DE1601468B2 - Vorrichtung, insbesondere heissgaskolbenmaschine, mit einem oder mehreren kolbenartigen koerpern zum aendern des volumens eines raumes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die einen oder mehrere kolbenartige Körper enthält, die je das Volumen eines Raums ändern können, in dem sich ein Arbeitsmittel befindet, wobei die in jedem dieser Räume auftretenden Druckänderungen gegenüber den Bewegungen des betreffenden kolbenartigen Körpers eine Phasenverschiebung aufweisen.

Vorrichtungen der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind z. B. Verdichter, Kolbenexpansionsmaschinen und insbesondere Heißgaskolbenmaschinen, unter denen Kaltgaskältemaschinen, Heißgasmotoren, Wärmepumpen und Kaltgasmotoren zu verstehen sind. Heizgaskolbenmaschinen dieser Art sind z. B. veröffentlicht in der DT-AS 12 29 338.

Bei all diesen Vorrichtungen ist mindestens ein Kolben vorhanden, der das Volumen eines ein Arbeitsmittel enthaltenden Raums ändern kann. Je nachdem die Druckänderungen gegenüber den Bewegungen des betreffenden kolbenartigen Körpers in der Phase vor- oder nacheilen, handelt es sich um einen Kompressionsraum (der Kolben gibt Energie an das Mittel ab) oder um einen Expansionsraum (der Kolben entzieht dem Mittel Energie). Sind die Druckänderungen genau gleichphasig mit den Bewegungen des Kolbens, so wird dem Mittel Energie weder zugeführt noch entzogen. Die dabei auftretenden Drücke üben aber Kräfte auf den Kolben und die Lager aus, so daß mechanische Verluste auftreten.

Druckänderungen, die eine Phasendifferenz gegenüber der Kolbenbewegung aufweisen, lassen sich in mit den Kolbenbewegungen gleichphasige und in gegenüber den Kolbenbewegungen um 90° phasenverschobene Druckänderungen zerlegen. Am Nutzteil des Kompressions- oder Expansionsvorgangs nehmen nur diejenigen Druckänderungen teil, die gegenüber der Kolbenbewegung um 90° phasenverschoben sind. Die mit den Kolbenbewegungen gleichphasigen Druckänderungen geben keine Energie an den Kolben ab bzw. entziehen ihm keine Energie und sind somit nicht nützlich an der Expansion oder Kompression beteiligt. Diese Druckänderungen üben jedoch Kräfte auf die Kolben und die Lager aus und tragen mithin nicht unerheblich zu den mechanischen Verlusten bei.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung der angegebenen Art zu schaffen, wobei die mit den Kolbenbewegungen gleichphasigen Druckänderungen kompensiert sind, so daß eine erhebliche Erniedrigung der mechanischen Verluste bekommen wird.

Die Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder der kolbenartigen Körper eine solche Masse, eine solche Hubzahl und einen solchen Hub aufweist, daß die im Betrieb auftretenden Massenträgheitskräfte wenigstens nahezu gleich demjenigen Teil der Druckänderungen sind, der gleichphasig mit den Bewegungen des betreffenden kolbenartigen Körpers ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichen die Massenträgheitskräfte, die sich ebenfalls gleichphasig mit den Kolbenbewegungen ändern, aber den Druckänderungen entgegengesetzt gerichtet sind, diese letzteren aus, so daß auf das Triebwerk nur diejenigen Kräfte einwirken, die den Nutzteil des Kompressions- bzw. Expansionsvorgangs bilden und somit zum Antrieb weitergeleitet werden müssen. In dieser Weise ergibt sich eine Vorrichtung, bei der mechanische Verluste infolge sogenannter blinder Kräfte (unnützer Kräfte) nahezu nicht auftreten. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung erheblich verbessert.

Die vorliegende Erfindung ist besonders wichtig für Heißgaskolbenmaschinen. Dies sind Maschinen, die einen oder mehrere Kompressionsräume enthalten, dessen bzw. deren Volumen durch einen kolbenartigen Körper geändert werden kann und dem bzw. denen Wärme entzogen werden kann, sowie einen oder mehrere Expansionsräume, dessen bzw. deren Volumen gleichfalls durch einen kolbenartigen Körper geändert werden kann und dem bzw. denen Wärme zugeführt werden kann. Dabei weisen die Kompressions- und Expansionsräume im Betrieb untereinander verschiedene mittlere Temperaturen auf, während sie über einen Regenerator, durch den ein Arbeitsmittel zwischen ihnen hin- und herströmen kann, miteinander in Verbindung stehen. Die Druckänderungen in den erwähnten Räumen haben einen Phasenunterschied gegenüber den Bewegungen der erwähnten kolbenförmigen Körper. Ein Teil dieser Druckänderungen ist dabei gleichphasig mit den Bewegungen der kolbenförmigen Körper und ist somit nicht nützlich am Kompressions- bzw. Expansionsvorgang beteiligt. Diese Druckänderungen verursachen mechanische Verluste und verringern mithin den Gesamtwirkungsgrad dieser Maschinen. Je näher die im Kompressions- und Expansionsraum herrschenden Temperaturen beieinander liegen, um so größer wird der Teil der Druckänderungen, der mit den Kolbenbewegungen gleichphasig ist, d. h., um so höher werden die mechanischen Verluste. Dies ist eine der Ursachen, durch die Kaltgaskältemaschinen bisher nur bei Temperaturen, die weit, z. B. um 200⁰C, unter der Kühlwassertemperatur liegen, zur Kälteerzeugung benutzt werden konnten. Bei sich weniger von der Kühlwassertemperatur unterscheidenden Temperaturen sank unter anderem infolge der erwähnten mechanischen Verluste, die durch den mit der Kolbenbewegung gleichphasigen Teil der Druckänderungen herbeigeführt werden, der Wirkungsgrad so stark ab, daß keine Kälte mehr erzeugt wurde. Durch die Verringerung der mechanischen Verluste mit Hilfe einer derartigen Bemessung der Masse, des Hubs und der Hubzahl der Kolben, daß die Massenträgheitskräfte die mit den Kolbenbewegungen gleichphasigen Druckänderungen ausgleichen, kann nunmehr die Heißgaskolbenmaschine auch bei kleineren Temperaturunterschieden zwischen dem Kompressions- und Expansionsraum mit sehr gutem Wirkungsgrad arbeiten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der

16 Ol

Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Heißgaskältemaschine vom Verdrängertyp,

F i g. 2 schematisch eine Zweikolbenkaltgaskältemaschine.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Kaltgaskältemaschine vom Verdrängertyp. Diese Maschine enthält einen Kolben 11 und einen Verdränger 12, die über eine Kolbenstange 13 bzw. eine Verdrängerstange 14 mit einem Triebwerk verbunden sind. Zwischen dem Kolben und dem Verdränger befindet sich ein wärmerer Raum 15, während sich über dem Verdränger ein kälterer Raum 16 befindet. Die Räume 15 und 16 stehen über einen Kühler 17, einen Regenerator 18 und einen Gefrierer 19 miteinander in Verbindung. Das nicht dargestellte Triebwerk bewegt den Kolben 11 und den Verdränger 12 mit einem derartigen gegenseitigen Phasenunterschied, daß eine Kompression des Arbeitsmittels dann erfolgt, wenn dieses sich im wesentlichen im wärmeren (gekühlten) Raum 15 befindet, während eine Expansion des Arbeitsmittels erfolgt, wenn dieses sich im wesentlichen im kälteren Raum 16 befindet. Infolgedessen eilen die Druckänderungen des Mittels in der Phase gegenüber den Bewegungen des Kolbens 11 vor. Diese Druckänderungen lassen sich in einen Teil, der gleichphasig mit den Bewegungen des Kolbens 11 ist. und in einen Teil, der gegenüber den Bewegungen des Kolbens 11 um 90° voreilt, zerlegen. Die Masse und der Hub des Kolbens 11 sowie die Hubzahl sind so gewählt, daß die Massenträgheitskräfte des Kolbens 11 gerade den mit der Kolbenbewegung gleichphasigen Teil des Drucks ausgleichen. Auf diese Weise ergibt sich eine Kaltgaskältemaschine mit sehr geringen mechanischen Verlusten.

Die Bauart nach F i g. 1 kann auch als Heißgasmotor arbeiten, wobei einem Wärmeaustauscher 19 Wärme auf einem höheren Temperaturniveau zugeführt wird. Dabei weist der Raum 16 eine höhere Temperatur auf als der Raum 15. Dies bedeutet, daß in diesem Fall die Expansion bei einer höheren Temperatur stattfindet als die Kompression. Dies hat zur Folge, daß die Druckänderungen des Mittels in der Phase gegenüber den Bewegungen des Kolbens 11 nacheilen. Diese Druckänderungen lassen sich wiederum in Druckänderungen, die um 90° gegenüber der Kolbenbewegung nacheilen, und in mit der Kolbenbewegung gleichphasige Druckänderungen zerlegen. Die letzteren werden wiederum durch die Massenträgheitskräfte des Kolbens 11 ausgeglichen.

F i g. 2 zeigt eine Kaltgaskältemaschine vom Zweikolbentyp. Diese Maschine enthält einen Kompressionskolben 31 und einen Expansionskolben 32, die über Kolbenstangen 33 bzw. 34 mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden sind. Zwischen diesen beiden Kolben befinden sich der Kompressionsraum 35, der Kühler 36, der Regenerator 37, der Gefrierer 38 und der Expansionsraum 39.

Die Kolben 31 und 32 werden derart bewegt, daß eine Kompression des Arbeitsmittels erfolgt, wenn dieses Mittel sich im wesentlichen im gekühlten Kompressionsraum 35 befindet, während eine Expansion erfolgt, wenn das Mittel sich im wesentlichen im kälteren Expansionsraum 39 befindet. Dabei eilen die Druckänderungen in der Phase gegenüber den Bewegungen des Kompressionskolbens 31 vor und gegenüber den Bewegungen des Expansionskolbens 32 nach. Für beide Kolben kann der Druck wiederum in einen Teil, der gegenüber den Kolbenbewegungen um 90° in der Phase voreilt bzw. nacheilt, und einen Teil, der sich gleichphasig mit den Kolbenbewegungen ändert, zerlegt werden. Die Masse, der Hub und die Hubzahl der Kolben 31 und 32 sind auch hier so gewählt, daß die im Betrieb auftretenden Massenträgheitskräfte, die selbstverständlich den Druckkräften entgegengesetzt gerichtet sind, die mit den Kolbenbewegungen gleichphasigen Druckänderungen gerade ausgleichen.

Aus Vorstehendem dürfte einleuchten, daß die Erfindung einen Verdichter, eine Heißgaskolbenmaschine, usw. schafft, bei denen die mechanischen Verluste in überraschend origineller Weise verringert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

16 Ol

Patentanspruch:

Vorrichtung, insbesondere Heißgaskolbenmaschine, die einen oder mehrere kolbenartige Körper enthält, die je das Volumen eines Raums ändern können, in dem sich ein Arbeitsmittel befindet, wobei die in jedem dieser Räume auftretenden Druckänderungen gegenüber den Bewegungen des betreffenden kolbenartigen Körpers eine Phasenver-Schiebung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der kolbenartigen Körper eine solche Masse, eine solche Hubzahl und einen solchen Hub aufweist, daß die im Betrieb auftretenden Massenträgheitskräfte wenigstens nahezu gleich demjenigen Teil der Druckänderungen sind, der gleichphasig mit den Bewegungen des betreffenden kolbenartigen Körpers ist.