DE1576895B - Heißgaskraftmaschine bzw Gaskaltema schine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskraftmaschine, bei der zwei untereinander in offener Verbindung stehende, zueinander phasenverschoben volumenveränderliche Arbeitskammern von Verdrängermaschinen eine insgesamt gleichbleibende Arbeitsmittelmenge enthalten, der Inhalt der einen, heißen Arbeitskammer durch einen als Heizer ausgebildeten Wärmetauscher auf einer höheren Temperatur, der Inhalt der anderen kalten Arbeitskammer durch einen als Kühler ausgebildeten Wärmetauscher auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird und in der offenen Verbindung zwischen der heißen und der kalten Arbeitskammer ein Regenerator angeordnet ist.

Eine derartige Heißgaskraftmaschine ist aus der deutschen Patentschrift 872 693 bekannt.

Derartige Maschinen sind als Hubkolbenmaschinen mit Kurbeltrieb oder Taumelscheibentrieb bekannt. Sie weisen den Nachteil auf, daß sie wegen der erforderlichen Voreilung der Bewegung der heißen Kolbenanordnung gegenüber der der kalten eine umfangreichere und aufwendigere Massenausgleichvorrichtung benötigen, als sie für Hubkolbenmaschinen ohnehin schon erforderlich ist. Eine Heißgas-Drehkolbenmaschine ist Gegenstand des deutschen Patents 1 264 866, bei der jedoch das Arbeitsmedium seinen Arbeitsraum nicht verläßt, so daß die den Arbeitsraum umschließenden Wandungen erheblichen Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heißgas-Kraftmaschine zu schaffen, bei der rotierende Bauteile mit möglichst gleichbleibender thermischer Belastung Verwendung finden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verdrängermaschinen als innenachsige Rotationskolbenmaschinen mit Schlupfeingriff und am Kolben angeordneten Radialdichtungen ausgebildet sind, der Kolbeninnenraum durch radiale Trennwände zwischen den achsnahen Zonen der Kolbenflanken und der Kolbennabe in Teilräume unterteilt sind, die Öffnungen in den Kolbenflanken und Wärmetauscher zum Heizen bzw. Kühlen des Arbeitsmittels aufweisen, die beiden Kolben durch ein Verbindungsteil drehsteif miteinander verbunden sind und das Verbindungsteil den Teilräumen der Kolben entsprechende Sektoren aufweist, wobei in jedem Sektor der Regenerator angeordnet ist.

Durch eine solche Ausbildung wird eine verhältnismäßig einfache Verwirklichung des Prinzips der Heißgasmaschine ermöglicht. Die Maschine hat einen hohen mechanischen Wirkungsgrad, der noch über den einer Rotationskolbenmaschine mit innerer Verbrennung hinausgeht, da die verwendeten Rotationskolbenanordnungen entweder heiß oder kalt sind, ein

wesentlicher Temperaturwechsel innerhalb der einzelnen Rotationskolbenanordnungen nicht stattfindet und damit ein die mechanischen Reibungsverluste erzeugendes Verziehen von Bauteilen ausgeschlossen ist. Gemäß einem weiteren Schritt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine zusätzliche Beheizung bzw. Kühlung des Mantels und der Seitenteile erfolgt.

Weiterhin empfiehlt es sich, daß die Öffnungen in den Kolbenflanken vor- bzw. nachversetzt sind. Dadurch ist die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Volumenänderungen in der heißen und kalten Anordnung jedenfalls zum größten Teil auf einfachste Weise erzielt. Da über den betreffenden Sektor jeweils einander gegenüberliegende Teilräume miteinander verbunden sind, jeder Teilraum der kalten Anordnung aber jeweils in eine Arbeitskammer mündet, die gegenüber der Arbeitskammer, in die der zugeordnete Teilraum der heißen Anordnung mündet, die nächstfolgende ist, beträgt die Voreilung der Volumenänderung in der heißen Anordnung infolge der vorgeschlagenen Maßnahme 180° Exzenterwinkel. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Maschinengehäuse deckungsgleich sind.

Zur Erzielung der günstigsten Phasenverschiebung zwischen der heißen und der kalten Anordnung wird außerdem vorgeschlagen, die Maschinengehäuse der beiden Rotationskolbenanordnungen und dementsprechend die beiden Kolben zueinander verdreht anzuordnen. Hierbei ist zu beachten, daß entsprechend der Getriebeübersetzung zwischen Exzenterwelle und Kolben die Verdrehwinkel von Kolben und Maschinengehäuse unterschiedlich zu bemessen sind. Die Verdrehung läßt sich ohne einen zusätzlichen Bauaufwand, also sehr wirtschaftlich erreichen.

Zweckmäßig ist das jeweils einander gegenüberliegende Arbeitskammern miteinander verbindende Verbindungsteil ringförmig ausgebildet und auf einem Teil seiner Länge zur Aufnahme der Regeneratoren scheibenförmig erweitert. Damit sind auch die Regeneratoren in die an der Drehbewegung teilnehmenden Massen einbezogen, für die wegen ihrer zur Exzenterwelle symmetrischen Lage sehr einfach ein vollständiger Massenausgleich erreicht werden kann.

Um die Wärmezufuhr zum bzw. die Wärmeabfuhr vom Arbeitsgas möglichst günstig zu gestalten, können die Wärmetauscher von einem Zwischenmedium je gleichbleibender Menge beaufschlagt werden, welches seinerseits im Wärmetausch mit dem Heiz- bzw. Kühlmedium steht.

Vorteilhaft sind die Flächen der Wärmetauscher derart schaufeiförmig ausgebildet, daß die Strömung des Zwischen- oder des Heiz- bzw. Kühlmediums durch die äußeren Flächen der Schaufeln begünstigt wird und das Arbeitsmittel durch den Innenraum der Schaufeln strömt.

Ebenso ist, wie bei der Heißgasmaschine bekannter Art, die Abwandlung zu einer Gaskältemaschine möglich.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Heißgaskraftmaschine mit kongruent zueinander liegenden Maschinengehäusen und Kolben der beiden Rotationskolbenmaschinen und

F i g. 2 nebeneinander die beiden in F i g. 1 hintereinanderliegenden Kolben je im Querschnitt.

In Fig. 3 bis 10 sind die verschiedenen Stellungen der beiden Kolben bei einer Kolbendrehung einer Heißgaskraftmaschine dargestellt, deren Maschinengehäuse und Kolben zueinander verdreht angeordnet sind.

Die Heißgaskraftmaschine nach F i g. 1 und 2 weist zwei Maschinengehäuse 1 und 2 von Rotationskolbenmaschinen mit Schlupfeingriff und gegen den Uhrzeigersinn umlaufende dreieckige Kolben 3 und 4

ίο auf. Die beiden Kolben 3 und 4 sind durch ein in drei Sektoren 5 unterteiltes Verbindungsteil fest miteinander verbunden und auf einer Exzenterwelle 6 gelagert. Das Innenvolumen der Kolben 3 und 4 ist durch Trennwände 7 in je drei Teilräume 8 und 9 unterteilt. In jedem Teilraum 8 und 9 ist ein Wärmetauscher 10,11 angeordnet, der in der heißen Anordnung 1, 3 als Heizer 10 und in der kalten Anordnung 2, 4 als Kühler 11 ausgebildet ist. Diese Teilräume 8 und 9 stehen über Öffnungen 12 und 13 in den Kolbenflanken mit den Arbeitskammern 14, IS einerseits und über die Sektoren 5 je paarweise miteinander in offener Verbindung. Die Sektoren 5 sind mitten zwischen den Kolben 3 und 4 erweitert und enthalten hier Regeneratoren 16, die beim Durchströmen des heißen Arbeitsmittels Wärme aufnehmen, speichern und beim anschließenden Durchströmen des nunmehr kalten Arbeitsmittels in umgekehrter Richtung die gespeicherte Wärme wieder an das Arbeitsmittel abgeben. Die vom Arbeitsmittel durchströmten Wärmetauscher 10 und 11 sind von einem Zwischenmedium beaufschlagt, das sowohl in der heißen als auch in der kalten Anordnung den Innenraum des Maschinengehäuses in einem jeweils geschlossenen Kreislauf 17 bzw. 18 umströmt. Die Strömung des Zwischenmediums wird durch die Bewegung der Kolben 3 und 4 in Verbindung mit einer schaufeiförmigen Ausbildung der Flächen der Wärmetauscher 10 und 11 erzeugt. Das Zwischenmedium der heißen Anordnung wird durch das Heizgasführungen 19 durchströmende, über Brenner 20 aufgeheizte Heizgas erwärmt. Vor Eintritt in die Brenner 20 wird die Verbrennungsluft durch Vorwärmleitungen 21 geführt. In der kalten Anordnung wird das Zwischenmedium durch das Kühlgas abgekühlt, das von einem Gebläse 22 gefördert Kühlgasführungen 23 durchströmt, welche ebenso wie die Heizgasführungen 19 so gestaltet sind, daß sie einen möglichst guten Wärmeübergang gewährleisten.
Im Gegensatz zu den in F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnungen sind in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 bis 10 Maschinengehäuse 1, 2 und Kolben 3, 4 gegeneinander verdreht. Die Teilräume 26 und 27 sind einander zugeordnet. Die Drehrichtung der Kolben 3, 4 verläuft gegen den Uhrzeigersinn. Aus der bei kongruenter Lage von Gehäuse und Kolben, aber in der heißen Anordnung vorn und in der kalten Anordnung rückwärts liegenden öffnungen in den Kolbenflanken auftretenden Phasenverschiebung und der durch die Verdrehung von Gehäuse 1, 2 und KoI-ben 3, 4 bedingten weiteren Phasenverschiebung ergibt sich die für das dargestellte Beispiel als günstig ermittelte Voreilung der Volumenänderungen in der heißen Anordnung gegenüber denen der kalten von 150° Exzenterwinkel. Hierbei war eine geringfügige Verlegung der Fußpunkte der radialen Trennwände 7 von der Mitte der Kolbenflanke nach rückwärts angebracht.

Bei den in F i g. 3 dargestellten Kolbenstellungen

hat die den Arbeitskammern 24 und 25, den entsprechenden Teilräumen 26 und 27 und ihrer Verbindung zugeordnete gesamte Arbeitsmittelmenge das größte Volumen. Unter dem Einfluß des Wärmeaustausches stellt sich jedoch der niedrigste Druck für die betrachtete Arbeitsmittelmenge erst bei den Stellungen gemäß F i g. 4 ein. F i g. 5 zeigt die Stellungen für das kleinste Volumen. Der höchste Druck stellt sich wiederum infolge des Wärmeaustausches erst gemäß F i g. 6 ein. Dann beginnt — immer für die hier betrachtete Arbeitsmittelmenge — die Entspannung. Das größte Volumen wird wiederum erreicht in den Kolbenstellungen nach F i g. 7, die also denen aus F i g. 3 entsprechen. Die zugehörigen Arbeitskammern liegen jedoch jetzt in der jeweils anderen Gehäusehälfte. Der weitere Verlauf der Volumenänderungen gemäß F i g. 8, 9 und 10 entspricht folgerichtig dem nach F i g. 4, 5 und 6. Während der Verdichtung zwischen den Zeitpunkten nach F i g. 4 und 6, die hauptsächlich in der kalten Anordnung stattfindet, wird im ersten Teil dieses Zeitraumes Arbeitsmittel von der heißen zur kalten Anordnung und im zweiten Teil von der kalten zur heißen Anordnung hinübergeschoben. Während der Entspannung zwischen den Zeitpunkten nach F i g. 6 und 8, die hauptsächlich in der heißen Anordnung stattfindet, wird im ersten Teil dieses Zeitraumes Arbeitsmittel von der kalten zur heißen Anordnung und im zweiten Teil von der heißen zur kalten Anordnung hinübergeschoben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Heißgas-Kraftmaschine, bei der zwei untereinander in offener Verbindung stehende, zueinander phasenverschoben volumenveränderliche Arbeitskammern von Verdrängermaschinen eine insgesamt gleichbleibende Arbeitsmittelmenge enthalten, der Inhalt der einen, heißen Arbeitskammer durch einen als Heizer ausgebildeten Wärmetauscher auf einer höheren Temperatur, der Inhalt der anderen kalten Arbeitskammer durch einen als Kühler ausgebildeten Wärmetauscher auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird und in der offenen Verbindung zwischen der heißen und der kalten Arbeitskammer ein Regenerator angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Verdrängermaschinen sind als innenachsige Rotationskolbenmaschinen mit Schlupfeingriff und am Kolben angeordneten Radialdichtungen ausgebildet;

b) der Kolbeninnenraum ist durch radiale Trennwände (7) zwischen den achsnahen Zonen der Kolbenflanken und der Kolbennabe in Teilräume (8, 9) unterteilt, die Öffnungen (12,13) in den Kolbenflanken und Wärmetauscher (10,11) zum Heizen bzw. Kühlen des Arbeitsmittels aufweisen;

c) die beiden Kolben (3, 4) sind durch ein Verbindungsteil drehsteif miteinander verbunden;

d) das Verbindungsteil weist den Teilräumen (8, 9) der Kolben (3, 4) entsprechende Sektoren (5) auf, wobei in jedem Sektor (5) der Regenerator (16) angeordnet ist.

2. Heißgas-Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Beheizung bzw. Kühlung des Mantels und der Seitenteile erfolgt.

3. Heißgas-Kraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (12,13) in den Kolbenflanken vor- bzw. nachversetzt sind.

4. Heißgas-Kraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der günstigsten Phasenverschiebung zwischen den Volumenänderungen der miteinander verbundenen Arbeitskammern die Maschinengehäuse (1, 2) und dementsprechend die beiden Kolben (3,4) zueinander verdreht angeordnet sind.

5. Heißgas-Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil ringförmig ausgebildet ist und sich auf einem Teil seiner Länge zur Aufnahme der Regeneratoren (16) scheibenförmig erweitert.

6. Heißgas-Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (10,11) von einem Zwischenmedium je gleichbleibender Menge beaufschlagt sind, welches seinerseits im Wärmetausch mit dem Heiz- bzw. Kühlmedium steht.

7. Heißgas-Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Wärmetauscher (10,11) derart schaufeiförmig ausgebildet sind, daß die Strömung des Zwischen- oder des Heiz- bzw. Kühlmediums durch die äußeren Flächen der Schaufeln begünstigt wird und das Arbeitsmittel durch den Innenraum der Schaufeln strömt.

8. Anwendung des Prinzips der Ausbildung einer Heißgas-Kraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7 auf Gaskältemaschinen.