DE2530483A1 - Heissgaskolbenmaschine mit einer vorrichtung zum regeln der gewichtsmenge eines in einem arbeitsraum befindlichen arbeitsmediums - Google Patents

Description

PIlA. ^0519 ο DEEN/KVH. ·

26.6.1975.

A" · M V. Philip G'-^.-.c-uiiwiAfabriekeo 2530483

»•ο. PHA 20619
a^** *-.·» 8. Juli 1975

Heissgaskolbenmaschine mit. einer Vorrichtung ztun Regeln der Gewichtsmenge eines in einem Arbeit sra\:im befindlichen. Arbeitsmeditims

Die Erfindung betrifft eine Ilcissgaskolbeii«- mascMas iait einer Vorrichtung zurj Regeln der Gewichts— menge eines in einem Arb' '.tsrauiii befindlichen Arbeitsmediums, welche Vorrichtung mindestens einen Vorratsbehälter, für Arbeitsmedium enthält, der über eine erste Leitung au einen Auslass des Arbeitsrauines und über eine zrwoite Leitung an einen Einlass des Arbeitsrauines angeschlossen ist, wobei ein oder mehrere ßegelorgaii.e zum selektiven Abschliessen bzw. Freigeben dex* Leitungen vorgoiie.iiox). sind..

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Heissgaskolbonmaschinen der angedeuteten Art sind aus den USA-Patentschriften 3 372 539 und 3 546 877 bekannte

Unter Heissgaskolbenmaschinen seien im

Rahmen dieser Anmeldung: Haisscaskolbenmotoreri., Gaftkältemaschinen und Wärmepumpen verstanden, Im Arbeitsraum dieser Maschinen wird das Arbeitsmedium abwechselnd vordichtet, wenn es sich im wesentlichen in einem Teilraun des Arbeitsraumes, im Kompres«ionsraum, befindet, danach über einen Regenerator nach einem Teilraum, dem Expansionsrauffi, befördert, anr.chliessend, wenn sich das Arbeitsmedium im wesentlichen- im Expansionsraum befindet, expandiert und schliesslich über den Regenerator zum Korn— pressionsrauin zurücktransportiert, womit der Zyklus vollendet ist* Der !Compressions- und. Expansionsraum besitzen dabei im Betrieb zueinander verschiedene mittlere T e mp e r a t ur er. _t

Kit der Vorrichtung zura Regeln der Gewichtsmenge an. Arbeitsmedium im Arbeitsraum der IIeissga.i5ko3.benmaschine kann die Leistung dieser Maschinen durch Aουdei'ung dos mittleren Arbeit sraitteldruckiiogels im Arbeitsraum variiert werden.

Bei clQix aus den USA-Patentschrifton 3 372 und 3 5'ί6 S77 "^«'i-Jin-teii Iioissgaskolbenmaschinon wird aus dein Arbeitsraum über- die erste Leitung ArborLtsniediiun

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bezogen und durch einen in diese Leitung aufgenommenen externen Kompressor in den Vorratsbehälter hineingepresst, der als Hochdruckbehälter ausgeführt ist. Arbeitsmediumspeisung in den Arbeitsraum aus dem Hochdruckbehälter erfolgt über die zweite Leitung durch Oeffnung eines in diese Leitung aufgenommenen Absperrventils.

Statt einer externen Anordnung dos Kompressors kann der Kompressor auch in der Maschine angeordnet sein. Der interne Kompressor kann dabei einen integralen Teil der Maschine bilden^ wie aus der USA-Patentschrift 3 793 836 bekannt.

Ein Nachteil dieser bekannten Maschine ist, dass ein Kompressor mit grossem Verdichtungsverhältnis zum Hineinpressen von Arbeitsmedium unter hohem Druck in den Vorratsbehälter erforderlich ist.

Bei grossen Druckverhältnissen treten hohe Verdichtungstemperaturen des Arbeitsmediums auf₀ Dazu kommt noch, dass bei Heissgasmotoren das aus dein Arbeits~ raum vom Kompressor angesaugte Arbeitsmedium bereits eine ziemlich hohe Temperatur hat, was ebenfalls zu einer hohen Endverdichtungstemperatur beiträgt. Dies übt einen ungünstigen.-Einfluss auf die Lebensdauer des Kompressors, und namentlich auf die Lebensdauer der Abdichtungen, die meistens in Kunststoff ausgeführt sind, und auf die 1/oboxifHlf.aex' des Ein- und Austx*ittventils aus.

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Ausserdem bildet der Kompressor eine Quelle von Lärm und mechanischen Schwingungen,

Weiter kann, namentlich bei Ileissgaskolbenmotoren für Traktionszwecke, unter Umständen der Fall eintreten, dass der Motor ausisotztf beispielsweise bei plötzlichem Anhalten des Fahrzeugs, während, ein hoher Arbeitsmediumdruckpegel im Arbeitsraum des Motors herrscht. Der mit der Motorwelle gekuppelte Kompressor stellt dadurch gleichfalls den Betrieb ein, so dass Arbeitsmedium nicht mehr vom Arbeitsraum zum Hochdruckvorratsbehlilter gepumpt werden kann.

Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine

Heissgaskolbenmaschine einfacheren und billigeren Aufbaus zu .schaffen, bei der die beschriebenen Nachteile beseitigt sind.

Die erfindungsgemässe Heissgaskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass im Vorratsbehälter eine Iu. bezug auf diesen Behälter bewegbare Zwischenwand angeordnet ist, die eine erste Kammer für Arbeitsmedium, an die die erste und zweite Leitung angeschlossen sind, von einer zweiten Kammer trennt, in der sich, im Betrieb eine azeotropische Mischung zum Aufrechterhalten eines wenigstens nahezu konstanten Arbeitsinediumdruckes in der ersten Kammer durch Verdampfung und Kondensation dieser Mischung bzw, bei Verringerung und Vergi-össerung der

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Arbeit smediumgewichfcsmenge in der ersten Kammer befindet»

Unter einer azeotropischen Mischung: wird

in der Technik eine Mischung zweier oder mehrerer Stoffe verstanden, die einen konstanten Siedepirakt und daher einen konstanten Dampfdruck, hat. Die Zuiw.mjfiensotirtrng der Dampfphase einer derartigen Mischung· ist dabei gleich der Zusammensetzung dex⁷ Flüssigkeitsphase. Auf diese Weise ist erreicht, dass das im Behälter gespeicherte Arbeitsiuediiiin immer aiif einem bestimmte*?. Konstantdxmck gehalten vrird, tmgeachtet ob dem Behälter Arbeitsmedium zugeführt oder dara\is bezogen wird» Arbeitsmedium wird also immer ruater dein gewünschten Druck dein Arbeitcraura dei· Haschine zugeführt_c Ein Kompressor ist damit nicht mehr erforderlich»

Bei einer vorteilhaften Ausfülrrungsfgxüx der crfindxuigsgcmäsßen Heissgaykolbenmaschaixe besteht die r_tj3eotropische MiscJjung aus Methan u^v.id Butan*

Die asiootropische Mischung aus Methan und Butan besteht aus ungefähr $k MoI,^ Methan tuid ungefcihr h6 Mol.$ Butan \n\<± hat bei Raumteuperatur (ca₀ 21°C) einen Druck über 100 Atmosphäre, wodurch sie sich besonders für Hoissgaskolberi-jiotorevi und ¥ürmcjpuirjpeii mit ihren meist hohen Arbeit snediumdröcken hervorragend eigiif.t _t '

Eine weitere vox^teilhafte Ausführungsforn der er/.'induiigsgoi:.ässen Iieissgo skoIbenraasdiine ist

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dadurch gekennzeichnet, d£iss die Maschine mit zwei Vorrat sb ehält era. für Arbeitsmedium mit höherem bzif, niedrigerem Druck versehen ist, wobei im Betrieb in der zweiten Kammer des Behälters mit höheren Druck eine azeotropischo Mischung vorhanden ist_s die bei Räumtoinperaiur e:ijj.en höheren Dampfdruck als die azeo — troisische Mischung hat die sich in der zweiten Kömmer des Behälters mit niedrigerem Druck befindet, wobei ein oder mehrere, weitere Regelorgane zu:r selektiven Verbindung, dex* ersten und zweiten Leitung mit dem Behalten.' mit holi.crera bzw, mit niedrigerem Druck vorgesehen sind»

Auf diese Welse ist es möglich, den im Arbeitsraum der Maschine lierrschondc-ii Arbeitsmedium« druck'und damit die Leistr-iig der Maschine in einem sehr weiten Bereich zu regeln, Dies ist namentlich box als Kraftquelle bei der Klektx'iisitntsersseugvuTg (Generator) benutzten Heissgasmotoren wichtig, wobei wogen der konstanten Motordrehzahl bei dex·' Rlektrizitätsorzeag-ung die Motorleistung nicht dux'ch Dreh.siahlvaria.tion gehindert werden kann»

Eine weitere vorteilhafte AtTsfülirungBiorri der erf?Lndungsgc;.iäsf.;en Heis£;gaakolbejruna.sc3'iiHö l.st dadurcli gekeunisoiclmet _t dass die bewegbare Zwischenwand aus οίκο.:; \\ϊ, Ι&γϊα bestehtj. der-im zylinderf Mrraig

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führten Vorratsbehälter in Richtung der Zylinderachse hin und her bewegbar ist, wobei die Behältcrr,tirnwa.nd, die einen Teil der Begrenzung der ersten Kammer bildet, ein an die erste und zweite Leitung eingeschlossenes Tor besitzt und an ihrer Innenseite mit einem StütaelerKorü versehen ist, das die Bewegung des Balgens in Richtung auf dels Tor begrenzt.

Bei einer überraässigen Abfuhr¹ eines Arbeitsmediums aus der ersten Kammer ist der baulich vorteil« hafte Balgen auf diese Weise vor'Beschädigung geschützt.

Vorzugsweise ist das Stützelement als ein um das Tor angeordneter Sitz ausgeführt, der mit dem Balgen abdichtend zusammenarbeitete, Es kann dabei kein Arbeitsmedium mehr aus der ersten Kammer entweichen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Arbeitsmedium aus verhältiiismässig knappem Helium besteht und beispielsweise Lecken der Leitungen auftritt»

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen ,Heissgaskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandteile, die einen Teil der Begrenzung der zweiten Kammer bilden, an ihrer Innenseite mit einer Kapillarstruktur versehen sind .

■ Die beispielsweise durch eine oder mehrere Gazeschichten oder durch Kapillarrillcn in den Wandteilen

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gebildete Ifepil lax· struktur so3?gt dafür, dass sich die Flüssigkeit der azootropischon Mischung durch Kapillarkräfte gut über die Innenwiimde verteilt, wodurch eine grosse Verdampfungsoberfläche erhalten, wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindiuigsg omä ssen Heissgaskolbenmaschine ist die zweite Kammer mit einer Hei?;— und/oder Kühlvorrichtung versehen.

. · Durch Heizung und Kühlung der azeotropischen Mischung kann die Verdampfung bzw. die Kondensation beschleunigt werden, so dass bei einer Variation in der Arbeitsmodiummenge in der ersten Kammer der Gleichgewichts« zustand zwischen der azeotropischen Mischung und dem Arbeitsmedium rascher erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen und nicht masstabgerechten Zeichnung näher erläutert» Es zeigt

Fig. 1 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Leistungsregelsystems eines Heissgaskolbenmotors mit einem einzigen Vori-atsbehälter für Arbeitsmedium,

Figo 2 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Vorratsbehälter für Arbeitsmedium, in welchem Behälter eine als Balgen ausgeführte Zwischenwand angeordnet ist,

Fig· 3 in einem Längsschnitt eine Ausführungs~

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form des Leistungsregelsystems eines Helssgaskolbenmotors mit zwei Vorratsbehältern für Arbeitsmedium mit höherem bzw» niedrigez-em Druck,

In Pig* 1 ist mit der Bezugsziffer 20 ein Arbeitsraum eines Heissgaskolbonmotors bezeichnet _t an den Leitxingen 21 und 22 angeschlossen sind, die mit ihren anderen Enden mit einem Tor 3k eines Vorratsbehälters 29 für Arbeitsmediura verbunden sind, welches Tor 3^- Zutritt zu einer Kammer 32 gibt, die durch eine bewegbare Zwischenwand 31 von einer Kammer 33 getrennt ist, in der sich die azeotropische Mischung aus Methan und Butan befindet (ca, 54 Mol.$ Methan und ca, h6 MoI.°' Butan) _$ die bei Raumtemperatur (21°C) einen Druck von ca. 108 at, besitzt.

In die Leitung 21 ist ein sich in Richtung auf den Behälter 29 öffnendes Rückschlagventil 23 uad in Leitung 22 ein sich in Richtung auf den Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil 2k aufgenommen.

Zwischen den Leitungen 21 und 22 ist eine Kurzschlussleitung 25 vorhanden, in die' ein Absperrorgan 26 aufgenommen ist. Dies ermöglicht es, im Arbeitsmedium Druckpha.sendx'ehungen zu erzeugen, Weiter befindet sich in der Leitung 21 ein Absperrorgan 27 und in der Leitung 22 ein Absperrorgan 28, Absperrorgane 26» 27 und 28 werden von einem elektrischen Steuerorgan k0 betätigt.

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Das Rückschlagventil 23 erlaubt Arbeitsmediumströmung aus dom Arbeitsraum 20, wenn der Druck im Arbeite« raum grosser ist als in der Leitung 21; das Rückschlagventil Zh IJisst Arbeitsmedium zum Arbeitsraum 20 passieren, wenn dort der Druck niedriger ist als in der Loitvtng 22»

Beim ^etr-iob herx-ucht in der Kammer 32

ein nahezu konstanter Druck, trotz Schwankungen in der in dieser Kammer befindlichen Arbeitsniediiiügewiclrbsnienge. Gelcingt Arbeitsmedium aus der Kammer 32 über das Tor "}h und die Leitung 22 zum Arbeitsraum 20 (Absperrventil 28 in offener Stellung), wodurch, der Druck in der Kammer ziim Sinken neigt, sorgt der Druck der azeotropischen Mischung aus Methan und Butaxi in der Kammer 32 dafür, dass sich die Zwischenwand 31 in Bewegung setzt und das Vo3uu)cn der Kammer 32 verringert, so dass sich der Druck in der Kammer 32 behauptet* Gleichzeitig erfolgt in der Kammer 33 zusätzliche Verdampfung flüssiger ezeotropischer Mischung, so dass der Druck sich dort gleichfalls behauptet ♦

Gelangt Arbeitsmedium aus dem Arbeitsranm über die Leitung 21 (Absperrorgan 27 offen) zur Kammer 32, wodurch der Kammerdruck zum Ansteigen neigt, drückt das Arbeitsmedium die Zwischenwand 31 in Richtung der Kammer 33p deren Volumen also verringert wird. Zn. dor Kammer 33 tritt jetzt Kondensation gasförmiger azeotro-

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pischer Mi seining auf, -bis sich der Nenndruck wiederhergestellt hat.

Mit einem einzigen Vorratsbehälter lässt sich ein 2: i-DruclcvertUiltnis im Arbeitsi-aura des Motors erreichen»

Dor Vorratsbehälter" 29 nach Fig» 2 bat ein zylinderförmiges Gehäuse 30, in dem die Zwischenwand als Balgen ausgeführt ist»

Eine Gazeschicht 35 an der Innenwand des Gehäuses 30 in der Kammer 33» die die azeotropische Mischung ent heilt, sorgt durch Kapillarlcräf te für eine gute Verteilung flüssiger Mischung auf die erwähnte Innenwand, was bei Volumenvergi-össex-ung der Kammer 33 die Verdampfung fördert. Ein als Sitz um das Tor 3k liegendes Stützelement 30a begrenzt die Bev,^regung des Balgens bei YolumenvergrSsseriaig dex· Kaminer 33· Bei der Berührung des Balgens mit" dem Sitz wird das Tor 3¹I-gesperx-t so dass Arbeitsmedium nicht mehr atis der Kammer entweichen kann.

Verdampfung kann weiter mittels eines

e 1 elcfcx"isehen Heizelements 30b gefördert werden, abexdies ist nicht imbedingt, notwendig, ¥eiter lässt sich Kondensation mittels einer nicht dargestellten Kühlspirale fördern.

Für das Leistungsregelsystem nach Fig» 3

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sind für Fig. 1 entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern benutzt. Jedoch sind Jetzt zwei Vorratsbehälter 4i und 42 der Art, wie in Fig».2 dargestellt, . vorgesehen, die je getrennt mit den Leitungen 21 und 22 über ein umschaltbar es Ventil 39 -"»-π Verbindung gebracht werden könnenβ Der Behälter kl dient zur Speicherung von Arbeitsmedium mit höherem Druck und der Behälter 42 ztir Speicherung von Arbeitsmedium mit niedrigem Druck, Dazu sind in. den zugeordneten Kammern 43 und 44 unterschiedliche azeotropische Mischungen mit einem höheren Dampfdruck bei Räumt emporattix' der Mischung in der Kammer 43 als der in der Kammer 44 vorhanden.

Mit einem derartigen Aufbau kann im Arbeitsraum 20 ein grösseres Druckverhältnis, z.B₀ 3*1» erreicht wei-den als bei nur einem Vorratsbehälter,

Bei Reduzierung der Motorleistung wird

zunächst Arbeitsmedium mit höherem Druck übex' die Leitung. 21 im Vorratsbehälter 41 gespeichert, anscliliessend wird über das Ventil 39 zum Vorratsbehälter 42 umgeschaltet, dem Arbeitsmedium mit niedrigerem Druck zugeführt wird.

Bei Steigerung der Motorleistung gelangt zunächst Arbeitsmedium mit niedrigerem Druck aus dem Vorratsbehälter 42 über die Leitung 22 zum Arbeitsraum 20, anscliliessend wird durch Umschalten des Ventils 39 Arbeitsmedium mit höherem Druclc aus dem Vorratsbehälter 41 über die Leitung 22 dem Arbeitsraum 20 zugeführt,

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Claims (1)

1. PHA.. 2061 9. 26.6.75ο

   PATENTANSF RUBCHB ..

   / 1, J Heissgasko!honmaschine mit eines:·' Vorrichtung

   zum Regeln der Gowichtswenge eines in. einem Arbeitsraum der Maschine befindlichen Arbeit smodiums _t welche Vor« richtung mindestens einen Vorratsbehiilter· für Arbeitsmedium enthält, der über eine erste Leitung an einen Auslass des Arbeit.sraumes und über eine zweite Leitung an einen Einlass des Arboitsraumes angeschlossen ist, wobei ein oder mehrere Regelorgane zum selektiven Absperren bzw, Fx*oigeben der Leitungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorratsbehälter eine in beKUg auf diesen Behälter bewegbare Zwischenwand eingeordnet ist, die eine erste Kammer für Arbeitsmedium, an die die erste und zweite Leitung angeschlossen sind, von einer zweiten Kammer trennt, in der sich im Betrieb eine azeotropifche Mischung zum Aufrechterhalten eines wenigstens nahezu konstanten Arbeitsmediunidruckes in der ersten Kammer durch Verdampfung und Kondensation dieser Mischung bzw« bei Verringerung und VergriSsserung der Arbelt sib ediurageivichtsmenge in der ersten Kammer befindet, 2ο Haissgasko!honmaschine nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, dass-die azootropische Mischung aus Methan und Butan besteht.
   3« hoissgasko3borir.ia£ichi33o nach Anspruch 1 oder ? _f

   509887/0 349 _Qnmmi INSPECTED

   PHA_ö2O6l9o 26.6.75."

   dadurch gekennzeicfeet, dass die "Maschine mit zwei Vorrats» behaltern für Arbeitsmedium mit höherem bzw₀ ■ niedrigerem Druck versehen ist, wobei im Betrieb in der zweiten Kammer des Behälters mit lioJierera Drueic eine azeotropisclie Mischung vorhanden i^t, die bei Räumtemperatur einen höheren Dampfdruck als die azeotropisclie Mischung hat, die sich in der Bwejten Kammer des Behälters mit niedrigerem Di-uck befindet, v/obei ein oder¹ mehrere Regelorgane zum selektiven Verbinden der ersten und zweiten Leitung ijiit dem Behälter mit höherem bzw_e niedrigerem Druck vorgesehen sind ο

   4. Heissgaskolberuuaschine nach Ansprach 1,2

   oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbare Zwischenwand aus einem Balgen besteht, der im zylinder« förmig ausgeführten Vorratsbehälter in Richtung der Zylinderachse hin und her bewegbar ist, wobei die BehälterStirnwand_s die einen Teil der Begrenzung der ersten Kammer bildet, ein an die erste und zweite Leitung angeschlossenes Toi" besitzt und an der Innenseite mit einem Stütκelement versehen ist, das die Bewegung des Balgens in Richtung auf das Tor begrenzt« 5« Heissgnsko!honmaschine nach Anspruch k-₉

   dadurch ' golcennzeiclsnot, dass das Stützelement ajs ein um das Toi¹ angeordneter Sitz ausgeführt ist, dor mit c'ctu Balgen audi chtend zusamiüeiiarbcitet _e

   6098 87/0349 ORIGiNAL .NSPECTED

   PHA₀20619, 26.6

   ί ο. bo Yi)*

   2530Α83

   - 15 -

   6ο Heissgaslcolbenniaschine nach Anspruch 1, 2, 3,

   h oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwand— teile, die Teile der Begrenzung der zweiten. Kammer bilden, an ihren Innenseiten mit einer Kapillarstruktur versehen sind«

   7. Heissgaskolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3»

   h_t 5 oder 6» dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer mit einer Heiz- und/oder Kühlvorrichtung versehen

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