DE3536710A1 - Waermewandler und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmewandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wärmewandlers.

Unter dem Begriff "Wärmewandler" sollen Einrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen verstanden werden, welche mit thermodynamischen Zustandsänderungen eines Arbeits­ fluids arbeiten.

Aus der US-PS 12 75 507 (Rudolph Vuilleumier), insbe­ sondere Fig. 2 und 3, ist eine Wärmepumpe bekannt, welche ein zylindrisches Gehäuse enthält, das einen "heißen" Endteil, einen mittleren Teil und einen "kalten" Endteil aufweist, die jeweils mit einem Wärmetauschermantel umgeben sind. Im Gehäuse befinden sich zwei längsverschiebliche Kolben, die als Verdrän­ ger dienen und jeweils einen Regenerator enthalten. Bei einem typischen Arbeitszyklus befindet sich anfangs im heißen und im kalten Endabschnitt jeweils ein Kolben. Während einer ersten Phase des Arbeitszyklus wird der Kolben aus dem heißen Endteil in die Mitte des mittleren Abschnitts des Gehäuses bewegt, wobei ein Teil des Arbeitsfluids aus dem mittleren Abschnitt durch den Regenerator dieses Kolbens in den heißen Endabschnitt verdrängt wird. Während einer zweiten Phase des Arbeitszyklus wird der Kolben aus dem kalten Endabschnitt zur Mitte des mittleren Abschnitts bewegt, wobei das Arbeitsfluid aus der zweiten Hälfte des mittleren Abschnitts durch den Regenerator dieses zweiten Kolbens in den kalten Endabschnitt verdrängt wird. In einer dritten Phase wird der ersterwähnte Kolben wieder in den heißen Endabschnitt zurückbewegt, wobei das heiße Arbeitsfluid aus diesem Endabschnitt durch den Regenerator in den frei werdenden Teil des mittleren Abschnitts strömt, und in einer vierten Phase des Arbeitszyklus wird der zweite Kolben in den kalten Endabschnitt zurückbewegt. Durch die Wärmetauschermän­ tel wird dem heißen Endabschnitt Wärmeenergie in einem hohen Temperaturbereich und dem kalten Endabschnitt Wärmeenergie in einem niedrigen Temperaturbereich zugeführt und vom mittleren Abschnitt wird Wärmeenergie in einem mittleren Temperaturbereich abgeführt, ähnlich wie bei einer Absorptions-Wärmepumpe.

Bei einer Vuilleumier-Maschine braucht für die Bewegung der als Verdränger und Regenerator arbeitenden Kolben theoretisch keine Arbeit aufgewendet zu werden, da keine Kompression des Arbeitsfluids stattfindet und zwischen den Enden der Kolben jeweils nur der für ein Überströmen des Arbeitsfluids erforderliche geringe Druckunterschied erzeugt zu werden braucht. Praktisch müssen daher lediglich die unvermeidlichen Reibungsver­ luste gedeckt werden. Man kann außerdem einfache, ungiftige Arbeitsfluide, z. B. Gase wie Helium verwen­ den; Absorptionsmittel wie bei Absorber-Maschinen sind nicht erforderlich. Trotz dieser Vorteile haben sich Vuilleumier-Maschinen bisher in der Praxis nicht in größerem Umfange durchsetzen können. Ein Grund hierfür dürfte darin bestehen, daß sich der oben beschriebene einfache Zyklus in der Praxis nur schlecht realisieren läßt, da sich das thermische Gleichgewicht zwischen dem Wärmeträger in den Wärmetauschermänteln und dem Arbeitsfluid in den von den betreffenden Wärmetauschermänteln umgebenen Gehäusebereichen wegen des schlechten Wärmetausches nur langsam einstellt. Wenn man thermodynamisch günstige Verhältnisse errei­ chen will (auf Einzelheiten wird noch eingegangen), so ergeben sich zu lange Zykluszeiten und damit eine für die Praxis zu geringe Leistung der Maschine. Bei kürzerer Zyklusdauer stellt sich andererseits das thermische Gleichgewicht zwischen dem Wärmeträger im Wärmetauschermantel und dem umschlossenen Arbeitsfluid nur unvollkommen ein, und es ergeben sich ungünstige thermodynamische Verhältnisse, wodurch der Wirkungs­ grad (Verhältnis der Mitteltemperatur-Nutzwärmeleistung oder der Tieftemperatur-Kälteleistung zur Hochtempera­ tur-Eingangswärmeleistung) leidet. Außerdem sind die bekannten Vuilleumier-Wärmepumpen mechanisch kompli­ ziert, so daß die Herstellungskosten entsprechend hoch sind und der Raumbedarf verhältnismäßig groß ist.

Zur Verbesserung des Wärmetausches im mittleren Tempe­ raturbereich ist es zwar bekannt, für die kalte Seite und die heiße Seite einer Vuilleumier-Maschine jeweils einen eigenen zylindrischen Arbeitsraum vorzusehen und diese beiden Arbeitsräume durch eine Leitung zu verbin­ den, die durch einen Wärmetauscher führt (G. Pitcher in "Intersociety Energy Conversion Engeneering Confe­ rence"). Im "kalten" Zylinder befindet sich ein als Regenerator ausgebildeter Verdrängerkolben, während sich im "heißen" Zylinder ein einfacher, hohler Verdrängerkolben befindet. Die Verdrängerkolben sind über ein Kurbelgetriebe miteinander verbunden, das den Kolben eine sinusförmige, gegeneinander um 90° phasen­ verschobene Bewegung erteilt. Nachteilig an dieser Lösung ist der den Wirkungsgrad herabsetzende Totraum der die beiden Zylinder verbindenden Leitung und des Wärmetauschers.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit bzw. den Wirkungsgrad einer Einrichtung des eingangs genannten Typs zu verbessern bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungskosten.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete und im folgenden erläuterte Erfindung gelöst.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung hat eine Reihe wesentlicher Vorteile: Dadurch, daß die als Verdränger und Regenerator arbeitenden Kolben koaxial in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wird das schäd­ liche Totraum-Volumen auf ein Minimum herabgesetzt. Wenn im Gehäuse außerdem noch der Antrieb für die Kolben untergebracht ist, was bei einer bevorzugten Ausführungsform der Fall ist, ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau, der sich kostengünstig herstellen läßt.

Dadurch, daß dem Arbeitsfluid eine tangentiale Bewe­ gungskomponente und somit eine Rotationsbewegung er­ teilt wird, ergibt sich eine starke Verwirbelung des Arbeitsfluids und eine innige Berührung des ganzen Arbeitsfluids mit den Wänden des betreffenden Arbeits­ raumes, so daß ein weitgehend vollkommener Wärmetausch zwischen dem Wärmeträger im Wärmetauschermantel und dem eingeschlossenen Arbeitsfluid und damit ein schneller Temperaturausgleich gewährleistet sind. Die tangentiale Bewegungskomponente wird vorzugsweise dadurch erzeugt, daß die Auslaßvorrichtungen der Kolben bzw. Verdränger, insbesondere auch bei axialem Stillstand der Kolben und/oder die Kolben bzw. die in ihnen befindlichen Regeneratoren rotieren.

Ein spezielles Merkmal der vorliegenden Einrichtung ist ein besonders vorteilhaftes und kompakt bauendes Getriebe, welches die abschnittsweise hin- und herge­ hende Translationsbewegung sowie Rotation der Kolben bewirkt, wobei in sehr vorteilhafter Weise eine Rückgewinnung der beim Abbremsen der Linearbewegung eines Kolbens frei werdenden kinetischen Energie stattfindet. Dieses Getriebe läß sich auch für andere Zwecke als den vorliegenden Wärmewandler mit Vorteil verwenden, wenn eine hin- und hergehende Bewegung und/oder eine Rotationsbewegung eines Bauteils benötigt werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer bevorzug­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Wärmepumpentei­ les der Einrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht eines Teiles des Antriebes der Einrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine abgewickelte Darstellung einer Steuerkur­ venanordnung des Antriebsteiles gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine genauere Darstellung eines in Fig. 4 durch einen gestrichelten Kreis bezeichneten Teiles der Steuerkurvenanordnung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung und ein Diagramm zur Erläuterung eines Arbeitszyklus der Einrich­ tung gemäß Fig. 1;

Fig. 7 ein Diagramm, welches die Änderungen der für das Arbeitsfluid zur Verfügung stehenden freien Volumina während des Arbeitszyklus darstellt;

Fig. 8 ein Temperatur-Entropie-(T/S-)Diagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Arbeitsweise der vorliegenden Einrichtung und

Fig. 9 ein entsprechendes Druck-Volumen-(P/V-)Dia­ gramm.

Die in Fig. 1 schematisch im Axialschnitt dargestellte Einrichtung hat ein zylindrisches Gehäuse 10, in dem sich in vorteilhafter Weise sowohl eine Wärmepumpenein­ heit 12 als auch eine Getriebeeinheit 14 und ein Antriebsmotor 16, z. B. ein Elektromotor befinden. Bei der dargestellten Ausführungsform hat das rohrförmige Gehäuse 10 einen gleichbleibenden Durchmesser. Die in Fig. 2 genauer dargestellte Wärmepumpeneinheit enthält ein gasförmiges Arbeitsfluid, z. B. Helium, und zwei Kolben 18, 20, die jeweils als Verdränger und Regenera­ tor ausgebildet sind. Die Kolben 18, 20 enthalten jeweils einen Mantel 22, 24 aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit sowie eine gasdurchlässige Füllung 26, 28 aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmekapazität, die als Regenerator arbeitet. Der Kolben 18 ist über eine Kolbenstange 30 mit der Getriebeeinheit 14 verbunden, der Kolben 20 ist über eine hohle Kolbenstange 32, die die Kolbenstange 30 umschließt, mit der Getriebeeinheit 14 verbunden. Die Kolbenstangen sind gegeneinander und gegen eine den Wärmepumpenteil vom Getriebeteil trennende Zwischenwand 34 z. B. durch O-Ring-Dichtungen 36 bzw. 38 gasdicht abgedichtet.

Der zur Wärmepumpeneinheit gehörende Teil des Gehäuses 10 bildet drei Arbeitsräume, nämlich einen "heißen" Arbeitsraum 40, einen mittleren Arbeitsraum 42 und einen "kalten" Arbeitsraum 44, der bei der in Fig. 2 dargestellten Stellung der Kolben vom zweiten Kolben 20 ausgefüllt wird. Jedem Arbeitsraum ist ein Wärmetau­ scherelement zugeordnet: Dem heißen Arbeitsraum 40 ein Wärmetauscherelement 46, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus äußeren, vorspringenden Rippen besteht, durch das zum Beispiel Wärme von Verbrennungs­ gasen oder einem anderen heißen Fluid durch die Ge­ häusewand in das Arbeitsgas im heißen Arbeitsraum 40 geleitet werden kann. Dem mittleren Arbeitsraum ist ein Wärmetauscherelement 48 in Form eines Kühlmantels zugeordnet, durch das ein Wärmeträgerfluid, z. B. Wasser, geleitet wird, um die auf einem mittleren Temperaturbereich entstehende Wärme abzuführen, die bei Verwendung der Einrichtung zum Heizen Nutzwärme und bei Verwendung der Einrichtung zum Kühlen Abwärme dar­ stellt. Dem kalten Arbeitsraum 44 ist schließlich ein Wärmetauscher 50 in Form eines weiteren Wärmetauscher­ mantels zugeordnet, durch das ein Wärmeträgerfluid geleitet wird, das bei Verwendung der Einrichtung zum Heizen Wärmeenergie niedriger Temperatur, z.B. Umge­ bungswärme, zuführt, die dann in den mittleren Tempera­ turbereich "hochgepumpt" wird, während das Wärmeträger­ fluid bei Verwendung der Einrichtung zum Kühlen die abzuführende Wärme zum kalten Arbeitsraum 44 transpor­ tiert.

Um einen raschen Wärmeübergang zu gewährleisten, kann die Innenwand jedes Arbeitsraumes zur Vergrößerung der Oberfläche mit Rippen 52 oder einer anderen Struktur zur Oberflächenvergrößerung versehen sein, wie in Fig. 2 zur Vereinfachung der Zeichnung nur beim mittleren Arbeitsraum 42 dargestellt ist.

Ferner wird der Wärmeübergang zwischen dem gasförmigen Arbeitsfluid, z.B. Helium, in der Wärmepumpeneinheit und den jeweiligen Wärmetauscherelementen dadurch stark gefördert, daß an den Enden der Kolben spezielle Gasauslaßvorrichtungen 54 vorgesehen sind, die u. a. als Ablenkvorrichtungen wirken, welche das aus dem zugehörigen Regenerator austretende Arbeitsgas gegen die Gehäuseinnenwand lenken in Rotation versetzen und verwirbeln. Dies wird bei der dargestellten Ausfüh­ rungsform dadurch erreicht, daß die Vorrichtungen 54 beim Betrieb der Einrichtung rotieren. Vorzugsweise enthalten die Vorrichtungen 54 außerdem eine Reihe voneinander beabstandeter, auf die Gehäuseinnenwand gerichteter Strahldüsen 56, die in der Nähe des Umfanges der Stirnseiten der Kolben mit solchen Abständen voneinander angeordnet sind, daß die ausge­ stoßenen Arbeitsfluidstrahlen wie Strahlsauger wirken, die das im betreffenden Arbeitsraum befindliche Gas mitreißen und dadurch eine innige Durchmischung und Verwirbelung bewirken. Die Strahldüsen verlaufen außerdem vorzugsweise schräg zur Radialrichtung und zur Gehäuseachse, so daß der Gasmasse im Arbeitsraum außerdem eine zusätzliche Rotationsbewegung erteilt wird, wie durch die spiralenförmigen Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist.

Durch die oben geschilderten Maßnahmen wird der Tempe­ raturausgleich zwischen dem Arbeitsfluid und den jeweiligen Wärmetauscherelementen stark beschleunigt und die thermodynamischen Verhältnisse werden dem Idealfall, der anhand der Fig. 8 und 9 noch erläutert werden wird, weitgehend angenähert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die Gasauslaßvorrichtungen 54 fest an den Stirnseiten der Kolben 18 bzw. 20 angebracht, so daß die Kolben zusammen mit den zugehörigen Gasauslaßvorrichtungen rotieren. Die Gasauslaßvorrichtungen können jedoch auch mechanisch von den Kolben getrennt sein und alleine rotieren, während die Kolben selbst mit der Regenera­ tor-Füllung 26, 28 die Rotation nicht mitmachen. In diesem Falle kann dann zwischen einer Kolbenstirnseite und der benachbarten Gasauslaßvorrichtung ein geeigne­ tes Axiallager (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Andererseits kann dem Gas auch dadurch eine tangentiale Bewegungskomponente erteilt werden, daß man die Kolben oder die Regenerator-Füllungen rotieren, während die Auslaßvorrichtungen, falls solche zusätzlich zu dem Gasauslaß des betreffenden Regenerators vorhanden sind, diese Rotation nicht mitmachen oder unabhängig hiervon, z.B. gegenläufig und/oder mit anderer Drehzahl rotie­ ren. Eine weitere Variante besteht darin, die Auslaß­ vorrichtungen synchron mit der Axialbewegung der Kolben in Bezug auf diese axial zu verstellen, um den unterschiedlichen Strömungsrichtungen des Arbeitsgases bei der Hin- und Herbewegung der Kolben Rechnung zu tragen. So können die Auslaßvorrichtungen oder Stirn­ wandteile der Kolben von der jeweiligen Gaseinlaßseite des betreffenden Regenerators abgehoben werden, um den Strömungswiderstand beim Eintritt des Gases in den Regenerator, wo ja keine Verwirbelung nötig ist, zu verringern. Die Auslaßvorrichtungen können auch aus Prallscheiben bestehen, die auf einer oder beiden Seiten radiale, gerade oder gekrümmte Rippen, ähnlich Radialgebläseflügeln, aufweisen können.

Am Übergang zwischen den Arbeitsräumen 40 und 42 bzw. 44 und 46 können Laufbüchsen 58, 60 vorgesehen sein. Das Gehäuse 10 besteht zumindest im Bereich der Wärmeüber­ tragungsflächen aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer.

In Fig. 3 ist der in Fig. 1 untere Teil der Getriebe­ einheit dargestellt, der die Kolbenstange 30 des oberen Kolbens 18 antreibt, d.h. bei laufendem Motor 16, kontinuierlich dreht und absatzweise hin- und her be­ wegt.

Der in Fig. 3 dargestellte, in Fig. 1 untere Teil der Getriebeeinheit enthält zwei gehäusefeste Führungs­ stücke 62, 64 und ein zwischen diesen befindliches bewegliches Gleitstück 66 oder Kulisse. Die Form der aufeinander gleitenden Flächen der Führungsstücke und des Gleitstückes ist in Fig. 5 in die Ebene abgewickelt dargestellt. Das Gleitstück 66 sitzt fest auf der Welle 30, die axial gleitfähig, aber drehfest mit dem Motor 16 gekoppelt ist, z.B. über eine Zapfwelle 68.

Der obere Teil der Getriebeeinheit 14 (Fig. 1) ist ganz ähnlich wie der anhand von Fig. 3 beschriebene untere Getriebeteil ausgebildet. Er enthält zwei feststehende Führungsstücke 62 a, 64 a und ein Gleitstück 66 a. Das Gleitstück 66 a sitzt drehfest, jedoch axial verschieb­ bar auf der Welle 30, die in ihrem oberen Teil die Kolbenstange 30 bildet. Das Gleitstück 66 a wird also bei einer Drehung der Welle 30 mitgedreht und kann sich entsprechend seiner Kurvenform zwischen den festen Führungsstücken 62, 64 axial verschieben. Das Gleit­ stück 66 a ist fest mit der hohlen Kolbenstange 32 des Kolbens 20 verbunden. Das Gleitstück 66 a ist um 90° bezüglich des Gleitstückes 66 verdreht, so daß sich die erforderliche phasenverschobene absatzweise Axialbewe­ gung der Kolben 18, 20 ergibt.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausfüh­ rungsform ergibt sich bei einer Umdrehung der Zapfwelle 68 der in Fig. 6 dargestellte Arbeitszyklus. Zu Beginn des Arbeitszyklus befinden sich die in Fig. 6 kreuz­ schraffiert dargestellten Kolben 18, 20 beide an ihren äußeren Totpunkten. Während der ersten Vierteldrehung der Zapfwelle wird der Kolben 18 aus dem heißen Arbeitsraum 40 in den mittleren Arbeitsraum 42 ver­ schoben, dessen Hälfte er nach 90° Umdrehung einnimmt. Der andere Kolben 20 verharrt während dieser ersten Phase des Arbeitszyklus im kalten Arbeitsraum 44. In der nächsten Phase, während der sich die Zapfwelle von 90 bis 180° dreht, verharrt der Kolben 18 in seiner inneren Stellung während der Kolben 20 aus dem kalten Arbeitsraum 44 bis zu seiner Endlage in der Mitte des mittleren Arbeitsraumes 42 verschoben wird, so daß dieser nun durch die Kolben 18, 20 praktisch vollstän­ dig ausgefüllt ist. In der dritten Phase von 180° bis 270° wird der Kolben 18 wieder in den heißen Arbeits­ raum 40 zurückbewegt, der Kolben 20 verharrt während dieser Phase im mittleren Arbeitsraum 42. In der vierten Phase von 270 bis 360° wird der Kolben 20 schließlich wieder in den kalten Arbeitsraum 44 zurück­ bewegt. Die Kolben führen also eine phasenverschobene, intermittierende Bewegung aus, wobei immer der eine Kolben ruht, während sich der andere Kolben bewegt. Unabhängig davon wird das Arbeitsgas in Rotation gehalten, da sich die Gasauslaßvorrichtungen ununter­ brochen drehen, so daß auch die Gasauslaßvorrichtungen des ruhenden Kolbens zur Verwirbelung des angrenzenden Arbeitsfluids beitragen. Da die Gasauslaßvorrichtungen bei ruhendem Kolben nicht mit durchströmendem Gas versorgt werden, werden sie vorzugsweise zusätzlich als Radialgebläse ausgebildet. Sie können hierzu Gaskanäle 68 (Fig. 2) enthalten, die im achsnahen Bereich beginnen und zu den schrägen Strahldüsen führen.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, wird durch die inter­ mittierende, abwechselnde Verschiebung der Kolben vermieden, daß sich unerwünschte Fehl-Räume bilden, die sich z.B. bei der bekannten, durch den Kurbeltrieb bewirkten sinusförmigen Bewegung ergeben, wie in Fig. 7 dargestellt ist.

In Fig. 7 sind die von den Kolben 18 bzw. 20 eingenom­ menen Volumina der drei Arbeitsräume senkrecht schraf­ fiert dargestellt und durch ausgezogene Linien be­ grenzt. Die sich bei einer sinusförmigen Bewegung der Kolben ergebenden Positionen sind durch die gestrichelt begrenzten, schräg schraffierten Bereiche 70 bzw. 72 dargestellt. Betrachtet man beispielsweise die Phase von 0 bis 90°, so sieht man, daß bei einer sinusförmi­ gen Bewegung der Kolben im kalten Arbeitsraum 44 ein schädliches Volumen entsprechend dem Bereich 70 unter der gestrichelten Kurve vorhanden ist, während sich der obere Kolben aus dem heißen Arbeitsraum 40 nach innen bewegt. Entsprechendes gilt auch für die anderen Phasen.

Der oben beschriebene Antrieb hat den großen Vorteil, daß die kinetische Energie, die beim Abbremsen der Axialbewegung der Kolben frei wird, nicht verloren geht, sondern in Rotationsenergie umgesetzt wird. Um einen möglichst stoßfreien, stetigen Übergang an den jeweiligen Totpunkten zu erreichen, sind die Übergänge zwischen den schräg zur Achse verlaufenden Flächen 72, 74 und den senkrecht zur Achse verlaufenden Flächen 76 bzw. 78 der Führungsstücke und des Gleitstückes mit unterschiedlichen Radien abgerundet, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, und zwar ist der Krümmungsradius beim Übergang der Flächen 72, 76 der Führungsstücke kleiner als der Radius am Übergang der Flächen 74, 78 des Gleitstückes, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist.

Selbstverständlich kann die Form der durch die Füh­ rungsstücke 62, 64 und das Gleitstück 66 gebildeten Führungskurven auch anders sein als es oben anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben worden ist. Beispielsweise kann zwischen den alternierenden Verschiebungen der Kolben jeweils auch eine gewisse gemeinsame Verweilzeit vorgesehen sein, d.h. daß der eine Kolben nicht sofort mit seiner Bewegung beginnt, wenn der andere Kolben zur Ruhe gekommen ist.

Die oben beschriebene Einrichtung wird vorzugsweise so betrieben, daß der in den Fig. 8 und 9 dargestellt Verlauf der verschiedenen Kreisprozesse möglichst weitgehend realisiert wird. Die Zustandsänderungen bestehen aus einer Folge von Polytropen und Isothermen. Die Gesamtmasse des Arbeitsfluids und das Gesamtvolumen der freien Teile der Arbeitsräume ist konstant. Durch die starke Verwirbelung des Arbeitsgases werden nämlich in den verschiedenen Arbeitsräumen weitestgehend iso­ therme Verhältnisse erreicht, was einen hohen Wirkungs­ grad gewährleistet. Trotzdem enthält der thermodyna­ mische Prozeßablauf keine Isochoren.

In Fig. 8 ist mit m _H die Zustandsänderung des gasförmi­ gen Arbeitsfluids, das vom heißen Arbeitsraum 40 zum mittleren Arbeitsraum 42 und zurückströmt, dargestellt. Das Diagramm m _HL zeigt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids, das vom heißen Arbeitsraum 40 zum kalten Arbeitsraum 42 und zurück strömt. Das Diagramm m _ML zeigt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids, das vom mittleren Arbeitsraum 42 zum kalten Arbeitsraum 44 und zurück strömt. Das Diagramm m _L zeigt die Zustandsände­ rung des Arbeitsfluids, das vom mittleren Arbeitsraum 42 zum kalten Arbeitsraum und zurück strömt und im Zustand D den gesamten Arbeitsraum 44 einnimmt. Die Zustände 1 bis 4 entsprechen den in Fig. 6 mit A bis D bezeichneten Positionen der Kolben 18, 20.

Die koaxiale Anodnung der Wärmepumpeneinheit und des Getriebes sowie die beschriebenen rotierenden Auslaß­ vorrichtungen lassen sich mit Vorteil auch bei Gas­ prozeß-Wärmepumpen u. dgl. verwenden, die mit anderen, z. B. sinusförmigen Bewegungsabläufen arbeiten.

Claims (17)

1. Wärmewandler mit einem ersten, heißen Arbeitsraum (40), der mit einem Medium einer Temperatur in einem vorgegebenen ersten, hohen Temperaturbereich im Wärme­ tausch steht, einem zweiten, mittleren Arbeitsraum (42), der mit einem Medium einer Temperatur in einem vorgegebenen zweiten, mittleren Temperaturbereich, der niedriger ist als der erste Temperaturbereich, im Wärmetausch steht, einem dritten, kalten Arbeitsraum (44), der mit einem Medium einer Temperatur in einem vorgegebenen dritten, niedrigen Temperaturbereich, der niedriger ist als der zweite Temperaturbereich, im Wärmetausch steht, ferner mit einem ersten und einem zweiten Kolben (18, 20), welche als Verdränger arbei­ ten, einen Regenerator enthalten und in den Arbeitsräu­ men verschiebbar angeordnet sind, weiterhin mit einem Antrieb, der ein Getriebe (14) enthält, das mit den Kolben gekoppelt ist und diese zyklisch derart an­ treibt, daß der erste Kolben (18) vom ersten (40) in den zweiten Arbeitsraum (42) und zurück verschoben wird, der zweite Kolben (20) vom dritten Arbeitsraum in den zweiten Arbeitsraum (42) und zurück verschoben wird und die Bewegungen der Kolben zeitlich gegeneinander verschoben sind, und mit einer Vorrichtung (54) zum Ablenken von Arbeitsfluid, welches durch einen Kolben strömt, gegen die Innenwand des betreffenden Arbeits­ raumes, gekennzeichnet durch Mittel, dem Arbeitsfluid eine tangentiale Bewegungskomponente zu verleihen.

2. Wärmewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel einen die Ablenkvorrichtungen (54) und/oder Regeneratoren in Rotation versetzenden Teil des Getriebes (14) enthalten.

3. Wärmewandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablenkvorrichtungen (54) mit den zugehöri­ gen Kolben (18, 20) fest verbunden sind.

4. Wärmewandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolben und die Ablenkvorrichtungen in Bezug aufeinander drehbar sind.

5. Wärmewandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Getriebe für einen kontinuierlichen Rotationsantrieb der Gasauslaßvorrichtungen (54) und/ oder der Kolben (18, 20) ausgebildet ist.

6. Wärmewandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßvorrichtungen außerdem als Radialgebläse ausgebildet sind.

7. Wärmewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßvorrichtungen Strahldüsen (56) enthalten, die in der Nähe des Umfanges der Kolben angeordnet, gegen die Arbeitsraum- Innenwand gerichtet und mit solchen Abständen vonein­ ander angeordnet sind, daß die einzelnen Strahlen als Strahlsauger für das im Arbeitsraum befindliche Ar­ beitsfluid wirken.

8. Wärmewandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strahldüsen schräg zur Radialrichtung verlaufen.

9. Wärmewandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume (42, 44, 46) und das Getriebe (14) in einem Gehäuse (10) koaxial angeordnet sind.

10. Wärmewandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse zylindrisch ist.

11. Wärmewandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse einen gleichbleibenden Durchmesser hat.

12. Wärmewandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Getriebe so ausgebildet ist, daß die bei der Verzögerung des einen Kolbens freiwerdende kinetische Energie zur Beschleunigung des anderen Kolbens beiträgt.

13. Wärmewandler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem in einer ersten Phase des Zyklus der erste Kolben (18) vom ersten (40) in den zweiten Arbeitsraum (42) verschoben wird, während der zweite Kolben (20) ruht, in einer zweiten Phase der zweite Kolben (20) vom dritten (44) in den zweiten Arbeitsraum (42) verschoben wird, während der erste Kolben (18) ruht, in einer dritten Phase der erste Kolben (18) vom zweiten Arbeitsraum (42) in den ersten Arbeitsraum (40) zurückgeschoben wird, während der zweite Kolben (20) ruht und in einer vierten Phase der zweite Kolben (20) vom zweiten (42) in den dritten Arbeitsraum (44) ver­ schoben wird, während der erste Kolben (18) ruht, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (14) für jeden Kolben zwei zum Kolben koaxiale, im Abstand voneinander angeordnete Führungsstücke (62, 64) und ein zwischen diesen angeordnetes Gleitstück (66), das durch eine Kolbenstange (30) mit dem betreffenden Kolben verbunden ist, enthält, wobei die Führungsstücke und die Gleit­ stücke zusammenwirkende Kurvenflächen (72, 74, 76, 78) mit trapezförmigen Bereiche bilden, die so angeordnet sind, daß bei einer Drehung des Gleitstückes (66) bezüglich der Führungsstücke (62, 64) eine absatzweise Hin- und Herbewegung mit jeweils einer dazwischen liegenden Stillstandsperiode des betreffenden Kolbens stattfindet (Fig. 3 und 4).

14. Wärmewandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die aufeinander gleitenden Flächen (72, 74, 76, 78) der Führungs- und Gleitstücke (62, 64, 66) an den Stellen der Energieübergabe mit unterschiedlichen Radien versehen sind (Fig. 5).

15. Wärmewandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Gleitstück (66) gekoppelte Kolbenstange drehfest, jedoch axial ver­ schiebbar mit einer Antriebsvorrichtung (16) gekoppelt ist.

16. Wärmewandler nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Kolben (20) mit einem dem erwähnten Gleitstück (66) entsprechenden Gleitstück (66 a) gekoppelt ist, welches drehfest, jedoch axial verschieblich auf der Kolbenstange (30) des ersterwähn­ ten Kolbens (18) sitzt und über eine Hohlwelle (32) mit dem anderen Kolben (20) gekoppelt ist und mit zwei entsprechenden Führungsstücken (62 a, 64 a) zusammen­ wirkt, und daß die Steuerkurven des zweiten Gleit­ stückes (66 a) und dazu gehörigen Führungsstücke (62 a, 64 a) bezüglich den Steuerkurven des ersterwähnten Gleitstückes (66) und der zugehörigen Führungsstücke (62, 64) so verdreht sind, daß sich die erforderliche zeitlich verschobene Bewegung der Kolben ergibt.

17. Verfahren zum Betrieb eines Wärmewandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bewegung der Verdränger-Regenerator- Kolben so gesteuert wird, daß die Zustandsänderungen des Arbeitsfluids in den Arbeitsräumen im wesentlichen nur längs Isothermen und Polytropen verlaufen.