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Geschlossene Heißgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zur Zuführung
von Arbeitsmittel zu einem oder mehreren Arbeitsräumen der Maschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine geschlossene Heißgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zur
Zuführung von :Arbeitsmittel zu einem oder mehreren Arbeitsräumen der Maschine.
Hierbei ist unter Heißgaskolbenmaschine ein Heißgaskolbenmotor, eine nach dem umgekehrten
Heißgaskolbenmotorprinzip wirkende Kühlmaschine oder eine Wärmepumpe zu verstehen.
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Es ist bekannt, daß die Leistung, welche eine solche Maschine entweder
liefert, z. B. bei Motoren, oder aufnimmt, z. B. bei Kühlmaschinen, dadurch geändert
«erden kann, daß die an dem in diesen Maschinen erfolgenden Kreislauf teilnehmende
Arbeitsmittelmenge geändert wird. Bei einer Zunahme der Arbeit.smittelmenge erhöht
sich die Leistung, während bei einer Abnahme d'ie Leistung abnimmt.
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Bei einigen bisher bekannten Vorrichtungen zur Zuführung eines Arbeitsmittels
zu Heißgaskolbenmaschinen vollzieht sich die Zufuhr periodisch, wobei sowohl die
Abfuhr als auch die Zufuhr bei gleichem Druck im Kreislauf erfolgt.
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Es wurde bereits eine Heißgaskolbenmaschine vorgeschlagen, bei der
die Zuführung eines Arbeitsmittels beim niedrigsten während eines Kreislaufs auftretenden
Druck und die Abfuhr beim höchsten
während eines Kreislaufs auftretenden
Druck stattfindet. Der Heißgaskolbenmaschine nach der Erfindung liegt gleichfalls
letzteres Prinzip zugrunde, und sie bietet den Vorteil, daß kein Arbeitsmittel infolge
der Zuführung oder der Abführung des Arbeitsmittels aus dem :Arbeitsraum verlorengeht
und ferner die Vorrichtung selbst sich auf einfache Weise aufbauen läßt.
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Nach der Erfindung ist die Maschine mit einem nur in einer Richtung
durchströmbaren Umlauf für Zufuhrmittel versehen, wobei in diesem Umlauf (hintereinander
angeordnet) .eine Reduziervorrichtung, ein Rückschlagventil, ein zweites Rückschlagventil
und eine zweite Reduziervorrichtung angeordnet sind und der Arbeitsraum .der Maschine,
dem Arbeitsmittel zugeführt werden muß, an einer zwischen den beiden Rückschlagventilen
liegenden Stelle des Umlaufs mit dem Umlauf in Verbindung steht, und ferner der
Umlauf an einer zwischen den beiden Reduziervorrichtungen liegenden Stelle gleichzeitig
mit wenigstens einem Vorratsgefäß für das zuzuführende Mittel verbunden ist, wobei
die beiden Reduziervorrichtungen derart miteinander gekoppelt sind, daß ihre Verstellkräfte
sich gemäß dem Kompressionsverhältnis der Maschine verhalten, und auf die Reduziervorrichtung,
auf der der höchste Zyklusdruck herrscht, auch die größte V erstellkraft ausgeübt
wird.
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Nach einer günstigen Ausführungsform der Erfindung können die beiden
Reduziervorrichtungen je mittels einer Stange verschoben werden, wobei die beiden
Stangen an einem ihrer Enden beweglich mit einem gemeinsamen Hebel verbunden sind
und die Verschiebung der Reduziervorrichtungen mittels einer auf diesen Hebel wirkenden
Kraft erfolgt. Es ist bei dieser Ausführungsform möglich, daß die Arbeitsoberflächen
der Reduziervorrichtungen entweder gleich oder verschieden sind.
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Nach einer günstigen Ausführungsform der Erfin.dung ist die Arbeitsoberfläche
-der Reduziervorrichtung,auf welche der Minimaldruck wirkt, genau so groß wie die
Arbeitsoberfläche der Reduziervorrichtu,ng, auf welche der Maximaldruck wirkt, wobei
die Längen der Hebelarme beiderseits des Angriffspunktes der auf diesen Hebel wirkenden
Kraft sich gemäß dem Kompressionsverhältnis der Maschine verhalten.
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Da im Vorratsgefäß Druckänderungen auftreten können, welche auf den
Umstand zurückzuführen sind, daß periodisch Gas aus dem Vorratsgefäß zum Arbeitsraum
strömt oder aus dem Arbeitsraum zum Vorratsgefäß zurückströmt, ist es nach einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung erwünscht, daß die Reduzierv orrichtungen
an ihrer dem Vorratsgefäß zugewendeten Seite zwei gleiche Arbeitsoberflächen aufweisen,
die so bemessen sind, daß die vom Arbeitsmitteldruck im Vorratsgefäß auf sie ausgeübte
Kraft gleich oder nahezu gleich und entgegengesetzt gerichtet ist der vom Arbeitsmitteldruck
im Vorratsgefäß auf die Reduziervorrichtungen ausgeübten Kraft.
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Es ist einleuchtend, daß die Reduziervorrichtungen auf verschiedene
Weise ausgebildet werden können. So können sie z. B. aus einem Schieber bestehen.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Reduziervorrichtungen
aus Ventilen, da festgestellt worden ist, daß auf Grund von baulichen Erwägungen
diese Ventile vorzuziehen sind.
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Es ist erwünscht, daß die Kraft auf den Hebel derart ausgeübt wird,
daß der Angriffspunkt dieser Kraft sich nicht oder nahezu nicht verschiebt. Um dies
zu erreichen, wird nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Kraft auf
den Hebel mittels einer Feder auf diesen Hebel übertragen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Verstellkräfte
für die Reduziervorrichtungen mittels einer mit einer Feder versehenen Verstellvorrichtung
ausgeübt, wobei eine Änderung der Federspannung eine Änderung der Verstellkräfte
bewirkt und wobei auf diese Feder zwei Kräfte ausgeübt werden, von denen eine einem
im Arbeitsraum der Maschine auftretenden Zyklusdruck entnommen ist, von welcher
Kraft die Verstellvorrichtung im wesentlichen entlastet ist, und die andere eine
Änderung der Federspannung herbeiführen kann. Mit dieser Verstellvorrichtung wird
erreicht, daß die zur (Verstellung der ReduziervorrichtungenerforderlicheKraft verhältnismäßig
klein ist, so daß die Verstellung auch mittels eines Regulators erfolgen kann.
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Es ist hierbei nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung möglich,
daß die Verstellvorrichtung im wesentlichen von einer Kraft entlastet wird, welche
vom Maximaldruck des Arbeitsmittels in der Maschine herbeigeführt wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Verstellvorrichtung i,m
wesentlichen von einer Kraft entlastet, welche vom Minimaldruck des Arbeitsmittels
in der Maschine herbeigeführt wird.
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Die Regelvorrichtung ist auch vorteilhaft bei Maschinen verwendbar,
die mit mehreren Arbeitsräumen versehen sind, in denen sich gleiche Kreisläufe vollziehen.
Eine solche Maschine wird häufig als Mehrkreislaufmaschine bezeichnet. In diesem
Fall genügt eine einzige Zuführungsvorrichtung für sämtliche Kreisläufe. Zu diesem
Zweck weist die Heißgaskolbenmaschine in Weiterbildung der Erfindung das Kennzeichen
auf, daß eine Anzahl Arbeitsräume der Maschine sowohl mit der Zufuhrleitung als
auch mit der Abfuhrleitung für das zuzuführende Arbeitsmittel parallel verbunden
sind, wobei jeder Arbeitsraum seinen eigenen Satz Rückschlagventile besitzt.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in den Zeichnungen schematisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In Fig. r ist eine geschlossene
Heißgaskolbenmaschine dargestellt; in Fig. a ist die dieser Heißgaskolbenmaschine
zugeordnete Vorrichtung zur Zuführung von Arbeitsmittel in einem anderen Maßstab
dargestellt.
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Schaltung der Leitungen
für eine Vierzylinderheißgaskoibenmaschine; in
Fig. 4. ist eine
Bauart dargestellt, bei der die Verstellvorrichtung im wesentlichen entlastet ist.
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Die geschlossene Heißgaskolbenmaschine nach Fig. i ist eine Heißgaskolbenmaschine
des sogenannten Verdrängertyps. In dem Zylinder i bewegen sich ein Verdränger 2
und ein Kolben 3 auf und ab. Der Verdränger und der Kolben sind durch Triebstangenmechanismen
4 bzw. 5 mit den entsprechenden Kurbeln 6 und 7 der gemeinsamen Kurbelwelle 8 verbunden,
die bei dieser Maschine einen Winkel von 9o° einschließen. Der Raum 9 oberhalb des
Verdrängers 2 ist der warme Raum der Maschine und steht über den Erhitzer io, den
Regenerator i i und den Kühler 12 mit dem Raum 13 zwischen dem Verdränger 2 und
dem Kolben 3 in Verbindung. Letzterer Raum ist der sogenannte kalte Raum der :Maschine.
Dem Erhitzer io wird mittels des Brenners 14 die kalorische Energie zugeführt. Die
Verbrennungsgase umspülen die Rippen 15 des Erhitzers und verlassen die Maschine
durch das Auslaßrohr 16. Dem Kühler wird Wärme entzogen, «-as z. B. mittels einer
Wasserkühlung erfolgen kann.
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Bei der in der Figur dargestellten Maschine sind aber Flügel 17 vorgesehen,
über welche die Kühlung durch Luft erfolgen kann.
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Die Maschine ist ferner mit einer Leitung 18 versehen, welche an den
kalten Raum der Maschine anschließt und mittels welcher Arbeitsmittel entweder dem
Arbeitsraum in der Maschine zugeführt oder vom Arbeitsraum abgeführt werden kann.
Diese Leitung kann auch an einer anderen Stelle in den Arbeitsraum der Maschine
ausmünden. Es ist z. B. möglich, daß sie an dem warmen Raum 9 anschließt.
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In Fig. 2 ist, deutlichkeitshalber in vergrößertem Maßstab, die Vorrichtung
zur Zuführung eines Arbeitsmittels dargestellt. Diese Vorrichtung schließt an die
Leitung 18 von Fig. i an. Die Leitung 18 teilt sich in die beiden Leitungen i9 und
20, in denen die Rückschlagventile 21 und 22 vorgesehen sind. Diese Rückschlagventile
sind derart angeordnet, daß das Rückschlagventil 21 nur geöffnet werden kann. wenn
Arbeitsmittel dem Arbeitsraum in der Maschine zugeführt werden muß, wobei das Ventil
22 geschlossen ist, während das Ventil 22 nur geöffnet werden kann, wenn Arbeitsmittel
aus dem Arbeitsraum abgeführt wird, wobei das Ventil 21 geschlossen ist. Die beiden
Leitungen i9 und 20 schließen an Reduziervorrichtungen an, welche als Ventile ausgebildet
sind, nämlich die Ventile 23 und 24. Letztere sind bei dieser Ausführungsform der
Erfindung derart angeordnet, daß das Ventil 23 bei Bewegung nach links geöffnet
wird, während bei Bewegung des Ventils 24 nach links der Durchgang geschlossen wird.
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Die Ventile 23 und 24 sind mit Ventilstangen 25 und 26 versehen. Die
Geradführung der Ventile und Stangen erfolgt mittels der Führungen 27 bzw. 28, welche
mittels Stützen 29 bzw. 30 mit dem Ventilgehäuse 31 verbunden sind. Die Reduziervorrichtungen
sind entlastet, und zu diesem Zweck sind an den Ventilstangen 25 und 26 Scheiben
32 und 33 angebracht, deren Durchmesser denen der Ventile entsprechen. Wegen der
Gleichheit dieser Oberflächen von Scheiben und Ventilen ist die Wirkung etwa im
Vorratsgefäß 37 auftretenden Druckänderungen nicht unterworfen. Die Räume im Ventilgehäuse
31 sind gegenüber der Atmosphäre mittels Balgen 34 und 35 abgeschlossen, die sowohl
am Ventilgehäuse als auch an den Scheiben 32 und 33 befestigt sind. Das Ventilgehäuse
steht mittels der Leitung 36 mit dem Vorratsgefäß 37 in Verbindung. Da bei Heißgaskolbenmaschinen
ein Lecken von Arbeitsmittel aus dem Arbeitsraum, z. B. zum Kurbelwellenkasten,
möglich ist, so daß allmählich der Druckpegel im Vorratsgefäß 37 herabsinken könnte,
ist eine Pumpe 38 vorgesehen, mit deren Hilfe der Druck im Vorratsgefäß konstant
gehalten ,wird. Dieselbe Pumpe kann aber auch dazu benutzt werden, den Druckpegel
im Vorratsgefäß nötigenfalls zu steigern, so daß der ganze Regelbereich der Maschine
vergrößert wird. Am Vorratsgefäß ist ferner ein mit einem Hahn 39 versehenes Auslaßrohr
,.o angebracht, über welches Arbeitsmittel aus dem Vorratsgefäß entfernt und der
ganze Regelbereich der Maschine verkleinert werden kann.
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Die Ventilstangen 25 und 26 sind mittels eines Hebels 41 gelenkartig
miteinander verbunden. Auf den Hebel 41 wirkt eine Stellschraube 42, welche mittels
eines Hebels 43 verdreht werden kann. Folglich wird die Feder 44 mehr oder weniger
gespannt, so daß auch beim Ausüben einer anderen Kraft auf den Hebel der Angriffspunkt
45 der Kraft auf den Hebel nicht verschoben wird.
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Die von der Feder auf den Hebel ausgeübte Kraft führt zu einem Gleichgewicht
mit den Kräften, welche vom Mittel in der Leitung i9 auf das Ventil 23 und vom Mittel
in der Leitung 20 auf das Ventil 24 ausgeübt werden.
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Die Arbeitsoberflächen der Ventile 23 und 24 sind gleich groß. Der
Hebel 41 ist durch den Angriffspunkt 45 der Stellschraube 42 in zwei Teile A und
B geteilt, und zwar in der Weise, daß
gleich ist dem Kompressionsverhältnis der Maschine, z. B. gleich 21l2 : i.
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Die Wirkungsweise der Maschine ist wie folgt: Infolge der Lage der
Rückschlagventile herrscht in der Gleichgewichtslage in der Leitung i9 ein Druck,
der gleich dem Minimaldruck des Kreislaufs ist, und in der Leitung 2o herrscht ein
Druck, der gleich dem Maximaldruck des Kreislaufs ist. Wird mittels des Hebels 43
die Stellschraube 42 etwas angezogen, so daß das Ventil 23 geöffnet wird, so strömt
Mittel aus dem Gefäß 37 zu derLeitung i9, so daß der Druck in letzterer ansteigt
und sich damit der Minimaldruck des Kreislaufs erhöht. Folglich ergibt sich eine
Zunahme des Maximaldrucks des Kreislaufs, was wieder eine Zunahme des Drucks unter
dem Ventil 24 zur Folge hat. Infolge der Anziehung der Stellschraube 42 hat aber
der Schließdruck dieses Ventils im Verhältnis
gleich dem Kompressionsverhältnis der Maschine zugenommen. Infolge der Steigerung
des Drucks unter dem Ventil 24 wird
dieses Ventil, wieder entlastet,
so daß das Ventil 23 sich wieder schließt und die Maschine sich auf den neuen Druckpegel
einstellt.
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Der umgekehrte Vorgang findet statt, wenn der mittlere Kreislaufdruck
herabgesetzt werden muß, so daß die Maschine eine kleinere Leistung liefert. Zu
diesem Zweck wird mittels des Hebels 43 die Stellschraube 42 etwas gelöst, so daß
die Kraft auf den Hebel 4i geringer und das Ventil 24 infolge des Arbeitsmitteldrucks
in der Leitung 2o geöffnet wird. Folglich strömt Mittel aus der Leitung 2o zum Vorratsgefäß
37, und der Druck in der Leitung 2o nimmt ab, so daß auch der Maximaldruck im Arbeitsraum
abnimmt, was wieder eine Abnahme des Minimaldrucks in diesem Arbeitsraum mit sich
bringt. Folglich ergibt sich auch eine Abnahme des Drucks in der Leitung i9, so
daß das Gleichgewicht auf dem Ventil23 gestört wird. Es wird sodann ein Ausgleich
auftreten, wodurch sich das Ventil24 schließt und der Druckpegel im Arbeitsraum
sich auf einen niedrigeren Wert einstellt. Es ist einleuchtend, daß der Druckpegel
so weit herabgesetzt werden kann, bis der Maximaldruck des Kreislaufs gleich dem
Druck im Vorratsgefäß 37 ist.
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Diese Regelvorrichtung ist auch bei einer Mehrzy lindermaschine verwendbar,
auf welche Fig. 3 Bezug nimmt. Diese #,Zehrzylindermaschi.ne besitzt vier Arbeitsräume
5o, 5 i, 52 und 53. Jeder Arbeitsraum hat einen eigenen Satz Rückschlagventile,
nämlich 54, 55, 56 und 57, 58 und 59, 6o und 61. Die Leitungen 62. 63, 64 und 65,
in denen die Rückschlag<-entile 54, 56, 58 und 6o vorgesehen sind, schließen
an eine gemeinsame Leitung 66 an, welche die Abfuhrleitung für das Arbeitsmittel
darstellt. Die Leitung 66 entspricht der Leitung 20 in Fig. 2.
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In den Leitungen 67, 68, 69 und 70 sind die Rückschlagventile
55, 57, 59 und 61 vorgesehen. Die erwähnten Leitungen schließen an eine gemeinsame
Leitung 71 an, welche die Zufuhrleitung für das Arbeitsmittel darstellt und der
Leitung i9 in Fig.2 entspricht. Die Vorrichtung ist im übrigen ganz ähnlich der
Vorrichtung nach Fig. 2 ausgebildet und wirkt auf entsprechende Weise.
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Die entlastete Verstellvorrichtung, die in Fig. 4 in vergrößertem
Maßstab dargestellt ist, besteht aus einem Gehäuse 8o, in welchem eine Buchse 81
gleiten kann. In der Buchse 81 ist ein Stift 82 gleitbar aufgenommen, der mit dem
Hebel 41 in Berührung steht. Zwischen der Buchse 81 und dem Stift 82 liegt eine
Feder 83. Der Raum 84 oberhalb der Buchse 8o ist über die Leitung 85 mit der Leitung
i9 in Fig. 2 gekoppelt, so daß in der Leitung 85 und in dem Raum 84 der Maximaldruck
des Zyklus herrscht, der auch in der Leitung i9 auftritt. Die Oberfläche 86 der
Buchse 81 ist derart bemessen, daß im wesentlichen Gleichgewicht zwischen den Kräften
auf die Ventile 23 und 24 und der Kraft auf die Oberfläche 86 besteht. Eine Verstellung
der Buchse 81 erfordert daher wenig Energie. Zur Verstellung der Verstellvorrichtung
ist der Stift 87 vorgesehen, der mittels eines doppelarmigen Hebels 88 und einer
Stange 89 von einem nicht dargestellten Regulator, z. B. einem Zentrifugalregulator,
verschiebbar ist, so daß der Druck auf die Feder 83 geändert werden kann. Auf die
Feder 83 wirkt daher eine Kraft, welche von den im Arbeitsraum der Maschine auftretenden
Zyklusdrucken direkt abhängig ist, und eine Kraft, welche eine Änderung der Federspannung
bewirken kann.
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Es ist einleuchtend, daß die Leitung 85 gegebenenfalls an die Leitung
2o anschließen kann. In diesem Fall würde auf die Oberfläche 86 der Buchse 81 der
Minimaldruck ausgeübt werden. Es ist dann aber erforderlich, die Oberfläche 86 zu
vergrößern, so daß im wesentlichen doch Gleichgewicht mit den Kräften auf die Ventile
23 und 24 erreicht wird. Die Verstellvorrichtung nach der Erfindung ist zu jeder
Zeit entlastet, da eine Abnahme des Maximal- oder Minimaldrucks im Arbeitsraum der
Maschine, wodurch gleichzeitig die Kraft auf die Ventile 23 und 24 kleiner wird,
eine entsprechend geringere Kraft auf die Oberfläche 86 herbeiführt.