DE4328993A1

DE4328993A1 - Wärme- und Kältemaschine

Info

Publication number: DE4328993A1
Application number: DE4328993A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Ing Hofbauer; Klaus Dr Ing Heikroot
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 1993-08-28
Filing date: 1993-08-28
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2013-08-29
Also published as: WO1995006847A1; JPH08503062A; EP0665940A1; ES2114219T3; EP0665940B1; KR950704661A; DE4328993C2; BR9405561A

Description

Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreis prozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine mit zwei in einem druckdichten Gehäuse linear beweglichen Kolben, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kol ben im Gehäuse ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvo lumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina unter Zwischenschaltung von Rege neratoren und Wärmeübertragern miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben vorgesehen ist.

Derartige, beispielsweise nach dem Stirling- oder Vuilleumier- Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen sind seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der GB-PS 136 195. Sie haben jedoch trotz der unbestreitbaren Vorteile der regenerati ven Gaskreisprozesse keinen Eingang in die Praxis gefunden, hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Rea lisation der theoretischen Vorteile derartiger Maschinen in der Praxis bisher verhinderten. Auch jüngere Veröffentlichungen, beispielsweise die EP 0 238 707 A2 befassen sich mehr mit theo retischen Überlegungen als praktischen Ausgestaltungen derarti ger Wärme- und Kältemaschinen.

Um eine über Prototypen hinausgehende industrielle Herstellung derartiger im Alltagsbetrieb einsetzbarer Wärme- und Kältema schinen zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Einzelkomponen ten dieser Maschinen zu optimieren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärme- und Kältemaschine der ein gangs definierten Art derart weiterzubilden, daß sich ein hoher Wärmeübertragungswirkungsgrad bei kompakter Bauweise ergibt.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der das warme und kalte Arbeits volumen durch seinen Kolbenboden voneinander trennende Kolben topfförmig ausgebildet ist und daß sein Kolbenmantel als Tren nung zwischen dem außenliegenden warmen Wärmeübertrager und dem innenliegenden kalten Wärmeübertrager dient, wobei die Wärme übertragung von dem bzw. an das Arbeitsmedium bei beiden Wärme übertragern zwischen der äußeren bzw. der inneren Mantelfläche des Kolbenmantels und der zugehörigen Oberfläche des jeweiligen Wärmeübertragers erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des kalten Wärmeübertragers im topfförmig ausgebildeten kalten Kolben ergibt sich eine kurze und im Durchmesser kleine Bauweise der Maschine. Eine weitere Verringerung des Bauvolumens wird dadurch erzielt, daß der Kol benmantel zugleich als Trennung zwischen dem warmen und kalten Wärmeübertrager dient. Die erfindungsgemäße Konstruktion schafft darüber hinaus eine hohen Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung, da zusätzliche Trennwände entfallen, die Wärme- und Strömungs verluste zur Folge hätten. Schließlich wird durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung eine zusätzliche Laufbuchse für den kalten Kolben eingespart, da deren Funktion von den Wänden der Wärmeübertrager übernommen wird. Insgesamt ergibt sich somit eine sehr kompakte und preisgünstig herzustellende Konstruktion.

Um einen unerwünschten Wärmeaustausch zwischen dem warmen und dem kalten Wärmeübertrager zu verhindern, ist der kalte Kolben gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest teilweise aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt. Vorzugsweise wird der kalte Kolben mindestens auf einer Seite mit schlecht wärmeleitendem Material versehen.

Um die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern, kann erfindungs gemäß die vom Arbeitsmedium beaufschlagte Oberfläche der Wärme übertrager durch Aufbringen von porösem Material, durch Riffeln oder Nuten und/oder durch die Verwendung geriffelter bzw. genu teter Bleche vergrößert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Wärmeübertrager jeweils zweiteilig aus einem mit offenen Kanälen versehenen, als Laufbuchse für den kalten Kolben ausgebildeten Grundkörper und aus einem die offene Seite der Kanäle ver schließenden Dichtkörper ausgebildet. Da der Druck in den Kanälen der Wärmeübertrager erheblich geringer als der Druck des Arbeitsmediums ist, preßt das Arbeitsmedium den Grundkörper bei beiden Wärmeübertragern gegen den Dichtkörper, so daß auf beson dere und teure Abdichtmaßnahmen bei den erfindungsgemäß ausge bildeten Wärmeübertragern verzichtet werden kann. Da weiterhin der Überdruck des Arbeitsmediums über den Grundkörper auch den Dichtkörper des warmen Wärmetauschers gegen das Maschinengehäuse anpreßt, können die Anschlüsse für das den warmen Wärmeübertra ger durchströmende Medium problemlos ausgeführt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Dichtkör per der Wärmeübertrager aus wärmeisolierendem Material herge stellt, womit sich eine erhebliche Reduzierung der ungewollten Wärmeleitung vom jeweiligen Wärmeübertrager in das Gehäuse er gibt.

Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, zwischen dem warmen Wärmeübertrager und dem diesem prozeßseitig nachgeschal teten Regenerator einen mit dem Kolbenmantel zusammenwirkenden Dichtring anzuordnen. Hierdurch wird auf einfache Weise er reicht, daß das Arbeitsmedium nach Verlassen des warmen Wärme übertragers über den nachgeschalteten Regenerator zum kalten Wärmeübertrager geführt wird.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge mäßen Wärme- und Kältemaschine in einem Längsschnitt dargestellt.

Die im Längsschnitt dargestellte Maschine umfaßt ein als Kreis zylinder ausgebildetes druckdichtes Gehäuse 1, das an seinem einen Ende mit einem Flansch 1a versehen ist, an den ein Motor gehäuse 2 mit einem entsprechenden Flansch 2a angeschraubt wird. Das Motorgehäuse 2 ist nur zum Teil dargestellt. Zwischen den Flanschen 1a und 2a ist ein druckfester Boden 3 angeordnet, der das eine Ende des Gehäuses 1 abschließt.

Am anderen Ende ist das druckdichte Gehäuse 1 mit einem Gehäuse deckel 4 versehen, der beim Ausführungsbeispiel über Gewinde mit dem zylindrischen Gehäuse 1 verschraubt ist und in dem ein Wärmeerzeuger in Form eines Gasbrenners 5 angeordnet ist. Dieser Gasbrenner umfaßt ein zylindrisches Zufuhrrohr 5a für das Brenn gas, das austrittsseitig mit einer Dosierhalbkugel 5b versehen ist. Konzentrisch zu dieser Dosierhalbkugel 5b ist eine als Reaktionsoberfläche wirkende Brennerfläche 5c aus einem Edel stahlgewebe angeordnet, die die Gaszuströmkammer begrenzt und beim Betrieb des Gasbrenners glüht, so daß der Gasbrenner 5 einen Großteil der erzeugten Wärme durch Strahlung abgibt. Die entstehenden Rauchgase werden aus einem die halbkugelförmige Brennerfläche 5c umgebenden Brennraum 5d durch ein Abgasrohr 5e abgezogen, das das Zufuhrrohr 5a des Gasbrenners 5 konzentrisch umgibt.

Die vom Gasbrenner 5 erzeugte Wärme wird durch Strahlung und Konvektion an eine Trennwand 6 abgegeben, die als rotationssym metrischer Kegelschnitt, beim Ausführungsbeispiel als Halbkugel ausgeführt ist und sich in das Innere des Gehäuses 1 wölbt. Beim Ausführungsbeispiel verläuft die halbkugelförmige Wölbung mit gleichbleibendem Abstand zur halbkugelförmigen Brennerfläche 5c des Gasbrenners 5.

Die als Teil des druckdichten Gehäuses 1 ausgeführte Trennwand 6 ist an einem Tragring 6a befestigt, der über eine membranartige Verlängerung 6b mit dem Ende des zylindrischen Gehäuses 1 ver bunden ist. Beim Ausführungsbeispiel erfolgen beide Verbindungen durch Verschweißen. Durch Verwendung von Isolierringen 7a und 7b, die jeweils auf einer Seite der membranartigen Verlängerung 6b einerseits zum Gehäusedeckel 4 und andererseits zum Gehäuse 1 angeordnet sind, wird die Wärmeableitung von der durch den Gas brenner 5 beheizten Trennwand 6 an das Gehäuse 1 und dessen Ge häusedeckel 4 und damit an die Umgebung erheblich reduziert.

Die vom Gasbrenner 5 erzeugte und von der Trennwand aufgenommene Wärme wird von der Innenseite der Trennwand 6 an ein Arbeitsme dium, vorzugsweise Helium abgegeben, das sich in einem heißen Arbeitsvolumen V_h befindet. Dieses heiße Arbeitsvolumen V_h wird einerseits durch die Trennwand 6 und andererseits durch den Kol benboden 8a eines Kolbens 8 begrenzt, der linear beweglich im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dieser Kolben 8 ist über eine Kolben stange 8b mit einem im Motorgehäuse 2 angeordneten Motor bzw. einer Steuerung verbunden, die auf der Zeichnung nicht darge stellt sind.

Der Kolben 8 begrenzt gemeinsam mit einem weiteren Kolben 9 ein warmes Arbeitsmedium V_w. Der ebenfalls linear beweglich im Ge häuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem Inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen V_k. Diese drei Volumina sind miteinan der unter Zwischenschaltung von Regeneratoren R_h, R_k und Wärme übertragern W_w, W_k verbunden. Der im heißen Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R_h speichert beim Ablauf des regenerati ven Gaskreisprozesses einen Teil der an heiße Arbeitsvolumen V_h abgegebenen Wärme; der im kalten Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R_k übt die entsprechende Funktion bezüglich des kalten Arbeitsvolumens V_k aus.

Dem beim Ausführungsbeispiel innerhalb des kalten Kolbens 9 ortsfest auf dem Boden 3 angeordneten Wärmeübertrager W_k wird über eine im Boden 3 angeordnete Leitung 3a ein aus der Umgebung entnommenes Medium kontinuierlich zugeführt, das nach Entzug eines Teils seines Wärmeinhalts über eine Leitung 3b in die Um gebung zurückgeführt wird. Der Wärmetauscher W_w wird durch An schlußleitungen 10a, 10b mit einem Wärmeträgermedium beschickt, dessen Aufheizung bei der Verwendung der Maschine als Wärmema schine der Energieerzeugung dient.

Die Form des Kolbenbodens 8a des heißen Kolbens 8 ist der Form der gewölbten Trennwand 6 angepaßt. Hierdurch lassen sich nicht nur Toträume zwischen der Trennwand 6 und dem heißen Kolben 8 auf ein Minimum reduzieren, wenn sich der heiße Kolben 8 in seiner der Trennwand 6 benachbarten Endstellung befindet; gleichzeitig wird durch diese angepaßte Formgebung eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und damit ein besserer Wärmeübergang erzielt, wenn bei Ablauf des Kreisprozesses das Arbeitsmedium aus dem sich verkleinernden heißen Arbeitsvolumen V_h über den Regenerator R_h und den Wärmeübertrager W_w in den Raum für das warme Arbeitsvolumen V_w strömt, das zwischen den beiden Kolben 8 und 9 gebildet wird.

Zur Verbesserung des Wärmeüberganges von der Innenwand der Trennwand 6 auf das im heißen Arbeitsvolumen V_h befindliche Ar beitsmedium ist im Randbereich der Trennwand 6 ein Leitblech 11 angeordnet. Dieses Leitblech 11 bildet im Randbereich der Trenn wand 6 Strömungskanäle mit kleinem Strömungsquerschnitt, so daß das heiße Arbeitsvolumen V_h verlassende Arbeitsmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Randbereich der Trenn wand 6 geführt wird, bevor das Arbeitsmedium in den Regenerator R_h eintritt.

Der das warme Arbeitsvolumen V_w vom kalten Arbeitsvolumen V_k durch seinen Kolbenboden 9a voneinander trennende kalte Kolben 9 ist topfförmig ausgebildet und auf der Innenseite sowohl seines Kolbenbodens 9a als auch seines Kolbenmantels 9b mit einer Iso lierschicht 9c versehen. Der Kolbenmantel 9b dient als Trennung zwischen dem außenliegenden warmen Wärmeübertrager W_w und dem innenliegenden kalten Wärmeübertrager W_k. Bei beiden Wärmeüber tragern W_w und W_k erfolgt die Wärmeübertragung in einem Ring raum. Dieser wird bezüglich des warmen Wärmeübertragers W_w durch die äußere Mantelfläche des Kolbenmantels 9b und die Innenfläche des Wärmeübertragers W_w gebildet. Beim kalten Wärmeübertrager W_k ergibt sich der Ringraum zwischen der inneren, mit der Isolier schicht 9c versehenen Mantelfläche des Kolbenmantels 9b und der Oberfläche des kalten Wärmeübertragers W_k.

Durch diese im rechten Teil der Schnittdarstellung erkennbare Ausgestaltung ergibt sich bei hohem Wärmeübertragungswirkungs grad eine kompakte Bauweise, da der kalte Wärmeübertrager W_k im Inneren des topfförmig ausgebildeten kalten Kolbens 9 liegt. Bei kleinem Außendurchmesser ergibt sich hierdurch eine kurze Bau weise. Die Kompaktheit wird weiterhin dadurch gesteigert, daß der Kolbenmantel 9b zugleich als Trennung zwischen den beiden Wärmeübertragern W_w und W_k dient, wodurch zusätzliche Trennwände und damit Wärme- und Strömungsverluste entfallen.

Wie die Zeichnung weiterhin erkennen läßt, sind beide Wärme übertrager W_w und W_k zweiteilig aus einem Grundkörper 12 bzw. 13 und aus einem Dichtkörper 14 bzw. 15 gebildet. Der Grundkörper 12 bzw. 13 dient zugleich als Laufbuchse für den kalten Kolben 9. Auf seiner dem Kolben 9 abgewandten Oberfläche ist jeder Grundkörper 12 bzw. 13 mit Kanälen 12a bzw. 13a versehen, durch die das jeweilige Wärmeträgermedium hindurchströmt und die an die Anschlußleitungen 10a, 10b bzw. 3a, 3b angeschlossen sind. Die zu einer Seite offenen Kanäle 12a bzw. 13a werden durch den je weiligen Dichtkörper 14 bzw. 15 abgedeckt. Da der Druck des in den Kanälen 12a bzw. 13a strömenden Wärmeträgermediums erheblich geringer ist als der Druck des Arbeitsmediums, das die geschlos sene Oberfläche des Grundkörpers 12 bzw. 13 belastet, ergibt sich selbsttätig eine zuverlässige Abdichtung der einseitig offenen Kanäle 12a bzw. 13a durch den Dichtkörper 14 bzw. 15.

Durch die Anpressung des Grundkörpers 12 an den Dichtkörper 14 und damit an die Innenseite des Gehäuses 1 können auch die in das druckdichte Gehäuse 1 führenden Anschlußleitungen 10a und 10b des warmen Wärmeübertragers W_w problemlos ausgeführt werden.

Bei dem auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die jeweils als Lauffläche für den Kolben 9 dienende Oberfläche des Grundkörpers 12 bzw. Grundkörpers 13 mit Nuten 12b bzw. 13b ausgeführt, durch die das Arbeitsmedium hindurchströmt und die zugleich die an der Wärmeübertragung teilnehmende Oberfläche des Wärmeübertragers W_w bzw. W_k vergrößern. Anstelle der Nuten 12b bzw. 13b können die Grundkörper 12 bzw. 13 auch geriffelt oder mit einer porösen Oberfläche ausgebildet sein. Die Dichtkörper 14 und 15 werden vorzugsweise aus wärmeisolierendem Material hergestellt, um eine ungewollte Wärmeableitung vom jeweiligen Wärmeübertrager W_w bzw. W_k zu vermeiden.

Zwischen dem warmen Wärmeübertrager W_w und dem diesem prozeßsei tig nachgeschalteten Regenerator R_k ist ein mit dem Kolbenmantel 9a zusammenwirkender Dichtring 16 angeordnet. Dieser Dichtring 16 stellt sicher, daß das Arbeitsmedium bei seiner Strömung zwi schen den Wärmeübertragern W_w und W_k über den kalten Regenerator R_k geleitet wird, der in Verlängerung des Grundkörpers 12 an der Innenseite des Gehäuses 1 angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
1a Flansch
2 Motorgehäuse
2a Flansch
3 Boden
3a Leitung
3b Leitung
4 Gehäusedeckel
5 Gasbrenner
5a Zufuhrrohr
5b Dosierhalbkugel
5c Brennerfläche
5d Brennraum
5e Abgasrohr
6 Trennwand
6a Tragring
6b Verlängerung
7a Isolierring
7b Isolierring
8 heißer Kolben
8a Kolbenboden
8b Kolbenstange
9 kalter Kolben
9a Kolbenboden
9b Kolbenmantel
9c Isolierschicht
10a Anschlußleitung
10b Anschlußleitung
11 Leitblech
12 Grundkörper
12a Kanal
12b Nut
13 Grundkörper
13a Kanal
13b Nut
14 Dichtkörper
15 Dichtkörper
16 Dichtring
V_h heißes Arbeitsvolumen
V_w warmes Arbeitsvolumen
V_k kaltes Arbeitsvolumen
R_h heißer Regenerator
R_k kalter Regenerator
W_w Wärmeübertrager
W_k Wärmeübertrager

Claims

1. Nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine mit zwei in einem druckdichten Gehäuse (1) linear beweglichen Kolben (8, 9), die gemeinsam ein warmes Ar beitsvolumen (V_w) begrenzen und von denen der eine Kolben (8) im Gehäuse (1) ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeits volumen (V_h) und der andere Kolben (9) ein kaltes Arbeits volumen (V_k) begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina (V_h, V_w, V_k) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (R_h, R_k) und Wärmeübertragern (W_w, W_k) miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben (8, 9) vor gesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der das warme und kalte Arbeitsvolumen (V_w, V_k) durch seinen Kolbenboden (9a) voneinander trennende Kolben (9) topfförmig ausgebildet ist und daß sein Kolbenmantel (9b) als Trennung zwischen dem außenliegenden warmen Wärmeübertrager (W_w) und dem innenliegenden kalten Wärmeübertrager (W_k) dient, wobei die Wärmeübertragung von dem bzw. an das Arbeitsmedium bei beiden Wärmeübertragern (W_w, W_k) zwischen der äußeren bzw. der inneren Mantelfläche des Kolbenmantels (9b) und der zugehörigen Oberfläche des jeweiligen Wärmeüber tragers (W_w bzw. W_k) erfolgt.

2. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolben (9) zumindest teilweise aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt ist.

3. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolben (9) mindestens auf einer Seite mit schlecht wärmeleitendem Material (Isolierschicht 9c) versehen ist.

4. Wärme- und Kältemaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Arbeitsmedium beaufschlagte Oberfläche der Wärmeübertrager (W_w, W_k) durch Aufbringen von porösem Material, durch Riffeln oder Nuten (12b, 13b) und/oder durch die Verwendung geriffelter bzw. genuteter Bleche vergrößert ist.

5. Wärme- und Kältemaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertrager (W_w, W_k) jeweils zweiteilig aus einem mit offenen Kanälen (12a bzw. 13a) versehenen, als Laufbuchse für den Kolben (9) aus gebildeten Grundkörper (12 bzw. 13) und aus einem die offene Seite der Kanäle (12a bzw. 13a) verschließenden Dichtkörper (14 bzw. 15) ausgebildet sind.

6. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Dichtkörper (14, 15) aus wärmeisolierendem Material hergestellt ist.

7. Wärme- und Kältemaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem warmen Wär meübertrager (W_w) und dem diesem prozeßseitig nachgeschalte ten Regenerator (R_k) ein mit dem Kolbenmantel (9b) zusammen wirkender Dichtring (16) angeordnet ist.