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Ein- oder mehrzylindrige Heißgaskolbenmaschine Die Erfindung betrifft
eine ein- oder mehrzylindrige Heißgaskolbenmaschine, in deren jedem Zylinder sich
zwei kolbenförmige Körper mit Phasenunterschied bewegen und dabei das Volumen eines
Expansions- und eines Kompressionsraumes ändern können, welche Räume miteinander
in Verbindung stehen und im Betrieb der Maschine verschiedene mittlere Temperaturen
aufweisen, wobei sich in der Verbindung zwischen diesen Räumen mindestens ein Regenerator
befindet, durch den ein Mittel zwischen den beiden erwähnten Räumen hin- und herströmen
kann, und die Maschine mit einer Vorrichtung zum Regeln der Leistung versehen ist,
wobei die Regelung auf der Änderung des Phasenunterschiedes der beiden kolbenförmigen
Körper beruht.
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Eine bisher angewendete Regelung der Leistung von Heißgaskolbenmaschinen
beruht auf der Änderung des Druckpegels des Arbeitsmittels. Ein rascher Abfall der
entnommenen Leistung kann dabei durch die sogenannte Kurzschlußregelung ausgeglichen
werden, die auf der Phasendrehung des Druckes beruht, die sich dadurch ergibt, daß
der Arbeitsraum eines Zylinders entweder mit einem Pufferraum oder mit mindestens
einem Arbeitsraum mindestens eines weiteren Zylinders in Verbindung gebracht wird.
Dieser Regelung haftet jedoch der Nachteil an, daß die Geschwindigkeit der Heraufregelung
von der Zeit abhängt, die zum Zusetzen der erwünschten Menge erforderlich ist.
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Die Nachteile dieser Regelung werden bei Heißgaskolbeamaschinen vom
Typ, auf den sich die Erfindung bezieht, durch die Verwendung der auf der Änderung
des Phasenunterschiedes der beiden kolbenförmigen Körper beruhenden Regelung beseitigt.
Bei dieser Regelung bleibt die Menge des Mittels im Arbeitsraum konstant, doch haftet
ihr der Nachteil an, daß, wenn die Größe der Änderungen des Kompressionsraumes und
diejenige der Änderungen des Expansionsraumes einander gleich sind, in der Regellage,
in der die Leistung Null wird oder die Drehrichtung des Motors sich umkehrt, noch
ein erheblicher Unterschied zwischen dem auftretenden Höchstdruck und dem Mindestdruck
besteht, was zur Folge hat, daß bei einem konstanten mittleren Druckpegel die beim
Anlassen oder Umkehren der Drehrichtung auf die Lager ausgeübten Kräfte unzulässig
groß bleiben. Mit der Behebung dieses Nachteils befaßt sich die Erfindung.
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Um von einer solchen auf der Änderung des Phasenunterschiedes der
beiden kolbenförmigen Körper beruhenden Regelung ohne Nachteil Gebrauch machen zu
können, sollen gemäß der Erfindung bei der eingangs beschriebenen Heißgaskoibenmaschine
bei einem Phasenunterschied, bei dem die Leistung gleich Null wird, die Werte der
Änderungen pro Zeiteinheit des Expansions- und des Kompressionsraumes verschieden
sein, so daß die Werte der Änderungen des Raumes mit der niedrigeren mittleren Temperatur
kleiner sind als die Werte der Änderungen des Raumes mit der höheren mittleren Temperatur.
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Wohl ist es bereits bekannt, durch Änderung der Phasenverschiebung
zwischen Kolben und Verdränger die Leistung einer Heißgaskolbenmaschine zu verändern
und die Maschinenleistung gegebenenfalls zu Null werden zu lassen, wenn die Phasendifferenz
Null ist. Dieser Hinweis entspricht der jahrzehntealten Erkenntnis, daß bei der
Phasendifferenz Null Druckschwankungen auftreten, weshalb diese Druckschwankungen
auch immer bei Drehrichtungsumkehr in Erscheinung traten. Ein großer Verschleiß
ist dann die Folge. Gleichbleibende Änderungen der verschiedenen, bei einer Heißgaskolbenmaschine
vorhandenen Räume führen nicht zu dem ersehnten Ziel, Druckschwankungen weitgehend
zu beheben. Dazu bedurfte es erst der weitergehenden Erkenntnis, auf welcher die
Erfindung aufbaut, die also verlangt, daß die Werte der Änderungen pro Zeiteinheit
des Expansions- und des Kompressionsraumes verschieden sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Heißgaskolbenmaschine nach
der Erfindung, die als Heißgasmotor ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus,
daß das Verhältnis zwischen dem Hubvolumen des Kompressionskolbens und dem. Hubvolumen
des
Verdrängers nahezu gleich dem Wert 1-z ist, in welchem Ausdruck
z das Verhältnis zwischen der absoluten Kompressionstemperatur und der absoluten
Expansionstemperatur darstellt.
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Bei einer als Zweikolbentyp ausgebildeten Heißgaskolbenmaschine nach
der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen dem Hubvolumen
des Kompressionskolbens und dem Hubvolumen des Expansionskolbens wenigstens nahezu
gleich dem Verhältnis z zwischen der absoluten Kompressionstemperatur und der absoluten
Expansionstemperatur ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Heißgaskolbenmaschine nach
der Erfindung, die als Kaltgaskühlmaschine vom Zweikolbentyp ausgebildet ist, ist
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Hubvolumen des Kompressionskolbens
und dem Hubvolumen des Expansionskolbens wenigstens nahezu gleich dem Verhältnis
z zwischen der absoluten Kompxessiottstemperate und der absoluten Expansionstemperatur
ist, An Hand der Zeichnung, in der schematisch einige Ausführungsformen von Zylindern
von Heißgaskolbenmaschinen mit den in ihnen bewegbaren kolbenförmigen Körpern dargestellt
sind, wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Zur Vereinfachung der Beschreibung sind in der Zeichnung die Antriebsmittel
für die kolbenförmigen Körper fortgelassen. Diese Mittel gehören nicht zur Erfindung
und können auf bekannte Weise ausgebildet sein. Der Antrieb kann, z. B. mechanisch,
elektrisch oder hydraulisch sein, wobei eine Regelung, durch die sich das Phasenverhältnis
zwischen den Bewegungen der kolbenförmigen Körper ändern läßt, vorgesehen ist.
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F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Heißgasmotor vom Zweikolbentyp;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Heißgasmotor vom, Verdrängertyp; F i g.
3 zeigt einen Schnitt durch eine Kaltgaskühlmaschine vom Zweikolbentyp.
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In F i g. 1 können sich ein Kompressionskolben 2 und ein Expansionskolben
3 in einem Zylinder 1 bewegen. Zwischen diesen beiden Kolben befindet sich im Zylinder
1 ein Kühler 4, ein Regenerator 5 und ein Erhitzer 6. Im Betrieb der Maschine bewegen
sich der Kompressionskolben 2 und der Expansionskolben 3 mit einer derartigen Phasendifferenz
in Bezug aufeinander, daß das Arbeitsmittel, das sich im Zylinder 1 zwischen
diesen beiden Kolben befindet, komprimiert wird, wenn es sich im wesentlichen im
kalten Kompressionsraum 7 befindet, und expandiert wird, wenn es sich im wesentlichen
im heißen Expansionsraum 8 befindet. Zwischen der Expansions- und der Kompressionsperiode
wird das Mittel durch den Kühler 4, den Regenerator 5 und den Erhitzer 6 vom Kompressionsraum
zum Expansionsraum befördert und umgekehrt. Der Kühler 4
kann z. B. als Wasserkühler
ausgebildet sein. Dem Erhitzer 6 wird z. B. mit Hilfe eines Brenners oder eines
wärmeren Mittels Wärme zugeführt. An der vom Arbeitsraum abgekehrten Seite des Expansionskolbens
3 und des Kompressionskolbens 2 befinden sich Pufferräume 9 bzw. 10. Der
mittlere Druck in diesen Räumen ist gleich dem mittleren Druck im Arbeitsraum. Die
Änderung des Druckes in diesen Räumen ist klein, weil die Volumina dieser Räume
hinreichend groß bemessen sind. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist das Hubvolumen
des Kompressionskolbens kleiner als das des Expansionskolbens, und zwar derart,
daß das Hubvolumen des Kompressionskolbens gleich dem z-fachen des Druckvolumens
des Expansionskolbens ist. Hierbei ist z das Verhältnis zwischen der absoluten Temperatur
T" bei der die Kompression erfolgt, und der absoluten Temperatur Te, bei der die
Expansion erfolgt. -Es dürfte einleuchten, daß bei einem Heißgasmotor z immer kleiner
als 1 ist.
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Wenn jetzt die Leistung des Motors durch Änderung des Phasenverhältnisses
zwischen den Bewegungen des Kompressions- und des Expansionskolbens geregelt wird,
treten bei Nulleistung, d. h. wenn sich die Kolben nahezu gleichphasig bewegen,
keine Druckwechsel auf.
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Dies läßt sich wie folgt erklären. Wenn sich die beiden Kolben nach
rechts bewegen, wird der Expansionsraum 8 um das Hubvolumen V, des Expansionskolbens
verkleinert. Wenn angenommen wird, daß der Druck im Arbeitsraum der gleiche bleibt,
muß somit ein Gasvolumen Tee mit der Temperatur T, aus dem Expansionsraum durch
den Erhitzer 6, den Regenerator 5 und den Kühler 4 zum Kompressionsxaum 7 befördert
werden.
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Während dieser Beförderung kühlt sich das Gas bis auf die Temperatur
T, des Kompressionsraumes ab. In den Kompressionsraum strömt somit eine Gasmenge
ein, die ein Volumen x V" einnimmt. Um den Druck konstant zu halten, muß
das Volumen des Kompressionsraumes mithin um ein Volumen a V, vergrößert werden.
Dies bedeutet, daß das Hubvolumen des Kompressionskolbens V, gleich -v-mal dem Hubvolumen
V, des Expansionskolbens sein muß. Der Heißgasmotor nach F i g. 1 erfüllt diese
Bedingung, so daß bei einem Phasenwinkel gleich Null keine Druckwechsel auftreten.
Aus vorstehendem geht somit hervor, daß beim Phasenverhältnis, bei dem die Ausgangsleistung
des Motors Null ist, die Volumina des Expansions- und des Kompressionsraumes sich
gegenphasig ändern. Das Expansionsvolumen wird um TTe verkleinert, während das Kompressionsvolumen
um z V, vergrößert wird. Der mittlere Druck, der dabei im Arbeitsraum herrscht,
wird durch den in den Pufferräumen 9 und 10 herrschenden Druck ausgeglichen, so
daß die Lager nahezu nicht belastet werden.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ergibt sich die Differenz der
Hubvolumina des Expansions- und des Kompressionskolbens durch die Anwendung unterschiedlicher
Durchmesser. Es dürfte einleuchten, daß die gleiche Wirkung dadurch erzielbar ist,
daß die Hübe dieser beiden Kolben verschieden gewählt werden.
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F i g. 2 zeigt im Schnitt eine Heißgaskolbenmaschine vom Verdrängertyp.
In einem Zylinder 21 kann sich ein Kompressionskolben 22 bewegen. Ein Verdränger
23 kann sich in einem Zylinder 31 bewegen. In einem Ringkanal, der durch die Außenwand
des Zylinders 31 und die Innenwand des Mantels 32 gebildet wird, sind ein Kühler
24, ein Regenerator 25 und ein Erhitzer 26 angebracht. Durch diese Elemente kann
das Arbeitsmittel aus dem Kompressionsraum 27 den Expansionsraum 28 erreichen und
umgekehrt. Unter dem Kompressionskolben befindet sich ein Pufferraum 30, in dem
ein mittlerer Druck gleich demjenigen im Arbeitsraum aufrechterhalten wird. Das
Volumen des Pufferraumes
30 ist wieder so groß bemessen, daß in
diesem Raum praktisch keine Druckwechsel auftreten.
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Ein Brenner 34 ist auf die Stirnfläche 33 des Motors gerichtet, um
die erforderliche Wärme zuzuführen.
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Im Betrieb herrscht im Kompressionsraum eine absolute Temperatur T,
von z. B. 300° K und im Expansionsraum eine absolute Temperatur T, von z. B. 900°
K. Der Kolben 22 und der Verdränger 23 können sich mit einem veränderlichen Phasenunterschied
bewegen. Durch Änderung dieser Phasendifferenz ändert sich die Ausgangsleistung
des Motors. Wenn der Kolben und der Verdränger nahezu gleichphasig laufen, ist die
Leistung Null. In dieser Sachlage treten beim Motor nach F i g. 2, bei dem das Hubvolumen
des Kompressionskolbens 22 gleich (1-r)-mal dem Hubvolumen des Verdrängers 23 ist,
keine Druckwechsel auf.
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Dies läßt sich auf folgende Weise erklären. Wenn sich der Verdränger
23 und der Kolben 22 gleichzeitig aufwärts bewegen, wird das Volumen des Expansionsraumes
28 um das Hubvolumen V, des Verdrängers verkleinert. Bei gleichbleibendem Druck
muß somit ein Gasvolumen (VJ,) durch den Regenerator 25, in dem das Gas bis auf
eine Temperatur T, abgekühlt wird, zum Kompressionsraum befördert werden. Bei seiner
Ankunft im Kompressionsraum hat dieses Gas ein Volumen
Wenn der Verdränger 23 sich aufwärts bewegt, wird der Kompressionsraum um das Hubvolumen
V, vergrößert, das somit um (1 - z) V, größer ist als das Gasvolumen c Ve,
das bei gleichbleibendem Druck aufgenommen werden muß. Um diese Differenz auszugleichen,
muß mithin das Hubvolumen des Kompressionskolbens das (1 - a)-fache des Hubvolumens
des Verdrängers betragen. Der Heißgasmotor nach F i g. 2 erfüllt diese Bedingung.
Auch hieraus geht wieder hervor, daß beim Phasenverhältnis, bei dem die Ausgangsleistung
Null wird, die Volumina des Expansions- und des Kompressionsraumes sich gegenphasig
ändern. Hierbei wird das Volumen des Expansionsraumes um V, verkleinert, während
das Volumen des Kompressionsraumes um z V, vergrößert wird.
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Obgleich bei der Ausführungsform nach F i g. 2 die Differenz zwischen
den Hubvolumina des Kolbens und des Verdrängers durch die Anwendung verschiedener
Durchmesser erhalten ist, dürfte es einleuchten, daß die gleiche Wirkung auch dadurch
erzielbar ist, daß die Hübe des Kolbens und des Verdrängers verschieden gewählt
werden.
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F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Kaltgaskältemaschine vom
Zweikolbentyp. In einem Zylinder 41 können sich ein Kompressionskolben
42 und ein Expansionskolben 43 mit Phasenverschiebung bewegen, wobei das
Phasenverhältnis zwischen den Kolben veränderlich ist. Zwischen den beiden Kolben
sind der Kühler 44, der Regenerator 45 und der Gefrierer 46 angeordnet, durch welche
Elemente das Arbeitsmittel zwischen dem Kompressionsraum 47 und dem Expansionsraum
48 hin- und herströmen kann. An der vom Arbeitsraum abgekehrten Seite des Expansionskolbens
43 und des Kompressionskolbens 42 befinden sich Pufferräume 49 bzw. 50, in denen
ein mittlerer Druck gleich demjenigen im Arbeitsraum aufrechterhalten wird. Wie
aus der Figur hervorgeht, sind die Durchmesser des Expansionskolbens und des Kompressionskolbens
so gewählt, daß das Hubvolumen des Expansionskolbens das n-fache des Hubvolumens
des Kompressionskolbens beträgt, wobei c das Verhältnis zwischen der absoluten Kompressionstemperatur,
z. B. 300° K, und der absoluten Expansionstemperatur, z. B. 100° K, ist. Hierdurch
wird erreicht, daß bei einer Phasendifferenz Null zwischen den Bewegungen des Kompressions-
und des Expansionskolbens praktisch keine Druckwechsel im Arbeitsraum auftreten.
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Dies läßt sich wie folgt erklären. Wenn der Kolben 42 und der Verdränger
43 sich gleichzeitig nach links bewegen, verdrängt der Kolben ein Gasvolumen V"
mit einer Temperatur T, aus dem Kompressionsraum 47 in den Expansionsraum 48. Wenn
dieses Gas durch den Regenerator hindurchgeht, kühlt es sich ab, so daß bei gleichbleibendem
Druck ein Volumen
V, in den Expansionsraum tritt, wobei
ist, d. h. größer als 1. Soll der Druck im Arbeitsraum konstant bleiben, so muß
somit das Hubvolumen V" des Expansionskolbens
sein, d. h. das Hubvolumen V, des Kompressionskolbens ist gleich -c-mal dem Hubvolumen
VQ des Expansionskolbens.
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Aus vorstehendem geht hervor, daß mit einem baulich verhältnismäßig
einfachen Eingriff eine phasengeregelte Heißgaskolbenmaschine erzielbar ist, bei
der bei einem Phasenverhältnis zwischen den Bewegungen der kolbenförmigen Körper,
bei dem die Leistung Null wird, keine oder nahezu keine Druckwechsel im Arbeitsraum
auftreten.
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Es dürfte einleuchten, daß in einigen Fällen, bei denen kleine Druckwechsel,
wenn die Leistung Null ist, zulässig sind, eine kleine Abweichung vom vorerwähnten
Verhältnis zwischen den Hubvolumina zulässig ist.