DE1601468C3 - Vorrichtung, insbesondere HeiBgaskolbenmaschine, mit einem oder mehreren kolbenartfgen Körpern zum Ändern des Volumens eines Raumes - Google Patents
Vorrichtung, insbesondere HeiBgaskolbenmaschine, mit einem oder mehreren kolbenartfgen Körpern zum Ändern des Volumens eines RaumesInfo
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Description
Die Erfindung betriff! 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 weitergclcitct 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 Heißgaskolbenmaschincn. Dies sind Maschinen, die
einen oder mehrere Kompressionsräumc 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 koibenartigen 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 200°C. 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
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 schematisch eine Heißgaskältemaschine vom Verdrängertyp,
Fig.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
koibenartigen Körpers ist.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NL6701140A NL6701140A (de) | 1967-01-25 | 1967-01-25 | |
NL6701140 | 1967-01-25 | ||
DEN0031832 | 1967-12-20 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1601468A1 DE1601468A1 (de) | 1971-01-07 |
DE1601468B2 DE1601468B2 (de) | 1976-04-08 |
DE1601468C3 true DE1601468C3 (de) | 1976-11-25 |
Family
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