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Heißgaskolbenmaschine Heißgaskolbenmaschinen, wie z. B. Heißgaskolbenmotoren,
Wärmepumpen oder Kühlmaschinen, die nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip mit
mindestens einem geschlossenen Kreislauf arbeiten, bei dem der warme und der kalte
Raum, die einem einzigen Kreislauf angehören, in mehreren Zylindern untergebracht
sind, sind bekannt. Diese bfaschinen sind derart ausgebildet, daß eine Kolbenoberfläche
in einem Zylinder das Volumen des «armen Raums bedingt, während eine Kolbenoberfläche
in einem anderen Zylinder das Volumen des demselben Kreislauf des erwähnten warmen
Raumes zugehörigen kalten Raumes bedingt.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, in einem die zwei Zylinder verbindenden
Kanal die zum Betrieb der Maschine erforderlichen Elemente, d. h. Erhitzer, Regenerator
und Kühler, unterzubringen. Diese Anordnung hat jedoch Nachteile. Zunächst ist der
schädliche Raum groß, da die beiden Verbindungskanäle zwischen den Zylindern und
dem Erhitzer bzw. dem Kühler einen schädlichen Raum bilden. Zwar fällt dabei der
Kanal selbst als schädlicher Raum zwischen den zwei Zylindern weg, aber das Volumen
dieses Kanals wird im allgemeinen den bei der erwähnten Anordnung entstandenen zusätzlichen
schädlichen Raum nicht aufwiegen. Weiter bereitet der Anschluß des Kanals an den
Kühler strömungstechnische Schwierigkeiten.
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Gemäß der Erfindung ist eine Heißgaskolbenmaschine, z. B. ein Heißgaskolbenmotor,
eine Wärmepumpe oder eine nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeitende Kühlmaschine
mit
mindestens einem geschlossenen Kreislauf, bei dem der warme
und kalte Raum, die einem einzigen Kreislauf angehören, in mehreren Zylindern angeordnet
sind und die mit einem Erhitzer, Regenerator und Kühler versehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Erhitzer und der Regenerator konzentrisch zu der Achse des den warmen Raum
enthaltenden Zylinders liegen, während in der Verbindung zwischen diesem Zylinder
und dem den zugehörigen kalten Raum enthaltenden Zylinder der Kühler untergebracht
ist.
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Die Anwendung der Erfindung ergibt verschiedene Vorteile. Bei einer
bekannten Anordnung des Erhitzers, Regenerators und Kühlers liegen diese Elemente
alle konzentrisch zu dem Zylinder, der den warmen Raum enthält. Nun ist es mit Rücksicht
auf eine optimale thermodynamische Nutzwirkung erwünscht, daß die Durchströmgeschwindigkeit
des Mittels im Regenerator klein im Verhältnis zu der Durchströmgeschwindigkeit
des Mittels im Kühler ist, um den Strömungswiderstand im Regenerator in zulässigen
-Grenzen zu halten. Dagegen muß die Durchströmgeschwindigkeit im Kühler groß sein,
da sonst die Wärmeübertragung zwischen Mittel und Kühlerwand schlecht ist und die
Kühleroberfläche so groß sein muß, daß der schädliche Raum größer als erwünscht
wird. Auch sind die Abmessungen des Kühlers bei konzentrischer Anordnung um den
Zylinder an bestimmte Grenzen gebunden. Außerdem ist es bei der zuletzt erwähnten
Anordnung erforderlich, durch Anordnung von Umkehrschaufeln und ähnlichen Hilfsmitteln
zwischen dem Kühler und dem Verbindungskana'1 den Mittelstrom in der erwünschten
Richtung zu führen; aber es hat sich ergeben, daß diese Mittel für die in Frage
kommenden Geschwindigkeiten schwierig zu entwerfen sind und dem Arbeitsmittel viel
Widerstand bieten. Indem gemäß der Erfindung der Kühler in dem den warmen mit dem
kalten Zylinder verhindenden Kanal untergebracht wird, wird zunächst der schädliche
Raum im Verhältnis zu der bekannten Anordnung verkleinert. Weiter ist man. v iel
freier in der Wahl der Kühlermasse, und der Kühler kann derart entworfen werden,
daß die Anforderungen in bezug auf Wärmeübertragung und Durchströmgeschwindigkeit
weitgehend erfüllt werden. Umkehrschaufeln und ähnliche Teile sind dann entbehrlich,
weil die Formgebung des kurzen Verbindungskanals zwischen Regenerator und Kühler
nunmehr durch die um soviel niedrigere Durchströmgeschwindigkeit durch den Regenerator
bedingt wird und strömungstechnisch einfach zu verwirklichen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Erhitzer vorzugsweise
aus einem Rohrbündel, dessen Rohre vom Arbeitsmittel durchströmt werden. Ein solcher
an sich bekannter Erhitzer hat in thermodynamischer Hinsicht Vorzüge und ist baulich
einfach, aber die Anwendung ist manchmal schwierig, da die Längsabmessung des Zylinders
mit Erhitzer und Wärmequelle groß wird. Wird dieser Rohrerhitzer jedoch bei einer
Heißgaskolbenmaschine gemäß der Erfindung verwendet, so kommt wenigstens teilweise
dieser Nachteil in Wegfall, da die Länge des warmen Zylinders infolge dos Wegfalls
des diesen Zylinder umgebenden Kühlers geringer sein kann.
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Mit Rücksicht auf die von der Maschine beanspruchte Grundfläche ist
es vorteilhaft, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die zwei
den warmen bzw. -. den kalten Raum enthaltenden Zylinder einen solchen Winkel miteinander
einschließen, daß die Achse des den warmen Raum - enthaltenden Zvlinders senkrecht
steht. Welchen Winkel man dann wählen wird, hängt von der zwischen dem Verlauf der
Volumenänderung des warmen Raumes und der des kalten Raumes erwünschten Phasenverschiebung
ab. Im allgemeinen wird, auch mit Rücksicht auf eine vorteilhafte Maschinenanordnung,
ein Winkel von 9o° gewählt werden. Da der kalte Zylinder eine bedeutend kürzere
Länge als der warme Zylinder haben kann, ist die von'der Maschine beanspruchte Grundfläche
gering.
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Die Erfindung wird nachstehend an Rand der Zeichnung näher erläutert,
deren Figuren Ausführungsbeispiele-der Erfindung darstellen.
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Fig. i stellt eine Maschine dar, bei der die Zylinder unter einem
Winkel von 9o ° angeordnet sind. Fig.2 stellt einen Teil einer 'Iehrzylindermaschine
dar, deren Zylinder in Flucht zueinander liegen.
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In Fig. i bezeichnet i den Zylinder, in dem ein Kolben 2 beweglich
ist. Der Kolben 2 ist mit einer Kolbenkappe .3 versehen. Der Zylinder i ist auf
einem Kurbelkasten .I befestigt, in dem sich eine Welle 5 bewegt, die mit einer
Kurbel 6 versehen ist. An diesem Kurbelkasten 4 ist ein zweiter Zylinder 7 befestigt,
in dem ein Kolben 8 beweglich ist. Die Kolben 2 und 8 sind durch Schubstangen y
und io mit der Kurbel 6 verbunden. Auf dein Zylinder i ist ein Rohrerhitzer i i
angeordnet, der aus einer Anzahl haarnadelförmig gekrümmter Rohre besteht, durch
die das Arbeitsmittel der Maschine strömt. Die Rohre sind einerseits am oberen Teil
des Zylinders i, andererseits an einem mit dem Zylinder verbundenen Flansch 12 befestigt.
Weiter ist ein Regenerator 13 vorhanden, der den Zylinder umgibt. Der Rohrerhitzer
i i ist mit einem Mantel 14 umgeben, den die Verbrennungsluft durchströmt, die durch
die Öffnung 15 zugeführt wird. Die Wärmeenergie wird vom Brenner 16 zugeführt, und
die Verbrennungsgase werden durch die Öffnung 17 abgeführt. An der Unterseite des
:Zegenerators U ist ein Raum 18 vorgesehen, der in einen Rohrkühler i9 mündet. Das
zu kühlende Mittel durchströmt die Rohre dieses Rohrkühlers ig, und das Kühlmittel
wird durch die öffnun gen 20 und 21 zu- bzw. abgeführt. Auf der anderen Seite, des
Kühlers i9 mündet der Raum 22 in den Zylinder 7. Der warme Zylinder i ist senkrecht
angeordnet, und der kalte Zylinder 7 schließt einen Winkel von 9o° mit dem warmen
Zylinder i ein. Die ganze Maschine wird von zwei Sockeln 23 abgestützt. Der Raum
18 ist nun derart bemessen, daß das Arbeitsmittel nach dem Durchgang durch den Regenerat#>r,
in dem es z. B.. eine Durchstriimgeschwindigkeit von
3 m in der
Sekunde hat, beim Einströmen in den Kühler eine Geschwindigkeit hat, die -der Geschwindigkeit
im Kühler von etwa 20 m in der Sekunde weitgehend nahekommt. Die schädlichen Räume
1S und 22, die unvermeidlich sind, haben ein bedeutend kleineres Volumen als das,
das der Verbindungskanal zwischen dem warmen und dem kalten Zylinder haben -würde,
wenn der Kühler auf die bekannte Weise konzentrisch zum Zylinder angeordnet wäre.
Außerdem kann nunmehr die Länge des Zylinders 1 abgekürzt werden, so daß die Verwendung
eines Rohrerhitzers ermöglicht wird, ohne daß die Länge des warmen Zylinders mit
Erhitzer allzu groß wird. Ein weiterer Vorteil ist noch der, daß sich die Nl;iglichkeit
ergibt einen Kühlmantel 24 zur Kühlung der Lauffläche des Zylinders anzuordnen.
Dieser Kühlmantel 2.4 kann von einem Kühlmittel durchströmt werden das eine niedrigere
Temperatur als die des Kühlmittels hat, das bei der bisher üblichen gleichachsigen
Kühleranordnung der Kühlung der Zylinderwand dient, wodurch eine rationelle Kühlung
dieses Zylinderteiles gesichert wird. Ein solcher Kühlmantel ist auch um den kalten
Zylinder 7 angebracht; dieser Kühlmantel ist mit 25 bezeichnet.
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Es ist ein Vorzug der beschriebenen Ausbildung, (laß der Raum 18 derart
bemessen werden kann, daß Führungsorgane für das aus dem Regenerator oder in ihn
tretende Mittel zwischen Regenerator und Kühler nicht erforderlich sind. Durch zweckmäßige
Ausgestaltung des Raumes 18 kann bewerkstelligt werden, daß die Geschwindigkeit
des Mittels im Ringkanal etwa gleich der Durchströmgeschwindigkeit im Regenerator
wird, und außerdem kann auf der Kühlerseite die Ausgestaltung derart sein, claß
die Geschwindigkeit des Mittels der Durchströmgeschwindigkeit inl Kühler weitestgehend
angepaßt ist.
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lit Fig. 2 bezeichnen 30° lind 3o b zwei Zylinder, die übereinstimmend
sind und die einen Teil einer Mehrzylindernnaschine bilden, deren "Zylinder in Flucht
zueinander liegen. In diesen Zylindern sind Kolben 31 mit KolbenkalTelv 32
beweglich. All (teil Kolben sind Kolbenstangen 33 befestigt. ('in die Zylinder herumlaufend
liegen die Rippen von Er-Ilitzertt 34 und Regeneratoren 35. Die Erllitzermäntel
36 sind mit äußeren Rippen 37 versehen. Die "Zylinder sind weiter finit Zuführungsö
ffnungell 38 versehen. Der den Erhitzer 34 und den lZegenerator 35 enthalteirde
lZaum des einen Zylinders ist mittels eines Kaitals 39 mit einem Kühler 4o verbunden,
der sich seinerseits wieder an die öftnung 38 des zweiten Zylinders anschließt.
Dieser Kanal 39 ist wieder derart ausgebildet, daß das Mittel, nachdem es den Regenerator
35 mit geringer Geschwindigkeit durchströmt hat, beim Einströmen in den Kühler 4o
eine Geschwindigkeit hat, die der Geschwindigkeit im Kühler weitgehend gleichkommt.
Dieser mit Zu- und Abführungsöffnungen 41 und 42 für das Kühlmittel versehene Kühler
40 bildet die Verbindung zwischen dem warmen Raum, dessen Volumen durch die obere
Fläche des Kolbens 31 im Zylinder 30° und die untere Fläche dieses Kolbens im Zylinder
30b bedingt wird, wobei zwischen diesen Flächen ein gewisser Phasenunterschied hinsichtlich
der Bewegung vorliegt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel haben die schädlichen
Räume ein geringeres Volumen, als es der Fall wäre, wenn der Kühler auf die bekannte
Weise konzentrisch zum Zylinder angeordnet wäre. Es ist möglich, den Zylinderkühlraum
24 der Fig. 1 auch bei den Zylindern der Fig. 2 zu verwenden.