DE3305061A1 - Irreversibler waermemotor - Google Patents

Description

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Irreversibler Wärmemotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Natur aus irreversiblen Wärmemotor. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Wärmemotoren einschließlich Wärmepumpen und auch primäre Bewegungsvorrichtungen, und zwar bezieht sich dabei die Erfindung insbesondere auf akustische Wärmepumpen, bei denen Schall zur Erzeugung eines Wärmeflusses verwendet wird.

Der Ausdruck "Wärmemotor" wird hier in einem allgemeinen Sinne verwendet, um Vorrichtungen zu bezeichnen, die Wärme in Arbeit umwandeln, d.h. primäre Bewegungsvorrichtungen, wobei sich dieser Ausdruck auch auf Vorrichtungen bezieht, bei denen Arbeit zur Erzeugung eines Wärmeflusses ausgeführt wird, wie dies beispielsweise in einer Kühlvorrichtung der Fall ist. Die letztgenannte Art einer Vorrichtung wird im folgenden als Wärmepumpe bezeichnet. Der erfindungsgemäße Wärmomotor wird als ,"von Natur irreversibel" bezeichnet, weil er bestimmte· Wärmeübertragungsverfahren verwendet, die von Natur aus im thermodynamisehen Sinne irreversibel sind.

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Im Gegensatz zu einem üblichen Wärmemotor, der sich einem optimalen Wirkungsgradniveau nähert, wenn seine Wärmeübertragung spro ze ssje in einer zunehmend reversiblen Weise durchgeführt werden, macht der von Natur aus irreversible Wärmemotor gemäß der Erfindung als ein wesentliches Element für seinen Betrieb einen irreversiblen Transferprozeß erforderlich, und der Wirkungsgrad dos Motors nimmt in der Tat ab, wenn der Wärmeübertragungsprozeß von einem irreversiblen Prozeß abweicht. Diese Eigenschaften der Erfindung werden weiter unten diskutiert.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Phänomen, welches bereits um 1850 von den europäischen Physikern Sondhauss und Rijke untersucht wurde, ein Phänomen, bei dem Schall durch Erhitzung eines Endes eines Glas- oder Metallrohrs erzeugt wird. Dieses und ähnliche Phänomene wurden bereits um 1878 von Lord Rayleigh in seiner Arbeit mit dem Titel "Theory of Sound" behandelt. Bei diesen Phänomenen wird Wärme dazu verwendet, um Arbeit in der Form von Schall zu erzeugen. Vor kürzerer Zeit wurden komplementäre Phänomene, basierend auf ähnlichen Prinzipien demonstriert, bei denen Arbeit verbraucht und Wärme von einem Platz zu einem anderen gepumpt wird. Im Gegensatz zu den allgemeinen thermodynamischen Prinzipien der konventionellen Wärmemotoren, die bereits seit einem Jahrhundert wohlverstanden werden, sind die Prinzipien, die den obigen Phänomenen zugrunde liegen und das Ausmaß oder die Allgemeinheit damit in Beziehung stehender Phänomene derzeit nicht vollständig verstanden.

Ein Wärmepump-Phänomen, welches mit dem hier betrachteten in Beziehung steht, wird in der folgenden Literaturstelle beschrieben: W.E. Gifford und R.C. Longsworth, in "Surface Heat Pumping", veröffentlicht in "International Advances in Cryogenic Engineering" (Plenum Press, New York, USA), Band 12,

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Seiten 171 bis 179 (1965). Das von Gifford und Longsworth beschriebene Phänomen wurde in einer Wärmepumpvorrichtung verwendet, die als ein Impulsrohrkühlgerät bekannt ist. Eine solche Vorrichtung wird in einer Reihe von Aufsätzen von Gifford und anderen beschrieben, wobei die wichtigsten im folgenden angegeben werden: Gifford, W.E. und Longsworth, R.C, "Pulse Tube Refrigerator", Trans, of the A.S.M.E., J. of Eng. for Industry, Seiten 264-68 (1964); Gifford W.E. und Longsworth, R.C., "Pulse Tube Refrigeration Process", in International Advances in Cryogenic Engineering (Plenum Press, New York, USA), Band 10, Seiten 69-79 (1964) und Gifford W.E. und Kyanka, G.H., "Reversible Pulse Tube Refrigeration", in International Advances in Cryogenic Engineering, Band 12, Seiten 619-630 (1966). Ein weiterer Aufsatz ist der von R.C. Longsworth mit dem Titel "An Experimental Investigation of Pulse Tube Refrigeration Heat Pumping Rates", in International Advances in Cryogenic Engineering, Band 12, Seiten 608-18 (1966). Alle diese genannten Artikel beziehen sich auf eine Impulsrohrkühlvorrichtung, in der Gas alternativ durch einen thermischen Regenerator in ein Hohlpulsrohr hineingepumpt und daraus evakuiert wird. Das Ergebnis besteht darin, daß Wärme vom Regeneratorende des Pulsrohres zu dem geschlossenen Ende gepumpt wird. Wärmeaustauscher sind mit den Enden des Rohrs gekoppelt, um diesen Effekt auszunutzen. Wenn beispielsweise das warme Ende mit einer Wärmefalle bei Umgebungstemperatur verbunden ist, so kann das kalte Ende als ein Kühlgerät verwendet werden. Man erkennt, daß die Impulsrohrkühlvorrichtung sich von einer konventionellen Kühlvorrichtung insoferne unterscheidet, als nur ein einziges Gasvolumen vorhanden ist, welches periodisch in einer geschlossenen Kammer unter Druck gesetzt wird, und daß ein großer Teil der Ventilmittel, Drosselmittel und anderer Anschlußmittel eliminiert wird, die bei konventionellen Kühlvorrichtungen auftreten. Aus der obigen Boschreibung ergibt sich, daß die Anmelder eine verwandte Klasse von Vorrichtungen

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entwickelt haben, die einige der gleichen Eigenschaften besitzen, die aber die Verwendung eines externen thermischen Regenerators nicht erforderlich machen.

Hinsichtlich eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung sei ferner auf einen Wärmemotor mit laufender Welle hingewiesen, wie er im US-Patent 4 114 380 (Ceperley) beschrieben ist, und wie es ferner in dem Aufsatz von P.H. Ceperley "A Pistonless Stirling Engine - the Traveling Wave Heat Engine" in J. Acoust. Soc. Am. 66, 1508 (1979) beschrieben ist. Diese Vorrichtung verwendet ein zusammendrückbares Strömungsmittel in einem rohrförmigen Gehäuse und eine akustische laufende Welle. Das Gehäuse enthält einen differentiell erhitzten thermischen Regenerator. Wärme wird dem Strömungsmittel an einer Seite des Regenerators hinzugegeben und aus dem Strömungsmittel an der anderen Seite des Regenerators extrahiert. Der Regenerator hat eine große effektive Wärmekapazität, verglichen mit der des Strömungsmittels, so daß er Wärme ohne eine große Temperaturänderung empfangen und zurückweisen oder abgeben kann. Das Material zwischen den beiden Enden der Kühlvorrichtung wird in einem örtlichen thermischen Gleichgewicht mit dem Strömungsmittel gehalten, wodurch ein Temperaturgradient im Strömungsmittel im wesentlichen stationär bleibt. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung unterscheidet sich von der vorliegenden Erfindung in mehreren Hinsichten. Die Ceperley-Vorrichtung verwendet laufende akustische Wellen, für die der örtliche Oszillationsdruck P notwendigerweise gleich dem Produkt aus der akustischen Impedanz pe (wobei P die Dichte und c die Schallgeschwindigkeit im Gas ist) und der örtlichen StrÖ-mungsmittelgeschwindigkeit ν an jedem Punkt des Motors, wodurch Viskositätsverluste auf extrem hohe Werte ansteigen, wohingegen (was im folgenden noch im einzelnen erläutert wird) ein akustisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ste-

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hende akustische Wellen verwendet, für die die Bedingung P »pcv erreicht werden kann, wodurch das Verhältnis aus thermodynamischen zu viskos-verteilenden Effekten verbessert wird. Die laufenden Wellen machen es erforderlich, daß keine Reflexionen im System auftreten. Eine solche Bedingung ist deshalb schwer zu erreichen, weil der thermische Regenerator als ein Hindernis wirkt, welches tendenziell Wellen reflektiert. Zudem ist ein thermodynamisch effizientes reines Laufwellensystem technisch schwerer zu verwirklichen als ein System mit stehender Welle. Die Ceperley-Vorrichtung macht ferner erforderlich, daß das primäre Strömungsmittel in einem ausgezeichneten örtlichen thermischen Gleichgewicht mit dem Regenerator steht. Dies hat den Effekt zur Folge, daß eine enge Analogie zu einem Stirling-Motor besteht. Das Erfordernis hinsichtlich der Strömungsmittel-Geometrie, die notwendig ist, um ein gutes thermisches Gleichgewicht zu erreichen, und zwar zusammen mit dem Erfordernis, daß P = ρ ve für eine laufende Welle ist, hat notwendigerweise das Ergebnis zur Folge, daß ein hoher viskoser Verlust auftritt (mit Ausnahme bei Strömungsmitteln mit einer sowohl stark niedrigen Prandtl-Zahl und hoher thermodynamischer Aktivität, die allerdings unbekannt sind). Wie weiter unten erläutert, verwendet die Erfindung den unvollkommenen thermischen Kontakt mit einem zweiten Medium als ein essentielles Element des Wärmepumpprozesses. Infolgedessen braucht eine gemäß der Erfindung aufgebaute Maschine (Motor) nicht notwendigerweise die hohen viskosen Verluste des Ceperley-Motors mit laufender Welle.

US-PS 3 237 421 (Gifford) beschreibt die Wärmepumpvorrichtung, die in den zuvor genannten Artikeln von Gifford et al beschrieben ist. Wie bereits erwähnt, unterscheidet sich die Erfindung von der Gifford-Vorrichtung in erster Linie insoferne, als der bei der Gifford-Vorrichtung zwischen der Druckquelle und dem Pulsrohr der Vorrichtung erforderliche Regene-

rator gemäß der Erfindung nicht benötigt ist. Ein weiterer Unterschied gegenüber der Gifford-Vorrichtung besteht darin, daß bei der Gi fford-Vorrichtung der brauchbare thermodynamische Effekt in dem offenen oder "Puls"-Rohr auftritt, wohingegen bei der vorliegenden Erfindung der brauchbare thermodynamische Effekt in einem zweiten Medium auftritt. Die Verwendung eines Regenerators bei der vorliegenden Erfindung würde deren Leistungsfähigkeit verschlechtern und infolgedessen die gleichen Viskositätsheizprobleme auftreten lassen, welche die Ceperley-Vorrichtung charakterisieren. Ferner benötigt die Gifford-Vorrichtung mehr bewegliche Dichtungen, während einige Ausführungsbeispiele der Erfindung diese nicht benötigen. Ferner beschränken die Wärmeübertragungsraten der Gifford-Vorrichtung deren Betrieb auf niedrige Frequenzen und sind somit Hochleistungsdichten, wie sie mit der vorliegenden Erfindung erreichbar sind, nicht möglich.

Zusammenfassung'der Erfindung. Demgemäß besteht ein Ziel sowie der Zweck der vorliegenden Erfindung darin, einen Wärmemotor vorzusehen, der auf einem intrinsisch irreversiblen Wärmeübertragungsprozeß basiert. In dieser Beziehung besteht ein Ziel der Erfindung darin, einen solchen Motor bzw. eine solche Maschine vorzusehen, die auf einem irreversiblen Wärmeübertragungsprozeß basiert und funktionsmäßig in dem Sinne reversibel ist, daß sie entweder als eine Wärmepumpe oder als eine primäre Bewegungsvorrichtung dienen kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine akustisch betriebene Wärmepumpe vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, einen Wärmemotor mit keinen sich bewegenden Dichtungen vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Notwendigkeit externer mechanischer Trägheitsvorrichtungen zu eliminieren, wie beispielsweise von Schwungrädern oder Kompressoren in einer Wärmepumpe, und zwar insbesondere bei einer Wärmepumpe, die zur Verwendung als eine Kühlvorrichtung geeignet ist.

Um die erwähnten sowie weitere Ziele zu erreichen, weist der von Natur aus irreversible Wärmemotor gemäß der Erfindung ein erstes thermodynamisches Medium und ein zweites thermodynamisches Medium auf, die in einem imperfekten thermischen Kontakt miteinander stehen und die bezüglich einander eine gebrochene thermodynamisehe Symmetrie aufweisen,

Das erste Medium ist bezüglich des zweiten Mediums in einer hin- und hergehenden Weise beweglich. Ferner bewirkt die Hin- und Herbewegung des ersten Mediums eine Temperaturänderung im ersten Medium oder ist von einer solchen Temperaturänderung begleitet, derart daß die Temperatur des ersten Mediums sich als eine Funktion von dessen Position ändert.

Durch die Feststellung, daß die ersten und zweiten Medien eine gebrochene thermodynamische Symmetrie bezüglich einander aufweisen, soll ausgedrückt werden, daß der durchschnittliche Wärmefluß pro Einheitslänge zwischen den beiden Medien, genommen in einer Richtung senkrecht zum Pfad der Hin- und Herbewegung des ersten Mediums bezüglich des zweiten Mediums, längs des Pfades der Hin- und Herbewegung in einer ersten Zone ansteigt und längs des Pfades der Hin- und Herbewegung in einer zweiten Zone abnimmt. Wenn dieser durchschnittliche Wärmefluß pro Einheitslänge konstant ist, so sagt man, daß thermodynamiache Symmetrie vorliegt, wenn dies nicht der Fall ist, so sagt man, daß die thermodynamische Symmetrie gebrochen ist. Jn einem üblichen Anwendungsfall wird die gebrochene thermodynamische Symmetrie dadurch er-

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reicht, daß man eine diskontinuierliche oder sich schnell ändernde thermische Leitfähigkeit pro Einheitslänge zwischen den ersten und zweiten Medien vorsieht.

Der Motor ist funktionell in einem praktischen Anwendungsfall in dem Sinne reversibel, daß er entweder als Wärmepumpe oder als primäre Bewegungsvorrichtung verwendet werden kann ^

Wenn seine Verwendung als eine Wärmepumpe vorgesehen ist, so weist der Motor Antriebsmittel auf, um die Hin- und Herbewegung des ersten Mediums bezüglich des zweiten Mediums zu bewirken, und zwar mit einer Frequenz, die annähernd umgekehrt mit der thermischen Relaxationszeit des ersten Mediums bezüglich des zweiten Mediums in Beziehung steht. Diese Hin- und Herbewegung zusammen mit der zyklischen Variation des Drucks und der Temperatur im ersten Medium hat die Erzeugung einer Temperaturdifferenz oder eines Temperaturgradienten im zweiten Medium zur Folge. Speziell wird das zweite Medium relativ wärmer in denjenigen Zonen, wo der durchschnittliche Wärmefluß pro Einheitslänge zwischen den zwei Medien abnimmt, und zwar in der Richtung der Komponente der Hin- und Herbewegung des ersten Mediums, das begleitet ist von einem Anstieg der Temperatur des ersten Mediums. Umgekehrt wird das zweite Medium relativ kühler in denjenigen Zonen, wo der durchschnittliche Wärmefluß pro Einheitslänge zwischen den zwei Medien ansteigt in der Richtung, in der das erste Medium erhitzt wird. Bei einem typischen Wärmepumpenanwendungsfall ist das zweite Medium derart vorgesehen, daß seine Oberflächenzone pro Einheitslänge abrupt an einem Punkt ansteigt und abrupt an einem weiteren Punkt abnimmt. An diesen Punkten treten deutliche Kühl- und Erhitzungs-Effekte im zweiten Medium auf. Diese Effekte können durch Verbindung des zweiten Mediums mit geeigneten Wärmeaustauschern ausgenutzt werden.

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Wenn beispielsweise der Teil des zweiten Mediums,der eine Erwärmung erfährt, mit einer Wärmefalle verbunden ist, so kann der Teil, der eine relative Abkühlung erfährt, als eine Kühlvorrichtung verwendet werden.

Der Wärmemotor kann als eine primäre Bewegungsvorrichtung dadurch verwendet werden, daß man selektiv Teile des zweiten Mediums erhitzt und abkühlt, um so eine differentielle Temperaturverteilung im zweiten Medium zu erzeugen, die entgegengesetzt zu der Verteilung ist, die man erhält, wenn der Motor als eine Wärmepumpe verwendet wird. Wenn die Erhitzung in dieser Weise erfolgt, so wird das erste Medium in einer Hin- und Herbewegung mit einer Frequenz angetrieben, die bestimmt ist durch die Geometrie der Vorrichtung, die mechanische Belastung der Vorrichtung und die thermische Relaxationszeit des ersten Mediums zum zweiten Medium.

Gifford und Longsworth haben die in ihren Vorrichtungen auftretenden Prozesse mit den Ausdrücken eines Konzepts beschrieben, welches als "surface heat pumping" bezeichnet wird. Das Word "surface" (Oberfläche) umschließt das Vorhandensein von sowohl einem sekundären als auch einem primären Medium angrenzend aneinander, wobei das sekundäre Medium die fundamentale Qualität ist, die durch Robert Stirling in seinem Patent von 1816 bei Wärmemotoren eingeführt wurde. Da die vorliegenden intrinsisch irreversiblen Motore zusätzliche Qualitäten zu denen des Stirling-Motors besitzen und nicht nur zum Pumpen von Wärme, sondern auch zur Ausführung von externer Arbeit verwendet werden können, wird bevorzugt die erfindungsgemäßen Motoren in einer geeigneteren Terminologie zu beschreiben, wie sie durch das; Konzept der gebrochenen thormodyriami sehen Symmetrie charakterisiert sind.

Boι einem typischen Ausführuny£-:bei::pieL der Erfindung ist

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das erste thermodynamische Medium ein Gas und das zweite therraodyriamische Medium ist ein festes Material. Eine einfache Art und Weise zum Brechen der thermodynamisehen Symmetrie zwischen solchen Medien besteht darin, daß man das zweite Medium derart vorsieht, daß sich eine abrupte Änderung (Anstieg oder Abnahme) der Größe des zweiten Mediums in Kontakt mit dem ersten Medium längs der Achse der Bewegung des ersten Mediums ergibt. An diesem Punkt wird ein thermodynamischer Effekt auftreten, wobei das Zeichen dieses Effekts (Erhitzen oder Abkühlen) davon abhängt, ob die Größe des zweiten Mediums in Kontakt mit dem ersten Medium abnimmt oder ansteigt in der Richtung, in der das erste Medium temperaturmäßig bei seiner Hin- und Herbewegung ansteigt.

In seiner einfachsten Form weist eine gemäß der Erfindung ausgebildete Wärmepumpe einen ein Gas enthaltenden geschlossenen Zylinder auf, Antriebsmittel zum alternativen Zusammendrücken und Expandieren des Gases von einem Ende des Zylinders, wie beispielsweise einen einfachen hin- und hergehenden Kolben oder alternativ einen akustischen Treiber, und schließlich ist ferner ein zweites thermodynamisches Medium (das Gas ist das "erste" thermodynamische Medium) innerhalb des Zylinders angeordnet. Das zweite thermodynamische Medium hat strukturelle Eigenschaften, die in einigen Beziehungen ähnlich denjenigen eines thermischen Regenerators sind. In einem Ausführungsbeispiel besteht das zweite thermodynamische Medium beispielsweise aus einem Satz von parallelen Platten, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und sich parallel zur Längsachse des Zylinders erstrecken. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht das zweite thermodynamische Medium aus einem Satz von Maschensiebmitteln, die mit Abstand längs der Achse des Zylinders angeordnet sind. Obwohl jede dieser Strukturen als ein therinodynamischer Regenerator in einem anderen Anwendungsfall dienen könnte, so haben doch die Erfinder erkannt, daß dann, wenn eine

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solche Struktur in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird, sich ein Wärmepumpeffekt ergibt, der im Gegensatz zur Funktion eines Regenerators einen imperfekten thermischen Kontakt zwischen dem Gas und dem benachbarten festen Medium erfordert.

Das zweite thermodynamische Medium kann im allgemeinen als ein Medium mit einer niedrigen Impedanz gegenüber Strömungsmittelfluß definiert werden; ein hoher thermischer Widerstand in Längsrichtung oder der Richtung des Strömungsmittelflusses; ein hohes Oberflächen-zu-Volumenverhältnis und, für Zwecke der Bildung eines effizienten Wärmemotors, eine adäquat große Kombination der spezifischen Wärme und thermischen Leitfähigkeit um nach Erfordernis die Wärmeabsorption vom oder die Abgabe von Wärme an das primäre Medium zu ermöglichen. Das letztgenannte Erfordernis wird praktisch durch sämtliche soliden oder festen Materialien erfüllt, wenn das primäre Medium ein Gas ist und die Betriebstemperaturen nicht zu niedrig liegen.

Die Erfinder haben ferner erkannt, daß dann, wenn die obigen Voraussetzungen erfüllt sind, das zweite thermodynamische Medium eine deutliche Erhitzung an seinem· gegenüber dem den Antriebsmitteln entfernt gelegenen Ende erfährt und eine deutliche Abkühlung an dem am dichtetesten zu den Antriebsmitteln liegenden Ende zeigt. Dieser Effekt wird unabhängig davon er halten, wo längs des Zylinders das zweite thermodynamische Medium angeordnet ist (solange die Länge der Vorrichtung kleiner als eine Viertelwellenlänge ist), obwohl die Größe des Effekts dann ansteigt, wenn der Abstand zwischen dem geschlossenen Ende und der Zone ansteigt, wo die thermodynamische Symmetrie gebrochen ist. Darüber hinaus wird der Effekt selbst dort erhalten, wo die Länge des zweitem thermodynamischen Mediums wesentlich kleiner ist als der Teil der Länge des Zylinders, der das minimale Volumen

des Strömungsmittels in jedem Zyklus repräsentiert. Die an den entgegengesetzten Enden des zweiten thermodynamischen Mediums beobachteten Heiz- und Kühl-Effekte können dadurch ausgenutzt werden, daß man mit den Enden des zweiten thermodynamischen Mediums geeignete Wärmeaustauscher thermisch kuppelt. Beispielsweise kann das warme Ende des zweiten thermodynamischen Mediums mit einer geeigneten Wärmefalle gekuppelt sein, um so das kühle Ende als eine Kühlvorrichtung auszunutzen.

Die Erfinder haben ferner festgestellt, daß die Effizienz der Vorrichtung hinsichtlich Wärmeübertragung zu und von dem thermischen Reservoir dadurch erhöht werden kann, daß man das zweite thermodynamisch^ Medium aus zwei unterschiedlichen Materialien aufbaut. Ein erstes Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, wird an den entgegengesetzten Enden des zweiten Mediums verwendet. Dieses Material wird zum Erhalt maximaler Wärmeübertragung in quer liegenden Richtungen zwischen den Enden des Mediums und den benachbarten Zylinderwänden und den Wärmeaustauscherwänden verwendet. Ein zweites Material wird verwendet, um das Medium zwischen den entgegengesetzten Enden zu bilden. Dieses zweite Material ist derart ausgewählt, daß es eine wesentlich niedrigere thermische Leitfähigkeit als das erste Material besitzt, wodurch die in Längsrichtung erfolgende Wärmeleitung längs des Mediums vom heißen Ende zum kühlen Ende minimiert wird. Es ist auch wichtig, daß die Wärmekapazität, das thermische Leitfähigkeitsprodukt des zweiten Mediums größer ist als das für das Gas. In dem einfachen soweit beschriebenen Ausführungsbeispiel sind Fiberglas oder Polymerstreifen geeignete Beispiele. Ein solches Material absorbiert Wärme von und gibt Wärme frei an das Strömungsmittel, während jedes Zyklus¹, wodurch die Gesamtenergieübertragung erleichtert

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wird. Ein ähnliches Verfahren wurde von Gifford und Longsworth in dem Artikel "International Advances in Cryogenic Engineering", Band 11, Seite 181 (196 5) beschrieben.

Gemäß einer Erläuterung dieses Phänomens, basierend auf artikulierten Bewegungen der Kolben, sei ein inkrementales Gasvolumen betrachtet, welches komprimiert wird und zum geschlossenen Ende des Zylinders während jedes Kompressionshubes des Kolbens getrieben wird. Die Bewegung erfolgt schnell und das Gas wird nahezu adiabatisch zusammengedrückt, wodurch dessen Temperatur ansteigt. Am Ende des Kompressionshubs gibt es eine Pause, während welcher das erhitzte Gasinkrement Wärme auf die unmittelbar benachbarte Oberfläche des zweiten thermodynamischen Mediums überträgt und auf diese Weise die Temperatur des Mediums an diesem Punkt erhöht. Im nächsten Schritt des Zyklus wird das Gasinkrement schnell expandiert, und zwar annähernd adiabatisch, wobei dabei das Gas den Zylinder hinab zum Kolben läuft und auf eine niedrigere Temperatur abkühlt. Am Ende des Hubs ist wiederum eine Pause, während welcher das Gasinkrement Wärme von der Oberfläche des unmittelbar benachbarten thermodynamischen Mediums absorbiert und es dadurch kühlt. Dies beendet einen vollständigen Zyklus des Motors. Man erkennt, daß auf die eben beschriebene Weise Wärme von einem Punkt des Mediums zu einem anderen Punkt des Mediums dichter am geschlossenen Ende des Zylinders übertragen wurde. Sämtliche Strömungsmittelinkremente innerhalb des zweiten thermodynamischen Mediums erfahren die gleiche Art eines Zyklus, so daß das Nettoresultat darin besteht, daß Wärme von einem Ende des Mediums zum anderen Ende übertragen wird. Innerhalb der Zone des zweiten Mediums kann eine kleine Nettoerhitzung an allen Punkten vorliegen, aber an den Enden des; Mediums, wo die thermodynamische Symmetrie gebrochen ist, ergeben sich Ncttowürmetransfer-Effekte, die deutliche Erhitzunys- und KUhi-Effekle zur Folge haben. An dem Ende, welches am dichtesten zum geschlossenen Ende

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des Zylinders liegt, wird Wärme hinzugegeben, um so die Temperatur des zweiten Mediums zu erhöhen und am entgegengesetzten Ende wird das Medium gekühJt.

Die Frequenz, mit der die Vorrichtung betrieben wird, ist oin wichtiger Faktor, der den Leistungsfähigkeits-Koeffizienten oder den Wirkungsgrad der Vorrichtung beim Wärmepumpen beeinflußt. Dies kann am einfachsten dadurch erläutert werden, daß man den Wärmeübertragungsprozeß der obenbeschriebenen Art damit vergleicht, was bei entweder einer sehr hohen oder einer sehr niedrigen Frequenz auftritt. Wenn die Frequenz der Unterdrucksetzung hinreichend niedrig liegt, so erfolgt die Expansion und Kompression des Strömungsmittels langsam und annähernd isothermisch bezüglich des zweiten thermodynamischen Mediums und nicht adiabatisch. Wenn beispielsweise die Unterdrucksetzungsstufe des Zyklus langsam ausgeführt wird, so wird Wärme kontinuierlich zu den Wänden des Zylinders dann übertragen, wenn das Strömungsmittel zusammengedrückt und den Zylinder hinabgetrieben wird. Am Ende des Kompressionshubs ist die Temperatur des Strömungsmittels nicht höher als die in der benachbarten Zylinderwand, und es tritt keine Wärmeübertragung an diesem Punkt im Zyklus auf. Während der darauffolgenden Expansion des Strömungsmittels in der nächsten Stufe des Zyklus kühlt sich das Strömungsmittel fortlaufend bei seinem Lauf längs des Mediums ab und es wird kontinuierlich genau die gleiche Wärmemenge extrahiert, wie sie in der vorigen Stufe geliefert wurde. Das wichtige Merkmal dieses hypothetischen sehr langsamen Zyklus besteht darin, daß das Strömungsmittel stets in thermischem Gleichgewicht mit den Wänden des zweiten Mediums steht. Wenn die Frequenz hinreichend hoch ist, so gibt es nicht ausreichend Zeit, am Ende jedes Hubs des Kolbens für den Auftritt einer meßbaren Wärmeübertragung zwischen dem Strömungsmittel und den Zylinderwänden. Wenn jedoch die Frequenz zwischen diesen isothermischen und adiabatischen Extremwerten licqi, so erfolgt sowohl die Ex-

pension als auch die Kompression des Strömungsmittels mit einer gewissen Wärmeübertragung zwischen dem Strömungsmittel und den Zylinderwänden und der obenbeschriebene Wärmepumpprozeß tritt auf. Somit verschwindet der Leistungsfähigkeitskoeffizient der Vorrichtung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Frequenzen. Bei irgendeiner Zwischenfrequenz ergibt sich ein optimaler Leistungskoeffizient für irgendeine gegebene Vorrichtung.

Ein Effekt der Verwendung eines zweiten thermodynamischen Mediums der obenbeschriebenen Art besteht darin, daß die Frequenz, bei der der optimale Leistungsfähigkeits-Koeffizient auftritt, viel höher liegt als dies mit einer Impuls-Rohr Kühlvorrichtung erhalten werden kann, die kein solch zweites thermodynamisches Medium besitzt. In der Tat hat die vorliegende Erfindung es ermöglicht, daß eine effiziente Wärmepumpe entwickelt werden konnte, die mit akustischen Frequenzen arbeitet. Ein primärer Vorteil eines solchen Motors oder einer solchen Pumpe besteht darin, daß ein sehr einfach elektrisch angetriebener akustischer Treiber verwendet werden kann, um den Motor zu betreiben, auf welche Weise mechanische Probleme eliminiert werden können, die bei hin- und hergehenden Kolben, Kurbelwellen, beweglichen Strömungsmitteldichtungen, Schwungrädern usw. auftreten. Ein weiterer Vorteil des Betriebs bei hohen Frequenzen besteht darin, daß die Leistungsdichte der Vorrichtung erhöht werden kann, und zwar nahezu in direkter Proportion zu der Betriebsfrequenz, wodurch es möglich gemacht wird, eine kompakte Wärmepumpe oder Kühlvorrichtung zu schaffen, die eine größere Leistungsdichte und einen größeren Leistungskoeffizienten besitzt als bisher bekannte Vorrichtungen ähnlicher Bauart.

Da die Erfindung auf Prozessen basiert, die nur im Rahmen der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik erläutert werden können, ist der erfindungsgemäße Wärmemotor von Natur aus im thermo-

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dynamischen Sinne irreversibel. Gleichzeitig ist jedoch die Erfindung funktionsmäßig im praktischen Anwendungsfa] I reversibel insoferne, als eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung mechanisch derart betrieben werden kann, daß sie als eine Wärmepumpe arbeitet, oder aber sie kann mit Wärmequellen und Kältequellen verbunden werden, um so als eine primäre Bewegungsvorrichtung zu arbeiten.

Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung wird ein akustischer Wärmepumpmotor vorgesehen, der ein rohrförmiges Gehäuse aufweist, beispielsweise ein geradliniges Gehäuse, oder ein U- oder J-förmiges Rohrgehäuse. Ein Ende des Gehäuses ist gekappt und das Gehäuse ist mit einem kompressiblen Strömungsmittel, angefüllt, welches in der Lage ist, eine akustische stehende Welle zu enthalten. Das andere Ende ist mit einer Vorrichtung wie beispielsweise einer Membran und mit einer Stimmenspule eines akustischen Treibers abgeschlossen, um eine akustische Welle innerhalb des Strömungsmittelmediums zu erzeugen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Vorrichtung wie beispielsweise ein Drucktank verwendet, um einen ausgewählten Druck auf das Strömungsmittel innerhalb des Gehäuses vorzusehen. Ein zweites thermodynamisches Medium ist innerhalb des Gehäuses nahe aber mit Abstand von dem gekappten Ende angeordnet, um Wärme von dem Strömungsmittel aufzunehmen, welches dort hindurchbewegt wird, und zwar während der Zeit des ansteigenden Drucks eines Wellenzyklus, und um Wärme dann an das Strömungsmittel abzugeben, wenn der Gasdruck während des geeigneten Teils des Wellenzyklus abnimmt. Der imperfekte thermische Kontakt zwischen dem Strömungsmittel und dem zweiten Medium hat eine Phasennacheilung unterschiedlich von 90° zwischen der örtlichen Strömungsmitteltemperatur und seiner örtlichen Geschwindigkeit zur Folge, infolgedessen gibt es eine Temperaturdifferenz längs der Längs des Medium:; und im Falle des bevorzugten Ausführung:.;-beispiels im wesentlichen über die Länge des kürzeren Schafts

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des J-förmigen Gehäuses hinweg. Wärmesenken und/oder Wärmequellen können vorgesehen sein, um mit der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendet zu werden, und zwar für Kühl- und/ oder Heizzwecke.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht im Querschnitt eines einfachen bevorzugten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine Endansicht im Querschnitt des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 längs,der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Endansicht im Querschnitt des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und zwar längs Schnittlinie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht im Querschnitt auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1, und zwar längs Schnittlinie 4-4 der Fig. 3;

Fig. 5 eine isometrische Ansicht einer Testvorrichtung, vorgesehen mit Thermoelementen A bis E, angeordnet längs einer Mittelplatte des zweiten thermodynamischen Mediums;

Fig. 6 eine Darstellung der Temperatur, abhängig von der Zeit für die fünf Thermoelemente der Fig. 5;

Fig. 7 eine Darstellung der Temperatur, abhängig von der Zeit für ein Paar von Thermoelementen, angeordnet an entgegengesetzten Enden der Test-

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Vorrichtung ähnlich wie dies in Fig. 5 dargestellt ist;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Energieflusses H (z) als Funktion der Position innerhalb eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wie beispielsweise dem gemäß Fig. 5, und zwar unmittelbar nach dem Einschalten der akustischen Leistung und vor dem Entstehen eines Temperaturgradienten im zweiten Medium;

Fig. 9 eine isometrische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei das zweite thermodynamische Medium aus einem Satz von Drahtmaschengittern oder Sieben besteht;

Fig. 10 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 9;

Fig. 11 einen Querschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer akustisch betriebenen Wärmepumpe gemäß der Erfindung.

Im folgenden sei die Erfindung im einzelnen beschrieben. Die Fig. 1-4 stellen schematisch ein einfaches Ausführungsbeispiel· einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe dar.

Die Wärmepumpe weist ein zylindrisches Gehäuse 10 mit einem geschlossenen Ende 10a und mit einem Kolben 12 auf, der gleitend in dem offenen Ende des Gehäuses positioniert ist. Der Kolben 12 ist mit einem Stift 13 durch eine Stange 14 mit einer Kurbelwelle 16 verbunden. Die Kurbelwelle steht mit irgendeiner geeigneten mechanischen Leistungsquelle in Verbindung, um so den Kolben 12 für eine Hin- und Herbewegung innerhalb des Zylindergehäuses 10 anzutreiben.

Der Zylinder 10 enthält ein Gas, beispielsweise Helium, welches ein erstes thermodynamisches Medium bildet und welches abwechselnd dann gepreßt und expandiert wird, und zwar durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens 12.

Der Kolben 12 führt eine Hin- und Herbewegung zwischen den Positionen A und B in Fig. 1 aus. Wenn sich der Kolben 12 in der Position A befindet, so hat das Gas sein maximales Volumen und wenn sich der Kolben 12 in der Position B befindet, so ist das Gas auf sein Minimal-Volumen und Maximal-Druck zusammengedrückt.

Ein zweites thermodynamisches Medium 16 ist innerhalb des Zylindergehäuses 10 angeordnet, und zwar benachbart zum geschlossenen Ende 10a. Das zweite Medium 16 besteht aus einem Satz von parallelen, mit Abstand angeordneten Platten 18. Jede Platte 18 ist im ganzen rechteckig und erstreckt sich in Längsrichtung innerhalb des Zylindergehäuses 10 von einem Punkt benachbart zum geschlossenen Ende 10a aus zu einem Punkt unmittelbar bis zur Position B hin, welche die Position maximaler Verdrängung des Kolbens 12 bezeichnet. Die Dicke jeder der Platten 18 ist in der Zeichnung aus Gründen der Darstellung übertrieben.

Jede Platte 18 besteht aus drei Teilen: Kupferendabschnitten 18a und 18b und einem Fiberglas-Zwischenabschnitt 18c. Die Endabschnitte 18a und 18b erstrecken sich vollständig über das Zylindergehäuse 10 hinweg und sind mit den Wänden des Zylindergehäuses 10 verschweißt, um die Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse 10 und den Endabschnitten zu verbessern. Jeder Fiberglas-Zwischenabschnitt 18c besitzt eine relativ kleinere Breite als die entsprechenden Endabschnitte 18a und 18b derart, daß die Kanten jedes Zwischenabschnitts 18c mit Abstand angeordnet sind gegenüber den Wänden des Zylindergehäuses 10.

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Der Wärmemotor der Fig. 1-4 weist ferner Wärmeaustauscher und 22 auf, die das Zylindergehäuse 10 umkreisen, und zwar benachbart zu den Endabschnitten 18a und 18b des zweiten thermodynamisehen Mediums 16. Der Wärmeaustauscher 20 wird als der Kälte--Wärmeaustauscher bezeichnet und der Wärmeaustauscher 22 wird als der Wärme-Wärmeaustauscher bezeichnet, und zwar aus Gründen, die sich aus dem folgenden ergeben.

Im Betrieb wird der Kolben 12 durch die Kurbelwelle 16 hin- und hergehend derart angetrieben, daß das im Zylinder 10 enthaltene Gas abwechselnd zusammengedrückt und expandiert wird. Infolge dieses Betriebs werden die Endabschnitte 18a des zweiten thermodynamisehen Mediums kalt und die Endabschnitte 18b werden heiß relativ ihrer gemeinsamen umgebungsausgangstemperatur. Um daher die Vorrichtung als eine Kühlvorrichtung zu betätigen, kann der Heiß-Wärmeaustauscher 22 durch irgendwelche geeigneten Mittel gekühlt werden, beispielsweise dadurch, daß man Wasserleitungswasser hindurchzirkuliert, um so die an den Endabschnitten 18b angesammelte Wärme abzuziehen, wodurch sich eine relative Kühlung der Endabschnitte 18a und des zugehörigen Kalt-Wärmeaustauschers 20 weit unter die Umgebungsausgangstemperatur ergibt.

Die Hin- und Herbewegung des Gases, verbunden mit der abwechselnden Kompression und Expansion des Gases, der imper- , fekte thermische Kontakt und die gebrochene thermodynamische Symmetrie zwischen dem Gas und dem zweiten thermodynamischen Medium bewirken den Anstieg des Wärmeflusses längs des zweiten thermodynamischen Mediums. Der Effekt wird unabhängig von den zum Antrieb des Gases verwendeten Mitteln erhalten. Die Antriebsmittel können eine mechanische Vorrichtung sein wie der im einfachen Ausführungsbeispiel beschriebene Kolben. Es können jedoch auch elektromagnetische Treibermittel verwendet werden, die mit akustischen Frequenzen arbeiten, und zwar haben sich diese Treiber als

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besonders zweckmäßig herausgestellt, da sie dazu verwendet werden können, um eine Vorrichtung zu erzeugen, die keine externen sich bewegenden TeJIe besitzt und auch keine Strömungsmitteldichten beweglichen Dichtungen benötigt. Zudem haben solche Treibermittel höhere Leistungsdichten zur Folge und größere Leistungskoeffizienten.

Fig. 5 zeigt eine einfache Demonstrationsvorrichtung, die annähernd 10 cm lang ist und die mit einem Satz von fünf Thermoelementen (A bis E) ausgestattet ist, und zwar positioniert längs der Mittelplatte des zweiten thermodynamischen Mediums. Die Platten sind aus Fiberglas hergestellt, und zwar imprägniert mit Polyesterharz. Die Vorrichtung wurde mit Helium auf einen Druck von 5 Atm gefüllt und wurde durch einen (nicht gezeigten) akustischen Treiber mit einer Frequenz von 400 Zyklen pro Sekunde betrieben.

Fig. 6 zeigt das Ansprechen der Vorrichtung gemäß Fig. 5 während der ersten wenigen Sekunden nach der Betätigung des akustischen Treibers. In dieser Figur ist die Temperatur jedes TT^rmo^le'men/fes als die Differenz zwischen sei-Msr -äßg^ö-· blicklichen Temperatur T und seiner Anfangstemperatur Ti repräsentiert. Die Anfangstemperatur Ti war die gleiche für jedes Thermoelement "und lag auf Umgebungsraumtemperatur zur Zeit der Demonstration. Man erkennt, daß die Thermoelemente A und E, die an entgegengesetzt liegenden Enden der Platten angeordnet sind, welche das zweite thermodynamisch^ Medium bilden, augenblickliche und substantielle Temperaturä'Eiderungem' ifl enttgegemgesetzten Richtungen erfahren, und zwar ausgetttiftO- von ihrer" gemeinsamen anfänglichen Starttemperatur Ti. Die Zwisehenthermoelemente B, C und D erfahren weniger deutliche Temperaturänderungen.

Die Fig. 7 zeigt die tatsächlichen Testergebnisse, wie sie über eine längere Zeitperiode hinweg erhalten wurden.

Die Testergebriisse gemäß Fig. 7 wurden mit einem weiteren ähnlichen Ausführungsbeispiel erhalten, welches aus 19 parallelen Fiberglasplatten bestand, und zwar positioniert in einem Inconel-Rohr mit einem Innendurchmesser von 2,81 cm. Das Inconel-Rohr war gerade, horizontal und nicht isoliert. Die Platten waren jeweils 10 cm lang, 0,0125 cm dick und waren mit einem Abstand von 0,094 cm angeordnet. Die Breiten der Platten variierten in der in Fig. 5 gezeigten Weise. Dxe Enden der Platten am dichtesten zu dem geschlossenen Ende des Rohres hin waren mit einem Abstand von 6 cm von dem geschlossenen Ende angeordnet. Das Rohr war mit Helium auf einen Druck von 1,903 Atm gefüllt und die Betreibung erfolgte mit einem akustischen Treiber mit einer Frequenz von 268 Hz. Ein Paar von Thermoelementen war an den entgegengesetzten Enden der Mittelplatte angeordnet. Die durch die zwei Thermoelemente als Funktion der Zeit aufgezeichneten Temperaturen sind durch die Kurven in Fig. 7 angegeben.

Für eine Zeitperiode vor der Betätigung des akustischen Treibers ließ man die Platten und das umgebende Gas bei Raumtemperatur ins Gleichgewicht kommen. Diese Periode ist durch die Anfangsteile der Kurven über dem Zeitintervall von 0 bis 1 Minute angegeben. Während dieses Intervalls sind die zwei Kurven flach und einander bei Raumtemperatur von 18,44⁰C überlagert. Nachdem thermisches Gleichgewicht erreicht war, wurde der akustische Treiber zur Zeit 5 1 Minute eingeschaltet, Wie durch die Darstellungen gezeigt, registrierten die Thermoelemente sofortige Temperaturänderungen innerhalb einer Periode von Sekunden. Das Thermoelement am kalten Ende der Platten erreichte eine minimale Temperatur von annähernd -3,7°C nach ungefähr- einer Minute und erwärmte sich danach geringfügig auf eine Temperatur von annähernd 1,4°C über eine Periode von ungefähr 14 Minuten hinweg. Das Thermoelement am warmen Ende erwärmte sich schnell über eine Periode von mehreren Minuten hinweg und erreichte schließlich tun' ständige Temperatur von ungefähr y'i,8°C.

Die Arbeitsweise des Motors kann durch die Analyse des Energieflusses innerhalb des Zylinders eines einfachen Ausführungsbeispiels wie beispielsweise der Testvorrichtung gemäß Fig. 5 analysiert werden. Aus Gründen der Klarheit wird der Effekt der Viskosität vernachlässigt. Es sei als erstes ein leerer Zylinder betrachtet, in dem ein kompressibles Gas von einem Ende her, beispielsweise durch einen Kolben, komprimiert wird und im Verlauf des Verfahrens den Zylinder hinabgetrieben wird. Für einen Zylinder mit einer Querschnittsfläche A ist das inkrementale Volumen des Gases dV, welches an irgendeinem festen Punkt des Zylinders vorbeiläuft durch die folgende Gleichung gegeben:

dV = Avdt , (1)

wobei ν die augenblickliche Geschwindigkeit des Gases an dem festen Punkt und t die Zeit ist. Die Masse des an dem festen Punkt vorbeilaufenden inkrementalen Gasvolumens ist wie folgt gegeben:

d» - PdV , (2)

wobei ρ die Dichte des Gases ist. Setzt man die Gleichung (1) in die Gleichung (2) ein, so ergibt sich folgendes:

dm - PAvdt . (3)

Die inkrementale Größe der an dem festen Punkt in der Zeit dt vorbeif1ioßenden Energie ist die Summe der internen Energie der inkremental en Masse des GaK(¹K dm und die durch das Gas getane Arbeit dm. Dies wird durch die folgende Gleichung repräsent lert:

■3*·

dE - udm + PdV , ■ (*)

wobei u die interne Energie pro Einheitsmasse oder die spezifische interne Energie des Gases ist, und wobei P der Druck des Gases im Zylinder ist. Die obige Gleichung kann auch wie folgt geschrieben werden:

dE - (u + pv)dm , (5)

dabei ist \> das spezifische Volumen oder das Volumen pro Einheitsmasse (1/P ) des Gases.

Für ein einatomisches Gas wie beispielsweise Helium ist die molare interne Energie U durch die folgende Gleichung gegeben

O · (3/2)RT . («)

Die spezifische interne Energie u ist somit durch die folgende Gleichung gegeben:

U - (3/2)RT , (7V

M.W.

wobei M.W. das Molekulargewicht des Gases ist.

Aus der klassischen Thermodynamik ist die Gleichung für die molare Enthalpie H (mit V Molarvolumen) wie folgt bekannt:

H - D + PV_1n . (8)

SI

Die spezifische Enthalpie h ist somit gegeben durch h - u + PV , (⁹>

und als Gleichung (5) ergibt sich somit:

dE - hdm . (10)

Substituiert man den Ausdruck für dm in Gleichung (3) in die obige Gleichung, so erhält man folgendes:

dE - hPAvdt . (H)

Die Rate des Energieflusses über den festen Punkt in dem Zylinder kann somit als H definiert werden und ergibt sich zu:

H Ξ dE - hPAV . ₍₁₂)

dt

Aus den Gleichungen (7) und (9) kann h durch die folgende Gleichung angegeben werden:

h - u + PV « (3/2)RT + pv . (13)

M.W.

Durch Einführung des idealen Gasgesetzes PV = nRT kann man die obige Gleichung (13) wie folgt umschreiben:

h - (3/2)RT + RT - (5/2)RT . (14)

Durch Einführen der obigen Gleichung für h kann die Gleichung (12) wie folgt geschrieben werden:

H - (5/2)RTpAv M.W.

Aus der Thermodynamik ist der Ausdruck für die spezifische Wärmekapazität eines Gases bei konstantem Druck C wie folgt bekannt:

Cp - dh (16)

"3t

Aus Gleichung (14) in Verbindung mit Gleichung (16) ergibt sich für C folgendes:

Cp - (5/2)R . (17)

M.W.

Somit kann die Gleichung (15) wie folgt umgeschrieben werden:

H « PCpTAV . (18)

Für ein Gas, das eine Temperaturänderung £T von einer mittleren Temperatur T erfährt, so daß T=T+£T=TpT cos wt,

< a

wobei der letzte Ausdruck für das Gas weit von den Wänden des Gefäßes gilt, kann die entsprechende Enthalpieänderung <f h wie folgt angegeben werden:

h - K + 6h . (19)

Aus dieser Gleichung ergibt sich zusammen mit Gleichung (14) folgendes:

h » (5/2)RT ₄ (5/2)R6t . (20)

Setzt man Gleichung (17) in Gleichung (20), so ergibt sich schließlich:

h ■ CT + C δτ
P P

Es sei nunmehr die zeitlich gemittelte Energieströmungsrate betrachtet, die durch H repräsentiert wird. Diese Größe kann dadurch ermittelt werden, daß man den zeitlichen Durchschnitt der Gleichung (12) wie folgt nimmt:

H - PhAv - P(H + ih)Av

(22)

» Ph" Av + pöhAv

Wenn das Gas in hin- und hergehender Weise oszilliert, dann ist die zeitlich gemittelte Geschwindigkeit ν gleich null und der Ausdruck ρRXv iⁿ Gleichung (22) wird gleich null, wobei die anderen Variablen Konstante sind, so daß sich folgendes ergibt:

H - POhAv

Substituiert man den Ausdruck für & Il in Gleichung (21) in die obige Gleichung, so ergibt sich folgendes:

H « PCfiTAv . ⁽²⁴⁾

%s-

Nimmt man an, daß das Gas sinusartig hin und her oszilliert, so ändert sich der Druck P um eine Größe <5 P um einen durchschnittlichen Druck P in einer wie folgt gegebenen Weise:

P · P ♦ ÖP ■ P + P_a cos ü)t , (25)

wobei die Phase des Oszillationsdruckes gleich angenommen wird mit der Phase der Oszillationstemperatur weit entfernt von den Wänden. Wenn die Expansion und Kompression des Gases adiabatisch ist, so kann gezeigt werden, daß S P mit der Temperaturänderung weit entfernt von den Wänden der folgenden Gleichung genügt:

6P - P_a cos u>t - PC δΤ . (26)

Das Gas erfährt auch eine reziproke Verschiebung an jedem Punkt, und zwar gegeben bei Nichtvorhandensein von Viskosität durch folgende Gleichung:

x - X_a cos wt , (27)

dabei ist χ die augenblickliche Verschiebung von einer durchschnittlichen Anfangsposition und χ ist die maximale Verschiebung in der einen oder der anderen Richtung von dieser Position. Auf diese Weise verändern sich die Parameter x, 6 P und ST weit entfernt von den Gefäßwänden in Phasen miteinander.

Die Geschwindigkeit ν des Gases an irgendeinem Punkt ist gegeben durch:

dx « -^wx_ «in wt . (28)

dt

Erinnert man sich, daß H = PCpöTvA (Gleichung (24)) ist, so können die Gleichungen (2b) und (28) in (24) eingesetzt werden, um folgendes zu ergeben:

H - (P_a cos u)t)(-üix ein Wt)(A) . (29)

Da (sin b>t) (COS tut) ■ (1/2)¥Γη2ωΐ, reduziert sich die obige Gleichung auf:

T ι je—τ- C\Q\

H - "(l/2}Pa*a ^{ωλ B}*^{n 2 r}

und da der zeitliche Durchschnitt der Sinus-Funktion null ist, ist das Ergebnis H=O. Somit ergibt sich kein Nettofluß an Energie in dem hin- und hergehenden Gas in einem Zylinder, dessen Wände keinen thermischen Effekt besitzen.

Wenn eine Platte auf der Temperatur T orientiert parallel zur Gasbewegungsrichtung in den Zylinder eingeführt wird (senkrecht zur Platte senkrecht zur Zylinderachse), so ändert sich die Situation. Neben der Platte ergibt sich eine Grenzschicht aus Gas mit einer Dicke S ^ , in der das thermische Verhalten dadurch angenähert werden kann, daß man sagt, daß die Temperatur des Gases sich nicht adiabatisch verändert, sondern vielmehr die Plattentemperatur annimmt. Das heißt das Gas in der Grenzschicht expandiert und kontrahiert isothermisch, wohingegen das Gas außerhalb der Grenzschicht sich adiabatisch expandiert und kontrahiert, wie dies oben diskutiert wurde. Das heißt, daß die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit der Platte groß genug sind, daß die Temperatur der Platte; sich nicht verändert.

Der Wärmefluß U in die Platte kann durch die folgende GIe chung angegeben werden:

wobei dT/dy der örtliche Temperaturgradient von der Oberfläche der Platte weg gelegen ist, wobei a die Fläche der Platte ist und wobei k der thermische Leitfähigkeitskoeffizient des Gases ist.

Wenn die Bedingungen PC "T * 0 für y = 0 und PC ÖT ■ PC ^T ^CO8 für großes y vorgesehen sind, so kann die Wärmetfansfergleichung in der Grenze von einer null Prandtl-Zahl und eines null longitudinalen Temperaturgradienten ohne weiteres gelöst und wie folgt angegeben werden:

PCpOT - PC_p$T_a cos wt - (32)

-y/6 PC_pöT_ae *cos(ü>t -

dabei ist 6^_ die thermische Durchdringungstiefe in das Gas und zwar wie folgt definiert: 6 Ξ (2</ω) , κ wobei £'^ die thermische Diffusitivität (Diffusionsve_rmögen) des Gases ist.

Der Ausdruck cos (tut - y/^κ^ ^ⁿ obiger Gleichung kann wie folgt erweitert werden:

-v/6 PCp«T_a(coe wt)(1-e ^Kcos y/6_K) - (33)

-y/6 PCp«T_a(ein wt)e Sin

Erinnert man sich, daß η ■ PCp6TvA_f , wobei die doppelten Striche die Durchschnittsbildung über Raum und Zeit repräsentieren, so kann der Wert von H bestimmt werden. Berücksichtigt man, daß der zeitliche Durchschnitt des Produkts der Terme cos oo t und sin «t gleich null ist und daß der zeitliche Durchschnitt des Terms sin" tot gleich 1/2 ist, so kann die obige Gleichung auf folgendes reduziert werden:

H - (-PCpOTa) (-v_a) ein2u>t Jfl dy e"^y/6<sin y/ö,c,(34)

dabei ist"^ der Umfang oder der Abstand um die hypothetische Platte herum, die in den Zylinder eingeführt ist. Das heißt für eine Platte mit der Breite w und der Dicke d gilt dA = T dy = (2w + 2d)dy. Das heißt ist für kompliziertere Geometrien, die Oberfläche pro Einheitslänge des zweiten thermodynamischen Mediums angeordnet im Zylinder.

Die obige Gleichung reduziert sich auf: H - (l/4)PC_p«T_a v_a Π6_Κ , (35)

und wenn man pCp^T_a · "a ' einsetzt, so ergibt sich folgendes: H - (l/4)P_av_ano_K . ₍₃₆₎

Man erkennt somit, daß der Nettoenergiefluß H im Gas längs des Zylinders von der gesamten Oberfläche pro Einheitslänge des Zylinders abhängt und von irgendeinem zweiten thermodynamischen Medium im Zylinder. Da diese Größe, repräsentiert durch ~T , eine Diskontinuität, an den Enden des zweiten thermodynamischen Mediums der in Fig. 1-b gezeigten Art erfährt, erfährt auch die Funktion H(z) eine Diskontinuität an den Enden des Mediums. Dies ist graphisch in Fig. 8 dargestellt.

•39·

Am Ende des Mediums am dichtesten zum geschlossenen Ende

Ti

des Zylinders nimmt der Nettoenergiefluß H im Gas zu dem geschlossenen Ende diskontinuierlich ab, so daß durch die Energieerhaltung Wärme zum zweiten Medium an diesem Ende übertragen werden muß und das zweite Medium sich erwärmt.

Umgekehrt steigt an dem am dichtesten gegenüber den Antriebsmitteln angeordneten Ende der Energiefluß im Gas in einer diskontinuierlichen Stufenfunktion zum geschlossenen Ende hin an. Somit muß Wärme vom zweiten Medium an diesem Ende entfernt werden.

Obwohl sich ' an jedem Ende des zweiten Mediums diskontinuierlich ändert, so ähdert sich H tatsächlich schnell aber kontinuierlich in diesen Zonen mit einer Breite von annähernd der Summe von it und χ am im Rede stehenden Punkt.

Aus der obigen Gleichung (36) erkennt man ferner, daß H stetig zum geschlossenen Ende des Zylinders hin abnimmt, da der Ausdruck ν stetig auf null am geschlossenen Ende

abnimmt. Es ergibt sich somit ein konstanter Wärmefluß in die Wände des Zylinders an allen Punkten, aber dieser Wärmefluß kann wesentlich kleiner sein als die Wärmeflußraten, hervorgerufen durch die Einführung des zweiten Mediums.

Die Fig. 9 und 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wo das zweite thermodynamische Medium aus einem Satz von zirkulären Drahtmaschensieben 24 besteht. Die Siebe sind senkrecht zur Zylinderachse orientiert und werden in ihrer Position durch kleine Abstandselemente 26 gehalten.

Aus den Fig. 9 und 10 erkennt man, daß der Abstand zwischen den Sieben oder Schirmen 24 sich fortlaufend entlang der Zylinderlänge verändert. Speziell sind die Schirme fort-

laufend dichter bezüglich einander zum geschlossenen Ende des Zylinders hin angeordnet. Dieses Merkmal ist kein notwendiges Element der Erfindung, aber ist zur Herausstellung eines erfindungsgemäßen Prinzips dargestellt. Dieses Prinzip besteht darin, daß der Abstand zwischen benachbarten Elementen des zweiten thermodynamisehen Mediums an irgendeinem Punkt längs des Zylinders kleiner sein muß als die doppelte Amplitude oder die reziproke Versetzung des Gases an diesem Punkt. Die Leistungsfähigkeit wird gestört, wenn der Abstand größer ist als die örtliche reziproke Versetzung oder Verschiebung des Gases. Da die reziproke Verschiebung des Gases fortlaufend zum geschlossenen Ende des Zylinders hin abnimmt, nimmt auch der maximal zulässige Abstand zwischen den Elementen dieser Art des zweiten thermodynamischen Mediums zum geschlossenen Ende hin ebenfalls ab. Diese Art eines zweiten Mediums kann auch mit einem gleichförmigen Abstand verwendet werden, aber dann muß die Abstandsanordnung überall kleiner sein als die minimale reziproke Verschiebung des Gases.

Ein drittes und bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine akustische Wärmepumpe 30, die in Fig. 11 dargestellt ist und ein J-förmiges, im ganzen zylindrisches oder rohrförmiges Gehäuse 32 mit einer ü-Biegung aufweist, sowie mit einem kürzeren und einem längeren Schenkel oder Schaft. Der längere Schaft ist durch einen akustischen Treiberbehälter 34 gekappt, der von einer Basisplatte 36 getragen wird und daran durch Bolzen 38 befestigt ist, um so eine strömungsmitteldichte Abdichtung zwischen der Basisplatte 36 und dem Behälter 34 zu schaffen. Die Basisplatte 36 sitzt im bevorzugten Ausführungsbeispiel auf einem Flansch 40, der sich von der Wand des Gehäuses 32 nach außen erstreckt. Der akustische Treiberbehälter 34 umschließt einen Magneten 22, eine Membran 24 und eine Geräusch- oder Sprachspule 46. Drähte 48 und 50 verlaufen durch eine Dichtung 58 in der Basisplatte

36, um sich zu einer Tonfrequenzstromquelle 56 zu erstrecken. Die Geräuschspulenmembran-Anordnung ist durch einen flexiblen Ring 54 mit einer am Magneten 42 befestigten Basis 52 verbunden. Der Fachmann erkennt, daß der dargestellte akustische Treiber von üblicher Bauart ist. Im bevorzugten Ausführunqsbeispiel arbeitet der Treiber im 400 Hz-Bereich. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel können jedoch auch Frequenzen von 100 bis 1000 Hz Verwendung finden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde Helium zum Füllen des Gefäßes 32 verwendet, wobei aber der Fachmann erkennt, daß auch andere Strömungsmittel wie beispielsweise Luft und Wasserstoffgas oder Flüssigkeiten wie Freon, Propylen oder flüssige Metalle wie beispielsweise ein flüssiges Natrium/Kalium-Eutektikum ohne weiteres zur Durchführung der Erfindung verwendet werden können. Ein Flansch 60 ist oben am kürzeren Schenkel beispielsweise durch Schweißen befestigt. Eine Endkappe 62 ist auf dem Flansch 60 angeordnet und daran durch Bolzen 64 zum Zwecke der Bildung einer Strömungsmitteldichten Abdichtung be- ** festigt. Ein zweites thermodynamisch.es Medium 66, welches im bevorzugten Aus.führungsbeispiel der Fig. 11 ähnlich dem der Fig. 1-4 ist, umfaßt vorzugsweise parallele Platten 66b aus einem Material wie beispielsweise Mylar, Nylon, Kapton, Epoxyharz oder Fiberglas sowie thermisch leitende Endabschnitte 66a und 66c aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material. Das Material muß in der Lage sein, eine Wärmeaustauschung mit dem Strömungsmittel innerhalb des Gehäuses 32 durchzuführen. Jedwede feste oder solide Substanz, für die die effektive Wärmekapazität pro Einheitsfläche bei der Betriebsfrequenz viel größer ist als die des benachbarten Strömungsmittels und die eine angemessene niedrige longitudinal^ thermische Leitfähigkeit besitzt, arbeitet als ein zweites thermodynamisches Medium. Es sei darauf hingewiesen, daß es einen Endraum zwischen der Endkappe 62 und der Oberseite des thermodynamisehen Medauni.s 66 gibt. Das Gehäuse 32 in der

Nähe des Endraums und das obere Ende des Mediums 66 stehen mit einer Wärmesenke 70 über Leitung 68 in Verbindung, um so einen Heiß-Wärmeaustausch vorzusehen. Am Gehäuse 32 am unteren Ende des thermodynamisehen Mediums 66 steht eine zweite Leitung 72 mit der Wärmequelle 74 in Verbindung und sieht einen Kalt-Wärmeaustausch vor.

Ein gewünschter oder ausgewählter Druck wird durch eine Leitung 78 und ein Ventil 80 von einer Strömungsmitteldruckversorgung 84 vorgesehen. Der Druck kann durch einen Druckmesser 82 überwacht werden.

Die akustische Treiberanordnung besitzt einen Permanentmagneten 42, der ein radiales Magnetfeld erzeugt, welches auf die Ströme der Geräuschspule 46 einwirkt, um so eine Kraft an der Membran 44 zu erzeugen, die zum Antrieb der akustischen Schwingungen innerhalb des Strömungsmittels dient; die akustische Treiberanordnung ist mechanisch mit dem Gehäuse 32 gekoppelt, einem J-rohrförmigen akustischen Resonator mit einem durch Endkappe 62 geschlossenen Ende. Bei einer typischen Vorrichtung kann der Resonator nahezu eine Viertelwellenlänge bei seiner Grundresonanz langsam sein, aber der Fachmann erkennt, daß dies nicht von wesentlicher Bedeutung für den Betrieb der Vorrichtung ist. Keine mechanische Trägheitsvorrichtung ist notwendig, da jedwede notwendige Trägheit durch das primäre Strömungsmittel selbst vorgesehen wird, welches innerhalb des J-Rohrs in Resonanz ist. Das zweite thermodynamisehe Medium weist Schichten oder Lagen auf und sollte eine kleine longitudinal^ thermische Leitfähigkeit besitzen, um den Wärmeverlust zu vermindern. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen den Platten dos Mediums 66 ein gleichförmiger Abstand d. Ein weitere? Erfordern!." hinsichtlich dos zweiten Mediums besteht darin, daß se inn effektive Wärmekapazität pro Einheitsfläche C- größer sein sollte als C des benachbarten primären

Mediums. Diese Qualitäten werden mathematisch wie folgt dargestellt:

^Cl

dabei sind C. bzw. C₂ die Wärmekapazitäten pro Einheitsvolumen des primären Strömungsmittelmediums_bzw. des zweiten festen Mediums 66 und ferner ist S> ^ - (2<_ο/ω)*'^ und schließlich ist S ~ die thermische Emarmgrxefe in das zweite Medium der thermischen Dif fusitivität t. ~ bei eirie Winkelfrequenz« = 2V f, wobei f die akustische Frequenz ist. Die Bedingung C *> C₂. wird ohne weiteres erreicht,

A₂ A₁

und zwar zusammen mit einem niedrigen longitudinalen Wärmeverlust, wenn das zweite Medium ein Material wie Kapton, Mylar, Nylon, Kunstharze oder ein rostfreier Stahl ist, und zwar für Frequenzen von einigen wenigem hundert Hertz bei einem Heliumgasdruck von ungefähr 10 Atm. Für einen effizien ten Betrieb müssen die viskosen Verluste klein sein. Dies kann erreicht werden, wenn L/*· <^ 1, wobei L die Länge des zweiten Mediums und ** die Radianlänge der akustischen Welle ist, und zwar gegeben durch λ = λ/2τ = c/2Tf, wobei c die Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittelmedium ist. Bei der Bemessung des Motors wählt man eine vernünftige Größe für L und wählt dann eine allgemeine Frequenz von L/A· « 1. Für L von ungefähr 10 bis 15 cm ist eine vernünftige Frequenz 300 bis 400 Hz für Helium bei Raumtemperatur. Der Abstand d wird, dann angenähert durch das Erfordernis ujt ">i

bestimmt, was erforderlich ist, um die notwendigen Temperaturveränderungen und die notwendige Phasenbeziehung zwischen Temperaturänderungen und primärer Strömungsmittelgeschwindigkeit zu erhalten. Hier ist die diffusive thermische Relaxationszeit gegeben für eine Parallelplatten-Geometrie durch:

V 4

dabei ist κ. - die thermische Diffusivität des primären Strömungsmediums. Für Gase ist nc in etwa umgekehrt proportional zum Druck. Der Abstand d wird dann annähernd durch die folgende Ungleichung bestimmt:

»V

d > —

Ein Druck von 10 Atm mit Heliumgas ergibt recht vernünftige Werte für d, beispielsweise ungefähr 10/tausendstel Zoll.

Diese Betrachtungen sind für die Bemessung des Motors typisch. Unter Bezugnahme auf Fig. 11 sei die Arbeitsweise beschrieben. Der akustische Treiber ist in einem Gefäß angeordnet, um dem Betriebsströmungsmitteldruck zu widerstehen und er ist mechanisch strömungsmitteldicht mit dem Resonator gekoppelt, nämlich dem J-förmigen Rohr 32. Stromleiter von der Geräuschspule werden durch die Dichtung 58 zu einer Tonfrequenzstromquelle 56 geführt. Das akustische System wurde durch ein Ventil 80 unter Verwendung der Strömungsmitteldruckversorgung 84 auf den Druck ρ gebracht. Die Frequenz und Amplitude der Tonfrequenzstromquelle werden derart ausgewählt, daß eine Grundresonanz entsprechend einer Mittelwellenlängenresonanz in dem J-förmigen Rohr 32 erzeugt wird. Ein Treiber wie beispielsweise der Treiber JBL 2482, hergestellt von

der Firma James B. Lansing Sound, Inc. wird ohne weiteres in 4
He-Gas eine Druckveränderung von eine>r Atmosphäre von Spitze zu Spitze an der Endkappe 62 dann erzeugen, wenn der durchschnittliche Druck innerhalb des Gehäuses ungefähr 10 Atm beträgt.

Da die Länge des Mediums 66 wesentlich kleiner ist als λ , ist der Druck über das zweite thermodynamisehe Medium hinweg nahezu gleichförmig- Die Effekte sind somit im wesentlichen

die gleichen wie sie bei einem üblichen mechanischen Kolben- und Zylinder-Arrangement wären, und zwar wird die gleiche Druckvariation bei dieser hohen Frequenz erzeugt.

Die Wärmepumpwirkung ergibt sich wie folgt. Es sei eine kleine Strömungsmittelmenge nahe dem zweiten Medium in einem Augenblick betrachtet, wo der Strömungsdruck null ist und ins > Positive geht. Wenn der Druck ansteigt, so bewegt sich eine kleine Strömungsmittelmenge zur Endkappe 62 hin und erwärmt sich bei der-Bewegung. Mit einer Zeitverzögerung T_x wird die Wärme zum zweiten Medium von der kleinen Strömungsmittelmenge übertragen, nachdem das Strömungsmittel sich bis zur Endkappe hin von seiner Gleichgewichtsposition aus bewegt hat, wodurch Wärme zur Endkappe übertragen wird. Der Druck fällt dann ab und damit nimmt die Temperatur ab. Diese Temperaturabnahme wird jedoch nicht zum zweiten Medium übertragen, bis sich nicht die gleiche Strömungsmittelmenge um einen signifikanten Abstand von einer Gleichgewichtsposition weg von der Endkappe 62 zur U-Biegung bewegt hat, wodurch Kälte zur U-Biegung übertragen wird. Innerhalb des zweiten Mediums löschen sich unter den Anfangsbedingungen des Null-Temperaturgradienten die Heiß- und Kühl-Effekte von nahegelegenen Strömungsirtittelteilchen aus, aber am Ende des zweiten Mediums nahe der Endkappe 62 tritt die Auslöschung nicht auf und es ergibt sich eine Erhitzung. In ähnlicher Weise kühlt sich das zweite von der Endkappe 62 weg gelegene Medium ab. Das Kühlen am Boden setzt sich solange fort, bis der Temperaturgradient und die Verluste von solcher Art sind, daß dann, wenn sich das Strömungsmittel bewegt, die Temperatur des zweiten Mediums mit der des benachbarten sich bewegenden Strömungsmittels übereinstimmt. Die Einstellung der Größe des Endraums unterhalb der Endkappe bestimmt die volumenmäßige Versetzung oder Verschiebung des Strömungsmittels am Ende des thermischen Verzögerungsraums und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Menge der gepumpten Wärme. Es sei bemerkt,

υ vj υ υ ι

H- ■'-

daß wegen des kalten Bodens die J-Rohranordnung schwerkraftmäßig stabil ist hinsichtlich der natürlichen Konvektion des primären Strömungsmittels. Wenn eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Betrieb in einer schwere-freien Umgebung wie Beispielsweise im Weltraum ausgelegt ist, so ist die J-Form für das Rohr nicht notwendig. Die J-Form für das Rohr 32 kann auch ebenso wie seine Gestalt modifiziert werden, wenn eine gewisse Verschlechterung der Leistungsfähigkeit annehmbar ist. Beispielsweise können geradlinige und U-förmige Rohre verwendet werden.

Die Erfindung soll nicht einschränkend verstanden werden. Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Eine Klasse von Wärmemotoren, basierend auf einem von Natur aus irreversiblen Wärmeübertragungsprozeß. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel des Motors ist ein komprimierbares Strömungsmittel vorgesehen, welches zyklisch komprimiert und expandiert wird, während es gleichzeitig zu einer Hin- und Herbewegung angetrieben wird, und zwar durch positive Verdrängungsantriebsmittel. Ein zweites thermodynamisches Medium wird in einem imperfekten thermischen Kontakt mit dem Strömungsmittel gehalten und zeigt eine gebrochene thermodynamische Symmetrie bezüglich des Strömungsmittels. Das zweite thermodynamische Medium ist von einer Struktur, die geeignet ist, eine niedrige Strömungsmittelflußimpedanz aufzuweisen, und zwar bezüglich des komprimierbaren Strömungsmittels und das zweite thermodynamische Medium ist ferner geeignet, nur einen mäßigen thermischen Kontakt mit dem Strömungsmittel vorzusehen. Im Betrieb wird thermische Energie längs des zweiten Mediums gepumpt, und zwar infolge einer Schadenverzögerung zwischen dem zyklischen Erhitzen und dem Abkühlen des Strömungsmittels und der sich ergebenden

- a305061

■ψ*

-geitung zwischen dein Strömungsmittel und dem Medium. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Motor einen akustischen Antrieb auf, sowie ein ein Gas enthaltendes Gehäuse, welches mit einer Resonanzfrequenz angetrieben wird, um so in einer stehenden Welle gehalten zu werden. Die Arbeitsweise des Motors mit einer akustischen Frequenz verbessert die Leistungsdichte? und den Leitfähigkeitskoeffizienten. Das zweite thermodynamische Medium kann mit geeigneten Wärmeaustauschern gekoppelt sein, um den Motor als eine einfache Kühlvorrichtung¹ mit keinen mechanischen sich bewegenden Teilen zu verwenden. Alternativ ist der Motor reversibel in seiner Funktion, um so als eine primäre Antriebsvorrichtung verwendet zu werden, und zwar durch Kupplung mit geeigneten Quellen sowie Senken für die Wärme.

Leerseite

Claims (24)

1. Paten tjmjspjrüc he

   /1./Warmemotor mit einem ersten und einem zweiten Medium in inperfektem thermischem Kontakt miteinander, wobei das erste Medium in einer Hin- und Herbewegung bezüglich des zweiten Mediums bewegbar ist, und zwar längs eines Pfades für diese Hin- und Herbewegung, wobei die Hin- und Herbewegung des ersten. Mediums begleitet ist von einer Temperaturänderung in dem ersten Medium derart, daß die Temperatur des ersten Mediums sich fortlaufend als eine Funktion von dessen Versetzung bezüglich des zweiten Mediums ändert, und wobei der durchschnittliche Wärmefluß zwischen den ersten und zweiten Medien pro Einheitslänge längs des Pfades der Hin- und Herbewegung ansteigt, und zwar längs des Pfades der Hin- und Herbewegung in einer ersten Zone, und wobei ein Abstieg längs des erwähnten Pfades der Hin- und Herbewegung in einer zweiten Zone auftritt, wodurch der Wärmemotor entweder als Wärmepumpe oder als eine primäre Bewegungsvorrichtung betreibbar ist, wobei beim Betrieb als Wärmepumpe das erste Medium in der erwähnten Hin- und Herbewegung derart angetrieben wird, daß es eine brauchbare Differentialtemperaturverteilung in dem zweiten Medium erzeugt, während beim Betrieb als primäre Antriebsvorrichtung eine differentielle oder unterschiedliche Temperaturverteilung in dem zweiten Medium vorgesehen wird, um so zu bewirken, daß das erste Medium sich in einer zyklischen Hin- und Herbewegung bewegt, die zur Durchführung einer verwendbaren mechanischen Arbeit einsetzbar ist.
2. 2. Wärmepumpe mit einem ersten und einem zweiten Medium in unvollkommenem thermischem Kontakt miteinander, wobei das erste Medium in einer Hin- und Herbewegung bezüglich des zweiten Mediums längs eines Hin- und Herbewegungspfades

   «tar vw** · « «w

   bewegbar ist, und wobei die Hin- und Herbewegung des ersten Mediums begleitet ist von einer Temperaturänderung in dem ersten Medium derart, daß die Temperatur des ersten Mediums sich fortlaufend als eine Funktion der Versetzung oder Verdrängung des ersten Mediums bezüglich des zweiten Mediums verändert, und wobei ferner der durchschnittliche Wärmefluß zwischen den ersten und zweiten Medien pro Einheitslänge längs des Hin- und Herbewegungspfades in einer ersten Zone ansteigt und in einer zweiten Zone abnimmt, wobei die Antriebsmittel mit dem ersten Medium gekoppelt sind, um das erste Medium in der Hin- und Herbewegung anzutreiben, wodurch das Antreiben des ersten Mediums in der Hin- und Herbewegung die Erzeugung einer unterschiedlichen oder differentiellen Temperaturverteilung in dem zweiten Medium zur Folge hat.
3. 3. Wärmepumpe nach Anspruch 2, wobei die Antriebsmittel einen akustischen Treiber aufweisen und wobei das erste Medium ein Strömungsmittel, enthalten in dem Gehäuse ist.
4. 4. Wärmepumpe nach Anspruch 2, wobei die Antriebsmittel ein akustischer Treiber sind und wobei das erste Medium ein Gas enthalten im Gehäuse ist und wobei ferner das zweite Medium in dem Gehäuse in unvollkommenem thermischem Kontakt mit dem Gas angeordnet ist und wobei schließlich das zweite Medium eine Struktur aufweist, die eine niedrige Gasflußimpedanz in Richtung der Hin- und Herbewegung des Gases besitzt, wobei das zweite Medium eine Wärmekapazität größer als die Wärmekapazität des Gases aufweist.
5. 5. Wärmepumpe nach Anspruch 4, wobei das Gas durch den akustischen Treiber mit einer Resonanzfrequenz angetrieben wird.
6. 6. Wärmepumpe nach Anspruch 4, wobei das zweite thermodynamische Medium eine Vielzahl von langgestreckten, mit Abstand angeordneten Platten aufweist, die derart orientiert sind, daß sie sich parallel in der Richtung der Hin- und Herbewegung des Gases erstrecken.
7. 7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, wobei das Gas mit einer akustischen Frequenz angetrieben wird, die annähernd umgekehrt mit der thermischen Relaxationszeit des Gases bezüglich des zweiten Mediums in Beziehung steht.
8. 8. Wärmepumpe nach Anspruch 6 ferner gekennzeichnet durch Wärmesenken oder Abführmittel, gekuppelt mit den Enden des zweiten thermodynamisehen Mediums, wodurch die von einem Ende des zweiten Mediums abgezogene Wärme einen Kühleffekt am entgegengesetzten Ende des zweiten Mediums zur Folge hat.
9. 9. Wärmepumpe nach Anspruch 8, wobei jede der Platten ein Paar von Endabschnitten aufweist, die gebildet werden aus einem ersten Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und wobei ferner ein Zwischenabschnitt vorgesehen ist, der aus einem Material gebildet ist mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit.
10. 10. Wärmepumpe nach Anspruch 9, wobei das Gehäuse ein zylindrisches rohrförmiges Gehäuse ist und wobei die Wärmesenkenmittel in thermischem Kontakt mit Teilen des Gehäuses benachbart zu den Endabschnitten der Platten stehen, und wobei die Endabschnitte der Platten in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse stehen und wobei schließlich die Zwischenabschnitte mit Abstand von dem Gehäuse angeordnet sind.
11. 11. Wärmepumpe nach Anspruch 4, wobei das zweite thermodynamische Medium eine Vielzahl von im wesentlichen ebenen

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    Drahtmaschenschirmen aufweist, deren jeder derart orientiert ist, daß sie sich parallel zueinander und quer bezüglich der Hin- und Herbewegungsrichtung des Gases erstrecken, wobei die Drahtschirme mit Abstand voneinander angeordnet sind.
12. 12. Wärmepumpe nach Anspruch 4, wobei das erste thermodynamisch^ Medium gasförmiges Helium ist, und zwar enthalten mit einem Druck im wesentlichen oberhalb des atmosphärischen Druckes.
13. 13. Wärmepumpe nach Anspruch 4, wobei das zweite Medium eine Vielzahl von Elementen aufweist, deren jedes eine niedrige Impedanz gegenüber dem Strömungsmittelfluß in der Richtung der Hin- und Herbewegung des Gases besitzt, und wobei die Elemente mit Abstand voneinander in der Richtung der Hin- und Herbewegung angeordnet sind, und zwar annähernd mit dem Abstand der örtlichen Hin- und Herversetzung des Gases.
14. 14. Wärmepumpe nach Anspruch 5, wobei das Gehäuse ein im wesentlichen rohrförmiges langgestrecktes Gehäuse ist, welches an einem Ende abgeschlossen ist und wobei der akustische Treiber ein elektromagnetischer akustischer Treiber, angeordnet am entgegengesetzten Ende des Gehäuses ist und wobei die Vielzahl der Platten die des zweiten dynamischen Mediums bilden, angeordnet ist zwischen dem Treiber und dem geschlossenen Ende des Gehäuses.
15. 15. Primäre Antriebsvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Medium in unvollkommenem thermischem Kontakt miteinander, wobei das erste Medium in einer Hin- und Herbewegung bezüglich des zweiten Mediums längs eines Hin- und Herbewegunqspfades beweglich ist, und wobei die Hin- und Herbewegung des ersten Mediums begleitet ist von einer

    Temperaturänderung im ersten Medium derart, daß die Temperatur des ersten Mediums sich fortlaufend als eine Funktion der Versetzung oder Verschiebung des ersten Mediums bezüglich des zweiten Mediums ändert, und wobei der durchschnittliche Wärmefluß zwischen den ersten und zweiten Medien pro Einheitslänge längs des Hin- und Herbewegungspfades in einer ersten Zone ansteigt und einer zweiten Zone abnimmt, und wobei Mittel vorgesehen sind, die thermisch mit dem zweiten Medium in Verbindung stehen, um eine differentielle Temperaturverteilung in dem zweiten Medium zu induzieren, um dadurch eine zyklische Hin- und Herbewegung des ersten Mediums zur Folge zu haben, die zur Durchführung einer brauchbaren mechanischen Arbeit anlegbar ist.
16. 16. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das erste thermodynamisch^ Medium ein Strömungsmittel ist, welches in einem Gehäuse enthalten ist und wobei das zweite thermodynamische Medium in dem Gehäuse in unvollkommenem Kontakt mit dem Strömungsmittel angeordnet ist.
17. 17. Primäre Antriebsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das zweite thermodynamische Medium eine Struktur aufweist, die eine niedrige Impedanz gegenüber Strömungsmittelfluß in der Richtung der Hin- und Herbewegung des Strömungsmittels aufweist, und wobei das zweite thermodynamische Medium eine substantielle Wärmekapazität bezüglich des Strömungsmittels besitzt.
18. 18. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das zweite thermodynamische Medium eine Vielzahl von langgestreckten mit Abstand angeordneten Platten aufweist, und zwar derart orientiert, daß sie sich parallel zur Richtung der Hin- und Herbewegung des Strömungsmittels erstrecken.

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19. 19. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Strömungsmittel differentiell oder unterschiedlich erhitzt wird, und zwar durch das zweite Medium derart, daß ein Antrieb mit einer Resonanzfrequenz erfolgt, die annähernd umgekehrt mit der thermischen Relaxationszeit des Strömungsmittels bezüglich des zweiten Mediums in Beziehung steht.
20. 20. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Wärmeaustauschermittel, gekoppelt mit den Enden des zweiten thermodynamischen Mediums für die differentielle Erhitzung des zweiten Mediums.
21. 21. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei jede der Platten ein Paar von Endabschnitten aufweist, die aus einem ersten Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet sind und mit einem Zwischenabschnitt, ausgebildet aus einem Material mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit.
22. 22. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Gehäuse ein zylindrisches rohrförmiges Gehäuse ist und wobei die Wärmeaustauschmittel in thermischem Kontakt mit Teilen des Gehäuses, benachbart zu den Endabschnitten der Platten stehen und wobei die Endabschnitte der Platten in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse stehen, und wobei die Zwischenabschnitte mit Abstand gegenüber dem Gehäuse angeordnet sind.
23. 23. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das erste thermodynarnische Medium ein Gas ist, welches differentiell durch das zweite thermodynarnische Medium derart erhitzt wird, daß es zu einer oszillierenden Hin- und Herbewegung mit einer akustischen Resonanzfrequenz angetrieben wird.
24. 24. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Ga.s Helium ist, und zwar eingeschlossen mit einem Druck im wesentlichen oberhalb des atmosphärischen Drucks.