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Zylindermaschine zur Erzielung sehr tiefer Temperaturen. Die Erfindung
bezieht sich; auf Zylindermaschinen zur Expansion von Gasen bei äußerst niedrigen
Temperaturen, beispielsweise auf Maschinen, die als Kaltexpansionsmaschinen bekannt
sind und zur Verflüssigung von Luft und anderen Gasen benutzt werden.
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Bei solchen Maschinen sind ideale Betriebsbedingungen erreicht, wenn
ein möglichst großer Unterschied in der Temperatur zwischen -den verhältnismäßig
warmen dem Zylinder zugeführten Gasen und Aden aus dem Zylinder abgeführten kalten
Gasen vorwaltet. Mit anderen Worten, die Wirksamkeit solcher Maschinen hängt von
der Erreichung einer möglichst tiefen Temperatur für das vom Zylinder abgeführte
Gas ab. Wenn gewöhnliche Metallwände benutzt wenden, so wird während ödes Einlassens
des verhältnismäßig warmen komprimierten Gases in den Zylinder eine beträchtliche
Wärmemenge von den Zylinderwänden aufgenommen. Bei der von einer Temperaturverminderung
begleiteten Expansion des Gases wird diese von den
Zylinderwänden
aufgenommene Wärme an das expandierende Gas abgegeben, so daß der theoretische Temperaturabfall
nicht erreicht wird. Daher wird bei Verwendung innerer metallischer Oberflächen,
wie sie gegenwärtig bei allen Maschinen dieser Art benutzt werden, der oben beschriebene
Austausch von Wärme zwischen dem Gas und dem Metall während der starken auftretenden
Temperaturunterschiede ein ernsthafter Nachteil für die Leistung solcher Kraftmaschinen,
d. h. die in dem Metall bei jedem Einfließen von relativ warmem Gas in den Zylinder
aufgespeicherte große Wärmemenge hat die Wirkung, den der Expansion entsprechenden
natürlichen Temperaturabfall zu vermindern und dadurch in beträchtlichem Maße -die
angestrebte Wirkung hintanzuhalten. Es ist zu beachten, daß die oben beschriebene
Erscheinung, welcher erfindungsgemäß abgeholfen werden soll, vollständig eine innere
Wirkung d arstellt, da sie es nur mit im Zylinder auftretenden Temperaturschwankungen
zu tun hat. Diese Temperaturschwankungen haben keine Beziehung zu dem Problem der
Isolierung ,der Zylinderwände gegen äußere atmosphärische Wärme. Die Isolierung
kann dabei natürlich in der üblichen Art durch äußere Anbringung von Isolierstoffen
bewirkt werden, um den Durchgang von Wärme durch die Wände zu verhindern.
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Der Hauptzweck der Erfindung liegt darin, bei Kraftmaschinen der beschriebenen
Art eine geeignete innere Auskleidung für die metallischen umgebenden Flächen zu
schaffen, welche sonst mit dem Gas während seiner Expansion in Berührung treten.
Durch die Anordnung einer Bekleidung von geringer Wärmekapazität werden die Verluste
durch die obenerwähnte abwechselnde Aufnahme und Wiederausstrahlung der Wärme durch
die Zylinderwandungen erheblich verringert, da der Betrag dieser hin und her fließenden
Wärme gegenüber dem entsprechenden bei metallischen Zylinderwänden zu verzeichnenden
Betrage sehr gering ist. Es ist bekannt, daß bei gewöhnlichen Expansionszylindern,
die bei sehr tiefen Temperaturen arbeiten, der durch die Expansion erzielte Temperaturabfall
selten mehr als etwa die Hälfte des berechneten Betrages erreicht, der bei vollständig
isotropischen Verhältnissen erreichbar wäre. Andererseits überschreitet bei einer
Maschine, deren gasberührende Oberflächen mit einer Auskleidung gemäß der Erfindung
versehen sind, der wirkliche Temperaturabfall praktisch 8o Prozent des theoretischen
Temperaturabfalls. Dies erhöht nicht nur. fdie Leistung der Maschine, sondern bietet
auch andere wertvolle Vorteile, insofern, als dadurch die Anwendung niedrigerer
Drucke zur Erzielung derselben Kältegrade ermöglicht wird, wodur ch die Ausführung
und der Betrieb solcher Kühlmaschinen und anderer Apparate für die Verflüssigung
von Gasen a. dgl. wesentlich vereinfachst wird.
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Ir, der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. A:bb. r ist ein Längsschnitt durch den Zylinder, Abb. a
ein Schnitt nach Linie 2-z -der Abb. r.
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Der als Ganzes mit a bezeichnete Zylinder .°inpfängt nacheinander
Füllungen von gepreßter Luft oder einem sonstigen Gas und pufft diese Füllungen
wieder aus, beides bei den sehr tiefen Temperaturen, wie sie bei Kältemaschinen
und Verflüssigungsmaschinen üblich sind. Ein Kolben b im Zvlinder a ist in der üblichen
Art mit einem geeigneten, nicht dargestellten Getriebe verbunden, auf das die Leistung,des
Kolbens übertragen wird.
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Der Zylinder a hat einen Einlaßkanal c, durch welchen die Füllung
aus gepreßter Luft oder einem sonstigen Gas bei tiefer Temperatur eingeführt wird,
wenn der Kolben b sich am äußersten Ende seiner Einwärtsbewegung befindet. Die Preßluft
o. dgl. dehnt sich dann aus und schiebt den Kolben auswärts, wobei die Temperatur
des Gases erniedrigt und seine Expansionsenergie zur Leistung von Nutzarbeit herangezogen
wird. Wenn die Grenze der Ausdehnung erreicht ist, so wird das Gas durch den Auslaßkanal
d abgeführt und ist infolge seiner unter der Einlaßtemperatur liegenden tiefen Temperatur
für Kühlzwecke in der üblichen Art benutzbar.
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Gemäß der Erfindung besteht der Zylinder a aus einer Metallhülle
e mit einer Innenbekleidung f von geringer Wärmekapazität. Die Bekleidung,
-welche das wesentliche Merkmal der Erfindung bildet, besteht hauptsächlich aus
faserigem Material, wie Papier, Holzfaser, Asbestfaser o. -dgl., die durch ein starkes
Bindemittel, wie Bakelit, zusammengehalten -werden. Im Bedarfsfalle kann eine geringe
Menge von Graphit zugesetzt werden. Die Masse -wird unter hohem Druck in Ringe g
geformt, und es wird genügende Hitze angewendet, um das Xleibmittel zum Abbinden
zu bringen. -Die .beschriebene Auskl'eid'ung kann durch Zusammensetzung einer großen'
Anzahl dünner Ringe aus gewöhnlichem Manila-Zeichenpapier auf einem hohlen Kern
hergestellt werden, dessen Außendurchmesser etwas geringer, als derjenige .des Kolbens
b ist. Bevor diese Ringe auf dem Kern zusammengestellt werden, werden sie mit einem
Klebmittel, beispielsweise flüssigem Bakelit, getränkt, und eine Oberfläche kann
mit .gepulvertem Graphit bestreut werden, Der-.hohle Kern wird
dann
erhitzt, indem man seinen Innenraum unter Dampfdruck setzt, und die zusammengesetzten
Ringe werden mit größer Gewalt entweder in einer hydraulischen Presse oder durch
Aufpressen von Metallringen auf die Enden des Kerns mittels einer Anzahl von Bolzen
gegeneinandergepreßt. Der starke Druck preßt den überflüssigen Bakelit heraus, so
daß nichts davon außer einem klebenden Häutchen zwischen den Papierlagen zurückbleibt.
Die Hitze und der Druck wird mindestens vierundzwanzig Stunden aufrechterhalten.
Am Schlusse dieser Zeit haben sich die Stoffe, nämlich das Papier, Graphit und Klebmittel,
zu einer festen Masse ver-.einigt. Der Dampf wird dann aus dem Kern abgelassen,
welcher sich abkühlt und gestattet, daß die Masse in Form eines Ringes leicht abgezogen
werden kann. Der so hergestellte Ring besteht hauptsächlich aus gepreßter Papierfaser,
welche in einer Drehbank leicht abgedreht und gebohrt werden kann und dann eine
glatte, dichte, schwarze Oberfläche von sehr geringer Wärmekapazität aufweist. .
Diese Oberfläche ist praktisch selbstschmierend und hat die besondere Eigenschaft,
daß sie bei starker Kälte fester und zäher wird, was bei hauptsächlich aus Graphit
bestehenden Verbundstoffen oder solchen, -die nicht unter starkem Druck und Wärme
hergestellt wurden, nicht :der Fall ist.
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Die Ringe können beliebige Dicke erhalten und werden in die Metallhülle
a. eingepreßt, so daß sie diese vollständig auskleidlen.
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Die Auskleidung kann in mannigfacher anderer Art hergestellt werden.
Der Zweck der Erfindung wird offenbar durch eine derartige Auskleidung unabhängig
von ihrer Herstellungsart jederzeit erreicht. Doch hat sich die beschriebene hauptsächlich
aus Faserstoffen und einem geeigneten Bindemittel mit oder ohne Graphit bestehende
unter hohem Druck und langdauernder Erwärmung hergestellte Masse besonders gut bewährt.
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Der Zylinderkopf lt besitzt vorzugsweise ebenfalls eine faserige Bekleifdüng
i. mit den oben beschriebenen Eigenschaften. Auch sie ist unter Druck und, Wärme
.hergestellt:- Die Stirnfläche des'Kolbens b ist in gleicher Weise mit einer faserigen
Bekleidung j versehen, die in der gleichen Art hergestellt ist. Falls gewünscht,
kann auch: der Umfang des Kolbens b eine äußere Bekleidung k von den gleichen Eigenschaften
haben, was aber nicht wesentlich ist, -da die Bekleidungen f, i und
j
unter allen Umständen Flächen geringer Wärmekapazität aufweisen, welche
die in die 2vIaschine hineingeschickten Gase vollständig umhüllen.
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Es ist bekannt, daß in der Hauptsache aus Graphit bestehende Zylinderauskleidungen
schon früher vorgeschlagen worden sind, um die Verwendung gewöhnlicher öliger Schmiermittel
zu vermeiden, und zwar besonders in Verbindung mit solchen Treibmitteln, welche
ölige Schmierstoffe chemisch angreifen. Es ist auch bekannt, solchen Graphit durch
Vereinigung mit Fasern o. dgl. in eine geeignete Masse zu formen. Die Erfindung
bezieht sich aber nicht auf eine solche Bekleidung, dies offenbar für den obigen
besonderen Zweck völlig ungeeignet wäre, da Graphit ein Stoff von beträchtlicher
Wärmekapazität und geringer innerer Festigkeit ist. Die Erfindung liegt hauptsächlich
in der Feststellung, daß eine hauptsächlich aus Fasermaterial bestehende Bekleidung,
die mit einem Bindemittel unter hohem Druck und ausgedehnter Hitzeeinwirkung mit
oder ohne Zusatz von Graphit verbunden ist, bei den hier in Frage kommenden tiefen
Temperaturen eine erheblich gesteigerte Festigkeit, Formbeständigkeit, Zähigkeit
und Dauerhaftigkeit besitzt, umd dies ist die Eigenschaft, welche für die Zwecke
der Erfindung wesentlich ist. Jede Bekleidung, idie hauptsächlich aus Graphit besteht
und ohne großen Druck und gleichzeitige Erhitzung oder mit einem unrichtigen Bindemittel,
wie Wasser mit einem geringen Prozentsatz von Fasern, hergestellt ist, hat diese
Eigenschaften nicht und nimmt sie auch unter dem Einflluß stärkster Kälte nicht
in solchem Maße an, daß diese Masse für die hier in Rede stehenden Zwecke brauchbar
würde.
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Offenbar hat der Graphit, der je nach' Bedarf oder Wunsch zugesetzt
wird oder nicht, mit der Erreichung des Hauptzweckes der Erfindung nichts zu tun,
sondern dient nur dem NT-ebenzweck, soweit als möglich eine selbstschmierende Oberfläche
zu schaffen, welche dem Kolben b eine möglichst geringe Reibung darbietet.