NL8102910A - Stirling-warmtepomp. - Google Patents

Description

•ft ΐ . " ’ .................................... ........ ....... ............ ...... .........

I Stirling-warmtepomp ;

i I

i I De uitvinding heeft betrekking op een Stirling-warmtepomp, I waarvan de door een kruk aangedreven werkzuiger op een compressieruimte I inwerkt,; welke ten opzichte van de gesloten krukkast afgedicht is door middel van een membraanbalg, die de arbeidsiuiger omgeeft.

5 Dergelijke bekende Stirling-warmtepompen hebben een door een kruk aangedreven werkzuiger, die op een compressieruimte inwerkt, waarop een eerste warmteuitwisselaar, een regenerator in de vorm van een warmtereservoir zomede een tweede warmteuitwisselaar aansluiten, waar- : bij daarop een expansieruimte aangebracht is, waarop de door een kruk- | 10 schijf gestuurde verdringerzuiger inwerkt. De beide zuigers schuiven i bij de werking practisch een gasvolume tussen de compressieruimte en de' expansieruimte op cyclische, gestuurde wijze heen en weer. De aan het j i gas geleverde compressiearbeid in de compressieruimte wordt in de eerste ! warmteuitwisselaar als verwarmingswarmte afgegeven. Bij het verschuiven! 15 van het nu constant gehouden gasvolume in de koude expansieruimte door-! stroomt het gas dan de regenerator en geeft hier de in het gas resteren!- j de warmte af. Vervolgens vindt de expansie van het gas in de expansie- j ruimte plaats, zodat de omgevingswarmte door tussenkomst van de tweede j warmteuitwisselaar aan het gas toegevoerd kan worden.Daarna wordt het 20 gas bij constant volume in de compressieruimte terug geschoven. De eerst . in de regenerator verzamelde warmte wordt door het gas daarbij j . . * weer opgenomen. De door een dergelijke Stirling-warmtepomp afgegeven verwarmingsenergie is opgebouwd uit de uit de omgeving verkregen energie zomede uit de ingevoerde compressie-energie. j 25 Bij dergelijke bekende Stirling-warmtepompen wordt cyclisch j in decompressieruimte in het drukbereik van ongeveer 5 tot 22 bar ge- j werkt. Daarbij treedt het probleem op, deze compressieruimte ten opzichte van de gesloten krukkast af te dichten, waarbij de compressieruimte zich normaal boven de werkzuiger en de gesloten krukkast onder de werkzuiger | 30 bevindt. Het is bekend, hier voor de afdichting een membraanbalg, die j de werkzuiger omgeeft, aan te brengen. De membraanbalg heeft het grote ; voordeel, practisch geen wrijvingsverliezen te hebben en geheel bedrijf |s-zeker een eventuele olienevel uit de krukkast in elk geval, ook ten | opzichte van capillaire bewegingen, van de compressieruimte af te houden, 81 02 9 1 0 - 2 - : wat van groot belang is, daar er anders na verloop van tijd een olie- ! vervuiling in het bereik van de warmteuitwisselaar en van de regene- i rator optreedt.

Hoe voordelig een dergelijke membraanbalg ook is, toch | 5 bestaat het probleem, dat op grond van de hier voor de membraanbalg optredende werkgesteldheden deze slechts een ontoereikende levensduur j heeft. Voor ogen gehouden moet worden, dat in de gesloten krukkast een| j bepaalde druk, bijv. een gemiddelde werkdruk van 12,5 bar, optreedt, zodat bij het werkbereik van 5 tot 22 bar in de compressieruimte de j 10 membraanbalg doorlopend cyclisch met een drukverschil van +10 bar tot j -7 bar belast wordt. Aan de andere kant zou het vervangen van de i membraanbalg door een normale zuigerdichting langs de werkzuiger met het oog op een geheel bedrijfszekere afdichting ten opzichte van de olienevels uit de krukkast en met het oog op de daaraan verbonden 15 wrijvingsverliezen ook nadelig zijn.

De onderhavige uitvinding beoogt een uitvoering te verschaffen, die ondanks de optredende bedrijfsgesteldheden een hoge levensduur voor de membraanbalg als afdichting tussen de compressie-ruimte en de gesloten krukkast mogelijk maakt.

20 Dit is volgens de uitvinding gerealiseerd doordat tussen de compressieruimte en de inwendige ruimte van een membraanbalg een druksmoorelement aangebracht is en de inwendige ruimte van de membraan--balg in een gesloten stromingskringloop met de inwendige ruimte van een vereffeningsmembraan verbonden is, dat ich in de krukkast uitzet.i 25 Als een eerste stap wordt nu door het druksmoorelement de inwendige ruimte van de membraanbalg, die dè werkzuiger omgeeft, tegen de grote drukschommelingen, die bij dit systeem onvermijdelijk in de compressieruimte optreden, beschermd. Door keuze van een corresponderend druksmoorelement kan er voor zorg gedragen worden, dat van-30 daar in elk geval alleen nog lekverliezen op te nemen zijn. Zelfs bij deze bescherming echter komt het van nature bij dit systeem onvermijdelijk nog tot een doorlopend comprimeren en ontspannen van het volume in het inwendige van de membraanbalg zelf, zodat steeds nog, j zij het in verminderde mate, afwisselende drukbelastingen zouden op-|35 treden. Als een verdere stap is nu voor de vereffening van deze druk- j 8102910

.......I

- 3 - verschillen het vereffeningsmembraan aangebracht, dat met de inwendige| ruimte van de membraanbalg open in een gesloten stromingskringloop in verbinding staat en dat zich in de krukkast uitzet. Wordt nu bij deze I uitvoering de membraanbalg gecomprimeerd, dan zet zich automatisch j 5 het vereffeningsmembraan tegen de druk van de gesloten krukkast tot j aan de gewenste drukvereffening met de krukkastdruk uit, zodat, daar dit.

| van nature uiterst snelle vereffeningsprocessen zijn, de membraanbalg practisch niet meer met drukverschillen belast wordt en bijgevolg een zeer hoge levensduur heeft.

[10 Bij voorkeur gaat het bij de gesloten stromingskringloop om een zodanige met eigen vulopening, zodat hier een drukmedium ingevoerd kan worden en men op eenvoudige wijze deze gesloten stromingskringloop met de inwendige ruimten van de membraanbalg en van het vereffeningsmembraan op dezelfde druk als de krukkast instellen kan. Ook! 15 in stationaire toestand van de warmtepomp treedt zodoende practisch j geen drukverschil op. Het optreden van een drukverschil kan daarbij dan, wanneer men de krukkast en de betreffende gesloten stromingskringloop j i tegelijk vult, ook tijdens de vulfase verhinderd worden. ]

Bij een verdere voorkeursuitvoering bestaat het druksmoor-j 20 element uit een spleetdichting, die de werkzuiger omgeeft. De spleet- j dichting is weliswaar strikt genomen een stap in de richting van een ! normale zuigerdichting. Deze werkt echter onder de hier optredende | werkgesteldheden in de meest vergaande mate en in het belang van de j practijk voldoende wrijvinglöos . Eventuele lekverliezen van de | 25 compressieruimte af blijven onschadelijk, daar de absoluut bedrijfs- j ! ] zekere wederzijdse afdichting immers door de membraanbalg gebeurt. ! i

Bij een verdere voorkeursuitvoering is het vereffenings- | membraan als signaalgever uitgevoerd. Bijv. kunnen in een bovenste en een onderste eindstand van het vereffeningsmembraan eindschakelaars | 30 aangebracht zijn. Het bereiken van de bovenste eindstand betekent, dat j de druk in de gesloten stromingskringloop te gering is, en bijv. ook een beschadiging aan de membraanbalg optreedt. Het bereiken van de j onderste eindstand betekent, dat in de gesloten stromingskringloop een | te hoge druk optreedt, bijv. omdat te hoge lekverliezen van de compressie- i35 ruimte af optreden, of echter ook omdat de krukkast ondicht geworden is.

I ___...................... _ ____ __ __ _ | 81 02 9 1 0 - 4 - j ;

Een uitvoeringsvoorbeeld van een dergelijke Stirling-warmtd-, i pomp wordt m het volgende aan de hand van de tekening beschreven.

De tekening toont een gedeeltelijke doorsnede over het tus-l sen de gesloten krukkast en de compressieruimte liggende deel van een j 5 Stirling-warmtepomp. j

In de gedeeltelijke doorsnede is de linkerzijde van het i : bereik van een Stirling-warmtepomp tussen de bovenste compressieruimte j 1 en de onderliggende, gesloten krukkast 2 weergegeven, waarbij ten j opzichte van de voorgestelde middenlangsas een symmetrische opbouw op-j 10 treedt. De Stirling-warmtepomp heeft een werkzuiger 3, die naar beneden naar de krukkast 2 toe open is en door tussenkomst van schroeven 4 met I de zich in de krukkast bevindende (niet weergegeven) krukaandrijving j verbonden is. De werkzuiger 3 werkt naar boven op de compressieruimte j 1 in. i j 15 Boven de compressieruimte zijn de beide warmteuitwisselaars', de regenerator, de expansieruimte zomede de verdringerzuiger op de gebruikelijke wijze aangebracht, waarbij de geleidingsbuis 5 voor de ver-j dringerzuiger naar onder door de werkzuiger 3 heen tot in de krukkast 2 geleid en daar afgesteund is.

!20 De compressieruimte 1 is ten opzichte van de gesloten kruk kast 2 afgedicht door middel van een membraanbalg 6, die alleen het onderste deel van de werkzuiger 3 omgeeft. De membraanbalg 6 is aan het ondereinde daarvan door tussenkomst van een flens 7 in afgedichte vorm aan de werkzuiger 3 bevestigd. De inwendige ruimte 8 van deze membraan-j 25 balg wordt door de binnenwanden van de materiaalvouwen van de balg ener- i ! i zijds zomede door de buitenmantel van de werkzuiger 3 anderzijds begrensd.

I i | Naar beneden wordt de inwendige ruimte door de flens 7 afgesloten. Naar I boven gebeurt de afsluiting door een bevestigingsring 9, waarmee de ! membraanbalg 6 aan een aan de zijde van de kast gelegen flensstuk 10 '30 bevestigd is, en verder door een gedeelte van dit flensstuk 10 zelf zo- j | mede door een cilindrische bus 11, die op zijn beurt door tussenkomst | van een flens 12 aan een flensstuk 10 van de kast vastgemaakt is en | waarin de werkzuiger 3 aangebracht is. Langs de binnenwand is de bus 11 I ! ; - als zich tussen de compressieruimte 1 en de inwendige ruimte 8 van de membraan- | 8102910 ► - 5 - balg 6 uitstrekkend druksmoorelement in de vorm van een spleetdichting 13 uitgevoerd.

Op de onderzijde van het flensstuk 10 is een bevestigings- i steun 14 het boveneinde van een vereffeningsmembraan 15 bevestigd, dat5 5 zich naar beneden vrij in de gesloten krukkast 2 uitzetten kan. De j inwendige ruimte 16 van het vereffeningsmembraan staat door tussenkomst , van een corresponderende boring aan de bevestigingssteun 14 met een j vulkanaal 17 in het flensstuk 10 in verbinding, dat een afsluitbare vulopening 18 heeft en dat ook door tussenkomst van een aan de buiten-5 10 zijde gelegen uitsparing in de cilindrische bus 11 in open verbinding : met de inwendige ruimte 8 van de membraanbalg 6 staat. De inwendige j ruimte 8 van de membraanbalg vormt zodoende door tussenkomst van j het corresponderende gedeelte van het vulkanaal 17 met de inwendige ruimte 16 van het vereffeningsmembraan een gesloten stromingskringloop. 15 Deze gesloten stromingskringloop wordt door tussenkomst van de vulopening 18 bij de stilstand van de Warmtepomp op een bepaalde druk ingesteld, en wel op precies dezelfde druk, waarop ook de gesloten krukkast 2 ingesteld wordt. Om tijdens het vulproces generlei drukverschillen op te membraanbalg 6 te laten inwerken, gebeurt het 20 vullen en instellen van de druk bij voorkeur tegelijk.

Bij de werking van de Stirling-warmtepomp schommelt cyclisch de druk in de compressieruimte 1 bijv. tussen 5 bar en 22 barl Deze drukschommeling wordt door de spleetdichting 13, die in het belang j van de practijk in de meest vergaande mate wrijvingloos werkt, van de | 25 inwendige ruimte 8 van de membraanbalg af gehouden. Door de arbeid van de werkzuiger 3 komt het echter nog tot een cyclisch comprimeren en ! ontspannen van de inwendige ruimte 8 van de membraanbalg. Hier vindt nu echter doorlopend een onmiddelijke drukvereffening tot de druk in j i de krukkast 2 plaats doordat zich bij een comprimeren van de inwendige; 30 ruimte 8 van de membraan 6 het vereffeningsmembraan 15 automatisch ! tegen de druk in de krukkast 2 uitzet, tot de drukvereffening bereikt I is. Hierdoor wordt een drukverschilbelasting van de membraanbalg 6 ! i . ! op bedrijfszekere wijze vermeden.

Het vereffeningsmembraan 15 wordt bij voorkeur als signaal- | I 35 gever uitgevoerd. Hiertoe kan men bijv. in een gegeven bovenste eind- j ! : 81 02 9 1 0 * * - 6 - j ..... .....

I stand zomede in een gegeven onderste eindstand van het vereffenings-membraan 15 (niet weergegeven) eindschakelaars aanbrengen. Bereikt bij de constante werking van de Stirling-warmtepomp het vereffenings-membraan eenmaal de bovenste eindstand daarvan, dan geeft dit een I 5 te geringe druk in de gesloten stromingskringloop van de inwendige I ruimten8 en 16 aan, wat bijv. door een ondichtbeid langs de membraan-; balg 6 teweeg gebracht kan zijn. Bereikt bet vereffeningsmembraan 15 tijdens bet verloop van de werking, van de warmtepomp eenmaal de onderste eindstand daarvan, dan betekent dit, dat in de gesloten stromings-10 kringloop een te hoge druk optreedt, die in het bijzonder door te I hoge lekverliezen uit de compressieruimte 1 door de spleetdichting 13 heen optreden kan of die ook door een ondichtheid langs de krukkast zou kunnen optreden.

| i ! I ! \ i i | . ! i ! j ï : ! | ! i i | t i | | 8102910

Claims (6)

1. Stirling-warmtepomp, waarvan de door een kruk aangedreven werkzuiger op een compressieruimte ïnwerkt, welke ten opzichte van de gesloten krukkast afgedicht is door middel van een membraanbalg, die de werkzuiger omgeeft, gekenmerkt doordat tussen de compressie- j 5 ruimte (1) en de inwendige ruimte (8) van de membraanbalg (6) een I druksmoorelement (13) aangebracht is en de inwendige ruimten (8) van i i de membraanbalg (6) in een gesloten stromingskringloop met de inwen- j dige ruimte (16) van een vereffeningsmembraan (15) verbonden is, die j zich in de krukkast (2) uitzet. j

2. Stirling-warmtepomp volgens conclusie 1, gekenmerkt : doordat het druksmoorelement bestaat uit een spleetdichting (13), die: boven de membraanbalg (6) de werkzuiger (3) cilindrisch omgeeft.

3. Stirling-warmtepomp volgens conclusie 1, gekenmerkt j doordat de gesloten stromingskringloop een van een afsluitbare vul- j | 15 opening (18) voorzien vulkanaal (17) heeft, dat met de inwendige ruimten (8, 16) van de membraanbalg (6) en van het vereffeningsmembraan (15) in verbinding staat.

4. Stirling-warmtepomp volgens conclusie 1, gekenmerkt doordat het vereffeningsmembraan (15) als signaalgever uitgevoerd is.

5. Stirling-warmtepomp volgens conclusie 4, gekenmerkt j ! doordat in een bovenste en een onderste eindstand van het vereffeningsmembraan (15) eindschakelaars aangebracht zijn.

6. Inrichting, in hoofdzaak zoals voorgesteld in de beschrijving en/of tekening. I i S ! j s i 1 j i ! i I ; 81 02 9 1 0