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Regenerator zur Verwendung in einer Heißkolbenmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf einen Regenerator zur Verwendung in einer Heißgaskolbenmaschine,
hei der die Füllmasse des Regenerators aus einer oder mehrerer: Drahtlängen mit
einem hydraulischen Durchmesser von weniger als 50 Mikron besteht.
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Unter einer Heißgaskolbenmaschine ist hier ein Heißgaskolbenmotor,
eine gemäß dem umgekehrten 1leißgaskolbenmotorprinzip arbeitende Kaltgaskühlmaschine
oder eine Wärmepumpe zu verstehen.
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Unter dem hydraulischen Durchmesser drahtförmigen Materials versteht
man den Quotienten aus dem vierfachen Materialquerschnitt und dem Umfang eines Materialquerschnittes.
Das Material kann einen runden Querschnitt oder einen anderen, z. B. rechteckigen
Querschnitt haben. Die Größe des bei den Berechnungen von Regeneratoren allgemein
verwendeten hydraulischen Durchmessers des drahtförmigen Materials ist wichtig für
die thermodynamischen und aerodynamischen Eigenschaften. der Regeneratorfüllmasse.
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Regeneratoren werden oftmals aus Metalldraht hergestellt. So kann
man z. B. einen Regenerator herstellen, indem nach Art einer festen Hülse ein gekräuselter
Draht spulenartig aufgewickelt wird, wobei sich die Deforrnierungen in Längsrichtung
des Regenerators erstrecken. Der so gebildete Regenerator erfüllt im allgemeinen
die an ihn zu stellenden Anforderungen.
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Diese Anforderungen sind folgende: i. Der Regenerator soll hinreichende
Wärmekapazität haben; z. der freie Raum im Regenerator soll nicht zu groß sein;
3. der Strömungswiderstand des Regenerators soll nicht zu groß sein; 4. die
Wärmeleitung
von der warmen Seite des Regenerators zur kalten Seite soll nicht zu groß sein;
5. die Struktur der Füllmasse ist vorzugsweise derart, daß über den ganzen Strömungsquerschnitt
des Regenerators der Widerstand möglichst gleichmäßig ist, so daß überall die gleichen
thermodynamischen Erscheinungen auftreten.
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Außerdem ist es wichtig, daß der die vorgenannten Anforderungen erfüllende
Regenerator nicht zu kostspielig ist. Der Regenerator nach der Erfindung entspricht
den erwähnten Anforderungen in höherem Maße als die bisher bekannten Regeneratoren
und hat weiter den Vorteil einer einfachen Herstellung.
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Zu diesem Zweck weist er das Merkmal auf, daß das Drahtmaterial eine
ungleichmäßige gekräuselte Struktur hat und die Kräuselungen sich im wesentlichen
quer zur Hauptströmungsrichtung des den Regenerator durchströmenden Gases erstrecken.
Zweckmäßig ist die gekräuselte Struktur unregelmäßig, wobei es möglich ist, daß
die Kräuselungen mit ungekräuselten Drahtlängen abwechseln. Die Kräuselungen können
groß oder klein, z. B. 15 mm und größer, oder 3 mm und sogar kleiner sein. Vorzugsweise
erstrecken sich die Kräuselungen senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung des Gases
im Regenerator. Sie können aber auch ein wenig schräg zu dieser Hauptströmungsrichtung
liegen. Wenn der Regenerator zylindrische Wände hat, ist die Hauptströmungsrichtung
des Gases parallel zu einer Erzeugenden dieser zylindrischen Wand.
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Gemäß einer Ausbildung des Regenerators nach der Erfindung besitzt
die Füllmasse eine geschichtete Struktur.
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Der Regenerator nach der Erfindung läßt sich auf einfache Weise herstellen.
Das Verfahren zur Herstellung der Regeneratoren nach der Erfindung weist das Merkmal
auf, daß unter Zuhilfenahme einer oder mehrerer Spritzdüsen mittels eines Preßgases
das Drahtmaterial einem Raum zugeführt und gegen eine quer zur Hauptströmungsrichtung
des Gases durch den Raum liegende poröse Wand gestoßen wird, wobei der Querschnitt
dieses Raumes wenigstens im wesentlichen dem Querschnitt des Regenerators entspricht
und die Spritzdüse derart aufgestellt ist, daß sich das Drahtmaterial im Raum im
wesentlichen in der Hauptströmungsrichtung des Gases durch den Raum bewegt, wonach
die auf diese Weise gebildete Füllmasse in der Hauptströmungsrichtung zusammengepreßt
wird.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung ist es namentlich angebracht, außer
dem der Spritzdüse zugeführten Luftstrom einen zweiten Luftstrom zu verwenden, der
im Raum die gebildete Füllmasse in der Hauptströmungsrichtung zusammendrückt. Außerdem
ist es insbesondere bei der Herstellung ringförmiger Regeneratoren erwünscht, daß
der Raum relativ in bezug auf die Spritzdüse in Umdrehung versetzt wird.
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Ferner ist es günstig, die Kräuselungen der Regeneratorfüllmasse klein
zu bemessen. Um dies zu erreichen, soll das Drahtmaterial vor seiner Einführung
in den Raum einer solchen Biegespannung unterworfen werden, daß der Draht gekräuselt
wird.
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Falls die Füllmasse aus gezogenem Drahtmaterial besteht, ist es aber
auch möglich, den Draht, nachdem er bis zum gewünschten Durchmesser ausgezogen worden
ist, mit der durch das Ziehen entstandenen Härte dem Raum zuzuführen, wodurch- im
allgemeinen der Draht sich von selbst kräuselt.
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Der so ausgebildete Draht ist also nach dem Ziehvorgang nicht nachgeglüht.
Gegebenenfalls kann ein solcher Draht noch einer Biegespannung unterworfen werden,
um die Abmessungen der Kräuselungen voneinander verschieden zu machen.
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Die Vorrichtung, mit dem das Verfahren nach der Erfindung ausgeführt
wird, hat das Merkmal, daß sie einen Raum enthält, dessen Querschnitt wenigstens
im wesentlichen mit dem Querschnitt des Regeneratorraumes übereinstimmt, und mit
wenigstens einer Spitzdüse versehen ist, um das Drahtmaterial dem Raum zuzuführen,
wobei der Raum auf einer Seite eine mit Bohrungen versehene Wand besitzt und ferner
mindestens eine Drahtspule für das Drahtmaterial vorhanden ist.
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Nach einer günstigen Ausführungsform der Vorrichtung sind Mittel vorgesehen,
um den Raum relativ in bezug auf die Spritzdüse in Umdrehung zu versetzen.
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Es ist erwünscht, eine hinreichende Anzahl Kräuselungen in der Füllmasse
anzubringen. Um dies zu erreichen, beträgt nach einer Ausführungsform der Erfindung
die mittlere Umfangsgeschwindigkeit des Raumes in bezug auf die Spritzdüse höchstens
die Hälfte der Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtmaterials zu diesem Raum.
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Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. i zeigt eine Heißgaskolbenmaschine und Fig. 2 in- vergrößertem
Maßstabe einen Schnitt des Regenerators; Fig. 3 ist ein anderer Schnitt des Regenerators;
Fig. q. ist ein Querschnitt eines Regenerators mit größeren Kräuselungen als in
Fig.3, und Fig. 5 zeigt die Vorrichtung zur Herstellung des Generators.
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Die Heißgaskolbenmaschine nach Fig. i ist als eine Kaltgaskühlmaschine
ausgebildet. Namentlich bei Kaltgaskühlmaschinen ist es sehr wichtig, daß der Regenerator.
den höchsten Anforderungen entspricht, so daß namentlich bei diesen Maschinen der
Regenerator nach der Erfindung mit Erfolg zur Verwendung kommen kann. Im Zylinder
i bewegen sich ein Verdränger 2 und ein Kolben 3 mit konstantem Phasenunterschied
auf und ab, wobei der Verdränger dem Kolben voreilt. Sowohl der Verdränger 2 als
auch der Kolben 3 sind durch ein eigenes Triebstangensystem q. bzw. 5 mit einer
eigenen Kurbel 6 bzw. 7 einer gemeinsamen Kurbelwelle 8 verbunden.
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Der Raum g oberhalb des Verdrängers 2 ist der Gefrierraum der Maschine,
der durch einen Gefrierer i o, einen Regenerat.or i i und einen Kühler 12
mit
dem Raum 13 zwischen dem Verd,ränger 2 und dem Kolben 3 in Verbindung steht. Dieser
letztgenannte Raum wird der gekühlte Raum genannt.
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Durch die Wand des Gefrierers io und die Wand des Gefrierraumes 9
wird dem Mittel, das in der Maschine einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf
unterliegt, Wärmeenergie zugeführt. Diese 1@'ärmeeiiergie wird dem Raum 14 rings
um den Gefrierer und den Gefrierraum entzogen, so daß dieser Raum eine niedrige
Temperatur erlangt. [in Kühler 12 wird kalorische Energie von dem Mittel in der
Maschine abgeführt. Diese Energie kann z. B. an Wasser oder an die freie Luft abgegeben
werden.
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Die Kühlmaschine wird vom Elektromotor 15 angetrieben. Es können jedoch
auch andere Motoren, z. B. Benzinmotoren oder Dieselmotoren, zum Antrieb der Kühlmaschine
benutzt werden. Der Regenerator i i dieser Kühlmaschine ist nach der Erfindung ausgebildet
und wird an Hand der Fig. 2, 3 und 4 näher erläutert.
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Fig. 2 ist ein Längsschnitt längs der Linie II-11 in Fig.3, und Fig.3
ist ein Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2. Der Regenerator ist ringförmig
ausgebildet und besitzt eine Außenwand 2o und eine Innenwand 21; letztere wird im
allgemeinen die zylindrische Buchse sein, in der der Kolben und/oder der Verdränger
gleiten. Die Füllmasse 22 besteht aus einer großen Anzahl von Schichten 23, deren
Dicke verhältnismäßig klein ist und im allgemeinen nicht viel größer als einige
Male die Drahtstärke sein wird. Die Schichten liegen quer zur Hauptströmungsrichtung
(mit Pfeil 24 angedeutet) des Gases im Generator.
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Das in Fig. 3 dargestellte Drahtmaterial hat eine ungleichmäßige gekräuselte
Struktur; die Kräuselungen 25 liegen quer zur Hauptströmungsrichtung 24. Das Drahtmaterial
bei dieser Ausführungsform besteht aus gezogenem Kupferdraht mit einer Stärke von
3o Mikron. Dieser Kupferdraht wird vor Einführung in den Raum, in dem die Regeneratorfüllmasse
hergestellt wird, einer Biegespannung unterworfen. Infolgedessen hat die Füllmasse
eine unregelmäßige gekräuselte Struktur. Eine solche Struktur entsteht, wenn das
Drahtmaterial, nachdem es bis auf das richtige Maß ausgezogen worden ist nicht nachgeglüht
wird. Der Füllfaktor des Regenerators ist vorzugsweise kleiner als 30°1o und beträgt
bei dieser Ausführungsform 2o°/0.
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Fig.4 ist ein Querschnitt eines Regenerators, bei dem das Drahtmaterial
nicht vorgekrümmt ist, oder wohl ein Nachglühen stattgefunden hat; die Kräuselungen
26 sind in diesem Fall größer als in der Ausführungsform nach Fig. 3 und wechseln
ab mit geraden Drahtstrecken. Dieser Regenerator besteht aus einem Chromnickeldraht
mit einem Durchmesser von 25 Mikron; der Füllfaktor beträgt 161/o.
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Wie aus den Figuren hervorgeht, ist der Regenerator inhomogen, d.
h., daß die gekräuselte Struktur in allen Schichten ungleich ist und die Berührungspunkte
des Drahtes an der Wand ungleichmäßig über die ganze Außen- und Innenoberfläche
des Regenerators liegen.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen ringförmige Regeneratoren; es ist
aber auch möglich, Regeneratoren mit einem gleichen Strukturbild herzustellen, die
z. B. zylindrisch ausgestaltet sind. Außerdem können Regeneratoren aus Segmenten
aufgebaut werden, die durch Zerschneiden eines ringförmigen Regenerators entstehen.
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Fig.5 zeigt die Vorrichtung, mit der die Regeneratoren nach der Erfindung
hergestellt werden können.
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Diese Vorrichtung besteht aus einem Gestell 31, auf dem ein Elektromotor
32 angeordnet ist. Eine Luftleitung 33 kann an einen Kompressor oder an eine vorhandene
Preßleitung angeschlossen werden. Die Luftleitung 33 teilt sich in zwei Zweige 34
und 35, die beide mit Hähnen 36 bzw. 37 versehen sind. Die Leitung 34 führt zu einer
Spritzvorrichtung 38, die mit einer Zufuhrleitung 39 und mit einer Abfuhrleitung
40 für den Draht versehen ist. Am Gestell 31 ist außerdem eine Halterung 41 befestigt,
an der eine Seilscheibe 42 drehbar befestigt ist. Auf dieser Seilscheibe kann eine
Drahtspule 43 angeordnet werden. Die Seilscheibe 42 wird vom Elektromotor 32 angetrieben.
Ferner gibt es eine zweite Halterung 44 mit einer Drahtführung 45. An dieser Halterung
ist der Dorn 46 befestigt, über den der Draht :bei der Zuführung zur Spritzdüse
gekrümmt wird.
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Das Gestell trägt weiter zwei Halterungen 47 und 48. An der Halterung
47 ist der Deckel 49 befestigt, der mit zwei Öffnungen 50 und 51 ausgestattet
ist. In diesen Öffnungen sind die Leitungen Io und 35 angeschlossen. Mittels der
Schraube 5a ist der Deckel 49 außerdem an der Halterung 48 befestigt. Im Deckel
49 können sich die an einem gemeinsamen durchlochten Deckel 55 befestigten
Zylinder 53 und 54 gemeinsam um die Schraube 52 drehen. Die Zylinder werden vom
Motor 56, der mit einem Reibrad 57 versehen ist, das mit dem Zylinder 53 in Berührung
ist, in Umdrehung versetzt.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Bei der Betätigung
des Motors 32 wird die Seilscheibe 42 in Umdrehung versetzt, so daß sich die Drahtspule
43, von der der Draht 58 über den Dorn 46 und die Drahtführung 45 in die Spritzvorrichtung
39 geführt ist, abwickeln kann. Mittels der der Leitung 33 zugeführten Preßluft
wird der Draht durch die Leitung 4o geführt und dem Zylinderraum zwischen den Zylindern
53 und 54 zugeführt. Die Zylinder werden vom Elektromotor 56 in Umdrehung versetzt.
Durch die Leitung 35 wird dem zylindrischen Raum eine zusätzliche Menge Luft zugeführt,
wodurch die Kräuselungen im Raum in der Hauptströmungsrichtung zusammengedrückt
werden. Die Zufuhr der zusätzlichen Luft liegt bei dieser Vorrichtung der Drahtzuführung
diametral gegenüber; dies ist aber nicht unbedingt erforderlich. Die Luft verläßt
den Raum durch die als Deckel 55 ausgebildete durchlässigel,
#'and.
Infolge der Umdrehung der Zylinder und der Drahtzufuhr wird der Draht in Kräuselungen
gelegt, die quer zur Hauptströmungsrichtung des Gases im Raum liegen. Das Krümmen
um den Dorn ,46 bewirkt, daß die Kräuselungen verhältnismäßig klein und unregelmäßig
sind, wie in Fig. 3 abgebildet ist. Um eine hinreichende Anzahl Kräuselungen zu
erhalten, soll die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Zylinder höchstens die Hälfte
der Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtmaterials betragen.
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Nachdem der ringförmige Raum mit Draht gefüllt worden ist, wird das
Material mit einem Stempel in der Hauptströmungsrichtung zusammengepreßt, so daß
der gewünschte Füllfaktor erhalten wird.
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Mit diesem Verfahren kann insbesondere ein Regenerator hergestellt
werden dessen Strömungswiderstand über die ganze Durchströmungsoberfläche möglichst
gleich ist.
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Eine Eigenschaft des auf diese Weise hergestellten Regenerators ist
weiter, daß das Ausziehen der Regeneratorfüllmasse in der Hauptströmungsrichtung
sehr leicht, das Ausziehen der Füllmasse in sämtlichen Richtungen in der Ebene,
in der die Kräuselungen liegen, jedoch beträchtlich schwieriger ist.
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Bei der oben geschilderten Vorrichtung ist nur eine Spritzdüse vorgesehen;
es können aber mehrere Spitzdüsen mit je einer Drahtspule vorgesehen sein.
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Auch ist es möglich, die Wand 55 mit dem Regenerator vollständig in
der Heißgaskolbenmaschine unterzubringen, so daß der Regenerator nicht aus diesem
Zylinder entfernt zu werden braucht, wodurch Beschädigung auftreten könnte.