DE4328993C2 - Maschine zum Heizen und/oder Kühlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Maschine zum Heizen und/oder Kühlen mit zwei in einem druckdichten Gehäuse linear beweglichen Kolben, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kolben im Gehäuse ein heißes Arbeitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei dem heißen Arbeitsvolumen Wärme bei hoher Temperatur und dem kalten Arbeitsvolumen Wärme bei tiefer Temperatur zugeführt wird und das warme Arbeitsvolumen Wärme bei mittlerer Temperatur abgibt und wobei die drei Arbeitsvolumina unter Zwischenschaltung von Regeneratoren und Wärmeaustauschern 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 DE-Z. gfw-gas/erdgas 127 (1986) Heft 5, Seiten 205-210 und GB-PS 136 195.

Sie haben jedoch trotz der unbestreitbaren Vorteile der regenerativen Gaskreisprozesse keinen Eingang in die Praxis gefunden, hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Realisation der theoretischen Vorteile derartiger Maschinen in der Praxis bisher verhinderten. Auch jüngere Veröffentlichungen, beispielsweise die EP 0 238 707 A2, befassen sich mehr mit theoretischen Überlegungen als praktischen Ausgestaltungen derartiger Wärme- und Kältemaschinen.

Aus der US-PS 1 240 862 ist es ferner bekannt, bei einer Kältemaschine die Wärmeaustauscher in die Gehäusewand zu integrieren.

Um eine über Prototypen hinausgehende industrielle Herstellung derartiger im Alltagsbetrieb einsetzbarer Wärme- und Kältemaschinen zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Einzelkomponenten dieser Maschinen zu optimieren. Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zum Heizen und/oder Kühlen der eingangs 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 Arbeitsvolumen durch seinen Kolbenboden voneinander trennende Kolben topfförmig ausgebildet ist und daß sein Kolbenmantel als Trennung zwischen dem außenliegenden warmen Wärmeaustauscher und dem innenliegenden kalten Wärmeaustauscher dient, wobei die Wärmeübertragung von dem bzw. an das Arbeitsmedium bei beiden Wärmeaustauschern zwischen der äußeren bzw. der inneren Mantelfläche des Kolbenmantels und der zugehörigen Oberfläche des jeweiligen Wärmeaustauschers erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des kalten Wärmeaustauschers 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 Kolbenmantel zugleich als Trennung zwischen dem warmen und kalten Wärmeaustauscher dient. Die erfindungsgemäße Konstruktion schafft darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung, da zusätzliche Trennwände entfallen, die Wärme- und Strömungsverluste zur Folge hätten. Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine zusätzliche Laufbuchse für den kalten Kolben eingespart, da deren Funktion von den Wänden der Wärmeaustauscher übernommen wird. Insgesamt ergibt sich somit eine sehr kompakte und preisgünstig herzustellende Konstruktion.

Um einen unerwünschten Wärmeaustausch zwischen dem warmen und dem kalten Wärmeaustauscher 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, beispielsweise einer Isolierschicht, versehen.

Um die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern, kann erfindungsgemäß die vom Arbeitsmedium beaufschlagte Oberfläche der Wärmeaustauscher durch Aufbringen von porösem Material, durch Riffeln oder Nuten und/oder durch die Verwendung geriffelter bzw. genuteter Bleche vergrößert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Wärmeaustauscher jeweils zweiteilig aus einem mit offenen Kanälen versehenen, als Laufbuchse für den kalten Kolben ausgebildeten Grundkörper und aus einem die offene Seite der Kanäle verschließenden Dichtkörper ausgebildet, wobei die Kanäle für das Durchströmen jeweils eines Wärmeträgers ausgebildet sind, der dem jeweiligen Arbeitsraum Wärme zuführt bzw. Wärme aus dem Arbeitsraum abführt. Da der Druck in den Kanälen der Wärmeaustauscher erheblich geringer als der Druck des Arbeitsmediums ist, preßt das Arbeitsmedium den Grundkörper bei beiden Wärmeaustauschern gegen den Dichtkörper, so daß auf besondere und teure Abdichtmaßnahmen bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeaustauschern verzichtet werden kann. Da weiterhin der Überdruck des Arbeitsmediums über den Grundkörper auch den Dichtkörper des warmen Wärmeaustauschers gegen das Maschinengehäuse anpreßt, können die Anschlüsse für das den warmen Wärmeaustauscher durchströmende Medium problemlos ausgeführt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Dichtkörper der Wärmeaustauscher aus wärmeisolierendem Material hergestellt, womit sich eine erhebliche Reduzierung der ungewollten Wärmeleitung vom jeweiligen Wärmeaustauscher in das Gehäuse ergibt.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Maschine zum Heizen und/oder Kühlen in einem Längsschnitt dargestellt.

Die Maschine umfaßt ein als Kreiszylinder ausgebildetes druckdichtes Gehäuse 1, das an seinem einen Ende mit einem Flansch 1a versehen ist, an den ein Motorgehäuse 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 i abschließt.

Am anderen Ende ist das druckdichte Gehäuse 1 mit einem Gehäusedeckel 4 versehen, der beim Ausführungsbeispiel über Gewinde mit dem zylindrischen Gehäuse i verschraubt ist und in dem ein Wärmeerzeuger in Form eines Gasbrenners 5 angeordnet ist. Dieser Gasbrenner 5 umfaßt ein zylindrisches Zufuhrrohr 5a für das Brenngas, das austrittsseitig mit einer Dosierhalbkugel 5b versehen ist. Konzentrisch zu dieser Dosierhalbkugel 5b ist eine als Reaktionsoberfläche wirkende Brennerfläche 5c aus einem Edelstahlgewebe 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 rotationssymmetrischer 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 verbunden 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 Gasbrenner 5 beheizten Trennwand 6 an das Gehäuse 1 und dessen Gehäusedeckel 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 Arbeitsmedium, 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 Kolbenboden 8a eines Kolbens 8 begrenzt, der linear beweglich im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dieser Kolben 8 ist über eine Kolbenstange 8b mit einem im Motorgehäuse 2 angeordneten Motor bzw. einer Steuerung verbunden, die auf der Zeichnung nicht dargestellt sind.

Der Kolben 8 begrenzt gemeinsam mit einem weiteren Kolben 9 ein warmes Arbeitsmedium V_w. Der ebenfalls linear beweglich im Gehäuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem Inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen V_k. Diese drei Volumina sind miteinander unter Zwischenschaltung von Regeneratoren R_h, R_k und Wärmeaustauschern W, W_k verbunden. Der im heißen Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R_h speichert beim Ablauf des regenerativen 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 Wärmeaustauscher 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 Umgebung zurückgeführt wird. Der Wärmeaustauscher W wird durch Anschlußleitungen 10a, 10b mit einem Wärmeträgermedium beschickt, dessen Aufheizung bei der Verwendung der Maschine als Wärmemaschine der Energieerzeugung dient.

Die Form des Kolbenbodens 8a des heißen Kolbens 8 ist der Form der gewölbten Trennwand 6 angepaßt. Hierdurch lassen sich 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 Wärmeaustauscher 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 Arbeitsmedium ist im Randbereich der Trennwand 6 ein Leitblech 11 angeordnet. Dieses Leitblech 11 bildet im Randbereich der Trennwand 6 Strömungskanäle mit kleinem Strömungsquerschnitt, so daß das das heiße Arbeitsvolumen V_h verlassende Arbeitsmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Randbereich der Trennwand 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 Isolierschicht 9c versehen. Der Kolbenmantel 9b dient als Trennung zwischen dem außenliegenden warmen Wärmeaustauscher W_w und dem innen liegenden kalten Wärmeaustauscher W_k. Bei beiden Wärmeaustauschern W_w und W_k erfolgt die Wärmeübertragung in einem Ringraum. Dieser wird bezüglich des warmen Wärmeaustauschers W_w durch die äußere Mantelfläche des Kolbenmantels 9b und die Innenfläche des Wärmeaustauschers W_w gebildet. Beim kalten Wärmeaustauscher W_k ergibt sich der Ringraum zwischen der inneren, mit der Isolierschicht 9c versehenen Mantelfläche des Kolbenmantels 9b und der Oberfläche des kalten Wärmeaustauschers W_k.

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

Wie die Zeichnung weiterhin erkennen läßt, sind beide Wärmeaustauscher W_w und W_k zweiteilig aus einem Grundkörper 1 2 bzw. 1 3 und aus einem Dichtkörper 14 bzw. einem kolbenförmigen Bauteil als Dichtkörper 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. Leitungen 3a, 3b angeschlossen sind. Die zu einer Seite offenen Kanäle 12a bzw. 13a werden durch den jeweiligen 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 geschlossene 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 Wärmeaustauschers 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 Wärmeaustauschers 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 Wärmeaustauscher W_w bzw. W_k zu vermeiden.

Zwischen dem warmen Wärmeaustauscher W_w und dem diesem prozeßseitig 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 zwischen den Wärmeaustauschern 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 (kolbenf. Bauteil)
16 Dichtring
V_h heißes Arbeitsvolumen
V_w warmes Arbeitsvolumen
V_k kaltes Arbeitsvolumen
R_h heißer Regenerator
R_k kalter Regenerator
W_w warmer Wärmeaustauscher
W_k kalter Wärmeaustauscher.

Claims (6)

1. Nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Maschine zum Heizen und/oder Kühlen mit zwei in einem druckdichten Gehäuse (1) linear beweglichen Kolben (8,9), die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen (V_w) begrenzen und von denen der eine Kolben (8) im Gehäuse (1) ein heißes Arbeitsvolumen (V_h) und der andere Kolben (9) ein kaltes Arbeitsvolumen (V_k) begrenzt, wobei dem heißen Arbeitsvolumen (V_h) Wärme bei hoher Temperatur und dem kalten Arbeitsvolumen (V_k) Wärme bei tiefer Temperatur zugeführt wird und das warme Arbeitsvolumen (V_w) Wärme bei mittlerer Temperatur abgibt und wobei die drei Arbeitsvolumina (V_h, V_w, V_k) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (R_h, R_k) und Wärmeaustauschern (W_w, W_k) miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben (8,9) vorgesehen 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 Wärmeaustauscher (W_w) und dem innenliegenden kalten Wärmeaustauscher (W_k) dient, wobei die Wärmeübertragung von dem bzw. an das Arbeitsmedium bei beiden Wärmeaustauschern (W_w, W_k) zwischen der äußeren bzw. der inneren Mantelfläche des Kolbenmantels (9b) und der zugehörigen Oberfläche des jeweiligen Wärmeaustauschers (W_w bzw. W_k) erfolgt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (9) zumindest teilweise aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (9) mindestens auf einer Seite mit schlecht wärmeleitendem Material (Isolierschicht 9c) versehen ist.

4. Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Arbeitsmedium beaufschlagte Oberfläche der Wärmeaustauscher (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. Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (W_w, W_k) jeweils zweiteilig aus einem mit offenen Kanälen (12a bzw. 13a) versehenen, als Laufbuchse für den Kolben (9) ausgebildeten Grundkörper (12 bzw. 13) und aus einem die offene Seite der Kanäle (12a bzw. 13a) verschließenden Dichtkörper (14 bzw. 15) ausgebildet sind, wobei die Kanäle 12a bzw. 13a) für das Durchströmen jeweils eines Wärmeträgers ausgebildet sind, der dem jeweiligen Arbeitsraum Wärme zu- bzw. abführt.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (14,15) aus wärmeisolierendem Material hergestellt ist.