WÄRME- UND KÄLTEMASCHINE, INSBESONDERE VUILLEUMIER-WÄRMEPUMPE ODER STIRLING-MASCHINE

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirting-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.

[0002] 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.

[0003] Aus WO 97/15379 ist ein Brenner für eine Wärme- und Kältemaschine bekannt, bei dem ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf abgibt, der als Gehäuse für einen heißen Kolben der Wärme- und Kältemaschine dient und der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennkammer bildet. Der Erhitzerkopf ist dabei zylinderförmig ausgebildet und von einem hohlzylindrischen Porenbrenner umschlossen, dem stirnseitig das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird. Die Wärmeübertragung an den Erhitzerkopf erfolgt dabei durch Konvektion. Das Material des Porenbrenners enthält dabei katalytisch wirkende Partikel, die eine exotherme Reaktion bewirken.

[0004] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärme- und Kältemaschine der eingangs erwähnten Art in dem Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zu verbessern und dabei einen kompakten Aufbau zu erreichen.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] Dabei kann der Porenbrenner die konkave Aufnahme im Erhitzerkopf vollständig ausfüllen.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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,

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] Im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners 10 vervollständigt ein Gehäuseteil 15 die Abdeckung der Brennkammer, das mit dem Abgas-Auslaß AG versehen ist.

[0018] 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.

[0019] 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.

Ansprüche

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. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Porenbrenner (10) im Abstand zum Erhitzerkopf (20) angeordnet ist oder an diesem großflächig anliegt.

3. Wärme- und Kältemachine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Porenbrenner (10) die konkave Aufnahme (21) im Erhitzerkopf (20) vollständig ausfüllt.

4. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß-das Gas-Luft-Gemisch über einen porösen Rückschlag-Sicherungskörper (11) dem Porenbrenner (10) zuführbar ist, der die Einströmfläche desselben überdeckt.

5. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Rückschlag-Sicherungskörper (11) eine Verteilerkammer vorgeordnet ist, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers (11) entspricht.

6. 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.

7. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Teil des Gehäuseteils. (15) als Wärmetauscher (30) für eine durchfließende Flüssigkeit ausgebildet ist.

Claims

1. Thermal machine, in particular Vuilleumier heat pump or Stirling machine, in which a gas/air mixture is burnt in a combustion chamber, and the exhaust gas transfers the heat energy to a heater head as a housing for the hot piston of the machine, the said piston forming with part of its outer face a part of the combustion chamber, characterized in that the heater head (20) itself has a concave receptacle (21) as a combustion chamber for a pore-type burner (10), the said receptacle surrounding the predominant part of the outside of the pore-type burner (10), with the exception of the inflow face for the gas/air mixture, and in that the transmission of heat to the heater head (20) takes place by means of convection and radiation.

2. Thermal machine according to Claim 1, characterized in that the pore-type burner (10) is arranged at a distance from the heater head (20) or bears against the latter over a large area.

3. Thermal machine according to Claim 1 or 2, characterized in that the pore-type burner (10) completely fills the concave receptacle (21) in the heater head (20).

4. Thermal machine according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the gas/air mixture can be supplied to the pore-type burner (10) via a porous blowback protection body (11) which covers the inflow face of the latter.

5. Thermal machine according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the blowback protection body (11) is preceded by a distributor chamber, the outlet cross-section of which corresponds to the inlet cross-section of the blowback protection body (11).

6. Thermal machine according to Claim 1, characterized in that the combustion chamber is covered, in the region of the inflow face of the pore-type body (10) and of the blowback protection body (11), by means of a housing (15) having an exhaust-gas outlet (AG).

7. Thermal machine according to Claim 6, characterized in that at least part of the housing part (15) is designed as a heat exchanger (30) for a liquid flowing through.

Revendications

1. Machine thermique et frigorifique, en particulier pompe à chaleur Vuilleumier ou moteur Stirling dans laquelle la combustion d'un mélange gaz/air a lieu dans une chambre de combustion et le gaz de combustion fournit l'énergie thermique au niveau d'une tête de chauffage servant de boîtier pour le piston chaud du moteur, laquelle tête de chauffage forme, avec une partie de sa surface extérieure, une partie de la chambre de combustion,
caractérisée en ce que
la tête de chauffage (20) présente en soi un logement concave (21) servant de chambre de combustion pour un brûleur à corps poreux (10), lequel logement comprend la majeure partie de la face extérieure du brûleur à corps poreux (10) à l'exception de la surface d'entrée destinée au mélange gaz/air et le transfert de chaleur se produit par convection et rayonnement au niveau de la tête de chauffage (20).

2. Machine thermique et frigorifique selon la revendication 1,
caractérisée en ce que
le brûleur à corps poreux (10) est disposé à une certaine distance de la tête de chauffage (20) ou bien se trouve, sur une grande surface, en contact avec celle-ci.

3. Machine thermique et frigorifique selon la revendication 1 ou 2,
caractérisée en ce que
le brûleur à corps poreux (10) remplit entièrement le logement concave (21) de la tête de chauffage (20).

4. Machine thermique et frigorifique selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisée en ce que
le mélange gaz/air peut être amené au brûleur à corps poreux (10) via un organe de sûreté de retenue (11) poreux qui recouvre la surface d'entrée de celui-ci.

5. Machine thermique et frigorifique selon l'une des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce que
l'organe de sûreté de retenue (11) est disposé à la suite d'une chambre de distribution dont la section transversale de la sortie correspond à la section transversale de l'entrée de l'organe de sûreté de retenue (11).

6. Machine thermique et frigorifique selon la revendication 1,
caractérisée en ce que
la chambre de combustion est couverte par un carter (15) présentant une sortie de gaz de combustion (AG) dans la région de la surface d'entrée du corps poreux (10) et de l'organe de sûreté de retenue (11).

7. Machine thermique et frigorifique selon la revendication 6,
caractérisée en ce que
au moins une partie de la partie de carter (15) est conçue comme échangeur de chaleur (30) pour un fluide en mouvement.

Zeichnung