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Dokumentenidentifikation DE19904923A1 17.08.2000
Titel Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Waidner, Juergen, 73274 Notzingen, DE;
Bienzle, Marcus, Dr., 73760 Ostfildern, DE
Vertreter Jeck . Fleck . Herrmann Patentanwälte, 71665 Vaihingen
DE-Anmeldedatum 06.02.1999
DE-Aktenzeichen 19904923
Offenlegungstag 17.08.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.08.2000
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
IPC-Nebenklasse F25B 9/14   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine, bei der ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf als Gehäuse für den heißen Kolben der Maschine abgibt, der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennerkammer bildet. Durch Verwendung eines Porenbrenners und dessen Anpassung an den Erhitzerkopf wird der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung verbessert und bei hohem Wirkungsgrad, niedrigen Schadstoffwerten über einem großen Modulationsbereich der Leistung dennoch ein kompakter Aufbau der Maschine erreicht.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier- Wärmepumpe oder Stirling-Maschine, bei der ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf als Gehäuse für den heißen Kolben der Maschine abgibt, der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennkammer bildet.

Eine Wärme- und Kältemaschine dieser Art ist aus der DE 195 16 499 A1 und US 5 214 923 bekannt. Bei dieser bekannten Maschine wird das Gas-Luft-Gemisch direkt in die Brennkammer eingebracht, gezündet und verbrannt. Dabei erfolgt der Wärmeübergang mittels Konvektion des Abgases an der Wand der Brennkammer und damit direkt an den Erhitzerkopf. Daher ist auch nur ein entsprechender Wirkungsgrad in der Energieübertragung erreichbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärme-Kältemaschine der eingangs erwähnten Art in dem Wirkungsgrad des Wärmeüberganges zu verbessern und dabei einen kompakten Aufbau zu erreichen.

Diese Aufgabe wird zum einen dadurch gelöst, daß der Erhitzerkopf selbst eine konkave Aufnahme als Brennkammer für einen Porenbrenner aufweist, die den überwiegenden Teil der Außenseite des Porenbrenners mit Ausnahme der Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch umschließt und daß der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf erfolgt und zum anderen in äquivalenter Weise dadurch, daß der Erhitzerkopf zylinderförmig ausgebildet und von einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner umschlossen ist, dem stirnseitig oder außen-mantelseitig das Gas-Luft-Gemisch zuführbar ist und daß der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf erfolgt.

In jedem Fall erfolgt durch den Einsatz eines Porenbrenners ein beachtlicher Teil des Wärmeübergangs mittels Strahlung und durch die direkte Kopplung des Porenbrenners mit dem Erhitzerkopf als Teil der Brennkammer läßt sich die Maschine kompakt aufbauen und optimal an die Raumverhältnisse anpassen. Darüberhinaus wird neben dem verbesserten Wirkungsgrad des Wärmeübergangs bei niedrigen Schadstoffwerten ein großer Modulationsbereich in der Leistung erreicht.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Porenbrenner im Abstand zum Erhitzerkopf angeordnet ist oder an diesem großflächig anliegt, um eine optimale Einstellung bezüglich Wirkungsgrad, Schadstoffausstoß und Modulationsbereich zu erreichen.

Dabei kann der Porenbrenner die konkave Aufnahme im Erhitzerkopf vollständig ausfüllen.

Die Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches im Porenbrenner läßt sich dadurch stabilisieren, daß das Gas-Luft-Gemisch über einen porösen Rückschlag-Sicherungskörper dem Porenbrenner zuführbar ist, der die Einströmfläche desselben überdeckt. Es wird dadurch ein gleichförmiger Brennvorgang innerhalb des Porenbrenners erreicht.

Demselben Zweck dient auch eine Ausgestaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß dem Rückschlag-Sicherungskörper eine Verteilerkammer vorgeordnet ist, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers entspricht.

Die Abfuhr des Abgases wird in einem Fall dadurch sichergestellt, daß die Brennkammer im Bereich der Einströmfläche des Porenkörpers und dem Rückschlag- Sicherungskörpers mittels eines Gehäuses mit Abgas-Auslaß abgedeckt ist oder im anderen Fall dadurch, daß der Porenbrenner mittels eines Gehäuseteils mit Abgas-Auslaß abgedeckt ist, das im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners als Rückschlag-Sicherungskörper ausgebildet ist.

Ein weiterer Vorteil der neuen Maschine wird dadurch erreicht, daß zumindest ein Teil des Gehäuseteils als Wärmetauscher für eine durchfließende Flüssigkeit ausgebildet ist, die als Brauchwasser verwendbar ist.

Die Erfindung wird anhand von verschiedenen, in den Zeichnungen im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Erhitzerkopf mit konkaver Aufnahme mit einem Porenbrenner, der im Abstand zu Aufnahme angeordnet ist,

Fig. 2 einen Erhitzerkopf mit konkaver Aufnahme und einem Porenbrenner, der die Aufnahme vollständig ausfüllt,

Fig. 3 einen zylinderförmigen Erhitzerkopf mit einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner, der den Erhitzerkopf umschließt und dem stirnseitig das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird, und

Fig. 4 einen zylinderförmigen Erhitzerkopf mit einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner, der den Erhitzerkopf umschließt und dem außenmantelseitig das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist nur die Koppelstelle zwischen Brenner und Erhitzerkopf der Maschine gezeigt, auf die es nach der Erfindung ankommt. Der übrige Aufbau der Maschine als Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine kann in bekannter Weise vorgenommen werden, da dies für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist. Es soll ja in erster Linie der Wirkungsgrad des Wärmeübergangs vom Brenner zum Erhitzerkopf verbessert werden und dies mit einer konstruktiven Ausgestaltung, die einen kompakten Aufbau der Maschine gestattet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist der Erhitzerkopf 20 in der Stirnseite eine konkave Aufnahme 21 auf, in die ein Porenbrenner 10 eingesetzt ist. Der Porenbrenner 10 ist zylinderförmig und kann als Drahtgeflecht, poröser Keramikkörper und dgl. ausgebildet sein. Er hat den Vorteil, daß damit eine stabiler Brennvorgang mit niedrigen Schadstoffwerten über einem großen Modulationsbereich der Leistung erreicht werden kann.

Die Aufnahme 21 umschließt im Abstand den wesentlichsten Teil der Außenfläche des Porenbrenners 10 mit Ausnahme der Einströmfläche für das Gas-Luft- Gemisch, die durch einen plattenförmigen, porösen Rückschlag-Sicherungskörper 11 abgedeckt ist. Dem Rückschlag-Sicherungskörper 11 kann eine Verteilerkammer vorgeordnet sein, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers 11 entspricht. Ein Ventilator 12 fördert Luft L und mischt diese dem Gas G bei. Als Gas-Luft-Gemisch gelangt dieser Brennstoff in den Porenbrenner 10 und verbrennt dort nach einer (nicht dargestellten) Zündung.

Im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners 10 vervollständigt ein Gehäuseteil 15 die Abdeckung der Brennkammer, das mit dem Abgas-Auslaß AG versehen ist.

Der Wärmeübergang erfolgt vom Porenbrenner 10 zum Erhitzerkopf 20 mittels Konvektion und Strahlung, deren Anteil gerade bei dem Einsatz eines Porenbrenners 10 besonders hoch ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 füllt der Porenbrenner 10 die konkave Aufnahme 21 im Erhitzerkopf 20 vollständig aus und liegt an dieser an. Im Zentrum des Porenbrenners 10 ist ein topfartiger, poröser Rückschlag-Sicherungskörper 11 eingesetzt, über den das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird. Im übrigen unterschiedet sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Dabei kann die Ausgestaltung auch zwischen beiden Ausführungsbeispielen variieren und im Abstand oder ausgefülltem Volumen des Porenbrenners 10 angepaßt werden.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 ist der Erhitzerkopf 20 zylinderförmig und wird von einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner 10 umschlossen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird ein Gehäuseteil 15 über die freie Stirnseite des Erhitzerkopfes 20 aufgestülpt, das die Außenmantelfläche des Porenbrenners 10 bis auf die untere Stirnseite abdeckt, die als Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch ausgenützt wird und mittels eines porösen, ringförmigen Rückschlag-Sicherungskörpers 11 abgedeckt ist. Das Gehäuseteil 15 ist mit dem Abgas-Auslaß AG versehen. Ein Teil des Gehäuseteils 15, insbesondere im Bereich der Außenmantelfläche des Porenbrenners 10 kann als Wärmetauscher 30 ausgebildet sein. Die durchfließende Flüssigkeit kann z. B. als Brauchwasser verwendet werden. Der Rückschlag-Sicherungskörper 11 kann auch bei dieser Ausgestaltung mit einer vorgeordneten Verteilerkammer für das Gas-Luft-Gemisch kombiniert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird die Außenmantelfläche des Porenbrenners 10 als Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch verwendet, wobei das Gehäuseteil 15 in diesem Bereich als poröser Rückschlag-Sicherungskörper 11 ausgelegt ist und mit einer Verteilerkammer kombiniert sein kann.

Auch bei diesen Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 kann der Porenbrenner 10 am Erhitzerkopf 20 anliegen oder im Abstand zu diesem angeordnet sein, ohne den kompakten Aufbau dieses Bereiches der Maschine nachteilig zu beeinflussen.


Anspruch[de]
  1. 1. Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine, bei der ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf als Gehäuse für den heißen Kolben der Maschine abgibt, der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennerkammer bildet, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Erhitzerkopf (20) selbst eine konkave Aufnahme (21) als Brennkammer für einen Porenbrenner (10) aufweist, die den überwiegenden Teil der Außenseite des Porenbrenners (10) mit Ausnahme der Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch umschließt und

    daß der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf (20) erfolgt.
  2. 2. Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine, bei der ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf als Gehäuse für den heißen Kolben der Maschine abgibt, der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennerkammer bildet, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Erhitzerkopf (20) zylinderförmig ausgebildet und von einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner (10) umschlossen ist, dem stirnseitig oder außen-mantelseitig das Gas-Luft-Gemisch zuführbar ist und

    daß der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf (20) erfolgt.
  3. 3. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbrenner (10) im Abstand zum Erhitzerkopf (20) angeordnet ist oder an diesem großflächig anliegt.
  4. 4. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbrenner (10) die konkave Aufnahme (21) im Erhitzerkopf (20) vollständig ausfüllt.
  5. 5. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Luft-Gemisch über einen porösen Rückschlag- Sicherungskörper (11) dem Porenbrenner (10) zuführbar ist, der die Einströmfläche desselben überdeckt.
  6. 6. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rückschlag-Sicherungskörper (11) eine Verteilerkammer vorgeordnet ist, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers (11) entspricht.
  7. 7. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer im Bereich der Einströmfläche des Porenkörpers (10) und des Rückschlag-Sicherungskörpers (11) mittels eines Gehäuses (15) mit Abgas-Auslaß (AG) abgedeckt ist.
  8. 8. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbrenner (10) mittels eines Gehäuseteils (15) mit Abgas-Auslaß (AG) abgedeckt ist, das im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners (10) als Rückschlag-Sicherungskörper (11) ausgebildet ist.
  9. 9. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Gehäuseteils (15) als Wärmetauscher (30) für eine durchfließende Flüssigkeit ausgebildet ist.






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