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Kühlmaschine
Ausser Kühlmaschinen, bei denen die Wärmeableitung mittels eines Gases erfolgt, das dabei vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht und umgekehrt, bestehen auch Kühlmaschinen, bei denen die Wärmeableitung mittels eines immer im gleichen Aggregatzustand bleibenden Gases erfolgt. Das Gas wird in dieser Maschine zuerst expandiert, nimmt dabei Wärme auf, danach komprimiert und gibt Wärme ab, die weiter von einem gewöhnlichen Kühlmittel, wie Wasser oder Luft, abgeleitet wird. Dieser thermodynamische Kreisprozess wird in einer Maschine durchlaufen, in der das Gas in einem Raum mit veränderlichem Volumen eingeschlossen ist.
In diesem Raum oder in offener Verbindung mit ihm ist ein zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel auf das Gas bestimmter Teil enthalten, ferner ein Regenerator sowie ein zum Übertragen der Wärme des Gases in der Maschine auf das genannte Kühlmittel bestimmter Teil, der sich ausserdem in offener Verbindung mit einem zweiten Raum mit ver- änderlichem Volumen befindet. Der zur Wärme- übertragung von dem zu kühlenden Mittel auf das Gas bestimmte Teil der Maschine wird im folgenden als "Heizer", der zur Wärme- übertragung vom Gase auf das Kühlmittel
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Zwischen den Volumsänderungen des geheizten und gekühlten Raumes besteht ein solcher Phasenunterschied, dass das Gas gezwungen ist, den vorher beschriebenen Kreisprozess zu durchlaufen. Solche Kühlmaschinen sind z. B. aus Zeuner"Technische Thermodynamik"Band I bekannt.
Diese Kühlmaschinen können als Maschinen mit geschlossenem Kreisprozesse bezeichnet werden, weil immer die gleiche Gasmenge gezwungen ist, den vorher erwähnten thermodynamischen Kreislauf einzuhalten. Auch wenn ein Teil des Gases aus diesen geschlossenen Räumen zu einem geschlossenen Gefäss-oder Röhrensystem abfliessen und von dort aus wiederum in die Räume zurückgeführt werden kann, in denen sich der Kreisprozess abspielt, kann von einem geschlossenen Kreislauf ge- sprochen werden. Die Kühlmaschinen können gegebenenfalls auch mit einem offenen Kreis- lauf arbeiten, wobei sich dann der Kühler er- übrigt. Das Gas wird in diesem Falle aus dem gekühlten Raum zur Aussenluft abgeleitet ; für den nächstfolgenden Kreislauf wird eine neue
Gasmenge, in diesem Falle Luft, angesaugt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich aus- schliesslich auf Kühlmaschinen der beschriebenen
Art, bei denen das angewendete Mittel immer im gleichen Aggregatzustand, u. zw.-wie meistens üblich-im gasförmigen, in den vorher erwähnten Räumen umläuft. Eine bekannte Ausführungsform dieser Kühlmaschine ist mit nur einem einzigen thermodynamischen Kreislauf ausgebildet, so dass zur Vergrösserung der Maschinenleistung auch die Abmessungen der am Kreislauf beteiligten Räume, in diesem Falle der Zylinder und der Organe, die das Volumen des geheizten und des gekühlten Raumes beeinflussen, vergrössert werden müssen.
Nach der Erfindung ist eine Kühlmaschine der vorher beschriebenen Art mit mehreren Kreisläufen ausgebildet, die sich in mehreren Zylindern vollziehen, in denen sich die Volumen der verschiedenen geheizten und gekühlten Räume beeinflussenden Kolbenflächen immer paarweise in gleichem Abstand voreinander befinden und wobei je eine dieser erwähnten Paare das Volumen eines geheizten Raumes und die andere Kolbenfläche dieses Paares das Volumen eines gekühlten Raumes ändert ; in jedem Kreislauf ergibt sich die für die Wirkungsweise der Maschine erforderliche Änderung des Abstandes zwischen der Kolbenfläche, die den zugehörigen gekühlten Raum ändert, indem eine Änderung des Volumens eines Raumes, in dem sich ein einziger Kreislauf vollzieht, durch zwei Kolbenflächen herbeigeführt wird, die sich nicht abstandsgleich bewegen.
Da die sich bewegenden Kolbenflächen in einem Zylinder sich stets paarweise in gleichem Abstand befinden, wird für jeden Zylinder nur ein einziger Antrieb des in ihm bewegten Kolbens bzw. der Kolben benötigt ; zum Unterschied von der bekannten Einzylindermaschine, in der immer zwei sich gegenseitig verschiebende Kolben vorgesehen sein müssen. Die beiden Kolbenflächen, die gemeinsam das Volumen eines einzigen Kreislaufes beeinflussen und sich
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somit in einem gewissen Abstand gegeneinander bewegen müssen, sind bei diesen Mehrzylinder- maschinen notwendigerweise in zwei verschiedenen
Zylindern untergebracht.
Bei jedem Kreis- lauf ist also der geheizte Raum in einem anderen
Zylinder untergebracht, als der gekühlte Raum.
Dies ergibt jedoch den Vorteil, dass die Bauart der beweglichen Maschinenteile bedeutend ein- facher ist als bei der Einzylindermaschine mit einem Kreislauf, weil im vorliegenden Falle für jeden Zylinder nur eine einzige Kurbel mit Pleuelstange oder aber nur ein Anschluss an einen Taumelscheibenantrieb benötigt wird.
Die beiden, das Volumen eines geheizten und eines gekühlten Raumes beeinflussenden
Kolbenflächen können nach einer Ausführungsform der Erfindung auch zu beiden Seiten eines einzigen Kolbens in einem Zylinder angeordnet werden. In diesem Fall wird der Raum im Zylinder beiderseits des Kolbens benutzt, so dass die Kolbenstange mit einer üblichen Stopfbuchsendichtung durch die Zylinderwand hindurchgeführt werden muss.
Nach einer anderen Ausführungsform sind diese beiden Kolbenflächen auf zwei getrennten, jedoch mit Hilfe, einer Kolbenstange fest miteinander verbundenen Kolben angeordnet. Jeder Zylinder ist in diesem Falle in axialer Richtung in zwei Teile geteilt, in deren jedem sich ein nur einseitig arbeitender Kolben bewegt. In diesem letzteren Falle sind im allgemeinen die hin-und herbewegten Massen grösser als im erstgenannten Falle ; die thermische Isolierung zwischen den beiden Kolbenflächen kann aber besser ausgebildet werden.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine nach dem schon früher erwähnten Prinzip arbeitende Kühlmaschine schematisch dargestellt, in der sich in vier Zylindern vier getrennte Kreisprozesse abspielen.
Die Maschine hat eine einzige Kurbelwelle 142, auf der vier Kurbeln 138, 139, 140 und 141 sitzen. Mit einer jeder dieser Kurbeln ist eine Pleuelstange 151, eine Kolbenstange 150 und ein Kolben 149 gekuppelt. Die Verbindungsstelle zwischen der Pleuelstange 151 und der Kolbenstange 150 wird in einem Kreuzkopf 147 geführt. Die vier Kolben 149 bewegen sich je in einem Zylinder 131, 132, 133 bzw. 134, deren jeder von einem Heizer 135, einem Regenerator 136 und einem Kühler 137 umgeben ist, die von dem im Zylinder eingeschlossenen Gas durchspült werden. Die Wärmeleitung von dem abzukühlenden Mittel, z. B. der Luft in einer Kühlzeüe oder in einem Kühlschrank, erfolgt mittels eines Satzes den Heizer 135 an der Aussenseite umgebender Rippen 152.
Die zu kühlende Luft streicht über die Rippen 152 aller vier Zylinder und gibt die Wärme an diese Rippen ab. Diese Wärme wird vom Heizer 135 in jedem Kreisprozess auf das Gas übertragen. Nach der Wärmeaufnahme wird das Gas infolge der Bewegung des Kolbens komprimiert, so dass die Temperatur steigt. Das wärmere Gas kommt mit dem Kühler 137 in Berührung und gibt die Wärme durch diesen Kühler hindurch an das im Mantel 153 vorhandene Kühlwasser ab. Dieser Mantel mit Kühlwasser umgibt die Kühler aller vier Zylinder gemeinsam, so dass nur eine Kühlwasser-Zu-und-Ableitungspumpe notwendig ist.
Die Rippen 152 befinden sich alle auf den
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Dies bedeutet also, dass der obere, d. h. der von der Kurbelwelle abgewendete Teil der
Maschine im Betrieb kalt wird und zur Kühlung des zu kühlenden Mittels dient. Es ist z. B. möglich, diese vier Zylinderköpfe in dem zu - kühlenden Raum selbst anzuordnen und zu bewirken, dass der übrige Teil des Motors aus diesem Raum vorspringt. Die Regeneratoren 136 liegen in der Wand des zu kühlenden Raumes und bilden so einen Teil von dessen thermischer
Isolierung.
Es ist auch möglich, die ganze
Maschine in dem zu kühlenden Raum anzu- ordnen und dann die zu kühlende Luft in diesem
Raum unter Zuhilfenahme eines Ventilators zwischen den Rippen 152 hindurchzublasen.
Obgleich es theoretisch genau so gut möglich ist, die Bauart eines jeden Zylinders derart zu ändern, dass der im Betrieb kalte Teil am unteren Teile des Zylinders liegt, empfiehlt sich die angedeutete Ausführungsform aus den vorerwähnten Gründen doch am meisten.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist der Kühler des Zylinders 131 mittels einer Leitung 154 mit dem Raum unterhalb des Kolbens im Zylinder 132 verbunden. Dasselbe trifft auch für die Kühler der Zylinder 132, 133 und 134 zu, die mittels Leitungen 155, 156 bzw. 157 mit den Räumen unterhalb des Kolbens in den Zylindern 133, 134 und 131 verbunden sind.
Der Raum oberhalb jedes Kolbens steht unmittelbar mit dem den betreffenden Zylinder umgebenden Heizer 135 in Verbindung. Ein geheizter Raum 190 bildet gemeinsam mit dem Heizer 135, dem Regenerator 136 und dem Kühler 137 eines Zylinders, z. B. 131, und mit einem gekühlten Raum 193 in einem anderen Zylinder, z. B. 132, einen geschlossenen Raum, in dem das Gas den beschriebenen Kreislauf zwangsweise durchlaufen muss. Das Volumen dieses Raumes wird von zwei Kolbenflächen beeinflusst, u. zw. der oberen Fläche 191 eines Kolbens in dem einen Zylinder und der unteren Fläche 192 eines Kolbens in dem anderen Zylinder. Diese Kolben sind mit zwei Kurbeln verbunden, die im vorliegenden Falle einen Winkel von 90 0 miteinander bilden.
Die Kolbenflächen 191 und 192 bewegen sich also mit einem bestimmten Phasenunterschied, u. zw. bei der vom Pfeil 159 angegebenen Drehrichtung der Maschine eilt die Volumensänderung des Raumes 193 der des Raumes 190 vor.
Die Wirkungsweise der Kühlmaschine ist wie folgt. In den Räumen 190 eines jeden Zylinders ist eine Gasmenge enthalten. Nachdem
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der Kolben die obere tote Lage erreicht hat, wie dies im Zylinder 131 der Fall ist, tritt in diesem Raum Expansion ein, so dass sich das dort vorhandene Gas abkühlt. Dieses Gas kann infolgedessen Wärme über den Heizer 135 und die Rippen 152 von dem zu kühlenden
Mittel aufnehmen. Bei einer dann folgenden
Volumensvergrösserung des gekühlten Raumes 193 fliesst dieses erwärmte Gas durch einen Regene- rator 136 und einen Kühler 137 hindurch zu dem gekühlten Raume 193, in dem dann Kom- pression eintritt, so dass die Temperatur des
Gases steigt. Gleichzeitig wird das Gas durch den Kühler 137 zu dem geheizten Raum 190 zurückgeleitet.
Im Kühler 137 gibt das Gas die Wärme aber an die umgebende Kühlflüssigkeit im Mantel 153 ab und kommt also mit niedrigerer
Temperatur wiederum in den geheizten Raum 190 zurück. In diesem tritt wieder Expansion ein, wodurch sich das Gas abkühlt und erneut fähig ist, Wärme aufzunehmen, usw. Diese Gas- bewegung vollzieht sich in zwei verschiedenen
Zylindern mit zwei phasenverschoben bewegten
Kolbenflächen. In einem einzigen Zylinder vollziehen sich somit Teile zweier Kreisprozesse.
Die gegenseitige Verbindung zwischen den
Zylindern ist nun so gewählt, dass sich die Teile der zwei in einem einzigen Zylinder ablaufenden
Kreisprozesse gerade mit 1800 Phasenverschiebung vollziehen. Die beiden Flächen, die diese Teile zweier Kreisprozesse beeinflussen müssen, können darum stets miteinander gekuppelt sein. Bei der dargestellten Ausführungsform sind diese
Flächen 191 bzw. 192 beiderseits des Kolben- körpers 149 angeordnet.
Die vier Zylinder sind auf einem gemeinsamen, gegen die Umgebung gasdicht abgeschlossenen
Kurbelgehäuse 158 angeordnet. Die Kurbelwelle 142 mit den vier jeweils um 900 gegen- einander versetzten Kurbeln liegt innerhalb dieses Kurbelgehäuses in den beiden Lagern 143 und 144. In dem Kurbelgehäuse ist gleichfalls der die Kühlmaschine antreibende Elektromotor 145 enthalten, dessen Stromzuführungsleitungen 146 gasdicht durch die Wand des Kurbelgehäuses geführt sind. Die Zylinder sind gleichfalls gasdicht gegen das Kurbelgehäuse abgeschlossen, weil die Kolbenstangen 150 durch Stopfbuchsen 148 gasdicht in den Unterdeckeln der Zylinder geführt sind.
Zur Unterbringung der verschiedenen Verbindungskanäle 154-157 zwischen den Zylindern und den Kühlern ist es zweckmässig, diese Zylinder möglichst nahe aneinander zu rücken.
Die Anordnung von vier Zylindern in einer Flucht, wie dies in der Figur dargestellt ist, hat den Vorzug, dass eine einzige Kurbelwelle genügt. Drei der vier Verbindungskanäle, u. zw. 154, 155 und 156, können kurz sein ; der Verbindungskanal 157 zwischen dem ersten Zylinder 131 und dem Kühler 137 des vierten Zylinders 134 ist in diesem Falle aber ziemlich lang. Eine Verbesserung ist durch paarweise Anordnung der Zylinder in V-Form unter einem Winkel von 90 0 möglich. Hiebei genügt eine Kurbelwelle mit nur zwei Kurbeln, wobei aber jeden Kurbelzapfen zwei Pleuelköpfe umfassen.
Die einfachste Ausführungsform ist die, bei der die vier Zylinder, vorzugsweise parallel zueinander, in einem Viereck angeordnet sind und der Antrieb der Kolben über ein Winkelhebelgetriebe erfolgt. Im letzteren Falle können die vier Verbindungskanäle besonders kurz sein.
Ausserdem ist dann der Aufbau eines jeden Zylinders gleich, was besonders vorteilhaft für eine Massenfertigung ist.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Kühlmaschine, u. zw. eine solche mit zwei Kreisläufen und zwei Zylindern dargestellt.
In dem einen Zylinder 161 bewegt sich ein einziger Kolben 163, in dem anderen Zylinder 162 sind zwei Kolben 167 und 169 enthalten. Dieser zuletzt erwähnte Zylinder ist durch eine zur Achse senkrechte Trennwand in zwei Teile geteilt. Die Kolbenstange 168 ist in einer Stopfbuchse 188 gasdicht durch diese Trennwand hindurchgeleitet. Die beiden Zylinder sind von einem Heizer 177, einem Regenerator 178 und einem Kühler 179 umgeben, die vom Gase durchströmt werden, das den Kreisprozess vollzieht. Die beiden Heizer sind von einem Rippensatz 180 umgeben, über den das zu kühlende Mittel fliesst. Einer der Kreisprozesse spielt sich im geheizten Raume 184, dem Heizer, Regenerator und Kühler des Zylinders 161, der Verbindungsleitung 183 und dem gekühlten Raume 186 des Zylinders 162 ab.
Das Volumen dieses Raumes wird von der oberen Fläche 195 des Kolbens 163 und der oberen Fläche 196 des Kolbens 169 beeinflusst. Der andere Kreisprozess vollzieht sich im geheizten Raume 187, dem Heizer, Regenerator und Kühler des Zylinders 162 und dem gekühlten Raume 185 des Zylinders 161. Das Volumen dieser Räume wird von der unteren Fläche 197 des Kolbens 163 und von der oberen Fläche 198 des Kolbens 167 beeinflusst. Der gekühlte Raum 185 ist gasdicht gegen die Umgebung abgeschlossen, da die Kolbenstange des sich im Zylinder 161 bewegenden Kolbens mittels einer Stopfbuchse 189 durch den unteren Deckel dieses Zylinders hindurchgeführt ist.
Der Kolben 163 wird mittels einer Kolbenstange 164 und einer Pleuelstange 166 von der Kurbel 172 angetrieben. Diese Kurbel 172 sitzt auf einer Kurbelwelle 174, die auch die Kurbel 173 zum Antrieb der Kolbenkörper 167 und 169 trägt, die mittels der Kolbenstange 168 starr miteinander gekuppelt sind und von der Pleuelstange 171 angetrieben werden. Der Gelenkpunkt der Pleuelstange 166 mit der Kolbenstange 164 wird in einem Kreuzkopf geführt.
Das Gelenk 170 der Pleuelstange 171 ist in dem von ihr geführten Kolben 169 angeordnet.
Die beiden Kurbeln 172 und 77. ? schliessen miteinander einen Winkel von 900 ein. Die Maschine wird vom Elektromotor 176 in Richtung des Pfeiles 175 angetrieben, so dass der Kolben 163
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in bezug auf die Kolben 167 und 169 um 90 nacheilt. Die Volumensänderungen des geheizten Raumes 184 eilen also gegenüber den Volumens- änderungen des zugehörigen gekühlten Raumes 186 gleichfalls um 90 nach.
Ebenso eilt die Volumens- änderung des gekühlten Raumes 185 gegen diejenige des zum gleichen Kreislauf gehörigen geheizten Raumes 187 um 900 vor. Zum Durchlaufen der beiden erwähnten Kreisprozesse, in deren jedem Kreislauf zwischen den Volumens- änderungen des geheizten und des gekühlten Raumes eine Phasenverschiebung von 90 verlangt wird, sind zwei Kolbenflächen erforderlich, die sich mit gleichem Abstand bewegen, im vorliegenden Falle die Flächen 198 und 196 und zwei Kolbenflächen, die sich mit einem gegenseitigen Abstand von 1800 bewegen, im vorliegenden Falle die Flächen 195 und 197.
Die Flächen 198 und 196 können also nicht beiderseits eines einzigen Kolbens angeordnet werden, sondern müssen zwei getrennten Kolben angehören, die je ein eingeschlossenes Volumen in gleichem Sinne ändern.
Es ist gleichfalls möglich, die Kühlmaschine ganz mit Zylindern von der Art des Zylinders 162 auszustatten. Im allgemeinen ist diese Ausführungsform aber nicht vorzuziehen, weil die hin-und herbewegten Massen verhältnismassig gross sind und der Aufbau eines jeden Zylinders komplizierter ist. Die Flächen 196 und 198 können aber thermisch besser gegeneinander isoliert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kühlmaschine mit mindestens zwei, sich je in zwei Zylindern vollziehenden thermodynamischen Kreisläufen, bei denen das umlaufende Mittel stets den gleichen Aggregatzustand beibehält, dadurch gekennzeichnet, dass die den in den Zylindern bewegten Kolben zugehörigen Kolbenflächen, welche das Volumen von den erhitzten und gekühlten Räumen der Maschine beeinflussen, stets paarweise mit der gleichen Kurbel des Triebwerkes gekuppelt sind und sich die zu einem Paar gehörigen Flächen somit immer gegenseitig im gleichen Abstand befinden, wobei eine Kolbenfläche eines Paares das Volumen eines erhitzten Raumes eines ersten Kreislaufes, die andere dagegen das Volumen eines zu einem anderen Kreislauf gehörigen kalten Raumes beeinflusst und dass die für jeden Kreislauf erforderlichen Volumens- änderungen dadurch erhalten werden,
dass der zu einem Kreislauf gehörige erhitzte und gekühlte Raum in zwei verschiedenen Zylindern untergebracht ist, in denen sich die darin vorhandenen Kolben zueinander phasenverschoben bewegen.