DE2450237A1 - Heissgaskolbenmotor - Google Patents

Description

PHN*7208. WIJ/EVH.

15.10.1974.

,. _N γ. Philips-GioeUo^FeHfobnekeo- . 2450237

^L U.Ö t&. PHN- 7208

Anmeldung vomi 21. Okt. 1974

"Heissgaskolbenmotor¹¹

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heissgaslcolbenmotor mit einem innerhalb eines Wärmerohres angeordneten Erhitzer als ¥ärmeaύ■sta^Lschθr, der mindestens ein Bündel Erhitzerrohre enthält, die einerseits mit einem Arbeitsraum veränderlichen Volumens und im Betrieb höherer Temperatur innerhalb einer Zylindereinheit verbunden ist und welche Erhitzerrohre andererseits mit einer Regeneratoreinheit verbunden sind, wobei an wenigstens einer Seite des Rohrebündels die Erhitzerrohre über ein oder mehrere durch eine Wand des Wärmerohres hindurchgeführte rohrförmige Verbindungselemente an die betreffende Einheit angeschlossen sind.

Heissgaskolbenmotoren. der obengenannten Art sind

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aus den Fig. 13 und 16 des Artikels "Möglichkeiten des Stirling-Fahrzeugmotors in unserer künftigen Gesellschaft" (Philips technische Rundschau, 31. Jahrgang, 1970/7I Nr. 5/6) bekannt.

Beispiele aus Rohrebttndeln aufgebauter Erhitzer von Heissgasmotoren sind u.a. in den britischen Patentschriften 7O8.199 und 898.270 beschrieben worden, während für die Eigenschaften von Wärmeröhren auf beispielsweise die US-Patentsehriften 3 229 759 und 3 ^02 767 hingewiesen wird.

Bei den bekannten Heissgaskolbenmotoren sind die rohrförmigen Verbindungselemente, die die Erhitzerrohre mit der Zylindereinheit bzw. Regeneratoreinheit verbinden, durch die starre Bodenplatte des Wärmerohres geführt und erstrecken sich parallel zur Mittellinie der betreffenden Einheit.

Ein Problem bei dieser Konstruktion bilden die grossen Materialspannungen, die im Betrieb des Motors in der Bodenplatte und. den Verbindungseiementen auftreten, was zu Undichtigkeit in dem Wärmerohr und den vom Arbeitsmedium des Motors (beispielsweise Helium oder Wasserstoff) durchf Io ssenen.Erh.it zerrohr en führt. BejL den Betriebstemperaturen von etwa 800⁰C erfährt die Bodenplatte wegen der thermischen Ausdehnung eine wesentliche DurchmesservergrSsserung, Ausserdem findet eine

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Ausdehnung der auf hohe Temperatur befindlichen Teile des Zylinders und Regenerators statt, während die Teile des Zylinders und Regenerators mit niedriger Temperatur starr miteinander verbunden sind, was zu einer relativen Verschiebung und Verdrehung der Teile höherer Temperatur führt. Dies und jenes ist die Ursache der genannten Materialspannungen.

Es wäre zu erwägen, die Bodenplatte des Wärmeröhres biegsam auszubilden.

Einerseits ist es jedoch sehr schwierig und teuer, derartige biegsame Platten herzustellen, andererseits würde dies die Verwendung von dünnen Platten erfordern· Letzteres ist nicht akzeptierbar, da abhängig von der Betriebstemperatur der Druck des Wärmetransportmittels im. Wärmerohr (beispielsweise Natrium oder .Lithium) meistens höher oder niedriger ist als der umgebende atmosphärische Druck, Der Druckunterschied'auf beiden Seiten der dünnen Platte führt dann dazu, dass grosse Druck- oder Zugkräfte auf diese Platte ausgeübt werden. Die dünne Platte mit hoher Temperatur hat eine zu geringe mechanische Stärke diesen Kräften auf die Dauer zu widerstehen.

Die Erfindung bezweckt nun, einen Heissgasmotor der obengenannten Art zu schaffen, wobei die beschriebene Problematik ausgeschaltet worden ist.

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Der erfindungsgemässe Heissgasmotor weist das Kennzeichen auf, dass die Verbindungselemente sich in Richtungen quer zur Mittellinie der Einheit, an der die genannten Elemente befestigt und gegenüber der Wärmerohrwand mittels biegsamer Dichtungselemente abgedichtet sind, erstrecken.

Durch diese Kombination von Massnahmen ist auf in konstruktiver Hinsicht einfache Weise erzielt worden, dass die Wärmerohrwand (Bodenplatte) durch die die Verbindungselemente hindurchgeführt sind, frei dehnen kann und keine Materialspannungen in den Verbindungselementen erzeugt»

AusfUhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Fig, 1 bis 7 zeigen auf schematische und nicht massgerechte Weise Längsschnitte von Ausführungsformen des Heissgasmotors.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder angegeben, in dem ein Kolben 2. und ein Verdränger 3 phasenverschoben hin- und herbeweglich sind. Der Kolben 2 ist mittels einer Kolbenstange h und der Verdränger 3 mittels einer durch die Kolbenstange h geführten Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden,

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Ueber dem Verdränger 3 befindet sich ein

Expansionsraum 6 im Betrieb höherer mittlerer Temperatur, der über einen aus Rohren 7 aufgebauten Erhitzer, einen Regenerator 8 und einen Kühler 7 ^mi* einem Kompressionsraum 10 im Betrieb niedriger mittlerer Temperatur verbunden ist.

Ein Arbeitsmittel, wie Wasserstoff, kann über diese Verbindung zwischen den beiden Räumen hin- und herströmen. Der Regenerator 8 ist hier ringförmig ausgebildet und koaxial zum Zylinder 1 um diesen Zylinder angeordnet. Der Regenerator 8 (ebenso wie der Kühler 9) kann jedoch auch in einer Anzahl gesonderter Einheiten aufgeteilt sein, die in einem Kranz um den Zylinder angeordnet sind.

Die Erhitzerrohre "7 liegen innerhalb eines Wärmerohres 11, das ein geschlossener Behälter ist, in dem sich eine Menge Wärmetransportmittel, wie Natrium, befindet. Das Wärmerohr 11 ist mit einer Verdampfungswand 12 versehen, der von einer Brennervorrichtung 13 herrührende Wärme zugeführt werden kann. Im Betrieb .verdampft Natrium an der Stelle der Verdampfungswand und kondensiert an den Erhitzerrohren 7 unter Abgabe von Wärme zu dem durch diese Rohre strömenden Arbeitsmittel des Motors, Das Kondensat wird zur Verdampfungswand 12 zurückgeführt durch eine aus beispielsweise

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.Gazenschichten aufgebaute Kapillarstruktur 14.

Ausser an der Verdampfungswand 12 ist das
Wärmerohr 12 gegenüber der Umgebung durch eine wärmeisolierende Schicht 15 thermisch isoliert.

Die Erhitzerrohre 7 sind an den Regenerator

angeschlossen über rohrförmige Verbindungselemente 16 und 17« Im dargestellten Fall münden zwei Erhitzerrohre in ein Verbindungselement. Die Verbindungselemente 16 und 17 erstrecken sich quer zur Mittellinie der Regenerator/Kühlereinheit, Zwischen den Verbindungselementen 16 und 17
und den Wärmerohrwänden sind biegsame Dichtungseiemente vorhanden, beispielsweise in Form von Balgen oder Membranen.

Bei der hohen Betriebstemperatur des Motors können die Bodenwandteile 11a und 11b des Wärmerohres frei dehnen. Die Kräfte, die sie auf die Dichtungselemente 18 ausüben, führen dazu, dass diese Elemente mitbewegen, während die durch die Wärmerohrwände hindurchgeführten Verbindungselemente 16 und 17 keinen mechanischen Spannungen durch Dehnung der Bodenwand des Wärmerohres und mittelbar durch die relative Verschiebung bzw, Verdrehung des Zylinders 1 und des Regenerators 8 ausgesetzt sind.

Die Fig. 2 bis 7 zeigen Längsschnitte durch doppelwirkende Mehrzylinder-Heissgasmotoren, Im Vergleich zu Fig. 1 sind für die Erfindung nicht wichtige Teile fortgelassen,

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Fig. 2 zeigt einen Zylinder 20, in dem ein Kolben 21 hin- und herbeweglich ist, der über eine Kolbenstange 21a mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden ist, Ueber dem Kolben 21 befindet sich ein Expansionsraum 22, der über Erhitzerrohre 23 mit einem Gehäuse 2h verbunden ist, in dem ein Regenerator 25 und ein Kühler 26 vorhanden sind. Der Raum 27 unterhall·) des Kühlers 26 ist mit einem Kompressionsraum in einem nicht dargestellten Zylinder verbunden. Der Raum 28 . innerhalb des Zylinders 20 unter dem Kolben 21 bildet einen Kompressionsraum, der mit einer nicht dargestellten Kühler/Regeneratoreinheit verbunden ist. Für doppelwirkende Heissgasmotoren sei weiter auf den eingangs erwähnten Artikel und die genannte britische Patentschrift 708 199 hingewiesen.

Die Zylinder und Regenerator/Kühlereinheiten sind an der Seite mit einer im Betrieb ni'edrigeren Temperatur durch eine Bodenplatte 29 miteinander starr verbunden.

Die Erhitzerrohre 23 sind innerhalb des Wärmeröhres 30 angeordnet und sind einerseits über durch eine Wand des Wärmerohres 30 hindurchgeführte Verbindungselemente am Zylinder 20 und andererseits über durch eine Wand des Wärmerohres hindurchgeführte Verbindungselemente am Gehäuse 24 befestigt. Die Verbindungselemente 31

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erstrecken sich, quer zur Mittellinie des Zylinders 20 und die Verbindungselemente 32 quer zur Mittellinie des Gehäuses Zk, Zwischen den Verbindungseiementen 31 und der umgebenden Wärmerohr ti and ist ein biegsames Dichtungselement 33 angeordnet und zwischen den Verbindungselementen 32 und der umgebenden Wärmerohrwand ein biegsames Dichtungselement 3k _t

Auf diese Weise ist wieder erreicht worden, dass die Bodenwände des Wärmerohres 30 im Betrieb des Motors frei dehnen können und durch das Nachgeben der biegsamen Dichtungselemente keine mechanische Belastung der Verbindungselemente verursachen.

In den Fig. 3 bis 7 sind die Elemente, die

denen aus Pig. 2 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen angegeben.

Beim Motor nach Pig. 3 sind nur die Verbindungselemente an der Seite des Zylinders quer zur Mittellinie des Zylinders angeordnet und über ein biegsames Dichtungselement mit dem Wärmerohr verbunden. Dies reicht für eine freie Ausdehnung des Wärraerohrbodens ohne mechanische Belastung der Verbindungselemente auf beiden Seiten der Erhitzerrohre aus. Die Bodenwand 30a übt dabei auf das Dichtungselement 33 eine Zugkraft aus,

Fig. k ist eine Abwandlung der Fig. 3» vorliegenden Fall wird durch die Bodenwand 30a des

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WSrmerohres 30 bei Dehnung auf das Dichtungselement 33 eine Druckkraft statt einer Zugkraft ausgeübt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, wobei auf beiden Seiten der Erhitzerrohre die Verbindungselemente sich quer zur Mittellinie dex" zugehörenden Regeneratoreinheit bzw. des Zylinders erstrecken. Nur bei den Verbindungselementen 31 ist jedoch an der Stelle des Zylinders 20 ein biegsames Dichtungselement 33 vorhanden.

Der Heissgasmotor nach Fig. 6 ist ein Motor vom V-Typ, wobei die Zylinder und die damit verbundenen Regeneratoreinheiten miteinander einen Winkel einschliessen. Weiter entspricht diese Konstruktion der nach Fig. 2.

Die Konstruktion des Heissgasmotors nach Fig. entspricht in grossen Zügen der nach Fig. 2.

Im vorliegenden Fall münden die Erhitzerrohre jedoch, auf beiden Seiten in einen Samnielkanal 23a bzw, 23b und jeder Sammelkanal ist über nur ein Verbindungselement 31 bzw. 32 mit dem Zylinder 20 bzw. Regenerator verbunden.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   '* Heissgaskolbenmotor mit einem innerhalb eines

   Wärmerohres angeordneten Erhitzer als Wärmeaustauscher, der mindestens ein Bündel Erhitzerrohre enthält, die einerseits mit einem Arbeitsraum veränderlichen Volumens und im Betrieb höherer Temperatur innerhalb einer Zylindereinheit verbunden ist und welche Erhitzerrohre andererseits mit einer Regeneratoreinheit verbunden sind, wobei an wenigstens einer Seite des Rohrebündels die Erhitzerrohre an die betreffende Einheit angeschlossen sind über ein oder mehrere durch eine Wand des Wärmerohres hindurchgeführte rohrförmige Verbindungselemente, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente sich in Richtung quer zur Mittellinie der Einheit, an der die genannten Elemente befestigt sind erstrecken und gegenüber der Wärmerohrwand mittels biegsamer Dichtungselemente abgedichtet sind, :

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