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Heißgasmaschine, in der sich wenigstens zwei Kreisläufe ähnlich wie
bei Heißgaskolbenmaschinen mit geschlossenen Kreisläufen vollziehen Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine lleißgastnaschine, in der sich wenigstens zwei Kreisläufe
ähnlich wie bei Heißgaskolbenmaschinen mit geschlossenen Kreisläufen vollziehen,
wobei die Volumen dieser Kreisläufe von mit einem passenden I'ltasenunterscltied
beweglichen Organen geändert werden und wenigstens zwei Organe zwei Kreisläufe beeinflussen,
und wobei beiderseits der beweglichen Organe ähnliche Arbeitsräume vorhanden sind.
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Die Wirkungsweise von Heißgaskolbenmaschinen beruht darauf, daß eine
gewisse Menge eines Gases utwerä nderlicher chemischer Zusammensetzung bei einer
bestimmten Temperatur komprimiert wird und <laß dieselbe Menge bei einer von
der ersten Temperatur abweichenden Temperatur die Gelegenheit bekommt, zu expandieren.
Findet die Kompression bei einer niedrigeren Temperatur als die Expansion statt,
so wird eine gewisse Menge Arbeit frei, die mittels der in der Maschine vorhandenen
Kolben auf eine «'elle übertragen werden kann, in welchem Falle die Maschine ein
Heißgaskolbenmotor ist. Findet dagegen die Kompression bei einer höheren Temperatur
als die Expansion statt, so muß der Maschine zur Erzielung von Leistung Arbeit zugeführt
werden, was mit Hilfe der in der Maschine vorhandenen Kolben geschehen kann. Im
letzteren Falle ist es bei der Kühlmaschine die Expansion, die die Anwendungsmöglichkeit
der Maschine bedingt. In diesem Falle benutzt man nämlich die bei der Expansion
auftretendeTemperaturerniedrigung des Arbeitsmittels, um Wärme aus der Umgebung,
in
der sich der betreffende Maschinenteil befindet, z. B. einem Kühlschrank, aufzunehmen.
Eine Wärmepumpe arbeitet in derselben Weise wie die beschriebenen Kühlmaschinen,
mit dem Unterschied, daß es sich bei der Wärmepumpe darum handelt, die bei der Kompression
des Arbeitsmittels freikommende Wärme abzuführen und z. B. für Heizzwecke zu verwenden.
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Im allgemeinen wird bei einer Heißgasmaschine mit hin und her beweglichen
Organen, die nach den bisher bekannten Bauarten zusammengebaut ist, ein Kreislauf
ausschließlich von zwei mit einem Phasenunterschied beweglichen Organen beeinflußt.
Die Maschine hat dann den Vorteil, daß sie keine Klappen oder Schieber besitzt,
wie diese im allgemeinen bei anderen Kraftmaschinen, z. B. Verbrennungsmotoren und
Kolbendampfmaschinen, vorhanden sind. Bei einer Heißgasmaschine mit einem einzigen
Kreislauf ist jedoch infolge des Vorhandenseins dieser beiden beweglichen Organe
je Kreislauf die Reibungsart verhältnismäßig hoch. Erst bei einer Drei- und Mehrkreislaufmaschine
wurde eine Lösung gefunden, bei der die Anzahl beweglicher Organe gleich der Zahl
der Kreisläufe war. Zur Erzielung einer baulich günstigen Ausführungsform werden
bisher die Arbeitsräume oberhalb und unterhalb der Kolben ungleich gemacht. Unter
ungleichen Arbeitsräumen werden in dieser Beziehung Arbeitsräume unterschiedlicherWirkungsweise
verstanden, in deren zugehörigen Wärmeaustauschern die mittleren Wärmeströmungen
zwischen dem Arbeitsmittel und dem mit diesem in Wärmeaustauschkontakt stehenden
Mittel entgegengesetzte Richtungen haben. Dies bedeutet also, daß der eine Raum
ein erhitzter und der andere ein gekühlter Raum ist. Bisher wird bei Drei- und Mehrkreislaufmaschinen
der Raum oberhalb des beweglichen Organs in einem Zylinder mit dem Raum unterhalb
des beweglichen Organs im anderen Zylinder verbunden, während der Raum unterhalb
des beweglichen Organs im zuerstgenannten Zylinder mit dem Raum oberhalb des beweglichen
Organs in einem dritten Zylinder verbunden wird. Oberhalb sämtlicher beweglicher
Organe befinden sich dann z. B. erhitzte Räume und unterhalb der beweglichen Organe
gekühlte Räume, oder umgekehrt. Bei einer Dreikreislaufmaschinewerden schließlich
die beiden verbleibenden Räume des ersten und des dritten Zylinders gleichfalls
miteinander verbunden. Bei diesen Maschinen ist daher die Anzahl von Kreisläufen
gleich der Anzahl beweglicher Organe, so daß die mechanische Nutzwirkung infolgedessen
verhältnismäßig hoch ist.
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Diese Maschinen haben jedoch den Nachteil, daß die Möglichkeit vorliegt,
daß Arbeitsmittel von dem erhitzten Raum zum gekühlten Raum und umgekehrt leckt.
Dieses Leck des Mittels und die Wärmeübertragung durch die Zylinderwand und durch
den kolbenförmigen Körper zwischen den beiden Räumen bewirken eine Wärmeableitung,
so daß die Nutzwirkung der Maschine beeinträchtigt wird.
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Es ist auch bekannt, eine Heißgaskolbenmaschine in Form einer Zweikreislaufmaschiite
auszubilden, in der beiderseits der beweglichen Organe Arbeitsräume gleicher Wirkungsweise
vorhanden sind.
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Hierbei werden unter Arbeitsräumen gleicher Wirkungsweise Arbeitsräume
verstanden, in deren zugehörigen Wärmeaustauschern die mittleren Wärmeströmungen
z-,vischen (lein Arbeitsmittel und dem mit diesem in Wärineaustauschkontakt stehenden
Mittel dieselbe Richtung haben, d. h., claß die beiden Räume erhitzte oder gekühlte
]Zäume sind. Es ist jedoch nicht erforderlich. daß die Temperaturen in diesen \\'ürmeausta@isc:iern
s:cii auf gleicher Höhe befinden.
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Bei dieser bekannten lleißgaskolbenmaschine sind die beweglichen Organe
mit zylinderförmigen Mänteln versehen, wobei das eine Organ, d. h. das Organ, auf
dessen beiden Seiten gekühlte Räume liegen, sich im Mantel des anderen beweglichen
Organs bewegt. Die Abdichtung zwischen den beiden beweglichen Organen erfolgt an
der Seite der gekühlten Räume.
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Diese Maschine ergibt die Möglichkeit, bei einer Zweikreislaufmaschine
die beiden Kreisläufe von nur zwei beweglichen Organen beeinflussen zu lassen.
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Ein Nachteil dieser Maschine ist jedoch der, daß die Verbindungskanäle
zwischen den erhitzten und den gekühlten Räumen von schlitzförmigen Räumen zwischen
einer festen N\'and und der Wand des Mantels eines beweglichen Organs gebildet werden.
so daß diese Begrenzungswände zueinander beweglich sind.
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Infolgedessen kann eine große \\'"-irmeal)leitung längs der gegebenenfalls
in diesem Schlitz vorhandenen Wärmeaustauscher auftreten. Da der zu dem einen Kreislauf
gehörige Kanal um den zu dem anderen Kreislauf gehörigen Kanal herum liegt und die
Zu- bzw. Abfuhr der Wärme zti bzw. von dem Arbeitsmittel von der Außenseite her
erfolgt, ist diese Zu- oder Abfuhr zu oder von dem Arbeitsmittel im inneren Kanal
nicht besonders intensiv, so daß die Nutzwirkung der Maschine weiter herabgesetzt
wird.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile weist die Heißgasmaschine gemäß der
Erfindung das :Merkmal auf, daß die Verbindungskanäle zwischen den zu einem Kreislauf
gehörigen veränderlichen Räumen von festen Wänden begrenzt werden. Bei Heißgasmaschinen
nach der Erfindung ist erreicht, daß nahezu keine Wärmeableitung sowohl durch die
und längs der beweglichen Organe als auch längs gegebenenfalls in diesen Kanälen
anzuordnender Wärmeaustauscher stattfindet.
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Gemäß einer günstigen Ausführungsform der Erfindung liegt ein Regenerator
in den von festen Wänden begrenzten Verbindungskanälen zwischen den zu einem Kreislauf
gehörigen veränderlichen Räumen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften :\usführungsform der Erfindung
liegen ein Erhitzer, ein Regenerator und ein Kühler in den von festen Wänden begrenzten
Verbindungskanälen zwischen zti einem Kreislauf gehörigen veränderlichen Räumen.
Es
wird auf diese Weise gesichert, daß der Wärmeaustausch des Arbeitsmittels mit dem
kühlenden und dem erhitzenden Mittel intensiv ist.
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Eine baulich günstige Ausführungsform kann erhalten werden, wenn die
mit einem angemessenen Phasenunterschied beweglichen Organe gleichachsig angeordnet
sind.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung möglich, daß wenigstens
eines der zu einem einzigen Kreislauf gehörigen Elemente, entweder der Erhitzer
oder der Regenerator oder der Kühler, gleichachsig mit wenigstens einem ähnlichen
Element eines anderen Kreislaufs liegt, wobei wenigstens ein Element des einen Kreislaufs
mindestens annähernd um wenigstens ein ähnliches Element des anderen Kreislaufs
Herumliegt.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung liegen
in einer Anzahl von Querschnitten, senkrecht zur Achse eines Arbeitsraums, durch
eines der zu einem Kreislauf gehörigen Elemente Erhitzer, Regenerator oder Kühler,
wobei die Querschnitte vorzugsweise über wenigstens die Hälfte der Elementhöhe verteilt
sind, sowohl einer der Querschnitte des Elementes des einen Kreislaufs als auch
ein Querschnitt eines ähnlichen Elementes des anderen Kreislaufs auf einem ringförmigen
Streifen.
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Gemäß einer günstigen Ausführungsform der Erfindung bewegt sich wenigstens
ein bewegliches Organ reibungslos hin und her.
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Wenn hier von einem reibungslos beweglichen Organ gesprochen wird,
bedeutet dies, daß dieses bewegliche Organ sich unter normalen Betriebsverhältnissen
ohne oder nahezu ohne Reibung bewegt. Die gegebenenfalls noch auftretende Reibung
ist z. B. wesentlich geringer als die, welche bei einem unter gleichen Betriebsverhältnissen
wirkenden Kolben mit Kolbenringen auftreten würde. Die gegebenenfalls noch vorhandene
Reibung kann aus äußerer Reibung (Reibung zweier Körper gegeneinander) oder aus
innerer Reibung bestehen. Die zuletzt genannte Reibung entsteht z. B., wenn das
hin und 'her bewegliche Organ oder ein Teil desselhen periodisch eine Formänderung
erfährt. Bei der Maschine gemäß der Erfindung ist es besonders von Bedeutung, daß
die zwischen den geheizten Räumen liegenden beweglichen Organe sich ohne Reibung
bewegen. Bei Kühlmaschinen kann nämlich die von der Reibung der Kolbenringe erzeugte
Energie die Nutzwirkung der Maschine beeinträchtigen, sogar dermaßen, daß in einem
bestimmten Fall die Kühlwirkung der Maschine sehr gering oder Null wird. Bei der
Heißgasmaschine kann es von Bedeutung sein, daß die beweglichen Organe, die auf
beiden Seiten erhitzte Räume haben, keine Kolbenringe haben, da die Schmierung der
Kolbenringe bei hohen Temperaturen wesentlich erschwert wird.
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Es sind verschiedene Bauarten beweglicher Organe möglich, die reibungslos
hin und her beweglich sind. Bei einer Ausführungsform der Heißgasmaschine gemäß
der Erfindung besteht die Abdichtung zwischen diesem beweglichen Organ und der Zylinderwand
aus einem biegsamen, vorzugsweise dehnbaren Material, wie z. B. Gummi, das einerseits
an der Zylinderwand und andererseits am beweglichen Organ befestigt ist, wobei zwischen
letzterem und der Zylinderwand ein Spielraum vorhanden ist. Infolgedessen können
die Reibungsverluste und die etwaigen Leckverluste vermieden werden.
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Es ergeben sich besondere Vorteile, wenn im vorstehenden Fall, gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung, die Heißgasmaschine mit einem beweglichen,
als Membran ausgebildeten Organ versehen ist. Allerdings beschränkt sich die Anwendung
dieser Membran auf Kühlmaschinen bzw. Wärmepumpen. Gemäß einer weiteren günstigen
Ausführungsform der Erfindung ist das bewegliche Organ, das aus einem biegsamen,
vorzugsweise dehnbaren Stoff besteht, als Balg ausgebildet. Auch hierfür gilt das
vorstehend Gesagte. Bei den vorstehend erwähnten Ausführungen ist eine Schmierung
des beweglichen Organs entbehrlich.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung wird
die Abdichtung zwischen einem der beweglichen Organe und der Zylinderwand von einem
Labyrinthschlitz gebildet. y Die Figuren der Zeichnung stellen schematisch einige
Ausführungsbeispiele der Heißgasmaschine gemäß der Erfindung dar.
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Fig. i stellt eine Heißgasmaschine dar. die mit Kolben ohne Kolbenringe
versehen ist, bei welcher der Erhitzer, der Kühler und der Regenerator, die zu dem
einen Kreislauf gehören, um den Erhitzer, den Regenerator und den Kühler des anderen
Kreislaufs herumliegen.
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Fig.2 ist ein Querschnitt über die Linie 11-1I der Fig. i.
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Fig. 3 ist ein Querschnitt über die Linie 111-111-11I der Fig. 4.
Die Kühlmaschine dieser Figur ist mit zwei kolbenförmigen Organen versehen, deren
Abdichtung mit der Zylinderwand aus Gummi besteht. In diesem Beispiel liegen der
Erhitzer, der Regenerator und der Kühler des einen Kreislaufs in demselben ringförmigen
Raum wie der Erhitzer, der Regenerator und der Kühler des anderen Kreislaufs.
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Fig. 4 ist ein Querschnitt über die Linie IV-IV der Fig. 3.
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Fig. 5 stellt eine Heißgasmaschine dar, die mit Bälgen versehen ist.
Bei dieser Maschine befinden sich im Maschinenraum zwischen den Bälgen die Wärmeaustauscher
und der Regenerator, die zu einem Kreislauf gehören.
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Nach Fig. i bewegen sich der Kolben i und der Kolben 2 mit angemessenem
Phasenunterschied, wobei diese Kolben mit der Kurbel 3 zusammenwirken. Die Kolben
i und 2 sind nicht mit Kolbenringen versehen und bewegen sich mit geringem Spiel
in den Zylindern hin und her. In dem Arbeitsraum 4 und im Arbeitsraum 5 vollzieht
sich ein Kreislauf, während sich in den Arbeitsräumen 6 und j der andere Kreislauf
vollzieht. Der Arbeitsraum 4 ist durch den ringförmigen Erhitzer S, den
Regenerator
9 und den Kühler io mit dem Arbeitsraum 5 in Verbindung, während der Arbeitsraum
6 durch den Erhitzer i i, den Regenerator 12 und den Kühler 13 mit dem Arbeitsraum
7 verbunden ist. Der Erhitzer 8, der Regenerator 9 und der Kühler io liegen im ringförmigen
Raum 14 und umgeben den Erhitzer i r, den Regenerator 12 und den Kühler 13, die
im ringförmigen Raum 15 untergebracht sind. Zwischen den beiden ringförmigen Räumen
14 und 15 liegt auf der Höhe der Erhitzer ein dritter ringförmiger Raum 16, in dem
ein heizendes Mittel zirkulieren kann. Zwischen den ringförinigen Räumen liegt auf
der Höhe der Kühler gleichfalls ein ringförmiger Raum 17, in dem ein Kühlmittel
zirkulieren kann. Bei dieser Ausführungsform sind daher sowohl der Arbeitsraum 4
als auch der Arbeitsraum 6 erhitzt. während die Arbeitsräume 5 und 7 gekühlt sind.
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In Fig. 2 sind die ringförmigen Räume 14, 15 und 16 dargestellt.
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In den Figuren 3 und 4 bezeichnen entsprechende Zittern entsprechende
Maschinenteile der Fig. i. Bei dieser Maschine bewegen sich Kolben i und 2 hin und
her. Diese Kolben sind je mit einem Gummiring 18 bzw. i9 versehen, die zur Alldichtung
mit der Zylinderwand dienen. Infolge der Befestigung des Gummirings sowohl an der
Zylinderwand als auch am Kolben kann der Hub dieser Maschine nicht groß sein, und
die Oberfläche de kolbenförmigen Körpers ist folglich besonders groß. Der Arbeitsraum
4 steht durch den Kanal 20, den Erhitzer 21, den Regenerator 22, den Kühler 23 und
den Kanal 24 mit dem Arbeitsraum 5 in Verbindung, während der Arbeitsraum 6 durch
den Kanal 25, den Erhitzer 26, den Regenerator 27, den Kühler 28 und den Kanal 29
mit dem Arbeitsraum 7 in Verbindung steht. Wie dies in Fig. 4 angegeben ist, welche
einen Querschnitt über die Linie IV-IV darstellt, liegen in einem Querschnitt senkrecht
zur Achse des Arbeitsraums sowohl Erhitzer des in den Räumen 4 und 5 enthaltenen
Mittels als auch Erhitzer des in den Räumen 6 und 7 enthaltenen Mittels. Dabei bezeichnen
21 die Erhitzereleinente des einen Kreislaufs und 26 die Erhitzerelemente des anderen
Kreislaufs. Es ist einleuchtend, daß die Anzahl von Segmenten beliebig gewählt werden
kann, wobei es außerdem erwünscht sein kann, die Wände zwischen den verschiedenen
Erhitzerelementen groß zu bemessen. So ist es z. B. möglich, claß der kreisförmige
Raum in zwei Teile geteilt wird, wobei der eine Teil die Erhitzerelemente des einen
Kreislaufs und der andere Teil die Erhitzerelemente des anderen Kreislaufs enthält.
Das Triebwerk dieser 1laschine kann ähnlich wie in der Fig, i angegeben ausgebildet
sein.
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In Fig. 5 bezeichnen entsprechende Ziffern entsprechende Elemente
der Fig. i und 3. Diese 'Maschine ist mit zwei Bälgen 3o bzw. 3r versehen, die mittels
eines Triebwerks, wie dieses in Fig. i dargestellt ist, hin und her bewegt werden.
Der Arbeitsraum 4 ist mittels des Erhitzers 8, des Regenerators 9, des Kühlers io
mit dem Arbeitsraum 5 in Verbindung, während der Arbeitsraum 6 durch den Erhitzer
32. de» Rel-eiierator 33 und den Kühler 34 mit dem Arbeitsraum 7 in Verbindung steht.
Die Arbeitsräume 4 und 6 und die Arbeitsräume 5 und 7 sind je gleicher Wirkungsweise.
Dabei sind die Arbeitsräume I und E> sogenannte erhitzte Räume und die .@rlieit,rüume
#3 tind 7 die Sogenailliten gekühlten Räume.