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Zyl inderlaufbüchsenregeneratoranordnung für eine Heißgasmaschine
Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbüchsenregeneratoranordnung für eine Heißgasmaschine,
bei der jeder Zylinder von einem Regenerator umgeben ist, der einen ringförmigen
Querschnitt hat und an einem Gaskühler anliegen kann, der gleichfalls einen ringförmigen
Querschnitt aufweist.
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Es ist bekannt, daß die Leistungsfähigkeit einer Heißgasmaschine davon
abhängt, eine Arbeitsgasladung zwischen zwei Kammern mit variablem Volumen zu bewegen,
die auf Temperaturen gehalten sind, die sich soweit wie praktisch möglich voneinander
unterschieden. Gegenwärtig beträgt die hohe Temperatur oftmals mehr als 700"C,während
die niedrige Temperatur bei etwa 700C liegt. Ein Wärmestrom zwischen beiden Kammern,
beispielsweise aufgrund der Leitfähigkeit der Maschinenbauelemente, wird jedoch
zu einem Energieverlust und daher zu einem niedrigeren Leistungsvermögen der Maschine
führen. Ein größerer Unterschied zwischen. den beiden Temperaturwerten wird gewiß
einen vorteilhaften Einfluß auf die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades haben,
jedoch gleichzeitig den Energieverlust aufgrund der Wärmeleitung erhöhen.
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Ziel der Erfindung ist eine Zylinderlaufbüchsenregeneratoranordnung
mit einem Minimum an Wärmeleitung in radialer und axialer Richtung, die zuverlässig
als Maschinenbauelement in der Maschine arbeitet. Das wird gemäß der Erfindung dadurch
erreicht, daß die Anordnung zwei zylindrische Wandelemente mit im wesentlichen gleicher
Länge umfaßt, die nahe ihrer Enden miteinander verbunden sind, wobei die Elemente
koaxial
zueinander und im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß dazwischen ein Zwischenraum
bleibt, und das äußere Wandelement mit einem umgebenden Regenerator zusammengepaßt
ist, der eine axiale Länge hat, die wesentlich kleiner als die axiale Erstreckung
des Zwischenraumes ist.
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Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. eine Axialschnittansicht
des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung; und Fig.2 eine Axialschnittansicht
eines Teils einer Heißgasmaschine mit der in Fig.l dargestellten Anordnung.
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Eine Heißgasmaschine, in der die erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen
werden kann, kann beispielsweise eine doppelt arbeitende Maschine sein, wie sie
z.B. in der US-Patentanmeldung No.292 704 beschrieben ist. Das Innere jedes Maschinenzylinders
ist durch einen beweglichen Kolben 1 in zwei Kammern mit variablem Volumen unterteilt,
wobei der Kolben in Fig.2 dieser Anmeldung durch strichpunktierte Linien dargestellt
ist.
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Der Kolben 1 ist in seiner äußersten oberen Lage dargestellt, in der
die obere Kammer 2 mit variablem Volumen ihr kleinstes Volumen hat.
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Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung besteht aus einem inneren zylindrischen Wandelement 3, das mit einem äußeren
zylindrischen Wandelement 4 durch Vakuumlöten verbunden ist. Die beiden Wandteile
3 und 4 bestehen aus wärmebeständigem Edelstahl, beispielsweise aus einem Stahl,
der 25% Chrom enthält.
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Das Wandelement 3 ist etwa 3mm stark und hat einen Durchmesser von
85mm sowie eine Länge von 115mm. Das Wandelement 4 ist etwas dünner und hat beispielsweise
eine Stärke von etwa 2,5 mm, wobei ein Zwischenraum 5 mit einer Stärke von 2 mm
zwischen den beiden Wandelementen 3 und 4 gebildet ist.
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Ein Regenerator 6, der den oberen Teil des Wandelementes 4 umgibt,
besteht aus einer großen Anzahl von ringförmigen Stanzteilen aus Maschendraht, die
übereinander gestapelt sind und von einer Umhüllung 7 aus Edelstahl umgeben sind.
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Die Drähte des Regenerators bestehen gleichfalls aus Edelstahl, vorzugsweise
dem üblichen Typ, der 18% Chrom und 8% Nickel enthält.
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Der Regenerator 6 hat einen herkömmlichen Aufbau, ist jedoch mit dem
Wandelement 4 vorzugsweise beim Löten der Elemente 3 und 4 vakuumverlötet.
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Es sei darauf hingewiesen, daß sich der Zwischenraum 5 weiter als
der Regenerator 6 nach unten erstreckt.
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Das Wandelement 3 ist mit einer Nut 8 verstehen, in der ein Dichtungselement
in Form eines 0-Ringes aufgenommen werden kann, wobei das Wandelement 4 mit einer
ähnlichen Nut 9 versehen ist.
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Das äußere Wandelement 4 ist mit einer Bohrung 10 versehen,in die
ein Rohr 11 eingesetzt ist, das das Innere des Zwischenraums 5 mit der Außenluft
verbindet.
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Fig.2 zeigt, wie die in Fig.l dargestellte Anordnung zwischen dem
Zylinderkopf 12 und einem Kühler 13 vorgesehen ist. Schulterflächen 14 und 15 stehen
in Eingriff miteinander und 0-Ringe 16,17 und 18 sind als gasdichte Dichtungen vorgesehen.
Der 0-Ring 18 bildet die Dichtung zwischen dem unteren Teil des
Wandelementes
3 und einer Zylinderlaufbüchse 19.
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Der Kolben 1 ist mit nicht dargestellten Kolbenringen versehen, die
an der Zylinderlaufbüchse 19 entlanggleiten. Die oberste Lage des oberen Kolbenringes
ist durch einen Pfeil 20 in Fig.2 bezeichnet.
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Die im Obigen beschriebene und in der Zeichnung dargestellt Anordnung
arbeitet in der folgenden Weise: Die Maschinenkammern mit variablem Volumen, das
Innere des Regenerators 6 und des Kühlers 13 sowie die nicht dargestellten Gasverbindungen,
beispielsweise zwischen der Kammer 2 mit variablem Volumen und dem Regenerator 6
enthalten ein unter hohem Druck, beispielsweise einem Hauptdruck von 15 mPa stehendes
Arbeitsgas. Die Temperatur des Gases in der Kammer 2 und im oberen Teil des Regenerators
6 kann über 700"C liegen.
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Wenn die Maschine mit Helium als Arbeitsgas arbeiten kann, was bei
einer langsam laufenden Maschine der Fall sein kann, kann die Belüftungsöffnung
10,11 fehlen. Der Zwischenraum 5 wird anschließend vollständig während des unter
einem Vakuum erfolgenden Lötens der Einheit evakuiert. Nachdem die Maschine jedoch
eine gewisse Zeit gelaufen ist, wird die hohe Temperatur, der hohe Druck des. Gases,
die kleinen Moleküle des Gases und das sehr dünne Wandelement 3 bewirken, daß Helium
in den Zwischenraum eintritt, der dadurch mit Helium unter Druck gefüllt wird. Helium
ist jedoch kein guter Wärmeleiter, so daß der Zwischenraum als Isolierung wirken
wird, die einen wesentlichen Wärmestrom radial nach außen verhindert. Das dünne
Wandelement 3 verhindert einen größeren Wärmestrom axial nach unten.
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Die Temperatur des Wandelementes 3 liegt am oberen Teil bei etwa 700"C
und unter 200"C am unteren Teil. Die Temperatur
des Regenerators
liegt am oberen Teil bei 700"C und unter 1000C am unteren Teil.
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Es versteht sich, daß alle dargestellten Bauelemente starken Beanspruchungen
aufgrund der Temperaturänderungen beim Anlassen und Abkühlen der Maschine ausgesetzt
sind. Die 0-Ringe 16,17 und 18 befinden sich dicht an den Kühlwasserkanälen, so
daß die Temperatur der O-Ringe leicht unter dem Grenzwert von etwa 250°C gehalten
werden kann, der'für ihr richtiges Arbeiten besteht. Die Kontaktflächen zwischen
dem Wandelement 3 und dem Kühler 13 oder der Laufbüchse 19 können sehr klein ausgebildet
sein, was weiter einen Wärmestrom axial nach unten begrenzt.
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Wenn das Arbeitsgas aus Wasserstoff besteht, sollten die Belüftungsöffnung
10 und das Rohr 11 beibehalten werden. Wasserstoff, der ein sehr guter Wärmeleiter
ist, wird dann zur Außenluft mit einer extrem geringen Geschwindigkeit oder mit
einem extrem geringen Durchsatz abströmen, der vom Standpunkt der Sicherheit ohne
Bedeutung ist.
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