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Heißgas-Kolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgas-Kolbenmaschine,
die sich mit gegenseitigem Phasenunterschied hin- und zurückbewegende kolbenförmige
Körper aufweist, wobei von einem kolbenförmigen Körper nur eine Fläche das Volumen
des Arbeitsraumes der Maschine heeinflußt; diese Maschine hat einen Kurbelkasten,
in dem bei Betrieb ein Druck herrscht, der niedriger als der Minimaldruck des sich
in der :Maschine abspielenden Kreislaufes ist. Unter einer Heißgas-Kolbenmaschine
ist im vorliegenden Fall ein Heißgasmotor, eine Kältemaschine oder eine Wärmepumpe
zu verstehen, die beiden letztgenannten nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip
arbeitend.
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Solche Maschinen können als eine Verdrängermaschine ausgebildet werden,
bei der einer der kolbenförmigen Körper als Verdränger ausgebildet ist und der andere
mit nur einer Fläche den Arbeitsraum heeinflußt. Es ist aber auch möglich, die Maschine
mit zwei Kolben zu bestücken, die je mit lediglich einer Fläche den Arbeitsraum
der Maschine beeinflussen. Hierbei kann die Maschine V-förmig gebaut sein, oder
es können sich die beiden Kolben parallel zueinander bewegen.
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Es ist bekannt, bei solchen Maschinen den Kurbelkasten und den Arbeitsraum
der Maschine mit den gleichen Gasen zu füllen und den Druck im Kurbelkasten mindestens
dein kleinsten Druck des Kreislaufes und in vielen Fällen dem mittleren Druck dieses
Kreislaufes gleichzumachen, wodurch die Stangenkräfte im Triebwerk kleiner sind,
als wenn im Kurbelkasten atmosphärischer Druck herrschen würde. so daß das Triebwerk
leichter ausgebildet werden kann.
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Wenn aber der mittlere Druck des Kreislaufes höher als bisher üblich
gewählt wird, z. B. 100 Atm. beträgt, und die Maschine auch größer bemessen wird,
werden die auf die Wand des Kurbelkastens ausgeübten Kräfte sehr groß, so daß besondere
und verwickelte Wandkonstruktionen erforderlich sind.
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Um diesem Cbelstand abzuhelfen, beeinflußt nach der Erfindung die
andere Oberfläche des kolbenförniigen Körpers das Volumen eines zwischen .dem Arbeitsraum
und dem Kurbelkasten liegenden Hilfsraumes, in dein bei Betrieb der Maschine ein
Druck herrscht, der mindestens dem kleinsten Druck des in der :Maschine stattfindenden
Kreislaufes entspricht.
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Bei dieser Bauart kann also im Kurbelkasten ein niedriger Druck herrschen,
so daß für diesen Kasten außerordontlich starke Wände nicht erforderlich sind und
infolge des vorhandenen Hilfsraumes das Triebwerk trotzdem leicht ausgebildet werden
kann.
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Aus baulichen Gründen ist es erwünscht, daß die Kolbenstange des kolbenförmigen
Körpers ausschließlich eine geradlinige Hin- und Rückbewegung vollführt. 'Man könnte
somit diese Stange mit einem Kreuzkopf versehen, der sich im Kurbelkasten hin-und
zurückbewegt.
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Ist die Maschine aber als Verdrängermaschine ausgebildet, so ist mit
Erfolg eine andere an sich bekannte Bauart anwendbar, wodurch die Maschine eine
kleinere Bauhöhe erlangt. Es kann nämlich in bekannter Weise Kolben und Verdränger
mit einer Kurbel jeder von zwei parallelen, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit in
entgegengesetzter Umlaufrichtung umlaufenden, svmmetrisch zur Zylinderachse liegenden
Kurbelwellen über Triebstangen verbunden sein, deren Angriffspunkte am Kolben und
am Verdränger, bezogen auf die Zylinderachse, seitlich gegenüber der Mittellinie
der zugehörigen Kurbelwelle verschoben sind, und es kann dann, wie gleichfalls bekannt,
je eine Triebstange des Kolbens und des Verdrängers an dem gleichen Kurbelzapfen
jeder Kurbelwelle angreifen, wobei der eine Triebstangenansatz sich auf der einen
Seite einer durch die Kurbelzapfen zu legenden Ebene und der andere Triebstangensatz
sich auf der anderen Seite dieser Ebene befindet. Die also durch das Anbringen eines
zwischen dem Arbeitsraum und dem Kurbelkasten liegenden Hilfsraumes bedingte Vergrößerung
,der Bauhöhe der Maschine kann gerade
durch die zuletzt erwähnte,
an sich bekannte Ausbildung des Getriebes ausgeglichen werden, so daß also die Anwendung
dieses Getriebes für die zuvor erw a -litite neuartige Ausbildung der Maschine von
beso'iider-em Vorteil ist.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch die Maschine; Fig. 2 ist
ein waagerechter Schnitt längs der Linie 1I-II von Fig. 1.
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DieMaschine hat einen Zylinder 1, in dem ein Verdränger 2 und ein
Kolben 3 spielen.
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Der Verdränger 2 ändert das Volumen eines Raumes 4, der durch einen
Erhitzer 5, einen Regenerator 6 und einen Kühler 7 mit einem Raum 8 zwischen dem
Verdränger 2 und dem Kolben 3 in Verbindung steht.
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In der Maschine vollführt ein Gas unveränderlicher chemischer Zusammensetzung
einen thermodynamischen Kreislauf, wobei das Gas in derselben Phase verbleibt.
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Dem Erhitzer 5 wird von einem schematisch dargestellten Brenner 9
Wärme zugeführt, und die Abgase verlassen die Anlage durch den Kanal 10. Der Kopf
11 des Motors, der den Erhitzer 5 enthält, ist mit Bolzen 12 an einem Mantel 13
befestigt, in dem der Kühler 7 untergebracht ist. Der Mantel 13 ist mit Bolzen 14
am Kurbelkasten 15 des Motors befestigt. Unterhalb des Kolbens 3 ist ein Raum 16
vorhanden, der durch eine Wand 17 von dem Kurbelkasten getrennt ist. Die Wand 17
weist eine Bohrung 18 auf, durch die eine Hohlkolbenstange 19 des Kolbens hindurchgeführt
ist. Eine Verdrängerstange 20 des Verdrängers ist in der Hohlkolbenstange auf und
nieder bewegbar. Der Raum 16 steht durch Kanäle 21 mit Räumen 22 in Verbindung.
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Um eine an der Kolbenstange 19 starr befestigte Welle 23 sind zwei
Köpfe 24 zweier Triebstangen 25 drehbar. Die am Verdränger starr befestigte Verdrängerstange
20 ist durch die Welle 23 hindurchgeführt. Die Triebstangen 25 haben weiter zwei
um Kurbelzapfen 27 drehbare Köpfe 26. Zwischen den Köpfen 26 und den Kurbelzapfen
27 sind Kugellager angeordnet. Die Köpfe 26 haben vorstehende Teile 28, in denen
sich Zapfen 29 befinden, um welche zwei Verdrängertrsebstangenköpfe 30 drehbar sind.
Auf der anderen Seite der Verdrängertriebstangen 31 befinden sich Köpfe 32, die
beide um eine Welle 33 drehbar sind, die starr an der Verdrängerstange 20 befestigt
ist. Die Kurbelzapfen 27 sind exzentrisch auf nicht dargestellten Wellen angeordnet,
die durch Zahnräder 34 miteinander gekuppelt und auf denen mit Schrauben Gegengewichte
35 angeordnet sind. Der Kurbelkasten 15 hat an der Unterseite einen Deckel 36.
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Die Massen der Kolbentriebstangen 24, der Kolbenstange 19 und des
Kolbens 3 entsprechen etwa den l%lassen der Verdrängertriebstängen 31, der Verdrängerstange
20 und des Verdrängers 2, und die Länge einer jeden Kolbentriebstange 24 entspricht
annähernd- derjenigen der Verdrängertriebstange 31.
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Der Motor nach der Erfindung ist in diesem Ausführungsbeispiel mit
Wasserstoffgas gefüllt, dessen mittlerer Druck während des Zyklus 100 Atm. beträgt.
Aus baulichen Gründen ist im Kurbelkasten ein beträchtlich niedrigerer Druck, z.
B. atmosphärischer Druck, erwünscht; ebenfalls kann es erwünscht sein; den Kurbelkasten
nicht mit Wasserstoffgas zu füllen. Ohne besondere Maßnahmen würden aber infolge
der hohen Arbeitsdrücke die Triebstangenkräfte und die Lagerbeanspruchung des Triebwerkes
sehr groß werden.
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Da nun der Raum 16 mit Wasserstoffgas unter einem Druck gefüllt ist,
der mindestens dem kleinsten Druck im Zyklus und z. B. in diesem Ausführungsbeispiel
dem Mitteldruck entspricht, werden die Triebstangenkräfte und die Lagerbeanspruchung
beträchtlich herabgesetzt. Der Raum 16 kommt hierbei niemals in Verbindung mit dem
oberhalb des Kolbens 3 befindlichen Raum B. Auf die im Raum 8 auf den Kolben ausgeübte
Kraft wird jeweils eine Gegenkraft entsprechend dem ini Raum 16 herrschenden Druck
superponiert und dadurch auf den Kolben 3 eine resultierende Kraft ausgeübt. Dies
führt zu einer Erniedrigung der auf die Kurbelwelle übertragenen Kräfte. Das Gas
im Raum 16 wird vom Kolben während des Zyklus verdichtet und expandiert, ohne daß
aber, solange der Raum 16 vorn Raum 8 abgeschlossen bleibt, Arbeit geleistet oder
aufgenommen wird. Die aufgenommene Verdichtungsarbeit wird als Expansionsarbeit
wieder abgegeben. Da also die Leistung durch das im abgeschlossenen Raum 16 befindliche
federartig wirkende Gas nicht beeinflußt wird, nimmt bei zunehmendem Druck die an
die Welle abgegebene Leistung nicht ab. Bei dieser Konstruktion treten im Kurbelgehäuse
keine hohen Drücke auf, weshalb dieses Gehäuse leicht, also mit geringen Wanddicken
usw. ausgeführt sein kann.
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Der Raum 16 kann auch bei Maschinen mit andersartig ausgebildeten
Triebwerken vorgesehen werden, z. B. bei -Maschinen mit einem normalen Kurbel-Triebstangenmechanismus.
Besonders vorteilhaft ist aber die erfindungsgemäße Ausbildung der Heißgas-Kolbenmaschine
nach der Erfindung unter Verwendung des dargestellten Triebwerks, weil hier eine
einfache Geradführung für die Kolbenstange und die Verdrängerstange vorhanden ist.