Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlosse- nen Druckbehälter, der über einen Flüssigkolben mit der An- ordnung wirksam verbunden ist und jeweils eine obere Ein- spritzöffnung für Warmwasser sowie für Kaltwasser und eine untere mit einem Arbeitskreislauf verbundene Wasserablauföff- nung aufweist.

Aus der EP 0 043 879 AI ist ein als Zylinder ausgebildetes Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie bekannt. In dem Zylinder ist ein Kolben mit einer Kolbenstange verschiebbar gelagert.

Der von der Kolbenstange durchragte Zylinderraum weist ein Einlassventil sowie Auslassventil für Luft auf, wobei das Auslassventil über einen Bypass mit einem Arbeitsraum des Zy- linders gekoppelt ist. Der Arbeitsraum ist mit einer Ein- spritzöffnung für Warmwasser sowie einem Auslaufventil verse- hen. Mit der Lagerung von Kolben und Kolbenstange in dem Zy- linder gehen verhältnismäßig große Reibungsverluste einher.

Im Weiteren offenbart die WO 00/53898 ein Gasausdehnungsele- ment für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in mo- torische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, be- stehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten ge- schlossenen Druckbehälter. Der Druckbehälter ist über einen verschiebbaren Kolben mit der Anordnung wirksam verbunden und weist jeweils eine obere Einspritzöffnung für Warmwasser so- wie für Kaltwasser und eine untere Wasserablauföffnung auf.

Der Kolben ist als Flüssigkolbenpumpe ausgebildet, die ein- gangsseitig mit der Wasserablauföffnung des Druckbehälters, der ein Wasserzulauf eines Arbeitskreislaufes zugeordnet ist, und ausgangsseitig mit einem Wasserablauf des Arbeitskreis- laufes verbunden ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gasausdehnungselement der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einem einfachen Aufbau einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Flüssigkolben innerhalb des Druckbehälters vorgesehen ist.

Durch die Anordnung des Flüssigkolbens innerhalb des Druckbe- hälters ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche Komponen- te, beispielsweise eine separate Flüssigkolbenpumpe, zur Übertragung der Expansionsenergie des komprimierbaren Gases bzw. Gasgemischs auf ein nichtkomprimierbares Medium sowie dessen Rückstellung vorzusehen. Darüber hinaus werden Ener- gieverluste aufgrund von Übertragungswegen vermieden. Das bei der Zufuhr von Kaltwasser kontraktierende und bei der Zufuhr von Warmwasser expandierende Gas, beispielsweise Luft, beauf- schlagt direkt den Flüssigkolben bzw. wird von dem Flüssig- kolben beaufschlagt, der Arbeit verrichtet, die dem Arbeits- kreislauf zur Umwandlung der thermischen Energie zugeführt wird.

Bevorzugt schwimmt auf der druckbeaufschlagten Oberfläche des Flüssigkolbens eine von dem Gas oder Gasgemisch beaufschlagte druckbeständige Trennschicht. Die Trennschicht definiert im Wesentlichen die von dem Gas bzw. Gasgemisch direkt beauf- schlagte Fläche des Flüssigkolbens und sorgt für eine gleich- mäßige Kraftübertragung.

Zweckmäßigerweise ist die Trennschicht zu der Innenwandung des Druckbehälters geringfügig beabstandet. Durch die Beabstandung der Trennschicht ist sichergestellt, dass das in den Druckbehälter eingesprühte Warm-oder Kaltwasser über die Wasserablauföffnung abgeleitet wird, weshalb der Flüssigkol- ben in einer nicht von dem Gas beaufschlagten Ausgangslage einen konstanten Pegel aufweist und der Druckbehälter ober- halb der Trennschicht vollständig mit dem Gas bzw. Gasgemisch gefüllt ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennschicht als ein eine druckfeste Außenhaut und einen Schwimmerkern umfassender Kegel ausgebildet. Der Kegel be- günstigt eine Verwirbelung des in den Druckbehälter einge- sprühten Warm-bzw. Kaltwassers mit dem Gas, so dass eine schnelle Erwärmung bzw. Abkühlung des Gases erfolgt.

Um einen verhältnismäßig stabilen Aufbau des Kegels bei einer relativ dünnen Ausbildung der Außenhaut zu erzielen, stützt sich vorzugsweise die Außenhaut unmittelbar auf dem Schwim- merkern ab. Der Schwimmerkern stabilisiert sonach die Außen- haut des Kegels.

Zur schnellen Ableitung des in den Druckbehälter eingesprüh- ten Kalt-oder Warmwassers ist zweckmäßigerweise die Außen- haut aus einem wasserabweisenden und hitzebeständigen Materi- al gefertigt. Darüber hinaus schützt das hitzebeständige Ma- terial der Außenhaut den Schwimmerkörper vor einer tempera- turbedingten Beschädigung. Vorzugsweise besteht die Außenhaut aus einem nichtrostenden Stahl, einer Titan-oder Aluminium- legierung.

Damit eine thermische Trennung zwischen dem eingesprühten Kalt-oder Warmwasser und dem Flüssigkolben weitgehend si- chergestellt ist, besteht vorteilhafterweise der Schwimmkern aus einem Polyvinylchlorid-oder Polyurethan-Hartschaum.

Um das Ablaufen des eingesprühten Kalt-oder Warmwassers von dem Kegel zu begünstigen und eine relativ große Auftriebsflä- che zur Verfügung zu stellen, ist bevorzugt die Spitze des Kegels in Richtung der oberen Einspritzöffnungen ausgerich- tet.

Damit der Kegel einen relativ großen Auftrieb erfährt, weist der Kegel einen auf der Oberfläche des Flüssigkolbens schwim- menden zylindrischen Ansatz auf, dessen Außendurchmesser dem größten Durchmesser des Kegels entspricht.

Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dem Ke- gel eine Führungseinrichtung zur zentrischen Lagezentrierung des Kegels innerhalb des Druckbehälters zugeordnet. Somit nimmt der Kegel stets eine definierte Lage innerhalb des Druckbehälters ein und ein seitliches Kippen des Kegels ist ausgeschlossen.

Vorzugsweise umfasst die Führungseinrichtung eine an dem Ke- gel befestigte Führungsstange, die in einer in dem Druckbe- hälter angeordneten Führungshülse verschiebbar gelagert ist.

Die Führungseinrichtung ist somit vollständig innerhalb des Druckbehälters angeordnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Führungsein- richtung ein Wegmeßsystem zugeordnet. Mittels dieses Wegmeß- systems ist die Position des Kegels und damit auch die Lage des Flüssigkolbens innerhalb des Druckbehälters stets genau zu bestimmen. Nach einer Kopplung des Wegmeßsystems mit einer entsprechenden Steuerung der Einspritzdüsen erfolgt eine Ein- spritzung von Kalt-oder Warmwasser in Abhängigkeit von der Lage des Flüssigkolbens. Das Wegmeßsystem ist beispielsweise als induktiver Wegaufnehmer ausgebildet und sendet ein elekt- risches Signal an die Steuereinheit, die Stellorgane zum Öff- nen und Schließen von Ventilen ansteuert.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachste- hend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinatio- nen verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfin- dung zu verlassen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei- spieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstel- lung eines erfindungsgemäßen Gasausdehnungselementes mit zu- geordneten Komponenten.

Ein zylindrischer Druckbehälter 1 weist an seiner Oberseite eine Einspritzöffnung 3 für Kaltwasser sowie eine Einspritz- öffnung 2 für Warmwasser auf, wobei beide Einspritzöffnungen 2,3 mit jeweils einer in das Innere gerichteten Sprüh-und Zerstäuberdüse 21 versehen sind. Innerhalb des geschlossenen Druckbehälters 1 befindet sich ein Flüssigkolben 4 aus Was- ser, auf dessen Oberfläche 5 eine Trennschicht 6 schwimmt.

Die Trennschicht 6 umfasst einen Kegel 7, dessen einen stump- fen Winkel einschließende Spitze 8 in Richtung der Einspritz- düsen 2,3 weist, und einen an der Unterseite des Kegels 7 angeordneten zylindrischen Ansatz 9. Der Durchmesser des An- satzes 9 entspricht dem größten Durchmesser des Kegels 7, al- so dem der Grundfläche des Kegels 7. Die Trennschicht 6 be- steht aus einer aus einem druck-sowie hitzebeständigen Mate- rial gefertigten Außenhaut 10 sowie einem die Außenhaut 10 abstützenden Schwimmerkörper 11. Der Durchmesser des Ansatzes 9 und damit auch der Durchmesser der Grundfläche des Kegels 7 weist ein geringfügiges Spiel zu der Innenwand des Druckbe- hälters 1 auf. In den Boden 22 des Druckbehälters 1 ist eine Wasserablauföffnung 12 eingelassen, die über Leitungen 23 mit eingesetzten Rückschlagventilen 13 mit einem Arbeitskreislauf 14 in Verbindung steht.

An der Spitze 8 des Kegels 7 ist eine Führungsstange 15 be- festigt, die zur Lagezentrierung der Trennschicht 6 in dem Druckbehälter 1 mit einer an der Oberseite des Druckbehälters 1 festgelegten Führungshülse 16 zusammenwirkt. Zugleich wir- ken die Führungsstange 15 und die Führungshülse 16 als induk- tives Wegmeßsystem 24 zusammen, das ein elektrisches Signal bezüglich der Stellung des Kegels 7 und damit der Höhe der Oberfläche 5 des Flüssigkolbens 4 an eine Steuereinheit 17 sendet.

Um Luft 18 bzw. andere Gase oder Gasgemische innerhalb des Druckbehälters 1 zu erwärmen, wird warmes Wasser über die Einspritzöffnung 2 in das Innere des Druckbehälters 1 ge- sprüht. Hierzu öffnet die Steuereinheit 17 ein der Einspritz- öffnung 2 zugeordnetes, in eine Zuleitung 25 eingesetztes Ventil 19, indem sie ein Stellorgan 26 des Ventils 19 über eine Verbindungsleitung 27 ansteuert. Beim Einsprühen des warmen Wassers dehnt sich die Luft 18 aus und verrichtet über den verschiebbaren Flüssigkolben 4 Arbeit. Die Wegstreckenän- derung des Flüssigkolbens 4 wird von dem Wegmeßsystem 24 er- fasst, das ein entsprechendes elektrisches Signal zur Auswer- tung über die Leitung 28 an die Steuereinheit 17 übermittelt.

Die Temperaturverteilung des warmen Wassers innerhalb der Luft 18 wird durch die Form des Kegels 4 begünstigt. Nachdem der Flüssigkolben 4 eine untere Endlage erreicht hat, wird die Einspritzöffnung 2 für das Warmwasser durch eine entspre- chende Ansteuerung des Stellorgans 26 des Ventils 19 durch die Steuerung 17 geschlossen. Eines der Rückschlagventile 13 wird geöffnet und der erzeugte Druck pflanzt sich in dem Ar- beitskreislauf 14 fort. Während dieser Zeit ist das andere Rückschlagventil 13 geschlossen, das beim Kontrahieren der Luft 18 in dem Druckbehälter 1 geöffnet wird.

Nach dem Druckanstieg und dem durch die Flüssigkolbendispla- zierung hervorgerufenen Druckabfall im Druckbehälter sowie nach einer entsprechenden Reduzierung der Temperatur fällt Wasser aus, das über die Außenhaut 10 des Kegels 7 dem Flüs- sigkolben 4 und über diesen dem Arbeitskreislauf 14 zugeführt wird.

Zum Kontrahieren der Luft 18 wird über die mit der Sprüh-und Zerstäuberdüse 21 versehene Einspritzöffnung 3 Kaltwasser in den Druckbehälter 1 gesprüht, indem ein in eine Zuleitung 25 eingesetztes Ventil 20 durch die Beaufschlagung eines Stell- organs 26 seitens der Steuereinheit 17 geöffnet wird. Durch den entstehenden Unterdruck kommt der Flüssigkolben 4 in sei- ne obere Endlage, die ebenfalls durch das Wegmeßsystem 24 er- fasst wird. Beim Erreichen der oberen Endlage sendet das Weg- meßsystem über eine Leitung 28 ein elektrisches Signal zur weiteren Verarbeitung an die Steuereinheit 17, die daraufhin das Stellorgan 26 des Ventils 20 zum Schließen desselben ver- anlasst.