-
Heißgas-Kolbenmaschine des Verdrängertyps Die Erfindung betrifft eine
Heißgas-Külbenmaschine des Verdrängertyps mit zwei gleichen parallelen Kurbelwellen,
die miteinander gekuppelt und synchron in entgegengesetzten Richtungen mit der C
Cleichen Winkelgeschwindigkeit drehbar sind, zu einer zu den Mittellinien der Kurbelwellen
parallelen, durch die Mittellinie der Maschine gehenden Ebene symmetrisch liegen
und durch Kurbeln und Kurbelzapfen mit mindestens einem Paar von Triebstangenmechanismen
zusammenwirken, wobei die von den Kurbelwellen abeewendeten Enden der Triebstangen
des einen Mechanismus miteinander gekuppelt sind und auf einer Seite der durch die
Mittellinien der Kurbelwellen aehenden Ebene liegen und die entsprechenden Enden
der Triebstangen des anderen Mechanismus ebenfalls miteinander gekuppelt sind und
auf der anderen Seite der durch die Mittellinien der Kurbelwellen aehenden Ebene
liegen, wobei jeder der beiden Triebstangenmechanismen mit einem oder mehreren kolbenartigen
Körpern verbunden und derart gestaltet ist, daß die mit dem einen und die mit dem
anderen Triebstangenniechanismus verbundenen kolbenartigen Körper ungleiche Hübe
vollführen.
-
Bei bekannten Maschinen dieser Gattung, zu C der sowohl Heißgas-Kolberunotoren,
Kaltgas-Kühlmaschinen und auch Wärmepumpen gehören, welche nach dem sogenannten
umgekehrten Heißgas-Kolbenmotorprinzip arbeiten, sind der Verdränger und der Kolben
derart mit den Kurbelwellen gekuppelt, daß sie im Betrieb der Maschine gleiche Hübe
vollführen. Da nun in dem Raum oberhalb des Kolbens und in dem Raum oberhalb des
Verdrängers oft große gegenseitige Temperaturunterschiede bestehen, geht das Streben
dahin, den Kolben und den Verdränger un-leiche Hübe vollführen zu lassen.
-
C
Bei einer bekannten Kaltgas-Kühlmaschine werden ungleiche
Hübe dadurch erreicht, daß die Kurbelzapfen mit einem normalen Kurbel-Pleuelstangentriebe
auf verschiedenen Kurbelradien mit den Triebstan-en verbunden sind. Bei einer anderen
bekannten Kaltgas-Kühlmaschine sind die Triebstanggen nach Art eines Rhombusangeordnet,
Bei diesem Getriebe ist jede der mit einem Kurbelzapfen verbundenen Kolbentriebstangen
-mit einem Ansatz versehen. Jede der Verdrängertriebstangen ist mittels eines Drehpunktes
mit einem dieser Ansätze verbunden. Die hierbei von Kolben und Verdränoler ausführbaren
Hübe können einen geringen Unterschied aufweisen. Große Hubunterschiede sind mit
dieser Getriebe,o-"estaltung nicht erreichbar. Um bei einem Getriebe mit in Rhombusform.
angeordneten Triebstanaen eine merkliche Unffleichheit der Hübe zu erzielen, müssen
also andere Wege beschritten werden.
-
Bei einer Heißgas-Kolbemnaschine des Verdrängertyps der eingangs umschriebenen
Bauart wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jeder Triebstange
ein eigener Kurbelzapfen zugeordnet ist, daß die mit dem einen bzw. dem anderen
Triebstangenmechanismus zusammenwirkenden Kurbelzapfen auf unterschiedlich großen
Kurbelradien liegen und daß die Triebstanger) zu ungleichen Hüben führende Längen
haben.
-
Bei Befolgung dieser neuen Regel technischen Handelns behält das Getriebe
nicht nur alle Vorteile bei, welche durch Anordnung der Triebstangen in Rhombusforin
angestrebt und erreicht werden, sondern es kann auch, wenn das Getriebe bestimmten
Bedingungen genügt, vollkommen ausbalanciert werden.
-
Um diese vollkommene Ausgeglichenheit züi erreichen, ist in Ergänzung
zu der vorgenannten technischen Lehre weiterhin zu beachten, daß die Kurbelzapfen
nahezu in einer durch die Achse der betreffenden Kurbelwellen gehenden Ebene liegen,
wobei die Radien der Kurbelzapfen, die kurz mit r, bzw. r. bezeichnet werden können,
die Längen der Triebstangen, die kurz mit 1, bzw. 1., bezeichnet werden
können,
die in der durch die Kurbelwellenachsen gehenden Ebene gen, essenen Abstände, kurz
umschrieben mit ei bzw. e." der von der Kurbelwelle abgewendeten Enden der Triebstangen
von der betreffenden Kurbelwellenachse und die eine Translationsbewe..ung ausführenden
Massen, kurz umschrieben mit in, bzw. m- in folaender Beziehunc zueinanderstehen.
-
1*1:i-., = 11:1, = ei. e., = m. M l* Wenn vielleicht auch bei Mehrzylindermaschinen
eine solche restlose Ausbalancierung des Triebwerkes manchmal weniger wichtig ist,
so ist doch die Beachtung der genannten Beziehung von wesentlicher Bedeutung, bei
Einzylindermaschinen und darübcr hinaus bei allen Maschinen, bei denen Erschütterungen
weitaehend gedämmt werden sollen.
-
Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung bei Kaltgas-Kühlmaschinen,
weil es dort im Hinblick auf die hohen Temperaturunterschiede besonders erwünscht
ist, daß das Kolbenhubvolumen größer ist als das Verdfängerhubvolumen.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, die nicht
maßsfäblich gezeichnet ist und als Ausführungsbeispiel betrachtet werden soll.
-
F i 1 zeigt eine Heißgas-Kolbenmaschine des g
Verdrängertyps
im Schnitt; F i 2 zeigt einige, Ausführungsformen von Kurbelwellen, die in der Heißgas-Kolbenmaschine
nach F i g. 1 anwendbar sind; Fig 3 und 4 zeigen einige weitere Ausführungs
formen des Triebwerkes in der Heißgas-Kelbenmaschine nach F i g. 1 in einer
schematischen Darstellung; Fig.5 zeigt eine Heißgas-Kolbenmaschine im Schnitt, wobei
mehrere zusammenwirkende Kolben und Verdrlänoer auf Jochen angeordnet sind, wobei
diese Kolben und Verdränger ungleiche Hübe vollführen.
-
In der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinder für eine Heißgas-Kolbenmaschine
bezeichnet, in dem ein Verdränger 2 und ein Kolben 3 mit einem Phasenunterschied
hin- und herbeweglich sind. Das obere Ende des Zylinders wird durch einen Zylinderkopf
4 ge-
bildet, der auf der Innenseite mit Rippen 5 versehen ist, während
auf der Außenseite Rippen 6 vorgesehen sind. Ein Futter 7 bildet die
Trennung zwischen den Rippen 5 und einem Re 'generator 8 von der Innenseite
des Zylinders. Weiter hat der Zylinder Löcher 9, die mit einem Raum mit Rippen
10 in Verbindung stehen, die an einem Körper 11 befestigt sind, der
auf der Außenseite mit Rippen 12 versehen ist, welche Rippen gemeinsam ein Kühlsystem
bilden. Statt der Rippen 12 kann der Körper 11 Kühlwasserkanäle haben. Der
Zylinderkopf 4 wird von einem Körper 13 umgeben, in dem ein schematisch angedeuteter
Brenner 14 aneebracht ist. Die Verbrenunasgase streifen läncrs der Rippen
6 und verlassen den Körper 13, nachdem sie ihre Wärme abgegeben haben,
durch einen Abfuhrkanal 15. Der Zylinderkopf 4 wird durch Bolzen
16 am Körper 11 befestigt, der durch Bolzen 17 mit einem Kurbelkasten
18 verbunden ist. Diese Bolzen 17 verbinden außerdem den Zylinder
1 fest mit dem Kurbelkasten 18. Der Kolben 3 hat eine hohle
Kolbenstange 19. Um eine Achse 20, die fest an der Kolbenstange
19 befestigt ist, können sich zwei Köpfe 21 von zwei Triebstangen 22 drehen,
während eine am Verdränger 2 befestigte Verdrängerstange 23
durch die Kolbenstange
19 und die Achse 20 hingeführt ist. Die Triebstangen 22 haben weiter Köpfe
24, die um Kurbelzapfen 25 drehbar sind. Die Kurbelzapfen 25 sind
an Kurbeln 26 befestigt, die mit Kurbelwellen 27 verbunden sind. Die
Kurbeln 26
tragen weiter Kurbelzapfen 28, um welche die Köpfe
29 der Triebstangen 30 liegen. Die Triebstan en 30
C
9
sind an ihrer anderen Seite mit Köpfen 31 versehen, die um Achsen
32 drehbar sind, welche in einem Joch 33 gelagert sind, an dem die
Verdrängertriebstange 23 befestigt ist. Die Kurbelwellen 27 sind durch
fest auf diesen Achsen befestigte, ineinandergreifende Zahnräder 34 miteinander
gekuppelt. Die Kurbelwellen 27 können nach den F i g. 2 und 2a ausgebildet
sein. An den Kurbelwellen 27 ist weiter ein Gegengewicht 35 befestigt.
-
Der Kurbelkasten 18 bei dieser Ausführungsform der Heißgas-Kolbenmaschine
ist mit einer Zwischenwand 37 versehen, so daß ein Raum 38 von dem
Raum abgeschirmt wird, in dem das Triebwerk untergebracht ist. Der Raum
38 steht durch Öffnungen 39
in offener Verbindung mit dem Raum unterhalb
des Kolbens und ist auch mit dem Arbeitsmedium -efüllt. Die Kolbenstange
19 und die Verdrängerstange 23 sind durch eine öffnung 40 in der Zwischenwand
mit dem Triebwerk verbunden. In der Öffnun- 40 wird die Kolbenstange 19 von
einer gasdichten Ab-
dichtung 41 umgeben, und zwischen der Kolbenstange
19 und der Verdfängertriebstange 23 ist auch eine gasdichte Abdichtung
vorhanden. Es wird einleuchten, daß der Raum mit dem Triebwerk nicht Z, Olasdicht
zu sein braucht und daß darin ein Druck eingestellt werden kann, der dem der Atmosphäre
entspricht.
-
Die Kurbelzapfen 25 bzw. 28 liegen in einem
Ab-
stand r, bzw. r., von den Mittellinien der Kurbelwellen.
Die Triebstanaen 22 und 30 haben eine Länge 11 bzw. 1-
Die Exzentrizität der Triebstangenköpfe 21 bzw. 31, wie dies in der Figur
dargestellt ist, beträgt ei bzw. e.. Die Abmessungen des Triebwerks entsprechen
der nachfolgenden Gleichung: ri: l»2 = 11: 1, = ei:
e., # in.): ini* Die Massen der sich in Richtung der Mittellinie der
Maschine bewegenden Teile, z. B. der Kolben und der Verdränger, die Kolben- und
die Verdränger-C triebstange und das Joch sind derart gewählt, daß die bei der Ausbalancierung
an den Endpunkten 21 bzw. 31 der Triebstangen 22 bzw. 30 konzentriert
aufzufassenden Massen sich umgekehrt proportional zu der vorerwähnten Gleichunc,
verhalten. so daß 7,1 : r. = m.,: ini ist.
-
15as Triebwerk ist gegenüber der Mittellinie der Maschine vollkommen
symmetrisch, so daß in einer zur Mittellinie der Maschine senkrechten Richtung die
Kräfte, welche in den beiden Hälften des Triebwerkes auftreten, sich vollständig
ausgleichen. Für die Ausbalancierung müssen somit nur die in der Richtunc, der Mittellinie
der Maschine auftretenden Kräfte berücksichtigt werden. Wenn nun das Triebwerk den
vorher geschilderten Bedingungen entspricht, ist die Summe derauftretenden höheren
harmonischen Kräfte Null. übrig bleibt also nur die Summe der auftretenden harmonischen
Kräfte, welche in bekannter Weise mittels eines normalen Gegengewichtes aufgehoben
werden können, so daß eine vollständige Ausbalancierung bekommen wird.
Wenn
die Bemessung des Triebwerkes den vorstehend angegebenen Werten für die Triebstangen,
die Massen oder die Kurbelradien entspricht, so können geringe, nicht ausbalancierte
Kräfte auf-C ZD treten. Diese geringen Kräfte sind in vielen Fällen noch zulässig.
Sogar eine Abweichung von z. B. 10 1/o von der vorstehend angegebenen Bemessung
ist in vielen Fällen für die Maschine noch zulässig.
-
F i g. 3 zeigt schematisch eine etwas abweichende Form eines
bei einer Heißgas-Kolbemnaschine nach der Erfindung anwendbaren Triebwerkes. Für
die Bemessung von Triebstangenlängen 11, 1., der Kurbelradien ri und r. und
der Exzentrizitäten ei und e. gilt wieder die gleiche Verhältnisregel wie bei der
Konstruktion nach F i g. 1. Die Triebstangen 122 sind jedoch auch mit einem
Joch verbunden, auf welchem Joch die Triebstange 119 des Kolbens
103 befestigt ist.
-
Auf dem anderen Joch 133 ist die Verdrängerstange
123 befestigt. Der mit dieser Verdrängerstange 123 gekuppelte Verdränger
102 ist in Form eines sogenannten stufenartigen Verdrängers ausgebildet. Ein solcher
Verdränger ist besonders beim Erzeugen von niedrigen Temperaturen gut anwendbar.
Bei der Ausführun,a.sform des Verdrängers nach F i g. 3 ist die VolumenÜnderung
des Raumes 150 nahezu gleichphasio, mit der des Raumes 151, so daß
im Raum 150
auch -im wesentlichen Expansion auftritt, wobei Kälte auf einen
höheren Temperaturpegel geliefert wird als bei der Expansion im Raum 151.
-
Der Verdränger kann jedoch auch derart gestaltet werden, daß die Volumenänderungen
der Räume gegenphasig sind, so daß im Zwischenraum 150 im wesentlichen Kompression
erfolgt.
-
Es wird einleuchten, daß, obgleich gemäß der Zeichnung nur ein Satz
von zusammenwirke-nden Kolben und Verdrängern auf den Jochen angeordnet ist, ein
Joch gewünschtenfalls mit mehreren Kolben und das andere Joch mit einer entsprechenden
Anzahl von Verdrängern zusammenwirken kann. Es ist sogar möglich, neben der Kolben-
oder Verdrängertriebstange Z, auf einem oder auf beiden Jochen c> die Triebstange
eines anderen kolbenartigen Körpers, z. B. des Kompressorkolbens, zu befestigen.
-
F i - 4 zeigt schematisch ein Triebwerk, das auch bei einer
Heißgas-Kolbenmaschine anwendbar ist, bei welcher der Kolben und der Verdränger
ungleiche Hübe vollführen. Bei dieser Ausführungsforin sind die Triebstangen
222 und 230 mit Kurbelzapfen gekuppelt, die mit Kurbeln verbunden sind, die,
einen Phasenwinkel (p miteinander bilden. Das Triebwerk nach dieser Figur erfüllt
nicht mehr die Bedingungen einer vollständigen Balancierung. Es können nämlich bei
diesem Triebwerk der Kolben und der Verdränger ungleiche Hübe vollführen.
-
F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines völlior
balancierbaren Triebwerkes. Dabei sind die Enden der Triebstangen 322 durch
ein Joch 321
und die Enden der Triebstangen 330 durch ein Joch
333 miteinander verbunden. Die Richtungen der Triebstangen 322 und
330 sind verschieden von der bei den Ausführungsformen nach den F i
g. 2, 3
und 4, da die Enden dieser Triebstangen von der Mittellinie
der Maschine abgewendet sind. Dieses Triebwerk läßt sich wieder völlig ausbalancieren,
da die Bemessungen die Gleichung 1'1: r, = 11 : 1.,
= ei: e., = m.: m, erfüllen. Aus diesem
Beispiel zeigt es sich weiter, daß auf den Jochen 321 und 333 unbedenklich
mehrere zusammenwirkende Kolben und Verdränger angebracht werden können; in diesem
Fall sind auf dem Joch 333 die Verdränger 302 durch Verdrängerstangen
323 und auf dem Joch 321 die Kolben 303
durch Kolbenstangen
319 befestigt.