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Publication number: DEN0010038MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 10. Januar 1955 Bekanntgemacht am 2. Februar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine mit einem Raum mit niedrigerer Temperatur und einem Räum mit höherer Temperatur; beide Räume stehen über einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler miteinander in offener Verbindung, wobei die Volumen dieser Räume durch einen oder mehrere kolbenförmige Körper geändert werden können und in der Maschine ein Gas, das sogenannte Arbeitsmittel,

ίο einen geschlossenen thermodynamischeo Kreislauf durchläuft, wobei das Gas immer in demselben Aggregatzustand bleibt.'

Unter einer Heißgaskolbenmaschine wird hier ein Heißgaskolibenmotor, eine Kühlmaschine oder eine Wärmepumpe verstanden, wobei die beiden letzten, nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeiten. Die Kühlmaschine wird auch häufig als ·. Kaltgaskühlmaschine bezeichnet. Die Heißgaskolbenmaschinen können bekanntlich auf verschiedene Weise ausgebildet werden, z. B. als Verdrängermaschine, als doppelt wirkende Maschine, als Maschine, deren Zylinder, einen Winkel mit- ■ einander einschließen, oder als Maschine, bei der der Arbeitsraum einer Kaltgaskühlmaschine mit dem eines Heißgas-moto-rs vereinigtist.

Bei diesen Maschinen stellt der Erhitzer den Wärmeaustauscher dar, in dem dem Arbeitsmittel der Maschine Wärme zugeführt wird, während im Kühler vom Arbeitsmittel Wärme abgeleitet wird. Es ist ferner bekannt, daß in den Maschinen ver-

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schiedene Mittel verwendbar sind. Bei Heißgasmotoren und Wärmepumpen wird.im allgemeinen Luft als Arbeitsmittel benutzt. Bei einer Kaltgaskühlmaschine kann Luft oder Stickstoff oder Sauerstoff, Wasserstoff oder Helium Anwendung finden, entsprechend dem Zweck, dem die Maschine dienen muß. Luft ist nur dann verwendbar, wenn die Temperatur, bei der die KüMmaschine eine Kälteleistung liefern muß, nicht zu niedrig ist, z. B. ίο —140⁰ C nicht unterschreitet. Muß mit einer KaItgasküJhlmasdhine eine Kälteleistung bei niedrigeren Temperaturen geliefert werden, so kann Wasserstoff oder Helium benutzt werden. In diesem Falle kann der Aufbau der Kühlmaschine derart sein, daß ζ. B. eine Temperatur von —200⁰ C erreicht wird. ' '■;. ^:-

Wie festgestellt wurde,- muß beim Kühler das Verhältnis zwischen der Länge und dem inneren hydraulischen Durchmesser der Kanäle innerhalb ao bestimmter Grenzen liegen. Wäre das Verhältnis kleiner als die nachstehend angegebenen Werte, so ergibt sich eine so geringe Kühlwirkung des Kühlers, daß' die Wärmeübertragung vom Arbeitsmittel in der Maschine auf die Wände der Kanäle unzureichend wird. Wird dagegen das Verhältnis vergrößert, so nehmen die Strömungsverluste dermaßen zu, daß die Wärmeübertragung allerdings , wesentlich verbessert, die spezifische Leistung der Maschine aber verringert ist.

Es wurde ferner festgestellt, daß die Grenzen von der Art des Gases abhängig sind, das in der Maschine einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft.

Nach der Erfindung gilt für die Gesamtlänge L der Kanäle im Kühler, daß L wenigstens 20 M⁰-¹⁹ d/, und höchstens 55 M°'¹⁹d_h beträgt, wobei M = aas Molekulargewicht des Gases in der Maschine, d_h =1 der innere hydraulische Durchmesser der Kanäle für das Gas im Kühler.

Der hydraulische Durchmesser ist ein Vierfaches des Quotienten der Oberfläche und des Umfanges des Durchgangs eines Kanals. Wenn der Kühler aus zwei oder mehreren hinitereinanderliegenden Teilen besteht, so ist L gleich dem Gesamtabstand zwischen der Eintrittsoberfläche eines Kühlers und der Austrittsoberfläche des anderen Kühlers.

Das Molekulargewicht ist naturgemäß für die

verschiedenen Gase verschieden. So beträgt das Molekulargewicht 2 für Wasserstoff und 4 für Helium, 'während für Luft ein Molekulargewicht von 29 angenommen werden kann.

Die oben angegebenen Grenzen gelten für verschiedenartige Kühler, z. B, für Rohrkühler, aber auch für Kühler mit Flügeln.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeich-' nung dargestellten Ausführungsbeispiels naher erläutert. . .

Fig. ι zeigt eine Kaltgaskühlmaschine der Verdrängerart, und

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Horizontalsdhnitt durch einen Teil eines Kühlers.

Die Kü'hlmaschine besitzt einen Zylinder 1, in

dem sich ein Verdränger 2 und ein. Kolben 3 mit nahezu konstantem Phasenunterschied auf und ab bewegen können. Der Verdränger beeinflußt dabei das Volumen eines Raumes 4, der über einen Gefrierer 5, einen Regenerator 6 und einen Kühler 7 mit einem Raum 8 in offener Verbindung steht. Der Raum 4 wird häufig als Gefrierraum und der Raum 8 als gekühlter Raum bezeichnet.

Der Verdränger ist mittels eines Triebstangen-Systems 9 mit einer Kurbel einer Kurbelwelle 10 gekuppelt, während der Kolben mittels eines Triebstangensystems 11 mit Kurbeln derselben Kurbelwelle 10'gekuppelt ist.

Die Kühlmaschine wird von einem Motor 12 angetrieben, so daß der Kolben und der Verdränger auf und ab bewegt werden, wobei im Raum 4 im wesentlichen eine Ausdehnung und im Raum 8 im wesentlichen eine Kompression auftritt. Ein zu kühlendes Gas, z. B. Luft, kann längs der Flügel auf der Außenseite des Gefrierers 5 geleitet werden, wobei das etwa entstandene Kondensat aus der Maschine abgeführt werden kann. Als Arbeitsmittel in der Maschine selbst kann z. B. Wasserstoff dienen. Der Kühler 7 ist als Flügelkühler ausgebildet. Das Kühlwasser wird über eine Leitung

13 dem Kühler zugeführt und über eine Leitung

14 vom Kühler abgeführt.

In der dargestellten Kühlmaschine wird Wasserstoff als Arbeitsmittel verwendet. Beträgt der hydraulische Durchmesser eines Kanals 0,1 cm, so folgt daraus, daß L wenigstens 20.2⁰·¹⁹ 0,1 cm = 2,3 cm und höchstens 55.2⁰·¹⁹ 0,1 cm = 6,3 cm sein muß..

Wird dagegen die Kühlmaschine mit Luft betrieben, so muß L zwischen anderen Grenzen liegen. In diesem Falle beträgt L wenigstens 20.2ο,⁰'¹⁹ ο,Ι cm = 3,8 cm und höchstens 55.29⁰^⁹ 0,1 cm = 10,45 cm.

Bemerkt wird, daß ein Kanal mit einem hydraulischen Durchmesser von 0,1 cm erzielt wird, wenn die Breite 15 = 62,5 Mikron und die Länge 16 =' 250 Mikron beträgt, wie bei einem Kanal nach Fig. 2. Bei dieser Ausführungsform, bei der eine größere Flügelzahl vorhanden ist, kann der Durchgang unbedenklich gleich einem Rechteck gesetzt werden.

Sollte aber die Flügelzahl oder der Krümmungsradius der Zylinderwand Mein sein, so wird vorzugsweise die Oberfläche und der Umfang des wirklichen Durchgangs berechnet.

Bei Rohren mit einem kreisförmigen Durchgang ist naturgemäß der hydraulische Durchmesser gleich dem wirklichen Durchmesser des Rohres.

Claims

PATENTANSPRUCH;

Heißgaskolbenmaschine mit einem Raum mit niedrigerer Temperatur und einem Raum mit höherer Temperatur, die über einen Erhitzer, einen Regenerator und einen' Kühler miteinander in offener Verbindung stehen, wobei die Volumen dieser Räume durch eine oder mehrere kolbenförmige Körper geändert werden können

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und in der Maschine ein Gas unveränderlicher chemischer Zusammensetzung einen geschlossenen thermodynamiischen Kreislauf durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gesamtlänge L der Kanäle im Kühler gilt, daß L wenigstens 20 M°-¹⁹d_h und höchstens
beträgt, wobei M = das Molekulargewicht des Gases in der Maschine, d_h = der hydraulische Durchmesser der Kanäle für das Gas im Kühler bedeutet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen