DE102013005304A1

DE102013005304A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung einer Kälteleistung

Info

Publication number: DE102013005304A1
Application number: DE102013005304.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Moldenhauer; Tilman Stark
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine kompakte und effizient arbeitende Vorrichtung sowie ein dazugehöriges Verfahren zur Erzeugung einer Kälteleistung bereitgestellt werden, die die Vorteile von rein mechanisch bzw. elektrisch betrieben Kompressionskältemaschinen mit der Option der Nutzung thermischer Energiequellen verbinden. Erfindungsgemäß wird das Pulsrohrprinzip benutzt, um eine Vorrichtung zu bauen, der wie bei der Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip Wärme zugeführt wird, die aber im Gegensatz zur Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip daraus nicht mechanische Arbeit, sondern, wie der Pulsrohrkühler, eine Kälteleistung erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Kälteleistung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer Kälteleistung wird im Folgenden auch als Gaskältemaschine bezeichnet. Erfindungsgemäß wird sie mit Wärmeenergie, mechanischer oder elektrischer Energie bzw. eine Kombination daraus angetrieben.
Kältemaschinen finden sich heute nicht nur in vielfältiger Form in Klimaanlagen im gewerblichen Bereich, in den meisten neueren Personenkraftwagen oder zunehmend auch in Privathäusern, sondern auch in jeglichem Kühlschrank. Besondere Bedeutung hat in den letzten Jahren, mit zunehmendem Umweltbewusstsein und steigender Mobilität, der Energieverbrauch dieser Kältemaschinen bekommen. Der überwiegende Teil der Kältemaschinen sind Kompressionskältemaschinen, die durch mechanische Energie, welche beispielsweise mittels eines elektrisch betriebenen Kompressors bereitgestellt wird, angetrieben werden. In einigen Fällen sind Absorptions- oder Adsorptionskältemaschinen zu finden, die zum Antrieb Wärmeenergie verwenden.
Zur Bereitstellung einer Kälteleistung bzw. für die meisten Klimatisierungsaufgaben werden heute verschiedene Bauformen konventioneller Kompressionskältemaschinen (beispielsweise DE 36 13 395 C1 , WO 2009006918 A1 ) eingesetzt. Diese zeichnen sich durch Kompaktheit und hohe Effizienz aus, benötigen allerdings zum Antrieb mechanische bzw. elektrische Energie. Dies bedarf stets der Verfügbarkeit einer entsprechenden mechanischen oder elektrischen Energiequelle und führt einerseits zu einer Unmöglichkeit des Einsatzes dieser Art Kältemaschinen bei Abwesenheit beider Energiequellen, wie beispielsweise bei Campingkühlgeräten, und andererseits zu einer möglicherweise starken Belastung der verwendeten Energiequelle. Im Kraftfahrzeug ist somit der Mehrverbrauch an Kraftstoff zum Betrieb der Fahrzeugklimatisierung verhältnismäßig hoch. In vorwiegend südlichen oder tropischen Ländern führt der Einsatz von Klimaanlagen nach dem Kompressionskälteprinzip zu einer erheblichen Belastung der Stromnetze an heißen Tagen.
Es liegt auf der Hand, zur Klimatisierung vorhandene thermische Energie, wie Sonnenenergie oder Abwärme, zu verwenden. Entsprechende Kältemaschinen sind Absorptionskältemaschinen (beispielsweise EP 1 446 298 B1 , US 6 247 331 B1 ) oder Adsorptionskältemaschinen (beispielsweise WO 9716685A1 , DE 100 39 159 A1 ). Oft sind diese Kältemaschinen auch in Anwendungen zu finden, bei denen keine mechanische oder elektrische Energiequelle zur Verfügung steht (Camping) oder ein besonders leiser Betrieb gewährleistet werden soll (Hotelkühlgeräte). Bei Letzteren wird die notwendige thermische Antriebsleistung durch eine elektrische Heizung bereitgestellt. Prinzipbedingt sind tiefe Temperaturen, wie sie zum Betrieb eines Gefrierkühlgerätes notwendig sind, mit diesen Maschinen jedoch schwierig erreichbar. Sie besitzen zudem eine geringe spezifische Kälteleistung und eine ebenfalls geringe thermische Effizienz. Das in Absorptionskältemaschinen häufig verwendete Wasser-Ammoniak-Gemisch ist zudem giftig und umwelttechnisch nicht unbedenklich. Die Nutzung höherer Temperaturen, wie sie typischerweise bei einer bei Campingkältemaschinen verwendeten Propangasverbrennung auftreten, ist mit diesen Kältemaschinen nicht möglich, da die Temperatur der Wärmezufuhr aufgrund der verwendeten flüssigen Arbeitsmedien auf ca. 200°C beschränkt ist. Somit kann die durch Verbrennung (über 1000°C) bereitgestellte Exergie nicht effizient verwendet werden, da die Wärme zuerst auf einen Körper mit einer wesentlich niedrigeren Temperatur (ca. 200°C) übertragen werden muss.
Daneben sind aus dem Stand der Technik auch nach dem Pulsrohrprinzip arbeitende Pulsrohrkühler bekannt [1]. Pulsrohrkühler sind Kältemaschinen, die durch Zuführung mechanischer bzw. elektrischer Leistung eine Kälteleistung erzeugen. Sie werden bisher vor allem in der Kryotechnik eingesetzt. Die Verwendung des Pulsrohrprinzips zum Bau einer Wärmekraftmaschine wird weiterhin erstmals 2005 in [2] und später in [3, 4, 5] vorgeschlagen. Auf dem dort geschilderten Prinzip bauen auch verschiedene Wärmekraftmaschinen auf, die beispielsweise in DE 100 01 460 A1 , JP 2007 192 443 A , JP 2009 236 456 A , DE 10 2008 050 653 A1 und DE 10 2008 050 655 B4 beschrieben werden. Wärmekraftmaschinen nach dem Pulsrohrprinzip erzeugen aus ihnen zugeführter thermischer Energie mechanische Arbeit. Eine thermisch angetriebene Kältemaschine nach dem Pulsrohrprinzip ist nach dem bisherigen Stand der Technik nicht bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine kompakte und effizient arbeitende Vorrichtung sowie ein dazugehöriges Verfahren zur Erzeugung einer Kälteleistung bereitzustellen, die die Vorteile von rein mechanisch bzw. elektrisch betrieben Kompressionskältemaschinen mit der Option der Nutzung thermischer Energiequellen verbinden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die im ersten Patentanspruch angegeben Merkmale und verfahrensseitig durch die im Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet, während eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Patentanspruch 11 angegeben ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente in den gesamten Figuren bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigt:
1 – das thermodynamische Grundprinzip einer Gaskältemaschine
2 – den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung:

a – mit direkter Zuführung einer Kälteleistung P_c
b – mit Auskopplung eines Kaltgasstroms und indirekter Zuführung einer Kälteleistung PC

3 – verschiedene Ausführungsformen des regenerativen Heizers
4 – verschiedene Ausführungsformen der Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c
5 – ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
6 – ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
7 – den thermodynamischen Kreisprozess des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Pulsrohrprinzip benutzt, um eine Vorrichtung zu bauen, der wie bei der Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip Wärme zugeführt wird, die aber im Gegensatz zur Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohrprinzip daraus nicht mechanische Arbeit, sondern, wie der Pulsrohrkühler, eine Kälteleistung erzeugt. Somit ist die Vorrichtung in der Lage, eine ihr zugeführte Wärmeleistung (z. B. Sonnenenergie oder Abwärme) zu nutzen, um eine Kälteleistung zu erzeugen. Im Gegensatz zum Pulsrohrkühler benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einer ausreichenden Temperatur der Wärmezufuhr keine mechanische oder elektrische Antriebsleistung.
In 1 ist das thermodynamische Grundprinzip einer thermisch oder mechanisch betriebenen Gaskältemaschine (1) dargestellt. Sie besteht aus einer Pulsrohr-Wärmekraftmaschine, der Wärmeenergie Q_h bei einer Temperatur T_h (beispielsweise Verbrennungswärme bei T_h = 800°C) zugeführt wird und von der Wärmeenergie Q_m bei einer Temperatur T_m < T_h (beispielsweise Umgebungstemperatur T_m = 30°C) abgeführt wird. Die Pulsrohr-Wärmekraftmaschine wandelt Wärmeenergie in mechanische Arbeit W um. Es konnte rechnerisch und experimentell festgestellt werden, dass es dabei zu einer Abkühlung des Arbeitsgases in der Expansionseinheit unterhalb der Temperatur T_m der Wärmeabfuhr kommt und der Wärmekraftmaschine somit Wärme Q_c auf einem Temperaturniveau T_c < T_m zugeführt werden kann. Dieser Effekt wird bei der Erfindung zur Erzeugung einer Kälteleistung P_c ausgenutzt.
In 2a und 2b ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Pulsrohr-Wärmekraftmaschine (1.1) umfasst eine kombinierte Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) bzw. eine Kompressionseinrichtung (2.1) und eine Expansionseinrichtung (2.2). Daran sind ein Kühler (3), ein Pulsationsvolumen (4) und ein regenerativer Heizer (5.1) fluidisch angeschlossen. Wie in 2a gezeigt, wird in einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kälteleistung P_c der Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) über einen wärmeübertragenden Zylinder (6) direkt zugeführt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (2b) ist zwischen Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) und Kühler (3) ein Gasabzweig (7) zur Auskoppelung eines Kaltgasstroms W_kalt angeordnet. Der Kaltgasstrom W_kalt wird über den Gasabzweig (7) einer Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c (1.2) zugeführt.
Wie in 3 gezeigt, kann der zur Speicherung von Wärmeenergie fähige regenerative Heizer (5.1) unterschiedlich aufgebaut sein. Im einfachsten Fall ist er ein Wärmeübertrager, der aufgrund seiner Materialmasse und seines Gasvolumens ein thermisches und fluidisches Speichervermögen besitzt (3a). Zur Effizienzsteigerung der Pulsrohr-Wärmekraftmaschine (1.1) kann der regenerative Heizer (5.1) auch aus einem separaten Heizer (5.2) zur Zuführung einer Wärmeleistung und einem an den Heizer (5.2) fluidisch angeschlossenen Regenerator (5.3) zur Speicherung von Wärmeenergie (3b) bestehen. Zur Aufprägung eines bestimmten Temperaturprofils im Regenerator (5.3) kann an letzteren zusätzlich noch ein zweiter Kühler (5.4) angeschlossen sein (3c). Dies erhöht die Effizienz der Gaskältemaschine zusätzlich.
2b zeigt den prinzipiellen Aufbau der Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_C (1.2). Sie umfasst eine Steuereinheit (8), einen fluidisch angeschlossenen Wärmeübertrager (9) und ein ebenfalls fluidisch angebundenes Speichervolumen (10). Wie in 4 dargestellt, sind auch hier verschiedene Ausführungsformen denkbar. In einer ersten Ausführungsform (4a) ist der Wärmeübertrager (9) als Kühlschlange (9.1) ausgebildet. Die Dimensionen der Kühlschlange (9.1) bezüglich Länge und Durchmesser sollen dabei so gewählt werden, dass die durch die Kühlschlange (9.1) laufenden Expansions- und Kompressionswellen eine resonante Konfiguration vorfinden und so den Gaswechsel in der Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) unterstützen. In 4b ist eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_C (1.2) gezeigt. Hierbei weist die Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_C (1.2) fluidisch eingebundene Fluiddioden oder Rückschlagventile (11, 12) auf. Mit den Fluiddioden oder Rückschlagventilen (11, 12) wird eine Strömungsrichtung vorgegeben, so dass kaltes Gas aus der Pulsrohr-Wärmekraftmaschine (1.1) kommend den Wärmeübertrager (9.2), bei dem die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung realisiert wird, passiert und mit höherer Temperatur in das Speichervolumen (10) eintritt. Erwärmtes Gas, aus dem Speichervolumen (10) kommend, gelangt jedoch ohne den Wärmeübertrager (9.2) zu passieren zurück in die Pulsrohr-Wärmekraftmaschine (1.1). Dies führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Effektivität der Gaskältemaschine (1). Alternativ zum Wärmeübertrager (9.2) kann auch ein Wärmeübertrager (9.3) im Gegen- oder Gleichstromprinzip angeschlossen werden, der einem zu kühlenden Fluid (13) Wärme entzieht (4c).
In 5 und 6 sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Hier ist die Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) durch eine Membran oder Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) realisiert. An die Membran oder Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) ist fluidisch der erste Kühler (3) angeschlossen, der durch ein Pulsationsvolumen (4) fluidisch mit dem Heizer (5.2), dem Regenerator (5.3) und dem zweiten Kühler (5.4) verbunden ist. Zwischen der Membran oder Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) und dem ersten Kühler (3) ist ein Gasabzweig (7) angeordnet, über den ein Kaltgasstrom W_kalt ausgekoppelt wird. Die Rückseite der Membran oder Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) kann hierbei fluidisch mit dem Speichervolumen (10) verbunden oder direkt als variables Ausgleichsvolumen verwendet werden.
Im Folgenden werden das Arbeitsprinzip und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführlicher beschrieben. Die Gaskältemaschine (1) lässt sich je nach Umsetzung der Einzelkomponenten entweder nach dem Zweitakt- oder dem Viertaktprinzip betreiben. In der Grundkonfiguration nach 2a arbeitet die Maschine nach dem Zweitaktprinzip. Bei der Ausführung mit dem Gasabzweig (7) nach 2b ist die Umsetzung des Zweitaktprinzips oder des Viertaktprinzips möglich. Hier kann das Zweitaktprinzip durch ein gesteuertes Ventil (8.1) oder durch eine Öffnung im Zylinder, die beim Überstreichen des Kolbens geöffnet bzw. geschlossen (verdeckt) wird, umgesetzt werden. Für einen besonders einfachen Gesamtaufbau der nach dem Zweitaktprinzip arbeitenden Gaskältemaschine (1) bietet sich außerdem der Aufbau der Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c (1.2) aus einer Kühlschlange (9.1) und einem fluidisch angeschlossenem Speichervolumen (10), wie in 4a gezeigt, an. Zur Umsetzung des Viertaktprinzips ist zwingend ein gesteuertes Ventil (8.1) erforderlich. Ein besonders effizienter Gesamtaufbau der nach dem Viertaktprinzip arbeitenden Gaskältemaschine (1) kann mit der Umsetzung der Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c (1.2) mit Fluiddioden oder Rückschlagventilen (11, 12), wie in 4b und 4c gezeigt, realisiert werden.
7 zeigt den thermodynamischen Kreisprozess der Gaskältemaschine nach dem Viertaktprinzip. Entlang des Pulsationsvolumens (4), zwischen erstem Kühler (3) und Heizer (5.2) hat sich eine Temperaturverteilung von Material und Gas eingestellt, die sich aus den jeweiligen Temperaturen vom ersten Kühler (3) und Heizer (5.2) ergibt. Entlang des Regenerators (5.3), zwischen Heizer (5.2) und dem zweiten Kühler (5.4), hat sich eine Temperaturverteilung von Material und Gas eingestellt, die sich aus den jeweiligen Temperaturen von Heizer (5.2) und zweitem Kühler (5.4) ergibt. Im Zustand 1 befindet sich das in der Pulsrohr-Wärmekraftmaschine (1.1) befindliche Arbeitsgas im expandierten Zustand. Das sich im Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) befindende Gas hat die Temperatur und den Druck des aus dem Gasspeicher (10) zuvor angesaugten Gases. Das Ventil (8.1) ist geschlossen. Der Kolben in der Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) führt eine Bewegung vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT aus und komprimiert damit das Arbeitsgas. Dabei wird das sich im Zylinder befindende Arbeitsgas durch den ersten Kühler (3) in das Pulsationsvolumen (4) zwischen erstem Kühler (3) und Heizer (5.2) gedrückt. Es tritt somit gekühltes Gas in das Pulsationsvolumen (4) ein. Zur selben Zeit verlässt warmes Gas das Pulsationsvolumen (4) in Richtung Heizer (5.2) und nimmt von diesem Wärme auf. Dabei ist wichtig, dass die Temperatur des Heizers (5.2) zu jedem Zeitpunkt des Kompressionsvorgangs höher als die Gastemperatur am Ausgang des Pulsationsvolumens (4) ist. Das den Heizer (5.2) verlassende Gas betritt den Regenerator (5.3) und gibt die im Heizer (5.2) aufgenommene Wärme, sowie die durch den Kompressionsvorgang entstehende Wärme an das Regeneratormaterial ab. Somit kommt es trotz der Kompression und Wärmezufuhr zu keiner Temperaturerhöhung des Arbeitsgases im Regenerator (5.3). Aufgrund des während der Kompression in das Pulsationsvolumen (4) eingebrachten kalten Gases, hat das Gas im Pulsationsvolumen (4) am Ende der Kompression (Zustand 2) eine niedrigere Temperatur als im Zustand 1 und ist in der Lage vom Pulsationsvolumenmaterial Wärme aufzunehmen. Dadurch kommt es zu einer weiteren Druckerhöhung in der Wärmekraftmaschine. Infolgedessen wird der Maximaldruck nach Überschreiten des oberen Totpunktes OT im Zustand 3 erreicht. Bei der darauf folgenden Expansion des Arbeitsgases durch die Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT strömt warmes Gas aus dem Regenerator (5.3) über den Heizer (5.2) in das Pulsationsvolumen (4) ein. Das Regeneratormaterial gibt jetzt die gespeicherte Wärme wieder ab und der Heizer (5.2) führt im Wesentlichen dem Arbeitsgas keine Wärme mehr zu. Auf der dem ersten Gaskühler (3) zugewandten Seite des Pulsationsvolumens (4) verlässt kälteres Arbeitsgas das Pulsationsvolumen (4), durchtritt den ersten Kühler (3) und betritt gekühlt den Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3). Dort kommt es aufgrund der fortschreitenden Expansion zu einer weiteren Abkühlung des in den Zylinder eintretenden – bereits gekühlten – Gases, wodurch die Temperatur des Ausgangszustandes (Zustand 1) unterschritten wird. Aufgrund des während der Expansion in das Pulsationsvolumen (4) eingebrachten warmen Gases, hat das Gas in dem Pulsationsvolumen (4) am Ende der Expansion (Zustand 4) eine höhere Temperatur als im Zustand 3. Somit ist es in der Lage an das Material des Pulsationsvolumens (4) Wärme abzugeben, wodurch es zu einer weiteren Druckabsenkung in der Pulsrohr-Wärmekraftmaschine (1.1) kommt. Infolgedessen wird der Minimaldruck nach Überschreiten des unteren Totpunktes UT im Zustand 5 erreicht. Der Druckverlauf besitzt somit gegenüber dem Zylindervolumenverlauf eine Phasenverschiebung. Dies führt zu einer Wandlung eines Teils der dem Arbeitsgas im Heizer (5.2) zugeführten Wärmeenergie in mechanische Energie. Das vermindert je nach Temperatur des Heizers (5.2) die zum Antrieb der Gaskältemaschine (1) notwendige mechanische Energie und führt ab einer gewissen Heizertemperatur zu einem selbsttätigen Arbeiten der Gaskältemaschine (1). Nachdem der untere Totpunkt UT überschritten ist, nimmt der Kolben der Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) seine Bewegung in Richtung oberer Totpunkt OT wieder auf. Sobald der Druck in der Maschine aufgrund der erneut stattfindenden Kompression den Druck des Gasspeichers (10) erreicht wird das Ventil (8.1) geöffnet (Zustand 6) und das sich im Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) befindliche kalte Gas wird durch die mittels Fluiddioden bzw. Rückschlagventilen (11, 12) vorgegebene Strömungsrichtung über den Wärmeübertrager (9) in das Speichervolumen (10) geschoben, wodurch es in der Lage ist, im Wärmeübertrager (9) die Kälteleistung P_c aufzunehmen. Nachdem der Kolben der Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) den oberen Totpunkt OT erreicht hat, strömt bei seiner darauf folgenden Bewegung vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT Gas aus dem Gasspeicher (10) in den Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) ein und das Ventil (8.1) schließt wieder (Zustand 7). Der sich bei Erreichen des unteren Totpunktes UT einstellende Zustand 8 entspricht dann wieder dem Ausgangszustand (Zustand 1).
Steht keine Wärmequelle (ausreichender Temperatur) zur Verfügung, muss die Gaskältemaschine 1 (zusätzlich) mechanisch angetrieben werden. Der kombinierte mechanische und thermische Antrieb der Maschine, mit einer damit verbundenen geringen Aufnahme mechanischer bzw. elektrischer Leistung, ermöglicht den Bau einer Kältemaschine mit hoher mechanischer Leistungsziffer. Je höher das Temperaturniveau der Wärmequelle ist, desto weniger mechanische Antriebsleistung ist notwendig. Ab einer bestimmten Temperatur des Heizers (5.2), erzeugt die Maschine wie in 1 dargestellt, mechanische Energie W. Die Höhe der zum selbsttätigen Betrieb der Gaskältemaschine (1) notwendigen Heizertemperatur T_h ergibt sich aus der bei der Kompression erreichten Gastemperatur. Um eine Wärmezufuhr im komprimierten Zustand zu erreichen, muss die Heizertemperatur größer als die Gastemperatur sein. Die erreichte maximale Gastemperatur hängt wiederum von der geforderten Kälteleistung P_c und der Kühltemperatur T_c ab. Je niedriger die Kühltemperatur (Expansionstemperatur im Zylinder) sein soll, desto größer müssen das Kompressionsverhältnis und damit auch die Kompressionsendtemperatur sein. Die zu einem selbsttätigen Betrieb der Gaskältemaschine (1) notwendige Heizertemperatur hängt folglich von der geforderten Kälteleistung P_c ab. Die erfindungsgemäße Gaskältemaschine (1) kann mit verschiedenen Arbeitsfluiden betrieben werden. Im einfachsten Fall kann Luft verwendet werden, was eine direkte Nutzung des prozessintern gekühlten Arbeitsfluides ohne geschlossenen Kühlkreislauf ermöglicht. Um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, ist der Einsatz eines Gases mit guten Wärmeübergangseigenschaften, wie beispielsweise Helium oder Wasserstoff, unter erhöhtem Fülldruck vorteilhaft. Die Verwendung von Arbeitsgasen, die unter den gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen Realgasverhalten zeigen (z. B. Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid etc.), ist hinsichtlich einer Erhöhung der Leistungsdichte ebenfalls vorteilhaft. Die Gaskältemaschine (1) kann durch Skalierung der Größe der Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) sowie der Betriebsparameter (Arbeitsfrequenz, Fülldruck, Kompressionsvolumen etc.) für verschiedene Kühl- und Klimatisierungsaufgaben ausgelegt werden. Falls zu anderen Zwecken, beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder Zügen, bereits ein Kompressor vorhanden ist, entfällt die Kompressionsmaschine (2.1) und es ist nur eine Expansionsmaschine (2.2) zur Gewinnung mechanischer Energie notwendig.
Die erfindungsgemäße Gaskältemaschine stellt eine hybride Lösung dar, die sowohl sehr effizient ausschließlich durch mechanische bzw. elektrische Energie, aber auch durch ausschließlich thermische Energie oder durch eine Kombination beider Energiequellen betrieben werden kann. Letzteres ermöglicht die Nutzung von Wärmequellen niederer Temperatur, z. B. Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, Solarthermie etc. zu Kühlungszwecken. Die Verwendung eines Arbeitsgases wie beispielsweise Luft oder vorteilhafterweise Helium führt zu zwei weiteren wesentlichen Vorteilen. Zum einen ist eine umwelttechnische Unbedenklichkeit der Maschine im Vergleich sowohl zu konventionellen Kaltdampfkompressionskältemaschinen oder Absorptionskältemaschinen gewährleistet. Zum anderen ist die Temperatur der Wärmezufuhr im Betrieb mit thermischer Energie nicht auf Temperaturen unter 200°C beschränkt, so dass Wärmequellen hoher Temperatur, wie dies beispielsweise bei einer Propangasverbrennung der Fall ist, effizient genutzt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Gaskältemaschine
1.1: Wärmekraftmaschine nach dem Pulsrohr-Prinzip
1.2: Einrichtung zur direkten oder indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c
2: Kompressions-/Expansionseinrichtung
2.1: Kompressionseinrichtung
2.2: Expansionseinrichtung
2.3: Membran oder Zylinder-Kolben-Anordnung
3: erster Kühler
4: Pulsationsvolumen
5.1: regenerativer Heizer
5.2: Heizer
5.3: Regenerator
5.4: zweiter Kühler
6: wärmeübertragender Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnung
7: Gasabzweig
8: Steuereinheit
8.1: gesteuertes Ventil
9: Wärmeübertrager
9.1: Kühlschlange
9.2: Wärmeübertrager nach dem Prinzip der Wärmeleitung
9.3: Wärmeübertrager nach dem Gleich- oder Gegenstromprinzip
10: Speichervolumen
11, 12: Steuerventile
13: zu kühlendes Fluid

Literaturliste

[1] Gifford, W. E., Longsworth, R. C., "Pulse Tube Refrigeration Process," Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 10, Plenum Press, New York, 1965, pp. 69ff.
[2] Hamaguchi, K., Ushijima, Y., and Hiratsuka, Y., "Basic Characteristics of Pulse Tube Engine," Proceedings of the 12th ISEC, 2005, pp. 275–284.
[3] Organ, A. J., "The Air Engine: Stirling Cycle Power for a Sustainable Future," Woodhead Publishing, 2007, pp. 107–131.
[4] Hamaguchi, K., Futagi, H., Yazaki, T., and Hiratsuka, Y., "Measurement of Work Generation and Improvement in Performance of a Pulse Tube Engine," Journal of Power and Energy Systems, Vol. 2, No. 5, 2008, pp. 1267–1275.
[5] Yoshida, T., Yazaki, T., Futaki, H., Hamaguchi, K., and Biwa, T., "Work flux density measurements in a pulse tube engine," Applied Physics Letters 95, 2009.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3613395 C1 [0003]
WO 2009006918 A1 [0003]
EP 1446298 B1 [0004]
US 6247331 B1 [0004]
WO 9716685 A1 [0004]
DE 10039159 A1 [0004]
DE 10001460 A1 [0005]
JP 2007192443 A [0005]
JP 2009236456 A [0005]
DE 102008050653 A1 [0005]
DE 102008050655 B4 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer Kälteleistung P_c dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit einem Arbeitsgas gefüllte, nach dem Pulsrohrprinzip arbeitende Wärmekraftmaschine (1.1) und eine Einrichtung zur direkten oder indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_C (1.2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (1.1) eine Kompressionseinrichtung (2.1), eine Expansionseinrichtung (2.2), einen ersten Kühler (3), ein Pulsationsvolumen (4) und einen regenerativen Heizer (5.1) aufweist, die jeweils miteinander fluidisch verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionseinrichtung (2.1) und die Expansionseinrichtung (2.2) in einer Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) miteinander kombiniert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der regenerative Heizer (5.1) als separater Heizer (5.2) und Regenerator (5.3) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (5.3) einen zweiten Kühler (5.4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur direkten Einkopplung einer Kälteleistung P_c (1.2) die als Wärmeübertrager (6) ausgebildete Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) oder Expansionseinrichtung (2.2) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c (1.2) mindestens eine Steuereinheit (8), einen Wärmeübertrager (9) und ein Speichervolumen (10) umfasst und über einen zwischen der Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) oder der Expansionseinrichtung (2.2) und dem ersten Kühler (3) angeordneten Gasabzweig (7) fluidisch mit der Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) oder der Expansionseinrichtung (2.2) verbunden ist und ein resonantes System bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c (1.2) Steuerventile (11, 12) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) als Membran oder Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) ausgebildet ist und die Rückseite der Membran oder Zylinder-Kolben-Anordnung (2.3) fluidisch mit dem Speichervolumen (10) verbunden ist.
Verfahren zur Erzeugung einer Kälteleistung P_c mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend folgende Schritte: • Kompression des Arbeitsgases in der Kompressionseinrichtung (2.1) verbunden mit einer Drucksteigerung in der Wärmekraftmaschine (1.1) und einer Abkühlung des Arbeitsgases im ersten Kühler (3) sowie einer Erwärmung des Arbeitsgases im Heizer (5.2); • thermische Relaxation des Arbeitsgases verbunden mit einer zusätzlichen Drucksteigerung in der Wärmekraftmaschine (1.1); • Expansion des Arbeitsgases in der Expansionseinrichtung (2.2) verbunden mit einer Druckminderung in der Wärmekraftmaschine (1.1) und einer Abkühlung des Arbeitsgases im Kühler (3) und Unterschreitung der Temperatur T_m in der Expansionseinrichtung (2.2); • thermische Relaxation des Arbeitsgases verbunden mit einer weiteren Druckabsenkung in der Wärmekraftmaschine (1.1) wobei • eine Kälteleistung P_c der Kompressions-/Expansionseinrichtung (2) oder Expansionseinrichtung (2.2) direkt oder indirekt zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass • das Arbeitsgas nach seiner mit einer Druckabsenkung in der Wärmekraftmaschine (1.1) verbundenen thermischen Relaxation nicht oder gering komprimiert und die Steuereinheit (8) geöffnet wird; • ein kalter Gasstrom W_kalt aus der Wärmekraftmaschine (1.1) isobar über den Gasabzweig (7) in die Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_c (1.2) strömt; • der kalte Gasstrom W_kalt durch Zufuhr der Kälteleistung P_c im Wärmeübertrager (9) der Einrichtung zur indirekten Einkopplung einer Kälteleistung P_C (1.2) auf eine Temperatur größer als T_c erwärmt und dem Speichervolumen (10) zugeführt wird und • der erwärmte Gasstrom W_warm isobar aus dem Speichervolumen (10) wieder in die Wärmekraftmaschine (1.1) strömt und die Steuereinheit (8) geschlossen wird.