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Heißgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zum Versorgen eines oder
mehrerer Arbeitsräume der Maschine mit Arbeitsmittel Die Erfindung betrifft eine
Heißgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zum Versorgern eines oder mehrerer Arbeitsräume
deir Maschine mit Arbeitsmittel, wobei diese Vorrichtung zumindest ein Vorratsgefäß
für das zu liefernder Mittel enthält. Hilerbeii soll untrer einer Heißgaskolbenmaschine
ein Heißgaskolbenmotor, eine nach dem umgekehrten Heißgaskolbenmotorprinzip arbeitende
Kühlmaschine und eine Wärmeipumpe verstanden werden. Solche Heißgaskolbenmaschinen
sind bükannt. Bei diesen bekannten Maschinen wird das Arbeitsmittel bei denn gleichen
Druck zugeführt und/odeir abgeführt. Ddies,er Druck kann dem niedrigsten, während
eines Kreislaufes auftretenden Druck entsprechen. Es ist aber auch möglich, daß
dieser Druck höher als der niedrsigste Druck ist; er kann beispielsweise gleich
dem höchsten, während eines Kreislaufes auftretenden Druck sein.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis, zugrunde, daß es Vorteile bietet,
das gasförmige Mittel bei dem nahezu niedrigsten Druck zum Kreislauf zuzusetzen
und das gegebenenfalls abzuführende Mittel beji dem nahezu höchsten Druck abzuführen.
Diiesem Zweck dient eine Vorrichtung zum Versorgen eines oder mehrerer Arbeitsräume
der Maschine mit Arbeitsmittel, die gemäß der Erfindung drei folgernden Merkmale
aufweist: Das Vorratsgleirät steht ben diie ser Vorrichtung mittels einer Zuführungsleitung,
in der eine Reduziervorrichtung und ein Rückschlagventil enthalten sind, mit einem
oder mehreren Arbeitsräumen den Maschine in Verbindung; dieses
Rückschlagventil
liegt zwischen der Reduziervorrichtung und dem Arbeitsraum und,ist derart angeordnet,
daß nur Mitteil aus dem Vorratsgefäß dem Arbeitsraum zuströmen kann, wobei die Maschine
mit einer auch mit dem Arbeitsraum oder den Arbeitsräumen verbundenen Abführungsleitung
versehen ist,, die ein Rückschlagventil und eine Reiduziervorrichtung enthält, in
welchem Fall das Rückschlagventil zwischen dem Arbeitsraum und der Reduziervorrichtung
biegt und derart angeordnet ist, daß nur Mittel aus dem Arbeitsraum abgeführt werden
kann.
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Mittels der Bauart! nach der Erfindung kann eine, schnelle und wirksame,
Riegeilung deir Heißgaskolbenmaschine erziiielt werden, die Durchlaßverlustes können
gering sehn und die Vorrichtung kann baulich eünfach ausgebildet sein.
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Die Reduziervorrichtung kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein;
es kann beispielsweiser ein Ventil, ein Schieber oder ein Hahn als Reduziervorrichtung
benutzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung steht die
Abführungsleiitung über die zweite Reduziiervorrichtung mit dem Vorratsgefäß in
Verbindung. Auf diese Weise kann das Zu liefernde Mittel nach Lieferung wieder in
das Vorratsgefäß zurückkehren, so daß das Arbeitsmittel unter hohem Druck, wenn
es aus dem Arbeitsraum der Maschine abgeführt wird, nicht verlorengeht. Auch kann
infolgedessen der Druck des Vorratsgefäßes konstant gehalten werden.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung kann auch Verwendung finden, wenn
die, Heißgaskolbenmaschine mit mehreren Arbeitsräumen versehen ist, in denen sich
gleiche Kreiisläufe abspielen. Eine solche Maschine wird oft als Mehrkreislauf maschine
bezeichnet. In dieseelm Fall genügt eine einzige Beschaffungsvorrichtung für sämtliche
Kreisläufe. Zu diesem Zweck weist die H.oißgaskolb,enmaschine@ in. Weiterbildung
der Erfindung das Kennzeichen auf, daß eine Anzahl von Arbeiitsiräumen für die Maschine
sowohl an die Zuführungsleütung als, auch an die Abführungsletitung für das zu liefernde
Arbeitsmittel parallel geschaltet sind, wobei jeder Arbeitsraum sein eigenes, System
von Rückschlagventilen besitzt.
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Der Druckpegel des A=rbeitsmitpüols in dem Arbeitsraum der Maschinei
kann durch Änderung des unter Zuhilfenahme; der Reduziervorrichtung erhaltenen Druckpegel;s
gerändert werden. Es ist zu diesem Zweck gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung erwünscht, daß beide Reduziervo-rrichtungen miteinander verkoppeilt sind.
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Bei dieser letzten Ausführungsform kann eis auch nützlich sein, beide
Reduziervorrichtungen mit einer gemeinsamen Meßvorrichtung zu versehen, die direkt
oder indirekt dein mittleren Druck in dien Arbeitsraum der Maschine mißt. Diesle
Meßvorrichtung kann unter anderem als Kontrollgerät für den Zustand, ih denn sich
die Maschine befindet>, benutzt werden, es ist aber auch möglich, die Meßvorrichtung
als Betätigungsmechanismus für die Reduziervorrichtung zu benutzen. Der Regelbereich
der Vorrichtung kann vergrößert werden, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Vorrichtung mit einer an die Abführungsleitung angeschlossenen
Leistung versehen ist, diel zu dem zwischen der Anschlußsbelle dieser Leitung und
dem Vorratsgefäß verlaufenden Teil der Abflußleitung parallel geschaltet ist und
einen Kompressor enthält, der derart geschaltet! ist, daß dass dem Vorratsgefäß
zuströmende Mittel komprimiert werden kann, Die Vorrichtung kann auch zum Anlassen
der Heißgaskolbenmaschine verwendet werden. In diesem Fall ist jedoch vor allem
sehr viel Luft nötig, so daß der Druckpegel im Vorratsgefäß stark absinken würdet.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, bei
der diie Vorrichtung mit einem Kompreissor versehen ist, kann die beim Anlassen
gebrauchte Luft ergänzt werden, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
der Kompressor auch Atmosphärendruck ansaugen kann.
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In gewissen Fällen wird es möglich sehn, daß die Regelung der Heißgaskolbenmaschine
sich schneller vollziehen muß. Es kann deshalb erwünscht sein, daß dib vorsehend
beschriebene Regelvorrichtung kombiniert wird mit einer Notregelvorrichtung. Zu
diesem Zweck stehen. gemäß einer weiter-,en Ausführungsform der Erfindung die Zuführungsleitung
und die Abführungslohung über eine Kurzschlußleitung, in der eine Reduziervorrichtung
enthalten ist, miteinander in Verbindung. Es kann hierbei erwünscht sein, daß gemäß
einer weiternen Ausführungsform der Erfindung die Reduziervorrichtung in der Kurzschlußleitung
mittels des Regulators gestetuert wird.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Fig. i stellt schematisch das Riegelsystem nach der Erfindung dar,
und in dien Fig.2 und 3 ist gleichfalls schematisch, aber eingehender, eine Heißgaskolbenmaschine
veranschaulicht, dito mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung versehen ist;
Fig. q. ist di;e Schaltung einer Mehrzylindermaschinle.
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In Fsig. i isst mit i der Arbeitsraum einer Heißgaskolbenmaschine
bezeichnets dessen Bauart in Fig.2 eingethender dargestellt ist. Das Volumen dieses
Arbeitsraumes wird mittels des Kolbens a ge-ändiert. Die Vorrichtung ist mit einem
Vorratsgefäß 3 verstehen, in denn Arbeitsmitfiel enthalten ist. Das Gefäß steht
mittelG@ der Leitung ,4, d"-,r Reduziervorrichtung 5 und des Rückschlagventils 6
mit dem Arbeitsraum i in Verbindung. Auch steht der Arbeitsraum i über das Rückschlagventil
7, die Reduz.iervorrichtung 8, die Leitung g und das Rückschlagventil io ebenfalls
mit dem Vorratsgefäß. 3 in Verbindung. DieReduziervorrichtungen 5 und 8 sind beii;
dieser Regelvorrichtung in Form von Drosselschiebern gestaltet. Zu diesiem Zweck
sind die Schieber i i bzw. 12 vorhanden., mittels deren der Druck des Mittels reduziert
werden
kann. Um die Nachsbellkräfte, dieser Schieber möglichst klein
zu halten, sind die i Räume unter den Schiebern mittels der Kurzschlußkanäle 13
bzw. 14. mit den Räumen über den Schiebern verbunden. Betidee Reduziervorrichtungen
sind unter Zuhilfenahme des Gestänges 15, 16 und 17 miteinander gekuppelt, so daß
durch Nachstellung deos.Armes, 18, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme des Regulators.,
beides Schieber gleichzeitig nachgestellt werden können.
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Die Vorrichtung isst ferner mit einem Eompressor ig verstehen. Dieser
Kompressor ist mittels der Leiitunge:n 2o und 21 an die Abführungsleitung g angeschlossen.
Auch kann dieser Kompressor über die Leitung 22 und das Rückschlagventil 23 Atmosphärenluft
ansaugen.
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Die in der Figur dargestellte Vorrichtung ist mit einer Schnellregelvorrichtung
kombiniert. Diese Schnellregelvorrich,tung besteht aus der Leitung 24., dem Reduzierventil
25 und der Leitung 26. Die Reduziervorrichtung 25 ist in ähnlicher Weise wie die
vorstehend beschriebenen Reduziervorrichtungen 5 und 8 in Form eines Dross#eil,schiieb.e!rs
gestaltet. Zum Unterschied aber gegenüber den. Drosselsch.ieh.-rn i i und 12 besitzt
der Drosselschieber 27 einen Teil mit kleinerem Durchmesser 28, wodurch ein Ringlcanal
entsteht" über welchen die Leitung 26 mit der Leitung 24 kurzgeschlossen werden
kann. Der Drosselschieber 25 kann unter Zuhilfenahme des Ge-stängeis 29 vom Regulator
betätigt werden.
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Die Vorrichtung wirkt folgendermaßen: Wenn während des Betriebes der
Maschine Arbeitsmittel aus dein Arbeitsraum i der Maschine, abfließt oder wenn die
Maschine eine größere Leistung liefern soll, wird aus dem Vorratsgefäß 3 über die
Leitung 4, die Reduziervorrichtung 5 und das Rückschlagventdl6 Arbeitsmittel zu
dem Arbeitsraum zugesetzt. Der Druck des dem Arbeitsraum zugeführten Mittels wird
durch die Reduzieirvorrichtung 5 geregelt. Während jener Momente, in denen der Druck
im Arbeitsraum niedriger ist als der Druck in der Leitung nahe, beim Rückschlagventi:l
6, strömt Arbeitsmittel in den Arbeitsraum. Nimmt jedoch z. B. wähnend der Kompression
der Druck im Arbeütsraum i zu, so daß dieser höher wird als der Druck in der Leitung
nahe beim Rückschlagventil 6, so schließt sich dieses Rückschlagventil, so daß kein
Arbeitsmittel aus dem Arbeitsraum über das vorstehend angegebene Leitungssystem
nach dem Vorratsgefäß zurückströmen kann. Der Kreislauf in dem Arbeitsraum der Maschine
stellt sich infolgedessen derart ein, daß der Minimumdruck während -eines Kreislaufes
gleich dem Druck des Ersatzmittels ist, nachdem dieses das Reduzierventil 5 passiert
hat.
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In der Abführungsleitung, in der Nähe des Rückschlagventils 7, wird
in ähnlicher Weiset, -,vie dies vorstehend für die Zuführungsleitung angegeben ist,
stets der höchste für einen. Kreislauf auftretende Druck vorhanden sein. Der Druck
des Mittels in diesem kann mittels der Reduziervorrichtung 8 erniedrigt werden,
so daß er dem Druck im Vo.rratisgefäß 3 entspricht:, und dass Arbeitsmittel über
die Leitung g und das Rückschlagventil io dem Vorratsgefäß zugeführt werden kann.
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Soll jedoch die Heißgaskolbenmaschine eine kleinere Leistung liefern,
!d.11. idaß die sich am Kreislauf beteiligende Menge des Arbeitsmittels verkleinert
werden soll, so wird der Schieiter 12 der Regelvorrichtung 8 derart verschoben,
daß der Druck in dem Raum nahe beim Rückschlagventil 7 absinkt und Arbeitsmittel
aus dem Arbeitsraum i über das Rückschlagventil 7, die Reduzierv orrichtiung 8,
die Leitung g und das Rückschlagg-entil io nach dem Vorratsgefäß 3 zurückgeführt!
wird. Infolge der Kopplung der Schieber i i und i2 mittels des Gestänges. 15, 16,
17 wird bei einer Verringerung der Reduktion des, Reduzierventils 8 eine Vergrößerung
der Reduktion des Reduzierventils 5 auftreten. Der Druckpegel in dem Arbeitsraum
der Maschine s@t:allt sich nun derart ein, daß der neue Maximaldruck und Minimaldruck
den Drücken des reduzierten Mittels entsprechen.
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Soll die Heißgaslcolbeinmaschine angelassen -,v.e:rden, so wird im
allgemeinen das Volumen des Vorratsgefäßeis 3 für die i zum Anlasen. der Maschine
erforderliche Luftmenge zu klein sein. Um dieses Anlassen über das Vorratsgefäß
jedoch dennoch zu ermöglichen, ist der Kompressor ig vorgesehen, der Atmosphärenluft
über die Leistung 22, das Rückschlagvenbil 23, den Kompressor ig und die Leitung
21 in das Vorratsgefäß 3 preßt. Dieser Kompressor wird jedoch auch dazu benutzt,
den Regielbereich der Vorrichtung bedeutend zu vergrößern, da mittels dieses Kompressors
der Druck des in der Leitung g befindlichen Mittels über diesen Kompressor erhöht
werden kann, so daß auch der Druckpegel im Vorratsgefäß erhöht werden kann.
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Die Vorrichtung ist ferner mit einer Notregelung versehen, die aus
der Leitung 24, der R@eduz.iervorrichtung 25 und der Leistung 26 besteht. Soll schnell
der Druck des Arbeitsmittels in der Maschine herabgesetzt werdein, so kann die Zu-
und Abführungsleiitung kurzgeschlossien werden, wodurch ein-, Nivellierung eintritt
und der Maximaldruck des Zyklus: absinkt. Bei cin.°r entsprechenden Lage des Schiebers
27 verbindee der ringförmige Raum, der infolge i des Teileis 28 mit kleinerem Durchmesser
entstanden ist!, die Leitungen 24 und 6. Dliese Notregelung kann über die Stange
29 durch einen nicht dargestellt-,n Regulator vorgenommen werden.
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Die Heißgaskalbenmaschine in Fig. 2 ist als Heißgasmotor ausgebildeit
und mit einem Zylinder 30 versehen, in dem sich ein Verdränger 31 und ein Kolben
32 auf- und abwärts be«-eg-,n können. Sowohl der Verdränger 31 als auch der Kolben
32 sind durch Pletre'lgeistänge 33 bzw. 34 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 35
verbunden. Der Raum über dem Verdränger steht mittels des Erhitzers 37, des Regenorators
38 und des Kühlers 39 mit dem Raum 4.0 zwischen dem Verdränger 31 und dem
Kolben 32 in Verbindung. Der Raum 36 ist der sogenannte «-arme: Raum des Heißgaskolbenmotors.
Der Raum q.o i,s,t der gekühlte, Raum des Motor s. Dem Erhitzer 37 und dem warmen
Raum 36 wird kalorische
Energie zugeführt. Zu diesem Zweck ist der
Brenner 41 vorhanden, deissen Verbrennungsgase über den Erhitzer strömen und die
Maschine an der Stelle 42 verlassen.
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Zum Ändern der Leistung der Heißgaskolbenmaschine oder zum Ersetzen
der Durchlaßverluste ist die Maschine mit einer Vorrichtung zum Beschaffen des Arbedtsm,i,ttels
versehen. Diesem Zweck dient die Leitung 43.
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In Fig. 3 ist die sich an diese Leitung 43 anschließende Vorrichtung
in größerem Maßstab dargestellt. Die Leitung 43 teilt sich in die Leitungen 44 und
45, deren jede ein Rückschlagventil 46 bzw. 41"/ enthält. Diese Rückschlagventila
sind derart angeordnet, daß Axbentsrnnttel aus der Leitung 44 durch die Leistung
43 nach dem Arb iitsraum der Maschine zuströmen und daß Arbeitsmittel durch das
Rückschlagventil 47 in dieLeitung 45 abströmen kann.
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Sowohl die Leitung 44 als auch die Leitung 45 stehen mit einem Reiduzierventil
48 bzw. 49 in Verbindung. Die Wirkung beider Reduzäervent#ile ist miteinander verkoppelt.
Die Reduziervorrichtung der Leitung 44 .ist mit einem Raum 50 versehen, der
teilweisen von einem Balg 51 begrenzt wird. Das Reduzierventil 48 ist mit einer
Stange 52 versehen, die mit ihrem Ende an dem äußeren Teil des Balges anliegt. Der
Raum 53 hinter dem Reduzierventil 48 steht mittels der Leitung 54, in der das Ventil
55 enthalten is@4 miti dem Vorratsgefäß 56 in Verbindung. Der Balg 51 ist an seinem
äußerem Teil mit einem-Bügel 57 versehen, der zusammen mit dem Balg in denn Gehäuse
58, das auf seiner einen Seite mit Schraubengewinde 59 versehen ist, vor-
und zurückbewegbar ist. Auf das Gehäuse 58 kann ein Deckel 6o aufgeschraubt werden,
durch den eine auf dem Bügel 57 aufruhende Feder 61 gespannt und dadurch der Balg
51 mehr oder weniger zusammengedrückt werden kann. Auf den Bügel 57 wirkt der um
den festen Drehpunkt 63 drehbare Hebeil6z, gegen dessen anderes Ende dis Ventilspindel
64 anliegt, über welche das Ventil 49 geöffnet und geschlossen werden kann.. Beide
Ventile 48 und 49 werden mittels. der angedeuteten Federn 65 bzw. 66 auf ihren Ventilsitz
gedrückt. Hinter dem Reduznerventil 49 schließt sich an den Raum 67 der Reduziervorrichtung
die Leitung 45 an. Der vor diesem Reduzierventil befindliche Raum 68 steht über
die Leitung 69 mit dem Vorratsgefäß 70 in Verbindung, welches seinerseits
wiederum mittels der Leitung 7i, in der die Reduziervorrichtung 72
enthalten
ist, mit, dem Vorratsgefäß 56 in Verbindung steht. Das Leitungssystiem der vorstehend
beschriebenen Vorrichtung bildet eine geschlossenes Einheit; da jedoch Arbaaitsrnittel
aus der Heißgaekolbenmaschine abfließen kann, so daß auf dieDauer Arbeitsmittel
verlorengehen würdet, ist das Vorratsgefäß mit einem Kompressor 73 versehen, mittels
dessen Arbeitsmittel dem Vorratsgefäß zugeführt weirden kann.
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Die Vorrichtung wirkt folgendermaßen: Soll die Leistung des Heißgaskolbenmoters@
vergrößert werden, so muß der Druckpegel in dar Heißgaskolbenmaschine erhöht und
mehr ArbeitsmItteil zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird der Schraubendeckel 6o
derart. gedreht, daß die Feder 61 zusammengedrückt und- das Ventil 48 etwas geöffnet
wird. Infolgedessen wird Arbeitsmittel aus dem Vorratsgefäß 56 über das geöffneten
Ventil 55 und die Leitung 54 dem Arbeitsraum 5o zugeführt. Dadurch steigt der Druck
im Arbeitsraum 5o und folglich auch in der Leitung 44 und in der Leitung 4-3 an.
Der Minimaldruck des Arbenttsmittels in dem Arbeiitsraum der Maschine steigt auch
an -und gleicht sich auf die Dauer dem Druck in der Leitung 43 an. Das, Ansteigen
des; Druckes im Raum 5o hält so lange an, bis die Kraft am oberen Teil des Balges
5 i, zuzüglich des Druckes der Feder 65, gleich der Kraft der Fedeir 61 :ist. Wenn
dies der Fall ist, schließt sich das Ventil 48 wieder und der Zyklus in dem Arbeitsraum
der Maschine befindet sich auf einem höheren Pegel. Infolge des Ansteigens des Minimaldruckes
hat auch der Maximaldruck zugenommen. Es kann jedoch kein Arbeitsmittel entweichen.,
da das Ventil 49 geschlossen ist. und geschlossen bleibt.
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Soll jedoch die Leistung des Heißgaskolbenmotors verringert werden,
durch Verminderung des Druckpegels im Zyklus, so kann man den Schraubendeckel 6o
derart verdrehen, daß die Spannung der Feder 61 abnimmt. Infolgedessen wird dass
Gleichgewicht am Balg 51 und am Bügel 57 unterbrochen, wodurch der Balg 51
bestrebt ist, sich auszudehnen und sich von der Ventilspindel 52 entfernt.
Infolgedessen wird der Hebel 6a um seinen Drehzapfen. 63 gedreht, und dass Ventiil
49 wird mittels der Ventilspindel 64 gegen den Druck der Feder 66 geöffnet. Das
Arbeitsmittel entweicht dann über den Raum 67, 68 und die Leitung 69 nach denn Vorratsgefäß
70. Auf diese Weise sinkt der Maximaldruck des Zyklus, und da das Verdichtungsverhältnis
stets unverändert bleibt, trinkt auch der Minimaldruck ab. Dies hat zur Folge, daß
auch der Druck in der Leitung 44 und folglich auch im Raum 5o absinkt, wodurch der
Balg wieder unter der Einwirkung der Feder 61 nach rechts verschoben wird, so daß
auch der auf das Ventil 49 ausgeübte Druck abnimmt. Dies setzt sich soweit fort,
bis das Ventil 49, wieder geschlossen ist und der Druckpegel des Zyklus sich erneut
eiingesteillt hast.
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Diese Regelvorrichtung kann auch bei einer Mehrzylindermaschine verwendet
werden; zu diesem Zweck weist die in Fig. 4 schematisch darge:-stellte Mehrzylindermaschine
vier-Arbeitsräume 8o, 8i, 82, und $3 auf. Jeder Arbeitsraum besitzt ein eigenes
System von Rückschlagventiden, und zwar 85 und 86 bzw. 87 und 88, 89 und go, gi
und 92. Die Leitungen 93, 94 95, 96, in denen die Rückschlagventüle 8,5 bzw. 87,
89 und gi enthalten sind, schließen sich an eine geneinsame Leitung 97 an, welche
die Zuführungsleitung für das Arbeütsmittel ist: Diese Leitung 97 entspricht
der Leitung 45 der Fig. 3.
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In den Leitungien.98, 99, ioo und ioi sind dien Rückschlagventila
86 bzw.. 88, go und 92 enthalten. Die erwähnten Leitungen schließen sich an eine
gemeinsame
Leitung io2 an, die die: Abführungsleitung des Arbeitsmittels ist und die der Leitung
44. der Fig. 3 entspricht. Die Vorrichtung entspricht im übrigen ganz der Vorrichtung
nach Fig. 3 und arbeitet auf ähnliche Weiisie.