DE4234678C2 - Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine - Google Patents

Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine reversible Schwingrohr-Wärmekraft­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie ermöglicht es, eine Kältemaschine oder eine Antriebsmaschine von einfachem Aufbau, von hoher Lei­ stung bzw. von hohem Wirkungsgrad, von hoher Zuverlässigkeit und von niedrigen Kosten zu schaffen, wobei ein Schwingrohr, das die wesentliche oder hauptsächliche Vorrichtung ist, die in dem adiabatischen Prozeß einer Schwingrohr-Kältema­ schine verwendet wird, in eine Stirling-Kreisprozeßmaschine eingefügt wird, um einen geschlossenen oder thermischen Kreisprozeß (einen Pseudo-Stirling-Kreis) zu konstruieren, der hinsichtlich seiner theoretischen Arbeitsweise zwei isovolumetrische Prozesse sowie zwei adiabatische Prozesse umfaßt, wobei ein Expansionskolben oder Verdränger, der bei niedriger oder hoher Temperatur hin- und herbewegt wird und bisher in Kälte- oder Arbeitsmaschinen des Stirling-Typs unabdingbar war, nicht länger notwendig ist.
Im Stand der Technik ist ein Stirling-Kreisprozeß bekannt, der zwei isothermische und isovolumetrische Prozesse umfaßt sowie eine Vorrichtung mit einem geschlossenen Kreislauf dar­ stellt, die ein Arbeitsfluid (Helium, Argon, Wasserstoff usw.) verwendet und als ein externer Verbrennungsmotor oder eine Kältemaschine entwickelt worden ist. Ein Nachteil, der bei Kältemaschinen, die diesen Stirling-Kreisprozeß anwen­ den, vorliegt, ist derjenige, daß eine mechanische Vibration, welche durch die Hin- und Herbewegung eines vergleichsweise langen Niedertemperatur-Expansionskolbens erzeugt wird, auf einen kalten Bereich oder kalten Kopf übertragen wird und bewirkt, daß ein Fühler od. dgl. Geräusche erzeugt. Ein anderes Problem liegt darin, daß ein Kontakt zwischen der Außenumfangsfläche des vergleichsweise langen Expansionskol­ bens und der Innenumfangsfläche eines Zylinders Abriebstaub produziert, der das Arbeitsfluid und einen Regenerator kon­ taminiert. Das führt zu Fehlfunktionen und einer Verschlech­ terung in der Leistung der Kältemaschine.
Um diese Nachteile von Kältemaschinen, die den Stirling- Kreisprozeß anwenden, zu beseitigen, wurde in "Low-Temperature Engineering", Vol. 26, No. 2 (1991) von Tatsuo Inoue eine Schwingrohr-Kältemaschine beschrieben. In diesem System sind ein Radiator, ein Regenerator, ein kalter Bereich (kalter Kopf), ein Schwingrohr und eine Drosselstelle in Reihe zwi­ schen einen Kompressionsraum und eine Pufferkammer geschal­ tet, um unter Verwendung eines Arbeitsgases, wie z. B. Helium als das Medium, niedrige Temperaturen zu erzeugen.
Eine Schwingrohr-Kältemaschine wurde zuerst von W. E. Gifford im Jahr 1963 vorgeschlagen. Dieses Niedertemperatur-Erzeugungs­ system zeichnet sich durch einfach ausgestaltete Bauteile aus, und da es in seiner Niedertemperatursektion keine sich bewe­ genden Teile besitzt, tritt im Wärmeabsorber (der auch als kalter Bereich oder kalter Kopf bezeichnet wird) keine mecha­ nische Vibration auf. Aus diesen Gründen waren die Erwartun­ gen, daß dieses System praktische Verwendung als eine hoch zuverlässige Kältemaschine findet, hoch. Da jedoch das Nie­ dertemperatur-Erzeugungssystem ein auf dem Merkmal eines nicht im Gleichgewicht befindlichen Zustand eines Arbeits­ fluids beruhendes Arbeitsprinzip verwendet, ist es schwie­ rig, Gleichungen im tatsächlichen Betriebszustand abzulei­ ten und den Arbeitskreisprozeß zu analysieren. Obwohl die technische Schrift aus thermoakustischen und anderen Ge­ sichtspunkten heraus veröffentlicht worden ist, sind jedoch viele Zustands- oder Bedingungsannäherungen darin enthalten und ist das Arbeitsprinzip nicht theoretisch begründet wor­ den. Obgleich der Wirkungsgrad in der tatsächlichen Praxis niedrig ist, wurde darüber hinaus bewiesen, daß eine Nieder­ temperaturerzeugung möglich ist.
Wenngleich das Arbeitsprinzip hier nicht berührt wird, so ist klar, daß ein einfach gestaltetes Schwingrohr, das ein hohlzylindrisches, aus Metall oder einem Verbundmaterial gefertigtes Rohr ist, das Hauptelement unter den Bauteilen des Kreislaufs ist und dieses Rohr die Hauptlast des adia­ batischen Prozesses trägt. Im Betrieb des Kreisprozesses wird davon ausgegangen, daß aufgrund einer Verschiebung in der Phase einer Druckänderung innerhalb des Schwingrohrs, wenn ein Fluid in einem Kompressionsraum sowie einer Pufferkammer fließt, niedrige Temperaturen erzeugt werden.
Das Verdienst dieses Systems ist, daß selbst dann, wenn mit dieser Maschinenanordnung allein ein Betrieb als eine Antriebs­ maschine unmöglich ist, niedrige Temperaturen ohne die Ver­ wendung eines bei niedriger Temperatur hin- und herbewegten Expansionskolbens erzeugt werden können.
Diese Erfindung befaßt sich mit einer neuartigen Stirling- Kreislauf-Wärmekraftmaschine, wobei das oben erwähnte Schwingrohr in die Bauteile des Stirling-Kreislaufs, wie später beschrieben werden wird, eingefügt ist.
Der Stirling-Kreisprozeß ist ein idealer Kreisprozeß, der theoretisch zwei isothermische Prozesse und zwei isovolume­ trische Prozesse umfaßt. In einer tatsächlichen Arbeitsma­ schine ist diese vom Typ des geschlossenen Kreislaufs, in welchem als das Arbeitsfluid Helium oder Wasserstoff ver­ wendet wird, wobei andere Beispiele hierfür Neon, Argon, Stickstoff, Luft oder Gasgemische sind. Im Betrieb als eine Kältemaschine ist die Leistungsfähigkeit höher als diejenige bei allen anderen Kältemaschinenkreisläufen. Es ist bekannt, daß selbst in einem Betrieb als eine Antriebsmaschine das Vibrationsgeräusch im Vergleich mit anderen Maschinen nie­ driger und die Leistungsfähigkeit höher sind.
Ein konstruktives Merkmal oder Charakteristikum der Schwing­ rohr-Kältemaschine ist die Verwendung eines zylindrischen Schwingrohrs, das aus einem Metall oder einem Keramikmateri­ al oder einem Verbundmaterial aus diesen besteht. Während eines Kühlbetriebs zeigt dieses Schwingrohr einen vergleichs­ weise großen Temperaturgradienten und trägt die Last des adiabatischen Effekts. Jedoch ist allgemein bekannt, daß eine Kältemaschine, die ein Schwingrohr verwendet, nicht immer leistungsfähig ist.
Die Verwendung als eine Kältemaschine wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Fig. 1, die den Aufbau eines kinemati­ schen Stirling-Kreislaufs zeigt, und die beigefügte Fig. 2, die P-V- und T-S-Kurven darstellt, beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Kompressionsraum 1 einer von einem (nicht dargestellten) Motor getriebenen Kurbelwel­ le 2 zugeordnet. Das Volumen des Kompressionsraumes 1 kann in einem Kompressionszylinder 4 durch eine Pleuelstange 12 und einen hin- und hergehenden Kompressionskolben 3 verän­ dert werden. Ein Radiator 5, ein Regenerator 6 und ein Wär­ meabsorber 7 (im Fall einer Antriebsmaschine kann das auch ein Hochtemperatur-Wärmetauscher oder eine Hochtemperatur- Heizvorrichtung, der bzw. die durch eine Flamme auf eine Temperatur von 900 bis 1000 K angehoben wird, sein) sind zwischen den Kompressionsraum 1 und einen Expansionsraum 10, der durch einen Expansionszylinder 8 sowie einen Expan­ sionskolben 9 abgegrenzt wird, geschaltet. Im Kompressions­ raum 1 wird ein Phasenunterschied im sich ändernden Volumen vorverlegt, während ein konstanter Phasenwinkelunterschied in einem Bereich von 70° bis 110° gehalten wird (der optima­ le Phasenunterschied ist annähernd 90°). Was das Arbeits­ prinzip angeht, so wird theoretisch das Fluid im Kompres­ sionsraum 1 isothermisch verdichtet, während im Radiator 5 Wärme abgegeben wird (das ist ein isothermischer Kompressionsprozeß, der durch a-b1 in Fig. 2 angegeben ist). Dann bewegt sich der Kompressionskolben 3 zum oberen Tot­ punkt hin, und als Ergebnis dessen wird das Fluid durch das Regeneriermaterial des Regenerators 6 auf 30 K (-243°C) gekühlt. Das gekühlte Fluid tritt in den Wärmeabsorber 7 und dann in den Expansionsraum 10 mit einem festen Volumen ein (das ist ein isovolumetrischer Prozeß, der durch b1-c angegeben ist). Da das Fluid eine Druckwirkung auf den Ex­ pansionskolben 9 ausübt, wird dann durch die Kurbelwelle 2 über die Pleuelstange 12 eine Leistung gewonnen (das ist ein isothermischer Expansionsprozeß, der durch c-d1 angege­ ben ist und in welchem das Obige vor sich geht, während Wär­ me von dem zu kühlenden Objekt absorbiert wird, d. h., während das Objekt durch den Wärmeabsorber 7 gekühlt wird). Schließ­ lich wird das Fluid, das die Expansionsarbeit ausgeführt hat und im Expansionsraum 10, der gegenwärtig auf seinem maximalen Volumen ist, verbleibt, unter Zwang vom Regenera­ tor 6 und vom Wärmeabsorber 7, wenn der Expansionskolben 9 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt wird (das ist ein isovolumetrischer Prozeß, der durch d1-a ange­ ben ist), zum Kompressionsraum zurückgeführt. Damit endet ein Zyklus. Gemäß Fig. 1 sind die Kolben mit Kolbenringen 11 ausgestattet.
Ein Nachteil dieser Kältemaschine (und genauso der Antriebs­ maschine) ist, daß der Expansionskolben 9 mit dem Expan­ sionszylinder 8 in Berührung ist und auch aufgrund der Hin- und Herbewegung des Expansionskolbens, welcher ver­ gleichsweise lang ist (35-45 cm einschließlich eines (nicht dargestellten) Führungskolbens im Fall, da ein ein­ ziger Expansionsraum vorhanden und die Kühlleistung 200 W bei 80 K ist), mitschwingt. Als Ergebnis wird eine mechanische Vibration hervorgerufen, und diese hat eine nachteilige Wirkung auf das durch den Wärmeabsorber 7 zu kühlende Objekt. Wenn bei­ spielsweise diese Vibration auf einen elektronischen Fühler übertragen wird, so wird dieser Fühler Geräusche erzeugen. Obwohl Stirling-Maschinen, einschließlich von Kälte- und Antriebsmaschinen, des Verdrängertyps bekannt sind, bei de­ nen eine mechanische Vibration dadurch vermindert wird, daß der Expansionskolben 9 keine Arbeit ausführt, wird aufgrund der großen Änderungen in der Temperatur die Maßgenauigkeit verschlechtert. Selbst wenn ein vergleichsweise langer Ver­ dränger, der hohen oder extrem niedrigen Temperaturen bei seiner Verwendung ausgesetzt ist, mit hoher mechanischer Genauigkeit hergestellt wird, so treten folglich häufig während der Hin- und Herbewegung Kontaktpannen oder -stö­ rungen auf. Als Ergebnis dessen werden mechanische Schwingun­ gen hervorgerufen, und Staub sowie Gase werden durch den auf dem Berührungsabrieb des Verdrängers beruhenden Abtrag erzeugt. Das Fluid wird somit kontaminiert, was zu einer Verschlechterung in der Leistung führt. Ferner kann der Re­ generator 6, der unzählige kleine Kugeln oder ein Drahtgit­ ter enthält, durch den Staub oder das Gemisch von unreinen Gasen und dem Fluid (in einer Kältemaschine können eine Kondensation und ein Festwerden von Gasen, die einen hohen Siedepunkt haben, auftreten) verstopft werden. Darüber hinaus sind die Herstellungskosten für die Expansionskolben oder Verdränger, die eine hohe Herstellungsgenauigkeit für die Feinbearbeitung der Innenwandfläche der betroffenen Zylin­ der erfordern, sehr hoch, wie auch die Herstellungskosten für den Antriebsmechanismus hoch sind. Als Ergebnis führt die Verwendung eines vergleichsweise langen Expansionszylin­ ders oder Verdrängers zu einer Verminderung in der Zuverläs­ sigkeit der Stirling-Maschine.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine zu schaffen, deren Zuverlässigkeit bei verminderten Herstellungskosten verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit einer reversiblen Schwingrohr- Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgezeigt.
Weitere Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Be­ schreibung deutlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kine­ matischen Stirling-Kreisprozesses;
Fig. 2 ein P-V- und T-S-Diagramm;
Fig. 3 das Schema des Strömungsverlaufs und der aus mehre­ ren Teilen bestehenden Schwingrohr-Wärmekraftma­ schine in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 4 ein Schema des Strömungsverlaufs und der aus mehre­ ren Teilen bestehenden Schwingrohr-Wärmekraftmaschi­ ne gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine Kurve (a) der Beziehung zwischen einem Phasen­ unterschied (α) und der erlangten Minimaltemperatur (Tmin), die durch Testen einer durch die Wärmekraft­ schine dieser Erfindung verwirklichten Kältemaschine erhalten wurden, und einer Kurve (b) der Beziehung zwischen dem Phasenunterschied (α) und der erlangten Minimaltemperatur (Tmin) in einer geteilten Kältemaschine des Stirling-Kreisprozesses;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Schwingrohr-Kältemaschine gemäß dieser Erfin­ dung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausfüh­ rungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 8 eine Schnittdarstellung zum detaillierten Aufbau eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
Fig. 9 eine Schnittdarstellung zum detaillierten Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
Fig. 10 eine Längsschnittdarstellung von Zylindern, einem Kurbelgehäuse und einer Kurbelwelle;
Fig. 11 den Querschnitt zur Fig. 10;
Fig. 12 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform, wobei ein Linearmotor verwendet wird;
Fig. 13 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungs­ form, bei der ein Linearmotor verwendet wird;
Fig. 14 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform, wobei ein Motor für die Bewegung der Kol­ ben zum Einsatz kommt;
Fig. 15 eine schematische Darstellung noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 16 ein Diagramm zur Beziehung zwischen einem Kurbel­ winkel und einem Leistungskoeffizienten oder Kältefaktor.
Bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfin­ dung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel, das sich auf den Strömungs­ verlauf und den aus mehreren Teilen bestehenden Aufbau einer Schwingrohr-Wärmekraftmaschine gemäß der Erfindung bezieht, wobei der Zweck darin zu sehen ist, den Aufbau der die Ma­ schine bildenden Elemente zu vereinfachen. Wenngleich die T-S-Kurve von Fig. 2 als ein Beispiel des thermodynamischen Arbeitsprozesses angeführt werden kann, so ist die Maschine theoretisch eine Pseudo-Stirling-Kreislauf-Wärmekraftma­ schine, die zwei adiabatische Prozesse (a-b, c-d) und zwei isovolumetrische Prozesse (b-c, d-a) umfaßt. Der tatsäch­ liche Betrieb wird von zum Teil irreversiblen Stufen beglei­ tet, so daß die Übergänge diejenigen sind, die durch die gestrichelten Linien (a-bx, c-dx) angegeben sind.
Ein ganz wesentlicher Vorteil dieser Wärmekraftmaschine ist die Beseitigung des Expansionszylinders 8 sowie des Expan­ sionskolbens 9, der bei hoher Temperatur oder sehr niedri­ ger Temperatur in der Stirling-Maschine von Fig. 1 hin und herbewegt wird. Statt dessen wird ein Schwingrohr 21, von dem vorausgesetzt wird, daß es einem adiabatischen Prozeß in einer Schwingrohr-Kältemaschine unterliegt, in die Bau­ teile des Kreislaufs eingefügt, und das wird dazu herangezo­ gen, als ein Gaskolben anstelle des soliden, massiven Kolbens einer Stirling-Maschine aufgrund der synergistischen Funk­ tion des Schwingrohres und eines Expansionsraumes 26, der sich auf einen (kalten) Kolben 24 von gewöhnlicher Tempera­ tur stützt, zu arbeiten, so daß der adiabatische und der expansive Prozeß erlangt werden. Als Ergebnis dessen werden kalte Bereiche, wie der Expansionsraum 10 und der Kurbel­ mechanismus in Fig. 1, der bei hoher Temperatur oder sehr niedriger Temperatur hin- und herbewegte Kolben sowie die Notwendigkeit für lange Wege zu adiabatischen Zwecken in den anderen Anlageteilen eliminiert. Auf diese Weise wer­ den sämtliche Nachteile der früheren Stirling-Maschine be­ seitigt.
Eine Ausführungsform, wobei der Erfindungsgegenstand auf eine Kältemaschine Anwendung findet, wird im folgenden be­ schrieben.
Gemäß Fig. 3 wird ein Fluid-Kompressionsraum 13 durch einen Zylinder 17 sowie einen mechanisch über eine Pleuelstange 15 und einen (nicht dargestellten) Führungskolben mittels einer Drehung einer von einem (nicht dargestellten) Motor od. dgl. angetriebenen Kurbelwelle 14 hin- und herbewegten Kompressionskolben 16 gebildet. Da der Kompressionsraum als ein Verdichter wirkt, der kein Auslaß- und Ansaugventil hat, wird dieser Raum 13 auch als Kompressionskammer bezeichnet. Der Kompressionsraum 13 ist nicht auf einen Kolbenzylinder begrenzt, sondern kann auch durch eine Membran, Faltenbalg od. dgl. ausgebildet sein. Der Expansionsraum 26 wird durch einen kalten Expansionszylinder 23 sowie den Expansionskol­ ben 24, der über eine Pleuelstange 25 sowie einen (nicht dargestellten) Führungskolben mit der Kurbelwelle 14 gekop­ pelt ist, gebildet. Der kalte Expansionszylinder 23 arbei­ tet bei einem festen Phasenunterschied im voraus zur volu­ metrischen Änderung im Kompressionsraum 13. Dieser feste Phasenunterschied liegt in einem Bereich von 0° bis 60° mit Bezug zur volumetrischen Änderung im Kompressionsraum 13, wobei der optimale Phasenunterschied etwa 20° beträgt. Das schwankt in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und wird auch als ein Phasenwinkelunterschied oder Kurbelwinkel bezeichnet, wobei das System arbeitet, während die volumetri­ sche Änderung im Expansionsraum auf einem festen Phasenunter­ schied vor der volumetrischen Änderung im Kompressionsraum gehalten wird. Der Kompressionsraum 13 und der Expansions­ raum 26 sind durch einen Radiator 18, der durch ein Kühl­ mittel 27 (Luft oder Flüssigkeit) gekühlt wird, einen mit einem Regeneriermaterial, das ein Gitter oder Netzwerk aus rostfreiem Stahl oder Bronze, unzählige kleine Bleikugeln oder ein Seltenerdenelement umfaßt, gefüllten Regenerator 19, einen Wärmeabsorber 20, der auch als kalter Kopf oder kalter Bereich bezeichnet wird, um eine niedrige Temperatur durch Kühlen eines zu kühlenden Mediums zu erzeugen, und das Schwingrohr 21 ver­ bunden.
Alternativ können, wie in Fig. 4 gezeigt ist, das Schwing­ rohr 21 und der Expansionsraum 26 mittels eines als ein einstückiges Teil des Radiators 18 von Fig. 3 hergestellten Wärmetauschers 28 verbunden sein. Dieser Wärmetauscher 28 verhindert, daß die Temperatur des Fluids unter diejenige des kalten Expansionsraumes 26 abfällt, was auf die Irre­ versibilität, die in dem adiabatischen und expansiven Prozeß hervorgerufen wird, zurückzuführen ist. Gleichzeitig gewinnt der Wärmetauscher 28 Wärme sowie Kälte zurück und vermindert die Belastung der Wärmeabstrahlung durch das Kühlmittel 27 am Radiator 18. Eine mechanische Vibration am Wärmeabsorber 20 kann gänzlich eliminiert werden, wenn die Rohrleitungen 22-1 und 22-2 zwischen dem Expansionsraum 26 und dem Wärme­ tauscher 28 sowie die Rohrleitungen 22-3 und 22-4 zwischen dem Kompressionsraum 13 und dem Wärmetauscher 28 flexibel gestaltet werden.
Gemäß Fig. 3 ist der Abstand zwischen dem Kompressionsraum 13 und dem Expansionsraum 26 kurz, weil diese vom selben (nicht dargestellten) Kurbelgehäuse gebildet werden. Wenn als die Rohrleitungen 22a und 22b in Fig. 3 konzentrisch angeordnete Doppelrohre verwendet werden, so werden diese Rohre jeweils einen Wärmetausch durchführen, um eine glei­ che Wirkung wie diejenige des Wärmetauschers 28 (Fig. 4) hervorzurufen. Darüber hinaus kann ganz offenbar das Rohr­ system als ein Einzelrohr gefertigt werden, so daß die gesam­ te Anlage oder Vorrichtung kompakter ausgestaltet werden kann.
Der Betrieb in einem idealen Betriebszustand wird unter Be­ zugnahme auf die T-S- und P-V-Kurven von Fig. 2 sowie auf die Fig. 3 beschrieben. Das Fluid im Kompressionsraum 13 wird isentropisch vom Punkt a der Normaltemperatur kompri­ miert (der adiabatische Verdichtungsprozeß) und erreicht den Punkt b von hoher Temperatur und hohem Druck. Dann wird in der Stufe konstanten Volumens Wärme an das Kühlmit­ tel 27 des kalten Bereichs am Wärmetauscher 18 abgegeben, wodurch der Punkt b1 erlangt wird, und das Fluid tritt in den Re­ generator 19 ein, in welchem es vom Punkt b1 zum Punkt c gekühlt wird. Das ist der isovolumetrische Prozeß. Wenn sich der Expansionskolben 24 zum unteren Totpunkt hin be­ wegt, so expandiert dann das Fluid im Regenerator 19 und im Wärmeabsorber 20, während das Fluid im Schwingrohr 21 und Expansionsraum 23 eine Arbeit ausführt, indem auf den Kolben 24 Druck ausgeübt wird, um die Kurbelwelle 14 zu dre­ hen, und folglich wird der Punkt d erreicht. Das ist der adiabatische Expansionsprozeß, in welchem das Volumen maxi­ miert wird. Das Fluid im Expansionsraum 26 fließt dann iso­ volumetrisch durch die Rohrleitung 22 und kühlt zusammen mit dem Fluid im Schwingrohr 21 das (nicht dargestellte) Objekt, das mittels des Wärmeabsorbers 20 zu kühlen ist (d-d1). Das Fluid fließt in den Regenerator 19 sowie den Radiator 18, es wird vom Punkt d1 zum Punkt a erwärmt, und es kehrt dann zum Kompressionsraum 13 zurück (das ist der isovolumetrische Prozeß), worauf ein Zyklus endet. Der tat­ sächliche Arbeitsprozeß wird von teilweise irreversiblen Stufen begleitet, so daß die Übergänge solche sind, wie sie durch die gestrichelten Linien bei a-bx und c-dx dargestellt sind.
Im Betrieb als eine Antriebsmaschine ist jeder Prozeß auf der T-S-Kurve die Umkehrung von demjenigen, der in einer Kältemaschine vorherrscht. Die Prozesse sind eine adiaba­ tische Kompression (d-c) und die isovolumetrische Stufe (c-b), wobei der Punkt a als die gewöhnliche Temperatur dient. Jedoch wird im Wärmeabsorber 20 ein Erhitzen bis auf 700-1000 K vom Punkt b1 zum Punkt b durchgeführt. Dann läuft die adiabatische Expansion ab, es wird Lei­ stung erzeugt (der adiabatische Expansionsprozeß, der bei b-a angegeben ist), und es wird von der Kurbelwelle 14 eine Leistung erhalten. Schließlich wird im isovolumetrischen Prozeß von a-d das Fluid zum Kompressionsraum 13 zurückge­ führt, und ein Zyklus endet damit.
Das Volumen des Expansionsraumes liegt zu dieser Zeit in­ nerhalb eines Bereichs von 50% bis 120% des Kompressionsrau­ mes. Je höher die Temperatur des Wärmeabsorbers 20 ist, der auch als ein Hochtemperatur-Wärmetauscher oder -Heizrohr bezeichnet wird, umso größer kann das Volumen gemacht wer­ den. Der Wirkungsgrad steigt ebenfalls mit einem Anstieg in der Ausgangsleistung an. Es ist zu bemerken, daß diese Prozesse polytropische Zustandsänderungen sind, die von einem niedrigen Wirkungsgrad zur Zeit eines tatsächlichen Betriebs begleitet sind. Bei Ausdrücken mittels einer P-V- Kurve würden die spitzwinkligen Teile in jedem Prozeß abge­ schnitten und geglättet.
Es wird auf Fig. 5 Bezug genommen, um eine Kurve (a) der Beziehung zwischen einem Phasenunterschied (α) und einer erlangten Minimaltemperatur (Tmin), die durch Testen einer durch die Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung ver­ wirklichten Kältemaschine erlangt wurden, sowie eine Kurve (b) der Beziehung zwischen dem Phasenunterschied (α) und einer erlangten Minimaltemperatur (Tmin) in einer unter­ teilten oder getrennten Kältemaschine nach dem Stirling- Kreislauf zu vergleichen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der optimale Phasenunter­ schied 20° und besteht das Regeneriermaterial allein aus einem Bronze-Maschennetz. Selbst wenn die erlangte Minimal­ temperatur in Abhängigkeit von den Spezifikationen der An­ lage und den Arbeitsbedingungen unterschiedlich ist, be­ trägt diese Temperatur 33 K, 38 K und 42 K, wenn das Vo­ lumen des Expansionsraumes 10%, 15% und 20% desjenigen des Kompressionsraumes beträgt, wie jeweils durch die Kurven , und in Fig. 5 angegeben ist. Die maximale Leistungsfähigkeit kann innerhalb von -15° und +25° erlangt werden, wobei 20° als die Mitte genommen wird. Das heißt mit anderen Worten, daß der Phasenunterschiedswin­ kel innerhalb eines Bereichs von 5° bis 45° erhalten werden kann. In Fig. 5 ist die erlangte Temperatur etwa 33 K, wie durch die Kurve angegeben ist. Der Phasenwinkelunter­ schied ist zu dieser Zeit 20°. Der Bereich der Phasenwinkel, über welchen niedrige Temperaturen erzeugt werden können, reicht von 0°, d. h. derselben Phase, bis 60°. Das bedeutet, daß eine angemessene Kälteleistung innerhalb dieses Be­ reichs erlangt wird, was heißt, daß die Tmin, die erlangt wird, wenn 20° verlassen werden und eine Annäherung an 60° erfolgt, sanft ansteigt, so daß sowohl die Leistungsfähig­ keit als auch die Kälteleistung abnehmen. Die Kurve von weniger als 20° bis -5° bestimmt einen spitzen Winkel, so daß sich die Kälteleistung plötzlich verschlechtert. Wenn -15° erreicht werden, steigt Tmin plötzlich an und über 100 K auf, obwohl das nicht gezeigt ist.
Im Betrieb der Kältemaschine auf der Grundlage der Wärme­ kraftmaschine dieser Erfindung ist -5° die Grenze der Wer­ te unterhalb von 0°. Das bedeutet, daß eine Kälteleistung in zufriedenstellender Weise unterhalb dieses Werts nicht erlangt werden kann. Im Stirling-Kreisprozeß (b) der Fig. 5 beträgt der optimale Phasenwinkel annähernd 90° und ist der Bereich ±30° (60-120°) um diesen Winkel als Mitte herum. Insofern ist die Erzeugung von einer niedrigen Temperatur über einen Bereich möglich, der weiter ist als derjenige der Maschine gemäß dieser Erfindung. Darüber hinaus wird eine Kälteleistung über einen sanften Kurvenverlauf erhal­ ten. Jedoch ist eine Leistungsfähigkeit innerhalb eines Be­ reichs von 90° ± 10° hoch, obwohl das in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen verschieden ist. Bei einer Stirling- Antriebsmaschine ist es bekannt, daß der Phasenunterschied (α) gleichartig ist und daß die maximale Leistung bei etwa 90° erlangt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben wurde, somit eine adäquate niedrige Temperatur erreicht, selbst wenn ein bei niedriger Temperatur hin- und herbeweg­ ter Expansionskolben oder Verdränger eliminiert wird, und es wird auch aus der Beziehung des Phasenunterschieds (α) und der erlangten Minimaltemperatur (Tmin) in Fig. 5 deut­ lich, daß die vorliegende Erfindung thermodynamisch zu be­ stehenden Stirling-Maschinen unterschiedlich ist.
Wenngleich das Schwingrohr aus einem Verbund- oder Keramik­ material gefertigt werden kann, so wird in der Hauptsache von einem hohlen, zylindrischen Rohr Gebrauch gemacht, das aus einem Material, wie z. B. rostfreiem Stahl, das ein schlechter Wärmeleiter ist, besteht. Für eine Kälteleistung von 100 W bei 77 K beträgt die Rohrlänge 25-32 cm und der Innendurchmesser 2,5 cm ± 0,5 cm. Obwohl das nicht gezeigt ist, gibt es Fälle, wobei ein fluidischer Gleichrichter, der ein Maschennetz od. dgl. umfaßt, im Einlaß und Auslaß vorgesehen wird. Bei einer Antriebsmaschine wird der Gleichrichter auf der Seite des Expansionsraumes 26 gekühlt. Es gibt auch Fälle, in welchen eine Mehrzahl von Schwing­ rohren in Parallelanordnung verwendet werden, z. B. wenn die Maschine in ihrer Größenabmessung erweitert oder ihre Ge­ schwindigkeit angehoben wird. Hinsichtlich seiner Gestalt ist das Schwingrohr nicht auf ein kreisförmiges Rohr begrenzt, denn es ist möglich, ein Schwingrohr von elliptischer, drei­ eckiger oder konischer Gestalt zu verwenden. Jedoch ist das kreisförmige Rohr zweckmäßig, weil seine Wanddicke vermin­ dert werden kann, wenn das Fluid auf einen hohen Druck ange­ hoben wird. Als Ergebnis wird ein Wärmeintrusionsabfall von einer gewöhnlichen Temperatur vermindert.
Das Volumen des Expansionsraumes 26 liegt im Bereich von 6,6%-30% des Volumens des Kompressionsraumes 13 in der Kältemaschine, und es ist möglich, mit hoher Wirksamkeit durch die Kühltemperatur niedrige Temperaturen zu erzeugen. Je niedriger die geforderte Kühltemperatur ist, desto näher liegt das Volumen an 6,6%. Das ideale Verhältnis schwankt in Abhängigkeit von der Kühltemperatur am Wärmeabsorber 20 und von der Ausgangsleistung. Ferner schwankt das ideale Ver­ hältnis in Abhängigkeit von solchen Betriebsbedingungen, wie dem mittleren Arbeitsdruck des Fluids, der Drehzahl pro Minute sowie dem Phasenunterschied wie auch von der Rohr­ leitungslänge (totes Volumen und Druckabfall innerhalb der Rohrleitung).
Das Verhältnis des Expansionsraumes 26 zum Kompressionsraum 13 beträgt etwa 30% bei einer Kühltemperatur von 200 K, 20% bei einer Kühltemperatur von 150 K, 16% bei einer Kühltemperatur von 100 K, 10% bei einer Kühltemperatur von 77 K und 8% bei einer Kühltemperatur von 30 K. Dieses Ver­ hältnis nähert sich unterhalb von 30 K an 6,6%. Obwohl die Erzeugung von niedrigen Temperaturen auch unter 6,6% mög­ lich ist, verschlechtert sich der Leistungskoeffizient. In einer Antriebsmaschine nähert sich das Volumen des Ex­ pansionsraumes an 120% von demjenigen des Kompressionsrau­ mes, wenn die Heiztemperatur ansteigt.
Ein Beispiel für Spezifikationen, wenn die Kühlleistung 100 W bei 77 K beträgt, ist das folgende:
Schwingrohr: rostfreier Stahl, 3 cm Durchmesser, 30 cm Länge; Regenerator: 800 Lagen von rostfreiem Stahl eines 200er-Maschennetzes mit einem Durchmesser von 3,8 cm; Volumen des Kompressionsraumes: 900 cm3; Volumen des Expansionsraumes: 90 cm3; Drehzahl: 240 U/min; mittlerer Arbeitsdruck (He): 17,67 bar (17,5 ata); Phasenunterschied: 21°; erlangte Minimaltemperatur: 32 K; Eingangs­ leistung: 3,3 kW; Güteziffer: 3300/100 = 33; Leistungskoef­ fizient: 1/33 = 0,03.
Wenn der Wirkungsgrad als der Carnot-Wert ausgedrückt wird, so erhält man η% = ((300 - 77)/77/33).100% = 8,8%. Dieser Wert ist annähernd derselbe wie derjenige einer Kältemaschi­ ne mit derselben Ausgangsleistung vom Gifford-McMahon-Kreis­ prozeß.
Es ist augenscheinlich, daß der Wirkungsgrad einer auf der Maschine dieser Erfindung beruhenden Kältemaschine sehr hoch ist, selbst wenn die Maschine in den Anfangsstufen der Entwicklung noch ist.
Um mechanische Schwingungen des Wärmeabsorbers 20 von den Mechanismen des Expansionsraumes 26 und des Kompressionsrau­ mes 13 zu verhindern, sollte die kalte Rohrleitung 22a und 22b, die in Fig. 3 gezeigt ist, als flexible Rohrleitung mit einer Länge von 1-2 m ausgeführt werden. Das ist für die Eliminierung von Vibrationen wirksam. Wenn jedoch die Längen der flexiblen Rohrleitungen zu groß gemacht werden, so wird das tote Volumen innerhalb der Rohrleitungen grö­ ßer werden. Darüber hinaus wird eine Verschlechterung im Kompressionsverhältnis des Fluids innerhalb des Kompressions­ raumes 13 aufgrund des Druckverlusts, der durch die übermäßi­ ge Länge hervorgerufen wird, in Erscheinung treten. Als Er­ gebnis dessen verschlechtert sich die Kälteleistung mit einer Vergrößerung der Rohrlängen. Jedoch können mehrere Mikron bis mehrere 10er Mikron einer mechanischen Schwingung des Wärmeabsorbers, welche Schwingung auch in Kältemaschinen anderer Kreisprozesse auftritt, völlig durch die Verwen­ dung der flexiblen Rohrleitung und durch Verzicht auf die Notwendigkeit für bewegbare Mechanismen, wie Niedertempera­ turkolben, nahe dem Wärmeabsorber eliminiert werden.
In einer Antriebsmaschine vermindert die Verwendung der flexiblen Rohrleitung die Leistungsfähigkeit in hohem Maß, d. h., je kürzer die flexible Rohrleitung ist, desto höher ist die Leistungsfähigkeit oder der Wirkungsgrad. Ferner wird in dem Fall, da die geforderte Kühltemperatur gerin­ ger als 30 K ist, das ohne Schwierigkeiten erlangt, wenn der Regenerator 19 mit einem Regeneriermaterial gefüllt ist, das aus unzähligen kleinen Bleikugeln oder einem Seltener­ denelement besteht, und wenn das Verhältnis des Volumens des Expansionsraumes 26 zum Volumen des Kompressionsraumes 13 vermindert wird. Jedoch verringert sich das Verhältnis der Volumina und die Leistungsfähigkeit um eine große Span­ ne mit einer Abnahme der geforderten Kühltem­ peratur.
In Fig. 4 bezeichnet die Bezugszahl 29 Kolbenringe. Der Re­ generator 19, der Wärmeabsorber 20 und das Schwingrohr 21 werden in mehreren Schichten gegen Strahlung abgeschirmt und durch ein Vakuum isoliert. Im Fall einer Antriebsmaschi­ ne kann jedoch eine kalte adiabatische Methode zur Anwen­ dung gelangen.
Das Volumen des Kompressionsraumes ist im Vergleich zu demje­ nigen des Expansionsraumes sehr groß. Wenn das Volumen des Kompressionsraumes 13 in zwei Teile unterteilt wird und zwei Kompressionskolben, die diesen Kompressionsraum bil­ den, in horizontal entgegengesetzter Weise angeordnet sowie angetrieben werden, wie das bei einer Stirling-Maschine der Fall ist, werden die Änderungen in den Volumina die­ ser beiden Kompressionsräume in Phase sein. Als Ergebnis dessen kann die Vibration der Niedertemperatur-Kompres­ sionssektion noch weiter dank des ausgezeichneten mechani­ schen, dynamischen Ausgleichs oder Gleichgewichts vermin­ dert werden. Ferner wird ohne weiteres einzusehen sein, daß dann, wenn eine Mehrzahl von Wärmekraftmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung in zusammengebauter Form gefertigt werden, die Verminderung in der Vibration von einer höheren Leistungsfähigkeit begleitet sein wird.
Um die Maschine als eine Niedertemperatur-Antriebsmaschine zu betreiben, wird das Fluid im Expansionsraum 26, wenn die Maschine als eine Kältemaschine arbeitet, komprimiert, der Wärmeabsorber 20 durch verflüssigtes Erdgas gekühlt (der Sie­ depunkt von Methan bei einer Atmosphäre ist 112 K) und der Radiator durch Meerwasser oder warmes Wasser auf 274-373 K erwärmt, worauf der Kompressionsraum 13 als ein adiabati­ scher Expansionsraum wirkt und der Kompressionskolben 16 eine Expansionsarbeit leistet. Als Ergebnis dessen wird die Kurbelwelle 14 gedreht, was bedeutet, daß Leistung erzeugt wird. Was das Verhältnis des Expansionsraumes zum Kompres­ sionsraum zu dieser Zeit betrifft, wird der Zyklus zu einem im Uhrzeigersinn ablaufenden Kreislauf umgekehrt, und des­ halb ist es ausreichend, den Kompressionsraum im Fall einer Kältemaschine zum Expansionsraum und den Expansionsraum zum Kompressionsraum zu machen.
Wenn für die Heiztemperatur angenommen wird, daß sie 373 K beträgt, wird der theoretische Wirkungsgrad η = 1 - (112/373) = 0,7 werden und die tatsächlich erhal­ tene Leistungsfähigkeit 30% sein, was annähernd die Hälfte davon ist, wie in einer Stirling-Maschine. Die vorliegende Erfindung kann auf ein Elektrizität erzeugendes Verdampfer­ system, um verflüssigtes Methan zu verdampfen und als Stadt­ gas zu liefern, Anwendung finden. Dieses System ist imstande, in praktischen Gebrauch anstelle einer Stirling-Maschine genommen zu werden.
Im folgenden werden die Vorteile dieses Erfindungsgegenstan­ des im Vergleich mit einer Stirling-Maschine und anderen Kältemaschinen herausgestellt.
  • a) Eine hohe Arbeitsleistung wird ohne die Verwendung eines vergleichsweise langen Verdrängers oder Expansionskolbens, der bei niedriger Temperatur oder sehr hoher Temperatur hin- und herbewegt wird, erlangt.
  • b) Es gibt keine bewegbaren Niedertemperatur-/Hochtemperatur­ teile und keine Antriebsmechanismen für diese Zwecke, und deshalb wird durch eine Berührung zwischen Zylinder und Kol­ ben kein Staub erzeugt. Demzufolge wird eine Kontaminierung des Arbeitsfluids eliminiert, und die Leistung ist über lan­ ge Zeiträume stabil. Zusätzlich wird die Zuverlässigkeit in hohem Maß mit einer geringeren Anzahl von mechanischen Teilen verbessert.
  • c) Die Expansions- und Kompressionskolben bewegen sich ledig­ lich in den kalten Bereichen hin und her, und Schwingungen sowie Geräusche der kalten Teile werden im Vergleich zu bestehenden Maschinen in hohem Maß vermindert.
  • d) In der Kältemaschine wird eine mechanische Vibration, die der Wärmeabsorber auf das zu kühlende Objekt aufbringt, rest­ los eliminiert. Dadurch wird die Möglichkeit einer Anwendung auf elektronische Systeme verbessert.
  • e) Dank der Vereinfachung des Aufbaus der Kältemaschine ist eine Verbesserung in der Zuverlässigkeit und Betriebssicher­ heit der Systeme, bei welchen die Kältemaschine Anwendung findet, zu erwarten.
  • f) Da bei dem Erfindungsgegenstand sich bewegende Niedertempe­ raturteile nicht erforderlich sind, ist eine einfache Herstel­ lung unter Anwendung bestehender Techniken wie im Fall von kalten fluidischen Mechanismen oder Anlagen möglich.
  • g) Zusätzlich zu der einfacheren Anordnung der Bauteile und zur Verminderung deren Anzahl besteht keine Notwendigkeit irgendwelche Teile und Mechanismen, für die eine Prä­ zisionsbearbeitung notwendig ist. Als Ergebnis werden die Herstellungskosten in hohem Ausmaß vermindert, und es kann eine Kältemaschine sowie eine Antriebsmaschine von hoher Zuverlässigkeit kostengünstig geschaffen werden.
  • h) Da die Anlage als ein einziger Kreis oder eine Kombination von mehreren Kreisen gefertigt werden kann, können die Kühltemperatur und die Kälteleistung in Abhängigkeit vom speziellen Anwendungsfall eingeregelt oder eingestellt werden, und ist es einfach, die Leistungsfähigkeit oder den Wirkungsgrad zu erhöhen.
  • i) Weil keine Notwendigkeit für teuere Herstellungskosten besteht und ein vergleichsweise langer, stark bruch- oder ausfallempfindlicher Kolben oder Verdränger eliminiert wird, wird die Handhabung, die notwendig ist, wenn die Anlage oder Vorrichtung bewegt wird, vereinfacht und er­ leichtert. Zusätzlich wird gleichartig die Arbeitsweise, die zum Betreiben der Anlage notwendig ist, erleichtert.
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfin­ dung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 6­ -16 beschrieben.
Die Fig. 6 zeigt eine Schwingrohr-Kältemaschine 101, die eine Kurbelwelle 102, eine mit dieser Kurbelwelle verbundene erste Pleuelstange 103, einen durch die Pleuelstange hin- und herbewegten ersten Kompressionskolben 104, einen er­ sten Zylinder 105 und einen ersten, innerhalb des Zylinders 105 durch den Kompressionskolben 104 abgegrenzten Kompres­ sionsraum 106 umfaßt. Ferner enthält die Kältemaschine 101 eine zweite Pleuelstange 107, die mit der Kurbelwelle 102 verbunden ist, einen zweiten Zylinder 108, einen zweiten, innerhalb dieses Zylinders 108 hin- und herbewegten Expan­ sionskolben 109 und einen zweiten, im Zylinder 108 durch den Expansionskolben 109 abgegrenzten Expansionsraum 110. Das Volumen des Expansionsraumes 110 wird durch die Hin- und Herbewegung des Expansionskolbens 109 verändert.
Der Expansionsraum 110 wird in einem kalten Zustand gehalten und die Kurbelwinkel der beiden Pleuelstangen 103 und 107 werden derart gewählt, daß die Volumenänderung des Expansions­ raumes 110 zu einer Volumenänderung des Kompressionsraumes 106 mit einem konstanten Phasenunterschied innerhalb eines Bereichs von 10° bis 45° führt. Vorzugsweise wird der Pha­ senunterschied mit 20° bis 30° festgesetzt.
Der erste Kompressionsraum 106 steht mit dem Expansionsraum 110 über einen Radiator 111, einen Regenerator 12, einen kalten Bereich (kalten Kopf) 113 und ein Schwingrohr 114 in Verbindung. Der Regenerator 112 ist mit einem Regenerier­ material, wie einem Maschennetz aus rostfreiem Stahl oder Bronze, einer Anzahl von kleinen Bleikugeln oder einem Seltenerdenelement gefüllt. Die derart ausgestalte Sek­ tion bildet ein erstes thermisches System.
Ein zweites thermisches System ist parallel zum ersten thermi­ schen System ausgestaltet. In gleichartiger Weise wird dieses zweite System von einem Radiator 111', Regenerator 112', kalten Bereich 113' und Schwingrohr 114' gebildet. Wie der Fig. 6 zu entnehmen ist, unterscheidet sich jedoch der Rege­ nerator 112' des zweiten thermischen Systems von demjenigen des ersten thermischen Systems darin, daß er zwei Sektionen 112'-1 und 112'-2 umfaßt.
Das erste und zweite thermische System sind untereinander in einer solchen Weise verbunden, daß zwischen dem kalten Bereich 113 des ersten thermischen Systems und einem Be­ reich 115 des zweiten thermischen Systems, der sich zwi­ schen den beiden Regeneratorsektionen 112'-1 und 112'-2 befindet, ein Wärmetausch ausgeführt wird. Die Verbindung erlaubt eine Übertragung der niedrigen Temperatur des kalten Bereichs 113 im ersten thermischen System auf das Arbeitsfluid des zweiten thermischen Systems, so daß die Erzeugung einer sehr niedrigen Temperatur im zweiten thermischen System er­ möglicht wird.
Es wird nun die Ausführungsform von Fig. 7 beschrieben, wo­ bei zur Ausführungsform von Fig. 6 gleiche Komponenten mit derselben Bezugszahl bezeichnet sind.
Die Ausführungsform von Fig. 7 unterscheidet sich zu derje­ nigen von Fig. 6 darin, daß die beiden Kompressionskolben 104 und 104' nebeneinander angeordnet sind, was auch für die beiden Expansionskolben 109 und 109' gilt, und daß die Schwingrohre 114 sowie 114' der beiden thermischen Systeme in konzentrischer Lagebeziehung angeordnet sind. Die grund­ sätzliche Arbeitsweise ist jedoch bei beiden Ausführungsfor­ men von Fig. 6 und Fig. 7 gleich.
Die Fig. 8 zeigt die Anordnung von Elementen der in Fig. 6 dargestellten Anlage im einzelnen. Die Regeneratorsektionen 112'-1 und 112'-2 des Regenerators 112 sowie das Schwingrohr 114 sind im wesentlichen symmetrisch in zylindrischer Form um das Schwingrohr 114' des zweiten thermischen Systems her­ um angeordnet. Als Ergebnis können die beiden thermischen Systeme in kompakter Gestalt konstruiert werden.
Die Fig. 9 zeigt die Anordnung von Elementen der in Fig. 7 dargestellten Anlage im einzelnen. Auch hier sind die Regeneratorsektionen 112'-1 und 112'-2, der Regenerator 112 und das Schwingrohr 114 im wesentlichen symmetrisch in zylindrischer Form um das Schwingrohr 114' des zweiten thermischen Systems herum angeordnet. Der kalte Bereich 113 des ersten thermi­ schen Systems unterliegt einem Wärmetausch mit dem Bereich 115 der beiden Regeneratorsektionen 112'-1 sowie 112'-2 des zweiten thermischen Systems. Diese Anordnung ist insofern von Nutzen, als die beiden thermischen Systeme in kompakterer Weise ausgestaltet werden können.
Die Fig. 10 und 11 zeigen eine detaillierte Anordnung von die Kurbelwelle 102 umgebenden Bauteilen.
Wie in Fig. 10 und 11 gezeigt ist, sind zwei doppeltwirken­ de Kolben 104 und 104' in horizontal entgegengesetzter Weise angeordnet, um vier Kompressionsräume 106, 106 und 106', 106' zu bilden. Die Kompressionsräume 106, die in Phase arbeiten, sind untereinander verbunden, was auch für die Kompressionsräume 106', die ebenfalls in Phase arbeiten, gilt.
Der Expansionskolben 109 ist im gleichen Kurbelgehäuse 116 aufgenommen, um zwei Expansionsräume 110 und 110' zu bilden. Die Kurbelwinkel der Pleuelstangen 103, 103' sowie 107 liegen innerhalb eines Bereichs von 10° bis 45°.
Wie aus den Fig. 10 und 11 deutlich wird, können die beiden Kompressionskolben 104 und 104', die beiden Expansionskolben 109 und 109' sowie die Pleuelstangen 103, 103' und 107 im selben Kurbelgehäuse 116 aufgenommen werden, wobei flexible Rohrleitungen, die an die Kompressions- und Expansionsräume angeschlossen sind, mit den Regeneratoren und Schwingrohren der Fig. 8 sowie 9 verbunden werden, so daß die Konstruktion einer kompakten Kältemaschine ermöglicht wird.
Es wird vorgezogen, daß die Phasenwinkel zwischen jedem der Kompressionskolben 104, 104' und jedem der Expansions­ kolben 109, 109' eine Kombination derselben oder verschie­ dener Winkel sind und daß die Volumina der Expansions- sowie Kompressionsräume veränderbar gemacht werden, so daß eine nie­ drige Temperatur, wie sie am kalten Bereich erwartet wird, erhalten werden kann. Diese Änderung im Volumen wird ermög­ licht, indem der Winkel des Kurbelarms oder der Kurbelschwin­ ge mit Bezug zur Kurbelwelle entsprechend gewählt wird.
Die Fig. 12 und 13 zeigen Beispiele, bei welchen anstelle der Verwendung der Kurbelwelle 102 die beiden Kolben 104 und 109 durch Linearmotoren 117 sowie 118 hin- und herbewegt werden. Eine Stromzufuhr zu den beiden Linearmotoren 117 und 118 wird derart geregelt, daß der Expansionskolben 109 dem Kompressionskolben 104 mit einem Phasenwinkel von 10° bis 45° voreilt.
Auf der Seite des Kompressionskolbens 104, die zum Kompres­ sionsraum 106 entgegengesetzt liegt, ist eine Pufferkammer 119 vorgesehen. Der Kompressionsraum 106 und die Pufferkam­ mer 119 sind untereinander durch eine flexible Rohrleitung verbunden, in der ein Regelventil 120 sowie ein Filter 121 liegen. Das Regelventil 120 und das Filter 121 verbessern die Reinheit des Arbeitsfluids, indem im Arbeitsfluid enthal­ tene Verunreinigungen beseitigt werden, und sie dienen auch dazu, den Druck des Arbeitsfluids zu beherrschen.
Bei der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform wird als Expan­ sionskolben ein T-förmiger Kolben 109a verwendet, um eine zweite Pufferkammer 122 zu bilden. Die Bewegung der Kolben 104, 109 und 109a kann durch Stellungsfühler begrenzt wer­ den.
Anordnungen der in entweder der Fig. 12 oder der Fig. 13 gezeigten Art können Seite an Seite angeordnet werden, und die kalten Bereiche 113 der jeweiligen Stufen können geteilt sein, z. B. durch Anordnung der kalten Bereiche 113 in zylin­ drischer Form um eine gemeinsame Mitte herum, so daß die identische kalte Temperatur durch einen großen kalten Be­ reich erzeugt werden kann. Ferner kann, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist, der kalte Bereich 113 verwendet wer­ den, um ein anderes, eine niedrige Temperatur erzeugendes System vorzukühlen, so daß ein Wärmetausch mit dem anderen, eine niedrige Temperatur erzeugenden System in diesem Be­ reich ausgeführt werden kann.
Bei all den Ausführungsformen und Beispielen, die vorstehend beschrieben wurden, beträgt das Volumen des Expansionsrau­ mes vorzugsweise 6,6% bis 30% desjenigen des Kompressions­ raumes. Das notwendige Volumen des Kompressionsraumes kann unter Verwendung von mehreren Kompressionskolben erlangt werden.
Obwohl die beiden Kolben 104 und 109 bei den Beispielen der Fig. 12 und 13 unter Verwendung der Linearmotoren 117 und 118 betrieben werden, ist es möglich, eine Anordnung der in Fig. 14 gezeigten Art anzuwenden, wobei die beiden Kolben 104 und 109 durch eine Kurbelwelle 102 sowie einen die Stel­ le der Linearmotoren 117 und 118 einnehmenden Motor M hin- und herbewegt werden.
Eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 15 gezeigt ist, ist für ein Verhindern des Abfallens der Temperatur des Expansionsraumes unter die übliche (kal­ te) Temperatur, wenn die Expansionsarbeit des Expansionsrau­ mes 110 ansteigt, wirksam (wenn z. B. die Kühltemperatur 80 K und die Expansionsarbeit größer als 50 W ist, dann wird die Temperatur des Expansionsraumes auf 250 K abfal­ len, falls der Wärmeabstrahlungseffekt nicht adäquat ist).
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, wird Wärme vom Kompressionsraum 106 unter Verwendung eines Radiators 123 auf das Arbeits­ fluid im Expansionsraum 110 übertragen, wodurch ein Tem­ peraturabfall des Expansionsraumes 110 verhindert wird. Bauteile in Fig. 15, die zu solchen der anderen Ausführungs­ formen gleich sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeich­ net.
Um den Kompressionsraum 106 mit einem Arbeitsfluid von ho­ her Reinheit zu speisen, sollte das Filter 121 zwischen einem Druckerzeugungsventil 124 und einem Druckentlastungsven­ til 125 angeordnet werden. Bei Anwendung einer solchen An­ ordnung wird das Arbeitsfluid vom Kurbelgehäuse dem Kom­ pressionsraum 106 über das Filter 121 und das Druckregel­ ventil 120 als ein Arbeitsfluid von hoher Reinheit zuge­ führt.
Die Fig. 16 zeigt ein Diagramm zur Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und einem Leistungskoeffizienten. Wenn die Kühltemperatur TE bei 80 K konstant gemacht und der Kur­ belwinkel von 0° auf 30° bei der Ausführungsform von Fig. 1 vergrößert wird, steigt der Leistungskoeffizient (das Ver­ hältnis der Kühlleistung zur verbrauchten Energie) von 0,01 auf 0,027 an. Bei 40 K wird der maximale Lei­ stungskoeffizient erlangt, wenn der Kurbelwinkel 22° beträgt. Wie aus der Fig. 16 deutlich wird, gibt es einen optimalen Kurbelwinkel für jede Kühltemperatur, und dieser Win­ kel liegt in einem Bereich von 20° bis 30°.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind bewegliche Nieder­ temperaturteile nicht länger notwendig, d. h. der Expansions­ kolben wird auf einer üblichen oder gewöhnlichen Temperatur angeordnet. Als Ergebnis werden die Herstellung und War­ tung erleichtert. Da die Kältemaschine mit einer Mehrzahl von Kreisen ausgestattet werden kann, kann zusätzlich die Kühlleistung eingeregelt werden, damit sie dem speziellen Anwendungsfall entspricht. Darüber hinaus wird die prakti­ sche Kühlleistung der Anlage oder Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik angehoben.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, umfaßt eine Schwingrohr- Kältemaschine einen durch einen Kompressionskolben in einem Zylinder abgegrenzten Kompressionsraum, einen in einem Zylin­ der durch einen Expansionskolben abgegrenzten Expansionsraum, wobei der Expansionskolben mit einem Voreilwinkel eines kon­ stanten Phasenunterschiedes innerhalb eines Bereichs von 10°-45° mit Bezug zum Kompressionskolben hin- und herbe­ wegt wird, sowie ein erstes und ein zweites thermisches Sy­ stem, die die Kompressions- und Expansionsräume verbinden. Jedes thermische System besitzt einen Radiator, einen Regene­ rator, einen kalten Bereich und ein Schwingrohr, wobei der Regenerator des zweiten thermischen Systems aus zwei Rege­ neratorsektionen besteht. Der kalte Bereich des ersten ther­ mischen Systems wird zur Durchführung eines Wärmetauschs mit dem zweiten thermischen System zwischen dessen beiden Regeneratorsektionen gebracht, so daß vom kalten Bereich des zweiten thermischen System eine sehr niedrige Tempera­ tur erhalten wird.

Claims (9)

1. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine, mit einem Kompressionsraum (13), einem Wärmetauscher (18), einem Regenerator (19), einem Wärmeabsorber (20), einem Schwingrohr (21) und einem Expansionsraum (26), dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher, der Regenerator, der Wärmeabsorber und das Schwingrohr in der Verbindung für ein Arbeitsfluid zwischen dem Kompressionsraum (13) und dem Expansionsraum (26) angeordnet sind, wobei eine Volumenänderung des Expansionsraums mit einer konstanten Phasenverschiebung von 0° bis 60° gegenüber der entsprechenden Volumenänderung des Kompressionsraums erfolgt.
2. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (26) über einen Wärmetauscher (28) mit dem Kompressionsraum thermisch gekoppelt ist.
3. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (110) von einem Expansionszylinder (108) und einem darin verschiebbar gehaltenen Expansionskolben (109) begrenzt ist, daß der Kompressionsraum (106) von einem Kompressionszylinder (105) mit einem darin verschiebbar aufgenommenem Kompressionskolben (104) begrenzt ist, und daß der Expansionskolben (109) mit einer konstanten Phasenverschiebung von 10 bis 45° gegenüber einer Bewegung des Kompressionskolbens (104) voreilt.
4. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallel angeordnete reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschinen vorgesehen sind, wobei der Wärmeabsorber (113) der ersten Maschine mit dem Regenerator (112'-1, 112'-2) der zweiten Maschine thermisch gekoppelt ist.
5. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator (112') der zweiten Maschine in zwei Regeneratorabschnitte (112'-1, 112'-2) unterteilt ist, und der Wärmeabsorber (113) der ersten Maschine zwischen diesen Regeneratorabschnitten (112'-1, 112'-2) mit dem Arbeitskreis der zweiten Maschine thermisch gekoppelt ist.
6. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingrohre (114, 114') der ersten und der zweiten Maschine koaxial zueinander angeordnet sind.
7. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegend angeordnete doppeltwirkende Kolben (104, 104') vier Kompressionsräume (106, 106, 106', 106') begrenzen, von denen jeweils die phasengleichen Kompressionsräume miteinander verbunden sind, wobei die Kolben (104, 104') von einer Kurbelwelle (102) angetrieben sind, mit der Expansionskolben (109, 109') phasenverschoben gekoppelt sind, welche zwei Expansionsräume (110, 110') begrenzen.
8. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Expansionsraums (26, 110) 50% bis 120% des Volumens des Kompressionsraums (13, 106) beträgt, wenn die Maschine als Antriebsmaschine arbeitet.
9. Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Kompressionsraums (13, 106) das drei bis fünfzehnfache Volumen des Expansionsraums (26, 110) beträgt, wenn die Maschine als Kältemaschine arbeitet.
DE19924234678 1991-10-15 1992-10-14 Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine Expired - Lifetime DE4234678C2 (de)

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