DE2109891C3 - Thermodynamische Maschine als Kältemaschine oder Wärmemotor - Google Patents

Description

denn je, und der Stirlingmotor bzw. ganz allgemein die Heißgasmotoren könnten die Lösung des Problems darstellen, wenn ihre Praktikabilität erhöht werden könnte.

Die genannten Probleme werden jedoch auch nicht durch bekannte thermodynamischc Maschinen der eingangs genannten Art (USA.-Patentschriften 3 174 276 und 3 138 918) gelöst, die einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweisen. Das hatte zur

Sekundärkammer strömen, deren Volumen nun zunimmt. Dieser Gasaustausch zwischen der Primär- und der Sekundärkammer erfoigt auf nahezu reversible Weise, und zwar auf Grund der sehr wichtigen Tatsache, daß das Überströmen in die Sekundärkammer dann eingeleitet wird, wenn das Volumen dieser Kammer Null (idealer Fall) oder klein ist und daher keine oder eine nur sehr kleine irreversible

_{5tlllcllllvll} „..»„„_6J6.„„ freie Expansion stattfindet. Bei dem folgenden Vor-

Folge, daß die entsprechenden Motoren niemals zur »o 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 ßen geeigneten Druckwert (offener Kreislauf). Das Schwierigkeiten, da das warme Gas Temperaluren 15 wieder verdichtete Arbeitsgas verläßt die Sekundäraufweist, die mindestens 500° C übersteigen und kammer durch ein Ausströmventil und strömt in die

" " " Sammelkammer oder — im Fall des offenen Kreis

laufs — in die Atmosphäre. Bei geschlossenem Kreislauf wird das Arbeitsgas in der Sammelkammer vorzugsweise auf die ursprüngliche Temperatur gekühlt, so daß es einen neuen Arbeitszyklus durchlaufen kann.

Beim Gasaustausch zwischen der Primär- und der

..„.. ..„- 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 erzielen. Dies kann durch geeignet Wahl des Querschnittsverhältnisses der Primär- und Sekundärkammer und/oder durch entsprechende Wahl der Dauer, 30 während der das Arbeitsgas bei dem Vorwärtshub in die Primärkammer einströmt, erreicht werden. Wenn Arbeitsgas während des gesamten Vorwärtshubs zugeführt wird (was einen Spezialfall darstellt), kann ein Querschnittsverhältnis von 1 : 1 verwendet

, _., C übersteigen umJ

deswegen erforderlich sind, um eine einigermaßen gute Wärmemaschine zu erhalten. Weiterhin arbeitet aber auch die zuletzt genannte thermodynamische Maschine als Kältemaschine äußerst schlecht.

Ähnliche Nachteile ergeben sich auch bei einem weiteren bekannten Wärmemotor (USA.-Patentschrift 3 472 037), bei dem zwischen den beiden vorgesehenen Hauptkammern beidseits des Kolbens, das heißt

soll die zu schaffende Maschine wenig Geräuschentwicklung besitzen und eine geringe Umweltverschmutzung bei großer Umwandlungslcistung aufweisen.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen thermodynamischen Maschine ergeben sich aus den Patentansprüchen.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform

unter anderem zwei voneinander getrennte Kolben vorgesehen sind. Dies führt ebenfalls dazu, daß solch eine Vorrichtung praktisch nicht sownhl als Kältemaschine als auch als Wärmemotor verwendbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
die genannten Nachteile zu beseitigen und eine
thermodynamische Maschine der eingangs genannten
Art zu schaffen, die ein geringes Gewicht aufweist
einen einfachen mechanischen Aufbau besitzt und 35 werden. Im Fall der Kältemaschine muß em Querder geringe Herstellungskosten eigen sind. Weiterhin Schnittsverhältnis von 1:1 immer von einer Be-

- - ~ ■ ■ ·-- ^:- <"ϊ~-«··-·λ· endigung der Gaszufuhr während des Vorwärtshubs

begleitet sein, zumindest in denjenigen Fällen, bei denen kein Kaltgas aus der Primärkammer nach außen abgegeben wird.

Die thermodynamischen Vorgänge bei der erfindungsgemäßen Maschine können nur sehr schwer genau beschrieben werden, insbesondere deshalb, weil unterschiedliche Teile des Arbeitsgases unter-

eelaneen zwei["zylindrische Kammern zur Änwen- 45 schiedlichen thermodynamischen Wegen folgen, wenn dune deren Volumina durch eine einzige hin- und der thermodynamische Prozeß beispielsweise in hereehende Kolbenanordnung oder mehrere Kolben einem Temperatur-Entropie-Schaubüd dargestellt eenau harmonisch oder ungefähr 180° phasenver- wird. Bei Verwendung eines einfachen Modells für ein schoben zueinander geändert werden. Das Arbeits- »Durchschmttsi-Gaselement läßt sich jedoch sehr eas 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 Bemelkamrner (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 Vcntilanord- 55 Fall der Kältemaschine. Bei mäßigen Gesamtdrucknunc einen thermischen Generator und schließlich Verhältnissen des Arbeitszyklus (beispielsweise bis einen Wärmetauscher (Wärme im I all des Motors; *'_s) ist der berechnete thermodynamische Wirkung*- Kühlldstungswärmctauschcr im Fall der Kältema- grad (für -deale Modelle) sehr hoch, was andeutet schinc) strömt. Bei Abfuhr von Kaltgas im Fall der daß die Arbeitsweise der erfindungsgemaßen thermo Kältemaschine mit offenem Kreislauf kann auf den 60 dynamischen Maschine fast derjenigen eines Carnot Wärmetauscher verzichtet werden. Das Arbeitsgas Prozesses entspricht. Realistische Berechnungen er kann in die Primärkammer während eines vorgc- geben Wirkungsgrade die in der Tat besser als du «ebenen Teils des »Vorwärtshubs«, das heißt des gewöhnlicher Stirhng-Maschinen W und zwar ins Sauehubs der Reihenanordnung, einströmen, bei dem besondere auf Grund der besseren Konlogenschaftei sich das Volumen der Primärkammer vergrößert 65 und des Fehlens ein« Kuhler-.Totraumsc Beim »Rückwärtshub« kann Arbeitsgas aus der Der erfindungsgemaße Warmemotor mit geschlos

Primärkammer durch den Wärmetauscher, den thcr- scncm Kreislauf weist im übrigen folgende weiter mischen Generator und die Ventilanordnung in die Vorteile auf:

1. Die Möglichkeit, nur einen Kolben bzw. eine Reihenanordnung im Gegensatz zu den zwei Kolben bei den gewöhnlichen Stirlingmotorem 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 Sammelkammcr) stattfindet, können die jo AufcnthaUszcit eines Arbcitsgasclemcnts in dem Kühler sowie die Wärmeübergangsfläche entsprechend groß und die Wärmeabgabcslröme entsprechend klein gemacht werden, wobei unter bestimmten Umstanden ein gasförmiges Kühlmittel (ζ. Β. Umgebungsluft) verwendet werden kann. Die Kühlung kann daher vollständiger sein, weswegen der Ihermodynatnische Wirkungsgrad besser ist als bei herkömmlichen StirlingmotO'-ren. «>

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

4. Hs wird kein Ausglcichspuffcrgas benötigt — im Gegensatz zu den neuen Slirlingmotoren, 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 Sammelkammcr entfernt von den Kammern anzuordnen und einen Filter in der Sammelkammcr zu verwenden.

7. Einfache und wirkungsvolle Möglichkeiten der Steuerung und Regelung.

8. Bei Mchrzylindcranordnuiigcn können ein ge meinsamer Kühler und eine gemeinsame Sammclkammer verwendet werden.

9. Es können Mehrzylinderanordnungen mit einem großen Leistungs-Gewichts-Verhältnis in medianisch 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 dutch Umgebungsluft ersetzt werden kann. Wenn die erfindungsgemäße thermodynamische Maschine als Kältemaschine mil geschlossenem oder offenem Kreislauf ausgestaltet ist, ergeben sich insbesondere folgende Vorteile: 1. Hoher Wirkungsgrad der Kühlanlage. Bessere Kuhlcigcnschaftcn sind ausschlaggebend zur Erzielung niedriger Temperaturen and eines niedrigen Verhältnisses von Kühlleistung tu I eistungsverbrauch

2. Weitgehend reversible Strömung. Die erfindungsgemäße Kältemaschine kann derart ausgelegt werden, daß ein Minimum an irreversibler Entropie erzeugt wird, was einen hohen Gesamlwirkungsgrad 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 Arbeitsabschnitt 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 Lufttrockner 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 Zwciphascnkähemaschinen ohne Wärmetauscher verwendet werden.

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

F i g. 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,

Fig. 3 schematisch ein weiteres Ausführunpsbcispicl eines Wärmemotors mit einer zweistufigen Wiederverdichtung,

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

Fig. 5 einen doppeltwirkenden Heißluftgasmotor mit einer oszillierenden Welle,

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

Fig. 6 eine Vicrzylinder-Hcißeasmaschine,

F i p. 7 a bis 7 d schematisch einige Möglichkeiten zum Regeln der Leistungsabgabc des erfindungsgemäßen WärmemotoTS,

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

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

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

Fig. 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 Gcgcnstromwärmctauschcr aufweist und bei der eine zweistufige Expansion ohm

509615/32

Wiederverdichtung des Arbeitsgases stattfindet, einzigen Baueinheit.vereinigt sein. Von dem Wärme- |

Fi g. 13 eine zweistufige Kühlvorrichtung und tauscher 30 werdepLdie Verbrennungsprodukte durch _t

Fig. 14 eine dreistufige Kühlvorrichtung, eine Leitung 42 inVdcn Wärmetauscher 34 zurückge- _s

Fig. 15a einen nach dem Prinzip der. Kältema- führt, wo weitere Warme an die einströmende Luft _t

sciiinc mit offenem Kreislauf arbeitenden Lufttrock- 5 abgegeben wird; die Verbrennungsprodukte werden g

ner, bei dem die kondensierte Flüssigkeit im thermi- schließlich durch eine Leitung 44 nach außen abge- \

sehen; Regenerator durch Zentrifugalwirkung getrennt geben. Der Gegenstromwärmetauscher 34 kann c

wird, und ·, durch einen geeigneten thermischen Regenerator er- l·

Fig. 15b bis 15 f verschiedene stationäre Re- setzt werden, beispielsweise durch einen rotierenden s

generationsausführungen, bei denen Gegenstromwär- io Regenerator aus Metall oder keramischem Werk- s

mctauscher und zusätzliche Ventile verwendet werden stoff. c

und die insbesondere für Lufttrockner und Wärme- Der Wärmemotor weist eine als Gasspeicher g

pumpen verwendbar sind, jedoch in bestimmten dienende Sammelkammcr 46 auf, das heißt einen \

Fällen bei den anderen erfindungsgemäßen Kälte- kombinierten Sammclkammerkühler, in dem das ν

maschinen oder Motoren mit geschlossenem oder 15 Arbeitsgas mit Hilfe eines Kühlkrcislaufs gekühlt \

offenem Kreislauf verwendet werden können. und bei einem zweckmäßigen Arbeitsdruck gcspci- F

Der Wärmemotor 10 gemäß Fig. 1 weist cine chert werden kann. Das flüssige oder gasförmige k

zylindrische Primärkammer 12 und eine zylindrische Kühlmittel tritt durch eine Leitung 48 in den Kühler L

Sekundärkammer 14 auf. Eine Kolbcncinhcit 16 be- 46 ein und verläßt diesen durch eine Leitung 50. g

sitzt einen ersten und einen zweiten, von einem ao Das Arbeitsgas tritt durch eine Leitung 52 in den η

Zwischenteil verbundenen zylindrischen Kolben 16 a, Kühler 46 ein und verläßt diesen durch eine Leitung ι

16 h unterschiedlichen Durchmessers, wobei der erste 54. Das Volumen des Kühlers 46 ist vorzugsweise d

Kolben 16 a in der von einem Zylinder 18 gebildeten größer als das vom ersten Kolben 16 a in der Primär-

Primärkammer 12 und der andere Kolben 16 b in kammer 12 überstrichene Volumen. Der Vorteil w

der von einem Zylinder 20 gebildeten Sekundär- 25 eines großen Kühlers liegt darin, daß das Arbeitsgas \

kammer 14 bewegbar gelagert ist. Die Kolbeneinheit eine beträchtliche Zeit im Kühler verweilt. Diese w

16 ist über eine Kolbenstange 24 und eine Kurbel 26 Verweilzeit kann um ein Vielfaches größer als die r

mit einer drehbaren Welle 22 zur Abgabe mecha- Dauer eines Arbeitszyklus gemacht werden. Dem- u

nischer Leistung verbunden. Der Abschnitt des Zy- entsprechend kann der Wärmestrom durch den 1

linders 20 zwischen den Kolben 16 a, 16 b wird 30 Kühler verhältnismäßig klein und der Wirkungsgrad d

mittels einer öffnung 20 α in der Zylinderwand auf des Kühlers entsprechend hoch sein. Wenn eine un- 1

einem beliebigen Druckniveau, beispielsweise auf mittelbare Gaskühlung, beispielsweise mit Umge- ν

dem Außendruck, gehalten. Der Welle 22 kann auch bungsluft als Kühlmittel, verwendet wird, kann das M

ein Schwungrad zugeordnet werden, das mechanische vom Kühler in die Leitung 50 strömende Kühlmittel b

Energie speichert und die richtige Kolbenbewegung 35 unmittelbar der Leitung 32 der Heizvorrichtung η

selbst dann aufrechterhält, wenn vom Arbeitsgas (ohne oder mit einem bestimmten Betrag von Kühl- s

keine Energie an den Kolben abgegeben wird. mittelabfluß) zugeführt und im Verbrennungsprozeß η

Ein thermischer Regenerator 28 ist mit einem verwendet werden. Die Strömung der Kühlluft kann S

Wärmetauscher 30 in Reihe geschaltet, durch den mit Hilfe eines Laufrads aufrechterhalten werden, ü

Wärme an das Arbeitsgas abgegeben wird. Der 40 das mit der rotierenden Welle 22, vorzugsweise unter η

Regenerator 28 kann eine Metallmatrix, gesinterter Zwischenschaltung eines Obersetzungsgetriebes, ge- N

Werkstoff, ein Bett aus Steinen, ein verdichtetes kuppelt werden kann. Der Umlauf der Kühlluft kann u

Metalldrahtnctz usw. oder ein Gcgenstromwärmc- stattdessen auch durch Nutzbarmachung der harmo- Ί

tauscher mit Einwegkanälen (und zusätzlichen Ven- nischen Änderungen des Volumens zwischen den KoI- S

tilcn, die für eine Einwcgslrömung in jedem Kanal 45 ben 16 a, 16 h im Zylinder 20 und durch die Vor- ύ

sorgen) sein. Der Regenerator 28 dient zur kurz- wendung eines zusätzlichen Rückschlagventils erzielt

zeitigen Speicherung der Wärme des oszillierenden werden. k

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 ν

auf, das die Primärkammer 12 verläßt, und gibt im 50 des Arbeitsgases auf. Diese Ventile 56, 58 können I1

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 Zweiwegeventite einer geeigneten Bauart (Teller- ?

Arbeitsgas in thermischer Berührung. ventile, Schieberventile, drehbare Ventile usw.). Die η

Eine Heizvorrichtung 31 weist eine Brennkammer 55 Ventilbetätigung kann in verschiedener Weise ge- F

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 ρ

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 1

weise im Gcgcnstromprinzip) in die Brennkammer 60 Nockcnfolgcgliedcr aufweisen, wenn das Ventil 56 2

36. Der Brennstoff wird der Brennkammer 36 durch aus zwei Tellerventilcn besteht. Der Motor weist die a

cine Leitung 38 zugeführt. Die Verbrennungspro- folgende Betriebsweise auf: f

duktc der Brennkammer 36 werden durch eine Lei- Es sei angenommen, daß sich ein quasistationärcr a

tung40 dem Wärmetauscher 30 zugeführt, wo die Zustand eingestellt hat, insbesondere im Hinblick ?

Wärme an das Arbeitsgas übertragen wird. Das 65 auf das Tcmpcraturpronl im Rcgcneraior 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 Ar- >

der Wärmetauscher 30 selbstverständlich in einer bcitsgases im Kühler 46 liegt, und die linke Seite des f

] Il 12

me- ] Regenerators 28 hat cine Temperatur, die dicht bei Expansion herrühren, die der Beendigung des Anrch I der Temperatur des Wärmetauschers 30 liegt, wobei Saugvorgangs während des Vorwärtshubs folgt.
;ge- I sich das Temperaturprofi 1 dazwischen dauernd an- Wenn das Durchschnittsgaselement während des .uft dert. Die thermische Leitung innerhalb des Rc- Rückwärtshubs in die Heizvorrichtung eintritt, erden generators 28 (von links nach rechts) sollte Vorzugs- 5 folgt eine isobaic Aufhetzung, vorausgesetzt, daß der )ge- ; weise klein im Vergleich zu dem Wärmcstrom durch »Totraum« der Heizvorrichtung als klein und verann % den Wärmetauscher 30 sein. Der Arbcitskreislauf nachlässigbar angeschen werden kann (starke Idealier- j kann thermodynamisch mit Hilfe der Fig. 2 be- sierung). Das Gasclemenl verläßt die Heizvorrichtung den schrieben werden, die ein stark idealisiertes und im Punkt 72 des Tempcratur-Entropie-Schaubilds. ;rk- schematisiertes Tempcralur-Entropic-Schaubild für io Im Regenerator 28 gibt das Arbeitsgas Wärme an ein »DurchschniUse-Gasclemcnt darstellt, das den den Regenerator 28 ab, wie durch die Isobare 74 ;her geschlossenen Kreislauf des Motors durchläuft. Das angedeutet, und der Kühlprozeß endet im Punkt 76 men Volumen des Kühlers ist voraussetzungsgemäß am Ausgang des Regenerators 28.
das wesentlich größer als das vom Kolben übcrstrichcne Bei dem betrachteten Fall, bei dem der Druck iihlt Volumen, so daß die Strömung des Gases aus dem 15 während des Gasüberströmens abnimmt, mischt sich ;pci- Kühler 46 in die Primärkammer 12 bei ungefähr das in die .Sekundärkammer 14 einströmende Arnige konstantem Druck erfolgt, wie durch die gerade beitsgas mit etwas kälterem Gas. Dieser Mischvorihler Linie 60 (Isobare) im Schaubild gemäß Fig. 2 an- gang ist im allgemeinen von einem Gesamtzuwachs jj50. gedeutet ist. In dem Schaubild wird eine logarilh- der Entropie begleitet, der jedoch kfcin und bei einer den mische Temperaturkoordinate und eine lineare En- »o Analyse »erster Ordnung« vernachlässigt werden tung tropiekoordinatc verwendet. Der Austritlszustand kann. In Fig. 2 ist dieser Mischvorgang vernachveise des Kühlers ist mit 62 bezeichnet. lässigt, und die weitere Expansion des Durchschnittsmär- · Der Zustrom des Gases in die Primärkammer 12 gasclements in der Sekundärkammer 14 ist durch >rteil wird vorzugsweise dann eingeleitet, wenn deren eine Iscntrope 78 dargestellt. Der kleinste Druck des tsgas Volumen nahezu ihr Minimum erreicht hat, und »5 Kreislaufs wird im Punkt 80 erreicht, wenn das Vo- :)iese wird durch Betätigung des Ventils56 (Fig. 1) er- lumen der Sekundärkammer 14 ein Maximum ist. ■i die reicht, das den Kühler 46 über den Regenerator 28 Wenn das Querschnittsverhältnis der Kammern 12, )em- und den Wärmetauscher 30 mit der Primärkammer !4 derart gewählt wird, daß der Gasdruck während den 12 verbindet. Wenn das Arbeitsgas vom Kühler 46 des Gasausiausches ansteigt, tritt der kleinste Druck sgrad durch den Regenerator 28 strömt, erhöht sich die 3° des Kreislaufs am Ende des Vorwärtshubs für das ■i un- Temperatur des Arbeitsgases durch Wärmeaufnahme, in der Primärkammer 12 befindliche Gas auf, das tnge- wobei zwischen dem Arbeitsgas und den Teilen des nach der Beendigung der Gaszuführung einer Ex-1 das Regenerators 28 ein kleiner Temperaturunterschied pansion ausgesetzt war.

nittel besteht. Das Arbeitsgas verläßt den thermodyna- Bei dem folgenden Vorwärtshub wird das Durch-

itung mischen Zustand, der in Fig. 2 dem Punkt 64 ent- 35 schnittsgasclement in der Sekundärkammer 14 kom-

<ühl- spricht. Der Zustrom des Gases in die Primärkam- primiert, und zwar längs der Linie 82 bis zum Punkt

-ozeß ^{nicr 1}^ kann beendet werden, ehe die Welle 22 eine 84, bei dem der Druck den gleichen Wert wie im

kann Stellung erreicht hat, in der die Primärkammer 12 Kühler 46 hat. Das Ventil 58, das als gesteuertes

rden, ihr maximales Volumen besitzt. Jc nach der Geo- Ventil oder als Rückschlagventil ausgebildet ist,

unter ; metrie und den gewünschten Eigenschaften des 40 wird dann geöffnet, damit Arbeitsgas während des

g_C_ Motors kann das Ende der Gaszufuhr zwischen 25 Endabschnitts des Kolbenhubs durch die Leitung 52

kann ^ur>d 100 ⁰Zo, vorzugsweise bei 75% des Arbeitshubs in den Kühlci 46 strömen kann.

_irm0. : liegen. Hierauf wird das Ventil 56 betätigt, um die Wie aus F i g. 2 ersichtlich, weist das in den

- KoI- '^:': Strömungsverbindung zwischen dem Kühler 46 und Kühler 46 eintretende Arbeitsgas eine größere Tem-

y_er. der Primärkammer 12 zu unterbrechen. 45 peratur (Punkt 84) als das Arbeitsgas auf, das den

J₇J₆It Die Strömungsverbindung zwischen der Primär- Kühler 46 verläßt (Punkt 62). Das Durchsehnitts-

kammcr 12 und der Sekundärkammer 14 wird mit gaselement wird längs der Isobaren 86 auf seinen

^ _un(j Hilfe des Ventils 56 vorzugsweise dann hergestellt, ursprünglichen Zustand 62 gekühlt, und der thcrmowenn die Sekundärkammer 14 ihr kleinstes Volumen dynamische Kreislauf ist geschlossen. Eine notwen^llat' ^{um cine in}"^evcrs«ble Expansion und Strömung 50 digc Bedingung des DurchschniUsgasmodells besteh! zu vermeiden. Bei dem folgenden Rückwiiitshuh darin, daß der Regenerator 28 die Wärmeleistung NuI

jjj^j des Kolbens wird das Gas in der Primärkammer 12 je Arbeitszyklus an das Arbeitsgas abgibt. Bei einen

^rcller- zurück durch den Wärmetauscher 30 und den thcr- normalen TemperaUir-Entropic-Schaubild mit einei

» pie mischen Regenerator 28 in die Sckundärkamnicr 14 linearen Temperaturkoordinate ist daher die Fläch«

•e ge* gefördert. Während dieses Gasaustausches ist der 55 zwischen einer Linie entsprechend der Linie 60 um

In mit Gasdruck niedriger als der durch die Linie 60 dar- der Entropiekoordinatc identisch mit der Flächi

auch gestellte Ansaugdruck. Je nach dem Querschnitts- zwischen einer Linie entsprechend der Linie 74 un«

faches verhältnis der beiden Kammern 12, 14 und dem der Entropiekoordinatc, und zwar auf Grund funda

_uWj Temperaturverhältnis im thermischen Regenerator mentaler thermodynamischor Überlegungen. In sole!

^55 28 kann der Druck während des Gasaustausches 60 einem Schaubild (lineare Temperaturachse) ist di

.. ^₆ abnehmen, konstant bleiben oder sogar ansteigen. Wärmezufuhr je Masscncinhcil des Durchschnitt« Ϊ·' i g. 2 bezieht sich auf den bevorzugten Fall mit gases in dem Wärmetauscher 30 gleich der Räch

ratet abnehmendem Druck. Durch den Ciasamtauschpro- unter der entsprechenden Linie 70 und ist im allgi

«blick ^7C^ ^w'^r<l dann die isentropc Expansion des Durch- meinen kleiner als die Wärme, die kurzzeitig vor

. Qj_C schnillsgaselemcnls längs der Linie 66 bis /um Punkt 65 Generator an das Arbeitsgas abgegeben wird un

' j_nc 68 bewirkt, wobei sich das Gaselement immer noch der Fläche unter einer Linie 60 des modifizierte

" ^_r. in der Primärkammer 12 befindet; die iscntrope Ex- Temperatur-Eniropic-Schaubilds entspricht, Hierai

. <3cs pansion könnte jedoch zum Teil auch von einer ist ersichtlich, daß der Regenerator ein wichti««

13 14

Bauteil des erfindungsgumäßcn Wärmemotors dar- zweiten Kiihlcrs90 findet dann während des Rück- ι stellt. wärtshubs in der dritten Arbeitskammer 88 statt. Im ; Der thermodynamische Prozeß gemäß F i g. 2 letzten Teil dieses Arbeilshubs wird das Ventil 94 t stellt lediglich eine Annäherung dar, kann jedoch geöffnet und Gas von der dritten Arbeitskammer 88 s gleichwohl zur Ermittlung von Betriebseigenschaften 5 in den zweiten Kühler 90 gefördert, wo das Gas auf I des Wärmemotors verwendet werden. Berechnungen seine ursprüngliche Temperatur abgekühlt wird. Das I an Hand eines solchen Modells und auch an Hand stationäre Druckniveau des ersten Kühlers 46 (wie c wesentlich genauerer Modelle zeigen, daß der ther- auch die Kühlung im Köhler 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-Wirkungsgrad io den Vorteilen der zwei- oder mehrstufigen Wieder- } sejn kann. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn verdichtung sind zu erwähnen: Die mögliche Ver- _t das 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 1 zyklus angegebene Nutzleistung wie auch der Wir- χ5 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 I liegen, wie geringeren erforderlichen Kompressionsarbeit her- ι dies aus Wirkungsgradüberlcgungen zweckmäßig rührt. Ein weiterer Vorteil besieht darin, daß das
wäre, sondern aus praktischen Gründen eher zwi- Drehmoment der Abtriebswelle 22 besser ausgeglischen 2 bis 8. ' ao chcn und verteilt werden kann. In der Praxis müssen

Wie aus dem vereinfachten Modell gemäß F i 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- as welle 22 zwischen der Primärkammer 12 und der
nen wie auch gedrosselte Strömungen werden Sekundärkammer 14 angeordnet. Aus Einfachheitsyermieden, da sie einen ungünstigen Einfluß auf den gründen besitzen die Kammern 12, 14 und die KoI-Wirkungsgrad haben. Da der Regenerator 28, die bcn 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 Kegelrad- ' »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 gegen- 1 generator 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_V 100 sind Gegengewichte < Totpunkt erreicht hat. Der Schließpunkt kann derart 102. iö4 befestigt. Mii diese: Anordnung IaSi sich ein
gewählt werden, daß das Arbeitsgas in dem Rcgene- praktisch vollkommen ausgewuchteter Motor crzie- 1 rator 28. der Heizvorrichtung und der Primärkammer 40 lcn. bei dem keine nennenswerten Seitenkräfte auf i 12 während des letzten Teils des Rückwärtshubs auf die Kolbeneinhcil 16 ausgeübt werden. Das Fehlen ( das Druckniveau des Kühlers 46 verdichtet wird, von Scitenkräften ist im Hinblick auf die Dichtungs- / worauf die Strömungsverbindung zwischen dem Schwierigkeiten wünschenswert und erlaubt eine \ Kühler 46 und der Primärkammer 12 durch Betäti- gleichmäßig verteilte Abnutzung der Kolbenringe ί gung des Ventils 56 geöffnet wird. 45 usw. 1

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 Zahn- ?

dritten Arbeitskammer 88. die von der Kolbencinhcit rads 100 angeordnet sind und in ihrer Wirkungsweise f

16 und dem Zylinder20 gebildet wird, zur Anwen- den Ventilen des Motors gemäß Fig. 1 entsprechen. 5

dung. Neben der ersten Sammclkammer in Form 50 Die Abtriebslcistung wird bei dieser Art von Motor J

eines Kühlers 46 kann eine zweiti Sammelkammer in während der ersten Hälfte des Vorwärtshubs ab- 1

Form eines Kühlers 90 verwendet werden, der bei gegeben. Der Motor wird daher vorzugsweise mit g

einem höheren Druckniveau arbeitet. Es werden einem Schwungrad ausgerüstet, das Schwungrad wird \

außerdem zusätzliche Ventile verwendet, die hier als vorzugsweise an einer Zahnradwclle oder an einer £

Rückschlagventile 92, 94 ausgebildet sind. Es ist 55 anderen schnellaufcndcn Welle, die mit den ur- r

jedoch nicht erforderlich, daß diese Ventile 92, 94, sprünglichen Weilen über ein Getriebe verbunden ist, e

wie dargestellt, vom Gasdruck gesteuert werden, son- angebracht. Der Sammelraumkühler 46 ist nur

dem sie können auch wie das Ventil 56 mit Hilfe des schematisch und nicht im richtigen Größenverhältnis Ii

Winkels der Welle 22 gesteuert werden. Das Arbeits- bezüglich der Primär- und der Sekundärkammer 12, V

gas in der Sekundärkammer 14 wird durch das Ventil 60 14 dargestellt. d

58 bei minimalem Druckvcrlust in den Kühler 46 Bei dem Wärmcmolor gemäß F ϊ g. 5 und 5 a ist S

gefördert, wenn der Druck in der Sekundärkammer eine doppeltwirkende oszillierende Hauptwelle 106 d>

14 während des Vorwärtshubs einen vorgegebenen vorgesehen, wobei die Drehbewegung der Welle 22 w

Wert (gleich dem Gasdruck im Kühler 46) erreicht mit Hilfe der Kurbel 26 und der Kolbenstange 24 Iu

hat. Während des gleichen Arbeitshubs strömt ein 65 von der oszillierenden Bewegung der Welle 106 ab- »1

anderer Teil des Arbeitsgases aus dem Kühler 46 geleitet wird. Zwei Flügel 108 und 110 sind an der Si

durch das Ventil 92 in die dritte Arbeitskammer 88. oszillierenden Welle 106 befestigt und bilden beweg- m

Die restliche Verdichtung auf das Drucknivcau des bare Wände in den Arbeitskammern 112, 114, 116 bi

:m
on
ζτ-

;ein
ne

15 16

* A 118 Sowohl die Arbeitskammern 112, 114 als der Hauptwelle 22 gilt φ = 0 am linken Totpunkt.

^k" ^: ^h die Arbeitskammern 116, 118 bilden jeweils Gemäß F ig. 7 b erfolgt die Regelung der Abtnebs-

^{m ä} '^n Wärmemotor, denen e^:n gemeinsamer Gas- leistung des Motors durch Regeln der Menge der

* Cirher in Form eines Kühlers 46 zugeordnet ist. Gaszufuhr in die Primärkammer über eine Steuerung

⁸⁸ £ λI Motor (Arbeitskammern 112, 114) und der 5 der Schaltstellung »I«. Die maximale Leistung wird

^Uf £Motor (Arbeitskammern 116, 118) besitzen jeweils hier im Fall der Kurve 128 erzielt, bei der die der

^iaS * riocne Heizvorrichtung 30a bzw. 30 b und einen Schaltstellung »I« entsprechende Strömungsverbin-

_rte ; aw «* _rator 2g α bzw. 28 b. Der Flügel 108, dung bei einem bestimmten Kurbelwinkel, der - -einer

f^in den Primärkammern 112, 116 oszilliert, ist als 180° ist, unterbrochen wird. Wenn di* nter-

%r er als der Flüge! 110. Das maximale Volumen io brechung der Strömungsverbindung verzögert wird,

Tprimärkammern 112, 116 ist daher (wie beim wie durch die Kurve 130 angedeutet, nimmt da* Ge-

Ccfnhmncsbeispiel gemäß Fig. 1) kleiner als das samtdruckverhäitnis des Arbeitszyklus ab, und die

*S Sekundärkarnmern 114, 118. Die gesamte Win- mechanische Abtriebsleistung/Arbeitszyklus wird

^fjhLesune der oszillierenden Welle 106 ist auf ebenfalls kleiner. Die Verzögerung kann sich, falls

^* nfeer als 180° beschränkt. Die vier Ventile 56 α, 15 erforderlich, bis zu Kurbelwinkeln φ > 180 er-

"⁸ ' IfeÄÄ 58a, 58b können von beliebiger Bauart sein strecken.

^ier ! ^"Tteisojelsweise an einer rotierenden Welle, die Bei dieser Regelungsmethode stellt der Kuhler 46

^tr~ —«Her Welle 22 in Phase ist, angebracht und in der einen »Totraum« dar, wenn die Gaszufuhr nicht ent-

^[ Tcnen Weise wie im Fall gemäß F i g. 1 beirieben sprechend der idealen Kurve 128 in Fi g. 7 b beendet

^; - rAMi Der doppeltwirkende Wärmemotor kann *o wird. Der »Totraum« ist nur während eines Bruch-

^en Il Vrt ausceleet werden, daß er während der Hälfte teils des Arbeitszyklus mit der Primärkammer 12

_en "^er p_eriode einer 360°-Drehung der Welle einen verbunden. Die Steuerung kann mechanisch erfolgen,

«Liven Betrag mechanischer Leistung an die um- beispielsweise mit Hilfe eines axial beweglichen

^Cn ι fTnrle Welle 22 abgibt. Vorzugsweise wird ein dreidimensionalen Nockens, wenn ein Nocken,

T l^arhwunErad an der Abtriebswelle oder einer mit der 25 Nockenfolgeglieder und Tellerventile verwendet

^er SSSScIIe verbundenen Welle angebracht. werden, oder in der Weise, daß das äußere Ventil-

V Rci dem aus Fig. 6 ersichtlichen Wärmemotor gehäuse eines rotierenden Ventils gsdreht wird.

«Heiner Mehrzvlinderanordnung sind vier getrennte Bei der anderen Regelmethode gemäß F ig. 7 b

ien mil eint 1 ""··'. .. _„ , _._r' . .·_ · :i„ ...:.j j:„ j„, ck.lhioiltino »Is <»nt«:nre.chende Stro-

er Menr/Vlinuciauuiuiiuiig oiiiu v».i gwutiiiii«. w».· ~w. v...»..-.. _o ^ ijc.··

SJtszvlinder 20 α bis 20 </ vorgesehen, die jeweils wird die der Schaltsiellung »I« entsprechende Stro-

^Ch iS* dem Motor gemäß Fig. 4 einen konstanten 30 mungsverbindung früher als normal geschlossen, was

aem mim 1 _B b i;„;„m ,n^H^ntpt ist Herbei ist der

22 anniU.ll UHU ··. C t,

id- Querschnitt besitzen. Jeder Arbeitszylinder 20 α bis durch die Linie 132 angedeutet ist. Hierbei ist der m- 20 d besitzt einen eigenen Regenerator 28 α bis 28 d, Massenstrom durch den Motor im Vergleich zu der icn während die Heizvorrichtung 30 teilweise gemeinsam ersten Regelmethode kleiner, während das Gesamtin- und der Kühler 46 vollständig gemeinsam für samt- druckverhältnis des Arbeitszyklus größer (und somit zn- liehe Arbeitszylinder 20 α bis 20d vorgesehen ist. 35 der Wirkungsgrad etwas kleiner) ist. id. Der Kühler 46 ist im Abstand zu den Arbeitszylin- , Die aus F i g. 7 c ersichtliche zweite grundsätzliche nte dem 20α bis 20 t/ angeordnet, ohne daß dadurch ein Methode zum Regeln der Arbeitsleistung dürfte im ein »Tölraum«-Naäiieil in Kauf genommen werden allgemeinen weniger vorteilhaft sein. Die der Schaltie- muß, was insbesondere bei Anwendung für Krafi- stellung »HI« entsprechende Strömungsverbindung juf fahrzeugzwecke von Vorteil ist. Die Ventile 56, 58 40 wird normalerweise bei einem Kurbelwinkel geöffnet, Icn des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 sind beim bei dem die Wiederverdichtung in der Sekundärgs- Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 zu Dreiwege- kammer einen Grad erreicht hat, bei dem der Gasine ventilen 124a bis 124rf vereinigt, die nockenge- druck gleich dem Druck im Kühler ist (Kurve 134). ige steuerte Tellerventile, linear bewegliche Ventile oder Dadurch, daß die der Schaltstellung »III« entsprefotierende Ventile, die von der Hauptwelle 22 an- 45 chende Strömungsverbindung verzögert geöffnet wird us- getrieben werden, sein können. Es werden Kegelrad- (wie beispielsweise durch die Kurve 136 angedeutet), in- Zahnräder 96, 98 und 100 benutzt, um einen guten kann sich in einer zweiten Arbeitskammer zusätz-1 ise Momentenausgleich und kleine Kolbenseitenkräfte licher Druck aufbauen, ehe das komprimierte Gas in ien. zu erhalten. An der Hauptwelle 22 ist ein einziges irreversibler Weise in den Kühler 46 strömt. Die tor Schwungrad 126 befestigt, wobei bei zwei gegensin- 50 Folge einer solchen Verzögerung ist eine Verringeabnig umlaufenden Zahnrädern vorzugsweise zwei rung der abgegebenen Nutzleistung je Arbeitszyklus mit gegensinnig umlaufende Schwungräder verwendet sowie eine Verringerung des thermodvnamischen ird werden, um die möglicherweise starken Kreiselwirkun- Wirkungsgrades, die von der Irreversibilität der ■ier gen auszuschalten. Die Arbeitskolben sind um 90° Strömung herrührt.

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

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

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

nis Henkelten zur Regelung der Abtriebsleistung eines eines Rückschlagventils gesteuert wird. Zur Stcue-

t2, Wärmemotors ersichtlich, und zwar durch Änderung runi* kann ein entsprechend ausgebildetes Rück-

der öffnungs- und Schließeigenschaften der Ventile. 60 schlagventil verwendet werden, das einen veränderist So weist der Wärmemotor gemäß F i g. 7 a an Stelle liehen Gegendruck eines hydraulischen oder pneu-06 der beiden Ventile 56, 58 gemäß F i g. 1 ein Vier- matischcn Kreises benutzt. Solch eine Regelungs-22 wegeventil 124 auf, dessen verschiedene Schaltstei- methode ist verhältnismäßig einfach und wird daher 24 lurtgen mit »I« (Gaszufuhr in die Primärkammer 12), gegenüber einer direkten mechanischen Steuerung ab- »li« (Gasaustausch von der Primärkammer 12 in die 65 bevorzugt.

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

cg- mung aus der Sckundärkammer 14 in den Kühler 46) weise bei φ = 180° geschlossen, wie durch die

116 bezeichnet sind. Hinsichtlich des Kurbclwinkcls φ Kurve 138 in Fig. 7c gezeigt. Wenn dieses Schließen

18

statt dessen verzögert (wie durch die Kurve 140 dargestellt) und die Strömungsverbindung »II« in üblicher Weise geöflnet wird, wird der Druckabfall des Gases in den Kammern 12, 14 während des Rückwärtshubs verhindert, und Gas wird aus dem Kühler 46 durch die Leitung 52 in die Kammern 12, 14 abgezogen. Diese Regelungsmethode entspricht im wesentlichen der in Fig. 7b durch die Kurve 130 dargestellten und kann für bestimmte Anwendungszwecke besonders zweckmäßig sein.

Bei der Leistungsregelungsmethode gemäßFig.7d wild schließlich der Öffnungszeitpunkt der Strömungsverbindung »II« vom idealen Zeitpunkt (dargestellt durch die Kurve 142) auf einen späteren Zeitpunkt (dargestellt durch die Kurve 144) verschoben. Bei dieser Regelungsmethode wird zwar auf Grund der irreversiblen Strömung in die Sekuodärkammer 14 Entropie erzeugt; die Regelungsmethode kann jedoch dann von Vorteil sein, wenn es darauf ankommt, den Motor rasch anzuhalten oder zu verlangsamen.

Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispicle betreffen Kältemaschinen, und zwar sowohl solche mit offenem Kreislauf als auch solche mit geschlossenem Kreislauf. Es seien zunächst die thermo' dynamischen Vorgänge der Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf an Hand des Durchschnittsgasmodells erläutert. F i g. 8 zeigt den geschlossenen thermodynamischen Kreislauf an Hand des Durch- ^chnittsgasmodells (staik idealisiert). Grundsätzlich arbeitet die Kältemaschine in der gleichen Weise wie der Motor, mit dem Unterschied jedoch, daß der Wärmetauscher 30 nun ein einfacher Kühlleistungswärmetauscher 30 ist, dessen Temperatur niedriger als diejenige im Kühler 46 ist, und daß der Welle 22 (in Fig. 1) mechanische Energie zugeführt statt entzogen werden muß. Die Kältemaschine gemäß F i g. 8 bezieht sich auf einen Fall, bei dem der Druck während des Gasaustausches abnimmt, das heißt, auf einen Faii. bei dem der wirksame Querschnitt der Sekundärkammer mindestens so groß wie der der Primärkammer ist.

Das Durchschnittsgaselement verläßt den Kühler 46 (bei einer Anordnung gemäß Fig. 1) in einem thermodynamischen Zustand, der durch den Punkt 146 (F i g. 8) angedeutet wird. Das Arbeitsgas strömt danach durch den thermischen Regenerator (gewöhnlicher thermischer Regenerator oder Gegenstromwärmetauscher mit zwei Einwegkanälen) längs der Linie 148 konstanten Drucks zu einem Punkt 150, der im Idealfall 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 erfolgt, zu dem Punkt 158 zurück, der die gleiche Temperatur wie der Punkt 150 hat. Die der Kühlleistung entsprechende Wärmemenge, die von dem Gaselement/Masseneinheit aufgenommen wird, wird durch die Fläche unter der Linie 156 in einem Tcmperatur-Entropie-Schiaubild mit linearer Tcmperaturkoordinate dargestellt (in Fig. 8 wird eine logarithmische Temperaturkoordinate verwendet). 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 haL

Ehe der Rückwärtshub beendet wird, erfährt das
Durchschnittsgaselement eine zusätzliche Expansion
längs einer Isotrope 162 zu dem Punkt 164, der den
niedrigsten Druck dieses idealen Kreislaufs haL Die
Wiederverdichtung erfolgt im Idealfall längs der
Linie 166 zum Punkt 168, dessen Druck mit dem
Druck des Punktes 146 idenüsch ist. Das Gaselement

xo wird schließlich im Kühler längs der Isobare bis zum
Punkt 146 gekühlt, und der thermodynamische
Kreislauf ist geschlossen.

Bei dem idealisierten Kältemaschinenmodell gemäß F i g. 8 wird die Kühlleistung in einem getrenn-

ten Wärmetauscher 30 aufgebracht. In der Praxis ist
selbstverständlich kein derartiger getrennter Wärmetauscher erforderlich, ynd die Kühlleistung kann beispielsweise unmittelbar an die Wände der Primärkammer oder an andere Wärmetauschflächen, mit

denen das Arbeitsgas in Berührung ist, abgegeben
werden. Dasselbe trilft zu für die Wärmeabgabe im
Kühler. Ein Teil der Wärmeabgabe oder die gesamte
Wärmeabgabe könnte in einem Wärmetauscher erfolgen, der in der Sekundärkammer oder in der Gas-

leitung rechts von dem thermischen Generator angeordnet ist; die Wärmeabgabe kann jedoch auch
einfach drrch Kühlen der Wände der Sekundärkammer erfolgen. Aus bereits erwähnten Gründen
wird der größere Teil des Kühlers jedoch im Fall des

geschlossenen Kreislaufs vorzugsweise in der Sammelkammer angeordnet.

F i g. 9 zeigt eine Kältemaschine mit offenem
Kreislauf ohne Kühlleistungswärmetauscher, bei dem
Kaltgas nach außen abgegeben wird. Diese Kälte-

maschine ist besonders geeignet zum Kühlen eines
geschlossenen Gasvolumens (Luft) und gibt die absorbierte Wärme dieses Gasvolumens an ein Gas ab,
das sich außerhalb des eingeschlossenen Volumens
befindet (die Umgebungsluft). Es sei angenommen,

daß das eingeschlossene Volum?» ein Gas ciuliäh.
das wesentlich kälter als die Umgebungsluft ist. Zur
Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades ist die
Kältemaschine mit zwei thermischen Regeneratoren
und 170, einem an dem eingeschlossenen VoIu-

men angeschlossenen Einlaß 172 zu-n Zuführen von
»kaltem« Gas, einem mit der Atmosphäre verbundenen Einlaß 174 zum Zuführen von »warmem« Gas,
einem mit dem eingeschlossenen Volumen verbundenen Auslaß 176 zum Abführen von »kälterem« Gas

und einem mit der Atmosphäre verbundenen Auslaß

zum Abführen »wärmeren« Gases versehen. Die

notwendigen Ventile sind hier als fünf Zweiwcge-

vcntile ISO, 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 wird
dann »warmes« Gas aus dein Einlaß 174 durch das

Ventil 184 und die beiden Regeneratoren in die Primärkammer 12 geleitet. Die rechte Seite des Regenerators 170 besitzt im stationären Zustand eine Temperatur, die im Idealfall in der Nähe der Temperatur

; des Gase von Gas liebigen i j am Ende diesem Fi kammer 1 Wenn di kammer 1 Durchmeiden Einl. seinen Vo wärtshutv 180 dem tausch m Primärkai über das führungsf Rückwärt geführt ■ zunähme samtwirk Das k außen ab ratur auf Temperai nach auß til 180 ge das durcl sein.

Wenn der Gast folgt, soli drs Vent Ablassen til 186 ii kann, fir Ventil 19 den Ges Aus dies« vermjedci Währei geöffnet, mer 14 d; und das > abgeführt schlagven oben crw Bei die intermittii wendung wird, mu Regenera maschine dem Reg Atmosphi det, das Regenera rechtzucr umgewan welle üii 1 Die Ki Fig. K) bau als c einen Re laß 176 2 Auslaß 1 Ventile 1 faches D

maß
beides Gases in dem Einlaß 174 liegt. Die Zuführung von Gas durch den Einlaß 174 kann zu einem beliebigen 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 574 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 Ausfübrungsform kann der Gasaustausch während des Rückwärtshubs, ehe Gas durch den Auslaß 176 abgeführt wird, stattfinden, wodurch die Entropiezunahme geringer und der thermodynamisch^ 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 stattfindet, ehe der Gasaustausch während des Rückwärtshubs erfolgt, sollte das Ventil 190 nicht geöffnet werden, bis drs Ventil 180 geschlossen ist. Wenn während des Ablassens des kalten Gases kein Gas durch dns 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 soihe 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 autgebracht, und Gas aus der Atmosphäre wird in dem Arbeitszyklus dazu vervvendet, 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 Fig. 9 auf und besitzt nur einen Regenerator 28, einen Einlaß 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 Su gemäß Fi g. 1 ist.

Gemäß einer der möglichen Betriebsweisen, bei der das Querschnittsverhältnis der Arbeitskammern beliebig sein kann, wird die Zufuhr von Gas durch den Einlaß 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 Wiedervcrdichlung 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 kalte 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 »Kaltgasablaß:.trömung« 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 Rückwärts'nubs (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 14. Bei dieser Vorrichtung kann das Ablassen von kaltem 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 Minimum hat, das heißt, das Zuströmen von Gas in die Sekundärkammer 14 wird ein reversibler Vorgang. Der richtige Zeitpunkt, zu dun der Gasaustausch eingeleitet wird, wird durch das Ventil 192 sichergestellt, das in üblicher Weise in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Welle 22 gesteuert werden kann.

Die Kältemaschinen gemäß Fig. 10 und 11 können mittels eines komprimierten Arbeitsgases oder durch die Kombination aus komprimiertem Arbeitsgas und an die Welle 22 abgegebener mechanischer Leistung angetrieben werden. Wenn keine mechanische Energie an die Welle 22 abgegeben wird, wird das Arbeitsgas expandiert, wenn es durch die Kältemaschine strömt, und der Auslaßdruck ist dann

kleiner als der Einlaßdruck. 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 Anwendung 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 einströmende Gas zunächst zu kühlen. Die Kühlleistung wird am Wärmetauscher 30 abgenommen. Eine dritte Arbeitskammer 200 dient dazu, den zweiten Expansionsschritt während des Gasaustausches 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 von der Winkelstellung der Welle 22) dient dazu, die Gasaustauschslrömung 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 Ausiaßieitung 196) ist, wenn das Überströmen in die dritte Arbeitskammer 200 beendet ist.

Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen weist auch der Regenerator gemäß Fig. von rechts nach links ein abfallendes Temperaturprofil 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 Temperaturprofil 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 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 Vorwärtshubs wird der Primärkammer 12 Gas zugeführt; 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 Wärmetauschei 30 als auch den Regenerator 28 wegzulassen, jedoch ein zusätzliches Ventil vorzusehen, mit dem das Ablassen von kaltem Gas aus der Primärkammer 12 gesteuert werfen kann. Die Kühlung ίο würde in solch einer Kältemaschine nur in einem Schritt erfolgen, und zwar während des Überströmens 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 wirf die Primärkammer 12 mit Gas gefüllt; während des ersten Rückwärtshubs wird die Sekundärkammer 14 von ao der Einlaßleitung 194 mit Hilfe des Ventils 56 (das 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 wirf die Primärkammer 12 erneut gefüllt; während des zweiten Rückwärtshubs schließlich wird die dritte Arbeitskammer 200 durch die Auslaßleitung 196 entlüftet. Da diese Kältemaschine nach Beendigung des Rückwärtshubs mit dem gesamten Gasdruck der Druckquelle in der Sekundärkammer 14 arbeitet, sollte das Druckverhältnis dieser Vorrichtung kleiner als das der zuvor 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, zweistufiger Kühlung und drei Arbeitskammem. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden zwei Regeneratoren 28 und 204 verwendet, und es ist eine zusätzliche Priinärkammcr 206 vorgesehen, die von dem sich hin- und herbewegenden Kolben und einem Zylinder 207 gebildet wirf und deren wirksamer Querschnitt größer als der des Zylinders 209 ist, der die »kalte« 50 Primärkammer 12 bildet.

Die Primärkammern 12 und 206 können auch aus dem gleichen Zylinder konstanten Durchmessers hergestellt, und es können die entsprechenden Kolben ebenfalls mit dem gleichen Durchmesser versehen SS werfen, was den mechanischen Aufbau der Vorrichtung wesentlich vereinfacht. Die Betriebsweise einer solchen Vorrichtung erfordert, daß die Zufuhr von Gas in die Primärkammer 12 vor dem Ende des Vorwärtshubs beendet wirf, und sie ist femer durch 60 einen Druckanstieg während des Überströmens in die Sekundärkammer 14 gekennzeichnet.

Bei einer Betrachtung dieser Kältemaschine kann angenommen werfen, daß der Regenerator gemeinsam mit der größeren Primärkammer 206 den ersten 65 Kühlschritt liefert, wogegen die Abgabe der Kühlleistung den »zweiten« Schritt darstellt (Wärmetauscher 30 usw.). Die kältere Primärkammer kann somi· as die Primärkammer einer Kelte

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maschine angesehen werden, deren Arbeitskammer 206 die Sekundärkammer bildet.

Um diese Kältemaschine als Kältemaschine mil 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 Riickwürlshubs entlüftet wird, kann auf den Regenerator 28 verzichtet werden, und es wird an seiner Slellc ein Ventil vorgesehen, das ein Rückströmen aus der Primärkammer 12 verhindert, wenn das Gas von der Arbeitskammer 206 in die Sckundärkammer 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. Kinc Anordnung dieser Bauart kann für Wärmepumpen von großem Interesse sein, bei denen gleichzeitig kaltes Gas (durch eine Ablaßleitung) und warmes Gas (durch die F.nllüflungsleitung 52) erzeugt wird.

Fig. 14 zeigt eine Kältemaschine mit einem Dreischrittkühlverfahren, bei der drei Priniärkainmcrii 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 Primärkammcr 208, die ihrerseits größer ist als die Primärkammer 12, um die richtige Abstufung zu erhallen. Der Regenerator 214 ist vorzugsweise größer als der Regenerator 2112, 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 tier Primärkammer 12 stattfinden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Zustrom von Gas in diese Primärkammer 12 mit Hilfe des zusätzlichen Ventils im richtigen Augenblick des Vorwärtshubs unterbrochen wird.

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

Bei dem Ausführungsbeispie! eines I ufttnickncrs 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 »KaltgasablaB«, bei der die Kühlleistung die Vcr damplungswärmc darstellt, die in dem Regenerator oder der Primärkammer freigesei/i wird. Das Kcgclznhnrad 98, das mit der Hauptwelle verbunden ist, treibt die Welle 216 mit großer Drehzahl an und übt auf die Regeneratoren 28 (zwei oder mehr) eine große radiale Beschleunigung aus. Hin »Verteilerkasten« gibt das Gas aus den rotierenden Leitungen 220 an die stationäre Leitung 222 weiter. Die Flüssigkeit kondensiert in den Regeneratoren 28 und wird auf Grund der Zentrifugalwirkung durch kleine Öffnungen oder getrennte Rückschlagventile 224 aus

ίο den Regeneratoren gelrieben.

Die Ausbildung der Regeneratoren als kiusförmige zylindrische Rohre mit Ilachen Hndplatten ist besonders vorteilhaft, wobei die Rohre mit einer großen Anzahl von Drahtnetzen oder Metallplatten mit kleinen Ölinungen zum Durchtritt des hin- und herströmenden Gases gefüllt sind. Die Rückschlagventile 224 weiden vorzugsweise derart ausgelegt, daß sie nur durch die Zentrifugalkräfte der kondensierten Flüssigkeit im Regenerator geölTnel werden, obwohl der Gasdruck während des Zyklus veränderlieh ist.

Die Kältemaschinen mit olTenctn Kreislauf /ur Trennung von kondensierbaren Substanzen können in der Weise abgewandelt werden, daß sie stall der thermischen Regeneiatoren der üblichen An Gegenstromwärmetauscher mit entsprechend angepaßten Ventilen enthalten. Die Verwendung von Gegcnslromwärmetauschern mit F.inwegkanälen könnte Schwierigkeiten umgehen, die damit z.usammenhängen, daß die kondensierte Flüssigkeit in dein gemeinsamen Regenerator, der beispielsweise aus Drahtnetz oiler kleinen runden Steinen besteht, wiederverdampfl wird, wenn das Gas von dor Primärkammer in die Sekimdärkammer überströmt. Solche Anordnungen werden an Hand der Fi g. 15 b bis I .S f beschrieben.

Fig. 15b /cig! die normale Anordnung des thermischen Regenerators bezüglich des Ventils 56. Fig. 15c zeigt eine Abänderung, bei welcher der Gegensiromwärnictauscher 228 vorgesehen ist und das einzige Ventil 56 (F" ig 1) durch zwei Ventile 230, 232 ersetzt wird. Durch die richtige Betätigung dieser Ventile wird sichergestellt, daß die Strömung in dem oberen Zweig immer von rechts nach links und im unteren Zweig immer von links nach rechts gerichtet ist.

Fig. 15 d zeigt, wie das Ventil 230 /ur linken Seite des Wärmetauschers versetzt werden kann. Bei dieser Anordnung stellt das Volumen ties oberen

₅„ Kanals des Wärmetauschers keinen »Toiraum« dar; diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dall das Ventil 230 in einem NicdcricmpcraUirbcreich arbeiten kann.

Fig. 15e zeigt ein weiteres Ausführiingsbcispiel bei dem zwei Rückschlagventile 234. 236, welche dii richtige F.inwcgströmung sicherstellen, vorgeseher sind und das Ventil 56 als Dreiwegeventil ausgebilde ist.

Fig. 15 f schließlich zeigt die kombination eine Regenerators üblicher Bauart mit einem Gcpensirom wärmetauscher, wobei «lic beiden Ventile 230. 23i beidscils des Wärmetauschers angeordnet sind

Wenn diese V01 richtungen zum Trennen voi Kondensat verwendet werden i,l>ciNpichweise ^a'

J₅ l.iiftlrovkner). wird der FlüssigVcitsabnuß voizug? weise im oberen Kanal der in Fig 15c bis I5f gt zeigten < icgcnslromwärniclauNcher angeordnet

1 fici /ti *) Blatt Zeichnungen

509 61

Claims (27)

2 109 89t .3 Patentansprüche:

1. Thermodynamische Maschine als Kältemaschine oder Wärmemotor, die eine von einem ersten 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 junter Austausch von mechanischer Arbeit mit einem äußeren System ausgesetzt sind und die Maschine Einrichtungen für den Wärmetausch mit dem kompreisiblen Arbeitsmedium aufweist, das üher diese Etnrichtung geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strom des Arbeitsmediums von einem außerhalb der Kammern (12, 112,1Ί, 114) der Maschine liegenden Gasspeicher (Φ») zur Primärkammer (12, 112) ein Regenerator (28, ao 228, 170, 204, 212, 214) angeordnet ist, daß eine Einström- und eine Überführungsvmtilanordnung(56, 192, 124, 190, 232, 236) vorhanden ist, von denen die letztere wenigstens ein:n 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 a, 108, 16 6, 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, 1124) zur Entleerung der Sekundärkammer vorgesehen ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmventilanordriung (56, 192,124, 184, 230, 234) so gesteuert ist, daß Gas vom Gasspeicher (46) in die Primäikammer (12, 112) während einer vorbestimmten eisten Zeitperiode, die wenigstens einem Teil des Vorwärtshubs des ersten Kolbens (16 a, li}8) entspricht, geführt wird, während die Überfiihrungsventilanordnung so gesteuert ist, daß (las zwischen den Kammern während einer vorbestimmten zweiten Zeitperiode, die wenigstens einem Teil des Rückwärtshubs des ersten Kolbens (16 a, 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 Vcrbindungsweg zwischen Primär- und Sekundärkammeir angeordnet ist und daß das Ausströmventil (58) für die Sekundärkammer wenigstens während eines Teils des Vorwärtshubs des ersten Kolbens (16 α, 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 der 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 »/· des Vorwärtshubs entspricht.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitperiode etwa 75 Ve des Vorwärtsbubs 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) Kr 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 Wärmsbelastung 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.

Yl. 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 Wellenteil 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-

3 4

schiedenen Kammerabschnitte während wenig- der Primärkammer während eines anderen Teils

stern eines Teils des ganzen Bewegungszyklus des Rückwärtshubs vorgesehen ist.

der " Koibeneinheit gegenseitig verbunden sind

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

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 KgI-Ablasscn eines Teils des in die Primärkanuner ben, der mit dem ersten Kolben gekuppelt ist, teileingeführten Arbeitsmediums unter gleichzeiti- weise begrenzte Sekundärkammer aufweist, wobei gem Abschließen der Cberführungsventilanord- 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 \erschiedene 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- so dem neuesten Slirlingmotor 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. Stirlingmotorcn 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 Wirkungsgrades und einer entsprechenden Kolbcnteil aufweist, wobei das geringen Geräuschentwicklung. Sie haben ferner den Volumen der beiden Sekundärkammern eine Vorteil, daß sic mit einer großen Anzahl verschiedegegenseitige Phasenverschiebung von im weent- ner flüssiger und gasförmiger Brennstoffe betrieben liehen 180° aufweist und wenigstens während 30 werden können. Die Stirlingmotoren sind nolwendieines Teils des Arbeitszyklus ein Druckunter- gerweise mit thermischen Regeneratoren ausgerüstet. schied zwischen diesen Kammern aufrechterhal- um einen hohen thermudynamischen 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) ver- 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 1 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 Kolbenbewegunp 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, derart, daß der »Tot-Systeme mit Primär- und Sekundärkammern und raum« verhältnismäßig klein gehalten wird, daß jeentsprechenden Kolbeneinheiten (Fig. 5 und 6) doch der Temperaturunterschied zwischen dem aufweist, welche in ähnlicher Weise wie die erste flüssigen Kühlmittel und dem Arbeitsgas verhältnis-Kammer und die Kolbeneinheiten arbeiten, wobei mäßig groß gewählt wird; man erhält somit ein die Kolbencinheiten der verschiedenen Systeme 50 kleineres Gesamttemperaturverhältnis und einen an eine gemeinsame Antriebswelle (106, 22) gc- niedrigeren thermodynamischen Wirkungsgrad, als kuppelt sind. dies sonst möglich wäre. Weitere Gründe, warum

25. Maschine nach einem der Ansprüche 1 Heißpasmaschinen heutzutage nicht weit verbreitet bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die ver- sind, sind ihr großes Gewicht und ihr verhältnismäßig schiedenen Kammersysteme mit 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 Heistelliingsder Primärkammer zur Sekundärkammer teil- kosten, ihrem verhältnismäßig geringen Leislungsweise während des Vorwärtshubs stattfindet. Gewichtsverhältnis 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 Arbeitsgas. 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 IiIvorrichtung (180) zum Ablassen von Gas aus Motor mit geringer Abgasverschmutzung stärker