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Heißgaskolbenmaschine mit einem sich koaxial zum Zylinder erstreckenden
Wärmeaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine, bei
der ein oder mehrere Wärrneaustauscher den Zylinder koaxial umschließen und im wesentlichen
in Richtung der Mittellängsachse des Zylinders vom gasförmigen Arbeitsmittel der
Maschine durchflossen werden. Unter einer Heißgaskolbenmaschine sind sowohl ein
Heißgasmotor als auch eine nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeitende Kühlmaschine
zu verstehen.
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Bei Maschinen der vorerwähnten Art besteht manchmal die Aufgabe, in
dem namentlich in axialer Richtung beschränkten Raum einen Wärmeaustauscher unterzubringen,
der den an einen vorzüglichen Wärmeaustausch zu stellenden Anforderungen entspricht.
Bekannte Heißgasmotoren dieser Art sind manchmal mit einem einzigen, den Motorzylinder
koaxial umschließenden und mit einer großen Anzahl vom Rippen ausgestatteten Mantel
versehen. Längs der Innenseite des Mantels fließt das Arbeitsmittel in den Motor,
und an der Außenseite des Mantels strömt das die Wärme zu- oder abführende Mittel
entlang. Um den Strömungswiderstand für das Arbeitsmittel nicht zu groß werden zu
lassen, ist es erforderlich, einen ziemlich großen Raum zwischen Mantel *und Motorzylinder
vorzusehen. Dies steht aber der Wärmeübertragung im Wege, weil dann nur ein verhältnismäßig
kleiner Teil der durchströmenden Gasschicht mit der Trennwand, durch die die Wärmeübertragung
stattfinden soll, in Berührung steht. Diese Wärmeübertragung kann zwar verbessert
werden,
wenn der Mantel innen mit einer großen Anzahl von Rippen mit dazwischenliegenden
Kanälen versehen wird; aber in diesem Fall ist die Wärmeübertragung in hohem Maße
von der Wärmeleitung durch das Material .der Rippen hindurch abhängig.
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Eine andere Lösung der Aufgabe besteht in der Anordnung einer großen,
Anzahl von Röhren, durch die eins der beiden Mittel fließt und die vom anderen Mittel
umspült werden. Dies ist aber eine ziemlich umständliche und baulich verwickelte
Lösung.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine baulich einfache Lösung, da
koaxial zum Zylinder der Maschine wenigstens zwei Wände liegen, die als wärmeleitende
Trennwände zwischen wenigstens drei koaxial angeordneten Räumen dienen; in jedem
derselben fließt eins der beiden genannten Mittel. Das gasförmige Arbeitsmittel
kann dann wenigstens zwei parallel geschaltete Räume durchfließen, zwischen denen
ein Raum zur Aufnahme des die Wärme zu- oder abführenden Mittels liegt. Die Stärke
der durchfließenden Gasschicht ist auf diese Weise kleiner als bei einer einzigen
Trennwand, und es braucht der Gesamtströmungswiderstand des Mittels nicht zuzunehmen,
da dieses wenigstens zwei parallel geschaltete Räume durchströmt. Auch in diesem
Fall kann die Wärmeübertragung durch Anordnung von Rippen verbessert werden, deren
Höhe geringer als bei einem einzigen Mantel sein kann, so daß auch die Wärmeleitung
durch das Rippenmaterial besser als bei den bekannten Bauarten ist.
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Die Erfindung wird an Hand eines auf der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiels eines Kühlers näher erläutert.
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In Fig. i ist ein Teil eines Zylinders eines Heißgasmotors mit dem
darin befindlichen Kühler im Längsschnitt dargestellt; in Fig. 2 ist dieser Kühler
im Querschnitt abgebildet.
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In dem Zylinderraum io bewegen sich der Kolben oder der Kolben und
der Verdränger hin und her. Infolge der Bewegung dieser Körper strömt das Gas aus
dem Zylinderraum durch Verbindungsöffnungen zum Kühler, Regenerator und Erhitzer.
In der Zeichnung ist bloß die Verbindungsöffnung i i zwischen Zylinder und Kühler
12 dargestellt. Eine ähnliche Öffnung ist aber auch am anderen Ende des Zylinders
zo vorhanden, die den Zylinder mit dem nicht dargestellten Erhitzer verbindet. Das
Gas durchfließt außerhalb des Zylinders io in einer im wesentlichen parallel zur
Zylinderachse verlaufenden Richtung den Kühler 12 sowie den Regenerator 13 und den
nicht dargestellten Erhitzer und strömt .dann wieder in den Zylinderraum zurück.
Das Gas bewegt sich periodisch in dieser und in der umgekehrten Richtung. Kühler
und-Regenerator sowie der nicht dargestellte Erhitzer sind koaxial zum Zylinder
io, und zwar im Raum zwischen - der Zylinderwand 14 und dem Mantel 15 des Motors
angeordnet. Der zwischen den Wänden 14 und 15 befindliche Ringraum steht zur Unterbringung
der die Wärme austauschenden Teile zur Verfügung. Das Bestreben geht dahin, diese
Teile bei möglichst großer wärmeaustauschender Oberfläche möglichst klein zu bemessen,
ohne daß aber der Widerstand, den das Gas beim Durchströmen dieser Teile erfährt,
zu groß wird.
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Der abgebildete Wärmeaustauscher, d. h. der Kühler des Motors, besteht
aus, drei ringförmigen Wänden 16, 17 und 18, die den Zylinder io koaxial umschließen.
Zwischen zwei dieser Wände 16 und 17 befindet sich ein ringförmiger Raum i9, der
vom Kühlwasser durchflossen wird. Das Kühlwasser wird durch zwei Rohrleitungen zu-
und abgeführt, die die weiter außen liegenden Wände durchsetzen und von denen in
Fig. 2 die Leitung 20 abgebildet ist. Die beiden Wände 16 und 17 sind oben und unten
miteinander verbunden, so daß der Raum i9 vom übrigen Teil des Kühlers abgeschlossen
ist und sozusagen einen Wassermantel bildet. Das gasförmige Arbeitsmittel des Motors
durchfließt die beiden Räume 21 und 22, von denen der erstgenannte von der Zylinderwand
14 und der Innnenseite der inneren ringförmigen Wand 16 gebildet wird. Der Raum
22 wird von der Außenwand 17 und einer besonderen Wand 23 begrenzt. Letztere dient
nur zur Leitung des Gasstroms, beteiligt sich aber nicht an der Wärmeübertragung.
Die Wände 16 und 17 aber sind wärmeleitende Trennwände zwischen dem gasförmigen
Arbeitsmittel des Motors und dem im Raum i9 umlaufenden Kühlwasser.
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Zur weiteren Steigerung der Wärmeübertragung sind die Wände 16 und
17 an der mit dem Gas in Berührung stehenden Seite mit einer großen Anzahl von Rippen
24 versehen, zwischen denen Kanäle für das durchströmende Gas gebildet werden. Durch
'Aufteilung der verfügbaren Durchströmungsoberfläche auf wenigstens zwei Räume kann
die Breite eines jeden Raumes und infolgedessen die Höhe der Rippen kleiner sein
als bei einem einzigen Gasdurchströmkanal. Dies bedeutet, daß die Kanäle zwischen
den Rippen verhältnismäßig leicht herstellbar sind und daß infolge der kleineren
Rippenhöhe die `'Wärmeleitung von den oberen Enden der Rippen zur Wand besser ist.
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Wenn der verfügbare Raum es zuläßt, kann die Aufteilung des Gasstroms
zwischen dem Kühlmittel noch weiter getrieben werden, indem noch eine dritte wärmeleitende
Trennwand 18 vorgesehen wird, die an einer Seite mit dem Gas und an der anderen
Seite mit dem `Kühlmittel in Berührung steht. Ferner ist noch eine vierte Wand 25
vorhanden, die zusammen mit der Wand 18 einen Raum für das Kühlmittel umschließt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die Wand 25 zugleich die Außenwand
des ganzen Kühlsystems, so .daß sie ausschließlich mit dem Kühlmittel und nicht
mit dem zu kühlenden Gas in Berührung korpmt. Dies hat den Vorteil, daß das gasförmige
Arbeitsmittel nicht mit der Außenwand der Maschine in Berührung steht und mithin
keine unerwünschte Temperatursteigerung infolge etwaiger
Wärmestrahlung
von außen her stattfinden kann. Wenn der zur Verfügung stehende Raum es gestattet,
können mehrere koaxiale Wände vorhanden sein, die alle eine Trennung zwischen dem
gasförmigen Mittel und dem Kühlmittel bilden. Zur Überführung des Gasstroms aus
dem Regenerator 13 zum Kühler und aus diesem Kühler zum Zylinderraum können ringförmige
Leitkörper 26 am oberen und unteren Ende .des Kühlers angeordnet sein.
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Die oben geschilderte Bauart ist in Anwendung auf einen Kühler beschrieben
worden. Sie kann aber ohne weiteres auch bei einem Erhitzer verwendet werden, bei
dem das die Wärme zuführende Mittel entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
In diesen Fällen sind die gleichen Vorteile er-, zielbar.