WO1992015826A1 - Aussenbeheizte, regenerative wärme- und kältemaschine - Google Patents

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WO1992015826A1
WO1992015826A1 PCT/DE1992/000186 DE9200186W WO9215826A1 WO 1992015826 A1 WO1992015826 A1 WO 1992015826A1 DE 9200186 W DE9200186 W DE 9200186W WO 9215826 A1 WO9215826 A1 WO 9215826A1
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piston
heat exchangers
machine according
pressure vessel
machine
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PCT/DE1992/000186
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French (fr)
Inventor
Peter Hofbauer
Original Assignee
Viessmann Werke Gmbh & Co.
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    • 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 an externally heated, regenerative heating and cooling machine according to the preamble of the main claim.
  • Such heating and cooling machines have already been developed based on the Vuilleumier circular process, which has been known since 1918, and have among other things. the advantage that it can be operated with helium or hydrogen gas instead of environmentally harmful CFCs.
  • the invention has for its object to redesign and improve a machine of the type mentioned in such a way that the effort for the motion drive and for the sealing can be eliminated, and the whole machine should be made more compact than a self-contained, cylindrical pressure vessel .
  • the entire machine advantageously consists of only two moving parts, namely the pressure vessel, in the correspondingly designed and limited by the "outer" envelope with respect to the rolling piston inside the drive-less space and only by gravity in Roll piston held in position rolls relatively on the envelope curve, so that only the pressure vessel requires storage on the enclosure and, as is known, a small additional external drive (electric motor) only for loss compensation in the system (friction and pressure differences due to flow resistance) and for speed control.
  • the rolling piston In order to allow the rolling piston to functionally roll relative to the rotatable pressure container after the first solution, it is necessary to make it from material with a high spec. Form weight or 'the interior of the rolling piston with a material of high spec. Fill in the weight and provide load bodies firmly attached to the roller piston in the side chambers. Also this can be substantially simplified by designing the pressure vessel as a stator after the second solution and arranging at least three electromagnets controlled in the sense of the rolling piston movement on one side adjacent to the rolling piston guided as a rotary piston. This not only simplifies the manufacture and assembly of the machine, but also the connection arrangement and design for the heat transfer medium to be supplied from the outside and to be discharged again to the outside.
  • FIG. 3 shows a section through the pressure vessel with the heat exchangers and thermal regenerators associated therewith in a highly schematic representation
  • 5 is a highly schematic diagram of a machine of the KA 3 type; 6 developed cylinder sections A, B according to FIG. 2 through the areas of the heat-treated heat exchanger and the regenerators;
  • FIGS. 10, 11 shows a longitudinal section through the machine according to FIGS. 10, 11;
  • FIG. 14 shows a cross section through the machine according to FIG. 13;
  • FIG. 16A-C side views of the heat exchanger according to Figure 4 in various embodiments.
  • FIG. 17 shows a longitudinal section through the machine with a stationary pressure vessel
  • FIG. 18 shows a side view of the arrangement of the e-magnets according to FIG. 17;
  • the heating and cooling machine consists of movable separating elements. elements K (pistons) of volume-changing rooms 6-9 for heating circuit HK on one side and cooling circuit KK on the other, heating and cooling circuits HK, KK each having heat exchangers 10-13 assigned to volume-changing rooms 6-9. Thermal regenerators 14, 15 are arranged between the heat exchangers 10, 11, 12, 13 of each circuit, and the two circuits HK, KK are connected to one another at point 138 (see FIG. 20). For this switching principle, which is known per se, it is essential, according to the invention, as can be seen from FIG.
  • the spaces 6-9 and the separating elements K are designed in the form of a rotary piston machine which can be rotated from a housing 16 in a housing mounted pressure vessel 1 with a drive piston 2 arranged therein without a drive and separating the spaces 6-9, the heat exchangers 10-13 and the regenerators 14, 15 being arranged on the rotatable pressure vessel 1, thus circulating therewith.
  • the stationary heat supply source 3 is arranged in the arrangement area of the heat exchanger 10 connected between the space 6 and the regenerator 14, which extends around the entire circumference.
  • the assignment of the heat exchangers 10 to 13 is illustrated in a highly schematic manner as a pure circuit diagram in FIG. 3, in which the corresponding reference symbols are used and which represents the state of the art.
  • the pressure vessel 1 is, for example. shown, stored in the housing 16, in which the burner forming the heat supply source 3 is also arranged under the pressure vessel 1, by means of which the heat exchanger 10 is acted upon.
  • An exhaust hood 17 which extends upward around the pressure vessel removes the exhaust gases.
  • the bearing extensions 22 on both sides of the pressure vessel 1 simultaneously form the supply openings 22 'for the medium with which the heat exchangers 11, 12, 13 arranged on the end side of the pressure vessel are acted upon.
  • the end faces 1 * of the pressure vessel 1 are advantageously provided with radially oriented ribs 23, which on the one hand promote the media flowing through and on the other hand contribute to increasing the heat transfer areas.
  • the medium for example air heated on the warm-up side WS and cooled on the cooling side KS flows out through lines 25 which are open towards the outflow side and are integrated in the housing 16.
  • the Druok container 1 is coupled for the reasons mentioned with an electric motor 26, which, however, apart from the starting phase, does not have the task of driving the whole thing, ie the drive energy is greater than that of the heat source 3 applied heat exchanger 10 introduced.
  • roller piston 2 sits in the interior 4 of the pressure container 1 without a drive, eccentrically under its axis of rotation 1 ", it is filled with a material with a higher specific weight.
  • the machine is advantageously designed in such a way that the rolling piston 2 is assigned on its side flanks 2 'with coaxial, reduced-diameter and disk-shaped, externally toothed extensions 18 and with corresponding webs 19 is provided, the internal toothing diameter being greater than the external toothing diameter of the extensions 18.
  • These extensions 18 are expediently used to attach the aforementioned additional load bodies 21 to them.
  • the relative movement of the rolling piston 2, which remains constantly below due to the force of gravity when the pressure vessel 1 rotates, is shown schematically in FIG. 4.
  • the envelope curve of the interior 4 remains stationary. This does not require a special explanation, since the same applies to the rolling piston movement to the individual rooms 6-9 as for the known machine according to FIG. 20.
  • FIG. 3 refer.
  • the slots and flow guides are provided in the developments A, B of FIGS. 6, 7 with corresponding reference symbols, which FIGS. 6, 7 also illustrate the arrangements and extensions of the heat exchangers and the regenerators 14, 15 on the circumference of the pressure vessel 1.
  • All of the heat exchangers, regenerators and rooms 6-9 form a self-contained pressure system in which the filling gas is pumped back and forth, the heat supply source 3 effecting the actual drive.
  • the medium preferably air
  • FIGS. 8, 9 illustrate the heat exchangers 11-13, to which the air supplied through both bearing extensions 22, for example with 25 ⁇ C, is guided in the direction of the arrows in FIG. 1 and on the warm side WS with, for example, 95 ° C and on the cooling side KS flows at 10 ⁇ C. These temperatures are only to be understood as examples.
  • a machine of the type KA 3 is shown, in connection with the heat exchangers 10-12 and the two regenerators 14, 15.
  • rooms 9, 7 are represented by only one chamber, and the two circuits HK and KK are connected to or with this chamber at 138.
  • FIGS. 10-18 in which reference numerals from 100 are used which refer to corresponding elements.
  • the heat exchangers 111, 112, 113 form the radial boundary walls of the rooms 107, 108, 109 and the regenerators 114, 115 are outside, but inside the pressure vessel 100 along the heat exchangers 111, 112, 113 orderly.
  • This results in an extremely advantageous construction of the machine namely in such a way that the heat exchangers 111, 112, 113, the regenerators 114, 115 and the roller piston 102 can be formed in the form of a disk-shaped package 128 between two housing shells 129 forming the pressure container 101 .
  • 128 circular disks 128 "with openings 137 for supplying and discharging the heat transfer medium to and from the heat exchangers 111, 112, 113 are arranged on both sides.
  • the heat exchangers 111, 112, 113 are formed from tubes 136 and these are provided at their ends 133 with widenings 134, the cross-section of which corresponds to polygons, which also seamlessly form a honeycomb structure joined together on the side flanks of the leads 134 and are connected to one another at the widening ends 135 in a liquid-tight and gas-tight manner.
  • These tubes 136 extend parallel to the machine axis 139, ie the hatching chosen for this in FIG. 13 does not correspond to the actual tube orientation.
  • the regenerators 114, 115 are correspondingly curved and are formed, for example, from sintered metal. Partitions 142 inserted into the heat exchangers 111, 112, 113 ensure a meandering flow through the heat exchangers of the equipment contained in the two closed circuits, which are connected to one another at 138 (see FIG. 20).
  • the pressure vessel 101 is designed as a stator and at least three electromagnets 132, which are controlled in the sense of the piston movement, are arranged in this at least on one side adjacent to the rolling piston 102 that is guided as the rotary piston.
  • the load bodies 21, 121 FIGGS. 1 and 12
  • the relatively complex connections 143 for the supply and discharge of the heat transfer media air or water
  • the accommodation spaces 144 can also be hermetically sealed by disks 145 against the high-pressure and gas-bearing spaces, so that they are no longer available for the total dead volume of the machine must be billed.
  • the advantageous design of the machine in shell construction, in which the disk-shaped package 128 is enclosed, also forms the prerequisite for an embodiment according to FIG. 17 in that the disk-shaped package 128 is divided into two chambers, in which the rooms 106, 107 and the Spaces 108, 109 are arranged offset from one another by 90 "and that a roller piston 102 is arranged in each chamber 130 and the two roller pistons 102 are firmly connected to one another, whereby a division into a" warm and cold "side can be achieved, whereby between the In both chamber packages 128 ', heat insulation 131 can also be arranged in disk form without problems in order to largely prevent internal heat flow from the warm to the cold side.
  • the pressure vessel 100 is rotatably mounted in a suitable manner, which is only indicated schematically with bearings 150.
  • the connections 143 are, as shown, constructed as rotary guides, the left connection 143 for supplying the Heat exchanger 111 and the one on the right serve for supplying heat exchangers 112 and 113.
  • the further connection openings 143 'leading to the outside are located in front of or behind the plane of the illustration.
  • FIGS. 10 and 11 Openings 151 for the heat exchanger 111, openings 152 for the heat exchanger 112 and openings 153 for the media to be supplied to the heat exchangers 111, 112, 113 from the outside via the rotary guides 143 or to be discharged to the outside (for example water) the heat exchanger 113 is provided.
  • a heat insulation in the pressure container 101 is designated by 154.
  • the electromagnets 132 are controlled via a control circuit 155, which is only indicated schematically in FIG. 18.
  • the reference numeral 156 in FIG. 19 denotes an additional regenerator in the warm area between the cold and the hot side of the machine.
  • Such an additional regenerator 156 is also present in the machine according to FIGS. 10 to 12 and 17, which is located in the partition between the two packets 128 ′ or the chambers 130 is installed. With this additional regenerator 156, the temperature values between the cold and hot sides of the machine can be better separated, i.e. , there are also different temperatures in the warm area.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Kreisprozess arbeitende Wärme- und Kältemaschine, bei der die volumenveränderlichen Räume und die Räume trennenden Elemente (K) in Form einer Drehkolbenmaschine ausgebildet sind. Nach der Erfindung ist eine solche Maschine derart ausgebildet, daß der Drehkolben der Drehkolbenmaschine in einem die Räume (6-9) enthaltenden, mit seiner Längsachse (1') horizontal drehbar gelagerten Druckbehälter (1) als antriebsloser Rollkolben (2) angeordnet und dieser aus Material mit hohem spez. Gewicht besteht oder dessen Innenraum mit einem Material von hohen spez. Gewicht ausgefüllt ist und daß koaxial zur Rollkolbenachse (2) an den Seitenflanken (2') des Rollkolbens (2) in separaten Kammern (20) des Druckbehälters (1) Belastungskörper (21) angeordnet sind, wobei die Wärmetauscher (10-13) und die Regeneratoren (14, 15) am drehbaren Druckbehälter (1) angeordnet sind und die stationäre Wärmezufuhrquelle (3) im Anordnungsbereich des zwischen dem Raum (6) und dem Regenerator (14) geschalteten Wärmetauschers (10) angeordnet ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Druckbehälter stationär gelagert, und die Bewegungssteuerung des Drehkolben erfolgt über Elektromagnete.

Description

Außenbeheizte, regenerative Wärme-und Kältemaschine
Die Erfindung betrifft eine außenbeheizte, regenerative Wärme- und Kältemaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
Derartige Wärme- und Kältemaschinen sind, basierend auf dem schon seit 1918 bekannten Vuilleumier-Kreiεprozeεs, bereits ent¬ wickelt worden und haben u.a. den Vorteil, daß dieses anstelle von umweltschädlichem FCKW mit Helium oder Wasserstoffgas be¬ trieben werden können.
Gemäß DKV-Tagungsbericht, 14. Jahrgang, 1987, S. 473-487 wurden derartige Maschinen bisher als doppelt wirkende Hubkolbenmaschi¬ nen mit einem V-Winkel von 90° ausgeführt. Da das gesamte System unter sehr hohem Druck gehalten werden muß, ist diese Konstruk¬ tion sehr aufwendig, und zwar sowohl hinsichtlich des Bewegungs¬ antriebes der Kolben als auch hinsichtlich der Abdichtungserfor¬ dernisse. Siehe hierzu auch die DE-A-36 02 634, die u.a. auch eine Ausbildung solcher Maschinen als Drehkolbenmaschine vor¬ sieht. Auch hierbei erfolgt der Bewegungsantrieb des Dreh- bzw. Kreiskolbens von außen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der ein¬ gangs genannten Art dahingehend umzugestalten und zu verbessern, daß der Aufwand für den Bewegungsantrieb und für die Abdichtung wegfallen kann, und die ganze Maschine kompakter als ein in sich geschlossener, zylindrischer Druckbehälter ausgebildet sein soll.
Diese Aufgabe ist mit einer Wärme- und Kältemaschine der gat¬ tungsgemäßen Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den ünteransprüchen. Eine wei¬ tere davon unabhängige Lösung ergibt sich nach Patentanspruch 7.
Da auch bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung die Maschine nach dem bekannten Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitet, bedürfen die thermodynamiεchen Vorgänge im einzelnen keiner näheren Er¬ läuterung, zumal diese in den vorgenannten Druckschriften aus- . führlich erörtert sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung besteht die ganze Ma¬ schine vorteilhaft aus nur zwei bewegten Teilen, nämlich aus dem Druckbehälter, in dem im entsprechend ausgebildeten und von der in bezug auf den Rollkolben "äußeren" Hüllkurve begrenzten In¬ nenraum der antriebsloεe und nur durch Schwerkraft in Stellung gehaltene Rollkolben auf der Hüllkurve relativ abrollt, wobei also lediglich der Druckbehälter einer Lagerung am Umschlie¬ ßungsgehäuse bedarf und, wie bekannt, eines kleinen zusätzlichen äußeren Antriebes (Elektromotor) lediglich zur Verlustkompenεa- tion im System (Reibung und Druckdifferenzen durch Strömungεwi- derεtände) und zur Drehzahlregelung.
Für die erfindungεgemäße Drehkolbenmaschine werden bevorzugt εolche des Typs "KA 4" bzw. "KA 3" benutzt, wobei K für den so¬ genannten Kämmeingriff und A für die äußere Hüllkurve steht, d.h., beim KA 4 rollt der dreigliedrige Rollkolben relativ zur vierfach gegliederten äußeren Hüllkurve ab, und beim "KA 3M rollt ein zweifach gegliederter Rollkolben relativ zur dreifach gegliederten Hüllkurve ab. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, daß die Angabe von vier Bezugszeichen bezüglich der Räume im Hauptanspruch nur sinngemäß zu verstehen und insoweit nicht ver¬ bindlich ist, d.h., die Bezugszeichen bezüglich der Räume sind am Typ **KA 4" orientiert.
Sowohl konstruktiv als auch funktioneil ist es noch günstiger, die nach der ersten Lösung noch seitlich am Druckbehälter ange¬ ordneten Wärmetauscher selbst die radialen Begrenzungswände der Räume bilden zu lassen, die nicht mit dem von außen mit Wärme beaufschlagten Wärmetauscher in unmittelbarer Verbindung stehen. Die Regeneratoren sind dann im Inneren des Druckbehälters außen längs der Wärmetauscher angeordnet.
Um den Rollkolben nach der ersten Lösung relativ zum drehbaren Druckbehälter funktionsgerecht abrollen zu lassen, ist es not¬ wendig, diesen aus Material mit hohem spez. Gewicht zu bilden oder' den Innenraum des Rollkolbens mit einem Material von hohem spez. Gewicht auszufüllen und in seitlichen Kammern mit dem Rollkolben fest verbundene Belastungskörper vorzusehen. Auch dies kann weεentlich dadurch vereinfacht werden, daß man nach der zweiten Löεung den Druckbehälter als Stator ausbildet und in diesem mindeεtenε auf einer Seite benachbart zum als Kreiskolben geführten Rollkolben mindestens drei im Sinne der Rollkolbenbe¬ wegung gesteuerte Elektromagnete anordnet. Dadurch wird nicht nur die Fertigung und der Zusammenbau der Maschine vereinfacht, sondern auch die Anschlußanordnung und Ausbildung für das von außen zuzuführende und wieder nach außen abzuführende Wärmeträ¬ germedium.
Die radiale Anordnung und Ausbildung der Wärmetauscher als Be¬ grenzungswände der Räume, durch die, was noch näher erläutert wird, die ganzen "Innereien" der Maschine gewissermaßen schei¬ benförmig zwischen zwei den Druckbehälter bildenden Schalen zu¬ sammengefügt werden kann, bietet auch eine ideale Voraussetzung für eine Weiterbildung zur schärferen Trennung der "warmen und kalten Seite", d.h. zur Reduzierung des maschineninternen Wärme- flusεes von der warmen zur kalten Seite.
Die erfindungsgemäße Maschine und deren vorteilhafte und prakti¬ sche Ausführungεformen werden nachfolgend anhand der zeichneri- εchen Darstellung von Ausführungεbeispielen näher erläutert.
Es zeigt εchematiεch
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Maschine;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den drehbaren Druckbehälter mit darin angeordneten Rollkolben,*
Fig. 3 einen Schnitt durch den Druckbehälter mit den diesem zugeordneten Wärmetauschern und thermischen Regenera¬ toren in εtark schematisierter Darstellung;
Fig. 4 die Stellungen des Rollkolbenε relativ zum Druckbehäl¬ ter während einer Umdrehung;
Fig. 5 stark schematiεiert eine Maεchine nach Typ KA 3; Fig. 6 abgewickelte Zylinderschnitte A, B gemäß Fig. 2 durch die Bereiche des wärmebeaufschlagten Wärmetauschers und der Regeneratoren;
Fig. 8,9 Schnitte längs Linien C, D in Fig. 1;
Fig.10,11 einen Schnitt längs Linien I-I und II-II der Maschine gemäß Fig. 12;
Fig. 12 einen Längsschnitt durch die Maschine nach den Fig. 10, 11;
Fig. 13 einen Längsschnitt durch die Maschine in anderer Aus¬ führungεform;
Fig. 14 einen Querschnitt durch die Maschine gemäß Fig. 13;
Fig. 15 in Seitenansicht die Zu- und Ableitungskanäle zu den Wärmetauschern;
Fig. 16 einen Schnitt durch eine besondere Ausführungεform der Wärmetauscher;
Fig.l6A-C Seitenansichten der Wärmetauscher gemäß Fig. 4 in verschiedenen Ausführungεformen;
Fig. 17 einen Längεεchnitt durch die Maschine mit stationä¬ rem Druckbehälter;
Fig. 18 in Seitenansicht die Anordnung der E-Magnete gemäß Fig. 17;
Fig. 19 das Schaltεche a einer KA 4-Zylindermaschine und
Fig. 20 daε bekannte Schaltschema einer nach dem Vuilleu ier- Kreisprozeßß arbeitenden Wärme- und Kälte aεchine.
Zunächεt wird auf die Fig. 1 biε 9 Bezug genommen. Hierbei be¬ steht die Wärme- und Kältemεchine aus durch bewegliche Trennele- mente K (Kolben) volumenveränderlichen Räume 6-9 für einerεeitε den Heizkreis HK und andererεeits für den Kühlkreis KK, wobei der Heiz- und der Kühlkreis HK, KK jeweils den volumenveränder¬ lichen Räumen 6-9 zugeordnete Wärmetauscher 10-13 aufweisen. Zwischen den Wärmetauschern 10, 11, 12, 13 jedes Kreises sind thermische Regeneratoren 14, 15 angeordnet, und die beiden Kreise HK, KK sind miteinander an der Stelle 138 verbunden (siehe Fig. 20) . Für dieses an sich bekannte Schaltprinzip ist nun nach der Erfindung, wie aus Fig. 1 ersichtlich, wesentlich, daß die Räume 6-9 und die Trennelemente K in Form einer Drehkol¬ benmaschine ausgebildet sind, die aus einem in einem Umεchlie- ßungεgehäuεe 16 drehbar gelagerten Druckbehälter 1 mit einem darin antriebεlos angeordneten, die Räume 6-9 trennenden Roll¬ kolben 2 gebildet ist, wobei die Wärmetauscher 10-13 und die Re¬ generatoren 14, 15 am drehbaren Druckbehälter 1 angeordnet sind, alεo mit dieεem umlaufen. Die εtationäre Wärmezufuhrquelle 3 iεt im Anordnungsbereich des zwischen dem Raum 6 und dem Regenerator 14 geschalteten Wärmetauschers 10 angeordnet, der sich um den ganzen Umfang erstreckt. Die Zuordnung der Wärmetauscher 10 bis 13 ist stark schematisiert als reines Schaltbild in Fig. 3 ver¬ anschaulicht, in der die jeweilε entεprechenden Bezugεzeichen benutzt εind und die den Stand der Technik darεtellt.
Der Druckbehälter 1 ist, wie bεpw. dargeεtellt, im Umεchlie- ßungεgehäuse 16 gelagert, in dem auch der die Wärmezufuhrquelle 3 bildende Brenner unter dem Druckbehälter 1 angeordnet ist, »it dem der Wärmetauscher 10 beaufschlagt wird. Eine nach oben um den Druckbehälter erstreckte Abzugεhaube 17 führt die Abgase ab.
Die beidseitigen Lagerfortsätze 22 des Druckbehälterε 1 bilden gleichzeitig die Zufuhröffnungen 22' für daε Medium, mit dem die εtirnεeitig am Druckbehälter angeordneten Wärmetauscher 11, 12, 13 beaufschlagt werden. Vorteilhaft sind dabei die Stirnflächen 1* des Druckbehälters 1 mit radial orientierten Rippen 23 verse¬ hen, die einerseits die durchströmenden Medien fördern und ande¬ rerseits zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen beitra¬ gen. Das an der Aufwärmseite WS erwärmte und das auf der Abkühlseite KS abgekühlte Medium (bspw. Luft) strömt dabei durch gegen die Abströmεeite offene Leitungen 25 ab, die im Umεchließungεgehäuεe 16 mit integriert sind. Wie bspw. und schematiεch angedeutet, ist der Druokbehälter 1 aus den genannten Gründen mit einem Elektromotor 26 gekoppelt, der jedoch, abgesehen evtl. von der Anlaßphaεe, nicht die Aufgabe hat, das Ganze anzutreiben, d.h., die Antriebsenergie wird über den von der Wärmequelle 3 beauf¬ schlagten Wärmetauscher 10 eingebracht.
Da der Rollkolbeh 2 antriebεlos im Innenraum 4 des Druckbehäl- terε 1 sitzt, und zwar exzentrisch unter deεεen Drehachεe 1", ist dieser mit einem Material von höherem spez. Gewicht ausge¬ füllt. Bezüglich der Konfigurationen des Rollkolbenε 2 und des Innenraumeε 4 wird auf die Fig. 2, 3 verwieεen, die einer Dreh¬ kolbenmaschine vom Typ KA 4 entεprechen, welcher Typ auch bevor¬ zugt zur Anwendung kommt.
Auf den Rollkolben 2 wirken einerseits Reibkräfte, die von der Abdichtung seiner Seitenflanken 2' herrühren, und andererseits Gaskräfte, da in den Regeneratoren 14, 15 und Wärmetauschern 10- 13 und ihren Verbindungsleitungen Strömungswiderεtände auftre¬ ten. Um sicherzustellen, daß der Rollkolben 2 im unteren Teil des Innenraumes 4 bleibend abrollt, sind Zusatzgewichte am Roll¬ kolben 2 angebracht, wofür dieser, wie aus Fig. 1 ersichtlich, mit in separaten Kammern 20 befindlichen zusätzlichen Bela¬ stungskörpern 21 versehen ist, die der Rollkolbenachse 5 koaxial zugeordnet sind. Um die Positionen vom Rollkolben 2 zum Druckbe¬ hälter 1 sicherzustellen, ist die Maschine vorteilhaft derart ausgebildet, daß der Rollkolben 2 an seinen Seitenflanken 2' mit koaxialen, durchmesserreduzierten und scheibenförmigen, außen verzahnten Fortsätzen 18 zugeordneten und mit einer entsprechen¬ den Innenverzahnung versehenen Stegen 19 versehen ist, wobei der Innenverzahnungsdurchmesεer größer iεt alε der Außenverzahnungs- durchmesser der Fortsätze 18. Diese Fortsätze 18 werden dabei zweckmäßig dafür ausgenutzt, um daran die vorerwähnten zusätzli¬ chen Belastungεkörper 21 anzubringen. Die Relativbewegung des aufgrund der Schwerkraft bei Drehung des Druckbehälterε 1 εtändig unten bleibenden Rollkolbens 2 iεt εchematiεch in Fig. 4 verdeutlicht iεt. Der Einfachheit halber iεt hierbei die Hüllkurve des Innenraumcs 4 stationär bleibend dargestellt. Einer besonderen Erläuterung bedarf dies nicht, da sich dabei bezüglich der Rollkolbenbewegung zu den einzelnen Räumen 6-9 Analoges zur bekannten Maschine gemäß Fig. 20 voll¬ zieht.
Das aus dem Raum 6 verdrängte Medium gelangt durch den Schlitz 24 bzw. 6' in den Wärmetauscher 10 und nach dessen Durchströ¬ mung durch einen Kanal 27 in den Regenerator 14 und nach deεεen Paεεage in den Wärmetauεcher 11 und nach dieεem in den εich ver¬ größernden Raum 9. Ebenfalls analog zur Fig. 20 strömt dabei das Füllgas auε dem Raum 8 durch 8' zum Wärmetauscher 12, durch den Regenerator 15 über den Wärmetauscher 13 und den Schlitz 7' in den Raum 7. Hierzu wird insbeεondere auf Fig. 3 verwieεen. Die Schlitze und Strömungεführungen sind in den Abwicklungen A, B der Fig. 6, 7 mit entsprechenden Bezugεzeichen verεehen, welche Fig. 6, 7 auch die Anordnungen und Erstreckungen der Wärmetau¬ scher und der Regeneratoren 14, 15 am Umfang des Druckbehälters 1 verdeutlichen. Sämtlich Wärmetauscher, Regeneratoren und die Räume 6-9 bilden ein in sich geschlossenes Drucksyεtem, in dem daε Füllgaε hin und her gepumpt wird, wobei die Wärmezufuhr¬ quelle 3 den eigentlichen Antrieb bewirkt. Außerhalb dieses Drucksyεtems, nämlich längs der Stirnflächen 1' des Druckbehäl¬ terε 1 streicht daε auf der einen Seite WS εich dort erwärmende und auf der anderen Seite KS daε sich dort abkühlende Medium (vorzugsweise Luft) vorbei.
Die Schnitte der Fig. 8, 9 verdeutlichen die Wärmetauscher 11- 13, an denen die durch beide Lagerfortsätze 22 bspw. mit 25βC zugeführte Luft im Sinne der Pfeile in Fig. 1 vorbeigeführt wird und auf der Warmseite WS mit bspw. 95°C und auf der Kühlseite KS mit 10βC abströmt. Diese angegebenen Temperaturen sind nur als Beispiel zu verstehen.
In Fig. 5 iεt der Vollεtändigkeit halber eine Maschine nach Typ KA 3 dargestellt, und zwar in Verbindung mit den Wärmetauschern 10-12 und den beiden Regeneratoren 14, 15. Hierbei werden die Räume 9, 7 jedoch nur durch eine Kammer repräsentiert und die Verbindung der beiden Kreise HK und KK erfolgt an bzw. mit die¬ ser Kammer bei 138.
Für die andere Ausführungsformen wird nun auf die Fig. 10-18 Be¬ zug genommen, in denen Bezugszeichen ab 100 benutzt sind, die auf entsprechende Elemente bezugnehmen.
Wie aus Fig. 13 ersichtlich, bilden hierbei die Wärmetauscher 111, 112, 113 die radialen Begrenzungswände der Räume 107, 108, 109 und die Regeneratoren 114, 115 sind außen, aber innerhalb des Druckbehälters 100 längs der Wärmetauεcher 111, 112, 113 an¬ geordnet. Dadurch ergibt εich eine äußerst vorteilhafte Bauweise der Maschine, nämlich derart, daß die Wärmetauscher 111, 112, 113, die Regeneratoren 114, 115 und der Rollkolben 102 in Form eines scheibenförmigen Paketes 128 zwischen zwei den Druckbehäl¬ ter 101 bildenden Gehäuseschalen 129 ausgebildet werden können. Dabei sind beidseitig neben dem Paket 128 Kreiεscheiben 128" mit Durchbrüchen 137 für die Zu- und Abführung des Wärmeträgermedi¬ ums zu und aus den Wärmetauschern 111, 112, 113 angeordnet.
Wie insbesondere aus den Fig. 16, 16A-C ersichtlich, sind die Wärmetauεcher 111, 112, 113 auε Röhrchen 136 gebildet und diese εind an ihren Enden 133 mit Aufweitungen 134 versehen, deren Querεchnitt Vielecken entεpricht, die lückenlos zu einer Waben¬ struktur mit aneinanderliegenden Seitenflanken der Auf eitungen 134 zusammengefügt und an den Aufweitungεenden 135 flüεsigkeitε- und gasdicht miteinander verbunden sind. Diese Röhrchen 136 er¬ strecken sich parallel zur Maεchinenachse 139, d.h. die dafür in Fig. 13 gewählte Schraffur entspricht nicht der tatsächlichen Röhrchenorientierung. Die Regeneratoren 114, 115 sind entsprechend bogenförmig gestaltet und sind bspw. auε Sin¬ termetall gebildet. In die Wärmetauscher 111, 112, 113 eingesetzte Trennwände 142 sorgen für eine mäanderförmige Durchströmung der Wärmetauscher des in den beiden geschlossenen, aber miteinander bei 138 (siehe Fig. 20) verbundenen Kreisen enthaltenen Betriebsmittels.
Bei den Ausführungεformen nach Fig. 13 und 17 iεt der Druckbe¬ hälter 101 als Stator ausgebildet und in diesem sind mindestenε auf einer Seite benachbart zum alε Kreiεkolben geführten Roll¬ kolben 102 mindestens drei im Sinne der Kolbenbewegung gesteu¬ erte Elektromagnete 132 angeordnet. Dadurch fallen die Bela- εtungεkörper 21, 121 ( Fig. 1 und 12) und die relativ aufwendi¬ gen Anschlüsεe 143 für die Zu- und Abführung der Wärmeträgerme¬ dien (Luft oder Waεεer) weg, die allerdingε auch möglich und in Fig. 12 dargeεtellt εind. Wie auε den Fig. 13 und 17 erεicht- lich, laεεen εich zudem die Unterbringungεräume 144 durch Schei¬ ben 145 gegenüber den unter hohem Druck εtehenden und gaεführen- den Räumen hermetiεch abschließen, so daß dieεe für daε Geεamt- totvolu en der Maschine nicht mehr in Rechnung gestellt werden müεεen.
Die vorteilhafte Auεbildung der Maεchine in Schalenbauweiεe, in der daε εcheibenförmige Paket 128 eingeschlossen ist, bildet auch die Voraussetzung für eine Ausführungsform gemäß Fig. 17 dahingehend, daß das εcheibenförmige Paket 128 in zwei Kammern gegliedert iεt, in denen die Räume 106, 107 und die Räume 108, 109 zueinander um 90" verεetzt angeordnet εind und daß in jeder Kammer 130 ein Rollkolben 102 angeordnet ist und die beiden Rollkolben 102 fest miteinander verbunden εind, wodurch εich eine Gliederung in eine "warme und kalte" Seite erreichen läßt, wobei zwischen den beiden Kammerpaketen 128' problemlos eine Wärmeisolierung 131 ebenfalls in Scheibenform angeordnet werden kann, um einen maschineninternen Wärmefluß von der warmen zur kalten Seite weitgehend zu unterbinden.
Bei der bereits erwähnten Ausführungεform nach den Fig. 10 bis 12 ist der Druckbehälter 100 in geeigneter Weise drehbar gela¬ gert, was mit Lagern 150 nur εchematiεch angedeutet iεt. Die An¬ schlüsεe 143 εind dabei, wie dargeεtellt, alε Drehführungen auε- gebildet, wobei der linke Anschluß 143 für die Versorgung des Wärmetauεcherε 111 und der rechte für die Verεorgung der Wärme¬ tauscher 112 und 113 dient. Die weiteren nach außen führenden Anschlußöffnungen 143' befinden sich vor bzw. hinter der Dar- εtellungεebene.
Unabhängig davon, ob εich bei den Auεführungεformen nach den Fig. 10 bis 17 der Druckbehälter 101 dreht oder stationär gela¬ gert iεt, sind in den Fig. 10 und 11 die Strömungspfeile für daε Betriebsmedium (bεpw. Helium) eingezeichnet. Für die den Wär e- tauεchern 111, 112, 113 von außen über die Drehführungen 143 zu¬ zuführenden bzw. nach außen abzuführenden Medien (bεpw. Wasser) sind Öffnungen 151 für den Wärmetauεcher 111, Öffnungen 152 für den Wärmetauεcher 112 und Öffnungen 153 für den Wärmetauεcher 113 vorgesehen. Mit 154 ist eine Wärmeisolierung im Druckbehäl¬ ter 101 bezeichnet. Die Steuerung der Elektromagnete 132 erfolgt über eine in Fig. 18 nur schematisch angedeutete Steuerschaltung 155.
Das Bezugszeichen 156 in Fig.19 bezeichnet einen Zusatzregenera¬ tor im -warmen Bereich zwischen der kalten und der heißen Seite der Maschine. Ein solcher Zusatzregenerator 156 ist auch in der Maschine gemäß Fig.10bis 12 bzw. 17 vorhanden, der in der Trenn¬ wand zwischen den beiden Paketen 128'bzw. den Kammern 130 einge¬ baut ist. Durch diesen Zusatzregenerator 156 können die Tempera¬ turwerte zwischen der Kalt- und Heißseite der Maschine besser ge¬ trennt werden, d.h. , es ergeben sich auch im Warmbereich unter¬ schiedliche Temperaturen.

Claims

Patentanεprüche:
1. Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Kreiεpro- zess arbeitende Wärme- und Kältemaschine, bestehend auε durch bewegliche Trennelemente (K) volumenveränderlichen Räumen (6- 9) für einerεeitε den Heizkreiε (HK) und andererεeitε für den Kühlkreiε (KK) , wobei der Heiz- und der Kühlkreis (HK, KK) jeweilε den volumenveränderlichen Räumen (6-9 zugeordnete Wärmetauεcher (10-13) aufweiεen und zwischen den Wärmetau¬ schern (10, 11, 12, 13) jeden Kreiεeε thermiεche Regenerato¬ ren (14, 15) angeordnet und die beiden Kreiεe (HK, KK) mit¬ einander verbunden εind, und wobei ferner die Räume (6-9) und die Trennelemente (K) in Form einer Drehkolben aεchine ausge¬ bildet εind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Drehkolben der Drehkolbenmaεchine in einem die Räume (6-9) enthaltenden, mit seiner Längsachse (1") horizontal drehbar gelagerten Druckbehälter (1) als antriebsloεer Roll¬ kolben (2) angeordnet und dieεer aus Material mit hohem spez. Gewicht beεteht oder dessen Innenraum mit einem Material von hohen spez. Gewicht ausgefüllt ist und daß koaxial zur Roll¬ kolbenachse (2) an den Seitenflanken (2') deε Rollkolbens (2) in εeparaten Kammern (20) deε Druckbehälters (1) Belaεtungε- körper (21) angeordnet εind, wobei die Wärmetauεcher (10-13) und die Regeneratoren (14, 15) am drehbaren Druckbehälter (1) angeordnet εind und die εtationäre Wärmezufuhrquelle (3) im Anordnungsbereich des zwischen dem Raum (6) und dem Regenera¬ tor (14) geschalteten Wärmetauscherε (10) angeordnet iεt.
i. Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der die Räume (6-9) enthaltende Innenraum (4) deε Druck- behälterε (1) und der zugehörige Rollkolben (2) bezüglich ih¬ rer Konturen einer Trochoid aεchine vom Typ "KA 4" oder "KA 3" entεprechen. 3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Rollkolben (2) an mindestens einer seiner Seitenflan ken mit einem scheibenförmigen, außen verzahnten Fortεat (18) versehen und im Innenraum (4) des Druckbehälters (1) ei dem Fortsatz (18) zugeordneter und mit einer entsprechende Innenverzahnung versehenen Steg (19) angeordnet ist, die de Rollkreis für den Fortsatz (18) des Rollkolbens (2) bildet.
. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stirnseiten des Druckbehälters (1) als Wärmetausche (11, 12, 13) ausgebildet sind, wobei die Wärmetauscher (11, 13) auf der Aufwärmεeite (WS) und der Wärmetauscher (12) auf der Abkühlseite (KS) angeordnet sind.
5. Maschine nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß außen an den Stirnflächen (1') deε Druckbehälterε (1) die Wärmeübertragungsflächen vergrößernde und radial förderwirk¬ same Rippen (23) angeordnet εind.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wärmetauscher die radialen Begrenzungswände der Räume (7-9) bilden und die Regeneratoren (14, 15) außen längs der Wärmetauscher (11-13) angeordnet sind.
7. Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Kreispro- zeεs arbeitende Wärme- und Kältemaεchine, beεtehend aus durch bewegliche Trennelemente (K) volumenveränderlichen Räumen (106-109) für einerεeits den Heizkreis (HK) und andererseitε für den Kühlkreis (KK) , wobei der Heiz- und der Kühlkreiε (HK, KK) jeweils den volumenveräπderlichen Räumen (106-109) zugeordnete Wärmetauεcher (110-113) aufweisen und zwischen den Wärmetauschern (110, 111, 112, 113) jeden Kreiseε thermi- εche Regeneratoren (114, 115) angeordnet und die beiden Kreiεe (HK, KK) miteinander verbunden εind und wobei ferner die Räume (106-109) und die Trennelemente (K) in Form einer Drehkolbenmaschine ausgebildet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Drehkolben als Rollkolben in einem die Räume (106-
109) enthaltenden Druckbehälter (100) angeordnet und dieser als Stator ausgebildet ist und in diesem mindestens auf einer
Seite benachbart zum als Kreiskolben geführten Drehkolben
(102) mindestens drei im Sinne der Kolbenbewegung gesteuerte
Elektromagnete (132) angeordnet sind und daß die Wärmetauscher (111-113) die radialen Begrenzungεwände der Räume (107-109) bilden und die Regeneratoren (114, 115) außen längs der Wärmetauscher (111-113) angeordnet sind.
8. Maεchine nach Anεpruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wärmetauεcher (111-113), die Regeneratoren (114, 115) und der Rollkolben (102) in Form eineε εcheibenförmigen Pake- teε (128) zwischen zwei den Druckbehälter (101) bildenden Ge- häuεeεchalen (129) angeordnet εind.
9. Maschine nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beidseitig neben dem Paket (128) Kreiεεcheiben (128") mit Durchbrüchen (137) für die Zu- und Abführung deε . ärmeträger¬ mediums zu und auε den Wärmetauεchern (111-113) angeordnet sind.
10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das scheibenförmige Paket (128) in zwei Kammern geglie¬ dert ist, in denen die Räume (106, 107) und die Räume (108, 109) zueinander um 90° versetzt angeordnet sind, und daß in jeder Kammer (130) ein Rollkolben (102) angeordnet iεt, und die beiden Rollkolben (102) feεt miteinander verbunden sind.
11. Maschine nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen den beiden Kammerpaketen (128') eine Wär¬ meisolierung (131) angeordnet ist. 12. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wärmetauscher (111-113) in Form mäanderförmig durch- εtrömbarer Elemente auεgebildet sind.
13. Maschine nach einem der Ansprüche 7 biε 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Regeneratoren (114, 115) auε Sintermetall gebildet εind.
14. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wärmetauscher (111-113) aus Röhrchen (136) gebildet und diese an ihren Enden (133) mit AufWeitungen (134) verse¬ hen εind, deren Querεchnitt Vierecken entεpricht, die lücken¬ los zu einer Wabenstruktur mit aneinanderliegenden Seiten¬ flanken der AufWeitungen (134) zusammengefügt und an den Auf- weitungεenden (135) flüssigkeits- und gaεdicht miteinander verbunden sind. 5*. Maschine nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen den beiden Kammern(130) ein Zusatzregenerator
( 156 ) angeordnet ist.
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