DE2220454B2 - Heißgaskolbenmaschine mit einem Kompressor - Google Patents

Description

Kopplung mit einer Welle des Motors; bei Gaskältemaschinen, bei denen als Antrieb oftmals ein Elektromotor im Kurbelkasten der Maschine vorgesehen ist, ein gesonderter Antrieb.

Übliche Kompressoren weisen ferner den Nachteil auf, daß häufig ein Weglecken von Schmieröl vom Gehäuse zum Arbeitsraum des Kompressors auftritt. Dieses Schmieröl wird durch ein komprimiertes Arbeitsgas mitgefühlt, wodurch eine Verunreinigung des Leitungssystems, des Speicherbehälters und der Maschine stattfindet Insbesondere wenn öl in den Regenerator der Maschine gelangt, bat diese eine verheerende Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Maschine.

Schließlich macht die Anwesenheit eines gesonderten Kompressors mit besonderen Antriebsvorrichtungen die Anlage verhältnismäßig teuer.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heißgaskolbenmaschine zu schaffen, bei der die erwähn'en Nachteile beseitigt sind.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kompressor einen integralen Teil der Heißgaskolbenmaschine bildet, wobei innerhalb des Pufferraums zumindest ein Kompressionselement vorhanden ist, das mit dein den Pufferraum begrenzenden kolbenförmigen Körper oder mit der zugehörigen Kolbenstange verbunden ist, welches Kompressionselement das Volumen eines Kompressionsraums ändern kann, wobei zwischen den zusammenwirkenden Wandteilen des Kompressionselements und des Kompressionsraums wenigstens ein als Einlaßventil dienender Kolbenring vorhanden ist, der in einer Nut in der Wand des Kompressionselements oder des Kompressionsraums vorhanden ist, und wobei stets eine offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum und dem Raum in der Nut hinter dem Kolbenring besteht, wobei das sich an den Kompressionsraum anschließende Auslaßventil in der Wand des Kompressionsraums vorgesehen und die Abfuhr durch eine Wand des Pufferraums nach außen geführt ist.

Da der Kompressor nun einen integralen Teil o«;r Heißgaskolbenmaschine bildet, ist eine gedrängte und verhältnismäßig preisgünstige Gesamtheit erhalten und eine Quelle von ölleckage zum Arbeitsgas vermieden worden. Solches läßt sich konstruktiv einfach ausführen. Ein gesonderter Antrieb des Kompressors ist nicht länger erforderlich.

Da das Einlaßventil als Kolbenring ausgeführt ist, ist der schädliche Raum, den Einlaßventile normalerweise mit sich bringen, im vorliegenden Fall minimal, und es wird ein verhältnismäßig großes Kompressionsverhältnis des integralen Kompressors erzielt.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 Schnitte durch Heißgasmotoren vom Verdrängertyp,

F i g. 3 und 4 Schnitte durch Gaskältemaschinen vom Zweikolbentyp.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem sich ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 mit Phasenunterschied hin und her bewegen können. Der Kolben ändert dabei mit seiner oberen Fläche das Volumen eines Arbeitsraums, der aus zwei Teilräumen besteht, nämlich einem zwischen den Kolben 2 und dem Verdränger 3 liegenden Kompressionsraum 4, und aus einem Expansionsraum 5, dessen Volumen durch die obere Fläche des Verdrängers 3 geändert wird. Diese beiden Räume stehen über einen Kühler 6, einen Regenerator 7 und einen Erhitzer 8 miteinander in Verbindung.

Der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsgas, wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium gefüllt, das im Arbeitsraum einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft. Diesem Arbeitsgas kann von außen her vcn einem Brenner 9 herrührende Wurme zugeführt werden. Der Kolben 2 ändert mit seiner unteren Fläche

ίο das Volumen eines zwischen dem Kompressionsraum 4 und einem Kurbelkasten Ii liegenden Pufferraums 10. Der Pufferraum 10 ist mit dem gleichen Arbeitsgas mit demselben Druck wie das des Arbeitsraums gefüllt, so daß die durch das Arbeitsgas im Kompressionsraum 4 auf die obere Fläche des Kolbens 2 im Mittel ausgeübten Druckkräfte nahezu durch diejenigen mittleren Druckkräfte ausgeglichen werden, die durch das Arbeitsgas im Pufferraum 10 auf die untere Fläche des Kolbens 2 ausgeübt werden.

Über den engen Spalt 12 zwischen dem Zylinder 1 und dem Kolben 2 kann Arbeitsgas vom Kompressionsraum 4 zum Pufferraum 10 strömen, wenn der Druckpegel im Pufferraum herabgesetzt wird. Der Kolben 2 ist über eine durch die Wand 15 des Pufferraums 10 gasdicht hindurchgeführte hohle Kolbenstange 14 mit einem nicht dargestellten innerhalb des Kurbeikastens 11 angeordneten Getriebe verbunden.

Der Verdränger 3 ist über eine Verdrängerstange 16, die gasdicht durch den Kolben 2 und die hohle Kolbenstange 14 geführt wird, gleichfalls am Getriebe befestigt. Innerhalb des Pufferraums 10 befindet sich ein ringförmiger Tauchkolben 17 als Kompressionselement, der über ein Verbindungselement 18 an der Kolbenstange 14 befestigt ist. Der ringförmige Tauchkolben 17 ändert beim Hin- und Herbewegen der Kolbenstange 14 das Volumen eines ringförmigen Kompressionsraurns 19, der hier durch eine Ausnehmung in der Wand 15 des Pufferraums 10 gebildet wird.

Zwischen den zusammenwirkenden Wandteiien des Tauchkolbens 17 und des Kompressionsraums 19 befinden sich zwei als Einlaßventile für den Kompressionsraum dienende Kolbenringe 20 und 21, die in den Nuten 22 und 23 in der Außen- bzw. Innenwand des

•*5 Tauchkolbens 17 vorhanden sind. Die Kolbenringe sind an ihrer unteren Seite mit radial verlaufende Nuten 20' bzw. 21' versehen, wodurch stets eine offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 19 und den Räumen in den Nuten 22 und 23 hinter den Kolbenringen besteht Diese offene Verbindung kann auch andersartig verwirklicht werden, beispielsweise dadurch, daß die Nuten 22 und 23 statt der Kolbenringe 20 und 21 an ihren unteren Flächen mit radial verlaufenden Nuten versehen werden, oder daß Bohrungen im Tauchkolben 17 angebracht werden, die von den Räumen in den Nuten hinter den Kolbenringen zum Kompressionsraum 19 verlaufen. Der Kompressionsraum 19 ist mit einem Auslaßventil 24 versehen, das über eine durch die Wand des Pufferraums nach außen geführte Abfuhr 25 an einen nicht dargestellten Speicherbehälter für Hochdruckarbeitsgas anschließbar ist.

Im Betrieb des Heißgasmotors bewegt sich der ringförmige Tauchkolben 17 mit der Kolbenstange 14 bzw. dem Kolben 2 mit. Bei emporsteigendem Tauchkolben, wenn der Druck im Kompressionsraum 19 niedriger als im Pufferraum 10 ist, liegen die mit radialen Nuten versehenen Seiten der Kolbenringe 20 und 21 an

den unteren Flächen der Nuten 22 und 23 an, sie bilden hiermit jedoch keine Abdichtungen. Es wird nun Arbeitsgas vom Pufferraum 10 aus in den Kompressionsraum 19 gesaugt.

Nachdem der Tauchkolben 17 seine obere tote Stellung passiert hat und sich wieder abwärts bewegt, liegen die Unterseiten der Kolbenringe 20 und 21 an den Oberseiten der Nuten 22 und 23 an, wenn der Druck im Kompressionsraum 19 größer als im Pufferraum 10 wird, und es entsteht eine gute Abdichtung, so daß das im Kompressionsraum 19 vorhandene Arbeitsgas nicht zum Pufferraum 10 zurückströmen kann.

Das Arbeitsgas im Kompressionsraum 19 wird danach komprimiert, und es verläßt diesen Raum über das Auslaßventil 24, das sich öffnet, wenn der Druck im Kompressionyraum i9 den durch die Ausiaßventiifeder und durch das Arbeitsgas in der Abfuhr 28 ausgeübten Druck überschreitet.

Soll die vom Motor gelieferte Leistung verringert werden, so wird das Arbeitsgas vom Kompressionsraum 10 aus über die Abfuhr 25 in einen Hochdruckspeicherbehälter gepreßt. Unter Beibehaltung einer bestimmten Motorleistung kann das durch den Tauchkolben 17 aus dem Motor gepreßte Arbeitsgas über eine Rückführungsleitung wieder unmittelbar zum Pufferraum 10 oder den Arbeitsraum (Kompressionsraum 4) zurückgeführt werden.

In Fig.2 sind für Fig. 1 entsprechende Einzelteile dieselben Bezugsziffern verwendet. Der Kompressionsraum 19 wird hier durch die Kolbenstange 14 und ein Gehäuse 30 begrenzt. Das Volumen des Kompressionsraums 19 wird durch einen als Kompressionselement an der Kolbenstange 14 befestigten Flansch 31 geändert. Es sind zwei wiederum als Einlaßventil wirksame Kolbenringe 32 und 33 vorhanden. Der Kolbenring 32 befindet sich in einer Nut 34 in der Wand des Flansches 31, während sich der Kolbenring 33 in einer Nut 35 in der Wand des Gehäuses 30 befindet.

Die beiden Kolbenringe 32 und 33 sind an ihren dem Kompressionsraum 19 zugekehrten Seiten mit radial verlaufenden Nuten versehen, die wiederum dafür sorgen, daß stets eine offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 19 und dem Raum in den Nuten 34 und 35 hinter dem Kolbenring 32 bzw. 33 besteht.

Zwischen der Kolbenstange 14 und der Verdrängerstange 16 ist eine Rollmembran 36 als Abdichtung vorhanden, die den Arbeitsraum vom Kurbelkasten 11 trennt, während zwischen dem Gehäuse 30 und der Kolbenstange 14 eine den Pufferraum 10 vom Kurbelkasten 11 trennende Rollmembran 37 vorhanden ist.

Es kann nun Medium vom Pufferraum 10 zum Kolbenring 33 über eine Bohrung 38 in der Wand des Gehäuses 30 strömen.

Bei der Auswärtsbewegung der Kolbenstange 14 mit einem niedrigeren Druck im Kompressionsraum 19 als dem im Pufferraum 10 liegt der Kolbenring 32 mit seiner mit radialen Nuten versehenen Unterseite an der unteren Fläche der Nut 34 an, während der Kolbenring 33 mit seiner mit radialen Nuten versehenen Oberseite an der oberen Räche der Nut 35 anliegt so daß Arbeitsgas aus dem Pufferraum 10 über die Nuten 34 und 35 bzw. die Kolbenringe 32 und 33 frei zum Kompressionsraum 19 strömen kann. Bei der Abwärtsbewegung der Kolbenstange 14 wird das Arbeitsgas im Kompressionsraum 19 durch den Flansch 31 komprimiert Sobald der Druck im Kompressionsraum 19 größer als derjenige im Pufferraum 10 ist, kommt der Kolbenring 32 mit seiner Oberseite an der oberen Fläche der Nut 34 zu liegen, und es entsteht eine gute Abdichtung. Ebenso wird der Kolbenring 33 mit seiner Unterseite an der unteren Fläche der Nut 35 liegen, und so wird auch hier eine gute Abdichtung hergestellt. Das Arbeitsgas kann dann nicht mehr zum Pufferraum 10 zurückströmen, und es wird weiterhin komprimiert, bis sich das Auslaßventil 24 öffnet.

Die in F i g. 3 dargestellte Gaskältemaschine besitzt

ίο einen Zylinder 41, in dem ein Kompressionskolben 42 und ein Expansionskolben 43 mit Phasenunterschied hin und her bewegbar sind. Zwischen den beiden Kolben sind ein Kühler 44, ein Regenerator 45 und ein Gefrierer 46 angeordnet, durch die hindurch Arbeitsgas von einem Kompressionsraum 47 zu einem Expansionsraum 48 und zurück strömen kann. Es sind zwei Puiierräume 49 und 50 vorhanden, in denen ein mittlerer Gasdruck herrscht, der gleich dem mittleren Gasdruck im Arbeitsraum ist.

Der Kolben 42 ist über eine durch die Wand 52 des Pufferraums 50 nach außen geführte Kolbenstange 51 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dieser Wand und der Kolbenstange ist eine Rollmembran 53 als Abdichtung vorhanden. Der Kolben 42 trägt an seiner Unterseite zwei Tauchkolben

2¹) 54 mit den Tauchkolbenstangen 55. Die Tauchkolben können das Volumen zweier Kompressionsräume 56 innerhalb zweier zylindrischer Buchsen 57, die an der Wand 52 des Pufferraums 50 befestigt sind, ändern. Die beiden Kompressionsräume 56 schließen sich an einen

jo gemeinsamen Kanal 58 an, der sich über das Auslaßventil 59 an die Abfuhr 60 anschließt

In den Nuten 61 in den Wänden der Tauchkolben 54 befinden sich die Kolbenringe 62 als Einlaßventile. Auch hier sind die Kolbenringe an ihren den Kompressions-

JS räumen 56 zugekehrten Seiten mit radial verlaufenden Nuten versehen. Die Wirkungsweise des integralen Kompressors der Gaskältemaschine ist gleich derjenigen der Heißgasmotoren nach F i g. 1 und 2, so daß sich eine weitere Beschreibung erübrigt.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Gaskältemaschine sind die der Maschine nach F i g. 3 entsprechenden Einzelteile mit denselben Bezugsziffern versehen.

Auf entsprechende Weise wie beim Heißgasmotor nach F i g. 2 ist im vorliegenden Fall die Kolbenstange 51 mit einem Flansch 61 versehen, der das Volumen des Kompressionsraums 62' innerhalb des Rohrs 63 ändern kann. Auch hier sind wieder zwei Kolbenringe 64 und 65 als Einlaßventile vorhanden, wobei der Kolbenring 64 in einer Nut in der Wand des Flansches 61 und der Kolbenring 65 in einer Nut in der Wand des Gehäuses 63 vorhanden ist.

Der Kolbenring 64 ist an der Unterseite und der Kolbenring 65 ist an der Oberseite mit radial verlaufenden Nuten versehen. Das Arbeitsgas kann über die Bohrung 66 in der Wand des Gehäuses 63 vom Pufferraum 50 zum Kolbenring 65 strömen. Im übrigen ist die Wirkungsweise dieses integralen Kompressors gleich derjenigen nach Fig.2, so daß sich eine Beschreibung erübrigt

Selbstverständlich sind allerhand andere Ausführungsformen des integralen Kompressors einander gleichwertig.

Außerdem kann bei den Gaskältemaschinen nach Fig.3 und 4 gewünschtenfails auch ein integraler Kompressor im Pufferraum 49 aufgenommen seia

Bei den dargestellten; Ausführungsformen saugt der integrale Kompressor stets Arbeitsgas unmittelbar aus dem Pufferraum an. Selbstverständlich ist es auch

möglich, daß der Kompressor Arbeitsgas unmittelbar aus dem Arbeitsraum ansaugt. Dies kann beispielsweise dadurch stattfinden, daß an die Einlaßseite des Kompressors eine mit dem Arbeitsraum verbundene Leitung angeschlossen wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Heißgaskolbenmaschine mit einem Arbeitsraum, in dem ein Arbeitsgas einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft und dessen Volumen durch mit Phasenunterschied hin und her bewegbare kolbenförmige Körper geändert werden kann, wobei die eine Oberfläche wenigstens eines kolbenförmigen Körpers das Volumen des Arbeitsraums und die andere Oberfläche das Volumen eines Pufferraums ι ο beeinflußt, in dem ein mittlerer Arbeitsgasdruck herrscht, der zumindest nahezu gleich dem mittleren Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum ist, und welcher kolbenförmige Körper über eine durch eine Wand des Pufferraums geführte Kolbenstange mit einem Getriebe verbunden ist, wobei die Maschine zum Pressen von Arbeitsgas aus den erwähnten Räumen in einen Hochdruck-Arbeitsgasspeicherbehälter mit einem Kompressor versehen ist, der ein sich an den Pufferraum anschließendes Einlaßventil sowie ein Auslaßventil aufweist, das über eine Abfuhr an den Speicherbehälter anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor einen integralen Teil der Heißgaskolbenmaschine bildet, wobei innerhalb des Pufferraums (10,50) zumindest ein Kompressionselement (17,31,54,61) vorhanden ist, das mit dem den Pufterraum (10,50) begrenzenden kolbenförmigen Körper (2, 42) oder mit der zugehörigen Kolbenstange (14, 51) verbunden ist, welches Kompressionselement das Volumen eines Kompressionsraums (19,56,62') ändern kann, wobei zwischen den zusammenwirkenden Wandteilen des Kompressionselements und dem Kompressionsraums wenigstens ein als Einlaßventil dienender Kolbenring (20,21; 32,33; 62; 64,65) vorhanden ist, der in einer Nut in der Wand des Kompressionselements oder des Kompressionsraums vorhanden ist, und wobei stets eine offene Verbindung (20', 21') zwischen dem Kompressionsraum und dem Raum in der Nut hinter dem Kolbenring besteht, wobei das sich an den Kompressionsraum (19, 56, 62) anschließende Auslaßventil (24; 59) in der Wand des Kompressionsraums vorgesehen und die Abfuhr (25; 60) durch eine Wand des Pufferraums nach außen geführt ist.

Die Erfindung betrifft eine Heißgaskolbenmaschine so mit einem Arbeitsraum, in dem ein Arbeitsgas einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft und dessen Volumen durch mit Phasenunterschied hin und her bewegbare kolbenförmige Körper geändert werden kann, wobei die eine Oberfläche wenigstens eines ss kolbenförmigen Körpers das Volumen des Arbeitsraums und die andere Oberfläche das Volumen eines Pufferraums beeinflußt, in dem ein mittlerer Arbsitsgasdruck herrscht, der zumindest nahezu gleich dem mittleren Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum ist, und welcher kolbenförmige Körper über eine durch eine Wand des Pufferraums geführte Kolbenstange mit einem Getriebe verbunden ist, wobei die Maschine zum Pressen von Arbeitsgas aus den erwähnten Räumen in einen Hochdruck-Arbeitsgasspeicherbehälter mit einem Kompressor versehen ist, der ein sich an den Pufferraum anschließendes Einlaßventil sowie ein Auslaßventil aufweist, das über eine Abfuhr an den Speicherbehälter anschließbar ist.

Eine Heißgaskolbenmaschine dieser Art ist aus der US-PS 33 72 539 bekannt Der Kompressor bildet hierbei einen Teil einer Leistungsregelanordnung. Zur Regelung der Maschinenleistung wird der mittlere Arbeitsgasdruckpegel im Arbeitsraum der Maschine dadurch geändert, daß diesem Raum Arbeitsgas entzogen bzw. zugeführt wird. Beim Arbeitsgasentzug preßt der Kompressor dieses Arbeitsgas in einen Hochdruckspeicherbehälter.

Durch die Anwesenheit des mit Arbeitsgas gefüllten Pufferraums werden die durch das Arbeitsgas im Arbeitsraum auf den kolbenförmigen Körper ausgeübten hohen Druckkräfte ausgeglichen, und die Stangenkräfte sind im Getriebe verhältnismäßig klein, so daß dieses Getriebe verhältnismäßig leicht konstruiert werden kann, während im Kurbelkasten ein niedriger Druck herrschen kann, so daß die Wände dieses Kastens gleichfalls verhältnismäßig leicht ausgeführt sein können.

Unter Heißgaskolbenmaschinen sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung Heißgaskolbenmotoren, Gaskältemaschinen und Wärmepumpen zu verstehen. Im Arbeitsraum dieser Maschinen wird das Arbeitsgas abwechselnd komprimiert, wenn es sich im wesentlichen in einem Teilraum des Arbeitsraums, dem Kompressionsraum, befindet; danach wird es über einen Regenerator zu einem Teilraum, dem Expansionsraum, transportiert; danach, wenn sich das Arbeitsgas im wesentlichen im Expansionsraum befindet, wird es expandiert und schließlich über den Regenerator wieder zum Kompressionsraum zurücktransportiert, womit der Zyklus beendet ist Der Kompressions- und Expansionsraum haben dabei im Betrieu unterschiedliche Temperaturen. In konstruktiver Hinsicht sind die Heißgaskolbenmaschinen in Heißgaskolbenmaschinen vom Verdrängertyp (GB-PS 10 24 274) und in Heißgaskolbenmaschinen des Zweikolbentyps (GB-PS 10 53 896) einzuteilen. Bei Heißgaskolbenmaschinen vom Verdrängertyp sorgt ein Kolben für die abwechselnde Kompression und Expansion des Arbeitsgases im Arbeitsraum, während ein Verdränger für de:. Transport des Arbeitsgases vom Kompressions- zum Expansionsraum und zurück sorgt. Dei Verdränger kann dabei mit einem Getriebe verbunden oder mechanisch nicht gekoppelt sein und als freier Verdränger durch Gasdruckkräfte hin und her bewegt werden.

Bei Heißgaskolbenmaschinen vom Zweikolbentyp sind sowohl ein Kompressionskolben als auch ein Expansionskolben vorhanden, die in Zusammenarbeit für die erwünschte Kompression, den Transport und die Expansion des Arbeitsgases sorgen.

Bei der aus der US-PS 33 72 539 bekannten Heißgaskolbenmaschine ist der Kompressor als Teil der Leistungsregelung gesondert vorhanden. Dies ist mit einigen Nachteilen verbunden. Erstens ist das Gefüge der Heißgaskolbenmaschine mit der Leistungsregelanordnung ziemlich umfangreich. Dies ist vor allem bei solchen Anwendungen nachteilig, bei denen der verfügbare Raum minimal ist, wie beispielsweise in den Fällen, in denen die Heißgaskolbenmaschine ein Heißgasmotor ist, der als Kraftquelle in Fahrzeugen, Flugzeugen, U-Booten angewendet wird, oder in denen es sich um Gaskältemaschinen handelt, die an Bord von beispielsweise Flugzeugen angewendet werden. Es sind für den Antrieb des Kompressors besondere Vorrichtungen erforderlich: bei Heißgasmotoren ein gesonderter Antrieb außerhalb des Motors bzw. eine besondere