DE2156668A1

DE2156668A1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE2156668A1
Application number: DE19712156668
Authority: DE
Inventors: Alexander James Ashtead Surrey Lobb (Großbritannien)
Original assignee: British Oxigen Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1970-11-18
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1972-05-25
Also published as: FR2115217B1; US3733837A; NL7115883A; FR2115217A1; CH548535A

Description

PATH NTAITWAI/T

. ING. B.

R9 AUGSBUKG

K.395

Augsburg, den 12. November 1971

The British Oxygen Company Limited, Hammersmith House,

London ¥6 9DX, England

Kolbenmaschine

Die Erfindung betrifft Kolbenmaschinen mit einem Zylinder und einem innerhalb desselben hin- und herbewegbar angeordneten Verdränger.

Die Erfindung geht dabei insbesondere von thermodynamischen Kolbenmaschinen aus, bei welchen der Verdränger innerhalb des Zylinders derart angeordnet ist, daß eine

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Expansionskammer gebildet istoDer Verdränger wird dabei innerhalb des Zylinders durch einen sich ändernden Druckunterschied zwischen dem auf den Verdränger durch in die Expansionskammer eingeleitetes Gas ausgeübten Druck und einer diesem entgegenwirkenden Kraft hin- und herbewegt. Eine Kühlung kann dadurch erzielt werden, daß das Gas in der Expansionskammer gegen den Verdränger arbeitet. Obwohl die Kolbenmaschine im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als Kühlmaschine beschrieben wird, ist es ebensogut möglich, sie als Heißgasmaschine zu verwenden.

Bekannte Kolbenmaschinen der obengenannten Art weisen häufig ein kompliziertes mechanisches Ventilsystem für das Einleiten und Auslassen von Gas aus der Expansionskammer auf. Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Kolbenmaschine derart auszulegen, daß sie W ein möglichst einfaches Ventilsystem aufweist.

Diese Aufgabe wird bei Kolbenmaschinen mit einem Zylinder und einem innerhalb desselben hin- und herbewegbar angeordneten Verdränger durch einen in der Zylinderwandung' angebrachten Gaseinlaß, ferner durch einen ebenfalls in der Zylinderwandung angebrachten Gasauslaß, weiter durch ein oder mehrere zwischen der

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Zylinderwandung und dem Verdränger angeordnete und durch den Verdränger im Sinne einer öffnung oder Schließung des genannten Gaseinlasses oder des genannten Gasauslasses betätigte Ventilteile,fernerhin durch eine zwischen einem Ende des Verdrängers und dem Zylinder gebildete Expansionskammer, welche Gas von dem Gaseinlaß aufnimmt und über den Gasauslaß abgibt, und schließlich durch einen Regenerator zum Austauschen von Wärme zwischen in die Expansionskammer eintretendem und dieselbe verlassendem Gas gelöst, wobei der Verdränger durch einen sich ändernden Differentialdruck zwischen dem Gas in der Expansionskammer und einem Rückstelldruck angetrieben wird.

Die Expansion des Gases kann in der Expansionskammer erfolgen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Kolbenmaschine nach der Erfindung derart ausgelegt sein, daß das Gas beim Austreten aus der Expansionskammer entspannt wird.

Der Rückstelldruck kann beispielsweise durch eine Feder, eine hydraulische Flüssigkeit oder durch eine über eine mechanische Anordnung übertragene Kraft ausgeübt werden.

Vorzugsweise wird der Rückstelldruck durch ein Gas in

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einer Antriebskammer ausgeübt, welche durch den Raum zwischen den Enden des Verdrängers und des Zylinders auf der den die Expansionskammer bildenden Enden derselben gegenüberliegenden Seite gebildet ist. Bei Bedarf kann zu der Antriebskammer zusätzlich der Innenraum einer gesonderten Kammer gehören, xtfeiche mit dem innerhalb des Zylinders gelegenen Teil der Antriebskammer in r Verbindung steht.

Wenn der Rückstelldruck von einem Gas erzeugt wird, so ist dasjenige Ende des Verdrängers, auf welches der Druck ausgeübt wird, ein Kolben, der das Antriebsgas verdichtet, wenn sich der Verdränger in einer das Volumen der Expansionskammer vergrößernden Richtung bewegt. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird solch ein kombinierter Verdränger-Kolben einfach als "Verdränger" bezeichnet.

Der Druck in der Antriebskammer wird innerhalb bestimmter Grenzen derart aufrechterhalten, daß die hin- und hergehende Bewegung des Verdrängers erleichtert wird. Das läßt sich beispielsweise durch Einleiten von Druckgas in die Antriebskammer und durch Vorsehen eines mit der Antriebskammer in Verbindung stehenden Überdruckventils erreichen, welches Gas bei einem Druck zwischen

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den Maximal- und Minimaldrücken ausläßt, die in der 'Expansionskammer durch den hin- und hergehenden Verdränger erzeugt werden. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß eine beträchtliche Menge von Druckgas beim Betrieb der Maschine vergeudet wird.

Der Gasverbrauch der Maschine läßt sich dadurch verringern, daß die Antriebskammer in zwei über eine Engstelle miteinander in Verbindung stehende Teilkammern unterteilt wird, wobei die eine Teilkammer teilweise durch das benachbarte Ende des Verdrängers begrenzt ist. Vorzugsweise weist eine derartige Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ein zwischen den beiden Teilkammern angeordnetes Einwegventil auf. Die weitere Kammer hat dabei die Aufgabe, als Reservoir für die eine Kammer zu dienen.

Günstigerweise wird die Antriebskammer entweder durch eine innerhalb des Zylinders angeordnete Platte oder durch das Ende des Zylinders selbst in die Teilkammern unterteilt.

Vorzugsweise gestattet das Einwegventil nur eine Gasströmung aus der einen Teilkammer in die weitere Teilkammer, während die Engstelle den Gasstrom in der entgegengesetzten Richtung steuert, wenn das Einwegventil

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geschlossen Ist. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Verdränger im Sinne einer Verringerung des Volumens der Expansionskammer bewegt, verringert unddamit die nachteilige Verdichtung des in der Expansionskammer befindlichen Gases auf ein Minimum reduziert werden kann. Gute Resultate können jedoch auch dann erzielt werden, wenn das Einwegventil nur eine Gasströmung in der entgegengesetzten Richtung gestattet.

Vorzugsweise wird eine der Teilkammern der Antriebskammer mit einer geringen Menge von Druckgas versorgt, um das aus der Antriebskammer austretende Leckgas zu kompensieren.

Das Volumen der weiteren Teilkammer ist vorzugsweise ψ mindestens doppelt so groß wie das Volumen der einen Teilkammer. Dadurch werden zu große Druckschwankungen in der weiteren Kammer vermieden und es wird innerhalb der einen Teilkammer ein im wesentlichen konstanter Druck aufrechterhalten, wenn deren Volumen vergrößert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung sind zwischen dem Verdränger und der Innenfläche der Zylinderwandung zwei Dichtringe

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angeordnet, wobei ein Dichtring auf einer Seite des Einlasses und des Auslasses der Expansionskammer und der andere Dichtring auf der anderen Seite des Einlasses und des Auslasses angeordnet ist. Das ermöglicht die Abdichtung der Expansionskammer gegenüber der Antriebskammer. Ein wenig Gas entweicht jedoch aus der Antriebskammer an dem derselben näher gelegenen Dichtring vorbei, wenn der Druck innerhalb derselben größer ist als in der Expansionskammer. Zur Regulierung des Druckes innerhalb der Antriebskammer ist deshalb eine geringe Gasmenge erforderlich, um das an dem der Antriebskammer benachbarten Dichtring vorbei entweichende Gas zu ersetzen. In der Praxis wird das Gas der Antriebskammer über einen Kanal mit begrenztem Durchlaß zugeführt, welcher von einer zum Einlaß der Expansionskammer hinführenden Leitung aus zur Antriebskammer führt. Der Kanal mit -begrenztem Durchlaß kann beispielsweise eine enge Anzapfleitung oder eine mit einem Nadelventil versehene Leitung sein. Es hat sich herausgestellt, daß eine Versorgung der Antriebskammer mit einer Menge von weniger als 1 % der Menge, mit welcher die Expansionskammer versorgt wird, ausreicht.

Bei einer besonderen Ausfuhrungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist ein einzelnes Ventilteil vorgesehen, welches aus einem einzelnen, in Reibungsberührung

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mit der Innenfläche der Zylinderwandung befindlichen Ring gebildet ist. Um zu vermeiden, daß der Einlaß und der Auslaß der Expansionskammer gleichzeitig geöffnet sind, ist die Länge des Ringes in bezug auf die Zylinderachse vorzugsweise größer als die Entfernung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß in bezug auf die gleiche Achse, Der Ring ist vorzugsweise zwischen den Stirnwänden einer W in dem Verdränger gebildeten Aussparung angeordnet und wird durch Berührung durch eine oder beide Stirnwände nacheinander betätigt.

Zur Erzielung einer möglichst wirksamen Kühlwirkung der Kolbenmaschine nach der Erfindung sollte der Auslaß offenbleiben, wenn das Volumen der Expansionskammer verringert wird, um die sich innerhalb der Expansionskammer ergebende Verdichtung minimal zu halten, darüberhinaus sollte beim Vergrößern des Volumens der Expansionskammer sowohl der Einlaß wie auch der Auslaß geschlossen sein,, damit sich das Gas in der Expansionskammer ausdehnen und beträchtlich abkühlen kann.

Bei der Bauform der Kolbenmaschine nach der Erfindung, bei welcher als Ventil ein einzelner Ring vorgesehen ist, ergibt sich eine bessere Kühlung, wenn die Länge der Aussparung in bezug auf die Achse des Zylinders ausreichend

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größer ist als die Länge des Ventilringes in bezug auf ' die gleiche Achse. Dadurch bleibt der Einlaß geschlossen und der Auslaß während des größeren Teils der Zeitspanne geöffnet, während welcher sich der Verdränger im Sinne einer Volumenverringerung der Expansionskammer bewegt, bzw, bleibt der Einlaß geöffnet und der Auslaß während des größeren Teils der Zeitspanne geschlossen, während welcher sich der Verdränger im Sinne einer Vergrößerung des Volumens der Expansionskammer bewegt.

Bei einer leistungsfähigeren Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung, welche einen einzelnen Ventilring aufweist, kann die näher bei der Expansionskammer gelegene Stirnfläche des Ventilringes an der Stirnwand der Aussparung, welche dieser Stirnfläche gegenüberliegt, abdichten. Vorzugsweise nimmt eine Stirnfläche der Stirnwand einen Dichtring auf, während die andere Stirnfläche mit diesen im Sinne einer Abdichtung zusammenwirkt. Durch Verwendung dieser Ventilbauform ist während des größeren Teils der Zeitspanne, während welcher sich der Verdränger im Sinne einer Vergrößerung des Volumens der Expansionskammer bewegt, die Dichtung an der Stirnfläche des Ventilringes vorhanden; die Stirnwand der Aussparung schließt den Auslaß und der Ventilring Schließt den Einlaß, Damit die Dichtung zwischen der

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Stirnfläche des Ventilringes und der Stirnwand der Aussparung während einer ausreichend langen Zeitspanne aufrechterhalten bleibt, ist es allgemein erforderlich, daß der Ventilring länger ausgeführt ist, als wenn zwischen der Stirnfläche der Aussparung und dem Ventilring keine Dichtung verwendet würde.

ψ Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer

Kolbenmaschine nach der Erfindung, welche einen guten thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist, ist ein Ventilteil für den Einlaß und ein gesondertes Ventilteil für den Auslaß vorgesehen. Diese Ventilteile werden jeweils von einem mit der Innenfläche der Zylinderwandung in Reibungsberührung befindlichen Ring gebildet. Die Ventilringe sind vorzugsweise jeweils zwischen den Stirnwänden einer in dem Verdränger gebildeten Aussparung angeordnet und werden jeweils durch die Stirnwände der ihnen jeweils zugeordneten Aussparung berührt und verschoben, der Längenunterschied zwischen dem Auslaßring und der Aussparung, in welcher der betreffende Ring angeordnet ist, ist größer als der Längenunterschied zwischen dem Einlaßring und der Aussparung, in welcher dieser angeordnet ist, so daß sowohl der Einlaß wie auch der Auslaß während des größeren Teils derjenigen Zeitspanne, xtfährend welcher

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sich der Verdränger im sinne einer Vergrößerung des Volumens-der Expansionskammer bewegt, geschlossen werden können.

Es ist hervorzuheben, daß ein geringer Leckverlust von Gas, welches beim Schließen des Einlasses oder des Auslasses durch den Ventilring an diesem vorbeiströmt, zulässig ist und das Starten der Kolbenmaschine nach der Erfindung erleichtert. Wenn sich jedoch beim Starten der Kolbenmaschine nach der Erfindung Schwierigkeiten ergeben, kann durch öffnen des Überdruckventils zwecks Ablassen von Gas aus der Antriebskammer ein Impuls erzeugt werden, welcher zum Starten der Maschine ausreicht.

Zur Vereinfachung der Konstruktion ist der Regenerator vorzugsweise innerhalb des Verdrängers angeordnet. Der Regenrator kann andererseits aber auch in einer gesonderten Kammer oder aber zwischen den Wänden des Verdrängers und des Zylinders untergebracht sein.

Das wärmere Ende des Zylinders, d.h. das der Antriebskammer benachbarte Zylinderende kann gekühlt werden, indem Abgas aus dem Regenerator um die Außenfläche des Zylinders an dessen warmem Ende herumgeführt wird. Das läßt sich

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durch Anbringen eines Mantels und von Ringnuten an der Außenfläche des Zylinders erreichen. Das aus der Expansionskammer ausgetretene Gas wird so gezwungen, durch diese Ringnuten hindurchzuströmen.

Der Einlaß und der Auslaß weisen jeweils eine Vielzahl von kleinen, in der Zylinderwandung gebildeten Durch- v gangslöchern auf, Einlaß und Auslaß stehen jeweils mit einem Kanal in einem Ringbund in Verbindung, welcher um die Zylinderwand herum angeordnet ist und einen Einlaß- und einen Auslaßkanal aufweist.

Bei Bedarf können der Verdränger und der Zylinder aus einem Kunststoffmaterial gegossen sein.

Ein bevorzugtes Material zur Herstellung des Verdrängers ist ein glasfaserverstärktes Phenolharz. Andere geeignete synthetische Harze sind Polyamid, Polyimid, Acryl-, Epoxid-, Azetal- und Polyesterharze.

Der bzw. die Ventilringe können beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen hergestellt sein. Das Polytetrafluoräthylen ist vorzugsweise glasfaserverstärkt

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bzw. durch andere Pasern oder Kohlenstoff verstärkt.

Der Regenrator ist vorzugsweise mit einem Material ausgestattet, welches eine hohe spezifische Wärme aufweist« Derartige Materialien, wie beispielsweise Gitter aus Phosphorbronze, sind bekannt.

Bei Bedarf kann, derjenige Teil des Zylinders, in welchem der Einlaß und der Auslaß der Expansionskammer angeordnet sind, mit einer geringeren Querschnittsfläche als der Zylinderbereich versehen werden, welcher teilweise die Expansionskammer begrenzt. Das bringt den Vorteil einer Volumenverringerung in dem Bereich zwischen der Expansionskammer und der Antriebskammer, in welchem das Gas keine nützliche Funktion erfüllt, und damit eine Erhöhung des Maschinenwirkungsgrades. Eine Kolbenmaschine nach der Erfindung kann zur Kühlung eines Gases auf eine sehr tiefe Temperatur verwendet werden. Das läßt sich durch Vorsehen von mehr als einer Regenerativstufe innerhalb der Maschine erreichen.

Eine solche Maschine kann einen abgestuften, mehrere gesonderte Regeneratoren enthaltenden Verdränger aufweisen, der innerhalb eines Stufenzylinders angeordnet ist.

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Zur Erzielung einer Kühlwirkuhg durch die Maschine muß mindestens ein Teil des teilweise die Expansionskammer begrenzenden Zylinderbereiches aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sein, um die Wärmeleitung zwischen der zu kühlenden Belastung und dem Gas in der Expansionskammer zu erleichtern. Der Zylinder kann beispielsweise mit einer Kupferkappe versehen sein, welche am Grund der Expansionskammer angeordnet ist.

Eine Kolbenmaschine nach der Erfindung kann außerdem zur Kühlung eines Gases verwendet werden, beispielsweise in einer Stufe eines Verflüssigungsverfahrens.

Die Kolbenmaschine nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Kühlung der Wände einer Dampffalle in einem Vakuumsystem bzw. zur Verwendung als Kryopumpe,

Besonders vorteilhaft ist, daß die Kolbenmaschine nach der Erfindung nur wenige bewegte Teile aufweist, nämlich bei den bevorzugten Ausfuhrungeformen derselben nur den Verdränger und das bzw. die Ventilteile. Die Kolbenmaschine nach der Erfindung ist deshalb einfach und billig herstellbar.

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-Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführungsformen der Kolbenmaschine nach der Erfndung besteht darin, daß der Reibungsverschleiß eines Ventilringes den Betrieb der Maschine nicht nachteilig beeinflußt, da eine an dem Ventilring auftretende geringe Leckgasströmung sich nur geringfügig, wenn überhaupt nachteilig auswirkt.

Ein Kühlverfahren unter Verwendung der Kolbenmaschine nach der Erfindung fällt in den Rahmen der Erfindung.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 im Längsschnitt eine

Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung, bei welcher ein Ventilteil von einem einzelnen Ring gebildet ist,

Fig· 2 im Längsschnitt eine

weitere Ausführungsform

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der Kolbenmaschine nach der Erfindung, bei welcher zwei Ringe als Ventilteile dienen,

Fig. 3 eine perspektivische Außen

ansicht eines Zylinders, welcher einen Teil der in den Fig. 1, 2, 4, 9 und 12 dargestellten Maschine bildet,

Fig. 4 im Längsschnitt noch eine

weitere Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung, welche einen einzelnen Venturing aufweist, der den Auslaß der Expansionskammer durch Abdichtung an der Wand einer in dem Verdränger gebildeten Aussparung schließen kann,

Fig. 5 im Längsschnitt eine bevor

zugte Ausführungsform einer Kolbenmaschine nach der

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Erfindung, bei welcher der Regenerator außerhalb des Verdrängers angeordnet ist,

Fig. 6 im Längsschnitt eine Kolben

maschine nach der Erfindung mit zwei Regenerativstufen,

Fig, 7 " in einem Diagramm die Änderung

des Druckes innerhalb der Expansionskammer in Abhängigkeit von der Stellung des Verdrängers während des Betriebes der in Fig. 1 dargestellten Kolbenmaschine nach der Erfindung,-

Fig» 8 in einem Diagramm die Änderung

des Druckes innerhalb der Expansionskammer in Abhängigkeit von der Stellung des Verdrängers während des Betriebes der in Fig. 2 oder der in Fig» ¹I dargestellten Kolbenmaschine nach der Erfindung,

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Fig. 9 im Längsschnitt nochmals

eine weitere Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung, bei welcher die Antriebskammer in zwei Teilkammern unterteilt ist,

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen

Teil der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung,

Fig. 11 . in einem Diagramm die Änderung

des Druckes in der Expansionskammer und in der einen Teilkammer sowie die Änderung der Stellung des Ventilteils in Abhängigkeit von der Stellung des Verdrängers, wenn dieser sich während des Betriebes der in den Fig. 9> 12 bzw.

13 dargestellten Kolbenmaschine nach der Erfindung hin- und herbewegt ,

Fig. 12 im Längsschnitt nochmals eine

noch weitere Ausführungsform

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der Kolbenmaschine nach der Erfindung, bei welcher die Antriebskammer ebenfalls in zwei Teilkammern unterteilt ist, und

Fig. 13 .. im Längsschnitt eine Ausführungs

form einer Kolbenmaschine nach der Erfindung, welche nur einen kleinen schädlichen Raum zwischen der Expansionskammer und der Antriebskammer aufweist.

In der folgenden Beschreibung und in den Figuren sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszahlen versehen. Der Betrieb jeder Maschine wird so beschrieben, als befinde sich die Maschine in vertikaler Stellung mit ihrer Antriebskammer oberhalb ihrer Expansionskammer. Die Maschinen können jedoch auch jeweils in anderen Stellungen verwendet werden.

Bei der in den Fig. 1 und 3 dargestellten Bauform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist ein Verdränger 2 innerhalb eines Zylinders 4 aus rostfreiem Stahl angeordnet

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und legt innerhalb dieses Zylinders eine Expansionskammer und eine Antriebskammer 8 fest.

Ein Gaseinlaß in der Expansionskammer 6 wird von einer Vielzahl kleiner, umfangsmäßig angeordneter, durch die Zylinderwandung hindurchgeführter öffnungen 12 gebildet. Ein Gasauslaß aus der Expansionskammer 6 wird von einer Vielzahl kleiner, umfangsmäßig angeordneter, durch die Wandung des Zylinders 4 hindurchgeführter und unterhalb der Öffnungen 12 angeordneter Öffnungen 22 gebildet. Um den Bereich der Außenfläche der Zylinderwandung 4 herum, in welchem die öffnungen 12 und 22 angeordnet sind, ist ein Bundring 16 angeordnet, welcher mit der Wandung des Zylinders 4 zusammen Ringkammern 18 und 20 bildet, durch welche hindurch Gas in die öffnungen 12 ein- und aus den öffnungen 22 herausströmen kann. Ein von einer nicht dargestellten Hochdruckgasquelle hergeführter Einlaßkanal 14 steht mit der Ringkammer 18 in Verbindung. Ein Auslaßkanal 24 für das Ablassen von aus der Expansionskammer 6 austretendem Gas führt von der Ringkammer 20 weg. *

Unter hohem Druck.stehendes Gas tritt durch den Einlaßkanal 14 ein und strömt durch den Ringkanal 18 und

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durch die Einlaßöffnungen 12 hindurch in den Zylinder 4, wo es durch eine einander gegenüberliegende Stirnwände und 30 aufweisende und in den Verdränger 2 eingearbeitete Aussparung 26 hindurchströmt, anschließend durch einen Kanal 32 und durch einen im Inneren des Verdrängers 2 angeordneten Phosphorbronzeregenerator 34 hindurch in die Expansionskammer 6. Aus der Expansionskammer 6 austretendes Gas strömt durch den Regenerator 34 und den Kanal 32, durch die Aussparung 26 hindurch und über die Auslaßöffnungen 22 aus dem Zylinder 4 hinaus in die Ringkammer 20 ein, welche es über den Auslaßkanal 24 verläßt.

Die Stellungen eines Ringes 36 in bezug auf die öffnungen 22 und 12 bestimmen, ob die Auslaßöffnungen oder die Einlaßöffnungen 12 der Expansionskammer 6 geöffnet sind. Der Ring 36 ist in der ringförmigen Aussparung angeordnet und befindet sich mit der Innenwandung des Zylinders 4 in Reibungsberührung, so daß er entsprechend seiner Stellung die öffnungen 22 oder 12 gegenüber der Aussparung 26 abdichtet. Der Ring 26 ist so dimensioniert, daß er in der Lage ist, die öffnungen 22 und 12 gegenüber der Aussparung 26 gerade gleichzeitig abzudichten.

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Auf einer Seite der Aussparung 26 ist eine Umfangsdichtung angeordnet, welche das Einströmen von Gas aus der Antriebskammer 8 in die ringförmige Aussparung 26 auf ein Minimum reduziert. Auf der anderen Seite der Aussparung 26 ist eine Umfangsdichtung 40 angeordnet, welche den Durchtritt von Gas zur Expansionskammer 6 hin oder aus dieser heraus unter Umgehung des Regenerators 34 durch Hindurchströmen durch den zwischen der Außenwand des Verdrängers 2 und der Innenwandung des Zylinders 4 gebildeten Ringspalt auf ein Minimum reduziert.

Kanäle 42 bzw, 44 sind an dem oberen Ende des Zylinders 4 zum Einlassen bzw. Ablassen von Gas aus der Antriebskammer 8 angeordnet. Eine Leitung 46 führt von dem Einlaßkanal 14 der Expansionskammer 6 zu dem Kanal 42 hin. Ein Steuerorgan 48, beispielsweise ein " Druckminderventil, und ein Einwegventil 5O₃ welches nur eine Gasströmung in Richtung des Kanales 42 zuläßt, sind in die Leitung 46 geschaltet, wobei das Ventil 50 zwischen dem Steuerorgan 48 und dem Kanal 42 angeordnet ist. Eine Leitung 52, in welche ein überdruckventil 54 geschaltet ist, führt von dem Kanal 44 zu dem Auslaßkanal 24.

Das Steuerorgan 48 dient zum Einregulieren eines

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Minimaldruckes innerhalb der Antriebskammer 8. Das Steuerorgan 48 wird über die Leitung 46 mit Hochdruckgas aus der Hochdruckgasquelle versorgt.

Das Einwegventil 50 hat die Aufgabe, das Steuerorgan 48 vor Druckschwankungen zu schützen, die innerhalb der Antriebskammer 8 durch die Hin- und Herbewegung des Verdrängers 2 erzeugt werden»

Das überdruckventil 54 hat die Aufgabe, den Maximaldruck in der Antriebskammer 8 derart zu steuern, daß über die Leitung 52 immer dann Gas abgelassen wird, wenn der Druck in der Antriebskammer 8 den gewählten überdruck überschreitet.

Im Betrieb bewegt sich der Verdränger 2 unter der Wirkung eines sich an ihm einstellenden Differentialdruckes, welcher zwischen dem Gas in der Expansionskammer 6 und dem Gas in der Antriebskammer 8 erzeugt wird, hin und her . Deshalb wird dem Einlaßkanal 14 Druckgas zugeführt, beispielsweise mit 6,9 · ICK Nm ; das Steuerorgan 48 ist so ausgelegt, daß es den Druck des hindurchströmenden Gases reduziert, beispielsweise auf 2,76 . 10⁵ Nm"²,, das überdruckventil 54 öffnet bei einem

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5 -2 Druck von beispielsweise 4,1 · IO Nm und die Maschine ist so ausgelegt, daß Gas aus der Expansionskammer 6 mit einem niedrigen Druck abgelassen wird, beispielsweise

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mit 3,h · 10 Nm oder weniger.

Wenn der Ring 36 so gelegen ist, daß die Einlaßöffnungen 12 geschlossen und die Auslaßöffnungen 22 geöffnet sind, und wenn der Druck in der Antriebskammer größer ist als der Druck in der Expansionskammer 6, bewegt sich der Verdränger 2 in Abwärtsrichtung und geht dabei durch die Stellung 1 in Fig. 7 hindurch. Demzufolge wird Gas aus der Expansionskammer 6 ausgeschoben und gelangt durch den Regenerator 34 und den Kanal 32 sowie durch die Aussparung 26 hindurch über die Auslaßöffnungen 22 in der Zylinderwandung in die Ringkammer 20 und strömt aus dieser über den Kanal 24 aus.

Während der Abwärtsbewegung des Verdrängers 2 berührt die Stirnwand 28 der Aussparung 26 den Ring 36. Diese Stellung ist in Fig. 1 dargestellt.

Bei sich fortsetzender Abwärtsbewegung verschiebt der Verdränger 2 den Ring 36 derart, daß die Auslaßöffnungen 22 geschlossen und gleichzeitig die Einlaß-

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'öffnungen 12 geöffnet werden (Stellung 2 in Fig. 7),

5 ""-2 so daß Gas mit einem Druck von 6,9 · 10 Nm durch die Einlaßöffnungen 12 hindurch in den. Zylinder 4 eindringen kann.

Dieses Gas strömt durch die Aussparung 26, den Kanal 32 und den Regenerator 34 hindurch in die Expansions kammer 6. Sofern die Maschine nicht gerade eben erst gestartet worden ist, wird das Gas beim Durchströmen des Regenerators 34 gekühlt, da dieser bereits durch kaltes Abgas in vorhergehenden Betriebsspielen gekühlt worden ist. Mit dem Einströmen des Gases in die Expansionskammer 6 wird der Druck innerhalb'derselben erhöht und der Differentialdruck an dem Verdränger fällt demzufolge ab und kehrt sich um, so daß der Verdränger 2 verzögert, angehalten und ohne das Ende des Zylinders 4 berührt zu haben zurückbewegt wird (Position 3 in Pig, 7).

Die genaue Stellung des Verdrängers 2, in welcher die Einlaßöffnungen 12 geöffnet und die Auslaßöffnungen geschlossen werden, kann durch geeignetes Positionieren der öffnungen 12 und der öffnungen 22 gewählt werden.

Der Ring 36 wird in der Stellung belassen, die er

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beim Anhalten des Verdrängers 2 erreicht hat, und wird, so lange beim Aufwärtshub nicht bewegt, bis 'er durch die Stirnwand 30 der Aussparung 26 berührt wird. Da das Volumen der Expansionskammer 6 durch die Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2, welcher dabei die Stellung 4 in Fig. passiert, vergrößert wird, strömt mehr Gas über die ^ Einlaßöffnungen 12, den Kanal 32 und den Regenerator 34 ein, so daß der Druck in der Expansionskammer 6 auf 6,9 · 10³ Nm gehalten wird. ■ -. ■ . .

Nachdem die Stirnwand 30 der Aussparung 26 an dem Ring 36 anliegt, verschiebt der Verdränger 2 bei seiner Aufwärtsbewegung den Ring 36 in eine Stellung, in welcher die Einlaßöffnungen 12 geschlossen und die Auslaßöffnungen 22 geöffnet sind (Position 5 in Fig. 7)· Dann strömt Gas aus der Expansionskammer aus und kühlt den * Regenerator 34 auf seinem Weg zu den Auslaßöffnungen 22, Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 ist das Gas in der Antriebskammer 8 auf seinen Maximaldruck von 4,1 · 10 Nm verdichtet worden und etwas Gas ist über das überdruckventil 54 abgelassen worden.

Nach dem öffnen der Auslaßöffnungen 22 strömt Gas aus der Expansionskammer 6 aus und der Druck innerhalb

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derselben beginnt deshalb abzufallen, mit dem Ergebnis, daß der Verdränger 2 verzögert, angehalten (Position 6 in Fig. 7) und in Abwärtsrichtung zurückbewegt wird, ohne das Ende des Zylinders 4 berührt zu haben.

Die Zeitsteuerung der Verschiebung des Ringes 36 ist ab hängig von der Länge.des von dem Verdränger 2 von dem Beginn des Aufwärtshubes ab bis zum Berühren des Ringes 36 zurückgelegten Weges. Diese Weglänge ist gleich der Differenz zwischen der axialen Länge des Ringes 36 und der axialen Länge der Aussparung 26.

Bei Verwendung dieser Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung kann eine Oberfläche durch Wärmeaustausch mit einer Endfläche 56 des kälteren Expansionskammerendes des Zylinders 4 gekühlt werden.

Der Aufbau der in Fig. 12 dargestellten Maschine ist im wesentlichen gleich dem Aufbau der in Fig. 1 dargestellten Maschine, mit Ausnahme der Antriebskammer und der Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung des Druckes innerhalb derselben. Die Form der in Fig. 12 dargestellten Antriebskammer ermöglicht es, daß ein veränderlicher Differentialdruck auf die Enden des

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Verdrängers ausgeübt werden kann, während der. Antriebskammer eine Gasmenge zugeführt wird, welche weit geringer ist, als sie bei der in Fig. 1 dargestellten Form der Antriebskammer erforderlich ist.

Bei der in Fig. 12 bzw. 9 dargestellten Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist die " Antriebskammer 8 durch eine Platte 134 in zwei Teilkammern unterteilt, von welchen die untere mit der Bezugszahl 130 und die obere mit der Bezugszahl 132 versehen ist.

Die Kanäle 42 und 44 sind am oberen Ende des Zylinders zum Einlassen bzw. Ablassen von Gas aus der Antriebskammer 8 angeordnet. Eine stark verengte Leitung 135 führt von dem Einlafökanal 34 der Expansionskammer 6 aus fe zu dem Kanal 42 hin. Die Leitung 135 gestattet das Ableiten einer geringen Gasmenge in die Teilkammer 132 der Antriebskammer 8,

Ein Einwegventil 136 gestattet eine Gasströmung aus der Teilkammer 130 in die Teilkammer 132, wenn der Druck in der Teilkammer 130 den Druck in der Teilkammer 132

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übersteigt. Eine in Fig. 12 bzw. 9 schematisch dargestellte Ausströmöffnung 138 gestattet das Ausdehnen von Gas aus der Teilkammer 132 in die Teilkammer 130 hinein, wenn der Druck in der Teilkammer 132 den Druck in der Teilkammer 130 übersteigt. Eine Leitung 52, in welche ein Überdruckventil 54 geschaltet ist, führt von dem Kanal 44 zu dem Auslaßkanal 24.

Der Aufbau der Ausströmöffnung 138 und des Einwegventils 136 ist in Fig. 10 dargestellt. Eine flexible Membran wird mittels einer durch die Mitte der Membran 140 und der Platte 134 hindurchgeführte Schraube 146 gegen die Platte 134 gedrückt. Die Platte 134 ist mit zwei Durchgangslöchern 142 und 144 versehen, welche mit der Membran l40 derart zusammenwirken, daß sich das in Fig. dargestellte Einwegventil ergibt. Wenn der Druck in der Teilkammer 132 größer ist als in der Teilkammer 130, wird die Membran 140 gegen die Platte 134 gedrängt und bedeckt die Durchgangslöcher 142 und 144. Wenn andererseits der Druck in der Teilkammer 130 größer ist als der Druck in der Teilkammer 132, wird die Membran l40 von der Platte l4o abgehoben und das Gas strömt im wesentlichen unbehindert aus der Teilkammer 132 in die

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Teilkammer 130. Die Ausströmöffnung 138 hat die Form eines , in der Platte 13^ gebildeten Durchgangsloches.. -

Der Betrieb der Kolbenmaschine nach der. Erfindung .-. .-(Fig. 12) verläuft im Bereich von deren Expansionskammer wie bei der in Fig. 1 dargestellten Maschine« Der von dem Gas in der Expansionskammer durchlaufene Zyklus ist in Fig. 11 dargestellt. In der Antriebskammer 8 strömt Gas frei ., aus der Teilkammer 130 in die Teilkammer 132 so daß . der der Aufwärtsbewegung des Verdrängers entgegenwirkende Druck vermindert wird. Dadurch wird eine' schnelle Ver- ■ · drangeraufwärtsbewegung erleichtert. Bei dieser Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 wird das Volumen der Teilkammer 130 verringert und der in ihr herrschende Druck vergrößert. Dieser Druckanstieg ist in Fig. 11 dargestellt, vgl. Stellungen 3 bis 6. Der Druck in der Teilkammer 130 w wird so groß, daß er zum Anhalten und Umkehren der Bewegung des Verdrängers 2 ausreicht, bevor dieser dad Ende des Zylinders *J erreicht.

Während der Abwärtsbewegung des Verdrängers 2 wird Gas aus der Teilkammer 132 über die Ausströmöffnung 138 in die Teilkammer130 abgezweigt, wobei die Menge dieses Gases im Ver-

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gleich zu der Strömungsmenge in umgekehrter Richtung bei sich aufwärtsbewegendem Verdränger 2 gering ist. Dadurch erfolgt die Abwärtsbewegung des Verdrängers langsamer als seine Aufwärtsbewegung und die Verdichtung des Gases in der Expansionskammer 6 ist minimal· Eine langsame Abwärtsbewegung des Verdrängers 2 wird außerdem dadurch erleichtert, daß das überdruckventil 5^ öffnet, wenn der Druck in der Teilkammer 132 im Vergleich zu dem Druck in der Teilkammer 130 zu groß wird. Bei Bedarf kann die Geschwindigkeit der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Verdrängers durch Verstellen der Einstellung des Überdruckventils 5¹* gesteuert werden.

Die Ausführungsform der in Fig. 9 dargestellten Kolbenmaschine nach der Erfindung ist mit der in Fig. 12 dargestellten Ausfuhrungsform identisch, mit der Ausnahme, daß das Einwegventil 136 aus der Teilkammer 132 in die Teilkammer 130 führt. Bei dieser Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist eine schnellere Abwärtsbewegung des Verdrängers als bei der in Fig. 12 dargestellten Maschine möglich. -.■■.--.-.■

Die in Fig. 13 dargestellte Kolbenmaschine nach der

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Erfindung weist einen Stufenzylinder 4 auf, dessen oberer Teil mit einem geringeren Querschnitt als dessen unterer Teil versehen ist. Darüberhinaus wird das Teil 13¹J durch das obere Ende des Zylinders 4 gebildet und die obere Teilkammer 132 hat einen größeren Durchmesser als der Zylinder 4. Der Verdränger 2 ist oberhalb seines Regenerators 34 derart abgestuft ausgeführt, daß seine Form der des Zylinders 4 komplementär ist. Der engere . Teil des Zylinders 4 ist mit dem Einlaß und Auslaß der Expansionskammer 6 versehen. Die Anordnung, bei welcher der Bereich des Zylinders 4, in welchem Einlaß und Auslaß der Expansionskammer angeordnet sind, eine kleinere Querschnittsfläche als der Bereich des Zylinders aufweist, in welchem sich die Expansionskammer befindet, ist von Vorteil, da dadurch der Raum zwischen den Dichtungen 38 und 40, in welchem das Gas keine Nutzarbeit leistet, im Vergleich zu den in den Fig. 1, 9 und 12 dargestellten Ausführungsformen der Kolbenmaschine nach der Erfindung kleiner ist.

Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Kolbenmaschinen sind in dem Verdränger 2 zwei Aussparungen 60 und 66 gebildet, wobei die Aussparung 60 einander gegen-

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. überliegende Stirnwände 62 und 64 und die Aussparung 66 einander gegenüberliegende Stirnwände 68 und 70 aufweist. Ringe 72 bzw. 74 sind in den Aussparungen 60 bzw. 66 angeordnet. Diese Ringe sind jeweils mit der Innenwandung des Zylinders 4 in Reibungsberührung. Der Ring 72 dient als Ventilteil für die Auslaßöffnungen 22, während der Ring 74 als Ventilteil für die Einlaßöffnungen 12 dient. Die Maschine ist so ausgelegt, daß der Unterschied zwischen der axialen Länge des Ringes 72 und dessen zugeordneter Aussparung 60 größer ist als der Unterschied zwischen der axialen Länge des Ringes 74 und dessen zugeordneter Aussparung 66.

In Fig. 2 befindet sich der Ring 72 in einer Stellung, in welcher die Auslaßöffnungen 22 geöffnet sind, und der Ring 74 in einer Stellung, in welcher die Einlaßöffnungen 12 geschlossen sind.

Demzufolge steht das Gas in der Expansionskairmier 6 unter einem niedrigen Druck und es wird durch die Druckdifferenz zwischen der Antriebskammer 8 und der Expansionskammer 6 auf den Verdränger 2 eine abwärts gerichtete Kraft ausgeübt, Vielehe den Verdränger 2 nach abwärts bewegt, wobei dieser die Stellung 1 in Pig. 7 passiert.

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Bei der Abwärtsbewegung schiebt der Verdränger 2 Gas aus der Expansionskammer 6 aus, welches durch den Regenerator 34 hindurchströmt und durch die Auslaßöffnungen 22 ausströmt. Bei der Abwärtsbewegung des Verdrängers 2 legt sich die Stirnwand 68 der Aussparung gegen den Ring 74 und drückt diesen abwärts. Wenn der

. Verdränger 2 seine Abwärtsbewegung fortsetzt, legt sich die Stirnwand 62 der Aussparung 60 gegen den Ring und drückt diesen ebenfalls abwärts. Das Anlegen der Stirnwand 62 der Aussparung 6ö an dem Ring 72 erfolgt, bevor der Ring 74 so weit verschoben worden ist, daß er die Auslaßöffnungen 22 verschließt. Tatsächlich verdeckt der Ring 72 die Auslaßöffnungen 22 gleichzeitig mit dem Freigeben der Einlaßöffnungen 12 durch den Ring 74, vgl. Stellung 2 in Fig. 7. Da die Einlaßöffnungen nunmehr geöffnet sind, strömt Gas mit höherem Druck

" in die Expansionskammer 6 und wird beim Durchströmen des Regenerators 34 vorgekühlt (mit Ausnahme während des ersten Betriebsspieles). Demzufolge steigt der Druck in der Expansionskammer 6 an und der Differentialdruck zwischen der Antriebskammer 8 und der Expansionskammer nimmt ab, kehrt sich um, wirkt der Bewegung des Verdrängers 2 entgegen, und wird schließlich ausreichend groß, um dessen Bewegung anzuhalten, vgl. Stellung 3 in

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Fig. .8, und den Verdränger 2 wieder nach aufwärts zu bewegen, ohne daß dieser das Ende des Zylinders 4 berührt.

Beim Aufwärtshub, bei welchem der Verdränger 2 die Stellung k in Fig. 7 passiert, berührt die Stirnwand 70 der Aussparung 66 wegen des Unterschiedes der axialen Länge zwischen jedem Ring und der jeweils zugeordneten Aussparung den Ring 7^ und verschiebt diesen, bevor die Stirnwand 64 der Aussparung 60 den Ring 72 berührt und diesen verschiebt. Demzufolge werden die Einlaßöffnungen 12 geschlossen, vgl. Stellung 5 in Fig. 7, bevor die Auslaßöffnungen 22 geöffnet werden, vgl. Stellung in Fig. 8, und es ist während des Aufwärtshubes des Verdrängers 2 eine Zeitspanne vorhanden, in welcher kein Gas in die Expansionskammer 6 einströmt oder aus dieser ausströmt, nämlich während der Zeitspanne, die der Verdränger 2 benötigt, um sich aus der Stellung 5 in die Stellung 6 in Fig. 7 zu bewegen. Durch die Entspannung des Gases in der Expansionskammer während des Aufwärtshubes wird eine besonders wirksame Kühlung erzeugt. Das wesentliche Konstruktionsmerkmal der Kolbenmaschine nach der Erfindung, welches es ermöglicht, daß sowohl die Einlaßöffnungen 12 wie auch die Auslaßöffnungen 22 während des Aufwärtshubes des Verdrängers 2 gleichzeitig

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geschlossen werden, besteht darin, daß der Unterschied zwischen den axialen Längen des Ringes 72 und der Aussparung 60 viel größer ist als der Unterschied .zwischen den axialen Längen des Ringes 7^ und der Aussparung 66, Um darüberhinaus das Schließen der Einlaßöffnungen 12 durch die Verschiebung des Ringes 7^ etwa am Anfang des Hubes des Verdrängers 2 zu ermöglichen, ist der

P Unterschied der axialen Längen zwischen der Aussparung und dem Ring 7¹I klein. Es ist außerdem erwünscht, daß der Ring 74 eine ausreichende axiale Länge hat, damit die Einlaßöffnungen 12 nicht während der Aufwärtsbewegung des Ringes 7^ beim Aufwärtshub des Verdrängers 2 wieder geöffnet werden.

Da die Einlaßöffnungen 12 während des Aufwärtshubes im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Kolbenk maschine nach der Erfindung relativ früh geschlossen werden, ist das überdruckventil 5^ so eingestellt, daß es bei einem niedrigeren Druck als bei der in Fig. 1 dargestellten Maschine öffnet, um sicherzustellen, daß die Bewegung des Verdrängers 2 nicht vorzeitig durch den auf ihn einwirkenden abnehmenden Differentialdruck angehalten wird, welcher durch die Expansion des Gases in

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der Expansionskammer 6 verursacht wird.

Wenn die Auslaßöffnungen 22 durch die Verschiebung des Ringes 74 geöffnet worden sind, verringert sich das Ausströmen des Gases aus der Expansionskammer 6 und der Differentialdruck an dem Verdränger 2 kehrt sich schließlich um, die resultierende Abwärtskraft hört auf, vgl.
Stellung 7a in Fig. 8, und der Verdränger 2 wird in die in Fig. 2 dargestellte Stellung zurückgedrängt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform
der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist in dem Verdränger eine einzelne Aussparung 80 mit einander gegenüberliegenden Stirnwänden 82 und 84 gebildet. Ein Ring 86 ist mit der Innenwandung des Zylinders 4 in Reibungsberührung und
in der Lage, die öffnungen 12 und 22 gegenüber der Aussparung 80 abzudichten. In die untere Stirnwand 84 der
Aussparung 80 ist ein Dichtring 88 eingesetzt, welcher
mit dem Ring 86 derart zusammenwirken kann, daß die
Auslaßöffnungen 22 gegenüber der Aussparung 80 abgedichtet sind. Die axiale Länge des Ringes 86 ist so
bemessen, daß er die Einlaßöffnungen 12 und die Auslaßöffnungen 22 gleichzeitig verschließt.

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In Figo 4 ist der Ring 86 in einer Stellung dargestellt, in welcher die Auslaßöffnungen 22 geöffnet . und die Einlaßöffnungen 12 geschlossen sind. Wenn sich der Verdränger 2 abwärts bewegt und durch die Stellung in Fig. 8 hindurchgeht, wird Gas aus der Expansionskammer 6 ausgestoßen und der Ring 86 wird, da er mit der Stirnwand 82 der Aussparung 80 in Berührung ist, in der Bewegungsrichtung des Verdrängers 2 von diesem mitgenommen.

Der Ring 86 gibt, nachdem er entsprechend weit verschoben worden ist, die Einlaßöffnungen 12 der Expansionskammer 6 frei und bedeckt die Auslaßöffnungen 22, vgl. Stellung 2 in Fig. 8. Da nun die Einlaßöffnungen geöffnet sind, strömt Gas in die Expansionskammer 6 ein und wird beim Durchströmen des Regenerators 34

ψ gekühlt (mit Ausnahme während des ersten Betriebsspieles). Demzufolge steigt der Druck in der Expansionskammer 6 an und wird schließlich so groß, daß der Verdränger 2 verzögert, angehalten (Stellung 3 in Fig. 8) und seine Bewegungsrichtung umgekehrt wird, ohne daß er das Ende des Zylinders 4 berührt,

. Während des Aufwärtshubes des Verdrängers 2, während

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elchem dieser durch die Stellung 4 in Fig. 8 hindurchgeht, bildet die Dichtung 88 mit dem Ring 86 eine vollständige Abdichtung und verhindert, daß Gas den Zylinder über die Öffnungen 22 verlassen kann, wenn diese nicht mehr durch den Ring 86 bedeckt sind. Bei sich fortsetzender Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 wird der Ring 86 aufwärts verschoben und bedeckt die Einlaßöffnungen 12, was zur Folge hat, daß die Gasströmung in die Expansionskammer 6 hinein und aus dieser heraus verhindert wird, vgl. Stellung 5 in Fig. 8. Die Einlaßöffnungen 12 bleiben geschlossen und die Abdichtung zwischen dem Ring 86 und der Dichtung 88 bleibt während des übrigen Teiles des Aufwärtshubes erhalten. Es ist vorteilhaft, wenn die Öffnungen 12 während des Hubes verhältnismäßig früh geschlossen vferden, da das Gas seine wirksamste Kühlwirkung entfaltet, wenn sowohl die Öffnungen 12 wie auch die öffnungen 22 geschlossen sind und wenn sich das Gas von einem anfänglich hohen Druck in der Expansionskammer 6 auf einen niedrigen Druck entspannen kann. Das verhältnismäßig frühe Schließen der öffnungen. 12 und 22 wird dadurch erreicht, daß der Unterschied der axialen Länge zwischen dem Ring 86 und der ,Aussparung klein gemacht wird.

Da die Öffnungen 12 und 22 während des größeren

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Teiles des Aufwärtshubes geschlossen sind, ist das überdruckventil 54 so eingestellt, daß es bei einem verhältnismäßig niedrigen Druck öffnet, um sicherzustellen, daß die Bewegung des Verdrängers nicht frühzeitig auf Grund des wegen der Expansion des Gases in der Expansionskammer 6 absinkenden Differentialdruckes an dem Verdränger 2 angehalten wird.

Die Triebkraft des Verdrängers 2 während dessen Aufwärtshubes stellt sicher, daß der Druck in der Antriebskammer 8 den Druck in der Expansionskammer 6 übersteigt, nachdem sowohl die Einlaß- wie auch die Auslaßöffnungen 12 und 22 geschlossen worden sind, Die Druckdifferenz an dem Verdränger 2 nimmt deshalb ab und kehrt sich um, so daß der Verdränger 2 verzögert, vgl. Stellung 6 in Fig. 8, angehalten, vgl. Fig. 7b in Fig. 8, ^ und dadurch die zwischen dem Ring 86 und der Dichtung gebildete Abdichtung unterbrochen wird, vgl. Stellung 8b in Fig. 8. Der Verdränger setzt dann seine Abwärtsbewegung in die in Fig. 4 dargestellte Stellung fort.

Es ist von Vorteil, den Abstand zwischen den Einlaßöffnungen 12 und den Auslaßöffnungen 22 so zu wählen, daß die Einlaßöffnungen 12 während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 nicht wieder geöffnet werden.

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Bei der in Pig. 5 dargestellten Ausführungsform der Kolbenmaschine nach der Erfindung ist der Regenerator außerhalb des Verdrängers 2 angeordnet. Der Regenerator steht mit der Aussparung 26 sowie mit dem zwischen den Dichtungen 38 und 40 gebildeten Raum über eine Leitung und mit der Expansionskammer 6 über eine Leitung 92 in Verbindung. Der Betrieb dieser Kolbenmaschine verläuft wie bei der in Fig. 1 dargestellten Kolbenmaschine nach der Erfindung.

In Fig. 6 ist eine Kolbenmaschine nach der Erfindung dargestellt, bei welcher für den Einlaß und Auslaß der Expansionskammer die in Fig. 1 dargestellte Ventilform vorgesehen ist, welche jedoch zwei Regenerativstufen aufweist. In gleicher Weise können zusätzliche Regenerativstufen auch bei den mit Bezug auf die anderen Figuren beschriebenen Ausführungsformen der Kolbenmaschine nach der Erfindung vorgesehen sein. Mehrstufige Ausführungsformen arbeiten in bezug auf ihre einzelnen Stufen in der vorstehend beschriebenen Weise.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Kolbenmaschine weist der Zylinder 4 abgestufte Zylinderteile 100 bzw. mit größerem bzw. kleinerem Durchmesser auf. Der Ver-

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dränger 2 ist entsprechend mit abgestuften Teilen 104 und 106 versehen. Ein oberer Regenerator 108 ist in dem Teil 105 des Verdrängers 2 und ein unterer Generator 110 ist in dem Teil 106 des Verdrängers 2 angeordnet. Die Regeneratoren 108 und 110 sind über einen in dem Verdränger gebildeten Kanal miteinander verbunden. Eine obere Expansionskammer 122, welche durch den Zylinder 4, eine

" in demselben gebildete Stufe 120 und durch den Verdränger 2 gebildet ist, steht über Kanäle 114 und 116 mit dem oberen Regenerator 108 in Verbindung. Ein Dichtring 124 ist zwischen dem Teil 106 des Verdrängers 2 und dem Teil 102 des Zylinders 4 angeordnet. Der Ring verhindert, daß Gas unter Umgehung des unteren Regenerators durch den zwischen dem Teil 102 des Zylinders 4 und dem Teil 106 des Verdrängers 2 gebildeten Ringkanal 118 hindurchströmen kann. Im Betrieb der in Pig, 6 dargestellten Kolbenmaschine wird in den unteren Regenerator einströmendes Gas in dem oberen Regenerator 108 vorgekühlt, so daß die Temperatur in der unteren Expansionskammer 6 beträchtlich niedriger ist als in der Expansions kammer 122,

Bei den in den Fig. 2, 4, 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen der Kolbenmaschine nach der Erfindung

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kann anstelle der.in Fig. 1 dargestellten Antriebskammerform auch die in den Fig. 9, 12 oder 13 dargestellte Antriebskammerform verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche:

Kolbenmaschine mit einem' Zylinder und einem innerhalb desselben hin- und herbewegbar angeordneten Verdränger, gekennzeichnet durch einen in der Zylinderwandung angebrachten Gaseinlaß (12), ferner durch einen ebenfalls in der Zylinderwandung angebrachten Gasauslaß (22)., weiter durch ein oder mehrere zwischen der Zylinderwandung und dem Verdränger (2) angeordnete und durch den Verdränger im Sinne einer Öffnung oder Schließung des genannten Gaseinlasses oder des genannten Gasauslasses betätigte Ventilteile (28 bzw. 72, 74), fernerhin durch eine zwischen einem Ende des Verdrängers und dem Zylinder (4) gebildete Expansionskammer (6), welche Gas von dem Gaseinlaß aufnimmt und über den Gasauslaß abgibt, und schließlich durch einen Regenerator (J¹I-) zum Austauschen von Wärme zwischen in die Expansionskammer eintretendem und dieselbe verlassendem Gas, wobei der Verdränger durch einen sich ändernden Differentialdruck zwischen dem Gasdruck in der Expansionskammer und einem Rückstelldruck angetrieben wird.

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2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstelldruck von einem Gas in einer Antriebskammer (8) ausgeübt wird, welche durch den Raum zwischen den Enden des Verdrängers (2) und des Zylinders (4) auf der den die Expansionskammer (6) bildenden Enden gegenüberliegenden Seite gebildet ist.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskammer (8) mit einem Überdruckventil (54) versehen ist, welches Gas bei einem Druck zwischen den Maximal- und Minimaldrücken ausläßt, die in der Expansionskammer (6) durch den hin- und hergehenden Verdränger (2) erzeugt werden.
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskammer (8) in zwei über eine Engstelle (138) miteinander in Verbindung stehende Teilkammern (130, 132) unterteilt ist, wobei die eine Teilkammer (130) teilweise durch das benachbarte Ende des Verdrängers (2) begrenzt wird.
5. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet

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durch ein zwischen den beiden Teilkammern (130, 132) angeordnetes Einwegventil (I36).
6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einwegventil (I36) einen Gasstrom nur von der einen Teilkammer in die weitere Teilkammer zuläßt und daß die Engstelle (I38) den Gasstrom in.der entgegengesetzten Richtung steuert, wenn das Einwegventil geschlossen ist (Fig. 9, Fig. 12).
7· Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (135) mit begrenztem Durchlaß von einer zum Einlaß (12) der Expansions kammer (6) hinführenden Leitung (14) aus. zur Antriebskammer (8) führt.
8. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzelohnet, daß der Rückstelldruck durch eine Feder, eine hydraulische Flüssigkeit oder durch eine über eine mechanische Anordnung übertragene Kraft ausgeübt wird.
9» Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1

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bis 8, gekennzeichnet durch ein einzelnes Ventilteil (36 bzw. 86), welches aus einem einzelnen Ring besteht, der mit der Innenfläche der Zylinderwandung in Re.ibungsberührung ist.
10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (j56 bzw. 86) -zwischen axialen Stirnwänden (28, JO bzw. 82, 84) einer in dem Verdränger (2) gebildeten Aussparung (26) angeordnet ist und dadurch betätigt wird, daß er nacheinander durch die Stirnwände berührt wird.
11. Kolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die der Expansionskammer (6) benachbarte Stirnfläche des Ringes (86) mit der ihr gegenüberliegenden Stirnwand (84) der Aussparung eine Dichtung bilden kann.
12. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesondertes Ventilteil (74) für den Gaseinlaß (12) und ein gesondertes Ventilteil (72) für den Gasauslaß (22) ·

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vorgesehen ist, wobei diese Ventilteile jeweils aus einem Ring bestehen, der mit der Innenfläche der ZyIInderwandung in Reibungsberührung steht.
13. Kolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilringe (72, 74) jeweils zwischen den Stirnwänden (62, 6K; 68, 70) jeweils einer in dem Verdränger (2) gebildeten Aussparung (60; 66). angeordnet sind und jeweils durch die Stirnwände der ihnen zugeordneten Aussparung berührt und verschoben werden.

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