DE1601467C3

DE1601467C3 - Hot gas piston machine

Info

Publication number: DE1601467C3
Application number: DE19671601467
Authority: DE
Inventors: Jacob Willem Laurens; Prast Gijsbert; Eindhoven Köhler (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-01-25
Filing date: 1967-12-07
Publication date: 1977-05-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine mit mindestens einem Raum, dessen Volumen sich durch einen kolbenartigen Körper ändern läßt und dem im Betrieb Wärme zuführbar ist. der bzw. die mit mindestens einem Raum verbunden ist bzw. sind, dessen Volumen sich ebenfalls durch einen kolbenartigen Körper ändern läßt und dem im Betrieb Wärme entnehmbar ist, welche Räume im Betrieb verschiedene mittlere Temperaturen aufweisen, und wobei sich in der Verbindung zwischen diesen Räumen ein Regenerator befindet, durch den ein Arbeitsmedium hin- und herfließen kann, und die erwähnten kolbenartigen Körper mit einem Getriebe verbunden sind, das diese Körper mit Phasenunterschied bewegt, wobei das Hubvolumen des kolbenartigen Körpers, der das Volumen des Raums, dem Wärme entnehmbar ist. ändert, dem r-fachen des Hubvolumens des kolbenartigen Körpers, der das Volumen des Raumes, dem Wärme zuführbar ist, ändert, nahezu gleich ist. und r dem Quotienten aus der absoluten Temperatur, die im Betrieb in dem Raum herrscht, dem Wärme entnehmbar ist, und der absoluten Temperatur, die in dem Raum herrscht, dem Wärme zuführbar ist. entspricht.The invention relates to a hot gas piston machine with at least one space, the volume of which can be changed by a piston-like body and heat can be supplied to it during operation. the one with at least one room is or are connected to its Volume can also be changed by a piston-like body and heat during operation it can be seen which rooms have different average temperatures during operation, and where in the Connection between these spaces is a regenerator through which a working medium back and forth can flow here, and the piston-like body mentioned are connected to a transmission that this Body moves with a phase difference, whereby the stroke volume of the piston-like body, which the Volume of the room from which heat can be extracted. changes, r times the stroke volume of the piston-like Body, which changes the volume of the room to which heat can be supplied, is almost the same. and r that Quotient from the absolute temperature that prevails in the room during operation, from which the heat can be extracted and the absolute temperature that prevails in the room to which heat can be supplied. is equivalent to.

Eine Heißgasmaschine der vorerwähnten Art ist aus der DT-PS 12 29 338 bekannt.A hot gas machine of the aforementioned type is known from DT-PS 12 29 338.

Unter einer Heißgaskolbenmaschine muß in bezug auf die vorliegende Anmeldung eine Gaskältemaschine, ein Heißgasmotor, eine Wärmepumpe bzw. ein Kaltgasmotor verstanden werden. Bei diesen Maschinen wird ein Arbeitsmedium komprimiert, wenn es sich im wesentlichen in einem Raum (Kompressionsraum) befindet, dem Wärme entnommen werden kann, und expandiert, wenn es sich im wesentlichen in einem Raum (Expansionsraum) befindet, dem Wärme zugeführt werden kann. Der Kompressions- und Expansionsraum sind dabei durch einen Regenerator voneinander getrennt. Bei bekannten Maschinen der einschlägigen Art werden die Volumen des Kompressions- und Expansionsraumes durch Kolben geändert, die über ein Getriebe phasenverschoben gegeneinander bewegt werden. Bei der aus der DT-PS 12 29 338 bekannten Heißgaskolbenmaschine wird die Leistung der Maschine durch Änderung des Phasenunterschiedes zwischen den Bewegungen der beiden Kolben geregelt und die beiden Kolben weisen einen derartigen Hubvolumenunterschied auf, daß bei einem Phasenunterschied gleich Null in der Maschine im Betrieb keine Druckänderungen auftreten. Im normalen Betrieb aber ist immer ein Phasenunterschied zwischen den Kolbenbewegungen vorhanden und die durch den Kompressions- und Expansionskolben zusammen verursachten Volumenänderungen gehen mit Druckänderungen einher. Dabei ist der Phasenunterschied zwischen dem Kompressionsund Expansionskolben derart gewählt, daß die Druckänderungen in Phase voreilen bei der Phase derIn relation to the present application, a hot gas piston machine must be a gas refrigeration machine, a hot gas engine, a heat pump or a cold gas engine can be understood. With these machines a working medium is compressed when it is essentially in a room (compression room) is located, from which heat can be extracted, and expands when it is essentially in a room (Expansion space) is located, the heat can be supplied. The compression and expansion space are separated from each other by a regenerator. In known machines of the relevant The volume of the compression and expansion space are changed by means of pistons that have a Transmission are moved out of phase with one another. In the case of the 12 29 338 known from DT-PS Hot gas piston machine will improve the machine's performance by changing the phase difference between the movements of the two pistons are regulated and the two pistons have such a stroke volume difference on that with a phase difference equal to zero in the machine during operation no pressure changes appear. In normal operation, however, there is always a phase difference between the piston movements present and the volume changes caused by the compression and expansion piston together go hand in hand with pressure changes. The phase difference between the compression and Expansion piston chosen so that the pressure changes in phase lead in the phase of

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Bewegungen des Kompressionskolbens und bei der Phase der Bewegungen des Expansionskolbens nacheilen. Nun ist es so, daß die durch einen Kompressionskolben abgegebene Kompressionsarbeit nur durch denjenigen Teil der Druckänderungen bestimmt wird, der bei den Bewegungen dieses Kolbens um 90° in Phase voreilt, während bei einem Expansionskolben die aufgenommene Expansionsenergie nur durch denjenigen Teil der Druckänderungen bestimmt wird, der bei den Bewegungen dieses Kolbens um 90° in Phase nacheilt. Der andere Teil der betreffenden Druckänderungen ist mit der Kolbenbewegung phasengleich und beteiligt sich nicht an der Abgabe bzw. Aufnahme von Energie. Diese Druckänderungen tragen also nicht in nützlicher Weise zum Zyklus, den das Medium durchläuft, bei. Der Nachteil dieser Druckänderungen besteht jedoch darin, daß sie selbstverständlich Kräfte, sogenannte Blindkräfte, auf die Kolben und auf die Lager ausüben und somit in bedeutendem Maße zu mechanischem Verlust beitragen.Compression piston movements and lag in the phase of expansion piston movements. Now it is the case that the compression work delivered by a compression piston is only carried out by that part of the pressure changes is determined which occurs during the movements of this piston by 90 ° in Phase leads, while in the case of an expansion piston, the expansion energy absorbed only by that piston Part of the pressure changes is determined that occurs when this piston moves 90 ° in phase lags behind. The other part of the pressure changes concerned is in phase with the piston movement and does not participate in the delivery or absorption of energy. These changes in pressure do not therefore contribute to useful in the cycle that the medium goes through. The disadvantage of these pressure changes is, however, that they of course forces, so-called reactive forces, on the piston and on the Exercise bearings and thus contribute significantly to mechanical loss.

Die Erfindung bezweckt, eine Heißgaskolbenmaschine einer einfachen Bauart zu schaffen, bei der die Druckänderungen in den Räumen, denen Wärme ' * entnommen bzw. zugeführt werden kann, bei denThe invention aims to provide a hot gas piston machine of a simple type in which the Changes in pressure in the rooms to which heat '* can be withdrawn or supplied in the

Bewegungen der betreffenden kolbenartigen Körper wenigstens nahezu um 90° in Phase nacheilen bzw. voreilen.Movements of the piston-like bodies in question lag or lag at least almost 90 ° in phase. to advance.

Zur Verwirklichung des erzielten Zwecks weist die erfindungsgemäße Heißgaskolbenmaschine das Kennzeichen auf, daß das Getriebe die erwähnten kolbenartigen Körper in Gegenphase bewegt, wobei die Maschine einen oder mehrere weitere kolbenartige Körper enthält, die je mit ihrer einen Seite einen Raum begrenzen, der mit dem Raum, dem Wärme entnehmbar und/oder mit dem Raum, dem Wärme zuführbar ist, und/oder mit der Verbindung zwischen diesen Räumen in offener Verbindung steht, und wobei jeder dieser weiteren kolbenartigen Körper mit einem Hubbegrenzer und/oder einer gegebenenfalls regelbaren Energiedissipationsvorrichtung zusammenwirkt.In order to achieve the purpose achieved, the hot gas piston machine according to the invention has the identifier on that the transmission moves the piston-like body mentioned in phase opposition, the machine contains one or more further piston-like bodies, each with one side of a space limit that can be extracted with the room from which heat can be extracted and / or with the room to which heat can be supplied, and / or is in open communication with the connection between these spaces, and each of these further piston-like body with a stroke limiter and / or an optionally controllable energy dissipation device cooperates.

Bei dieser Heißgaskolbenmaschine arbeitet also jeder der weiteren kolbenartigen Körper mit einer durch das Medium in den Räumen, denen Wärme entnommen bzw. zugeführt werden kann, gebildeten Feder und f φ einem Schlagbegrenzer oder anderen Energiedissipa-In this hot gas piston machine, each of the other piston-like bodies works with one through the Medium in the rooms to which heat can be extracted or supplied, spring and formed f φ an impact limiter or other energy dissipation

tionsvorrichtungen zusammen. Durch verschiedene Hubvolumen der kolbenarligen Körper, welche die Räume, denen Wärme entnommen bzw. zugeführt werden kann, begrenzen, wird bei dieser Maschine im Betrieb beim Transport des Mediums vom einen zum anderen Raum keine Druckänderung auftreten. Dadurch, daß man jeden der weiteren kolbenartigen Körper eine Bewegung ausführen läßt, die in bezug auf die Bewegung des kolbenartigen Körpers, der den , Raum, dem Wärme entnommen werden kann, ändert,tion devices together. By different stroke volumes of the piston-like bodies, which the In this machine, the No pressure changes occur during the transport of the medium from one room to the other. Through this, that one lets each of the other piston-like bodies execute a movement that is related to the movement of the piston-like body, which changes the space from which heat can be extracted,

j um 90° in Phase nacheilt, und also um 90° voreilt inj lags by 90 ° in phase, and thus leads by 90 ° in

', bezug auf die Bewegung des kolbenartigen Körpers, der ', referring to the movement of the piston-like body, the

den Raum, dem Wärme zugeführt werden kann, ändert, wird erreicht, daß, da die Druckänderungen mit den Bewegungen des weiteren kolbenartigen Körpers gleichphasig sind, die Druckänderungen ebenfalls mit jedem der beiden erwähnten kolbenartigen Körper um 90° phasenverschoben sind. Das bedeutet, daß auf diese kolbenartigen Körper nun keine Blindkräfte mehr arbeiten, wodurch der mechanische Verlust beträchtlich verringert wird und der gesamte Wirkungsgrad der Heißgaskolbenmaschine besser sein wird. Ein Phasenunterschied von nahezu 90° zwischen den Bewegungen jedes der weiteren kolbenartigen Körper und denen der kolbenartigen Körper, welche die Volumen der Räume, denen Wärme entnommen bzw, zugeführt werden kann, ändern, wird automatisch erhalten, wenn die letzteren kolbenartigen Körper sich wenigstens nahezu mit einer Frequenz bewegen, die der Eigenfrequenz jedes der weiteren kolbenartigen Körper und der mit diesen zusammenarbeitenden Feder und des Hubbegrenzers oder anderer Energiedissipationsvorrichtungen entspricht. Da der Hubbegrenzer oder die Energiedissipationsvorrichtung immer etwas Energie erfordert, wird, wenn der weitere kolbenartige Körper nicht mit einer Antriebsvorrichtung zusammenarbeitet, die Druckänderung nicht völlig gegenphasig mit den Kolbenbewegungen sein können, sondern einigermaßen in Phase voreilen, so daß der weitere kolbenartige Körper etwas Arbeit vom Medium erhält.the space to which heat can be supplied changes, it is achieved that, since the pressure changes with the Movements of the further piston-like body are in phase, the pressure changes also with it each of the two piston-like bodies mentioned are phase-shifted by 90 °. That means on this piston-like body no longer work reactive forces, whereby the mechanical loss is considerable will be decreased and the overall efficiency of the hot gas piston machine will be better. A phase difference of nearly 90 ° between the movements of each of the further piston-like bodies and those of the piston-like bodies, which the volume of the rooms, from which heat can be extracted or supplied, change, is obtained automatically when the latter piston-like body is at least almost with one Move frequency that is the natural frequency of each of the other piston-like bodies and those with them cooperating spring and the stroke limiter or other energy dissipation device corresponds. Since the stroke limiter or the energy dissipation device always requires some energy, if the further piston-like body does not cooperate with a drive device, the pressure change cannot be completely out of phase with the piston movements, but rather in phase advance so that the further piston-like body receives some work from the medium.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist unter einem kolbenartigen Körper nicht nur ein Kolben oder ein Plunger, sondern auch eine Membran zu verstehen.In the context of the present application, a piston-like body is not just a piston or understand a plunger but also a diaphragm.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heißgaskolbenmaschine sind die kolbenartigen Körper zum Ändern des Volumens der Räume, denen Wärme zugeführt bzw. entnommen werden kann, starr miteinander verbunden, wobei die Mittellinien dieser kolbenartigen Körper zusammenfallen und der Raum, dem Wärme entnommen werden kann, der Regenerator und der Raum, dem Wärme zugeführt werden kann, zwischen den einander zugewandten Kolbenflächen der erwähnten kolbenartigen Körper liegen. Durch die starre Verbindung zwischen den beiden kolbenartigen Körpern wird die bei der Expansion dem Expansionskoiben gelieferte Energie unmittelbar auf den Kompressionskolben übertragen.In a further advantageous embodiment of the hot gas piston machine according to the invention, the piston-like body for changing the volume of the rooms to which heat is added or removed can be rigidly connected to one another, the center lines of these piston-like bodies coinciding and the room from which heat can be extracted, the regenerator and the room from which heat can be drawn can be supplied, between the mutually facing piston surfaces of said piston-like Body lying. Due to the rigid connection between the two piston-like bodies, the Energy delivered to the expansion piston during expansion directly to the compression piston transfer.

Eine weitere günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heißgaskolbenmaschine weist das Kennzeichen auf, daß jeder der weiteren kolbenartigen Körper ebenfalls mit einer weiteren, gegebenenfalls einstellbaren Energiespeicher-Vorrichtung zusammenarbeitet. Bei dieser Maschine gibt es also außer dem als Energiespeicher wirksamen Medium in der Maschine noch einen zusätzlichen Speicher, der auch die Drehzahl der Maschine bestimmen wird. Dadurch, daß diese weitere Speichervorrichtung einstellbar ausgeführt wird, hat man die Möglichkeit, durch Änderung der Einstellung die Drehzahl der Maschine im Betrieb zu ändern. Die Energiespeicher-Vorrichtung kann durch eine Feder oder ein Schwungrad gebildet sein, das gegebenenfalls über eine Übertragung mit dem betreffenden kolbenartigen Körper verbunden ist. ·Another favorable embodiment of the hot gas piston machine according to the invention has that Indicator that each of the further piston-like body also with a further, if necessary adjustable energy storage device cooperates. In addition to the as Energy storage effective medium in the machine still an additional storage, which also the speed the machine will determine. Because this additional storage device is adjustable you have the option of changing the setting to increase the speed of the machine during operation to change. The energy storage device can be formed by a spring or a flywheel, the possibly connected to the piston-like body in question via a transmission. ·

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Energiedissipationsvorrichtung durch einen mit dem weiteren kolbenartigen Körper verbundenen doppelt wirkenden Gas- oder Flüssigkeits-Kolbendämpfer gebildet. In a further embodiment, the energy dissipation device is by a with the further piston-like body connected double-acting gas or liquid piston damper formed.

Die Energiedissipationsvorrichtung kann nach einer weiteren Ausführungsform durch ein gekühltes Rohr gebildet sein, dessen eine Seite geschlossen und dessen andere Seite durch eine an den kolbenartigen Körper gekuppelte Kolbenfläche begrenzt ist.According to a further embodiment, the energy dissipation device can pass through a cooled tube be formed, one side of which is closed and the other side of which is attached to the piston-like body coupled piston area is limited.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. DieEmbodiments of the invention are shown in the drawings and are described below described in more detail. the

Fig. 1 bis 6 zeigen schematische und nicht maßgerechte Darstellungen einer Anzahl Ausführungsbeispiele von Gaskältemaschinen, bei denen die Volumen des Kompressions- und Expansionsraums sich gegenphasig1 to 6 show schematic and not true to size Representations of a number of exemplary embodiments of gas refrigeration machines in which the volumes of the Compression and expansion space are out of phase

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in bezug aufeinander ändern, und die Hubverhältnisse der kolbenartigen Körper, die das Volumen dieser Räume ändern, sich verhalten wie die absoluten Temperaturen, die im Betrieb in diesen Räumen herrschen, wobei weiter ein oder mehrere weitere kolbenartige Körper vorhanden sind, die je das Volumen eines weiteren Raums ändern können, der mit dem Kompressions- und/oder Expansionsraum verbunden ist, wobei diese weiteren kolbenartigen Körper sich in bezug auf die kolbenartigen Körper, die das Volumen des Kompressions- oder Expansionsraums ändern können, um 90° phasenverschoben bewegen. Die weiteren kolbenartigen Körper arbeiten dabei mit einer Energiesammei- und Energiedissipationsvorrichtung zusammen. Diechange in relation to one another, and the stroke ratios of the piston-like bodies that make up the volume of these Rooms change, behave like the absolute temperatures that occur in these rooms during operation prevail, with one or more other piston-like bodies are also present, each of the Can change the volume of another space that is connected to the compression and / or expansion space is, this further piston-like body with respect to the piston-like body, which the volume of the compression or expansion space can change, move 90 ° out of phase. the further piston-like bodies work with an energy collection and energy dissipation device together. the

Fig. 7 und 8 zeigen zwei Ausführungsformen von Gaskältemaschinen, die in großen Zügen den Gaskältemaschinen der F i g. 1 bis 6 entsprechen, wobei aber die weiteren kolbenartigen Körper nun an eine Antriebs- , vorrichtung gekuppelt sind. Die7 and 8 show two embodiments of gas refrigeration machines, which in broad outline the gas refrigeration machines the F i g. 1 to 6, but the other piston-like bodies are now connected to a drive, device are coupled. the

F i g. 9 zeigt eine schematische und nicht maßgerechte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Heißgasmotors, wobei wieder die Volumen des Kompressionsund Expansionsraums sich in Gegenphase miteinander ändern, wobei die Hubräume der kolbenartigen Körper, welche die Volumen des Kompressions- und Expansionsraums ändern, sich wie der Quotient der absoluten Temperaturen, die in Betrieb in diesen Räumen herrschen, verhalten, und wobei weiter ein oder mehrere weitere kolbenartige Körper vorhanden sind, die je einen Raum ändern, der mit dem Kompressionsoder Expansionsraum in Verbindung steht, und weiter mit einer Energiedissipations- und einer Energiesammeivorrichtung zusammenarbeitet.F i g. 9 shows a schematic and not true-to-scale representation of an exemplary embodiment of a hot gas engine; again, the volume of the compression and expansion space are in phase opposition to each other change, the displacement of the piston-like body, which is the volume of the compression and expansion space change as the quotient of the absolute temperatures operating in these rooms rule, behave, and where one or more other piston-like bodies are also present, each changing a space that is connected to the compression or expansion space, and further cooperates with an energy dissipation and an energy collection device.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein Zylinder angedeutet, in den ein Kompressionskolben 2 und ein Expansionskolben 3 bewegbar aufgenommen sind. Der Kompressionskolben 2 und Expansionskolben 3 sind durch eine Verbindung 4 starr miteinander verbunden. Zwischen den einander zugewandten Kolbenflächen der Kolben 2 und 3 befindet sich ein Kompressionsraum 5, ein Kühler 6, ein Regenerator 7, ein Gefrierer 8 und ein Expansionsraum 10. Der Expansionskolben 3 ist über eine Pleuelstange 11 mit einer Kurbelwelle 12 verbunden, die mit einer (nicht dargestellten) Antriebsvorrichtung verbunden ist. Der Kompressionskolben 2 hat einen größeren Durchmesser als der Expansionskolben 3 und zwar derart, daß der Hubraum des Kompressionskolbens 2 das τ-fache des Hubraums des Expansionskolbens 3 ist. Dabei ist τ der Quotient der im Betrieb im Kompressionsraum und der im Betrieb im Expansionsraum 10 herrschenden absoluten Temperatur. Die Gaskältemaschine enthält weiter einen Zylinder 15, in dem ein weiterer Kolben 16 bewegbar ist.In Fig. 1, the reference number 1 indicates a cylinder in which a compression piston 2 and an expansion piston 3 are movably received. The compression piston 2 and expansion piston 3 are rigidly connected to one another by a connection 4. Between the facing piston surfaces of pistons 2 and 3 there is a compression space 5, a cooler 6, a regenerator 7, a freezer 8 and an expansion space 10. The expansion piston 3 is connected via a connecting rod 11 to a crankshaft 12 which is connected to a ( not shown) drive device is connected. The compression piston 2 has a larger diameter than the expansion piston 3 in such a way that the displacement of the compression piston 2 is τ times the displacement of the expansion piston 3. Here, τ is the quotient of the absolute temperature prevailing in the compression chamber during operation and the absolute temperature prevailing in the expansion chamber 10 during operation. The gas refrigeration machine also contains a cylinder 15 in which a further piston 16 can be moved.

Dieser Kolben 16 begrenzt mit seiner einen Seite einen Raum 17, der mit dem Kompressionsraum 5 in Verbindung steht, und mit seiner anderen Seite einen Raum 18 in dem derselbe mittlere Druck herrscht wie im Kompressionsraum 5. Der Kolben 16 ist durch eine Kolbenstange 19 mit einem Kolben 20 verbunden, der in einem geschlossenen Zylinder 21, in dem sich Flüssigkeit befindet, bewegbar ist. Die beiden Räume auf beiden Seiten des Kolbens 20 sind durch einen Kanal 22 mit einem darin vorhandenen regelbaren Absperrventil 23 miteinander verbunden. Der Kolben 16 wirkt weiter noch mit einer Feder 25 zusammen. Der Kolben 16 und das mit diesem zusammenarbeitende Federsystem, das durch das Medium in den Räumen 17, 5, 6, 7, 8, 10 und das Medium im Raum 8 sowie die Feder 25 gebildet wird, hat eine bestimmte Eigenfrequenz, die von der Federkonstante des erwähnten Federsystems und der Masse der sich bewegenden Teile abhängt. Dadurch, daß beim Start der Gaskältemaschine die Kurbelwelle 12 in der erwähnten Eigenfrequenz angetrieben wird, werden, dadurch, daß in den Räumen 5 und 10 dieselbe Temperatur herrscht, infolge des Unterschieds der Durchmesser der Kolben 2 und 3, Druckschwankungen auftreten mit einer Frequenz, die der Eigenfrequenz des Kolbens 16 gleich ist. Dadurch wird sich der Kolben 16 mit seiner Eigenfrequenz bewegen, wobei jedoch die Bewegungen in bezug auf diese Druckänderungen um 90° in Phase nacheilen. Das bedeutet, daß die Bewegungen des Kolbens 16 ebenfalls in bezug auf die Bewegungen des Kompressionskolbens 2 um 90^D in Phase nacheilen, aber in bezug auf die Bewegungen des Expansionskolbens 3 um 90° in Phase voreilen werden. Die durch die Bewegungen des Kolbens 16 verursachten Druckänderungen werden also in bezug auf die Bewegungen des Kolbens 3 um 90° in Phase voreilen. Das bedeutet, daß der Kolben 2 ein Kompressionskolben und der Kolben 3 ein Expansionskolben ist. Kompression des Mediums wird auftreten, wenn dieses sich im wesentlichen im Raum 5 befindet, wobei die Kompressionswärme im Kühler 6 dem Medium entnommen wird. Expansion des Mediums tritt auf. wenn sich dieses im wesentlichen im Raum 10 befindet, wobei Wärme, beispielsweise von einem zu kühlenden Gegenstand oder einem zu kühlenden Medium im Gefrierer 8 dem Medium zugeführt wird. Im Expansionsraum 10 wird eine niedrige Temperatur herrschen, während im Raum 5 ungefähr die Kühlwassertemperatur herrschen wird. Die Hubräume der Kolben 2 und 3 sind derart gewählt worden, daß sie sich verhalten wie die absoluten Temperaturen, die im Betrieb im Kompressionsraum 5 und im Expansionsraum 10 herrschen. Das bedeutet, daß im Betrieb, also wenn im Kompressionsraum 5 die Kühlwassertemperatur und im Expansionsraum 10 eine niedrige Betriebstemperatur herrscht, durch Bewegung der Kolben 2 und 3 keine Druckänderungen mehr auftreten werden. Druckänderungen werden dann nur durch den schwingenden Kolben 16 verursacht, wobei diese Druckänderungen mit den Bewegungen des Kolbens 16 phasengleich sind. Das bedeutet, daß die dann auftretenden Druckänderungen senkrecht auf den Bewegungen des Kompressionskolbens 2 und des Expansionskolbens 3 stehen, so daß Blindkräfte, die durch Druckänderungen gleichphasig mit diesen Kolben verursacht sind, bei dieser Kühlmaschine nicht mehr vorhanden sind, so daß diese, Kühlmaschine mit geringeren mechanischen Verlusten arbeiten wird. Um den Hub des Kolbens 16 zu beschränken, wirkt dieser mit einer Dämpfungsvorrichtung 20,21,22,23 zusammen, in der eine Menge Energie dissipiert wird. Um das Schwingen des Kolbens 16 einzuhalten wird also diesem Kolben eine Menge Arbeit zugeführt werden müssen. Demzufolge werden die Druckänderungen in den Räumen 17,5,6,7,8 und 10 in bezug auf die Bewegungen dieses Kolbens etwas voreilen.This piston 16 delimits with its one side a space 17 which is in communication with the compression chamber 5, and with its other side a space 18 in which the same mean pressure prevails as in the compression chamber 5. The piston 16 is connected by a piston rod 19 with a Piston 20 connected, which is movable in a closed cylinder 21 in which there is liquid. The two spaces on both sides of the piston 20 are connected to one another by a channel 22 with an adjustable shut-off valve 23 present therein. The piston 16 also cooperates with a spring 25. The piston 16 and the spring system working together with it, which is formed by the medium in the spaces 17, 5, 6, 7, 8, 10 and the medium in the space 8 and the spring 25, has a certain natural frequency that is determined by the spring constant depends on the mentioned spring system and the mass of the moving parts. Because the crankshaft 12 is driven at the natural frequency mentioned when the gas refrigerator is started, the fact that the same temperature prevails in the spaces 5 and 10, due to the difference in the diameter of the pistons 2 and 3, pressure fluctuations occur at a frequency that the natural frequency of the piston 16 is the same. As a result, the piston 16 will move at its natural frequency, but the movements lag behind these pressure changes by 90 ° in phase. This means that the movements of the piston 16 also ^{lag behind the movements of the compression piston 2 by 90 D} in phase, but lead by 90 ° in phase with respect to the movements of the expansion piston 3. The pressure changes caused by the movements of the piston 16 will therefore lead by 90 ° in phase with respect to the movements of the piston 3. This means that the piston 2 is a compression piston and the piston 3 is an expansion piston. Compression of the medium will occur when it is essentially in space 5, the heat of compression being taken from the medium in cooler 6. Expansion of the medium occurs. when this is essentially in the space 10, with heat, for example from an object to be cooled or a medium to be cooled in the freezer 8, being supplied to the medium. A low temperature will prevail in the expansion space 10, while the cooling water temperature will prevail in space 5. The displacements of the pistons 2 and 3 have been chosen such that they behave like the absolute temperatures that prevail in the compression chamber 5 and in the expansion chamber 10 during operation. This means that during operation, that is to say when the cooling water temperature prevails in the compression chamber 5 and a low operating temperature prevails in the expansion chamber 10, no pressure changes will occur due to the movement of the pistons 2 and 3. Changes in pressure are then only caused by the oscillating piston 16, these changes in pressure being in phase with the movements of the piston 16. This means that the pressure changes then occurring are perpendicular to the movements of the compression piston 2 and the expansion piston 3, so that reactive forces, which are caused by pressure changes in phase with these pistons, are no longer present in this cooling machine, so that this cooling machine with lower mechanical losses will work. In order to limit the stroke of the piston 16, it interacts with a damping device 20, 21, 22, 23 in which a lot of energy is dissipated. In order to keep the piston 16 swinging, a lot of work will have to be done on this piston. As a result, the pressure changes in the spaces 17,5,6,7,8 and 10 with respect to the movements of this piston will lead somewhat.

In F i g. 1 ist mit gestrichelten Linien angegeben, daß gegebenenfalls an den Raum 10 auch ein Zylinder 15' mit einem darin bewegbaren Kolben 16' angeschlossen werden kann. Dieser gestrichelt dargestellte Kolben 16' wird sich gleichphasig mit dem vorher beschriebenen Kolben 16 bewegen.In Fig. 1 it is indicated with dashed lines that, if necessary, a cylinder 15 'can also be attached to the space 10 can be connected to a piston 16 'movable therein. This piston 16 'shown in dashed lines will move in phase with the piston 16 previously described.

In Fig. 2 ist eine gleiche Gaskältemaschine wie inIn Fig. 2 is the same gas refrigerator as in

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Fig. 1 schematisch dargestellt, wobei jedoch nun der Kompressionskolben 2 und der Expansionskolben 3 durch das Innere hindurch über eine Stange 25 miteinander verbunden sind. Dies ergibt eine etwas schönere Bauart. Bei dieser Ausführungsform arbeitet der Kolben 16 mit einem etwas geänderten Feder- und Dämpfungssystem zusammen. Dabei begrenzt der Kolben 16 mit seiner vom Raum 17 abgewandten Seite einen Raum 30, der über einen Kanal 31 mit einem darin aufgenommenen regelbaren Absperrventil 32 mit einem Raum 33 in Verbindung steht. In den Räumen 30 und 33 befindet sich ein Gas unter dem mittleren Druck, der im Raum 17 herrscht. Die Wirkungsweise dieser Gaskältemaschine entspricht der Wirkungsweise der Gaskältemaschine nach F i g. 1.Fig. 1 shown schematically, but now the Compression piston 2 and expansion piston 3 through the interior via a rod 25 are connected to each other. This results in a somewhat nicer design. In this embodiment works the piston 16 together with a slightly modified spring and damping system. The limits Piston 16 with its side facing away from the space 17 a space 30, which via a channel 31 with a therein recorded controllable shut-off valve 32 with a space 33 is in communication. In rooms 30 and 33 there is a gas under the mean pressure that prevails in space 17. How this gas refrigerator works corresponds to the mode of operation of the gas refrigerator according to FIG. 1.

In F i g. 3 ist eine Gaskältemaschine einer etwas geänderten Bauart dargestellt. Diese Gaskältemaschine enthält zwei miteinander verbundene Kolben 32 und 33. die mit ihren voneinander abgewandten Kolbenflächen die Volumen eines Komprcssionsraums 35 und Expansionsraums 40 ändern. Der Kompressionsraum 35 steht über einen Kühler 36, einen Regenerator 37 und einen Gefrierter 38 mit dem Expansionsraum 40 in Verbindung. Der Kompressionsraum 35 steht wieder mit einem Raum 17 in Verbindung, der durch einen Kolben 16 begrenzt wird, der bewegbar in einem Zylinder 15 liegt; dies und jenes völlig in Übereinstimmung mit der Bauart nach Fig. 1. Auch die Wirkungsweise dieser Kühlmaschine entspricht der Kühlmaschincn aus den vorstehenden Figuren.In Fig. 3 shows a gas refrigerator of a somewhat modified type. This gas refrigerator contains two interconnected pistons 32 and 33. with their piston surfaces facing away from one another the volumes of a compression space 35 and expansion space 40 change. The compression space 35 is standing In connection with the expansion space 40 via a cooler 36, a regenerator 37 and a freezer 38. The compression space 35 is again connected to a space 17, which is formed by a piston 16 is limited, which is moveable in a cylinder 15; this and that completely in accordance with the design according to Fig. 1. Also the mode of operation of this cooling machine corresponds to the cooling machine from the preceding figures.

In F i g. 4 ist eine Gaskältemaschine dargestellt, die der Gaskältemaschine nach Fig. 3 entspricht, wobei nun jedoch der Kolben 16 auch den Expansionsraum 40 begrenzt. Wenn die Kurbelwelle 12 wieder mit der Eigenfrequenz des Kolbens 16 bewegt wird, wird der Kolben 16 zu schwingen anfangen, wobei die Bewegungen des Kolbens 16 in bezug auf die Kolbenfläche des Kolbens 32, der das Volumen des Kompressionsraums 35 ändert, um 90° in Phase voreilen und in bezug auf die Kolbenfläche des Kolbens 33, der auch das Volumen des Raums 40 ändert, um 90° nacheilen. Somit wird wieder die gleiche Wirkungsweise wie bei der Gaskältemaschine nach Fig. 1 erhalten.In Fig. 4 shows a gas refrigerator that corresponds to the gas refrigeration machine according to FIG. 3, however, the piston 16 now also includes the expansion space 40 limited. When the crankshaft 12 is moved again at the natural frequency of the piston 16, the Piston 16 begin to oscillate, the movements of piston 16 in relation to the piston surface of the Piston 32, which changes the volume of the compression chamber 35, lead by 90 ° in phase and with respect to the The piston area of the piston 33, which also changes the volume of the space 40, lag behind by 90 °. So it will be again the same mode of operation as in the gas refrigerator according to FIG. 1 is obtained.

In Fig. 5 ist eine gleiche Gaskältemaschine wie in F i g. 4 dargestellt, wobei nun jedoch die Energiedissipationsvorrichtung durch ein Rohr 50 gebildet ist, dessen eines Ende abgeschlossen und dessen andere Seite durch einen Kolben 51 begrenzt ist. der über eine Stange 52 mit dem Kolben 16 verbunden ist. Dadurch, daß das Rohr 50 äußerlich beispielsweise mit Hilfe einer Kühlwendel 53 gekühlt wird, wird beim Hin- und Herbewegen des Kolbens 16 und des daran gekuppelten Kolbens 51 eine Phasendrehung der Druckänderungen im Rohr 50 gegenüber der Bewegung des Kolbens 51 auftreten, derart, daß Energie aufgenommen wird. Durch Änderung im Maß der Kühlung ist die dissipierte Leistung regelbar.In Fig. 5 is the same gas refrigerator as in F i g. 4, but now the energy dissipation device is formed by a tube 50, one end of which is closed and the other side is limited by a piston 51. which is connected to the piston 16 via a rod 52. Through this, that the tube 50 is cooled externally, for example with the aid of a cooling coil 53, is when to and fro Moving the piston 16 and the piston 51 coupled thereto a phase rotation of the pressure changes occur in the tube 50 against the movement of the piston 51, so that energy is absorbed. The dissipated power can be regulated by changing the amount of cooling.

In F i g. 6 ist eine Gaskältemaschine derselben Bauart wie in Fig. 1 dargestellt, wobei nun jedoch der Kolben 16 nicht mit einem Flüssigkeitsdämpfer, sondern mit f*> einem Schwungrad 60 zusammenwirkt, das über eine lange Antriebsstange 61 mit dem Kolben 16 verbunden ist. Dieses Schwungrad wirkt also als Hubbegrenzer und Energiesammeivorrichtung.In Fig. 6 is a gas refrigerator of the same type as shown in FIG. 1, but now with the piston 16 not with a liquid damper, but with f *> a flywheel 60 cooperates, which is connected to the piston 16 via a long drive rod 61 is. This flywheel thus acts as a stroke limiter and energy collection device.

In Fig. 7 ist eine Gaskältemaschine dargestellt mit ⁶S einem Kompressionskolben 72 und einem Expansionskolben 73, die durch eine Stange 74 starr miteinander verbunden sind, wobei sich zwischen den einander zugewandten Kolbenflächen der Kolben 72 und 73 ein Kompressionsraum 75, ein Kühler 76 und der Regenerator 77, ein Gefrierer 78 und ein Expansionsraum 79 befindet. Der Kompressionskolben 72 ist durch eine Antriebsstange 81 mit einer Kurbel 82 einer Kurbelwelle 83 verbunden. Die Kurbelwelle 83 ist mit einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung verbunden. Die Kurbel 82 ist weiter über eine Antriebsstange 84 mit einem weiteren Kolben 85 verbunden, wobei die Mittellinien des Kolbens 85 und der Kolben 73 und 72 einen Winkel von 90° miteinander einschließen. Über dem Kolben 85 befindet sich ein Raum 86, der über einen Kanal 87 mit dem Kompressionsraum 75 in Verbindung steht. Bei Betreiben der Kurbelwelle 83 in Pfeilrichtung werden die Bewegungen der dem Raum 86 zugewandten Seite des Kolbens 85 in bezug auf die dem Raum 75 zugewandte Seite des Kompressionskolbens 72 um 90° in Phase nacheilen und in bezug auf die dem Expansionsraum 79 zugewandte Seite des Expansionskolbens 73 um 90° in Phase voreilen. Die Masse des Kolbens 85 und die Federkonstantc des mit diesem Kolben zusammenwirkenden Fedcrsystenis und die Drehzahl sind dabei derart abgestimmt, daß die auftretenden Massenträgheitskräftc die Druckänderungen gerade ausgleichen.7 shows a gas refrigeration machine with ⁶ S a compression piston 72 and an expansion piston 73, which are rigidly connected to one another by a rod 74, with a compression space 75, a cooler 76 and the piston 72 and 73 between the mutually facing piston surfaces Regenerator 77, a freezer 78 and an expansion space 79 is located. The compression piston 72 is connected to a crank 82 of a crankshaft 83 through a drive rod 81. The crankshaft 83 is connected to a drive device, not shown. The crank 82 is further connected to a further piston 85 via a drive rod 84, the center lines of the piston 85 and the pistons 73 and 72 enclosing an angle of 90 ° with one another. A space 86 is located above the piston 85 and communicates with the compression space 75 via a channel 87. When the crankshaft 83 is operated in the direction of the arrow, the movements of the side of the piston 85 facing the space 86 will lag by 90 ° in phase with respect to the side of the compression piston 72 facing the space 75 and with respect to the side of the expansion piston 73 facing the expansion space 79 lead by 90 ° in phase. The mass of the piston 85 and the spring constant of the spring system cooperating with this piston and the speed are coordinated in such a way that the forces of inertia which occur just compensate for the changes in pressure.

In dieser Weise ist eine Gaskältemaschine erhalten, bei der die Druckänderungen, die das Medium empfindet, in bezug auf die Bewegungen des Kompressionskolbens 72 genau 90° in Phase nacheilen und in bezug auf die Bewegungen des Expansionskolbcns 73 genau 90° in Phase vorcilcn. In dieser Weise werden auf diese Kolben keine Blindkräfte ausgeübt werden.In this way a gas refrigeration machine is obtained, in which the pressure changes caused by the medium feels to lag exactly 90 ° in phase with respect to the movements of the compression piston 72 and in Precise 90 ° in phase with respect to the movements of the expansion piston 73. In this way will be on no reactive forces are exerted on these pistons.

In Fig. 8 ist schcmalisch eine geänderte Ausführung der in Fig. 7 dargestellten Gaskältemaschine dargestellt, wobei der Kolben 85 nun über eine Flüssigkeitssäule 88 mit einem Kolben 89 zusammenwirkt, der das Volumen eines Raums 90, der mit dem Komprcssionsraum 75 in offener Verbindung steht, ändern kann. Was die Wirkungsweise anbelangt, entspricht diese Kältemaschine der in F i g. 7 dargestellten Kältemaschine. In Fig. 8 is schematically a modified embodiment the gas refrigeration machine shown in Fig. 7, the piston 85 now over a column of liquid 88 cooperates with a piston 89, which has the volume of a space 90, which with the Komprcssionsraum 75 is in open communication, can change. As far as the mode of operation is concerned, this refrigeration machine corresponds to that in FIG. 7 refrigerating machine shown.

Dabei sind die Massen der Kolben 85 und 89 und die Flüssigkeitssäule 88, die Federkonstante des Federsystems und die Drehzahl wieder aufeinander abgestimmt.The masses of the pistons 85 and 89 and the liquid column 88 are the spring constant of the spring system and the speed matched again.

Was in der Beschreibung der vorstehenden Figuren in bezug auf eine Gaskältemaschine gesagt worden ist, trifft in großen Zügen ebenfalls für einen Heißgasmotor zu. Beim Heißgasmotor liegt jedoch der Temperaturunterschied zwischen dem Kompressions- und Expansionsraum anders als bei der Gaskältemaschine. Beim Heißgasmotor erfolgt die Expansion bei höherer Temperatur, während der Kompressionsraum wieder die Kühlwassertemperatur aufweist. Das bedeutet, daß τ dabei einen Wert aufweist, der kleiner ist als 1. Das bedeutet, daß bei einem Heißgasmotor der Expansionskolben einen größeren Hubraum haben wird, als der Kompressionskolben. Dies ist ersichtlich aus dem in F i g. 9 schematisch dargestellten Heißgasmotor. Der Heißgasmotor nach Fi g. 9 enthält einen Kompressionskolben 92 und einen Expansionskolben 93, die über eine Verbindungsstange 94 starr miteinander verbunden sind. Zwischen den einander zugewandten Kolbenflächen der erwähnten Kolben befinden sich ein Kompressionsraum 95, ein Kühler 96, ein Regenerator 97 und ein Erhitzer 98 sowie der Expansionsraum 100. Der Expansionskolben 93 ist über eine Kolbenstange 101 mit einer Kurbelwelle 102 verbunden, die an eine in der Zeichnung nicht dargestellte anzutreibende Vorrichtung gekuppelt ist. Der Heißgasmotor enthältWhat has been said in the description of the preceding figures in relation to a gas refrigeration machine, broadly applies to a hot gas engine as well. In the case of a hot gas engine, however, there is a temperature difference between the compression and expansion space different from the gas refrigeration machine. At the Hot gas engine, the expansion takes place at a higher temperature, while the compression chamber again has the cooling water temperature. This means that τ has a value that is smaller than 1. That means that in a hot gas engine the expansion piston will have a larger displacement than the Compression piston. This can be seen from the in FIG. 9 hot gas engine shown schematically. the Hot gas engine according to Fi g. 9 includes a compression piston 92 and an expansion piston 93, which via a Connecting rod 94 are rigidly connected to one another. Between the piston surfaces facing each other of the pistons mentioned are a compression space 95, a cooler 96, and a regenerator 97 and a heater 98 as well as the expansion space 100. The expansion piston 93 is via a piston rod 101 is connected to a crankshaft 102, which is connected to a device to be driven, not shown in the drawing is coupled. The hot gas engine contains

609 543/321609 543/321

16 Ol 46716 ol 467

weiter einen Zylinder 105, in dem ein Kolben 106 bewegbar ist, dessen eine Seite einen Raum 107 begrenzt, der mit dem Kompressionsraum 95 in offener Verbindung steht, und dessen andere Seite einen Raum 108 begrenzt, in dem der mittlere Druck herrscht. Der Kolben 106 ist über die Stange 109 mit einem Kolben 110 verbunden, der bewegbar in einem geschlossenem Zylinder 111 liegt, der ganz mit Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die beiden Räume auf beiden Seiten des Kolbens 110 über einen Kanal 112 und ein darin befindliches regelbares Absperrventil 113 miteinander in Verbindung stehen. In derselben Weise wie bei derfurthermore a cylinder 105 in which a piston 106 can be moved, one side of which has a space 107 limited, which is in open communication with the compression space 95, and the other side of which is a space 108 limited, in which the mean pressure prevails. The piston 106 is connected to a piston via the rod 109 110 connected, which lies movably in a closed cylinder 111 which is completely filled with liquid, the two spaces on either side of the piston 110 via a channel 112 and one located therein controllable shut-off valve 113 are in communication with each other. In the same way as the

Gaskältemaschine nach F i g. 1 wird der Kolben 106 hier wieder ins Schwingen geraten, wobei die durch die Bewegungen des Kolbens 106 verursachten Druckänderungen in bezug auf die Bewegungen des Kolbens 92 um 90° voreilen und in bezug auf die Bewegungen des Kolbens 93 um 90° nacheilen. Die Drehzahl dieses Heißgasmotors ist durch Änderung der Federkonstante des Federsystems, mit dem der Kolben 106 zusammenwirkt, regelbar. Die abgegebene Leistung diesesGas refrigeration machine according to F i g. 1, the piston 106 will start to oscillate again, whereby the through the Movements of piston 106 caused pressure changes with respect to movements of piston 92 Lead by 90 ° and lag by 90 ° with respect to the movements of the piston 93. The speed of this Hot gas engine is by changing the spring constant of the spring system with which the piston 106 interacts, adjustable. The output of this

ίο Heißgasmotors ist auch durch Änderung des Hubs des Kolbens 106 durch Änderung der Einstellung des Absperrventils 113 regelbar.ίο hot gas engine can also be changed by changing the stroke of the The piston 106 can be regulated by changing the setting of the shut-off valve 113.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

16 Ol patent claims:

1. Hot gas piston machine with at least one space, the volume of which can be changed by a piston-like body and to which heat can be supplied during operation, which is or are connected to at least one space, the volume of which can also be changed by a piston-like body and which heat can be removed during operation, ro which rooms have different average temperatures during operation, and a regenerator is located in the connection between these rooms, through which a working medium can flow back and forth, and the piston-like bodies mentioned are connected to a gear , which moves these bodies with a phase difference, the stroke volume of the piston-like body, which changes the volume of the space from which heat can be withdrawn, r times the stroke volume of the piston-like body, which the volume of the space from which heat can be supplied. changes, is almost the same, and τ is the quotient of the absolute temperature that prevails during operation in the room from which heat can be extracted. and corresponds to the absolute temperature prevailing in the room to which heat can be supplied, characterized in that the gear mechanism moves the aforementioned piston-like bodies (2, 3) in antiphase, with the machine having one or more further piston-like bodies (16, 16 '), each of which delimits a space (17) with one side, which can be removed with space (5) from which heat can be removed and / or with space (10) to which heat can be supplied. and / or is in open connection with the connection between these spaces, and each of these further piston-like bodies interacts with a stroke limiter and / or an optionally controllable energy dissipation device (20 to 23:20 'to 23').

2. Hot gas piston machine according to claim 1, characterized in that the piston-like Body (2, 3) for changing the volume of the spaces (5, 10) to which heat can be supplied or can be removed, are rigidly connected to one another, the center lines of this piston-like body coincide and the space (5). which heat can be supplied, the regenerator (7) and the space (10), from which heat can be extracted. between the mutually facing piston surfaces of the mentioned piston-like Body (2,3) lie.

3. hot gas piston machine according to claim 1 or 2, characterized in that each of the further piston-like body (16, 16 ') with its other side delimits a space in which the same Medium pressure prevails as in the aforementioned rooms (5, 10), to which heat is supplied or is removed.

4. hot gas piston machine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that each of the further piston-like body (16, 16 ') also with an optionally adjustable energy storage device (25, 25 ') interacts.

5. hot gas piston machine according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the energy dissipation device by one with the further piston-like Body connected double acting gas and liquid piston damper (21 to 23; 21 'to 23') is formed.

6. hot gas piston machine according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that that the energy dissipation device is formed by a cooled tube (50) whose one side is closed and the other side is delimited by a piston surface. the one with the further piston-like body (51) is connected.