Gaskolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaskolben- rnaschine mit zwei Räumen veränderlichen Volumens, die über einen ersten Wärmeaustauscher, einen Re generator und einen zweiten Wärmeaustauscher mit einander in Verbindung stehen, und die so ausgebildet ist, dass in ihr ein sich immer in demselben Aggregat zustand befindliches Gas einen thermodynamischen Kreisprozess beschreiben kann.
Ein solche Gaskolbenmaschine kann als Heissgas kolbenmotor, Kaltgaskühlmaschine oder Wärme pumpe ausgebildet sein, wobei die beiden letzteren nach dem umgekehrten Heissgaskolbenmotorprinzip arbeiten. In einem Wärmeaustauscher der Maschine wird dem in der Maschine den thermodynamischen Kreisprozess beschreibenden Gas Wärme zugeführt. Diese Wärme kann Verbrennungsgasen oder im Falle einer Kühlmaschine einem zu kühlenden Mittel ent zogen werden.
Im anderen Wärmeaustauscher wird dem Gas Wärme entzogen und einem Kühlmittel abgegeben. Der Regenerator liegt zwischen den beiden Wärme- austauschern, zwischen der warmen und der kalten Regeneratorendfläche kann im allgemeinen ein grösse rer Temperaturunterschied bestehen von z.
B. 250 bei einer Kaltgaskühlmaschine oder in gewissen Fällen sogar 700 bei einem Heissgaskolbenmotor. Ein ent sprechender Temperaturunterschied besteht zwischen den beiden Enden der Wand, die den Regenerator- raum seitlich begrenzt bzw. umgibt. Da die Höhe des Regenerators verhältnismässig klein sein kann, z. B. 3 bis 4 cm, können in einer solchen Wand infolge des grossen Temperaturunterschieds über eine kleinere Höhe, wegen der ungleichen Ausdehnung des Mate rials, grosse Temperaturspannungen auftreten.
Zur Vermeidung dieser hohen Spannungen in der Wand wurde bereits vorgeschlagen, die Regenerator- wand zu verlängern, so dass sie mindestens eine der Regeneratorendflächen überragt, wodurch die Höhe der Wand, über die der Temperaturunterschied auf tritt, vergrössert wird.
Die erfindungsgemässe Gaskolbenmaschine ist da durch gekennzeichnet, dass der Regenerator von einer sich von seinem warmen bis zu seinem kalten Ende erstreckenden Wand umgeben ist, die aus mehreren ineinanderliegend'en Lagen besteht, die so ausgebildet sind, dass sie sich bei der durch Auftreten eines grösseren Temperaturunterschiedes zwischen dem war men und dem kalten Ende des Regenerators und somit auch der Wand verursachten Formänderung der letzte ren einander entlang schieben können.
Je nach dem Umstand, ob bei Betriebstemperatur die Regeneratorwand kälter oder wärmer als bei Zimmertemperatur ist, kann der Aussendurchmesser der Wand kleiner oder grösser sein als bei Zimmer temperatur.
Wenn bei Betriebstemperatur die Regenerator- wand kälter ist als bei Zimmertemperatur und die Maschine also als Kaltgaskühlmaschine arbeitet, kann durch Schrumpfung der inneren Partie der Wand Spiel zwischen benachbarten Lagen der Wand auf treten. Es ist daher erwünscht, dass bei Zimmertem peratur die die Wandung bildenden Lagen mit Vor spannung gegeneinanderliegen.
Arbeitet die Maschine als Heissgaskolbenmotor, dann wird sich beim Betrieb die innere Partie der Wand ausdehnen und es ist bei Zimmertemperatur erwünscht, dass benachbarte Lagen der Wand keinen Kontakt miteinander haben.
Anhand der Zeichnung wird anschliessend die Er findung beispielsweise erläutert.
In Fig. 1 ist eine Kaltgaskühlmaschine der Ver- drängerbauart mit einer Wand nach der Erfindung dargestellt. Die Fig. 2 und 3 zeigen in grösserem Massstab die Wand nach Fig. 1, bei der die einzelnen Lagen aufge wickelt sind, wobei Fig. 3 ein -Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2 ist.
In Fig. 4 ist eine Wand dargestellt, die aus ko axialen Büchsen besteht.
Die Kaltgaskühlmaschine nach Fig. 1 hat einen Zylinder 1, in dem sich ein Verdrängen 2 und ein Kolben 3 mit konstantem Phasenunterschied auf- und abwärts bewegen. Zu diesem Zweck ist der Verdrän gen 2 über ein Triebstangensystem 4 mit einer Kur belwelle 5 verbunden, während der Kolben 3 über ein Triebstangensystem 6 mit derselben Kurbelwelle 5 verbunden ist. Die Maschine wird von einem Elektro motor 7 angetrieben.
Die Lage des Verdrängers 2 beeinflusst das Volumen eines Raumes 8, des kalten Raumes der Maschine, der durch einen Wärmeaus tauscher 9 zur Zufuhr von Wärme an das Abeits- medium, einen Regenerator 10 und einen Kühler 11 mit einem Raum 12, dem sog. warmen Raum, in Ver bindung steht, dessen Volumen durch den Verdrängen und den Kolben beeinflusst wird. In der Maschine be schreibt ein sich immer im gleichen Aggregatzustand befindliches Gas einen thermodynamischen Kreispro zess, wobei im Raum 8 im wesentlichen eine Aus dehnung des Gases und im Raum 12 im wesentlichen eine Kompression des Gases auftritt.
Die Maschine be sitzt einen Kondensorraum 13, dem ein zu kühlendes Medium durch die Öffnung 14 zugeführt werden kann, und eine Abflussleitung 15, durch die das im Kondensorraum 13 erzeugte Kondensat abgeführt wird. Die Abflussleitung 15 besitzt einen Siphon 16, mit dessen Hilfe im Kondensorraum 13 ein solcher Unterdruck unterhalten wird, dass d'as abzukühlende Medium infolge des Unterdruckes dem Raum 13 zu strömt.
Der Regenerator 10 ist von einer Wand 17 um geben, die aus mehreren Lagen besteht und sich von dem warmen bis zu kalten Ende des Regenerators 10 erstreckt. Das obere Ende der Wand 17 ist am Wärmeaustauscher 9 und ihr unteres Ende am Kühler 11 befestigt. über die Höhe 18 der Wand 17 tritt ein grösserer Temperaturunterschied auf, der z. B. 230 betragen kann.
In den Fig. 2 und 3 sind in grösserem Massstab Schnitte durch einen Teil der Wand 17 nach Fig. 1 dargestellt.
Die Wand 17 besitzt mehrere Lagen 19, die von einem spiralförmig aufgewickelten Streifen gebildet sind, wie das aus Fig. 3 ersichtlich ist.
Die Längsseiten des Streifens sind an Ringen 20 resp. 21 befestigt. Wenn diese Ringe 20 und 21 aus dem gleichen Material wie der Zylinderkopf 9a bzw. der Kühler 11 bestehen, so kann der Ring 20 bzw. 21 mit dem Zylinderkopf 9a bzw. dem Kühler 11 aus einem Stück bestehen. Auch ist in diesem Fall eine feste Verbindung zwischen diesen Teilen möglich. In dem Fall, dass die Ringe 20 und 21 aus anderem Ma terial wie der Zylinderkopf 9a bzw. der Kühler<B>11</B> be stehen, ist es notwendig, dass zwischen den Ringen 20 und 21 und dem Zylinderkopf 9a .bzw. dem Kühler 11 eine biegsame, aber gasdichte Verbindung vor gesehen wird.
Wenn nun im Betrieb der Kaltgaskühl- maschine in der Wand 17 ein grösserer Temperatur unterschied auftritt, wobei die Temperatur am oberen Ende niedriger als am unteren Ende ist, so schrumpft der Ring 20 radial zusammen, und die Wand 17 nimmt die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Stellung ein. Die einzelnen Lagen 19 können sich dabei ein ander entlang schieben. Diese Schrumpfung ist daher möglich, weil der Ring 20 aus einem Material mit entsprechendem Wärmeausdehnungskoeffizient be steht.
Es ist erwünscht, dafür Sorge zu tragen, dass die Spannung zwischen den Lagen 19 nicht zu gross wird. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Lagen 19 zweckmässigerweise so bemessen, dass bei Zimmer temperatur der Innendurchmesser einer Lage 19 um höchstens 0,2 1/o- vom Aussendurchmesser der be nachbarten Lage 19 abweicht.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform dar gestellt. Hier besteht die Wand aus mehreren ko axialen Büchsen. Eine innerste Büchse 22 ist an ihrem oberen Ende an einem Gehäuse 23 befestigt, während jede der anderen Büchsen 24, 25 und 26, die je einen Flansch besitzen, auf ihre innenbenach barte Büchse aufgeschoben ist. Die Büchsen 22, 24, 25 und 26 sind sowohl an ihrem oberen Rand wie auch an ihrem unteren Rand miteinander verlötet.
Die Differenz zwischen dem Aussendurchmesser der Büchse 24 und dem Innendurchmesser der Büchse 25 beträgt höchstens 0,2% eines dieser beiden Durch- messer, um so zu grosse Spannungen zwischen den Büchsen nach der Deformierung zu vermeiden. Auch hier können sich die Büchsen beim Auftreten eines grösseren Temperaturunterschiedes zwischen dem obe ren und dem unteren Ende der Wand einander ent lang schieben.
Die Büchsen können an ihren oberen und un teren Enden je an einem gemeinsamen Flansch an geschweisst sein, durch den die Wand an den übrigen Maschinenteilen befestigt ist. Es ist aber auch möglich, jede Büchse mit einem Flansch zu versehen, durch den sie miteinander verbunden und an einem gemein samen Flansch befestigt werden können.
Gas piston machine The invention relates to a gas piston machine with two spaces of variable volume which are connected to each other via a first heat exchanger, a re generator and a second heat exchanger, and which is designed so that one is always in the same unit state gas can describe a thermodynamic cycle.
Such a gas piston machine can be designed as a hot gas piston engine, cold gas cooling machine or heat pump, the latter two working on the reverse hot gas piston engine principle. In a heat exchanger of the machine, heat is supplied to the gas describing the thermodynamic cycle in the machine. This heat can be extracted from combustion gases or, in the case of a cooling machine, from an agent to be cooled.
In the other heat exchanger, heat is extracted from the gas and given off to a coolant. The regenerator is located between the two heat exchangers; between the warm and cold regenerator end faces there can generally be a larger temperature difference of, for example
B. 250 in a cold gas refrigerator or in certain cases even 700 in a hot gas piston engine. There is a corresponding temperature difference between the two ends of the wall which laterally delimits or surrounds the regenerator space. Since the height of the regenerator can be relatively small, e.g. B. 3 to 4 cm, large temperature stresses can occur in such a wall due to the large temperature difference over a smaller height, because of the uneven expansion of the mate rials.
To avoid these high stresses in the wall, it has already been proposed to lengthen the regenerator wall so that it protrudes beyond at least one of the regenerator end surfaces, thereby increasing the height of the wall over which the temperature difference occurs.
The gas piston machine according to the invention is characterized in that the regenerator is surrounded by a wall extending from its warm to its cold end, which wall consists of several layers lying one inside the other, which are designed so that when a larger one occurs Temperature difference between the warm and the cold end of the regenerator and thus the change in shape caused by the wall, the latter can slide along each other.
Depending on the fact whether the regenerator wall is colder or warmer than at room temperature at operating temperature, the outer diameter of the wall can be smaller or larger than at room temperature.
If the regenerator wall is colder at operating temperature than at room temperature and the machine works as a cold gas cooling machine, there can be play between adjacent layers of the wall due to the shrinkage of the inner part of the wall. It is therefore desirable that at room temperature the layers forming the wall lie against one another with a pre-tension.
If the machine works as a hot gas piston motor, the inner part of the wall will expand during operation and at room temperature it is desirable that adjacent layers of the wall do not come into contact with one another.
Using the drawing, the invention is then explained, for example.
In Fig. 1 a cold gas cooling machine of the displacement type is shown with a wall according to the invention. 2 and 3 show on a larger scale the wall according to FIG. 1, in which the individual layers are wound up, with FIG. 3 being a section along the line III-III of FIG.
In Fig. 4 a wall is shown, which consists of ko axial bushings.
The cold gas cooling machine according to FIG. 1 has a cylinder 1 in which a displacement 2 and a piston 3 move up and down with a constant phase difference. For this purpose, the displacement gene 2 is connected via a drive rod system 4 to a cure belwelle 5, while the piston 3 is connected to the same crankshaft 5 via a drive rod system 6. The machine is driven by an electric motor 7.
The position of the displacer 2 influences the volume of a room 8, the cold room of the machine, which is exchanged by a Wärmeaus 9 to supply heat to the working medium, a regenerator 10 and a cooler 11 with a room 12, the so-called warm Space, is connected, the volume of which is influenced by the displacement and the piston. In the machine be a gas that is always in the same physical state writes a thermodynamic Kreispro process, in space 8 essentially an expansion of the gas and in space 12 essentially a compression of the gas occurs.
The machine be seated a condenser chamber 13, to which a medium to be cooled can be fed through the opening 14, and a drain line 15 through which the condensate generated in the condenser chamber 13 is discharged. The discharge line 15 has a siphon 16, with the help of which a negative pressure is maintained in the condenser space 13 that the medium to be cooled flows to the space 13 as a result of the negative pressure.
The regenerator 10 is given by a wall 17, which consists of several layers and extends from the warm to the cold end of the regenerator 10. The upper end of the wall 17 is fastened to the heat exchanger 9 and its lower end to the cooler 11. Over the height 18 of the wall 17 occurs a greater temperature difference, the z. B. can be 230.
In FIGS. 2 and 3, sections through part of the wall 17 according to FIG. 1 are shown on a larger scale.
The wall 17 has several layers 19, which are formed by a spiral wound strip, as can be seen from FIG.
The long sides of the strip are on rings 20, respectively. 21 attached. If these rings 20 and 21 are made of the same material as the cylinder head 9a or the cooler 11, the ring 20 or 21 can be made in one piece with the cylinder head 9a or the cooler 11. A fixed connection between these parts is also possible in this case. In the event that the rings 20 and 21 are made of a different material such as the cylinder head 9a or the radiator 11, it is necessary that between the rings 20 and 21 and the cylinder head 9a .bzw . the cooler 11 is seen a flexible, but gas-tight connection before.
If a greater temperature difference now occurs in the wall 17 during operation of the cold gas cooling machine, the temperature at the upper end being lower than at the lower end, the ring 20 shrinks radially and the wall 17 takes the dashed line in FIG position shown. The individual layers 19 can slide along one another. This shrinkage is possible because the ring 20 is made of a material with a corresponding coefficient of thermal expansion.
It is desirable to take care that the tension between the layers 19 does not become too great. For this purpose, the individual layers 19 are expediently dimensioned in such a way that, at room temperature, the inner diameter of a layer 19 deviates from the outer diameter of the adjacent layer 19 by at most 0.2 1 / o.
In Fig. 4, a further embodiment is shown. Here the wall consists of several coaxial sleeves. An innermost sleeve 22 is attached at its upper end to a housing 23, while each of the other sleeves 24, 25 and 26, each having a flange, is pushed onto its inner-neighboring barte sleeve. The sleeves 22, 24, 25 and 26 are soldered to one another both at their upper edge and at their lower edge.
The difference between the outer diameter of the sleeve 24 and the inner diameter of the sleeve 25 is at most 0.2% of one of these two diameters in order to avoid excessive stresses between the sleeves after deformation. Here, too, the bushings can slide along each other when a greater temperature difference occurs between the upper and lower ends of the wall.
The sleeves can be welded to a common flange at their upper and lower ends, through which the wall is attached to the other machine parts. But it is also possible to provide each sleeve with a flange through which they can be connected to one another and attached to a common flange.