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Heißgaskolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Heißgaskolbenmaschine,
die mit einem oder mehreren Kompressionsräumen mit veränderlichem Volumen versehen
ist, der bzw. die mit einem oder mehreren Expansionsräumen verbunden ist bzw. sind,
der bzw. die ebenfalls ein veränderliches Volumen hat bzw. haben, wobei diese Räume
im Betrieb der Maschine unterschiedliche mittlere Temperaturen aufweisen und sich
in der Verbindung zwischen jedem Paar dieser Räume mindestens ein Wärmeaustauscher,
z. B. ein Regenerator, befindet.
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Bei bekannten Maschinen dieser Art strömt das Arbeitsmittel auf seinem
Weg von einem zum anderen Raum und zurück stets durch die gleichen Kanäle. Bei diesen
bekannten Maschinen muß zum Erreichen eines guten Wirkungsgrades die Wärme, die
das Arbeitsmittel bei seiner Kompression im Kompressionsraum aufnimmt, abgeleitet
werden. Zum Ableiten dieser Wärme ist in der Verbindung zwischen jedem Raumpaar
ein Wärmeaustauscher vorgesehen. Ein Nachteil der bekannten Maschinen ist, daß das
Arbeitsmittel auch in diesem Wärmeaustauscher stets in den gleichen Kanälen hin-
und herströmt, so daß ein Gegenstromwärmeaustausch nahezu nicht möglich ist. Dies
hat zur Folge, daß das Kühlmittel in geringerem Maß, als dies mit einem Gegenstromwärmeaustauscher
möglich ist, erwärmt wird, wodurch große Kühlmittelmengen erforderlich sind. Unter
Umständen, z. B. wenn das Kühlmittel teuer ist, kann dies große Kosten mit sich
bringen, was eine verringerte Wirtschaftlichkeit der Maschine zur Folge hat.
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Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beseitigen, und sie ist
zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen wenigstens einem
Paar der erwähnten Räume wenigstens teilweise aus zwei Sätzen getrennter Kanäle
besteht, wobei die Maschine eine Regelvorrichtung enthält, die das Arbeitsmittel
beim Strömen in einer Richtung durch den ersten Satz getrennter Kanäle und beim
Strömen in der anderen Richtung durch den zweiten Kanalsatz leitet, wobei wenigstens
ein Satz dieser Kanäle einen Wärmeaus-auscher enthält, in dem das Arbeitsmittel
Wärme austauscht.
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Dadurch, daß gemäß der Erfindung die Maschine nunmehr eine Verbindung
zwischen den betreffenden Räumen hat, die wenigstens teilweise aus Hin- und Rückströmungskanälen
besteht, ergibt sich die Möglichkeit eines Gegenstromwärmeaustausches.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine nach der
Erfindung, bei der in der Verbindung zwischen jedem Kompressionsraum und jedem Expansionsraum
ein Regenerator und ein Kühler vorgesehen sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß
der Teil jeder Verbindung, der zwischen einer Endfläche des Regenerators und dem
zugehörigen Kompressionsraum liegt, aus wenigstens zwei getrennten Kanälen besteht,
wobei sich in einem oder beiden dieser Kanäle ein Kühler befindet, und daß die Maschine
eine Regelvorrichtung enthält, die das Arbeitsmittel beim Strömen aus einem Expansionsraum
zu einem Kompressionsraum im wesentlichen durch den ersten Kanal und beim Strömen
aus dem Kompressionsraum zum Expansionsraum im wesentlichen durch den zweiten Kanal
hindurchleitet, wobei jeder Kühler derart ausgebildet ist, daß ein Kühlmittel diesen
Kühler im Gegenstrom zum Arbeitsmittel durchströmen kann.
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Wenn die beiden getrennten Kanäle zwischen einer Endfläche jedes Regenerators
und dem zu diesem Regenerator gehörenden Kompressionsraum je einen Kühler enthalten.
durchströmt erfindungsgemäß das Kühlmittel die beiden Kühler in Reihe und im Gegenstrom
zum Arbeitsmittel, wobei der Einlaß und der Auslaß für das Kühlmittel sich an der
dem Kompressionsraum zugekehrten Seite des Kühlers befinden. Auf diese Weise ergibt
sich eine maximale Erwärmung des Kühlmittels zwischen Ein- und Auslaß, so daß eine
minimale Kühlmittelmengegenügt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Heißgas-- olbenmaschine
nach der Erfindung, die einen oder mehrere Zylinder mit in diesem bzw. diesen bewegbaren
kolbenförmigen
Körpern zum Ändern des Volumens der Kompressions- bzw: Expansionsräume enthält,
ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die erwähnten Verbindungskanäle zwischen jedem
der Regeneratoren und dem zugeordneten Kompressionsraum an Öffnungen in der Zylinderwand
anschließen, wobei die Öffnungen, die zu den Kanälen gehören, durch die das Mittel
auf seinem Weg vom Kompressionsraum zum Expansionsraum strömen kann, alle auf dem
gleichen Niveau liegen, und die Öffnungen, die zu den Kanälen gehören, durch die
das Mittel auf seinem Weg vom Expansionsraum zum Kompressionsraum strömen kann,
ebenfalls alle auf dem gleichen Niveau liegen, wobei die Niveaus, auf denen die
Öffnungen liegen, so gewählt sind, daß der kolbenförmige Körper, der das Volumen
des Expansionsraumes zu ändern vermag, und/oder der kolbenförmige Körper, der das
Volumendes Kompressionsraumes zu ändern vermag, diese Öffnungen abwechselnd schließen
und freigeben können bzw. kann. Diese Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine
nach der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß diese Maschine so bemessen werden
kann, daß der Zeitpunkt, zu dem die Mittelströmung in der Verbindung zwischen den
beiden Räumen ihre Richtung umkehrt, nahezu mit dem Augenblick zusammenfällt, in
dem sich die kolbenförmigen Körper in der Mittellage befinden. Dies schafft die
Möglichkeit, die öffnungen auf ein solches Niveau zu legen, daß sie in den richtigen
Augenblicken von den kolbenförmigen Körpern freigegeben oder geschlossen werden.
Hierbei liegen die Öffnungen auf einem derartigen Niveau, daß niemals ein totaler
Abschluß der Verbindung zwischen den betreffenden Räumen auftritt. Es besteht somit
stets eine Verbindung zwischen den beiden Räumen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine nach
der Erfindung, die als Verdrängermaschine ausgebildet ist, sind die Öffnungen alle
in einem mit dem Kolben zusammenarbeitenden Teil der Zylinderwand angebracht, wobei
die öffnungen, die zu den Verbindungskanälen gehören, durch die das Arbeitsmittel
auf seinem Weg vom Kompressionsraum zum Expansionsraum strömen kann, auf einem höheren
Niveau liegen, als die Öffnungen, die zu den Kanälen gehören, durch die das Mittel
auf seinem Weg vom Expansionsraum zum Kompressionsraum strömen kann, wobei der Kolben
über seinen Umfang verteilte Aussparungen aufweist, deren axiale Abmessung wenigstens
nahezu gleich dem Abstand zwischen den Niveaus ist, auf denen die Öffnungen liegen,
und deren obere Begrenzung sich in einem Abstand von der Stirnfläche des Kolbens
befindet, der nahezu gleich dem halben Hub ist, wobei die Aussparungen durch einen
oder mehrere weitere Kanäle mit dem Kompressionsraum in Verbindung stehen. Diese
Ausführungsform einer Heißgaskolbenmaschine nach der Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
daß bei Verdrängermaschinen sich der Kolben genau in der Mittellage befindet, wenn
das durch die Öffnungen strömende Mittel seine Richtung umkehrt. Auf diese Weise
ergibt sich eine äußerst einfache Bedienung zum Schließen und Freigeben der Öffnungen
nur mit Hilfe des Kolbens und somit ohne Einführung zusätzlicher bewegter Teile.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine
nach der Erfindung, die als Verdrängermaschine ausgebildet ist, liegen die Öffnungen,
die zu den Verbindungskanälen gehören. durch die das Mittel auf seinem Weg vom Expansionsraum
zum Kompressionsraum strömen kann; auf einem höheren Niveau als die Öffnungen, die
zu den Kanälen gehören, durch die das Mittel auf seinem Weg vom Kompressionsraum
zum Expansionsraum strömen kann, wobei der Abstand zwischen den beiden Niveaus nahezu
einen halben Hub beträgt und die letzteren Öffnungen mit einer oder mehreren Aussparungen
im Kolben zusammenarbeiten, deren obere Begrenzung sich in einem Abstand von nahezu
einem halben Hub von der Stirnfläche des Kolbens befindet, während die Aussparungen
über einen oder mehrere weitere Kanäle mit dem Kompressionsraum verbunden sind.
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Bei den zwei vorstehenden Ausführungsformen der Heißgaskolbenmaschine
nach der Erfindung liegen die Öffnungen, durch die das Mittel von und zu dem Kompressionsraum
strömen kann, auf verschiedenem Niveau.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine nach
der Erfindung liegen die Öffnungen alle auf dem gleichen Niveau, wobei der Kolben
am Umfang mit zwei Gruppen von Aussparungen versehen ist, wobei die Aussparungen
der einen Gruppe mit den Öffnungen der Kanäle zusammenarbeiten, durch die das Mittel
auf seinem Weg vom Kompressionsraum zum Expansionsraum strömen kann, und die Aussparungen
der anderen Gruppe mit den Öffnungen der Kanäle zusammenarbeiten, durch die das
Mittel auf seinem Weg vom Expansionsraum zum Kompressionsraum strömen kann, während
die beiden Aussparungsgruppen in axialer Richtung derart in Bezug aufeinander versetzt
sind, daß abwechselnd die Öffnungen, durch die das Mittel dem Kompressionsraum verlassen
kann, und die Öffnungen, durch die das Mittel in den Kompressionsraum eintreten
kann, freigegeben und geschlossen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine nach
der Erfindung befinden sich in jedem der Verbindungskanäle zwischen Regenerator
und Kompressionsraum ein oder mehrere Rückschlagventile, wobei die Rückschlagventile
in einem Kanal eine Strömung des Mittels in der Richtung zum Kompressionsraum hin
zulassen, während die Rückschlagventile im anderen Kanal eine Strömung des Mittels
in Richtung zum Expansionsraum hin zulassen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine nach
der Erfindung wird die Strömung des Mittels durch die beiden getrennten Verbindungskanäle
durch eine Schiebereinrichtung geregelt, die in der richtigen Phase bewegt wird
und die Verbindungskanäle in dem Augenblick schließt und freigibt, in dem das Mittel
die Strömungsrichtung umkehrt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform einer Heißgaskolbenmaschine vom
Verdrängertyp nach der Erfindung besteht die Abdichtung zwischen dem Kolben und
dem Zylinder bzw. der Verdrängerstange aus je einer Rollmembran. Diese Maschine
ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Teil des Kompressionsraumes, der
an die zwischen dem Kolben und der Verdrängerstange vorgesehene Rollmembran grenzt,
durch eine Schlitzabdichtung vom Kompressionsraum getrennt ist, wobei diese Abdichtung
auf einem derartigen Durchmesser liegt, daß der an die
betreffende
Rollmembran grenzende Raum einen Expansionsraum bildet, wobei eine Regelvorrichtung
vorhanden ist, die die Auslaßseite des Kühlers, durch den das Mittel auf seinem
Weg vom Expansionsraum zum Kompressionsraum strömt, nahezu in dem Augenblick, in
dem das Mittel aus dem Kompressionsraum zum Expansionsraum zu strömen anfängt, mit
dem an die betreffende Rollmembran grenzenden Raum in Verbindung setzt, welche Regelvorrichtung
ferner in dem Augenblick, in dem Mittel vom Expansionsraum zum Kompressionsraum
zu strömen anfängt, die Verbindung zwischen diesem Kühler und dem an die Rollmembran
grenzenden Raum sperrt und die Verbindung zwischen diesem Raum und dem Kompressionsraum
herstellt. Es ist bekannt, daß Rollmembranen bei höherer Temperatur weniger zufriedenstellend
arbeiten. Dies findet seine Ursache darin, daß einmal die Materialfestigkeit etwas
abnimmt und außerdem die Diffusionsmöglichkeit zunimmt. Indem gemäß der Erfindung
dafür gesorgt wird, daß der an die Rollmembran grenzende Raum einen Expansionsraum
bildet, wird die Rollmembran vom expandierenden Mittel gekühlt. Das Mittel, das
in den an die Rollmembran grenzenden Expansionsraum eintritt, kommt aus dem Kühler,
durch den während der anderen Hälfte des Zyklus Mittel aus dem Expansionsraum zum
Kompressionsraum strömt. Dieses Mittel tritt somit gut gekühlt in den Expansionsraum
ein, so daß sich bei der Expansion eine möglichst große Temperatursenkung ergibt.
Das expandierte Mittel wird während der anderen Hälfte des Zyklus dem Kompressionsraum
zugeführt, wo es noch eine gewisse Temperatursenkung des Mittels in diesem Raum
bewirkt. Obgleich es im Prinzip genügt, nur den Raum, der an die zwischen Kolben
und Verdrängerstange vorhandene Rollmembran grenzt, als Expansionsraum auszubilden,
wobei das diesem Raum zugeführte und aus ihm abgeführte Mittel durch Kanäle im Kolben
geleitet wird, so daß es diesen Kolbenkörper gut kühlt, ist gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine nach der Erfindung der Teil
des Kompressionsraumes, der an beide Rollmembranen grenzt, durch eine Schlitzabdichtung
vom Kompressionsraum getrennt, wobei diese Abdichtungen auf einem derartigen Durchmesser
liegen, daß die an die Rollmembranen grenzenden Räume Expansionsräume bilden, die
miteinander in Verbindung stehen. Dabei werden somit die diesen Expansionsräumen
zugewandten Seiten der Rollmembran unmittelbar vom expandierenden Mittel gekühlt,
während die anderen Seiten der Rollmembranen an einem Wandteil des gekühlten Kolbens
entlanglaufen. Bei diesen Ausführungsformen einer Heißgaskolbenmaschine nach der
Erfindung kann die Regelvorrichtung, die das Mittel abwechselnd durch einen und
durch den anderen Kühler leitet, wieder aus Öffnungen bestehen, die mit Aussparungen
im Kolben zusammenarbeiten. Auch ist es natürlich möglich, für die Regelung der
Mittelströme Rückschlagventile oder eine Schiebereinrichtung zu benutzen.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Heißgaskolbenmaschine,
die drei miteinander in Verbindung stehende Räume enthält, deren Volumen durch zwei
kolbenförmige Körper mit derartiger Phasendifferenz geändert wird, daß in einem
Raum im wesentlichen Kompression und in den beiden anderen Räumen im wesentlichen
Expansion stattfindet. Dabei herrscht in einem der Expansionsräume eine höhere mittlere
Temperatur und im anderen Expansionsraum eine niedrigere mittlere Temperatur als
im Kompressionsraum, wobei jeder der Expansionsräume über mindestens einen Wärmeaustauscher,
z. B. einen Regenerator, mit dem Kompressionsraum in Verbindung steht. Diese Maschine
ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden
Expansionsräume über getrennte Kanäle zwischen einer Regeneratorendfläche und dem
Kompressionsraum mit dem Kompressionsraum in Verbindung steht, wobei in wenigstens
einen dieser Kanäle ein Kühler aufgenommen ist, und daß die Maschine einen Regelmechanismus
enthält, der das Mittel beim Strömen zum betreffenden Expansionsraum hin durch einen
Kanal und beim Strömen aus dem Expansionsraum heraus durch den anderen Kanal leitet.
Auch bei dieser Maschine besteht somit die Möglichkeit einer Gegenstromkühlung,
wodurch unter Umständen die erforderliche Kühlmittelmenge drastisch beschränkt werden
kann. Auch bei dieser Maschine kann die Regelung der Mittelströmungen durch die
getrennten Kanäle entweder durch Rückschlagventile oder durch eine gesonderte Schiebereinrichtung
geregelt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieser Maschine
münden die getrennten Kanäle in Öffnungen im Kompressionsraum, wobei diese Öffnungen
in Zusammenarbeit mit einem der kolbenförmigen Körper und Aussparungen in diesem
Körper abwechselnd geschlossen und freigegeben werden. Bei der Figurbeschreibung
wird die Wirkungsweise dieser Heißgaskolbenmaschine näher erläutert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Heißgaskolbenmaschine
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem kälteren
Expansionsraum und dem Kompressionsraum aus zwei getrennten Kanälen besteht, wobei
die Maschine eine Regelvorrichtung enthält, um das Arbeitsmittel beim Strömen zu
diesem Expansionsraum hin durch den ersten Kanal und beim Strömen aus diesem Raum
heraus durch den zweiten Kanal zu leiten, wobei in den ersten Kanal ein Kühler aufgenommen
ist, in dem das Mittel im Gegenstrom zu einem Kühlmittel gekühlt wird, und in den
zweiten Kanal ein Wärmeaustauscher aufgenommen ist, in dem das Arbeitsmittel im
Gegenstrom zu einem wärmeren Mittel erwärmt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen in denen beispielshalber
und schematisch einige Heißgaskolbenmaschinen dargestellt sind, näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch im Schnitt drei bauliche Ausführungsmöglichkeiten
von Heißgaskolbenmaschinen, bei denen die Verbindung zwischen einer Fläche des Regenerators
und dem Kompressionsraum aus zwei getrennten Kanälen besteht, wobei in mindestens
einem dieser Kanäle ein Kühler vorhanden ist; F i g. 2 bis 5 zeigen schematisch
im Schnitt Heißgaskolbenmaschinen, bei denen sich die getrennten Kanäle zwischen
einer Endfläche des Regenerators und dem Kompressionsraum über Öffnungen an einen
Teil der Zylinderwand anschließen, der mit dem Kolben zusammenarbeitet, wobei der
Kolben mit einer oder mehreren Aussparungen versehen ist, die mit diesen Öffnungen
zusammenarbeiten; F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform einer Heißgaskolbenmaschine,
bei der in die Kanäle zwischen
einer Endfläche des Regenerators
und dem Kompressionsraum Rückschlagventile aufgenommen sind; F i g. 7 zeigt schematisch
im Schnitt eine Heißgaskolbenmaschine, bei der die Verbindung zwischen einer Endfläche
des Regenerators und dem Kompressionsraum wieder aus zwei getrennten Kanälen besteht,
wobei in beiden Kanälen ein Kühler vorgesehen ist, während die Abdichtungen zwischen
dem Kolben und dem Zylinder bzw. der Verdrängerstange aus Rollmembranen bestehen,
wobei die an diese Rollmembranen grenzenden Räume Expansionsräume bilden, die durch
eine Regelvorrichtung abwechselnd mit der Endfläche des Kühlers, den das Mittel
auf seinem Weg vom Expansionsraum zum Kompressionsraum durchströmt, und mit dem
Kompressionsraum selbst in Verbindung gesetzt werden können; F i g. 8 und 9 zeigen
schematisch zwei Heißgaskolbenmaschinen, die beide zwei Expansionsräume und einen
Kompressionsraum enthalten, die miteinander in Verbindung stehen, wobei die Verbindung
zwischen einem der Expansionsräume und dem Kompressionsraum wenigstens teilweise
aus zwei Kanälen besteht, von denen mindestens einer einen Gegenstromkühler enthält;
F i g. 10 und 11 zeigen zwei Ausführungsformen von Heißgaskolbenmaschinen, die ebenfalls
beide zwei Expansionsräume und einen Kompressionsraum enthalten, wobei der wärmere
Expansionsraum über einen Regenerator mit dem Kompressionsraum und der kältere Expansionsraum
über einen Kühler und einen Wärmeaustauscher gleichfalls mit dem Kompressionsraum
in Verbindung steht.
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F i g. 1 zeigt schematisch eine Heißgaskolbenmaschine, die einen Zylinder
1 enthält, in dem ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 bewegbar sind. Der Kolben 2
und der Verdränger 3 sind mit einer Kolbenstange 4 bzw. einer Verdrängerstange 5
versehen, die die Verbindung zwischen dem Kolben bzw. dem Verdränger und einem nicht
dargestellten Triebwerk herstellen. Im Betrieb ändert der Kolben 2 das Volumen eines
Kompressionsraumes 6 und der Verdränger 3 das Volumen eines Expansionsraumes 7.
Der Kompressionsraum und der Expansionsraum stehen über einen Erhitzer 8, welcher
Wärmeaustauscher im Fall einer Kaltgaskühlmaschine im allgemeinen als Gefrierer
bezeichnet wird, einen Regenerator 9 und zwei getrennte Kanäle 10 und 11 zwischen
dem Regenerator 9 und dem Kompressionsraum 6 miteinander in Verbindung.
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Die Maschine enthält weiter eine in dieser Figur nicht näher dargestellte
Regelvorrichtung, die das Arbeitsmittel beim Strömen aus dem Kompressionsraum zum
Expansionsraum durch den Kanal 11 und beim Strömen aus dem Expansionsraum
zum Kompressionsraum durch den Kanal 10 leitet. Das Mittel muß an irgendeiner
Stelle zwischen dem Regenerator und dem Kompressionsraum Wärme an ein Kühlmittel
abgeben. Um dies zu verwirklichen, ist in F i g. 1 a in den Kanal 11 ein
Kühler 12 aufgenommen, in dem Kühlmittel im Gegenstrom zum Arbeitsmittel
Wärme austauscht. Weiter ist es möglich, wie in F i g. 1 b dargestellt ist, im Kanal
10 einen Kühler 13 unterzubringen. Gegebenenfalls können, wie in F i g. 1 c dargestellt
ist, in beiden Kanälen 10 und 11 Kühler 14 bzw. 15 vorgesehen sein. Weil jetzt gemäß
der Erfindung Hin- und Rückströmkanäle vorhanden sind, kann unbedenklich Gegenstromkühlung
Anwenduna finden. Dies ermöglicht es, das Kühlwasser zwischen Eintritt und Austritt
erheblich höher zu erwärmen, so daß eine viel geringere Kühlwassermenge als bei
den bekannten Bauarten ähnlicher Maschinen genügt. Es hat sich herausgestellt, daß
die Kühlwassermenge um einen Faktor 5 bis 10 verringert werden kann.
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In F i g. 2 ist eine Heißgaskolbenmaschine dargestellt. In dieser
Figur sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 bezeichnet.
Bei dieser Maschine münden die Kanäle 10 und 11
in Öffnungen 20 bzw.
21 im Zylinder 1. Dabei liegen sämtliche Öffnungen 20 auf dem gleichen Niveau, wie
auch die Öffnungen 21 auf gleichem Niveau liegen, wobei der Abstand zwischen diesen
Niveaus nahezu der Hälfte des Hubes des Kolbens 2 entspricht. Der Kolben ist ferner
mit einer Aussparung 22 versehen, deren axiale Abmessung nahezu gleich dem
Abtand zwischen den beiden erwähnten Niveaus ist. Die obere Begrenzung 23 der Aussparung
22 liegt in einem Abstand, der nahezu gleich der Hälfte des Hubes ist, von
der Oberseite des Kolbens 2. Die Aussparung 22 steht über Bohrungen 24 mit dem Kompressionsraum
in Verbindung. Die Abstände zwischen den Öffnungen 20 und 21 und die Abmessung und
Lage der Aussparung 22 müssen so sein, daß stets einer der Öffnungssätze 20 oder
21, oder kurzzeitig beide Sätze, mit dem Kompressionsraum 6 in Verbindung stehen,
so daß niemals eine völlige Sperrung der Verbindung zwischen Expansionsraum und
Kompressionsraum auftreten kann.
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Die in dieser Figur dargestellte Weise der Regelung der Mittelströme
durch die Kanäle 10 und 11 beruht auf der Erkenntnis, daß sich die Strömung des
Mittels durch die Öffnungen 20 und 21 gerade in dem Augenblick umkehrt,
in dem sich der Kolben 2 in der mittleren Lage befindet. In der Figur ist der Kolben
2 in der mittleren Lage dargestellt. Wenn er weiter steigt, wird die Öffnung 21
freigegeben und die Öffnung 20 geschlossen. Das Arbeitsmittel strömt dann
aus dem Kompressionsraum 6 durch die Bohrungen 24, die Aussparung
22 und die Öffnung 21 in den Kanal 11 und durch diesen über
den Kühler 15,
den Regenerator 9 und den Erhitzer 8 zum Expansionsraum 7.
Diese Verbindung bleibt aufrechterhalten, bis der Kolben beim Abwärtshub wieder
durch die mittlere Lage geht. Bei der weiteren Herabbewegung wird die Öffnung
20 freigegeben und die Öffnung 21. geschlossen. Das Mittel kann nunmehr
aus dem Expansionsraum 7 über den Erhitzer 8, den Regenerator 9, den Kühler
14, den Kanal 10, die Öffnung 20, die Aussparung
22 und die Bohrungen 24 den Kompressionsraum 6 erreichen. Auf
diese Weise ist somit mit sehr einfachen Mitteln und ohne Verwendung zusätzlich
bewegter Teile eine Steuerung der Mittelströme erreicht.
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Die Einlaßöffnung 26 des Kühlers 14 und die Auslaßöffnung 27 des Kühlers
15 befinden sich an der dem Kompressionsraum zugekehrten Seite dieser Kühler. Das
Kühlwasser durchfließt die Kühler 14
und 15 in Reihe, wie dies durch eine
gestrichelte Linie angegeben ist, wobei das Kühlwasser nahezu von der Temperatur,
mit der das Arbeitsmittel in den Kompressionsraum 6 eintritt, auf die Temperatur,
mit der das Arbeitsmittel diesen Raum wieder verläßt, erwärmt wird. Die Temperaturerhöhung
des Kühlwassers ist nahezu gleich der adiabatischen Temperaturerhöhung des Mittels
im Kompressionsraum.
F i g. 3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform
einer Heißgaskolbenmaschine. Auch hier sind entsprechende Teile mit den gleichen
Bezugsziffern bezeichnet. Die Kanäle 10, durch die das Mittel zum Kompressionsraum
6 strömt, münden über Öffnungen 20 in den Zylinder 1, wobei diese
Öffnungen 20
auf einem höheren Niveau liegen als die Öffnungen 21, an die
sich die Kanäle 11, durch die das Mittel aus dem Kompressionsraum herausströmen
kann, anschließen. Der Abstand zwischen den Niveaus, auf denen die Öffnungen 20
und 21 liegen, beträgt nahezu die Hälfte des Hubes. Die Öffnungen 20 werden jetzt
abwechselnd von der Oberseite des Kolbens 2 freigegeben und geschlossen, während
die Öffnungen 21 mit einer Aussparung 30 zusammenarbeiten. Die Oberseite dieser
Aussparung befindet sich in einem Abstand, der nahezu die Hälfte des Hubes beträgt
von der Stirnfläche des Kolbens. In der Aussparung 30 ist bei dieser Ausführungsform
als Abdichtung eine durch Flüssigkeit abgestützte Rollmembran 31 vorgesehen. Es
dürfte einleuchten, daß statt einer Rollmembran auch eine andere Abdichtung Anwendung
finden könnte, ohne daß das Prinzip, auf dem die Erfindung beruht, dadurch beeinflußt
wird.
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Die F i g. 4 und 5 zeigen wieder eine Heißgaskolbenmaschine mit dem
gleichen Aufbau wie in den vorstehenden Figuren. Die Kanäle 10 und 11, durch die
das Mittel zum Kompressionsraum bzw. aus dem Kompressionsraum strömen kann, schließen
sich auch hier an Öffnungen 20 bzw. 21 an. Diese Öffnungen 20 und 21 liegen bei
dieser Maschine alle auf dem gleichen Niveau. Die Öffnungen 20 sind dabei so über
den Umfang des Zylinders 1 verteilt, daß sie den Aussparungen 40 im Kolben
2 genau gegenüberliegen. Die Öffnungen 21 arbeiten dabei mit Aussparungen 41 zusammen.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, liegt die Gruppe von Aussparungen 40 höher als
die Gruppe von Aussparungen 41. Wenn sich der Kolben 2 unterhalb der mittleren Lage
befindet, steht der Kompressionsraum 6 über die Aussparungen 40, die Öffnungen
20 und den Kanal 10
mit dem Kompressionsraum in Verbindung, während,
wenn sich der Kolben oberhalb der mittleren Lage befindet, der Kompressionsraum
über die Aussparungen 41, die Öffnungen 21 und den Kanal 11 mit dem Expansionsraum
in Verbindung steht.
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Auf diese Weise ergibt sich wieder unter Verwendung des Kolbens als
Regelschieber für die Steuerung der Mittelströme eine Heißgaskolbenmaschine, bei
der der Kühler ein Gegenstromkühler sein kann. Bei dieser Ausführungsform braucht
die axiale Abmessung des Kolbens, ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g.
3, nur wenig mehr als der Hub zu betragen, während bei der Ausführungsform nach
F i g. 2 die axiale Kolbenabmessung mindestens das Anderthalbfache des Hubes sein
muß.
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In F i g. ( ist schematisch eine Heißgaskolbenmaschine dargestellt,
bei der in den Kanälen 10 und 11 Rückschlagventile 60 bzw. 61 angeordnet sind. Diese
Ventile öffnen sich in entgegengesetzten Richtungen, so daß durch den Kanal
10 Mittel zum Kompressionsraum 6 und durch den Kanal 11 Mittel aus dem Kompressionsraum
6 strömen kann.
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F i g. 7 zeigt schematisch und im Schnitt eine als Heißgaskolbenmotor
ausgebildete Heißgaskolbenmaschine. Diese Maschine enthält die gleichen Hauptteile
wie die in den vorstehenden Figuren dargestellten Maschinen, wobei entsprechende
Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. In jeder der Verbindungen
zwischen dem Kompressionsraum 6 und dem Expansionsraum 7 befindet sich wieder ein
Erhitzer 8, ein Regenerator 9 und ein aus zwei Teilen 14 und 15 bestehender Kühler.
Die Abdichtung zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 1 besteht aus einer Rollmembran
70, während die Abdichtung zwischen dem Kolben 2 und der Verdrängerstange 5 aus
einer Rollmembran 71 besteht. Der an die Rollmembran 71 grenzende Raum 72 ist durch
eine Schlitzabdichtung 73, die auf einem Durchmesser liegt, der kleiner als der
effektive Rollmembrandurclunesser ist, vom Kompressionsraum 6 getrennt. Dies bedeutet,
daß die Volumenänderungen des Raumes 72 gegenphasig zu denjenigen des Kompressionsraumes
6 sind, so daß der Raum 72 ein Expansionsraum ist.
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Der an die Rollmembran 70 grenzende Raum 74 ist gleichfalls durch
eine Schiltzabdichtung 75, die auf einem Durchmesser liegt, der kleiner als der
effektive Durchmesser der Rollmembran 70 ist, vom Kompressionsraum getrennt. Infolge
der Tatsache, daß der Kolben 2 bei einem Heißgasmotor eigentlich ein Expansionskolben
ist und daß die Rollmembran 70 sich gleichphasig mit diesem Kolben bewegt, bildet
der Raum 74 auch einen Expansionsraum. Bei einer Kaltgaskältemaschine, bei der der
Kolben 2 ein echter Kompressionskolben ist, muß die Schlitzabdichtung 75 auf einem
Durchmesser liegen, der größer als der effektive Rollmembrandurchmesser ist, so
daß in diesem Fall die Volumenänderungen des Raumes 74 gegenphasig zu den vom Kolben
2 herbeigeführten Volumenänderungen sind. Dabei tritt im Raum 74 wieder im wesentlichen
Expansion auf. Die Räume 72 und 74 stehen über einen Kanal 77 miteinander in Verbindung.
Der Kolben 2 ist weiter mit mehreren über den Umfang verteilten Aussparungen 80,
81 und 82 versehen.
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Die Aussparungen 80 stehen dabei auf einer Seite in offener
Verbindung mit dem Kompressionsraum 6, während die untere Begrenzung dieser Aussparungen,
wenn sich der Kolben 2 in der mittleren Lage befindet, den Öffnungen 20 der Kanäle
10 gegenüberliegt, wodurch Arbeitsmittel zum Kompressionsraum strömen kann.
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Die Aussparungen 82 liegen in axialer Richtung unterhalb der Aussparungen
80 und haben eine obere Begrenzung, die in der mittleren Lage des Kolbens 2 ebenfalls
den Öffnungen 20 nahezu gegenüberliegt. Die Aussparungen 82 stehen ferner je über
einen Kanal 84 und einen Kanal 77 mit den Räumen 72 und 74 in Verbindung.
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Die Aussparungen 81 stehen je über einen Kanal 85 mit dem Kompressionsraum
6 in Verbindung. Diese Aussparungen haben eine axiale Abmessung, die nahezu gleich
der Hälfte des Hubes ist, wobei die obere Begrenzung dieser Aussparungen in der
mittleren Lage des Kolbens 2 nahezu den Öffnungen 21 der Kanäle
11 gegenüberliegt. Die untere Begrenzung der Aussparungen 81 gibt bei einer
Herabbewegung des Kolbens 2 eine Verbindung zwischen dem Raum 74 und den Aussparungen
81 frei.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Wenn sich der Kolben
2 aus der dargestellten mittleren Lage aufwärtsbewegt, geben die Aussparungen
81
die Öffnungen 21 frei, so daß Arbeitsmittel aus dem Kompressionsraum über die Kanäle
85, die Aussparungen 81, die Kanäle 11, den Kühler 15, den Regenerator 9 und den
Erhitzer 8 zum Expansionsraum 7 strömen kann. Gleichzeitig geben die Aussparungen
82 die Öffnungen 20 frei. Hierdurch kann Arbeitsmittel, das den Kompressionsraum
6 durch die Öffnungen 81 verlassen hat, nachdem es durch den Kühler 15 hindurchgegangen
ist, in den Kühler 14 und aus diesem durch die Kanäle 10, die Öffnungen 20 und die
Aussparungen 82 in die Räume 71 und 74 eintreten, die, wie vorstehend erwähnt, Expansionsräume
bilden und deren Volumen sich so ändert, daß gleichzeitig mit dem Ausströmen des
Arbeitsmittels aus dem Kompressionsraum 6 das Arbeitsmittel zu diesen Räumen 72
und 74 zu strömen bestrebt ist. In die Räume 72 und 74 tritt somit Mittel
ein, daß seine Kompressionswärme in den Kühlern 15 und 14 im Gegenstrom zum Kühlwasser
abgegeben hat.
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Beim jetzt folgenden Abwärtshub des Kolbens 2 expandiert das Mittel
im Expansionsraum 7, aber auch das Mittel in den Räumen 72 und 74. Infolgedessen
wird das Mittel in den Räumen 72 und 74 kälter, wodurch die Rollmembranen 70 bzw.
71 gut gekühlt werden. Im Augenblick, in dem der Kolben 2 durch die mittlere Lage
hindurchgeht, werden die Öffnungen 21 geschlossen, während die Öffnungen
20 mit den Aussparungen 80 in Verbindung gesetzt werden. Ferner wird
der Raum 74 dabei mit den Aussparungen 81 in Verbindung gesetzt. Jetzt kann Mittel
aus dem Expansionsraum 7 durch den Erhitzer 8, den Regenerator
9, den Kühler 14, die Kanäle 10 und die Aussparungen
80 zum Kompressionsraum 6 strömen. Ferner kann das noch kalte Mittel aus
den Räumen 72 und 74 durch die Aussparungen 81 und die Kanäle 85 ebenfalls in den
Kompressionsraum eintreten, wo die zu diesem Zeitpunkt noch im Mittel vorhandene
Kälte dazu beiträgt, daß der Kompressionsraum auf niedriger Temperatur gehalten
wird. Das Mittel aus dem Raum 72 durchströmt dabei die Kanäle 77 im Kolbenkörper,
so daß dieser gekühlt wird. Dies hat den Vorteil, daß nicht nur die den Räumen 72
und 74 zugekehrte Seite der Rollmembranen 71 bzw. 70 gekühlt wird, sondern daß diese
Rollmembranen mit der anderen Seite an der gekühlten Kolbenwand anliegen. Auf diese
Weise ergibt sich eine besonders gute Kühlung der Rollmembranen, wodurch die Lebensdauer
verlängert und außerdem die Diffusion auf ein Mindestmaß beschränkt wird.
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Obgleich beim dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden Räume 72
und 74 so ausgebildet sind, daß sie Expansionsräume bilden, kann es unter Umständen
genügen, nur den Raum 72 als Expansionsraum auszubilden.
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Das in diesem Raum abgekühlte Mittel durchströmt die Kanäle im Kolben
und streicht mehr oder weniger an der Rollmembran 70 entlang. Der Kolben
wird somit gekühlt, und die Rollmembranen rollen beide auf gekühlten Kolbenwandteilen
ab.
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Auch ist es unter Umständen möglich, statt der an die Rollmembran
grenzenden Räume einen anderen zusätzlichen Expansionsraum im Kolben zu bilden.
indem z. B. ein mit der Zylinderwand verbundener kolbenförmiger Körper in eine im
Kolben angebrachte zylindrische Bohrung aufgenommen wird. F i g. 8 zeigt schematisch
eine Heißgaskolbenmaschine, die einen an beiden Enden geschlossenen Zylinder 101
enthält. In diesem Zylinder 101 sind zwei kolbenförmige Körper 102 und
103 aufgenommen. Im Betrieb ändern diese Kolben die Volumina dreier miteinander
verbundener Räume 104, 105 und 106. Die Phasendifferenz zwischen den
Bewegungen der Kolben 102 und 103 ist derartig, daß im Raum 105 im wesentlichen
Kompression und in den Räumen 104 und 106 im wesentlichen Expansion
auftritt.
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Der Raum 104 steht über einen Erhitzer 108 und einen Regenerator
109 mit dem Kompressionsraum 105 in Verbindung. Dadurch, daß dem Erhitzer
108 von einem Brenner 110 Wärme zugeführt wird, weist der Raum 104 im Betrieb eine
höhere mittlere Temperatur auf als der Kompressionsraum 105.
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Der Raum 106 steht über einen Gefrierer 112, einen Regenerator
113 und einen Kühler 114 gleichfalls mit dem Kompressionsraum 105
in Verbindung. Dieser Expansionsraum 106 weist im Betrieb eine niedrigere
mittlere Temperatur auf als der Kompressionsraum 105.
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Die vom Brenner 110 zugeführte Energie kann gerade ausreichen, um
die Reibungsverluste zu überwinden. Der Maschine wird an einer Seite Wärme zugeführt,
während sie an der anderen Seite Kälte leistet. Weitere Einzelheiten der Wirkungsweise
und Bauart dieser Maschine sind in der USA.-Patentschrift 2 657 552 beschrieben
worden.
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Auch bei dieser Maschine kann das Prinzip der Gegenstromkühlung nach
der Erfindung Anwendung finden. Zu diesem Zweck ist der Kühler 114 in zwei
Teile 115 und 116 geteilt, die vom Kühlwasser in Reihe durchströmt werden, wie dies
in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie 117 angegeben ist.
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An die Kühlerteile 115 und 116 schließen sich Kanäle 118 bzw.
119 an. Diese Kanäle münden in Öffnungen 120 und 121 in der
Zylinderwand. Der kolbenförmige Körper 2 ist mit einer Aussparung 122 versehen,
deren axiale Begrenzungen so liegen, daß sie bei der mittleren Lage dieses kolbenförmigen
Körpers gerade den Öffnungen 120 und 121 gegenüberliegen. Bei einer
Aufwärtsbewegung des kolbenförmigen Körpers 2 werden die Öffnungen
120 freigegeben und die Öffnungen 121 geschlossen. Infolgedessen kann Arbeitsmittel
aus dem Raum 106 über den Regenerator 113, den Kühler 115 und den
Kanal 118 durch die Aussparung 122 und die Kanäle 124
zum Kompressionsraum
105 strömen.
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Wenn sich der kolbenförmige Körper 102 aus der mittleren Lage herabbewegt,
gibt er die Öffnungen 121 frei und schließt die Öffnungen 120. Dabei
kann Mittel aus dem Kompressionsraum 105 durch den Kanal 119 zum Expansionsraum
106 strömen. Hierdurch ergibt sich somit wiederum eine Heißgaskolbenmaschine, bei
der unter Verwendung eines der kolbenförmigen Körper als Verteilungsschieber der
Mittelströme Gegenstromkühlung Anwendung findet.
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Bei der Ausführungsform der Maschine nach F i g. 8 ist der Kühler
in die Verbindung zwischen den Räumen 105 und 106 aufgenommen.
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Bei der Maschine nach F i g. 9 ist der Kühler 114
in die Verbindung
zwischen den Räumen 105 und 104 aufgenommen. Dies hat auf die Wirkungsweise
der Vorrichtung an sich keinen Einfluß. Es muß aber zum Regeln der Mittelströme
der kolbenförmige Körper 103 benutzt werden. Zu diesem Zweck ist dieser Körper mit
einer Aussparung 125 versehen, die
über einen Kanal 126 mit
dem Kompressionsraum 105 in Verbindung steht. Nach dem Vorstehenden bedarf die Wirkungsweise
dieser Maschine keiner weiteren Erläuterung.
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F i g. 10 zeigt eine Heißgaskolbenmaschine, die in baulicher Hinsicht
im großen und ganzen gleich der Maschine nach F i g. 8 ist. Nur ist bei dieser Ausführungsform
die Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 105 und dem Expansionsraum
106
etwas anders ausgebildet.
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Diese Verbindung besteht jetzt aus einem oder mehreren Kanälen 130
und einem oder mehreren Kanälen 131. Die Kanäle 130 schließen sich an Öffnungen
132 und die Kanäle 131 an Öffnungen 133 in der Zylinderwand an. Der kolbenförmige
Körper 102 ist auch hier mit Aussparungen 122 versehen, die so angeordnet sind,
daß das Mittel durch die Kanäle 130 aus dem Kompressionsraum 105 zum Expansionsraum
106 und durch die Kanäle 131 vom Expansionsraum 106 zum Kompressionsraum 105 strömen
kann. In die Kanäle 130 ist ein Kühler 135 aufgenommen, in dem das Mittel im Gegenstrom
zu Kühlwasser gekühlt wird, bevor es in den Expansionsraum 106 eintritt. In die
Kanäle 131 ist ein Wärmeaustauscher 136 aufgenommen, in dem das im Expansionsraum
106 expandierte und somit kalte Mittel im Gegenstromwärmeaustausch mit einem zu
kühlenden Mittel, z. B. Luft, ist. Auf diese Weise ergibt sich ein selbstantreibendes
Aggregat, bei dem einerseits (Raum 104) Wärme zugeführt und andererseits (Raum 106)
Kälte erzeugt wird. Dabei ist zwischen dem Kompressionsraum 105 und dem Expansionsraum
106 kein Regenerator vorhanden, und das Mittel wird im Wärmeaustauscher 136 von
der Expansionstemperatur auf die Kompressionstemperatur erwärmt. Die Kälte wird
somit nicht nur bei der niedrigsten Temperatur geleistet, sondern die Maschine hat
eine Kühlstrecke (Wärmeaustauscher 136), so daß die Kälte mit höherem Wirkungsgrad
erzeugt wird.
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In den F i g. 8 bis 10 liegt der Kompressionsraum 105 stets zwischen
den Expansionsräumen 104 und 106. Daß auch andere Bauarten möglich sind,
zeigt F i g. 11, in der der kältere Expansionsraum zwischen dem wärmeren Expansionsraum
und dem Kompressionsraum liegt.
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Obgleich in den Figuren als Beispiele nur Heißgaskolbenmaschinen vom
Verdrängertyp dargestellt sind, dürfte es einleuchten, daß die Erfindung auch bei
Heißgaskolbenmaschinen vom Zweikolbentyp Anwendung finden kann.