DE1264866B - Heissgas-Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

• Heißgas-Drehlcolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine innenachsige parallelachsige Heißgas-Drehkolbenmaschine, insbesondere einen Heißgasmotor, mit Kämmeingriff; bestehend aus innerem Drehkolben und ringförmigem äußerem Läufer (Ringläufer), wobei sich Drehkolben und Ringläufer mit unterschiedlichen Drehzahlen im festen Verhältnis n+1 c n, vorzugsweise 2 ; 1, gleichsinnig drehen, mit durch Drehkolben und Ringläufer begrenzten atmenden Räumen, mit einem ruhenden, den Ringläufer umschließenden Gehäuse, wobei vorzugsweise die Kontur des Drehkolbens eine einbogige Trochoide ist und der Ringläufer eine etwa 8-förmige Innenkontur entsprechend der zugehörigen Hüllfigur aufweist.
• Unter einer Heißgas-Drehkolbenmaschine soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht nur ein Heißgasmotor, sondern auch eiste Kältemaschine und eine Wärmepumpe verstanden werden, die nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeiten.
• Heißgas-Drehkolbenmaschinen, bei denen in einer Maschineneinheit ein geschlossener thermodynamischer Kreisprozeß verwirklicht wird, sind bisher nicht bekannt.
• Ähnliche Maschinen bestehen aus getrennten Kompressions- und Expansionssnaschinen, so daß das Arbeitsmittel zwischen den Maschineneinheiten hin-und herströmen muß mit aller Problematik, wie Festlegung der Steuerzeiten und Kleinhalten der Drosselverluste (britisches Patent 637 000).
• Eine scheinbare Heißgas=Drehkolbenmaschine ist eine Maschine mit einem üblichen ruhenden Zylinder und Kolben als »atmendem« Arbeitsraum, der mit einem Ringraum in Verbindung steht, in dem ein umlaufender Verdrängerkörper das Arbeitsmedium nacheinander in einen gekühlten und einen beheizten Bereich schiebt. Diese Maschine weist neben den Nachteilen der Hubkolbenmaschine mit unstetiger Bewegung besondere Nachteile bezüglich der Verbindung des Arbeitsraumes mit dem Ringraum auf (deutsches Patent 747 607). ' Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den atmenden Arbeitsräumen von außen Wärme zu- bzw. abzuführen, ohne daß das Arbeitsmedium seinen Arbeitsraum verläßt, so daß in einer Maschineneinheit ein geschlossener thermodynamischer Kreisprozeß verwirklicht werden kann.
• Diese Aufgabe Wird dadurch gelöst, daß der Ringläufer an seinem Umfang Öffnungen aufweist, die von der Innenwand des ruhenden Gehäuses abgedeckt werden, und daß die den Ringläufer umschließende Gehäuseinnenwand in an sich bekannter Weise an bestimmten Stellen gekühlt bzw. beheizt ist: Dabei kann es zur Vergrößerung der die Wärme übertragenden Innenfläche des Gehäuses erforderlich sein, daß die beheiztest oder gekühlten Stellen der den Ringläufer umschließenden Wand in an sich bekannter Weise verrippt ausgeführt sind.
• Eine Ausführung ohne verlorenen Totraüm im Be= reich der Rippen ergibt sich, wenn der Ringläufer an seinem äußeren Umfang und die ihn unischließende Wand auf ihrem dem Ringläufer zugewandten inneren Umfang mit umlaufenden Rippen versehen ist, die in an sich bekannter Weise jeweils auf Lücke stehen und kasnniartig die jeweiligen Lücken ausfüllen.
• Für Gestaltung und Fertigung kann sich ein Vorteil ergeben, wenn die beheizten und gekühlten Stellen der den Ringläufer umschließenden Wand als vorgefertigte Teile in das ruhende Gehäuse eingesetzt sind.
• Für den Betrieb einer Heißgas-Drehkolben= maschine ist es notwendig, in definierter Weise das Arbeitsmedium zu heizen und zu kühlen. Erfindungsgemäß geschieht dies durch Wärmeaustausch mit der Wand des ruhenden Gehäuses. Bei besonderen Uirigebungsbedingungen kann die Kühlung Schwierig= ketten machen. Nachdem im thermodynamischen Prozeß die Kühlung des Mediums einen Ersatz des heißen Mediums durch frisches kühles Mediürii gleichwertig ist, können für diesen Fall nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung zur Wärmeabfuhr im ruhenden Gehäuse Spülkanäle angeordnet werden, durch die in der Stellung des größten Volumens der Inhalt des Arbeitsraumes im Zweitnkt-Ladungsr wechsel ausgetauscht wird.
• Ausführungsbeispiele der. Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
• F i g. 1, 2 und 3 zeigen eine Heißgas-Drehkolbernmaschine in den drei Hauptschnitten. Hier hat der Kolben -1 die Kontur einer einbogigen Trochoide, der Ringläufer 2 als Innenkontur die- zur Trochoide. gehörige äußere Hüllfigur. Kolben 1 und Ringläufer 2 laufen gleichsinnig um mit dem Drehzahlverhältnis 2: 1. Von Kolben und Ringläufer werden zwei Räume begrenzt, die sich vergrößern und verkleinern. Die Räume werden in üblicher Weise abgedichtet, unter anderem durch Dichtleisten 3 mit Federn 9. Der Ringläufer 2 weist an seinem Umfang erfindungsgemäß Öffnungen 4 auf, die von der Innenwand des ruhenden Gehäuses 5 abgedeckt werden. In das ruhende Gehäuse 5 sind zwei verrippte Einsätze 6 mit der Dichtung 7 eingesetzt. Diese Einsätze werden von außen gekühlt bzw. beheizt dadurch, daß durch Kanäle 8 ein heizendes bzw. kühlendes Medium strömt. Die F i g. 1 bis 3 zeigen weiter die Stirndeckel 10 und 11 des ruhenden Gehäuses, die Seitenteile 12 am Ringläufer sowie die Seitenteile 13 des ruhenden Gehäuses, schließlich das Getriebe mit dem Kolbenzahnrad 14, dem Ringläuferzahnrad 15 und den Synchronisierzahnrädern 16.
• F i g. 4 und 5 zeigt eine Heißgas-Drehkolbenmaschine gleicher Bauart, nur weist hier der Ringläufer 17 am äußeren Umfang Rippen auf, die in Lücken von gleichfalls umlaufenden Rippen an dei Innenwand des ruhenden Gehäuses 18 eintauchen. Der Heiz- bzw. Kühlkanal ist zu Einzelkanälen 19 aufgelöst.
• In den F i g. 6 bis 9 ist die Arbeitsweise einer erfindungsgemäß ausgeführten Heißgas-Drehkolbenmaschine dargestellt. Die Figuren zeigen vier nacheinanderfolgende Stellungen von Kolben 1 und Ringläufer 2. Die beheizte Partie des ruhenden Gehäuses ist 20, die gekühlte 21. Die beiden Arbeitsräume sind 22 und 23. Man sieht, wie sich der in F i g. 6 sehr kleine Raum 22 vergrößert, dabei in Verbindung mit der beheizten Partie 20 steht und Wärme aufnehmen kann, während sich gleichzeitig der zu Anfang große Raum 23 verkleinert und an die gekühlte Partie 21 Wärme abgeben kann. In dieser Maschine ist also ein geschlossener Kreisprozeß ähnlich dem Carnot-Prozeß mit Wärmezufuhr bei Expansion und Wärmeabfuhr bei Kompression bzw. seine Umkehrungen möglich. Die F i g. 6 bis 8 verdeutlichen zugleich, daß der Anteil des Arbeitsvolumens am Bauvolumen außerordentlich groß ist und daß gleichfalls das Verdichtungsverhältnis sehr hohe Werte erreichen kann.
• In der F i g. 10 ist gezeigt, daß in analoger Weise auch Heißgas-Drehkolbenmaschinen mit mehrbogigen Trochoidenkolben und entsprechenden äußeren Hüllfiguren ausgeführt werden können. Hier ist die Bauart mit dreibogiger Trochoide dargestellt, die nun vier Dichtleisten 26 und vier Öffnungen 27 am Umfang des Ringläufers aufweist. Das ruhende Gehäuse 28 wurde hier mit radial verlaufenden Rippen 29 gezeigt, die von den Heiz- bzw. Kühlmedien 30 temperiert werden.
• F i g. 11 zeigt eine Heißgas-Drehkolbenmaschine, bei der erfindungsgemäß als Wärmeabfuhr die heiße Ladung in der Stellung des größten Volumens durch kalte Ladung ersetzt wird. Dazu sind die Spülkanäle 31 und 32 vorgesehen.
• Als Arbeitsmedium bei der Heißgas-Drehkolbenmaschine können die bekannten Gase eingesetzt werden (H" He, Luft), das Arbeitsmedium kann aber auch ein Naßdampf sein, so daß Verdampfungs- und Kondensationseffekte zur Verbesserung des Wärmeübergangs beitragen.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß diese Heißgas-Drehkolbenmaschine die Eigenschaften der Heißgasmaschine - als Motoi z. B. Kraftstoffunempfindlichkeit, kein Auspufflärm - mit den Vorteilen der Drehkolbenmaschine - stetige Bewegungen, keine freien Massenkräfte -vereint. Sie hat nur wenige Teile, eine große Leistungsdichte und ermöglicht ein hohes Verdichtungsverhältnis, das gerade für den Heißgasprozeß ohne Regenerator entscheidend ist. Das Problem der Abdichtung des Arbeitsmediums nach außen ist hier auf eine Wellenabdichtung beschränkt und wird sogar völlig vermieden, wenn z. B. ein angeschlossener Generator nach außen gekapselt in der gleichen Gasatmosphäre läuft.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Innenachsige parallelachsige Heißgas-Drehkolbenmaschine, insbesondere Heißgasmotor, mit Kämmeingriff, bestehend aus innerem Drehkolben und ringförmigem äußerem Läufer (Ringläufer), wobei sich Drehkolben und Ringläufer mit unterschiedlichen Drehzahlen im festen Verhältnis n+ 1 : n, vorzugsweise 2 : 1, gleichsinnig drehen, mit durch Drehkolben und Ringläufer begrenzten atmenden Räumen, mit einem ruhenden, den Ringläufer umschließenden Gehäuse, wobei vorzugsweise die Kontur des Drehkolbens eine einbogige Trochoide ist und der Ringläufer eine etwa 8-förmige Innenkontur entsprechend der zugehörigen Hüllfigur aufweist, dadurch gekennzeichn e t, daß der Ringläufer an seinem Umfang öffnungen aufweist, die von der Innenwand des ruhenden Gehäuses abgedeckt werden und daß die den Ringläufer umschließende Gehäuseinnenwand in an sich bekannter Weise an bestimmten Stellen gekühlt bzw. beheizt ist.
2. 2. Heißgas-Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beheizten oder gekühlten Stellen der den Ringläufer umschließenden Wand in an sich bekannter Weise verrippt ausgeführt sind.
3. 3. Heißgas-Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringläufer an seinem äußeren Umfang und die ihn umschließende Wand auf ihrem dem Ringläufer zugewandten inneren Umfang mit umlaufenden Rippen versehen ist, die in an sich bekannter Weise jeweils auf Lücke stehen und kammartig die jeweiligen Lücken ausfüllen.
4. 4. Heißgas-Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beheizten und gekühlten Stellen der den Ringläufer umschließenden Wand als vorgefertigte Teile in das ruhende Gehäuse eingesetzt sind.
5. 5. Heißgas-Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeabfuhr im ruhenden Gehäuse Spülkanäle angeordnet sind, durch die in der Stellung des größten Volumens der Inhalt des Arbeitsraumes im Zweitakt-Ladungswechsel ausgetauscht wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 747 607; britische Patentschrift Nr. 637 000; Buch von W an k el, Einteilung der Rotationskolbenmaschinen, Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart, 1963.