DE4206958A1 - Aussenbeheizte, regenerative, nach dem vuilleumier-prozess arbeitende waerme- und kaeltemaschine - Google Patents
Aussenbeheizte, regenerative, nach dem vuilleumier-prozess arbeitende waerme- und kaeltemaschineInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
- F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
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- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2250/00—Special cycles or special engines
- F02G2250/18—Vuilleumier cycles
Description
Die Erfindung betrifft eine außenbeheizte, regenerative,
nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitende Wärme- und
Kältemaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige Wärme- und Kältemaschinen sind, basierend auf
dem schon seit 1918 bekannten Vuilleumier-Kreisprozeß,
bereits entwickelt worden und haben u. a. den Vorteil, daß
diese anstelle von umweltschädlichem FCKW mit Helium oder
Wasserstoffgas betrieben werden können.
Bezüglich des Vuilleumier-Kreisprozesses und dessen kon
struktiven Verwirklichungsmöglichkeiten wird auf die DE-
Z: gwf-gas/erdgas 127 (1986) Heft 5, Seiten 205-210 ver
wiesen.
Beim im Oberbegriff des Patentanspruches 1 erwähnten
"Steuergetriebe" handelt es sich allerdings nicht um ein
Getriebe, mit dem steuernd in die Kolbenbewegungen einge
griffen werden kann, sondern lediglich um Federn zwischen
Kolben und Gehäuse, die gemeinsam mit den Kolben im Ge
häuse ein schwingungsfähiges System bilden.
Eine Leistungsregelung bei derart ausgebildeten Maschinen
ist hierbei nur insofern und im beschränkten Umfang al
lein durch die Wärmezufuhr möglich, d. h., in die Bewe
gungsvorgänge der Kolben zueinander und zum Gehäuse kann
nicht eingegriffen werden. Dies gilt bspw. auch für eine
konstruktive Ausführungsform einer solchen "Vuilleumier-
Maschine" (siehe auch die oben genannte Literaturstelle)
bei der die Zylinder für die Kolben um 90° versetzt und
die Kolben miteinander durch einen Kurbeltrieb zwangsge
koppelt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine
der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, daß in
die Bewegungsabläufe der beiden Kolben eingegriffen und
damit von dieser Seite her die Leistung der Maschine ge
regelt werden kann, und zwar verbunden mit der Maßgabe,
die dafür erforderlichen Elemente ebenfalls mit im druck
dichten Gehäuse unterzubringen, wobei diese Elemente
gleichzeitig auch dafür dienen sollen, die Maschine in
Gang setzen zu können.
Diese Aufgabe ist mit einer Maschine der eingangs genann
ten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst. Vorteil
hafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprü
chen.
Abgesehen davon, daß damit die gemäß Aufgabe gestellten
Forderungen erfüllt sind, können bei dieser erfindungsge
mäßen Ausbildung der Maschine auch gleichzeitig die un
vermeidbaren Reibungsverluste in der Maschine kompensiert
werden. Um die zuzuführende Steuerungsenergie so niedrig
wie möglich zu halten, werden vorteilhaft die notwendigen
und steuerbaren E-Magnete mit Permanentmagneten kombi
niert, so daß sich die gesteuerte Bestromung der E-
Magnete nur auf die Kolbenstellungen bzw. Bewegungsphasen
beschränkt, in denen die Kolben festgehalten werden, was
noch näher erläutert wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist die Maschine
wie folgt betreibbar, wobei von einer Mittellage
(Warmvolumen = 0) ausgegangen sei:
Beide Kolben gehen nach oben. Ist die Höchststellung er
reicht, wird der obere Kolben festgehalten und der untere
Kolben geht nach unten. Hat dieser seine unterste Stel
lung erreicht, in der dieser festgehalten wird, wird der
obere Kolben freigegeben und bewegt sich bis zum unteren
Kolben, wonach beide Kolben wieder gemeinsam nach oben
gehen usw. Wie ohne weiteres vorstellbar, kann man auf
diese Weise insofern regelnd in die Kolbenbewegungen ein
greifen und damit die Leistung regeln, denn ohne die äu
ßere Wärmezufuhr ändern zu müssen, kann man die Festhal
tedauer der Kolben durch entsprechend gesteuerte Be
stromung der E-Magneten ändern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Maschine be
stehen in folgendem:
Die Kolbenstange des das heiße Arbeitsvolumen begrenzen
den Kolbens durchgreift die als Rohr ausgebildete Kolben
stange des anderen Kolbens. Dadurch ist im Interesse ei
ner kompakten Bauweise die Raumbeanspruchung durch die
Kolbenstangen auf ein Minimum reduziert und Exzentrizitä
ten in der Maschine sind vermieden.
Um ebenfalls bei günstiger Raumbeanspruchung hinsichtlich
der Höhe des Anordnungsraumes für die E-Magneten und die
Federn diese wirkungsgünstig in bezug auf die Kolbenstan
genenden anordnen zu können, sind die Kolbenstangenenden
mit Querauslegern versehen, die zwischen die E-Magnete
und die Druckfedern greifen, wobei zweckmäßig ebenfalls
im Sinne einer möglichst geringen Baulänge das rohrför
mige Kolbenstangenende mit einem Durchgriffsschlitz für
den Querausleger des anderen Kolbenstangenendes versehen
ist.
Um Exzentrizitäten bzgl. der Wirkung der E-Magneten und
der Federn auf die Kolbenstangenenden zu vermeiden, sind
die Querausleger zweiarmig ausgebildet und jedem Auslege
rende sind E-Magnete und Druckfedern zugeordnet.
Um günstige Druckverhältnisse im warmen Volumen zwischen
den beiden Kolben in bezug auf die Bemessung der das
heiße Volumen begrenzenden Kolbenfläche zu schaffen,
d. h., den "Rest-Stirlingeffekt" zu vergrößern, ist eine
Ausbildung dahingehend vorgesehen, daß der das heiße Ar
beitsvolumen begrenzende Kolben mit einem zentrischen
Fortsatz an seiner das warme Arbeitsvolumen begrenzenden
Kolbenfläche versehen ist, der in eine formentsprechende
Ausnehmung des anderen Kolbens eingreift, wobei die Kol
benstangen am Boden des Kolbenfortsatzes und die Kolben
stange am Boden der Ausnehmung angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße regenerative Wärme- und Kältema
schine wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Dar
stellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Maschine;
Fig. 2 eine Ansicht in axialer Richtung und im
Schnitt längs Linie II-II in Fig. 1 der Kol
benstangenenden;
Fig. 3 eine Seitenansicht der Kolbenstangenenden ge
mäß Fig. 2 und
Fig. 4A-M die Bewegungsschemata der Kolben jeweils in
Verbindung mit dem p-v-Diagramm.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die regenerative, von
außen beheizbare Wärme- und Kältemaschine aus einem
druckdichten Gehäuse 1 mit zwei darin linear und koaxial
beweglichen Kolben 2, 3, die gemeinsam ein warmes Ar
beitsvolumen 5 begrenzen, und von denen der eine Kolben 2
im Gehäuse 1 ein heißes, von außen mit Wärme beaufschlag
bares 6 und der andere Kolben 3 ein kaltes Arbeitsvolumen
7 begrenzt, wobei die drei veränderlichen Arbeitsvolumina
5, 6, 7 unter Zwischenschaltung von Regeneratoren 4 und
Wärmetauschern 4′ miteinander verbunden sind und wobei im
Gehäuse 1 ein Steuergetriebe für die Kolben 2, 3 angeord
net ist.
Für die Zufuhr der Betriebsenergie von außen ist, wie in
Fig. 1 bspw. dargestellt, ein geeigneter Gasbrenner 22
vorgesehen. Diesbezüglich nähere Erläuterungen und auch
bezüglich der dargestellten Ausführungsform, insbesondere
hinsichtlich der Anordnung und Ausbildung der Wärmetau
scher 4′ und der Regeneratoren 4, sind hier entbehrlich,
da nicht Gegenstand des vorliegenden Schutzbegehrens, für
das eine Ausbildung der Maschine dahingehend wesentlich
ist, daß die Kolben 2, 3 mit je einer Kolbenstange 10, 11
versehen und diese aus dem kalten Arbeitsvolumen 7 her
ausgeführt sind und in einem im Gehäuse 1 angeordneten
Raum 12 enden, in dem jedes Kolbenstangenende 10, 11 zwi
schen zwei dem maximalen Kolbenhub H entsprechend distan
zierte E-Magnete 13, 14 eingreift und jedes Kolbenstan
genende 10′, 11′ zwischen zwei gegen die Wände 15, 16 des
Raumes 12 abgestützte Druckfedern 17, 18 eingespannt an
geordnet ist.
Gemäß dargestelltem Ausführungsbeispiel sind dabei die
Kolbenstangen 10, 11 der beiden Kolben 2, 3 derart
ausgebildet und angeordnet, daß die Kolbenstange 10′ des
das heiße Arbeitsvolumen 6 begrenzenden Kolbens 2 die als
Rohr ausgebildete Kolbenstange 11′ des anderen Kolbens 3
durchgreift, wobei die Kolbenstangenenden 10′, 11′ mit
Querauslegern 10′′, 11′′ versehen sind, die zwischen die E-
Magnete 13, 14 und die Druckfedern 17, 18 greifen.
Gemäß Fig. 1 ist das rohrförmige Kolbenstangenende 11′
mit einem Durchgriffsschlitz 19 für den Querausleger 10′′
des anderen Kolbenstangenendes 10′ versehen, wobei jedoch
gemäß Fig. 2, 3 aus Gründen symmetrischer Belastung die
Querausleger 10′′, 11′′ zweiarmig ausgebildet und jedem
Auslegerende E-Magnete 13, 14 und Druckfedern 17, 18 zu
geordnet sind. In diesem Falle sind natürlich, und wie
aus Fig. 2 ersichtlich, am Kolbenstangenende 11′ zwei
Schlitze 19 vorgesehen.
Die einleitend vorerwähnte Kombination der E-Magnete 13,
14 mit Permanentmagneten ist nicht besonders dargestellt,
da ohne weiteres in dem Sinne vorstellbar, daß solche
Permanentmagnete bspw. als Kerne in den ringförmigen Ker
nen der E-Magnete 13, 14 angeordnet werden können.
Was nun den vorerwähnten "Reststirling-Effekt" betrifft,
so ist dafür, wie ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich, der
das heiße Arbeitsvolumen 6 begrenzende Kolben 2 mit einem
zentrischen Kolbenfortsatz 20 an seiner das warme Ar
beitsvolumen 5 begrenzenden Kolbenfläche 2′ versehen, der
in eine formentsprechende Ausnehmung 21 des anderen Kol
bens 3 eingreift, wobei die Kolbenstangen 10 am Boden 20′
des Kolbenfortsatzes 20 und die Kolbenstange 11 am Boden
21′ der Ausnehmung 21 angeordnet sind. Die in Fig. 1 an
gedeuteten Dichtungen 23 sind nicht zwingend erforder
lich, da der Raum 12 im geschlossenen Gehäuse 1 mit un
tergebracht ist und insoweit überhaupt nichts entgegen
steht, daß sich das Betriebsmittel (bspw. Helium) eben
falls in diesem Raum 12 befindet bzw. in diesen gelangen
kann. Der sich ebenfalls bei den Kolbenbewegungen verän
dernde Raum 12′ in der Ausnehmung 21 wird im übrigen
zweckmäßig über eine nicht dargestellte Bypass-Leitung
mit den gasführenden Räumen verbunden.
In der Fig. 4A-J sind die einzelnen Bewegungsvorgänge
der beiden Kolben 2, 3 dargestellt und zwar jeweils mit
einem nebenstehenden p-v-Diagramm, in denen die Druckori
entierungen in den Arbeitsvolumina mit entsprechenden
Pfeilen verdeutlicht sind. Aus Übersichtsgründen sind
hierbei die Regeneratoren 4 und die Wärmetauscher 4′ im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 neben der ei
gentlichen und hier nur schematisch dargestellten Ma
schine verdeutlicht.
Die beim Betrieb der Maschine stattfindenden Strömungen
sowohl des Betriebsmittelgases als auch der Wärmeträger
medien in den anzuschließenden Heiz- und Kühlkreisen, die
nicht dargestellt sind, bedürfen keiner näheren Erläute
rung, da sich diesbezüglich nichts anderes ergibt, als
beim bekannten Vuilleumier-Prozeß.
Claims (6)
1. Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-
Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine, be
stehend aus einem druckdichten Gehäuse (1) mit zwei
darin linear und koaxial beweglichen Kolben (2, 3),
die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen (5) begren
zen, und von denen der eine Kolben (2) im Gehäuse (1)
ein heißes, von außen mit Wärme beaufschlagbares (6)
und der andere Kolben (3) ein kaltes Arbeitsvolumen
(7) begrenzt, wobei die drei veränderlichen Arbeits
volumina (5, 6, 7) unter Zwischenschaltung von Rege
neratoren (4) und Wärmetauschern (4′) miteinander
verbunden sind und wobei im Gehäuse (1) ein Steuerge
triebe für die Kolben (2, 3) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolben (2, 3) mit je einer Kolbenstange (10,
11) versehen und diese aus dem kalten Arbeitsvolumen
(7) herausgeführt sind und in einem im Gehäuse (1)
angeordneten Raum (12) enden, in dem jedes Kolben
stangenende (10′, 11′) zwischen zwei dem maximalen
Kolbenhub (H) entsprechend distanzierte E-Magnete
(13, 14) eingreift und jedes Kolbenstangenende (10′,
11′) zwischen zwei gegen die Wände (15, 16) des Rau
mes (12) abgestützte Druckfedern (17, 18) eingespannt
angeordnet ist.
2. Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenstange (10) des das heiße Arbeitsvolu
men (6) begrenzenden Kolbens (2) die als Rohr ausge
bildete Kolbenstange (11) des anderen Kolbens (3)
durchgreift.
3. Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenstangenenden (10′, 11′) mit Querausle
gern (10′′, 11′′) versehen sind, die zwischen die E-
Magnete (13, 14) und die Druckfedern (17, 18) grei
fen.
4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Querausleger (10′′, 11′′) zweiarmig ausgebildet
und jedem Auslegerende E-Magnete (13, 14) und Druck
federn (17, 18) zugeordnet sind.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der das heiße Arbeitsvolumen (6) begrenzende Kol
ben (2) mit einem zentrischen Kolbenfortsatz (20) an
seiner das warme Arbeitsvolumen (5) begrenzenden Kol
benfläche (2′) versehen ist, der in eine formentspre
chende Ausnehmung (21) des anderen Kolbens (3) ein
greift, wobei die Kolbenstange (10) am Boden (20′)
des Kolbenfortsatzes (20) und die Kolbenstange (11)
am Boden (21′) der Ausnehmung (21) angeordnet sind.
6. Maschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der vom Kolbenfortsatz (20) und der Ausnehmung
(21) begrenzte Raum (12′) über eine Bypass-Leitung
mit dem betriebsgasführenden Innenraum der Maschine
verbunden ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924206958 DE4206958C2 (de) | 1992-03-05 | 1992-03-05 | Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärme- und/oder Kältemaschine |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19924206958 DE4206958C2 (de) | 1992-03-05 | 1992-03-05 | Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärme- und/oder Kältemaschine |
Publications (2)
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DE4206958C2 DE4206958C2 (de) | 1995-10-26 |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4206958C2 (de) |
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- 1992-03-05 DE DE19924206958 patent/DE4206958C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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