DE2109891B2 - Thermodynamische Maschine als Kältemaschine oder Wärmemotor - Google Patents

Description

denn je, und der StirlingrruMor bzw. ganz allgemein Sekundärkammer strömen, deren Volumen nun zu-

die Heißgasmotoren könnten die Lösung des Pro- nimmt. Dieser Gasaustausch zwischen der Primär-

blems darstellen, wenn ihre Praktikabilität erhöht und der Sekundärkammer erfolgt auf nahezu rever-

werden könnte. siblc Weise, und zwar auf Grund der sehr wichtigen

Die genannten Probleme werden jedoch auch 5 Tatsache, daß das Überströmen in die Sekundärnicht durch bekannte thermodynamische Maschinen kammer dann eingeleitet wird, wenn das Volumen der eingangs genannten Art (USA.-Patentschriften dieser Kammer Null (idealer Fall) oder klein ist und 3 174 276 und 3 138918) gelöst, die einen sehr daher keine oder eine nur sehr kleine irreversible schlechten Wirkungsgrad aufweisen. Das hatte zur freie Expansion stattfindet. Bei dem folgenden Vor-Folge, daß die entsprechenden Motoren niemals zur io wärtshub wird das in der Sekundärkammer entpraktischen Anwendung gelangten. Hinzu kommt, haltene Arbeitsgas wieder verdichtet, und zwar auf daß die bei diesen Maschinen vorgesehenen Ventile das Druckniveau des Gases in der Sammelkammer auf der warmen Seite des Motors angeordnet sind. (geschlossener Kreislauf) oder auf einen zum Aussto-Dies führt zu nicht beherrschbaren praktischen Ben geeigneten Druckwert (offener Kreislauf). Das Schwierigkeiten, da das warme Gas Temperaturen 15 wieder verdichtete Arbeitsgas verläßt die Sekundäraufweist, die mindestens 500° C übersieigen und kammer durch ein Ausströmventil und strömt in die deswegen erforderlich sind, um eine einigermaßen Sammelkammer oder — im Fall des offenen Kreisgute Wärmemaschine zu erhalten. Weiterhin arbeitet laufs — in die Atmosphäre. Bei geschlossenem Kreisaber auch die zuletzt genannte thermodynamische lauf wird das Arbeitsgas in der Sammelkammer vorMaschine als Kältemaschine äußerst scnlecht. 20 zugsweise auf die ursprüngliche Temperatur gekühlt,

Ähnliche Nachteile ergeben sich auch bei einem so daß es einen neuen Arbeitszyklus durchlaufen

weiteren bekannten Wärmemotor (USA.-Patentschrift kann.

3 472 037), bei dem zwischen den beiden vorges>ehe- Beim Gasaustausch zwischen der Primär- und der nen Hauptkammern beidseits des Kolbens, das heißt Sekundärkammer soll der Gasdruck niedriger als beidseits des Hauptkolbens kein Druckunterschied 25 bei der Beaufschlagung der Primärkammer sein, um erzielt werden kann, weil bei dieser Vorrichtung den richtigen thermodynamischen Kreislauf zu erunter anderem zwei voneinander getrennte Kolben zielen. Dies kann durch geeignete Wahl des Quervorgesehen sind. Dies führt ebenfalls dazu, daß solch Schnittsverhältnisses der Primär- und Sekundärkameine Vorrichtung praktisch nicht sowohl als Kälte- mer und/oder durch entsprechende Wahl der Dauer, maschine als auch als Wärmemotor verwendbar ist. 30 während der das Arbeitsgas bei dem Vorwärtshub

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in die Primärkammer einströmt, erreicht werden,

die genannten Nachteile zu beseitigen und eine Wenn Arbeitsgas während des gesamten Vorwärts-

thermodynamische Maschine der eingangs genannten hubs zugeführt wird (was einen Spezialfall darstellt),

Art zu schaffen, die ein geringes Gewicht aufweist, kann ein Querschnittsverhältnis von 1 : 1 verwendet

einen einfachen mechanischen Aufbau besitzt und 35 werden. Im Fall der Kältemaschine muß ein Quer-

der geringe Herstellungskosten eigen sind. Weiterhin Schnittsverhältnis von 1 : 1 immer von einer Be-

soll die zu schaffende Maschine wenig Geräusch- endigung der Gaszufuhr während des Vorwärtshubs

entwicklung besitzen und eine geringe Umweltver- begleitet sein, zumindest in denjenigen Fällen, bei

schmutzung bei großer Umwandlungsleistung auf- denen kein Kaltgas aus der Primärkammer nach

weisen. 4° außen abgegeben wird.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe Die thermodynamischen Vorgänge bei der ergeschaffenen thermodynamischen Maschine ergeben findungsgemaßen Maschine können nur sehr schwer sich aus den Patentansprüchen. genau beschrieben werden, insbesondere deshalb,

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform weil unterschiedliche Teile des Arbeitsgases untergelangen zwei zylindrische Kammern zur Anwen- 45 schiedlichen thermodynamischen Wegen folgen, wenn dung, deren Volumina durch eine einzige hin- und der thermodynamische Prozeß beispielsweise in hergehende Kolbenanordnung oder mehrere Kolben einem Temperatur-Entropie-Schaubild dargestellt genau harmonisch oder ungefähr 180° phasenver- wird. Bei Verwendung eines einfachen Modells für ein schoben zueinander geändert werden. Das Arbeits- »Durchschnitts«-Gaselement läßt sich jedoch sehr gas wird bei Betriebsweise mit geschlossenem Kreis- 50 leicht nachweisen, daß der thermodynamische Weg lauf in einer als Gasspeicher dienenden Sammel- eine Schleife der gewünschten Art (geschlossener kammer gespeichert und strömt dann aus der Sam- Kreislauf) darstellt — mit einem berechenbaren Bemelkammer (oder bei Betriebsweise mit offenem trag mechanischer Energie, die im Fall des Motors Kreislauf aus der Atmosphäre) in die Primärkammer, abgegeben werden kann, und einer Kühlleistung im wobei es zunächst durch eine geeignete Ventilanord- 55 Fall der Kältemaschine. Bei mäßigen Gesamtdrucknung, einen thermischen Generator und schließlich Verhältnissen des Arbeitszyklus (beispielsweise bis einen Wärmetauscher (Wärme im Fall des Motors; ²Z₅) ist der berechnete thermodynamische Wirkungs-Kühlleistungswärmetauscher im Fall der Kältema- grad (für ideale Modelle) sehr hoch, was andeutet, schine) strömt. Bei Abfuhr von Kaltgas im Fall der daß die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen thermo-Kältemaschine mit offenem Kreislauf kann auf den 60 dynamischen Maschine fast derjenigen eines Carnot-Wärmetauscher verzichtet werden. Das Arbeitsgas Prozesses entspricht. Realistische Berechnungen erkann in die Primärkammer während eines vorge- geben Wirkungsgrade, die in der Tat besser als die gebenen Teils des »Vorwärtshubs«, das heißt des gewöhnlicher Stirling-Maschinen sind, und zwar ins-Saughubs der Kolbenanordnung, einströmen, bei dem besondere auf Grund der besseren Kühleigensc'naften sich das Volumen der Primärkammer vergrößert. 65 und des Fehlens eines Kiihler-»Totraums«.
Beim »Rückwärtshub« kann Arbeitsgas aus der Der erfindungsgemäße Wärmemotor mit geschlos-Primärkammer durch den Wärmetauscher, den ther- senem Kreislauf weist im übrigen folgende weitere mischen Generator und die Ventilanordnung in die Vorteile auf:

1. Die Möglichkeit, nur einen Kolben bzw. eine Kolbenanordnung im Gegensatz zu den zwei Kolben bei den gewöhnlichen Stirlingmotoren zu verwenden; dies erlaubt einen einfachen mechanischen Aufbau, geringes Gewicht und niedrige Herstellungskosten.

2. Wirkungsvollere Kühlanlage im Vergleich zu anderen Heißgasmaschinen. Da die Kühlung des Arbeitsgases in einer getrennten Schleife (in der Sammelkammer) stattfindet, können die Aufenthaltszeit eines Arbeitsgaselements in dem Kühler sowie die Wärmeübergangsfläche entsprechend groß und die Wärmeabgabeströme entsprechend klein gemacht werden, wobei unter bestimmten Umständen ein gasförmiges Kühlmittel (ζ. Β. Umgebungsluft) verwendet werden kann. Die Kühlung kann daher vollständigei sein, weswegen der thermodynamische Wirkungsgrad besser ist als bei herkömmlichen Stirlingmotoren.

3. Der getrennte Kühler bringt keinen »Totraum«- Effekt mit sich, ein Umstand, der den Wirkungsgrad des Motors weiter erhöht.

4. Es wird kein Ausgleichspuffergas benötigt — im Gegensatz zu den neuen Stirlingmotoren, bei denen Rhombusantriebseinrichtungen und höhere Drücke für das Arbeitsgas verwendet werden. Die Antriebsmittel können außerdem aus einer verhältnismäßig dünnen Kolbenstange oder einfach aus einem Kurbclmechanismus bestehen, der zwischen den beiden Kammern angeordnet ist.

5. Wenn Luft als Kühlmittel verwendet wird, kann erwärmte Luft aus dem Kühler bei der Verbrennung in der Brennkammer und der Heizvorrichtung verwendet werden. Hierdurch können Gewichts- und Herstellungskosten eingespart werden, was zum Teil daher rührt, daß diese Luft mittels einer einzigen Vorrichtung (beispielsweise einem Laufrad) sowohl durch den Kühler als auch durch die Heizvorrichtung gefördert werden kann.

6. Die Möglichkeit, den Kühler und die Sammelkammer entfernt von den Kammern anzuordnen und einen Filter in der Sammelkammer zu verwenden.

7. Einfache und wirkungsvolle Möglichkeiten der Steuerung und Regelung.

8. Bei Mehrzylinderanordnungen können ein gemeinsamer Kühler und eine gemeinsame Sammelkammer verwendet werden.

9. Es können Mehrzylinderanordnungen mit einem großen Leistungs-Gewichts-Verhältnis in mechanisch sehr einfacher Weise gebaut werden.

10. In bestimmten Anwendungsfällen kann Luft als Arbeitsgas verwendet werden. Dichtungsprobleme sind dann weniger bedeutsam, da das durch Leckage verlorene Gas einfach durch Umgebungsluft ersetzt werden kann.
Wenn die erfindungsgemäße thermodynamische Maschine als Kältemaschine mit geschlossenem oder offenem Kreislauf ausgestaltet ist, ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
1. Hoher Wirkungsgrad der Kühlanlage. Bessere Kühleigenschaften sind ausschlaggebend zur Erzielung niedriger Temperaturen und eines niedrigen Verhältnisses von Kühlleistung zu Leistungsverbrauch.

2. Weitgehend reversible Strömung. Die erfindungsgemäße Kältemaschine kann derart ausgelegt werden, daß ein Minimum an irreversibler Entropie erzeugt wird, was einen hohen Gesamtwirkungsgrad zur Folge hat.

3. Mehrstufige Betriebsweise, die mit einfachen Mitteln verwirklicht werden kann. Zur Erzielung sehr niedriger Temperaturen können zwei oder mehr Betriebsstufen verwendet werden, wobei keine zusätzlichen Ventile erforderlich sind; dies kann durch eine einfache Verlängerung der Kolbenanordnung, die einen zusätzlichen Arbeitsabschnitl bildet, erzielt werden.

4. Kältemaschinen mit offenem Kreislauf können äußerst einfach aufgebaut sein, wobei außer dem thermischen Regenerator keine Wärmetauscher erforderlich sind. Solche Vorrichtungen können als Wärmepumpen oder in Klimaanlagen Verwendung finden. Bei entsprechender Ausbildung können sie als LufUrockner oder als Vorrichtungen zum Erzeugen von Ticfsttemperaturflüssigkeiten verwendet werden. Insbesondere die Anwendung als Wärmepumpe ist von großem Interesse, da der Betriebswirkungsgrad und somit die Wirtschaftlichkeit viel besser als bei den bekannten Anlagen ist, bei denen Zweiphasenkältemaschinen ohne Wärmetauscher verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden in Form mehrerer Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des Wärmemotors, bei dem eine Verbrennung als Wärmequelle dient,

F i g. 2 ein idealisiertes Temperatur-Entropie-Schaubild für den Wärmemotor gemäß Fig. 1,

F i g. 3 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmemotors mit einer zweistufigen Wiederverdichtung,

F i g. 4 schematisch einen weiteren Wärmemotor, dessen Kurbelmechanismus nahezu vollkommen momentenausgeglichen ist und der zwischen den Arbeitskammern angeordnet ist,

F i g. 5 einen doppeltwirkenden Heißluftgasmotor mit einer oszillierenden Welle,

Fi g. 5 a den Abtrieb des Motors gemäß F i g. 5,

F i g. 6 eine Vierzylinder-Heißgasmaschine,

F i g. 7 a bis 7 d schematisch einige Möglichkeiten zum Regeln der Leistungsabgabe des erfindungsgemäßen Wärmemotors.

F i g. 8 ein idealisiertes Temperatur-Entropie-Schaubild für eine Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf,

F i g. 9 schematisch ein weiteres Ausführungsbeisniel einer Kältemaschine mit offenem Kreislauf, bei der Kaltgas nach außen abgegeben wird,

Fig. 10 eine einfache Kältemaschine mit offenem Kreislauf, bei der Kaltgas nach außen abgegeben wird,

F i g. 11 eine Kältemaschine, bei der eine Phasenverschiebung zwischen den beiden in der Primär- und in der Sekundärkammer arbeitenden Kolben vorhanden ist und die insbesondere für den Fall anwendbar ist, daß sehr viel Kaltgas nach außen abgegeben wird,

Fig. 12 eine Kältemaschine mit offenem Kreislauf, die einen ersten Gegenstromwärmetauschcr aufweist und bei der eine zweistufige Expansion ohne

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Wiederverdichtung des Arbeitsgases stattfindet, einzigen Baueinheit vereinigt sein. Von dem Wärme-Fig. 13 eine zweistufige Kühlvorrichtung und tauscher30 werden die Verbrennungsprodukte durch Fig. 14 eine dreistufige Kühlvorrichtung, eine Leitung42 in den Wärmetauscher34 zurückge-F i g. 15a einen nach dem Prinzip der Kältema- führt, wo weitere Wärme an die einströmende Luft schinc mit offenem Kreislauf arbeitenden Lufttrock- 5 abgegeben wird; die Verbrennungsprodukte werden ner, bei dem die kondensierte Flüssigkeit im thermi- schließlich durch eine Leitung 44 nach außen abgesehen Regenerator durch Zentrifugalwirkung getrennt geben. Der Gegenstromwärmetauscher 34 kann wird, und durch einen geeigneten thermischen Regenerator er-Fig. 15b bis 15 f verschiedene stationäre Re- setzt werden, beispielsweise durch einen rotierenden generationsausführungen, bei denen Gegenstromwär- io Regenerator aus Metall oder keramischem Werkmetauscher und zusätzliche Ventile verwendet werden stoff.

und die insbesondere für Lufttrockner und Wärme- Der Wärmemotor weist eine als Gasspeicher pumpen verwendbar sind, jedoch in bestimmten dienende Sammelkammer 46 auf, das heißt einen Fällen bei den anderen erfindungsgemäßen Kälte- kombinierten Sammelkammerkühler, in dem das maschinen oder Motoren mit geschlossenem oder 15 Arbeilsgas mit Hilfe eines Kühlkreislaufs gekühlt offenem Kreislauf verwendet werden können. und bei einem zweckmäßigen Arbeitsdruck gespei-Der Wärmemotor 10 gemäß Fig. 1 weist eine chert werden kann. Das flüssige oder gasförmige zylindrische Primärkammer 12 und eine zylindrische Kühlmittel tritt durch eine Leitung 48 in den Kühler Sekundärkammer 14 auf. Eine Kolbeneinheit 16 be- 46 ein und verläßt diesen durch eine Leitung 50. sitzt einen ersten und einen zweiten, von einem 20 Das Arbeitsgas tritt durch eine Leitung 52 in den Zwischenteil verbundenen zylindrischen Kolben 16 α. Kühler 46 ein und verläßt diesen durch eine Leitung 16 ft unterschiedlichen Durchmessers, wobei der erste 54. Das Volumen des Kühlers 46 ist vorzugsweise Kolben 16 α in der von einem Zylinder 18 gebildeten größer als das vom ersten Kolben 16 α in der Primär-Primärkammer 12 und der andere Kolben 16 b in kammer 12 überstrichene Volumen. Der Vorteil der von einem Zylinder 20 gebildeten Sekundär- 25 eines großen Kühlers liegt darin, daß das Arbeilsgas kammer 14 bewegbar gelagert ist. Die Kolbeneinheit eine beträchtliche Zeit im Kühler verweilt. Diese 16 ist über eine Kolbenstange 24 und eine Kurbel 26 Verweilzeit kann um ein Vielfaches größer als die mit einer drehbaren Welle 22 zur Abgabe mecha- Dauer eines Arbeitszyklus gemacht werden. Demnischer Leistung verbunden. Der Abschnitt des Zy- entsprechend kann der Wärmestrom durch den linders 20 zwischen den Kolben 16 α, 16 b wird 30 Kühler verhältnismäßig klein und der Wirkungsgrad mittels einer öffnung 20 α in der Zylinderwand auf des Kühlers entsprechend hoch sein. Wenn eine uneinem beliebigen Druckniveau, beispielsweise auf mittelbare Gaskühlung, beispielsweise mit Umgedem Außendruck, gehalten. Der Welle 22 kann auch bungsluft als Kühlmittel, verwendet wird, kann das ein Schwungrad zugeordnet werden, das mechanische vom Kühler in die Leitung 50 strömende Kühlmittel Energie speichert und die richtige Kolbenbewegung 35 unmittelbar der Leitung 32 der Heizvorrichtung selbst dann aufrechterhält, wenn vom Arbeitsgas (ohne oder mit einem bestimmten Betrag von Kühlkeine Energie an den Kolben abgegeben wird. mittelabfluß) zugeführt und im Verbrennungsprozeß Ein thermischer Regenerator 28 ist mit einem verwendet werden. Die Strömung der Kühlluft kann Wärmetauscher 30 in Reihe geschaltet, durch den mit Hilfe eines Laufrads aufrechterhalten werden, Wärme an das Arbeitsgas abgegeben wird. Der 40 das mit der rotierenden Welle 22, vorzugsweise unter Regenerator 28 kann eine Metallmatrix, gesinterter Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes, geWerkstoff, ein Bett aus Steinen, ein verdichtetes kuppelt werden kann. Der Umlauf der Kühlluft kann Metalldrahtnetz usw. oder ein Gcgenstromwärme- stattdessen auch durch Nutzbarmachung der harmotauscher mit Einwegkanälen (und zusätzlichen Ven- nischen Änderungen des Volumens zwischen den KoI-tilen, die für eine Einwegströmung in jedem Kanal 45 benlöa, 16 b im Zylinder 20 und durch die Versorgen) sein. Der Regenerator 28 dient zur kurz- Wendung eines zusätzlichen Rückschlagventils erzielt zeitigen Speicherung der Wärme des oszillierenden werden.

Arbeitsgases. Beim Wärmemotor nimmt der Re- Der Wärmemotor weist ein Dreiwegeventil 56 und generator 28 thermische Energie vom Arbeitsgas ein Zweiwegeventil 58 zur Steuerung der Strömung auf. das diu Primärkammer 12 verläßt, und gibt im 50 des Arbeitsgases auf. Diese Ventile 56, 58 können Idealfall die gleiche Menge an das Arbeitsgas ab, auch in einer einzigen Ventilanordnung vereinigt das in die Primärkammer 12 strömt. Der Regenera- oder weiter unterteilt werden, beispielsweise in drei tor 28 steht somit im Idealfall lediglich mit dem Zweiwegeventile einer geeigneten Bauart (Teller-Arbeitsgas in thermischer Berührung. ventile, Schieberventile, drehbare Ventile usw.). Die Eine Heizvorrichtung 31 weist eine Brennkammer 55 Ventilbetätigung kann in verschiedener Weise ge-36 (beispielsweise für flüssiges Petroleum) und steuert werden, am einfachsten durch Kuppeln mit Wärmetauscher 30, 34 auf. Der Heizvorrichtung 31 der rotierenden Welle 22. Die Kupplung kann auch wird Außenluft zugeführt, und zwar von einer weggelassen werden, wenn das Ventil 58 ein einfaches Leitung 32 durch den Wärmetauscher 34 (vorzugs- Rückschlagventil ist, oder kann Nocken und weise im Gegenstromprinzip) in die Brennkammer 60 NockenfolgegHeder aufweisen, v/enn das Ventil 56 36. Der Brennstoff wird der Brennkammer 36 durch aus zwei Tellerventilen besteht. Der Motor weist die eine Leitung 38 zugeführt. Die Verbrennungspro- folgende Betriebsweise auf:

dukte der Brennkammer 36 werden durch eine Lei- Es sei angenommen, daß sich ein quasistationärer tung40 dem Wärmetauscher 30 zugeführt, wo die Zustand eingestellt hat, insbesondere im Hinblick Wärme an das Arbeitsgas übertragen wird. Das 65 auf das Temperaturpronl im Regenerator 28. Die Arbeitsgas kann Helium, Wasserstoff, Luft od. dgl. rechte Seite des Regenerators 28 besitzt dann eine sein. In der Praxis können die Brennkammer 36 und Temperatur, die dicht bei der Temperatur des Aider Wärmetauscher 30 selbstverständlich in einer beitsgases im Kühler 46 liegt, und die linke Seite des

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Regenerators 28 hat eine Temperatur, die dicht bei Expansion herrühren, die der Beendigung des Ander Temperatur des Wärmetauschers 30 liegt, wobei saugvorgangs während des Vorwärtshubs folgt,
sich das Temperaturprofil dazwischen dauernd an- Wenn das Durchschnittsgaselement während des dert. Die thermische Leitung innerhalb des Re- Rückwärtshubs in die Heizvorrichtung eintritt, ergenerators 28 (von links nach rechts) sollte Vorzugs- 5 folgt eine isobare Aufheizung, vorausgesetzt, daß der weise klein im Vergleich zu dem Wärmestrom durch »Totraum« der Heizvorrichtung als klein und verden Wärmetauscher 30 sein. Der Arbeitskreislauf nachlässigbar angesehen werden kann (starke Idealikann thermodynamisch mit Hilfe der Fig. 2 be- sierung). Das Gaselcmcnt verläßt die Heizvorrichtung schrieben werden, die ein stark idealisiertes und im Punkt 72 des Temperatur-Entropie-Schaubilds, schematisiertes Temperatur-Entropic-Schaubild für io Im Regenerator 28 gibt das Arbeitsgas Wärme an ein »Durchschnittse-Gasclement darstellt, das den den Regenerator 28 ab, wie durch die Isobare 74 geschlossenen Kreislauf des Motors durchläuft. Das angedeutet, und der Kühlprozeß endet im Punkt 76 Volumen des Kühlers ist voraussetzungsgemäß am Ausgang des Regenerators 28.
wesentlich größer als das vom Kolben überstrii.!iene Bei dem betrachteten Fall, bei dem der Druck Volumen, so daß die Strömung des Gases aus dem 15 während des Gasüberströmens abnimmt, mischt sich Kühler 46 in die Primärkammer 12 bei ungefähr rins in die Sekundärkammer 14 einströmende Arkonstantem Druck erfolgt, wie durch die gerade beitsgas mit etwas kälterem Gas. Dieser M'schvor-Linie 60 (Isobare) im Schaubild gemäß Fig. 2 an- gang ist im allgemeinen von einem Gesamtzuwachs gedeutet ist. In dem Schaubild wird eine logarith- der Entropie begleitet, der jedoch klein und bei einer mische Temperaturkoordinate und eine lineare En- 20 Analyse »erster Ordnung« vernachlässigt werden tropiekoordinate verwendet. Der Austrittszustand kann. In Fig. 2 ist dieser Mischvorgang vernachdes Kühlers ist mit 62 bezeichnet. lässigt, und die weitere Expansion des Durchschnitts-

Der Zustrom des Gases in die Primärkammer 12 gaselements in der Sekundärkammer 14 ist durch wird vorzugsweise dann eingeleitet, wenn deren eine Isentrope 78 dargestellt. Der kleinste Druck des Volumen nahezu ihr Minimum erreicht hat, und 25 Kreislaufs wird im Punkt 80 erreicht, wenn das Vowird durch Betätigung des Ventils 56 (Fig. 1) er- lumen der Sekundärkammer 14 ein Maximum ist. reicht, das den Kühler 46 über den Regenerator 28 Wenn das Querschnittsverhältnis der Kammern 12, und den Wärmetauscher 30 mit der Primärkammer 14 derart gewählt wird, daß der Gasdruck während 12 verbindet. Wenn das Arbeitsgas vom Kühler 46 des Gasaustausches ansteigt, tritt der kleinste Druck durch den Regenerator 28 strömt, erhöht sich die 30 des Kreislaufs am Fnde des Vorwärtshubs für das Temperatur des Arbeitsgases durch Wärmeaufnahme, in der Primärkammer 12 befindliche Gas auf, das wobei zwischen dem Arbeitsgas und den Teilen des nach der Beendigung der Gaszuführung einer ExRegenerators 28 ein kleiner Temperaturunterschied pansion ausgesetzt war.

besteht. Das Arbeitsgas verläßt den thermodyna- Bei dem folgenden Vorwärtshub wird das Durchmischen Zustand, der in F i g. 2 dem Punkt 64 ent- 35 schnittsgaselement in der Sekundärkammer 14 komspricht. Der Zustrom des Gases in die Primärkam- primiert, und zwar längs der Linie 82 bis zum Punkt mer 12 kann beendet werden, ehe die Welle 22 eine 84, bei dem der Druck den gleichen Wert wie im Stellung erreicht hat, in der die Primärkammer 12 Kühler 46 hat. Das Ventil 58. das als gesteuertes ihr maximales Volumen besitzt. Je nach der Geo- Ventil oder als Rückschlagventil ausgebildet ist, metrie und den gewünschten Eigenschaften des 40 wird dann geöffnet, damit Arbeitsgas während des Motors kann das tnde der Gaszufuhr zwischen 25 Endabschnitts des Kolbenhubs durch die Leitung 52 und 100 ⁰Zo, vorzugsweise bei 75°/< des Arbeitshubs in den Kühler 46 strömen kann,
liegen. Hierauf wird das Ventil 56 betätigt, um die Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist das in den Strömungsverbindung zwischen dein Kühler 46 und Kühler 46 eintretende Arbeitsgas eine größere Temder Primärkammer 12 zu unterbrechen. 45 peratur (Punkt 84) als das Arbeitsgas auf, das den

Die Strömungsverbindung zwischen der Primär- Kühler 46 verläßt (Punkt 62). Das Durchschnittskammer 12 und der Sekundärkammer 14 wird mit gaselement wird längs der Isobaren 86 auf seinen Hilfe des Ventils 56 vorzugsweise dann hergestellt. ursprünglichen Zustand 62 gekühlt, und der thermowenn die Sekundärkammer 14 ihr kleinstes Volumen dynamische Kreislauf ist geschlossen. Eine, notwenhat, um eine irreversible Expansion und Strömung 50 dige Bedingung des Durchschnittsgasmodells besteht zu vermeiden. Bei dem folgenden Rückwärlshub darin, daß der Regenerator 28 die Wärmeleistung Null des Kolbens wird das Gas in der Primärkammer 12 je Arbeitszyklus an das Arbeitsgas abgibt. Bei einem zurück durch den Wärmetauscher 30 und den ther- normalen Temperatur-Entropie-Schaubild mit einer mischen Regenerator 28 in die Sekundärkammer 14 linearen Temperaturkoordinate ist daher die Fläche gefördert. Während dieses Gasaustausches ist der 55 zwischen einer Linie entsprechend der Linie 60 und Gasdruck niedriger als der durch die Linie 60 dar- der Entropiekoordinate identisch mit der Fläche gestellte Ansaugdruck. Je nach dem Querschnitts- zwischen einer Linie entsprechend der Linie 74 und verhältnis der beiden Kammern 12, 14 und dem der Entropiekoordinate, und zwar auf Grund funda-Temperaturverhältnis im thermischen Regenerator mentaler thermodynamischer Überlegungen. In solch 28 kann der Druck während des Gasaustausches 60 einem Schaubild (lineare Temperaturachse) ist die abnehmen, konstant bleiben oder sogar ansteigen. Wärmezufuhr je Masseneinheit des Durchschnitts-F i g. 2 bezieht sich auf den bevorzugten Fall mit gases in dem Wärmetauscher 30 gleich der Fläche abnehmendem Druck. Durch den Gasaustauschpro- unter der entsprechenden Linie 70 und ist im allgezeß wird dann die isentrope Expansion des Durch- meinen kleiner als die Wärme, die kurzzeitig vom schnittsgaselemcnts längs der Linie 66 bis zum Punkt 65 Generator an das Arbeitsgas abgegeben wird und 68 bewirkt, wobei sich das Gaselement immer noch der Fläche unter einer Linie 60 des modifizierten in der Primärkammer 12 befindet; die isentrope Ex- Temperatur-tntropie-Schaubilds entspricht. Hieraus pansion könnte jedoch zum Teil auch von einer ist ersichtlich, daß der Regenerator ein wichtiges

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Bauteil des erfindungsgemäßen Wärmemotors dar- zweiten Kühlers 90 findet dann während des Rückstellt, wärtshubs in der dritten Arbeitskammer 88 statt. Im

Der thermodynamische Prozeß gemäß Fig. 2 letzten Teil dieses Arbeitshubs wird das Ventil 94 stellt lediglich eine Annäherung dar, kann jedoch geöffnet und Gas von der dritten Arbeitskammer 88 gleichwohl zur Ermittlung von Betriebseigenschaften 5 in den zweiten Kühler 90 gefördert, wo das (Jas auf des Wärmemotors verwendet werden. Berechnungen seine ursprüngliche Temperatur abgekühlt wird. Das an Hand eines solchen Modells und auch an Hand stationäre Druckniveau des ersten Kühlers 46 (wie wesentlich genauerer Modelle zeigen, daß der ther- auch die Kühlung im Kühler 46) hängt von dem modynamische Wirkungsgrad der Vorrichtung in der Größenverhältnis der Kammern 14 und 88 ab. Von Tat sehr hoch und nahe dem Carnot-Wiikungsgiad io den Vorteilen der zwei- oder mehrstufigen Wiedersein kann. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn verdichtung sind zu erwähnen: Die mögliche Verdas Gesamtdruckverhältnis des Kreislaufs auf einem ringerung der Gesamtwärmemenge, die bei einem geverhältnismäßig kleinen Wert gehalten wird. Bei gebenen Gesamtdruckverhältnis des Arbeitszyklus in einem praktischen Motor sind sowohl die je Arbeits- den Kühlern abgegeben werden muß, sowie eine Zyklus angegebene Nutzleistung wie auch der Wir- 15 mögliche Erhöhung der abgegebenen Nutzleistung kungsgrad von Bedeutung. Das Gesamtdruckverhält- und des thermischen Wirkungsgrades, die von einer nis kann daher nicht in der Nähe von 1 liegen, wie geringeren erforderlichen Kompressionsarbeit herdies aus Wirkungsgradüberlcgungen zweckmäßig rührt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das wäre, sondern aus praktischen Gründen eher zwi- Drehmoment der Abtriebswelle 22 besser ausgeglischen 2 bis 8. ' 20 chen und verteüt werden kann. In der Praxis müssen

Wie aus d?m vereinfachten Modell gemäß Fi g. 2 diese Eigenschaften gegenüber der zusätzlichen ohne weiteres ersichtlich, sind die bei dem beschrie- mechanischen Kompliziertheit abgewogen werden,
benen Wärmemotor auftretenden thermodynami- Bei der aus F i g. 4 ersichtlichen abgewandelten sehen Vorgänge in allen getrennten Schritten prak- Ausführungsform des Wärmemotors ist die Abtriebstisch reversibel. Entropie erzeugende freie Expansio- 25 welle 22 zwischen der Primärkammer 12 und der nen wie auch gedrosselte Strömungen werden Sekundärkammer 14 angeordnet. Aus Einfachheitsvermieden, da sie einen ungünstigen Einfluß auf den gründen besitzen die Kammern 12, 14 und die KoI-Wirkungsgrad haben. Da der Regenerator 28, die ben 16 a, 16 b den gleichen Durchmesser, was den Heizvorrichtung und die Leitungen zwischen der konstruktiven Aufbau des Motors besonders einfach Primär- und der Sekundärkammer 12, 14 ein end- 30 macht. Ein Kegelradzahnrad 96 auf der Welle 22 liches Volumen und somit keinen vernachlässigbaren treibt ein Zahnrad 98 sowie ein weiteres Kcgelrad- »Totraum« haben, sollte die Ventilbetätigung derart zahnrad 100 an, das koaxial zum Zahnrad 96 anabgestimmt werden, daß freie Expansionen vollstän- geordnet ist und gegensinnig umläuft. Zum Drehen dig vermieden werden. Das Ventil 56 kann beispiels- der Kolbeneinheit 16 werden zwei Verbindungsstanweise die Strömungsverbindung zwischen dem Re- 35 gen 24 verwendet, die jeweils an einem der gegengenerator 28 und der Sekundärkammer 14 schließen, sinnig umlaufenden Zahnräder 96, 100 befestigt sind, ehe der Kolben bei seinem Rückwärtshub den linken An jedem der Zahnräder 96, 100 sind Gegengewichte Totpunkt erreicht hat. Der Schließpunkt kann derart 102,104 befestigt. Mit dieser Anordnung läßt sich ein gewählt werden, daß das Arbeitsgas in dem Regene- praktisch vollkommen ausgewuchteter Motor crzierator 28, der Heizvorrichtung und der Primärkammer 40 Jen, bei dem keine nennenswerten Seitenkräfte auf 12 während des letzten Teils des Rückwärtshubs auf die Kolbeneinheit 16 ausgeübt werden. Das Fehlen das Druckniveau des Kühlers 46 verdichtet wird, von Seitenkräften ist im Hinblick auf die Dichtungsworauf die Strömungsverbindiing zwischen dem Schwierigkeiten wünschenswert und erlaubt eine Kühler 46 und der Primärkammer 12 durch Betäti- gleichmäßig verteilte Abnutzung der Kolbenringe gung des Ventils 56 geöffnet wird. 45 usw.

Beim Wärmemotor gemäß F i g. 3 gelangt eine Die Ventile 56. 58 sind als drehbare Ventile aus-Wiederverdichtung in zwei Stufen mit Hilfe einer gebildet, die unmittelbar auf der Welle des Zahndriiten Arbeitskammer 88, die von der Kolbeneinheit rads 100 angeordnet sind und in ihrer Wirkungsweise 16 und dem Zylinder20 gebildet wird, zur Anwen- den Ventilen des Motors gemäß Fig. 1 entsprechen, dung. Neben der ersten Sammelkammer in Form 50 Die Ablriebslcistung wird bei dieser Art von Motor eines Kühlers 46 kann eine zweite Sammelkammer in während der ersten Hälfte des Vorwärtshubs abForm eines Kühlers 90 verwendet werden, der bei gegeben. Der Motor wird daher vorzugsweise mit einem höheren Druckniveau arbeitet. Es werden einem Schwungrad ausgerüstet, das Schwungrad wird außerdem zusätzliche Ventile verwendet, die hier als vorzugsweise an einer Zahnradwelle oder an einer Rückschlagventile 92, 94 ausgebildet sind. Es ist 55 anderen schnellaufenden Welle, die mit den urjedoch nicht erforderlich, daß diese Ventile 92, 94, spriinglichen Wellen über ein Getriebe verbunden ist, wie dargestellt, vom Gasdruck gesteuert werden, son- angebracht. Der Sammelraumkühler 46 ist nur dem sie können auch wie das Ventil 56 mit Hufe des schematisch und nicht im richtigen Größenverhältnis Winkels der Welle 22 gesteuert werden. Das Arbeits- bezüglich der Primär- und der Sekundärkammer 12, gas in der Sekundärkammer 14 wird durch das Ventil 5o 14 dargestellt.

58 bei minimalem Druckvcrlust in den Kühler 46 Bei dem Wärmemotor gemäß F i g. 5 und 5 a ist gefördert, wenn der Druck in der Sekundärkammer eine doppeltwirkende oszillierende Hauptwelle 106 14 während des Vorwärtsluibs einen vorgegebenen vorgesehen, wobei die Drehbewegung der Welle 22 Wert, (gleich dem Gasdruck im Kühler 46) erreicht mit Hilfe der Kurbel 26 und der Kolbenstange 24 hat. Während des gleichen Arbeitshubs strömt ein 65 von der oszillierenden Bewegung der Welle 106 abanderer Teil des Ärbcitsgascs aus dem Kühler 46 geleitet wird. Zwei Flügel 108 und 110 sind an der durch das Ventil 92 in die dritte Arbeitskammer 88. oszillierenden Welle 106 befestigt und bilden beweg-Die restliche Verdichtung auf das Druckniveau des bare Wände in den Arbeitskammern 112

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und 118. Sowohl die Arbeitskammern 112, 114 als der Hauptwelle 22 gilt 0 = 0 am linken Totpunkt, auch die Arbeitskammern 116, 118 bilden jeweils Gemäß Fig. 7b erfolgt die Regelung der Abtriebseinen Wärmemotor, denen ein gemeinsamer Gas- leistung des Motors durch Regeln der Menge der speicher in Form eines KüMers 46 zugeordnet ist. Gaszufuhr in die Primärkammer über eine Steuerung Der /4-Motor (Arbeitskarnmern 112, 114) und der 5 der Schaltstellung »I«. Die maximale Leistung wird B-Motor (Arbeitskammern 116, 118) besitzen jeweils hier im Fall der Kurve 128 erzielt, bei der die der eine eigene Heizvorrichtung 30 α bzw. 30 b und einen Schaltstellung »1« entsprechende Strömungsverbineigenen Regenerator 28 a bzw. 28 b. Der Flügel 108, dung bei einem bestimmten Kurbelwinkel, der kleiner der in den Primärkammern 112, 116 oszilliert, ist als 180° ist, unterbrochen wird. Wenn die Unterkürzer als der Flügel 110. Das maximale Volumen io brechung der Strömungsverbindung verzögert wird, der Primärkammern 112, 116 ist daher (wie beim wie durch die Kurve 130 angedeutet, nimmt das Ge-Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1) kleiner als das samtdruckverhältnis des Arbeitszyklus ab, und die der Sekundärkammern 114, 118. Die gesamte Win- mechanische Abtriebsleistung/Arbeitszyklus wird kelbewegung der oszillierenden Welle 106 ist auf ebenfalls kleiner. Die Verzögerung kann sich, falls weniger als 180° beschränkt. Die vier Ventile 56 α, 15 erforderlich, bis zu Kurbelwinkeln 0 > 180° er-56 b, 58 σ, 58 b können von beliebiger Bauart sein strecken.

und beispielsweise an einer rotierenden Weile, die Bei dieser Regelungsmethode stellt der Kühler 46 mit der Welle 22 in Phase ist, angebracht und in der einen »Totraum« dar, wenn die Gaszufuhr nicht entgleichen Weise wie im Fall gemäß Fig. 1 betrieben sprechend der idealen Kurve 128 in Fig. 7b beendet werden. Der doppeltwirkende Wärmemotor kann 20 wird. Der »Totraum« ist nur während eines Bruchderart ausgelegt werden, daß er während der Hälfte teils des Arbeitszyklus mit der Primärkammer 12 der Periode einer 360°-Drehung der Welle einen verbunden. Die Steuerung kann mechanisch erfolgen, positiven Betrag mechanischer Leistung an die um- beispielsweise mit Hilfe eines axial beweglichen laufende Welle 22 abgibt. Vorzugsweise wird ein dreidimensionalen Nockens, wenn ein Nocken, Schwungrad an der Abtriebswelle oder einer mit der 25 Nockenfolgeglieder und Tellerventile verwendet Abtriebswellc verbundenen Welle angebracht. werden, oder in der Weise, daß das äußere Ventil-

Bei dem aus F i g. 6 ersichtlichen Wärmemotor gehäuse eines rotierenden Ventils gedreht wird, mit einer Mehrzylinderanordnung sind vier getrennte Bei der anderen Regelmethode gemäß F i g. 7 b Arbeitszylinder 20 s bis 20 rf vorgesehen, die jeweils wird die der Schaltstellung »I« entsprechende Ströähnlich dem Motor gemäß F i g. 4 einen konstanten 30 mungsverbjndung früher als normal geschlossen, was Querschnitt besitzen. Jeder Arbeitszylinder 20 α bis durch die Linie 132 angedeutet ist. Hierbei ist der 20 d besitzt einen eigenen Regenerator 28 α bis 28 rf, Massenstrom durch den Motor im Vergleich zu der während die Heizvorrichtung 30 teilweise gemeinsam ersten Rcgelmethode kleiner, während das Gesamt- und der Kühler 46 vollständig gemeinsam für samt- druckverhältrus des Arbeitszyklus größer (und somit liehe Arbeitszylinder 20 α bis 20 rf vorgesehen ist. 35 der Wirkungsgrad etwas kleiner) ist. Der Kühler 46 ist im Absland zu den Arbeitszylin- Die aus F i g. 7 c ersichtliche zweite grundsätzliche dem 20 α bis 20 d angeordnet, ohne daß dadurch ein Methode zum Regeln der Arbeitsleistung dürfte im »Totraum«-Nachteil in Kauf genommen werden allgemeinen weniger vorteilhaft sein Die der Schaltmuß, was insbesondere bei Anwendung für Kraft- stellung »III« entsprechende Strömungsverbindung fahrzeugzwecke von Vorteil ist. Die Ventile 56, 58 40 wird normalerweise bei einem Kurbelwinkel geöffnet, des Ausführungsbeispiels gemäß F1 g. 1 s'id beim bei dem die Wiederverdichtung in der Sekundär-Ausführungsbetspicl gemäß F i g. 6 zu Dreiwege- kammer einen Grad erreicht hat. bei dem der Gasventilen 124 a bis 124 d vereinigt, die nockenge- druck gleich dem Druck im Kühler ist (Kurve 134). steuerte Tellerventile, linear bewegliche Ventile oder Dadurch, daß die der Schaltstellung »III« entsprerotierende Ventile, die von der Hauptwelle 22 an- 45 chende Strömungsverbindung verzögert geöffnet wird getrieben werden, sein können. Es werden Kegelrad- (wie beispielsweise durch die Kurve 136 angedeutet), Zahnräder 96, 98 und 100 benutzt, um einen guten kann sich in einer zweiten Arbeitskammer zusätz-Momentenausgleich und kleine Kolbenseitenkräfte licher Druck aufbauen, ehe das komprimierte Gas in zu erhalten. An der Hauptwelle 22 ist ein einziges it reversibler Weise in den Kühler 46 strömt. Die Schwungrad 126 befestigt, wobei bei zwei gegensin- 50 Folge einer solchen Verzögerung ist eine Verringenig umlaufenden Zahnrädern vorzugsweise zwei rung der abgegebenen Nutzleistung je Arbeitszyklus gegensinnig umlaufende Schwungräder verwendet sowie eine Verringerung des thcrmodvnamischen werden, um die möglicherweise starken Krdselwirkun- Wirkungsgrades, die von der Irreversibilität der gen auszuschalten. Die Arbeitskolben sind um 90° Strömung herrührt.

phasenversetzt zueinander angeordnet, und zwar in 55 Die Methode, das Öffnen der Strömungsverbin-

einer bestimmten Reihenfolge. dung »III« zu verzögern, kann selbst dann benutzt

Aus F i g. 7 a bis 7 d sind schematisch drei Mög- werden, wenn die Strömungsverbindung mit Hilfe

lichkeiten zur Regelung der Abtriebsleistung eines eines Rückschlagventils gesteuert wird. Zur Steue-Wärmemotors ersichtlich, und zwar durch Änderung run^ kann ein entsprechend ausgebildetes Rück-

der öffnungs- und Schließeigenschaften der Ventile. 60 schlagventil verwendet werden, das einen veränder-

So weist der Wärmemotor gemäß F i g. 7 a an Stelle liehen Gegendruck eines hydraulischen oder pneu-

der beiden Ventile 56, 58 gemäß F i g. 1 ein Vier- matischcn Kreises benutzt. Solch eine Rcgelungs-

wcgeventil 124 auf, dessen verschiedene Schaltstel- methode ist verhältnismäßig einfach und wird daher

lungen mit »I« (Gaszufuhr in die Primärkammer 1?.), gegenüber einer direkten mechanischen Steuerung

»II« (Gasaustausch von der Primärkammer 12 in die 65 bevorzugt.

Sekundärkammer 14) und »III« (Austritt der Strö- Die Strömungsverbindung »III« wird normaler

mung aus der Sekundärkammer 14 in den Kühler 46) weise bei 0 = 180° geschlossen, wie durch di

bezeichnet sind. Hinsichtlich des Kurbelwinkels 0 Kurve 138 in Fig. 7c gezeigt. Wenn dieses Schließe

statt dessen verzögert (wie durch die Kmve 140 dargestellt) und die Strömuagsverbinduns »II« in üblicher Weise geöffnet wirdfwird der Druckabfali des Gases in den Kammern 12. 14 wähirod des Rückwärtshubs verhindert, und Gas wird aus dem Kühler 46 durch die Leitung 52 in die Kammern 12, 14 absezosen. Diese Reselunssmethode entspricht im wesentlichen der in Ff₂. 7 b durch die Kurve 136 dargestellten und kann für bestimmte Anwenduneszwecke besonders zweckmäßi« sein. " χ*

BeiderLeistungsregelungsmethodegemäßFig.7d wild schließlich der Öffnungszeitpunkt der Strömunssverbindung »lic vom idealen Zeitpunkt (dargestclh durch die Kur« 1421 auf einen späteren Zeitpunkt (dargestellt durch die Kurve 344) verschoben. Bei dieser Reselungsmethode wird zwar auf Grund der irreversiblen Strömuns in die Sekundärkammer 14 Entropie erzeugt: die^Reselungsmethode kann jedoch dann von Vorteil sein. wenn~es darauf ankommt, den Motor rasch anzuhalten oder zu verlangsamen.

Die im folgenden beschriebenen Aasführanesbeispiele betreffen Kältemaschinen, und zwar sowohl solche mit offenem Kreislauf als auch solche mit geschlossenem Kreislauf. Es seien zunächst die thermodynamischen VorcSn_ee der Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf an Hand des Durchschnittsgasmodells erläutert. F12-8 zeiet den geschlossenen thermiodynamischen Kreislauf an Hand des Durchschnmsgasmodells (stark idealisiert). Grundsätzlich arbeiiet die Kältemaschine in der gleichen Weise wie der Motor, mit dem Unterschied jedoch, daß der Wärmetauscher 30 nun ein einfacher Kühlleistuneswärmetauscher 30 ist. dessen Temperatur niedriger als diejenige im Kühler 46 ist. und daß der Welle 22 (in Fig. 1) mechanische Energie zugeführt stan entzogen "werden muß. Die Kältemaschine eetnäß Ffg. 8 bezieht sich auf einen Fall, bei dem der Dmclt während des Gasausiausches abnimmt, das heißt, auf einen Fall, bei dem der wirksame Querschnitt der Sekundärkammer mindestens so groß wie der der Primärkammer ist. ~

Das Durchschnittsgaselemem verläßt de« Kühler 46 (bei einer Anordnung gemäß Fig. 1) in einem therniodynaroischen Zustand, der durch den Punkt 146 (Fig. 8) angedeutet wird. Das Arbeitsgas strömt danadi durch den thermischen Regenerator (gewohnlicher thermischer Regenerator oder Gegenstromwärmetauscher mit zwei Einwegkanälen) längs der Linie 148 konstanten Drucks zu einem Punkt 150. der im IdealfaJi die Temperatur des Kühlleistungswärmetauschers 30 hat In der Primärkammer 12~ wird das Gaselement während des Rückwärtshubs adiabatisch bis zum Punkt 154 expandiert. wie durch die Linie 152 angedeutet. Das Durchschnittsgaselement kehrt dann durch den Kühlleistungswärmetauscher 30. in dem die Abgabe der Kühlleistung gemäß Linie 156 ertoiet. zu dem Punkt 158 zurück, der die gleiche Temperatur wie der Punkt 150 hat. Die der Kühlleistung entsprechende Wärmemenge, die von dem Gaselement Ma>seneinheit aufgenommen wird, wird durch die Flache unter der Linie 156 in einem Temperatur-Entronie-Schaubild mit linearer Temperaturkoordinate dargestellt (in Fig. 8 wird eine logarithmische Temperaturkoordinate \envendet}. Das Gaselement strömt dann durch den Regenerator 28 weiter zurück und wird dann von diesem auf den Punkt 160 erhitzt, der in dieser idealisierten Betrachtung die Temperatur des den Kühler 46 verlassenden Gases hat

Ehe der Rückwärtshub beendet wird, erfährt das Durchschnittsgaselement eine zusätzliche Expansion länas einer Isotrope 162 zu dem Punkt 164, der den niedrigsten Druck dieses idealen Kreislaufs hat. Die Wiederverdichtung erfoigt im Idealfall längs der Linie 166 zum Punkt 168, dessen Druck mit dem Druck des Punktes 146 identisch ist. Das Gaselement wird schließlich im Kühler längs der Isobare bis zum Punkt 146 gekühlt, und der thennodynamische Kreislauf ist geschlossen.

Bei dem idealisierten Kältemaschinenmodell gemäß Fig. 8 wird die Kühlleistung in einem getrennten Wärmetauscher 30 aufgebracht. In der Praxis ist selbstverständlich kein derartiger getrennter Wärmetauscher erforderlich, und die Kühlleistung kann beispielsweise unmittelbar an die Wände der Primärkammer oder an andere Wännciaüschflächen. mit denen das Arbeitsgas in Berührung ist, abgegeben werden. Dasselbe trifft zu für die Wärmeabgabe im Kühler. Ein Teil der Wärmeabgabe oder die gesamte Wärmeabgabe könnse in einem Wärmetauscher erfolgen, der in der Sekundärkammer oder in der Ga,-leitum? rechts von dem thermischen Generator ;.nseordnet ist; die Wärmeabgabe kann jedoch auch einfach durch Kühlen der Wände der Sekundarkammer erfolgen. Aus bereits erwähnten Gründen wird der größere Teil des Kühlers jedoch im Fa!! d:- geschlossenen Kreislaufs vorzugsweise in der Sarr.-melkammer angeordnet.

Fig. 9 zeigt eine Kältemaschine mit offc-reir, Kreislauf ohne Kühlleistungswärmetauscher. bei d;~ Kaltgas nach außen abgegeben wird. Diese Kämmaschine ist besonders geeignet zum Kühler. ;;>,« geschlossenen Gasvolumens (Luft) und gibt c ; absorbierte Wanne dieses Gasvolumens an ein G> sb. das sich außerhalb des eingeschlossenen Voiu-.-.r.s befindet (die Umgebungsluft). Es sei angenojnmer.. daß das eingeschlossene Volumen ein Gas enthalt. das wesentlich kälter als die Umgebungsluft ist. Zur Eirzielung eines optimalen Wirkungsgrades ist die Kältemaschine mit zwei thermischen Regeneratoren 21t und 170, einem an dem eingeschlossenen Volumen ange<^hlossenen Einlaß 172 zrum Zuführen von »kaltem« Gas, einem mit der Atmosphäre verbundenen Einlaß 174 zum Zuführen von »warmem c Gas, einem mit dem eingeschlossenen Volumen verbundenen Auslaß 176 zum Abführen von »kälterem* Gas und einem mit der Atmosphäre verbundenen Auslaß 178 zum Abführen »wärmeren« Gases versehen. Die notwendigen Ventile sind hier als fünf Zweiweseventile 180. 182, 184. 186 und 190 ausgebildet.

Die Kältemaschine mit offenem Kreislauf gemäß F i g. 9 kann beispielsweise auf folgende Art betrieben werden:

Während des ersten Teils des Vorwärtshubs wird das Ventil 182 offengehalten, damit »kaltes« Gas durch den Regenerator 28 in die Primärkammer 12 strömen kann. Die rechte Seite des Regenerators 28 besitzt eine Temperatur, die im Idealfall in der Nähe der Einlaßtemperatur des Einlasses 172 liegt. Während eines späteren Teils des Vorwärtshubs wire dann »warmes« Gas aus dem Cinlaß 174 durch dai Ventil 184 und die beiden Regeneratoren in die Pri märkammer 12 geleitet Die rechte Seite des Regcne raiors 170 besitzt im stationären Zustand eine Tem perauir. die im Idealfall in der Nähe der Temperatu;

ies Gases in dem Einlaß 174 liegt. Die Zuführung /on Gas durch den Einlaß 174 kann zu einem beiebigen Zeitpunkt des Vorwärtshubs, beispielsweise am Ende des Vorwärtshubs, beendet werden. In diesem Fall muß die wirksame Fläche der Sekundärkammer 14 größer als die der Primärkammer 12 sein. Wenn die Primärkammer 12 und die Sekundärkammer 14 aus einem einzigen Zylinder konstanten Durchmessers bestehen, muß die Gaszufuhr durch den Einlaß 174 beendet werden, ehe der Kolben seinen Vorwärtshub beendet hat. Während des Rückwärtshubs wird »noch kälteres« Gas durch das Ventil 180 dem Auslaß 176 zugeführt, worauf der Gasaustausch mit Hilfe des restlichen Gases zwischen der Primärkammer 12 und der Sekundärkammer 14 über das Ventil 190 erfolgt. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Gasaustausch während des Rückwärtshubs, ehe Gas durch den Auslaß 176 abgeführt wird, stattfinden, wodurch Cx Entropiezunahme geringer und der «hermodynamische Gesamtwirkungsgrad besser werden.

Das kalte Gas, das durch das Ventil 180 nach außen abgegeben wird, besitzt eine geringere Temperatur auf Grund des von rechts nach links fallenden Temperaturprofils im Regenerator 28. Die Menge des nach außen abgegebenen Gases wird durch das Ventil 180 gesteuert und sollte mit der Menge des Gases, das durch den Einlaß 172 zugeführt wird, identisch sein.

Wenn die Abfuhr des kalten Gases stattfinde'., ehe der Gasaustausch während des Rückwärtshubs erfolgt, sollte das Ventil 190 nicht geöffnet werden, bis das Ventil 180 geschlossen ist. Wenn während des Ahlossens des kalten Gases kein Gas durch das Ventil 186 in die Sekundärkammer 14 zurückströmen kann, findet eine freie Expansion bei geöffnetem Ventil 190 statt, die einen ungünstigen Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad der Kältemaschine hat. Aus diesem Grund sollte ein solches Rückströmen vermieden werden.

Während des Vorwärtshubs wird das Ventil 186 geöffnet, sobald der Gasdruck in der Sekundärkammer 14 das Druckniveau der Umgebung erreicht hat, und das »wärmere« Gas wird durch den Auslaß 178 abgeführt. Das Ventil 186 kann ein einfaches Rückschlagventil sein, wenn kein Rückströmen in der oben erwähnten Weise erwünscht ist.

Bei dieser Art von Kältemaschine, bei der ein intermittierender Strom von Kaltgas ohne die Verwendung von Kühlleistungswärmetauschcrn abgeführt wird, muß die Kühlleistung offensichtlich von den Regeneratoren aufgebracht werden. Bei der Kältemaschine gemäß Fig. 10 wird die Kühlleistung von dem Regenerator 28 aufgebracht, und Gas aus der Atmosphäre wird in dem Arbeitszyklus dazu verwendet, das gewünschte fallende Temperaturprofil im Regenerator 28 zum Kühlen des »kalten« Gases aufrechtzuerhalten und die Wärme sowie die in Wärme umgewandelte mechanische Leistung der Antriebswelle an die Atmosphäre abzugeben.

Die Kältemaschine mit offenem Kreislauf gemäß Fig. 10 weist einen einfacheren konstruktiven Aufbau als diejenige gemäß F i g.⁽) auf und besitzt nur einen Regenerator 28, einen F.inlaß 174, einen Auslaß 176 zur Abfuhr von »kaltem« Gas sowie einen Auslaß 178 zur Abfuhr von ^warmem« Gas. Die Ventile 184, 190 gemäß Fig. 9 sind durch ein einfaches Dreiwegeventil 192 ersetzt, dessen Betriebsweise ähnlich der des Ventils 56 gemäß F i g. 1 ist.

Gemäß einer der möglichen Betriebsweisen, bei der das Querschnittsverhältnis der Arbeitskammern beliebig sein kann, wird die Zufuhr von Gas durch den Eivilaß 174 beendet, ehe der Vorwärtshub seinen Endpunkt erreicht hat. Während des Rückwärtshubs erfolgt der Gasaustausch über das Ventil 192, worauf das Gas in der Primärkammer 12 wiederverdichtet wird. Danach wird kaltes Gas durch den Auslaß

ίο 176 abgeführt, wenn das Druckniveau in der Primärkammer 12 den gewünschten Wert erreicht hat.

Bei der Kältemaschine gemäß Fig. 10 findet die Wiederverdichtung in der Sekundärkammer 14 statt, wobei das Gas anschließend durch das Ventil 186 entlüftet wird. Die Kühlleistung wird am thermischen Regenerator abgenommen.

Bei einer anderen Betriebsweise der Kältemaschine gemäß Fig. 10 kann das kai te Gas vor dem Gasaustausch abgeführt werden. Hierbei sollte nach der Zufuhr des Gases während des Vorwärtshubs zunächst keine Expansion erfolgen; die Sekundärkammer muß daher einen größeren Querschnitt haben, damit während des Gasaustausches ein Druckabfall erfolgt.

Damit (beispielsweise bei der Anordnung gemäß Fig. 10) während des Rückwärtshubs keine Aufteilung in eine »Gasaustauschströmung« und eine »Kaltgasablaßströmung« erfolgt, kann eine getrennte Kaltgasspeicherkammer verwendet werden. Solch eine Kammer wird während des Vorwärtshubs gefüllt und während des Rückwärtshubs geleert. Mit Hilfe eines Rückschlagventils kann verhindert werden, daß aus dieser zusätzlichen Kammer während des Rückwärtshubs (bei abnehmendem Druck in den beiden Kammern) Gas in die Primär- und Sekundärkammer überströmt. Die zusätzliche Kammer kann mit Hilfe einer Verlängerung des Kolbens und eines zusätzlichen Zylinders gebildet werden. Derartige Vorrichtungen werden an Hand der Fig. 13 erläutert.

Die Kältemaschine mit offenem Kreislauf gemäß Fig. 11 ähnelt derjenigen gemäß Fig. 10, mit dem grundsätzlichen Unterschied jedoch, daß der Kolben in zwei Teile unterteilt ist, deren Bewegung phasenverschoben erfolgt. Dies wird durch zwei Kurbeln 26 erreicht, die jeweils eigene Verbindungsstangen 24 aufweisen. Der Teil des Kolbens, der in der Primärkammer 12 hin- und hergeht, hat einen Vorlauf gegenüber dem Kolben der Sekundärkammer Ϊ4. Bei dieser Vorrichtung kann das Ablassen von ka'tlem Gas durch das Ventil 180 während des ersten Teils des Rückwärtshubs des ersten Kolbens 16 α erfolgen und der Gasaustausch kann eingeleitet werden, wenn das Volumen der Sekundärkammer 14 ein Minimurr hat, das heißt, das Zuströmen von Gas in die Sekun· därkammer 14 wird ein reversibler Vorgang. Dei richtige Zeitpunkt, zu dem der Gasaustausch eingeleitet wird, wird durch das Ventil 192 sicherge stellt, das in üblicher Weise in Abhängigkeit voi der Winkelstellung der Welle 22 gesteuert werdei kann.

Die Kältemaschinen gemäß Fig. 10 und 11 kön ncn mittels eines komprimierten Arbeitsgases ode durch die Kombination aus komprimiertem Arbeit gas und an die Wolle 22 abgegebener mechanische Leistung angetrieben werden. Wenn keine mcchani sehe Energie an die Welle 22 abgegeben wird, win das Arbeitsgas expandiert, wenn es durch die Kälte maschine strömt, und der Auslaßdruck ist dam

kleiner als der Einlaßdrutk. Der Kurbelmechanismus der rotierenden Welle wird dann dazu benutzt, die Länge des Kolbenhubs zu steuern, die Ventile zu führen und gegebenenfalls die Verbindung mit einem Schwungrad herzustellen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 stellt eine von einem komprimierten Arbeitsgas angetriebene Kältemaschine mit offenem Kreislauf dar, bei der die Kühlleistung an einem Wärmetauscher abgenommen wird und eine zweistufige Expansion An-Wendung findet. Der Einlaßdruck in der Einlaßleitung 194 ist größer als der Auslaßdruck in der Auslaßleitung 196, der hier zur Atmosphäre führt. Der Welle 22 wird keine mechanische Energie zugeführt; statt dessen kann mechanische Energie an der Welle abgenommen oder in beliebiger Weise abgeführt werden. Ein Gegenstromwärmetauscher 198, in dem das zuströmende Gas (Einlaßleitung 194) Wärme an das abströmende Gas (Auslaßleitung 196) abgibt, wird dazu benutzt, das einströrrtende Gas zunächst zu kühlen. Die Kühlleistung wird am Wärmetauscher 30 abgenommen. Eine dritte Arbeitskammer 200 dient dazu, den zweiten Expansionsschritt während des Gasauitausches zwischen der Sekundärkammer 14 und dieser dritten Arbeitskammer 200 durchzuführen. Der wirksame Querschnitt der Stirnfläche des Kolbens 16 b in der dritten Arbeitskammer 200 ist daher größer als in der Sekundärkammer 14. Ein zusätzliches Ventil 202 (beispielsweise gesteuert in Abhängigkeit \on der Winkelstellung der Welle 22) dient dazu, die Gasaustauschströmung in die dritte Arbeitskammer 200 zu steuern. Die Geometrie der Kältemaschine wird vorzugsweise derart gewählt, daß der Gasdruck in der dritten Arbeitskammer 200 identisch mit dem Außendruck (dem Druck in der Auslaßleitung 196) ist, wenn das Überströmen in die dritte Arbeitskammer 200 beendet ist.

Wie be» den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen weist auch der Regenerator gemäß Fi g. 12 von rechts nach links ein abfallendes Temperatur- *o profil auf. das derart aufgebaut und aufrechterhalten wird, daß der Gasdruck während des Gasaustausches niedriger ist als während der Betriebsperiode, in der Gas der Primärkammer zugeführt wird. Grundsätzlich erfolgt die Kühlung bei dieser Kältemaschine in zwei Schritten, und zwar zuerst in dem Gegenstromwärmetauscher 198 und anschließend in dem Regenerator 28. Das abfallende Temperaturpron! im Wärmetauscher 198 (in der Bewegungsrichtung des einströmenden Gases) wird mit Hilfe des Gases aufrechterhalten, das nach der adiabatischen Expansion während des zweiten Überströmvorgangs von der Sekundärkammer 14 in die dritte Arbeitskammer 200 gekühlt wird. Die Funktion des Ventils 202 besteht darin, während des Vorwärtshubs des Kolbens eine Strömungsverbindung zwischen der Sekundärkammer 14 und der dritten Arbeitskammer 200 herzustellen. Das Ventil 58 dient dazu, die dritte Arbeitskammer 200 während des Rückwärtshubs mit der Auslaßleitung 196 zu verbinden.

Die durchschnittliche Verweilzeit des Gases in der Kältemaschine gemäß Fig. 12 entspricht nahezu zwei vollständigen Kolbenzyklen: während des ersten Vorwänshubs wird der Primärkammer 12 Gas zugefünrt; während des ersten Rückwärtshubs strömt Gas in die Sekundärkammer 14 über; während des zweiten Vorwärtshubs strömt Gas in die dritte Arbeitskammer 200 über; während des zweiten Rückwärtshubs schließlich wird die dritte Arbeitskammer 200 durch die Auslaßleitung 196 entlüftet.

Die Kältemaschine gemäß Fig. 12 kann in vielfacher Weise abgewandelt werden. Eine Abwandlungsmöglichkeit besteht darin, sowohl den Wärmetauscher 30 als auch den Regenerator 28 wegzulassen, jedoch ein zusätzliches Ventil vorzusehen, mit dem das Ablassen von kaltem Gas aus der Primärkammer 12 gesteuert werden kann. Die Kühlung würde in solch einer Kältemaschine nur in einem Schritt erfolgen, und zwar während des Übeirströmens des Gases von der Sekundärkammer 14 in die dritte Arbeitskammer 200, und die Primärkammer 12 würde zum Fördern von kaltem Gas verwendet werden. Die Betriebsweise solch einer Kältemaschine würde die folgenden Schritte enthalten:

Während des ersten Vorwärtshubs wird die Primärkammer 12 mit Gas gefüllt; während des ersten Rückwärtshubs wird die Sekundärkammer 14 von der Einlaßleitung 194 mit Hilfe des Ventils 56 (da» nun eine andere Funktion hat) gefüllt; während des gleichen Kolbenhubs wird kaltes Gas aus der Primärkammer 12 durch das oben erwähnte zusätzliche Ventil nach außen abgegeben; während des zweiten Vorwärtshubs strömt Gas bei abnehmendem Druck von der Sekundärkammer 14 in die dritte Arbeitskammer 200 (mit Hilfe des Ventils 202); während des gleichen Arbeitshubs wird die Primärkammer 12 erneut gefüllt; während des zweiten R.ickwärtshubs schließlich wird die dritte Arbeitskammer 200 durch die Auslaßleitung 196 entlüftet. Da diese Kältemaschine nach Beendigung des Rückwärtshubs mit dem gesamten Gasdruck der DruckqueH.e in der Sekundärkammer 14 arbeitet, sollte das Druckverhältnis dieser Vorrichtung kleiner als das. der zuver beschriebenen Vorrichtung sein; eine andere Möglichkeit besteht darin, die Zufuhr von Gas aus der Einlaßleitung 194 in die Sekundärkammer 14 zu beenden, ehe der Rückwärtshub seinen Totpunkt erreicht hat.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 zeigt eine Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf, zwei-| stufiger Kühlung und drei Arbeitskammern. Bei die sem Ausführungsbeispiel werden zwei Regeneratore 28 und 204 verwendet, und es ist eine zusätzlich· Primärkammer 206 vorgesehen, die von dem sie hin- und herbewegenden Kolben und einem Zylinde 207 gebildet wird und deren wirksamer Querschnit gröBer als der des Zylinders 209 ist, der die »kalte« Primärkammer 12 bildet.

Die Primärkammem 12 und 206 können auch au dem gleichen Zylinder konstanten Durchmessers her gestellt, und es können die entsprechenden Kolbe ebenfalls mit dem gleichen Durchmesser versehe werden, was den mechanischen Aufbau der Vorrichl tung wesentlich vereinfacht. Die Betriebsweise ein solchen Vorrichtung erfordert, daß die Zufuhr vo. Gas in die Primärkammer 12 vor dem Ende des Vo wärtshubs beendet wird, und sie ist ferner durc einen Druckanstieg während des Überströmens in di Sekundärkammer 14 gekennzeichnet.

Bei einer Betrachtung dieser Kältemaschine kai angenommen werden, daß der Regenerator gemei sam mit der größeren Primärkammer 206 den erst Kühlschritt liefert, wogegen die Abgabe der Ku leistung den »zweiten« Schritt darstellt (Wärm tauscher 30 usw.). Die kältere Primärkammer kann somit als die Primärkammer einer Kai

maschine angesehen werden, deren Arbeitskammer 206 die Sekundärkammer bildet.

Um diese Kältemaschine als Kältemaschine mit offenem Kreislauf und »Kaltgasablaß« auszubilden, wird der Wärmetauscher 30 weggelassen und ein Ablaßventil in der Nähe der Primärkammer 12 vorgesehen. Wenn die Primärkammer 12 während des gesamten Rückwärtshubs entlüftet wird, kann auf den Regenerator 28 verzichtet werden, und es wird an seiner Stelle ein Ventil vorgesehen, das ein Rückströmen aus der Primärkammcr 12 verhindert, wenn das Gas von der Arbeitskammer 206 in die Sekundärkammer 14 überströmt (entsprechend der Betriebsweise, die an Hand der modifizierten Kältemaschine gemäß Fig. 12 erläutert worden ist). In diesem Fall ist keine zweistufige Kühlung vorhanden, und die Kühlung des abzulassenden Gases erfolgt allein im Regenerator 204. Eine Anordnung dieser Bauart kann für Wärmepumpen von großem Interesse sein, bei denen gleichzeitig kaltes Gas (durch eine Ablaßleitung) und warmes Gas (durch die Entlüflungs-Ieitung52) erzeugt wird.

Fig. 14 zeigt eine Kältemaschine mit einem Dreischrittkühlvcrfahren, bei der drei Primärkammern parallel zueinander angeordnet sind. Die Kühlleistung wird am Wärmetauscher 30, der nächst der kleinsten Primärkammer 12 liegt, abgenommen. Die Primärkammer 210 ist größer als die Primürk;mimcr 208, die ihrerseits größer ist als die Primärkammer 12, um die richtige Abstufung zu erhalten. Der Regenerator 214 ist vorzugsweise größer als der Regenerator 212, der seinerseits größer als der Regenerator 28 ist.

Auch diese Art von Kältemaschine kann natürlich — wie die oben erwähnten Vorrichtungen — in eine Kältemaschine mit »Kaltgasablaß« umgewandelt werden. Die Primärkammer 12 kann beispielsweise allein zur Förderung von kaltem Gas verwendet werden, wobei der Regenerator 28 weggelassen und das notwendige Ventil sowie ein Ventil für den »Kaltgasablaß« vorgesehen werden. Die Kühlung des abzulassenden Gases erfolgt dann nur in zwei Schritten, und zwar zuerst im Regenerator 214 und anschließend im Regenerator 212. Solch eine Vorrichtung kann statt dessen auch mit komprimiertem Gas betrieben werden, und zwar vorzugsweise derart, daß vor dem Ablassen des Gases eine reversible Expansion des kalten Gases in der Primärkammer 12 stattfinden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Zustrom von Gas in diese Primärkammer 12 mil Hilfe des zusätzlichen Ventils im richtigen Augenblick des Vorwärtshubs unterbrochen wird.

Die meisten Kältemaschinen mit offenem Kreislauf können dazu verwendet werden, kondensierbare Substanzen vom Arbeitsgas zu trennen, ζ. B. Wasser von feuchter Luft (Lufttrockner). Die kondensierbarc Substanz kann dabei vom Regenerator oder von einem geeigneten Punkt in der Primärkammer abgezogen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel eines Lufttrockners gemäß Fig. 15a erfolgt eine Trennung der kondensierbaren Substanz von dem thermischen Regenerator durch Zentrifugalwirkung. Die Kältemaschine ist eine Vorrichtung mit offenem Kreislauf und ohne »Kaltgasablaß«, bei der die Kühlleistung die Vcrdampfungswärmc darstellt, die in dem Regenerator oder der Primärkammer freigesetzt wird. Das Kegelzahnrad 98, das mit der Hauptwelle verbunden ist treibt die Welle 216 mit großer Drehzahl an um übt auf die Regeneratoren 28 (zwei oder mehr) ein große radiale Beschleunigung aus. Ein »Verteiler kasten« gibt das Gas aus den rotierenden Lciüinge 220 an die stationäre Leitung 222 weiter. Die Flüssig keit kondensiert in den Regeneratoren 28 und win auf Grund der Zentrifugalwirkung durch klein öffnungen oder getrennte Rückschlagventile 224 au

ίο den Regeneratoren getrieben.

Die Ausbildung der Regeneratoren als kreisförmige zylindrische Rohre mit flachen Endplatten is besonders vorteilhaft, wobei die Rohre mit eine großen Anzahl von Drahtnetzen oder Metallplatte mit kleinen Öffnungen zum Durchtritt des hin- uni herströmenden Gases gefüllt sind. Die Rückschlagventile 224 werden vorzugsweise derart ausgeleg¹ daß sie nur durch die Zentrifugalkräfte der kondensierten Flüssigkeit im Regenerator geöffnet werden obwohl der Gasdruck während des Zyklus veränderlich ist.

Die Kältemaschinen mit olfcnem Kreislauf zu Trennung von kondensierbaren Substanzen könne in der Weise abgewandelt werden, daß sie statt de thermischen Regeneratoren der üblichen Art Gegen Stromwärmetauscher mit entsprechend angepaßte Ventilen enthalten. Die Verwendung von Gegen siromwärmetauschern mit F.inwegkanälen könnti Schwierigkeiten umgehen, die damit zusammenhän gen, daß die kondensierte Flüssigkeit in dem ge meinsamen Regenerator, der beispielsweise au: Drahtnetz oder kleinen runden Steinen besteh wiederverdampft wird, wenn das Gas von der Primär kammer in die Sekundärkammer überströmt. Solch Anordnungen werden an Hand der Fig. 15 b bis 15 beschrieben.

Fig. 15b zeigt die normale Anordnung des thermischen Regenerators bezüglich des Ventils 56 Fig. 15c zeigt eine Abänderung, bei welcher de Gegenstromwärmetauscher 228 vorgesehen ist um das einzige Ventil 56 (Fig. 1) durch zwei Ventil 230, 232 ersetzt wird. Durch die richtige Betätigun dieser Ventile wird sichergestellt, daß die Strömun in dem oberen Zweig immer von rechts nach link:

und im unteren Zweig immer von links nach recht gerichtet ist.

Fig. 15 d zeigt, wie das Ventil 230 zur linker Seite des Wärmetauschers versetzt werden kann. Be dieser Anordnung stellt das Volumen des oberei

g_o Kanals des Wärmetausehers keinen »Totraum« dar diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß da Ventil 230 in einem Niedertemperaturbereich arbei ten kann.

Fig. 15 e zeigt ein weiteres Aiisführungsbeispiel bei dem zwei Rückschlagventile 234, 236, welche di richtige Einwcgströmung sicherstellen, vorgesehci sind und das Ventil 56 als Dreiwegeventil ausgebilde ist.

Fig. 15 f schließlich zeigt die Kombination einci Regenerators üblicher Bauart mit einem Gegenstrom wärmetauscher, wobei die beiden Ventile 230, 23! beidseits des Wärmetauschers angeordnet sind.

Wenn diese Vorrichtungen zum Trennen voi Kondensat verwendet werden ibeispielsweise al Lufttrockner), wird der Flüssigkeitsabfiuß vorzugs wehe im oberen Kanal der in Fig. 15c bis 15f gc zeigten Gegenstromwärmetauscher angeordnet.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

409534/22

Claims (27)

Patentansprüche:

1. Therme-dynamische Maschine als Kältemaschine oder Wärmemotor, die eine von einem ersteh Kolben teilweise begrenzte Primärkammer sowie eine von einem zweiten Kolben, der mit dem ersten Kolben gekuppelt ist, teilweise begrenzte Sekundärkammer aufweist, wobei die Kolben einer Steuerung unter Austausch von mechanischer Arbeit mit einem äußeren System ausgesetzt sind und die Maschine Einrichtungen für den Wärmetausch mit dem kompressiblen Arbeitsmedium aufweist, das über diese Einrichtung geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strom des Arbeitsmediums von einem außerhalb der Kammern (12, 112, 14, 114) der Maschine liegenden Gasspeicher (46) zur Primärkammer (12, 112) ein Regenerator (28, 228, 170, 204, 212, 214) angeordnet ist, daß eine Einström- und eine Überführungsventilanordnung (56, 192, 124, 190, 232, 236) vorhanden ist, von denen die letztere wenigstens einen Teil des in die Primärkammer (12, 112) eingeführten Arbeitsmediums während eines gewissen Abschnitts des Arbeitszyklus in die Sekundärkammer (14, 114) frei strömen läßt, daß die Bewegung der Kolben (16 α, 108, 16 ft, 110) der beiden Kammern so gesteuert ist, daß sich die Volumina von Primär- und Sekundärkammer ungefähr reziprok proportional ändern, daß die Überführungsventilanordnung zwischen der Primär- und der Sekundärkammer so gesteuert ist, daß eine gewisse Druckdifferenz zwischen diesen beiden Kammern aufrechterhalten wird, und daß schließlich ein Ausströmventil (58, 186, 124) zur Entleerung der Sekundärkammer vorgesehen ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmventilanordnung (56,192, 124, 184, 230, 234) so gesteuert ist, daß Gas vom Gasspeicher (46) in die Primärkammer (12, 112) während einer vorbestimmten ersten Zeitperiode, die wenigstens einem Teil des Vorwärtshubs des ersten Kolbens (16 a, 108) entspricht, geführt wird, während die Überführungsventilanordnung so gesteuert ist, daß Gas zwischen den Kammern während einer vorbestimmten zweiten Zeitperiode, die wenigstens einem Teil des Rückwärtshubs des ersten Kolbens (16 α, 108) umfaßt, gesteuert wird, wobei der Durchschnittsdruck des Gases bei der Überführung niedriger ist als beim Einströmen in die Primärkammer, daß der thermische Regenerator (28, 228, 170, 204, 212, 214) in dem Verbindungsweg zwischen Primer- und Sekundärkammer angeordnet ist und daß das Ausströmventil (58) für die Sekundärkammer wenigstens während eines Teils des Vorwärtshubs des ersten Kolbens (16«, 108) geöffnet ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (28, 30, 46) für den Wärmetausch mit dem Gas Wärmetauscher (30) aufweisen, die im Inneren dei Primärkammer (12) angeordnet sind und die Wärme einem Teil des Arbeitsmediums zuführen, das in direktem Kontakt mit der Primärkammer steht.

4. Maschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitperiode etwa 25 bis 100 °/o des Vorwärtshubs entspricht.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitperiode etwa 75 °/o des Vorwärtshubs entspricht.

6. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zeitperiode nach dem Vollziehen des Vorwärtshubs beginnt.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausströmventil (58) für die Sekundärkammer (14) in die Atmosphäre mündet.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausströmventil (58) für die Sekundärkammer (14) in eine als Gasspeicher dienende Sammelkammer (46) mündet.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8 in Form einer Kältemaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebseinrichtung (22, 24. 26) für die Bewerkstelligung der Expansion und Kompression des Gases vorhanden ist und daß die Einrichtungen für den Wärmetausch mit dem Gas Anordnungen für das Aufnehmen der Wärmebelastung der Kältemaschine ,auf der kalten Seite aufweisen (Fig. 13).

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Sammelkammer (46) mit Anordnungen (48, 50) für die Kühlung des Arbeitsgases versehen ist.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspeicher von der umgebenden Atmosphäre gebildet ist.

12. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas die umgebende Luft ist.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbeneinheit (16) einen ersten und einen zweiten, von einem Zwischenteil verbundenen Kolben (16 a, 16 b) aufweist, die parallel zu einer vorgegebenen Achse hin- und herbewegbar sind.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Sammelkammer (46) größer ist als die Volumina von Primär- und Sekundärkammer (12, 14).

15. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel Umgebungsluft enthalten.

16. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbeneinheit als Schwenkkolben mit einem drehbar gelagerten zentralen Wellenteil (106), mit einem ersten (108) und einem zweiten (110) Kolben, die sich radial vom zentralen Wellentei! weg erstrecken, ausgebildet ist, und daß die Arbeitskammern von einem zylindrischen Bauteil gebildet sind, das die Kolben umgibt (F i g. 5, 6).

17. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkammer in mehrere getrennte Abschnitte (206, 209, 12, 208, 210) unterschiedlichen Querschnitts unterteilt und für jeden Kammerabschnitt ein eigener Kolbenteil vorgesehen ist, wobei die ver-

schiedenen Kammerabschnitte während wenig- der Primärkammer während eines anderen Teils

stens eines Teils des ganzen Bewegungszyklus des Rückwärtshubs vorgesehen ist.

der Kolbeneinheit gegenseitig verbunden sind

(Fig. 13, 14). Die Erfindung betrifft eine tnermodynamische

18. Maschine nach einem der Ansprüche 1 5 Maschine als Kältemaschine oder Wärmemotor, die bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- eine von einem ersten Kolben teilweise begrenzte kammer mit einer Ablaßvorrichtung (180) für das Primärkammer sowie eine von einem zweiten KoI-Ablassen eines Teils des in die Primä'kammer ben, der mit dem ersten Kolben gekuppelt ist, teileingeführten Arbeitsmediums unter gleichzeiti- weise begrenzte Sekundärkammer aufweist, wobei gem Abschließen der Überführungsventilanord- io die Kolben einer Steuerung unter Austausch von nung (190) versehen ist. mechanischer Arbeit mit einem äußeren System aus-

19. Maschine nach Anspruch 17 oder 18, gesetzt sind und die Maschine Einrichtungen für dadurch gekennzeichnet daß in die Verbin- den Wärmetausch mit dem kompressiblen Arbeitsdung zwischen den verschiedenen Kammerab- medium aufweist, das über diese Einrichtung geleitet schnitten Regeneratoren (28 bzw. 212) geschal- 15 wird.

tet sind. Es sind verschiedene Einrichtungen bekannt, mit

20. Maschine nach einem der Ansprüche 1 denen sich der Ericsson- und der bekanntere Stirlingbis 19, gekennzeichnet durch eine mit der Pri- kreislauf für Heißgasmotoren mit Wärmezufuhr märkammer verbundene Anordnung, zweck- durch äußere Verbrennung durchführen lassen. Bei mäßigerweise ein Leitungssystem für das Abfüh- 20 dem neuesten Stirlingmotor werden zwei Kolben verren je Arbeitszyklus von Arbeitsmedium zu einer wendet, die sich in einem einzigen Zylinder mit einer sogenannten Joule-Thompson-Stufe (beispiels- gegenseitigen Phasenverschiebung von 90° hin- und weise zur Herstellung von flüssigem Gas). herbewegen. Stirlingmotoren dieser Bauart haben

21. Maschine nach einem der Ansprüche 1 viel Beachtung gefunden, insbesondere wegen ihrer bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zu- 25 geringen Abgasverschmutzung, aber auch auf Grund sätzliche Sekundärkammer (88, 200) mit einem ihres hohen thermischen Wirkungsgi ades und einer entsprechenden Kolbenteil aufweist, wobei das geringen Geräuschentwicklung. Sie haben ferner den Volumen der beiden Sekundärkammern eine Vorteil, daS sie mit einer großen Anzahl %'ecschiedegegenseitige Phasenverschiebung von im wesent- ner flüssiger und gasförmiger Brennstoffe betrieben liehen 180° aufweist und wenigstens während 30 werden können. Die Stirlingmotoren sind notwendieines Teils des Arbeitszyklus ein Druckunter- gerweise mit thermischen Regeneratoren ausgerüstet, schied zwischen diesen Kammern aufrechterhal- um einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad ten werden kann. zu erzielen. Eine weitere Eigenschaft der bekannten

22. Maschine nach einem der Ansprüche 1 Stirlingmotoren ist das Erfordernis einer Flüssigkeitsbis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme- 35 kühlung. Das Arbeitsgas, das Helium, Wasserstoff tauscher eine mit dem Regenerator (28) vcr- oder — weniger bevorzugt — Luft sein kann, gibt bundene Kondensiervorrichtung zum Abscheiden Wärme in einem Kühler ab, der mit dem thermischen von kondensierbarer Flüssigkeit vom Arbeitsgas Regenerator in der Gasleitung zwischen der heißen aufweist. und kalten Arbeitskammer unmittelbar verbunden

23. Maschine nach einem der Ansprüche I 40 ist. Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder sollte der »Totraum« des Kühlers wie auch der des mehrere Ventile von der Kolbenbewegung der Regenerators und der Heizvorrichtung minimal sein. Maschine gesteuert sind. Im allgemeinen muß ein Kompromiß zwischen dem

24. Maschine nach einem der Ansprüche 1 »Totraum« des Kühlers und dem Wirkungsgrad des bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere 45 Kühlers geschlossen werden, derait, daß der »Tot-Systeme mit Primär- und Sekundärkammern und raum« verhältnismäßig klein gehalten wird, daß jcentsprechenden Kolbeneinheitcn (Fig. 5 und 6) doch der Temperaturunterschied zwischen dem aufweist, welche in ähnlicher Weise wie die erste flüssigen Kühlmittel und dem Arbeitsgas verhältnis-Kammcr und die Kolbeneinheiten arbeiten, wobei mäßig groß gewählt wird; man erhält somit ein die Kolbeneinheiten der verschiedenen Systeme 5° kleineres Gesamttemperaturverliältnis und einen an eine gemeinsame Antriebswelle (106. 22) ge- niedrigeren thermodynamischen Wirkungsgrad, als kuppelt sind. dies sonst möglich wäre. Weitere Gründe, warum

25. Maschine nach einem der Ansprüche 1 Heißgasmaschinen heutzutage nicht weit verbreitet bis 24. dadurch gekennzeichnet, daß die ver- sind, sind ihr großes Gewicht und ihr verhältnismäßig schiedenen Kammersysteme mu einer gemein- 55 komplizierter mechanischer Aufbau sowie ihre — samen Sammelkammer (Fig. 5, 6) verbunden geschätzten — hohen Herstellungskosten, beispielssind. weise im Vergleich zu Otto- und Dieselmotoren

26. Maschine nach einem der Ansprüche 1 gleicher Leistung. Die Verwendung von Stirlingbis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Über- motoren für Kraftfahrzeuge ist jedoch noch nicht führungsventilanordnung (56) derart gesteuert ist, 60 ernsthaft ins Auge gefaßt worden, insbesondere auf daß die Überführung des Arbeitsmediums von Grund ihrer voraussichtlich hohen 'Herstellungsder Primärkammer zur Sekundüi kammer teil- kosten, ihrem verhältnismäßig geringen Leistungsweise während des Vorwärtshubs stattfindet. Gewichtsvcrhällnis und auf Grund zu erwartender

27. Maschine nach einem der Ansprüche 1 Schwierigkeiten bei der Verwendung von Hochbis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Über- 65 druckhelium und -wasserstoff als Arbeitsiias. Bei dem führungsventilanordnung (56) während eines immer vordringlicher werdenden Problem der Luft-Teils des Rückwärtshubs geöffnet und eine Ven- verschmutzung ist jedoch die Forderung nach einem (!!vorrichtung (180) zum Ablassen von Gas aus Motor mit geringer Abgasvcrschmutzung stärker