DE2530483C3 - - Google Patents

Description

Arbeitsmittel nicht mehr vom Arbeitsraum zum Hochdruckvorratsbehälter gepumpt werden kann.

Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Heißgaskolbenmaschine 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 Druckhültekammer 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

Unier 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 besonder, 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 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. 6j

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorhaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Zwischenwand aus einem Balgen besteht, der im zyljnderförmig 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 Ausfül) ungsform der erfändungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet daß die Wandteile des Vorratsbehälters, die einen Teil der Begrenzung der Druckhaltekammer bilden, an ihrer Innenseite mit einer Kapillarstruktur versehen 3ind.

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 Miscfung 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,

Fig.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 Arbeitr.nittel mit höherem bzw. niedrigerem Druck.

In Fig. 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 gib., 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 (2PC) einen Druck von etwa 108 at besitzt.

In die Leitung 21 isl 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 KurzschluSleiiung 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. '° Ansperrorgane 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.

Hpim Rpfriph hprrsrhl in Hpr Arhpitsrnittpllcammpr 32

ein nahezu konstanter Druck, trotz Schwankungen in "> 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 Druckhaltekammcr 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 30b gefördert werden, aber dies ist nicht unbedingt notwendig. Weiter läßt sich Kondensation mittels einer nicht dargestellten Kühlspirale fördern.

Für Hip I .pistiingsregpl vorrichtung narh Fig 3 sinrl für F i g. I 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. D^rau sind in den zugeordneten Druckhaltekammern 43 und 44 unterschiedliche azeotropische Mischungen mit einem höheren Dampfdruck bei Raumtemperatur der Mischung in der Dmckhaltekammer 43 als der in der Dmckhaltekammer44 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 39 Arbeitsmittel mit höherem Druck aus dem Vorratsbehälter 41 über die Leitung 22 dem Arbeitsraum 20 zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche?

1. Vorrichtung zur Leistungsregelung einer Heißgaskolbenmaschine durch Verändern der in einem Arbeitsraum der Maschine befindlichen Arbeitsmittelmenge, mit mindestens einem Vorratsbehälter für Arbeitsmittel, der Ober eine erste Leitung an einen Auslaß des Arbeitsraums und über eine zweite Leitung an einen Einlaß des Arbeitsraums angeschlossen ist, wobei ein oder mehrere to 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 Beirieb in der Druckhaltekammer des Vorratsbehälters (41) 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 (42) mit niedrigerem Druck befindet, wobei ein oder mehrere Regelorgane (26 bis 28) zum selektiven Verbinden der ersten und zweiten 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 hin 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 (30a) versehen ist, das die Bewegung des Balgens in Richtung auf die Öffnung begrenzt

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (3OeJ als ein um die öffnung (34) angeordneter Sitz ausgeführt ist, der mit dem Balgen abdichtend zusammenarbeitet

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile des Vorratsbehälters (30), die Teile der Begrenzung der Druckhaltekammer (33) bilden, an ihren Innenseiten mit einer Kapillarstruktur (35) versehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckhaltekam- 6s mer (33) mit einer Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (3Oi^versehen ist.

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Leistungsregelung einer HeiHgaskolbenmaschine durch Verändern der in einem Arbeitsraum befindlichen Arbeitsmittelmenge, mit mindestens einem Vorratsbehälter für Arbeitsmittel, der über eine erste Leitung an einen Auslaß des Arbeitsraums 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 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 im wesentlichen im Expansionsraum befindet, expandiert und schließlich über den Regenerator zum Kompressionsraum zurücktransportiert, womit der Zyklus vollendet ist Der Kompressions- und Expansionsraum besitzen dabei im Betrieb zueinander verschiedene mittlere 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 Arbeitsrau π vom Kompressor angesaugte Arbeitsmittel 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 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