DE3416600A1

DE3416600A1 - Triebwerk fuer im wesentlichen nach dem vuilleumierprozess arbeitende klimaanlage bzw. waermepumpe

Info

Publication number: DE3416600A1
Application number: DE19843416600
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof. Dr. 6900 Heidelberg Krauch; Peter Prof. Dr.-Ing. 6940 Weinheim Kuhn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-20
Filing date: 1984-02-20
Publication date: 1985-08-22

Description

Patentbeschreibung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dae Triebwerk einer im wesentlichen nach dem Vuilleumierprozefl arbeitenden Maschine, die als Klimagerät zur Kühlung oder als Wärmepumpe zur Heizung von Kraftfahrzeugen oder Wohnräumen eingesetzt werden kann.

Insbesondere betrifft die Erfindung das Triebwerk einer selbstlaufenden Klimaanlage bzw. Wärmepumpe, die im Falle der Anwendung in einem Kraftfahrzeug von den heißen Abgasen des Fahrzeugmotors angetrieben wird, und im Falle der Anwendung in Wohnräumen durch eine Flamme.

Nach, dem Vuilleumierprozefl arbeitende Maschinen sind durch drei in ihrem Tolumen periodisch veränderliche Arbeitsräume gekennzeichnet, die untereinander in Verbindung stehen. In einem der Arbeitsräume wird dem Arbeitsmedium bei hoher Temperatur Wärme zugeführt, beispielsweise aus dem Abgas eines Fahrzeugmotors. Er wird der heiße Arbeitsraum genannt.

In einem zweiten Arbeitsraum, dessen zeitlicher Volumenver-Γ lauf dem des heißen Arbeitsraumes mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad nacheilt, wird dem Arbeitsmedium bei tiefer Temperatur Wärme zugeführt, beispielsweise aus der zu kühlenden Luft. Er wird der kalte Arbeitsraum genannt.

Im dritten Arbeitsraum, dessen Volumen zeitlich so veränderlich ist, daß das Gesamtvolumen aller drei Arbeitsräume konstant ist, wird die in den beiden ersten Arbeitsräumen aufgenommene Wärme abgeführt. Die Temperatur in diesem Arbeitsraum muß um die zur Wärmeabfuhr notwendige Temperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur liegen. Der dritte Arbeitsraum wird daher der warme Arbeitsraum genannt.

Obwohl das Gesamtvolumen der drei untereinander in Verbindung stehenden Arbeitsräume zeitlich konstant ist, entsteht eine periodische Druckschwankung im Arbeitsmedium mit einem Druckmaximum dann, wenn der heiße Arbeitsraum sein größtes Volumen erreicht.

Die Arbeitsräume werden von geeignet bemessenen Zylindern und -von Kolben begrenzt, die von einer Kurbelwelle angetrieben werden. Der Kurbelwelle muß die mechanische Arbeit zugeführt werden, die zum Hin- und Hersch'ieben des Arbeitsmediums zwischen den Arbeitsräumen notwendig ist.

Nach dem Stand der Technik ist es möglich, ohne Zufuhr mechanischer Energie von außen auszukommen und sie aus dem in der Maschine selbst ablaufenden Prozeß zu gewinnen. Dazu ist es lediglich notwendig, das Gesamtvolumen aller drei Arbeitsräume nicht genau konstant zu halten, sondern periodisch so zu verändern, daß es in der Phase höchsten Druckes zunimmt und in der Phase niedrigsten Druckes abnimmt. Man überlagert also der im wesentlichen nach dem Vuilleumierprozeß arbeitenden Maschine einen zum Selbstantrieb gerade ausreichenden Stirlingprozeß. Die Maschine läßt sich mit einem Triebwerk verwirklichen, bei welchem geeignet bemessene Stufenkolben über Pleuelstangen, Kreuzköpfe, Kolbenstangen und eine Kurbelwelle gekoppelt sind. Trotz Einsparung eines Antriebsmotors sind Bauaufwand, Bauraum und Gewicht für eine praktische Anwendung noch zu hoch.

Ifa ch dem Stand der Technik ist es auch bekannt, zwei Kolben in je einem Zylinder so anzuordnen, daß die insgesamt vier Kolbenstirnseiten die beweglichen Begrenzungswände von vier Räumen bilden und die beiden Kolben über kulissenartige Aussparungen im mittleren Teil ihrer axialen Erstreckung durch die Hubzapfen einer Kurbelwelle mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad anzutreiben. Einer der Räume ist dann der heiße Arbeitsraum, derjenige,

dessen zeitlicher Volumenverlauf dem des heißen Arbeitsraumes um 90 Grad nacheilt, ist der kalte Arbeitsraum, und die beiden übrigen Räume bilden Zusammen den warmen Arbeitsraum. Der Vorteil dieser kompakten Bauweise wird allerdings durch die Notwendigkeit eines Antriebsmotors weitgehend aufgehoben.

Ausgehend von obigem Stand der Technik besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein selbstlaufendes Triebwerk kompakter und gleichzeitig wesentlich einfacherer Bauart zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zwei Kolben in je einem Zylinder in an sich bekannter Weise so anzuordnen, daß die insgesamt vier Kolbenstirnseiten die beweglichen Begrenzungsflächen für die vier periodisch veränderlichen Räume bilden, die Achsen der Kolben bzw. Zylinder in an sich bekannter Weise senkrecht zueinander anzuordnen, die beiden Kolben jeweils im mittleren Teil ihrer axialen Erstreckung durch je ein Drehgelenk mit einem Verbindungsglied zu verbinden, so daß die beiden Kolben und das Verbindungsglied die drei beweglichen Glieder eines an sich bekannten, viergliedrigen, ebenen und umlauffähigen Gek triebes bilden, und die den kalten Arbeitsraum begrenzende Kolbenstirnfläche etwas größer auszuführen als die gegenüberliegende Stirnfläche des gleichen Kolbens. '

Aufgrund der Kinematik des erfindungsgemäß angewendeten, an sich bekannten Getriebes ergeben sich für die beiden Kolben periodische, um 90 Grad phasenverschobene Hubbewegungen, so daß die vier periodisch veränderlichen Räume tatsächlich nach dem Stand der Technik zusammenarbeiten können. -

Da der zeitliche Volumenverlauf des kalten Arbeitsraumes demjenigen des^heißen Arbeitsraumes.um 90 Grad nacheilt, bewirkt eine Vergrößerung der den kalten Arbeitsraum be-

grenzenden Kolbenatirnseite verglichen mit der gegenüberliegenden Stirnseite des gleichen Kolbens eine Zunahme des Gesamtvolumens dann, wenn der' heiße Arbeitsraum sein größtes Volumen und das Arbeitsmedium seinen höchsten. Druck erreicht und umgekehrt. Durch dieses, an sich bekannte Zusammenspiel von Druck- und Volumenverlauf wird den bewaglichen Teilen des Triebwerkes mechanische Energie zugeführt.

Insgesamt ergibt sich erfindungsgemäß ein denkbar einfaches, insbesondere wellenloses Triebwerk.

Bild 1 zeigt eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Konstruktion. Der Kolben 1 bildet mit einer seiner Stirnflächen die bewegliche Begrenzung des heißen Arbeitsraumes 2, mit der anderen Stirnfläche die bewegliche Begrenzung des Teilraumes 3 des warmen Arbeitsraumes· Der Kolben bildet mit der einen Stirnfläche die bewegliche Begrenzung des kalten Arbeitsraumes 5, mit der anderen Stirnfläche die bewegliche Begrenzung des Teilraumea 6 des warmen Arbeitsraumes. Das Verbindungsglied 7 greift mit seinen beiden Zapfen in die Querbohrungen der Kolben ein und hält deren Achsen 3 und 9, die selbstverständlich gleichzeitig die Achsen der aus den Zapfen und den Bohrungen gebildeten Drehgelenke sind auf dem konstanten Abstand a. In der gezeigten Stellung des Triebwerkes bewegen sich die Kolben in den durch Pfeile angegebenen Richtungen. Der heiße Arbeitsraum hat annähernd sein größtes Volumen erreicht, so daß das Arbeitsmedium annähernd seinen höchsten Druck erreicht hat. Gleichzeitig vergrößert sich das Gesamtvolumen, da die Kolbenstirnfläche am sich vergrößernden kalten Arbeitsraum 5 etwas größer ausgeführt ist als am sich verkleinernden Teilraum 6 des warmen Arbeitsraumea. Auf diese Weise wird die zur Bewegung des Arbeltsmediums notwendige mechanische Arbeit aufgebracht. Die zur Überwindung der Totlagen notwendige Energie wird in den beiden Kolben gespeichert, die bei gleicher Masse und jeweils harmonischer, um 90 Grad phasen-

verschobener Bewegung einer rotierenden Schwungmasse gleichwertig sind· Die in Bild 1 gezeigte Ausführungsfonn des Erfindungsgegenstandes kommt vorzugsweise dann zur Anwendung, wenn das Volumen des heißen Arbeitsraumes 2 ungefähr so grofl zu bemesaen ist wie das Hubvolumen des kalten Arbeitsraumes 5·

Je nach Verwendungszweck bzw. genaueren Temperaturen in den drei Arbeitsräumen können aber auch stärker voneinander abweichende Hubvolumina zu einem optimalen Ergebnis führen. Entsprechende Ausführungsformen können durch Variation der Ausführungsform nach Bild 1 gewonnen werden.

Beispielsweise zeigt Bild 2 eine Ausführungsform, die durch Verdoppelung des den kalten Arbeitsraum begrenzenden Kolbens bzw. Zylinders entstanden ist. Insgesamt sind dann 6 Arbeitsräume bzw. Teilarbeitsräume vorhanden, nämlich der heiße Arbeitsraum 2, zwei synchron veränderliche kalte Teilarbeitsräume 5, ein warmer Teilarbeitsraum 3 und zwei synchron veränderliche warme Teilarbeitsräume Die Ausführungsform nach Bild 2 bietet außerdem aufgrund ihres symmetrischen.Aufbaues den Vorteil der momentenfreien Belastung der Drehgelenke. ■

Aber auch bei einer Ausführung mit zwei Kolben wird ein symmetrischer Aufbau erreicht, wenn die Kolben- bzw. Zylinderachsen in einer Ebene Liegen.

Bild 3 zeigt eine dementsprechende Ausführungsform, bei der das Hubvolumen des kalten Arbeitsraumes 5 rund viermal so groS ist wie dasjenige des heißen Arbeitsraumes Die Kolbendurchmesser verhalten sich ungefähr wie 1 zu 2, so daß der den heißen Arbeitsraum 2 begrenzende Kolben --.. durch ein Langloch.im anderen Kolben hindurchgeführt werden kann.

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Selbstverständlich kHmien die Ausführungsformen nach den Bildern 2 und 3 auch /.ugunsten eines vergrößerten heißen Arbeitsraumes ausgeführt werden. "

Die Ausführungsform nnoh Bild 1 kann auch dahingehend variiert werden, daß die Zuordnung der Bohrungen und Zapfen, die zusammen jeweils titn Drehgelenk zwischen Kolben und Verbindungsglied bildtm, zu Kolben und Verbindungsglied vertauscht wird. Jeder Kolben trägt dann einen Zapfen, der in eine Bohrung im Verbindungsglied eingreift. Bild 4 zeigt eine dem entsprechende Ausführungsform. Bei ihr sind die Kolben im mittleren Tall ihrer axialen Erstreckung jeweils einseitig bis über die Hälfte ihres Querschnittes hinaus seitlich ausgenommen, no daß die Achsen beider Kolben in einer Ebene angeordnet; werden können. Diese Ebene bildet gleichzeitig die auf den Achsen 8 und 9 der Drehgelenke, die von den an den Kolben angebrachten Zapfen und den im Verbindungsglied angebrachten Bohrungen gebildet werden, senkrecht stehende MiUelebene dieser Drehgelenke, die somit momentenfrei belaafcot werden.

Je nach Auslegung im einzelnen kann auch eine Anordnung zu einem optimalen Ergebnis führen, bei der die beiden Kolbenachsen, wie an aIch bekannt, nicht genau senkrecht aufeinander stehen, so daß eine von 90 Grad etwas abweichende Phasenverschiebung entsteht. Dies ist sowohl bei den Ausführungsformen nach den Bildern 1 und 2 möglich, bei welchen die Kolbemxchsen nicht in einer Ebene liegen, als auch bei den AusfUhrungsformen nach den Bildern 3 und 4, bei welchen die Kolbenachsen in einer Ebene liegen.

Die Klimaanlage bzw. die Wärmepumpe mit <lom erfindungsgegemäßen Triebwerk kann auch so auoKele«!. wurden, daß den Kolben mehr mechanische Energie zugeführt wird als zum Hin- und Herbewegen des Arbeitofflodiumt» notwendig ist. Dazu ist im wesentlichen ein grtföerer *Ί M..|,_enunterschied

zwischen der den kalten Arbeitsraum begrenzenden Kolbenstirnseite und der ihr gegenüberliegenden Stirnseite des gleichen Kolbens notwendig. Die überschüssige mechanische Energie kann mittels eines erfindungsgemäß direkt mit einem der Kolben verbundenen Schwingankers in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Stromversorgung eines Kraftfahrzeugs oder einer Wohnung kann dann von der Klimaanlage bzw. der Wärmepumpe mit übernommen werden.

Da es aus Gründen der thermischen Ähnlichkeit nicht möglich ist, die Kolbenabmessungen beliebig zu vergrößern, können bei größeren Kühl-, Heiz- und elektrischen Leistungen erfindungsgemäß auch mehrere Triebwerke in einer Einheit zusammengefaßt werden.

Das erfindungsgemäße Triebwerk ermöglicht aufgrund seiner überaus kompakten und denkbar einfachen, insbesondere auch wellenlosen Konstruktion die wirtschaftliche Herstellung von Klimaanlagen, die auch bei den beengten Platzverhältnissen der Personenkraftwagen anwendbar sind und die zur Heizung, Kühlung und Stromerzeugung lediglich die sonst verlorene Abgaswärme des Fahrzeugmotors benötigen. Es muß also weder zum Antrieb der eigentlichen Klimaanlage noch zur Stromerzeugung der Kurbelwelle des Fahrzeugmotors mechanische Energie entzogen werden. Dies führt insbesondere im häufig gefahrenen, unteren Teillastbereich des Antriebsmotors zu prozentual erheblicher Kraftstoffersparnis und zu geringerer Umweltbelastung. Beim Einsatz in Wärmepumpen zur Wohnraumbeheizung kommt zwar die kompakte Bauart des erfindungsgemäßen Triebwerkes weniger zum Tragen, jedoch ermöglicht die einfachheit der Konstruktion auch bei dieser Anwendung eine besonders wirtschaftliche Herstellung, was einen wesentlichen, patentbegründenden Portschritt gegenüber dem Stand der· Technik darstellt.

Claims

3415600

Triebwerk für im wesentlichen nach dem Vuilleumierprozeß arbeitende_/ Klimaanlage bzw. Wärmepumpe

Patentansprüche

1J Triebwerk für im wesentlichen nach dem Vuilleumierprozeß arbeitende Klimaanlage für Kraftfahrzeuge bzw« Wärmepumpe für Hausenergiesysteme, bei welchem sich zwei Kolben in je einem Zylinder periodisch mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad hin- und herbewegen, und bei welchem die insgesamt vier Kolbenstirnflächen die beweglichen Begrenzungsflächen für vier periodisch veränderliche Räume bilden, von denen einer der heiße Arbeitsraum ist und von denen derjenige, dessen Volumen · dem des heißen Arbeitsraumes um 90 Grad nacheilt der kalte Arbeitsraum ist, während die beiden übrigen Räume warme teilarbeitsräume sind, die zusammen den warmen Arbeitsraum bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kolben bzw. Zylinder in an sich bekannter Weise aufeinander senkrecht stehen, daß die beiden Kolben etwa in der Mitte ihrer axialen Erstreckung zusammen mit einem Verbindungsglied je ein Drehgelenk bilden, so daß ein an sich bekanntes, ebenes, viergliedriges und umlauffähiges Getriebe entsteht, und daß die den kalten Arbeitsraum begrenzende Kolbenstirnfläche etwas größer ausgeführt ist als die gegenüberliegende Stirnfläche des gleichen Kolbens.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die doppelte Anordnung eines der Kolben, so daß insgesamt drei Kolben vorhanden sind, von denen sich jedoch zwei parallel und synchron bewegen und thermodynamisch gesehen zusammen einen Kolben bilden.
3. Triebwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achsen der Kolben bzw. der Zylinder in einer Ebene befinden, so daß sich die Kolben gegenseitig kreuzen bzw· durchdringen.
4· Triebwerk nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kolben im mittleren Teil seiner axialen Erstreckung ein quer durchgehendes Langloch aufweist, durch welches der andere Kolben hindurchgeht«
5· Triebwerk nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben im mittleren Teil ihrer axialen Erstreckung jeweils einseitig über die Hälfte ihres Querschnittes hinaus ausgenommen sind.
6. Triebwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen der von den Kolben mit dem Verbindungsglied gebildeten Drehgelenke am Verbindungsglied angebracht sind, und die Bohrungen an den Kolben.
7. Triebwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen der von den Kolben mit dem Verbindungsglied gebildeten Drehgelenke an den Kolben angebracht sind, und die Bohrungen am Verbindungsglied.
8. Triebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kolben bzw. der Zylinder in an sich bekannter Weise einen nicht genau rechten Winkel einschließen.
9- Triebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an einem der Kolben ein Schwinganker zur Erzeugung elektrischen Stromes angebracht ist.
10. Triebwerk für Klimaanlage bzw. Wärmepumpe gekennzeichnet durch die Mehrfachanordnung eines Triebwerkes nach den Ansprüchen 1 bis 9 in einer Einheit.