-
Kältemaschine Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einer Mehrzahl
von Flüssigkeitskammern, deren Fassungsraum durch Kolben gesteuert wird. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Kühlmaschine, welche als Kältemittel Luft oder ein anderes
Gas in einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf benutzt. Diese Maschine kann
vorzugsweise mit einem Zylinder ausgerüstet sein, in welchem ein Kompressionskolben
und ein V erdrängerkolben hin und her gehen, wobei geeignete Kanäle vorgesehen sind.,
um den Übergang des Gases nach rückwärts und vorn zwischen einer Kompressionskammer
zu ermöglichen, welche sich zwischen den Kolben befindet, bzw. einer Expansionskammer,
welche zwischen dem Ver drängerkolben und dem Zylinderkopf liegt. Geeignete Wärmeaustauscher
und ein Regen.erator oder Wärmeaustauscher können mit den Kanälen vereinigt sein,
durch welche das Gas zwischen der Kompressions- und Expansionskammer strömt. Die
Kolben bewegen sich vorzugsweise derart relativ zueinander, daß das Gas aus einer
Kammer in die andere unter einem im wesentlichen konstanten Druck strömt, wobei
die relativen Kolbenbewegungen die Temperaturerniedrigung und mithin auch den Gasdruck
kompensieren sollen, wenn das Gas aus dem heißen. nach dem kalten Ende der Maschine
strömt oder umgekehrt.
-
Die Erfindung bezweckt im-allgemeinen eine verbesserte Anordnung,
welche einen verhältnismäßig hohenthermodynamischen Wirkungsgrad ermöglicht und
zugleich einen befriedigenden und zuverlässigen Betrieb gestattet. Ein Zweck der
Erfindung betrifft eine Maschine, bei welcher sowohl der Verdränger- als auch Kompressionskolben
durch Kurbeln oder eine Kreisbahn beschreibende Zapfen und Verbindungsstangen zusammen
mit geeigneten Lenkern bewegt werden, jedoch ohne Benutzung von Kurvenscheiben,
Stoßstangen, Federn u. dgl. Hierdurch wird unter anderen Vorteilen ein geräuschloser
und erschütterung sfrei:er Gang erzielt, was- für Haushaltungsmaschinen dieser Art
besonders wichtig .ist. Die Maschine. ist ferner zuverlässiger, weil die Möglichkeit
des Bruches oder der Ermüdung von Federn oder ähnlichen Elementen vermieden wird.
Auch die Herstellungskosten sind niedrig, weil genau abgeschliffene Kurvenscheiben
und die damit zusammenhängenden Teile vermieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, daß das Kurbelgehäuse verhältnismäßig klein im Vergleich zu den bekannten
Gehäusen gehalten werden kann.
-
Schließlich bezweckt dieErfindung, eineAnordnung vorzusehen, bei welcher
die beiden Kolben in gerader Linie hintereinander angeordnet sind, und bei welcher
zwischen dem kalten und dem heißen Ende der Maschine Isoliermaterial angebracht
ist, um:denWärmeübergang zu hindern, wobei ferner der Verdrängerkolben durch ein
im Kopf :des Kornpressionskolbens
hin und her gehendes Element
bewegt wird.
-
In den Zeichnungen zeigt Abb. i einen senkrechten Längsschnitt durch
einen Teil der Maschine, Abb. 2 einen ähnlichen Schnitt nach Linie 2-2 von Abb.
i, Abb. 3 einen Querschnitt nach Linie 3-3 von Abb. 2, Abb. 4., 5, 6 und 7 schematische
Ansichten der relativen Kolbenstellungen in versch.iedenenZeitpunkten des thermodynamischenKreislaufes,
Abb. 8, 9, 1o und i i ähnliche Ansichten für einen anderen Antriebsmechanismus fürr
die Kolben, Abb. r2 ein Diagrämin, welches die relativen Bewegungen der Kolben während
eines Kreislaufes veranschaulicht, und Abb. 13 ein ähnliches Diagramm wie
Abb. i2, das sich auf die Kolben gemäß den Abb. 8 bis i i bezieht.
-
Um in einer geschlossenen Kühlmaschine dieser Art einen genügenden
thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen und verhältnismäßig hohe und geringe
Drucke zu vermeiden, welche -zum Wirkungsgrad nicht wesentlich beitragen, ist es
erwünscht, eine Relativbewegung der Kolben herbeizuführen, welche im wesentlichen
der oben beschriebenen entspricht, Zum Beispiel ist es erwünscht, die Bewegung,des
Kompressionskolbens nach aufwärts fortzusetzen, während die Luft zum Expansions-
oder kalten Ende der Maschine überströmt. Sodann soll der Verdrängerkolben sich
nach abwärts bewegen, während der-Kompressionskolben durch seinen obersten Umkehrpunkt
geht, worauf sich beide Kolben zusammen nach abwärts bewegen sollen, und zwar im
wesentlichen unter gegenseitiger Berührung, so daß während .der Expansion praktisch
die gesamte Luft sich in der Expansionskammer befindet oder in dieser Kammer und
den Luftkanälen. Es ist ferner erwünscht, daß der Verdrängerkolben seine Aufwärtsbewegung
nahe dem Mittelhub des Kompressionskolbens beginnt und daß letzterer sich langsam
nach abwärts bewegt, während der Verdrängerkolben verhältnismäßig rasch nach oben
geht, um sowohl die Luft aus der Expansionskammer in die Kompressionskammer überzuführen
als auch die Luft einer weiteren Expansion zu unterwerfen, so daß ihr Volumen einen
größeren Wert annimmt als am Ende des Expansionshubes in derExpansionskammer, während
der Druck im wesentlichen jenem gleichgehalten wird, welcher am Ende des Expansionshubes
herrscht. Mit anderen Worten, es soll der Druckanstieg zufolge des Wärmeüberganges
durch die warmen Wände der Kompressionskammer auf die Luft kompensiert werden, wenn
sie in diese Kammer einströmt.
-
Hierauf wird sich die Hauptmasse der Luft zwischen den beiden Kolben
in der Kompressionskammer befinden, und die Aufwärtsbewegung des Kompressionskolbens
wird beginnen, wenn -der Verdrängerkolben sich seinem oberen Umkehrpunkte nähert.
Es ist natürlich möglich, die Relativbewegung dieser Kolben durch Verwendung einer
Kurvenscheibe zu verändern. Die Benutzung einer solchen Kurvenscheibe, deren Profil
die Kolben in genauer Übereinstimmung mit einem idealen thermodynamischen Kreisprozeß
verschiebt, hat jedoch den Nachteil eines geräuschvollen Betriebes, bei welchem
Erschütterungen und eine übermäßige Beanspruchung :der mechanischen Teile auftreten.
Es ist daher nur eine Annäherung an den idealen Kreisprozeß erwünscht, und es hat
sich als möglich erwiesen, eine genügende. Annäherung durch Verwendung von Kurbelelementen
zu erzielen, welche kreisförmige oder im wesentlichen elliptische Bahnen beschreiben,
so daß Kurvenscheiben, Federn usw. vermieden werden können.
-
Angenommen, eineKurbel folgt einerKreisbähn mit gleichmäßiger Geschwindigkeit,
und ihre Verbindungsstange ist von praktisch unendlicher Länge, so daß ihre Winkelbewegung
vernachlässigt werden kann, dann würde die Bewegung des oberen Endes der V erbindungsstange
und des Kolbens eine harmonische sein. Wenn jedoch die Verbindungsstange verhältnismäßig
kurz und daher die mittlere Winkelbewegung verhältnismäßig groß ist, wird sich das
obere Stangenende nahe dem oberen Totpunkt verhältnismäßig schneller bewegen als
nahe,dem unteren Totpunkt, oder mit anderen Worten, der Kolben wird sich mehr als
über die Hälfte nach abwärts im ersten Viertelhub vom oberen Totpunkt bewegt haben.
Wenn die Verbindungslinie des oberen und unteren Totpunktes der Verbindungsstange
auf der einen Seite des Durchmessers der Bahn liegt, die von dem mit gleichförmiger
Geschwindigkeit sich bewegenden unteren Verbindungsstangenende beschrieben wird,
ergibt sich eine unsymmetrische Kolbenbewegung, oder mit anderen Worten, der Kolbenhub
in der einen Richtung oder seineBewegung zwischen einem Paar Totpunkten. erfolgt
verhältnismäßig schnell, und sein Hub in der anderen Richtung zwischen dein darauffolgenden
Paar von Totpunkten wird verhältnismäßig langsam erfolgen usw. Beide obigen Faktoren
können zugleich berücksichtigt werden, gleichgültig ob das Ende :der Verbindungsstange
eine Bahn durchläuft, welche einen Kreis oder eine Ellipse bildet. In gewissen Fällen
ist jedoch eine verzerrte Ellipsenbahn erwünscht, um die Wirkung der Winkelbewegung
der Verbindungsstänge
zu betonen. Urri eine Ellipsenbahn von nahezu
der gewünschten Form zu erzielen, ist es nur erforderlich, einen Drehzapfen auf
einem Teil der Verbindungsstange zwischen ihrem Kurbelende und dem entgegengesetzten
Ende anzuordnen, da jeder Teil der Stange zwischen ihren beiden Enden eine mehr
oder weniger elliptische Bahn beschreibt. Um eine relative Kolbenbewegung zu erzielen,
welche im wesentlichen der gewünschten Kreislaufanordnung entspricht, wird von den
obengenannten drei Faktoren oder Prinzipien Gebrauch gemacht. Die -Änderungen
in den Bewegungen der Verbindungstange, welche sich aus diesen drei Faktoren ergeben,
werden in geeigneter Weise überlagert, um einen hinreichenden thermodynamischen
Wirkungsgrad zu erzielen unter gleichzeitiger Vermeidung von. Vibrationen oder Stößen.
-
In den Abb. i und 2 ist eine Ausbildungsform der Erfindung dargestellt.
Die Kühlmaschine ist mit einem Kurbelgehäuse 1 versehen sowie einem aufrecht stehenden
Zylinder 5. Es ist klar, daß ein oder mehrere Zylinder benutzt werden können, jedoch
nach Größe der Maschine und anderen mechanischen Bedingungen, wobei in jedem Falle
die Einzelanordnung für .einen jeden Zylinder die gleiche .ist. Der iVletallzylin.der
5 ist mit einem geeigneten Kopf 26 versehen. Zwischen diesem Kopf und dem Körper
des Zylinders ist ein Ring 8 aus Isoliermaterial eingeschaltet, welcher :den Zylinder.
5 umgibt, sowie geeignete Wärmeaustauscher 7 und 78 nebst Regenerator 17, welcher
zwischen diesen angeordnet ist und dem Ring aus Isoliermaterial sowie einem äußeren
Ring aus ähnlichem Material. In der Zylinderwandung 5 sind am unteren Teil :des
Wärmeaustauschers 8 geeignete Bohrungen 28 vorgesehen. Der Metallteil der Zylinderwand
erstreckt sich nach oben über den Wärmeaustauscher hinaus, und eine geeignete Ringöffnung
29 ist am Zylinderkopf mit dem Wärmeaustauscher 78 vorgesehen. Die Bohrungen 28,
der Wärmeaustauscher 8, der Regenerator 17, der Wärmeaustauscher 7 und die Kreisöffnungen
29 bilden eine Leitung für das Kältemittel, beispielsweise Luft, z`vischen der Expansions-
und;der Kompressionskammer der Maschine, welche sich zwischen dem Verdrängerkolben
6 und dem Zylinderkopf bzw. zwischen dem Verdrängerkolben 6 und dem Kompressionskolben
4 befinden. Der Verdrängerkolb.en 6 besteht aus einem Metallstück 290, welches sich
gegen den oberen Teil der Metallzylinderwand anlegt, und zwar oberhalb der Bohrungen
28, sowie aus einem Mantelteil 31 aus wärmeisolierendem Material, das sich nach
oben hin über dem Metallstück 29o erstreckt und den Kolbenkörper bildet. Das Metallstück
29o schließt das untere Ende des Kolbens 6 dicht ab, so daß sich in diesem eine
gewisse Menge toter Luft befindet, wodurch .die Wärmeisolierung des Kolbens erhöht
wird. Der Kompressionskolben q_ besteht aus einem Metallgußstück mit Querglied 6o,
welches sich aus einem Paar Streben zusammensetzt, die zwischen den entgegengesetzten
Innenflächen des Kolbens sich- erstrecken und einen Gelenkzapfen 6.1 an ihren mittleren
Teilen tragen, mit welchen das obere Ende der Verbindungsstange 3 in Verbindung
steht. Vom Kopf des Kolbens 4 erstreckt sich zum Glied 6o ein geeigneter Kragen
oder eine Buchse 16, welche .ein Futter 18 aus geei@gnetern Lagermetall enthält.
Die Glieder 16 und 18 weisen senkrechte Schlitze an ihren entgegengesetzten Seiten
auf, welche mit 19 bezeichnet sind. Von dem Boden 29o des Kolbens 6 hängt eine Stange
15 nach abwärts, welche im Futter 18 gleiten kann' und mit ihrem unteren
Ende an einem geeigneten Querzapfen 99 angreift. Letzterer erstreckt sich durch
die Schlitze auf beiden Seiten der Buchse 16 nach-außen und wird von einem Paar
Lenkern 2o erfaßt, die durch geeignete Antriebsmittel im Kurbelgehäuse angetrieben
werden. Um ein Hindürchströmen der Luft durch -die Bohrungen 2-8 zu ermöglichen,
jedoch unter richtiger Beschränkung der @Größe der Kompressionskammer, ist der obere
Teil des Kolbens 4 etwas im Durchmesser verringert, so daß zwischen dem oberen Kolbenende
und der benachbarten Zylinderwand ein merklicher Zwischenraum gebildet wird.
-
Der verbesserte Antriebsmechanismus für die Kolben, welcher ein Merkmal
der Erfindung darstellt, besteht aus einer Kurbelwelle :2 der üblichen Form, auf
welcher eine Verbindungsstange 3 gelagert ist, -die zum Antrieb des Kolbens 4 :durch
den Gelenkzapfen .in_ bekannter Weise dient. Der Mechanismus zur Bewegung des Ver.drän.gerkolbens
6 in richtiger zeitlicher Beziehung zum Kompressionskolben 4 besteht aus dem Zapfen
z2, welcher auf der einen Seite des dicken Endes der Verbindungsstange 3 befestigt
ist, aus einem kurzen Verbindungsglied oder Lenker 9, welcher den Zapfen 12 mit
einem Winkelhebel io verbindet, :der auf einer geeigneten Stange i i drehbar gelagert
ist, die zur Kurbelwelle parallel verläuft, und der mit Armen 65 an Lenker 2o angelenkt
ist, welche mit jedem Ende des Querzapfens 99 in Verbindung stehen. Die Bewegungsart
.der Kolben ist .aus den Kurven der Abb. i2 ersichtlich. Zu Beginn des Kompressionshubes
befindet sich der Kompressionskolben 4 nahe oder in seinem unteren Totpunkt und
bewegt sich ziemlich rasch, während der Verdrängerkolben sich seiner obersten Stellung
nähert.(Abb. 4). Der Kompressionskolben wird seine Aufwärtsbewegung
fortsetzen,
während derVerdrängerkolben nahe seiner obersten Stellung eine Verzögerung erleidet
(Abb.5)-. Eine derartige Relativbewegung der Kolben wird dadurch ermöglicht, daß
der Zapfen 12- eine Bahn von verzerrter Ellipsenform durchläuft, und dadurch, daß
während dieses Teiles des Kreislaufes die natürliche Verzögerung des Verdrängerkolbens
6 zufolge der Winkellage der kurzen Verbindungsstange oder Lenker 9 durch die Form
jener Bahn betont wird, d. h. mit anderen Worten, weil dieser Teil der Bahn des
Zapfens r2 sich dicht einem Kreise nähert, dessen Mittelpunkt das entgegengesetzte
Ende des Lenkers bildet. Wenn der Kompressionskolben 4 sich dem Ende seines Hubes
nähert, be-,vegt sich der Verdrängerkolben nach abwärts, und zwar zunächst langsam
(Abb.6) und dann ziemlich schnell zufolge der Form seiner Bahn. Inzwischen, dank
der Winkellage der Verbindungsstange 3 und der Tatsache, daß ihr oberer Totpunkt
mit dem konvexen Teil der Bahn der Kurbel 2 zusammenfällt, bewegt sich der Verdrängerkolben
nach abwärts, bis er beinahe in Berührung mit dem Kompressionskolben gelangt (Abb.
7). Die bisher beschriebene Bewegung der Kolben bewirkt die Kompression der Luft,
wenn sie sich praktisch vollständig in der Kompressionskammer befindet sowie in
den_ Bohrungen um die Zylinderwandungen. Diese Kompression wird auch fortgesetzt,
wenn die Luft in die Expansionskammer überströmt, wodurch der Druckabfall kompensiert
wird, welcher .durch die Kühlung des Gases beim Einströmen in :das .gekühlte Ende
der Kammer bewirkt wird. Wenn der Kompressionskolben seine Höchstlage erreicht hat,
unterstützt die beschleunigte Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens die weitere
Expansion und das Überströmen des Gases. Die Abwärtsbewegung der beiden praktisch
.in gegenseitiger Berührung stehenden Kolben bewirkt eine Expansion des Gases, während
sich dieses praktisch vollkommen in der Expansionskammer oder in den den Zylinder
umgebenden Kanälen befindet.
-
Wenn der Kolben 4 etwa die Hälfte seines Hubes zurückgelegt hat, nähert
sich der Verdrängerkolben seiner untersten Stellung, und seine Bewegung wird verzögert,
während die fortgesetzte Abwärtsbewegung des Kolbens 4 dazu dient, das Überströmen
der Luft in das Kompressionsende der Maschine zu beschleunigen. Eine solche Bewegung
zusammen mit der Verzögerung des Verdrängerkolbens bewirkt eine Kompensierung der
Expansion des Gases, welche normalerweise stattfindet, wenn es zum heißen Ende der
Maschine zurückströmt. Während der Kolben 4 seine unterste Stellung erreicht hat,
bewegt sich der Verdrängerkolben mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit nach
aufwärts, um den Rest des Gases in das Kompressionsende der Maschine zurückzuführen
und den Kreislauf zu schließen. Bei seiner Aufwärtsbewegung wird der größte Teil
der Luft in die Kompressionskammer gedrängt. Im Hinblick auf die Hilfsmittel zur
Herbeifühi#ung der beschriebenen Relativbewegungen der Kolben ohne Verwendung von
Kurvenscheiben, Federn u. dgl. ist zu beachten, daß im wesentlichen der nämliche
Wirkungsgrad mit Maschinen erzielt werden kann, bei welchen die Kolben die gleichen
relativen Lagen nacheinander einnehmen, wenn auch die relativen Geschwindigkeiten
der verschiedenen Kreislaufteile sich ändern können, oder mit anderen Worten, wenn
verschiedene Teile des Kreislaufes verschiedene Anteile in den einzelnen Fällen
beanspruchen. Ein derartiges Prinzip wird durch Betätigung des iVIechanismus .gemäß
den Abb. 8 bis i i erfüllt, dessen Kolben eine Relativbewegung .gemäß Diagramm von
Abb. 13 ausführen. Aus Abb. 13 ist ersichtlich, daß die relativen Lagen der Kolben
in verschiedenen Zeitpunkten des Kreislaufes ähnlichen Stellungen .entsprechen wie
in Abb. i2, daß aber gewisse Teile der Kolbenbahnen in einem Kreislauf rascher durchlaufen
werden wie im anderen. Diese Geschwindigkeitsänderung zwischen verschiedenen Teilen
des Kreislaufes hat jedoch nur eine zu vernachlässigende Wirkung auf den thermischen
Wirkungsgrad der Anordnung bei normalen Geschwindigkeiten.
-
In den Abb. 8 bis i i bezeichnet 42 eine Kurbelwelle, welche beträchtlich
nach der einen Seite der Achse des senkrechten Zylinders 5 verschoben ist. Die Kurbelwelle
ist mit einer kurzen Verbindungsstange43 versehen, deren äußeres Ende an dem einen
Ende eines Winkelhebels 44 an-gelenkt ist, dessen anderes Ende um das feststehende
Glied 45 schwingt. Der Mittelteil des Winkelhebels dient zum Antrieb des unteren
Endes der Verbindungsstange 49 des Kompressionskolbens 4. Das Kurbelende der Verbindungsstange
43 ist mit einem Zapfen 56 versehen, an welchem der Lenker 47 .angelenkt ist, der
einen Schwinghebel 48 steuert, welch letzterer mit seinem gegabelten Ende an die
Lenker 46 angelenkt ist, die das untere Ende der Verbindungsstange i 5 des - Verdränger.-kolbens
6 erfassen, ähnlich wie es bei der Anordnung gemäß den Abb. i bis 3 beschrieben
ist.
-
Die Totpunkte der Verbindungsstange 43 befinden sich auf -der einen
Seite des Durchmessers oder der Bahn der Antriebskurbel, so daß die die Kolbenbewegung
veranschaulichende Kurve in Abb. 13 unsymmetrisch ist, oder mit anderen Worten,
daß der Kolbenhub
in- der eineri Richtung beträchtlich rascher erfolgt
als in der anderen, wenn die Antriebskurbel ihre Bahn mit gleichförmiger - Geschwindigkeit
durchläuft. Eine ähnliche Wirkung kann für den Winkelhebel q.8 durch entsprechende
Lagerung des Zapfens und der Verbindungsstange erzielt werden. Da beide Verbindungsstangen
verhältnismäßig kurz sind, ist die mittlere Winkelbewegung derselben vergleichsweise
groß, so daß sich die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung beträchtlich ändert, wenn
die Verbindungsstangen sich an den entgegengesetzten Totpunkten befinden.
-
Durch geeignete Anordnung und Bemessung der Teile, wie sie im wesentlichen
in den Zeichnungen dargestellt sind, werden die Bahnen der Kolben während eines
Kreislaufes den Diagrammen der Abb. 13 entsprechen und die Relativbewegungen der
Kolben eine Kompression, Expansion und Rückführung des Gases in seinen ursprünglichen
Zustand in wesentlich der nämlichen Weise bewirken, wie sie durch die Vorrichtung
gemäß Abb, i erzielt wird, wobei für den Wirkungsgrad der Vorrichtung der Umstand
keine wesentliche Rolle spielt, daß .gewisse Operationen, z. B. die Überführung
des Gases von der Expansions- in die Kompressionskammer, eine vergleichsweise größere
Zeit bei dem einen Kreislauf erfordern als beim anderen.
-
Die Erfindung läßt natürlich zahlreiche Abänderungen zu, ohne daß
von den beschriebenen Grundprinzipien wesentlich abgewichen wird. Es ist klar, daß
zahlreiche andere Anordnungen von Kurbeln und Lenkern benutzt werden können, die
sich auf die Verwendung von bahnerzeugenden Zapfen gründen, um die Bewegung eines
durch Kurbel angetriebenen Kolbens von einer exakten harmonischen Bewegung zu entfernen,
obgleich das Kurbelglied mit konstanter Geschwindigkeit umläuft.