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Kühlmaschine Außer Kühlmaschinen, bei denen die Kälteerzeugung mittels
eines verflüssigten Gases erfolgt, das dabei von der Flüssigkeitsphase in den dampfförmigen
Zustand übergeht, gibt es auch Kühlmaschinen, bei denen die Kälteerzeugung mittels
eines immer im gleichen Aggregatzustand bleibenden Gases erfolgt. Das Gas wird in
dieser Maschine nacheinander bei einer niedrigen Temperatur arbeitsleistend expandiert,
nimmt dann Wärme auf, wird dann komprimiert und gibt bei einer höheren Temperatur
Wärme ab, die von einem gewöhnlichen Kühlmittel, wie Wasser oder Luft, abgeleitet
wird. Dieser thermodynamische Kreislauf wird in einer Einrichtung durchlaufen, in
der das Gas in einem Raum mit veränderlichem Volumen eingeschlossen ist, in dem
oder in offener Verbindung mit dem ein zur Wärmeübertragung von dem zu kühlenden
Gut auf (las Gas in der Einrichtung bestimmter Teil enthalten ist; es ist ferner
ein Regenerator und ein zum Übertragen der Wärme des komprimierten Gases auf das
Kühlmittel bestimmter Teil vorgesehen, der sich außerdem in offener Verbindung mit
einem zweiten Raum mit veränderlichem Volumen befindet. Der zur Wärmeübertragung
von dem zu kühlenden Mittel auf das Gas in der Einrichtung bestimmte Teil wird im
folgenden als Kälteerzeuger, der zur Wärmeübertragung vom Gas auf das Kühlmittel
bestimmte Teil als Kühler bezeichnet. Der an den Kälteerzeuger anstoßende Raum mit
veränderlichem Volumen wird im folgenden als kälteerzeugender Raum, der an den Kühler,
anstoßende Raum als gekühlter Raum bezeichnet. Zwischen den Volumenänderungen des
kälteerzeugenden und des gekühlten Raums besteht ein solcher Phasenunterschied,
daß das Gas gezwungen ist, den vorherbeschriebenen Kreislauf zu durchlaufen. Solche
Kühlmaschinen
sind z. B. aus Zeuner: »Technische Thermodynamik«,
Band i, bekannt: Diese Kühlmaschinen können als Maschinen mit geschlossenem Kreislauf
,bezeichnet werden, weil immer die gleiche Gasmenge gezwungen ist, den vorher erwähnten
thermodynamischen Kreislauf einzuhalten. Auch wenn ein Teil des Gases aus diesen
geschlossenen Räumen zu einem geschlossenen Gefäß oder Röhrensystem abfließen und
von dort aus wieder in die Räume zurückgeführt werden kann, in denen sich der Kreisprozeß
abspielt, kann von einem geschlossenen Kreislauf gesprochen werden. Die Kühlmaschinen
können gegebenenfalls auch so ausgebildet werden, daß sich ein offener Kreislauf
abspielt, wobei sich dann der Kühler erübrigt. Das Gas wird in diesem Fall aus dem
gekühlten Raum in die Außenluft abgeleitet; für den nächstfolgenden Kreislauf wird
eine neue Gasmenge, in diesem Falle Luft, angesaugt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausschließlich auf Kühlmaschinen
der beschriebenen Art, bei denen das angewandte Mittel immer im gleichen Aggregatzustand,
und zwar, wie meist üblich, in der Gasphase in den vorher erwähnten Räumen umläuft.
Eine bekannte Ausführungsform dieser Kühlmaschine ist mit nur einem einzigen thermodynamischen
Kreislauf ausgebildet, so daß zur Vergrößerung der Maschinenleistung auch die Abmessungen
der Räume, in denen sich dieser Kreislauf abspielt, in diesem Fall der Zylinder,
und der Organe, die das Volumen des kälteerzeugenden und des gekühlten Raums beeinflussen,
vergrößert werden müssen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlmaschine der vorher
beschriebenen Art mit mehreren Kreisläufen ausgebildet, die sich in mehreren Zylindern
vollziehen. In diesen Zylindern befinden sich die die Volumen der verschiedenen
kälteerzeugenden und gekühlten Räume beeinflussenden Oberflächen immer paarweise
im gleichen Abstand voneinander, wobei die eine Oberfläche eines jeden dieser erwähnten
Paare das Volumen eines kälteerzeugenden Raums und die andere Oberfläche dieses
Paars das Volumen eines gekühlten Raums ändert; in jedem Kreislauf ergibt sich die
für die Wirkungsweise der Maschine erforderliche Phasenverschiebung zwischen der
Oberfläche, die den zugehörigen gekühlten Raum ändert, indem eine Änderung des Volumens
eines Raums, in dem sich ein einziger Kreislauf vollzieht, durch zwei Oberflächen
herbeigeführt wird, die sich nicht in Phase bewegen.
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Da die sich bewegenden Oberflächen in einem Zylinder stets paarweise
in gleichem Abstand liegen, wird für jeden Zylinder nur ein einziger Antrieb des
sich in ihm bewegenden Kolbens oder der sich in ihm bewegenden Kolben benötigt zum
Unterschied gegenüber der bekannten Einzylindermaschine, bei der immer zwei sich
mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung bewegende Kolbenkörper vorgesehen sein
müssen. Die beiden Oberflächen, die gemeinsam das Volumen eines einzigen Kreislaufs
beeinflussen und sich somit mit einer gewissen Phasenverschiebung gegeneinander
bewegen müssen, sind bei diesen Mehrzylindermaschinen notwendigerweise in zwei verschiedenen
Zylindern untergebracht. Bei jedem Kreislauf ist also der die Kälte erzeugende Raum
in einem anderen Zylinder enthalten als der gekühlte Raum. Dies ergibt jedoch den
Vorteil, daß die Bauart der beweglichen hfaschinenteile bedeutend einfacher als
bei der Einzylindermaschine mit einem Kreislauf ist, weil im vorliegenden Fall für
jeden Zylinder nur eine einzige Kurbel mit Treibstange, oder aber nur ein Anschluß
an eine Winkelhebelvorrichtung benötigt wird.
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Die beiden das Volumen eines kälteerzeugenden Raums und eines gekühlten
Raums beeinflussenden Oberflächen in einem einzigen Zylinder können nach einer Ausführungsform
der Erfindung zu beiden Seiten eines einzigen Kolbenkörpers angeordnet sein. In
diesem Fall wird der Raum im Zylinder beiderseits des Kolbens benutzt, so daß die
Kolbenstange mit einer üblichen Stopfbüchsdichtung durch die Zylinderwand hindurchgeführt
werden muß.
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Bei einer anderen Ausführungsform sind diese beiden Oberflächen auf
zwei getrennten, jedoch mit Hilfe einer Kolbenstange fest miteinander gekuppelten
Kolbenkörpern angeordnet. Jeder Zylinder ist in diesem Fall in axialer Richtung
in zwei Teile zerlegt; in jedem Teil bewegt sich ein Kolbenkörper, der nur einseitig
arbeitet. In diesem letzteren Fall sind im allgemeinen die sich hin und her bewegenden
Massen größer als im zuerst genannten Fall; die thermische Isolierung zwischen den
beiden Kolbenoberflächen kann aber besser ausgebildet «erden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In Fig. i ist schematisch eine nach dem schon früher erwähnten Prinzip
arbeitende Kühlmaschine dargestellt,in der sich in vier Zylindern vier Kreisprozesse
abspielen. Die -Maschine hat eine einzige Kurbelwelle 142, auf der vier Kurbeln
138, 139, 140 und 141 sitzen. Mit jeder Kurbel ist eineTreibstange 151, eine Kolbenstange
15o und ein Kolben 149 gekuppelt. Der Verbindungspunkt zwischen derTreibstange 151
und der Kolbenstange 150 wird in einem Kreuzkopf 147 geführt. Die vier Kolben 149
bewegen sich je in einem Zylinder 131, 132, 133 bzw. 134: Jeder Zylinder ist von
einem Kälteerzeuger 135, einem Regenerator 136 und einem Kühler 137 umgeben, die
von dem im Zylinder eingeschlossenen Gas durchströmt werden. Die Wärmeleitung von
dem abzukühlenden \littel, z. B. der Luft in einer Kühlzelle oder in einem Kühlschrank,
erfolgt mittels eines Satzes den Kälteerzeuger 13.5 an der Außenseite umgebender
Rippen 152. Die zu kühlende Luft streicht über die Rippen 152 aller vier Zylinder
und gibt die Wärme an diese Rippen ab. Diese Wärme wird vom Kälteerzeuger 135 in
jeden Kreisprozeß auf das Gas übertragen. Nach der Wärmeaufnahme wird das Gas infolge
der Bewegung des Kolbens komprimiert, so daß die Temperatur steigt. Das wärmere
Gas kommt lnit dem Kühler 137 in Berührung und gibt die Wärme durch diesen Kühler.
hindurch an das im Mantel 153 vorhandene Kühlwasser ab. Dieser Nfantel mit Kühlwasser
umgibt die Kühler aller vier Zylinder gemeinsam, so daß
nur eine
Zu- und Ableitungspumpe für das Kühlwasser vorgesehen ist.
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Die Rippen 152 sitzen alle auf den Köpfen der vier Zylinder 131,
132, 133 und 134. Dies bedeutet also, daß der obere Teil der Maschine, d.
h. der der Kurbelwellenseite abgewandte Teil, im Betrieb kalt wird und zur Kühlung
des zu kühlenden Mittels dient. Es ist z. B. möglich, diese vier Zylinderköpfe in
dem zu kühlenden Raum selbst anzuordnen und zu bewirken, daß der übrige Teil des
Motors aus diesem Raum herausragt. Die Regeneratoren 136 liegen in der Wand des
zu kühlenden Raums und bilden so einen Teil der thermischen Isolierung dieses Raums.
Es ist auch möglich, die ganze Maschine in dem zu kühlenden Raum anzuordnen und
dann die zu kühlende Luft in diesem Raum unter Zuhilfenahme eines Ventilators zwischen
den Rippen 152 hindurch zu blasen. Obgleich es theoretisch genau so gut möglich
ist, die Bauart eines jeden Zylinders derart zu ändern, daß der im Betrieb kalte
Teil am unteren Teil des Zylinders liegt, empfiehlt sich die angedeutete Ausführungsform
aus den vorerwähnten Gründen doch am meisten.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Kühler des Zylinders 131
mittels einer Leitung 154 mit dem gekühlten Raum unterhalb des Kolbens im Zylinder
132 verbunden. Dasselbe trifft auch für die Kühler der Zylinder 132, 133 und 134
zu, die mittels Leitungen 155, 156 bzw. 157 mit den gekühlten Räumen unterhalb des
Kolbens in den Zylindern 133,134 und 131 verbunden sind. Der kälteerzeugende Raum
oberhalb jedes Kolbens steht unmittelbar mit dem den betreffenden Zylinder umgebenden
Kälteerzeuger 135 in Verbindung. Jeder kälteerzeugende Raum 19o bildet gemeinsam
mit dem zugehörigen Kälteerzeuger 135, dem Regenerator 136 und dem Kühler 137 eines
Zylinders, z. B. 131, und mit einem gekühlten Raum 193 in einem 'anderen Zylinder,
z. B. 132, einen geschlossenen Raum, in dem das Gas gezwungen wird, den beschriebenen
Kreislauf zu durchlaufen. Das Volumen dieses Raums wird von zwei Kolbenoberflächen
beeinflußt, und zwar der oberen Fläche 191 eines Kolbens in dem einen Zylinder und
der unteren Fläche 192 eines Kolbens in dem zugehörigen anderen Zylinder. Diese
Kolben sind mit zwei Kurbeln verbunden, die im vorliegenden Fall einen Winkel von
9o° miteinander bilden. Die Kolbenflächen 191 und 192 bewegen sich also mit einem
gewissen Phasenunterschied; bei einer durch den Pfeil 159 angegebenen Drehrichtung
der Maschine (von dem Elektromotor 145 aus gesehen gegen die Uhrzeigerrichtung)
eilt die Volumenänderung des gekühlten Raums 193 in bezug auf die des kälteerzeugenden
Raums 19o nach.
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Die vier Zylinder sind auf einem gemeinsamen, von der Umgebung gasdicht
verschlossenen Kurbelgehäuse 158 angeordnet. Die Kurbelwelle 142 mit den vier unter
einem Winkel von 9o° angeordneten Kurbeln 138 bis 141 ruht innerhalb dieses Kurbelgehäuses
in zwei Lagern 143 und 144. Die Kurbeln 138 und 14o liegen in, die Kurbel 139 hinter
und die Kurbel 141 vor der Zeichnungsebene. In dem Kurbelgehäuse ist auch der die
Kühlmaschine antreibende Elektromotor 145 vorgesehen, dessen Stromzuführungsleitungen
146 gasdicht durch die Wand des Kurbelgehäuses geführt sind. Die Zylinder sind gleichfalls
gasdicht von dem Kurbelgehäuse verschlossen, weil die Kolbenstangen 15o durch Stopfbuchsen
148 gasdicht in den Unterdeckeln der Zylinder geführt sind. Es sei ein einziger
der insgesamt vier sich in der Maschine abspielenden Kreisläufe betrachtet. Der
betrachtete Arbeitsraum, in dem sich ein einziger Kreislauf. abspielt, besteht aus
dem kälteerzeugenden Raum 1 o im Zylinder 131 oberhalb der oberen Fläche 191 des
Kolbens, der sich in diesem Zylinder bewegt, dem Kälteerzeuger 135, dem Regenerator
136 und dem Kühler 137, die alle um den Zylinder 131 gelegen sind, dem Verbindungskanal
154 und dem gekühlten Raum 193 im Zylinder 132 unterhalb der Unterfläche 192 des
in Zylinder 132 beweglichen Kolbens. Man kann diesen Arbeitsraum in zwei Teile unterteilen,
nämlich den kälteerzeugenden Teil, der vom kälteerzeugenden Raum 19o und dem Kälteerzeuger
135 gebildet ist und auf der einen Seite des Regenerators 136 gelegen ist, und den
auf der anderen Seite dieses Regenerators gelegenen gekühlten Teil, der aus dem
Kühler 137, dem Verbindungskanal 154 und dem gekühlten Raum 193 besteht.
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Wie schon erwähnt, beruht die Kälteerzeugung in einer derartigen Maschine
darauf, daß abwechselnd in jedem Kreislauf eine Expansion des Arbeitsmittels bei
einer niedrigen Temperatur und eine Kompression des Arbeitsmittels bei einer höheren
Temperatur stattfindet. Während der Expansion soll somit die Hauptmenge des Arbeitsmittels
ein sich im kälteerzeugenden Teil des Arbeitsraums und während der Kompression im
kühlenden Teil des Arbeitsraums befinden. Dies wird durch das Zusammenspiel der
untereinander mit Phasenunterschied beweglichen Kolben erreicht.
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Betrachtet man jetzt vier aufeinanderfolgende Lagen der zwei einen
gewissen Kreislauf bestimmenden Kolben, so ergibt sich das Folgende: Stellung 1,
bestimmt durch die obere Fläche 191 des im Zylinder 131 befindlichen Kolbens und
die untere Fläche 192 des im Zylinder 132 befindlichen Kolbens. Kurbellagen wie
bei 138 und 139 angegeben. Kälteerzeugender Raum hat Minimalvolumen. Gerade nach
dem Verlassen dieser Stellung fängt das Gas an, dem kälteerzeugenden Raum des Arbeitsraums
zuzuströmen.
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Stellung 1I, um 9o° gegenüber Stellung I versetzt, die Kolben haben
die Lagen, wie in Zylinder 132 und 133 angegeben, angenommen. Kurbellagen wie bei
139 und 140 angegeben. Expansion hat gerade angefangen.
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Stellung 11I, um 18o° gegenüber Stellung I versetzt; die Kolben haben
die Lagen, wie bei Zylinder 133 und 134 angenommen. Kurbellagen wie bei 140 und
141 angegeben. Expansion dauert an.
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Stellung IV, um 270° gegenüber Stellung 1 versetzt, die Kolben haben
die Lagen, wie bei Zylinder 134 und 131 angegeben. Kurbellagen wie bei 141 und 138
angegeben. Kompression hat gerade angefangen.
Zum Anbringen der
verschiedenen Verbindungskanäle 154 bis 157 zwischen den Zylindern und den Kühlern
ist es zweckmäßig, die Zylinder möglichst nahe aneinanderzurücken. Die Anordnung
von vier Zylindern in gleicher Flucht, wie dies in der Figur dargestellt ist, hat
den Vorzug,. daß eine einzige Kurbelwelle genügt. Drei der vier Verbindungskanäle,
und zwar 154, 155 und 156, können kurz sein; der Verbindungskanal 157 zwischen dem
ersten Zylinder 139 und dem Kühler 137 des vierten Zylinders 134 ist in diesem Fall
aber ziemlich lang. Eine Verbesserung ist durch paarweise Anordnung der Zylinder
in V-Form unter einem Winkel von 9o° möglich. Hierbei genügt eine Kurbelachse mit
nur zwei Kurbeln, wobei aber zwei Treibstangenköpfe jeden Kurbelzapfen umfassen.
Die einfachste Ausführungsform ist die, bei der die Zylinder in einem Viereck angeordnet
sind'und der Antrieb der Kolben von einer Winkelhebelvorrichtung aus erfolgt. Im
letzteren Fall können die vier Verbindungskanäle besonders kurz sein. Außerdem ist
die Bauart eines jeden Zylinders dann gleich, was besonders vorteilhaft für die
Massenherstellung ist.
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In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Kühlmaschine mit zwei
Kreisläufen und drei Zylindern dargestellt. In dem einen Zylinder 161 bewegt sich
ein einziger Kolben 163; in den anderen Zylindern sind je ein Kolben 167 und 169
vorgesehen. Die für die Kolben 167 und 169 gemeinsame Kolbenstange 168 ist in einer
Stopfbuchse 188 gasdicht durch die Obenwandung des unteren Zylinders hindurchgeführt.
Die Zylinder 161 und 162 sind je von einem Kälteerzeuger 177, einem Regenerator
178 und einem Kühler 179 umgeben, die vom Gas durchflossen werden, das den Kreisprozeß
vollzieht. Die beiden Kälteerzeuger 177 sind von Rippen 18o umgeben, über die das
zu kühlende Mittel fließt. Einer der Kreisprozesse spielt sich im kälteerzeugenden
Raum 184, dem Kälteerzeuger, Regenerator und Kühler des Zylinders 161, der Verbindungsleitung
183 und dem gekühlten Raum 186 des unteren Zylinders ab. Das Volumen dieses Raums
wird von der oberen Fläche 195 des Kolbens 163 und der oberen Fläche 196 des Kolbens
169 beeinflußt.Der andere Kreisprozeß vollzieht sich im kälteerzeugenden Raum 187,
dem Kälteerzeuger, Regenerator und Kühler des Zylinders 162 und dem gekühlten Raum
185 des Zylinders 161. Das Volumen dieser Räume wird von der unteren Fläche 197
des Kolbens 163 und von der oberen Fläche 198 des Kolbens 167 beeinflußt. Der gekühlte
Raum 1.85 ist gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen, da die Kolbenstange
des sich im Zylinder 161 bewegenden Kolbens mittels einer Stopfbuchse 189 gasdicht
durch den unteren Deckel dieses Zylinders hindurchgeführt ist.
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Der Kolben 163 wird mittels einer Kolbenstange 164 und einer Treibstange
166 von der hinter der Zeichnungsebene liegenden Kurbel 172 angetrieben. Diese Kurbel
1#2 sitzt auf einer Kurbelwelle 174, die auch die in der Zeichnungsebene liegende
Kurbel 173 zum Antrieb der Kolbenkörper 167 und 169 trägt, die mittels der Kolbenstange
168 starr miteinander gekuppelt sind und von der Treibstange 171 angetrieben werden.
Der Gelenkpunkt der Treibstange 166 mit der Kolbenstange 164 wird in einem Kreuzkopf
geführt. Der Drehpunkt 17o der Treibstange 171 ist in dem der Führung dieses Drehpunkts
dienenden Kolben 169 angeordnet. Die beiden Kurbeln 172 und 173 schließen miteinander
einen Winkel von 9o° ein. Die Maschine wird vom Elektromotor 176 in Richtung
des Pfeils 175 angetrieben, so daß der Kolben 163 um 90° in bezug auf die Kolbenkörper
167 und 169 voreilt. Die Volumenänderungen des kälteerzeugenden Raums 184 eilen
also um 9o° in bezug auf die Volumenänderungen des zugehörigen gekühlten Raums 186
vor. Ebenso eilt die Volumenänderung des gekühlten Raums 185 um 9o° in bezug auf
die des zum gleichen Kreislauf gehörigen kälteerzeugenden Raums 187 nach. Zum Durchlaufen
der beiden vorhergenannten Kreisläufe, wobei in jedem Kreislauf zwischen den Volumenänderungen
des geheizten und des gekühlten Raums eine Phasenverschiebung von 9o° verlangt wird,
sind zwei Oberflächen erforderlich, die sich mit einem Phasenunterschied von o°
bewegen, im vorliegenden Fall die Flächen 198 und 196, und zwei weitere Oberflächen,
die sich mit einem Phasenunterschied von 36o° bewegen, im vorliegenden Fall die
Flächen 195 und 197. Die Flächen 198 und 196 können also nicht beiderseits eines
einzigen Kolbenkörpers angeordnet sein, müssen vielmehr auf zwei besonderen Kolbenkörpern
sitzen, die je in gleicher Weise ein eingeschlossenes Volumen ändern.
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Es ist weiterhin möglich, die Kühlmaschine ganz mit Zylindern nach
Art des Zylinders 162 auszubilden. Im allgemeinen ist diese Ausführungsform aber
nicht zu empfehlen, weil die sich hin und her bewegenden Massen größer werden und
der Bau eines jeden Zylinders verwickelter ist. Die Flächen 196 und 198 können aber
besser thermisch gegeneinander isoliert werden.