DE3023660C2 - Stirling-Wärmepumpe - Google Patents
Stirling-WärmepumpeInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
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Description
Die Erfindung betrifft eine Stirling-Wärmepumpe gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
Derartige bekannte Stirling-Wärmepumpen haben
einen kurbelgetriebenen Arbeitskolben, der auf einen Kompressionsraum arbeitet, an den sich ein erster
Wärmetauscher, ein Regenerator in Form eines Wärmespeichers sowie ein zweiter Wärmetauscher
anschließen, wobei darauf ein Expansionsraum vorgesehen ist, auf den ein kurvenscheibengesteuerter Verdrängerkolben
arbeitet Die beiden Kolben schieben im Betrieb praktisch ein Gasvolumen zwischen dem
Kompressionsraum und dem Expansionsraum in zyklischer, gesteuerter Weise hin und her. Die am Gas
geleistete Kompressionsarbeit im Kompressionsraum wird im ersten Wärmetauscher als Heizwärme abgegeben.
Beim Verschieben des jetzt konstant gehaltenen Gasvolumens in den kalten Expansionsraum durchströmt
das Gas dann den Regenerator und gibt hier die im Gas verbleibene Wärme ab. Es erfolgt dann die
Expansion des Gases im Expansionsraum, so daß Umgebungswärme über den zweiten Wärmeaustauscher
dem Gas zugeführt werden kann. Danach wird das Gas bei konstantem Volumen zurück in den Kompressionsraum
geschoben. Die vorher im Regenerator gespeicherte Wärme wird vom Gas dabei wieder
aufgenommen. Die von einer derartigen Stirling-Wärmepumpe abgegebene Heizenergie setzt sich aus der
aus der Umgebung gewonnenen Energie sowie aus der eingegebenen Kompressionsenergie zusammen.
Bei derartigen bekannten Stirling-Wärmepumpen wird zyklisch im Kompressionsraum im Druckbereich
von etwa 5 bis 22 bar gearbeitet Es besteht dabei das Problem, diesen Kompressionsraum gegen das geschlossene
Kurbelgehäuse abzudichten, wobei sich normalerweise der Kompressionsraum oberhalb des
Arbeitskolbens, das geschlossene Kurbelgehäuse unterhalb des Arbeitskolbens befindet Es ist bekannt hier zur
Abdichtung einen den Arbeitskolben umgebenden Membranbalg vorzusehen. Der Membranbalg hat den
großen Vorzug, praktisch keine Reibungsverluste zu haben und völlig zuverlässig einen etwaigen ölnebel aus
dem Kurbelgehäuse in jedem Fall, auch gegenüber kapillaren Wanderungen, vom Kompressionsraum fernzuhalten,
was um so wichtiger ist als es sonst im Laufe der Zeit zu einer ölverschmutzung im Bereich der
Wärmetauscher und des Regenerators kommen müßte.
So vorteilhaft ein derartiger Membranbalg ist so besteht doch das Problem, daß aufgrund der hier für den
Membranbalg gegebenen Arbeitsbedingungen dieser nur eine unzureichende Lebensdauer hat Es ist zu
berücksichtigen, daß im geschlossenen Kurbelgehäuse ein bestimmter Druck, beispielsweise ein mittlerer
Arbeitsdruck von 123 bar, herrscht so daß beim
Arbeitsbereich von 5 bis 22 bar im Kompressionsraum der Membranbalg laufend zylisch mit einer Druckdifferenz
von +10 bar bis —7 bar beaufschlagt wird. Andererseits wäre der Ersatz des Membranbalges durch
eine normale Kolbendichtung am Arbeitskolben im Hinblick auf eine völlig zuverlässige Abdichtung
gegenüber den ölnebeln aus dem Kurbelgehäuse und im Hinblick auf die damit verbundenen Reibungsverluste
ebenfalls nachteilig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgestaltung zu treffen, die trotz der
herrschenden Betriebsbedingungen eine hohe Lebensdauer für den Membranbalg als Abdichtung zwischen
dem Kompressionsraum und dem geschlossenen Kurbelgehäuse ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.
In einem ersten Schritt ist nunmehr durch das Druckdrosselelement der Inneraum des den Arbeitskolben
umgebenden Membranbalges vor den großen Druckschwankungen, die systemimmanent im Kompressionsraum
auftreten, geschützt. Durch Wahl eines entsprechenden Druckdrosselelementes kann dafür
Sorge getragen werden, daß von dort allenfalls noch Leckverluste aufzunehmen sind. Selbst bei diesem
Schutz aber kommt es naturgemäß systemimmanent noch zu einem laufenden Komprimieren und Entspannen
des Volumens im Inneren des Membranbalges selbst, so daß sich immer noch, wenn auch in
verringertem Ausmaß, alternierende Druckbelastungen ergeben würden. In einem weiteren Schritt ist nun zum
Ausgleich dieser Druckdifferenzen der Ausgleichsmembranbalg vorgesehen, der mit dem Innenraum des
Membranbalges in einem geschlossenen Strömungskreis in Verbindung steht und der sich in das
Kurbelgehäuse ausdehnt Wird jetzt bei dieser Ausgestaltung der Membranbalg komprimiert, dehnt sich
automatisch der Ausgleichsmembranbalg gegen den Druck des geschlossenen Kurbelgehäuses bis zum
gewünschten Druckausgleich mit dem Kurbelgehiiusedruck aus, so daß, da dies naturgemäß äußerst schnelle
Ausgleichsvorgänge sind, der Membranbalg praktisch nicht mehr mit Druckdifferenzen beaufschlagt ist und
demzufolge eine sehr hohe Lebensdauer hat.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem geschlossenen
Strömungskreis um einen solchen mit eigener Einfüllöffnung, so daß hier ein Druckmedium eingegeben werden
kann und man auf einfache Weise diesen geschlossenen Strömungskreis mit den Innenräumen des Membranbalges
und des Ausgleichsmembranbalges auf den gleichen Druck wie das Kurbelgehäuse einstellen kann. Auch in
stationärem Zustand der Wärmepumpe tritt somit keine Druckdifferenz auf. Das Auftreten eiaer Druckdifferenz
läßt sich dabei dann, wenn man das Kurbelgehäuse und den in Frage stehenden geschlossenen Strömungskreis
gleichzeitig füllt, auch während der Füllphase verhindern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Druckdrosselelement eine den Arbeitskolben
umgebende Spaltdichtung. Die Spaltdichtung ist zwar streng genommen ein Schritt in die Richtung auf eine
normale Kolbendichtung. Sie arbeitet aber unter den hier gegebenen Arbeitsbedingungen weitestgehend und
für die Belange der Praxis ausreichend reibungsfrei. Eventuelle Leckverluste vom Kompressionsraum her
bleiben unschädlich, da die absolut zuverlässige gegenseitige Abdichtung ja durch den Membranbalg
erfolgt
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Ausgleichsmembranbalg als Signalgeber ausgebildet
Beispielsweise können in einer oberen und einer unteren Endlage des Ausgleichsbalges Endschalter
vorgesehen sein. Das Erreichen der oberen Endlage bedeutet, daß der Druck im geschlossenen Strömungskreis zu niedrig ist, beispielsweise also eine Beschädi- 3c
gung am Membranbalg vorliegt Das Erreichen der unteren Endlage bedeutet, daß im geschlossenen
Strömungskreis ein zu hoher Druck herrscht, beispielsweise weil zu hohe Leckverluste vom Kompressionsraum her auftreten, oder aber auch weil das
Kurbelgehäuse undicht geworden ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Stirling-Wärmepumpe wird nachstehend unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beschrieben.
Die Zeichnung zeigt eine Teilschnittdarstellung durch den zwischen dem geschlossenen Kurbelgehäuse und
dem Kompressionsraum liegenden Teil einer Stirling-Wärmepumpe.
In der Teilschnittdarstellung ist die linke Seite des Bereiches einer Stirling-Wärmepumpe zwischen dem
oberen Kompressionsraum 1 und den unten liegenden, geschlossenen Kurbelgehäuse 2 gezeigt, wobei bezüglich
der dargestellten Mittellängsachse ein symmetrischer Aufbau vorliegt. Die Stirling-Wärmepumpe hat
einen Arbeitskolben 3, der nach unten zum Kurbeigehäuse 2 hin offen ist und über Schrauben 4 mit dem im
Kurbelgehäuse befindlichen Kurbelantrieb (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Arbeitskolben 3 arbeitet nach
oben auf den Kompressionsraum 1.
Oberhalb des Kompressionsraumes sind die beiden Wärmetauscher, der Regenerator, der Expansionsraum
sowie der Verdrängerkolben in der üblichen Weise angeordnet, wobei das Führungsrohr 5 für den
Verdrängerkolben nach unten durch den Arbeitskolben 3 hindurch bis in das Kurbelgehäuse 2 geführt und dort eo
abgestützt ist
Der Kompressionsraum 1 ist gegenüber dem geschlossenen Kurbelgehäuse 2 mittels eines Membranbalges
6 abgedichtet, der nur den unteren Teil des Arbeitskolbens 3 umgibt. Der Membranbalg 6 ist an es
seinem unteren Ende über einen Flansch 7 in abgedichteter Form am Arbeitskolben 3 befestigt. Der
Innenraum 8 dieses Membranbalges wird von den Innenwänden des Faltenbalges einerseits sowie vom
Außenmantel des Arbeitskolbens 3 andererseits begrenzt Nach unten wird der Innenraum durch den
Flansch 7 abgeschlossen. Nach oben erfolgt der Abschluß durch einen Befestigungsring 9, mit dem der
Membranbalg 6 an einem gehauseseitigen Flanschstück 10 befestigt ist ferner durch einen Abschnitt dieses
Flanschstückes 10 selbst sowie durch eine zylindrische Buchse 11, die ihrerseits über einen Flansch 12 an dem
Flanschstück 10 des Gehäuses festgelegt ist und in der der Arbeitskolben 3 angeordnet ist Innenwandig ist die
Buchse 11 als sich zwischen dem Kompressionsraum 1 und dem Innenraum 8 des Membranbalges 6 erstreckendes
Druckdrosselelement in Form einer Spaltdichtung 13 ausgebildet
Auf der Unterseite des Flanschstückes 10 ist in einem Befestigungsstutzen 14 das obere Ende eines Ausgleichsmembranbalges
befestigt der sich nach unten frei in das geschlossene Kurbelgehäuse 2 ausdehnen kann.
Der Innenraum 16 des Ausgleichsmembranbalges steht über eine entsprechende Bohrung am Befestigungsstutzen
14 mit einem Füllkanal 17 in dem Flanschstück 10 in Verbindung, der eine verschließbare Einfüllöffnung 18
hat und der auch über eine außenseitige Aussparung in der zylindrischen Buchse 11 in offener Verbindung mit
dem Innenraum 8 des Membranbalges 6 steht Der Innenraum 8 des Membranbalges bildet somit über den
entsprechenden Abschnitt des Füllkanals 17 mit dem Innenraum 16 des Ausgleichsmembranbalges einen
geschlossenen Strömungskreis.
Dieser geschlossene Strömungskreis wird über die Einfüllöffnung 18 beim Stillstand der Wärmepumpe auf
einen bestimmten Druck eingestellt, und zwar auf genau den gleichen Druck, auf den auch das geschlossene
Kurbelgehäuse 2 eingestellt wird. Um während des Füllvorganges keinerlei Druckdifferenzen auf den
Membranbalg 6 wirken zu lassen, geschieht das Füllen und Einstellen des Druckes zweckmäßig gleichzeitig.
Im Betrieb der Stirling-Wärmepumpe schwankt zyklisch der Druck im Kompressionsraum 1 beispielsweise
zwischen 5 bar und 22 bar. Diese Druckschwankung wird durch die Spaltdichtung 13, die für die
Belange der Praxis weitestgehend reibungsfrei arbeitet, vom Innenraum 8 des Membranbalges ferngehalten.
Durch die Arbeit des Arbeitskolbens 3 kommt es jedoch noch zu einem zyklischen Komprimieren und Entspannen
des Innenraumes 8 des Membranbalges. Hier erfolgt jetzt aber laufend ein unmittelbarer Druckausgleich
zum Druck im Kurbelgehäuse 2 dadurch, daß sich bei einem Komprimieren des Innenraumes 8 des
Membranbaiges 6 automatisch der Ausgleichsmembranbalg 15 gegen den Druck im Kurbelgehäuse 2
ausdehnt, bis der Druckausgleich erreicht ist. Hierdurch wird eine Differenzdruckbeaufschlagung des Membranbalges
6 sicher vermieden.
Man bildet den Ausgleichsmembranbalg 15 zweckmäßig als Signalgeber aus. Hierzu kann man beispielsweise
in einer vorzugebenden oberen Endlage sowie in einer vorzugebenden unteren Endlage des Ausgleichsmembranbalges
15 Endschalter (nicht dargestellt) anordnen. Erreicht im Dauerbetrieb der Stirling-Wärmepumpe
der Ausgleichsmembranbalg einmal seine obere Endlage, zeigt dieses einen zu niedrigen Druck im
geschlossenen Strömungskreis der Innenräume 8 und 16 ar, was beispielsweise durch eine Undichtigkeit am
Membranbalg 6 hervorgerufen sein kann. Erreicht der Ausgleichsniembranbalg 15 im Laufe des Betriebes der
Wärmepumpe einmal seine untere Endlage, bedeutet
dies, daß im geschlossenen Strömungskreis ein zu hoher Druck herrscht, der insbesondere durch zu hohe
Leckverluste aus dem Kompressionsraum 1 durch die Spaltdichtung 13 hindurch auftreten kann oder der auch
durch eine Undichtigkeit am Kurbelgehäuse auftreten könnte.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Stirling-Wärmepumpe, deren kurbelgetriebener
Arbeitskolben auf einen Kompressionsraum arbeitet, der gegenüber dem geschlossenen Kurbelgehäuse
mittels eines den Arbeitskolben umgebenden Membranbalges abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Kompressionsraum (1) und dem Innenraum (8) des Membranbalges (6) ein Druckdrosselelement (13) angeordnet
ist und der Innenraum (8) des Membranbalges (6) in einem geschlossenen Strömungskreis mit dem
Innenraum (16) eines Ausgleichsmembranbalges (15) verbunden ist, die sich in das Kurbelgehäuse (2)
ausdehnt
2. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckdrosselelement
eine oberhalb des Membranbalges (6) den Arbeitskolben (3) zylindrisch umgebende Spaltdichtung (13)
ist
3. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der geschlossene Strömungskreis
einen mit einer verschließbaren Einfüllöffnung (18) versehenen Füllkanal (17) hat der mit
den Innenräumen (8,16) des Membranbalges (6) und des Ausgleichsmembranbalges (15) in Verbindung
steht
4. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Ausgleichsmembranbalg
(15) als Signalgeber ausgebildet ist.
5. Stirling-Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer oberen und einer
unteren Endlage des Ausgleichsmembranbalges (15) Endschalter angeordnet sind.
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Legal Events
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D2 | Grant after examination | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: WINDMOELLER & HOELSCHER GMBH, 4800 BIELEFELD, DE |
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