WO1993018354A1 - Externally heated, regenerative heating and refrigerating machine - Google Patents

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WO1993018354A1
WO1993018354A1 PCT/DE1993/000192 DE9300192W WO9318354A1 WO 1993018354 A1 WO1993018354 A1 WO 1993018354A1 DE 9300192 W DE9300192 W DE 9300192W WO 9318354 A1 WO9318354 A1 WO 9318354A1
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piston
machine according
pressure vessel
pistons
working volume
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Application number
PCT/DE1993/000192
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German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Hofbauer
Original Assignee
Viessmann Werke Gmbh & Co.
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Publication date
Application filed by Viessmann Werke Gmbh & Co. filed Critical Viessmann Werke Gmbh & Co.
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • F02G1/044Hot 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 having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F02G1/0445Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2250/00Special cycles or special engines
    • F02G2250/18Vuilleumier cycles

Definitions

  • the invention relates to an externally heated, regenerative, heating and cooling machine operating according to the Vuilleumier cycle process according to the preamble of patent claim 1.
  • Such heating and cooling machines have already been developed based on the Vuilleumier cycle, which has been known since 1918, and have among other things. the advantage that these can be operated with helium or hydrogen gas instead of environmentally harmful CFCs.
  • control gear is not a gear which can be used to control the piston movements, but only springs between the piston and the housing, which together with the piston engage in the housing form an oscillatory system.
  • This does not apply directly to a constructive embodiment of such a "Vuilleumier machine” (see also the above-mentioned literature reference), in which the cylinders for the pistons are offset by 90 ° and the pistons are positively coupled to one another by a crank mechanism which just as the basic principle corresponding to the preamble with linear and coaxially movable pistons is considered disadvantageous in that all regenerators and heat exchangers are peripherally assigned to the actual machine, which requires correspondingly complex connection, sealing and also insulation measures.
  • the invention is accordingly based on the object of improving a machine of the generic type in such a way that in practice such a machine, including the necessary heat exchangers and regenerators, in a compact construction for the implementation of the advantageous Vuilleumier cycle process.
  • REPLACEMENT LEAF can be created wisely, which is nevertheless easy and simple to assemble and should be able to intervene in the movement process of the pistons with respect to a power control.
  • This design according to the invention not only has the advantage that all the elements required for carrying out the cyclic process are combined in a single tubular container in a very small space, but these elements can also all be produced from an open side during manufacture or assembly insert it, which is then only suitable for sealing in a pressure-tight manner.
  • this tubular container at the same time, another space for accommodating a control gear is accommodated, namely below the "cold side" of the machine, which has the advantage that all movable elements can be exchanged in the event of damage to be able to carry out from this side of the tubular container.
  • the entire system carrying the operating gas is enclosed in the pressure vessel without any external conduits, which only has to be provided with connections for the two heat transfer medium circuits.
  • the two pistons are provided with piston rods which jointly engage in the space additionally arranged on the cold side, in which currentable and elastic control elements for the piston movements are arranged, the piston rods with their piston rod ends spacing between two corresponding to the maximum piston stroke E-magnets engage and each piston rod end between two against the Compressed springs supported on the walls of the room are clamped, and the piston rod of the piston which limits the hot working volume extends through the piston rod of the other piston, which is designed as a tube, and the ends of the piston rod are provided with two-arm cross arms, each of which is located between E-magnets and compression springs.
  • the compact design is also consistently adhered to and both piston rods are oriented towards the cold side of the machine, on which the common control gear is also located.
  • the heat exchanger delimiting the accommodation space for the control gear is concavely curved towards the piston, as seen from the outside, and the associated piston on the side of the cold working volume is curved accordingly.
  • the heat exchanger which is designed to be pressure-favorable due to the curvature, forms, as it were, a bell that bulges over the additional space, the shape of which also simultaneously forms a relatively large heat transfer area, which is favorable because there are no large temperature openings in this "cold" area.
  • the end wall viewed from the outside, is also concave and the piston is designed to match the shape of the end wall accordingly. Since this end wall is subjected to high temperatures from the burner, this end wall on the burner side is advantageously provided with an annular cooling channel on its peripheral edge, which has corresponding coolant supply and return connections.
  • the "hot” regenerator can also be arranged elsewhere in the pressure vessel on its hot side, an embodiment is preferred in such a way that the "hot” regenerator is integrated in the piston which essentially limits the hot working volume on the piston side. As a result, when the piston is in the highest position, the regenerator comes into direct contact with the end wall and longer feed paths of the hot operating gas to the regenerator are eliminated.
  • the heat exchanger connectable to a heating circuit be arranged on both sides of the overflow opening between the piston liner and the pressure vessel wall and this heat exchanger on the cold side also has the "cold" regenerator in the space between the piston liner and upstream of the pressure vessel wall.
  • the rest of the intermediate space is filled with shape-adapted and easily insertable heat insulation material, keeping the inflow spaces assigned to the overflow openings free.
  • the machine consists in a known manner of a pressure-tight housing 1 with two pistons 2, 3 which are linearly and coaxially movable therein, which together limit a warm working volume 5, and of which one piston 2 in the housing 1 is a hot externally by means of a burner 22 which is subjected to heat (6) and the other piston 3 limits a cold working volume 7, the three variable working volumes 5, 6, 7 being connected to one another with the interposition of regenerators and heat exchangers, and where a control gear S for the pistons 2, 3 is arranged in the housing 1.
  • the housing 1 as rohrför- miger pressure vessel l is 1 formed with supply and return ports 10 to 13 for two heat carrier circuits, and in the pressure vessel 1, all the regenerators 8, 9 and boss ⁇ Exchangers 14, 15 are arranged that further a piston liner 16 with overflow openings 17, 18, 19 leading to the working volumes 5, 6, 7 is arranged in the pressure vessel 1 ', and that in the pressure vessel 1' the heat exchanger 15 for the one heat transfer medium on the one hand cold working volume 7 and on the other hand delimits a space 70 in which the control gear S which is operatively connected to the pistons 2, 3 is arranged.
  • the hot and cold working volumes 6, 7 cannot be seen in FIG.
  • FIGS. 7A-J in which the individual movement processes of the two pistons 2, 3 are shown, each with an adjacent pv diagram , in which the pressure orientations in the working volumes are indicated with corresponding arrows.
  • EHAATZBLAF lie and illustrated only schematically in Fig. 7 machine.
  • the "hot" regenerator 8 is integrated in the manner shown in the piston 2, which limits the hot working volume 6. Behind or below the regenerator 8, a channel 8 ′ ensures that the hot operating gas flows out to the overflow openings 17 to the heat exchanger 14 and into the warm working volume 5.
  • the end wall 23 facing the burner 22 is concave, as seen from the outside, and the piston 2 with its integrated regenerator 8 is adapted to this shape of the end wall 23 accordingly.
  • the connecting wall 23 assumes a high temperature, it is, as shown, provided with an annular cooling channel 24, the supply and return connections 24 'of which are integrated in a suitable manner in a heating circuit, but which are also connected to a separate circuit can.
  • the heat exchanger 15 delimiting the space 70 on the cold side KS is also concave towards the piston 3, seen from the outside, and likewise the piston 3 on the side of the cold working volume 7.
  • the curvature of the heat exchanger 15 is at least in the peripheral edge regions are kept somewhat smaller than that of the surface of the piston 2 facing it, so that the operating gas is quasi squeezed out
  • a partition wall 32 provided with through-flow openings, which also divides the inflow space 26 to the heat exchanger 14, can advantageously, but not necessarily, be arranged centrally and stationary in the warm working volume 5 between the pistons 2, 3, and in whose flow-through openings additional regenerators 33 are arranged.
  • the heat exchanger 14 which can be connected to a heating circuit is arranged on both sides of the overflow opening 18 between the piston liner 16 and the pressure vessel wall 1 "and this heat exchanger 14 on the cold side KS of the" cold "regenerator 9 also in the intermediate space 25 of the piston run - Bush 16 and the pressure vessel wall 1 "is connected upstream.
  • the remaining free spaces in the intermediate space 25 are filled with heat insulation material 27 while keeping the inflow spaces 26 assigned to the overflow openings 17, 18, 19 free, which, correspondingly preformed and dimensionally stable, like all other elements when the machine is assembled, is simply placed in the pressure vessel 1 'is inserted.
  • the two pistons 2, 3 are provided with piston rods 20, 21, which together engage in the space 70 in which currentable and elastic control elements for the piston movements are arranged.
  • the piston rods 20, 21 engage with their piston rod ends 20 ', 21' between two E-magnets 28, 29 which are spaced apart according to the maximum piston stroke H.
  • Each piston rod end 20 ', 21' is arranged clamped between two compression springs 30, 31 supported against the walls of the space 70, the piston rod 20 of the piston 2 delimiting the hot working volume 6 being the piston designed as a tube engages rod rod 21 of the other piston 3, and the piston rod ends 20 ', 21' are provided with two-arm cross arms 20 ", 21", ie, only these cross arms 20 ", 21” engage in each case between the E magnets 28, 29 and the compression springs 30, 31 in the exemplary embodiment.
  • Both pistons 2, 3 go up. If the highest position is reached, the upper piston 2 is held in place and the lower piston 3 goes down. When this has reached its lowest position, in which it is held, the upper piston 2 is released and moves to the lower piston 3, after which both pistons 2, 3 go up together again, etc. As can be easily imagined, one can click on them Intervene in a way that regulates the piston movements and thus regulate the output, because without having to change the external heat input through the burner 22, the holding period of the pistons 2, 3 can be changed by appropriately controlled energization of the e-magnets 28, 29.
  • the gas burner 22 is designed in the form of a mushroom-head burner, to which a heat exchanger 28 provided with spiral chambers (see FIG. 4) is assigned, on the one hand the hot exhaust gases flow through and on the other hand a cooling medium (heating water) and the fuel-air mixture for the burner, as is illustrated in FIG. 4 by corresponding arrows.
  • a heat exchanger 28 provided with spiral chambers (see FIG. 4) is assigned, on the one hand the hot exhaust gases flow through and on the other hand a cooling medium (heating water) and the fuel-air mixture for the burner, as is illustrated in FIG. 4 by corresponding arrows.
  • the base carrying the heat exchanger 15 is in the illustrated embodiment
  • This embodiment is characterized in that the piston running surface 16 according to FIG. 1 here is designed as a heat exchange wall 16 'between the heat transfer media and the gas side and with this wall 16' in the region of the piston 3 on the cold side on the gas side includes the regenerator 9 and the other separates the spaces 50, 50 'carrying heat transfer media from one another.
  • the wall 16 'in the exemplary embodiment is provided with helical gears 51 which are pronounced with respect to the pressure vessel wall 1 ".
  • regenerator 8 is also integrated in the piston 2. However, it is also possible to arrange the regenerator 8 stationary there instead of the upper heat insulation 27.

Abstract

An externally heated, regenerative heating and refrigerating machine working according to the Vuilleumier cyclic process has a pressure-tight housing (1) with two linearly and coaxially movable pistons (2, 3) arranged therein that delimit together a warm working volume (5). One of the pistons (2) delimits in the housing (1) a hot working volume (7) externally supplied with heat (6) by means of a burner (22) and the other piston (3) delimits a cold working volume (7). All three variable working volumes (5, 6, 7) communicate with each other through intermediate regenerators and heat exchangers. A control gear (S) for the pistons (2, 3) is arranged in the housing (1). The housing (1) is designed as a tubular pressure vessel (1') with forward and return flow connecting branches (10 to 13) for two heat transfer circuits. All regenerators (8, 9) and heat exchangers (14, 15) are arranged within the pressure vessel (1'). A piston bushing (16) with overflow openings (17, 18, 19) that lead to the working volumes (5, 6, 7) is also arranged in the pressure vessel (1'). The heat exchanger (15) for one of the heat transfer media delimits the cold working volume (7) on the one side and on the other side it delimits a space (70) in which is arranged the control gear (S) that cooperates with the piston (2, 3).

Description

Außenbeheizte, regenerative Wärme- und Kältemaschine Externally heated, regenerative heating and cooling machine
Die Erfindung betrifft eine außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältema¬ schine gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an externally heated, regenerative, heating and cooling machine operating according to the Vuilleumier cycle process according to the preamble of patent claim 1.
Derartige Wärme- und Kältemaschinen sind, basierend auf dem schon seit 1918 bekannten Vuilleumier-Kreisprozeß, bereits entwickelt worden und haben u.a. den Vorteil, daß diese an¬ stelle von umweltschädlichem FCKW mit Helium oder Wasser¬ stoffgas betrieben werden können.Such heating and cooling machines have already been developed based on the Vuilleumier cycle, which has been known since 1918, and have among other things. the advantage that these can be operated with helium or hydrogen gas instead of environmentally harmful CFCs.
Bezüglich des Vuilleumier-Kreisprozesses und dessen kon- strukti-ven Verwirklichungsmöglichkeiten wird auf die DE-Z: gwf-gas/erd-gas 127(1986) Heft 5, Seiten 205-210 verwiesen.Regarding the Vuilleumier cycle process and its constructive implementation possibilities, reference is made to DE-Z: gwf-gas / erd-gas 127 (1986) No. 5, pages 205-210.
Beim im Oberbegriff des Patentanspruches 1 erwähnten "Steuer¬ getriebe" handelt es sich allerdings nicht um ein Getriebe, mit dem steuernd in die Kolbenbewegungen eingegriffen werden kann, sondern lediglich um Federn zwischen Kolben und Ge¬ häuse, die gemeinsam mit den Kolben im Gehäuse ein schwingungsfähiges System bilden. Dies gilt nicht direkt für eine konstruktive Ausführungsform einer solchen "Vuilleumier- Maschine" (siehe ebenfalls die oben genannte Literatur¬ stelle), bei der die Zylinder für die Kolben um 90° versetzt und die Kolben miteinander durch einen Kurbeltrieb zwangsge¬ koppelt sind, die genauso wie das dem Oberbegriff entspre¬ chende Grundprinzip mit linear und koaxial beweglichen Kolben insofern als nachteilig angesehen wird, als hierbei sämtliche Regeneratoren und Wärmetauscher der eigentlichen Maschine pe- ripher zugeordnet sind, was entsprechend aufwendige Anschluß- , Abdichtungs- und auch Isolationsmaßnahmen erfordert.However, the "control gear" mentioned in the preamble of claim 1 is not a gear which can be used to control the piston movements, but only springs between the piston and the housing, which together with the piston engage in the housing form an oscillatory system. This does not apply directly to a constructive embodiment of such a "Vuilleumier machine" (see also the above-mentioned literature reference), in which the cylinders for the pistons are offset by 90 ° and the pistons are positively coupled to one another by a crank mechanism which just as the basic principle corresponding to the preamble with linear and coaxially movable pistons is considered disadvantageous in that all regenerators and heat exchangers are peripherally assigned to the actual machine, which requires correspondingly complex connection, sealing and also insulation measures.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Ma¬ schine der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, daß für die Umsetzung des vorteilhaften Vuilleumier-Kreisprozes¬ ses in der Praxis eine solche Maschine einschließlich der notwendigen Wärmetauscher und Regeneratoren in kompakter Bau-The invention is accordingly based on the object of improving a machine of the generic type in such a way that in practice such a machine, including the necessary heat exchangers and regenerators, in a compact construction for the implementation of the advantageous Vuilleumier cycle process.
ERaATZBLATT weise erstellt werden kann, die dabei trotzdem leicht und einfach zusammenbaubar sein und die Möglichkeit bieten soll, bezgl. einer Leistungsregelung in den Bewegungsvorgang der Kolben eingreifen zu können.REPLACEMENT LEAF can be created wisely, which is nevertheless easy and simple to assemble and should be able to intervene in the movement process of the pistons with respect to a power control.
Diese Aufgabe ist mit einer Maschine der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Pa¬ tentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.This object is achieved with a machine of the type mentioned at the outset according to the invention by the features stated in the characterizing part of patent claim 1. Advantageous further developments result from the subclaims.
Diese erfindungsgemäße Ausbildung hat nicht nur den Vorteil, daß alle für die Durchführung des Kreisprozesses notwendigen Elemente auf engstem Raum in einem einzigen rohrförmigen Be¬ hälter zusammengefaßt sind, sondern diese Elemente lassen sich auch bei der Herstellung bzw. Montage alle von einer noch offenen Seite her einschieben, die dann in geeigneter Weise nur noch druckdicht zu verschließen ist. In diesem rohrförmigen Behälter ist dabei gleichzeitig ein weiterer Raum für die Unterbringung eines Steuergetriebes mit unterge¬ bracht, und zwar unterhalb der "kalten Seite" der Maschine, was mit dem Vorteil verbunden ist, bei einem evtl. Schadens¬ fall eine Austauschbarkeit aller beweglichen Elemente von dieser Seite des rohrförmigen Behälters her vornehmen zu kön¬ nen. In Konsequenz dieser erfindungsgemäßen Bauweise ist das ganze das Betriebsgas führende System ohne diesbezügliche äu¬ ßere Leitunsführungen im Druckbehälter eingeschlossen, der lediglich mit Anschlüssen für die beiden Wärmeträgerme- diumskreise versehen werden muß.This design according to the invention not only has the advantage that all the elements required for carrying out the cyclic process are combined in a single tubular container in a very small space, but these elements can also all be produced from an open side during manufacture or assembly insert it, which is then only suitable for sealing in a pressure-tight manner. In this tubular container, at the same time, another space for accommodating a control gear is accommodated, namely below the "cold side" of the machine, which has the advantage that all movable elements can be exchanged in the event of damage to be able to carry out from this side of the tubular container. As a consequence of this design according to the invention, the entire system carrying the operating gas is enclosed in the pressure vessel without any external conduits, which only has to be provided with connections for the two heat transfer medium circuits.
Vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Maschine bestehen in folgendem:Advantageous configurations of such a machine consist in the following:
Die beiden Kolben sind mit Kolbenstangen versehen, die ge¬ meinsam in den zusätzlich auf der kalten Seite angeordneten Raum eingreifen, in dem bestrombare und elastische Steuerele¬ mente für die Kolbenbewegungen angeordnet sind, wobei die Kolbenstangen mit ihren Kolbenstangenenden zwischen zwei dem maximalen Kolbenhub entsprechend distanzierte E-Magnete ein¬ greifen und jedes Kolbenstangenende zwischen zwei gegen die Wände des Raumes abgestützte Druckfedern eingespannt angeord¬ net sind, und wobei ferner die Kolbenstange des das heiße Ar¬ beitsvolumen begrenzenden Kolbens die als Rohr ausgebildete Kolbenstange des anderen Kolbens durchgreift und die Kolben¬ stangenenden mit zweiarmigen Querauslegern versehen sind, die jeweils zwischen E-Magnete und Druckfedern greifen. Abgesehen davon, daß aufgrund dieser Ausgestaltung auf elegante Weise die Bewegungsablauf der Kolben zwecks Leistungsregelung der Maschine gesteuert werden kann, ist auch hiermit konsequent die kompakte Bauweise eingehalten und beide Kolbenstangen sind zur kalten Seite der Maschine orientiert, auf der sich auch das gemeinsame Steuergetriebe befindet.The two pistons are provided with piston rods which jointly engage in the space additionally arranged on the cold side, in which currentable and elastic control elements for the piston movements are arranged, the piston rods with their piston rod ends spacing between two corresponding to the maximum piston stroke E-magnets engage and each piston rod end between two against the Compressed springs supported on the walls of the room are clamped, and the piston rod of the piston which limits the hot working volume extends through the piston rod of the other piston, which is designed as a tube, and the ends of the piston rod are provided with two-arm cross arms, each of which is located between E-magnets and compression springs. In addition to the fact that, due to this design, the movement of the pistons can be controlled in an elegant manner for the purpose of regulating the power of the machine, the compact design is also consistently adhered to and both piston rods are oriented towards the cold side of the machine, on which the common control gear is also located.
Der den Unterbringungsraum für das Steuergetriebe begrenzende Wärmetauscher ist zum Kolben hin, von außen gesehen, konkav gewölbt und der zugehörige Kolben auf der Seite des kalten Arbeitsvolumens ist entsprechend gewölbt ausgebildet. Der so¬ mit durch die Wölbung druckgünstig gestaltete Wärmetauscher bildet gewissermaßen eine den zusätzlichen Raum überwölbende Glocke, durch deren Form auch gleichzeitig eine relativ große Wärmeübertragungsfläche gebildet wird, die insofern günstig ist, weil in diesem "kalten" Bereich keine großen Temperatur¬ öffnungen vorliegen. Ebenfalls im Interesse einer möglichst großen Wärmeübertragungsfläche und einer druckstabilen Ausbildung der Stirnfläche des Druckbehälters auf der heißen Seite ist die Abschlußwand, von außen gesehen, ebenfalls kon¬ kav gewölbt und der Kolben an diese Wölbungsform der Ab¬ schlußwand entsprechend angepaßt ausgebildet. Da diese Ab¬ schlußwand vom Brenner aus mit hohen Temperaturen be¬ aufschlagt wird, ist vorteilhaft diese brennerseitige Ab¬ schlußwand an ihrem Umfangsrand mit einem ringförmigen Kühl¬ kanal versehen, der entsprechend Kühlmittelvor- und -rück- laufanschlüsse aufweist.The heat exchanger delimiting the accommodation space for the control gear is concavely curved towards the piston, as seen from the outside, and the associated piston on the side of the cold working volume is curved accordingly. The heat exchanger, which is designed to be pressure-favorable due to the curvature, forms, as it were, a bell that bulges over the additional space, the shape of which also simultaneously forms a relatively large heat transfer area, which is favorable because there are no large temperature openings in this "cold" area. Likewise in the interest of the largest possible heat transfer area and a pressure-stable design of the end face of the pressure vessel on the hot side, the end wall, viewed from the outside, is also concave and the piston is designed to match the shape of the end wall accordingly. Since this end wall is subjected to high temperatures from the burner, this end wall on the burner side is advantageously provided with an annular cooling channel on its peripheral edge, which has corresponding coolant supply and return connections.
Abgesehen davon, daß der "heiße" Regenerator auch an anderer Stelle im Druckbehälter auf dessen heißer Seite angeordnet werden kann, wird aber eine Ausgestaltung dahingehend bevor¬ zugt, daß der "heiße" Regenerator in dem Kolben integriert ist, der im wesentlichen kolbenseitig das heiße ArbeitsVolu¬ men begrenzt. Dadurch kommt in Höchststellung dieses Kolbens der Regenerator in Direktkontakt mit der Abschlußwand und längere Zufuhrwege des heißen Betriebsgases zum Regenerator entfallen.Apart from the fact that the "hot" regenerator can also be arranged elsewhere in the pressure vessel on its hot side, an embodiment is preferred in such a way that the "hot" regenerator is integrated in the piston which essentially limits the hot working volume on the piston side. As a result, when the piston is in the highest position, the regenerator comes into direct contact with the end wall and longer feed paths of the hot operating gas to the regenerator are eliminated.
Ebenfalls im Sinne kurzer Strömungswege und einer kompakten Bauweise ist vorgesehen, den an einen Heizkreis an¬ schließbaren Wärmetauscher beidseitig zur Überströmöffnung zwischen der Kolbenlaufbüchse und der Druckbehälterwand anzu¬ ordnen und diesem Wärmetauscher auf der Kaltseite den "kalten" Regenerator ebenfalls im Zwischenraum der Kolben¬ laufbüchse und der Druckbehälterwand vorzuschalten. Der rest¬ liche Zwischenraum wird dabei unter Freihaltung von den Über- strömδffnungen zugeordneten Zuströmräumen mit formangepaßtem und einfach einfügbarem Wärmeisolationsmaterial ausgefüllt.Also in the sense of short flow paths and a compact design, it is provided that the heat exchanger connectable to a heating circuit be arranged on both sides of the overflow opening between the piston liner and the pressure vessel wall and this heat exchanger on the cold side also has the "cold" regenerator in the space between the piston liner and upstream of the pressure vessel wall. The rest of the intermediate space is filled with shape-adapted and easily insertable heat insulation material, keeping the inflow spaces assigned to the overflow openings free.
Die erfindungsgemäße, regenerative Wärme- und Kältemaschine einschließlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The regenerative heating and cooling machine according to the invention, including further advantageous refinements, will be explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments.
Es zeigt schematischIt shows schematically
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Wärme- und Kältema schine? 1 shows a longitudinal section through the heat and cold machine ?
Fig. 2, 3 bauliche Einzelheiten bezüglich der Steuerelemente;Fig. 2, 3 structural details regarding the controls;
Fig. 4 im Schnitt einen der Maschine bzw. dem Brenner zuzuordnenden Luftvorwärmer;4 shows an air preheater to be assigned to the machine or the burner,
Fig. 5 vergrößert einen Schnitt durch eine besondere Aus- führungsform des warmen Arbeitsvolumens;5 shows an enlarged section through a special embodiment of the warm working volume;
E -SÄΓZBLÄΠΓ Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere und bevorzugte Ausführungsform der Maschine undE -S Ä ΓZBLÄΠΓ Fig. 6 shows a section through a further and preferred embodiment of the machine and
Fig. 7A-M die Bewegungsschemata der Kolben, jeweils in Ver¬ bindung mit dem p-v-Diagramm.7A-M the movement diagrams of the pistons, in each case in connection with the p-v diagram.
Unter Bezug auf Fig. 1 besteht die Maschine in bekannter Weise aus einem druckdichten Gehäuse 1 mit zwei darin linear und koaxial beweglichen Kolben 2, 3, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen 5 begrenzen, und von denen der eine Kolben 2 im Gehäuse 1 ein heißes, von außen mittels eines Brenners 22 mit Wärme beaufschlagtes (6) und der andere Kolben 3 ein kal¬ tes Arbeitsvolumen 7 begrenzt, wobei die drei veränderlichen Arbeitsvolumina 5, 6, 7 unter Zwischenschaltung von Regenera¬ toren und Wärmetauschern miteinander verbunden sind, und wo¬ bei im Gehäuse 1 ein Steuergetriebe S für die Kolben 2, 3 an¬ geordnet ist. Für eine solche Maschine ist nun zur Lösung der gestellten Aufgabe wesentlich, daß das Gehäuse 1 als rohrför- miger Druckbehälter l1 mit Vor- und Rücklaufanschlüssen 10 bis 13 für zwei Wärmeträgerkreise ausgebildet ist, und im Druckbehälter 1 sämtliche Regeneratoren 8, 9 und Wärme¬ tauscher 14, 15 angeordnet sind, daß ferner im Druckbehälter 1' eine Kolbenlaufbüchse 16 mit zu den Arbeitsvolumina 5, 6, 7 führenden Überströmöffnungen 17, 18, 19 angeordnet ist, und daß im Druckbehälter 1 ' der Wärmetauscher 15 für das eine Wärmeträgermedium einerseits das kalte Arbeitsvolumen 7 und andererseits einen Raum 70 begrenzt, in dem das mit den Kol¬ ben 2, 3 in Wirkverbindung stehende Steuergetriebe S an¬ geordnet ist. Bei den dargestellten Kolbenpositionen sind in Fig. 1 die heißen und kalten ArbeitsVolumina 6, 7 nicht erkennbar, wohl aber in Fig. 7A-J, in denen die einzelnen Bewegungsvorgänge der beiden Kolben 2, 3 dargestellt und zwar jeweils mit einem nebenstehenden p-v-Diagramm, in denen die Druckorientierungen in den Arbeitsvolumina mit entsprechenden Pfeilen verdeutlicht sind. Aus Übersichtsgründen sind hierbei die Regeneratoren 8, 9 und die Wärmetauscher 14, 15 ein¬ schließlich des WT's, dem von außen Wärme zugeführt wird, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 neben der eigent-With reference to FIG. 1, the machine consists in a known manner of a pressure-tight housing 1 with two pistons 2, 3 which are linearly and coaxially movable therein, which together limit a warm working volume 5, and of which one piston 2 in the housing 1 is a hot externally by means of a burner 22 which is subjected to heat (6) and the other piston 3 limits a cold working volume 7, the three variable working volumes 5, 6, 7 being connected to one another with the interposition of regenerators and heat exchangers, and where a control gear S for the pistons 2, 3 is arranged in the housing 1. For such a machine is now to achieve the object, essential that the housing 1 as rohrför- miger pressure vessel l is 1 formed with supply and return ports 10 to 13 for two heat carrier circuits, and in the pressure vessel 1, all the regenerators 8, 9 and Wärme¬ Exchangers 14, 15 are arranged that further a piston liner 16 with overflow openings 17, 18, 19 leading to the working volumes 5, 6, 7 is arranged in the pressure vessel 1 ', and that in the pressure vessel 1' the heat exchanger 15 for the one heat transfer medium on the one hand cold working volume 7 and on the other hand delimits a space 70 in which the control gear S which is operatively connected to the pistons 2, 3 is arranged. In the piston positions shown, the hot and cold working volumes 6, 7 cannot be seen in FIG. 1, but they can be seen in FIGS. 7A-J, in which the individual movement processes of the two pistons 2, 3 are shown, each with an adjacent pv diagram , in which the pressure orientations in the working volumes are indicated with corresponding arrows. For reasons of clarity, the regenerators 8, 9 and the heat exchangers 14, 15 including the heat exchanger, to which heat is supplied from the outside, in contrast to the exemplary embodiment in FIG.
EHaATZBLATT liehen und in Fig. 7 nur schematisch dargestellten Maschine verdeutlicht.EHAATZBLAF lie and illustrated only schematically in Fig. 7 machine.
Die beim Betrieb der Maschine stattfindenden Strömungen sowohl des Betriebsmittelgases als auch der Wärmeträgermedien in den anzuschließenden Heiz- und Kühlkreisen, die nicht dar¬ gestellt sind, bedürfen keiner näheren Erläuterung, da sich diesbezüglich nichts anderes ergibt, als beim bekannten Vuilleumier-Prozeß.The flows of both the operating medium gas and the heat transfer media in the heating and cooling circuits to be connected, which are not shown, do not require any further explanation, since nothing else arises in this regard than in the known Vuilleumier process.
Beim dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der "heiße" Regenerator 8 in dargestellter Art in den Kolben 2 integriert, der das heiße Arbeitsvolumen 6 begrenzt. Hinter bzw. unter dem Regenerator 8 sorgt ein Kanal 8' für eine Ab- strömung des heißen Betriebsgases zu den Überströmöffnungen 17 zum Wärmetauscher 14 und in das warme Arbeitsvolumen 5.In the illustrated and preferred embodiment, the "hot" regenerator 8 is integrated in the manner shown in the piston 2, which limits the hot working volume 6. Behind or below the regenerator 8, a channel 8 ′ ensures that the hot operating gas flows out to the overflow openings 17 to the heat exchanger 14 and into the warm working volume 5.
Aus den genannten Gründen ist die dem Brenner 22 gegen¬ überstehende Absσhlußwand 23, von außen gesehen, konkav ge¬ wölbt, und der Kolben 2 ist mit seinem integrierten Re¬ generator 8 an diese Wölbungsform der Abschlußwand 23 ent¬ sprechend angepaßt.For the reasons mentioned, the end wall 23 facing the burner 22 is concave, as seen from the outside, and the piston 2 with its integrated regenerator 8 is adapted to this shape of the end wall 23 accordingly.
Da die Anschlußwand 23 eine hohe Temperatur annimmt, ist diese, wie dargestellt, mit einem ringförmigen Kühlkanal 24 versehen, dessen Vor- und Rücklaufanschlüsse 24' in geeigne¬ ter Weise in einen Heizkreis eingebunden sind, die aber auch mit einem eigenen Kreis in Verbindung stehen können.Since the connecting wall 23 assumes a high temperature, it is, as shown, provided with an annular cooling channel 24, the supply and return connections 24 'of which are integrated in a suitable manner in a heating circuit, but which are also connected to a separate circuit can.
Der den Raum 70 auf der kalten Seite KS begrenzende Wär¬ metauscher 15 ist zum Kolben 3 hin, von außen gesehen, eben¬ falls konkav gewölbt und ebenso der Kolben 3 auf der Seite des kalten Arbeitsvolumens 7. Die Krümmung des Wärmetauschers 15 ist mindestens in den Umfangsrandbereichen etwas geringer gehalten als die der diesem zugewandte Fläche des Kolbens 2, wodurch gewissermaßen per Quetschströmung das Betriebsgas ausThe heat exchanger 15 delimiting the space 70 on the cold side KS is also concave towards the piston 3, seen from the outside, and likewise the piston 3 on the side of the cold working volume 7. The curvature of the heat exchanger 15 is at least in the peripheral edge regions are kept somewhat smaller than that of the surface of the piston 2 facing it, so that the operating gas is quasi squeezed out
ERSATZBLATT dem kalten Arbeitsvolumen 7 abgeführt und dem Regenerator 9 zugeführt wird.REPLACEMENT LEAF discharged to the cold working volume 7 and fed to the regenerator 9.
Unter Verweis auf Fig. 5 kann vorteilhaft, muß aber nicht zwingend, mittig und stationär im warmen Arbeitsvolumen 5 zwischen den Kolben 2, 3 eine mit Durchströmöffnungen verse¬ hene Trennwand 32 angeordnet sein, die auch den Zuströmraum 26 zum Wärmetauscher 14 teilt, und in deren Durchströmöffnun¬ gen zusätzliche Regeneratoren 33 angeordnet sind. Vorausset¬ zung dafür ist, daß der an einen Heizkreis anschließbare Wär¬ metauscher 14 beidseitig zur Überströmöffnung 18 zwischen der Kolbenlaufbüchse 16 und der Druckbehälterwand 1" angeordnet und diesem Wärmetauscher 14 auf der Kaltseite KS der "kalte" Regenerator 9 ebenfalls im Zwischenraum 25 der Kolbenlauf- büchse 16 und der Druckbehälterwand 1" vorgeschaltet ist.With reference to FIG. 5, a partition wall 32 provided with through-flow openings, which also divides the inflow space 26 to the heat exchanger 14, can advantageously, but not necessarily, be arranged centrally and stationary in the warm working volume 5 between the pistons 2, 3, and in whose flow-through openings additional regenerators 33 are arranged. A prerequisite for this is that the heat exchanger 14 which can be connected to a heating circuit is arranged on both sides of the overflow opening 18 between the piston liner 16 and the pressure vessel wall 1 "and this heat exchanger 14 on the cold side KS of the" cold "regenerator 9 also in the intermediate space 25 of the piston run - Bush 16 and the pressure vessel wall 1 "is connected upstream.
Die Restfreiräume im Zwischenraum 25 sind unter Freihaltung der den Überströmöffnungen 17, 18, 19 zugeordneten Zuström¬ räumen 26 mit Wärmeisolationsmaterial 27 ausgefüllt, das, entsprechend vorgeformt und formstabil, wie alle anderen Ele¬ mente beim Zusammenbau der Maschine einfach in den Druckbe¬ hälter 1' eingeschoben wird.The remaining free spaces in the intermediate space 25 are filled with heat insulation material 27 while keeping the inflow spaces 26 assigned to the overflow openings 17, 18, 19 free, which, correspondingly preformed and dimensionally stable, like all other elements when the machine is assembled, is simply placed in the pressure vessel 1 'is inserted.
Ohne die kompakte Bauweise der Maschine zu beeinträchtigen, sind die beiden Kolben 2, 3 mit Kolbenstangen 20, 21 verse¬ hen, die gemeinsam in den Raum 70 eingreifen, in dem be- strombare und elastische Steuerelemente für die Kolben¬ bewegungen angeordnet sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, grei¬ fen dabei die Kolbenstangen 20, 21 mit ihren Kolben¬ stangenenden 20', 21' zwischen zwei dem maximalen Kolbenhub H entsprechend distanzierte E-Magnete 28, 29 ein. Jedes Kolben¬ stangenende 20', 21' ist dabei zwischen zwei gegen die Wände des Raumes 70 abgestützte Druckfedern 30, 31 eingespannt an¬ geordnet, wobei die Kolbenstange 20 des das heiße Arbei sVo¬ lumen 6 begrenzenden Kolbens 2 die als Rohr ausgebildete Kol¬ benstange 21 des anderen Kolbens 3 durchgreift, und die Kol¬ benstangenenden 20', 21' mit zweiarmigen Querauslegern 20", 21" versehen sind, d.h., erst diese Querausleger 20", 21" greifen beim Ausführungsbeispiel jeweils zwischen die E- Magnete 28, 29 und die Druckfedern 30, 31 ein.Without affecting the compact design of the machine, the two pistons 2, 3 are provided with piston rods 20, 21, which together engage in the space 70 in which currentable and elastic control elements for the piston movements are arranged. As can be seen from FIG. 1, the piston rods 20, 21 engage with their piston rod ends 20 ', 21' between two E-magnets 28, 29 which are spaced apart according to the maximum piston stroke H. Each piston rod end 20 ', 21' is arranged clamped between two compression springs 30, 31 supported against the walls of the space 70, the piston rod 20 of the piston 2 delimiting the hot working volume 6 being the piston designed as a tube engages rod rod 21 of the other piston 3, and the piston rod ends 20 ', 21' are provided with two-arm cross arms 20 ", 21", ie, only these cross arms 20 ", 21" engage in each case between the E magnets 28, 29 and the compression springs 30, 31 in the exemplary embodiment.
Bei entsprechend programmgesteuerter Bestromung der E-Magnete 28, 29 ist es auf diese Weise möglich, in den Be¬ wegungsvorgang der beiden Kolben 2, 3 einzugreifen, und es können auch gleichzeitig die unvermeidbaren Reibungsverluste in der Maschine kompensiert werden. Um die zuzuführende Steuerungsenergie so niedrig wie möglich zu halten, werden vorteilhaft die notwendigen und steuerbaren E-Magnete 28, 29 mit Permanentmagneten (nicht dargestellt) kombiniert, so daß sich die gesteuerte Bestromung der E-Magnete 28, 29 nur auf die Kolbenstellungen bzw. Bewegungsphasen beschränkt, in denen die Kolben 2, 3 festgehalten werden. Durch diese Aus¬ bildung ist die Maschine wie folgt betreibbar, wobei von ei¬ ner Mittellage (Warmvolumen 5 = 0) ausgegangen sei (siehe Fig. 7A-J):With correspondingly program-controlled energization of the E-magnets 28, 29, it is possible in this way to intervene in the movement process of the two pistons 2, 3, and the unavoidable friction losses in the machine can also be compensated for at the same time. In order to keep the control energy to be supplied as low as possible, the necessary and controllable e-magnets 28, 29 are advantageously combined with permanent magnets (not shown), so that the controlled energization of the e-magnets 28, 29 only affects the piston positions or Movement phases limited in which the pistons 2, 3 are held. With this design, the machine can be operated as follows, assuming a central position (warm volume 5 = 0) (see FIGS. 7A-J):
Beide Kolben 2, 3 gehen nach oben. Ist die Höchststellung er¬ reicht, wird der obere Kolben 2 festgehalten und der untere Kolben 3 geht nach unten. Hat dieser seine unterste Stellung erreicht, in der dieser festgehalten wird, wird der obere Kolben 2 freigegeben und bewegt sich bis zum unteren Kolben 3, wonach beide Kolben 2, 3 wieder gemeinsam nach oben gehen usw. Wie ohne weiteres vorstellbar, kann man auf diese Weise insofern regelnd in die Kolbenbewegungen eingreifen und damit die Leistung regeln, denn ohne die äußere Wärmezufuhr durch den Brenner 22 ändern zu müssen, kann man die Festhaltedauer der Kolben 2, 3 durch entsprechend gesteuerte Bestromung der E-Magnete 28, 29 ändern.Both pistons 2, 3 go up. If the highest position is reached, the upper piston 2 is held in place and the lower piston 3 goes down. When this has reached its lowest position, in which it is held, the upper piston 2 is released and moves to the lower piston 3, after which both pistons 2, 3 go up together again, etc. As can be easily imagined, one can click on them Intervene in a way that regulates the piston movements and thus regulate the output, because without having to change the external heat input through the burner 22, the holding period of the pistons 2, 3 can be changed by appropriately controlled energization of the e-magnets 28, 29.
Um günstige Druckverhältnisse im warmen Volumen 5 zwischen den beiden Kolben 2, 3 in bezug auf die Bemessung der das heiße Volumen begrenzenden Kolbenfläche zu schaffen, d.h., den "Rest-Stirlingeffekt" zu vergrößern, ist eine Ausbildung dahingehend vorgesehen (siehe Fig. 1 und 5), daß der das heiße Arbeitsvolumen 6 begrenzende Kolben 2 mit einem zentri¬ schen Kolbenfortsatz 40 an seiner das warme Arbeitsvolumen 5 begrenzenden Kolbenfläche 2' versehen ist, der in eine formentsprechende Ausnehmung 41 des anderen Kolbens 3 ein¬ greift, wobei die Kolbenstange 20 am Boden 42 des Kolbenfort¬ satzes 40 und die Kolbenstange 21 am Boden 43 der Ausnehmung 41 angeordnet sind. Die in Fi. 1, 5 angedeuteten DichtungenIn order to create favorable pressure ratios in the warm volume 5 between the two pistons 2, 3 in relation to the dimensioning of the piston area delimiting the hot volume, ie to increase the "residual Stirling effect", training is provided for this purpose (see FIGS. 1 and 5) that the piston 2 delimiting the hot working volume 6 is provided with a central piston extension 40 on its piston surface 2 'delimiting the warm working volume 5, which plunges into a Form-fitting recess 41 of the other piston 3 engages, the piston rod 20 being arranged on the bottom 42 of the piston extension 40 and the piston rod 21 being arranged on the bottom 43 of the recess 41. The in Fi. 1, 5 indicated seals
45 sind nicht zwingend erforderlich, da der Raum 44 im ge¬ schlossenen Gehäuse 1 mit untergebracht ist und insoweit überhaupt nichts entgegensteht, daß sich das Betriebsmittel (bspw. Helium) ebenfalls in diesem Raum 44 befindet bzw. in diesen gelangen kann. Der sich ebenfalls bei den Kolbenbewe¬ gungen verändernde Raum 44 in der Ausnehmung 41 ist im übri¬ gen zweckmäßig über eine nicht dargestellte Bypass-Leitung mit den gasführenden Räumen verbunden.45 are not absolutely necessary, since the space 44 is also housed in the closed housing 1 and there is nothing to the extent that the equipment (for example helium) is also located in this space 44 or can get into it. The space 44 in the recess 41, which also changes during the piston movements, is expediently connected to the gas-carrying spaces via a bypass line (not shown).
Nun seien noch kurz der Brenner 22, die Kolbenlaufbüchse 16 und der Druckbehälter 1' und letzterer insbesondere in Ver¬ bindung mit dem Wärmetauscher 15 bzw. dem Raum 70 an¬ gesprochen.The burner 22, the piston liner 16 and the pressure vessel 1 'and the latter, in particular in connection with the heat exchanger 15 or the space 70, should now be mentioned briefly.
In Anpassung an die konkav gewölbte Abschlußfläche 23 ist der Gasbrenner 22 in Form eines Pilzkopfbrenners ausgebildet, dem ein mit spiralförmigen Kammern versehener Wärmetauscher 28 (siehe Fig. 4) zugeordnet ist, den einerseits die heißen Ab¬ gase durchströmen und andererseits ein Kühlmedium (Heizungswasser) und das Brennstoffluftgemisch für den Bren¬ ner, wie dies in Fig. 4 mit entsprechenden Pfeilen verdeut¬ licht ist.In adaptation to the concavely curved end surface 23, the gas burner 22 is designed in the form of a mushroom-head burner, to which a heat exchanger 28 provided with spiral chambers (see FIG. 4) is assigned, on the one hand the hot exhaust gases flow through and on the other hand a cooling medium (heating water) and the fuel-air mixture for the burner, as is illustrated in FIG. 4 by corresponding arrows.
Was den Druckbehälter 1' betrifft, so ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel der den Wärmetauscher 15 tragende BodenAs far as the pressure vessel 1 'is concerned, the base carrying the heat exchanger 15 is in the illustrated embodiment
46 in den Druckbehälter 1' eingeschweißt. Es ist aber auch, wie ohne weiteres vorstellbar, möglich, diesen Boden 46 druckdicht anzuflanschen, was den Vorteil hat, die beiden Kolben 2, 3 zusammen mit den Steuerelementen herausziehen und im Bedarfsfall austauschen zu können. Gleiches gilt für die vorzugsweise aus Keramik gebildete Kolbenlaufbüchse 16, zwi¬ schen deren unterem Rand 16' und dem Boden 46 ein federnder Ring 47 angeordnet ist.46 welded into the pressure vessel 1 '. However, it is also possible, as is readily conceivable, to flange-mount this base 46 in a pressure-tight manner, which has the advantage that the two pistons 2, 3 can be pulled out together with the control elements and can be replaced if necessary. The same applies to the piston liner 16, which is preferably made of ceramic, between whose lower edge 16 'and the bottom 46 a spring ring 47 is arranged.
ERSATZBLATT Die in Fig. 6 dargestellte Ausfuhrungsform, die bevorzugt wird und die einen noch wesentlich günstigeren und einfache¬ ren Aufbau hat, arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie zu Fig. 7 erläutert. Für diese Ausfuhrungsform sind im wesentli¬ chen und für die wesentlichen Teile die entsprechenden Be¬ zugszeichen benutzt.REPLACEMENT LEAF The embodiment shown in FIG. 6, which is preferred and which has an even more favorable and simple structure, works on the same principle as explained for FIG. 7. The corresponding reference signs are used for this embodiment and for the essential parts.
Diese Ausfuhrungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Kolbenlauffläche 16 gemäß Fig. 1 hier als Wärmetauschwand 16' zwischen den Wärmeträgermedien und der Gasseite ausgebildet und mit dieser Wand 16' im Bereich des Kolbens 3 der kalten Seite gasseitig einerseits den Regenerator 9 einschließt und andererseits die die Wärmeträgermedien führenden Räume 50, 50' voneinander trennt. Dabei ist die Wand 16' beim Ausfüh¬ rungsbeispiel mit schraubenlinienförmig verlaufenden, zur Druchbehälterwand 1" ausgeprägten Gängen 51 versehen.This embodiment is characterized in that the piston running surface 16 according to FIG. 1 here is designed as a heat exchange wall 16 'between the heat transfer media and the gas side and with this wall 16' in the region of the piston 3 on the cold side on the gas side includes the regenerator 9 and the other separates the spaces 50, 50 'carrying heat transfer media from one another. The wall 16 'in the exemplary embodiment is provided with helical gears 51 which are pronounced with respect to the pressure vessel wall 1 ".
Die ganze relativ aufwendige Anordnung des Wärmetauschers 15 gemäß Fig. 1 unterhalb des Kolbens 3 entfällt hierbei, da dieser nunmehr die untere Hälfte des auf der kalten Seite KS arbeitenden Kolbens 3 umfaßt. Nach unten zum in Fig. 6 im Querschnitt dargestellten Raum 70 hin ist lediglich die Wär¬ meisolation 27 anzuordnen. Die Arbeitsvolumina für die Gas- seite sind auch hier mit 6, 7 bezeichnet, zwischen denen und dem Arbeitsraum 5 das Gas längs der zwischen den Kolben 2, 3 und der Wärmetauschwand 16' gegebenen Spalten entsprechend der Kolbenbewegungen hin und her strömt bzw. gepumt wird.The entire relatively complex arrangement of the heat exchanger 15 according to FIG. 1 below the piston 3 is omitted here, since this now comprises the lower half of the piston 3 working on the cold side KS. Only the heat insulation 27 is to be arranged downward toward the space 70 shown in cross section in FIG. 6. The working volumes for the gas side are here also designated 6, 7, between which and the working space 5 the gas flows or is pumped back and forth along the gaps between the pistons 2, 3 and the heat exchange wall 16 'in accordance with the piston movements .
Der Regenerator 8 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 im Kolben 2 ebenfalls mit integriert. Es ist aber auch möglich, statt der oberen Wärmeisolation 27 dort den Regenerator 8 stationär anzuordnen.In the exemplary embodiment shown in FIG. 6, the regenerator 8 is also integrated in the piston 2. However, it is also possible to arrange the regenerator 8 stationary there instead of the upper heat insulation 27.
Statt für die Kolbensteuerung Steuerelemente, wie zu Fig. 1-3 erläutert, zu benutzen, wobei im übrigen die Feder (in Fig. 1 auf der rechten Seite) für den "kalten" Kolben 3 eine soge¬ nannte negative Federcharakteristik haben sollte, kämen auch, wie in Fig. 6 unten angedeutet, im Raum 70 mechanische Steuerelemente bspw. in Form eines Nockentriebes in Frage, was auch für die Ausfuhrungsform nach Fig. 1 der Maschine gilt. Instead of using control elements for the piston control, as explained for FIGS. 1-3, the rest (in FIG. 1 on the right side) for the “cold” piston 3 should have a so-called negative spring characteristic also, as indicated in FIG. 6 below, mechanical space 70 Control elements in the form of a cam drive, for example, which also applies to the embodiment according to FIG. 1 of the machine.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1. Außenbeheizte, regenerative, nach dem Vuilleumier- Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine, be¬ stehend aus einem druckdichten Gehäuse (1) mit zwei darin linear und koaxial beweglichen Kolben (2, 3), die gemein¬ sam ein warmes Arbeitsvolu en (5) begrenzen, und von denen der eine Kolben (2) im Gehäuse (1) ein heißes, von außen mittels eines Brenners (22) mit Wärme beaufschlag¬ tes (6) und der andere Kolben (3) ein kaltes Arbeitsvolu¬ men (7) begrenzt, wobei die drei veränderlichen Arbeits¬ volumina (5, 6, 7) unter Zwischenschaltung von Regenera¬ toren und Wärmetauschern miteinander verbunden sind, und wobei im Gehäuse (1) ein Steuergetriebe (S) für die Kol¬ ben (2, 3) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gehäuse (1) als rohrförmiger, allein von der Kolbengetriebeseite aus zugänglicher und dort druckdicht verschließbarer Druckbehälter (1' ) mit Vor- und Rücklaufanschlüssen (10 bis 13) für zwei Wärmeträger¬ kreise ausgebildet ist und im Druckbehälter (1') sämtli¬ che Regeneratoren (8, 9) und Wärmetauscher (14, 15) ange¬ ordnet sind, daß ferner im Druckbehälter (1') eine Kolbenlaufbüchse (16) mit zu den ArbeitsVolumina (5, 6, 7) führenden Überströmöffnungen (17, 18, 19) angeordnet ist und daß im Druckbehälter (1') der Wärmetauscher (15) für das eine Wärmeträgermedium einerseits das kalte Ar¬ beitsvolumen (7) und andererseits einen Raum (70) be¬ grenzt, in dem das mit den Kolben (2, 3) in Wirkver¬ bindung stehende Steuergetriebe (S) angeordnet ist.1. Externally heated, regenerative heating and cooling machine working according to the Vuilleumier cycle process, consisting of a pressure-tight housing (1) with two pistons (2, 3) which are linearly and coaxially movable therein and which together produce a warm working volume ( 5), and one of the pistons (2) in the housing (1) is a hot one (6) and a piston (3) is used to heat it from the outside, and the other piston (3) is a cold working volume ( 7), the three variable working volumes (5, 6, 7) being interconnected with the interposition of regenerators and heat exchangers, and a control gear (S) for the pistons (2, 3) is arranged, characterized in that the housing (1) as a tubular pressure vessel (1 '), accessible only from the piston transmission side and closable there in a pressure-tight manner, with flow and return connections (10 to 13) for two heat transfer circuits a is formed and in the pressure vessel (1 ') all the regenerators (8, 9) and heat exchangers (14, 15) are arranged such that in the pressure vessel (1') there is also a piston liner (16) with the working volumes (5, 6, 7) leading overflow openings (17, 18, 19) and that in the pressure vessel (1 ') the heat exchanger (15) for the one heat transfer medium on the one hand the cold working volume (7) and on the other hand a space (70) limits in which the control gear (S) which is operatively connected to the pistons (2, 3) is arranged.
2. Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Kolben (2, 3) mit Kolbenstangen (20, 21) versehen sind, die gemeinsam in den Raum (70) eingreifen,2. Machine according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the two pistons (2, 3) are provided with piston rods (20, 21) which engage together in the space (70),
ERSATZBLATT in dem bestrombare und elastische Steuerelemente für die Kolbenbewegungen angeordnet sind.REPLACEMENT LEAF in which energizable and elastic control elements for the piston movements are arranged.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der "heiße" Regenerator (8) in den Kolben (2) in¬ tegriert angeordnet ist und dieser im wesentlichen kol- benseitig das heiße Arbeitsvolumen (6) begrenzt.3. Machine according to claim 1 or 2, so that the "hot" regenerator (8) is arranged integrated in the piston (2) and this essentially limits the hot working volume (6) on the piston side.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die brennerseitige Abschlußwand (23) des Druckbe¬ hälters (1' ) an ihrem Umfangsrand mit einem ringförmigen Kühlkanal (24) versehen ist.4. Machine according to one of claims 1 to 3, so that the burner-side end wall (23) of the pressure vessel (1 ') is provided on its peripheral edge with an annular cooling channel (24).
5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abschlußwand (23), von außen gesehen, konkav ge¬ wölbt und der Kolben (2) mit dem integrierten Regenerator (8) an diese Wölbungsform der Abschlußwand (23) entspre¬ chend angepaßt ausgebildet ist.5. Machine according to claim 3 or 4, characterized in that the end wall (23), seen from the outside, concave ge¬ and the piston (2) with the integrated regenerator (8) to this curvature of the end wall (23) accordingly is adapted.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der den Raum (70) begrenzende Wärmetauscher (15) zum Kolben (3) hin, von außen gesehen, ebenfalls konkav ge¬ wölbt und der Kolben (3) auf der Seite des kalten Ar¬ beitsvolumens (7) entsprechend gewölbt ausgebildet ist.6. Machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the space (70) delimiting heat exchanger (15) to the piston (3), seen from the outside, also concave ge¬ and the piston (3) on the side of the cold working volume (7) is correspondingly curved.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der an einen Heizkreis anschließbare Wärmetauscher (14) beidseitig zur Überströmöffnung (18) zwischen der Kolbenlaufbüchse (16) und der Druckbehälterwand (1") an¬ geordnet und diesem Wärmetauscher (14) auf der Kaltseite (KS) der "kalte" Regenerator (9) ebenfalls im Zwischen¬ raum (25) der Kolbenlaufbüchse (16) und der Druckbehäl¬ terwand (1") vorgeschaltet ist.7. Machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the connectable to a heating circuit heat exchanger (14) on both sides to the overflow opening (18) between the piston liner (16) and the pressure vessel wall (1 ") an¬ arranged and this heat exchanger (14th ) on the cold side (KS) the "cold" regenerator (9) is also connected upstream in the intermediate space (25) of the piston liner (16) and the pressure vessel wall (1 ").
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8. Maschine nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der restliche Zwischenraum (25) unter Freihaltung von den Überströmöffnungen (17, 18, 19) zugeordneten Zuströmräumen (26) mit Wärmeisolationsmaterial (27) aus¬ gefüllt ist.8. Machine according to claim 7, so that the remaining space (25) is filled with heat insulation material (27) while keeping clear of the inflow spaces (26) associated with the overflow openings (17, 18, 19).
9. Maschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Brenner (22) als ein im wesentlichen der Kon¬ kavwölbung der Abschlußwand (23) angepaßter Pilzkopf¬ brenner ausgebildet ist.9. Machine according to one of claims 5 to 8, so that the burner (22) is designed as a mushroom head burner adapted essentially to the concave curvature of the end wall (23).
10. Maschine nach Anspruch 1 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Brenner (22) ein Wärmetauscher (28) zur Bren- nerluftvorwärmung zugeordnet ist.10. Machine according to claim 1 or 9, so that the burner (22) is assigned a heat exchanger (28) for preheating the burner air.
11. Maschine nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbenstangen (20, 21) mit ihren Kolbenstan¬ genenden (20', 21') zwischen zwei dem maximalen Kolbenhub (H) entsprechend distanzierte E-Magnete (28, 29) eingrei¬ fen und jedes Kolbenstangenende (20', 21') zwischen zwei gegen die Wände des Raumes (70) abgestützte Druckfedern (30, 31) eingespannt angeordnet sind, wobei die Kolben¬ stange (20) des das heiße Arbeitsvolumen (6) begrenzenden Kolbens (2) die als Rohr ausgebildete Kolbenstange (21) des anderen Kolbens (3) durchgreift und die Kolbenstan¬ genenden (20', 21') mit zweiarmigen Querauslegern (20", 21") versehen sind, die jeweils zwischen E-Magnete (28, 29) und Druckfedern (30, 31) greifen.11. Machine according to claim 2, characterized in that the piston rods (20, 21) with their piston rod ends (20 ', 21') between two the maximum piston stroke (H) correspondingly distant E-magnets (28, 29) and each piston rod end (20 ', 21') is arranged clamped between two compression springs (30, 31) supported against the walls of the space (70), the piston rod (20) of the piston (2 ) the piston rod (21) of the other piston (3), which is designed as a tube, passes through and the ends of the piston rod (20 ', 21') are provided with two-armed cross arms (20 ", 21"), each of which is between E-magnets (28, 29) and compression springs (30, 31) grip.
12. Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der das heiße Arbeitsvolumen (6) begrenzende Kolben12. Machine according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the hot working volume (6) delimiting piston
(2) mit einem zentrischen Kolbenfortsatz (40) an seiner(2) with a central piston extension (40) on its
ERSATZBLATT das warme Arbeitsvolumen (5) begrenzenden Kolbenflache (21) versehen ist, der in eine formentsprechende Ausneh¬ mung (41) des anderen Kolbens (3) eingreift, wobei die Kolbenstange (20) am Boden (42) des Kolbenfortsatzes (40) und die Kolbenstange (21) am Boden (43) der Ausnehmung (41) angeordnet sind.REPLACEMENT LEAF the warm working volume (5) delimiting piston surface (2 1 ) is provided, which engages in a corresponding recess (41) of the other piston (3), the piston rod (20) on the bottom (42) of the piston extension (40) and the piston rod (21) are arranged on the bottom (43) of the recess (41).
13. Maschine nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vom Kolbenfortsatz (40) und der Ausnehmung (41) begrenzte Raum (44) über eine Bypass-Leitung mit dem betriebsgasführenden Innenraum der Maschine verbunden ist.13. Machine according to claim 12, so that the space delimited by the piston extension (40) and the recess (41) space (44) is connected via a bypass line to the operating gas-carrying interior of the machine.
14. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mittig und stationär im warmen Arbeitsvolumen (5) zwischen den Kolben (2, 3) eine mit Durchströmöffnungen versehene Trennwand (32) angeordnet ist, die auch den Zu¬ strömraum (25) zwischen den beiden Teilen des Wärmetau¬ schers (14) teilt und in deren Durchströmöffnungen zu¬ sätzliche Regeneratoren (33) angeordnet sind.14. Machine according to one of claims 1 to 13, characterized in that in the middle and stationary in the warm working volume (5) between the pistons (2, 3) is provided with a partition wall (32) provided with throughflow openings, which also the inflow space (25th ) divides between the two parts of the heat exchanger (14) and additional regenerators (33) are arranged in the flow openings.
15. Maschine nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Krümmung des Wärmetauschers (15) mindestens in den Umfangsrandbereichen geringer ist als die der diesem zugewandte Fläche des Kolbens (3) .15. Machine according to claim 6, so that the curvature of the heat exchanger (15), at least in the peripheral edge regions, is less than that of the surface of the piston (3) facing it.
16. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die vorzugsweise aus Keramik gebildete Kolben¬ laufbüchse (16) auf der kalten Seite (KS) des Druck¬ behälters (1 ' ) in axialer Richtung elastisch gelagert ist.16. Machine according to one of claims 1 to 15, so that the piston liner (16), which is preferably made of ceramic, is elastically mounted in the axial direction on the cold side (KS) of the pressure container (1 ').
17. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t . daß der Wärmetauscher (15) druckdicht, aber lösbar am Druckbehälter (1' ) angeordnet ist.17. Machine according to one of claims 1 to 16, characterized. that the heat exchanger (15) is pressure-tight but detachably arranged on the pressure vessel (1 ').
18. Maschine nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbenlaufbüchse (16) als Wärmetauschwand (16*) zwischen den Wärmeträgermedien und der Gasseite und mit dieser Wand (16') sowohl die warme Seite (WS) als auch die kalte Seite (KS) der Maschine erfaßt ist, wobei die Wand (16') im Bereich des Kolbens (3) der kalten Seite gasseitig einerseits den Regenerator (9) einschließt und andererseits die die Wärmeträgermedien führenden Räume (50, 50') voneinander trennt.18. Machine according to one of claims 1, 2, 5 and 6, characterized in that the piston liner (16) as a heat exchange wall (16 *) between the heat transfer media and the gas side and with this wall (16 ') both the warm side (WS) as well as the cold side (KS) of the machine is detected, the wall (16 ') in the area of the piston (3) on the cold side on the gas side on the one hand enclosing the regenerator (9) and on the other hand the spaces (50, 50') carrying the heat transfer media ) separates from each other.
19. Maschine nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wand (16') mit schraubenlinienförmig verlaufen¬ den, zur Druckbehälterwand (1") ausgeprägten Gängen (51) versehen ist.19. Machine according to claim 18, so that the wall (16 ') is provided with helically extending passages (51) which are pronounced towards the pressure vessel wall (1 ").
20. Maschine nach Anspruch 18 oder 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Regenerator (8) im Kolben (2) oder stationär gasseitig innerhalb der nach oben verlängerten Wärmetau¬ scherwand (16') angeordnet ist.20. Machine according to claim 18 or 19, so that the regenerator (8) is arranged in the piston (2) or on the stationary gas side within the upwardly extending heat exchanger wall (16 ').
ERSATZBLATT REPLACEMENT LEAF
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