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1. WO1995006848 - SYSTEME COMBINE DE CHAUFFAGE ET DE REFRIGERATION

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Wärme- und Kältemaschine

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 VuilleumiεrKreisprozeß 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 guter Eintrag der Wärme in das heiße Arbeitsvolumen bei geringen Außenabmessungen und hoher Druckfestigkeit der beteiligten Bauteile ergibt, die zudem zur Verbesserung der Wärmeübertragung eine möglichst geringe Wandstärke aufweisen sollen.

Die L ö s u n g dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dem heißen Arbeitsvolumen die Wärme über eine zugleich einen Teil des druckdichten Gehäuses bildende, nach innen oder außen gewölbte Trennwand zugeführt wird, die als rotationssymmetrisches Gewölbe, vorzugsweise Kegelschnitt, insbesondere Halbkugel, ausgeführt und mit dem Gehäuse wärmeisolierend verbunden ist.

Durch die nach innen oder außen gewölbte Trennwand, die zugleich Teil des druckdichten Gehäuses ist, ergibt sich bei hoher Druckfestigkeit der wärmeübertragenden Fläche einerseits eine bei gegebenen Außenabmessungeπ große Oberfläche und andererseits die Möglichkeit, eine geringe Wandstärke zu wählen, um den Wärmeeintrag zu verbessern. Durch die Wärmeisolierung der gewölbten Trennwand gegenüber dem Gehäuse wird eine den Wirkungsgrad verschlechternde Wärmeableitung von der Trennwand in das Gehäuse und damit an die Umgebung verhindert.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Trennwand auf ihrer Außen- und/oder Innenseite mit oberflächenvergrößernden Rippen versehen sein. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, den Raπdbereich der Außenseite der Trennwand mit die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeabgeben- den Mediums erhöhenden Strömungskanälen, beispielsweise in Form von Rippen oder Leitblecheπ zu versehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die einzutragende Wärme durch einen Wärmeerzeuger mit hohem Strahlungsanteil erzeugt, wodurch sich die Abmessungen der erfindungsgemäßen Wärme- und Kältemaschine verringern lassen. Als Wärmeerzeuger kann erfindungsgemäß ein Gasbrenner, insbesondere mit einer der Kontur der Trennwand angepaßten glühenden Oberfläche verwendet werden.

Um Toträume zwischen dem heißen Kolben und der Trennwand für den Wärmeeintrag zu minimieren und den Wärmeübergang von der Trennwand auf das Arbeitsmedium im heißen Arbeitsvolumen zu verbessern, wird der heiße Kolben erfindungsgemäß mit einem der Kontur der gewölbten Trennwand angepaßten Kolbenboden ausgeführt, wobei sich durch die Wölbung des Kolbenbodens bei gleicher Festigkeit zugleich dessen Wandstärke verringern läßt, so daß das Gewicht des heißen Kolbens herabgesetzt werden kann.

Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die Innenseite der Trennwand im Randbereich mit die Strömungsgeschwindigkeit erhöhenden Strömungskanälen, beispielsweise Rippen oder Leitblechen zu versehen, um hierdurch die Wärmeabgabe von der Trennwand an das Arbeitsmedium im heißen Arbeitsvolumen weiter zu verbessern.

Durch die erfiπdungsgemäße Weiterbildung einer Wärme- und Kältemaschine im Bereich des Eintrages der von einem Wärmeerzeuger erzeugten Wärme in das im heißen Arbeitsvolumen befindliche Arbeitsmedium wird eine praxisgerechte Konstruktion geschaffen, die einerseits den Wirkungsgrad der Wärme- und Kältemaschine erhöht und andererseits eine industrielle Fertigung derartiger Maschinen ermöglicht.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärme- und Kältemaschine dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den die beiden
Kolben und das druckdichte Gehäuse
umfassenden Teil der Maschine und

Fig. 2 eine vergrößert dargestellte Schnittdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Trennwand.

Die in Fig. 1 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 zylindri:. hen 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 Breπnerfläche 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 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 V. befindet. Dieses heiße Arbeitsvolumen 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 IV . Der ebenfalls linear beweglich im Gehäuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem Inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen V, . Diese drei Volumina sind miteinander unter Zwischenschaltung von Regeneratoren R. , R. und Wärmeübertragern W , W. verbunden. Der im heißen Teil des Gehäues 1 angeordnete Regenerator R, speichert beim Ablauf des regenerativen Gaskreisprozesses einen Teil der an heiße Arbeitsvolumen V, abgegebenen Wärme; der im kalten Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R. übt die entsprechende Funktion bezüglich des kalten Arbeitsvolumens V. aus.

Dem beim Ausführungsbeispiel innerhalb des kalten Kolbens 9 ortsfest auf dem Boden 3 angeordneten Wärmeübertrager W. 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 Anschlußleitung3en 10a,» 10b m,it einem Wärmeträgermedium beschickt, dessen Aufheizung bei der Verwendung der Maschine als Wärmemaschine der Energieerzeugung dient.

Durch die Wölbung der Trennwand 6 in das Innere des druckdichten Gehäuses 1 ergibt sich nicht nur eine durch die geometrische Form gesteigerte Druckfestigkeit, die eine Verringerung der Wandstärke der zum druckdichten Gehäuse 1 gehörenden Trennwand 6 ermöglicht, sondern auch eine Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche zwischen dem Gasbrenner 5 und dem heißen Arbeitsvolumen V.. Die geringe Wandstärke der Trennwand 6 verbessert hierbei den Wärmeübergang vom Gasbrenner 5 auf das im heißen Arbeitsvolumen V. befindliche Arbeitsmedium. Die beim Ausführungsbeispiel durch die Isolierringe 7a und 7b sowie die membranartige Verlängerung 6b gebildete Wärmeisolierung zwischen Trennwand 6 und Gehäuse 1 reduziert gleichzeitig eine Wärmeableitung von der Trennwand 6 in das Gehäuse 1 und damit an die Umgebung, wodurch sich eine weitere Wirkungsgradverbesserung ergibt.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Form des Kolbenbodens 8a des heißen Kolbens 8 der Form der gewölbten Trennwand 6 an- gepaßt. Hierdurch lassen sich nicht nur To'-äume 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 Regaenerator R,h und den Wärmeübertragaer Ww in den Raum für das warme Arbeitsvolumen Vw strömt,' das zwi-sehen den beiden Kolben 8 und 9 gebildet wird.

Da durch die der Trennwand 6 angepaßte Wölbung des Kolbenbodens 8a aufgrund hierdurch erzeugter höherer Formstabilität auch die Wandstärke des Kolbenbodens 8a reduziert werden kann, werden weiterhin Verluste durch Ableitung von Wärme aus dem heißen Arbeitsvolumen V. über den heißen Kolben 8 reduziert.

Um die einerseits der Wärmeaufnahme und andererseits der

Wärmeabgabe dienende Oberfläche der Trennwand 6 zu vergrößern, kann diese auf ihrer Außen- und/oder Innenseite mit oberflächenvergrößernden Rippen versehen sein. Das

Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Verbesserung des Wärmeüberganges von der Innenwand der Trennwand 6 auf das im heißen

Arbeitsvolumen Vh. befindliche Arbeitsmedium in Form eines im

Randbereich der Trennwand 6 angeordneten Leitbleches 11. Dieses Leitblech 11 bildet im Randbereich der Trennwand 6 Strömungskanäle mit kleinem Strömungsquerschnitt, so daß das das heiße Arbeitsvolumen V, verlassende Arbeitsmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Randbereich der Trennwand 6 geführt wird, bevor das Arbeitsmedium in den Regenerator R, eintritt. Auch mit dieser Maßnahme ist eine Wirkungsgradverbesserung verbunden.

Die Anordnung eines derartigen Leitbleches 11 ist auch der vergrößerten Darstellung einer Trennwand 6 gemäß der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 zu entnehmen. Diese alternative Ausführungsform zeigt weiterhin auch auf der Außenseite der gewölbten Trennwand 6 angeordnete Leitbleche 12, durch die die den Brennraum 5d verlassenden Rauchgase gezwungen werden, mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Großteil der außenliegenden Oberfläche der Trennwand 6 zu strömen, so daß sich ein guter Übergang der Wärme vom wärmeabgebenden Rauchgas an die wärmeaufnehmende Trennwand 6 einstellt.

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

1 Gehäuse heißes Arbeitsvolumen la Flansch Viw warmes Arbeitsvolumen

2 Motorgehäuse Vl kaltes Arbeitsvolumen 2a Flansch Rl heißer Regenerator

3 Boden Rt kalter Regenerator 3a Leitung ww Wärmeübertrager
3b Leitung Wärmeübertrager
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
10a Anschlußleitung
10b Anschlußleitung
11 Leitblech
12 Leitblech