EP0665940B1 - Wärme- und kältemaschine - Google Patents

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EP0665940B1
EP0665940B1 EP94926210A EP94926210A EP0665940B1 EP 0665940 B1 EP0665940 B1 EP 0665940B1 EP 94926210 A EP94926210 A EP 94926210A EP 94926210 A EP94926210 A EP 94926210A EP 0665940 B1 EP0665940 B1 EP 0665940B1
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EP
European Patent Office
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piston
heat transfer
heat
cold
transfer means
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP94926210A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0665940A1 (de
Inventor
Peter Hofbauer
Klaus Heikrodt
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Robert Bosch GmbH
Viessmann Werke GmbH and Co KG
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Viessmann Werke GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, Viessmann Werke GmbH and Co KG filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0665940A1 publication Critical patent/EP0665940A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0665940B1 publication Critical patent/EP0665940B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2250/00—Special cycles or special engines
    • F02G2250/18—Vuilleumier cycles

Definitions

  • the invention relates to a regenerative Gas cycle heat and chiller working with two In a pressure-tight housing, the piston moves linearly together limit a warm work volume and of which the one piston in the housing is a hot one, with warmth applied working volume and the other piston cold working volume limited, the three Working volumes with the interposition of regenerators and heat exchangers are interconnected and a Drive and / or a control for the pistons provided is.
  • the invention is based on the task, a heat and Chiller of the type defined in the beginning to train that a high Heat transfer efficiency results in a compact design.
  • the solution to this problem by the invention is characterized in that the warm and cold Working volume through its piston crown from each other separating piston is cup-shaped and that be Piston jacket as a separation between the outside warm Heat exchanger and the internal cold Heat exchanger is used, the heat transfer from the or to the working medium in both heat exchangers between the outer and the inner surface of the Piston jacket and the associated surface of each Heat exchanger takes place.
  • the inventive arrangement of the cold heat exchanger results in a cup-shaped cold piston a short and small diameter construction of the Machine. A further reduction in the construction volume will achieved in that the piston skirt at the same time as a separation between the hot and cold heat exchanger.
  • the Construction according to the invention also creates a high efficiency for heat transfer because additional Partitions are eliminated, the heat and flow losses Episode.
  • the cold one Piston according to another feature of the invention at least partially made of poorly heat-conducting material.
  • the cold piston is preferably at least on one Provide side with poor heat-conducting material.
  • the surface affected by the working medium the heat exchanger by applying porous material, by corrugations or grooves and / or by use corrugated or grooved sheets can be enlarged.
  • the heat exchangers in two parts each with an open Provided channels, as a liner for the cold piston trained body and from an open side of the Channels sealing body formed. Because of the pressure in the channels of the heat exchanger considerably less than is the pressure of the working medium, presses the working medium the body in both heat exchangers against the Sealing body, so that special and expensive sealing measures in the heat exchangers designed according to the invention can be dispensed with. As the overpressure of the Working medium over the base body also the sealing body of the presses the warm heat exchanger against the machine housing, can the connections for the warm heat exchanger flowing medium can be carried out easily.
  • the sealing body the heat exchanger made of heat-insulating material manufactured, which is a significant reduction in unwanted heat conduction from the respective heat exchanger in the housing results.
  • the invention proposes between the warm heat exchanger and this on the process side downstream regenerator interacting with the piston skirt To arrange sealing ring. This will turn on easily achieved that the working medium after Leaving the warm heat exchanger via the downstream one Regenerator is led to the cold heat exchanger.
  • Heating and cooling machine in a longitudinal section shown.
  • the machine shown in longitudinal section includes a as Circular cylinder formed pressure-tight housing 1, the is provided at one end with a flange la to which a motor housing 2 screwed with a corresponding flange 2a becomes.
  • the motor housing 2 is only partially shown.
  • the pressure-tight housing 1 with one Provided housing cover 4, which in the exemplary embodiment Thread is screwed to the cylindrical housing 1 and in which a heat generator in the form of a gas burner 5 is arranged.
  • This gas burner comprises a cylindrical one Supply pipe 5a for the fuel gas, the outlet side with a metering hemisphere 5b is provided.
  • Concentric too this dosing hemisphere 5b is a reaction surface acting burner surface 5c made of a stainless steel mesh arranged, which limits the gas inflow chamber and at Operation of the gas burner glows, so that the gas burner 5 one Most of the heat generated is emitted by radiation.
  • the resulting flue gases become hemispherical Burner surface 5c surrounding combustion chamber 5d through an exhaust pipe 5e deducted, the supply pipe 5a of the gas burner 5 concentric surrounds.
  • the heat generated by the gas burner 5 is generated by radiation and Convection delivered to a partition 6, which is rotationally symmetrical Conic section, in the embodiment is designed as a hemisphere and in the interior of the housing 1 bulges.
  • the hemispherical runs Curvature with constant distance to semi-conical burner surface 5c of the gas burner 5.
  • the partition designed as part of the pressure-tight housing 1 6 is attached to a support ring 6a, which has a membrane-like extension 6b with the end of the cylindrical Housing 1 is connected. In the embodiment both connections by welding.
  • Isolation rings 7a and 7b each on one side of the membrane-like extension 6b on the one hand to the housing cover 4 and on the other hand to the housing 1, the Heat dissipation from that heated by the gas burner 5 Partition 6 to the housing 1 and its housing cover 4 and thus significantly reduced to the environment.
  • the heat generated by the gas burner 5 and absorbed by the partition is given off from the inside of the partition 6 to a working medium, preferably helium, which is in a hot working volume V h .
  • This hot working volume V h is limited on the one hand by the partition 6 and on the other hand by the piston crown 8a of a piston 8 which is arranged in the housing 1 so as to be linearly movable.
  • This piston 8 is connected via a piston rod 8b to a motor or controller arranged in the motor housing 2, which are not shown in the drawing.
  • These three volumes are interconnected with the interposition of regenerators R h , R k and heat exchangers W w , W k .
  • the regenerator R h arranged in the hot part of the housing 1 stores part of the heat given off to the hot working volume V h during the course of the regenerative gas cycle process; the regenerator R k arranged in the cold part of the housing 1 performs the corresponding function with regard to the cold working volume V k .
  • the heat exchanger W k which in the exemplary embodiment is arranged within the cold piston 9 in a stationary manner on the base 3, is continuously supplied with a medium taken from the environment via a line 3 a arranged in the base 3, which medium is returned to the environment via a line 3 b after a portion of its heat content has been removed becomes.
  • the heat exchanger W w is fed through connecting lines 10a, 10b with a heat transfer medium, the heating of which, when the machine is used, serves as a heat machine for generating energy.
  • the shape of the piston crown 8a of the hot piston 8 is adapted to the shape of the curved partition 6.
  • a high flow velocity and thus a better heat transfer is achieved by this adapted shape, when the working medium from the shrinking hot working volume V h via the regenerator R h and the heat exchanger W w into the space for the warm working volume V w when the cycle is complete flows, which is formed between the two pistons 8 and 9.
  • a baffle 11 is arranged in the edge region of the partition 6. This baffle 11 forms flow channels with a small flow cross-section in the edge region of the partition wall 6, so that the working medium leaving the hot working volume V h is passed at high flow velocity over the edge region of the partition wall 6 before the working medium enters the regenerator R h .
  • the cold piston 9 separating the warm working volume V w from the cold working volume V k by its piston crown 9a is cup-shaped and provided with an insulating layer 9c on the inside of both its piston crown 9a and its piston skirt 9b.
  • the piston jacket 9b serves as a separation between the external heat exchanger W w and the internal cold heat exchanger W k .
  • heat is transferred in an annulus.
  • this is formed by the outer lateral surface of the piston jacket 9b and the inner surface of the heat exchanger W w .
  • the annular space results between the inner jacket surface of the piston jacket 9b provided with the insulating layer 9c and the surface of the cold heat exchanger W k .
  • both heat exchangers W w and W k are formed in two parts from a base body 12 and 13 and from a sealing body 14 and 15, respectively.
  • the base body 12 and 13 also serves as a liner for the cold piston 9.
  • each base body 12 and 13 is provided with channels 12a and 13a through which the respective heat transfer medium flows and which leads to the connecting lines 10a , 10b and 3a, 3b are connected.
  • the channels 12a and 13a which are open on one side, are covered by the respective sealing body 14 and 15, respectively.
  • the connecting lines 10a and 10b of the warm heat exchanger W w leading into the pressure-tight housing 1 can also be designed without problems.
  • the surface of the base body 12 or base body 13 serving as the running surface for the piston 9 is designed with grooves 12b or 13b through which the working medium flows and which at the same time the surface of the heat exchanger W participating in the heat transfer Increase w or W k .
  • the base bodies 12 and 13 can also be corrugated or be formed with a porous surface.
  • the sealing body 14 and 15 are preferably made of heat-insulating material in order to avoid unwanted heat dissipation from the respective heat exchanger W w or W k .
  • a sealing ring 16 which interacts with the piston skirt 9a is arranged between the warm heat exchanger W w and the regenerator R k connected downstream on the process side thereof. This sealing ring 16 ensures that the working medium in its flow between the heat exchangers W w and W k is passed through the cold regenerator R k , which is arranged in an extension of the base body 12 on the inside of the housing 1.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine mit zwei in einem druckdichten Gehäuse (1) linear beweglichen Kolben (8, 9), die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen (Vw) begrenzen und von denen der eine Kolben (8) im Gehäuse (1) ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen (Vh) und der andere Kolben (9) ein kaltes Arbeitsvolumen (Vk) begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina (Vh, Vw, Vk) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (Rh, Rk) und Wärmeübertragern (Ww, Wk) miteinander verbunden sind. Um bei kompakter Bauweise einen hohen Wärmeübertragungswirkungsgrad zu erzielen, ist der das warme und kalte Arbeitsvolumen (Vw, Vk) durch seinen Kolbenboden (9a) voneinander trennende Kolben (9) topfförmig ausgebildet. Sein Kolbenmantel (9b) dient als Trennung zwischen dem außenliegenden warmen Wärmeübertrager (Ww) und dem innenliegenden kalten Wärmeübertrager (Wk). Die Wärmeübertragung erfolgt bei beiden Wärmeübertragern (Ww, Wk) zwischen der äußeren bzw. der inneren Mantelfläche des Kolbenmantels (9b) und der zugehörigen Oberfläche des jeweiligen Wärmeübertragers (Ww bzw. Wk).

Description

Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine 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, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina unter Zwischenschaltung von Regeneratoren und Wärmeübertragern miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben vorgesehen ist.
Derartige, beispielsweise nach dem Stirling- oder VuilleumierKreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen sind seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der 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.
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 die A u f g a b e zugrunde, eine Wärme- und Kältemaschine der eingangs definierten Art derart weiterzubilden, daß sich ein hoher Wärmeübertragungswirkungsgrad bei kompakter Bauweise ergibt.
Die L ö s u n g 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 Wärmeübertrager und dem innenliegenden kalten Wärmeübertrager dient, wobei die Wärmeübertragung von dem bzw. an das Arbeitsmedium bei beiden Wärmeübertragern 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 Kolbenmantel zugleich als Trennung zwischen dem warmen und kalten Wärmeübertrager 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 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 erfindungsgemäß die vom Arbeitsmedium beaufschlagte Oberfläche der Wärmeübertrager 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 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 verschließenden 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 besondere und teure Abdichtmaßnahmen bei den erfindungsgemäß ausgebildeten 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 Wärmeübertrager durchströmende Medium problemlos ausgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Dichtkörper der Wärmeübertrager aus wärmeisolierendem Material hergestellt, womit sich eine erhebliche Reduzierung der ungewollten Wärmeleitung vom jeweiligen Wärmeübertrager in das Gehäuse ergibt.
Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, zwischen dem warmen Wärmeübertrager und dem diesem prozeßseitig nachgeschalteten Regenerator einen mit dem Kolbenmantel zusammenwirkenden Dichtring anzuordnen. Hierdurch wird auf einfache Weise erreicht, daß das Arbeitsmedium nach Verlassen des warmen Wärmeübertragers über den nachgeschalteten Regenerator zum kalten Wärmeübertrager geführt wird.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wärme- und Kältemaschine in einem Längsschnitt dargestellt.
Die im Längsschnitt dargestellte Maschine umfaßt ein als Kreiszylinder ausgebildetes druckdichtes Gehäuse 1, das an seinem einen Ende mit einem Flansch la 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 la 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 Gehäusedeckel 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 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 halbkegelförmigen Brennerfläche 5c des Gasbrenners 5.
Die als Teil des druckdichten Gehäues 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 Vh befindet. Dieses heiße Arbeitsvolumen Vh 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 Vw. Der ebenfalls linear beweglich im Gehäuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem Inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen Vk. Diese drei Volumina sind miteinander unter Zwischenschaltung von Regeneratoren Rh, Rk und Wärmeübertragern Ww, Wk verbunden. Der im heißen Teil des Gehäues 1 angeordnete Regenerator Rh speichert beim Ablauf des regenerativen Gaskreisprozesses einen Teil der an heiße Arbeitsvolumen Vh abgegebenen Wärme; der im kalten Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator Rk übt die entsprechende Funktion bezüglich des kalten Arbeitsvolumens Vk aus.
Dem beim Ausführungsbeispiel innerhalb des kalten Kolbens 9 ortsfest auf dem Boden 3 angeordneten Wärmeübertrager Wk 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 Wärmetauscher Ww 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 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 Vh über den Regenerator Rh und den Wärmeübertrager Ww in den Raum für das warme Arbeitsvolumen Vw 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 Vh 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 Vh verlassende Arbeitsmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Randbereich der Trennwand 6 geführt wird, bevor das Arbeitsmedium in den Regenerator Rh eintritt.
Der das warme Arbeitsvolumen Vw vom kalten Arbeitsvolumen Vk 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 Wärmeübertrager Ww und dem innenliegenden kalten Wärmeübertrager Wk. Bei beiden Wärmeübertragern Ww und Wk erfolgt die Wärmeübertragung in einem Ringraum. Dieser wird bezüglich des warmen Wärmeübertragers Ww durch die äußere Mantelfläche des Kolbenmantels 9b und die Innenfläche des Wärmeübertragers Ww gebildet. Beim kalten Wärmeübertrager Wk ergibt sich der Ringraum zwischen der inneren, mit der Isolierschicht 9c versehenen Mantelfläche des Kolbenmantels 9b und d Oberfläche des kalten Wärmeübertragers Wk.
Durch diese im rechten Teil der Schnittdarstellung erkennbare Ausgestaltung ergibt sich bei hohem Wärmeübertragungswirkungsgrad eine kompakte Bauweise, da der kalte Wärmeübertrager Wk 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 Wärmeübertragern Ww und Wk dient, wodurch zusätzliche Trennwände und damit Wärme- und Strömungsverluste entfallen.
Wie die Zeichnung weiterhin erkennen läßt, sind beide Wärmeübertrager Ww und Wk 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 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 Wärmeübertragers Ww 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 Ww bzw. Wk 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 Ww bzw. Wk zu vermeiden.
Zwischen dem warmen Wärmeübertrager Ww und dem diesem prozeßseitig nachgeschalteten Regenerator Rk ist ein mit dem Kolbenmantel 9a zusammenwirkender Dichtring 16 angeordnet. Dieser Dichtring 16 stellt sicher, daß das Arbeitsmedium bei seiner Strömung zwischen den Wärmeübertragern Ww und Wk über den kalten Regenerator Rk 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 F
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
Vh
heißes Arbeitsvolumen
Vw
warmes Arbeitsvolumen
Vk
kaltes Arbeitsvolumen
Rh
heißer Regenerator
Rk
kalter Regenerator
Ww
Wärmeübertrager
Wk
Wärmeübertrager

Claims (7)

  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 Arbeitsvolumen (Vw) begrenzen und von denen der eine Kolben (8) im Gehäuse (1) ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen (Vh) und der andere Kolben (9) ein kaltes Arbeitsvolumen (Vk) begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina (Vh, VW, Vk) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (Rh, Rk) und Wärmeübertragern (Ww, Wk) 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 (Vw, Vk) durch seinen Kolbenboden (9a) voneinander trennende Kolben (9) topfförmig ausgebildet ist und daß sein Kolbenmantel (9b) als Trennung zwischen dem außenliegenden warmen Wärmeübertrager (Ww) und dem innenliegenden kalten Wärmeübertrager (Wk) dient, wobei die Wärmeübertragung von dem bzw. an das Arbeitsmedium bei beiden Wärmeübertragern (Ww, Wk) zwischen der äußeren bzw. der inneren Mantelfläche des Kolbenmantels (9b) und der zugehörigen Oberfläche des jeweiligen Wärmeübertragers (Ww bzw. Wk) erfolgt.
  2. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das kalte Arbeitsvolumen begrenzende Kolben (9) zumindest teilweise aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt ist.
  3. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das kalte Arbeitsvolumen begrenzende 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 (Ww, Wk) 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 (Ww, Wk) 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.
  6. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 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 Wärmeübertrager (Ww) und dem diesem prozeßseitig nachgeschalteten Regenerator (Rk) ein mit dem Kolbenmantel (9b) zusammenwirkender Dichtring (16) angeordnet ist.
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