DE1286807B

DE1286807B - Heissluftmotor bzw. Waermepumpe nach dem Stirling-Prinzip

Info

Publication number: DE1286807B
Application number: DEL53283A
Authority: DE
Inventors: Schulze Harald
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1966-04-05
Filing date: 1966-04-05
Publication date: 1969-01-09
Also published as: GB1112060A; FR1517409A; US3415054A; NO115723B

Description

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Die Erfindung betrifft einen Heißluftmotor bzw. dierte Gas nach der Zylinderwand geleitet wird und eine Wärmepumpe nach dem Stirling-Prinzip für von dort längs der Außenfläche des Verdränger-Unterrichtszwecke mit einem kühlbaren Zylinder aus kolbens längs der Zylinderwand in den Raum zwidurchsichtigem Werkstoff, in dem ein Arbeitskolben sehen Verdrängerkolben und Arbeitskolben strömt, und ein Verdrängerkolben verschiebbar gelagert 5 Auch diese Maßnahme dient der Verbesserung des sind, wobei der Verdrängerkolben auf der dem Wärmeaustausches, und zwar im Hinblick auf die Arbeitskolben abgewandten Stirnfläche eine Kolben- umgebende, durch ein flüssiges oder gasförmiges ausnehmung aufweist, in die ein am Zylindergehäuse Kühlmedium gekühlte Zylinderwand, befestigter Ansatzteil zur Aufnahme eines mit Es erscheint außerdem vorteilhaft, die Kolben-

dem Zylinderinhalt in Wärmeaustausch tretenden io ausnehmung des Verdrängerkolbens über mindestens Elementes eingreift. eine Radialnut mit einer Ringnut am Kolbenumfang

Zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise zu verbinden. Diese poröse Füllung läßt sich vorteileines Heißluftmotors bzw. einer Wärmepumpe nach haft mehrschichtig, vorzugsweise an der Einströmdem Stirling-Prinzip sind bereits für Unterrichts- seite aus dem Kompressionsraum, grobdurchlässig zwecke geeignete Demonstrationsmodelle in dem als 15 und nachfolgend feindurchlässig aufbauen. Dabei älteres Recht geltenden deutschen Patent 1238 274 kann zweckmäßig eine Schichtung der porösen angegeben worden, bei denen in einem Arbeits- Füllung, vorzugsweise die feindurchlässige aus zylinder ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben Kunststoffwolle, insbesondere aus einem Material, gegeneinander verschiebbar an einem gemeinsamen das unter der Warenbezeichnung »Teflon« bekannt Kurbelwellenantrieb angelenkt sind. Die vorliegende so ist, bestehen. Es kann sowohl die zentrale AusErfindung bezweckt eine Verbesserung der bereits nehmung des Verdrängerkolbens als auch der Vervorgeschlagenen Ausführungsformen hinsichtlich bindungsraum zu der Ringnut am Kolbenumfang mit ihrer Wirkungsweise, eine Vereinfachung der Her- einer porösen Füllung versehen sein, damit die stellung sowie eine Vergrößerung der Demonstra- durchströmende Luft in Wärmeaustausch mit dieser tionswirksamkeit. Das Kennzeichnende der Erfindung as Füllung tritt. Als Werkstoff ist allgemein ein Material ist darin zu sehen, daß in der Kolbenausnehmung in mit hoher Wärmekapazität, beispielsweise feinan sich bei Heißluftmotoren bekannter Weise ein drähtige Kupferwolle, zweckmäßig. Bei der Verporöses Füllmaterial als Regenerator eingesetzt ist wendung von Teflonwolle erscheint es vorteilhaft, und daß am Zylindergehäuse eine Ausnehmung vor- diese insbesondere am oberen Ende der mit poröser gesehen ist, in welche wahlweise verschiedene mit 30 Füllung versehenen zentralen Ausnehmung des Verdem Zylinderinhalt in Wärmeaustausch tretende drängerkolbens vorzusehen. Beim Betrieb als Wärme-Elemente derart einsetzbar sind, daß sie in die mit pumpe besteht die Möglichkeit, daß die Luft von dem Regenerator versehene Kolbenausnehmung un- .oben her mit Temperaturen unterhalb des Gefriermittelbar als Ansatzteil eingreifen. punktes in die poröse Füllung eintritt und diese Die in Wärmeaustausch tretenden Elemente kön- 35 dann durch kondensiertes Eis verstopft. Teflon oder nen dabei wahlweise ein elektrischer Heizkörper, ein gegebenenfalls andere Kunststoffwollen bewirken Thermometer bzw. ein abzukühlender oder zu er- eine Verminderung dieser Vereisung, weil der wärmender Probekörper u. dgl. sein. Durch das Wasserdampfniederschlag auf Teflon stark verdirekte Eingreifen in die mit porösem Material als ringert ist.

Regenerator gefüllte Kolbenausnehmung des Ver- 40 Es kann außerdem vorteilhaft sein, daß der dem drängerkolbens werden durch kurze Strömungs- Arbeitskolben zugewandte Gasaustritt und Gaswege besonders günstige Verhältnisse des Wärme- eintritt im Verdrängerkolben als Wärmetauscher ausaustausches geschaffen. gebildet ist, welcher durch ein in der hohlen Ver-

Bereits bei älteren Ausführungsformen von Heiß- drängerkolbenstange geführtes Kühlmedium kühlbar luftmotoren nach dem Stirling-Prinzip war es be- 45 ist. Der Verdrängerkolben kann mindestens in kannt, den sogenannten Feuertopf in einem Ansatz- seinem vom Arbeitskolben abgewandten Teil als teil des Zylindergehäuses unterzubringen und diesen Hohlkörper aus durchsichtigem Material, beispiels-Ansatzteil in eine entsprechend angepaßte Aus- weise aus Glas, gestaltet sein. Es erscheint außerdem nehmung des Verdrängerkolbens hineinragen zu vorteilhaft, in der. Kolbenausnehmung des Verlassen. Der wesentliche Unterschied zu der vorge- 50 drängerkolbens austauschbare Strömungsleitringe zur schlagenen Ausführung liegt jedoch im Fehlen der Verbesserung des Wärmeaustausches mit dem durch an sich bei Heißluftmotoren ebenfalls bekannten die Zylinderwand eingeführten Element auswechsel-Füllung des Verdrängerkolbens mit porösem Füll- ; bar anzuordnen. Derartige Ringe können aus Kork, material, wie es beispielsweise in der deutschen Schaumstoff od. dgl. bestehen und sind den jeweils Patentschrift 860 876 angegeben ist. Erst durch die 55 eingesetzten Elementen so anzupassen, daß der Gas-Kombination des bei Kraftmaschinen bekannten luft- strom mit hoher Geschwindigkeit und eng anliegend durchströmten Regenerators im Verdrängerkolben an diesen Elementen vorbeigeführt wird, mit einem in diesen Verdrängerkolben direkt Es erscheint außerdem zweckmäßig, daß der mit

eingreifenden, zum Wärmeaustausch bestimmten der Kolbenstange starr verbundene Arbeitskolben Element wird die für Unterrichtszwecke besonders 60 gegenüber der Verdrängerkolbenstange kippbar gevorteilhafte Wirkung des Modells erzielt. Im übrigen lagert ist und daß am Umfang des Arbeitskolbens betrifft der vorbeschriebene Feuertopf nur die Ver- eine Ringnut mit einem O-Ringdichtungselement wendung als Heißluftmotor. Bei Wärmepumpen ist vorgesehen ist, neben dem in derselben Ringnut auf ein Feuertopf gegenstandslos. der dem Verdrängerkolben zugewandten Seite ein

Bei einer empfehlenswerten Ausführungsform 65 Ring aus porösem Material, z. B. aus Filz, vorgekann im Verdrängerkolben eine solche Anordnung sehen ist, der den Schmierstoffvorrat aufnimmt. In der Gasführung vorgesehen sein, bei der das vom gleicher Weise kann auch die Abdichtung des Ver-Arbeitskolben kommende komprimierte bzw. expan- drängerkolbens gegenüber der Zylinderwand mit

einer O-Ringdichtung vorgenommen werden, neben der in derselben Ringnut ein Ring aus porösem Material, z. B. Filz, zur Aufnahme des Schmierstoffvorrats vorgesehen ist.

Der dem Arbeitskolben zugewandte Boden des Verdrängerkolbens kann außerdem vorteilhaft derart abgeschrägt sein, daß er bei der größten Annäherung an den kippbaren Arbeitskolben dessen Oberfläche annähernd parallel liegt. Es erscheint außerdem zweckmäßig, daß der kippbare Arbeitskolben gegenüber der parallel zur Zylinderlängsachse geführten Verdrängerkolbenstange durch ein gummielastisches Dichtungselement nach der Art einer Hutdichtung abgedichtet ist, dessen Einspannung im Arbeitskolben in Axialrichtung versetzt gegenüber der Anlage der Dichtungslippe an der Verdrängerkolbenstange angeordnet ist.

Bei einer anderen, gegebenenfalls zweckmäßigen Alternativausbildung kann der Arbeitskolben eine mit einer gummielastischen Dichtung versehene Um- so fangsnut aufweisen, die über eine Verbindungsleitung mit dem Raum unterhalb des Verdrängerkolbens kommuniziert, so daß das Anpressen der lose eingelegten elastischen Dichtung an der Innenwand des Zylindergehäuses wegabhängig erfolgt. Die Ausbildung kann außerdem so getroffen sein, daß die Oberfläche des Verdrängerkolbens mit dem gehäusefesten Ansatz nach der Art von Patrize und Matrize ineinandergreift. Bei einer empfehlenswerten Ausführung besteht die Zylinderwand aus Glas und wird von einem umgebenden, gleichfalls durchsichtigen Kühlwassermantel gekühlt. Der Antrieb von Arbeitskolben und Verdrängerkolben wird in bekannter Weise von einer gemeinsamen Kurbelwelle abgenommen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch den Aufbau des Heißluftmotors ohne Antriebsmechanismus,

F i g. 2 einen Teilschnitt durch den Verdrängerkolben,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Antriebsmechanismus in Seitenansicht,

F i g. 4 einen Teilschnitt durch den Antriebsmechanismus in Draufsicht.

Man erkennt einen Zylinder 1, hergestellt aus Glas oder Kunststoff, in dem ein Verdrängerkolben 2 sowie ein Arbeitskolben 3 gegeneinander verschiebbar gelagert sind. Der Arbeitskolben 3 ist an einer hohlen Kolbenstange 4 starr befestigt und führt demgemäß eine Kippbewegung gegenüber einer Verdrängerkolbenstange 5 aus, welche über einen Schubkurbelantrieb 6 mit einer Antriebswelle eines Antriebsrades 7 verbunden ist. Der Zylinder 1 ist mit einem Kühlmantel 8 zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit, die gegebenenfalls kontinuierlich zu- und abgeführt wird, versehen.

An dem Arbeitskolben 3 erkennt man am Umfang eine Ringnut 9, in der eine gummielastische O-Ringdichtung 10 eingelegt ist. Oberhalb der O-Ringdichtung 10 auf der Seite des Verdrängerkolbens 2 befindet sich ein kreisscheibenförmiger Filzring 11, welcher mit dem Schmierstoffvorrat durchtränkt ist. Die Abdichtung zwischen der Verdrängerkolbenstange 5 und dem kippbaren Arbeitskolben 3 erfolgt in einer Hutmanschette 12, deren Dichtungslippe 13 oberhalb der Befestigungsebene 14 an der Verdrängerkolbenstange 5 anliegt. Unterhalb des Arbeitskolbens 3 befindet sich auf der Verdrängerkolbenstange 5 gleitfähig ein schmiermitteldurchtränkter Ring 30 aus porösem Material. Zweckmäßig ist es auch, den Kamm der Ringnut 9 innerhalb der eingelegten gummielastischen O-Ringdichtung 10 durch eine Winkelbohrung Z mit dem Kamm oberhalb des Arbeitskolbens 3 kommunizieren zu lassen. Die hohle Kolbenstange 4 ist mit dem Arbeitskolben 3 über ein Haltestück 15 verbunden.

Im Verdrängerkolben 2 ist eine Kolbenausnehmung 16 vorgesehen, die teilweise durch einen eingesetzten Korkring 17 abgedichtet sein kann, so daß ein Thermometer 18, welches mit seiner Thermometerkugel in den Innenraum der Kolbenausnehmung 16 hineinragen soll, in günstigem Wärmeaustausch mit der austretenden Gasströmung liegt. Das Thermometer 18 ist in einem Einsatzstöpsel 19 gelagert, der in einen entsprechend geformten Ansatz 20 des Zylinders 1 eingesteckt ist. Zur Abdichtung zwischen dem Verdrängerkolben 2 und dem Zylinder 1 ist eine weitere O-Ringdichtung 21 vorgesehen, welche mit einer weiteren Ringnut 22 am Verdrängerkolben 2 liegt. An der vom Arbeitskolben 3 abgewandten Seite der O-Ringdichtung 21 liegt auch in dieser Ausführung ein weiterer Filzring 23 zur Aufnahme des Schmiermittelvorrats.

Im hohlen Innenraum des Verdrängerkolbens 2 erkennt man eine feinporige Schichtung aus Teflonwolle 24, der eine grobporige Schichtung, beispielsweise aus Kupferwolle 25, nachgeschaltet ist. Die Kupferwolle der grobporigen Schichtung erstreckt sich aus dem zentralen Innenraum radial in Richtung der Umfangsfiäche des Verdrängerkolbens und reicht in ihrer Schicht bis etwa an die äußerste Umfangsbegrenzung des Verdrängerkolbens 2 heran. Zwischen dem Kühlwassermantel 8 und dem Zylinder 1 sind Abdichtringe 26, 27 eingelegt. An der Kolbenstange 4 befindet sich eine verschließbare Zuleitungsöffnung 28, unterhalb derer die hohle Kolbenstange 4 durch einen Stopfen 29 verschlossen ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Heißluftmotor bzw. Wärmepumpe nach dem Stirling-Prinzip für Unterrichtszwecke mit einem kühlbaren Zylinder aus durchsichtigem Werkstoff, in dem ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben verschiebbar gelagert sind, wobei der Verdrängerkolben auf der dem Arbeitskolben abgewandten Stirnfläche eine Kolbenausnehmung aufweist, in die ein am Zylindergehäuse befestigter Ansatzteil zur Aufnahme eines mit dem Zylinderinhalt in Wärmeaustausch tretenden Elementes eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kolbenausnehmung (16) in an sich bei Heißluftmotoren bekannter Weise ein poröses Füllmaterial als Regenerator eingesetzt ist und daß am Zylindergehäuse (1) eine Ausnehmung vorgesehen ist, in welche wahlweise verschiedene mit dem Zylinderinhalt in Wärmeaustausch tretende Elemente (18) derart einsetzbar sind, daß sie in die mit dem Regenerator versehene Kolbenausnehmung (16) unmittelbar als Ansatzteil eingreifen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenausnehmung (16) des Verdrängerkolbens (2) über mindestens eine Radialnut mit einer Ringnut am Kolbenumfang verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrschichtige poröse Füllung des Verdrängerkolbens (2) derart angeordnet ist, daß sich auf der vom Arbeitskolben abgewandten Seite eine Schicht aus einem feindurchlässigen Material (24) und auf der dem Arbeitskolben zugewandten Seite eine Schicht aus einem grobdurchlässigen Material (25) anschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schichtung der porösen Füllung, vorzugsweise die feindurchlässige, aus Kunststoffwolle (24) besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Verdrängerkolbens (2) metallische Wolle, vorzugsweise Kup- »o ferwolle (25), untergebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Arbeitskolben zugewandte Gasaustritt und Gaseintritt als Wärmetauscher ausgebildet ist, welcher durch ein in der hohlen Verdrängerkolbenstange geführtes Kühlmedium kühlbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kolbenausnehmung (16) des Verdrängerkolbens (2) auswechselbare Strömungsleitringe (17) zur Verbesserung des Wärmeaustausches mit dem in das Zylindergehäuse (1) einsetzbaren Element (18) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Kolbenstange (4) starr verbundene Arbeitskolben (3) gegenüber der Verdrängerkolbenstange (5) kippbar gelagert ist und daß am Umfang des Arbeitskolbens (3) eine Ringnut (9) mit einem O-Ringdichtungselement (10) vorgesehen ist, neben dem in derselben Ringnut (9) auf der dem Verdrängerkolben (2) zugewandten Seite ein Ring (11) aus porösem Material vorgesehen ist, der den Schmierstoffvorrat aufnimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (9) innerhalb des O-Ringes (10) durch eine Winkelbohrung (z) mit dem Raum oberhalb des Arbeitskolbens (3) kommuniziert.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (2) gegenüber der Zylinderwand mit einem O-Ring (21) abgedichtet ist, neben dem in derselben Ringnut (22) ein Ring (23) aus porösem Material zur Aufnahme des Schmierstoffvorrats vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Arbeitskolben (3) zugewandte Boden des Verdrängerkolbens (2) derart abgeschrägt ist, daß er bei der größten Annäherung an den kippbaren Arbeitskolben (3) dessen Oberfläche annähernd parallel liegt.

12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kippbare Arbeitskolben (3) gegenüber der parallel zur Zylinderlängsachse geführten Verdrängerkolbenstange (5) durch ein gummielastisches Dichtungselement (12) nach der Art einer Hutdichtung abgedichtet ist, dessen Einspannung im Arbeitskolben (3) in Axialrichtung versetzt gegenüber der Anlage der Dichtungslippe (13) an der Verdrängerkolbenstange (5) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerkolbenstange (5) unterhalb des Arbeitskolbens (3) einen gleitfähig angeordneten. Schmierstoff getränkten Ring (30) aus porösem Material aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (2) mindestens in seinem vom Arbeitskolben (3) abgewandten Teil als Hohlkörper aus durchsichtigem Werkstoff gestaltet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen