DE2220454C3 - Heißgaskolbenmaschine mit einem Kompressor - Google Patents
Heißgaskolbenmaschine mit einem KompressorInfo
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- F02G1/05—Controlling by varying the rate of flow or quantity of the working gas
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- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
- F25B9/004—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air
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 mitgeführt, wodurch eine Verunreinigung des Leitungssystems, des Speicherbehälters and der
Maschine stattfindet Insbesondere wenn Öl in den Regenerator der Maschine gelangt, hat diese eine
verheerende Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Maschine.
Schließlich macht die Anwesenheit eines gesonderten Kompressors mit besonderen Antriebsvomchtungen
die Anlage verhältnismäßig teuer.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heißgaskolbenmaschine zu schaffen, bei der die erwähnten 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 dem 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 der 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 Erfkidung 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 I 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 Verd 'Angers 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 von
einem Brenner 9 herrührende Wärme zugeführt werden. Der Kolben 2 ändert mit seiner unteren Fläche
das Volumen eines zwischen dem Kompressionsraum 4 und einem Kurbelkasten 11 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 v<vn 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 Kurbelkastens 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 Kompressionsraums 19, der hier durch eine Ausnehmung in der Wand 15 des
Pufferraums 10 gebildet wird.
Zwischen den zusammenwirkenden Wandteilen 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 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 bewsgi sich der
ringförmige Tauchkolben 17 mit der Kolbenstange 14 bzw. dem Kolben 2 mit. Bei emporsteigendem
Tauchkolben, wenn dir 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 2» 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 verliißt diesen Raum über
das Auslaßventil 24. das sich öffnet, wenn der Druck im ι >
Kompressionsraum 19 den durch die Aiislaßventilfeder
und durch das Arbeitspas in der Abfuhr 28 ausgeübten Druck überschreitet.
werden, so wird das Arbeitsgas vom Kompressionsraum 2n
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 Rückfüh·
rungsleitung wieder unmittelbar /um Pufferraum 10 :>
oder den Arbeitsraum (Kompressionsraum 4) zurückgeführt werden.
In Fig. 2 sind für F i g. 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. Fs sind zwei wiederum als Einlaßventil wirksame
Kolbenringe 32 und 33 vorhanden. Der Kolbenring 32 ΐί
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
Nompressionsraum 19 und dem Kaum 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 Kornprcssionsraurn 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 Fig. 3 dargestellte Gaskältemaschine besitzt 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 hxpansinnsraum 48 und
zurück strömen kann. F.s sind zwei Pufferräume 49 und
50 vorhanden, in denen ein mittlerer Gasdruck herrscht,
der gleich dem mittleren Gasdruck im Arbeitsraum ist.
Der Kolben 42 ist über eine dnrrh dir Wand 52 dpi.
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 54 mit den Tauchkolbenstangen 55. Die Tauchkolben
können das Volumen zweier Kompressionsräume 56 innerhalb zweier zylindrischer Buchsen 57. die an der
Wand 5? des Pufferraums 50 befestigt sind, ändern. Die beiden Kompressionsräume 56 schließen sich an einen
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 Kompressionsräumen 56 zugekehrten Seiten mit radial verlaufenden
Nuten versehen. Die Wirkungsweise des integralen Kompressors der Gaskältemaschine ist gleich derjenigen
der Heißgasmotoren nach F i g. I 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.
Aul entsprecnende weise wie Deim Heiögasmotor
nach Fig. 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 F i g. 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 gewünschtenfalls auch ein integraler
Kompressor im Pufferraum 49 aufgenommen sein.
Bei den dargestellter. Ausführangsforrnsn 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 ein·? mit dem Arbeitsraum verbundene
Leitung angeschlossen wird.
Claims (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 beeinflußt, in dem ein mittlerer Arbeitsgasdruck herrscht, der zumindest nahezu gleich dem mittleren Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum ist, und welcher kolbenförmige Körper Ober 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 Auslaßveniü aufweist, das über eine Abfuhr an den Speicherbehälter anschüeßbar 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 Pufferraum (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 eiii als Einlaßventil dienender Kolbenring (20,21; 32, S3; 62; 64,65) vorhanden ist, der in einer Nut in der Wand d^s 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 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 Arbeitsrautiis und die andere Oberfläche das Volumen eines Pufferraums 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 mil 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 Betrieb 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 abwechselnd? Kompression und Expansion des Arbeitsgases im Arbeitsraum, während ein Verdränger für den Transport des Arbeitsgases vom Kompressions- zum Expansionsraum und zurück sorgt. Der 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 HeiQgasmotor 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 Vorrichlungen erforderlich: bei Heißgasmotoren ein gesonderter Antrieb außerhalb des Motors bzw. eine besondere
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