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Kühlmaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlmaschine
mit einem geschlossenen Kreislauf, welche als :\rbeitsmittel eine Gasmenge unveränderlicher
chemischer Zusammensetzung enthält.
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Kühlmaschinen mit einem geschlossenen Kreislauf, die als Arbeitsmittel
eine Gasmenge unveränderlicher chemischer Zusammensetzung enthalten, sind bekannt.
Zu diesen Kühlmaschinen gehören z. B. die nach dem umgekehrten Heißgasmotorpiinzip
wirkenden Kühlmaschinen. Diese Kühlmaschinen werden von einem getrennten Motor,
z. B. von einem Elektromotor oder Benzinmotor, angetrieben. Die für die Kühlmaschine
erforderliche Gesamtenergiemenge;welche aus thermodynamischer Energie und Reihungsenergie
besteht, wird daher als mechanische Energie zugeführt.
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Die Erfindung bezweckt, eine Kühlmaschine zu schaffen, bei der ein
größerer Teil der zum Antrieb der Maschine erforderlichen Energie als kalorische
Energie zugeführt werden kann, während die zugeführte mechanische Energie verhältnismäßig
gering ist. Die mechanische Energie wird nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen
dazu verwendet, die in der Maschine vorhandenen Verdränger hin und her zu bewegen.
Unter einem Verdränger wird hier ein kolbenförmiger Köiper verstanden, dessen beide
Endflächen einen Raum veränderlichen Volumens beeinflussen, wobei die Drucke in
den beiden Räumen in jedem Augenblick einander gleich sind.
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Dadurch, daß nach der Erfindung dieerforderliche Energie im wesentlichen
als kalorische Energie an Stelle von mechanischer Energie zugeführt wird, kann der
Wirkungsgrad der Kühlanlage beträchtlich
verbessert werden; denn
in diesem Fall ist es nicht erforderlich, daß, wie es bei Elektromotoren und Benzinmotoren
der Fall ist, die kalorische Energie vor der Lieferung zur Kühlmgschine in mechanische
Energie umgewandelt wird.
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Die Kühlmaschine nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß
sie mit zwei mit konstantem Phasenunterschied nahezu harmonisch beweglichen Verdrängern
versehen ist und @daß die eine Arbeitsoberfläche des einen Verdrängers das Volumen
eines warmen Raumes und dessen andere Arbeitsoberfläche das Volumen eines Raumes
auf Zwischentemperatur beeinflußt, während die eine Arbeitsoberfläche des anderen
Verdrängers gleichfalls das Volumen des Raumes auf Zwischentemperatur und seine
andere Oberfläche das Volumen eines Gefrierraumes beeinflußt, wobei die Volumenänderungen
des warmen Raumes gegenüber denen des Gefrierraumes voreilen. Ferner ist in jedem
Augenblick die Summe dieser Volumen nahezu konstant, und der warme Raum und der
Gefrierraum stehen je durch einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler mit
dem Raum von Zwischentemperatur in Verbindung, wobei das Produkt v # TL, der Kühlmaschine
zwischen o,5 und 2,5 liegt.
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Bei der Maschine nach der Erfindung ist die Temperatur des warmen
Raumes verhältnismäßig hoch, z. B. 9oo° Kelvin. Der Raum auf Zwischentemperatur
hat eine wesentlich niedrigere Temperatur, z. B. 325° Kelvin, und die Temperatur'
des Gefrierraumes ist noch niedriger, z. B. niedriger als 273° Kelvin.
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Unter einem Erhitzer muß hier ein Wärmeaustauscher verstanden werden,
mit dessen Hilfe kalorische Energie dem Arbeitsmittel in der Kühlinaschine zugeführt
wird. Infolge der Zuführung kalorischer Energie zum Erhitzer, der in der Nähe des
warmen Raumes liegt, wird letzterer Raum auf hoher Temperatur gehalten. In der Nähe
des Gefrierraumes liegt ein weiterer Wärmeaustauscher, mit dessen Hilfe kalorische
Energie bei verhältnismäßig niedriger Temperatur dem Arbeitsmittel in der Kühlmaschine
zugeführt wird. Letzterer Erhitzer wird nachstehend als Gefrieren bezeichnet.
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Unter einem Kühler wird ein Wärmeaustauscher verstanden, mit dessen
Hilfe kalorische Energie ckm Arbeitsmittel entzogen wird.
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Das Verhältnis zwischen den Höchstvolumen des Gefrierraumes und des
warmen Raumes wird im vorliegenden Fall mit dem Faktor v angedeutet. Die Absoluttemperatur
des Raumes auf Zwischentemperatur wird mit Tk und die Absoluttemperatur des Gefrierraumes
mit T,, angedeutet.
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Man hat festgestellt, daß, wenn das Produkt v . Tro zwischen
0,5. und 2,5 liegt, die Kühlmaschine nach der Erfindung gute Resultate ergibt.
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Die Kühlmaschine nach der Erfindung kann durch einen verhältnismäßig
kleinen Motor angetrieben werden, der im wesentlichen nur diejenige Energie zu liefern
braucht, die zur Überwindung der Reizung der Verdrängen bei ihrer hin und her gehenden
Bewegung erforderlich ist. Diese EnergiernengeIst verhältnismäßig gering, da die
beiden Verdrängen je die Volumen zweier Räume beeinflussen, die ständig miteinander
in offener Verbindung stehen.
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Nach einer günstigen Ausführungsform der Erfindung wirken die beiden
Verdrängen auf einer gemeinsamen Kurbelwelle, wobei ihre Mittellinien einen Winkel
von der Größenordnung von 9o0 einsohließ4en und die der Kurbelwelle zugekehrten
Räume gemeinsam als ein Raum von sind. Bei dieser Ausführun'g@-form der Erfindung
ist es möglich, die schädlichen Räume klein zu halten, und die Kühlmaschine kann
auch gut ausbalanciert werden. Ferner ist der Abstand zwischen dem warmen Raum und
dem Gefrierraum groß.
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In den Zeichnungen sind einige Diagramme und einige Ausferungsformen
der Kühlmaschine nach der Erfindung schematisch dargestellt.
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Fig. i bis 5 zeigen einige Diagramme der Kühlmaschine nach Fig. 7,
und in Fig.6 ist eine weitere Ausführungsform einer Kühlmaschine nach der Erfindung
dargestellt.
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Die Bewegungen des \erdrängers in der Kühlmaschine nach der Erfindung
sind harmonisch, so daß die gegen die Grade des Kurbelwinkels abgetragenen Verdrängerlagen
im Fall einer unendlichen Treibstangenlänge eine Sinu,slinie bilden.
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In Fig. i ist auf der Abszissenachse der Kurbelwinkel in Grad und
auf der Ordinatenachse das Volumen der Räume und der Druck des Arbeitsmittels abgetragen.
In dieser Figur sind die aufein= andenfolgenden Verdrängerlagen mit sinusförmigen
gestrichelten Linien angedeutet. Die gestrichelte Linie i .deutet die Lagen des
Verdrängers an, der das Volumen des warmen Raumes beeinflußt, währen die gestrichelte
Linie 2 die Lagen des Verdrängers andeutet, der das Volumen des Gefrierraumes heeinflußt.
Zur Vereinfachung sind in Fg. i die Sinuslinien durch gebrochene gerade Liniert
ersetzt, und gleichzeitig ist angenommen, daß der schädliche Raum in der Maschine
gleich Null ist. Die schraffierte Oberfläche I gibt das Volumen des Gefrierraumes,
die Oberflächen II geben das Volumen des warmen Raumes und die Oberfläche III gibt
das Volumen des Raumes auf Zwischentemperatur an. In Fig. i ist auch der Druckverlauf
des Arbeitsmittels stark vereinfacht dargestellt. Der Druck ist bei einem Kurbelwinkel
von o° = 36o° ein Maximum und bei i8o° ein Minimum.
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In Fig. 2 sind in einem gemeinsamen Zylinder bei Kurbelwinkeln, die
jeweils um 9o° von dein vorhergehenden abweichen, die gegenseitigen Lagen der beiden
Verdrängen dargestellt. Diese Lagen entsprechen den Punkten A, B, C und
D in Fig_ i. Wie 'aus dieser Figur ersichtlich ist, tritt bei der-Bewegung
der Verdrängen von der Lage a zur Lage b und von der Lage b zur Lage c eine Ausdehnung
und bei der Bewegung der Verdrängen von der Lage c zur Lage d und von der
Lage d zur Lage a eine Kompression auf.
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In den Fig. 3, 4 und 5 sind die p7"-Diagramme des Gefrierraumes, des
warmen Raumes und des Rauirres
auf Zwisclienteniperattir schematisch
dargestellt. In die#en Diagrammen ist als Abszisse das Volumen der Räume und als
Ordinate der Druck in diesen Rätiinetr abgetragen. Das Höchstvolumen des `Raumes
von Zwischentemperatur ist gleich der Summe der Volumen des warmen Raumes und des
Gefrierraumes, so (laß die Basis des Diagramms von Fig. 5 auch gleich der Summe
derjenigen von Fig. 3 und 4 ist.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß hei der Maschine nach dieser Figur,
welche die in Fig. 7 dargestellte Kiililmaschine ist, das Verhältnis z, zwischen
dem Höchstvolumen des Gefrierraumes und dem des warmen lZaumes gleich 1,2 ist. Ferner
ist bei dieser Maschine die Temperatur des warmen Raumes gio° Kelvin, die des Raumes
auf Zwischentemperatur 325' Kelvin und die des Gefrierraumes 23o° Kelvin.
I )as Produkt
Diese Kühlmaschine hat eine nützliche Kühlleistung von rooo Watt; als kalorische
Energie werden 2000 Watt und als mechanische Energie nur lioo Watt zugeführt.
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1)ie hier dargestellten Diagramme sind theoretisch, und die 1)iagramine,
wie sie dem wirklichen `'organg in der Maschine entsprechen, werden eine etwas abweichende
Form haben. So wird z. B. der sititisförinigeVerlauf der Bewegung der Verdränger
<las Diagramm beeinflussen. Auch wird der Druckverlauf etwas von dem in Fig.
i dargestellten Druckverlauf abweichen.
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In Fig.6 ist eine Ausführungsform der Kühlmaschine iiacli der Erfindung
dargestellt. In den Zylindern io und « bewegen sich die Verdränger 12 und
13 auf und ab. Der Verdränger 12 ist mit einer Kappe 12a versehen, um den
Wärmeverlust von dem %\,armen Raum zti dein Raum auf Zwischentemperatur herabzusetzen
und um die Lauffläche des Verdrängers 12 kühl zu halten. Der Raum oberhalb des \7erdrängers
12 ist der warme Raum 14, der mittels eines Röhrenerhitzers t 5, eines Regenerators
16 und eitles Kühlers 17 init dem Raum 18 in offener Verhindung steht. 1)er
Raum 18 steht seinerseits durch den Kanal rc mit dem Raum 20 in offener Verbindung.
Die Räume 18, ig und 2o bilden gemeinsam den Ratim von Zwischentemperatur. Der Raum
20 ist über den Kühler 21, den Regenerator 22 und den Gefrierer 23 mit dem
Gefrierraum 24 verbunden. Der Gefrierraum 24 und der Gefrierer 23 befinden sich
in dem zu kühlenden Raum 25.
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Denn warmen Ratim 14 wird mittels des Brenners 26 kalorische 1?irergie
zugeführt. Die Verbrennungsgase verlassen Gien Erhitzer bei 27. Die Verbrennungsluft
für den Brenner 26 kann durch diese Gase in einer nicht dargestellten Vorrichtung
vorerhitzt werden. 1)ie Verdränger 12 und 13 sind durch einen Treibstangeninechanismus
mit der Kurbelwelle 30 verbunden und bewegen sich mit einem 1'liasenunti#rschied
von 12o°, wobei die Volumen:indertingen des warmen Raumes 14 gegenüber denen des
Gefrierraumes 24 in der .Phase voreilen. Die Bewegung der Verdränger wird mittels
des Elektromotors 29 erzeugt, der im wesentlichen nur die Energie zu liefern braucht,
welche zur Hinundherbewegung der Verdränger erforderlich ist. Diese Energiemenge
ist verhältnismäßig gering, weil jeder der beiden Verdränger in jedem Augenblick
beiderseitig praktisch gleichem Druck unterworfen ist. Bei dieser Maschine beträgt
die Temperatur des warmen Raumes T" = 9oo° Kelvin, die Temperatur des Raumes
von Zwischentemperatur Tk = 3oo° Kelvin und die Temperatur des Gefrierraumes T,.
= 28o° Kelvin. Das Verhältnis zwischen dem Höchstvolumen des Gefrierraumes gegenüber
dem warmen Raum, nämlich der Faktor v, ist gleich 1,6. Bei dieser Maschine
ist daher das Produkt
Die Maschine nach diesem Ausführungsbeispiel kann bei sogenannten Klimaanlagen verwendet
werden.
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Durch eine andere Wahl der Abmessungen der Maschine können aber auch
Kühlmaschinen gebaut werden, welche in einer Stufe bis i5o° Kelvin oder niedriger
kühlen.
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Die Kühlmaschine nach Fig.7 kühlt bei 25o° Kelvin. Diese Maschine
ist grundsätzlich nach den Daten der Diagramme in den Fig. i bis 5 gebaut.
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Diese Kühlmaschine ist mit zwei Verdrängern 31 und 32 versehen, deren
Mittellinien einen Winkel von 9o° einschließen. Die Verdränger sind durch die Stangen
33 und- 34 mit der gemeinsamen Kurbel 35 auf der Kurbelwelle 36 verbunden. Die Verdränger
31 und 32 wirken in den Zylindern 37 und 38. Der Raum 39 oberhalb des mit einer
Kappe versehenen Verdrängers 31 ist der warme Raum der Kühlmaschine, und dieser
warme Raum steht über den Röhrenerhitzer 4o, den Regenerator 41 und den Kühler 42
mnit dem Raum 43 unterhalb des Verdrätigers in offener Verbindung. Der Raum 43 steht
über einen Kanal 44 mit dem Raum 45 an der linken Seite des Verdrängers 32 in. offener
Verbindung. Der Raum 43, der Kanal 44 und der Raum 45 bilden zusammen den Raum auf
Zwischentemperatur. Infolge der Anordnung der Verdränger unter 9o° kann der Verbindungskanal
44 geringes Volumen aufweisen, so daß der schädliche Raum der Kühlmaschinen gleichfalls
klein ist. Außerdem ist infolge dieser Anordnung der Abstand zwischen dem warmen
und dem Gefrierraum groß. Der Raum 45 steht seinerseits über den Kühler 46, den
Regenerator 47 und den Gefrierei 48 mit dein Gefrierraum 49 in offener Verbindung.
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Dem «-armen Raum wird mit Hilfe des Brenners 5o kalorische Energie
zugeführt, so daß dieser Raum immer auf hohe Temperatur, z. B. 8io° Kelvin, gehalten
wird. Die Verbrennungsgase verlassen den Erhitzer bei 51. Der Gefrierraum 49 mit
dem Gefrierei 48 befinden sich in einem Raum 53, der auf niedriger Temperatur gehalten
werden muß. Die Kühlmaschine wird von einem nicht dargestellten Antriebsmechanismus
angetrieben, in der Weise, daß der warme Raum 39 gegenüber dem Gefrierra-um 49 in
der Phase voreilt. Auch sind die Verhältnisse zwischen den Höchstvolumen des warmen
Raumes und des kalten Raumes und das Verhältnis
zwischen den Temperaturen
des warmen Raumes und des Gefrierraumes derart gewählt, da.ß das Produkt
zwischen o,5 und 2,5 liegt.
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Bei dieser Maschine ist, wie es in den Fig. i bis 5 bereits dargestellt
ist, die Temperatur dies Gefrierraumes 25o° Kelvin und dieTemperatur des Raumes
auf Zwischentemperatur 325° Kelvin.
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Der Faktor v ist gleich 1,2, so daß das Produkt
ist. Die Kühlmaschine nach dieser Figur bietet den Vorteil, daß sie sich leicht
ausbalancieren läßt. Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, ist der Wert des Faktors
v von größter Bedeutung; die Größe dieses Faktors kann durch die Größe des Hubs
oder durch die Größe des Durchmessers oder Verdränger beeinflußt werden. Der Wirkungsgrad
dieser Maschine kann noch wesentlich dadurch erhöht werden, daß als Arbeitsmittel
an Stelle von Luft z. B. Wasserstoff oder Helium gewählt wird. In diesem Fall kommen
die oben angegebenen Werte für die erforderliche mechanische und kalorische Energie
zur Erhaltung einer bestimmten Kühlleistung und bei denen als Arbeitsmittel mit
Luft gerechnet wurde, noch wesentlich günstiger zu liegen.