DE913290C

DE913290C - Displacement machine unit for the transfer of heat from a low to a higher temperature level

Info

Publication number: DE913290C
Application number: DEN4510A
Authority: DE
Inventors: Cornelius Otto Jonkers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1950-10-09
Filing date: 1951-10-06
Publication date: 1954-06-10

Description

Verdrängermaschinenaggregat zur Beförderung von Wärme von einem niedrigen nach einem höheren Temperaturpegel Im allgemeinen bestehen die bisher bekannten Aggregate zur Beförderung von Wärme von einem niedrigen nach einem höheren Temperaturpegel, z. B. ein Kühlaggregat, eine Klimaanlage oder eine Wärmepumpe, aus einer Kältemaschine und einem die Kältemaschine antreibenden Motor. Dieser Motor liefert dann die für die Kältemaschine erforderliche mechanische Energie.Displacement machine assembly for the transfer of heat from a low after a higher temperature level, there are in general those previously known Units for transferring heat from a low to a higher temperature level, z. B. a cooling unit, an air conditioning system or a heat pump from a refrigeration machine and a motor driving the refrigerator. This engine then delivers the for the mechanical energy required by the chiller.

Das Verdrängermaschinenaggregat zum Transportieren von Wärme von einem niedrigen nach einem höheren Temperaturpegel erzeugt die zur Aufrechterhaltung seines Betriebes erforderliche mechanische Energie selbst und ist als ein geschlossenes System ausgebildet; es enthält als Arbeitsmittel eine Gasmenge unveränderlicher chemilcher Zusammensetzung und ist mit einem warmen Raum und einem Gefrierraum versehen. Bei diesem Aggregat stehen nun erfindungsgemäß der warme Raum und der Gefrierraum je mittels eines Erhitzers, eines Regenerators und eines Kühlers mit einem gemeinsamen gekühlten Raum in Verbindung. Die Volumen dieser Räume wie auch das Gesamtvolumen des Arbeitsraumes werden durch sich mit einem konstanten Phasenunterschied nahezu harmonisch hin und her bewegende, miteinander gekuppelte, kolbenförmige Körper geändert. Die Volumenänderungen des warmen Raumes weichen in der Phase um einen Betrag a von denjenigen des Gefrierraumes, um einen Betrag b von denjenigen des gekühlten Raumes und um einen Betrag c von denjenigen des Gesamtraumes ab, wobei a, b und c positive Werte darstellen, wenn der warme Raum gegenüber den betreffenden Räumen voreilt, und sowohl a als auch c zwischen d - 18o° und d liegen, und wobei sowohl sin d als auch der Zähler dieses Bruchs positiv sind. In diesem Bruch ist v das Verhältnis zwischen der Amplitude der Volumenänderungen des Gefrierraumes und der Amplitude der Volumenänderungen des warmen Raumes, k das Verhältnis zwischen der Amplitude der Volumenänderungen des gekühlten Raumes und der Amplitude der Volumenänderungen des warmen. Raumes, t." das. Verhältnis zwischen der mittleren Absoluttemperatur des Mittels im gekühlten Raum und der mittleren Absoluttemperatur des Mittels im Gefrierraum, t.., das Verhältnis zwischen der mittleren Absoluttemperatur des Mittels im gekühlten Raum und der mittleren Absoluttemperatur des Mit-, tels im warmen Raum.The displacement machine unit for transporting heat from a low to a higher temperature level generates the mechanical energy required to maintain its operation itself and is designed as a closed system; As a working medium, it contains a gas quantity of unchangeable chemical composition and is provided with a warm room and a freezer room. In this unit, according to the invention, the warm room and the freezer room are each connected to a common cooled room by means of a heater, a regenerator and a cooler. The volumes of these rooms as well as the total volume of the work area are changed by piston-shaped bodies that are coupled to one another and move almost harmoniously back and forth with a constant phase difference. The volume changes of the warm room deviate in the phase by an amount a from those of the freezer room, by an amount b from that of the cooled room and by an amount c from those of the entire room, with a, b and c representing positive values if the warm room leads the room concerned, and both a and c are between d - 180 ° and d , and where both sin d and the numerator of this fraction are positive. In this fraction, v is the ratio between the amplitude of the volume changes of the freezer compartment and the amplitude of the volume changes of the warm room, k the ratio between the amplitude of the volume changes of the cooled room and the amplitude of the volume changes of the warm one. Room, t. "The. Ratio between the mean absolute temperature of the medium in the refrigerated room and the mean absolute temperature of the medium in the freezer, t .., the ratio between the mean absolute temperature of the medium in the refrigerated room and the mean absolute temperature of the medium in the warm room.

Es wurde festgestellt, daß beim Aggregat nach der Erfindung die dem warmen Raum zugeführte Energie zum Antrieb des Kühlaggregats benutzt werden kann. Hierbei muß das Aggregat den obenerwähnten Anforderungen entsprechen. Bei der Bauart nach der Erfindung wird eine Energiemenge mittels eines kolbenförmigen Körpers abgeführt und als mechanische Energie einer gemeinsamen Kurbelwelle geliefert. Diese Energiemenge muß naturgemäß wenigstens so groß sein, daß die kolbenförmigen Körper hin und her bewegt werden. Die vom kolbenförmigen Körper zur Kurbelwelle gelieferte Energiemenge kann aber auch größer sein, als zur Hinundherbewegung der kolbenförmigen Körper in der Maschine unbedingt notwendig ist. In diesem Falle kann der Überschuß an Energie für andere Zwecke, z. B. zum Antrieb von Brennstoffpumpen u. dgl., benutzt werden.It was found that the unit according to the invention the Energy supplied to the warm room can be used to drive the cooling unit. The unit must meet the above-mentioned requirements. In the type of construction According to the invention, an amount of energy is dissipated by means of a piston-shaped body and supplied as mechanical energy to a common crankshaft. This amount of energy must of course be at least so large that the piston-shaped body back and forth be moved. The amount of energy delivered by the piston-shaped body to the crankshaft but can also be larger than for the reciprocating movement of the piston-shaped body is absolutely necessary in the machine. In this case, the excess of energy for other purposes, e.g. B. to drive fuel pumps and the like., Can be used.

Wenn über einen Erhitzer gesprochen wird, ist darunter ein Wärmeaustauscher zu verstehen, mit dessen Hilfe kalorische Energie dem Arbeitsmittel im Aggregat zugeführt wird. Infolge der Zuführung kalorischer Energie zum Erhitzer, der mit dem warmen Raum verbunden ist, wird letzterer Raum auf hoher Temperatur gehalten. In der Nähe des Gefrierraumes liegt ein weiterer Wärmeaustauscher, mit dessen Hilfe kalorische Energie (bei niedrigerer Temperatur) dem Arbeitsmittel im Aggregat zugeführt wird. Dieser Erhitzer wird im allgemeinen als Gefrierer bezeichnet.If there is talk of a heater, then underneath it is a heat exchanger to understand, with the help of which caloric energy the working fluid in the aggregate is fed. As a result of the supply of caloric energy to the heater with connected to the warm room, the latter room is kept at a high temperature. Another heat exchanger is located near the freezer compartment, with the help of which caloric energy (at a lower temperature) is supplied to the working medium in the unit will. This heater is commonly referred to as a freezer.

Unter dem Kühler wird ein Wärmeaustauscher verstanden, durch den kalorische Energie dem Arbeitsmittel entzogen wird.The cooler is understood to mean a heat exchanger through which the caloric Energy is withdrawn from the work equipment.

Das Aggregat nach der Erfindung ist selbstantreibend, d. h. daß im Gegensatz zu den meisten bisher bekannten Aggregaten eine Zuführung mechanischer Energie nicht erforderlich ist. Die zum Antrieb des Aggregats erforderliche Energie wird als kalorische Energie mittels eines Brenners dem dem warmen Raum zugeordneten Erhitzer zugeführt. Hierdurch ergeben sich verschiedene Vorteile. So kann die Nutzleistung des Aggregats verhältnismäßig hoch sein, da die dem Aggregat gelieferte Energie nicht zunächst in mechanische Energie umgesetzt zu werden braucht, Zias immer mit Verlusten einhergeht.The unit according to the invention is self-propelled, i. H. that in In contrast to most of the previously known units, a mechanical feeder Energy is not required. The energy required to drive the unit is assigned to the warm room as caloric energy by means of a burner Heater fed. This has various advantages. So can the useful power of the unit must be relatively high, since the energy supplied to the unit does not need to be converted into mechanical energy first, Zias always with it Losses.

Die kolbenförmigen Körper des Aggregats werden nahezu harmonisch hin und her bewegt, so daß ein leichter Antrieb der kolbenförmigen Körper gewährleistet ist.The piston-shaped bodies of the unit are almost harmonious and moved here, so that an easy drive of the piston-shaped body is ensured is.

Nach einer günstigen Ausführungsform der Erfindung werden die Volumen zweier Räume mit aufeinanderfolgenden Temperaturpegeln von den Endflächen eines gemeinsamen kolbenförmigen Körpers beeinflußt.According to a favorable embodiment of the invention, the volumes two rooms with successive temperature levels from the end faces of one common piston-shaped body affected.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden sowohl das Volumen des warmen Raumes als auch das Volumen des gekühlten Raumes von den Endflächen eines gemeinsamen kolbenförmigen Körpers beeinflußt.According to a further embodiment of the invention, both Volume of the warm room as well as the volume of the cooled room from the end faces a common piston-shaped body influenced.

Eine günstige Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn sowohl das Volumen des warmen Raumes als auch das Volumen des gekühlten Raumes von den Endflächen eines gemeinsamen kolbenförmigen Körpers beeinflußt werden, ferner auch die Volumen des Gefrierraumes und des gekühlten Raumes von den Endflächen eines weiteren gemeinsamen kolbenförmigen Körpers beeinflußt werden und ein dritter kolbenförmiger Körper vorgesehen ist, von dem nur eine Oberfläche die Volumenänderungen eines der Räume beeinflußt.A favorable embodiment of the invention results when both the volume of the warm room as well as the volume of the cooled room from the End faces of a common piston-shaped body are influenced, also the volumes of the freezer compartment and the refrigerated compartment from the end faces of a further common piston-shaped body can be influenced and a third piston-shaped body Body is provided, of which only one surface the volume changes of one of the Spaces affected.

Bei dieser Ausführungsform kann eine einfache Bauart erhalten werden, wenn sich der dritte kolbenförmige Körper gleichphasig mit dem kolbenförmigen Körper bewegt, der sowohl den gekühlten Raum als auch den Gefrierraum beeinflußt.In this embodiment, a simple construction can be obtained, when the third piston-shaped body is in phase with the piston-shaped body moves, which affects both the refrigerated space and the freezer compartment.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Aggregat mit nur zwei kolbenförmigen Körpern versehen, und der kolbenförmige Körper, der sowohl das Volumen des Gefrierraumes als auch das Volumen des gekühlten Raumes beeinflußt, ist als Stufenkolben ausgebildet.According to a further embodiment, the unit has only two piston-shaped bodies provided, and the piston-shaped body, which is both the volume of the freezer compartment as well as the volume of the refrigerated room is influenced as Stepped piston formed.

Bei letzterer Bauart kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch der zweite kolbenförmige Körper als Stufenkolben ausgebildet sein.In the latter design, according to a further embodiment of the In accordance with the invention, the second piston-shaped body can also be designed as a stepped piston.

Es ist ferner nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung möglich, daß sowohl das Volumen des warmen Raumes als auch das Volumen des gekühlten Raumes von den Endflächen eines gemeinsamen kolbenförmigen Körpers beeinflußt werden und nur ein anderer kolbenförmiger Körper mit nur einer wirksamen Oberfläche vorhanden ist, wobei letzterer Körper die Volumenänderungen des Gefrierraumes beeinflußt. Bei dieser Ausführungsform sind daher nur ein Kolben und ein Verdränger vorhanden.It is also possible according to a further embodiment of the invention, that both the volume of the warm room and the volume of the cooled room be influenced by the end faces of a common piston-shaped body and only another piston-shaped body with only one effective surface is present is, the latter body influencing the changes in volume of the freezer compartment. In this embodiment there is therefore only one piston and one displacer.

Das Aggregat nach der Erfindung kann bei einer günstigen Ausführungsform derart aufgebaut werden, daß die Mittellinien der beiden kolbenförmigen Körper einen Winkel der Größenordnung von 9o° einschließen und die der Kurbelwelle zugekehrten Räume gemeinsam den gekühlten Raum bilden. Bei dieser Bauart kann ein einfaches, gut ausbalancierbares Aggregat erhalten werden, wobei außerdem die schädlichen Räume auf einen Mindestwert beschränkt sind.The unit according to the invention can in a favorable embodiment be constructed so that the center lines of the two piston-shaped bodies one Include angles of the order of magnitude of 9o ° and those facing the crankshaft Rooms together form the cooled room. With this design, a simple, well-balanced aggregate can be obtained, with also the harmful spaces are limited to a minimum value.

Der Kurbelwellenkasten des Aggregats kann hierbei als ein geschlossenes Gebilde ausgeführt werden und besitzt keine Wellendurchführungen. Bei den bisher bekannten Kühlaggregaten ist meistens eine Welle vorhanden, der mechanische Energie zugeführt wird. Diese Welle muß aus dem Kurbelkasten ausgeführt werden, so daß an dieser Stelle die Möglichkeit eines Lecks vorliegt. Das Aggregat nach der Erfindung ist selbstantreibend, so daß die Zuführung mechanischer Energie und Wellendurchführungen entbehrt werden können. In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen von Verdrängermaschinenaggregaten nach der Erfindung schematisch dargestellt. In den Fig. i, i a, 2, 2 a, 3, 3 a, 4, 5 und 5 a sind einige Ausführungsformen des Aggregats nach der Erfindung schematisch dargestellt; in den Fig. 6, 7 und 8 sind mehr bauliche Ausführungsformen dargestellt, und die Fig. 9, 10, 11, 12, 13 und 14 zeigen einige Diagramme der thermodynamischen Kreisläufe, wie sie sich im Aggregat nach Fig. 6 vollziehen.The crankshaft case of the unit can be designed as a closed structure and has no shaft feedthroughs. The previously known cooling units usually have a shaft to which mechanical energy is supplied. This shaft must be run out of the crankcase so that there is a possibility of a leak at this point. The unit according to the invention is self-propelling, so that the supply of mechanical energy and shaft bushings can be dispensed with. In the drawings, some embodiments of displacement machine assemblies according to the invention are shown schematically. In Figs. I, ia, 2, 2 a, 3, 3 a, 4, 5 and 5 a, some embodiments of the unit according to the invention are shown schematically; 6, 7 and 8 show more structural embodiments, and FIGS. 9, 10, 11, 12, 13 and 14 show some diagrams of the thermodynamic cycles as they take place in the unit according to FIG.

Das Aggregat nach Fig. i ist mit einem warmen Raum i, einem gekühlten Raum 2 und einem Gefrierraum 3 versehen. Der Raum i steht mittels eines Erhitzers 4, eines Regenerators 5 und eines Kühlers 6 mit dem Raum z in Verbindung, und der Gefrierraum 3 steht mittels des Erhitzers 7, des Regenerators 8 und des Kühlers 9 gleichfalls mit dem gekühlten Raum in Verbindung. Das Volumen jedes Raumes 1, 2 und 3 wird von einem kolbenförmigen Körper io, ii bzw. 12 geändert. Die kolbenförmigen Körper sind durch Triebstangen 13, 14 bzw. 15 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 16 verbunden.The unit according to Fig. I is i with a warm room, a cooled one Room 2 and a freezer compartment 3. The room i is by means of a heater 4, a regenerator 5 and a cooler 6 with the space z in connection, and the Freezer 3 is by means of the heater 7, the regenerator 8 and the cooler 9 also in connection with the cooled room. The volume of each room 1, 2 and 3 is changed by a piston-shaped body io, ii and 12, respectively. The flask-shaped Bodies are connected to a common crankshaft by drive rods 13, 14 and 15, respectively 16 connected.

In Fig. i a sind die verschiedenen Kurbellagen dargestellt.The various crank positions are shown in FIG.

Wird angenommen, daß die Volumenänderungen des warmen Raumes um einen Betrag a = 6o° gegenüber denjenigen des Gefrierraumes, um einen Betrag b = 12o° gegenüber denjenigen des gekühlten Raumes und um einen Betrag c = 6o° gegenüber denjenigen des Gesamtarbeitsraumes voreilen, wobei ferner der Faktor v = i und der Faktor k gleichfalls = i ist, wobei 1v = 1,6 und t", = o,5, so kann der Wert von tg d berechnet werden d. h. also, daß d = 7o,5°.It is assumed that the volume changes in the warm room lead by an amount a = 6o ° compared to that of the freezer room, by an amount b = 12o ° compared to that of the cooled room and by an amount c = 60 ° compared to that of the total working area, with the Factor v = i and the factor k also = i, where 1v = 1.6 and t ", = 0.5, then the value of tg d can be calculated ie that d = 70.5 °.

Es ergibt sich, daß a und c zwischen d - 18o° und d liegen und sowohl sin d als auch der Zähler des oben angegebenen Bruchs positiv sind. Das heißt also, daß die Verhältnisse vorliegen, durch welche das Aggregat nach Fig. i selbstantreibend ausgeführt werden kann und Wärme von einem niedrigeren nach einem höheren Temperaturpegel transportieren kann. Wenn die Temperatur des warmen Raumes goo° K beträgt, so ist bei dieser Ausführungsform die Temperatur des gekühlten Raumes 900 - 0,5 = 45o° K und die Temperatur des Gefrierraumes = 28o° K. Die Anlage eignet sich daher als Klimaanlage oder als Wärmepumpe.It turns out that a and c are between d- 180 ° and d and that both sin d and the numerator of the above fraction are positive. This means that there are conditions by which the unit according to FIG. 1 can be designed to be self-propelled and can transport heat from a lower to a higher temperature level. If the temperature of the warm room is goo ° K, in this embodiment the temperature of the cooled room is 900-0.5 = 45o ° K and the temperature of the freezer room = 28o ° K. The system is therefore suitable as an air conditioning system or as a heat pump.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des Aggregats nach der Erfindung dargestellt. Das Aggregat dieser Figur ist mit drei Zylindern 2o, 21 und 22 versehen. In diesen Zylindern bewegen sich die kolbenförmigen Körper 23, 24 und 25 auf und ab, von denen die Körper 23 und 25 als Verdränger ausgebildet sind. Alle kolbenförmigen Körper sind durch Triebstangen mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 37 verbunden. Der Raum 26 oberhalb des kolbenförmigen Körpers 23 steht mittels eines Erhitzers 27, eines Regenerators 28 und eines Kühlers 29 mit dem gekühlten Raum 30 in Verbindung. Der Raum 31 oberhalb des kolbenförmigen Körpers 25 ist der kalte Raum, und dieser steht mittels des Gefrierers 32, des Regenerators 33 und des Kühlers 34 mit dem gekühlten Raum 35 in Verbindung. Die Räume 30, 35 sind durch die Kanäle 38 mit dem Raum 36 oberhalb des Kolbens 24 verbunden und bilden gemeinsam den gesamten gekühlten Raum.In Fig. 2, a further embodiment of the unit according to the invention is shown. The unit in this figure is provided with three cylinders 2o, 21 and 22. In these cylinders, the piston-shaped bodies 23, 24 and 25 move up and down, of which the bodies 23 and 25 are designed as displacers. All piston-shaped bodies are connected to a common crankshaft 37 by means of drive rods. The space 26 above the piston-shaped body 23 is connected to the cooled space 30 by means of a heater 27, a regenerator 28 and a cooler 29. The space 31 above the piston-shaped body 25 is the cold space, and this is in communication with the cooled space 35 by means of the freezer 32, the regenerator 33 and the cooler 34. The spaces 30, 35 are connected by the channels 38 to the space 36 above the piston 24 and together form the entire cooled space.

In Fig. 2 a sind die verschiedenen, einem Berechnungsbeispiel zugeordneten Kurbellagen dargestellt. Auch bei dieser Maschine kann man Verhältnisse annehmen, bei denen das Aggregat selbstantreibend ist. Wird angenommen, daß a = 9o°, b = i85° und c = 12o° und ist ferner v = i und k = 1,5, t,, = 1,3 und t"= 0,4, so kann tg d wieder berechnet werden: Hieraus folgt, daß d = 133,3°. Sowohl a als auch c sind kleiner als d, und sin d und der Zähler des oben angegebenen Bruchs sind positiv. Dieses Aggregat wird daher unter den oben angegebenen Verhältnissen selbstantreibend sein und Wärme von einem niedrigeren nach einem höheren Temperaturpegel befördern können. Ist bei dieser Ausführungsform die Temperatur des warmen Raumes goo° K, so ist die Temperatur des gekühlten Raumes goo - 0,4 = 36o° K. Die Temperatur des Gefrierraumes ist dann = 277° K. Die Anlage kann daher gut als Wärmepumpe benutzt werden.The various crank positions assigned to a calculation example are shown in FIG. 2a. With this machine, too, one can assume conditions in which the unit is self-propelled. Assuming that a = 90 °, b = i85 ° and c = 12o ° and furthermore v = i and k = 1.5, t ,, = 1.3 and t "= 0.4, then tg d be recalculated: It follows from this that d = 133.3 °. Both a and c are less than d, and sin d and the numerator of the fraction given above are positive. This unit will therefore be self-propelled under the conditions given above and be able to transfer heat from a lower to a higher temperature level. If in this embodiment the temperature of the warm room is goo ° K, the temperature of the cooled room is goo - 0.4 = 36o ° K. The temperature of the freezer is then = 277 ° K. The system can therefore be used as a heat pump.

Das Aggregat nach Fig.3 besitzt nur zwei Zylinder 4o bzw. 41. In dem Zylinder 4o bewegt sich der Verdränger 42 und in dem Zylinder 41 der Stufenkolben 43 hin und her. Die beiden kolbenförmigen Körper sind je durch Triebstangenmechanismen 54 und 55 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 56 verbunden. Der Raum 44 oberhalb des Kolbens 42 ist der warme Raum der Maschine. Dieser Raum steht durch einen Erhitzer 45, einen Regenerator 46 und einen Kühler 47 mit dem gekühlten Raum 48 unterhalb des Kolbens in Verbindung. Der Raum 49 oberhalb des Kolbens 43 steht über den Gefrierer 5o, den Regenerator 51 und den Kühler 52 mit dem Raum 53 unterhalb des Stufenkolbens in Verbindung. Die Räume 48 und 53 und der Verbindungskanal 57 bilden gemeinsam den gesamten gekühlten Raum.The unit according to Figure 3 has only two cylinders 4o and 41. In the The displacer 42 moves in cylinder 4o and the stepped piston moves in the cylinder 41 43 back and forth. The two piston-shaped bodies are each driven by pinion rod mechanisms 54 and 55 are connected to a common crankshaft 56. The room 44 above the Piston 42 is the warm space of the machine. This space stands by a heater 45, a regenerator 46 and a cooler 47 with the cooled space 48 below of the piston in connection. The space 49 above the piston 43 is above the freezer 5o, the regenerator 51 and the cooler 52 with the space 53 below the stepped piston in connection. The spaces 48 and 53 and the connecting channel 57 together form the entire cooled room.

In Fig. 3 a sind die verschiedenen, einem Berechnungsbeispiel zugeordneten Kurbellagen dargestellt. Sind bei der oben beschriebenen Maschine der Faktor v = 2 und der Faktor k = 1,4 und a = c = 9o° und b = 225°, wobei die Temperaturen derart gewählt sind, daß t" = 1,3 und t" = 0,4, so kann wieder tg d berechnet werden. tg d ist in diesem Falle gleich Hieraus folgt, daß d = iio°.In Fig. 3a, the various crank positions associated with a calculation example are shown. If, in the machine described above, the factor v = 2 and the factor k = 1.4 and a = c = 90 ° and b = 225 °, the temperatures being selected such that t "= 1.3 and t" = 0.4, then tg d can be calculated again. tg d is the same in this case It follows from this that d = iio °.

Auch in diesem Falle liegen a und c zwischen d-18o° und d, und sowohl sin d als auch der Zähler des Bruchs sind positiv. Ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Temperatur des warmen Raumes 8oo° K, so ist die Temperatur des gekühlten Raumes 8oo - 0,4 = 32o° K und die Temperatur des Gefrierraumes = 246'K.In this case, too, a and c are between d-180 ° and d, and both sin d and the numerator of the fraction are positive. If in this embodiment the temperature of the warm room is 800 ° K, then the temperature of the cooled room is 800-0.4 = 32o ° K and the temperature of the freezer room = 246'K.

Das Aggregat nach Fig. q. stimmt im wesentlichen mit dem Aggregat nach Fig. 3 überein, und in dieser Figur sind daher die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet. An Stelle des Verdrängers 42 ist aber das Aggregat mit einem zweiten Stufenkolben 58 versehen.The unit according to Fig. Q. essentially agrees with the aggregate according to Fig. 3, and in this figure, therefore, the same reference numerals as used in Fig. 3. Instead of the displacer 42, however, the unit is equipped with a second step piston 58 is provided.

In Fig.5 ist eine weitere Ausführungsform des Aggregats nach der Erfindung dargestellt. Auch dieses Aggregat ist mit nur zwei Zylindern 6o und 61: versehen. Der warme Raum 62 oberhalb des Kolbens 63 im Zylinder 6o steht über den Erhitzer 6q., den Regenerator 65, den Kühler 66 mit dem Raum 67 unterhalb des Kolbens 63 in Verbindung. Der Raum 68 oberhalb des Kolbens 69 steht über den Gefrierer 70, den Regenerator 71 und den Kühler 72 gleichfalls mit dem Raum 67 in Verbindung. Der Raum 68 ist der Gefrierraum des Aggregats, und der Raum 67 ist der gekühlte Raum. Die kolbenförmigen Körper 63 und 69 sind je durch Triebstangenmechanismen 73 und 74 mit einer Kurbelwelle 75 verbunden.In Figure 5, a further embodiment of the unit according to the invention is shown. This unit is also provided with only two cylinders 6o and 61 :. The warm space 62 above the piston 63 in the cylinder 6o is connected to the space 67 below the piston 63 via the heater 6q., The regenerator 65, the cooler 66. The space 68 above the piston 69 is also connected to the space 67 via the freezer 70, the regenerator 71 and the cooler 72. Space 68 is the unit's freezer space and space 67 is the refrigerated space. The piston-shaped bodies 63 and 69 are connected to a crankshaft 75 by pinion mechanisms 73 and 74, respectively.

In Fig. 5 a sind die einem Berechnungsbeispiel zugeordneten Kurbellagen dargestellt.In FIG. 5 a, the crank positions assigned to a calculation example are shown shown.

Folgende Faktoren können beim Aggregat nach Fig. 5 angenommen werden: a = c = go°, b = 18o°, v = i, k = i, t,=2 und t"=0,4. Hieraus folgt, daß d = 1o6°. Auch bei dieser Ausführungsform sind sämtliche Bedingungen erfüllt, wenn a und c zwischen d - 18o° und d liegen, wobei sowohl sin d als auch der Zähler des Bruchs positiv sind. Wird bei dieser Ausführungsform als Temperatur des warmen Raumes 8oo° K angenommen, so ist die Temperatur des gekühlten Raumes 800 - 0,4 = 32o° K und die Temperatur des Gefrierraumes = i6o° K.The following factors can be assumed for the unit according to FIG. 5: a = c = go °, b = 180 °, v = i, k = i, t, = 2 and t "= 0.4. It follows from this that d = 1o6 °. In this embodiment, too, all the conditions are met if a and c are between d -180 ° and d , both sin d and the numerator of the fraction being positive. If in this embodiment the temperature of the warm room is assumed to be 800 ° K, the temperature of the cooled room is 800 - 0.4 = 32o ° K and the temperature of the freezer room = i6o ° K.

Das Aggregat nach Fig. 6 stimmt mit dem Aggregat nach Fig. 2 überein. In dem Zylinder 8o wird ein Verdränger 81 und in dem Zylinder 82 wird ein weiterer Verdränger 83 hin und her bewegt. Der Raum 84 oberhalb des Verdrängers 81 steht über den Erhitzer 85, den Regenerator 86 und den Kühler 87 mit dem Raum 88 in Verbindung, der durch die Kanäle 89 und den Raum gi mit dem Raum go verbunden ist. Diese Räume bilden den gekühlten Raum. Das Volumen dieses gekühlten Raumes wird von dem Kolben 92 beeinflußt. Dieser gekühlte Raum ist über den Kühler 93, den Regenerator 9q. und den Gefrierer 95 mit dem Gefrierraum 96 verbunden. Die Verdränger 81 und 83 und der Kolben 92 sind durch Triebstangen mit der Kurbelwelle 97 verbunden, wobei die Kurbeln einen geeigneten Winkel miteinander einschließen. Der Raum 84 wird auf hoher Temperatur gehalten und ist der warme Raum des Aggregats. Diesem warmen Raum wird mittels des Brenners 98 kalorische Energie zugeführt. Die von diesem Brenner zugeführten Verbrennungsgase strömen längs der Flügel auf der Wand des Erhitzers 85 und verlassen den Verbrennungsraum durch das Auslaßrohr 9g. Der Gefrierraum 96 und der Gefrierer 95 sind in einem geschlossenen Raum ioo untergebracht, der auf niedrige Temperatur gehalten werden muß. Die Abmessungen des Kolbens g2 und der Hub dieses Kolbens sind derart gewählt, daß der Kolben der Kurbelwelle hinreichende positive Energie liefert, um die Verdränger und den Kolben im Aggregat auf und ab zu bewegen. Die mittels dieses Kolbens übertragene mechanische Energie kann z. B. auch zum Antrieb der Brennstoffpumpe für den Brenner 98 oder zum Antrieb eines Luftkompressors und eines Kompressors benutzt werden, der zwecks Änderung der Aggregatleistung ein Regelgas liefern kann.The unit according to FIG. 6 corresponds to the unit according to FIG. 2. A displacer 81 is moved in the cylinder 8o and a further displacer 83 is moved to and fro in the cylinder 82. The space 84 above the displacer 81 is connected via the heater 85, the regenerator 86 and the cooler 87 to the space 88, which is connected to the space go through the channels 89 and the space gi. These rooms form the cooled room. The volume of this cooled space is influenced by the piston 92. This cooled space is via the cooler 93, the regenerator 9q. and the freezer 95 connected to the freezer compartment 96 . The displacers 81 and 83 and the piston 92 are connected to the crankshaft 97 by connecting rods, the cranks enclosing a suitable angle with one another. The space 84 is kept at a high temperature and is the warm space of the unit. Caloric energy is supplied to this warm room by means of the burner 98. The combustion gases supplied from this burner flow along the blades on the wall of the heater 85 and leave the combustion space through the outlet pipe 9g. The freezer compartment 96 and the freezer 95 are housed in a closed space which must be kept at a low temperature. The dimensions of the piston g2 and the stroke of this piston are selected in such a way that the piston of the crankshaft supplies sufficient positive energy to move the displacers and the piston up and down in the unit. The mechanical energy transmitted by means of this piston can, for. B. can also be used to drive the fuel pump for the burner 98 or to drive an air compressor and a compressor which can supply a control gas for the purpose of changing the unit output.

Der Kolben 97, beeinflußt in diesem Falle den gekühlten Raum. Es ist aber auch möglich und in bestimmten Fällen sogar erwünscht, daß dieser Kolben den warmen Raum oder den Gefrierraum beeinflußt. In dieser Figur ist ferner der Kurbelkasten als geschlossene Einheit ohne Wellendurchführungen ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, Leckverluste des Arbeitsmittels weitgehendst zu beschränken und sogar auf Null herabzusetzen. Auch kann der Kurbelkasten auf einen gewünschten Druck gebracht werden, wodurch die Stangenkräfte in den Triebstangen herabgesetzt werden können.The piston 97 influences the cooled space in this case. It is but also possible and in certain cases even desirable that this piston the affects the warm room or the freezer compartment. In this figure is also the crankcase designed as a closed unit without shaft feed-throughs. Through this it is possible to limit leakage losses of the working medium as much as possible and even to Zero down. The crankcase can also be brought to a desired pressure , whereby the rod forces in the drive rods can be reduced.

In Fig. 7 ist ein Aggregat dargestellt, welches im wesentlichen dem Aggregat nach Fig.3 entspricht. In dem Zylinder iio bewegt sich ein Verdränger iii hin und her, der über einen Triebstangenmechanismus mit der Kurbel 113 verbunden ist. An derselben Kurbel ist gleichfalls der Triebstangenmechanismus des Stufenkolbens 11¢ befestigt, der sich in dem Zylinder ii2 hin- und her bewegt. Die Mittellinien der beiden Zylinder schließen einen Winkel von go° ein. Ein Teil des Stufenkolbens 114 weist einen Durchmesser Dl, ein weiterer Teil einen Durchmesser D2 auf, wobei D2 beträchtlich kleiner als Dl, aber andrerseits wesentlich größer als der Durchmesser der Kolbenstange ist. Der Teil des Stufenkolbens mit dem Durchmesser D2 stimmt mit dem Kolben g2 von Fig. 6 überein, jedoch ist dieser Kolben starr mit dem Verdränger 83 von Fig. 6 verbunden. Der Teil Dl entspricht dem Verdränger 83. In diesem Falle ist der Faktor a daher gleich dem Faktor c. Der Raum 115 oberhalb des Verdrängers iii ist der warme Raum des Aggregats, und dieser Raum ist wieder durch einen als Rohrerhitzer ausgebildeten Erhitzer ii6, einen Regenerator 117 und einen Kühler 118 mit dem Raum iig verbunden. Der Raum iig steht durch den Kanal i2o mit dem Raum 121 unterhalb des Stufenkolbens 114 in dem Zylinder 112 in Verbindung. Die Räume Zig und 12i und der Kanal i2o bilden den gekühlten Raum. Dieser gekühlte Raum steht über den Kühler 123, den Regenerator 124 und den Gefrierer 125 mit dem Gefrierraum 126 in Verbindung.In Fig. 7, an assembly is shown, which essentially the Corresponds to the unit according to Fig. 3. A displacer iii moves in the cylinder iio back and forth, which is connected to the crank 113 via a rod mechanism is. The drive rod mechanism of the stepped piston is also on the same crank 11 ¢ attached, which moves back and forth in the cylinder ii2. The center lines of the two cylinders enclose an angle of go °. Part of the graduated piston 114 has a diameter D1, a further part has a diameter D2, wherein D2 considerably smaller than D1, but on the other hand much larger than the diameter the piston rod is. The part of the stepped piston with the diameter D2 agrees corresponds to the piston g2 of FIG. 6, but this piston is rigid with the displacer 83 of FIG. 6. The part Dl corresponds to the displacer 83. In this case the factor a is therefore equal to the factor c. The space 115 above the displacer iii is the warm room of the unit, and this room is again by an as Tube heater formed heater ii6, a regenerator 117 and a cooler 118 connected to the room iig. The room iig is connected to the room by the channel i2o 121 below the stepped piston 114 in the cylinder 112 in connection. The rooms Zig and 12i and the channel i2o form the cooled room. This cooled room is in place via the cooler 123, the regenerator 124 and the freezer 125 to the freezer compartment 126 in connection.

Dem warmen Raum wird kalorische Energie mittels des Brenners i27 zugeführt, wobei die Verbrennungsgase bei 129 den Erhitzer verlassen; der Gefrierer und der Gefrierraum sind in dem zu kühlenden Raum 128 untergebracht. Die Wirkungsweise des Kühlaggregats entspricht der Wirkung des Kühlaggregats nach Fig. 6. Wenn die Bedingungen erfüllt sind, welche in der vorerwähnten Formel angegeben sind, so wird der Stufenkolben mechanische Energie liefern. Die gelieferte Energiemenge ist von dem Durchmesser DZ des Stufenkolbens und von dem Hub dieses Kolbens abhängig.Caloric energy is supplied to the warm room by means of the burner i27, the combustion gases exiting the heater at 129; the freezer and the Freezer rooms are accommodated in the room 128 to be cooled. The mode of action of Cooling unit corresponds to the effect of the cooling unit according to Fig. 6. If the conditions are fulfilled, which are given in the aforementioned formula, the stepped piston supply mechanical energy. The amount of energy delivered is on the diameter DZ of the stepped piston and depends on the stroke of this piston.

In Fig.8 ist eine weitere Ausführungsform des Aggregats dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 5. An Stelle des Stufenkolbens 114 in Fig. 7 besitzt das Aggregat nach Fig. 8 einen Kolben, und der gekühlte Raum ist direkt mit dem Raum oberhalb dieses Kolbens verbunden. Der Verdränger 13o bewegt sich in dem Zylinder 131 auf und ab. Dieser Verdränger steht über einen Triebstangenmechanismus mit der Kurbel 132 in Verbindung. Mit dieser Kurbel ist auch der Triebstangenmechanismus des Kolbens 133 verbunden, der sich im Zylinder 134 hin und her bewegt. Die Mittellinien der Zylinder 131 und 134 schließen einen Winkel von go° ein. Der warme Raum 135 oberhalb des Verdrängers i3o steht über den Erhitzer 136, den Regenerator 137 und den Kühler 138 mit dem Raum 139 unterhalb des Verdrängers 130 in Verbindung. Der Raum 139 und der Kanal 14o bilden den gekühlten Raum, und diese Räume stehen über den Kühler 141, den Regenerator 142 und den Gefrierer 143 mit dem Gefrierraum 144 in Verbindung. Der warme Raum wird mittels des Brenners 145 auf hoher Temperatur gehalten. Der Gefrierraum und der Gefrierer befinden sich in dem Raum 46, der auf niedriger Temperatur gehalten werden muß.Another embodiment of the unit is shown in FIG. This embodiment corresponds essentially to the embodiment according to FIG. 5. Instead of the stepped piston 114 in FIG. 7, the unit according to FIG. 8 has a piston, and the cooled space is directly connected to the space above this piston. The displacer 13o moves up and down in the cylinder 131. This displacer is connected to the crank 132 via a drive rod mechanism. The rod mechanism of the piston 133, which moves back and forth in the cylinder 134, is also connected to this crank. The center lines of the cylinders 131 and 134 enclose an angle of go °. The warm space 135 above the displacer i3o is connected to the space 139 below the displacer 130 via the heater 136, the regenerator 137 and the cooler 138. The space 139 and the duct 14o constitute the refrigerated space, and these spaces are in communication with the freezing space 144 via the cooler 141, the regenerator 142 and the freezer 143. The warm room is kept at a high temperature by means of the burner 145. The freezer compartment and the freezer are located in the compartment 46, which must be kept at a low temperature.

In Fig. g ist ein Diagramm dargestellt, in dem die verschiedenen Kolbenlagen einer Maschine entsprechend den Maschinen nach den Fig. 2 und 6 dargestellt sind, wobei jedoch a = 9o°, b = 2o6° und c = go°. Auf der Abszissenachse ist der Kurbelwinkel in Grad aufgetragen, während auf der Ordinatenachse die wechselnden Volumina v der von den kolbenförmigen Körpern beeinflußten Räume aufgetragen sind. Die Bewegungen der kolbenförmigen Körper im Aggregat sind harmonisch, aber einfachheitshalber ist die harmonische Bewegung, welche z. B. durch die sinusförmige gestrichelte Linie 150 wiedergegeben ist, schematisiert und durch unterbrochene Linien mit den Punkten a, b, c und d ersetzt.In Fig. G a diagram is shown in which the different piston positions of a machine are shown corresponding to the machines according to FIGS. 2 and 6, but with a = 90 °, b = 2o6 ° and c = go °. The crank angle is plotted in degrees on the abscissa axis, while the changing volumes v of the spaces influenced by the piston-shaped bodies are plotted on the ordinate axis. The movements of the piston-shaped bodies in the unit are harmonious, but for the sake of simplicity, the harmonious movement, which z. B. is shown by the sinusoidal dashed line 150, schematized and replaced by broken lines with the points a, b, c and d .

In Fig. io ist der Druckverlauf P im Arbeitsraum des Aggregats gegenüber dem Kurbelwinkel abgetragen. Der Druck ist auf der Ordinatenachse und der Kurbelwinkel auf der Abszissenachse abgetragen. Der Druckverlauf in Fig. io ist gleichfalls vereinfacht und durch gerade Linien ersetzt. Der Druck ist maximal bei einem Kurbelwinkel von o° = 36o°. In Fig. 9 sind die schädlichen Räume weggelassen. Die Oberfläche I dieser Figur zeigt die aufeinanderfolgenden Volumenänderungen des Gefrierraumes, die Oberfläche II die des warmen Raumes, die Oberflächen III und IV die des gekühlten Raumes, während die Oberfläche IV nur die Volumenänderungen des gesamten Arbeitsraumes wiedergibt.In Fig. Io the pressure curve P in the working space of the unit is opposite removed from the crank angle. The pressure is on the ordinate axis and the crank angle plotted on the abscissa axis. The pressure curve in Fig. 10 is also simplified and replaced by straight lines. The pressure is maximum at a crank angle of o ° = 36o °. In Fig. 9, the harmful spaces are omitted. The surface I of this Figure shows the successive changes in volume of the freezer compartment, the surface II those of the warm room, the surfaces III and IV those of the cooled room, while the surface IV only reproduces the volume changes of the entire working space.

In Fig. ii ist das pv-Diagramm des warmen Raumes schematisch dargestellt. In diesem Diagramm ist auf der Abszissenachse das Volumen v und auf der Ordinatenachse der Druck P abgetragen. Die entsprechenden, mit a, b, c und d bezeichneten Punkte des Diagramms von Fig. 9 sind auch in diesem Diagramm angegeben.In Fig. Ii the pv diagram of the warm room is shown schematically. In this diagram, the volume v is plotted on the abscissa axis and the pressure P is plotted on the ordinate axis. The corresponding points, labeled a, b, c and d , of the diagram of FIG. 9 are also indicated in this diagram.

In Fig. 12 ist auf entsprechende Weise das Pv-Diagramm des Gefrierraumes dargestellt, wobei Punkte mit den Buchstaben a, b, c und d wieder mit Punkten mit den Buchstaben der vorherigen Figuren übereinstimmen.In Fig. 12, the Pv diagram of the freezer is shown in a corresponding manner, points with the letters a, b, c and d again coincide with points with the letters of the previous figures.

In Fig. 13 ist das Diagramm für den Kolben dargestellt, der den Gesamtarbeitsraum beeinflußt. Die Oberfläche dieses Diagramms ist annähernd gleich der Hälfte einer der Oberflächen der Diagramme ii und 12. Wie aus der Figur ersichtlich, liefert der den Gesamtarbeitsraum beeinflussende kolbenförmige Körper positive Arbeit, welche zum Antrieb der kolbenförmigen Körper im Aggregat benutzt werden kann.In Fig. 13 the diagram for the piston is shown, the total working space influenced. The surface area of this graph is approximately equal to half one of the surfaces of diagrams ii and 12. As can be seen from the figure, delivers the piston-shaped body influencing the overall working space positive work, which can be used to drive the piston-shaped body in the unit.

In Fig. 14 ist das Diagramm des Teiles III des gekühlten Raumes dargestellt. Die Oberfläche dieses Diagramms ist angenähert das Zweifache derjenigen der Diagramme nach den Fig. ii und 12, wie es auch aus Fig. g ersichtlich ist.In Fig. 14 the diagram of part III of the refrigerated space is shown. The surface area of this graph is approximately twice that of the graphs according to FIGS. ii and 12, as can also be seen from FIG.

Aus Fig.13 geht hervor, daß die Arbeitsmenge, welche von dem den Gesamtarbeitsraum beeinflussenden kolbenförmigen Körper geliefert werden kann, unter anderem durch Vergrößerung des Hubvolumens dieses Kolbens erhöht werden kann. Durch Vergrößerung des Hubvolumens vergrößert sich die Oberfläche des Diagramms, und der Kolben liefert eine größere positive Arbeitsmenge.From Fig. 13 it can be seen that the amount of work, which of the the total work space influencing piston-shaped body can be supplied, among other things by Enlargement of the stroke volume of this piston can be increased. By magnification of the stroke volume, the surface of the diagram increases and the piston delivers a greater amount of positive work.

Im allgemeinen wird es aber nur einen Kolben geben, der die Volumenänderungen des Gesamtarbeitsraumes beeinflußt. Es ist aber auch möglich, daß die Beeinflussung statt durch einen durch mehrere Kolben erfolgt.In general, however, there will only be one piston that controls the volume changes of the total working area. But it is also possible that the influence instead of one through several pistons.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Displacement machine unit for the transfer of heat from a low to a higher temperature level, which itself generates the mechanical energy required to maintain its operation and is designed as a closed system, the unit containing a gas quantity of unchangeable chemical composition as a working medium and with a warm room and a Freezer room is provided, characterized in that the warm room and the freezer room are each connected to a common cooled room by means of a heater, a regenerator and a cooler and the volumes of these rooms and the total volume of the work room are almost harmonious with a constant phase difference reciprocating, coupled, piston-shaped bodies are changed, the phase of the volume changes of the warm room by an amount a from that of the freezer room, by an amount b from that of the cooled room and by an amount c differs from that of the entire work room, with a, b and c being calculated positively if the warm room leads the room in question, and both a and c are between d-180 ° and d, and where both sin d and the numerator of this fraction are positive, in which v is the ratio between the amplitude of the changes in volume of the freezer compartment and the amplitude of the changes in volume of the warm room, k is the ratio between the amplitude of the changes in volume of the cooled room and the amplitude of the changes in volume of the warm room, 1, the ratio between the mean absolute temperature of the agent in the refrigerated room and the mean absolute temperature of the agent in the freezer, 1w the ratio between the mean absolute temperature of the agent in the cooled room and the mean absolute temperature of the agent in the poor room.

2. Displacement machine assembly according to claim i, characterized in that the Volume of two rooms with successive temperature levels from the end faces a common piston-shaped body can be influenced.

3. Displacement machine assembly according to claim 2, characterized in that both the volume of the warm room as well as the volume of the cooled space from the end faces of a common piston-shaped Body are affected.

4. Displacement machine assembly according to claim 3, characterized characterized in that both the volume of the freezer compartment and the volume of the cooled space from the end faces of another common piston-shaped body are influenced and a third piston-shaped body is available, of which only a surface affects the volume changes of one of the rooms.

5. Displacement machine assembly according to claim 4, characterized in that the third piston-shaped body is moves in phase with the piston-shaped body, which both the cooled space as well as the freezer compartment.

6. Displacement machine unit according to claim 3, characterized in that the unit is provided with only two piston-shaped bodies and that the piston-shaped body, which influences both the freezer space and the cooled space, is designed as a stepped piston. Displacement machine assembly according to Claim 6, characterized in that the second piston-shaped body is also designed as a stepped piston. B. displacement machine unit according to claim 3, characterized in that both the volume of the warm space and the volume of the cooled space are influenced by the end faces of a common piston-shaped body and only one other piston-shaped body with only one effective surface is present, the latter body affects the volume changes in the freezer compartment. G. Displacement machine assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the center lines of two piston-shaped bodies enclose an angle of the order of magnitude of go ° and the spaces facing the crankshaft together form the cooled space. Cited publications: German Patent Nos. 409 719, 422 576; Swiss Patent No. 265 012; U.S. Patent No. 2,468 2g3.