DE4206958C2 - Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärme- und/oder Kältemaschine - Google Patents

Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärme- und/oder Kältemaschine

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DE4206958C2
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Peter Prof Dr Ing Hofbauer
Klaus Dr Ing Heikrodt
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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/oder Kältemaschine, bestehend aus einem druckdichten Gehäuse mit zwei darin linear und koaxial beweglichen Kolben, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kolben im Gehäuse ein heißes, von außen mit Wärme beaufschlagbares Ar­ beitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wo­ bei die drei veränderlichen Arbeitsvolumina unter Zwischenschaltung von Re­ generatoren und Wärmetauschern miteinander verbunden sind.

Derartige Wärme- und/oder Kältemaschinen sind - basierend auf dem schon seit 1918 bekannten Vuilleumier-Kreisprozeß - bekannt. Sie haben unter an­ derem den Vorteil, daß diese anstelle von umweltschädlichem FCKW mit Heli­ um oder Wasserstoffgas betrieben werden können.

Bezüglich des Vuilleumier-Kreisprozesses und dessen konstruktiven Verwirk­ lichungsmöglichkeiten wird auf die DE-Z: gwf-gas/erdgas 127(1986) Heft 5, Seiten 205 bis 210 verwiesen.

Aus der US 37 74 405 ist weiterhin eine nach dem Vuilleumier-Gaskreisprozeß arbeitende Kältemaschine bekannt, deren Kolben magnetisch angetrieben werden. Für den Betrieb dieser bekannten Kältemaschine ist es deshalb erforderlich, ständig elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen.

Weiterhin ist aus der EP 02 38 707 A2 eine ähnliche Maschine bekannt, bei der die Bewegung der Kolben zusätzlich zum Magnetantrieb durch Federn un­ terstützt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Wärme- und/oder Kältemaschinen der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubil­ den, daß bis auf die Energie für die Steuerung der Magneten auf eine elek­ trische Antriebsleistung für die Kolben verzichtet werden kann, und zwar auch beim Anfahrvorgang, so daß insgesamt gegenüber den bekannten Maschinen der Energiebedarf für den Antrieb der Kolben, insbesondere auch beim An­ laufen der Maschine verringert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist im Gehäuse der Maschine für die Kolben eine Steuerung angeordnet, die aus am Gehäuse abgestützten Druckfedern sowie jedem Kolben zugeordneten, den Kolbenhub steuernden Elektromagneten besteht, die über jeweils eine Kolbenstange auf den jeweiligen Kolben einwirken, wobei der das heiße Arbeitsvolumen begren­ zende Kolben mit einem zentrischen Kolbenfortsatz an seiner das warme Ar­ beitsvolumen begrenzenden Kolbenfläche versehen ist, der in eine forment­ sprechende Ausnehmung des anderen Kolbens eingreift, wobei die Kolben­ stange gegenüber dem Kolbenfortsatz einen geringeren Durchmesser aufweist und am Boden des Kolbenfortsatzes angeordnet ist und die rohrförmig aus­ gebildete Kolbenstange des anderen Kolbens durchgreift und wobei beide Kol­ benstangen aus dem kalten Arbeitsvolumen herausgeführt sind und in einem separaten Raum enden, der einerseits durch den Boden des Gehäuses und an­ dererseits durch eine dem Kolbenboden des Kolbens angepaßte Wand be­ grenzt ist und in dem sowohl die Elektromagnete als auch die Druckfedern an­ geordnet sind.

Mit der Erfindung wird ein kompakter und geringstmögliche Reibungsverluste verursachender Antrieb nebst Steuerung für die Kolben geschaffen, der durch seine Unterbringung innerhalb des kalten Kolbens und damit innerhalb des druckdichten Gehäuses einen sehr geringen zusätzlichen Raumbedarf hat, so daß sich trotz der Möglichkeit, sowohl die Leistung der Maschine zu regeln als auch die Maschine in Gang zu setzen, eine sehr kompakte Konstruktion für die Gesamtmaschine ergibt.

Aus der US 23 97 734 war zwar ebenfalls eine mit Heißluft betriebene Maschine bekannt, die nach einem dem Vuilleumier-Prozeß vergleichbaren Gaskälteprozeß arbeitet und bei der die Kolbenstangen der beiden Kolben koaxial zueinander geführt und aus dem eigentlichen Gehäuse der Maschine in einen speziellen Steuerraum herausgeführt sind. Die beiden Kolben dieser Maschine werden jedoch durch einen Kurbeltrieb angetrieben, so daß die vor­ bekannte Konstruktion mit dem Erfindungsgegenstand nicht vergleichbar ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Kolbenstangenenden mit Querauslegern versehen, die zwischen die Elektromagnete und die Druck­ federn greifen. Hierdurch ergibt sich bei günstiger Raumausnutzung eine ge­ ringe Höhe des separaten Raumes für die Anordnung der Druckfedern und Elektromagnete. Um exzentrische Krafteinwirkungen auf die Kolben­ stangenenden zu vermeiden, können die Querausleger gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zweiarmig ausgebildet und jedem Auslegerende Elek­ tromagnete und Druckfedern zugeordnet sein.

Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, den vom Kolbenfortsatz und der Ausnehmung begrenzten Raum über eine Bypassleitung mit dem separaten Raum der Maschine zu verbinden, um sicherzustellen, daß sich in diesen beiden Räumen ein vom Prozeßdruck unterschiedlicher Druck einstellt.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wärme- und/oder Kältemaschine dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Maschine,

Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung des Antriebes und der Steuerung anhand einer Seitenansicht und

Fig. 3 eine Ansicht der Fig. 2 von unten.

Die regenerative, außenbeheizte Wärme- und/oder Kältemaschine umfaßt ein druckdichtes Gehäuse 1 mit zwei darin linear und koaxial beweglichen Kolben 2 und 3, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen 5 begrenzen und von denen der eine Kolben 2 im Gehäuse 1 ein heißes, von außen mit Wärme be­ aufschlagbares Arbeitsvolumen 6 und der andere Kolben 3 ein kaltes Arbeits­ volumen 7 begrenzt, wobei die drei veränderlichen Arbeitsvolumina 5, 6, 7 unter Zwischenschaltung von Regeneratoren 4 und Wärmetauschern 4′ mit­ einander verbunden sind. Für die Zufuhr der Betriebsenergie von außen ist ein geeigneter Gasbrenner 22 vorgesehen.

Die Kolben 2 und 3 sind jeweils mit einer Kolbenstange 10 bzw. 11 versehen, die aus dem kalten Arbeitsvolumen 7 herausgeführt sind und in einem im Ge­ häuse 1 ausgebildeten separaten Raum 1 2 enden, der einerseits durch den Boden 16 des Gehäuses 1 und andererseits durch eine dem Kolbenboden des Kolbens 3 angepaßte Wand 15 begrenzt ist. Das in diesen Raum 12 hinein­ ragende Ende 10′ der Kolbenstange 10 durchgreift die als Rohr ausgebildete Kolbenstange 11 des Kolbens 3. Beide Kolbenstangenenden 10′ bzw. 11′ sind mit Querauslegern 10′′ bzw. 11′′ versehen, die am besten in der Ansicht der Fig. 3 zu erkennen sind. Hierbei ist das rohrförmige Kolbenstangenende 11′ mit einem Durchgriffsschlitz 19 für den Querausleger 10′′ des anderen Kol­ benstangenendes 10′ versehen.

Gemäß den Fig. 2 und 3 sind die Querausleger 10′′ und 11′′ aus Gründen einer symmetrischen Belastung zweiarmig ausgebildet. Jedem Auslegerende sind Elektromagnete 13 und 14 und Druckfedern 17 und 18 zugeordnet. Die Druckfedern 17 stützen sich an der Wand 15 und die Druckfedern 18 am Boden 16 des Gehäuses 1 ab. Die Elektromagnete 13 und 14 sind ent­ sprechend dem maximalen Kolbenhub H (siehe rechter Rand der Fig. 1) von­ einander distanziert.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist 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 Kolbenfortsatz 20 greift in eine formentsprechende Ausnehmung 21 des anderen Kolbens 3 ein, wobei die Kolbenstange 10 am Boden des Kolbenfortsatzes 20 und die Kolbenstange 11 am Boden der Ausnehmung 21 angeordnet sind. Der vom Kolbenfortsatz 20 und der Ausnehmung 21 begrenzte Raum 12′ ist vorzugs­ weise über eine Bypass-Leitung mit dem Raum 12 der Maschine verbunden, in dem die Elektromagneten 13 und 14 sowie die Druckfedern 17 und 18 ange­ ordnet sind und der im wesentlichen innerhalb des kalten Kolbens 3 liegt.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Kolben
2′ Kolbenfläche
3 Kolben
4 Regenerator
4′ Wärmetauscher
5 Arbeitsvolumen, warm
6 Arbeitsvolumen, heiß
7 Arbeitsvolumen, kalt
10 Kolbenstange
10′ Kolbenstangenende
10′′ Querausleger
11 Kolbenstange
11′ Kolbenstangenende
11′′ Querausleger
12 Raum
12′ Raum
13 Elektromagnet
14 Elektromagnet
15 Wand
16 Boden
17 Druckfeder
18 Druckfeder
19 Durchgriffsschlitz
20 Kolbenfortsatz
21 Ausnehmung
22 Gasbrenner.

Claims (4)

1. Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeiten­ de Wärme- und/oder Kältemaschine, bestehend aus einem druckdichten Gehäuse (1) mit zwei darin linear und koaxial beweglichen Kolben (2, 3), die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen (5) begrenzen und von denen der eine Kolben (2) im Gehäuse (1) ein heißes, von außen mit Wärme be­ aufschlagbares Arbeitsvolumen (6) und der andere Kolben (3) ein kaltes Arbeitsvolumen (7) begrenzt, wobei die drei veränderlichen Arbeits­ volumina (5, 6, 7) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (4) und Wärmetauschern (4′) miteinander verbunden sind und wobei im Gehäuse (1) für die Kolben (2, 3) eine Steuerung angeordnet ist, die aus am Ge­ häuse (1) abgestützten Druckfedern (17,18) sowie jedem Kolben (2 bzw. 3) zugeordneten, den Kolbenhub steuernden Elektromagneten (13, 14) besteht, die über jeweils eine Kolbenstange (10, 11) auf den jeweiligen Kolben (2 bzw. 3) einwirken, wobei der das heiße Arbeitsvolumen (6) begrenzende Kolben (2) mit einem zentrischen Kolbenfortsatz (20) an seiner das warme Arbeitsvolumen (5) begrenzenden Kolbenfläche (2′) versehen ist, der in eine formentsprechende Ausnehmung (21) des an­ deren Kolbens (3) eingreift, wobei die Kolbenstange (10) gegenüber dem Kolbenfortsatz (20) einen geringeren Durchmesser aufweist, am Boden des Kolbenfortsatzes (20) angeordnet ist und die rohrförmig ausgebildete Kolbenstange (11) des anderen Kolbens (3) durchgreift, und wobei beide Kolbenstangen (10, 11) aus dem kalten Arbeitsvolumen (7) herausgeführt sind und in einem separaten Raum (12) enden, der einerseits durch den Boden (16) des Gehäuses (1), andererseits durch eine dem Kolbenboden des Kolbens (3) angepaßte Wand (15) begrenzt ist und in dem sowohl die Elektromagnete (13, 14) als auch die Druckfedern (17, 18) angeordnet sind.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben­ stangenenden (10′, 11′) mit Querauslegern (10′′, 11′′) versehen sind, die zwischen die Elektromagnete (13, 14) und die Druckfedern (17, 18) grei­ fen.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querausle­ ger (10′′, 11′′) zweiarmig ausgebildet und jedem Auslegerende Elektro­ magnete (13, 14) und Druckfedern (17, 18) zugeordnet sind.
4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kol­ benfortsatz (20) und der Ausnehmung (21) begrenzte Raum (12′) über eine Bypass-Leitung mit dem separaten Raum (12) der Maschine ver­ bunden ist.
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