Niedertemperatur Stirling-Vorrichtung zur Raumklimatisierung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur Stirling-Vorrichtung zur Raumklimatisierung. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens zwei Arbeitszylinder (AZ1, AZ2) mit jeweils einer innerhalb eines Arbeitszylinders mittels eines Linearantriebs bewegten Doppelkolbenanordnung (DK1, DK2) und mindestens zwei Regeneratoren (R1, R2) in einer gefalteten Gamma-Konfiguration. Hierbei befinden die Warmseiten (W1, W2) der jeweiligen Arbeitszylinder auf einer ersten Seite der gefalteten Gamma-Konfiguration, während die Kaltseiten (K1, K2) der Arbeitszylinder auf einer der ersten Seite entgegengesetzt liegenden zweiten Seite der gefalteten Gamma-Konfiguration angeordnet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur Stirling-Vorrichtung zur Raumklimatisierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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 J 2003172554 A bzw. J 2000314570 A entnehmen.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] Die gefaltete Gamma-Konfiguration bildet damit eine Ausführungsform, die als in sich geschlossene modulare Einheit in geeignete vorgegebene Konstruktionen eingefügt werden kann.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] 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.

[0026] 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 Figuren 1 bis 7. Es zeigt:

Fig. 1

eine prinzipielle Darstellung der konstruktiv gefalteten Gamma-Konfiguration mit Arbeitszylindern, Regeneratoren, Doppelkolben, Warm- und Kaltseite,

Fig. 2

eine beispielhafte Schnittdarstellung durch einen Arbeitszylinder, einen Regenerator und angefügten Wärmeaustauschflächen,

Fig. 3

eine beispielhafte, teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf eine Wärmeaustauschfläche mit darunter befindlichen Arbeitszylindern bzw. Regeneratoren,

Fig. 4

eine detaillierte Schnittdarstellung eines Arbeitszylinders und Regenerators mit einem Linearantrieb und Lamellenanordnungen,

Fig. 5

eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform mit Einzelheiten der Lamellenanordnung und beispielhaften Angaben von Strömungswegen des Arbeitsmediums,

Fig. 6

eine beispielhafte Ausführungsform des Linearantriebs,

Fig. 7

zwei beispielhafte Einbaumöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine Wandanordnung.

[0027] Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der gefalteten Gamma-Konfiguration. Die in Fig. 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.

[0028] Bei der in Fig. 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 Fig. 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.

[0029] Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Prinzipdarstellung anhand eines Schnitts durch den Arbeitszylinder AZ1 und den Regenerator R1 aus Fig. 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 Fig. 1 gezeigte Verschaltungsprinzip zwischen den Arbeitszylindern und den Regeneratoren der gefalteten Gamma-Konfiguration sind die Richtungen der Strömungskanäle 20 vorgegeben. Bei der in Fig. 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 Fig. 2 gezeigte Ausführungsform vermeidet überflüssige Rohrleitungen vollständig und bildet die Vorrichtung als einen kompakten geschlossenen Körper aus. In Fig. 2 ist weiterhin innerhalb des Arbeitszylinders AZ1 ein Linearantrieb L1 für den Doppelkolben DK1 angedeutet, der weiter unten näher beschrieben wird.

[0030] Fig. 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 Fig. 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.

[0031] Fig. 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.

[0032] 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.

[0033] Wie bereits beschrieben, bestehen in dieser Ausführungsform die Wärmeaustauschflächen aus einer Grillanordnung. Fig. 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.

[0034] Die in den Figuren 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. Fig. 5 zeigt in Ergänzung zu Fig. 3 und Fig. 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.

[0035] Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Linearantriebs für einen Doppelkolben. Der Primärteil ist zweckmäßigerweise ein integraler Bestandteil des Arbeitszylinders. In der in Fig. 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 Fig. 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.

[0036] Nachfolgend werden beispielhafte Einbaumöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Figuren 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.

[0037] Fig. 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 Fig. 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.

[0038] Die in Fig. 7b gezeigte Ausführungsform entspricht im wesentlichen der Ausführungsform aus Fig. 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.

[0039] Die vorhergehend beschriebene Vorrichtung ist in Verbindung mit den in den Figuren 7a und 7b beschriebenen Zusatzkomponenten bei Abmessungen von 30 x 30 x 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 x 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.

[0040] 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.

Bezugszeichenliste

[0041] 

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

Ansprüche

1. Niedertemperatur Stirling-Vorrichtung zur Raumklimatisierung,
gekennzeichnet durch
mindestens zwei Arbeitszylinder (AZ1, AZ2) mit jeweils einer innerhalb eines Arbeitszylinders mittels eines Linearantriebs bewegten Doppelkolbenanordnung (DK1, DK2) und mindestens zwei Regeneratoren (R1, R2) in einer gefalteten Gamma-Konfiguration, bei der die Warmseiten (W1, W2) der jeweiligen Arbeitszylinder auf einer ersten Seite der gefalteten Gamma-Konfiguration und die Kaltseiten (K1, K2) der Arbeitszylinder sich auf einer der ersten Seite entgegengesetzt liegenden zweiten Seite der gefalteten Gamma-Konfiguration angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Arbeitszylinder (AZ1, AZ2) und die Regeneratoren (R1, R2) einen integrierten Block (B) im wesentlichen parallel zueinander orientierter Komponenten bilden, wobei der Block eine Kaltseite (K) mit einer ersten Wärmeaustauschfläche (10) und eine entgegengesetzt liegende Warmseite (W) mit einer zweiten Wärmeaustauschfläche (15) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Arbeitszylinder (AZ1, AZ2) und/oder die Regeneratoren (R1, R2) offene, unmittelbar auf eine Anordnung von zwischen einem Arbeitszylinder und einem Regenerator verlaufenden Strömungskanälen (20) der ersten bzw. zweiten Wärmeaustauschfläche (10, 15) aufsitzende Stirnflächen (30) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
die erste und/oder die zweite Wärmeaustauschfläche (10, 15) als eine Lamellenanordnung (40) mit unmittelbar auf die Lamellenanordnung aufgesetzten Regeneratoren (R1, R2) und Arbeitszylindern (AZ1, AZ2) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Linearantrieb (L) aus einem innerhalb des jeweiligen Arbeitszylinders (AZ1, AZ2) angeordneten ringförmigen Primärteil (50) und einem in dem Primärteil verschiebbaren, in einen Verbindungskörper (54) des jeweiligen Doppelkolbens (DK1, DK2) integrierten Sekundärteil (55) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Primärteil (50) des Linearantriebs (L) aus einer spulenartigen, mit einem Stromfluß in wechselnder Richtung beaufschlagten Wicklung (60) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die spulenartige Wicklung (60) einen Hohlkern aus stapelförmig aufeinander geschichteten weichmagnetischen Ringteilen, insbesondere weichmagnetischen Blechlamellen (61a-c) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sekundärteil (55) des Linearantriebs (L) aus einer alternierenden Folge magnetischer Nord- und Südpole ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein die momentane Bewegungsrichtung und Endlagenstellung des Lineartriebs detektierender magnetischer Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor, in Verbindung mit einer Ansteuereinheit zum Einstellen der Stromrichtung innerhalb der spulenartigen Wicklung (60) in Abhängigkeit von den Signalen des magnetischen Sensors vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die momentanen Stellungen und Bewegungsrichtungen der Linearantriebe der Doppelkolben (DK1, DK2) unter dem Einfluss die Ansteuereinheit nach einer Einschwingzeit einen zeitlich im wesentlichen konstanten relativen Phasenversatz von +90° oder -90° aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Verwendung als ein in eine Wand, insbesondere eine Gebäudeaussenwand (70) integriertes raumheizendes oder raumkühlendes Klimaelement.

Zeichnung