EP0587843A1 - Flüssigkeitsring-maschine - Google Patents

Flüssigkeitsring-maschine

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Publication number
EP0587843A1
EP0587843A1 EP93906424A EP93906424A EP0587843A1 EP 0587843 A1 EP0587843 A1 EP 0587843A1 EP 93906424 A EP93906424 A EP 93906424A EP 93906424 A EP93906424 A EP 93906424A EP 0587843 A1 EP0587843 A1 EP 0587843A1
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EP
European Patent Office
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liquid
gas
rotor
machine
liquid ring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93906424A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karol Malach
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INGENIEURSCHULE BERN HTL
Original Assignee
INGENIEURSCHULE BERN HTL
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Filing date
Publication date
Application filed by INGENIEURSCHULE BERN HTL filed Critical INGENIEURSCHULE BERN HTL
Publication of EP0587843A1 publication Critical patent/EP0587843A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C7/00—Rotary-piston machines or engines with fluid ring or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F01C11/004—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle and of complementary function, e.g. internal combustion engine with supercharger
    • 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C19/00—Rotary-piston pumps with fluid ring or the like, specially adapted for elastic fluids
    • F04C19/004—Details concerning the operating liquid, e.g. nature, separation, cooling, cleaning, control of the supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/0042—Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for pumps
    • F04C29/005—Means for transmitting movement from the prime mover to driven parts of the pump, e.g. clutches, couplings, transmissions
    • F04C29/0064—Magnetic couplings
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/70—Liquid pistons

Definitions

  • the present invention relates to a liquid ring machine with a stationary or co-rotating housing and a rotor arranged in the housing.
  • the liquid ring machine can be used as a refrigeration machine, heat pump, power machine or as a thermally driven refrigeration machine or heat pump.
  • the rotor is designed at least in two stages and comprises at least two impellers provided with blades and in the individual stages during operation of the machine there are liquid rings formed by a barrier liquid which form variable gas spaces in the stages of the rotor, the barrier liquid seals the individual gas spaces from one another and connecting channels are present between the individual stages with regenerators arranged therein.
  • Each stage of the impeller contains several cellular gas spaces.
  • Each gas space of an impeller stage is connected to a gas space of the next impeller stage by an overflow duct housed in the impeller.
  • the overflow duct there is a heat-storing, gas-permeable mass which gives the overflow duct the function of a regenerative heat exchanger (regenerator).
  • the sealing liquid forms a rotating ring in each impeller and housing stage, which clings to the fixed or rotating housing.
  • a suitable housing shape or a suitable eccentricity creates a variable distance between the ring and the impeller, as a result of which the volume of the gas cells also changes, cf.
  • the machine according to the invention can operate according to a left-handed or right-handed thermodynamic cycle, in particular according to a Stirling or Vuilleumier process, wherein a gas or a steam can be used as the working medium.
  • the working medium In the first stage of the impeller, the working medium is compressed during a partial revolution.
  • the heat of compression is absorbed by the co-rotating barrier liquid; it can be discharged to the environment either through the housing wall or by removing a partial flow of the barrier liquid and supplying it to an external heat exchanger.
  • the working medium is conveyed through the overflow duct and the regenerator into the impeller of the second stage.
  • the regenerator the working medium is cooled by the heat-storing mass (in the left-handed process) or heated (in the right-handed process).
  • the working medium is expanded during a partial revolution of the impeller.
  • the thermal energy required for the most possible isothermal relaxation is supplied by the co-rotating barrier liquid; it can be supplied either through the housing wall or by removing a partial flow of the sealing liquid and supplying it to an external heat exchanger from the cooling room (left-handed process) or from a heat source (right-handed process).
  • the working medium is conveyed through the overflow duct and the regenerator into the impeller of the first stage. In the regenerator, the working medium is warmed mass warmed (in the left-handed process) or cooled (in the right-handed process).
  • Vuilleu ier machines that work with one or more reciprocating pistons or liquid pistons.
  • Fig. 1 is a view and a cross section along line I-I of Fig. 2 of the impeller of a refrigerator or heat pump, or an engine
  • Fig. 2 is a view and a longitudinal section
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of a refrigerator or heat pump, or an engine
  • Fig. 4 shows a cross section along line IV-IV of the
  • FIG. 5 shows a cross section along line V-V of FIG. 3 through the II.
  • 6b-e a functional diagram of the machine, which works as a refrigeration machine or as a heat pump,
  • FIG. 8 shows a longitudinal section of the machine, which works as a thermally driven refrigeration machine or heat pump
  • the rotor 1 according to FIGS. 1 and 2 consists of several disks 1a, 1b, 1c, 1d and carries two bladed impellers 13 and 14.
  • Each impeller stage of the rotor carries cellular gas spaces 5 on its circumference, which pass through the one side Blades 15, on the other hand, are limited by the side walls.
  • the gas spaces 5 are only open at the circumference of each stage.
  • fins 6 made of good heat-conducting material are installed in each gas cell, which divide the gas space into several narrow spaces 5.
  • the individual gas cells of the two stages are connected to one another by flow channels 7 which, depending on the design of the machine, permit a phase shift between the gas cells between 0 and ⁇ 110 °.
  • a heat-storing, gas-permeable mass with a large heat capacity eg a wire mesh or sintered metal, etc.
  • the torque required to drive a left-handed process can be clutch 9, or by a directly coupled drive motor, not shown in the drawing, for example an electric motor or diesel engine, are supplied in a gastight design.
  • the generated torque can be taken off by the magnetic coupling 9 or the machine can drive a directly coupled generator in a gastight design.
  • FIG. 3 A longitudinal section of the refrigeration machine or heat pump or an engine is shown in FIG. 3.
  • the gas-tight, multi-part housing 2a, 2b, 2c encloses the two rotor stages of the rotor, as well as the entire machine. Due to the special shape of the housing or a suitable eccentricity of the housing, the rotating barrier liquid 18, 19 clinging to the housing wall forms a variable volume of the gas cells 5 both in the first stage 3 and in the second stage 4
  • water, refrigerating machine oil, molten salt, liquid metal for high-temperature systems, glycol or toluene can be used for extremely low temperatures.
  • the housing 2a, 2b, 2c is shaped in such a way that the maximum gas volume of the first stage and that of the second stage are out of phase.
  • the same effect can also be achieved by a round, eccentrically mounted housing which stands still or rotates.
  • the working medium can flow through the overflow channels 7 and the regenerator 8 from one stage to the other.
  • Thermal insulation 10 is attached between the first and second stage housings.
  • the housing 2a, 2b, 2c of the first and the second stage is provided with ribs 11 for better heat exchange.
  • the heat exchange can also be achieved by sheathing the housing 2a, 2b, 2c and a heat Carrier liquid take place, or by partial removal of the barrier liquid 3 and 4 and their heating or cooling in two external heat exchangers.
  • bearings 16 and 17 can also be seen from this figure. Clamping ring resp. Carriers on the one hand tighten the impeller and on the other hand take it with them. They are welded to the two-part shaft.
  • FIG. 4 shows a cross section along line IV-IV of FIG. 3 through the first stage 3 of the machine and FIG. 5 shows a cross section along line VV of FIG. 3 through the second stage 4.
  • the housing 2a, 2b similar in cross section
  • the two stages 3, 4 are shaped so that the eccentric liquid ring 18, 19 rotating therein changes the volume of the gas cells during the rotation of the impellers of the respective stage in accordance with the requirements of the Stirling cycle. So that the gas can flow from one stage to the other through the overflow channels 7 and the regenerator 8, the housing of the second stage is arranged out of phase with that of the first stage.
  • the rotor axis is designated by 20.
  • the liquid rings 18, 19 formed by the barrier liquid which are formed during the rotation of the machine, form variable gas spaces in the two stages 3, 4 of the impeller, the variable gas spaces compressing and relaxing the working medium as well as its displacement by the regenerators 8.
  • the barrier liquid also seals the individual gas spaces against each other. In the version with a rotating housing, this is circular in cross section, but is mounted eccentrically to the rotor.
  • FIG. 6a shows the process of a refrigeration machine or heat pump in the p
  • V diagram. 6b-e schematically show the functioning of the machine when it is as Chiller or works as a heat pump.
  • the gas is compressed in the first stage 3 along the circumferential path AB. Thanks to the effective cooling by the barrier liquid 18, 19 and fins 6, the compression can be almost isothermal (FIG. 6b).
  • Further rotation of the rotor on the partial circumference BC results in the isochoric displacement of the working medium through the overflow duct 7 and the regenerator 8 into the impeller 14 of the second stage 4 (FIG. 6c).
  • the working medium is cooled by the regenerator, as a result of which the gas pressure will decrease.
  • FIG. 7a shows the process of an engine (Stirling engine) in the p
  • V diagram. 7b-e show schematically the functioning of this machine when it works as an engine (Stirling engine).
  • the gas is compressed in the first stage 3 along the circumferential distance AB (FIG. 7b). Thanks to the effective cooling by the blocking fluid 18, 19 and fins 6, the compression can be almost isothermal.
  • the rotor follows on the partial circumference BC the isochoric displacement of the working medium through the overflow duct 7 and the regenerator 8 into the impeller of the second stage 4 (FIG. 7c). During this shift, the working medium is heated by the regenerator 8 and the pressure of the working medium will rise.
  • the rotor 21a to 21e has three impellers; the middle impeller 22 takes over the function of the first stage for both processes, therefore it has twice the width.
  • the motor process does exactly as much work as the left-handed process of the refrigeration machine or the heat pump consumes on the working medium side. From the outside, only so much work has to be added to the rotor that corresponds to the friction losses of the entire machine.
  • the torque required for this can be supplied by the magnetic coupling 32, or by a motor in a gastight design, which is directly coupled to the rotor shaft and is not shown in the drawing.
  • the figure also shows the flow channels 33, 34, the regenerators 35, 36 and the bearings 37 and 38.
  • FIG. 9a shows the process of the engine-refrigeration machine or engine-heat pump (thermally driven heat pump or refrigeration machine) in the p, V-diagram.
  • 9b-e schematically show the mode of operation of the thermally driven refrigeration machine or heat pump according to FIG. 8.
  • the working medium is compressed on the partial circumference AB in the middle impeller 22 with simultaneous heat release to the environment (FIG. 9b).
  • the gas spaces of the impellers of the second stage are filled with the barrier liquid.
  • the working medium is isochorically shifted into the second stage impellers.
  • the working medium is heated in the right regenerator or cooled in the left regenerator (Fig. 9c).
  • the machine according to the invention has several advantages over known machines which operate according to the Stirling process: due to the intensive heat transfer between the working medium and the barrier liquid 18, 19; 23 25, 27 it almost reaches isothermal compression and relaxation, also the displacement of the working medium through the regenerator 8; 35, 36 will be almost isochoric. As a result, the operation of this machine is approximated to the ideal Stirling process.
  • the liquid ring 18, 19, 23, 25, 27 reliably seals the gas cells with only minimal liquid friction and without any wear and tear.

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Description

Flüssiσkeitsrinσ-Maschine
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsring-Maschine mit einem stillstehenden oder mitrotierten Gehäuse und einem im Gehäuse angeordneten Rotor. Die Flüssigkeitsring-Maschine kann als Kältema- schine, Wärmepumpe, Kraftmaschine oder als thermisch an¬ getriebene Kältemaschine oder Wärmepumpe verwendet wer¬ den.
Bei bekannten Maschinen wird bei linksläufigen Pro¬ zessen das umweltschädigende Freon verwendet. Im weite- ren ergeben sich infolge relativ hoher Drücke Dichtungs¬ probleme. Es entstehen Verluste des Arbeitsmediums. Im weiteren ist der Wirkungsgrad bei bekannten Maschinen nicht optimal. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Er¬ findung, die Nachteile der bekannten Maschinen zu ver- meiden. Es sollen keine mechanischen Dichtungen für das Arbeitsmedium notwendig sein und das Gehäuse der Flüs¬ sigkeitsmaschine soll komplett gasdicht konstruiert wer¬ den können. Verluste des Arbeitsmediums sollen vermieden werden können. Es sollen keine oszillierenden Teile be- nötigt werden, die Maschine soll vibrationsfrei und ge¬ räuscharm laufen. Sich berührende metallische Teile sol¬ len vermieden werden können. Im weiteren soll ein höhe¬ rer Wirkungsgrad als bei bekannten Maschinen erzielt werden. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass der Rotor mindestens zweistufig ausgebildet ist und min¬ destens zwei mit Schaufeln versehene Laufräder umfasst und in den einzelnen Stufen beim Betrieb der Maschine durch eine Sperrflüssigkeit gebildete Flüssigkeitsringe vorhanden sind, die variable Gasräume in den Stufen des Rotors bilden, wobei die Sperrflussigkeit die einzelnen Gasräume voneinander abdichtet und Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Stufen mit darin angeordneten Regeneratoren vorhanden sind.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Im folgenden soll die Funktionsweise der erfin- dungsgemässen Maschine erläutert werden. Die Kältema¬ schine, Wärmepumpe oder Kraftmaschine weist mindestens ein zweistufiges Laufrad auf, welches zentrisch oder exzentrisch in einem feststehenden oder rotierenden, mehrteiligen Gehäuse, welches mit einer geeigneten
Sperrflüssigkeit partiell gefüllt ist, rotieren kann. Jede Stufe des Laufrades enthält mehrere zellenförmige Gasräume. Jeder Gasraum einer Laufradstufe ist mit einem Gasraum der nächsten Laufradstufe durch einen im Laufrad untergebrachten Ueberstromkanal verbunden. Im Ueber¬ stromkanal befindet sich eine wärmespeichernde, gas¬ durchlässige Masse, die dem Ueberstromkanal die Funktion eines regenerativen Wärmeaustauschers (Regenerator) ver¬ leiht. Während der Rotation des Laufrades bildet die Sperrflüssigkeit in jeder Laufrad- und Gehäusestufe ei¬ nen rotierenden Ring, welcher sich an das feststehende oder rotierende Gehäuse anschmiegt. Durch geeignete Ge- häuseformgebung oder eine geeignete Exzentrizität ent¬ steht zwischen dem Ring und dem Laufrad eine variable Distanz, wodurch sich das Volumen der Gaszellen eben¬ falls verändert, vgl. das Prinzip der Elmo-Pumpe von Siemens-Schuckert. Im Vergleich zur Elmo-Pumpe, welche ein im Querschnitt rundes Gehäuse aufweist, ist jedoch das Gas bei der erfindungsgemässen Maschine abgeschlos- sen, es wird das gleiche Gas verwendet. Die Elmo-Pumpe weist nur ein Laufrad, das offen ist, auf. Bei der Elmo- Pumpe findet im weiteren kein Kreisprozess statt. Bei der erfindungsgemässen Maschine dichtet der rotierende Flüssigkeitsring zugleich die einzelnen Gaszellen gegen- einander ab.
Die erfindungsgemässe Maschine kann nach einem links- oder rechtsläufigen thermodynamischen Kreis- prozess, insbesondere nach einem Stirling- oder Vuilleumier-Prozess, wobei als Arbeitsmedium ein Gas oder ein Dampf verwendet werden kann, arbeiten.
In der ersten Stufe des Laufrades wird das Arbeits¬ medium während einer Teilumdrehung verdichtet. Die Ver¬ dichtungswärme wird von der mitrotierten Sperrflüssig- keit aufgenommen; sie kann entweder durch die Gehäuse¬ wandung oder durch Entnahme eines Partialstroms der Sperrflüssigkeit und ihre Zuleitung zu einem externen Wärmeaustauscher an die Umgebung abgeführt werden. An- schliessend, währed einer weiteren Teilumdrehung des Laufrades der ersten Stufe, wird das Arbeitsmedium durch den Ueberstromkanal und den Regenerator in das Laufrad der zweiten Stufe gefördert. Im Regenerator wird das Arbeitsmedium von der wärmespeichernden Masse abgekühlt (beim linksläufigen Prozess) , bzw. aufgeheizt (beim rechtsläufigen Prozess) .
In der zweiten Stufe des Laufrades wird das Ar¬ beitsmedium während einer Teilumdrehung des Laufrades entspannt. Die für die möglichst isotherme Entspannung benötigte Wärmeenergie wird von der mitrotierten Sperr- flüssigkeit zugeführt; sie kann entweder durch die Ge¬ häusewandung oder durch Entnahme eines Partialstromes der Sperrflüssigkeit und ihre Zuleitung zu einem ex¬ ternen Wärmeaustauscher vom Kühlraum (linksläufiger Pro¬ zess) oder von einer Wärmequelle (rechtsläufiger Pro¬ zess) zugeführt werden. Anschllessend, während einer weiteren Teilumdrehung des Laufrades der zweiten Stufe, wird das Arbeitsmedium durch den Ueberstromkanal und den Regenerator in das Laufrad der ersten Stufe gefördert. Im Regenerator wird das Arbeitsmedium von der wärmespei- chernden Masse erwärmt (beim linksläufigen Prozess) , bzw. abgekühlt (beim rechtslaufigen Prozess) .
Im übrigen ist die Arbeitsweise dieser Maschine be¬ kannt, sie ist analog der Arbeitsweise der Philips-Gas- kälte aschine oder auch von anderen Stirling- bzw.
Vuilleu ier-Maschinen, die mit einem oder mehreren Hub¬ kolben oder Flüssigkeitskolben arbeiten.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Maschi¬ ne sowie deren Verwendung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Ansicht und einen Querschnitt gemäss Linie I-I der Fig. 2 des Laufrades einer Kältemaschine oder Wärmepumpe, bzw. einer Kraftmaschine, Fig. 2 eine Ansicht und einen Längsschnitt gemäss
Linie II-II der Fig. 1 des Laufrades einer Kältemaschine oder Wärmepumpe, bzw. einer Kraftmaschine,
Fig. 3 einen Längsschnitt einer Kältemaschine oder Wärmepumpe, bzw. einer Kraftmaschine,
Fig. 4 einen Querschnitt gemäss Linie IV-IV der
Fig. 3 durch die I. Stufe einer Kältemaschi¬ ne oder Wärmepumpe, bzw. einer Kraftmaschi¬ ne,
Fig. 5 einen Querschnitt gemäss Linie V-V der Fig. 3 durch die II. Stufe einer Kältemaschine oder Wärmepumpe, bzw. einer Kraftmaschine,
Fig 6a den Prozess einer Kältemaschine, bzw. Wärme¬ pumpe im p,V-Diagramm,
Fig. 6b - e ein Funktionsschema der Maschine, welche als Kältemaschine, bzw. als Wärmepumpe arbeitet,
Fig. 7a den Prozess einer Kraftmaschine im p,V-Dia- gramm, Fig. 7b - e ein Funktionsschema der Maschine, die als Kraftmaschine (Stirling-Motor) arbeitet,
Fig. 8 einen Längsschnitt der Maschine, die als thermisch angetriebene Kältemaschine, bzw. Wärmepumpe arbeitet,
Fig. 9a den Prozess Kraftmaschine-Kältemaschine, bzw. Kraftmaschine-Wärmepumpe (thermisch an¬ getriebene Wärmepumpe, bzw. Kältemaschine) im p,V-Diagramm,
Fig. 9b - e ein Funktionsschema der thermisch angetrie¬ benen Kältemaschine oder Wärmepumpe.
Der Rotor 1 gemäss den Fig. 1 und 2 besteht aus mehreren Scheiben la, lb, lc, ld und trägt zwei beschau¬ felte Laufräder 13 und 14. Jede Laufradstufe des Rotors trägt an ihrem Umfang zellenförmige Gasräume 5, die ei¬ nerseits durch die Schaufeln 15, andererseits durch die Seitenwände begrenzt sind. Die Gasräume 5 sind lediglich am Umfang jeder Stufe offen. Zwecks besseren Wärmeüber¬ ganges zwischen dem Arbeitsmedium und der Sperrflüssig- keit sind in jede Gaszelle Lamellen 6 aus gut wärmelei¬ tendem Material eingebaut, die den Gasraum in mehrere enge Räume 5 unterteilen. Denselben Zweck könnten auch andere Einbauten, z.B. ein Drahtgeflecht, erfüllen. Die einzelnen Gaszellen der beiden Stufen sind durch Ueber- Strömkanäle 7 miteinander verbunden, die je nach Ausle¬ gung der Maschine eine Phasenverschiebung zwischen den Gaszellen zwischen 0 bis ± 110° ermöglichen. In den Ueberströmkanälen ist eine wärmespeichernde, gasdurch¬ lässige Masse mit grosser Wärmekapazität (z.B. ein Drahtgeflecht oder Sintermetall, usw.) als zylinderför- miger Regenerator 8 untergebracht. Das für den Antrieb eines linksläufigen Prozesses (Kältemaschine oder Wärme¬ pumpe) erforderliche Drehmoment kann durch eine Magnet- kupplung 9, bzw. durch einen direkt gekoppelten, in der Zeichnung nicht dargestellten Antriebsmotor, beispiels¬ weise ein Elektromotor oder Dieselmotor, in gasdichter Ausführung zugeführt werden. Bei einem rechtslaufigen Prozess der Kraftmaschine kann das erzeugte Moment durch die Magnetkupplung 9 abgenommen werden bzw. die Maschine kann einen direkt gekoppelten Generator in gasdichter Ausführung antreiben.
Ein Längsschnitt der Kältemaschine oder Wärmepumpe, bzw. einer Kraftmaschine ist in Fig. 3 dargestellt. Das gasdichte, mehrteilige Gehäuse 2a, 2b, 2c umschliesst die beiden Laufradstufen des Rotors, wie auch die gesam¬ te Maschine. Durch die besondere Gehäuseform oder eine geeignete Exzentrizität des Gehäuses bildet die rotie- rende, sich an die Gehäusewandύng anschmiegende Sperr¬ flüssigkeit 18, 19 sowohl in der ersten Stufe 3, wie auch in der zweiten Stufe 4 ein variables Volumen der Gaszellen 5. Als Sperrflüssigkeit kann beispielsweise Wasser, Kältemaschinenöl, geschmolzenes Salz, flüssiges Metall für Hochtemperaturanlagen, Glykol oder Toluol für extrem niedere Temperaturen verwendet werden. Das Gehäu¬ se 2a, 2b, 2c ist derartig geformt, dass das maximale Gasvolumen der ersten Stufe und dasjenige der zweiten Stufe phasenverschoben sind. Dieselbe Wirkung kann auch durch ein rundes, exzentrisch gelagertes Gehäuse, wel¬ ches stillsteht oder rotiert, erreicht werden. Dadurch kann das Arbeitsmedium durch die Ueberströmkanäle 7 und den Regenerator 8 von einer Stufe in die andere hinüber¬ strömen. Zwischen dem Gehäuse der ersten und der zweiten Stufe ist eine Wärmeisolation 10 angebracht. Das Gehäuse 2a, 2b, 2c der ersten und der zweiten Stufe ist zwecks besserem Wärmeaustausch mit Rippen 11 versehen. Je nach Situation kann der Wärmeaustausch auch durch Ummantelung vom Gehäuse 2a, 2b, 2c und eine darin strömende Wärme- trägerflüssigkeit erfolgen, bzw. durch Teilentnahme der Sperrflüssigkeit 3 und 4 und ihre Erwärmung oder Kühlung in zwei externen Wärmeaustauschern. Im weiteren sind aus dieser Figur noch Lager 16 und 17 ersichtlich. Spannrin- ge resp. Mitnehmer spannen einerseits das Laufrad zusam¬ men und nehmen es andererseits mit. Sie sind mit der zweiteiligen Welle verschweisst.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt gemäss Linie IV-IV der Fig. 3 durch die erste Stufe 3 der Maschine und Fig. 5 einen Querschnitt gemäss Linie V-V der Fig. 3 durch die zweite Stufe 4. Das im Querschnitt ellipsenähnliche Gehäuse 2a, 2b der beiden Stufen 3, 4 ist so geformt, damit der darin rotierende, exzentrische Flüssigkeits¬ ring 18, 19 das Volumen der Gaszellen während der Rota- tion der Laufräder der jeweiligen Stufe entsprechend der Anforderungen des Stirling-Kreisprozesses verändert. Da¬ mit das Gas von einer Stufe zu der anderen durch die Ueberstromkanale 7 und den Regenerator 8 durchströmen kann, ist das Gehäuse der zweiten Stufe phasenverschoben zu dem der ersten Stufe angeordnet. Mit 20 ist die Ro¬ torachse bezeichnet. Die durch die Sperrflüssigkeit ge¬ bildeten Flüssigkeitsringe 18, 19, die während der Rota¬ tion der Maschine entstehen, bilden variable Gasräume in den beiden Stufen 3, 4 des Laufrades, wobei die variab- len Gasräume die Verdichtung und die Entspannung des Ar¬ beitsmediums wie auch dessen Verschiebung durch die Re¬ generatoren 8 ermöglichen. Die Sperrflüssigkeit dichtet zugleich die einzelnen Gasräume gegeneinander ab. Bei der Ausführung mit rotierendem Gehäuse ist dieses im Querschnitt kreisrund, jedoch exzentrisch zum Rotor ge¬ lagert.
Fig. 6a zeigt den Prozess einer Kältemaschine, bzw. Wärmepumpe im p,V-Diagramm. Die Fig. 6b - e zeigen sche¬ matisch die Funktionsweise der Maschine, wenn sie als Kältemaschine oder als Wärmepumpe arbeitet. Während ei¬ ner ersten Vierteldrehung des Rotors wird das Gas in der ersten Stufe 3 entlang der Umfangsstrecke A-B verdich¬ tet. Dank der wirksamen Kühlung durch die Sperrflüssig- keit 18, 19 und Lamellen 6 kann die Verdichtung nahezu isotherm verlaufen (Fig. 6b) . Durch weitere Drehung des Rotors erfolgt auf dem Teilumfang B-C die isochore Ver¬ schiebung des Arbeitsmediums durch den Ueberstromkanal 7 und den Regenerator 8 in das Laufrad 14 der zweiten Stu- fe 4 (Fig. 6c) . Während dieser Verschiebung wird das Ar¬ beitsmedium durch den Regenerator abgekühlt, wodurch der Gasdruck abnehmen wird. Würde anstelle eines Gases ein Dampf verwendet, so fände im Regenerator eine Kondensa¬ tion statt. Im Laufrad 14 der zweiten Stufe 4 wird das Arbeitsmedium entlang des Teilumfanges C-D durch die äussere Wärmezufuhr bei tiefer Temperatur nahezu iso¬ therm entspannt (Fig. 6d) . Dabei wird dem Arbeitsmedium Wärme bei tiefer Temperatur zugeführt. Durch weitere Drehung des Laufrades erfolgt am Teilumfang D-A die iso- chore Verschiebung des Arbeitdsmediums durch den Ueber¬ stromkanal 7 und den Regenerator 8 in das Laufrad 13 der ersten Stufe 3. Während dieser Verschiebung wird das Ar¬ beitsmedium durch den Regenerator erwärmt und der Druck steigt auf den Anfangswert, welcher vor der Verdichtung herrschte (Fig. 6e) .
Fig. 7a zeigt den Prozess einer Kraftmaschine (Stirling-Motor) im p,V-Diagramm. Die Fig. 7b - e zeigen schematisch die Funktionsweise dieser Maschine, wenn sie als Kraftmaschine (Stirling-Motor) arbeitet. Während ei- ner Vierteldrehung des Rotors wird das Gas in der ersten Stufe 3 entlang der Umfangsstrecke A-B verdichtet (Fig. 7b) . Dank der wirksamen Kühlung durch die Sperrflussig¬ keit 18, 19 und Lamellen 6 kann die Verdichtung nahezu isotherm verlaufen. Durch weitere Drehung des Rotors er- folgt auf dem Teilumfang B-C die isochore Verschiebung des Arbeitsmediums durch den Ueberstromkanal 7 und den Regenerator 8 in das Laufrad der zweiten Stufe 4 (Fig. 7c) . Während dieser Verschiebung wird das Arbeitsmedium durch den Regenerator 8 erwärmt und der Druck des Ar¬ beitsmediums wird ansteigen. Im Laufrad 14 der zweiten Stufe 4 wird das Arbeitsmedium entlang des Teilumfanges C-D durch die äussere Wärmezufuhr bei hoher Temperatur nahezu isotherm entspannt. Dabei wird dem Arbeitsmedium Wärme bei hoher Temperatur zugeführt (Fig. 7d) . Durch weitere Drehung des Laufrades erfolgt am Teilumfang D-A die isochore Verschiebung des Arbeitsmediums durch den Ueberstromkanal 7 und den Regenerator 8 in das Laufrad 13 der ersten Stufe. Während dieser Verschiebung wird das Arbeitsmedium durch den Regenerator gekühlt und sein Druck sinkt auf den Anfangswert, der vor der Verdichtung herrschte (Fig. 7e) .
Ein Längsschnitt durch eine thermisch angetriebene Kältemaschine oder Wärmepumpe ist in der Fig. 8 darge- stellt. In dieser Maschine werden die Prozesse einer
Kältemaschine oder Wärmepumpe und der motorische Prozess eines Stirling-Motores in einer Einheit realisiert. Der Rotor 21a bis 21e besitzt drei Laufräder; das mittlere Laufrad 22 übernimmt die Funktion der ersten Stufe für beide Prozesse, deshalb hat es die doppelte Breite.
Durch die rotierende Sperrflüssigkeit 23 wird dem Ar¬ beitsmedium Wärme abgeführt. Das rechte Laufrad 24 ist die zweite Stufe des motorischen Prozesses (Stirling- Motor) , hier wird durch die Sperrflüssigkeit 25 dem Ar- beitsmedium Wärme bei tieferer Temperatur zugeführt. Das linke Laufrad 26 ist die zweite Stufe der Kältemaschine oder Wärmepumpe, hier wird durch die Sperrflüssigkeit 27 dem Arbeitsmedium Wärme bei hoher Temperatur zugeführt. Das mehrteilige Gehäuse 28a bis 28e ist zwecks intensi- verer Wärmeübertragung mit Rippen 29 versehen; es können jedoch auch externe Kühler und Erhitzer, die direkt der Sperrflüssigkeit Wärme zuführen oder sie kühlen, verwen¬ det werden. Die Stufen der Maschine sind voneinander durch Scheiben 30 und 31 aus wärmeisolierendem Material getrennt. Der motorische Prozess leistet arbeitsmedium- seitig genau soviel Arbeit, wieviel der linksläufige Prozess der Kältemaschine, bzw. der Wärmepumpe arbeits- mediumseitig verbraucht. Von aussen muss dem Rotor nur soviel Arbeit zugeführt werden, die den Reibungsver¬ lusten der gesamten Maschine entspricht. Das dazu erfor¬ derliche Drehmoment kann durch die Magnetkupplung 32, bzw. durch einen direkt mit der Rotorwelle gekuppelten, in der Zeichnung nicht dargestellten Motor in gasdichter Ausführung zugeführt werden. Weiterhin sind aus dieser Figur die UeberStrömkanäle 33, 34, die Regeneratoren 35, 36 sowie die Lager 37 und 38 ersichtlich.
Fig. 9a zeigt den Prozess Kraftmaschine-Kältema¬ schine, bzw. Kraftmaschine-Wärmepumpe (thermisch ange- triebene Wärmepumpe, bzw. Kältemaschine) im p,V-Dia- gramm. Fig. 9b - e zeigen schematisch die Funktionsweise der thermisch angetriebenen Kältemaschine oder Wärmepum¬ pe gemäss Fig. 8. Während einer Vierteldrehung des Ro¬ tors erfolgt am Teilumfang A-B im mittleren Laufrad 22 die Verdichtung des Arbeitsmediums bei gleichzeitiger Wärmeabgabe an die Umgebung (Fig. 9b) . Während dieser Periode sind die Gasräume der Laufräder der zweiten Stufe durch die Sperrflüssigkeit aufgefüllt. Am Teilum¬ fang B-C (rechts) , bzw. B-E (links) erfolgt die isochore Verschiebung des Arbeitsmediums in die Laufräder der zweiten Stufe. Dabei wird das Arbeitsmedium im rechten Regenerator erwärmt, bzw. im linken Regenerator gekühlt (Fig. 9c) . Während einer weiteren Vierteldrehung des Ro¬ tors (Teilumfang C-D, bzw. E-F) erfolgt die Expansion des Arbeitsmediums in beiden Laufrädern der zweiten Stu¬ fe. Dabei muss dem Arbeitsmedium mittels Sperrflüssig¬ keit Wärme zugeführt werden; im linken Laufrad bei tie¬ fer, im rechten Laufrad bei hoher Temperatur (Fig. 9d) . Auf der Strecke D-A (rechts) , bzw. F-A (links) wird das Arbeitsmedium aus den Laufrädern der zweiten Stufe wie¬ der in das Laufrad der ersten Stufe isochor verschoben. Dabei wird das Arbeitsmedium im linken Regenerator er¬ wärmt, bzw. im rechten Regenerator gekühlt (Fig. 9e) . Die erfindungsgemässe Maschine weist mehrere Vor¬ teile gegenüber bekannten Maschinen, die nach dem Stirling-Prozess arbeiten, auf: durch den intensiven Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsmedium und der Sperr¬ flüssigkeit 18, 19; 23 25, 27 erreicht sie beinahe iso- thermische Verdichtung und Entspannung, auch die Ver¬ schiebung des Arbeitsmediums durch den Regenerator 8; 35, 36 wird nahezu isochor erfolgen. Dadurch wird die Arbeitsweise dieser Maschine maximal an den idealen Stirling-Prozess angenähert. Der Flüssigkeitsring 18, 19, 23, 25, 27 dichtet die Gaszellen mit nur minimaler Flüssigkeitsreibung zuverlässig und ohne jeglichen Ver- schleiss dauerhaft ab.

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigkeitsring-Maschine mit einem stillstehen¬ den oder mitrotierten Gehäuse (2a - e; 28a - e) und ei¬ nem im Gehäuse angeordneten Rotor (la - c; 21a - e) , da¬ durch gekennzeichnet, dass der Rotor mindestens zweistu- fig ausgebildet ist und mindestens zwei mit Schaufeln (15) versehene Laufräder (13, 14; 22, 24, 26) umfasst und in den einzelnen Stufen beim Betrieb der Maschine durch eine Sperrflüssigkeit gebildete Flüssigkeitsringe (18, 19; 23, 25, 27) vorhanden sind, die variable Gas- räume in den Stufen des Rotors bilden, wobei die Sperr¬ flüssigkeit die einzelnen Gaεräume voneinander abdichtet und Verbindungskanäle (7; 33, 34) zwischen den einzelnen Stufen mit darin angeordneten Regeneratoren (8; 35, 36) vorhanden sind.
2. Flüssigkeitsring-Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2a - d; 28a - e) mit Rippen (11; 29) versehen ist.
3. Flüssigkeitsring-Maschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ein- zelnen Stufen des Rotors am Gehäuse (2a - d; 28a - e) mindestens ein Wärmeisolator (10; 30, 31) angeordnet ist.
4. Flüssigkeitsring-Maschine nach einem der voran¬ gehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (la - c; 21a - e) mit Lamellen (6) versehen ist.
5. Flüssigkeitsring-Maschine nach einem der voran¬ gehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (la - c; 21a - e) mindestens zwei Scheiben um- fasst.
6. Flüssigkeitsring-Maschine nach einem der voran¬ gehenden Patentansprüche, gekennzeichnet durch eine Mag- netkupplung (9) .
7. Flüssigkeitsring-Maschine nach einem der voran¬ gehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nebenkreislauf angeordnet ist, der die Sperrflüssig¬ keit zu einem Wärmetauscher fördert.
8. Flüssigkeitsring-Maschine nach einem der voran¬ gehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein Gas oder ein Dampf verwendet wird.
9. Flüssigkeitsring-Maschine nach einem der voran¬ gehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (8; 35, 36) beispielsweise aus einem Drahtgeflecht oder einem gesinterten Metall besteht.
10. Flüssigkeitsring-Maschine nach einem der voran- gehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrflüssigkeit beispielsweise aus Wasser, Öl, flüssigem Metall, geschmolzenem Salz, Glykol oder Toluol besteht.
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