DE3023660C2

DE3023660C2 - Stirling-Wärmepumpe

Info

Publication number: DE3023660C2
Application number: DE3023660A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr.-Ing. 4800 Bielefeld Feustel; Rainer Ing.(grad.) 4830 Gütersloh Moeres
Original assignee: Gartemann and Hollmann GmbH
Current assignee: Windmoeller and Hoelscher KG
Priority date: 1980-06-25
Filing date: 1980-06-25
Publication date: 1982-07-29
Also published as: DE3023660A1; FR2485707B1; US4402186A; FR2485707A1; NL8102910A

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Wärmepumpe gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Derartige bekannte Stirling-Wärmepumpen haben einen kurbelgetriebenen Arbeitskolben, der auf einen Kompressionsraum arbeitet, an den sich ein erster Wärmetauscher, ein Regenerator in Form eines Wärmespeichers sowie ein zweiter Wärmetauscher anschließen, wobei darauf ein Expansionsraum vorgesehen ist, auf den ein kurvenscheibengesteuerter Verdrängerkolben arbeitet Die beiden Kolben schieben im Betrieb praktisch ein Gasvolumen zwischen dem Kompressionsraum und dem Expansionsraum in zyklischer, gesteuerter Weise hin und her. Die am Gas geleistete Kompressionsarbeit im Kompressionsraum wird im ersten Wärmetauscher als Heizwärme abgegeben. Beim Verschieben des jetzt konstant gehaltenen Gasvolumens in den kalten Expansionsraum durchströmt das Gas dann den Regenerator und gibt hier die im Gas verbleibene Wärme ab. Es erfolgt dann die Expansion des Gases im Expansionsraum, so daß Umgebungswärme über den zweiten Wärmeaustauscher dem Gas zugeführt werden kann. Danach wird das Gas bei konstantem Volumen zurück in den Kompressionsraum geschoben. Die vorher im Regenerator gespeicherte Wärme wird vom Gas dabei wieder aufgenommen. Die von einer derartigen Stirling-Wärmepumpe abgegebene Heizenergie setzt sich aus der aus der Umgebung gewonnenen Energie sowie aus der eingegebenen Kompressionsenergie zusammen.

Bei derartigen bekannten Stirling-Wärmepumpen wird zyklisch im Kompressionsraum im Druckbereich von etwa 5 bis 22 bar gearbeitet Es besteht dabei das Problem, diesen Kompressionsraum gegen das geschlossene Kurbelgehäuse abzudichten, wobei sich normalerweise der Kompressionsraum oberhalb des Arbeitskolbens, das geschlossene Kurbelgehäuse unterhalb des Arbeitskolbens befindet Es ist bekannt hier zur Abdichtung einen den Arbeitskolben umgebenden Membranbalg vorzusehen. Der Membranbalg hat den großen Vorzug, praktisch keine Reibungsverluste zu haben und völlig zuverlässig einen etwaigen ölnebel aus dem Kurbelgehäuse in jedem Fall, auch gegenüber kapillaren Wanderungen, vom Kompressionsraum fernzuhalten, was um so wichtiger ist als es sonst im Laufe der Zeit zu einer ölverschmutzung im Bereich der Wärmetauscher und des Regenerators kommen müßte.

So vorteilhaft ein derartiger Membranbalg ist so besteht doch das Problem, daß aufgrund der hier für den Membranbalg gegebenen Arbeitsbedingungen dieser nur eine unzureichende Lebensdauer hat Es ist zu berücksichtigen, daß im geschlossenen Kurbelgehäuse ein bestimmter Druck, beispielsweise ein mittlerer Arbeitsdruck von 123 bar, herrscht so daß beim Arbeitsbereich von 5 bis 22 bar im Kompressionsraum der Membranbalg laufend zylisch mit einer Druckdifferenz von +10 bar bis —7 bar beaufschlagt wird. Andererseits wäre der Ersatz des Membranbalges durch eine normale Kolbendichtung am Arbeitskolben im Hinblick auf eine völlig zuverlässige Abdichtung gegenüber den ölnebeln aus dem Kurbelgehäuse und im Hinblick auf die damit verbundenen Reibungsverluste ebenfalls nachteilig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgestaltung zu treffen, die trotz der herrschenden Betriebsbedingungen eine hohe Lebensdauer für den Membranbalg als Abdichtung zwischen dem Kompressionsraum und dem geschlossenen Kurbelgehäuse ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.

In einem ersten Schritt ist nunmehr durch das Druckdrosselelement der Inneraum des den Arbeitskolben umgebenden Membranbalges vor den großen Druckschwankungen, die systemimmanent im Kompressionsraum auftreten, geschützt. Durch Wahl eines entsprechenden Druckdrosselelementes kann dafür Sorge getragen werden, daß von dort allenfalls noch Leckverluste aufzunehmen sind. Selbst bei diesem Schutz aber kommt es naturgemäß systemimmanent noch zu einem laufenden Komprimieren und Entspannen des Volumens im Inneren des Membranbalges selbst, so daß sich immer noch, wenn auch in verringertem Ausmaß, alternierende Druckbelastungen ergeben würden. In einem weiteren Schritt ist nun zum Ausgleich dieser Druckdifferenzen der Ausgleichsmembranbalg vorgesehen, der mit dem Innenraum des Membranbalges in einem geschlossenen Strömungskreis in Verbindung steht und der sich in das Kurbelgehäuse ausdehnt Wird jetzt bei dieser Ausgestaltung der Membranbalg komprimiert, dehnt sich automatisch der Ausgleichsmembranbalg gegen den Druck des geschlossenen Kurbelgehäuses bis zum gewünschten Druckausgleich mit dem Kurbelgehiiusedruck aus, so daß, da dies naturgemäß äußerst schnelle Ausgleichsvorgänge sind, der Membranbalg praktisch nicht mehr mit Druckdifferenzen beaufschlagt ist und demzufolge eine sehr hohe Lebensdauer hat.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem geschlossenen

Strömungskreis um einen solchen mit eigener Einfüllöffnung, so daß hier ein Druckmedium eingegeben werden kann und man auf einfache Weise diesen geschlossenen Strömungskreis mit den Innenräumen des Membranbalges und des Ausgleichsmembranbalges auf den gleichen Druck wie das Kurbelgehäuse einstellen kann. Auch in stationärem Zustand der Wärmepumpe tritt somit keine Druckdifferenz auf. Das Auftreten eiaer Druckdifferenz läßt sich dabei dann, wenn man das Kurbelgehäuse und den in Frage stehenden geschlossenen Strömungskreis gleichzeitig füllt, auch während der Füllphase verhindern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Druckdrosselelement eine den Arbeitskolben umgebende Spaltdichtung. Die Spaltdichtung ist zwar streng genommen ein Schritt in die Richtung auf eine normale Kolbendichtung. Sie arbeitet aber unter den hier gegebenen Arbeitsbedingungen weitestgehend und für die Belange der Praxis ausreichend reibungsfrei. Eventuelle Leckverluste vom Kompressionsraum her bleiben unschädlich, da die absolut zuverlässige gegenseitige Abdichtung ja durch den Membranbalg erfolgt

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Ausgleichsmembranbalg als Signalgeber ausgebildet Beispielsweise können in einer oberen und einer unteren Endlage des Ausgleichsbalges Endschalter vorgesehen sein. Das Erreichen der oberen Endlage bedeutet, daß der Druck im geschlossenen Strömungskreis zu niedrig ist, beispielsweise also eine Beschädi- 3c gung am Membranbalg vorliegt Das Erreichen der unteren Endlage bedeutet, daß im geschlossenen Strömungskreis ein zu hoher Druck herrscht, beispielsweise weil zu hohe Leckverluste vom Kompressionsraum her auftreten, oder aber auch weil das Kurbelgehäuse undicht geworden ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Stirling-Wärmepumpe wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine Teilschnittdarstellung durch den zwischen dem geschlossenen Kurbelgehäuse und dem Kompressionsraum liegenden Teil einer Stirling-Wärmepumpe.

In der Teilschnittdarstellung ist die linke Seite des Bereiches einer Stirling-Wärmepumpe zwischen dem oberen Kompressionsraum 1 und den unten liegenden, geschlossenen Kurbelgehäuse 2 gezeigt, wobei bezüglich der dargestellten Mittellängsachse ein symmetrischer Aufbau vorliegt. Die Stirling-Wärmepumpe hat einen Arbeitskolben 3, der nach unten zum Kurbeigehäuse 2 hin offen ist und über Schrauben 4 mit dem im Kurbelgehäuse befindlichen Kurbelantrieb (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Arbeitskolben 3 arbeitet nach oben auf den Kompressionsraum 1.

Oberhalb des Kompressionsraumes sind die beiden Wärmetauscher, der Regenerator, der Expansionsraum sowie der Verdrängerkolben in der üblichen Weise angeordnet, wobei das Führungsrohr 5 für den Verdrängerkolben nach unten durch den Arbeitskolben 3 hindurch bis in das Kurbelgehäuse 2 geführt und dort eo abgestützt ist

Der Kompressionsraum 1 ist gegenüber dem geschlossenen Kurbelgehäuse 2 mittels eines Membranbalges 6 abgedichtet, der nur den unteren Teil des Arbeitskolbens 3 umgibt. Der Membranbalg 6 ist an es seinem unteren Ende über einen Flansch 7 in abgedichteter Form am Arbeitskolben 3 befestigt. Der Innenraum 8 dieses Membranbalges wird von den Innenwänden des Faltenbalges einerseits sowie vom Außenmantel des Arbeitskolbens 3 andererseits begrenzt Nach unten wird der Innenraum durch den Flansch 7 abgeschlossen. Nach oben erfolgt der Abschluß durch einen Befestigungsring 9, mit dem der Membranbalg 6 an einem gehauseseitigen Flanschstück 10 befestigt ist ferner durch einen Abschnitt dieses Flanschstückes 10 selbst sowie durch eine zylindrische Buchse 11, die ihrerseits über einen Flansch 12 an dem Flanschstück 10 des Gehäuses festgelegt ist und in der der Arbeitskolben 3 angeordnet ist Innenwandig ist die Buchse 11 als sich zwischen dem Kompressionsraum 1 und dem Innenraum 8 des Membranbalges 6 erstreckendes Druckdrosselelement in Form einer Spaltdichtung 13 ausgebildet

Auf der Unterseite des Flanschstückes 10 ist in einem Befestigungsstutzen 14 das obere Ende eines Ausgleichsmembranbalges befestigt der sich nach unten frei in das geschlossene Kurbelgehäuse 2 ausdehnen kann. Der Innenraum 16 des Ausgleichsmembranbalges steht über eine entsprechende Bohrung am Befestigungsstutzen 14 mit einem Füllkanal 17 in dem Flanschstück 10 in Verbindung, der eine verschließbare Einfüllöffnung 18 hat und der auch über eine außenseitige Aussparung in der zylindrischen Buchse 11 in offener Verbindung mit dem Innenraum 8 des Membranbalges 6 steht Der Innenraum 8 des Membranbalges bildet somit über den entsprechenden Abschnitt des Füllkanals 17 mit dem Innenraum 16 des Ausgleichsmembranbalges einen geschlossenen Strömungskreis.

Dieser geschlossene Strömungskreis wird über die Einfüllöffnung 18 beim Stillstand der Wärmepumpe auf einen bestimmten Druck eingestellt, und zwar auf genau den gleichen Druck, auf den auch das geschlossene Kurbelgehäuse 2 eingestellt wird. Um während des Füllvorganges keinerlei Druckdifferenzen auf den Membranbalg 6 wirken zu lassen, geschieht das Füllen und Einstellen des Druckes zweckmäßig gleichzeitig.

Im Betrieb der Stirling-Wärmepumpe schwankt zyklisch der Druck im Kompressionsraum 1 beispielsweise zwischen 5 bar und 22 bar. Diese Druckschwankung wird durch die Spaltdichtung 13, die für die Belange der Praxis weitestgehend reibungsfrei arbeitet, vom Innenraum 8 des Membranbalges ferngehalten. Durch die Arbeit des Arbeitskolbens 3 kommt es jedoch noch zu einem zyklischen Komprimieren und Entspannen des Innenraumes 8 des Membranbalges. Hier erfolgt jetzt aber laufend ein unmittelbarer Druckausgleich zum Druck im Kurbelgehäuse 2 dadurch, daß sich bei einem Komprimieren des Innenraumes 8 des Membranbaiges 6 automatisch der Ausgleichsmembranbalg 15 gegen den Druck im Kurbelgehäuse 2 ausdehnt, bis der Druckausgleich erreicht ist. Hierdurch wird eine Differenzdruckbeaufschlagung des Membranbalges 6 sicher vermieden.

Man bildet den Ausgleichsmembranbalg 15 zweckmäßig als Signalgeber aus. Hierzu kann man beispielsweise in einer vorzugebenden oberen Endlage sowie in einer vorzugebenden unteren Endlage des Ausgleichsmembranbalges 15 Endschalter (nicht dargestellt) anordnen. Erreicht im Dauerbetrieb der Stirling-Wärmepumpe der Ausgleichsmembranbalg einmal seine obere Endlage, zeigt dieses einen zu niedrigen Druck im geschlossenen Strömungskreis der Innenräume 8 und 16 ar, was beispielsweise durch eine Undichtigkeit am Membranbalg 6 hervorgerufen sein kann. Erreicht der Ausgleichsniembranbalg 15 im Laufe des Betriebes der Wärmepumpe einmal seine untere Endlage, bedeutet

dies, daß im geschlossenen Strömungskreis ein zu hoher Druck herrscht, der insbesondere durch zu hohe Leckverluste aus dem Kompressionsraum 1 durch die Spaltdichtung 13 hindurch auftreten kann oder der auch durch eine Undichtigkeit am Kurbelgehäuse auftreten könnte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stirling-Wärmepumpe, deren kurbelgetriebener Arbeitskolben auf einen Kompressionsraum arbeitet, der gegenüber dem geschlossenen Kurbelgehäuse mittels eines den Arbeitskolben umgebenden Membranbalges abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kompressionsraum (1) und dem Innenraum (8) des Membranbalges (6) ein Druckdrosselelement (13) angeordnet ist und der Innenraum (8) des Membranbalges (6) in einem geschlossenen Strömungskreis mit dem Innenraum (16) eines Ausgleichsmembranbalges (15) verbunden ist, die sich in das Kurbelgehäuse (2) ausdehnt

2. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckdrosselelement eine oberhalb des Membranbalges (6) den Arbeitskolben (3) zylindrisch umgebende Spaltdichtung (13) ist

3. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der geschlossene Strömungskreis einen mit einer verschließbaren Einfüllöffnung (18) versehenen Füllkanal (17) hat der mit den Innenräumen (8,16) des Membranbalges (6) und des Ausgleichsmembranbalges (15) in Verbindung steht

4. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Ausgleichsmembranbalg (15) als Signalgeber ausgebildet ist.

5. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer oberen und einer unteren Endlage des Ausgleichsmembranbalges (15) Endschalter angeordnet sind.

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