DE4206958A1 - Aussenbeheizte, regenerative, nach dem vuilleumier-prozess arbeitende waerme- und kaeltemaschine - Google Patents

Aussenbeheizte, regenerative, nach dem vuilleumier-prozess arbeitende waerme- und kaeltemaschine

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DE4206958A1
DE4206958A1 DE19924206958 DE4206958A DE4206958A1 DE 4206958 A1 DE4206958 A1 DE 4206958A1 DE 19924206958 DE19924206958 DE 19924206958 DE 4206958 A DE4206958 A DE 4206958A DE 4206958 A1 DE4206958 A1 DE 4206958A1
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Peter Prof Dr Ing Hofbauer
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Viessmann Werke GmbH and Co KG
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Viessmann Werke GmbH and Co KG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • F02G1/044Hot 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
    • F02G1/0445Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2250/00Special cycles or special engines
    • F02G2250/18Vuilleumier 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.
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