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Die
Erfindung betrifft eine Niedertemperatur Stirling-Vorrichtung zur
Raumklimatisierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Nach
dem Stirling-Prinzip arbeitende Wärmekraftmaschinen, Wärmepumpen
oder Kühlaggregate
sind bekannt. Derartige Vorrichtungen basieren auf einem thermodynamischen
Kreisprozess, der zwischen zwei annähernd isochoren und zwei annähernd isothermischen
Zustandsänderungen
ausgeführt
wird. Je nach der Richtung, in der dieser Kreisprozess durchlaufen
wird, wirkt die darauf aufbauende Vorrichtung als Wärmekraftmaschine
zur Umsetzung von Wärmeenergie
in Bewegungsenergie oder als mechanisch getriebene Wärmepumpe
zum Heizen oder Kühlen
der Umgebung. Diese Art von Wärmekraftmaschine
wird als Stirling-Motor bezeichnet, während die Konfiguration als
Wärmepumpe
in der Tieftemperatur- und Kryotechnik eine breite technische Anwendung
erfährt.
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Hinsichtlich
ihrer Bauweise lassen sich im wesentlichen drei Hauptarten von Stirling-Vorrichtungen unterscheiden.
Beim sogenannten alpha-Typ sind je ein Arbeits- und ein Verdrängerkolben
in einem eigenen Zylinder untergebracht und bewegen sich periodisch
mit einem Phasenversatz von 90°. Die
beiden Zylinder sind über
einen inneren Wärmespeicher,
den sogenannten Regenerator, miteinander verbunden, während der
Phasenversatz zwischen den Stellungen beider Zylinder prinzipiell durch
eine rechtwinklige Stellung der Längsachsen beider Zylinder und
durch einen gemeinsamen Kurbelantrieb für beide Kolben gewährleistet
ist.
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Bei
einem sogenannten beta-Typ laufen sowohl der Verdrängerkolben,
als auch der Arbeitskolben in einem gemeinsamen Zylinder, wobei
einer der beiden Kolben, insbesondere der Verdrängerkolben, den Regenerator
enthält.
Dieser Typ einer Stirling-Vorrichtung zeichnet sich durch eine gegenüber dem
alpha-Typ stark vereinfachte Bauweise aus. Für diesen Typ sind auch sogenannte
Freischwinger-Konstruktionen
bekannt, bei denen beide Kolben sich ohne mechanische Stelleinrichtungen
allein durch das Arbeitsmedium bewegen.
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Bei
einem sogenannten gamma-Typ sind wie beim alpha-Typ die beiden Kolben
in verschiedenen Zylindern untergebracht, wobei der Regenerator
sich aber nicht zwischen den beiden Zylindern befindet. Eine derartige
Vorrichtung ist auch unter der Bezeichnung split-Stirling bekannt.
Der beta-Typ und vor allem auch der gamma-Typ können auch als doppeltwirkende
Stirling-Vorrichtungen ausgeführt
sein, bei der ein oder beide Kolben vom Arbeitsmedium beidseitig
beaufschlagt werden kann. In Verbindung mit der beta-Konfiguration
wird insbesondere bei der Anwendung der Stirling-Vorrichtung als
Wärmepumpe die
Verwendung von Linearantrieben vorgeschlagen. Nähere Angaben dazu lassen sich
beispielsweise aus den Druckschriften JP2003172554 A bzw. JP2000314570
A entnehmen.
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Jede
der genannten Grundkonfigurationen kann sowohl als Wärmekraftmaschine,
als auch als Wärmepumpe
verwendet werden. So wird beispielsweise von der Firma Stirling
Thermal Motor Inc. / USA ein Kühlschrankantrieb
auf der Basis des Stirling-Prozesses
beschrieben, während
die Firma Sunpower / USA einen Freikolben-Stirling-Motor zur Gewinnung
elektrischer Energie aus solarer Wärmeenergie und Vermittlung
einer Stirling-Wärmekraftmaschine
beschreibt.
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Der
Stirling-Prozess bzw. die darauf beruhenden Vorrichtungen lassen
sich prinzipiell mit jedem gasförmigen
Arbeitsmedium, beispielsweise mit Luft, ausführen, sie sind daher umweltfreundlich, kostengünstig und
theoretisch prinzipiell aufwandsarm und vielseitig einsetzbar. Trotzdem
sind Stirling-Systeme bislang auf typische Nischenanwendungen, etwa
im Kryobereich bei tiefen Temperaturen oder bei speziellen Antrieben,
beispielsweise im Bereich der Energiegewinnung beschränkt. Niedrigtemperatur-Vorrichtungen
zur Raumklimatisierung, die auf dem Stirling-Prinzip beruhen, sind
bislang unbekannt, sodass in diesem Bereich auf teure konventionelle
Systeme zurückgegriffen
werden muss, die beispielsweise die Konzeption von Niedrigenergiebauten
unnötig
verteuert.
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So
weisen Niedrigenergiehäuser
mit einer Grundfläche
von 100 bis 180 m2 bei einer Außentemperatur
von -15°C
einen Wärmebedarf
von 4 bis 8 kW auf, wobei durchschnittlich 4 bis 8 Räume zu heizen sind.
Bei großen
Glasflächen
bewegt sich die im Sommer anfallende Kühllast in einer vergleichbaren Größenordnung.
Bei einem Heizbetrieb ergibt sich somit ein mittlerer Wärmebedarf
von 1000 Watt je Raum.
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Bei
der Verwendung konventioneller Wärmepumpen,
die wahlweise als Kühl-
bzw. Heizsystem betrieben werden sollen, sind sogenannte Wandheizsysteme
zwingend notwendig. Derartige Systeme sind teurer als herkömmliche
Fußbodenheizungen. Für eine installierte
konventionelle Luft-Wärmepumpe
mit einer Heizleistung von 8kW müssen
mit Fußbodenheizung
bei einer Grundfläche
von 120 m2 ca. 20000 Euro veranschlagt werden.
Eine zusätzliche Kühlfunktion
führt zu
einem zusätzlichen
Mehrpreis von ca. 5000 Euro. Es ist verständlich, dass derartige Kosten
nachhaltig zu reduzieren sind.
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Ein
weiterer Nachteil konventioneller Klimaanlagen, die insbesondere
als preiswerte, nur zum Kühlen
geeignete Splitsysteme ausgebildet sind, besteht in deren Größe. Bei
derartigen Splitsystemen bläst
ein äußerer Teil,
beispielsweise ein Kondensor, Abwärme in die Umgebung. Der innere
Teil arbeitet als Konvektor, der die darin umgewälzte Raumluft kühlt. Beide
Teile sind durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Bei einer
Kühlleistung
von ca. 2kW ist eine Baugröße von mindestens
100 Litern notwendig, die eine Wandintegration praktisch unmöglich macht.
Das mit 30 bis 60kg recht schwere Außenteil muss hierbei auf Konsolen
montiert werden, das Innenteil hängt
an der Innenwand, wobei beide Teile von einem Fachmann montiert
werden müssen.
Insgesamt kostet die Installation derartiger Vorrichtungen mindestens
1000 Euro, wobei die Vorrichtung nur zum Kühlen der Innenluft, aber nicht
zum Heizen geeignet ist.
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Bezüglich des
Standes der Technik zu Sterlingmotoren mit verschiedenen Konfigurationen
bezüglich
der Kompressions- und Expansionsräume nebst zugehörigen Zylindern
sei auf die
DE 101
39 345 A1 , die US-PS 5,456,076 und die US-PS 4,199,945 verwiesen.
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Aus
der
DE 40 18 944 A1 ist
weiterhin ein Triebwerk für
eine Kältemaschine
oder Wärmepumpe
vorbekannt, bei welchem sich in drei Zylindern mindestens doppelseitige
Kolbeneinheiten periodisch mit einer bestimmten Phasenverschiebung
hin- und herbewegen. Durch ein Verbindungsglied in der Form einer
zweifach gekröpften
Kurbel können
die Totpunkte jeweils eines Kolbens mit Hilfe der kinetischen Energie
der anderen Kolben überwunden
werden.
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Es
besteht somit die Aufgabe, eine Niedrigtemperatur Vorrichtung zur
Raumklimatisierung anzugeben, die die Vorteile des Stirling-Prinzips,
insbesondere dessen Umweltfreundlichkeit, einfache Konstruktion
und wahlweisen Betrieb als Kühl- oder Heizeinrichtung
für eine
Raumklimatisierung im Niedrigtemperaturbereich anwendbar macht und
somit die Nachteile konventioneller Klimatisierungsvorrichtungen
beseitigt.
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Die
Aufgabe wird mit einer Niedertemperatur Stirling-Vorrichtung zur
Raumklimatisierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei
die Unteransprüche
zweckmäßige bzw.
vorteilhafte Ausgestaltungen enthalten.
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Die
Niedertemperatur Stirling Vorrichtung zur Raumklimatisierung ist
erfindungsgemäß durch
mindestens zwei Arbeitszylinder mit jeweils einer innerhalb des
Arbeitszylinders mittels eines Linearantriebs bewegten Doppelkolbenanordnung
und mindestens zwei Regeneratoren in einer gefalteten Gamma-Konfiguration
gekennzeichnet, bei der die Warmseiten der jeweiligen Arbeitszylinder
auf einer ersten Seite der gefalteten Gamma-Konfiguration und die
Kaltseiten der Arbeitszylinder sich auf einer der ersten Seite entgegengesetzt
liegenden zweiten Seite der gefalteten Gamma-Konfiguration befinden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird konstruktiv zunächst
von einer Stirling-Vorrichtung
in einer ersten Alpha-Konfiguration ausgegangen, bei der jeweils
zwei Zylinder über
einen Regenerator miteinander verbunden sind. Jeder der beiden Zylinder weist
einen Kolbenkopf auf, wobei die beiden Kolbenköpfe das Arbeitsmedium von dem
einen Zylinder über
den Regenerator in den zweiten Zylinder gemäß dem Ablauf des Stirling-Prozesses
verschieben. Zur konstruktiven Herausbildung der Gamma-Konfiguration
wird jeder der beiden Kolbenköpfe
spiegelbildlich durch einen zweiten Kolbenkopf ergänzt, der
starr mit dem ersten Kolbenkopf verbunden ist. Diese beiden zweiten
Kolbenköpfe
treiben quasi eine spiegelbildlich zur ersten Alpha-Konfiguration
angeordnete zweite Alpha-Konfiguration an, bei der die beiden Zylinder über einen
zweiten Regenerator mit einem zweiten Volumen des Arbeitsmediums
verbunden sind. Die beiden miteinander verbundenen Kolbenköpfe bilden
jeweils die Doppelkolben der Erfindung aus, während die Zylinder, in denen
sich die Bewegung der Doppelkolben vollzieht, als Arbeitszylinder der
Erfindung bezeichnet werden. Jeder der Arbeitszylinder weist gemäß der Stirling-Prozesse in den beiden
ursprünglichen
Alpha-Konfigurationen eine Warmseite und eine Kaltseite auf. Die
erfindungsgemäße gefaltete
Gamma-Konfiguration entsteht konstruktiv dadurch, dass die Arbeitszylinder
in einer geeigneten Weise so orientiert werden, dass deren Warmseiten
in eine erste Richtung und deren Kaltseiten in eine zweite entgegengesetzte
Richtung zeigen. Die Bewegungen der Doppelkolben werden mit Hilfe
von Linearantrieben ausgeführt.
Im Ergebnis ergibt sich somit eine Vorrichtung, die eine „warme" und eine „kalte" Oberfläche aufweist,
die also auf der einen Seite kühlt
und auf der anderen heizt und somit als Wärmepumpe wirkt. Dabei ergibt
sich die Warmseite bzw. die Kaltseite der Vorrichtung ausschließlich aus
den Bewegungen der Doppelkolben innerhalb der Arbeitszylinder, insbesondere
aus dem Vorzeichen ihres Phasenversatzes, das prinzipiell beliebig
gewählt
werden kann. Das bedeutet, dass die so gebildete Vorrichtung je
nach Erfordernis einem gegebenen Raum eine „warme" oder „kalte" Seite zukehrt und diesen also entweder
heizt oder kühlt.
Die Vorrichtung vereint somit eine große Anwendungsvariabilität mit den
oben genannten Vorteilen von Stirling-Vorrichtungen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
bilden die Arbeitszylinder und die Regeneratoren einen integrierten
Block im wesentlichen parallel zueinander orientierter Komponenten,
wobei der Block eine Kaltseite mit einer ersten Wärmeaustauschfläche und eine
entgegengesetzt liegende Warmseite mit einer zweiten Wärmeaustauschfläche aufweist.
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Die
gefaltete Gamma-Konfiguration bildet damit eine Ausführungsform,
die als in sich geschlossene modulare Einheit in geeignete vorgegebene Konstruktionen
eingefügt
werden kann.
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Vorteilhafterweise
weisen die Arbeitszylinder und/oder die Regeneratoren offene, unmittelbar
auf eine Anordnung von zwischen einem Arbeitszylinder und einem
Regenerator verlaufenden Strömungskanälen der
ersten bzw. zweiten Wärmeaustauschfläche aufsitzende
Stirnflächen
auf.
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Durch
diese Ausgestaltung entfallen sämtliche
Rohrleitungen zwischen den Arbeitszylindern und den jeweiligen Regeneratoren.
Die Leitung des Arbeitsmediums wird unmittelbar von den Strömungskanälen der
Wärmeaustauschflächen ausgeführt, wobei
ein gleichzeitig intensiver, aber auch zeitlich maximal beschränkter Wärmekontakt
zwischen Arbeitsmedium und Wärmeaustauschfläche gewährleistet
wird.
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Zweckmäßigerweise
ist die erste und/oder die zweite Wärmeaustauschfläche als
eine Lamellenanordnung mit unmittelbar auf die Lamellenanordnung
aufgesetzten Regeneratoren und Arbeitszylindern ausgebildet. Bei
dieser Ausführungsform
tritt das Arbeitsmedium direkt in die Lamellenbahnen ein und fließt vom/zum
Arbeitszylinder zum/vom Regenerator.
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Der
Linearantrieb für
die Doppelkolben besteht bei einer Ausführungsform aus einem innerhalb des
jeweiligen Arbeitszylinders angeordneten ringförmigen Primärteil und einem in dem Primärteil verschiebbaren,
in einen Verbindungskörper
des jeweiligen Doppelkolbens integrierten Sekundärteil. Der Primärteil bildet
bei dieser Anordnung den Stator, während der Sekundärteil den
linear bewegten Aktuator darstellt, dessen Verschiebung eine Verschiebung
des dazu gehörenden
Doppelkolbens bewirkt.
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Der
Primärteil
des Linearantriebs ist als eine spulenartige, mit einem Stromfluß in wechselnder Richtung
beaufschlagte Wicklung ausgebildet. Zweckmäßigerweise weist die spulenartige
Wicklung einen Hohlkern aus stapelförmig aufeinander geschichteten
weichmagnetischen Ringteilen, insbesondere weichmagnetischen Blechlamellen
auf. Damit entsteht eine Spule mit einem gerichteten veränderlichen
Magnetfeld.
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Ergänzend dazu
ist der Sekundärteil
des Linearantriebs aus einer alternierenden Folge magnetische Nord-
und Südpole
ausgebildet. In Verbindung mit der wechselnden Magnetfeldrichtung
innerhalb des Primärteils
wird der Sekundärteil
eine definierte Wegstrecke in der spulenartigen Wicklung bewegt und
verschiebt damit auch den Doppelkolben.
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Zur
Detektierung der momentanen Bewegungsrichtung und der Endlagenstellung
des Linearantriebs ist ein magnetischer Sensor, insbesondere ein
Hall-Sensor, vorgesehen. In Verbindung mit einer Ansteuereinheit
zum Einstellen der Stromrichtung innerhalb der spulenartigen Wicklung
in Abhängigkeit von
den Signalen des magnetischen Sensors werden dabei definierte Verschiebungen
des Doppelkolbens erzeugt.
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Dabei
weisen die Bewegungsrichtungen und die momentanen Stellungen der
Linearantriebe der Doppelkolben unter dem Einfluss der Ansteuereinheit
nach einer Einschwingzeit einen zeitlich im wesentlichen konstanten
relativen Phasenversatz von +90° oder
-90° auf.
Dieser Phasenversatz gewährleistet
einen innerhalb der Vorrichtung ablaufenden Stirlingartigen thermodynamischen
Kreisprozess und die geforderte Wärmepumpenfunktion. Wie bereits vorhergehend
erwähnt,
kann über
das Vorzeichen des Phasenversatzes die Warm- bzw. Kaltseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgegeben und somit die Richtung des Wärmepumpens bestimmt werden.
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Die
Vorrichtung kann als in eine Wand, insbesondere in eine Gebäudeaußenwand,
integriertes raumheizendes bzw. raumkühlendes Klimaelement verwendet
werden. Weitere Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
soll nun anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es werden für
gleiche oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 7. Es zeigt:
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1 eine
prinzipielle Darstellung der konstruktiv gefalteten Gamma-Konfiguration
mit Arbeitszylindern, Regeneratoren, Doppelkolben, Warm- und Kaltseite,
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2 eine
beispielhafte Schnittdarstellung durch einen Arbeitszylinder, einen
Regenerator und angefügten
Wärmeaustauschflächen,
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3 eine
beispielhafte, teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf eine Wärmeaustauschfläche mit
darunter befindlichen Arbeitszylindern bzw. Regeneratoren,
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4 eine
detaillierte Schnittdarstellung eines Arbeitszylinders und Regenerators
mit einem Linearantrieb und Lamellenanordnungen,
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5 eine
teilweise aufgeschnittene Draufsicht der in 4 gezeigten
Ausführungsform
mit Einzelheiten der Lamellenanordnung und beispielhaften Angaben
von Strömungswegen
des Arbeitsmediums,
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6 eine
beispielhafte Ausführungsform des
Linearantriebs,
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7 zwei beispielhafte Einbaumöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in eine Wandanordnung.
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1 zeigt
das Grundprinzip der gefalteten Gamma-Konfiguration. Die in 1 gezeigte
Ausführungsform
umfasst zwei Arbeitszylinder AZ1 und AZ2, innerhalb derer sich jeweils
eine Doppelkolbenanordnung DK1 bzw. DK2 befindet. Zwischen je zwei Arbeitszylinder
ist ein Regenerator R1 bzw. R2 geschaltet, der gemäß den Grundlagen
des thermodynamischen Kreisprozesses nach dem Stirling-Prinzip als
innerer Wärmespeicher
für die
isochoren Zustandsänderungen
des gasförmigen
Arbeitsmediums dient. Die über
einen Regenerator verbundenen Enden der Arbeitszylinder AZ1 und
AZ2 können
als Stirling-Vorrichtung in einer Alpha-Konfiguration betrachtet werden, deren
einzelne Kolben durch die Kolbenköpfe K11, K12, K21 und K22 der
Doppelkolben DK1 und DK2 gebildet werden. So bildet beispielsweise der
in dem Arbeitszylinder AZ1 sich bewegende Kolbenkopf K11 in Verbindung
mit dem Regenerator R1 und der in dem Arbeitszylinder AZ2 sich bewegende Kolbenkopf
K21 die erste Stirling-Vorrichtung in einer Alpha-Konfiguration
aus, während
die entsprechenden anderen Kolbenköpfe in Verbindung mit dem zweiten
Regenerator R2 die zweite Stirling-Vorrichtung in einer Alpha-Konfiguration umfasst.
Bei einer entsprechenden extern angetriebenen periodischen Bewegung
der Doppelkolben DK1 und DK2 mit einem Phasenversatz innerhalb der
Arbeitszylinder AZ1 und AZ2 bildet sich gemäß des Stirling-Prinzips an
den Orten der jeweiligen Kolbenköpfe
und damit an den jeweiligen Enden der Arbeitszylinder eine lokale
Warmseite W1 bzw. W2 mit einer erhöhten Temperatur und eine lokale
Kaltseite K1 bzw. K2 mit einer erniedrigten Temperatur aus, wobei
jede der Alpha-Konfigurationen und somit die gesamte Gamma-Konfiguration
als Wärmepumpe
wirkt.
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Bei
der in 1 gezeigten Gamma-Konfiguration sind die jeweiligen
Warm- und Kaltseiten der Arbeitszylinder so orientiert, dass sich
in diesem Fall die Warmseiten W1 und W2 auf der oberen Seite der so
gebildeten Verschaltung befinden, während die Kaltseiten K1 und
K2 auf der unten liegenden, und damit entgegengesetzt liegenden
Seite der gezeigten Vorrichtung angeordnet sind. Es entsteht eine durchgehende
Warmseite W und eine durchgehende Kaltseite K. In diesem Fall wird
durch die so gebildete gefaltete Gamma-Konfiguration somit Wärmeenergie von
der Kaltseite K zur Warmseite W gepumpt und kann über geeignete
Vorrichtungen, insbesondere über
die in 1 schematisch eingezeichneten Wärmeaustauschflächen 10 und 15,
in geeigneter Weise zugeführt
bzw. abgeleitet werden. Es ist zu betonen, dass die Lage der Kaltseite
K und der Warmseite W ausschließlich
vom Vorzeichen des Phasenversatzes der beiden Doppelkolben abhängt. Ein
Vorzeichenwechsel führt
zu einer Invertierung von Warm- bzw. Kaltseite. Die gefaltete Gamma-Konfiguration
kann damit sowohl zum Kühlen,
als auch zum Heizen genutzt werden. Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist damit beschrieben.
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2 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
der in 1 gezeigten Prinzipdarstellung anhand eines Schnitts
durch den Arbeitszylinder AZ1 und den Regenerator R1 aus 1.
Der Arbeitszylinder AZ1 und der Regenerator R1 sind in diesem Fall als
zylinderförmige
Körper
mit offenen Grund- und Deckflächen 30 ausgebildet,
die unmittelbar auf den Wärmeaustauschflächen 10 und 15 aufsitzen.
Die Wärmeaustauschflächen sind
diesem Ausführungsbeispiel
als lamellenförmige
Körper
ausgebildet, die durch ihre Form eine Reihe von Strömungskanälen 20 bilden,
durch die das Arbeitsmedium getrieben wird. Durch das in 1 gezeigte
Verschaltungsprinzip zwischen den Arbeitszylindern und den Regeneratoren
der gefalteten Gamma-Konfiguration sind die Richtungen der Strömungskanäle 20 vorgegeben. Bei
der in 2 gezeigten Anordnung sind somit die Strömungskanäle der Wärmeaustauschfläche 10 senkrecht
zu denen der Wärmeaustauschfläche 15 orientiert.
Jede der beiden Wärmeaustauschflächen ist
bei dieser Ausführungsform
in zwei voneinander strömungstechnisch
abgeteilte Teilabschnitte, beispielsweise die Abschnitte 10a und 10b unterteilt, zwischen
denen ein Medienübertritt
nicht möglich
ist. An sich aber können
die Teilabschnitte 10a und 10b unmittelbar aneinander
anschließen.
Die Strömungen
des Arbeitsmediums sind in der Figur durch eine Reihe weißer Pfeile
angedeutet. Die in 2 gezeigte Ausführungsform
vermeidet überflüssige Rohrleitungen
vollständig
und bildet die Vorrichtung als einen kompakten geschlossenen Körper aus.
In 2 ist weiterhin innerhalb des Arbeitszylinders
AZ1 ein Linearantrieb L1 für
den Doppelkolben DK1 angedeutet, der weiter unten näher beschrieben
wird.
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3 zeigt
eine beispielhafte Wärmeaustauschfläche 15 mit
den darunter befindlichen Arbeitszylindern AZ1 und AZ2 bzw. den
Regeneratoren R1 und R2 in einer teilweise aufgeschnittenen Draufsicht.
Die Wärmeaustauschfläche 15 ist
in diesem Fall durch einen Grill aus einzelnen Lamellen 40 ausgebildet,
die jeweils Teilabschnitte 15a und 15b ausbilden.
Die Grillanordnung sitzt gemäß den Ausführungen
zu 2 unmittelbar auf den Deckflächen der darunter angeordneten
Regeneratoren und Arbeitszylinder auf. Die auf der Unterseite der
Anordnung gelegene Wärmeaustauschfläche 10 ist
ebenfalls als Grill ausgebildet, dessen Lamellen senkrecht zu den Lamellen
der Wärmeaustauschfläche 15 orientiert sind.
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4 zeigt
die in Fig. gezeigte Anordnung in einer Schnittdarstellung entlang
der Schnittlinie A-A. Dargestellt sind der innere Aufbau des Regenerators R1
und des Arbeitszylinders AZ2 sowie der Aufbau des Grills der Wärmeaustauschfläche 15 bzw.
des Linearantriebs L. Entsprechend der inneren Symmetrie der Vorrichtung
weisen die jeweils nicht gezeigten Regeneratoren und Arbeitszylinder
im wesentlichen den gleichen inneren Aufbau auf. Der Regenerator R1
besteht aus einem in diesem Beispiel zylindrischen Mantel mit offenen
Grund- und Deckflächen, der
im Inneren mit einem durchlässigen
Material mit guten Wärmeübergangseigenschaften
gegenüber dem
Arbeitsmedium, beispielsweise Stahlwolle oder einem metallischen
Schwamm, verfüllt
ist. Alternativ können
Röhren-,
Kanal- oder Siebanordnungen aus an sich beliebigen zweckmäßigen Materialien
vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise
ist der Regenerator insbesondere im Mantelbereich thermisch gegenüber der
Umgebung isoliert.
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Der
Arbeitszylinder AZ2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem im
wesentlichen zylindrischen Mantel, der zweckmäßigerweise gegenüber der
Umgebung thermisch isoliert ist. Der Mantel des Arbeitszylinders
weist gemäß den vorhergehenden
Ausführungen
eine offene Grund- und Deckfläche
auf. Der Doppelkolben DK2 wird durch die Innenfläche des zylindrischen Mantels
geführt.
Dessen Kolbenköpfe
K22 und K21 schließen
mit der Innenfläche
des Mantels dicht ab und können
gegebenenfalls mit Kolbenringen oder sonstigen Abdichtungen versehen
sein. Die Kolbenköpfe
sind über
einen starren Verbindungskörper 51 miteinander
verbunden, der innerhalb des Primärteils 50 des Linearantriebs
L geführt
wird. Der Verbindungskörper 51 bildet
hierbei entweder vollständig
oder abschnittsweise den Sekundärteil
des Linearantriebs aus.
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Wie
bereits beschrieben, bestehen in dieser Ausführungsform die Wärmeaustauschflächen aus einer
Grillanordnung. 4 zeigt diese in einer detaillierteren
Darstellung. Die Grillanordnung besteht aus einer Reihe von Lamellenblechen 40,
zwischen die ungefähr
auf der halben Lamellenbreite linear in Richtung der Grillanordnung
verlaufende Distanzstücke 41 eingefügt sind.
Der unter den Distanzstücken gelegene
in Richtung der Arbeitszylinder und Regeneratoren gekehrte Raum
bildet ein Strömungslumen für das Arbeitsmedium
der Vorrichtung aus. Wie im unteren Teil der Figur zu erkennen ist,
schließt
jedes Distanzstücke 41 endständig dicht
mit der Außenbegrenzung
der Vorrichtung ab und trennt dabei das Arbeitsmedium vom Außenbereich
vollständig.
An geeigneten Stellen können
hier nicht gezeigte Ventilöffnungen
zu einem Befüllen
oder Entleeren der Vorrichtung mit dem gasförmigen Arbeitsmedium vorgesehen
sein.
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Die
in den 2, 3 und 4 gezeigte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bildet einen kompakten Block aus, der als modulare zentrale Komponente
in einer Klimatisierungseinrichtung eingesetzt werden kann. 5 zeigt
in Ergänzung
zu 3 und 4 schematisch den Aufbau einer
Wärmeaustauschfläche in Lamellenform
und anhand der Einzelheiten A1 und A2 schematische Teilansichten
der Wärmeaustauschfläche aus
unterschiedlichen Richtungen mit schematischen Darstellungen der
Strömungsrichtungen
des Arbeitsmediums mit dunkel gefärbten Pfeilen in Verbindung
mit der Richtung des Wärmeaustauschs
mit hellen Pfeilen.
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6 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
des Linearantriebs für
einen Doppelkolben. Der Primärteil
ist zweckmäßigerweise
ein integraler Bestandteil des Arbeitszylinders. In der in 6 gezeigten
Ausführungsform
besteht der Primärteil
aus eine spulenartigen Wicklung 60 und weichmagnetischen gestapelten
Blechteilen 61a, 61b und 61c, die der Verstärkung der
von der Wicklung erzeugten Magnetfeldes dienen. Der durch den so
gebildeten Kern geführte
Sekundärteil 55 weist
eine alternierende Folge magnetischer Nord- und Südpole N
und S auf, die in 6 durch eine unterschiedliche
Schraffur hervorgehoben sind. Am Ende des Stapels aus den weichmagnetischen
Blechteilen sind hier nicht gezeigte Gleitlagerplatten zur Führung des
Sekundärteils
angeordnet. Wird die spulenartige Wicklung mit einem Stromfluss
beaufschlagt, bewegt sich der Sekundärteil 55 je nach zufälliger Lage
in einer der beiden vorgegebenen Richtungen. Ein in der Figur nicht dargestellter
magnetischer Sensor, der insbesondere als ein Hall-Sensor ausgebildet
ist, detektiert die Richtung der vorliegenden Bewegung sowie vorgegebene
Endlagen und gibt entsprechende Detektionssignale an eine externe
Ansteuereinheit aus, die softwaregesteuert den Stromfluss innerhalb
der Wicklung 60 modifiziert und insbesondere umkehrt, wobei
sich nach einer gewissen Einschwingzeit eine periodische translatorische
Bewegung des Sekundärteils,
d.h. des Doppelkolbens ergibt. Die Ansteuerung des Linearantriebs
eines Doppelkolbens wird mit der Ansteuerung des Linearantriebs
des anderen Doppelkolbens so abgestimmt, dass deren periodische
Bewegungen mit einem im wesentlichen zeitlich konstanten Phasenversatz
von +90° oder
-90° ausgeführt werden.
Die Maximalleistung des so gebildeten Linearantriebs und die Verschiebelänge des
Sekundärteils
kann durch variable Stapelhöhen
der weichmagnetischen Teile verändert
werden. Dabei können
einige der Stapelteile zusätzliche
Wicklungen aufnehmen, während
andere Stapelteile eine abstandshaltende Funktion erfüllen. Hierzu
sind die Stapelteile prinzipiell so ausgeführt, dass eine Bewicklung in
einem vollautomatischen Arbeitsgang möglich ist. Die polausbildenden
gestapelten Blechteile sowie die Wicklung umschließen den
bewegten Sekundärteil
allseitig. Infolgedessen bildet sich ein vergleichsweise langer
Luftspalt mit einem niedrigen magnetischen Widerstand und großen Kraftübertragungen.
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Nachfolgend
werden beispielhafte Einbaumöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in den 7a und 7b näher beschrieben.
Bei diesen Anwendungsformen wird die vorhergehend beschriebene Vorrichtung
als ein geschlossenes Blockmodul B mit zusätzlichen Komponenten vereinigt.
Bei den nachfolgend beschriebenen Beispielen ist das Blockmodul
innerhalb eines Mauer- oder Wanddurchbruches positioniert.
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7a zeigt
eine Wand 70 mit einer ausreichenden Dicke mit dem in den
Wanddurchbruch eingelassenen Blockmodul B für die vorhergehend beschriebene
Wärmepumpenfunktion.
Das Blockmodul ist mindestens abschnittsweise durch eine Dämmung 75 thermisch
und akustisch von der Wand isoliert. Die erste Wärmeaustauschfläche 10 des
Blockmoduls weist in eine erste Richtung des Wanddurchbruchs, die
andere Wärmeaustauschfläche 15 in
die entgegengesetzte Richtung. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei
angenommen, dass die linke Seite in den nachfolgenden Figuren in
Richtung eines Innenraumes und die rechte Seite in Richtung einer äußeren Umgebung
weist. Beidseitig sind Ventilator- oder Gebläseeinrichtungen 80 vorgesehen,
die von außen Luft
an die Wärmeaustauschflächen 10 und 15 heranführen. Die
linke Seite des Blockmoduls B in 7a ist
durch eine Luftfiltereinrichtung 90 ausgestaltet, an deren
Außenseite
entlang zunächst
Luft seitlich in die Lamellen oder äußeren Luftkanäle der Wärmeaustauschfläche 15 angesaugt
und dort beheizt oder gekühlt
wird. Die so klimatisierte Raumluft wird durch den Luftfilter 90 in
den Innenraum herausgedrückt
und dabei gleichzeitig gereinigt.
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Die
in 7b gezeigte Ausführungsform entspricht im wesentlichen
der Ausführungsform
aus 7a. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch auf einen
Luftfilter verzichtet. Eine Ventilatoreinrichtung 80 in
einem Kanalvorsatz 95 saugt Luft seitlich an, wobei diese
in die Lamellen der Wärmeaustauschfläche 15 geleitet
wird, und drückt
die klimatisierte Luft durch einen Luftkanal 96 in den
Innenraum.
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Die
vorhergehend beschriebene Vorrichtung ist in Verbindung mit den
in den 7a und 7b beschriebenen
Zusatzkomponenten bei Abmessungen von 30 × 30 × 30 cm wandintegrierbar und
für einen
Heizbetrieb für
typische Innenraumvolumina im Grund unbegrenzt geeignet, wobei bei
Bedarf jederzeit auf einen Kühlbetrieb
umgestellt werden kann. Bei Wärmeaustauschflächen im
Bereich von 25 × 25 cm
und einer geförderten
Luftmenge von 150 bis 300 m3/h lassen sich
die notwendigen gepumpten Wärmemengen
bei geringen Temperaturverlusten an den Wärmeaustauschflächen gut
transportieren.
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Die
hier dargestellten Ausführungsbeispiele schränken den
erfindungsgemäßen Grundgedanken nicht
ein. Es ist einsichtig, dass im Rahmen fachmännischen Handelns in beliebiger
Weise zweckmäßige Hinzufügungen,
Weglassungen oder sonstige Veränderungen
an den hier gezeigten Ausführungsbeispielen
erfolgen können.
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- AZ1,
AZ2
- Arbeitszylinder
- DK1,
DK2
- Doppelkolbenanordnung
- K11,
K12, K21, K22
- Kolbenköpfe
- R1,
R2
- Regenerator
- W1,
W2
- lokale
Warmseiten
- W
- Warmseite
der Gesamtvorrichtung
- K1,
K2
- lokale
Kaltseiten
- K
- Kaltseite
der Gesamtanordnung
- L,
L1
- Linearantrieb
- B
- Blockmodul
- 10,
15
- Wärmeaustauschflächen
- 10a,
10b, 15a, 15b
- Teilabschnitte
- 20
- Strömungskanäle
- 30
- offene
Grund- und Deckflächen
- 40
- Lamellen
- 41
- Distanzstücke
- 50
- Primärteil des
Linearantriebs
- 51
- Verbindungskörper
- 55
- Sekundärteil
- 60
- spulenartige
Wicklung
- 61a,
61b, 61c
- weichmagnetische
Blechteile
- 70
- Wand
- 75
- Dämmung
- 80
- Gebläseeinrichtung
- 90
- Luftfiltereinrichtung
- 95
- Kanalvorsatz
- 96
- Luftkanal