DE4320529A1 - Verdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter, der mit einem Stirlingmotor eine Einheit bildet.

Ein derartiger Verdichter ist z. B. im US-Patent No. 5,088,284, das Momose et al. erteilt wurde, beschrieben. Ein herkömmlicher Verdichter hat eine mit einem Verdichtungsraum eines Stirlingmotors in Verbindung stehende erste Druckkam­ mer, eine mit einem Wärmepumpenkreislauf über Ventile verbun­ dene zweite Druckkammer, eine mit dem Verdichtungsraum des Stirlingmotors über eine erste Auslaßöffnung in Verbindung stehende erste Ausgleichkammer und eine mit der zweiten Druckkammer über eine zweite Auslaßöffnung verbundene zweite Ausgleichkammer. Die erste Druckkammer ist von der zweiten Druckkammer durch eine erste Scheidewand (Diaphragma) ge­ trennt. Die erste Ausgleichkammer ist von der zweiten Aus­ gleichkammer durch eine zweite Scheidewand getrennt. Die zwei Scheidewände sind durch einen Stab derartig miteinander verbunden, daß sie sich in achsiale Richtung gemeinsam be­ wegen. In der vorbeschriebenen Konstruktion wirkt der Ver­ dichter als Verdichtereinrichtung für den Wärmepumpenkreis­ lauf.

Um einen stabilen Betriebszustand des Verdichters zu ga­ rantieren, ist die zweite Ausgleichkammer ein wesentliches Bauteil. Andererseits jedoch wird die zweite Ausgleichkammer als Totraum oder ungültige Kapazität betrachtet, die zu einem geringeren Wirkungsgrad des Kompressors führt.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Verdichter zu schaffen, der mit einem Stirlingmotor eine Einheit ohne die vorbeschriebenen Nachteile bildet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stir­ lingmotor zu schaffen, der leistungsfähiger im Vergleich mit einem herkömmlichen Stirlingmotor ist.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein Verdichter, der mit einem Stirlingmotor eine Einheit bildet, geschaffen, der einen Druckraum hat, mit einem Gehäuse, einer Trennwand, die im Gehäuse angeordnet ist, einer im Gehäuse an einer Seite der Trennwand ausgebildeten und mit dem Druckraum des Stir­ lingmotors verbundenen ersten Druckkammer, einer im Gehäuse an der anderen Seite der Trennwand ausgebildeten und mit der ersten Druckkammer über eine Öffnung verbundenen zweiten Druckkammer, einem Stab, der durch die Trennwand verläuft und der einen ersten und einen zweiten Endabschnitt hat, die in der ersten Druckkammer bzw. in der zweiten Druckkammer ange­ ordnet sind, einer dritten Druckkammer, die durch eine mit dem ersten Endabschnitt des Stabes verbundene erste Platte und einen ersten Faltenbalg zwischen der ersten Platte und der Trennwand gebildet ist, einer vierten Druckkammer, die durch eine mit dem zweiten Endabschnitt des Stabes verbundene erste Platte und einen zweiten Faltenbalg zwischen der zwei­ ten Platte und der Trennwand gebildet ist, einem ersten Ka­ nal, der in der Trennplatte ausgebildet ist, einem zweiten Kanal, der in der Trennplatte ausgebildet ist, Einlaßventileinrichtungen, um eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Kanal und entweder der vierten Druckkammer oder der dritten Druckkammer, in Abhängigkeit davon, welche der Kammern im Expansionszustand ist, herzustellen, und Auslaßventileinrichtungen, um eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Kanal und entweder der vierten Druckkammer oder der dritten Druckkammer, in Abhängigkeit davon, welche der Kammern im Verdichtungszustand ist, herzustellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines Verdichter, der mit einem Stirlingmotor erfindungsgemäß eine Einheit bildet, und

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Hauptabschnitts der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung.

Gemäß der Fig. 1, auf die zuerst Bezug genommen werden soll, hat ein Stirlingmotor 11 einen Zylinder 12, in den ein Kolben 13 bewegbar eingepaßt ist. An einer oberen Seite und an einer unteren Seite des Kolbens 13 sind im Zylinder 12 ein Expansionsraum 14 bzw. ein Verdichtungsraum 15 ausgebildet. Um den Zylinder 12 herum sind ein Kühler 16 und ein Wärmeaus­ tauscher 17 angeordnet. Der Expansionsraum 14 steht mit dem Verdichtungsraum 15 über eine Vielzahl von Heizungsrohren 18, über den Wärmeaustauscher 17 und den Kühler 16, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, in Fluidverbindung. Die Vielzahl von Heizungsrohren 18 ist in einer Heizung 19 angeordnet, die die Form einer Vertiefungsanordnung hat, so daß die Vielzahl von Heizungsröhren 18 durch Verbrennungswärme, die in der Heizung 19 erzeugt wurde, erwärmbar ist. Eine Menge von Betriebs- oder Arbeitsfluid, wie Heliumgas, ist in einen Betriebsraum gefüllt, der sich vom Expansionsraum 14 zum Verdichtungsraum 15 erstreckt. Unter dem Zylinder 11 ist ein Kurbelgehäuse 20, in dem ein Antriebsmechanismus 21 untergebracht ist. Der Antriebsmechanismus 21 ist über ein Pleuel 22 mit dem Kolben 13 zur Hin- und Herbewegung in Vertikalrichtung verbunden.

Wie am günstigsten Fig. 2 entnommen werden kann, hat ein Verdichter 39 ein Gehäuse 31, in dem eine erste Druckkammer 32 und zwei getrennte zweite Druckkammern 37 und 38, zwischen denen sich die erste Druckkammer 32 befindet, angeordnet sind. Eine Trennwand 33 (34) wird dazu verwendet, um eine er­ ste Kammer 32 von einer zweiten Kammer 37 (38) fluidundurch­ lässig zu trennen. Die erste Druckkammer 32 steht mit der Verdichterkammer 15 über einen Kanal 23 in Fluidverbindung.

Die zweite Druckkammer 37 (38) ist mit der ersten Druckkammer 32 über eine Öffnung 35 (36) verbunden. An gegenüberliegenden Endabschnitten eines Stabes 45 (52), der durch die Trennwand 33 (34) hindurchgeht, sind jeweils zwei Platten 41 und 42 (48 und 49), von denen jede parallel zur Trennwand 33 (34) ver­ läuft, befestigt. Zwischen der Platte 41 (48) und der Trenn­ wand 33 (34) ist ein eine dritte Kammer 43 (50) ausbildender Faltenbalg 39 (46) angeordnet. Zwischen der Platte 42 (49) und der Trennwand 33 (34) ist ein eine vierte Kammer 44 (51) ausbildender Faltenbalg 40 (47) angeordnet. Es ist ebenfalls festzuhalten, daß zwischen dem Stab 45 (52) und der Trennwand 33 (34) eine nicht gezeigte Abdichteinrichtung zur Verhinde­ rung eines Flüssigkeitskontaktes zwischen der dritten Druck­ kammer 43 (50) und der vierten Druckkammer 44 (51) angeordnet ist.

In der Trennplatte 33 (34) sind ein Einlaßkanal 53 (54) und ein Auslaßkanal 55 (56) ausgebildet. Der Einlaßkanal 53 ist über Ventile 57 und 58 mit der dritten Druckkammer 43 bzw. der vierten Druckkammer 44 verbunden. Der Auslaßkanal 55 ist über Ventile 59 und 60 mit der dritten Druckkammer 43 bzw. der vierten Druckkammer 44 verbunden. In gleicher Weise ist der Einlaßkanal 54 über Ventile 61 und 62 mit der dritten Druckkammer 50 bzw. der vierten Druckkammer 51 verbunden. Der Auslaßkanal 56 ist über Ventile 63 und 64 mit der dritten Druckkammer 50 bzw. der vierten Druckkammer 51 verbunden. Die Einlaßkanäle 53 und 54 sind mit den Auslaßkanälen 55 und 56 über ein Kühlrohr 70, an dem ein Verdampfer 73, ein Expan­ sionsventil 72 und ein Verflüssiger 71 in dieser Reihenfolge entlang angeordnet sind, verbunden. Somit dienen die dritte Druckkammer 43 (44) und die vierte Druckkammer 50 (51) als Verdichtereinrichtung, die mit dem Verdampfer 73, dem Expan­ sionsventil 72 und dem Verflüssiger 71 einen Wärmepumpen­ kreislauf 74 bilden. In den Wärmepumpenkreislauf 74 ist eine Menge Kühlmittel, wie Heliumgas, gefüllt.

Während der Stirlingmotor 11 in Betrieb ist, läßt sich die Ariderung des Druckes in der Druckkammer 15 durch eine im wesentlichen sinusförmige Kurve beschreiben. Die resultie­ rende Druckänderung wird über Kanal 23 zur ersten Druckkammer 32 übertragen. Da die zweite Druckkammer 37 (38) in Fluidkon­ takt mit der Öffnung 35 (36) ist, wird erwartet, daß der mittlere Druck in der ersten Druckkammer 32 in der zweiten Druckkammer 37 (38) erzeugt wird.

Ist der Druck in der ersten Druckkammer 32 größer als der mittlere Druck in der zweiten Druckkammer 37 (38), so ist der an der Platte 42 (48) anliegende Druck größer als der an der Platte 41 (49), der eine Expansion des Faltenbalges 39 (47) und eine Verdichtung des Faltenbalges 40 (46), wie den Fig. 1 und 2 entnehmbar ist, nach sich zieht. Somit verringert sich das Volumen der dritten Druckkammer 43 (50) und das Volumen der vierten Druckkammer 44 (51) vergrößert sich, was dazu führt, daß das Kühlmittel in der dritten Druckkammer 43 (50) verdichtet wird und zum Verflüssiger 71 über das Ventil 59 (63) und den Auslaßkanal 55 (56) ausgelassen oder ausgestoßen wird. Andererseits wird das Kühlmittel in die vierte Druck­ kammer 44 (51) vom Verdampfer 73 über die Ventile 58 (62) und den Einlaßkanal 53 (54) eingeleitet.

Wenn der Druck in der ersten Druckkammer 32 kleiner als der mittlere Druck in der zweiten Druckkammer 37 (38) ist, ist der an der Platte 42 (48) anliegende Druck kleiner als der an der Platte 41 (49), der eine Verdichtung des Falten­ balges 39 (47) und eine Expansion des Faltenbalges 40 (46) nach sich zieht. Somit wächst das Volumen der dritten Druck­ kammer 43 (50) und das Volumen der vierten Druckkammer 44 (51) verringert sich, was dazu führt, daß das Kühlmittel in die dritte Druckkammer 43 (50) vom Verdampfer 73 über ein Ventil 57 (61) und den Einlaßkanal 53 (54) eingeleitet wird. Andererseits wird das Kühlmittel in der vierten Druckkammer 44 (51) verdichtet und wird zum Verflüssiger 71 über das Ven­ til 60 (64) und den Auslaßkanal 55 (56) ausgestoßen oder aus­ gelassen.

Somit legt die Druckänderung in der ersten Druckkammer 32 eine Wiederholung des Einlassens und des Auslassens der Kühl­ flüssigkeit in die dritte Druckkammer 43 (50) und in die vierte Druckkammer 44 (51) und aus diesen heraus fest, woraus der Betrieb des Wärmepumpenkreislaufes 74 resultiert. Da das Prinzip der Wärmepumpe 74 für sich allein genommen bekannt ist, wird die Erklärung des Prinzips weggelassen.

Es sollte festgehalten werden, daß das Volumen der drit­ ten Druckkammer 43 (50) mit dem Volumen der vierten Druckkam­ mer 44 (51) identisch sein soll, während der Stirlingmotor 11 und der Verdichter 30 im Ruhezustand sind. Solange sich an diese Bedingung gehalten wird, ist jede Modifikation, die von der abgebildeten Konstruktion abweicht, brauchbar.

Wie oben erwähnt beziehen sich erfindungsgemäß sowohl die dritte Druckkammer, als auch die vierte Druckkammer auf die Verdichtung des Kühlmittels, woraus der Wegfall des Totraum im Verdichter resultiert.

Die Prinzipien bevorzugter Ausführungsbeispiele und Ar­ beitsweisen der Erfindung sind in der vorangegangenen Be­ schreibung beschrieben. Die Erfindung, die hierin geschützt werden soll, soll jedoch nicht als auf die beschriebenen spe­ ziellen Formen beschränkt aufgefaßt werden, sondern diese sollen als erläuternd und nicht restriktiv angesehen werden. Abweichungen und Änderungen können vom Fachmann vorgenommen werden, ohne daß vom Wesen dieser Erfindung abgewichen wird. Folglich soll die vorangegangene detaillierte Beschreibung exemplarisch in ihrer Art angesehen werden und sollte nicht auf das Gebiet und das Wesen der Erfindung, wie in den bei­ liegenden Patentansprüchen dargelegt, beschränkt sein.

Claims (5)

1. Verdichter, der mit einem Stirlingmotor (11) eine Ein­ heit bildet, der einen Druckraum hat, mit
einem Gehäuse (31),
einer Trennwand (33, 34), die im Gehäuse (31) angeordnet ist,
einer im Gehäuse (31) an einer Seite der Trennwand (33, 34) ausgebildeten und mit dem Druckraum des Stirlingmotors (11) verbundenen ersten Druckkammer (32), einer im Gehäuse (31) an der anderen Seite der Trennwand (33, 34) ausgebildeten und mit der ersten Druckkammer (32) über eine Öffnung (35, 36) verbundenen zweiten Druckkammer (37, 38),
einem Stab (45, 52), der durch die Trennwand (33, 34) ver­ läuft und der einen ersten und einen zweiten Endabschnitt hat, die in der ersten Druckkammer (32) bzw. in der zweiten Druckkammer (37, 38) angeordnet sind,
einer dritten Druckkammer (43, 50), die durch eine mit dem ersten Endabschnitt des Stabes (45, 52) verbundene erste Platte (41, 48) und einen ersten Faltenbalg (39, 46) zwischen der ersten Platte (41, 48) und der Trennwand (33, 34) gebildet ist,
einer vierten Druckkammer (44, 51), die durch eine mit dem zweiten Endabschnitt des Stabes (45, 52) verbundene zweite Platte (42, 49) und einen zweiten Faltenbalg (40, 47) zwischen der zweiten Platte (42, 49) und der Trennwand (33, 34) gebildet ist,
einem ersten Kanal (53, 54), der in der Trennplatte ausge­ bildet ist,
einem zweiten Kanal (55, 56), der in der Trennplatte ausgebildet ist,
Einlaßventileinrichtungen (57, 58; 61, 62), um eine Fluid­ verbindung zwischen dem ersten Kanal (53, 54) und entweder der vierten Druckkammer (44, 51) oder der dritten Druckkammer (43, 50), in Abhängigkeit davon, welche der Kammern im Expan­ sionszustand ist, herzustellen, und
Auslaßventileinrichtungen (59, 60; 63, 64), um eine Fluid­ verbindung zwischen dem zweiten Kanal (55, 56) und entweder der vierten Druckkammer (44, 51) oder der dritten Druckkammer (43, 50), in Abhängigkeit davon, welche der Kammern im Verdichtungszustand ist, herzustellen.

2. Verdichter gemäß Patentanspruch 1, wobei der erste Ka­ nal (53, 54) und der zweite Kanal (55, 56) mit einem Wärmepumpenkreislauf verschaltet sind.

3. Verdichter, der mit einem Stirlingmotor (11) eine Ein­ heit bildet, mit einem Druckraum mit
einem Gehäuse (31),
einer ersten Kammer (32) mit festgelegtem Volumen, das im Gehäuse (31) ausgebildet ist und dazu dient, darin einen variablen Druck in dem Druckraum des Stirlingmotors (11) aufzunehmen,
einer zweiten Kammer (37, 38), die ein festgelegtes Volumen hat, die im Gehäuse ausgebildet ist und mit der ersten Druckkammer (32) über eine Öffnung (35, 36) verbunden ist,
einer dritte Kammer (43, 50), deren Volumen in Abhängigkeit vom Druck in der ersten Kammer (32) veränderbar ist, und
einer vierten Kammer (44, 51), deren Volumen in Abhängig­ keit vom Druck in der zweiten Kammer (37, 38) veränderbar ist, und
Ventileinrichtungen (57, 58; 61, 62), die betrieben werden, um ein Kühlmittel zu laden und einzuleiten, wenn die dritte Kammer (43, 50) und die vierte Kammer (44, 51) verdichtet bzw. expandiert werden oder umgekehrt.

4. Verdichter, der mit einem Stirlingmotor (11) eine Ein­ heit bildet, der einen Druckraum hat, mit
einem Gehäuse (31),
hat, die im Gehäuse (31) ausgebildet ist und dazu dient, darin einen variablen Druck in dem Druckraum des Stirlingmotors (11) aufzunehmen,
einer zweiten Kammer (37, 38), die ein festgelegtes Volumen hat, die in dem Gehäuse (31) ausgebildet ist und an der konstanter Druck anliegt, und
Einrichtungen (57, 58, 59, 60; 61, 62, 63, 64) zum Einleiten und zum Auslassen eines Kühlmittels in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen der ersten Kammer (32) und der zweiten Kammer (37, 38).

5. Verdichter gemäß Anspruch 4, wobei der konstante Druck, der an der zweiten Kammer (37, 38) anliegt, ein mittle­ rer Druck im Druckraum des Stirlingmotors (11) ist.