DE19934844A1 - Thermodynamic machine for working air conditioning in motor vehicle has piston moving to and fro in container divided into hot and cold chambers and valves to let substance in and out to flow through heat store - Google Patents

Abstract

A machine has a piston (10) moving to and fro in a container (1). The piston divides the container into hot (4) and cold (3) chambers. Valves (5,6) let a substance in and out that flows through a heat store (15) fitted between the hot and cold chambers. A mechanical support driving mechanism (7) drives the piston with a power that corresponds to power used for overcoming the piston's friction and for driving the substance through the heat store.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Arbeitsma­ schine mit einem in einem Behälter hin- und herbe­ weglichen Kolben, der den Behälter in eine heiße und eine kalte Kammer unterteilt, mit Ventilen zum Ein- und Auslassen von Arbeitsmedium in dem bezie­ hungsweise aus dem Behälter, sowie mit einem Wärme­ speicher, der zwischen der heißen und der kalten Kammer so angeordnet ist, daß er von dem Arbeitsme­ dium durchströmt wird.The present invention relates to a working measure back and forth with one in a container mobile flask that puts the container in a hot and a cold chamber divided, with valves for Inlet and outlet of working medium in the respective approximately from the container, as well as with a heat store that between the hot and the cold Chamber is arranged so that it from the Arbeitsme flows through dium.

Eine derartige Maschine ist in DE-OS 27 38 617 be­ schrieben. Eine Weiterentwicklung dieses Maschinen­ konzepts hat aber zwanzig Jahre lang nicht stattge­ funden. In dieser Schrift wurde von der Annahme ausgegangen, daß die Erwärmung eines Arbeitsmediums in der heißen Kammer dazu führen würde, daß der zwischen der heißen und der kalten Kammer beweglich angeordnete Kolben in Richtung der kalten Kammer verdrängt würde, und daß dies dazu führen würde, daß Gas aus der kalten Kammer durch den Wärmespei­ cher hindurch in die warme Kammer fließen würde. Dabei wurde offensichtlich verkannt, daß, wenn denn ein Überdruck in der heißen Kammer aufgebaut werden könnte, dieser selbstverständlich auch dem Fluß von Gas von der kalten in die heiße Kammer entgegenste­ hen würde. Tatsache ist, daß die Erwärmung eines Arbeitsmediums in der heißen Kammer und die damit verbundene Ausdehnung zu einem Fluß durch den Wär­ mespeicher hindurch in die kalte Kammer führen muß. Eine Druckdifferenz zum Bewegen eines Kolbens steht nicht zur Verfügung, ein Kreisprozeß kommt nicht in Gang.Such a machine is in DE-OS 27 38 617 be wrote. A further development of this machine concept has not taken place for twenty years find. In this writing was adopted assumed that the heating of a working medium in the hot chamber would cause the movable between the hot and the cold chamber arranged pistons towards the cold chamber would be ousted and that this would lead to that gas from the cold chamber through the heat storage which would flow into the warm chamber. It was obviously overlooked that if so an overpressure can be built up in the hot chamber could, of course, also the flow of Gas from the cold to the hot chamber opposite  would. The fact is that heating one Working medium in the hot chamber and with it associated expansion to a flow through the heat must lead into the cold chamber. There is a pressure difference for moving a piston not available, a cycle does not come in Gear.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die vorliegende Erfindung wird eine thermody­ namische Arbeitsmaschine geschaffen, die die Gewin­ nung eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums in einem thermodynamischen Kreisprozeß mit einfachsten Mitteln gestattet, und die sich insbesondere zur Verwendung als Kompressor für eine Kraftfahrzeug­ klimaanlage eignet.The present invention provides a thermody Named work machine created that the profit a pressurized working medium in a thermodynamic cycle with the simplest Approved funds, and which in particular for Use as a compressor for a motor vehicle air conditioning is suitable.

Die Erfindung basiert auf der verblüffenden Er­ kenntnis, daß zum Ingangbringen eines thermodynami­ schen Kreisprozesses bei einer Arbeitsmaschine der eingangs genannten Art eine Druckdifferenz zwischen der heißen und der kalten Kammer nicht erforder­ lich, ja nicht einmal erwünscht ist. Um den Kreis­ prozeß in Gang zu bringen, genügt deshalb ein me­ chanischer Hilfsantrieb zum Antreiben der Hin- und Herbewegung des Kolbens mit minimaler Leistung. Diese Leistung muß lediglich ausreichen, um Ener­ gieverluste des Systems durch Reibung des Kolbens an den Wänden des Behälters sowie den Druckverlust des Arbeitsmediums beim Durchströmen des Wärmespei­ chers auszugleichen. Dieser Strömungswiderstand kann sehr gering gehalten werden. The invention is based on the amazing Er knows that to start a thermodynami cycle of a work machine of the type mentioned a pressure difference between the hot and the cold chamber not required Lich, yes is not even desirable. Around the circle To get the process going, a me is enough mechanical auxiliary drive for driving the back and forth Movement of the piston with minimal power. This achievement only has to suffice to ener casting losses of the system due to friction of the piston on the walls of the container as well as the pressure loss of the working medium when flowing through the heat storage equalize. This flow resistance can be kept very low.  

Auch die Reibung zwischen dem Kolben und den Wänden des Behälters kann sehr niedrig sein. Die Abdich­ tung zwischen Kolben und Wänden kann einfach ge­ staltet sein, da die Druckdifferenz niedriger ist als in einem konventionellen Kompressor. Aus­ schließlich der Druckverlust der Nebenanschlußlei­ tung muß überwunden werden.Also the friction between the piston and the walls of the container can be very low. The Abdich between the piston and the walls can be done easily be as the pressure difference is lower than in a conventional compressor. Off finally the pressure loss of the branch line tion must be overcome.

So kann nämlich gemäß einer Ausgestaltung der Er­ findung der Wärmespeicher direkt in dem Kolben un­ tergebracht sein, so daß dieser, wenn er von der Hilfantriebsvorrichtung hin- und herbewegt wird, von dem Arbeitsmedium durchströmt wird, das sich in ihm, je nach Bewegungsrichtung, abkühlt oder er­ wärmt.According to one embodiment, the Er finding the heat accumulator directly in the piston be brought in, so that this, if it from the Auxiliary drive device is moved back and forth, is flowed through by the working medium that is in depending on the direction of movement, it cools down or he warms.

Insbesondere dann, wenn der Kolben undurchlässig ist, ist es bevorzugt, den Wärmespeicher in einer Nebenschlußleitung anzuordnen, die die heiße und die kalte Kammer verbindet. Zwei Wärmetauscher, die jeweils ein Wärme- und ein Kältebad der Arbeitsma­ schine bilden, sind dann zweckmäßigerweise in der Nebenschlußleitung zwischen dem Wärmespeicher und der warmen beziehungsweise kalten Kammer angeord­ net.Especially when the piston is impermeable is, it is preferred to store the heat in one Arrange shunt line that the hot and the cold chamber connects. Two heat exchangers that one heating and one cooling bath each for the working machine Form machines are then conveniently in the Shunt line between the heat storage and the warm or cold chamber net.

Der Wärmespeicher und die Wärmetauscher kbnnen in diesem Falle platzsparend in einem gemeinsamen Ge­ häuse untergebracht sein.The heat accumulator and the heat exchanger can in this case saves space in a common Ge be housed.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen mit Be­ zug auf die Figuren. Es zeigen Further features and advantages of the invention Working machine result from the following Description of two embodiments with Be train to the figures. Show it  

Fig. 1 einen schematischen axialen Schnitt durch eine Arbeitsmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltung der Er­ findung; und Figure 1 is a schematic axial section through a working machine according to a first embodiment of the invention. and

Fig. 2 einen schematischen axialen Schnitt durch eine Arbeitsmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Fig. 2 shows a schematic axial section through a work machine according to a second embodiment.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Fig. 1 zeigt in einem axialen Schnitt den Aufbau einer Arbeitsmaschine gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel. Die Maschine hat eine äußerst kom­ pakte Konstruktion mit einem einzigen Behälter 1, in dem ein Kolben 2 hin und her verschiebbar ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kolben 2 durch eine Kolbenstange 7 mit einem (nicht darge­ stellten) Hilfsmotor verbunden, der die Hin- und Herbewegung antreibt. Eine andere Art der Kopplung, zum Beispiel eine magnetische Kopplung durch die Wände des Behälters 1 hindurch, wäre für den An­ trieb des Kolbens ebenfalls geeignet. Fig. 1 shows an axial section of the construction of a work machine according to a first example. The machine has an extremely compact design with a single container 1 in which a piston 2 can be moved back and forth. In this embodiment, the piston 2 is connected by a piston rod 7 to an auxiliary motor (not shown) which drives the reciprocating movement. Another type of coupling, for example a magnetic coupling through the walls of the container 1 , would also be suitable for driving the piston.

Der Behälter 2 enthält ein gasförmiges Arbeitsme­ dium, vorzugsweise Kohlendioxid.The container 2 contains a gaseous Arbeitsme medium, preferably carbon dioxide.

Der Kolben 2 füllt einen erheblichen Anteil des Vo­ lumens des Behälters aus. Er besteht aus einem po­ rösen Material mit hoher Wärmespeicherfähigkeit, das für das Arbeitsmedium gut durchlässig ist. The piston 2 fills a significant portion of the volume of the container. It consists of a po porous material with high heat storage capacity that is well permeable to the working medium.

Die Figur zeigt den Kolben 2 in einer Zwischenstel­ lung zwischen zwei Endpositionen, die sich jeweils in der Nähe der oberen und unteren Wand 8, 9 des Be­ hälters 1 befinden. Diese Wände 8, 9 sowie daran an­ schließende Seitenwandbereiche des Behälters befin­ den sich in thermischem Kontakt mit einem Kälte­ beziehungsweise Wärmebad. Dabei wird für die vor­ liegende Beschreibung angenommen, daß die untere Wand 8 mit dem Kältebad und die obere Wand 9 mit dem Wärmebad in Kontakt steht. Für die Funktions­ weise der Arbeitsmaschine ist diese Zuordnung ohne Bedeutung.The figure shows the piston 2 in an intermediate position between two end positions, which are each in the vicinity of the upper and lower walls 8 , 9 of the container 1 Be. These walls 8 , 9 and adjoining side wall regions of the container are in thermal contact with a cold or hot bath. It is assumed for the description lying before that the lower wall 8 is in contact with the cooling bath and the upper wall 9 with the heating bath. This assignment is irrelevant for the functioning of the machine.

In einer ersten Phase des Arbeitszyklus der Ma­ schine befindet sich der Kolben 2 in der Nähe der unteren Wand 8, und das Volumen einer von einem Ende des Kolbens und dem Behälter begrenzten "kalten" Kammer 3 ist minimal oder gar null. Das Arbeitsmedium befindet sich zum größeren Teil in der "heißen" Kammer 4 zwischen dem gegenüberliegen­ den Ende des Kolbens 2 und der oberen Wand 9. Durch Erwärmung des Arbeitsmediums in der heißen Kammer 4 in Kontakt mit dem Wärmebad steigt der Druck im Be­ hälter 1 über einen Grenzwert, bei dem ein Auslaß­ ventil 6 des Behälters öffnet und Arbeitsmedium ab­ strömt.In a first phase of the working cycle of the machine, the piston 2 is located near the lower wall 8 , and the volume of a "cold" chamber 3 delimited by one end of the piston and the container is minimal or even zero. The working medium is largely in the "hot" chamber 4 between the opposite end of the piston 2 and the upper wall 9 . By heating the working medium in the hot chamber 4 in contact with the heating bath, the pressure in the container 1 increases Be above a limit at which an outlet valve 6 of the container opens and working medium flows from.

Das abströmende Medium kann genutzt oder einer wei­ teren Kompressorstufe zugeführt werden, die ent­ sprechend der hier beschriebenen aufgebaut ist.The outflowing medium can be used or a white tere compressor stage are supplied, the ent speaking is constructed as described here.

Wenn anschließend der Kolben 2 vom Hilfsmotor auf­ wärtsbewegt wird, durchströmt das verbliebene Ar­ beitsmedium das im Kolben enthaltene Wärmespeicher­ material und gibt Wärme an dieses ab. Da der ther­ mische Ausdehnungskoeffizient des festen Speicher­ materials wesentlich geringer ist als der des Ar­ beitsmediums, nimmt der Druck im Behälter 1 insge­ samt ab. Wenn der Kolben sich in der Nähe seines oberen Endpunktes befindet und das Volumen der kal­ ten Kammer 3 groß ist, fällt durch weitere Abküh­ lung des Arbeitsmediums in Kontakt mit dem Kältebad der Druck im Behälter 1 so weit ab, daß ein Einlaß­ ventil 5 öffnet und Arbeitsmedium angesaugt wird.If the piston 2 is then moved upwards by the auxiliary motor, the remaining ar beitsmedium flows through the heat storage material contained in the piston and emits heat to it. Since the thermal expansion coefficient of the solid storage material is substantially less than that of the working medium, the pressure in the container 1 decreases overall. If the piston is in the vicinity of its upper end point and the volume of the kal th chamber 3 is large, the pressure in the container 1 drops so far by further cooling of the working medium in contact with the cooling bath that an inlet valve 5 opens and Working medium is sucked in.

Bei der darauffolgenden Abwärtsbewegung des Kolbens wird dieser vom Arbeitsmedium wiederum von unten nach oben durchflossen. Dieses erwärmt sich und der Druck steigt, bis in der Nähe des unteren Endpunkts der Kolbenbewegung erneut der Druck erreicht ist, bei dem das Auslaßventil 6 öffnet.During the subsequent downward movement of the piston, the working medium flows through it again from bottom to top. This heats up and the pressure rises until the pressure at which the outlet valve 6 opens is reached again near the lower end point of the piston movement.

Bei den Ventilen 5 und 6 kann es sich um einfache Zungenventile handeln. Um einen Druckabfall an den Ventilen zu minimieren, kann aber auch die Verwen­ dung von Schiebern oder einer Kantensteuerung zweckmäßig sein, deren Bewegung an die das Kolbens gekoppelt sein kann.Valves 5 and 6 can be simple reed valves. In order to minimize a pressure drop at the valves, the use of slides or an edge control, the movement of which can be coupled to the piston, can also be expedient.

Durch die Bewegung des Kolbens wird so im Behälter 1 ein Kreisprozeß aufrechterhalten, in dessen Ver­ lauf Arbeitsmedium mit niedrigem Druck angesaugt und mit hohem Druck ausgestoßen wird. Die hierfür erforderliche Energie wird ausschließlich durch Wärmeaustausch zwischen Wärme- und Kältebad gewon­ nen, die Kolbenbewegung trägt hierzu nicht bei. Der so gewonnene Druckgasstrom kann zum Beispiel zum Betrieb einer Klimaanlage, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden. Die Maschine er­ laubt so den langandauernden Betrieb einer Klimaan­ lage, ohne daß hierfür der Kraftfahrzeugmotor lau­ fen muß oder die erforderliche Betriebsenergie aus dem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs bezogen werden muß. Der Leistungsverbrauch des Hilfsmotors ist gering, dieser kann daher aus dem Bordnetz ge­ speist werden, ohne es merklich zu belasten. Im Prinzip wäre auch denkbar, die Energie zu seinem Betrieb aus dem von der Maschine gelieferten Gas­ strom zu gewinnen.By the movement of the piston, a cycle is maintained in the container 1 , in the United working medium is sucked in at low pressure and expelled at high pressure. The energy required for this is obtained exclusively through heat exchange between the heating and cooling bath, the piston movement does not contribute to this. The compressed gas stream obtained in this way can be used, for example, to operate an air conditioning system, in particular in a motor vehicle. The machine he allows the long-term operation of an air conditioning system without the motor vehicle engine must run or the required operating energy must be obtained from the vehicle's electrical system. The power consumption of the auxiliary engine is low, so it can be powered from the vehicle electrical system without noticeably stressing it. In principle, it would also be conceivable to obtain the energy for its operation from the gas stream supplied by the machine.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Maschine. Elemente, die denen der Ma­ schine aus Fig. 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erneut beschrie­ ben. Der Kolben 10 unterscheidet sich vom Kolben 2 der Maschine aus Fig. 1 dadurch, daß er im wesent­ lichen für das Arbeitsmedium undurchlässig ist. Aus Gründen der Gewichtsersparnis kann er hohl sein. Fig. 2 shows a second embodiment of the machine according to the invention. Elements which correspond to those of the machine from FIG. 1 are identified by the same reference numerals and are not described again. The piston 10 differs from the piston 2 of the machine from FIG. 1 in that it is impervious to the working medium in wesent union. It can be hollow to save weight.

Die Kammern 3, 4 der Maschine sind über eine Neben­ schlußleitung 11 verbunden, die durch ein Gehäuse 12 verläuft, in dem nacheinander ein mit einem Wär­ mebad in, Kontakt stehender Wärmetauscher 13, ein Wärmespeicher 15 und ein mit einem Kältebad in Kon­ takt stehender Wärmetauscher 14 angeordnet sind. Das Material des Wärmespeichers 15 kann das gleiche sein wie das des Kolbens 2 aus Fig. 1. Aufgabe der Wärmetauscher 13, 14 ist, die Abkühlung beziehungs­ weise Erwärmung des Arbeitsmediums beim Übergang von einer der Kammern 3, 4 in die andere zu be­ schleunigen und zu effektivieren. Der Ablauf des Kreisprozesses ist der gleiche wie im Fall von Fig. 1, allerdings kann durch den intensiveren Wär­ meumsatz durch die Wärmetauscher 13, 14 eine höhere Zyklusfrequenz erreicht werden als beider Konstruk­ tion nach Fig. 1.The chambers 3 , 4 of the machine are connected via a secondary circuit line 11 , which runs through a housing 12 in which, one after the other, a heat exchanger in contact with heat exchanger 13 , a heat accumulator 15 and a heat exchanger in contact with a cold bath 14 are arranged. The material of the heat accumulator 15 may be the same as that of the piston 2 from FIG. 1. The task of the heat exchanger 13 , 14 is to accelerate the cooling or heating of the working medium during the transition from one of the chambers 3 , 4 into the other and to make it effective. The course of the cycle is the same as in the case of FIG. 1, however, due to the more intensive heat conversion by the heat exchangers 13 , 14, a higher cycle frequency can be achieved than both constructions according to FIG. 1.

Claims (8)

1. Arbeitsmaschine mit einem in einem Behälter (1) hin- und herbeweglichen Kolben (2, 10), der den Be­ hälter (1) in eine heiße (4) und eine kalte Kammer (3) unterteilt, mit Ventilen (5, 6) zum Ein- und Auslassen von Arbeitsmedium in den beziehungsweise aus dem Behälter (1), sowie mit einem Wärmespeicher (2, 15), der zwischen der heißen und der kalten Kam­ mer so angeordnet ist, daß er von dem Arbeitsmedium durchströmt wird, gekennzeichnet durch eine mecha­ nische Hilfsantriebsvorrichtung (7), die den Kolben mit einer Leistung antreibt, die der zum Überwinden von Reibung des Kolbens und zum Hindurchtreiben des Arbeitsmediums durch den Wärmespeicher verbrauchten Leistung entspricht.1. Working machine with a reciprocating piston ( 2 , 10 ) in a container ( 1 ), which divides the loading container ( 1 ) into a hot ( 4 ) and a cold chamber ( 3 ), with valves ( 5 , 6 ) from the container (1), and with a heat accumulator (2, 15), which is arranged between the hot and the cold Kam mer so that it is flowed through by the working medium to the inlet and outlet of working medium in the respectively, in by a mechanical auxiliary drive device ( 7 ) which drives the piston with a power which corresponds to the power consumed for overcoming friction of the piston and for driving the working medium through the heat accumulator. 2. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmespeicher im Kolben (2) un­ tergebracht ist.2. Working machine according to claim 1, characterized in that the heat accumulator is accommodated in the piston ( 2 ) un. 3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmespeicher (15) in einer Ne­ benschlußleitung (11) angeordnet ist, und daß zwei Wärmetauscher (13, 14), die jeweils ein Wärme- und ein Kältebad der Arbeitsmaschine bilden, in der Ne­ benschlußleitung (11) zwischen dem Wärmespeicher (15) und der warmen beziehungsweise kalten Kammer (3, 4) angeordnet sind. 3. Working machine according to claim 1, characterized in that the heat accumulator ( 15 ) in a Ne bypass line ( 11 ) is arranged, and that two heat exchangers ( 13 , 14 ), each forming a heating and cooling bath of the working machine, in the ne bypass line ( 11 ) between the heat accumulator ( 15 ) and the warm or cold chamber ( 3 , 4 ) are arranged. 4. Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmespeicher (15) und die Wärme­ tauscher (13, 14) in einem gemeinsamen Gehäuse (11, 12) untergebracht sind.4. Working machine according to claim 3, characterized in that the heat accumulator ( 15 ) and the heat exchanger ( 13 , 14 ) are housed in a common housing ( 11 , 12 ). 5. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeits­ medium CO₂ ist.5. Working machine according to one of the preceding claims, characterized in that the working medium is CO ₂ . 6. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (5, 6) Zungenventile sind.6. Working machine according to one of the preceding claims, characterized in that the valves ( 5 , 6 ) are reed valves. 7. Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mehrstufige Anordnung von Arbeitsmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine mehrstufige Verdichtung umfaßt.7. Working machine, characterized in that it a multi-level arrangement of work machines according to one of the preceding claims for a includes multi-stage compression. 8. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kompressor in einer Klimaanlage, insbesondere einer KFZ-Klimaanlage, bildet.8. Working machine according to one of the preceding Claims, characterized in that they have a Compressor in an air conditioner, especially one Automotive air conditioning system.