DE2530483B2 - Vorrichtung zur leistungsregelung einer heissgaskolbenmaschine durch veraendern der in einem arbeitsraum der maschine befindlichen arbeitsmittelmenge - Google Patents
Vorrichtung zur leistungsregelung einer heissgaskolbenmaschine durch veraendern der in einem arbeitsraum der maschine befindlichen arbeitsmittelmengeInfo
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- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/045—Controlling
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Description
Arbeitsmittel nicht mehr vom Arbeitsraum zum Hochdruckvorratsbehälter gepumpt werden kann.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Heißgaskol«
benmaschine einfacheren und billigeren Aufbaus zu schaffen, die unter Vermeidung der beschriebenen
Nachteile verschleißarm und zuverlässig arbeitet.
Die erfindungsgemäße Heißgaskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß im Vorratsbehälter eine in
bezug auf diesen Behälter bewegbare Zwischenwand angeordnet ist, die eine Arbeitsmittelkammer, an die die
erste und zweite Leitung angeschlossen sind, von einer Druckhaltekammer trennt, in der sich im Betrieb eine
azeotropische Mischung zum Aufrechterhalten eines wenigstens nahezu konstanten Arbeitsmitteldrucks in
der Arbeitsmittelkammer durch Verdampfung bzw. Kondensation dieser Mischung bei Verringerung bzw.
Vergrößerung der Arbeitsmittelmenge in der Arbeitsmittelkammer befindet.
Unter einer azeotropischen Mischung wird in der Technik eine Mischung zweier oder mehrerer Stoffe
verstanden, die einen konstanten Siedepunkt und daher einen konstanten Dampfdruck hat. Die Zusammensetzung
der Dampfphase einer derartigen Mischung ist dabei gleich der Zusammensetzung der Flüssigkeitsphase.
Auf diese Weise ist erreicht, daß das im Behälter gespeicherte Arbeitsmittel immer auf einem bestimmten
Konstantdruck gehalten wird, ungeachtet ob dem Behälter Arbeitsmittel zugeführt oder daraus abgezogen
wird. Arbeitsmittel wird also immer unter dem gewünschten Druck dem Arbeitsraum der Maschine
zugeführt. Ein Kompressor ist damit nicht mehr erforderlich.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung besteht die azeotropische
Mischung aus Methan und Butan.
Die azeotropische Mischung aus Methan und Butan besteht aus ungefähr 54 Mol-% Methan und ungefähr
46 Mol-% Butan und hat bei Raumtemperatur (etwa 21°C) einen Druck über 100 Atmosphären, wodurch sie
sich besonders für Heißgaskolbenmotoren und Wärmepumpen mit ihren meist hohen Arbeitsmitteldrücken
hervorragend eignet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß für eine Maschine zwei Vorratsbehälter ^5
für Arbeitsmittel mit höherem bzw. niedrigerem Druck vorgesehen sind, wobei im Betrieb in der Druckhaltekammer
des Vorratsbehälters mit höherem Druck eine azeotropische Mischung vorhanden ist, die bei Raumtemperatur
einen höheren Dampfdruck als die azeotropische Mischung hat, die sich in der Druckhaltekammer
des Vorratsbehälters mit niedrigerem Druck befindet, wobei ein oder mehrere Regelorgane zur selektiven
Verbindung der ersten und zweiten Leitung mit dem Vorratsbehälter mit höherem bzw. mit niedrigerem
Druck vorgesehen sind.
Auf diese Weise ist es möglich, den im Arbeitsraum der Maschine herrschenden Arbeitsmitteldruck und
damit die Leistung der Maschine in einem sehr weiten Bereich zu regeln. Dies ist namentlich bei als Kraftquelle
bei der Elektrizitätserzeugung (Generator) benutzten Heißgasmotoren wichtig, wobei wegen der konstanten
Motordrehzahl bei der Elektrizitätserzeugung die Motorleistung nicht durch Drehzahlvariation geändert
werden kann. f>5
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die bewegbare Zwischenwand aus einem Balgen besteht, der im zylinderformig ausgeführten
Vorratsbehälter in Richtung der Zylinderachse hin und her bewegbar ist, wobei die Behälterstirnwand, die
einen Teil der Begrenzung der Arbeitsmittelkammer bildet, eine an die erste und zweite Leitung angeschlossene
öffnung besitzt und an ihrer Innenseite mit einem Stützelement versehen ist, das die Bewegung des
Balgens in Richtung auf die öffnung begrenzt.
Bei einer übermäßigen Abfuhr von Arbeitsmittel aus der Arbeitsmittelkammer ist der baulich vorteilhafte
Balgen auf diese Weise vor Beschädigung geschützt.
Vorzugsweise ist das Stützelement als ein um die öffnung angeordneter Sitz ausgeführt, der mit dem
Balgen abdichtend zusammenarbeitet. Es kann dabei kann Arbeitsmittel mehr aus der Arbeitsmittelkammer
entweichen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Arbeitsmittel aus verhältnismäßig knappem Helium
besteht und beispielsweise Lecken der Leitungen auftritt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandteile des Vorratsbehälters, die einen Teil der Begrenzung der Druckhaltekammer
bilden, an ihrer Innenseite mit einer Kapillarstruktur versehen sind.
Die beispielsweise durch eine oder mehrere Gazeschichten oder durch Kapillarrillen in den Wandteilen
gebildete Kapillarstruktur sorgt dafür, daß sich die Flüssigkeit der azeotropischen Mischung durch Kapillarkräfte
gut über die Innenwände verteilt, wodurch eine große Verdampfungsoberfläche erhalten wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Druckhaltekammer mit einer Heiz- 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 Arbeitsmittelmenge in der ersten Kammer der
Gleichgewichtszustand zwischen der azeotropischen Mischung und dem Arbeitsmittel rascher erreicht wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen und nicht maßstabgerechten Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform der Leistungsregelvorrichtung eines Heißgaskolbenmotors
mit einem einzigen Vorratsbehälter für Arbeitsmittel,
F i g. 2 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Vorratsbehälters für Arbeitsmittel, in welchem
Behälter eine als Balgen ausgeführte Zwischenwand angeordnet ist,
F i g. 3 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform der Leistungsregelvorrichtung eines Heißgaskolbenmotors
mit zwei Vorratsbehältern für Arbeitsmittel mit höherem bzw. niedrigerem Druck.
In F i g. 1 ist mit der Bezugsziffer 20 ein Arbeitsraum eines Heißgaskolbenmotors bezeichnet, an den Leitungen
21 und 22 angeschlossen sind, die mit ihren anderen Enden mit einer öffnung 34 eines Vorratsbehälters 29
für Arbeitsmittel verbunden sind, wobei die öffnung 34 Zutritt zu einer Arbeitsmittelkammer 32 gibt, die durch
eine bewegbare Zwischenwand 31 von einer Druckhaltekammer 33 getrennt ist, in der sich die azeotropische
Mischung aus Methan und Butan befindet (etwa 54 Mol-% Methan und etwa 46 Mol-% Butan), die bei
Raumtemperatur (21°C) einen Druck von etwa 108 at besitzt.
In die Leitung 21 ist ein sich in Richtung auf den Vorratsbehälter 29 öffnendes Rückschlagventil 23 und
in Leitung 22 ein sich in Richtung auf den Arbeitsraum 20 öffnendes Rückschlagventil 24 aufgenommen.
Zwischen den Leitungen 21 und 22 ist eine Kurzschlußleitung 25 vorhanden, in die ein Absperrorgan
26 aufgenommen ist. Dies ermöglicht es, im Arbeitsmittel Druckphasendrehungen 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 40 betätigt.
Das Rückschlagventil 23 erlaubt Arbeitsmittelströmung aus dem Arbeitsraum 20, wenn der Druck im
Arbeitsraum größer ist als in der Leitung 21; das '5 Rückschlagventil 24 läßt Arbeitsmittel zum Arbeitsraum
20 passieren, wenn dort der Druck niedriger ist als in der Leitung 22.
Beim Betrieb herrscht in der Arbeitsmittelkammer 32 ein nahezu konstanter Druck, trotz Schwankungen in *o
der in dieser Kammer befindlichen Arbeitsmittelmenge. Gelangt Arbeitsmittel aus der Arbeitsmittelkammer 32
über die Öffnung 34 und die Leitung 22 zum Arbeitsraum 20 (Absperrventil 28 in offener Stellung),
wodurch der Druck in der Arbeitsmittelkammer 32 zum *5
Sinken neigt, sorgt der Druck der azeotropischen Mischung aus Methan und Butan in der Druckhaltekammer
33 dafür, daß sich die Zwischenwand 31 in Bewegung setzt und das Volumen der Arbeitsmittelkammer
32 verringert, so daß sich der Druck in der Arbeitsmittelkammer 32 behauptet. Gleichzeitig erfolgt
in der Druckhaltekammer 33 zusätzliche Verdampfung flüssiger azeotropischer Mischung, so daß der Druck
sich dort gleichfalls behauptet.
Gelangt Arbeitsmittel aus dem Arbeitsraum 20 über die Leitung 21 (Absperrorgan 27 offen) zur Arbeitsmittelkammer
32, wodurch der Kammerdruck zum Ansteigen neigt, drückt das Arbeitsmittel die Zwischenwand
31 in Richtung der Druckhaltekammer 33, deren Volumen also verringert wird. In der Druckhaltekammer
33 tritt jetzt Kondensation gasförmiger azeotropischer Mischung auf, bis sich der Nenndruck wiederhergestellt
hat.
Mit einem einzigen Vorratsbehälter läßt sich ein 2 :1-Druckverhältnis im Arbeitsraum des Motors
erreichen.
Der Vorratsbehälter 29 nach Fig.2 hat ein
zylinderförmiges Gehäuse 30, in dem die Zwischenwand 31 als Balgen ausgeführt ist.
Eine Gazeschicht 35 an der Innenwand des Gehäuses 30 in der Druckhaltekammer 33, die die azeotropische
Mischung enthält, sorgt durch Kapillarkräfte für eine gute Verteilung flüssiger Mischung auf die erwähnte
Innenwand, was bei Volumenvergrößerung der Druckhaltekammer 33 die Verdampfung fördert. Ein als Sitz
um die Öffnung 34 liegendes Stützelement 30a begrenzt die Bewegung des Balgens bei Volumenvergrößerung
der Druckhaltekammer 33. Bei der Berührung des Balgens mit dem Sitz wird die Öffnung 34 gesperrt, so
daß Arbeitsmittel nicht mehr aus der Arbeitsmittelkammer 32 entweichen kann.
Verdampfung kann weiter mittels eines elektrischen Heizelements 306 gefördert werden, aber dies ist nicht
unbedingt notwendig. Weiter läßt sich Kondensation mittels einer nicht dargestellten Kühlspirale fördern.
Für die Leistungsregelvorrichtung nach Fig.3 sind
für F i g. 1 entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern benutzt. Jedoch sind jetzt zwei Vorratsbehälter 41
und 42 der Art, wie in F i g. 2 dargestellt, vorgesehen, die je getrennt mit den Leitungen 21 und 22 über ein
umschaltbares Ventil 39 in Verbindung gebracht werden können. Der Behälter 41 dient zur Speicherung von
Arbeitsmittel mit höherem Druck und der Behälter 42 zur Speicherung von Arbeitsmittel mit niedrigem
Druck. Dazu sind in den zugeordneten Druckhaltekammern 43 und 44 unterschiedliche azeotropische Mischungen
mit einem höheren Dampfdruck bei Raumtemperatur der Mischung in der Druckhaltekammer 43
als der in der Druckhaltekammer 44 vorhanden.
Mit einem derartigen Aufbau kann im Arbeitsraum 20 ein größeres Druckverhältnis, z. B. 3 :1, erreicht werden
als bei nur einem Vorratsbehälter.
Bei Reduzierung der Motorleistung wird zunächst Arbeitsmittel mit höherem Druck über die Leitung 21
im Vorratsbehälter 41 gespeichert, anschließend wird über das Ventil 39 zum Vorratsbehälter 42 umgeschaltet
dem Arbeitsmittel mit niedrigerem Druck zugeführt wird
Bei Steigerung der Motorleistung gelangt zunächst Arbeitsmittel mit niedrigerem Druck aus dem Vorratsbehälter
42 über die Leitung 22 zum Arbeitsraum 20 anschließend wird durch Umschalten des Ventils 3i
Arbeitsmittel mit höhcrem Druck aus dem Vorratsbc hälter 41 über die Leitung 22 dem Arbeitsraum 2(
zugeführt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Leistungsregelung einer Heißgaskolbenmaschine durch Verändern der in
einem Arbeitsraum der Maschine befindlichen s Arbeitsmittelmenge, mit mindestens einem Vorratsbehälter
für Arbeitsmittel, der über eine erste Leitung an einen Auslaß des Arbeitsraums und über
eine zweite Leitung an einen Einig ß des Arbeitsraums angeschlossen ist, wobei ein oder mehrere
Regelorgane zum selektiven Absperren bzw. Freigeben der Leitungen vorgesehen sind, dadurch
gekennzeichnet, daß im Vorratsbehälter (29)
eine in bezug auf diesen Behälter bewegbare Zwischenwand (31) angeordnet ist, die eine Arbeitsmittelkammer
(32), an die die erste und zweite Leitung (21, 22) angeschlossen sind, von einer
Druckhaltekammer (33) trennt, in der sich im Betrieb eine azeotropische Mischung zum Aufrechterhalten
eines wenigstens nahezu konstanten Arbeitsmitteldrucks in der Arbeitsmittelkammer (32) durch
Verdampfung bzw. Kondensation dieser Mischung bei Verringerung bzw. Vergrößerung der Arbeitsmittelmenge
in der Arbeitsmittelkammer (32) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die azeotropische Mischung aus Methan und Butan besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Maschine zwei
Vorratsbehälter (41, 42) für Arbeitsmittel mit höherem bzw. niedrigerem Druck vorgesehen sind,
wobei im Betrieb in der Druckhaltekammer des Vorratsbehälter;; (41) mit höherem Druck eine
azeotropische Mischung vorhanden ist, die bei Raumtemperatur einen höheren Dampfdruck als die
azeotropische Mischung hat, die sich in der Druckhaltekamrifier des Vorratsbehälters (42) mit
niedrigerem Druck befindet, wobei ein oder mehrere Regelorgane (26i bis 28) zum selektiven Verbinden
der ersten und 2:weiten Leitung (21, 22) mit dem Vorratsbehälter (41 bzw. 42) mit höherem bzw.
niedrigerem Druck vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Zwischenwand
(31) aus einem Balgen besteht, der im zylinderförmig ausgeführten Vorratsbehälter (30) in Richtung der
Zylinderachse hsn und her bewegbar ist, wobei die Behälterstirnwand, die einen Teil der Begrenzung
der Arbeitsmittelkammer (32) bildet, eine an die erste und zweite Leitung angeschlossene öffnung
(34) besitzt und an der Innenseite mit einem Stützelement (3OaJ versehen ist, das die Bewegung
des Balgens in Richtung auf die öffnung begrenzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (3Oa^ als ein um die
öffnung (34) angeordneter Sitz ausgeführt ist, der mit dem Balgen abdichtend zusammenarbeitet.
6. Vorrichtuni; nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile des
Vorratsbehälter!» (30), die Teile der Begrenzung der Druckhaltekamrner (33) bilden, an ihren Innenseiten
mit einer Kapillar struktur (35) versehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckhaltekammer
(33) mit einer Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (30b) versehen ist.
Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Leistungsregelung einer Heißgaskolbenmaschine durch Verändern
der in einem Arbeitsraum befindlichen Arbeitsmitteimenge, mit mindestens einem Vorratsbehälter für
Arbeitsmittel, der über eine erste Leitung an einen Auslaß des Airbeitsraurns und über eine zweite Leitung
an einen Einlaß des Arbeitsraums angeschlossen ist, wobei ein oder mehrere Regelorgane zum selektiven
Abschließen bzw. Freigeben der Leitungen vorgesehen
sind.
Heißgaskolbenmaschinen der angedeuteten Art sind
Heißgaskolbenmaschinen der angedeuteten Art sind
aus der US-PS 33 72 539 bekannt.
Unter Heißgaskolbenmaschinen seien im Rahmen dieser Anmeldung Heißgaskolbenmotoren, Gaskältemaschinen
und Wärmepumpen verstanden. Im Arbeitsraum dieser Maschinen wird das Arbeitsmittel abwechselnd
verdichtet, wenn es sich im wesentlichen in einem Teilraum des Arbeitsraums, im Kompressionsraum,
befindet, danach über einen Regenerator nach einem Teilraum, dem Expansionsraum, befördert, anschließend,
wenn sich das Arbeitsmittel irn wesentlichen im Expansionsraum befindet, expandiert und schließlich
über den Regenerator zum Kompressionsraum zurücktransportiert, womit der Zyklus vollendet ist. Der
Kompression- und Expansionsraum besitzen dabei im Betrieb zueinander verschiedene mittleie Temperaturen.
Mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, kann die Leistung von Heißgaskolbenmaschinen durch
Änderung des mittleren Arbeitsmitteldruckpegels im Arbeitsraum variiert werden.
Bei den aus der US-PS 33 72 539 bekannten Heißgaskolbenmaschinen wird aus dem Arbeitsraum
über die erste Leitung Arbeitsmittel abgezogen und durch einen in diese Leitung aufgenommenen externen
Kompressor in den Vorratsbehälter hineingepreßt, der als Hochdruckbehälter ausgeführt ist. Arbeitsmittelspeisung
in den Arbeitsraum aus dem Hochdruckbehälter erfolgt über die zweite Leitung durch Öffnung eines in
diese Leitung aufgenommenen Absperrventils.
Statt einer externen Anordnung des Kompressors kann der Kompressor auch in der Maschine angeordnet
sein. Der interne Kompressor kann dabei in bekannter Weise einen integralen Teil der Maschine bilden.
Ein Nachteil dieser bekannten Maschinen ist, daß ein Kompressor mit großem Verdichtungsverhältnis zum
Hineinpressen von Arbeitsmittel unter hohem Druck in den Vorratsbehälter erforderlich ist.
Bei großen Druckverhältnissen treten hohe Verdichtungstemperaturen
des Arbeitsmittels auf. Dazu kommt noch, daß bei Heißgasmotoren das aus dem Arbeitsraum
vom Kompressor angesaugte Arbeitsmittel bereits eint; 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 Lebensdauer des Ein- und Austrittventils aus.
Außerdem bildet der Kompressor eine Quelle von Lärm und mechanischen Schwingungen.
Weiter kann, namentlich bei Heißgaskolbenmotoren für Traktionszwecke, unter Umständen der Fall
eintreten, daß der Motor aussetzt, beispielsweise bei plötzlichem Anhalten des Fahrzeugs, während ein hoher
Arbeitsmitteldruckpegel im Arbeitsraum des Motors herrscht. Der mit der Motorwelle gekuppelte Kompressor
stellt dadurch gleichfalls den Betrieb ein, so daß
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