DE2220404A1

DE2220404A1 - Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2220404A1
Application number: DE2220404A
Authority: DE
Inventors: Onno Dipl Ing Syassen
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1972-04-26
Filing date: 1972-04-26
Publication date: 1973-11-15
Also published as: SE383383B; US3832935A

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 89 Augsburg, Stadtbachstraße 1

P. B. 2675 / 1095 Augsburg/ den 1 5. APR. 1972

Hubkolbenmas chine

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Heißgasmaschine, mit einer hin- und hergehenden Kolbenstange_s die in einem einen unter Gasdruck stehenden Arbeitsraum begrenzenden Gehäuseteil gasdicht geführt ist und die mit einem den ab« zudichtenden Arbeitsraum abschließenden Kolben in Verbindung steht.

Zur Erzielung befriedigender Betriebsverhältnisse bei HeißgasmascM« nen soll das Arbeitsmedium in stets gleicher Menge und relativ rein von den Wärmetransport beeinträchtigenden Stoffen zur Verfugung stehen.

Aus der DT»PS 1 198 626 ist nun eine Heißgasmaschine der eingangs erwähnten Art bekannt, bei der zur hermetischen Abdichtung des kalten Arbeitsraums eine einerseits mit der Kolbenstange und andererseits mit dem umgebenden Gehäuseteil festverbundene Rollmembran Ver« wendung findet. Das mit der Kolbenstange verbundene Ende der Rollmembran macht die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange mit. Der mittlere Bereich der Rollmembran wird hierdurch bei jedem Hub der Kolbenstange hin- und her gebogen. Dies führt sehr schnell

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zu Ermüdungserscheinungen im Rollmembranmaterial und somit zu einer sehr kurzen Standzeit der Rollmembrandichtung. Durch ein häufiges Auswechseln dieser Dichteinrichtung ergibt sich jedoch ein hoher Wartungsaufwand und lange Stillstandzeiten der Maschine,

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Hubkolbenmaschinen der eingangs erwähnten Art den Wartungs aufwand zu verkleinern und die Standzeit der Kolbenstangenabdichtungen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem die Kolbenstange auf» nehmenden Gehäuseteil wenigstens eine feststehende Dichtpackung angeordnet ist, der auf der dem abzudichtenden Arbeitsraum gegenüber liegenden Seite eine mit Druckflüssigkeit beaufschlagte Druckkammer vorgeschaltet ist und dadurch, dais der Arbeitsraum über eine Flüssigkeitssammelleitung von Flüssigkeit entleerbar ist. Hierdurch wird das auf der einen Seite der Dichtpackung unter Druck anstehende Arbeitsmedium durch die auf der anderen Seite der Dichtpackung anstehende Druckflüssigkeit daran gehindert in die Dichtung einzudringen und ins Freie zu entweichen« Außerdem ergibt sich infolge einer etwa schmierenden und kühlenden Wirkung der Druckflüssigkeit ein äußerst geringer Verschleiß der feststehenden Dichtpackung, so daß über lange Standzeiten hinweg die Einhaltung einer zulässigen Dichtspaltbreite sichergestellt und eine ausreichende Dichtwirkung gewährleistet ist. Durch die an den abzudichtenden Arbeitsraum angeschlossene Flüssigkeitssammelleitung kann ferner etwa in den kalten Arbeitsraum gelangte Leckflüssigkeit wieder ins Freie abgeleitet werden. Hierdurch wird eine Reinhaltung der Maschine von den Wärmeübergang beeinträchtigenden Stoffen erreicht, da die in den Arbeitsraum gelangte Leckflüssigkeit hieraus entfernt wird, bevor sie etwa vom Arbeitsmedium

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mitgerissen und etwa im Kühler abgelagert wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Anschluß der FlüssigkeitsSammelleitung trichterförmig ausgebildet. Hier« durch besteht die Möglichkeit, über längere Zeiträume hinweg die in den Arbeitsraum eingedrungene Leckflüssigkeit in der trichterförmigen Anschlußstelle zu sammeln und in einem Arbeitsgang hieraus abzuziehen. Ferner ergibt sich hierdurch ein guter Zulauf zur Flüs» s igkeits Sammelleitung.

In vorteilhafter Weise kann in der Fluss igkeits Sammelleitung ein beid« seitig verschließbarer Sammelbehälter vorgesehen sein. Hierdurch kann unabhängig voneinander einmal eine Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem Sammelbehälter und dann zwischen dem Sammelbehälter und der Atmosphäre hergestellt werden, so daß es möglich ist, die in der trichterförmigen Anschlußstelle der Fluss igkeits samm el«· leitung anstehende Flüssigkeit während des normalen Betriebs der Ma« schine ohne wesentliche Verluste an Arbeitsmedium abzuziehen. Bei einer automatischen Betätigung der den Sammelbehälter isolierenden Absperrventile lassen sich die Verluste an Arbeitsmedium dadurch nahezu vollkommen vermeiden, daß die Verbindung zwischen dem Ar·· beitsraum und dem Sammelbehälter jeweils zu dem Zeitpunkt herge» stellt wird, zu dem nahezu das gesamte Arbeitsmedium aus diesem Raum verdrängt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Boden des abzudichtenden Arbeitsraums im Bereich des Anschlusses der FJüssigkeitsSammelleitung eine Kühleinrichtung vorgesehen. Hier· durch wird erreicht, daß die in den Arbeitsraum eingedrungene Leck··

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flüssigkeit in einem Temperaturbereich gehalten wird, in dem der Dampfdruck niedrig ist, so daß der Anteil an Dampf der Druckflüssigkeit im Arbeits gas raum besonders klein wird. Die Kühleinrichtung bietet demnach die sichere Gewähr, daß die Verunreinigung des Arbeitsmediums mit Dampf der als Druckflüssigkeit verwendeten Flüssig« keit eine zulässige Größe nicht überschreitet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unter an Sprüchen.

Mit 1 ist hierbei ein Zylinder eines Heißgasmotors bezeichnet. Im Zylinder 1 ist ein Kolben 2 bewegbar geführt, der einen sogenannten heißen Arbeitsraum 3 von einem sogenannten kalten Arbeitsraum 4 trennt. Jeder heiße Arbeitsraum ist unter Zwischenschaltung jeweils eines Erhitzers, eines Regenerators und eines Kühlers über eine Leitung 5 mit einem kalten Arbeitsraum verbunden. Im heißen Ar-

o beitsraum hat das Arbeitsmedium eine Temperatur von etwa 700 C, im kalten Arbeitsraum etwa 50 bis 70 C. Der Kolben 2 ist mit einer Kolbenstange 6 verbunden, die über eine Bohrung 7 aus dem kalten Arbeitsraum 4 herausgeführt ist. In der Wand der Bohrung 7 ist auf der dem kalten Arbeitsraum 4 zugewandten Seite eine Dichtpackung vorgesehen, die durch mehrere, hintereinander angeordnete Dichtringe gebildet wird. Die Dichtringe, beispielsweise Kunststoffringe, werden durch den Arbeits gas druck und/oder eine Federvorspannung an die Kolbenstange 6 angedrückt. Durch die Dichtpackung 8 wird der kalte Arbeitsraum 4 nahezu vollkommen von der Atmosphäre abgeschlossen. Der Dichtpackung 8 ist auf der dem kalten Arbeitsraum gegenüberliegenden Seite eine Druckkammer 9 vorgeschaltet. Die

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Druckkammer 9 wird durch eine rund umlaufende Nut in der Wand der Bohrung 7 gebildet. Von einer Pumpe 10 wird über eine Druckleitung in vorteilhafter Weise Wasser in die Druckkammer 9 gedrückt. Wasser ist eine sehr billige Flüssigkeit, die jedoch, zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile voll ausreichend ist. Außerdem besteht hierbei keinerlei Entzündungsgefahr für etwa mit heißen Gegenständen in Berührung kommendes Leckwasser. Es können jedoch auch andere Flüssigkeiten, beispielsweise Silikonöl oder Polyphenyläther, als Druckflüssigkeit Verwendung finden. Es ist lediglich darauf zu achten, daß die Druckflüssigkeit einen definierten Siedepunkt oder einen sehr engen Siedebereich aufweist und die Eigenschaften des Arbeits mediums hierdurch nicht verändert werden. Das in der Druckkammer 9 unter Druck anstehende Wasser wird durch die Dichtpackung 8 am Eindringen in den kalten Arbeitsraum 4 und durch die beispielsweise durch einen O-ring gebildete Dichtzone 12 am Austreten in die Atmosphäre gehindert. Die Dichtzone 12 verhindert also einen großen Verlust an Druckwasser. Außerdem werden etwa an der Kolbenstange anhaftende Schmutzteilchen an dieser Stelle abgestreift und am weiteren Vordringen in Richtung des kalten Arbeitsraums 4 gehindert. Zu diesem Zweck kann in vi
gesehen werden.

Zweck kann in vorteilhafter Weise ein zusätzlicher Abstreifring vor-

Zur Ableitung von Leckwasser, das in den kalten Arbeitsraum 4 gelangt ist, ist eine den kalten Arbeitsraum 4 mit der Atmosphäre ver·» bindende Fluss ig keits Sammelleitung 13 vorgesehen. In der Flüssigkeits· Sammelleitung 13 ist ein Sammelbehälter 14 angeordnet, der durch das Ventil 15 gegenüber dem kalten Arbeitsraum 4 und durch das Ventil 16 gegenüber der Atmosphäre verschließbar ist. Die Flüssigkeits« Sammelleitung 13 mündet etwa trichterförmig in den kalten Arbeits-

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raum 4. In vorteilhafter Weise kann dadurch, daß der Boden 17 des abzudichtenden kalten Arbeitsraums 4 mit einem leichten Gefälle in Richtung der Flüssigkeitssammelleitung 13 ausgeführt ist, die Zeit, die das Leckwasser zum"Ablaufen benötigt, verkürzt werden. Es genügt hierzu schon eine sehr geringe Neigung. Um trotz der Neigung des Bodens 17 eine vollständige Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem kalten Arbeitsraum 4 zu gewährleisten, kann an der dem Boden 17 zugewandten Seite des Kolbens 2 eine dem Gefälle entsprechende Erhebung vorgesehen sein. Aufgrund der ausgesprochen geringen Neigung, die zur Erzielung des erfindungsgemäßen Vorteils aber voll ausreichend ist, ist hierdurch eine starke, unsymmetrische Belastung des Kolbens 2 nicht zu befürchten. Durch Öffnen des Ventils 15 wird das in der Flüssigkeits Sammelleitung 13 anstehende Wasser in den Sammelbehälter 14 abgelassen. Nachdem das Ventil wieder geschlossen ist,kann durch Öffnen des Ventils 16 der Sammelbehälter 14 entleert werden. Hierdurch ist es möglich, das in der Flüssigkeitssammelleitung 13 anstehende Wasser ins Freie oder in einen Auffangbehälter abfließen zu lassen, ohne den kalten Arbeitsraum 4 direkt mit der Atmosphäre zu verbinden. In vorteilhafter Weise kann die Betätigung der Ventile 15 und 16 durch einen im Takt der Heißgaskolbenmaschine beeinflußbare Elektronik 18 gesteuert werden. Hierdurch kann die Flüssigkeitssammelleitung 13 nahezu ohne Verlust an Arbeitsmedium entleert werden, da das Ventil 15 jeweils während der unteren Totpunktlage des Kolbens 2 kurzzeitig geöffnet werden kann. Um die Kondensation von in Form von Dampf im kalten Arbeitsraum 4 vorhandener Leckflüssigkeit zu beschleu·· nigen oder eine Umwandlung von Leckflüssigkeit, im vorliegenden Fall Wasser, in Dampf, im vorliegenden Beispiel Wasserdampf, vollkommen zu verhindern, ist in der Wand des Zylinders 1 im Be*> reich der Mündung der Flüssigkeits Sammelleitung 13 eine Kühlein-

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richtung 19 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kühleinrichtung 19 als eine um die Flüssigkeits Sammelleitung 13 herumgeführte Kühlschlange ausgebildet. Es ist aber auch eine Ausführung denkbar, bei der eine Kühleinrichtung konzentrisch zur Kolbenstange 6 im Boden 17 und/oder in den senkrechten Wänden des Zylin« ders 1 angeordnet ist. Hierdurch kann die Kühlwirkung der Kühlein» richtung derart gesteigert werden, daß die Verunreinigung des Arbeitsmediums mit Dampf in jedem Fall vernachlässigbar klein bleibt. Insbesondere bei Fahrzeugmotoren, die erfahrungsgemäß einer starken Vibration ausgesetzt sind und in unterschiedliche Schräglagen zu Hegen kommen, kann es sich als vorteilhaft erweisen, zum Sammeln von bei» spielsweise Leckwasser schon in der Wand der Bohrung 7 oberhalb der Dichtpackung 8 einen von einer Kühleinrichtung 19 umgebenen Ringraum vorzusehen, der mit einer Flüssigkeitsaarornelleitung 13 in Verbindung steht. Dieser Ringraum kann selbstverständlich gegenüber dem kalten Arbeitsraum 4 mittels einer nachgeordneten Dichtung abgedichtet werden. Zur Versorgung der Kühleinrichtung 19 mit Kühlmittel dienen die Leitungen 20 und 21.

Bei Kältemaschinen, die ebenfalls nach dem Stirlingprozeß arbeiten, wie Heißgasmotoren, sowie bei Luft- und Gas verdichtet^ die bisher mit trockenlaufenden Kolbenstangen ausgeführt wurden, kann diese Einrichtung ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden.

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Claims

(P. B. 2675/1095)

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- 8 Ansprüche

Hubkolbenmaschine, insbesondere Heißgasmaschine, mit einer hin- und hergehenden Kolbenstange, die in einem einen unter Gasdruck stehenden Arbeitsraum begrenzenden Gehäuseteil gasdicht geführt ist und die mit einem den abzudichtenden Arbeitsraum abschließenden Kolben in Ver-< bindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die Kolbenstange (6) aufnehmenden Gehäuseteil wenigstens eine feststehende Dichtpackung {8} angeordnet ist, der auf der dem abzudichtenden Arbeitsraum {4} gegenüberliegenden Seite eine mit Druckflüssigkeit beaufschlagte Druckkammer {9} vorgeschaltet ist und daß der Arbeitsraum (4) über eine FlüssigkeitsSammelleitung (13) von Flüssigkeit entleerbar ist.
2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflüssigkeit Wasser ist.
3. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Flüssigkeitssammelleitung {13} trichterförmig ausgebildet ist.
4. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (17) des abzudichtenden Arbeitsraums (4) mit einem leichten Ge« fälle in Richtung der Flüssigkeitssammelleitung (13^ ausge» führt ist.

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5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Boden {17} zugewandte Seite des Kolbens (2) in Richtung der Flüssigkeits Sammelleitung (13} geneigt ist.
6. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An« sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeits sammelleitung (13} ein beidseitig verschließbarer Sammelbehälter (14} vorgesehen ist.
7. Hubkolbenmasphine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Anschlusses der Flüssigkeits Sammelleitung {13} eine Kühleinrichtung {19} vorgesehen ist.
8. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An- ' sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (9} gegenüber der Atmosphäre durch eine weitere Dichtpackung (12) abgedichtet ist.
9. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand der Bohrung {7} im Bereich des dem Arbeitsraum {4} zugewandten Endes ein von einer Kühleinrichtung umgebener Ringraum vorgesehen ist, der mit der Flüssigkeitssammelleitung (13} in Verbindung steht.
10. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium ein Edelgas, beispielsweise Helium, ist.

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