Die Erfindung bezieht sich auf eine Umwälzpumpe für die Förderung eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums in einem geschlossenen Kreislauf, in dem sich ein Wärme¬ austauscher befindet, dem von aussen Wärme, z.B. aus Son¬ nenenergie zugeführt wird, und der diese Wärme über das umzuwälzende Medium einem anderen Wärmeaustauscher zuführt, der Wärme, z.B. zu Heizungszwecken, abgibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Antrieb der Umwälzpumpe so auszubilden, daß keine Fremdenergie, wie elektrischer Strom oder mechanischer Antrieb, durch von aussen zugeführ¬ te Energie erforderlich ist, und ferner ein möglichst gros- ses Volumen umgepumpt wird bei kleinem Eigenverbrauch.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß sich die Umwälz¬ pumpe unter Ausnutzung des zwischen ihrem Ein- und Ausgang herrschenden Temperaturgefälles und des daraus resultieren¬ den Expansionsdruckes selbst antreibt und von zwei mecha¬ nisch miteinander verbundenen durch eine Selbststeuerein- richtung, abwechselnd vom Medium beaufschlagten Differen¬ tialkolbenpumpen gebildet ist.

Durch die Verwendung des umzuwälzenden Mediums als Antrieb für die Umwälzpumpe wird die Unabhängigkeit von Fremdener¬ gie erreicht. In Kombination hiermit wird durch die Verwen- düng einer Selbststeuereinrichtung mit Differentialkolben erreicht, daß man mit einem Minimum an abgezweigter Ener¬ gie für den Antrieb auskommt, so daß noch ein sehr guter Wirkungsgrad der Anlage vorhanden ist.

Durch eine relativ große Übersetzung des Differentialkolbens

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wird in einfacher Weise erreicht, daß für den Antrieb der Pumpe nur ein kleines Volumen benötigt wird, hingegen aber ein großes Volumen im Kreislauf umgepumpt wird. Dabei wird immer ein Medium von einem WärmeSpeicher höherer Tempera- tur zu einem Wärmespeicher für die Abgabe der Energie auf ein niedrigeres Temperaturniveau umgepumpt. Die transpor¬ tierte Flüssigkeitsmenge soll relativ groß sein im Verhält¬ nis zu der Flüssigkeitsmenge , die für die Betätigung der Differentialkolbenpumpen, welche die Umwälzpumpe darstellt, benötigt wird.

Wesentlich ist ferner, daß der vom Medium höherer Tempe¬ ratur beaufschlagte Eingang der Differentialkolbenpumpen durch die Selbststeuereinrichtung abwechselnd mit den Kam¬ mern verbunden ist, welche das grössere Volumen aufgrund der größeren Kolbenflächen der Differentialkolbenpumpen aufweisen.

Erfindungsgemäss wird ferner vorgeschlagen, einen derarti¬ gen thermischen Antrieb, beruhend auf einem Temperatur¬ gefälle, bestehend aus mindestens einem Wärmeaustauscher- System, welches mit flüssigen und/oder gasförmigen Medien gefüllt ist , einer Kraf maschine, die von diesen Medien angetrieben wird und einer Ladepumpe, welche dem System Medien zuführt, unter Verwendung von zwei, im Gegentakt arbeitenden Differentialkolbenpumpen aufzubauen. Die Kolben dieser Differentialkolbenpumpen sind durch eine gemeinsa- . e Kolbenstange verbunden. Die Kolbenstange trägt Steuer¬ kanäle, welche einen Hilfssteuerschieber beaufschlagen. Sobald die Differentialkolben ihre Endlage erreichen, be¬ aufschlagen die Steuerkanäle der Kolbenstange den Hilfs- Steuerschieber, der seinerseits die Kammern der zwei Dif¬ ferentialkolbenpumpen auf gegenläufige Bewegung umsteuert.

Vorteilhaft ist die Ausbildung der Erfindung derart, daß beim Anschluss des Wärmeaustauschersystems jeweils an dei

beiden Kammern derselben Differentialkolbenpumpe, am Kol¬ ben von beiden Seiten der gleiche Druck herrscht, so daß besondere Abdichtungsmaßnahmen entbehrlich werden. Ins¬ besondere können aufwendige Dichtungen, welche einem dauernden Verschleiss unterworfen wären, entfallen.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, auf ^■ dem hin- und hergehenden Hilfssteuerschieber zumindest einen Kolben anzuordnen, welcher als doppelt wirkende Pumpe arbeitet. Da beide Systeme, nämlich sowohl die Differentialkolben¬ pumpen als auch der Hilfssteuerschieber mit seinem Kolben, eine hin- und hergehende Bewegung ausführen, kann diese doppelt wirkende Pumpe am Hilfssteuerschieber, für ver¬ schiedene zusätzliche Funktionen herangezogen werden, z.B. zum Vorverdichten des Mediums, bevor es von den Dif¬ ferentialkolbenpumpen wieder dem Wärmespeicher zugeführt wird, oder zum Aufbau von mehrstufigen Kompressionskälte¬ anlagen.

Dabei ist es unerheblich, ob die doppelt wirkende Pumpe in bekannter Weise durch Zu- und Abgangsventile gesteuert wird, oder, wie eine weitere Ausbildungder Erfindung vorsieht, auch die doppelt wirkende Pumpe durch zusätzliche Steuer¬ kanäle auf der Kolbenstange der Differentialkolben ge¬ steuert wird. Für die weitere Ausgestaltung der Erfindung gelten naturgemäss alle Maßnahmen, welche den Wirkungsgrad oder die Anwendungsmöglichkeiten verbessern.

Dazu gehört u.a., daß ein zweites Wärmeaustauschersystem vorhanden ist, in welchem das austretende Medium abgekühlt und wieder der Differentialpumpe zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es auch, das erste Wärmeaustauschersystem direkt als Solarkollektor auszubilden, wobei das zweite Wärmeaustauschersystem ein Wärmespeicher sein könnte.

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Erfindungsgemäss wird auch der Einsatz eines derartigen thermischen Antriebs direkt als Teil eines Absorptions¬ kühlsystems vorgeschlagen, wobei das erste Wärmeaustauscher system der Austreiber wäre und das zweite Wärmeaustauscher- system als Kältekreis mit Kondensator, Verdampfer und Ab¬ sorber ausgebildet ist. Besondere Bedeutung kommt dem erfindungsgemässen Vorschlag zu, den thermischen Antrieb so zu gestalten, daß der Austreiber direkt als Solarkol¬ lektor ausgebildet ist.

Ebenso wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, das zweite Wär¬ meaustauschersystem als Kompressor-Kältekreis auszubilden, in dem mindestens ein Kondensator, ein Entspannungsven¬ til und ein Verdampfer vorhanden ist.

Erfindungsgemäss wird auch vorgeschlagen, die zusätzliche Anordnung einer doppelt wirkenden Kolbenpumpe auf dem

Hilfssteuerschieber zum Aufbau eines mehrstufigen Kompres¬ sorkreises zu benutzen. Diese Pumpe könnte z.B. zur Ver¬ flüssigung des im Verdampfer gasförmig gewordenen Mediums dienen. Das Medium wird erst nach Kompression in der dop- pelt wirkenden Kolbenpumpe der eigentlichen Differential¬ kolbenpumpe verflüssigt zugeführt.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades kann erfin¬ dungsgemäss dadurch erreicht werden, daß ein weiterer Wärmeaustauscher vorhanden ist, dessen erster "warmer" Kreis am "warmen" Ausgang der Differentialkolbenpumpen angeordnet ist und dessen "kalter" Kreis am "kalten" Aus¬ gang der Differentialkolbenpumpe liegt. Bei dieser Anord¬ nung wird bereits eine gewisse Wärmemenge dem warmen aus¬ strömenden Medium entzogen und direkt dem abgekühlten Medium zugeführt, welches z.B. dem Sonnenkollektor zur weiteren Erwärmung zugeleitet wird.

Um die Funktion der aus zwei Differentialkolbenpumpen be-

stehenden, thermischen Kraftmaschine besser erläutern zu können, ist in Fig. 1 das Prinzip einer solchen Anordnung schematisch dargestellt.

Die eigentliche thermische Kraftmaschine bzw. die Umwälz- pumpe mit eigenem Antrieb 1 ist einerseits mit einem ersten Wärmeaustauscher 2 (z.B. einem Solarkollektor ) verbunden. Andererseits besteht eine Verbindung zu einem zweiten Wär¬ meaustauscher 3, welcher sich in einem Wärmespeicher 4 be¬ findet. Aufgabe der thermischen Kraftmaschine bzw. Umwälz- pumpe 1 ist es nun, die dem ersten Wärmespeicher 2 zuge¬ führte Energie , z.B. Sonnenenergie 5, zunächst dem zwei¬ ten Wärmeaustauscher 3 2uzuführen, welcher diese als Speicherwärme 6 dem WärmeSpeicher 4 zuführt.

Das in den Rohrleitungen des Wärmeaustauschers 2 befind- liehe Medium wird durch die Sonnenenergie 5 erwärmt und wird mit gleichem Druck über die Anschlüsse A und C auf die thermische Kraftmaschine bzw. Umwälzpumpe 1 einwirken. Andererseits wird über die Anschlüsse B und D der zweite Wärmeaustauscher mit der thermischen Kraftmaschine bzw. Umwälzpumpe verbunden und er hat die Aufgabe, das .im Solar¬ kollektor 2 erwärmte Medium durch Abgabe der Speicherwärme 6 wieder abzukühlen. Dabei ergibt sich bei der erfindungs- gemässen Ausbildung der thermischen Kraftmaschine bzw. Umwälzpumpe zwischen den Anschlüssen A ^* und B bzw. C und D ein Strömungsumlauf in Pfeilrichtung. Das erwärmte Medium strömt dabei von A nach B und das abgekühlte Medium von D nach C. Zur Vereinfachung werden daher für die Anschlüsse A,B,C, und D folgende Bezeichnungen gebraucht:

A "warmer" Eingang der Differentialkolbenpumpen der Umwälz- pumpe 1

B "warmer" Ausgang der Differentialkolbenpumpen der Umwälz¬ pumpe 1 C'kalter" Ausgang der Differentialkolbenpumpen der

pumpe 1

D "kalter" Eingang der Differentialkolbenpumpen der Um¬ wälzpumpe 1

Figur 2 zeigt den beispielsweisen Innenaufbau einer er- findungsgemässen Differentialkolbenpumpe mit den entspreche -den Steuerkanälen. .

Die wichtigsten Bauteile einer erfindungsgemässen Kraft¬ maschine bzw. Umwälzpumpe sind die beiden Differential¬ kolbenpumpen 7 und 8 mit ihren Kolben 9 und 10. Die beiden Kolben 9 und 10 sind durch die Kolbenstange 11 miteinander verbunden. Die Selbststeuereinrichtung wird im Ausführungs¬ beispiel von dem Hilfssteuerschieber 12 gebildet. Die Ein- und Ausgänge der Kraftmaschine bzw. Umwälzpumpe sind ent¬ sprechend der vorstehenden Beschreibung mit A,B,C und D bezeichnet. Die an den Anschlüssen A,B,C und D angebrachten Pfeile geben an, ob bei diesem Anschluss der Kraftmaschine Medium zu - oder abgeführt wird.

Bei der in Figur 2 dargestellten Mittellage der Differen¬ tialkolben und der dargestellten Lage des Hilfssteuerschie- bers 12 wird das warme Medium von Anschluss A über die Lei¬ tung 13 durch den Steuerkanal 14 der Kammer 15 zugeführt. Andererseits wirkt ein gleich großer Druck vom Anschluss C über die Leitung 16 und den Steuerkanal 17 auf die Kammer 18 und damit auf die andere Seite des Kolbens 10. Obwohl in der Kammer 15 und in der Kammer 18 der gleiche Druck herrscht, bleibt dennoch eine resultierende Kraft am Kolben übrig, da die Kolbenflächen der Kammern 15 und 18 um die Differenz der Fläche der Kolbenstange 11 differieren. Mit dieser Differenzkraft wird die Kolbenstange 11 nach links gedrückt und befördert dabei das in der Kammer 19 befind¬ liche Medium durch die Leitung 2o den Steuerkanal 21 und die Leitung 22 zum "warmen" Ausgang B. In die Kammer 23 strömt gleichzeitig vom Anschluss D kommend Medium über die Lei-

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tungen 25 und 26 über den Steuerkanal 25 ein.

Sobald die Kolben 9 und 10 und mit ihnen die Kolbenstange 11 etwa die linke Endlage erreicht haben, stellt der Steuerka¬ nal 27 über die Leitungen 28 und 29 eine Verbindung vom Anschluß C zum rechten Ende 3o des Hilfssteuerschiebers 12 her. Der am Anschluss C herrschende Druck wird nun den Hilfssteuerschieber 12 in seine linke Endlage bringen, bis der Anschlag 31 den Hub begrenzt. Dabei werden zunächst die Steuerkanäle 14 und 21 die Umschaltung vom Anschluss A von der Kammer 15 auf die Kammer 19 vornehmen. Ebenso wird die Kammer 18 nunmehr über den Steuerkanal 17 mit dem Anschluss D verbunden und die Kammer 23 über den Steuer¬ kanal 25 mit dem Anschluss C.

Nunmehr sind die Druckverhältnisse in der Kammer 19 und 23 umgekehrt, das heisst, es bleibt eine resultierende Kraft auf die Kolbenstange 11 in Richtung nach rechts und die Kolben 9 und 1o mit Kolbenstange 11 werden, sich in die rechte Endlage bewegen. Beim Erreichen der rechten Endla¬ ge aber wird nun über den Steuerkanal 27 der Anschluss C 0 mit dem linken Ende 32 des Hilfssteuerschiebers 12 über die Leitung 33, und gleichzeitig das rechte Ende 3o des Hilfssteuerschiebers über den Steuerkanal 34 mit dem An¬ schluss D verbunden.

Da am Anschluss C ein höherer Druck als am Anschluss D 5 ansteht, wird nun der Hilfssteuerschieber 12 in seine rech¬ te Lage wandern, wie es in der Figur 2 dargestellt ist. Damit befinden sich alle Teile wieder unter den anfangs beschriebenen Druckverhältnissen und die beiden Kolben 9 und 10 mit Kolbenstange 11 werden wieder nach links wandern.

° Dabei wird allgemein vorausgesetzt, daß infolge der Erwär¬ mung des Mediums im Wärmeaustauscher 2 an den Anschlüssen A und C ein höherer Druck herrscht als an den Anschlüssen B und D, wo infolge der Abkühlung des Mediums im Wärme-,

speicher 3 eine Volumreduzierung und damit eine Druckab¬ nahme stattfindet.

Eine weitere Ausgestaltung ist in Figur 3 dargestellt. Dabei sind gleiche Teile wie in Figur 2 mit gleichen Nummern bezeichnet.

Zusätzlich ist in Figur 3 am Hilfssteuerschieber 12 der Kolben 35 angeordnet, der sich mit dem Hilfssteuerschieber 12 im Pumpengehäuse 36 hin- und herbewegt.

Im Zusammenwirken mit den Steuerkanälen 37 und 38, welche zusätzlich auf der Kolbenstange 11 angeordnet sind und den Leitungen 39,4o und 41, stellt diese Anordnung eine doppelt wirkende Pumpe dar, welche am Anschluss E ansaugt und am Anschluss F ausstösst.

Sollte eine Zwangssteuerung, wie sie hier durch die Steuer- kanäle 37 und 38 gegeben ist, nicht erwünscht sein, kann diese doppelt wirkende Pumpe selbstverständlich in bekann¬ ter Art durch Zu- und Abgangsventile, die jeweils in einer Richtung sperren, ersetzt werden.

Die schematisσhe Darstellung in Figur 1 zeigt im übrigen eine typische Anwendung der Erfindung und deren Vorteile.

Das im Wärmeaustauscher 2, (in diesem Falle als Solarkol¬ lektor dargestellt) von der Sonnenenergie 5 erwärmte Medium wird durch die thermische Kraftmaschine bzw. Umwälzpumpe 1 zu dem meist tiefer gelegenen Wärmespeicher 4 gepumpt, wo die zu speichernde Wärme 6 vom Wärmeaustauscher 3 an die umgebende Flüssigkeit, z.B. ein Schwimmbecken oder ein Warmwasser-Vorratsbehälter, abgegeben wird.

In Fig. 4 ist schematisch eine Anordnung des thermischen

Antriebs als Kältemaschine dargestellt. In diesem Falle ist der Wärmespeicher 2 als Austreiber eines Absorptionskühl^rTo

schrankes aufzufassen, in dem z.B. ein Ammoniak-Wasser-Ge¬ misch oder eine andere absorptionsfähige Flüssigkeits¬ kombination mit möglichst großem Ausdehnungskoeffizienten erhitzt wird. Durch die dabei auftretende VdLumenvergrös- serung werden die Differentialkolbenpumpen der Kraftmaschi¬ ne bzw. Umwälzpumpe 1 bewegt und das beim Anschluss B aus¬ tretende Gas-Flüssigkeitsgemisch einem Kondensator 42 zuge¬ führt, wo die Temperatur absinkt, über die nachgeschaltete Drosselstrecke 43 gelangt das nunmehr abgekühlte Gemisch in den Verdampfer 44, von wo es in die doppelt wirkende Kolbenpumpe am Anschluss E eintritt und verdichtet, über den Anschluss F, in ein Absorptionsgefäss 45 gelangt. Vom Absorptionsgefäss 45 schließlich wird die "kalte" Lö¬ sung über den Anschluss D den Differentialkolbenpumpen zugeführt und kommt über den Anschluss C wieder zum Wärme¬ tauscher 2.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist in Figur 4 die Zwischenschaltung eines Wärmeaustauschers 46 vorgesehen, welcher einerseits dem beim Anschluss B austretenden "heis- sen" Medium Wärme entzieht, indem er diese an das Medium , welches "kalt" beim Anschluss C austritt, zuführt.

Die schematische Darstellung der Figur 4 gibt nur eine oder zahlreiche Möglichkeiten wieder, die beim heutigen Stand der Technik im Bau von Absorptionskältemaschinen möglich sind.

Andere Varianten der Absorptionskältetechnik , wie z.B. das Trennen von Wasser und Ammoniak und getrenntes Umpumpen über die doppelt wirkende Kolbenpumpe sind ebenso möglich, wie die Verwendung von anderen Kühl- bzw. Kältemitteln, die sich speziell für dieses Verfahren eignen.

Ebenso kann das Schema Figur 4 als Kreislauf eines Kompres¬ sionskühlschrankes verstanden werden, in welchem ein ge-

eignetes Kältemittel zunächst thermisch verdichtet, dann etwas abgekühlt wird, wobei nach Entspannung in einer Dros¬ selstrecke 43 vom Verdampfer 44 der Umgebung Wärme entzo¬ gen und damit gekühlt wird. In diesem Fall kommt der dop- pelt wirkenden Kolbenpumpe die Aufgabe einer Vorverdich¬ tung und Verflüssigung des Mediums zu.

Bei der Ausbildung des Wärmeaustauschers 2 als Solarkollek¬ tor kommt der Erfindung besondere Bedeutung zu, da man ohne jede Fremdenergie wie elektrischen Strom und ähnliches unmittelbar Kühlschränke oder Klimaanlagen aufbauen kann.

Auch der Verwertung von Abfallwärme, wie sie z.B. bei Kraftfahrzeugen im Kühler oder am Auspuffsystem an die Um¬ gebung verschwendet wird, erschliessen sich durch diese Erfindung neue Möglichkeiten, da für den Betrieb der Kälte- anläge keine zusätzliche Energie dem Motor entnommen wird.

Auf eine besondere Eigenschaft des erfindungsgemässen ther¬ mischen Antriebs sei nachdrücklich hingewiesen: Die Förderleistung der Differentialkolbenpumpen ergibt sich aus dem Verhältnis der Volumen des Mediums bei ver- schiedenen Temperaturen. Wenn sich z.B. eine Flüssigkeit von 2o° Umgebungstemperatur bei Erwärmung auf 5o° um 2o% ausdehnt und dementsprechend die Volumina der Differential¬ kolbenpumpen um 2o% verschieden ausgelegt werden, so wird die thermische Kraftmaschine bzw. Umwälzpumpe bemüht sein, die Temperaturdifferenz von 3o° aufrechtzuerhalten. Tritt nun z.B. durch stärkere Sonneneinstrahlung eine erhöhte Volumenzunähme auf, so wird dementsprechend eine schnelle¬ re Bewegung der Differentialkolben eintreten mit der Fol¬ ge, daß mehr abgekühltes Medium in den Solarkollektor ein- gepumpt wird und zwar solange, bis sich wieder zwischen der Ausdehnung im Solarkollektor und der Abkühlung im Wärmespeicher eine Ausdehnungsdifferenz von 2o% einstellt.

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Eine besonders vorteilhafte Selbstregelung des Systems er¬ gibt sich durch Verwendung von Medien, die ähnlich Frigen 22 (Chloridfluormethan) die Eigenschaft haben, bei stei¬ gender Erwärmung einen zunehmenden Ausdehnungskoeffizien- ten zu besitzen. Dadurch tritt bei steigender Temperatur im Solarkollektor eine beschleunigte Pumpfreguenz auf, die bei starker Sonneneinstrahlung in der Lage ist, eine grössere Wärmemenge zu transportieren. Andererseits ist es bei der Verwendung von solchen Medien möglich, den Wärmespeicher auf Temperatur aufzuladen, welche näher an die Temperatur des Sonnenkollektors herankommen, da die gleiche Volumendifferenz bereits bei geringeren Tempera¬ turdifferenzen gegeben sind.

Um bei extrem starker Sonneneinstrahlung und bereits "vollem" Wärmespeicher ein überhitzen der Anlage zu ver¬ meiden, wird er indungsgemäss empfohlen, eine Sicherheits- vorrichtung vorzusehen, welche beim überschreiten einer kritischen Temperatur im ersten oder/ und zweiten Wärmeaustauscher einen zusätzlichen mit Luft oder Wasser gekühlten Sicherheitswärmeaustauscher zur Abkühlung des Mediums aufschaltet.

Die Figur 5 gibt dazu ein Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile wieder mit gleichen Nummern bezeichnet sind. Zusätzlich ist ein Sicherheitswärmeaustauscher 47 vorge- sehen,.welcher z.B. einen Wassereinlauf 48 und einen Wasser¬ auslauf 49 besitzt. Ein Ventil 5o sperrt normalerweise den Wasserdurchlauf, übersteigt die Temperatur des Mediums vom Speicher 2 einen bestimmten Grenzwert, so schaltet der Thermostat 51 und öffnet das Ventil 5o. Dadurch wird der Sicherheitswärmeaustauscher 47 von kaltem Wasser durch¬ strömt und führt die überschüssige Wärme ab. Eine zusätz¬ liche Maßnahme könnte darin bestehen, ein thermostatisch gesteuertes Doppelventil 52 am Ausgang B anzuordnen, welches den direkten Fluß des Mediums von B zum Wärmeaus¬ tauscher 3 sperrt und die gesamte Strömung im Gefahren s^_

fall über den Sicherheitswärmeaustauscher 47 leitet.

Die Darstellung in den Figuren 1 bis 5 sind als Prinzip¬ lösungen bzw. als Beispiele aufzufassen, die beliebig nach dem Stand der Technik erweitert werden können. Zum Beispiel könnte anstelle des Sicherheitswärmeaustauschers 47, der in der Figur 5 als wassergekühlter Wärmeaustauscher dar¬ gestellt ist, auch ein Sicherheitswärmeaustauscher vorge- sehen werden, welcher als Luftkühler ausgebildet ist. Eben¬ so könnte dem Thermostat 51 die Temperatur im Wärmespeicher 4 oder sogar beide Temperaturen der Wärmeaustauscher 2 und 4 als kritische Messgrösse dienen.

Es gehen jedoch aus den prinzipiellen Darstellungen Figur 1 bis Figur 5 weitere erfindungswichtige Hinweise hervor, die als Lehre zum technischen Handeln aufzufassen sind.