaßschlitz so verstellt wird, daß nur soviel unter Druck stehendes Medium in den Arbeitsraum gelangt daß am Ende der Arbeitsphase im Raum 8 in etwa derselbe Druck anliegt wie im Auslaßkanal 2.

Dies wird erreicht, indem der Steuerring 7 drehbar im Gehäuse gelagert ist. Durch den Einlaßkanal 5 gelangt das unter Spannung stehende Arbeitsmedium über die Öffnung 6 in eine Kammer der Flügelzellenmaschine. Da Raum 2 und Raum 3 verbunden sind, herrscht in Raum 3 der gleiche Druck wie im Auslaßkanal 2 (meist Umgebungsdruck). Steigt der Druck im Einlaßkanal 5 so stark, daß am Ende der Expansion im Raum 8 ein höherer Druck als im Raum 3 anliegt dreht sich der Steuerring 7 Richtung OT. Dadurch verkleinert sich der Kammerraum 4. Durch die Verkleinerung des Kammerraumes 4 kann nicht mehr soviel Arbeitsmedium einströmen. Durch das kleine Anfangsvolumen beim Einströmen kann sich das Arbeitsmedium bis zum UT mehr ausdehnen. Dadurch ist am Ende der Expansion bei UT im Raum 8 in etwa wieder der gleiche Druck wie in Raum 3. Im umgekehrten Fall, wenn der Druck im Einlaßkanal 5 sinkt, wird durch die zwangsweise Expansion ein retiver Unterdruck im Raum 8 gegenüber Raum 3 erzeugt. In Diesem Fall wird der Steuerring 7 Richtung UT bewegt und der Einlaß 6 befüllt eine größere Kammer 4. Da zwischen Befüllen und UT das Kammervolumen nicht mehr so stark - anwächst, reicht die Expansion des weniger vorgespannten Arbeitsmedium aus, um Druckneutralität gegenüber Raum 3 herzustellen.

Das Prinzip funktioniert sinngemäß für einen Flügelzellenmotor als auch für eine Flügelzellenpumpe.

Claims

1. Solarbetriebene Klimaanlage dadurch gekennzeichnet, daß für den Antrieb sowie für den Betrieb der Klimaanlage ein Dampfmotor gekoppelt mit einer Kältemaschine und einer Speisepumpe genutzt wird. Die Klimaanlage besitzt einen Dampfmotor für den Antrieb, einen Kompressor für den Betrieb und eine Pumpe für die Druckerzeugung sowie einen Sonnenkollektor für die Dampferzeugung. Ebenso einen Kühler in dem das Kühlmittel des Arbeitskreislaufes sowie das Kühlmittel des Kraftmaschinenkreislaufes verflüssigt wird. Außerdem eine Umschaltvorrichtung für Heizen und Kühlen. Der Kreisprozeß läuft zum Kühlen (Fig. 1a) und zum Heizen (Fig. 1b) ab.

2. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitskreislauf und Kraftkreislauf in zwei getrennten Kühlem gekühlt werden.

3. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kompressoren Anwendung finden. In dieser Anordnung läuft der Prozeß zum Kühlen nach (Fig. 2a) und zum Heizen nach (Fig. 2b bzw. 2c) ab.

4. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Umschaltung der Ventile (Fig. 1a Nr. 14 und Fig. 1a Nr. 11) für Heizen und Kühlen mittels . Druckdifferenz automatisch funktioniert.

5. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor, der Kompressor und die Pumpe nach dem Prinzip einer Freikolbenmaschine funktionieren.

6. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Freikolbenmaschine eine automatische Ventilsteuerung hat.

7. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsteuerung mittels einer Feder so auf den Motor wirkt, daß die Maschine bei mangelnder Druckdifferenz immer in die Ausgangsstellung zurückfindet.

8. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Freikolbenmaschine voll ausgleichbar ist.

9. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Freikolbenmaschine eine selbsttätig Frequenzanpassung hat.

10. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor, der Kompressor und die Pumpe nach dem Prinzip der Flügelzellenmaschine funktionieren und die Flügelzellenmaschinen eine automatische Schlitzsteuerung haben und sich somit automatisch auf die Druckverhältnisse einstellen.

11. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Motor direkt mit den Arbeitsmaschinen gekoppelt ist.

12. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß bei mangelndem Sonnenschein die Möglichkeit besteht mit fossilen Brennstoffen die Anlage zu betreiben (Fig. 2c), die Anlage arbeitet dann wie eine Wärmepumpe. Einsparung gegenüber normaler Heizung.

13. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Klimaanlage ohne Hilfsenergie betrieben wenden kann. Elektronik nur für zusätzliche Sicherheit nötig.