BRPI0810567B1 - máquina de ciclo stirling - Google Patents

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C Langenfeld Christopher
Kamen Dean
Bhat Prashant
B Smith Stanley Iii
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New Power Concepts Llc
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Abstract

máquina de ciclo stirling a presente invenção refere-se a uma máquina de ciclo stirling. a máquina inclui pelo menos um mecanismo de acionamento oscilante o qual inclui: um balancim que tem um pivô de balancim, pelo menos um cilindro e pelo menos um pistão. o pistão é alojado em um respectivo cilindro e é capaz de alternar de forma substancialmente linear no respectivo cilindro. também, o mecanismo de acionamento inclui pelo menos um conjunto de acoplamento que tem uma extremidade proximal e uma extremidade distal. a extremidade proximal é conectada ao pistão e a extremidade distal é conectada ao balancim por um pivô de extremidade. o movimento linear do pistão é convertido em um movimento rotativo do balancim. também, um cárter alojando o balancim e alojando uma primeira porção do conjunto de acoplamento é incluído. uma árvore de manivelas acoplada ao balancim por meio de uma haste também é incluída. o movimento rotativo do balancim é transferido para a árvore de manivelas. a máquina também usa um espaço de trabalho que aloja pelo menos um cilindro, pelo menos um pistão e uma segunda porção do conjunto de acoplamento. um selo é incluído para vedação do espaço de trabalho do cárter.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÁQUINA DE CICLO STIRLING.
REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS [001] O presente pedido reivindica prioridade a partir do Pedido de Patente Provisória N° 60/925.818, depositado em 23 de abril de 2007 e intitulado Four Cylinder Stirling Engine; e do Pedido de Patente Provisória N° 60/925.814, depositado em 23 de abril de 2007 e intitulado Acionamento de balancim, ambos os quais sendo incorporados aqui como referência.
CAMPO TÉCNICO [002] A presente invenção refere-se a máquinas e, mais particularmente, a uma máquina de ciclo Stirling e a componentes da mesma. INFORMAÇÕES ANTECEDENTES [003] Muitas máquinas, tais como motores de combustão interna, motores de combustão externa, compressores, e outras máquinas alternativas, empregam um arranjo de pistões e mecanismos de acionamento para conversão do movimento linear de um pistão alternativo em movimento rotativo. Na maioria das aplicações, os pistões são alojados em um cilindro. Um problema comum encontrado com essas máquinas é aquele de atrito gerado por um pistão deslizante resultante de um desalinhamento do pistão no cilindro e forças laterais exercidas sobre o pistão pela ligação do pistão a uma árvore de manivelas rotativa. Estas cargas laterais aumentadas aumentam o ruído do motor, aumentam o desgaste do pistão, e diminuem a eficiência e a vida do motor. Adicionalmente, devido às cargas laterais, o acionamento requer mais potência para vencer estas forças de atrito, desse modo se reduzindo a eficiência da máquina.
[004] Foram feitos melhoramentos nos mecanismos de acionamento, em uma tentativa de redução dessas cargas laterais, embora muitos dos melhoramentos tenham resultado em máquinas mais pePetição 870190094882, de 23/09/2019, pág. 7/160
2/146 sadas e volumosas.
[005] Assim sendo, há uma necessidade de máquinas práticas com cargas laterais mínimas sobre os pistões.
SUMÁRIO [006] De acordo com um aspecto da presente invenção, um mecanismo de acionamento de balancim para uma máquina é mostrado. O mecanismo de acionamento inclui um balancim tendo um pivô de balancim, pelo menos um cilindro e pelo menos um pistão. O pistão é alojado em um respectivo cilindro. O pistão é capaz de alternância de forma substancialmente linear no respectivo cilindro. Também, o mecanismo de acionamento inclui pelo menos um conjunto de acoplamento tendo uma extremidade proximal e uma extremidade distal. A extremidade proximal é conectada ao pistão e a extremidade distal é conectada ao balancim por um pivô de extremidade. O movimento linear do pistão é convertido em movimento rotativo do balancim.
[007] Algumas modalidades deste aspecto da presente invenção incluem um ou mais dos seguintes: onde o balancim é acoplado é acoplado a uma árvore de manivelas por meio de uma haste. Nesta modalidade, o movimento rotativo do balancim é transferido para a árvore de manivelas. Também, onde o cilindro ainda pode incluir uma extremidade fechada e uma extremidade aberta. A extremidade aberta ainda inclui um mancal linear conectado ao cilindro. O mancal linear inclui uma abertura para acomodação do conjunto de acoplamento. Também, onde o conjunto de acoplamento ainda inclui uma haste de pistão e uma haste de tucho. A haste de pistão e a haste de tucho são acopladas em conjunto por um meio de acoplamento. O meio de acoplamento está localizado abaixo do mancal linear. Também, onde o mecanismo de acionamento também inclui um selo, onde o selo é conectado de forma vedante à haste de pistão. Também, onde o selo é um diafragma cilíndrico. Também, em algumas modalidades, o meio
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3/146 de acoplamento é uma junta flexível. Em algumas modalidades, o meio de acoplamento é um mancal de rolamento. Em algumas modalidades, o meio de acoplamento é uma articulação. Em algumas modalidades, o meio de acoplamento é uma flexão. Em algumas modalidades, o meio de acoplamento é uma junta de coxim de mancal.
[008] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, a máquina de ciclo Stirling é descrita. A máquina inclui pelo menos um mecanismo de acionamento oscilante onde mecanismo de acionamento oscilante inclui: um balancim tendo um pivô de balancim, pelo menos um cilindro e pelo menos um pistão. O pistão é alojado em um respectivo cilindro. O pistão é capaz de alternância de forma substancialmente linear no respectivo cilindro. Também, o mecanismo de acionamento inclui pelo menos um conjunto de acoplamento tendo uma extremidade proximal e uma extremidade distal. A extremidade proximal é conectada ao pistão e a extremidade distal é conectada ao balancim por um pivô de extremidade. O movimento linear do pistão é convertido em movimento rotativo do balancim. Também, um cárter alojando o balancim e alojando uma primeira porção do conjunto de acoplamento é incluído. A árvore de manivelas acoplada ao balancim por meio de uma haste também é incluída. O movimento rotativo do balancim é transferido para a árvore de manivelas. A máquina também inclui um espaço de trabalho alojando pelo menos um cilindro, pelo menos um pistão e uma segunda porção do conjunto de acoplamento. Um selo é incluído para vedação do espaço de trabalho em relação ao cárter.
[009] Algumas modalidades deste aspecto da presente invenção incluem um ou mais dos seguintes: onde o selo é um diafragma cilíndrico. Também, o cilindro ainda pode incluir uma extremidade fechada e uma extremidade aberta. A extremidade aberta ainda inclui um mancal linear conectado ao cilindro. O mancal linear inclui uma abertura
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4/146 para acomodação do conjunto de acoplamento. Também, onde o conjunto de acoplamento ainda inclui uma haste de pistão e uma haste de tucho. A haste de pistão e a haste de tucho são acopladas em conjunto por um meio de acoplamento. O meio de acoplamento pode estar localizado abaixo do mancal linear. Também, a máquina também pode incluir uma bomba de fluido de lubrificação no cárter. Em algumas modalidades, a bomba de fluido de lubrificação é uma bomba de fluido de lubrificação mecânica acionada por um conjunto de acionamento de bomba, o conjunto de acionamento de bomba sendo conectado a e acionado pela árvore de manivelas. Em algumas modalidades, a bomba de fluido de lubrificação é uma bomba de fluido de lubrificação elétrica. A máquina também pode incluir um motor conectado à árvore de manivelas. A máquina também pode incluir um gerador conectado à árvore de manivelas.
[0010] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, a máquina de ciclo Stirling é descrita. A máquina inclui pelo menos dois mecanismos de acionamento oscilantes. Os mecanismos de acionamento oscilantes incluem, cada um, um balancim tendo um pivô de balancim, dois cilindros, e dois pistões. Os pistões são alojados, cada um, em um respectivo cilindro. Os pistões são capazes de alternância de forma substancialmente linear no respectivo cilindro. Também, os mecanismos de acionamento incluem dois conjuntos de acoplamento tendo uma extremidade proximal e uma extremidade distal, a extremidade proximal sendo conectada ao pistão e a extremidade distal sendo conectada ao balancim por um pivô de extremidade. O movimento linear do pistão é convertido em um movimento rotativo do balancim. A máquina também inclui um cárter alojando o balancim e alojando uma primeira porção dos conjuntos de acoplamento. Também, a árvore de manivelas é acoplada ao balancim por meio de uma haste. O movimento rotativo do balancim é transferido para a árvore
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5/146 de manivelas. A máquina também inclui uma bomba de fluido de lubrificação no cárter para bombeamento de fluido de lubrificação para lubrificação da árvore de manivelas e do balancim e da primeira porção dos conjuntos de acoplamento. Também, um espaço de trabalho está alojando os cilindros, os pistões e a segunda porção dos conjuntos de acoplamento. Um diafragma cilíndrico para vedação do espaço de trabalho do cárter também é incluído.
[0011] Algumas modalidades deste aspecto da presente invenção incluem um ou mais dos seguintes: onde o cilindro ainda pode incluir uma extremidade fechada e uma extremidade aberta. A extremidade aberta ainda inclui um mancal linear conectado ao cilindro. O mancal linear inclui uma abertura para acomodação do conjunto de acoplamento. Também, onde o conjunto de acoplamento ainda inclui uma haste de pistão e uma haste de tucho. A haste de pistão e a haste de tucho são acopladas em conjunto por um meio de acoplamento. O meio de acoplamento pode estar localizado abaixo do mancal linear. Também, onde o meio de acoplamento é uma junta flexível. Em algumas modalidades, também é mostrado onde o meio de acoplamento é um mancal de rolamento.
[0012] Estes aspectos da invenção não têm por significado serem exclusivos, e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção serão prontamente evidentes para aqueles versado comum na técnica, quando lidos em conjunto com as reivindicações em apenso e os desenhos associados.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0013] Estes e outros recursos e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidos pela leitura da descrição detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos, onde:
[0014] as figuras 1A a 1E descrevem o princípio de operação de uma máquina de ciclo Stirling da técnica anterior;
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6/146 [0015] a figura 2 mostra uma vista de um acionamento de balancim de acordo com uma modalidade;
[0016] a figura 3 mostra uma vista de um acionamento de balancim de acordo com uma modalidade;
[0017] a figura 4 mostra uma vista de um motor de acordo com uma modalidade;
[0018] as figuras 5A-5D descrevem várias vistas de um acionamento de balancim de acordo com uma modalidade;
[0019] a figura 6 mostra uma haste do estilo de mancal de acordo com uma modalidade;
[0020] as figuras 7A-7B mostram uma flexão de acordo com uma modalidade;
[0021] a figura 8 mostra um arranjo de acionamento de balancim duplo de quatro cilindros de acordo com uma modalidade;
[0022] a figura 9 mostra uma seção transversal de uma árvore de manivelas de acordo com uma modalidade;
[0023] a figura 10A mostra uma vista de um motor de acordo com uma modalidade;
[0024] a figura 10B mostra um acoplamento de árvore de manivelas de acordo com uma modalidade;
[0025] a figura 10C mostra uma vista de um rotor de luva de acordo com uma modalidade;
[0026] a figura 10D mostra uma vista de uma árvore de manivelas de acordo com uma modalidade;
[0027] a figura 10E é uma seção transversal do rotor de luva e eixo estriado de acordo com uma modalidade;
[0028] a figura 10F é uma seção transversal da árvore de manivelas e do eixo estriado de acordo com uma modalidade;
[0029] a figura 10G são várias vistas de um rotor de luva, uma árvore de manivelas e um eixo estriado de acordo com uma modalidade;
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7/146 [0030] a figura 11 mostra a operação de pistões de um motor de acordo com uma modalidade;
[0031] a figura 12A mostra uma vista esquemática desenvolvida de um espaço de trabalho e cilindros de acordo com uma modalidade;
[0032] a figura 12B mostra a uma vista esquemática de um cilindro, um cabeçote de aquecedor, e um regenerador de acordo com uma modalidade;
[0033] a figura 12C mostra uma vista de um cabeçote de cilindro de acordo com uma modalidade;
[0034] a figura 13A mostra uma vista de um diafragma cilíndrico, juntamente com um pistão de selo de topo e um pistão de selo de fundo de suporte, de acordo com uma modalidade;
[0035] a figura 13B mostra uma vista explodida de um motor acionado a balancim de acordo com uma modalidade;
[0036] a figura 13C mostra uma vista de um cilindro, um cabeçote de aquecedor, um regenerador, e um diafragma cilíndrico, de acordo com uma modalidade;
[0037] as figuras 13D-13E mostra várias vistas de um diafragma cilíndrico durante uma operação, de acordo com uma modalidade;
[0038] a figura 13F mostra uma vista esquemática desenvolvida de um espaço de trabalho e de cilindros de acordo com uma modalidade;
[0039] a figura 13G mostra uma vista de um motor de combustão externa de acordo com uma modalidade;
[0040] as figuras 14A-14E mostra vistas de várias modalidades de um diafragma cilíndrico;
[0041] a figura 15A mostra uma vista de um fole de metal e a haste de pistão e pistões associados de acordo com uma modalidade;
[0042] as figuras 15B-15D mostra vistas de diafragmas de fole de metal, de acordo com uma modalidade;
[0043] as figuras 15E-15G mostra uma vista de fole de metal de
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8/146 acordo com várias modalidades;
[0044] a figura 15H mostra um esquema de um diafragma cilíndrico identificando várias regiões de carga;
[0045] a figura 15I mostra um esquema do diafragma cilíndrico identificando a região de convolução;
[0046] a figura 16 mostra uma vista de um pistão e de um selo de pistão de acordo com uma modalidade;
[0047] a figura 17 mostra uma vista de uma haste de pistão e selo de haste de pistão de acordo com uma modalidade;
[0048] a figura 18A mostra uma vista de um anel de reforço de selo de pistão de acordo com uma modalidade;
[0049] a figura 18B mostra um diagrama de pressão para um anel de reforço de acordo com uma modalidade;
[0050] as figuras 18C e 18D mostram um selo de pistão de acordo com uma modalidade;
[0051] as figuras 18E e 18F mostram um selo de haste de pistão de acordo com uma modalidade;
[0052] a figura 19A mostra uma vista de um anel de reforço de selo de pistão de acordo com uma modalidade;
[0053] a figura 19B mostra um diagrama de pressão para um anel de reforço de selo de pistão de acordo com uma modalidade;
[0054] a figura 20A mostra uma vista de um anel de reforço de selo de haste de pistão de acordo com uma modalidade;
[0055] a figura 20B mostra um diagrama de pressão para um anel de reforço de selo de haste de pistão de acordo com uma modalidade;
[0056] a figura 21 mostra vistas de um anel de guia de pistão de acordo com uma modalidade;
[0057] a figura 22 mostra uma ilustração esquemática desenvolvida de um espaço de trabalho e cilindros de acordo com uma modalidade;
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9/146 [0058] a figura 23A mostra uma vista de um motor de acordo com uma modalidade;
[0059] a figura 23B mostra uma vista de um motor de acordo com uma modalidade;
[0060] a figura 24 mostra uma vista de uma árvore de manivelas de acordo com uma modalidade;
[0061] as figuras 25A-25C mostra várias configurações de acionamentos de bomba de acordo com várias modalidades;
[0062] as figuras 26A mostra várias vistas de uma bomba de óleo de acordo com uma modalidade;
[0063] a figura 26B mostra uma vista de um motor de acordo com uma modalidade;
[0064] a figura 26C mostra uma outra vista do motor descrito na figura 26B;
[0065] as figuras 27A e 27B mostram vistas de um motor de acordo com uma modalidade;
[0066] a figura 27C mostra uma vista de uma junta de acoplamento de acordo com uma modalidade;
[0067] a figura 27D mostra uma vista de uma árvore de manivelas e eixo estriado de um motor de acordo com uma modalidade;
[0068] a figura 28 mostra uma vista de um trocador de aquecedor e queimador para um motor de acordo com uma modalidade;
[0069] a figura 29 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0070] a figura 30 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0071] a figura 31 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0072] a figura 32 mostra uma vista de tubos de aquecedor de um trocador de calor de acordo com uma modalidade;
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10/146 [0073] a figura 33 mostra uma vista de tubos de aquecedor de um trocador de calor de acordo com uma modalidade;
[0074] a figura 34 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0075] a figura 35 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0076] a figura 36 mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de um motor de acordo com uma modalidade;
[0077] a figura 37 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0078] a figura 38 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0079] a figura 39 mostra uma porção de uma seção transversal de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0080] a figura 40 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0081] a figura 41 mostra uma porção de uma seção transversal de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0082] a figura 42 mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de um motor de acordo com uma modalidade;
[0083] a figura 43A mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0084] a figura 43B mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0085] a figura 44A mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0086] a figura 44B mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0087] a figura 45A mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
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11/146 [0088] a figura 45B mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0089] as figuras 46A-46D mostram várias configurações de um trocador de calor de tubo de acordo com várias modalidades;
[0090] a figura 47 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0091] a figura 48 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0092] a figura 49 mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de um motor de acordo com uma modalidade;
[0093] a figura 50 mostra uma vista de um trocador de calor de tubo de acordo com uma modalidade;
[0094] as figuras 51A e 51B mostram vistas de trocadores de calor de um motor de acordo com várias modalidades;
[0095] as figuras 52A-52C mostram várias vistas de um trocador de calor de acordo com uma modalidade;
[0096] a figura 52D mostra uma vista de um trocador de calor de acordo com uma modalidade;
[0097] as figuras 53A e 53B mostram vistas de um trocador de calor de acordo com uma modalidade;
[0098] a figura 53C mostra uma vista de um trocador de calor de um motor de acordo com uma modalidade;
[0099] as figuras 53D-53F mostram vistas de um trocador de calor de um motor de acordo com uma modalidade;
[00100] as figuras 54A e 54B mostram vistas de um trocador de calor de um motor de acordo com uma modalidade;
[00101] as figuras 55A-55D mostram várias vistas de um trocador de calor de acordo com uma modalidade;
[00102] as figuras 56A-56C mostram várias configurações de um trocador de calor de acordo com várias modalidades;
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12/146 de um cabeçote de de um cabeçote de de um cabeçote de [00103] as figuras 57A e 57B mostram vários diagramas descrevendo propriedades físicas de um trocador de calor de acordo com uma modalidade;
[00104] a figura 58 mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00105] a figura 59 mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00106] as figuras 60A e 60B mostram vistas aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00107] as figuras 61A e 61B mostram vistas aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00108] as figuras 62A e 62B mostram vistas aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00109] a figura 62C mostra a vistas de um cabeçote de aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00110] a figura 62D mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00111] a figura 62E mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de acordo com uma modalidade;
[00112] as figuras 63A e 63B mostram um regenerador de um motor de ciclo Stirling de acordo com uma modalidade;
[00113] as figuras 64A-64E mostram várias configurações de um regenerador de um motor de ciclo Stirling de acordo com várias modalidades;
[00114] as figuras 65A-65G mostram várias vistas de um motor de acordo com várias modalidades;
[00115] as figuras 66A e 66B mostram vistas de um resfriador para um motor de acordo com algumas modalidades;
[00116] a figura 67A mostra uma vista de um resfriador para um motor de acordo com uma modalidade;
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13/146 [00117] a figura 67B mostra uma vista de um resfriador para um motor de acordo com uma modalidade;
[00118] a figura 67C mostra uma vista da modalidade de um resfriador para um motor descrito na figura 67A;
[00119] a figura 68 mostra uma vista de um coletor de admissão para um motor de acordo com uma modalidade;
[00120] as figuras 69A e 69B mostram várias vistas de um coletor de admissão para um motor de acordo com uma modalidade;
[00121] a figura 70 mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de um motor de acordo ainda com uma outra modalidade da invenção;
[00122] a figura 71A e 71B mostram vistas de um queimador de um motor de acordo com uma modalidade;
[00123] a figura 72 é um queimador de combustível gasoso acoplado a um motor de ciclo Stirling, onde o ejetor é um venturi, de acordo com uma modalidade;
[00124] a figura 73A é o queimador da figura 72 mostrando os percursos de fluxo de ar e de combustível;
[00125] a figura 73B é uma representação gráfica da pressão através do queimador;
[00126] a figura 74 mostra uma vista de um venturi conforme mostrado no queimador da figura 72;
[00127] as figuras 75 e 75A são modalidades do venturi na figura 72;
[00128] a figura 75B mostra um esquema de um sistema de combustível múltiplo com múltiplas restrições de combustível e válvulas;
[00129] a figura 76 mostra um esquema de uma modalidade do queimador com controle de combustível automatizado para propriedades de combustível variáveis;
[00130] a figura 77 mostra um esquema de uma outra modalidade do queimador com sensor de temperatura e laço de controle de velociPetição 870190094882, de 23/09/2019, pág. 19/160
14/146 dade de motor;
[00131] a figura 78 mostra um esquema de ainda uma outra modalidade do queimador com sensor de temperatura e laço de controle de sensor de oxigênio;
[00132] a figura 79 mostra uma modalidade alternativa do ejetor onde o combustível é alimentado diretamente para o ejetor;
[00133] a figura 80 é um diagrama de blocos que mostra um sistema para controle de uma câmara de combustão pressurizada de um motor de acordo com uma modalidade;
[00134] a figura 81 mostra uma bomba de pistão de acordo com uma modalidade;
[00135] a figura 82 mostra uma forma de onda de corrente alternativa adequada para acionamento da bomba de pistão da figura 81;
[00136] a figura 83 mostra uma forma de onda de corrente contínua de largura de pulso modulada adequada para acionamento da bomba de pistão da figura 81, de acordo com uma modalidade;
[00137] a figura 84 é um diagrama esquemático de uma bomba de diafragma de acordo com uma modalidade;
[00138] a figura 85 é um diagrama esquemático de uma bobina com derivação no centro para uma bomba de diafragma de acordo com uma modalidade;
[00139] as figuras 86A e 86B mostram formas de onda de corrente contínua de largura de pulso modulada adequadas para acionamento da bobina com derivação no centro da figura 85, de acordo com algumas modalidades;
[00140] as figuras 87A-87D mostram modalidades incluindo um filtro entre a bomba de combustível e a câmara de combustão;
[00141] a figura 88 mostra uma vista de um motor de acordo com uma modalidade;
[00142] as figuras 89A - 89C mostram vistas de um queimador para
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15/146 um motor de acordo com várias modalidades;
[00143] a figura 90 mostra uma vista de um motor com múltiplos queimadores de acordo ainda com uma outra modalidade da invenção; [00144] as figuras 91A e 91B mostram vistas de múltiplos queimadores para um motor de acordo com várias modalidades;
[00145] a figura 91C mostra uma vista de um cabeçote de aquecedor de tubo de acordo com uma modalidade; e [00146] a figura 91D mostra uma seção transversal do cabeçote de aquecedor de tubo descrito na figura 91C.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS [00147] As máquinas de ciclo Stirling, incluindo motores e refrigeradores, têm uma longa herança tecnologia, descrita em detalhes em Walker, Stirling Engines, Oxford University Press (1980), incorporado aqui como referência. O princípio subjacente ao motor de ciclo Stirling é a realização mecânica do ciclo termodinâmico de Stirling: aquecimento isovolumétrico de um gás em um cilindro, expansão isotérmica do gás (durante o que o trabalho é realizado pelo acionamento de um pistão), resfriamento isovolumétrico, e compressão isotérmica. Um antecedente adicional referente a aspectos de máquinas de ciclo Stirling e melhoramentos para elas é discutido em Hargreaves, The Phillips Stirling Engine (Elsevier, Amsterdam, 1991), o que é incorporado aqui como referência.
[00148] O princípio de operação de uma máquina de ciclo Stirling prontamente descrito com referência às figuras 1A-1E, onde números idênticos são usados para a identificação das mesmas partes ou de similares. Muitos layouts mecânicos de máquinas de ciclo Stirling são conhecidos na técnica, e a máquina de ciclo Stirling em particular projetada designada geralmente pelo número 10 é descrita meramente para fins ilustrativos. Nas figuras 1A a 1D, um pistão 12 e um deslocador 14 se movem em um movimento alternativo em fase dentro dos
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16/146 cilindros 16 os quais, em algumas modalidades da máquina de ciclo Stirling, podem ser um cilindro único, mas, em outras modalidades, podem incluir mais de um cilindro único. Um fluido de trabalho contido nos cilindros 16 é impedido pelos selos de escapar em todo do pistão 12 e do deslocador 14. O fluido de trabalho é escolhido por suas propriedades termodinâmicas, conforme discutido na descrição abaixo, e é tipicamente hélio a uma pressão de várias atmosferas, embora qualquer gás, incluindo qualquer gás inerte, possa ser usado, incluindo, mas não limitando hidrogênio, argônio, neon, nitrogênio, ar e quaisquer misturas dos mesmos. A posição do deslocador 14 governa se o fluido de trabalho está em contato com a interface quente 18 ou a interface fria 20, correspondendo, respectivamente, às interfaces nas quais o calor é suprido para e extraído do fluido de trabalho. O suprimento e a extração de calor são discutidos em maiores detalhes abaixo. O volume de fluido de trabalho governado pela posição do pistão 12 é referido como o espaço de compressão 22.
[00149] Durante a primeira fase do ciclo Stirling, cuja condição de começo é descrita na figura 1A, o pistão 12 comprime o fluido no espaço de compressão 22. A compressão ocorre a uma temperatura substancialmente constante, porque o calor é extraído do fluido para o meio ambiente. A condição da máquina de ciclo Stirling 10 após uma compressão é descrita na figura 1B. Durante a segunda fase do ciclo, o deslocador 14 se move na direção da interface fria 20, com o fluido de trabalho deslocado da região da interface fria 20 para a região da interface quente 18. Esta fase pode ser referida como a fase de transferência. Ao final da fase de transferência, o fluido está a uma pressão mais alta, uma vez que o fluido de trabalho foi aquecido a um volume constante. A pressão aumentada é descrita simbolicamente na figura 1C pela leitura do medidor de pressão 24.
[00150] Durante a terceira fase (o curso de expansão) da máquina
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17/146 de ciclo Stirling, o volume do espaço de compressão 22 aumenta conforme o calor é aspirado a partir do exterior da máquina de ciclo Stirling 10, desse modo se convertendo calor em trabalho. Na prática, o calor é provido para o fluido por meio de um cabeçote de aquecedor (não mostrado), o qual é discutido em maiores detalhes na descrição abaixo. Ao final da fase de expansão, o espaço de compressão 22 está cheio de fluido frio, conforme descrito na figura 1D. Durante a quarta fase da máquina de ciclo Stirling 10, o fluido é transferido da região da interface quente 18 para a região da interface fria 20 pelo movimento do deslocador 14 no sentido oposto. Ao final desta segunda fase de transferência, o fluido flui para o espaço de compressão 22 e a interface fria 20, conforme descrito na figura 1A, e está pronto para uma repetição de uma fase de compressão. O ciclo Stirling é descrito em um diagrama P-V (pressão -volume), conforme mostrado na figura 1E.
[00151] Adicionalmente, ao passar da região da interface quente 18 para a região da interface fria 20, em algumas modalidades, o fluido pode passar através de um regenerador (mostrado como 408 na figura 4). Um regenerador é uma matriz de material que tem uma relação grande de área superficial para volume, o que serve para a absorção de calor a partir do fluido, quando ele entra a partir da região da interface quente 18 e para aquecimento do fluido quando ele passa a partir da região da interface fria 20.
[00152] As máquinas de ciclo Stirling geralmente não têm sido usadas em aplicações práticas devido a vários desafios assombrosos ao seu desenvolvimento. Estes envolvem considerações práticas, tais como eficiência e tempo de vida. Assim sendo, há uma necessidade de mais máquinas de ciclo Stirling com cargas laterais mínimas sobre os pistões, eficiência aumentada e tempo de vida.
[00153] O princípio de operação da máquina de ciclo Stirling ou do motor de Stirling é adicionalmente descrito em detalhes na Patente
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U.S. N° 6.381.958, emitida em 7 de maio de 2002, para Kamen et al., o que é incorporado aqui como referência em sua totalidade.
Acionamento de Balancim [00154] Com referência, agora, às figuras 2 a 4, modalidades da máquina de ciclo Stirling, de acordo com uma modalidade, são descritas em seção transversal. A modalidade de motor é designada geralmente pelo número 300. Embora a máquina de ciclo Stirling seja geralmente descrita com referência às modalidades de motor de Stirling 300 descritas nas figuras 2-4, é para ser entendido que muitos tipos de máquinas e motores, incluindo, mas não limitando refrigeradores e compressores de modo similar podem se beneficiar de várias modalidades e melhoramentos os quais são descritos aqui, incluindo, mas não limitando, motores de combustão externa e motores de combustão interna.
[00155] A figura 2 descreve uma seção transversal de uma modalidade de um mecanismo de acionamento de balancim 200 (o termo acionamento de balancim é usado de forma sinônima com o termo mecanismo de acionamento de balancim) para um motor, tal como um motor de Stirling, tendo pistões 202 e 204 se alternando de forma linear alojados em cilindros 206 e 208, respectivamente. Os cilindros incluem mancais lineares 220. O acionamento de balancim 200 converte movimentos lineares de pistões 202 e 204 no movimento rotativo da árvore de manivelas 214. O acionamento de balancim 200 tem um balancim 216, um pivô de balancim 218, um primeiro conjunto de acoplamento 210, e um segundo conjunto de acoplamento 212. Os pistões 202 e 204 são acoplados ao acionamento de balancim 200, respectivamente, através do primeiro conjunto de acoplamento 210 e do segundo conjunto de acoplamento 212. O acionamento de balancim é acoplado à árvore de manivelas 214 através de uma haste 222.
[00156] Em algumas modalidades, o balancim e uma primeira por
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19/146 ção do conjunto de acoplamento podem estar localizados em um cárter, enquanto os cilindros, os pistões e uma segunda porção do conjunto de acoplamento estão localizados em um espaço de trabalho.
[00157] Na figura 4, um cárter 400 a maior parte do acionamento de balancim 200 está posicionada abaixo do alojamento de cilindro 402. O cárter 400 é um espaço para se permitir a operação do acionamento de balancim 200 tendo a árvore de manivelas 214, o balancim 216, mancais lineares 220, uma haste 222, e conjuntos de acoplamento 210 e 212. O cárter 400 intercepta cilindros 206 e 208 transversais ao plano dos eixos geométricos dos pistões 202 e 204. Os pistões 202 e 204 alternam em respectivos cilindros 206 e 208, conforme também mostrado na figura 2. Os cilindros 206 e 208 se estendem acima do alojamento de árvore de manivelas 400. A árvore de manivelas 214 é montada no cárter 400 abaixo dos cilindros 206 e 208.
[00158] A figura 2 mostra uma modalidade de acionamento de balancim 200. Os conjuntos de acoplamento 210 e 212 se estendem a partir dos pistões 202 e 204, respectivamente, para conexão dos pistões 202 e 204 ao balancim 216. O conjunto de acoplamento 212 para o pistão 204, em algumas modalidades, pode compreender uma haste de pistão 224 e uma haste de tucho 226. O conjunto de acoplamento 210 para o pistão 202, em algumas modalidades, pode compreender uma haste de pistão 228 e uma haste de tucho 230. O pistão 204 opera no cilindro 208 verticalmente e é conectado pelo conjunto de acoplamento 212 ao pivô de extremidade 232 do balancim 216. O cilindro 208 provê uma guia para o movimento longitudinal do pistão 204. A haste de pistão 224 do conjunto de acoplamento 212 afixada à porção inferior do pistão 204 é acionada axialmente por sua haste de tucho 226 em um percurso de alternância substancialmente linear ao longo do eixo geométrico do cilindro 208. A extremidade distal de haste de pistão 224 e a extremidade próxima de haste de tucho 226, em algu
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20/146 mas modalidades, podem ser conjuntamente articuladas através de um meio de acoplamento 234. O meio de acoplamento 234 pode ser qualquer meio de acoplamento conhecido na técnica, incluindo, mas não limitando, uma junta flexível, um elemento de mancal de rolamento, articulação, junta de coxim de mancal (descrita como 600 na figura 6), e flexão (descrita como 700 na figura 7A e 7B). A extremidade distal da haste de tucho 226 pode ser acoplada a um pivô de extremidade 232 de balancim 216, o que é posicionado verticalmente e perpendicularmente sob a extremidade próxima da haste de tucho 226. Um mancal linear estacionário 220 pode ser posicionado ao longo do conjunto de acoplamento 212 para se garantir, ainda, um movimento longitudinal substancialmente linear da haste de pistão 224 e assim garantir um movimento longitudinal substancialmente linear do pistão 204. Em uma modalidade de exemplo, a haste de tucho 226 não passa através do mancal linear 220. Isto assegura, dentre outras coisas, que a haste de pistão 224 retenha um movimento substancialmente linear e longitudinal.
[00159] Na modalidade de exemplo, as hastes de tucho podem ser feitas de alumínio, e as hastes de pistão e haste são feitas de açoferramenta D2. Alternativamente, as hastes de tucho, as hastes de pistão, as hastes, e o balancim podem ser feitos de 4340. Outros materiais podem ser usados para os componentes do acionamento de balancim, incluindo, mas não limitando titânio, alumínio, aço ou ferro fundido. Em algumas modalidades, a resistência à fadiga do material sendo usado está acima da carga real experimentada pelos componentes durante uma operação.
[00160] Ainda com referência às figuras 2 a 4, o pistão 202 opera verticalmente no cilindro 206 e é conectado pelo conjunto de acoplamento 210 ao pivô de extremidade 236 do balancim 216. O cilindro 206 serve, dentre outras funções, para prover uma guia para o moviPetição 870190094882, de 23/09/2019, pág. 26/160
21/146 mento longitudinal do pistão 202. A haste de pistão 228 do conjunto de acoplamento 210 é afixada à porção inferior de pistão 202 e é acionada axialmente por sua haste de tucho 230 em um percurso de alternância substancialmente linear ao longo do eixo geométrico do cilindro 206. A extremidade distal da haste de pistão 228 e a extremidade próxima da haste de tucho 230, em algumas modalidades, são conjuntamente articuladas através de um meio de acoplamento 238. O meio de acoplamento 238, em várias modalidades pode incluir, mas não está limitado a uma flexão (descrita como 700 na figura 7A e 7B, um elemento de mancal de rolamento, uma articulação, um coxim de mancal (mostrado como 600 na figura 6), ou um meio de acoplamento conforme conhecido na técnica. A extremidade distal da haste de tucho 230, em algumas modalidades, pode ser acoplada a um pivô de extremidade 236 de balancim 216, que é posicionado verticalmente e perpendicularmente sob a extremidade próxima de haste de tucho 230. Um mancal linear estacionário 220 pode ser posicionado ao longo do conjunto de acoplamento 210 para se garantir, ainda, movimento longitudinal linear da haste de pistão 228 e assim garantir um movimento longitudinal linear do pistão 202. Em uma modalidade de exemplo, a haste de tucho 230 não passa através do mancal linear 220 para se garantir que a haste de pistão 228 retenha um movimento substancialmente linear e longitudinal.
[00161] Os conjuntos de acoplamento 210 e 212 mudam o movimento longitudinal alternativo de respectivos pistões 202 e 204 para um movimento oscilante do balancim 216. O movimento oscilante entregue é mudado para o movimento rotativo da árvore de manivelas 214 pela haste 222, onde uma extremidade da haste 222 é acoplada de forma rotativa a um pivô de conexão 240 posicionado entre um pivô de extremidade 232 e um pivô de balancim 218 no balancim 216, e uma outra extremidade da haste 222 é acoplada de forma rotativa ao
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22/146 moente de virabreduin de virabreduin de virabreduin 246. O pivô de balancim 218 pode ser posicionado substancialmente no ponto médio entre os pivôs de extremidade 232 e 236 e suportam de forma oscilante o balancim 216 como um fulcro, desse modo guiando as respectivas hastes de pistão 224 e 228 para a feitura de um movimento linear suficiente. Na modalidade de exemplo, a árvore de manivelas 214 está localizada acima do balancim 216, mas, em outras modalidades, a árvore de manivelas 214 pode estar posicionada abaixo do balancim 216 (conforme mostrado na figura 5B e 5D) ou em algumas modalidades, a árvore de manivelas 214 está posicionada para o lado do balancim 216, de modo que ainda tenha um eixo geométrico paralelo ao balancim 216.
[00162] Ainda com referência às figuras 2-4, o balancim oscila em torno do pivô de balancim 218, os pivôs de extremidade 232 e 236 seguindo um percurso de arco. Uma vez que as extremidades distais das hastes de tucho 226 e 230 são conectadas ao balancim 216 em pivôs 232 e 236, as extremidades distais das hastes de tucho 226 e 230 também seguem este percurso de arco, resultando em um desvio angular 242 e 244 do eixo geométrico longitudinal de movimento de seus respectivos pistões 202 e 204. Os meios de acoplamento 234 e 238 são configurados de modo que qualquer desvio angular 244 e 242 das hastes de tucho 226 e 230 experimentado pelas hastes de pistão 224 e 228 seja minimizado. Essencialmente, o desvio angular 244 e 242 é absorvido pelos meios de acoplamento 234 e 238 de modo que as hastes de pistão 224 e 228 mantenham um movimento longitudinal substancialmente linear para redução de cargas laterais sobre os pistões 204 e 202. Um mancal linear estacionário 220 também pode ser posicionado dentro do cilindro 208 ou 206, ou ao longo de conjuntos de acoplamento 212 ou 210, para absorverem mais qualquer desvio angular 244 ou 242 desse modo mantendo a haste de haste de pistão
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224 ou 228 e o pistão 204 ou 202 em movimento linear ao longo do eixo geométrico longitudinal do pistão 204 ou 202.
[00163] Portanto, tendo em vista o movimento alternativo dos pistões 202 e 204, é necessário manter o movimento dos pistões 202 e 204 tão próximo do linear quanto possível, porque o desvio 242 e 244 do eixo geométrico longitudinal de movimento alternativo dos pistões 202 e 204 causa ruído, redução de eficiência, aumento de atrito com a parede do cilindro, aumento de carga lateral, e baixa durabilidade das partes. O alinhamento dos cilindros 206 e 208 e o arranjo de árvore de manivelas 214, hastes de pistão 224 e 228, hastes de tucho 226 e 230, e haste 222, daí, pode influenciar, dentre outras coisas, a eficiência e/ou o volume do dispositivo. Com a finalidade de aumentar a linearidade do movimento do pistão conforme mencionado, os pistões (mostrados como 202 e 204 na figura 2-4) preferencialmente são tão próximos do lado dos respectivos cilindros 206 e 208 quanto possível.
[00164] Em uma outra modalidade de redução de desvio angular de hastes de tucho, as hastes de tucho 226 e 230 alternam de forma substancialmente linear ao longo do eixo geométrico longitudinal de movimento de respectivos pistões 204 e 202 para diminuição do desvio angular e assim para diminuição da carga lateral aplicada a cada pistão 204 e 202. O desvio angular define o desvio da haste de tucho 226 ou 230 em relação ao eixo geométrico longitudinal do pistão 204 ou 202. Os números 244 e 242 designam o desvio angular das hastes de tucho 226 e 230, conforme mostrado na figura 2. Portanto, a posição do conjunto de acoplamento 212 influencia o deslocamento angular da haste de tucho 226, com base na extensão da distância entre o pivô de extremidade 232 e o pivô de balancim 218 do balancim 216. Assim, a posição dos conjuntos de acoplamento pode ser tal que o deslocamento angular da haste de tucho 226 seja reduzido. Para a haste de tucho 230, o comprimento do conjunto de acoplamento 210
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24/146 também pode ser determinado e colocado para redução do deslocamento angular da haste de tucho 230, com base na extensão da distância entre o pivô de extremidade 236 e o pivô de balancim 218 do balancim 216. Portanto, o comprimento das hastes de tucho 226 e 230, o comprimento de conjuntos de acoplamento 212 e 210, e o comprimento do balancim 216 são parâmetros significativos que influenciam grandemente e/ou determinam o desvio angular das hastes de tucho 226 e 230 conforme mostrado na figura 2.
[00165] A modalidade de exemplo tem um balancim reto 216 tendo os pontos de extremidade 232 e 236, o pivô de balancim 218, e o pivô de conexão 240 ao longo do mesmo eixo geométrico. Contudo, em outras modalidades, o balancim 216 pode ser flexionado, de modo que os pistões possam ser colocados em ângulo uns com os outros, conforme mostrado na figura 5C e 5D.
[00166] Com referência, agora, às figuras 2-4 e figuras 7A-7B, em algumas modalidades do conjunto de acoplamento, os conjuntos de acoplamento 212 e 210, podem incluir uma haste de tucho flexível que é axialmente rígida, mas flexível no plano de movimento do balancim 216 plane entre as hastes de tucho 226 e 230, e pistões 204 e 202, respectivamente. Nesta modalidade, pelo menos uma porção, a flexão (descrita como 700 na figura 7A e 7B), de hastes de tucho 226 e 230 é elástica. A flexão 700 atua como um meio de acoplamento entre a haste de pistão e a haste de tucho. A flexão 700 pode absorver as cargas laterais induzidas por manivela dos pistões mais efetivamente, desse modo permitindo que seu respectivo pistão mantenha um movimento longitudinal linear dentro do cilindro do pistão. Esta flexão 700 permite pequenas rotações no plano do balancim 216 entre as hastes de tucho 226 e 230 e pistões 204 ou 202, respectivamente. Embora descrita nesta modalidade como plana, o que aumenta a elasticidade das hastes de tucho 226 e 230, a flexão 700, em algumas modalidades, não é
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25/146 plana. A flexão 700 também pode ser construída próximo da porção inferior dos pistões ou próximo de uma extremidade distal das hastes de tucho 226 e 230. A flexão 700, em uma modalidade, pode ser feita de aço-ferramenta endurecido #D2 para de 58 a 62 RC. Em algumas modalidades, pode haver mais de uma flexão (não descrita) na haste de tucho 226 ou 230 para se aumentar a elasticidade das hastes de tucho.
[00167] Em uma modalidade alternativa, os eixos geométricos dos pistões em cada alojamento de cilindro podem se estender em direções diferentes, conforme descrito nas figuras 5C e 5D. Na modalidade de exemplo, os eixos geométricos dos pistões em cada alojamento de cilindro são substancialmente paralelos e, de preferência, substancialmente verticais, conforme descrito nas figuras 2 - 4, e nas figuras 5A e 5B. As figuras 5A-5D incluem várias modalidades do mecanismo de acionamento de balancim, incluindo números iguais àqueles mostrados e descritos com respeito às figura 2 a 4. Será entendido por aqueles versados na técnica que mudar a posição relativa do pivô de conexão 240 ao longo do balancim 216 mudará o curso dos pistões.
[00168] Assim sendo, uma mudança nos parâmetros da posição relativa do pivô de conexão 240 no balancim 216 e o comprimento das hastes de pistão 224 e 228, das hastes de tucho 230 e 226, do balancim 216, e da posição de pivô de balancim 218 mudará o desvio angular das hastes de tucho 226 e 230, a posição em fase dos pistões 204 e 202, e o tamanho do dispositivo 300 de uma variedade de maneiras. Portanto, em várias modalidades, uma ampla faixa de ângulos de fase de pistão e tamanhos variáveis do motor podem ser escolhidos, com base na modificação de um ou mais destes parâmetros. Na prática, as hastes de tucho 224 e 228 da modalidade de exemplo têm um movimento lateral substancialmente em de -0,5 grau a +0,5 grau a partir do eixo geométrico longitudinal dos pistões 204 e 202. Em várias outras
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26/146 modalidades, dependendo do comprimento da haste de tucho, o ângulo pode variar qualquer coisa a partir de quase 0 grau até 0,75 graus. Contudo, em outras modalidades, o ângulo pode ser mais alto, incluindo qualquer coisa de quase 0 a aproximadamente 20 graus. Conforme o comprimento de haste de tucho aumenta, contudo, a altura de o cárter/motor geral aumenta bem como o peso do motor.
[00169] Um recurso da modalidade de exemplo é que cada pistão tem sua haste de tucho se estendendo substancialmente até a haste de pistão afixada, de modo que seja formado como um conjunto de acoplamento. Em uma modalidade, o conjunto de acoplamento 212 para o pistão 204 inclui uma haste de pistão 224, uma haste de tucho 226, e um meio de acoplamento 234 conforme mostrado na figura 2. Mais especificamente, uma extremidade proximal de haste de pistão 224 é afixada à porção inferior de pistão 204 e a haste de pistão de extremidade distal 224 é conectada à extremidade próxima da haste de tucho 226 pelo meio de acoplamento 234. A extremidade distal da haste de tucho 226 se estende verticalmente até o pivô de extremidade 232 do balancim 216. Conforme descrito acima, o meio de acoplamento 234 pode ser, mas não está limitado a uma junta, articulação, acoplamento, ou flexão ou outro meio conhecido na técnica. Nesta modalidade, a relação da haste de pistão 224 e da haste de tucho 226 pode determinar o desvio angular da haste de tucho 226 conforme mencionado acima.
[00170] Em uma modalidade da máquina, um motor, tal como um motor de Stirling, emprega mais de um acionamento de balancim na árvore de manivelas. Com referência, agora, à figura 8, um mecanismo de acionamento de balancim de quatro cilindros desenvolvido 800 é mostrado. Nesta modalidade, o mecanismo de acionamento de balancim tem quatro pistões 802, 804, 806, e 808 acoplados a dois acionamentos de balancim 810 e 812. Na modalidade de exemplo, o meca
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27/146 nismo de acionamento de balancim 800 é usado em um motor de Stirling compreendendo pelo menos quatro pistões 802, 804, 806, e 808, posicionados em um arranjo de quadrilátero acoplado a um par de acionamentos de balancim 810 e 812, onde cada acionamento de balancim é conectado à árvore de manivelas 814. Contudo, em outras modalidades, o motor de ciclo Stirling inclui qualquer coisa de 1 a 4 pistões, e em ainda outras modalidades, o motor de ciclo Stirling inclui mais de 4 pistões. Em algumas modalidades, os acionamentos de balancim 810 e 812 são substancialmente similares aos acionamentos de balancim descritos acima com respeito às figuras 2 a 4 (mostrados como 210 e 212 nas figuras 2 a 4). Embora nesta modalidade os pistões sejam mostrados fora dos cilindros, na prática, os pistões estariam dentro dos cilindros.
[00171] Ainda com referência à figura 8, em algumas modalidades, o mecanismo de acionamento de balancim 800 tem uma única árvore de manivelas 814 tendo um par de moente de virabreduins espaçados longitudinalmente, dirigidos de forma radial e oposta 816 e 818 adaptados para serem articulados em um alojamento, e um par de acionamentos de balancim 810 e 812. Cada balancim 820 e 822 é conectado de forma pivotante a pivôs de balancim 824 e 826, respectivamente, e a moente de virabreduin de virabreduin de virabreduins 816 e 818, respectivamente. Na modalidade de exemplo, os balancins 820 e 822 são acoplados a um eixo de balancim 828.
[00172] Em algumas modalidades, a motor/gerador pode ser conectado à árvore de manivelas em uma relação de trabalho. O motor pode estar localizado, em uma modalidade, entre os acionamentos de balancim. Em uma outra modalidade, o motor pode estar posicionado no exterior. O termo motor/gerador é usado para significar um motor ou um gerador.
[00173] A figura 9 mostra uma modalidade de árvore de manivelas
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814. Está posicionado na árvore de manivelas um motor/gerador 900, tal como um gerador magnético permanente (PM) gerador. O motor/gerador 900 pode estar posicionado entre, ou para dentro dos acionamentos de balancim (não mostrados, mostrados na figura 8 como 810 e 812), ou pode estar posicionado no exterior, ou para fora dos acionamentos de balancim 810 e 812 em uma extremidade de árvore de manivelas 814, conforme descrito pelo numeral 1000 na figura 10A. [00174] Quando o motor/gerador 900 está posicionado entre os acionamentos de balancim (não mostrados, mostrados na figura 8 como 810 e 812), o comprimento do motor/gerador 900 é limitado à distância entre os acionamentos de balancim. O diâmetro ao quadrado do motor/gerador 900 é limitado pela distância entre a árvore de manivelas 814 e o eixo de balancim 828. Devido ao fato de a capacidade do motor/gerador 900 ser proporcional a seu diâmetro ao quadrado e comprimento, estas limitações de dimensão resultam em um motor/gerador 900 maquiado de capacidade limitada tendo um comprimento relativamente curto e um diâmetro ao quadrado relativamente grande. O uso de um motor/gerador 900 maquiado pode reduzir a dimensão total do motor, embora as limitações impostas pela configuração para dentro resultem em um motor/gerador tendo uma capacidade limitada. [00175] A colocação do motor/gerador 900 entre os acionamentos de balancim expõe o motor/gerador 900 ao calor gerado pelo atrito mecânico dos acionamentos de balancim. A localização para dentro do motor/gerador 900 torna mais difícil resfriar o motor/gerador 900, desse modo se aumentando os efeitos de calor produzidos pelo motor/gerador 900 bem como o calor absorvido pelo motor/gerador 900 a partir dos acionamentos de balancim. Isto pode levar a um superaquecimento e, finalmente, a uma falha do motor/gerador 900.
[00176] Com referência a ambas as figuras 8 e 9, o posicionamento para dentro do motor/gerador 900 também pode levar a uma configu
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29/146 ração não-equilátera dos pistões 802, 804, 806, e 808, uma vez que os pistões 802, 804, 806, e 808 são acoplados aos acionamentos de balancim 810 e 812, respectivamente, e qualquer aumento na distância também resultaria em um aumento na distância entre pistões 802, 804, e pistões 806 e 808. Um arranjo não-equilátero de pistões pode levar a ineficiências na operação termodinâmica do queimador e do cabeçote de aquecedor, o que, por sua vez, pode levar a uma diminuição na eficiência total do motor. Adicionalmente, um arranjo não-equilátero de pistões pode levar a dimensões maiores de cabeçote de aquecedor e câmara de combustão.
[00177] A modalidade de exemplo do arranjo de motor/gerador é descrita na figura 10A. Conforme mostrado na figura 10A, o motor/gerador 1000 é posicionado para fora dos acionamentos de balancim 1010 e 1012 (mostrados como 810 e 812 na figura 8) e em uma extremidade de árvore de manivelas 1006. A posição para fora permite que um motor/gerador 1000 com um comprimento e um diâmetro ao quadrado maiores do que o motor/gerador maquiado descrito acima (mostrado como 900 na figura 9). Conforme declarado anteriormente, a capacidade do motor/gerador 1000 é proporcional a seus comprimento e diâmetro ao quadrado e, uma vez que o motor/gerador externo 1000 pode ter um comprimento e um diâmetro ao quadrado maiores, a configuração de motor/gerador externo 1000 descrita na figura 10A pode permitir o uso de um motor gerador de capacidade mais alta em conjunto com o motor em conjunto com o motor.
[00178] Pela colocação do motor/gerador 1000 fora dos acionamentos 1010 e 1012 conforme mostrado na modalidade na figura 10A, o motor/gerador 1000 não é exposto ao calor gerado pelo atrito mecânico dos acionamentos 1010 e 1012. Também, a posição para fora do motor/gerador 1000 torna mais fácil resfriar o motor/gerador, desse modo se permitindo mais ciclos de motor mecânico por uma dada
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30/146 quantidade de tempo, o que por sua vez, permite uma performance de motor total mais alta.
[00179] Também, como motor/gerador 1000 está posicionado fora e não posicionado entre os acionamentos 1010 e 1012, os acionamentos de balancim 1010 e 1012 podem ser posicionados mais próximos em conjunto, desse modo permitindo que os pistões os quais são acoplados a acionamentos 1010 e 1012 sejam posicionados em um arranjo equilátero. Em algumas modalidades, dependendo do tipo de queimador usado, particularmente no caso de uma modalidade de queimador único, o arranjo equilátero de pistões permite eficiências mais altas na operação termodinâmica de queimador e cabeçote de aquecedor, o que, por sua vez, permite uma performance de motor em geral mais alta. O arranjo equilátero de pistões vantajosamente também permite dimensões menores de cabeçote de aquecedor e de câmara de combustão.
[00180] Com referência de novo às figuras 8 e 9, a árvore de manivelas 814 pode ter extremidades concêntricas 902 e 904, as quais em uma modalidade são coxins de manivela, e em várias outras modalidades, podem ser, mas não estão limitadas a mancais. Cada extremidade concêntrica 902, 904 tem um moente de virabreduin de virabreduin de virabreduin 816, 818 respectivamente, que pode ser deslocado do eixo central de árvore de manivelas. Pelo menos um contrapeso 906 pode ser posicionado entre qualquer extremidade de árvore de manivelas 814 (mostrado como 1006 na figura 10A), para contrabalançar qualquer instabilidade que a árvore de manivelas 814 possa experimentar. Esta configuração de árvore de manivelas em combinação com o acionamento de balancim descrito acima permite que os pistões (mostrados como 802, 804, 806, e 808 na figura 8) funcionem com uma rotação da árvore de manivelas 814. Esta característica será explicada adicionalmente abaixo. Em outras modalidades, um volante
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31/146 (não mostrado) pode ser colocado na árvore de manivelas 814 (descrita como 1006 na figura 10A) para diminuição de flutuações de velocidade angular para uma velocidade mais constante.
[00181] Ainda com referência às figuras 8 e 9, em algumas modalidades, um resfriador (não mostrado) também pode ser posicionado ao longo da árvore de manivelas 814 (descrita como 1006 na figura 10A) e acionamentos de balancim 810 e 812 (mostrados como 1010 e 1012 na figura 10A) para resfriamento da árvore de manivelas 814 e dos acionamentos de balancim 810 e 812. Em algumas modalidades, o resfriador pode ser usado para resfriamento do gás de trabalho em uma câmara fria de um cilindro e também pode ser configurado para resfriamento do acionamento de balancim. Várias modalidades do resfriador são discutidas em detalhes abaixo.
[00182] As figuras 10A-10G descrevem algumas modalidades de várias partes da máquina. Conforme mostrado nesta modalidade, a árvore de manivelas 1006 é acoplada ao motor/gerador 1000 através de um conjunto de acoplamento de motor/gerador. Uma vez que o motor/gerador 1000 é montado no cárter 1008, uma pressurização do cárter com um fluido de carga pode resultar em uma deformação do cárter, o que, por sua vez, pode levar a desalinhamentos entre o motor/gerador 1000 e a árvore de manivelas 1006 e fazer com que a árvore de manivelas 1006 deflita. Devido ao fato de os acionamentos de balancim 1010 e 1012 serem acoplados à árvore de manivelas 1006, uma deflexão da árvore de manivelas 1006 pode levar a uma falha dos acionamentos de balancim 1010 e 1012. Assim, em uma modalidade da máquina, um conjunto de acoplamento de motor/gerador é usado para acoplamento do motor/gerador 1000 à árvore de manivelas 1006. O conjunto de acoplamento de motor/gerador acomoda diferenças de alinhamento entre o motor/gerador 1000 e a árvore de manivelas 1006 o que pode contribuir para uma falha dos acionamentos de balancim
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1010 e 1012 durante uma operação.
[00183] Ainda com referência às figuras 10A-10G, em uma modalidade, o conjunto de acoplamento de motor/gerador é um conjunto de estria que inclui o eixo estriado 1004, o rotor de luva 1002 de motor/gerador 1000, e a árvore de manivelas 1006. O eixo estriado 1004 acopla uma extremidade de árvore de manivelas 1006 ao rotor de luva 1002. O rotor de luva 1002 é afixado ao motor/gerador 1000 por meios mecânicos, tais como ajuste com pressão, soldagem, enroscamento, ou similar. Em uma modalidade, o eixo estriado 1004 inclui uma pluralidade de estrias em ambas as extremidades do eixo. Em outras modalidades, o eixo estriado 1004 inclui uma porção sem estria média 1014, a qual tem um diâmetro menor do que o diâmetro externo ou o diâmetro interno das porções com estria 1016 e 1018. Em ainda outras modalidades, uma porção de extremidade do eixo estriado 1016 tem estrias que se estendem por uma distância mais longa ao longo do eixo do que uma segunda porção de extremidade 1018 que também inclui estrias nela.
[00184] Em algumas modalidades, o rotor de luva 1002 inclui uma abertura 1020 que se estende ao longo de um eixo geométrico longitudinal do rotor de luva 1002. A abertura 1020 é capaz de receber o eixo estriado 1004. Em algumas modalidades, a abertura 1020 inclui uma pluralidade de estrias internas 1022 capazes de se encaixarem nas estrias em uma extremidade de eixo estriado 1004. O diâmetro externo 1028 das estrias internas 1022 pode ser maior do que o diâmetro externo 1030 das estrias no eixo estriado 1004, de modo que o ajuste entre as estrias internas 1022 e as estrias no eixo estriado 1004 seja frouxo (conforme mostrado na figura 10E). Um ajuste frouxo entre as estrias internas 1022 e as estrias no eixo estriado 1004 contribui para manutenção do encaixe de estria entre o eixo estriado 1004 e a luva de rotor 1002 durante uma deflexão de eixo estriado 1004, o que
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33/146 pode ser causado por uma pressurização de cárter. Em outras modalidades, a porção com estria mais longa 1016 de eixo estriado 1004 pode se encaixar nas estrias internas 1022 do rotor 1002.
[00185] Ainda com referência às figuras 10A-10G, em algumas modalidades, a árvore de manivelas 1006 tem uma abertura 1024 em uma extremidade da mesma, que é capaz de receber uma extremidade de eixo estriado 1004. A abertura 1024 preferencialmente inclui uma pluralidade de estrias internas 1026 que se encaixam nas estrias no eixo estriado 1004. O diâmetro externo 1032 das estrias internas 1026 pode ser maior do que o diâmetro externo 1034 das estrias no eixo estriado 1004, de modo que o ajuste entre as estrias internas 1026 e as estrias no eixo estriado 1004 seja frouxo (conforme mostrado na figura 10F). Conforme discutido anteriormente, um ajuste frouxo entre estrias internas 1026 e as estrias no eixo estriado 1004 contribui para manter o encaixe de estria entre o eixo estriado 1004 e a árvore de manivelas 1006 durante uma deflexão do eixo estriado 1004, o que pode ser causado por uma pressurização de cárter. O ajuste frouxo entre as estrias internas 1026 e 1022 na árvore de manivelas 1006 e o rotor de luva 1002 e as estrias no eixo estriado 1004 pode contribuir para manutenção da deflexão do eixo estriado 1004. Isto pode permitir desalinhamentos entre a árvore de manivelas 1006 e o rotor de luva 1002. Em algumas modalidades, a porção com estria mais curta 1018 de eixo estriado 1004 pode ser encaixar na abertura 1024 de árvore de manivelas 1006 desse modo se impedindo esses desalinhamentos em potencial.
[00186] Em algumas modalidades, a abertura 1020 de rotor de luva 1002 inclui uma pluralidade de estrias internas que estendem o comprimento da abertura 1020. Este arranjo contribui para o eixo estriado 1004 ser apropriadamente inserido na abertura 1020 durante a montagem. Isto contribui para o alinhamento apropriado entre as estrias no
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34/146 eixo estriado 1004 e as estrias internas no rotor de luva 1002 ser mantido.
[00187] Com referência, agora, à figura 4, uma modalidade do motor é descrita. Aqui, os pistões 202 e 204 do motor 300 operam entre uma câmara quente 404 e uma câmara fria 406 dos cilindros 206 e 208 respectivamente. Entre as duas câmaras pode haver um regenerador 408. O regenerador 408 pode ter uma densidade variável, uma área variável, e, em algumas modalidades, é feito de fio. A densidade e a área variáveis do regenerador podem ser ajustadas de modo que o gás de trabalho tenha um fluxo substancialmente uniforme através do regenerador 408. Várias modalidades do regenerador 408 são discutidas em detalhes abaixo, e nas Patentes U.S. N° 6.591.609, emitida em 17 de julho de 2003, de Kamen et al., e N° 6.862.883, emitida em 8 de março de 2005, de Kamen et al., as quais são incorporadas aqui como referência em suas totalidades. Quando o gás de trabalho passa através da câmara quente 404, um cabeçote de aquecedor 410 pode aquecer o gás, fazendo com que o gás se expanda e empurre os pistões 202 e 204 em direção à câmara fria 406, onde o gás se comprime. Conforme o gás se comprime na câmara fria 406, os pistões 202 e 204 podem ser guiados de volta para a câmara quente para passarem pelo ciclo Stirling de novo. O cabeçote de aquecedor 410 pode ser um cabeçote de pino (conforme mostrado na figura 52A a 53B), um cabeçote de aleta (conforme mostrado na figura 56A a 56C), um cabeçote de aleta dobrado (conforme mostrado na figura 56A a 56C), tubos de aquecedor conforme mostrado na figura 4 (também mostrados como 2904 na figura 29), ou qualquer outra modalidade de cabeçote de aquecedor conhecida, incluindo, mas não limitando aquelas descritas abaixo. Várias modalidades de cabeçote de aquecedor 410 são discutidas em detalhes abaixo, e nas Patentes U.S. N° 6.381.958, emitida em 7 de maio de 2002, de Kamen et al., N° 6.543.215, emitida em 8 de
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35/146 abril de 2003, de Langenfeld et al., N° 6.966.182, emitida em 22 de novembro de 2005, de Kamen et al, e N° 7.308.787, emitida em 18 de dezembro de 2007, de LaRocque et al., as quais são incorporadas aqui como referência em suas totalidades.
[00188] Em algumas modalidades, um resfriador 412 pode ser posicionado ao longo do lado dos cilindros 206 e 208 para se resfriar mais o gás que passa através da câmara fria 406. Várias modalidades resfriador 412 são discutidas em detalhes nas seções precedentes, e na Patente U.S. N° 7.325.399, emitida em 5 de fevereiro de 2008, de Strimling et al, o que é incorporado aqui como referência em sua totalidade.
[00189] Em algumas modalidades, pelo menos um selo de pistão 414 pode ser posicionado nos pistões 202 e 204 para selar a seção quente 404 da seção fria 406. Adicionalmente, pelo menos um anel de guia de pistão 416 pode ser posicionado sobre os pistões 202 e 204 para se ajudar a guiar o movimento dos pistões nos seus respectivos cilindros. Várias modalidades de selo de pistão 414 e de anel de guia 416 são descritas em detalhes abaixo, e no Pedido de Patente U.S. N° de Série 10/175.502, depositado em 19 de junho de 2002, publicado em 6 de fevereiro de 2003 (agora abandonado), o que é incorporado aqui como referência em sua totalidade.
[00190] Em algumas modalidades, pelo menos um selo de haste de pistão 418 pode ser posicionado contra as hastes de pistão 224 e 228 para se evitar que o gás de trabalho escape para o cárter 400, ou alternativamente para o espaço de retenção de ar 420. Um selo de haste de pistão 418 pode ser um selo de elastômero, ou um selo carregado por mola. Várias modalidades do selo de haste de pistão 418 são discutidas em detalhes abaixo.
[00191] Em algumas modalidades, o espaço de retenção de ar pode ser eliminado, por exemplo, nas modalidades de diafragma cilíndri
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36/146 co e/ou fole descritas em maiores detalhes abaixo. Nesses casos, os selos de haste de pistão 224 e 228 selam o espaço de trabalho do cárter.
[00192] Em algumas modalidades, pelo menos um diafragma cilíndrico/fole 422 pode estar localizado ao longo das hastes de pistão 224 e 228 para se evitar que o gás de retenção de ar escape para o cárter 400. Várias modalidades de diafragma cilíndrico 422 são discutidas em maiores detalhes abaixo.
[00193] Embora a figura 4 mostre uma seção transversal de motor 300 descrevendo apenas dois pistões e um acionamento de balancim, é para ser entendido que os princípios de operação descritos aqui podem se aplicar a um motor de acionamento de balancim duplo de quatro cilindros, conforme designado geralmente pelo número 800 na figura 8.
Operação de Pistão [00194] Com referência, agora, às figuras 8 e 11, a figura 11 mostra a operação dos pistões 802, 804, 806, e 808 durante uma revolução de árvore de manivelas 814. Com um ¼ de revolução de árvore de manivelas 814, o pistão 802 está no topo de seu cilindro, de outra forma conhecido como ponto morto de topo, o pistão 806 está em um curso médio para cima, o pistão 804 está no fundo de seu cilindro, também conhecido de outra forma como ponto morto de fundo, e o pistão 808 está em um curso médio para baixo. Com ½ revolução de árvore de manivelas 814, o pistão 802 está no curso médio para baixo, o pistão 806 está no ponto morto de topo, o pistão 804 está no curso médio para cima, e o pistão 808 está no ponto morto de fundo. Com 3Λ de revolução de árvore de manivelas 814, o pistão 802 está no ponto morto de fundo, o pistão 806 está no curso médio para baixo, o pistão 804 está no ponto morto de topo, e o pistão 808 está no curso médio para cima. Finalmente, com uma revolução completa de árvore de
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37/146 manivelas 814, o pistão 802 está no curso médio para cima, o pistão 806 está no ponto morto de fundo, o pistão 804 está no curso médio para baixo, e o pistão 808 está no ponto morto de topo. Durante cada 1/4 de revolução, há uma diferença de fase de 90 graus entre pistões 802 e 806, uma diferença de fase de 180 graus entre pistões 802 e 804, e uma diferença de fase de 270 graus entre pistões 802 e 808. A figura 12A ilustra a relação dos pistões estando aproximadamente 90 graus fora de fase com o pistão precedente e ou sucessivo. Adicionalmente, a figura 11 mostra o meio de transferência de trabalho de máquina da modalidade de exemplo. Assim, o trabalho é transferido do pistão 802 para o pistão 806 para o pistão 804 para o pistão 808 de modo que com uma revolução completa de árvore de manivelas 814, todos os pistões tenham exercido trabalho pelo movimento do topo para o fundo de seus respectivos cilindros.
[00195] Com referência, agora, à figura 11, em conjunto com as figuras 12A-12C, é ilustrada a diferença de fase de 90 graus entre os pistões na modalidade de exemplo. Com referência, agora, à figura 12A, embora os cilindros sejam mostrados em um percurso linear, isto é para fins de ilustração apenas. Na modalidade de exemplo de uma máquina de ciclo Stirling de quatro cilindros, o percurso de fluxo do gás de trabalho contido no espaço de trabalho de cilindro segue um padrão de número oito. Assim, os espaços de trabalho dos cilindros 1200, 1202, 1204, e 1206 são conectados em um padrão de número oito, por exemplo, a partir do cilindro 1200 para o cilindro 1202 para o cilindro 1204 para o cilindro 1208, o padrão de fluxo de fluido segue um número oito. Ainda com referência à figura 12A, uma vista desenvolvida dos cilindros 1200, 1202, 1204, e 1206, tomada ao longo da linha B-B (descrita na figura 12C) é ilustrada. A diferença de fase de 90 graus entre pistões conforme descrito acima permite que o gás de trabalho na seção aquecida 1212 do cilindro 1204 seja entregue para a
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38/146 seção fria 1222 do cilindro 1206. Como os pistões 802 e 808 são 90 graus fora de fase, o gás de trabalho na seção aquecida 1214 do cilindro 1206 entregue para a seção fria 1216 do cilindro 1200. Como o pistão 802 e o pistão 806 também estão 90 graus fora de fase, o gás de trabalho na seção aquecida 1208 do cilindro 1200 é entregue para a seção fria 1218 do cilindro 1202. E como o pistão 804 e o pistão 806 também estão 90 graus fora de fase, então o gás de trabalho na seção aquecida 1210 do cilindro 1202 é entregue para a seção fria 1220 do cilindro 1204. Uma vez que o gás de trabalho da seção aquecida de um primeiro cilindro entre na seção fria de um segundo cilindro, o gás de trabalho começa a se comprimir, e o pistão no segundo cilindro, em seu curso para baixo, após isso, força o gás de trabalho comprimido de volta através de um regenerador 1224 e cabeçote de aquecedor 1226 (mostrados na figura 12B), e de volta para a seção aquecida do primeiro cilindro. Uma vez dentro da seção aquecida do primeiro cilindro, o gás se expande e aciona o pistão dentro daquele cilindro para baixo, desse modo fazendo com que o gás de trabalho na seção fria daquele primeiro cilindro seja dirigido através do regenerador e cabeçote de aquecedor precedente, e para o cilindro. Esta característica de transmigração cíclica do gás de trabalho entre os cilindros 1200, 1202, 1204, e 1206 é possível porque pistões 802, 804, 806, e 808 são conectados, através dos acionamentos 810 e 812, a uma árvore de manivelas comum 814 (descrita na figura 11), de forma tal que o movimento cíclico de cada pistão seja avançado aproximadamente 90 graus em relação ao movimento do pistão precedente, conforme descrito na figura 12A.
Diafragma Cilíndrico, Fole de Metal, Retenção de Ar, e Regulador de Pressão [00196] Em algumas modalidades da máquina de ciclo Stirling, um fluido de lubrificação é usado. Para se evitar que o fluido de lubrificaPetição 870190094882, de 23/09/2019, pág. 44/160
39/146 ção escape do cárter, um selo é usado.
[00197] Com referência, agora, às figuras 13A-15, algumas modalidades da máquina de ciclo Stirling incluem um acionamento de balancim lubrificado um fluido que utiliza um diafragma cilíndrico 1300 posicionado ao longo da haste de pistão 1302 para se evitar que o fluido de lubrificação escape do cárter, não mostrado, mas os componentes que são alojados no cárter são representados como 1304, e áreas de entrada do motor que podem ser danificadas pelo fluido de lubrificação. É benéfico conter o fluido de lubrificação, pois se o fluido de lubrificação entrar no espaço de trabalho, não mostrado, mas os componentes que são alojados no espaço de trabalho são representados como 1306, ele contaminaria o fluido de trabalho, entraria em contato com o regenerador 1308, e poderia entupir o regenerador 1308. O diafragma cilíndrico 1300 pode ser feito de um material de elastômero, tal como borracha ou borracha reforçada com tecido tecido ou tecido nãotecido, para a provisão de rigidez. O diafragma cilíndrico 1300 alternativamente pode ser feito de outros materiais, tais como fluorossilicone ou nitrila com tecido tecido ou tecido não-tecido. O diafragma cilíndrico 1300 também pode ser feito de nanotubos de carbono ou de tecido picado, o qual é um tecido não-tecido com fibras de poliéster ou KEVLAR®, por exemplo, dispersas em um elastômero. Em algumas modalidades, o diafragma cilíndrico 1300 é suportado pelo pistão de selo de topo 1328 e pelo pistão de selo de fundo 1310. Em outras modalidades, o diafragma cilíndrico 1300 conforme mostrado na figura 13A é suportado através de entalhes no pistão de selo de topo 1328.
[00198] Em algumas modalidades, um diferencial de pressão é imposto através do diafragma cilíndrico 1300 de modo que a pressão acima do selo 1300 seja diferente da pressão no cárter 1304. Este diferencial de pressão infla o selo 1300 e permite que o selo 1300 atue como um selo dinâmico, conforme o diferencial de pressão garantir
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40/146 que o diafragma cilíndrico mantenha sua forma por toda a operação. A figura 13A e as figuras 13C-13H ilustram como o diferencial de pressão afeta o diafragma cilíndrico. O diferencial de pressão faz com que o diafragma cilíndrico 1300 se conforme ao formato do pistão de selo de fundo 1310 conforme ele se mover com a haste de pistão 1302, e impede uma separação do selo 1300 da superfície do pistão 1310 durante uma operação. Essa separação pode causar uma falha de selo. O diferencial de pressão faz com que o diafragma cilíndrico 1300 mantenha um contato constante com o pistão de selo de fundo 1310 conforme ele se mover com a haste de pistão 1302. Isto ocorre porque um lado do selo 1300 sempre terá uma pressão exercida sobre ele, desse modo inflando o selo 1300 para se conformar à superfície do pistão de selo de fundo 1310. Em algumas modalidades, o pistão de selo de topo 1328 ‘se enrola' nos cantos do diafragma cilíndrico 1300 que estão em contato com o pistão de selo de fundo 1310, de modo a se manter mais o selo 1300 em contato com o pistão de selo de fundo 1310. Na modalidade de exemplo, o diferencial de pressão está na faixa de 10 a 15 psi (68,9 a 103,4 kPa). A pressão menor no diferencial de pressão preferencialmente está no cárter 1304, de modo que o diafragma cilíndrico 1300 possa ser inflado para o cárter 1304. Contudo, em outras modalidades, o diferencial de pressão pode ter uma faixa maior ou menor de valores.
[00199] O diferencial de pressão pode ser criado por vários métodos incluindo, mas não limitando o uso do seguinte: um sistema de lubrificação pressurizado, uma bomba pneumática, sensores, uma bomba elétrica, pela oscilação do balancim para a criação de uma elevação de pressão no cárter 1304, pela criação de uma carga eletrostática sobre o diafragma cilíndrico 1300, ou outros métodos similares. Em algumas modalidades, o diferencial de pressão é criado pela pressurização do cárter 1304 para uma pressão que esteja abaixo da pres
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41/146 são média do espaço de trabalho 1306. Em algumas modalidades o cárter 1304 é pressurizado para uma pressão na faixa de 68,9 a 103,4 kPa (10 a 15 psi) abaixo da pressão média do espaço de trabalho 1306, embora, em várias outras modalidades, o diferencial de pressão possa ser maior ou menor. Maiores detalhes referentes ao diafragma cilíndrico são incluídos abaixo.
[00200] Com referência, agora, às figuras 13C, 13G, e 13H, contudo, uma outra modalidade da Stirling máquina é descrita, onde o espaço de retenção de ar 1312 está localizado entre o espaço de trabalho 1306 e o cárter 1304. O espaço de retenção de ar 1312 mantém um volume constante e uma pressão necessária para a criação do diferencial de pressão necessário para o funcionamento do diafragma cilíndrico 1300 conforme descrito acima. Em uma modalidade, a retenção de ar 1312 não é absolutamente selada em relação ao espaço de trabalho 1306, de modo que a pressão da retenção de ar 1312 seja igual à pressão média do espaço de trabalho 1306. Assim, em algumas modalidades, a falta de um selo efetivo entre o espaço de trabalho e o cárter contribui para a necessidade de um espaço de retenção de ar. Assim, o espaço de retenção de ar, em algumas modalidades, pode ser eliminado por um selo mais eficiente e efetivo.
[00201] Durante uma operação, a pressão média do espaço de trabalho 1306 pode variar de modo a se fazer com que a pressão média de retenção de ar 1312 varie também. Uma razão pela qual a pressão pode tender a variar é que, durante uma operação, o espaço de trabalho pode ficar mais quente, o que, por sua vez, pode aumentar a pressão no espaço de trabalho, e, consequentemente, na retenção de ar também, uma vez que a retenção de ar e o espaço de trabalho estão em comunicação de fluido. Em um caso como esse, o diferencial de pressão entre a retenção de ar 1312 e o cárter 1304 também variará, desse modo causando tensões desnecessárias nos diafragmas cilín
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42/146 dricos 1300 que podem levar a uma falha de selo. Portanto, em algumas modalidades da máquina, a pressão média na retenção de ar 1312 é regulada de modo a se manter um diferencial de pressão desejado constante entre a retenção de ar 1312 e o cárter 1304, e garantindo que os diafragmas cilíndricos 1300 fiquem inflados e mantenham sua forma. Em algumas modalidades, um transdutor de pressão é usado para monitoração e gerenciamento do diferencial de pressão entre a retenção de ar e o cárter, e para regulagem da pressão de modo conforme, de modo a se manter um diferencial de pressão constante entre a retenção de ar e o cárter. Várias modalidades do regulador de pressão que podem ser usadas são descritas em maiores detalhes abaixo, e na Patente U.S. N° 7.310.945, emitida em 25 de dezembro 2007, de Gurski et al., o que é incorporado aqui como referência em sua totalidade.
[00202] Um diferencial de pressão constante entre a retenção de ar 1312 e o cárter 1304 pode ser obtido pela adição ou pela remoção do fluido de trabalho da retenção de ar 1312 através de uma bomba ou de uma válvula de alívio. Alternativamente, um diferencial de pressão constante entre a retenção de ar 1312 e o cárter 1304 pode ser obtido pela adição ou pela remoção do fluido de trabalho do cárter 1304 através de uma bomba ou de uma válvula de alívio. A bomba e a válvula de alívio podem ser controladas pelo regulador de pressão. O fluido de trabalho pode ser adicionado à retenção de ar 1312 (ou ao cárter 1304) a partir de uma fonte em separado, tal como um recipiente de fluido de trabalho, ou pode ser transferido a partir do cárter 1304. Caso o fluido de trabalho seja transferido a partir do cárter 1304 para a retenção de ar 1312, pode ser desejável filtrar o fluido de trabalho, antes de passá-lo para a retenção de ar 1312, de modo a se evitar que qualquer lubrificante passe a partir do cárter 1304 para a retenção de ar 1312, e, finalmente, para o espaço de trabalho 1306, já que isso pode
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43/146 resultar em uma falha de motor.
[00203] Em algumas modalidades da máquina, o cárter 1304 pode ser carregado com um fluido tendo quaisquer térmicas diferentes do fluido de trabalho. Por exemplo, quando o gás de trabalho é hélio ou hidrogênio, o cárter pode ser carregado com argônio. Assim, o cárter é pressurizado. Em algumas modalidades, hélio é usado, mas, em outras modalidades, qualquer gás inerte, conforme descrito aqui, pode ser usado. Assim, o cárter é um cárter pressurizado úmido na modalidade de exemplo. Em outras modalidades em que um fluido de lubrificação não é usado, o cárter não é úmido.
[00204] Nas modalidades de exemplo, os diafragmas cilíndricos 1300 não permitem que um gás ou líquido passe através deles, o que permite que o espaço de trabalho 1306 permaneça seco e o cárter 1304 seja deixado úmido com um fluido de lubrificação. Permitir um cárter úmido 1304 aumenta a eficiência e a vida do motor, já que há menos atrito nos acionamentos de balancim 1316. Em algumas modalidades, o uso de mancais de rolamento ou de mancais de esferas nos acionamentos 1316 também pode ser eliminado com o uso do fluido de lubrificação e de diafragmas cilíndricos 1300. Isto pode reduzir mais o ruído do motor e aumentar a vida e a eficiência do motor.
[00205] As figuras 14A-14E mostram seções transversais de várias modalidades do diafragma cilíndrico (mostrado como 1400, 1410,
1412, 1422 e 1424) configurado para ser montado entre o pistão de selo de topo e o pistão de selo de fundo (mostrado como 1328 e 1310 nas figuras 13A e 13H), e entre uma superfície de montagem de topo e uma superfície de montagem de fundo (descritas como 1320 e 1318 na figura 13A). Em algumas modalidades, a superfície de montagem de topo pode ser a superfície de uma retenção de ar ou de um espaço de trabalho, e a superfície de montagem de fundo pode ser a superfície de um cárter.
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44/146 [00206] A figura 14A mostra uma modalidade do diafragma cilíndrico 1400, em que o diafragma cilíndrico 1400 inclui uma extremidade interna plana 1402 que pode ser posicionada entre um pistão de selo de topo e um pistão de selo de fundo, de modo a se formar um selo entre o pistão de selo de topo e o pistão de selo de fundo. O diafragma cilíndrico 1400 também inclui uma extremidade externa plana 1404 que pode ser posicionada entre uma superfície de montagem de topo e uma superfície de montagem de fundo, de modo a se formar um selo entre a superfície de montagem de topo e a superfície de montagem de fundo. A figura 14B mostra uma outra modalidade do diafragma cilíndrico, em que o diafragma cilíndrico 1410 pode incluir uma pluralidade de curvas 1408 levando à extremidade interna plana 1406 para a provisão de suporte adicional e contato de vedação entre o pistão de selo de topo e o pistão de selo de fundo. A figura 14C mostra uma outra modalidade do diafragma cilíndrico, em que o diafragma cilíndrico 1412 inclui uma pluralidade de curvas 1416 levando à extremidade externa plana 1414 para a provisão de suporte adicional e contato de vedação entre a superfície de montagem de topo e a superfície de montagem de fundo.
[00207] A figura 14D mostra uma outra modalidade do diafragma cilíndrico em que o diafragma cilíndrico 1422 inclui um friso ao longo de uma extremidade interna 1420 do mesmo, de modo a formar um selo tipo de ‘anel em O' entre um pistão de selo de topo e um pistão de selo de fundo, e um friso ao longo de uma extremidade externa 1418 do mesmo, de modo a formar um selo tipo de ‘anel em O' entre uma superfície de montagem de fundo e uma superfície de montagem de topo. A figura 14E mostra uma outra modalidade do diafragma cilíndrico, em que o diafragma cilíndrico 1424 inclui uma pluralidade de frisos 1428 levando até uma extremidade interna com friso 1426 para a provisão de suporte adicional e contato de vedação entre o pistão de selo
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45/146 de topo e o pistão de selo de fundo. O diafragma cilíndrico 1424 também pode incluir uma pluralidade de curvas 1430 levando até uma extremidade externa com friso 1432 para a provisão de suporte adicional e contato de vedação entre o pistão de selo de topo e o pistão de selo de fundo.
[00208] Embora as figuras 14A a 14E descrevam várias modalidades do diafragma cilíndrico, é para ser entendido que diafragmas cilíndricos podem ser mantidos no lugar por qualquer meio mecânico conhecido na técnica.
[00209] Com referência, agora, à figura 15A, uma seção transversal mostra uma modalidade da modalidade de diafragma cilíndrico. Um fole de metal 1500 é posicionado ao longo de uma haste de pistão 1502 para vedação de um cárter (mostrado como 1304 na figura 13G) de um espaço de trabalho ou uma retenção de ar (mostrados como 1306 e 1312 na figura 13G). O fole de metal 1500 pode ser afixado ao pistão de selo de topo 1504 e a uma superfície de montagem estacionária 1506. Alternativamente, o fole de metal 1500 pode ser afixado a um pistão de selo de fundo (não mostrado), e a uma superfície de montagem estacionária de topo. Em uma modalidade, a superfície de montagem estacionária de fundo pode ser uma superfície de cárter ou uma superfície interna de retenção de ar ou de espaço de trabalho, e a superfície de montagem estacionária de topo pode ser uma superfície interna de cárter, ou uma superfície externa de retenção de ar ou de espaço de trabalho. O fole de metal 1500 pode ser afixado por soldagem, brasagem ou qualquer outro meio mecânico conhecido na técnica.
[00210] As figuras 15B-15G descrevem uma vista em perspectiva em seção transversal de várias modalidades do fole de metal, onde o fole de metal é um fole de metal soldado 1508. Em algumas modalidades do fole de metal, o fole de metal preferencialmente é um fole de
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46/146 metal microssoldado. Em algumas modalidades, o fole de metal soldado 1508 inclui uma pluralidade de diafragmas 1510, os quais são soldados a cada outro em uma extremidade interna 1512 ou em uma extremidade externa 1514, conforme mostrado nas figuras 15C e 15D. Em algumas modalidades, os diafragmas 1510 podem ser em formato de crescente 1516, planos 1518, ondulados 1520, ou em qualquer outro formato conhecido na técnica.
[00211] Adicionalmente, o fole de metal alternativamente pode ser formado mecanicamente por meios tais como uma formação em matriz, hidroformação, hidroformação explosiva, hidromoldagem, ou qualquer outro meio conhecido na técnica.
[00212] O fole de metal pode ser feito de qualquer tipo de metal, incluindo, mas não limitando, aço, aço inoxidável, aço inoxidável 374, aço inoxidável AM-350, Inconel, Hastelloy, Haynes, titânio ou qualquer outro material de alta resistência e resistente à corrosão.
[00213] Em uma modalidade, os foles de metal usados são aqueles disponíveis a partir da Senior Aerospace Metal Bellows Division, Sharon, MA, ou American BOA, Inc., Cumming, GA.
Modalidades de Diafragma Cilíndrico e/ou Fole [00214] Várias modalidades do diafragma cilíndrico e/ou fole, os quais funcionam para vedação, são descritas acima. Modalidades adicionais serão evidentes para aqueles versado na técnica, com base com base na descrição acima e na descrição adicional abaixo com referência a parâmetros do diafragma cilíndrico e/ou fole.
[00215] Em algumas modalidades, a pressão no topo do diafragma cilíndrico ou fole, no espaço de retenção de ar ou na área de retenção de ar (ambos os termos são usados de forma intercambiável), é a pressão de gás de trabalho média para a máquina, o que, em algumas modalidades é um motor, enquanto a pressão abaixo do diafragma cilíndrico e/ou do fole, na área do cárter, é a pressão ambien
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47/146 te/atmosférica. Nestas modalidades, é requerido que o diafragma cilíndrico e/ou fole opere com tanto quanto 20,684 MPa (3000 psi) através deles (e em algumas modalidades, de até 10,34 MPa (1500 psi) ou mais alta). Neste caso, o selo de diafragma cilíndrico e/ou fole forma a barreira de contenção de gás de trabalho (hélio, hidrogênio, ou de outra forma) para a máquina (motor na modalidade de exemplo). Também, nestas modalidades, a necessidade de um vaso estrutural pesado classificado por pressão para contenção da extremidade de fundo do motor é eliminada, uma vez que, agora, é requerido simplesmente conter o fluido de lubrificação (um óleo é usado como um fluido de lubrificação na modalidade de exemplo) e ar à pressão ambiente, como um motor de combustão interna (IC) convencional.
[00216] A capacidade de usar um selo de diafragma cilíndrico e/ou fole com uma pressão extrema como essa depende da interação de vários parâmetros. Com referência, agora, à figura 15H, uma ilustração da carga real sobre o material de diafragma cilíndrico ou fole é descrita. Conforme mostrado, a carga é uma função do diferencial de pressão e da área de espaço anular para o selo instalado de diafragma cilíndrico ou fole.
[00217] A Região 1 representa as porções do diafragma cilíndrico e/ou fole que estão em contato com as paredes formadas pelo pistão e pelo cilindro. A carga é essencialmente uma carga de tração na direção axial, devido ao diferencial de pressão através do diafragma cilíndrico e/ou do fole. Esta carga de tração devido a uma pressão através do diafragma cilíndrico e/ou fole pode ser expressa como:
Lt = Pd * Aa onde
Lt = Carga de tração e
Pd = Diferencial de pressão
Aa = Área anular
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48/146 e
Aa = p/4 * (D2 - d2) onde
D = Furo de Cilindro d = Diâmetro de pistão [00218] O componente de tração da tensão no material de fole pode ser aproximada como:
St = Lt/(p * (D+d) * tb)
O que se reduz para:
St = Pd /4 * (D-d)/tb [00219] Mais tarde, será mostrado a relação de raio de convolução, Rc, com o Furo de Cilindro (D) e o Diâmetro de pistão (d) sendo definida como:
Rc = (D-d)/4 [00220] Então, esta fórmula para St se reduz para sua forma final:
St = Pd * Rc/tb onde tb = espessura de material de fole [00221] Ainda com referência à figura 15H, a Região 2 representa a convolução. Conforme o material do diafragma cilíndrico e/ou fole faz a curva, na convolução, a tensão circunferencial imposta ao material do diafragma cilíndrico e/ou fole pode ser calculada. Para a seção do fole que forma a convolução, a componente circunferencial de tensão pode ser aproximada de perto como:
Sh = Pd * Rc/tb [00222] O vão anular em que o diafragma cilíndrico e/ou o fole rolam geralmente é referido como a área de convolução. A vida quanto à fadiga do diafragma cilíndrico e/ou do fole geralmente é limitada pela tensão combinada da carga de tração (e circunferencial), devido a um diferencial de pressão, bem como à fadiga devido à flexão conforme o
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49/146 tecido se enrola através da convolução. O raio que o tecido assume durante este ‘enrolamento’ é definido aqui como o raio de convolução, Rc.
Rc = (D-d)/4 [00223] A tensão de flexão, Sb, no material do diafragma cilíndrico e/ou do fole conforme ele se enrola através do raio de convolução, Rc, é uma função daquele raio, bem como da espessura dos materiais na flexão. Para um material reforçado com fibra, a tensão nas fibras em si (durante a deflexão prescrita nas modalidades de exemplo) é reduzida conforme o diâmetro de fibra diminui. A tensão resultante mais baixa para o mesmo nível de flexão permite um limite de vida à fadiga aumentado. Conforme o diâmetro de fibra é adicionalmente reduzido, uma flexibilidade para diminuição do raio de convolução Rc é obtida, enquanto se mantém a tensão de flexão na fibra abaixo de seu limite de resistência à fadiga. Ao mesmo tempo, conforme Rc diminui, a carga de tração sobre o tecido é reduzida, uma vez que há menos área não suportada no espaço anular entre o pistão e o cilindro. Quanto menor o diâmetro de fibra, menor o Rc mínimo, menor a área anular, o que resulta em um diferencial de pressão admissível mais alto.
[00224] Para uma flexão em torno de um raio prescrito, o momento à flexão é aproximado por:
M = E * I/R onde:
M = Momento à flexão
E = Módulo elástico
I = Momento de inércia
R = Raio de flexão [00225] A tensão de flexão clássica, Sb, é calculada como:
Sb = M * Y/I onde:
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Y = Distância acima do eixo neutro de flexão [00226] Uma substituição produz:
Sb = (E * I/R) * Y/I
Sb = E * Y/R [00227] Assumindo que a flexão seja em torno de um eixo neutro central:
Y max = tb/2
Sb = E * tb/(2 * R) [00228] Em algumas modalidades, os projetos de diafragma cilíndrico e/ou de fole para um ciclo de vida alto são baseados na geometria, onde a tensão de flexão imposta é mantida em torno de uma ordem de magnitude menor do que o carregamento baseado em pressão (tensões circunferencial e axial). Com base na equação: Sb = E * tb/(2 * R), é claro que uma minimização de tb em proporção direta com Rc não deve aumentar a tensão de flexão. A espessura mínima para as modalidades de exemplo do material do diafragma cilíndrico e/ou do fole ou membrana está relacionada diretamente ao diâmetro de fibra mínimo que é usado no reforço do elastômero. Quanto menores as fibras, menor o Rc resultante para um dado nível de tensão.
[00229] Um outro componente limitante de carga sobre o diafragma cilíndrico e/ou fole é a tensão circunferencial em uma convolução (o que teoricamente é da mesma magnitude que a carga axial suportada pelo pistão ou cilindro). A equação que governa aquela carga é conforme se segue:
Sh = Pd * Rc/tb [00230] Assim, se Rc for diminuído em proporção direta com tb, então hão haverá um aumento de tensão sobre a membrana nesta região. Contudo, se a relação for reduzida de uma maneira que diminua Rc para uma relação maior do que tb, então, os parâmetros deverão ser equilibrados. Assim, uma redução de com respeito a Rc requer que
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51/146 o diafragma cilíndrico e/ou o fole portem uma tensão mais pesada, devido à pressão, mas tende a criar um nível de tensão reduzido, devido à flexão. A carga baseada em pressão é essencialmente constante, de modo que isto pode ser favorável - uma vez que a carga de flexão é cíclica, sendo, portanto, a componente de carga à flexão que finalmente limita a vida quanto à fadiga.
[00231] Para uma redução de tensão de flexão, tb de modo ideal deve estar um mínimo, e Rc de modo ideal deve estar em um máximo. E, de forma ideal, também está em um mínimo. Para redução da tensão circunferencial, Rc de modo ideal é pequeno, e tb de modo ideal é grande.
[00232] Assim, os parâmetros críticos para o material de membrana de diafragma cilíndrico e/ou fole são:
[00233] E, Módulo elástico do material de membrana;
[00234] tb, espessura de membrana (e/ou diâmetro de fibra);
[00235] Sut, resistência à tração final do diafragma cilíndrico e/ou do fole; e [00236] Slcf, à resistência à fadiga limitante do diafragma cilíndrico e/ou do fole.
[00237] Assim, a partir de E, tb e Sut, o Rc mínimo aceitável pode ser calculado. Em seguida, usando-se Rc, Slcf, e tb, o Pd máximo pode ser calculado. Rc pode ser ajustado para deslocamento da orientação dos componentes de carga (tensão) entre a tensão de pressão de regime permanente e a tensão de flexão cíclica. Assim, o material ideal do diafragma cilíndrico e/ou do fole é extremamente fino, extremamente forte à tração e muito flexível à flexão.
[00238] Assim, em algumas modalidades, o material do diafragma cilíndrico e/ou do fole (às vezes referidos como uma membrana), é feito de nanotubos de fibra de carbono. Contudo, materiais de fibra pequena adicionais também podem ser usados, incluindo, mas não
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52/146 limitando fibras de nanotubo que foram trançadas, fibras de fio não torcido de nanotubo, ou quaisquer outros materiais convencionais, incluindo, mas não limitando, KEVLAR, vidro, poliéster, fibras sintéticas e qualquer outro material ou fibra tendo um diâmetro desejável e/ou outros parâmetros desejados, conforme descrito em detalhes acima. Selos de Pistão e Selos de Haste de Pistão [00239] Com referência, agora, à figura 13G, uma modalidade da máquina é descrita, onde um motor 1326, tal como um motor de ciclo Stirling, inclui pelo menos um selo de haste de pistão 1314, um selo de pistão 1324, e um anel de guia de pistão 1322, (mostrado como 1616 na figura 16). Várias modalidades do selo de pistão 1324 e do anel de guia de pistão 1322 são adicionalmente discutidas abaixo, e no Pedido de Patente U.S. N° de Série 10/175.502 (agora abandonado), o qual, conforme mencionado antes, é incorporado como referência.
[00240] A figura 16 mostra uma seção transversal parcial do pistão 1600, dirigida ao longo do eixo geométrico central 1602 de cilindro, ou do cilindro 1604. O selo de pistão (mostrado como 1324 na figura 13G) pode incluir um anel de selo 1606, o qual provê um selo contra a superfície de contato 1608 do cilindro 1604. A superfície de contato 1608 tipicamente é de um metal endurecido (preferencialmente com de 58 a 62 RC) com um acabamento superficial de 12 RMS ou mais liso. A superfície de contato 1608 pode ser de um metal o qual foi cementado superficialmente, tal como um aço endurecido 8260, o qual pode ser facilmente cementado superficialmente e pode ser retificado ou brunido para a obtenção de um acabamento desejado. O selo de pistão também pode incluir um anel de reforço 1610, o qual é carregado com mola para a provisão de uma força de encosto contra o anel de selo 1606, desse modo provendo uma pressão de contato suficiente para se garantir uma vedação em torno da superfície externa inteira do anel de selo 1606. O anel de selo 1606 e o anel de reforço 1610 em conjunPetição 870190094882, de 23/09/2019, pág. 58/160
53/146 to podem ser referidos como um anel composite de selo de pistão. Em algumas modalidades, pelo menos um selo de pistão pode isolar uma porção aquecida do cilindro 1604 de uma porção fria do cilindro 1604. [00241] Com referência, agora, à figura 17, algumas modalidades incluem um selo de haste de pistão (mostrado como 1314 na figura 13G) montado na parede de cilindro de haste de pistão 1700, que, em algumas modalidades, pode incluir um anel de selo 1706, o qual provê um selo contra a superfície de contato 1708 da haste de pistão 1604 (descrita como 1302 na figura 13G). A superfície de contato 1708 em algumas modalidades é de um metal endurecido (preferencialmente com de 58 a 62 RC) com um acabamento superficial de 12 RMS ou mais liso. A superfície de contato 1708 pode ser de metal, o qual foi cementado profundamente, tal como aço endurecido 8260, o qual pode ser facilmente cementado profundamente e pode ser retificado e/ou brunido para a obtenção do acabamento desejado. O selo de pistão também pode incluir um anel de reforço 1710, o qual é carregado por mola para a provisão de uma força radial ou circunferencial contra o anel de selo 1706 desse modo se provendo uma tensão circunferencial de contato suficiente para se garantir uma vedação em torno da superfície interna inteira do anel de selo 1706. O anel de selo 1706 e o anel de reforço 1710 em conjunto podem ser referidos como um anel compósito de selo de haste de pistão.
[00242] Em algumas modalidades, o anel de selo e o anel de reforço podem ser posicionados em uma haste de pistão, com o anel de reforço exercendo uma pressão para fora sobre o anel de selo, e o anel de selo pode entrar em contato com a parede de cilindro de haste de pistão 1702. Estas modalidades requerem um comprimento de cilindro de haste de pistão maior do que a modalidade anterior. Isto é porque a superfície de contato na parede de cilindro de haste de pistão 1702 será mais longa do que na modalidade anterior, em que a super
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54/146 fície de contato 1708 fica sobre a haste de pistão em si. Em ainda uma outra modalidade, os selos de haste de pistão podem ser qualquer selo funcional conhecido na técnica incluindo, mas não limitando um anel em O, um selo de folga de grafita, um pistão de grafita em um cilindro de vidro, ou qualquer espaço de ar, ou um selo de virola energizado com mola. Em algumas modalidades, qualquer coisa tendo uma folga apertada pode ser usada; em outras modalidades, qualquer coisa tendo interferência, por exemplo, um selo, é usada. Na modalidade de exemplo, um selo de virola energizado por mola é usado. Qualquer selo de virola energizado por mola pode ser usado, incluindo aqueles feitos pela BAL SEAL Engineering, Inc., Foothill Ranch, CA. Em algumas modalidades, o selo usado é um BAL SEAL número de catálogo X558604.
[00243] O material dos anéis de selo 1606 e 1706 é escolhido ao se considerar um equilíbrio entre o coeficiente de atrito dos anéis de selo 1606 e 1706 contra as superfícies de contato 1608 e 1708, respectivamente, e o desgaste sobre os anéis de selo 1606 e 1706 que ele engendrar. Em aplicações em que uma lubrificação de pistão não é possível, tal como nas temperaturas de operação altas de um motor de ciclo Stirling, o uso de anéis de plástico de engenharia é feito. As modalidades da composição incluem uma matriz de náilon carregada com um material de lubrificação e resistente a desgaste. Os exemplos desses materiais de lubrificação incluem PTFE/silicone, PTFE, grafita, etc. Os exemplos de materiais resistentes a desgaste incluem fibras de vidro e fibras de carbono. Os exemplos desses plásticos de engenharia são fabricados pela LNP Engineering Plastics, Inc. de Exton, PA. Os anéis de reforço 1610 e 1710 preferencialmente são de metal.
[00244] O ajuste entre os anéis de selo 1606 e 1706 e as ranhuras de anel de selo 1612 e 1712, respectivamente, é preferencialmente um ajuste com folga (de em torno de 50,8 pm (0,002)), enquanto o ajuste
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55/146 dos anéis de reforço 1610 e 1710 preferencialmente é um ajuste mais solto, da ordem de em torno de 127 μm (0,005) em algumas modalidades. Os anéis de selo 1606 e 1706 proveem um selo de pressão contra as superfícies de contato 1608 e 1708, respectivamente, e também uma das superfícies 1614 e 1714 das ranhuras de anel de selo 1612 e 1712, respectivamente, dependendo da direção da diferença de pressão através dos anéis 1606 e 1706 e da direção de curso do pistão 1600 ou da haste de pistão 1704.
[00245] As figuras 18A e 18B mostram que, se o anel de reforço 1820 for essencialmente simétrico em termos circulares, exceto pelo espaço 1800, ele assumirá, quando de uma compressão, um formato oval, conforme mostrado pelo anel de reforço tracejado 1802. O resultado pode ser uma força radial ou circunferencial não-uniforme (descrita pelas setas 1804) exercida sobre o anel de selo (não mostrado, mas mostrado como 1606 e 1706 nas figuras 16 e 17), e, assim, uma pressão não-uniforme dos anéis de selo contra as superfícies de contato (não descritas, descritas como 1608 e 1708 nas figuras 16 e 17), respectivamente, causando um desgaste não-uniforme dos anéis de selo e, em alguns casos, uma falha dos selos.
[00246] Uma solução para o problema de força radial ou circunferencial não-uniforme exercida pelo anel de reforço de selo de pistão 1820, de acordo com uma modalidade, é um anel de reforço 1822 que tem uma seção transversal que varia com o deslocamento circunferencial a partir do vão 1800, conforme mostrado nas figuras 18C e 18D. Um afunilamento da largura do anel de reforço 1822 é mostrado a partir de uma posição denotada pelo número 1806 para a posição denotada pelo número 1808. Também é descrita nas figuras 18C e 18D uma junta sobreposta 1810 provendo um fechamento circunferencial do anel de selo 1606. Como alguns anéis se desgastarão significativamente ao longo de seu tempo de vida, o anel de reforço 1822 deve
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56/146 prover uma pressão uniforme (descrita pelo número 1904 na figura 19B) de uma faixa de movimento. O anel de reforço afunilado 1822 mostrado nas figuras 18C e 18D pode prover esta vantagem.
[00247] As figuras 19A e 19B ilustram uma outra solução para o problema de força radial ou circunferencial não-uniforme do anel de selo de pistão contra o pistão cilindro, de acordo com algumas modalidades. Conforme mostrado na figura 19A, o anel de reforço 1910 é modelado em um formato oval, de modo que mediante uma compressão no cilindro, o anel assuma o formato circular mostrado pelo anel de reforço tracejado 1902. Uma pressão de contato constante entre o anel de selo e a superfície de contato de cilindro assim pode ser provida por uma força radial uniforme 1904 do anel de reforço 1902, conforme mostrado na figura 19B.
[00248] Uma solução para o problema de força radial ou circunferencial não-uniforme exercida por um anel de reforço de selo de haste de pistão, de acordo com algumas modalidades, é um anel de reforço 1824 que tem uma seção transversal que varia com um deslocamento circunferencial a partir do espaço 1812, conforme mostrado nas figuras 18E e 18F. Um afunilamento da largura do anel de reforço 1824 é mostrado a partir da posição denotada pelo número 1814 para a posição denotada pelo número 1816. Também é descrita nas figuras 18E e 18F a junta sobreposta 1818 que provê um fechamento circunferencial do anel de selo 1706. Como alguns selos se desgastarão significativamente ao longo de seu tempo de vida, o anel de reforço 1824 deve prover uma pressão uniforme (descrita pelo número 2004 na figura 20B) de uma faixa de movimento. O anel de reforço afunilado 1824 mostrado nas figuras 18E e 18F pode prover esta vantagem.
[00249] As figuras 20A e 20B ilustram uma outra solução para o problema de força radial ou circunferencial não-uniforme do anel de selo de haste de pistão contra a superfície de contato de haste de pis
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57/146 tão, de acordo com algumas modalidades. Conforme mostrado na figura 20A, o anel de reforço (mostrado pelo anel de reforço tracejado 2000) é modelado como um formato oval, de modo que mediante uma expansão no cilindro, o anel assuma o formato circular mostrado pelo anel de reforço 2002. Uma pressão de contato constante entre o anel de selo 1706 e a superfície de contato de cilindro assim pode ser provida por uma força de encosto radial uniforme 2004 de anel de reforço 2002, conforme mostrado na figura 20B.
[00250] Com referência de novo à figura 16, pelo menos um anel de guia 1616 também pode ser provido, de acordo com algumas modalidades, para suporte de qualquer carga sobre o pistão 1600 conforme ele se mover para cima e para baixo no cilindro 1604. O anel de guia 1616 também é fabricado, preferencialmente, a partir de um material plástico de engenharia carregado com um material de lubrificação. Uma vista em perspectiva do anel de guia 1616 é descrita na figura 21. Uma junta sobreposta 2100 é descrita e pode ser em diagonal com o eixo geométrico central de anel de guia 1616.
Bomba de Fluido de Lubrificação e Passagens de Fluido de Lubrificação [00251] Com referência, agora, à figura 22, uma ilustração representativa de uma modalidade do motor 2200 para a máquina é descrita tendo um acionamento de balancim 2202 e um fluido de lubrificação 2204. Em algumas modalidades, o fluido de lubrificação é um óleo. O fluido de lubrificação é usado para a lubrificação de partes do motor no cárter 2206, tais como mancais lubrificados alimentados com pressão hidrodinâmica. A lubrificação das partes móveis do motor 2200 serve para redução adicional do atrito entre partes do motor e aumenta mais a eficiência do motor e a vida do motor. Em algumas modalidades, o fluido de lubrificação pode ser colocado no fundo do motor, também conhecido como um reservatório de óleo, e distribuído por todo o cár
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58/146 ter. O fluido de lubrificação pode ser distribuído para partes diferentes do motor 2200 por meio de uma bomba de fluido de lubrificação, onde a bomba de fluido de lubrificação pode coletar o fluido de lubrificação a partir do reservatório através de uma entrada filtrada. Na modalidade de exemplo, o fluido de lubrificação é um óleo, e, assim, a bomba de fluido de lubrificação é referida aqui como uma bomba de óleo. Contudo, o termo bomba de óleo é usado apenas para descrição da modalidade de exemplo e outras modalidades em que o óleo é usado como um fluido de lubrificação, e o termo não deve ser construído como limitando o fluido de lubrificação ou a bomba de fluido de lubrificação.
[00252] Com referência, agora, às figuras 23A e 23B, uma modalidade do motor é descrita, em que o fluido de lubrificação é distribuído para partes diferentes do motor 2200 que estão localizadas no cárter 2206 por uma bomba de óleo mecânica 2208. A bomba de óleo 2208 pode incluir uma engrenagem de acionamento 2210 e uma engrenagem louca 2212. Em algumas modalidades, a bomba de óleo mecânica 2208 pode ser acionada por um conjunto de acionamento de bomba. O conjunto de acionamento de bomba pode incluir um eixo de acionamento 2214 acoplado a uma engrenagem de acionamento 2210, onde o eixo de acionamento 2214 inclui uma engrenagem intermediária 2216 ali. A engrenagem intermediária 2216 preferencialmente é acionada pela engrenagem de árvore de manivelas 2220, onde a engrenagem de árvore de manivelas 2220 é acoplada à árvore de manivelas primária 2218 do motor 2200, conforme mostrado na figura 24. Nesta configuração, a árvore de manivelas 2218 indiretamente aciona a bomba de óleo mecânica 2208 através de a engrenagem de árvore de manivelas 2220, a qual aciona a engrenagem intermediária 2216 no eixo de acionamento 2214, o que, por sua vez, aciona a engrenagem de acionamento 2210 da bomba de óleo 2208.
[00253] A engrenagem de árvore de manivelas 2220 pode ser posi
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59/146 cionada entre os moente de virabreduin de virabreduin de virabreduins 2222 e 2224 de árvore de manivelas 2218 em algumas modalidades, conforme mostrado na figura 24. Em outras modalidades, a engrenagem de árvore de manivelas 2220 pode ser posicionada em uma extremidade da árvore de manivelas 2218, conforme mostrado nas figuras 25A - 25C.
[00254] Para facilidade de fabricação, a árvore de manivelas 2218 pode ser composta por uma pluralidade de peças. Nestas modalidades, a engrenagem de árvore de manivelas 2220 pode ser para ser inserida entre as peças de árvore de manivelas durante a montagem da árvore de manivelas.
[00255] O eixo de acionamento 2214, em algumas modalidades, pode ser posicionado perpendicularmente em relação à árvore de manivelas 2218, conforme mostrado nas figuras 23A e 25A. Contudo, em algumas modalidades, o eixo de acionamento 2214 pode ser posicionado paralelo à árvore de manivelas 2218, conforme mostrado nas figuras 25B e 25C.
[00256] Em algumas modalidades, a engrenagem de árvore de manivelas 2234 e a engrenagem intermediária 2232 podem ser rodas dentadas, onde a engrenagem de árvore de manivelas 2234 e a engrenagem intermediária 2232 são acopladas por uma corrente 2226, conforme mostrado nas figuras 25C e 26C. Em uma modalidade como essa, a corrente 2226 é usada para acionamento de uma bomba de acionamento por corrente (descrita como 2600 nas figuras 26A a 26C). [00257] Em algumas modalidades, a relação de transmissão entre a árvore de manivelas 2218 e o eixo de acionamento 2214 permanece constante por toda a operação. Em uma modalidade como essa, é importante ter uma relação de transmissão apropriada entre a árvore de manivelas e o eixo de acionamento, de modo que a relação de transmissão equilibre a velocidade da bomba e a velocidade do motor. Isto
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60/146 obtém um fluxo de lubrificante específico requerido por uma faixa de operação de rpm (revoluções por minuto) de motor em particular.
[00258] Em algumas modalidades, o fluido de lubrificação é distribuído para partes diferentes de um motor por uma bomba elétrica. A bomba elétrica elimina a necessidade de um conjunto de acionamento de bomba, o qual, de outra forma, é requerido pela bomba de óleo mecânica.
[00259] Com referência de volta às figuras 23A e 23B, a bomba de óleo 2208 pode incluir uma entrada 2228 para coletar o fluido de lubrificação a partir do reservatório e uma saída 2230 para entrega de fluido de lubrificação para as várias partes do motor. Em algumas modalidades, a rotação da engrenagem de acionamento 2212 e da engrenagem louca 2210 faz com que o fluido de lubrificação do reservatório seja aspirado para a bomba de óleo através da entrada 2228 e forçado para fora da bomba através da saída 2230. A entrada 2228 preferencialmente inclui um filtro para remoção de particulados que podem ser encontrados no fluido de lubrificação, antes de ele ser aspirado para a bomba de óleo. Em algumas modalidades, a entrada 2228 pode ser conectada ao reservatório através de um tubo, um cano ou de uma mangueira. Em algumas modalidades, a entrada 2228 pode estar em comunicação de fluido direta com o reservatório.
[00260] Em algumas modalidades, a saída de bomba de óleo 2230 é conectada a uma série de passagens nas várias partes de motor, através das quais o fluido de lubrificação é entregue para as várias partes de motor. A saída 2230 pode ser integrada com as passagens de modo a estar em comunicação direta com as passagens, ou pode ser conectada às passagens através de uma mangueira ou de um tubo, ou de uma pluralidade de mangueiras ou tubos. As séries de passagens preferencialmente são uma rede interconectada de passagens, de modo que a saída 2230 possa ser conectada a uma única entrada
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61/146 de passagem e ainda ser capaz de entregar o fluido de lubrificação para as partes lubrificadas do motor.
[00261] As figuras 27A-27D mostram uma modalidade, onde a saída de bomba de óleo (descrita como 2230 na figura 23B) é conectada a uma passagem 2700 no eixo de balancim 2702 do acionamento de balancim 2704. A passagem de eixo de balancim 2700 entrega o fluido de lubrificação para os mancais de pivô de balancim 2706, e é conectada a e entrega o fluido de lubrificação às passagens de balancim (não descritas). As passagens de balancim entregam o fluido de lubrificação para os mancais de pino de êmbolo de conexão 2708, os mancais de haste de tucho 2710, e as passagens de haste de tucho 2712. As passagens de haste de tucho 2712 entregam o fluido de lubrificação ao mancal de acoplamento de haste de pistão 2714. A passagem de haste (não descrita) da haste 2720 entrega o fluido de lubrificação para um primeiro moente de virabreduin de virabreduin de virabreduin 2722 e a passagem de árvore de manivelas 2724 da árvore de manivelas 2726. A passagem de árvore de manivelas 2724 entrega o fluido de lubrificação para os coxins de mancal de árvore de manivelas 2728, o segundo mancal de moente de virabreduin de virabreduin de virabreduin 2730, e a passagem de eixo estriado 2732. A passagem de eixo estriado 2732 entrega o fluido de lubrificação para as juntas de estria de eixo estriado 2734 e 2736. A saída de bomba de óleo (não descrita, descrita na figura 23B como 2230) em algumas modalidades é conectada à alimentação principal 2740. Em algumas modalidades, uma saída de bomba de óleo também pode ser conectada a e prover o fluido de lubrificação para os mancais lineares de junta de acoplamento 2738. Em algumas modalidades, uma saída de bomba de óleo pode ser conectada aos mancais lineares 2738 através de um tubo ou de uma mangueira ou de uma pluralidade de tubos ou mangueiras. Alternativamente, as passagens de haste de tucho 2712 podem entregar o
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62/146 fluido de lubrificação para os mancais lineares 2738.
[00262] Assim, a alimentação principal 2740 entrega o fluido de lubrificação para as superfícies de coxins de mancal 2728. A partir das superfícies de coxim de mancal 2728, o fluido de lubrificação é entregue para a passagem principal de árvore de manivelas. A passagem principal de árvore de manivelas entrega o fluido de lubrificação para a passagem de eixo estriado 2732 e para o mancal de haste no moente de virabreduin de virabreduin de virabreduin 2724.
[00263] O fluido de lubrificação é entregue de volta para o reservatório, preferencialmente pelo fluxo para fora dos mancais mencionados anteriormente e para o reservatório. No reservatório, o fluido de lubrificação será coletado pela bomba de óleo e redistribuído por todo o motor.
Trocador de Calor de Tubo [00264] Os motores de combustão externa, tais como, por exemplo, motores de ciclo Stirling, podem usar cabeçotes de aquecedor de tubo para a obtenção de uma potência alta. A figura 28 é uma vista em seção transversal de um cilindro e cabeçote de aquecedor de tubo motor de ciclo Stirling ilustrativo. Uma configuração típica de um cabeçote de aquecedor de tubo 2800, conforme mostrado na figura 28, usa uma gaiola de tubos de aquecedor em formato de U 2802 circundando uma câmara de combustão 2804. Um cilindro 2806 contém um fluido de trabalho, tal como, por exemplo, hélio. O fluido de trabalho é deslocado pelo pistão 2808 e dirigido através dos tubos de aquecedor 2802. Um queimador 2810 queima uma combinação de combustível e ar para a produção de gases de combustão quentes que são usados para aquecimento do fluido de trabalho através dos tubos de aquecedor 2802 por condução. Os tubos de aquecedor 2802 conectam um regenerador 2812 com o cilindro 2806. O regenerador 2812 pode ser uma matriz de material tendo uma grande relação de volume de superfície
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63/146 para área, o que serve para absorver calor do fluido de trabalho ou para aquecer o fluido de trabalho durante os ciclos do motor. Os tubos de aquecedor 2802 proveem uma alta área superficial e um alto coeficiente de transferência de calor para o fluxo dos gases de combustão diante dos tubos de aquecedor 2802. Várias modalidades de cabeçotes de aquecedor de tubo são discutidas abaixo e nas Patentes U.S. N° 6.543.215 e N° 7.308.787, as quais são incorporadas, conforme mencionado anteriormente, incorporadas como referência em suas totalidades.
[00265] A figura 29 é uma vista lateral em seção transversal de um cabeçote de aquecedor de tubo e um cilindro. O cabeçote de aquecedor 2906 é substancialmente um cilindro tendo uma extremidade fechada 2920 (de outra forma referida como o cabeçote de cilindro) e uma extremidade aberta 2922. A extremidade fechada 2920 inclui uma pluralidade de tubos de aquecedor em formato de U 2904 que são dispostos em um queimador 3036 (mostrado na figura 30). Cada tubo em formato de U 2904 tem uma porção externa 2916 (referida de outra forma aqui como um tubo de aquecedor externo) e uma porção interna 2918 (referida de outra forma aqui como um tubo de aquecedor interno). Os tubos de aquecedor 2904 conectam o cilindro 2902 ao regenerador 2910. O cilindro 2902 é disposto dentro do cabeçote de aquecedor 2906 e também é suportado tipicamente pelo cabeçote de aquecedor 2906. Um pistão 2924 viaja ao longo do interior do cilindro 2902. Conforme o pistão 2924 viaja em direção à extremidade fechada 2920 do cabeçote de aquecedor 2906, o fluido de trabalho dentro do cilindro 2902 é deslocado e feito fluir através dos tubos de aquecedor 2924 e regenerador 2910, conforme ilustrado pelas setas 2930 e 2932 na figura 29. Um flange de queimador 2908 provê uma superfície de afixação para um queimador 3036 (mostrado na figura 30) e um flange resfriador 2912 provê uma superfície de afixação para um resfriador
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64/146 (não mostrado).
[00266] Com referência à figura 30, conforme mencionado acima, a extremidade fechada de cabeçote de aquecedor 3006, que inclui os tubos de aquecedor 3004, é disposta em um queimador 3036 que inclui uma câmara de combustão 3038. Gases de combustão quentes (de outra forma referidos aqui como gases de exaustão) na câmara de combustão 3038 estão em contato térmico direto com tubos de aquecedor 3004 do cabeçote de aquecedor 3006. A energia térmica é transferida por condução a partir dos gases de exaustão para os tubos de aquecedor 3004 e a partir dos tubos de aquecedor 3004 para o fluido de trabalho do motor, tipicamente, hélio. Outros gases, tal como nitrogênio, por exemplo, ou misturas de gases podem ser usados, com um fluido de trabalho preferível tendo alta condutividade térmica e baixa viscosidade. Gases não combustíveis são usados em várias modalidades. O calor é transferido a partir dos gases de exaustão para os tubos de aquecedor 3004 conforme os gases de exaustão fluem em torno das superfícies dos tubos de aquecedor 3004. As setas 3042 mostram a direção radial geral de fluxo dos gases de exaustão. As setas 3040 mostram a direção de fluxo do gás de exaustão conforme ele sai do queimador 3036. Os gases de exaustão saindo do queimador 3036 tendem a superaquecer a parte superior dos tubos de aquecedor 3004 (próximo da curva em U) porque o fluxo dos gases de exaustão é maior próximo da parte superior dos tubos de aquecedor do que no fundo dos tubos de aquecedor (isto é, próximo do fundo do queimador 3036).
[00267] A eficiência geral de um motor de combustão externa é dependente, em parte, da eficiência de transferência de calor entre os gases de combustão e o fluido de trabalho do motor.
[00268] Retornando à figura 29, em geral, os tubos de aquecedor internos 2918 são mais aquecidos do que os tubos de aquecedor ex
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65/146 ternos 2916 por várias centenas de graus Celsius. A potência de queimador e, assim, a quantidade de aquecimento provida para o fluido de trabalho são limitadas, portanto, pelas temperaturas de o tubo de aquecedor interno 2918. A quantidade máxima de calor será transferida para o gás de trabalho, se os tubos de aquecedor internos e externos estiverem aproximadamente à mesma genericamente. Geralmente, em modalidades conforme descrito aqui, um aumento da transferência de calor para os tubos de aquecedor externos ou uma diminuição na taxa de transferência de calor para os tubos de aquecedor internos.
[00269] A figura 31 é uma vista em perspectiva de um concentrador de fluxo de exaustão e de um cabeçote de aquecedor de tubo de acordo com uma modalidade. Uma transferência de calor para um cilindro, tal como um tubo de aquecedor, em fluxo transversal, geralmente está limitada a apenas a metade de montante do tubo. Uma transferência de calor no lado traseiro (ou metade de jusante) do tubo, contudo, é aproximadamente zero, devido à separação de fluxo e a uma recirculação. Um concentrador de fluxo de exaustão 3102 pode ser usado para melhoria da transferência de calor a partir dos gases de exaustão para o lado de jusante dos tubos de aquecedor externos pelo direcionamento do fluxo de gases de exaustão quentes em torno do lado de jusante (isto é, o lado traseiro) dos tubos de aquecedor externos. Conforme mostrado na figura 31, o concentrador de fluxo de exaustão 3102 é um cilindro posicionado fora do banco de tubos de aquecedor 3104. O concentrador de fluxo de exaustão 3102 pode ser fabricado a partir de ligas resistentes a calor, preferencialmente ligas de alto níquel, tais como Inconel 600, Inconel 625, aços inoxidáveis 310 e 316 e, mais preferencialmente, Hastelloy X. As aberturas 3106 no concentrador de fluxo de exaustão 3102 são alinhadas com os tubos de aquecedor externos. As aberturas 3106 podem ser de qualquer
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66/146 número de formatos, tais como uma fenda, um orifício redondo, um orifício oval, um orifício quadrado, etc. Na figura 31, as aberturas 3106 são descritas como fendas. Em algumas modalidades, as fendas 3106 têm uma largura aproximadamente igual ao diâmetro de um tubo de aquecedor 3104. O concentrador de fluxo de exaustão 3102 preferencialmente está a uma distância dos tubos de aquecedor externos equivalente a um ou dois diâmetros de tubo de aquecedor.
[00270] A figura 32 ilustra o fluxo de gases de exaustão usando o concentrador de fluxo de exaustão, conforme mostrado na figura 31. Conforme mencionado acima, a transferência de calor geralmente está limitada ao lado de montante 3210 do tubo de aquecedor 3204. Usando o concentrador de fluxo de exaustão 3202, o fluxo de gás de exaustão é forçado através das aberturas 3206, conforme mostrado pelas setas 3212. Assim sendo conforme mostrado na figura 32, o concentrador de fluxo de exaustão 3202 aumenta o fluxo de gás de exaustão 3212 diante do lado de jusante 3214 dos tubos de aquecedor 3204. O fluxo de gás de exaustão aumentado diante do lado de jusante 3214 dos tubos de aquecedor 3204 melhora a transferência de calor a partir dos gases de exaustão para o lado de jusante 3214 dos tubos de aquecedor 3204. Isto, por sua vez, aumenta a eficiência de transferência de calor para o fluido de trabalho, o que pode aumentar a eficiência geral e a potência do motor.
[00271] Retornando à figura 31, o concentrador de fluxo de exaustão 3102 também pode melhorar a transferência de calor para o lado de jusante dos tubos de aquecedor 3104 por radiação. Com referência à figura 33, dada uma transferência de calor suficiente entre os gases de exaustão e o concentrador de fluxo de exaustão, a temperatura do concentrador de fluxo de exaustão 3302 se aproximará da temperatura dos gases de exaustão. Em algumas modalidades, o concentrador de fluxo de exaustão 3302 não porta qualquer carga, e, portanto, pode
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67/146 operar a 1000°C ou mais. Em contraste, os tubos de aquecedor 3304 geralmente operam a 700°C. Devido à diferença de temperatura, o concentrador de fluxo de exaustão 3302 então pode irradiar termicamente para os tubos de aquecedor muito mais frios 3304 desse modo se aumentando a transferência de calor para os tubos de aquecedor 3304 e o fluido de trabalho do motor. Superfícies de transferência de calor (ou aletas) 3310 podem ser adicionadas ao concentrador de fluxo de exaustão 3302 para se aumentar a quantidade de energia térmica capturada pelo concentrador de fluxo de exaustão 3302 que, então, pode ser transferida para os tubos de aquecedor por radiação. As aletas 3310 são acopladas ao o concentrador de fluxo de exaustão 3302 em posições fora de e entre as aberturas 3306 de modo que o fluxo de gás de exaustão seja dirigido ao longo do concentrador de fluxo de exaustão, desse modo se reduzindo a energia térmica radiante perdida através de cada abertura no concentrador de fluxo de exaustão. As aletas 3310 preferencialmente são afixadas ao concentrador de fluxo de exaustão 3302 através de soldagem por pontos. Alternativamente, as aletas 3310 podem ser soldadas ou brasadas ao concentrador de fluxo de exaustão 3302. As aletas 3310 devem ser fabricadas a partir do mesmo material que o concentrador de fluxo de exaustão 3302 para minimização da expansão térmica diferencial e da subsequente fissuração. As aletas 3310 podem ser fabricadas a partir de ligas resistentes a calor, preferencialmente ligas de alto níquel, tais como Inconel 600, Inconel 625, aços inoxidáveis 310 e 316 e, mais preferencialmente, Hastelloy X.
[00272] Conforme mencionado acima com respeito a figura 30, o fluxo radial dos gases de exaustão a partir do queimador é maior mais próximo da saída do queimador (isto é, a curva em U superior dos tubos de aquecedor). Isto é devido, em parte, ao rodamoinho induzido no fluxo dos gases de exaustão e à súbita expansão conforme os ga
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68/146 ses de exaustão saem do queimador. As altas taxas de gás de exaustão no topo dos tubos de aquecedor criam pontos quentes no topo dos tubos de aquecedor e reduzem o fluxo de gás de exaustão e a transferência de calor para as seções inferiores dos tubos de aquecedor. Um superaquecimento local (pontos quentes podem resultar em uma falha dos tubos de aquecedor e, desse modo, em uma falha do motor. A figura 34 é uma vista em perspectiva de um equalizador axial de fluxo de exaustão de acordo com uma modalidade. O equalizador axial de fluxo de exaustão 3420 é usado para melhoria da distribuição dos gases de exaustão ao longo do eixo geométrico longitudinal dos tubos de aquecedor 3404, conforme os gases de exaustão fluírem radialmente para fora do cabeçote de aquecedor de tubo. (O fluxo radial típico dos gases de exaustão é mostrado na figura 30.) Conforme mostrado na figura 34, o equalizador axial de fluxo de exaustão 3420 é um cilindro com aberturas 3422. Conforme mencionado acima, as aberturas 3422 podem ser de qualquer número de formatos, tais como uma fenda, um orifício redondo, um orifício oval, um orifício quadrado, etc. O equalizador axial de fluxo de exaustão 3420 pode ser fabricado a partir de ligas resistentes a calor, preferencialmente ligas de alto níquel, tais como Inconel 600, Inconel 625, aços inoxidáveis 310 e 316 e, mais preferencialmente, Hastelloy X.
[00273] Em algumas modalidades, o equalizador axial de fluxo de exaustão 3420 é colocado fora dos tubos de aquecedor 3404 e um concentrador de fluxo de exaustão 3402. Alternativamente, o equalizador axial de fluxo de exaustão 3420 pode ser usado por si mesmo (isto é, sem um concentrador de fluxo de exaustão 3402) e colocado fora dos tubos de aquecedor 3404 para melhoria da transferência de calor a partir dos gases de exaustão para os tubos de aquecedor 3404. As aberturas 3422 do equalizador axial de fluxo de exaustão 3420, conforme mostrado na figura 34, são conformadas de modo que elas pro
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69/146 vejam uma abertura maior no fundo dos tubos de aquecedor 3404. Em outras palavras, conforme mostrado na figura 34, a largura das aberturas 3422 aumenta a partir do topo para o fundo ao longo do eixo geométrico longitudinal dos tubos de aquecedor 3404. A área aumentada de fluxo de gás de exaustão através das aberturas 3422 do equalizador axial de fluxo de exaustão 3420 próximo das porções inferiores dos tubos de aquecedor 3404 contrabalança a tendência do fluxo de gás de exaustão de se concentrar próximo do topo dos tubos de aquecedor 3404 e desse modo equaliza a distribuição axial do fluxo radial de gás de exaustão ao longo do eixo geométrico longitudinal dos tubos de aquecedor 3404.
[00274] Em uma outra modalidade, conforme mostrado na figura 35, elementos de espaçamento 3504 podem ser adicionados a um concentrador de fluxo de exaustão 3502 para redução do espaçamento entre os tubos de aquecedor 3506. Alternativamente, os elementos de espaçamento 3504 poderiam ser adicionados a um equalizador axial de fluxo de exaustão 3520 (mostrado na figura 34), quando ele for usado sem o concentrador de fluxo de exaustão 3504. Conforme mostrado na figura 35, os elementos de espaçamento 3504 são posicionados para dentro de e entre as aberturas. Os espaçadores 3504 criam um canal de fluxo de exaustão estrito que força o gás de exaustão a aumentar sua velocidade diante dos lados de tubos de aquecedor 3506. A velocidade aumentada do gás de combustão desse modo aumenta a transferência de calor a partir dos gases de combustão para os tubos de aquecedor 3506. Além disso, os elementos de espaçamento também podem melhorar a transferência de calor para os tubos de aquecedor 3506 por radiação.
[00275] A figura 36 é uma vista lateral em seção transversal de um cabeçote de aquecedor de tubo 3606 e queimador 3608 de acordo com uma modalidade alternativa. Nesta modalidade, uma câmara de
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70/146 combustão de um queimador 3608 é colocada dentro de um conjunto de tubos de aquecedor 3604 as em oposição a acima do conjunto de tubos de aquecedor 3604, conforme mostrado na figura 30. Um revestimento perfurado de câmara de combustão 3615 é colocado entre a câmara de combustão e os tubos de aquecedor 3604. O revestimento perfurado de câmara de combustão 3615 protege os tubos de aquecedor internos de um impacto direto das chamas na câmara de combustão. Como o equalizador axial de fluxo de exaustão 3420, conforme descrito acima com respeito à figura 34, o revestimento perfurado de câmara de combustão 3615 equaliza o fluxo radial de gás de exaustão ao longo do eixo geométrico longitudinal dos tubos de aquecedor 3604 de modo que o fluxo radial de gás de exaustão através do topo dos tubos de aquecedor 3604 (próximo da curva em U) seja aproximadamente equivalente ao fluxo radial de gás de exaustão através do fundo dos tubos de aquecedor 3604. As aberturas no revestimento perfurado de câmara de combustão 3615 são dispostas de modo que os gases de combustão saindo do revestimento perfurado de câmara de combustão 3615 passem entre os tubos de aquecedor internos 3604. O desvio dos gases de combustão para longe do lado de montante dos tubos de aquecedor internos 3604 reduzirá a temperatura do tubo de aquecedor interno, o que, por sua vez, permite uma potência mais alta de queimador e uma potência mais alta de motor. Um concentrador de fluxo de exaustão 3602 pode ser colocado fora dos tubos de aquecedor 3604. O concentrador de fluxo de exaustão 3602 é descrito acima com respeito às figuras 31 e 32.
[00276] Um outro método para aumento da transferência de calor a partir do gás de combustão para os tubos de aquecedor de um cabeçote de aquecedor de tubo, de modo a se transferir calor, por sua vez, para o fluido de trabalho do motor é mostrado na figura 37. A figura 37 é uma vista em perspectiva de um cabeçote de aquecedor de tubo in
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71/146 cluindo aletas de desviadoras de fluxo de acordo com uma modalidade. As aletas de desviadoras de fluxo 3702 são usadas para direcionamento do fluxo de gás de exaustão em torno dos tubos de aquecedor 3704, incluindo o lado de jusante dos tubos de aquecedor 3704, de modo a se aumentar a transferência de calor a partir do gás de exaustão para os tubos de aquecedor 3704. A aleta de desviadoras de fluxo 3702 é termicamente conectada a um tubo de aquecedor 3704 ao longo do comprimento inteiro da aleta de desviadoras de fluxo. Portanto, além de direcionarem o fluxo do gás de exaustão, as aletas de desviadoras de fluxo 3702 aumentam a área superficial para a transferência de calor por condução para os tubos de aquecedor 3704, e, daí, para o fluido de trabalho.
[00277] A figura 38 é uma vista de topo em seção transversal de um cabeçote de aquecedor de tubo incluindo aletas de desviadoras de fluxo de acordo com uma modalidade. Tipicamente, os tubos de aquecedor externos 3806 têm um grande espaçamento entre tubos. Portanto, em algumas modalidades, conforme mostrado na figura 38, as aletas de desviadoras de fluxo 3802 são usadas nos tubos de aquecedor externos 3806. Em uma modalidade alternativa, as aletas de desviadoras de fluxo poderiam ser colocadas nos tubos de aquecedor internos 3808 (também mostrados na figura 39 como 3908). Conforme mostrado na figura 38, um par de aletas de desviadoras de fluxo é conectado a cada tubo de aquecedor externo 3806. Uma aleta de desviadoras de fluxo é afixada ao lado de montante do tubo de aquecedor e uma aleta de desviadoras de fluxo é afixada ao lado de jusante do tubo de aquecedor. Em algumas modalidades, as aletas de desviadoras de fluxo 3802 são em formato de L em seção transversal, conforme mostrado na figura 38. Cada aleta de desviadoras de fluxo 3802 é brasada em um tubo de aquecedor externo de modo que a aleta de desviadoras de fluxo interna (ou de montante) de um tubo de aquecedor se sobrepo
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72/146 nha à aleta de desviadoras de fluxo externa (ou de jusante) de um tubo de aquecedor adjacente, para a formação de um canal de fluxo em serpentina. O percurso do fluxo de gás de exaustão causado pelas aletas de desviadoras de fluxo é mostrado pelas setas 3814. A espessura das aletas de desviadoras de fluxo 3802 diminui o tamanho do canal de fluxo de gás de exaustão, desse modo aumentando a velocidade do fluxo de gás de exaustão. Isto, por sua vez, resulta em uma transferência de calor melhorada para os tubos de aquecedor externos 3806. Conforme mencionado acima, com respeito à figura 37, as aletas de desviadoras de fluxo 3802 também aumentam a área superficial dos tubos de aquecedor externos 3806 para a transferência de calor por condução para os tubos de aquecedor externos 3806.
[00278] A figura 39 é uma vista de topo em seção transversal de uma seção do cabeçote de aquecedor de tubo da figura 37 de acordo com uma modalidade. Conforme mencionado acima, com respeito à figura 38, um par de aletas de desviadoras de fluxo 3902 é brasado em cada um dos tubos de aquecedor externos 3906. Em algumas modalidades, as aletas de desviadoras de fluxo 3902 são afixadas a um tubo de aquecedor externo 3906 usando-se uma brasagem de níquel ao longo do comprimento pleno do tubo de aquecedor. Alternativamente, as aletas de desviadoras de fluxo poderiam ser brasadas com outros materiais de alta temperatura, soldados ou unidos usando-se outras técnicas conhecidas na técnica que proveem uma ligação mecânica e térmica entre a aleta de desviadoras de fluxo e o tubo de aquecedor.
[00279] Uma modalidade alternativa de aletas de desviadoras de fluxo é descrita na figura 40. A figura 40 é uma vista de topo da seção de um cabeçote de aquecedor de tubo incluindo aletas únicas de desviadoras de fluxo de acordo com uma modalidade. Nesta modalidade, uma aleta única de desviadoras de fluxo 4002 é conectada a cada tu
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73/146 bo de aquecedor externo 4004. Em algumas modalidades, as aletas de desviadoras de fluxo 4002 são afixadas a um tubo de aquecedor externo 4004 usando-se uma brasagem de níquel ao longo do comprimento pleno do tubo de aquecedor. Alternativamente, as aletas de desviadoras de fluxo poderiam ser brasadas com outros materiais de alta temperatura, soldados ou unidos usando-se outras técnicas conhecidas na técnica que proveem uma ligação mecânica e térmica entre a aleta de desviadoras de fluxo e o tubo de aquecedor. As aletas de desviadoras de fluxo 4002 são usadas para direcionamento do fluxo de gás de exaustão em torno dos tubos de aquecedor 4004, incluindo o lado de jusante dos tubos de aquecedor 4004. De modo a se aumentar a transferência de calor a partir do gás de exaustão para os tubos de aquecedor 4004, as aletas de desviadoras de fluxo 4002 são termicamente conectadas ao tubo de aquecedor 4004. Portanto, além do direcionamento do fluxo de gás de exaustão, as aletas de desviadoras de fluxo 4002 aumentam a área superficial para a transferência de calor por condução para os tubos de aquecedor 4004, e, daí, para o fluido de trabalho.
[00280] A figura 41 é uma vista de topo em seção transversal da seção de um cabeçote de aquecedor de tubo incluindo as aletas únicas de desviadoras de fluxo, conforme mostrado na figura 40 de acordo com uma modalidade. Conforme mostrado na figura 41, a aleta de desviadoras de fluxo 4110 é colocada sobre o lado de montante de um tubo de aquecedor 4106. A aleta de desviadoras 4110 é conformada de modo a manter uma distância constante a partir do lado de jusante do tubo de aquecedor 4106 e, portanto, melhorar a transferência de calor para o tubo de aquecedor 4106. Em uma modalidade alternativa, as aletas de desviadoras de fluxo poderiam ser colocadas sobre os tubos de aquecedor internos 4108.
[00281] A performance do motor, em termos de potência e eficiên
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74/146 cia, é a mais alta na temperatura mais alta possível do gás de trabalho no volume de expansão do motor. A temperatura máxima de gás de trabalho, contudo, tipicamente é limitada pelas propriedades do cabeçote de aquecedor. Para um motor de combustão externa com um cabeçote de aquecedor de tubo, a temperatura máxima é limitada pelas propriedades metalúrgicas dos tubos de aquecedor. Se os tubos de aquecedor se tornarem quentes demais, eles poderão amolecer e falhar, resultando em uma parada do motor. Alternativamente, em uma temperatura alta demais, os tubos serão severamente oxidados e falharão. Portanto, é importante para a performance do motor controlar a temperatura dos tubos de aquecedor. Um dispositivo de detecção de temperatura, tal como um termopar, poderia ser usado para a medição da temperatura dos tubos de aquecedor. O esquema de montagem de sensor de temperatura pode ligar termicamente o sensor ao tubo de aquecedor e isolar o sensor dos gases de combustão muito mais quentes. O esquema de montagem deve ser suficientemente robusto para suportar o ambiente de oxidação a quente do gás de combustão e a chama impingindo que ocorrerão próximo dos tubos de aquecedor pela vida do cabeçote de aquecedor. Um conjunto de soluções de montagem inclui a brasagem ou soldagem de termopares diretamente nos tubos de aquecedor. Os termopares seriam montados na parte dos tubos de aquecedor exposta ao gás de combustão mais quente. Outros esquemas de montagem possíveis permitem a substituição do sensor de temperatura. Em uma modalidade, o sensor de temperatura é um termopoço termicamente ligado ao tubo de aquecedor. Em uma outra modalidade, o esquema de montagem é um suporte, tal como uma luva, que mantém mecanicamente o sensor de temperatura contra o tubo de aquecedor.
[00282] A figura 42 é uma vista lateral em seção transversal de um cilindro 4204 e um queimador 4210. Um sensor de temperatura 4202 é
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75/146 usado para monitoração da temperatura dos tubos de aquecedor e para prover um feedback para um controlador de combustível (não mostrado) do motor, de modo a se manterem os tubos de aquecedor na temperatura desejada. Em algumas modalidades, os tubos de aquecedor são fabricados usando-se Inconel 625 e a temperatura desejada é de 930°C. A temperatura desejada será diferente para outros materiais de tubo de aquecedor. O sensor de temperatura 4202 deve ser posicionado na parte mais quente e, portanto, limitante dos tubos de aquecedor. Geralmente, a parte mais quente dos tubos de aquecedor será o lado de montante de um tubo de aquecedor interno 4206 próximo do topo do tubo de aquecedor. A figura 42 mostra o posicionamento do sensor de temperatura 4202 no lado de montante de um tubo de aquecedor interno 4206. Em algumas modalidades, conforme mostrado na figura 42, o sensor de temperatura 4202 é grampeado ao tubo de aquecedor com a tira de metal 4212 que é soldada ao tubo de aquecedor, de modo a se prover um bom contato térmico entre o sensor de temperatura 4202 e o tubo de aquecedor 4206. Em uma modalidade, ambos os tubos de aquecedor 4206 e a tira de metal 4212 podem ser de Inconel 625 ou de outras ligas resistentes a calor, tais como Inconel 600, aços inoxidáveis 310 e 316 e Hastelloy X. O sensor de temperatura 4202 deve estar em bom contato térmico com o tubo de aquecedor, pois, caso contrário, poderá ler uma temperatura alta demais e o motor não produzirá tanta potência quanto possível. Em uma modalidade alternativa, a bainha de sensor de temperatura pode ser soldada diretamente ao tubo de aquecedor.
[00283] Em uma outra modalidade, conforme mostrado nas figuras 43A-B, um suporte de sensor de temperatura 4320 é criado com uma tira ou bainha formada de um metal refratário ou resistente à alta temperatura, tal como Inconel, que é ligado ao exterior do tubo de aquecedor 4310. A bainha de suporte de sensor 4320 é formada ou con
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76/146 formada em um canal que, quando afixado ao tubo de aquecedor cria um espaço vazio que acomoda um dispositivo. Em uma modalidade específica, o canal é em formato de V para a acomodação da inserção de um sensor térmico, tal como um dispositivo de termopar. O canal conformado então é ligado ao exterior de um tubo de aquecedor 4310 conforme mostrado na figura 43A.
[00284] A figura 43A mostra a vista lateral da bainha de suporte de sensor 4320 no tubo de aquecedor 4310, enquanto a figura 43B é uma vista ao longo do eixo geométrico da bainha de suporte de sensor 4320. O metal deve ser fino o bastante para se formar, embora espesso o bastante para sobreviver à vida nominal do cabeçote de aquecedor. Em algumas modalidades, o metal tem aproximadamente entre 127 pm (0,005) e 508 pm (0,020) de espessura. O metal pode ser flexionado de modo que a curva seja ao longo do comprimento da tira. Esta bainha em canal em V 4320 então é afixada ao exterior do tubo de aquecedor por uma brasagem à alta temperatura. Antes da brasagem, a bainha pode ser soldada por pontos provisoriamente em vários lugares, para se garantir que a bainha não se mova durante o processo de brasagem, conforme mostrado na figura 43A. Preferencialmente, o composto de brasagem usado durante a brasagem tipicamente é uma liga de níquel alto; contudo, qualquer composto o qual suporte a temperatura de brasagem funcionará. Alternativamente a bainha pode ser ligada ao tubo de aquecedor por soldagem por um feixe de elétrons ou a laser.
[00285] Agora, com referência à figura 43B, uma cavidade 4330 é formada pela afixação da bainha ao tubo de aquecedor. Esta cavidade 4330 é formada de modo que possa aceitar um dispositivo, tal como um termopar. Quando formada e brasada, a cavidade vantajosamente pode ser dimensionada para se adaptar ao termopar. Preferencialmente, o ajuste é tal que o termopar seja pressionado contra o exterior do
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77/146 tubo de aquecedor. Preferencialmente, a bainha é termicamente conectada ao o tubo de aquecedor. Se a bainha não for termicamente conectada ao tubo de aquecedor, a bainha não poderá ser resfriada pelo gás de trabalho. A falta de resfriamento pode fazer com que a bainha opere nas ou próximo das temperaturas do gás de combustão, as quais tipicamente são altas o bastante para eventualmente queimarem completamente qualquer metal. A brasagem do suporte de sensor ao tubo de aquecedor leva a um bom contato térmico. Alternativamente, a bainha de suporte de sensor 4320 poderia ser soldada continuamente ao longo de ambos os lados para a provisão de uma conexão térmica suficiente.
[00286] Em uma outra modalidade, conforme mostrado na figura 44A-B, uma segunda tira de metal pode ser formada para a criação de uma blindagem 4450 pelo suporte de sensor 4420. A blindagem 4420 pode ser usada para melhoria da conexão térmica entre o sensor de temperatura, na cavidade 4430, e o tubo de aquecedor 4410. A blindagem isola a bainha de suporte de sensor 4420 do aquecimento convectivo dos gases de combustão quentes e, assim, melhora a conexão térmica com o tubo de aquecedor. Além disso, preferencialmente há um espaço de isolamento 4440 para se ajudar a isolar mais o sensor de temperatura dos gases de combustão quentes conforme mostrado na figura 44B.
[00287] Em uma outra modalidade específica, conforme mostrado nas figuras 45A e 45B, o suporte de sensor de temperatura 4520 pode ser um tubo ou uma luva de diâmetro pequeno 4540 unido à borda de entrada do tubo de aquecedor 4510. A figura 45A mostra a vista lateral do suporte no tubo de aquecedor 4510, enquanto a figura 45B é uma vista ao longo do eixo geométrico do tubo 4540 ou da luva. O tubo de sensor 4540 preferencialmente é brasado ao tubo de aquecedor com um filete de brasagem substancial 4530. O filete de brasagem grande
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4530 maximizará a ligação térmica entre o tubo de aquecedor e o suporte de sensor. Em uma outra modalidade, o tubo ou luva 4540 pode ter a blindagem. Conforme descrito supra, uma cobertura externa de blindagem pode ajudar a isolar o suporte de sensor de temperatura 4520 da transferência de calor convectiva e melhorar a conexão térmica com o tubo de aquecedor.
[00288] Em uma modalidade alternativa do cabeçote de aquecedor de tubo, os tubos de aquecedor em formato de U podem ser substituídos por vários tubos de aquecedor enrolados helicoidais. Tipicamente, menos tubos de aquecedor de formato helicoidal são requeridos para a obtenção de uma transferência de calor similar entre os gases de exaustão e o fluido de trabalho. A redução do número de tubos de aquecedor reduz os custos de material e de fabricação do cabeçote de aquecedor. Em geral, um tubo de aquecedor helicoidal não requer as etapas de fabricação adicionais de formação e afixação de aletas. Além disso, um tubo de aquecedor helicoidal provê menos juntas que poderiam falhar, desse modo se aumentando a confiabilidade do cabeçote de aquecedor.
[00289] As figuras 46A-46D são vistas em perspectiva de um tubo de aquecedor helicoidal de acordo com algumas modalidades. O tubo de aquecedor helicoidal, 4602, conforme mostrado na figura 46A, pode ser formado a partir de uma peça longa única de tubulação pelo enrolamento da tubulação em torno de um mandril para a formação de uma bobina helicoidal firme 4604. O tubo então é flexionado em um ângulo reto para a criação de uma passagem de retorno direta para fora da hélice 4606. O ângulo reto pode ser formado antes de o laço helicoidal final ser formado, de modo que o retorno possa ser sincronizado com o ângulo correto. As figuras 46B e 46C mostram vistas adicionais do tubo de aquecedor helicoidal. A figura 46D mostra uma modalidade alternativa do tubo de aquecedor helicoidal em que a passagem de
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79/146 retorno direta 4606 passa através do centro do da bobina helicoidal 4604. A figura 47 mostra um tubo de aquecedor helicoidal de acordo com uma modalidade. Na figura 47, o tubo de aquecedor helicoidal 4702 é conformado como uma hélice dupla. O tubo de aquecedor 4702 pode ser formado usando-se um tubo em formato de U enrolado para a formação de uma hélice dupla.
[00290] A figura 48 é uma vista em perspectiva de um cabeçote de aquecedor de tubo com tubos de aquecedor helicoidais (conforme mostrado na figura 46A) de acordo com uma modalidade. Os tubos de aquecedor helicoidais 4802 são montados em um padrão circular no topo de um cabeçote de aquecedor 4803 para a formação de uma câmara de combustão 4806 no centro dos tubos de aquecedor helicoidais 4802. Os tubos de aquecedor helicoidais 4802 proveem uma quantidade significativa de superfície de troca de calor em torno do exterior de uma câmara de combustão 4806.
[00291] A figura 49 é uma vista em seção transversal de um queimador e um cabeçote de aquecedor de tubo com tubos de aquecedor helicoidais, de acordo com algumas modalidades. Os tubos de aquecedor helicoidais 4902 conectam a extremidade quente de um regenerador 4904 a um cilindro 4905. Os tubos de aquecedor helicoidais 4902 são dispostos para a formação de uma câmara de combustão
4906 (também descrita na figura 50 como 5006) para um queimador
4907 que é montado coaxialmente e acima dos tubos de aquecedor helicoidais 4902. Combustível e ar são misturados em uma garganta
4908 do queimador 4907 e queimados na câmara de combustão 4906. O fluxo de gases de combustão quentes (ou de exaustão), conforme mostrado pelas setas 4914, através dos tubos de aquecedor helicoidais 4902, provê calor para o fluido de trabalho, conforme ele passa através dos tubos de aquecedor helicoidais 4902.
[00292] Em uma modalidade, o cabeçote de aquecedor 4903 (tam
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80/146 bém mostrado na figura 50 como 5003) ainda inclui um tampão de tubo de aquecedor 4910 no topo de cada um dos tubos de aquecedor de bobina helicoidal 4902 para se evitar que o gás de exaustão entre na porção de bobina helicoidal 4901 (também descrita na figura 50 como 5001) de cada tubo de aquecedor e saia para fora do topo da bobina. Em uma outra modalidade, um pedaço de metal de formato anular cobre o topo de todos os tubos de aquecedor de bobina helicoidal. O tampão de tubo de aquecedor 4910 impede o fluxo do gás de exaustão ao longo do eixo geométrico de cabeçote de aquecedor até o topo dos tubos de aquecedor helicoidais entre os tubos de aquecedor helicoidais. Em uma modalidade, o tampão de tubo de aquecedor 4910 pode ser de Inconel 625 ou de outras ligas resistentes a calor, tais como Inconel 600, aços inoxidáveis 310 e 316 e Hastelloy X.
[00293] Em uma outra modalidade, o topo do cabeçote de aquecedor 4903 sob os tubos de aquecedor helicoidais 4902 é coberto com uma pasta cerâmica moldável. A pasta cerâmica isola o cabeçote de aquecedor 4903 do aquecimento de impingidela pelas chamas na câmara de combustão 4906, bem como a partir dos gases de exaustão. Além disso, a cerâmica bloqueia o fluxo dos gases de exaustão ao longo do eixo geométrico de cabeçote de aquecedor até o fundo dos tubos de aquecedor helicoidais 4902 entre os tubos de aquecedor helicoidais 4902 ou dentro da porção de bobina helicoidal 4901 de cada tubo de aquecedor.
[00294] A figura 50 é uma vista de topo de um cabeçote de aquecedor de tubo com tubos de aquecedor helicoidais de acordo com uma modalidade. Conforme mostrado na figura 50, a seção de retorno ou reta 5002 de cada tubo de aquecedor helicoidal 5000 vantajosamente é posicionada fora do espaço 5009 entre tubos de aquecedor helicoidais adjacentes 5000. É importante equilibrar o fluxo de gases de exaustão através dos tubos de aquecedor helicoidais 5000 com o fluxo de
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81/146 gases de exaustão através dos espaços 5009 entre os tubos de aquecedor helicoidais 5000. Pela colocação da porção reta 5002 do tubo de aquecedor helicoidal fora do espaço 5009, a queda de pressão pelo gás de exaustão passando através dos tubos de aquecedor helicoidais é aumentada, desse modo forçando mais do gás de exaustão através das bobinas helicoidais em que a transferência de calor e área de troca de calor são altas. O gás de exaustão que não passa entre os tubos de aquecedor helicoidais impingirá sobre a seção reta 5002 do tubo de aquecedor helicoidal, provendo uma alta transferência de calor entre os gases de exaustão e a seção reta. Ambas as figuras 49 e 50 mostram os tubos de aquecedor helicoidais colocados tão próximos em conjunto quanto possível para minimização do fluxo de gás de exaustão entre os tubos de aquecedor helicoidais e, assim, maximizar a transferência de calor. Em uma modalidade, os tubos de aquecedor de bobina helicoidal 4901 podem ser dispostos de modo que as bobinas se aninhem em conjunto.
Trocador de Calor de Pino ou de Aleta [00295] Agora, com referência às figuras 51A e 51B, aletas ou pinos alternativamente podem ser usados para se aumentar a área interfacial entre os produtos de combustão de fluido quentes e o cabeçote de aquecedor sólido, de modo a se transferir calor, por sua vez, para o fluido de trabalho do motor. O cabeçote de aquecedor 5100 pode ter pinos de transferência de calor 5124, aqui mostrados sobre a superfície interna do cabeçote de aquecedor 5100, no espaço entre o cabeçote de aquecedor e o revestimento de cilindro de expansão 5115. Adicionalmente, conforme mostrado na figura 51B em uma seção transversal de motor de ciclo Stirling 5196 tomada ao longo de um diâmetro diferente de volume de expansão 5198 em relação àquela da figura 51A, os pinos de transferência de calor 5130 também podem ser dispostos sobre a superfície externa de cabeçote de aquecedor 5100,
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82/146 de modo a se prover uma área superficial grande para a transferência de calor por condução para o cabeçote de aquecedor 5100, e, daí, para o fluido de trabalho, a partir dos gases de combustão fluindo a partir do combustor 5122 diante dos pinos de transferência de calor. A linha tracejada 5131 representa o eixo geométrico longitudinal do cilindro de expansão. A figura 51B também mostra pinos de transferência de calor 5133 revestindo as superfícies interna e externa do topo do cabeçote de aquecedor 5100, de acordo com uma modalidade. Os pinos de transferência de calor voltados para o interior 5124 servem para a provisão de uma área superficial grande para a transferência de calor por condução a partir do cabeçote de aquecedor 5100 para o fluido de trabalho deslocado a partir do volume de expansão 5198 pelo pistão de expansão e dirigido através da câmara de regenerador 5132. Modalidades adicionais de cabeçote de aquecedor 5100 são descritas nas Patentes U.S. N° 6.381.958, e N° 6.966.182, as quais, conforme mencionado anteriormente, são incorporadas como referência em suas totalidades.
[00296] Dependendo do tamanho do cabeçote de aquecedor 5100, centenas ou milhares de pinos internos de transferência 5124 e pinos externos de transferência de calor 5130 podem ser desejáveis.
[00297] Um método para a fabricação do cabeçote de aquecedor 5100 com pinos de transferência de calor 5124 e 5130 inclui a fundição do cabeçote de aquecedor e pinos (ou outras protuberâncias) como uma unidade integral. Os métodos de fundição para a fabricação do cabeçote de aquecedor e pinos como uma unidade integral incluem, por exemplo, uma fundição de precisão, fundição com areia ou fundição em matriz.
[00298] Embora o uso de aletas de pino seja conhecido pela melhoria da transferência de calor entre uma superfície e um fluido, a fundição integral de aletas radiais de pino no cabeçote de aquecedor cilín
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83/146 drico de um motor de Stirling não foi praticada nem sugerida na técnica, apesar do fato que a fundição do cabeçote de aquecedor e suas superfícies de troca de calor em uma etapa única é um dos métodos mais efetivos em termos de custos de se produzir um cabeçote de aquecedor. A dificuldade encontrada na fundição integral de aletas radiais de pino é discutida adicionalmente abaixo. Uma aleta de pino que poderia ser fundida como parte de uma parede cilíndrica permitiria a fabricação barata de um cabeçote de aquecedor e/ou resfriador altamente efetivo para um motor de Stirling.
[00299] As fundições são feitas pela criação de formas negativas da parte desejada. Todas as formas de fundição de (areia, precisão e injeção) envolvem a formação de superfícies estendidas e detalhes pela injeção de material em um molde e, então, removendo-se o molde do material, deixando a forma negativa ou positiva desejada para trás. A remoção do molde do material requer que todas as superfícies estendidas sejam pelo menos paralelas. De fato, uma boa prática de projeto requer um ângulo de saída ligeiro nestas superfícies estendidas, de modo que elas se liberem de forma limpa. A formação de pinos radiais no exterior ou no interior de um cilindro requereria que os moldes contivessem dezenas ou centenas de partes que se separariam em direções diferentes. Um molde como esse seria proibitivo em termos de custos.
[00300] De acordo com várias modalidades, os pinos ou aletas podem ser fundidos na superfície interna e na externa de Trocadores de calor de Stirling usando-se métodos de produção de fundição com areia, de precisão ou de injeção de metal. Com referência à figura 52A-52D e 53D, e, primeiramente, à figura 52A, os pinos 5202 são dispostos em vários grupos 5208 de pinos paralelos 5202 em torno da parede cilíndrica 5210 de cabeçote de aquecedor 5100, descrita em seção transversal paralela ao eixo geométrico central na figura 52B e
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84/146 em seção transversal em relação ao eixo geométrico central, na figura 52C. Deve ser notado que a tecnologia descrita aqui pode ser aplicada vantajosamente, de forma mais geral, em qualquer outra aplicação de trocador de calor. Todos os pinos 5202 em cada grupo 5208 são paralelos a cada outro. Apenas os pinos 5202 no centro do grupo são plenamente radiais. Os pinos no exterior do grupo, tais como aqueles designados pelo número 5204 na figura 52C e 53D, são inclinados para dentro a partir de um raio local, de modo a serem substancialmente paralelos a uma linha radial 5212 em direção ao centro do grupo. Além disso, os pinos no exterior do grupo preferencialmente são mais longos, tipicamente por uma pequena quantidade, do que os pinos mais próximos do centro do grupo. Contudo, a transferência de calor muda apenas ligeiramente do centro do grupo para o exterior na modalidade descrita nas figuras 52A-52C, e 53D em que 5 grupos 5208 de pinos paralelos proveem aletas aproximadamente radiais de pino em torno do cilindro 5210.
[00301] No processo de fundição de acordo com algumas modalidades, moldes positivos ou negativos de cada grupo de aletas paralelas são formados em uma peça única. Várias peças de molde então são montadas para a formação da forma negativa de um fundido com areia. Na fundição de molde de precisão, o positivo de cera pode ser formado em um molde por injeção com apenas umas poucas partes separadas que se separam em direções diferentes. O molde resultante é formado a um custo aceitável, desse modo tornando a produção de um cabeçote de aquecedor de aleta de pino prática em termos econômicos.
[00302] A fundição de um cabeçote de aquecedor tendo protuberâncias, tais como pinos, estendendo-se para o interior e o exterior de uma parte com paredes cilíndricas pode ser obtida, de acordo com várias modalidades, por fundição de precisão, ou de cera perdida, bem
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85/146 como por fundição com areia, fundição em matriz ou outros processos de fundição. As protuberâncias internas ou externas, ou ambas podem ser integralmente fundidas como parte do cabeçote.
[00303] Embora tipicamente realizados de forma mais barata do que por usinagem ou montagem dos arranjos de pinos, a fundição de arranjos de pinos ainda pode ter dificuldades associadas e custos substanciais. Adicionalmente, o processo de fundição pode resultar em um cabeçote de aquecedor que é menos do que plenamente preenchido de forma densa com pinos, desse modo se aumentando a fração de gases falhando em colidir com a superfície de cabeçote de aquecedor e se reduzindo a eficiência de transferência de calor.
[00304] Uma modalidade do método para preenchimento das superfícies de cabeçote de aquecedor 5100 com pinos de transferência de calor envolve a fabricação do aquecedor 5100 e de arranjos de pinos de transferência de calor em processos de fabricação em separado. Um arranjo 5250 (também mostrado na figura 53B como 5350) de pinos de transferência de calor 5252 pode ser fundido ou moldado por injeção com o painel 5254 resultando em uma estrutura de painel de reforço integral descrita na figura 52D. Os arranjos de pino 5250, após uma fundição ou moldagem, são montados nas superfícies interna e externa do cabeçote de aquecedor por uma brasagem à alta temperatura. Assim, um cabeçote preenchido de forma mais densa com a taxa baixa resultante de vazamento de gatilhos diante dos pinos vantajosamente pode ser obtido. Em outras modalidades, os painéis 5254 podem ser presos por vários meios mecânicos ao cabeçote de aquecedor.
[00305] Uma ligação de fase líquida transiente (TLP), conforme descrito, por exemplo, no Aerospace Structural Metals Handbook, Code 4218, p. 6 (1999) é particularmente vantajosa para a brasagem dos painéis ao cabeçote, uma vez que superligas à base de níquel, em
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86/146 pregadas tipicamente para a fabricação do cabeçote, são difíceis de soldar por processos convencionais, e operam em um ambiente de alta tensão e alta temperatura. As vantagens da ligação de TLP neste pedido são que as partes cercadas pela TLP são efetivamente soldadas usando-se o material de origem e têm aproximadamente as mesmas propriedades de resistência à tração que partes fundidas integralmente. As ligações de TLP não se refundem a temperaturas elevadas, ao passo que as brasagens típicas se refundirão na temperatura de brasagem. Isto é de significância em particular no caso de uma operação contínua a temperaturas elevadas em que excursões de temperatura podem ocorrer, como no presente pedido.
[00306] Os painéis 5254 de pinos podem ser afixados ao interior ou ao exterior do cabeçote de aquecedor ou do resfriador por outros meios. Em uma modalidade alternativa, o painel pode ser afixado mecanicamente em fendas em suas bordas laterais. As fendas são providas em divisores 5306 (descritos na discussão a seguir). Em uma outra modalidade, os painéis são afixados ao cabeçote de aquecedor ou ao resfriador por brasagem. Em ainda uma outra modalidade, os painéis são afixados ao cabeçote de aquecedor ou ao resfriador por sinterização dos painéis às paredes cilíndricas do cabeçote de aquecedor ou resfriador.
[00307] Os divisores 5306, conforme mostrado nas figuras 52C, 53A, e 53B, vantajosamente podem melhorar a taxa de transferência de calor dos painéis de aleta de pino. Adicionalmente, eles podem prover uma localização conveniente para localização dos sensores de temperatura. Por último, os divisores vantajosamente podem prover uma estrutura conveniente com a qual se afixam os painéis de pinos ao cabeçote de aquecedor, em uma modalidade, e uma linha de divisão para operações de fundição, de acordo com uma modalidade adicional.
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87/146 [00308] Os divisores 5306 podem servir para melhoria da efetividade térmica dos arranjos de aleta de pino da maneira a seguir. Com referência, mais uma vez, à figura 52A, a taxa de transferência de calor para um fluido fluindo através de aletas de pino alternadas é significativamente mais alta do que para um fluido fluindo através de aletas de pino alinhadas. Um fluido se aproximando de um arranjo de pino alternado 5208 viajaria em um ângulo a 45 graus com um percurso axial ao longo do comprimento do cilindro, com a direção enviesada designada pelo número 5214. De modo a se prover uma transferência térmica melhorada, os divisores 5206, 5306 são providos, de acordo com algumas modalidades, para se forçar um fluxo de fluido através do arranjo de aletas de pino alternado ao longo de um percurso designado pelo número 5212. Além de forçarem o fluxo a viajar axialmente, os divisores proveem interfaces e planos de junção convenientes para os moldes de fundição descritos acima.
[00309] Em certas modalidades, arranjos individuais 5250, cada um com seu segmento de painel associado 5254, compreendem frações arqueadas da distância circunferencial em torno do cabeçote de aquecedor. Isto é evidente na vista de topo do conjunto de cabeçote de aquecedor mostrado em perspectiva na figura 53A. O cabeçote de cilindro 5320 é mostrado, como é a superfície externa 5302 do cabeçote de aquecedor. Segmentos mais atrás suportando os arranjos de pinos de transferência de calor não são mostrados, mas são inseridos, durante a montagem, nos espaços 5304 circundando a superfície externa 5302 do cabeçote de aquecedor. Entre segmentos sucessivos de arranjo de pino de transferência de calor estão divisores trapezoidais 5306 os quais são defletidos para bloquearem o fluxo de gases de exaustão em uma direção para baixo através de qualquer outro percurso além de diante dos pinos de transferência de calor.
[00310] Em uma modalidade, divisores de fluxo 5306 incluem estru
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88/146 turas para se reterem mecanicamente os segmentos de painel 5254 durante uma montagem, antes da brasagem, ou simplesmente para se reterem mecanicamente os painéis 5254 contra o cabeçote de aquecedor 5302.
[00311] De modo a se maximizar a potência do motor, a parte mais quente do cabeçote de aquecedor preferencialmente está à temperatura mais alta admitida, considerando-se a fluência metalúrgica e a resistência à tração, a tensão e os fatores apropriados de segurança. A manutenção da parte mais quente do cabeçote de aquecedor na temperatura mais alta requer uma medição da temperatura da parte mais quente do cabeçote de aquecedor. Os divisores proveem uma localização conveniente e um roteamento para os sensores de temperatura no cabeçote de aquecedor para qualquer localização axial ao longo dos arranjos de aleta de pino. Um caminho de fluxo de gás quente 5313 (mostrado também na figura 51A), é definido, no exterior, pela cobertura de canal de fluxo de gás 5340. Uma vez que os gases de exaustão do não fluem através de divisores 5306, um sensor de temperatura, tal como um termopar 5138 (mostrado na figura 51A e 53C) vantajosamente o disposto no divisor 5306 de modo a monitorar a temperatura do cabeçote de aquecedor 5100 com o qual o sensor de temperatura está em contato térmico. A posição de arranjos de pino 5250 e de sensor de temperatura 5138 montado no divisor 5306 é descrita mais claramente na vista da figura 53B na qual o apoio de pino foi removido.
[00312] Um dispositivo de detecção de temperatura 5138 é disposto preferencialmente no divisor 5306 conforme descrito na figura 53B. Mais particularmente, uma ponta de detecção de temperatura 5339 de sensor de temperatura 5138 preferencialmente está localizada na fenda correspondente ao divisor 5306 tão próximo quanto possível do cabeçote de cilindro 5320 pelo fato de esta área ser tipicamente a parte
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89/146 mais quente do cabeçote de aquecedor. Alternativamente, o sensor de temperatura 5138 pode ser montado diretamente no cabeçote de cilindro 5320, embora a localização do sensor na fenda, conforme descrito, seja usada em algumas modalidades. A performance do motor, em termos de potência e eficiência é mais alta na temperatura mais alta possível, embora a temperatura máxima tipicamente seja limitada pelas propriedades metalúrgicas. Portanto, o sensor 5138 deve ser posicionado para a medição da temperatura da parte mais quente e, portanto, limitante do cabeçote de aquecedor. Adicionalmente, o sensor de temperatura 5138 deve ser isolado de gases de combustão e paredes divisor 5306 por um isolamento cerâmico 5342, conforme mostrado na figura 53C. A cerâmica pode formar também uma ligação adesiva com as paredes do divisor para retenção do sensor de temperatura no lugar. Fios elétricos 5344 de sensor de temperatura 5138 também devem ser eletricamente isolados.
[00313] Embora o queimador seja projetado para ter simetria circunferencial, pontos quentes podem se desenvolver no cabeçote de aquecedor 5320. Somando-se ao problema, as ligas tipicamente empregadas para a fabricação do cabeçote de aquecedor, considerando seu ponto de fusão alto, têm uma condutividade térmica relativamente ruim. Uma vez que os pontos quentes se formem, eles estão aptos a resistirem, porque o fluxo de gás fora do cabeçote é axial, ao invés de circunferencial, uma vez que os divisores 5306 (mostrados na figura 53A) impedem qualquer fluxo circunferencial. Adicionalmente, um aquecimento pode aumentar a viscosidade do gás local, desse modo redirecionando mais fluxo para outros canais. De modo a se uniformizar a distribuição de temperatura no cabeçote de aquecedor, uma camada de metal altamente condutivo, tal como cobre, de espessura maior do que 25,4 pm (0,001) e, preferencialmente de em torno de 127 pm (0,005) é aplicado à superfície interna 5348 de cabeçote de
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90/146 aquecedor 5320, por deposição ou eletrodeposição, ou outro método de aplicação. Alternativamente, um revestimento similar pode ser aplicado à superfície externa, de acordo com uma outra modalidade. [00314] De modo a manter o tamanho do motor de ciclo Stirling pequeno, é importante maximizar o fluxo de calor a partir do gás de combustão através do cabeçote de aquecedor. Ao passo que a técnica anterior empregava laços de tubo nos quais uma transferência de calor para o fluido de trabalho é obtida, os laços criam baixa confiabilidade (uma vez que os laços são mecanicamente vulneráveis) e um custo mais alto, devido a uma geometria de laço mais complicada e a materiais extras. A restrição limitante para o fluxo de calor é quanto às propriedades termomecânicas do material do cabeçote de aquecedor que deve ser capaz de suportar as altas temperaturas da câmara de combustão enquanto se mantém a integridade estrutural do cabeçote pressurizado. A temperatura de projeto máxima é determinada pelo ponto mais quente no cabeçote de aquecedor o qual está tipicamente no topo da parede. De modo ideal, a seção quente de parede de aquecedor inteira estaria nesta temperatura máxima, conforme puder ser controlado, por exemplo, pelo controle do fluxo de combustível.
[00315] Conforme os gases de combustão viajam além do cabeçote de aquecedor em canais de fluxo de gás 5113, 5313 (mostrados na figura 51A), a temperatura do gás diminui, conforme o calor é transferido a partir do gás para o cabeçote de aquecedor. Como resultado, a temperatura máxima admissível de cabeçote de aquecedor no topo do canal de fluxo de gás deve ser regulada pelo material usado para o cabeçote de aquecedor. O material preferencialmente é escolhido a partir da família de ligas de níquel alto, comumente conhecidas como superligas, tal como Inconel 600 (tendo a temperatura máxima T.sub.max = 800°C, antes do amolecimento), Inconel 625 (T.sub.max = 900°C), Inconel 754 (T.sub.max = 1080°C.), ou Hastelloy GMR 235
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91/146 (T.sub.max = 935°C). O gás no canal de gás 5113, 5313 pode se resfriar para tanto quanto 350°C no trânsito através do canal, resultando em um superaquecimento do fundo da zona quente.
[00316] De acordo com algumas modalidades, o perfil de temperatura da parede do aquecedor é controlado por meio da geometria de transferência de calor, conforme descrito, agora. Um método para controle da geometria é por meio da provisão de um canal de fluxo de gás de seção transversal variável 5113, 5313 (mostrado nas figuras 51A e 54A). A dimensão radial (perpendicular à parede do cabeçote de aquecedor), e assim à seção transversal do canal, é grande no topo da parede de aquecedor, desse modo se permitindo que muito do gás se desvie do arranjo de pino no topo da parede. O bypass permite que o gás mais quente atinja o arranjo de pino no fundo da parede, desse modo se permitindo que o arranjo de pino de fundo opere mais próximo de sua temperatura máxima. O gradiente de temperatura a partir do topo do aquecedor até o fundo da seção quente (antes do volume de regenerador 5132, mostrado na figura 51A) foi reduzido a partir de tanto quanto 350°C para 100°C, usando-se um canal de fluxo de gás de seção transversal variável.
[00317] Um segundo método para controle da geometria é placa de articulação variação da densidade de ocupação e pela geometria do arranjo de pino como uma função da posição ao longo do canal de fluxo de gás. A geometria dos pinos pode ser ajustada pela variação da relação de altura/diâmetro (H/D) dos pinos. Se um processo de fundição for usado para a formação do arranjo de pino, a faixa de relações de H/D poderá ser limitada pelo processo. Se anéis de pino forem usados, a faixa de relações de H/D poderá ser estendida.
[00318] Com referência, agora, às figuras 53E, 53F, 54A e 54B, a seta 5402 designa o percurso dos gases de exaustão aquecidos diante do cabeçote de aquecedor 5100. Os pinos externos de transferência
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92/146 de calor 5130 interceptam os gases de exaustão aquecidos e transferem calor através de um cabeçote de aquecedor 5100 e dos pinos internos de transferência de calor 5124 para o fluido de trabalho que é dirigido a partir do cilindro de expansão 5115 ao longo do percurso 5404. (Por clareza, os pinos de transferência de calor 5130 e 5124 são mostrados esquematicamente na figura 54A. Os pinos adicionais de transferência de calor 5130 e 5124 foram descritos, não em escala, na vista das figuras 53E, 53F, e 54B). Os pinos sucessivos de transferência de calor 5406, 5408, e 5410, por exemplo, apresentam uma seção transversal progressivamente maior para o fluxo de gás de exaustão ao longo do percurso 5402. Assim, enquanto o gás de exaustão transferiu alguma fração de seu calor antes da chegada nos pinos inferiores, o calor é extraído ali com uma maior taxa de condução, desse modo se reduzindo o gradiente de temperatura entre o topo 5412 e o fundo 5414 do percurso de fluido de trabalho entre o volume de expansão 5198 e o volume de regenerador 5132. As temperaturas típicas da superfície do cilindro de expansão 5115 são indicadas na figura 54A: 850°C no topo do cilindro, 750°C no centro do cilindro, e 600°C na extremidade do cilindro mais próxima do volume de regenerador.
[00319] Um outro método para a obtenção de uma distribuição mais uniforme de calor a partir dos gases de exaustão até o cabeçote de aquecedor é criar um divisor afunilado no diâmetro externo do cabeçote de aquecedor por meio de um apoiador de pino afunilado concêntrico 5146, conforme mostrado na figura 54A. A vista em seção transversal da figura 54A mostra como o apoiador de pino afunilado 5146 permite que parte do gás de exaustão mais quente se desvie dos pinos próximo do topo do cabeçote de aquecedor. O apoiador de pino 5146 cria um espaço anular de estreitamento no exterior dos pinos que progressivamente força cada vez mais os gases de exaustão para o trocador de calor de pino.
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93/146 [00320] Um outro método para aumento da área superficial da interface entre um sólido, tal como o cabeçote de aquecedor 5100 e um fluido, tais como os gases de combustão, conforme discutido acima é descrito agora, com referência às figura 55A-55D. Um efeito análogo àquele de fabricação de pinos de transferência de calor por fundição ou de outra forma pode ser obtido pela perfuração de orifícios 5160 em um anel anular fino 5162 mostrado em uma vista de topo na figura 55A e em uma vista lateral na figura 55B. A espessura de anel 5162, a qual pode ser referida como um ‘anel de pino de transferência de calor’ é comparável à espessura dos pinos de transferência de calor discutidos acima, e é governada pela resistência do material condutivo de calor na temperatura alta dos gases de combustão atravessando os orifícios 5160. O formato e a disposição dos orifícios 5160 em cada anel é uma questão de projeto para uma aplicação em particular; de fato, os orifícios 5160 podem não ser circundados por um material sólido. O material dos anéis 5162 preferencialmente é um metal resistente à oxidação, tal como Inconel 625 ou Hastelloy GMR 235, embora outros materiais de condução de calor possam ser usados. Os anéis 5162 podem ser produzidos de forma barata por um processo de estampagem de metal. Os anéis 5162 então são montados e brasados ou ligados de outra forma ao cabeçote de aquecedor de superfície externa 5100, conforme mostrado com respeito a anéis de pino externos 5164 na figura 55C, e com respeito a anéis de pino internos 5166 na figura 55D. Anéis adicionais podem ser dispersos entre os anéis de pino para controle do espaçamento vertical dos pinos. Um revestimento de cilindro de expansão 5115 é mostrado no interior dos anéis de pino internos 5166.
[00321] Os anéis de transferência de calor 5162 podem ser aplicados vantajosamente ao interior do cabeçote de aquecedor, bem como ao exterior e ao interior do resfriador de um motor de ciclotérmico.
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Nestas aplicações, os anéis não precisam ser resistentes à oxidação. Os materiais incluindo cobre e níquel preferencialmente são usados no interior do cabeçote de aquecedor, enquanto os anéis para o resfriador preferencialmente são feitos de um de vários materiais de alta condutividade térmica, incluindo alumínio, cobre, zinco, etc.
[00322] A área de seção transversal total dos pinos de transferência de calor tomada em uma fatia perpendicular ao eixo geométrico de cilindro 5168 não precisa ser constante; de fato, vantajosamente ela pode ser variada, conforme discutido em detalhes acima, com referência à figura 54.
[00323] Com referência da figura 56A a 56C, as superfícies de troca de calor internas ou externas também podem ser formadas a partir de várias estruturas de aleta dobradas 5600, 5602, ou 5604. As estruturas de aleta dobradas podem ser feitas de um material similar àquele do domo de pressão do cabeçote de aquecedor ou de materiais de alta condutividade térmica, tal como cobre, o que pode prover uma eficiência melhorada de aleta. As aletas fabricadas a partir de materiais de alto ponto de fusão, tal como aquele do cabeçote de aquecedor 5100 (mostrado na figura 51A) pode ser contínuo a partir do topo até o fundo do cabeçote de aquecedor. As aletas dobradas podem ser fabricadas a partir de um metal em folha e brasadas na superfície interna do cabeçote de aquecedor. Três configurações de aleta dobrada são mostradas a título de exemplo: aletas onduladas 5600, aletas lançadas 5602, e aletas deslocadas 5604. Em cada caso, a direção de fluxo de gás é indicada por uma seta designada pelo número 5606.
[00324] As aletas formadas a partir de um metal dissimilar em relação àquele do cabeçote de aquecedor 5100 são afixadas em segmentos axiais, para se evitar que uma expansão térmica rompa a junta brasada entre as aletas e o cabeçote. A configuração de aleta deslocada da figura 56C vantajosamente provê um coeficiente superior de
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95/146 transferência de calor em relação àquele de aletas planas.
[00325] O uso de um metal de alta condutividade térmica para as aletas dobradas vantajosamente pode permitir que as aletas sejam tornadas mais longas, desse modo se melhorando a transferência de calor e reduzindo a resistência ao fluxo do gás e melhorando a eficiência do motor.
Nervuras de Suporte de Cabeçote de Aquecedor [00326] As paredes do cabeçote de aquecedor devem ser suficientemente fortes, nas temperaturas de operação, para suportarem a pressão elevada do gás de trabalho. Tipicamente, é desejável operar os motores de ciclo Stirling a uma pressão de gás de trabalho tão alta quanto possível, desse modo se permitindo que o cabeçote suporte pressões mais altas o que é altamente vantajoso. No projeto do cabeçote de aquecedor, deve se ter em mente que aumentar a pressão em uma dada temperatura de operação tipicamente requer aumentar a espessura de parede de cabeçote de aquecedor em uma proporção direta. Por outro lado, um aumento de espessura da parede de cabeçote de aquecedor resulta em um percurso de condução térmica mais longo entre a fonte de calor externa e o gás de trabalho.
[00327] Além disso, uma condução térmica aumenta com a área superficial de trocador de calor, desse modo uma eficiência térmica sendo aumentada pelo aumento do diâmetro do cabeçote de aquecedor. Uma tensão na parede, contudo, é substancialmente proporcional ao diâmetro do cabeçote, desse modo se aumentando a espessura de parede em uma proporção direta.
[00328] As considerações de resistência são equivalentes em temperaturas de cabeçote de motor de Stirling típicas, de fato, elas comandam a temperatura de operação máxima, uma vez que, conforme discutido, a eficiência aumenta com a temperatura. As resistências à fluência e de tração final de materiais tendem a cair de forma abrupta
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96/146 quando temperaturas elevadas específicas são atingidas. Com referência à figura 57A, o limite de escoamento a 0,2% de deslocamento e a resistência à tração final são mostrados para a liga de níquel GMR 235 em uma representação típica do comportamento equivalente de ligas de níquel. De forma similar, na figura 57B, pode ser visto que a resistência de taxa de fluência a 0,01% por hora de GMR 235 cai a partir de 275,79 MPa (40 ksi) à metade, conforme a temperatura sobe de 815,55°C (1500°F) para 926,66°C (1700°F).
[00329] Algumas modalidades proveem nervuras internas (ou aros)
5800, tais como aquelas mostradas nas Patentes U.S. N° 6.381.958, e N° 6.966.182, que melhoram o suporte estrutural do cabeçote de aquecedor 5801, conforme mostrado em seção transversal na figura 58. As nervuras 5800 são caracterizadas por um furo interno 5802. A resistência à fluência e a resistência à ruptura do cabeçote de aquecedor 5801 assim são determinadas predominantemente por uma espessura efetiva 5804 do cabeçote de aquecedor e pelo diâmetro de furo interno 5802. A condução de calor através do cabeçote de aquecedor não está limitada pela espessura 5804, uma vez que segmentos intervenientes 5806 do cabeçote são mais estreitos e proveem uma condução de calor melhorada. As nervuras 5800 não apenas aliviar as tensões circunferenciais sobre a parede externa 5808 do cabeçote
5801, mas proveem, adicionalmente, uma área superficial suplementar interna para o cabeçote de aquecedor e assim, vantajosamente, melhoram a transferência de calor para o fluido de trabalho.
[00330] As vantagens adicionais de provisão de nervuras 5800 internas ao cabeçote de aquecedor incluem a redução do gradiente de temperatura através da parede de cabeçote 5808 para uma dada taxa de transferência de calor, bem como permitindo a operação a temperaturas de trabalho de extremidade quente mais altas. Adicionalmente, pela redução das exigências de tensão sobre a parede externa, mate
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97/146 riais alternativos às superligas à base de níquel podem ser usados, vantajosamente provendo uma condutividade superior a um custo reduzido.
[00331] Uma seção transversal de cabeçote de aquecedor 5801 com nervuras 5800 é adicionalmente mostrada na figura 59. A linha tracejada 5910 designa o eixo geométrico longitudinal central do cilindro de expansão. De acordo com várias modalidades, uma luva quente de cilindro de expansão 5912 pode ter desviadores de fluxo transversal 5914 para direcionamento do fluxo de gás de trabalho, representado pelo contorno 5916, em torno das nervuras circunferenciais 5800 para melhoria da transferência de calor para o gás de trabalho. A largura adicional h das nervuras 5800 contribui para a resistência de aro do cabeçote de aquecedor 5101, ao passo que a transferência de calor é governada predominantemente pela espessura mais estreita t da parede externa de cabeçote de aquecedor 5808. Em aplicações típicas de motor de Stirling, enquanto o cabeçote de aquecedor exterior pode estar funcionando tão quente quanto a 1800 °F (982,22°C), as nervuras 5800 que proveem resistência estrutural tipicamente funcionam não mais quentes do que a 1300 °F (704,44°C).
[00332] As vantagens de resistência circunferencial melhorada concorrentes com uma condutividade térmica melhorada, conforme discutido acima com referência à figura 58 adicionalmente podem ser obtidas de acordo com várias modalidades alternativas. Com referência às figuras 60A e 60B, são mostradas seções transversais de um cabeçote de aquecedor 6030, onde aberturas tubulares 6032 correm paralelas à parede de cabeçote de aquecedor 6008. Conforme mostrado na vista em seção transversal da figura 60B, tomada ao longo da linha AA, os tubos 6032 permitem que o gás de trabalho passe para baixo por uma parede, melhorando a transferência de calor a partir do exterior do código de acesso a serviço para o gás de trabalho. Adicionalmente, a
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98/146 parede 6008 pode ser mais espessa, para a mesma taxa de transferência de calor, desse modo se provendo uma resistência adicional. Além disso, a seção de parede espessa 6010 (também mostrada na figura 61B como 6110) interior às passagens 6032 permanece mais fria do que seria o caso de outra forma, provendo mais resistência adicional. O cabeçote de aquecedor 6030 preferencialmente é fundido com passagens tubulares 6032 as quais podem ser de sensor de temperatura redonda ou de outros formatos.
[00333] A figura 61A mostra um outro cabeçote de aquecedor 6140 em que as aberturas tubulares 6132 correm paralelas à parede de cabeçote de aquecedor 6108 e são interrompidas por aberturas que forrem fora das seções mais finas 6142 da parede de cabeçote de aquecedor. Conforme mostrado na vista em seção transversal da figura 62B, tomada ao longo da linha AA, os tubos 6132 permitem que o gás de trabalho passe para baixo pela parede, melhorando a transferência de calor a partir do exterior do cabeçote até o gás de trabalho até um grau substancialmente melhorado em relação àquele do projeto de tubo reto mostrado nas figura 62A e 62B. Adicionalmente, as aberturas 6144 proveem uma área adicional para remoção de machos de cerâmica usados no processo de fundição para a criação desses orifícios finos e longos. Um acesso aumentado aos orifícios permite uma lixiviação química mais rápida do núcleo no decorrer do processo de fabricação.
[00334] A figura 62B mostra ainda um outro cabeçote de aquecedor 6250, em que as nervuras 6252 são dispostas em uma hélice na parede de cabeçote de aquecedor 6208, desse modo se provendo a parede com uma rigidez melhorada em ambas as direções circunferencial e axial. O gás de trabalho flui através da espiral 6254 em um percurso entre o pistão de expansão e o cabeçote de aquecedor, no seu caminho até o regenerador. A figura 62B mostra uma seção transversal do
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99/146 cabeçote de aquecedor da figura 62A tomada ao longo da linha AA. Várias modalidades incluem o emprego de uma aproximação linear ou outra até à espiral 6254, para a obtenção de vantagens comparáveis de enrijecimento e transferência de calor.
[00335] O cabeçote de aquecedor 6250 das figuras 62A e 62B preferencialmente é fabricado por fundição. A vista lateral do conjunto de macho 6260 para uso no processo de fundição é mostrada na figura 62C. Adicionalmente, é vantajoso prover nervuras para suporte interno do domo do cabeçote de aquecedor e prover uma troca de calor adicional no domo, desse modo se resfriando a superfície interna do domo. A estrutura de macho complementar do domo é mostrada na figura 62D, e, em seção transversal, conforme visto a partir do topo, na figura 62D. Uma vista em perspectiva do conjunto de macho 6260 é mostrada na figura 62E.
[00336] É para ser entendido que as várias modalidades de cabeçote de aquecedor e métodos para sua fabricação descritos aqui podem ser adaptados para funcionarem em uma configuração múltipla de cabeçote de aquecedor.
Regenerador [00337] Um regenerador é usado na máquina de ciclo Stirling, conforme discutido acima e conforme descrito nas Patentes U.S. N° 6.591.609, e N° 6.862.883, para a adição e a remoção de calor do fluido de trabalho durante fases diferentes do ciclo Stirling. O regenerador usado na máquina de ciclo Stirling deve ser capaz de altas taxas de transferência de calor o que tipicamente sugere uma área de alta transferência de calor e de baixa resistência a fluxo para o fluido de trabalho. Uma baixa resistência a fluxo também contribui para a eficiência geral do motor pela redução da energia requerida para bombeamento do fluido de trabalho. Adicionalmente, um regenerador deve ser fabricado de maneira a resistir a um estilhaçamento ou a uma fra
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100/146 gmentação, porque os fragmentos podem ser entranhados no fluido de trabalho e ser transportados para os cilindros de compressão ou de expansão e resultar em danos aos selos de pistão.
[00338] Um projeto de regenerador usa várias centenas de telas de metal empilhadas. Embora exibam uma superfície de alta transferência de calor, baixa resistência a fluxo e baixo estilhaçamento, as telas de metal podem sofrer da desvantagem de seu corte e manuseio poder gerar pequenos fragmentos de metal que devem ser removidos antes da montagem do regenerador. Adicionalmente, uma malha de fio tecido de aço inoxidável contribui apreciavelmente para o custo do motor de ciclo Stirling.
[00339] Uma rede de fibra aleatória tridimensional, tal como uma lã de aço inoxidável ou fibra cerâmica, por exemplo, pode ser usada como o regenerador, conforme descrito agora com referência à figura 63A. O regenerador de lã de aço inoxidável 6300 vantajosamente provê uma relação grande de área superficial para volume, desse modo se provendo taxas de transferência de calor favoráveis a um atrito de fluxo de fluido baixo em uma forma compacta. Adicionalmente, as etapas de fabricação trabalhosas de corte, limpeza e montagem de números grandes de telas são vantajosamente eliminadas. A resistência mecânica baixa da lã de aço e a tendência da lã de aço a se estilhaçar podem ser suplantadas, conforme descrito agora. Em algumas modalidades, os fios de aço individuais 6302 e 6304 são reticulados em uma matriz de fio unitária 3D.
[00340] O material de partida para o regenerador pode ser fibrilose e de uma forma de fibra aleatória, tal como lã de aço ou de níquel. A composição da fibra pode ser de um vidro ou uma cerâmica ou um metal, tal como aço, cobre ou outros materiais de alta temperatura. O diâmetro da fibra preferencialmente está na faixa de 10 micrômetros a 1 milímetro, dependendo do tamanho do regenerador e das proprieda
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101/146 des do metal. O material de partida é colocado em uma forma correspondente ao formato final do regenerador o que é descrito em seção transversal na figura 63B. Uma parede cilíndrica interna de canícula 6320, uma parede cilíndrica externa de canícula 6322, e uma rede de regenerador 6300 são mostradas. A densidade do regenerador é controlada pela quantidade de material de partida colocada na forma. A forma pode ser porosa para se permitir que os fluidos passem através da forma.
[00341] Em algumas modalidades, uma lã de aço não-sinterizada é empregada como a rede de regenerador 6300. A rede de regenerador 6300 então é retida na canícula de regenerador pelas telas de retenção de regenerador 6324 ou um outro filtro, desse como compreendendo uma cesta a qual vantajosamente pode capturar os fragmentos de lã de aço.
[00342] Em uma modalidade, aplicável a um material de partida que seja eletricamente condutor, o material de partida é colocado em uma forma porosa em um banho de eletrólito. O material de partida pode ser um metal, tal como aço inoxidável, por exemplo. Uma conexão elétrica é feita com o material de partida desse modo se formando um eletrodo. Uma reticulação das fibras individuais no material de partida é realizada pela deposição elétrica de um segundo material 6306 sobre o material de partida. A seleção do material de partida dependerá de fatores tais como a técnica de deposição em particular escolhida e da compatibilidade química dos primeiro e segundo materiais, conforme conhecido por alguém versado na técnica na técnica eletroquímica. Durante uma deposição, o segundo material se acumulará sobre o material de partida e formará pontes 6308 entre as fibras individuais do material de partida em lugares em que as fibras individuais estejam em grande proximidade com cada outra. A deposição é continuada até as pontes terem crescido até um tamanho suficiente para manterem as
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102/146 duas fibras individuais rigidamente no lugar.
[00343] A duração de deposição depende do processo de deposição em particular e é facilmente determinada por versado na técnica. Após a deposição ser completada, o regenerador é removido do banho e da forma e é limpo.
[00344] Em uma outra modalidade, o material de partida é colocado em uma forma que pode ser porosa ou não. A forma contendo o material de partida é colocada em um forno e é sinterizada parcialmente em uma peça unitária. A seleção da temperatura de sinterização e do tempo de sinterização é facilmente determinada por alguém versado na técnica na técnica de sinterização.
[00345] Em uma outra modalidade, o material de partida é colocado em uma forma porosa. A forma contendo o material de partida é colocada em um banho químico e um segundo material, tal como níquel, é quimicamente depositado para a formação de pontes entre as fibras individuais.
[00346] Em uma outra modalidade, o material de partida é uma fibra de vidro de sílica a qual é colocada em uma forma porosa. A fibra de vidro e a forma são mergulhadas em uma solução de tetraetilortossilicato (TEOS) e etanol de modo que a fibra seja completamente umedecida pela solução. A fibra e a forma são removidas da solução e deixadas drenar em uma atmosfera úmida. A solução formará formatos de menisco ligando as fibras em grande proximidade com cada outra. A umidade da atmosfera começará uma reação de hidrólise - condensação que converterá o TEOS em sílica, formando um retículo entre as duas fibras. A fibra e a forma podem ser tratadas com calor a uma temperatura de menos de 1000°C, mais preferencialmente de menos de 600°C, para a remoção dos produtos reagentes e para a formação de uma ponte de sílica entre as fibras.
[00347] Em uma outra modalidade, uma pasta cerâmica é deposi
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103/146 tada sobre uma espuma reticulada tendo o formato do regenerador. A pasta fluida é seca sobre a espuma reticulada e tratada com calor para a queima da espuma e a sinterização da cerâmica. A cerâmica pode ser composta por uma cerâmica de óxido, tal como cordierita, alumina, ou zircônia. A composição da pasta cerâmica e o perfil de tratamento térmico são facilmente especificados por alguém versado na técnica na técnica de processamento de cerâmica.
[00348] Em ainda outras modalidades, um fio de malha ou tecido é empregado na fabricação de um regenerador, conforme descrito agora com referência à figura 64A. De acordo com estas modalidades, um tubo de fio de malha ou tecido 6401 é aplainado por rolos 6402 em uma fita 6404, em cuja forma ele é enrolado em torno do mandril 6406 em camadas anulares 6408. O aço inoxidável é vantajosamente usado para um tubo de fio de malha 6401 por causa de sua capacidade de suportar uma operação a uma temperatura elevada, e o diâmetro do fio usado tipicamente está na faixa de 25,4 a 50,8 pm (1 a 2 mils), embora outros materiais e calibres possam ser usados em várias modalidades. Alternativamente, uma pluralidade, tipicamente de 5 a 10, dos fios de aço inoxidável pode ser enrolada de forma solta em uma linha de filamento múltiplo, antes da tecelagem de malha em um tubo de fio. Este processo vantajosamente enrijece o tubo resultante 6401. Quando o mandril 6406 é removido, o conjunto anular 6410 pode ser usado como um regenerador em um motor de ciclotérmico.
[00349] Ainda uma outra modalidade é descrita, agora, com referência da figura 64B a 64E. Um tubo de fio de malha ou tecido 6401, mostrado em sua forma cilíndrica reta na figura 64B, é mostrado marcado e parcialmente comprimido na figura 64C. Alternativamente, a marcação pode ser em um ângulo 6414 com respeito ao eixo geométrico central 6412 do tubo, conforme mostrado na figura 64D. O tubo 6401 então é comprimido axialmente ao longo do eixo geométrico cen
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104/146 tral 6412 para a formação da forma de fole 6416 mostrada na figura 64E que, então, é disposta como um regenerador no volume de regenerador 408 (mostrado na figura 4) de um motor de ciclo Stirling.
[00350] É para ser entendido que as várias modalidades de regenerador e métodos para sua fabricação descritos aqui podem ser adaptados para funcionarem em uma configuração de cilindro múltiplo. Vaso de Pressão de Extremidade Fria de Penetração de Resfriante [00351] Com referência, agora, à figura 65A-C, várias seções transversais de um motor, tal como um motor de ciclo Stirling, são mostradas de acordo com algumas modalidades. O motor 6500 é hermeticamente selado. Um cárter 6502 serve como o vaso de pressão de extremidade fria e contém um gás de carga em um volume interno 6504. O cárter 6502 pode ser tornado forte arbitrariamente, sem se sacrificar a performance térmica, pelo uso de aço espesso suficientemente ou de um outro material estrutural. Um cabeçote de aquecedor 6506 serve como o vaso de pressão de extremidade quente e preferencialmente é fabricado a partir de uma superliga de alta temperatura, tal como Inconel 625, GMR-235, etc. O cabeçote de aquecedor 6506 é usado para a transferência de energia térmica por condução a partir de uma fonte térmica externa (não mostrada) para o fluido de trabalho. A energia térmica pode ser provida a partir de várias fontes de calor, tais como radiação solar ou gases de combustão. Por exemplo, um queimador, conforme discutido anteriormente, pode ser usado para a produção de gases de combustão quentes (mostrados como 6507 na figura 65B) que são usados para aquecimento do fluido de trabalho. Uma área de expansão do cilindro (ou seção morna) 6522 é disposta dentro do cabeçote de aquecedor 6506 e define parte de um volume de gás de trabalho, conforme discutido acima com respeito à figura 1. Um pistão 6528 é usado para deslocamento do fluido de trabalho contido na área de expansão do cilindro 6522.
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105/146 [00352] De acordo com uma modalidade, o cárter 6502 é soldado diretamente ao cabeçote de aquecedor 6506 em juntas 6508, para a criação de um vaso de pressão que pode ser projetado para manter qualquer pressão sem ser limitado, como o são outros projetos, pelas exigências de transferência de calor no resfriador. Em uma modalidade alternativa, o cárter 6502 e o cabeçote de aquecedor 6506 são brasados ou presos por cavilhas em conjunto. O cabeçote de aquecedor 6506 tem um flange ou degrau 6510 que restringe axialmente o cabeçote de aquecedor e transfere a pressão axial a partir do cabeçote de aquecedor 6506 para o cárter 6502, desse modo aliviando a força de pressão das juntas soldadas ou brasadas 6508. As juntas 6508 servem para selarem o cárter 6502 (ou o vaso de pressão de extremidade fria) e suportam as tensões de flexão e plana. Em uma modalidade alternativa, as juntas 6508 são juntas mecânicas com um selo de elastômero. Em ainda uma outra modalidade, o degrau 6510 é substituído por uma solda interna além da solda externa nas juntas 6508.
[00353] O cárter 6502 é montado em duas peças, um cárter superior 6512 e um cárter inferior 6516. O cabeçote de aquecedor 6506 é primeiramente unido ao cárter superior 6512. Em segundo lugar, um resfriador 6520 é instalado com uma tubulação resfriante (mostrada como 6514 na figura 65B) que passa através de orifícios no cárter superior 6512. Em terceiro lugar, os pistões de ação dupla 6528 e os componentes de acionamento (designados geralmente com o número 6540 nas figuras 65A e 65C, não mostrados na figura 65B) são instalados. Em uma modalidade, o cárter inferior 6516 é montado em três peças, uma seção superior 6513, a seção média 6515, e uma seção inferior 6517, conforme mostrado nas figuras 65A e 65C. A seção média 6515 pode ser conectada às seções superior e inferior 6513 e 6517 nas juntas 6519 e 6521, respectivamente, por qualquer meio mecânico conhecido na técnica, ou por soldagem.
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106/146 [00354] O cárter inferior 6516 então é unido ao cárter superior 6512 nas juntas 6518. Preferencialmente, o cárter superior 6512 e o cárter inferior 6516 são unidos por soldagem. Alternativamente, um flange com cavilhas pode ser empregado (conforme mostrado nas figuras 65B e 65C).
[00355] Em algumas modalidades, um motor/gerador (mostrado como 6501 na figura 65C), tal como um gerador de PM, pode ser instalado no alojamento de motor/gerador (mostrado como 6503 na figura 65C), o qual é afixado ao cárter inferior 6516, conforme mostrado na figura 65C. O alojamento de motor/gerador 6503 pode ser afixado ao cárter inferior 6516 por qualquer meio mecânico conhecido na técnica, ou pode ser soldado ao cárter inferior 6516. O alojamento de motor/gerador 6503 pode ser montado em duas peças, uma seção dianteira 6505, a qual é afixada ao cárter inferior 6516, e uma seção traseira 6509, a qual pode ser soldada ou presa com cavilhas à seção dianteira 6505. Em uma modalidade, um selo 6511 pode ser posicionado entre a seção traseira 6509 e a seção dianteira 6505 do alojamento de motor/gerador 6503. Em algumas modalidades, a seção traseira 6509 é afixada de forma removível à seção dianteira 6505, o que serve, dentre outras funções, para uma remoção e uma instalação fáceis do motor/gerador 6501, durante a montagem do motor 6500.
[00356] De modo a se permitir um acoplamento direto do cabeçote de aquecedor 6506 ao cárter superior 6512, a função de resfriamento do ciclotérmico é realizada por um resfriador 6520 que é disposto no cárter 6502, desse modo se reduzindo, vantajosamente, as exigências de contenção de pressão impostas ao resfriador. Pela colocação do resfriador 6520 no cárter 6502, a pressão através do resfriador é limitada a uma diferença de pressão entre o gás de trabalho no volume de gás de trabalho, e o gás de carga no volume interno 6504 do cárter. A diferença de pressão é criada por uma compressão e uma expansão
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107/146 do gás de trabalho, e, tipicamente, está limitada a uma percentagem da pressão de operação. Em uma modalidade, a diferença de pressão está limitada a menos de 30% da pressão de operação.
[00357] A tubulação resfriante 6514 vantajosamente tem um diâmetro pequeno em relação ao diâmetro do resfriador 6520. O diâmetro pequeno das passagens resfriante, tal como provido pela tubulação resfriante 6514, é a chave para a obtenção de uma alta transferência de calor e para suportar as grandes diferenças de pressão. A espessura de parede requerida para sustentar ou suportar uma dada pressão é proporcional ao diâmetro de tubo ou vaso. A tensão baixa nas paredes de tubo permite que vários materiais sejam usados para a tubulação resfriante 6514 incluindo, mas não limitando, uma tubulação de aço inoxidável de parede fina ou uma tubulação de cobre de parede mais grossa.
[00358] Uma vantagem adicional da localização do resfriador 6520 inteiramente no volume de cárter 6502 (ou no vaso de pressão de extremidade fria) é que quaisquer vazamentos do gás de trabalho através do resfriador 6520 apenas resultarão em uma redução da performance do motor. Em contraste, se o resfriador fosse para ter uma interface com o ambiente externo, um vazamento do gás de trabalho através do resfriador tornaria o motor inútil, devido à perda do gás de trabalho, a menos que a pressão média de gás de trabalho fosse mantida por uma fonte externa. A exigência reduzida para um resfriador à prova de vazamento permite o uso de técnicas de fabricação menos dispendiosas, incluindo, mas não limitando metal em pó e fundição em matriz.
[00359] O resfriador 6520 é usado para a transferência da energia térmica por condução a partir do gás de trabalho e desse modo para resfriamento do gás de trabalho. Um resfriante, água ou um outro fluido, é levado através do cárter 6502 e do resfriador 6520 pela tubula
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108/146 ção resfriante 6514. A alimentação através da tubulação resfriante 6514 através do cárter superior 6512 pode ser selada por uma junta com solda fraca ou brasada para tubos de cobre, por soldagem, no caso de uma tubulação de aço inoxidável e de aço, ou conforme conhecido de outra forma na técnica.
[00360] O gás de carga no volume interno 6504 também pode requerer um resfriamento devido ao aquecimento resultante do calor dissipado nos enrolamentos do motor/gerador, ao atrito mecânico no acionamento, à compressão/expansão não reversível do gás de carga, e ao sopro de gases quentes a partir do volume de gás de trabalho. O resfriamento do gás de carga no cárter 6502 aumenta a potência e a eficiência do motor, bem como a longevidade de mancais usados no motor.
[00361] Em uma modalidade, um comprimento adicional de tubulação resfriante (mostrado como 6530 na figura 65B) é disposto dentro do cárter 6502, para a absorção do calor do gás de carga no volume interno 6504. O comprimento adicional de tubulação resfriante 6530 pode incluir um conjunto de superfícies estendidas de transferência de calor (mostradas como 6548 na figura 65B), tais como aletas, para a provisão de uma transferência adicional de calor. Conforme mostrado na figura 65B, o comprimento adicional de tubulação resfriante 6530 pode ser afixado à tubulação resfriante 6514 entre o cárter 6502 e o resfriador 6520. Em uma modalidade alternativa, o comprimento de tubulação resfriante 6530 pode ser um tubo com sua própria alimentação do cárter 6502 que é conectado ao laço de resfriamento por mangueiras fora do cárter 6502.
[00362] Em uma outra modalidade, a tubulação estendida resfriante 6530 pode ser substituída por superfícies estendidas na superfície externa do resfriador 6520 ou no alojamento de acionamento (mostrado como 6572 na figura 65A e 65C). Alternativamente, um ventilador
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109/146 (mostrado como 6534 na figura 65B) pode ser afixado à árvore de manivelas de motor (mostrada como 6542 na figura 65C) para circulação do gás de carga no volume interno 6504. O ventilador 6534 pode ser usado separadamente ou em conjunto com a tubulação adicional resfriante 6530 ou as superfícies estendidas no resfriador 6520 ou alojamento de acionamento 6572 para resfriamento direto do gás de carga no volume interno 6504.
[00363] Preferencialmente, a tubulação resfriante 6514 é um tubo contínuo através do volume interno 6504 do cárter e do resfriador 6520. Alternativamente, dois pedaços de tubulação poderiam ser usados entre o cárter e as janelas de alimentação do resfriador. Um tubo porta um resfriante a partir do exterior do cárter 6502 para o resfriador 6520. Um segundo tubo retorna o resfriante a partir do resfriador 6520 para o exterior do cárter 6502. Em uma outra modalidade, múltiplos pedaços de tubulação podem ser usados entre o cárter 6502 e o resfriador, de modo a se adicionar uma tubulação com superfícies estendidas de troca de calor dentro do volume de cárter 6504 ou para facilitação da fabricação. As juntas de tubulação e as juntas entre a tubulação e o resfriador podem ser juntas brasadas, soldadas com solda fraca, soldadas ou mecânicas.
[00364] Vários métodos podem ser usados para a junção da tubulação resfriante 6514 ao resfriador 6520. Qualquer método conhecido para a junção da tubulação resfriante 6514 ao resfriador 6520 pode ser usado em várias modalidades. Em uma modalidade, a tubulação resfriante 6514 pode ser afixada à parede do resfriador 6520 por brasagem, soldagem fraca ou colagem. O resfriador 6520 é na forma de um cilindro posicionado em torno do cilindro 6522 e do percurso de fluxo anular do gás de trabalho fora do cilindro 6522. Assim sendo, a tubulação resfriante 6514 pode ser enrolada em torno do interior da parede cilíndrica de resfriador e afixada, conforme mencionado acima.
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110/146 [00365] As configurações alternativas de resfriador são apresentadas nas figuras 65D-65G que reduzem a complexidade da fabricação da carcaça do resfriador. A figura 65D mostra uma modalidade da vista lateral de um motor de ciclo Stirling incluindo uma tubulação resfriante. Na figura 65D, o resfriador 6552 inclui um espaço de trabalho de resfriador 6550. A tubulação resfriante 6548 é colocada no espaço de trabalho de resfriador 6550, de modo que o gás de trabalho possa fluir sobre uma superfície externa da tubulação resfriante 6548. O gás de trabalho é confinado para fluir diante da tubulação resfriante 6548 pelo corpo de resfriador 6552 e um revestimento de resfriador 6526. O tubo de resfriador passa dentro e fora do espaço de trabalho 6550 através de janelas no resfriador 6552 ou no alojamento de acionamento 6572 (mostrado nas figuras 65A e 65C). O processo de fundição de resfriador é simplificado por ter um selo em torno de linhas resfriante 6548. Além disso, a colocação da linha resfriante 6548 no espaço de trabalho melhora a transferência de calor entre o fluido de trabalho e o fluido resfriante. A tubulação resfriante 6548 pode ser lisa ou ter superfícies estendidas de transferência de calor ou aletas no exterior da tubulação, para se aumentar a transferência de calor entre o gás de trabalho e a tubulação resfriante 6548. Em uma outra modalidade, conforme mostrado na figura 65E, os elementos de espaçamento 6554 podem ser adicionados ao espaço de trabalho de resfriador 6550 para se forçar o gás de trabalho a fluir mais perto dos tubos de resfriador 6548. Os elementos de espaçamento são separados do revestimento de resfriador 6526 e do corpo de resfriador 6552 para se permitir a inserção do tubo de resfriador e de elementos de espaçamento no espaço de trabalho.
[00366] Em uma outra modalidade, conforme mostrado na figura 65F, a tubulação resfriante 6548 é sobrefundida para a formação de um sumidouro de calor anular 6556 em que o gás de trabalho pode
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111/146 fluir em ambos os lados do corpo de resfriador 6552. O sumidouro de calor anular 6556 também pode incluir superfícies estendidas de transferência de calor em suas superfícies interna e externa 6560. O corpo do resfriador 6552 restringe o gás de trabalho a fluir diante das superfícies estendidas de troca de calor no sumidouro de calor 6556. O sumidouro de calor 6556 tipicamente é uma parte mais simples de se fabricar do que o resfriador 6520 nas figuras 65A e 65B. O sumidouro de calor anular 6556 provê aproximadamente o dobro de área de transferência de calor do resfriador 6520 mostrada nas figuras 65A e 65B. Em uma outra modalidade, conforme mostrado na figura 65G, o revestimento de resfriador 6526 pode ser fundido sobre as linhas resfriante 6548. O corpo de resfriador 6552 restringe o gás de trabalho a fluir diante do revestimento de resfriador 6562. O revestimento de resfriador 6526 também pode incluir superfícies estendidas de transferência de calor em uma superfície 6560 para se transferência de calor.
[00367] Retornando à figura 65B, um método para junção da tubulação resfriante 6514 ao resfriador 6520 é sobrefundir o resfriador em torno da tubulação resfriante. Este método é descrito com referência às figuras 66A e 66B, e pode ser aplicado a uma máquina de ciclo fechado pressurizado, bem com objeto em movimento outras aplicações em que seja vantajoso localizar um resfriador dentro do cárter.
[00368] Com referência à figura 66A, um trocador de calor, por exemplo, um resfriador 6520 (mostrado nas figuras 65A e 65B) pode ser fabricado pela formação de uma tubulação de metal de alta temperatura 6602 em um formato desejado. Em uma modalidade, a tubulação de metal 6602 é formada em uma bobina usando-se cobre. Um processo de fundição à temperatura mais baixa (em relação à temperatura de fusão da tubulação) então é usado para se sobrefundir a tubulação 6602 com o material de alta condutividade térmica para a formação de uma interface de gás 6604 (e 6532 na figura 65B), selos
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6606 (e 6524 na figura 65B) para o restante do motor e uma estrutura para se conectar mecanicamente o alojamento de acionamento 6572 (mostrado na figura 2) ao cabeçote de aquecedor 6506 (mostrado na figura 65B. Em uma modalidade, o material de alta condutividade térmica usado para se sobrefundir a tubulação é alumínio. A sobrefundição da tubulação 6602 com o metal de alta condutividade térmica assegura uma boa conexão térmica entre a tubulação e as superfícies de transferência de calor em contato com o gás de trabalho. Um selo é criado em torno da tubulação 6602 em que a tubulação sai do molde aberto em 6610. Este método de fabricação de um trocador de calor vantajosamente provê passagens de resfriamento nas partes de metal fundidas de forma barata.
[00369] A figura 66B é uma vista em perspectiva de um conjunto de resfriamento fundido sobre a serpentina de resfriamento da figura 66A. O processo de fundição pode incluir qualquer um dos seguintes: fundição em matriz, fundição com precisão, ou fundição com areia. O material de tubulação é escolhido a partir dos materiais que não se fundem ou entram em colapso durante o processo de fundição. Os materiais de tubulação incluem, mas não estão limitados a cobre, aço inoxidável, níquel, e superligas, tal como Inconel. O material de fundição é escolhido dentre aqueles que se fundem a uma temperatura relativamente baixa, se comparado com a tubulação. Os materiais de fundição típicos incluem alumínio e suas várias ligas, e zinco e suas várias ligas. [00370] O trocador de calor também pode incluir superfícies estendidas de transferência de calor para aumento da área interfacial 6604 (e 6532 mostrada na figura 65B) entre o gás de trabalho quente e o trocador de calor, de modo a se melhorar a transferência de calor entre o gás de trabalho e o resfriante. Superfícies estendidas de transferência de calor podem ser criadas no lado de gás de trabalho do trocador de calor 6520 pela combinação das superfícies estendidas na
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113/146 superfície interna (ou interface de gás) 6604. Com referência à figura 65B, um revestimento de resfriador 6526 (mostrado na figura 65B) pode ser prensado no trocador de calor para a formação de uma barreira de gás no diâmetro interno do trocador de calor. O revestimento de resfriador 6526 dirige o fluxo do gás de trabalho diante da superfície interna do resfriador.
[00371] As superfícies estendidas de transferência de calor podem ser criadas por qualquer um dos métodos conhecidos na técnica. De acordo com algumas modalidades, ranhuras longitudinais 6704 são abertas na superfície, conforme mostrado em detalhes na figura 67A e 67C. Alternativamente, ranhuras laterais 6708 (também mostradas em uma vista em seção aumentada na figura 67B-1) podem ser usinadas, além das ranhuras longitudinais 6704 (também mostradas em uma vista em seção aumentada na figura 67A-1), desse modo se criando pinos alinhados 6710 conforme mostrado na figura 67B. Em algumas modalidades, as ranhuras são cortadas em um ângulo helicoidal, para se aumentar a área de troca de calor.
[00372] Em uma modalidade alternativa, as superfícies estendidas de transferência de calor na interface de gás 6604 (conforme mostrado em 66B) do resfriador são formadas a partir de uma espuma de metal, de metal expandido ou de outros materiais com alta área superficial específica. Por exemplo, um cilindro de espuma de metal pode ser soldado com solda fraca à superfície interna do resfriador 6604. Conforme discutido acima, um revestimento de resfriador 6526 (mostrado na figura 65B) pode ser pressionado para a formação de uma barreira de gás no diâmetro interno da espuma de metal. Outros métodos de formação e de afixação de superfícies de transferência de calor ao corpo do resfriador são descritos na Patente U.S. N° 6.694.731, emitida em 24 de fevereiro de 2004, intitulada Stirling Engine Thermal System Improvements, o que é incorporado aqui como referência em sua
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114/146 totalidade.
[00373] Modalidades adicionais de um vaso de pressão de extremidade fria de penetração resfriante são descritas na Patente U.S. N° 7.325.399. É para ser entendido que as várias modalidades de vaso de pressão de extremidade fria de penetração resfriante referidas aqui podem ser adaptadas para funcionarem em uma configuração de motor de cilindro múltiplo.
Coletor de Admissão [00374] Com referência, agora, à figura 68-69B, um coletor de admissão 6899 é mostrado para aplicação a um motor de ciclo Stirling ou outra aplicação de combustão de acordo com algumas modalidades. Várias modalidades do coletor de admissão 6899 são mostradas adicionalmente na Patente U.S. N° 6.381.958. De acordo com algumas modalidades, o combustível é pré-misturado com ar que pode estar aquecido acima da temperatura de autoignição do combustível, e uma chama é impedida de se formar até o combustível e o ar estarem bem misturados. A figura 68 mostra uma modalidade incluindo um coletor de admissão 6899 e uma câmara de combustão 6810. O coletor de admissão 6899 tem um conduto axissimétrico 6801 com uma entrada 6803 para recebimento do ar 6800. O ar 6800 é preaquecido para uma temperatura tipicamente acima de 900 K, o que pode ser a temperatura de autoignição do combustível. O conduto 6801 porta o ar 6800 fluindo para dentro radialmente com respeito a um eixo geométrico de combustão 6820 para um misturador espiralado 6802 disposto no conduto 6801.
[00375] A figura 69A mostra uma vista em seção transversal do conduto 6801 incluindo o misturador espiralado 6802 de acordo com algumas modalidades. Na modalidade da figura 69A, o misturador espiralado 6802 tem várias palhetas em formato de espiral 6902 para direcionamento do fluxo de ar 6800 radialmente para dentro e impri
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115/146 mindo uma componente de rotação ao ar. O diâmetro da seção de misturador espiralado do conduto diminui a partir da entrada 6904 até a saída 6906 do misturador espiralado 6802, conforme definido pelo comprimento do conduto de seção de misturador espiralado 6801. A diminuição no diâmetro das palhetas de misturador espiralado 6902 aumenta a taxa do ar 6800 em uma proporção substancialmente inversa ao diâmetro. A taxa é aumentada de modo que esteja acima da velocidade de chama do combustível. Na saída 6906 de misturador espiralado 6802, o combustível 6806, que em uma modalidade é propano, é injetado no ar fluindo para dentro.
[00376] Em algumas modalidades, o combustível 6806 é injetado por um injetor de combustível 6804 através de uma série de bocais 6900 conforme mostrado na figura 69B. Mais particularmente, a figura 69B mostra uma vista em seção transversal de conduto 6801 e inclui os bocais de jato de combustível 6900. Cada um dos bocais 6900 está posicionado na saída das palhetas de misturador espiralado 6902 e está centralizado entre duas palhetas adjacentes. Os bocais 6900 são posicionados desta forma para se aumentar a eficiência de mistura do ar e do combustível. Os bocais 6900 simultaneamente injetam o combustível 6806 através do fluxo de ar 6800. Uma vez que o fluxo de ar é mais rápido do que a velocidade da chama, uma chama não se formará naquele ponto, embora a temperatura da mistura de ar e de combustível esteja acima da temperatura de autoignição do combustível. Em algumas modalidades, em que propano é usado, a temperatura de preaquecimento, conforme governado pela temperatura do cabeçote de aquecedor, é de aproximadamente 900 K.
[00377] Com referência de novo à figura 68, o ar e o combustível, agora misturados, referidos a partir desejavelmente ponto como a mistura de ar-combustível 6809, é transitado em uma direção através da garganta 6808 que tem uma carenagem contornada 6822 e é afi
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116/146 xada à saída 6807 do conduto 6801. O combustível 6806 é suprido através do regulador de combustível 6824.
[00378] A garganta 6808 tem um raio interno 6814 e uma dimensão externa 6816. A transição da mistura de ar-combustível é a partir de uma direção que é substancialmente transversal e radialmente para dentro com respeito ao eixo geométrico de combustão 6820 até uma direção a qual é substancialmente paralela ao eixo geométrico de combustão. O contorno da carenagem 6822 da garganta 6808 tem o formato de um sino invertido, de modo que a área de seção transversal da garganta 6808 com respeito ao eixo geométrico de combustão permaneça constante a partir da entrada 6811 da garganta até a saída 6812 da garganta. O contorno é liso, sem degraus, e mantém a velocidade de fluxo a partir da saída do misturador espiralado até a saída da garganta 6808, para se evitar uma separação, e a recirculação resultante ao longo de qualquer uma das superfícies. A área de seção transversal constante permite que o ar e o combustível continuem a se misturar, sem diminuição da velocidade de fluxo e causando uma queda de pressão. Uma seção transversal lisa e constante produz um misturador espiralado eficiente, onde a eficiência de misturador espiralado se refere à fração de queda de pressão estática através do misturador espiralado, onde é convertida em uma pressão dinâmica de fluxo de turbilhonamento. Eficiências de turbilhonamento de mais de 80% tipicamente podem ser obtidas na prática. Assim, o dreno de potência parasita do ventilador de ar de combustão pode ser minimizado.
[00379] A saída 6812 da garganta se afunila para fora, permitindo que a mistura de ar-combustível 6809 se disperse na câmara 6810 desacelerando a mistura de ar-combustível 6809, desse modo localizando e contendo a chama e fazendo com que uma chama toroidal se forme. O momento de rotação gerado pelo misturador espiralado 6802 produz um vórtice de anel de estabilização de chama, conforme bemPetição 870190094882, de 23/09/2019, pág. 122/160
117/146 conhecido na técnica.
[00380] Com referência à figura 70, é mostrada uma seção transversal do combustor 7022 e o percurso de fluxo de gás de exaustão 7013, conforme descrito acima com referência às figuras anteriores. De acordo com uma outra modalidade, é reconhecido que os gases de combustão de exaustão permanecem acima da temperatura de combustão do combustível, bem além da região de combustor 7022, e que, uma vez que a mistura de mistura de combustível/ar de modo típico é extremamente pobre, um oxidante adequado permanece para recombustão dos gases de exaustão.
[00381] A figura 70 ainda ilustra o uso de um sensor de temperatura 7002, tipicamente a termopar, para monitoração da temperatura do cabeçote de aquecedor 7020 no topo de arranjo de pino externo 7030 e, desse modo, para controle do fluxo de combustível, de modo a se manter a temperatura no sensor 7002 abaixo da temperatura na qual o cabeçote de aquecedor perde significativamente resistência. A temperatura no sensor 7002 preferencialmente é mantida aproximadamente 50°C abaixo da temperatura de fusão do cabeçote de aquecedor material.
[00382] Na configuração descrita na figura 70, o uso de um canal de bypass de fluxo de gás de seção transversal variável 7004 é ilustrado, conforme descrito acima. O afunilamento do canal de bypass é grandemente exagerado, para clareza de descrição. Mesmo quando um canal de bypass é empregado, um perfil de temperatura como uma função da distância a partir do topo do cabeçote de aquecedor não é plano, conforme seria preferível. Dois sensores de temperatura adicionais, 7006 e 7008, são mostrados no meio e no fundo, respectivamente, do arranjo de pino externo 7030, por meio do que a temperatura do gás de exaustão pode ser monitorada.
[00383] De acordo com algumas modalidades, combustível adicio
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118/146 nal é acrescentado aos gases de exaustão no bocal 7010 através de uma linha de combustível pós-queimador 7012. O bocal 7010 pode ser um queimador de anel, que circunde circunferencialmente o cabeçote de aquecedor 7020 e faceando o arranjo de pino externo 7030 entre as posições designadas na figura 70 pelos sensores de temperatura 7002 e 7006. O fluxo de combustível através da linha de combustível pós-queimador 7012 pode ser controlado com base na temperatura do gás de exaustão medida pelo sensor de temperatura 7008. A posição precisa da temperatura 7008 preferencialmente é tal que se meça a temperatura máxima do arranjo de pino externo produzida pela combustão do combustível saindo do bocal de pós-queimador 7010.
[00384] Com referência à figura 71A, é mostrada uma vista lateral em seção transversal de um queimador e sistema de recuperação de calor, projetado geralmente pelo número 7100, para um motor de ciclotérmico de acordo com algumas modalidades. Na modalidade mostrada, o calor é trocado entre gases de exaustão quentes, aquecido no combustor 7022, e ar aspirado na entrada de ar 7104 em um trocador de calor 7106 que é externo ao conjunto de cabeçote de aquecedor. Adicionalmente, é mostrada uma entrada de combustível 7108 e um ignitor 7110 usado para a iniciação da ignição no combustor. A corrente de exaustão 7112 atravessa os pinos de transferência de calor 7030, antes de ser canalizada para o trocador de calor 7106. Um anel de selo 7114 de cobre, ou de outro metal de temperatura de fusão suficientemente alta, forma um selo do tipo de haste no flange de cabeçote de aquecedor 7116 imediatamente abaixo da fileira de fundo de pinos de transferência de calor 7030. Um anel de cobre 7114 se adapta firmemente sobre o flange de cabeçote de aquecedor 7116 produzindo um selo de labirinto. A porção à direita da vista em seção transversal da figura 71A, que mostra a região do selo, é mostrada aumentada na figura 71B. O anel de selo de cobre 7114 se adapta firmemen
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119/146 te no cabeçote de aquecedor 7101 e tem um ajuste apertado na ranhura anular 7118 na superfície de fundo da cobertura de queimador 7120. A configuração do anel 7114 na ranhura 7118 produz um selo de labirinto que faz com que o gás de exaustão, no pleno de exaustão 7122 percorra um percurso convoluto em torno do lado traseiro do anel de selo 7114, desse modo se limitando o vazamento do gás de exaustão. O ajuste apertado do anel 7114 sobre o cabeçote 7101 limita axialmente o vazamento de gás de exaustão para fora do queimador.
[00385] É para ser entendido que as várias modalidades de coletor de admissão descritas aqui podem ser adaptadas para funcionarem em uma configuração de queimador múltiplo.
Queimador de Combustível Gasoso [00386] Definições: conforme usado nesta seção da descrição detalhada, os termos a seguir têm os significados indicados, a menos que o contexto requeira de outra forma: relação de Equivalência de Combustível-Ar (.phi.) = Relação de Massa de Combustível-Ar Real/Relação de Massa de Combustível-Ar Estequiométrica. A relação de massa de combustível-ar estequiométrica é definida como a relação de massa necessária para equilibrar a equação química de combustível + ar. A relação de massa de combustível-ar estequiométrica é bem-conhecida para combustíveis comuns, tal como propano (0,0638 g de combustível/g de ar) e calculável para gases tal como um biogás.
[00387] A figura 72 mostra uma modalidade da modalidade de motor 7212 tendo um queimador de combustível gasoso 7201. Várias modalidades do queimador de combustível gasoso 7201 também são mostradas no Pedido de Patente U.S. N° de Série 11/122.447, depositado em 5 de maio de 2005, publicado em 10 de novembro de 2005, o que é incorporado aqui como referência em sua totalidade. Esta modalidade pode ser usada no contexto de um motor de ciclo Stirling, embora outras modalidades da máquina não estejam limitadas a essas apli
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120/146 cações. Aqueles versados na técnica apreciarão que a presente máquina pode ter aplicação em outros sistemas, tal como com outros tipos de motores de combustão externa.
[00388] O uso de um ejetor em um queimador de combustível gasoso vantajosamente pode resolver alguns dos desafios enfrentados pelos queimadores de combustível gasoso tradicionais. Em primeiro lugar, o uso de um ejetor pode eliminar a necessidade de equipamento adicional, controles e espaço, tal como uma bomba de combustível gasoso, um circuito de controle de qualidade e os componentes associados. Além disso, o uso de um ejetor tal como um venturi simplifica o sistema de controle de combustível pela eliminação da necessidade de um esquema de controle de combustível em separado. Com base na elevação correspondente do vácuo com o fluxo de ar e, subsequentemente, um fluxo de combustível aumentado, a potência do queimador pode ser regulada pela regulagem do fluxo de ar. Assim sendo, a remoção do controle de combustível em separado simplifica o desenvolvimento e a implementação do controle de queimador automático em um queimador de combustível gasoso com um ejetor.
[00389] Em segundo lugar, a elevação correspondente do vácuo com um fluxo de ar também resulta em uma relação combustível-ar aproximadamente permanente, apesar das mudanças na temperatura e nas taxas de ar. A relação combustível-ar permanente resultante simplifica a operação do queimador, pela eliminação da necessidade de mecanismos complexos de sensor de exaustão/controle de combustível de retorno.
[00390] Com referência à figura 72, um queimador de combustível gasoso 7201 compreende um ejetor 7240, um trocador de calor 7220, uma câmara de combustão 7250, e um soprador 7200 (mostrado como 7300 na figura 73A). O termo ejetor conforme usado aqui inclui edutores, sifões ou qualquer dispositivo que possa usar a energia ciné
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121/146 tica de um fluido para causar o fluxo de um outro fluido. Os ejetores são uma forma confiável de se produzirem sistemas de fluxo de combustível à base de vácuo com baixo custo inicial, falta de partes móveis e simplicidade de operação.
[00391] Com referência de novo à figura 72, em algumas modalidades, o ejetor 7240 é um venturi. O venturi 7240 é posicionado a jusante da saída do preaquecedor de ar ou trocador de calor 7220, em um pleno de venturi 7241 e próximo à câmara de combustão 7250. Um soprador 7200 força o ar através do venturi 7240. O fluxo de ar através do venturi aspira uma quantidade proporcional de combustível através das janelas de entrada de combustível 7279. As janelas de entrada de combustível 7279 são posicionadas na garganta de venturi 7244 onde a garganta tem a pressão mais baixa. As janelas 7279 são dimensionadas para a produção de penachos de combustível através do fluxo de ar, que promovem uma boa mistura dentro do venturi 7240. Esta mistura de combustível-ar sai do venturi 7240 e forma uma chama estabilizada com turbilhonamento na câmara de combustão 7250. O venturi 7240 aspira uma quantidade de combustível que é substancialmente proporcional de forma linear ao fluxo de ar, independentemente das taxas de ar e da temperatura do ar entrando no venturi 7240.
[00392] Em algumas modalidades conforme mostrado nas figuras 73A e 73B, a colocação do venturi 7340 entre o preaquecedor de ar 7320 e a câmara de combustão 7350 promove uma relação de arcombustível substancialmente permanece por uma faixa ampla de fluxos de ar e temperaturas de venturi. A figura 73A é um desenho esquemático do queimador incluindo os componentes do queimador, tais como um soprador 7300, um preaquecedor 7320, um venturi 7340, e um suprimento de combustível 7372. O desenho também inclui um trocador de calor de carga ou cabeçote de aquecedor 7390 (também mostrado nas figura 76-78 como 7290). O trocador de calor de carga
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7390 é o trocador de calor do motor ou processo que absorve a potência térmica dos gases quentes deixando a câmara de combustão 7350 no queimador a alguma temperatura elevada. Os gases queimados parcialmente resfriados então entram no lado de exaustão do preaquecedor de ar, onde eles são mais resfriados pelo ar de combustão entrando. A figura 73B mostra um mapa pressão dos mesmos componentes dispostos linearmente. A pressão de ar suprida pelo soprador, a pressão de suprimento de combustível, e a pressão ambiente são todas indicadas. A taxa em massa (m') de combustível para o queimador é controlada pela diferença entre a pressão de suprimento de combustível em 7372 e a pressão na garganta de venturi 7344 (mostrada na figura 72 como 7244) e a temperatura de combustível na restrição dominante: m'.sub.FUEL.varies.(P.sub.FUELP.sub.THROAT).sup.0.5/T.sub.FUEL.sup.0.5 [00393] A pressão na garganta (P.sub.THROAT) é regulada pela queda de pressão através do lado de exaustão do preaquecedor 7320 mais a queda de pressão através dos tubos de cabeçote de aquecedor 7390 menos a sucção gerada pela garganta de venturi 7344. As quedas de pressão 7320, 7390 e a pressão de sucção de garganta 7344 são todas proporcionais à taxa de fluxo de ar e à temperatura de venturi. P.sub. THROAT.varies.m'.sub.AIR.sup.2*T.sub.VENTURI [00394] A combinação destas equações mostra que o fluxo de combustível variará de forma aproximadamente linear com o fluxo de ar:
m'.sub.FUEL.varies.[P.sub.FUEL(m'.sub.AIR.sup.2*T.sub.VENTURI)].sup.0.5/T-.sub.FUEL.sup.0.5 [00395] Ao se regular a pressão do combustível para próxima da pressão ambiente, o fluxo de combustível é aproximadamente linear com fluxo de ar.
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123/146 m'.sub.FUEL.varies.m'.sub.AIR*(T.sub.VENTURI/T.sub.FUEL).sup.0.5 [00396] Assim, a localização da restrição dominante de combustível 7378 (mostrada como 7278 na figura 72) no pleno de venturi (mostrada como 7241 na figura 72) provê uma relação combustível-ar aproximadamente permanente por uma ampla faixa de taxas de fluxo de ar e temperaturas de venturi.
m'.sub.FUEL/m'.sub.AIR.varies.constant [00397] A figura 74 mostra uma modalidade do ejetor tal como o venturi. Nesta modalidade, o tamanho da abertura da garganta de venturi 7244 determina a quantidade de sucção presente na garganta 7244. Em uma modalidade específica, a garganta de venturi tem aproximadamente 6,096 mm (0,24 polegada) de diâmetro. Com referência de volta às figuras 72 e 74, os meios de envio de combustível são acoplados ao venturi 7240. Os meios de envio de combustível podem ser coletores, linhas de combustível ou tubos de combustível. Os meios de envio de combustível podem incluir outros componentes tal como uma restrição de combustível 7278, as janelas de entrada de combustível 7279 e válvulas de combustível (não mostradas). O combustível suprido por um regulador de pressão 7272 flui através de um coletor 7273 e de janelas de entrada de combustível 7279 para a pressão relativamente mais baixa na garganta 7244. Em uma modalidade, as janelas de entrada de combustível 7279 proveem a maior porção da queda de pressão nos meios de envio de combustível. Preferencialmente, tornar as janelas de entrada de combustível a maior restrição nos meios de envio de combustível assegura que a restrição ocorra à temperatura de venturi e maximiza a mistura de combustível-ar pela produção dos maiores penachos de combustível possíveis. Com referência de volta à figura 72, o combustível e o fluxo de ar para o cone divergente ou difusor 7248 do venturi, onde uma pressão estática é recuperada. No difusor 7248, o combustível entranhado se mistura
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124/146 com o ar para a formação de uma mistura inflamável de ar e combustível na câmara de combustão 7250. A mistura de combustível-ar inflamável então entra na câmara de combustão 7250, onde o ignitor 7260 pode inflamar a mistura e o fluxo tangencial induzido por um misturador espiralado 7230 cria um penacho estabilizado por turbilhonamento. Usar um ejetor 7240 para aspiração do combustível gasoso para a câmara de combustão elimina a necessidade de uma bomba de combustível gasosa de alta pressão para o envio do combustível.
[00398] Em uma modalidade, o venturi 7240 é construído a partir de materiais à alta temperatura para suportar as altas temperaturas e manter sua intensidade estrutural. Para a modalidade da figura 74, as dimensões do venturi podem ser de uma entrada de aproximadamente 22,86 mm (0,9 polegada) de diâmetro e saídas com uma garganta de aproximadamente 6,096 mm (0,24 polegada) de diâmetro. Os meios ângulos do cone convergente e dos cones divergentes podem ser de 21 graus e 7 graus, respectivamente, e a garganta pode ter 6,35 mm (0,25 polegada) de comprimento g. Nesta modalidade, o venturi pode ser construído a partir de Inconel 600. Alternativamente, outros metais de alta temperatura poderiam ser usados, incluindo, mas não limitando os aços inoxidáveis 310, 316L, 409 e 439, Hastalloy C76, Hastalloy X, Inconel 625 e outras superligas.
[00399] Em uma modalidade, conforme mostrado na figura 72, um misturador espiralado 7230 está localizado a montante do venturi 7240 e vantajosamente cria um fluxo tangencial de ar através do venturi. Conforme é bem-conhecido na técnica, o fluxo tangencial a partir do misturador espiralado pode criar um vórtice anular na câmara de combustão, o que estabiliza a chama. Adicionalmente, o misturador espiralado 7230 aumenta a pressão de sucção na garganta de venturi 7244 pelo aumento da velocidade de ar local pelas janelas de entrada de combustível 7279. A adição do misturador espiralado permite que a
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125/146 garganta de venturi 7244 seja tornada maior para uma dada pressão de sucção. Além disso, a ação de turbilhonamento induzida pelo misturador espiralado 7230 pode suprimir flutuações na pressão da câmara de combustão de se propagarem a montante para o venturi 7240. Essas flutuações de pressão temporariamente desaceleram ou param o fluxo de gás combustível para o venturi 7240. O misturador espiralado 7230 desse modo facilita uma relação combustível-ar permanente na câmara de combustão para fluxos permanentes de ar. O misturador espiralado 7230 pode ser um misturador espiralado radial.
[00400] Em outras modalidades, o queimador gasoso pode ser conectado a múltiplas fontes de combustível. Nesta configuração, o queimador pode ser disparado, acesso ou inflamado com um tipo de combustível e, então, feito funcionar com um tipo diferente de combustível. O uso de múltiplas fontes de combustível pode requerer um meio de envio de combustível sintonizado para cada combustível. As figuras 75, 75A, e 75B mostram modalidades para dois combustíveis com densidades de energia significativamente diferentes, tais como propano e gás natural. Nesta modalidade, os meios de envio de combustível para o propano mais denso podem ser aproximadamente três vezes mais restritivos do que os meios de envio de para o gás natural ou metano menos denso. Na modalidade mostrada na figura 75, o venturi tem coletores e janelas de combustível diferentes para cada combustível. Os combustíveis de alta densidade, tal como propano, requereriam as janelas mais restritivas de entrada de combustível 7279, enquanto um combustível de densidade baixa, tal como gás natural, requereria janelas menos restritivas de entrada de combustível 7279A. Esta configuração retém a resistência mais alta ao fluxo de combustível na temperatura de venturi. Contudo, a modalidade do venturi na figura 75 pode ser mais difícil de fabricar e tem uma perda de pressão mais alta, devido à passagem estreita longa.
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126/146 [00401] Uma outra modalidade para um queimador gasoso com múltiplas fontes de combustível é mostrada na figura 75A. Nesta modalidade, uma válvula seletora de combustível 7276 dirige o combustível através de uma restrição adicional de combustível tal como 7278A ou 7278B para um gás denso ou um gás menos denso, respectivamente. A válvula de porta múltipla 7276 permite que qualquer número de gases pré-definidos seja queimado pelo mesmo queimador. Gases pré-definidos, tais como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP) ou biogás podem ser queimados no mesmo queimador pela simples regulagem de uma válvula seletora para a regulagem de combustível correspondente. Alternativamente, outras modalidades podem ter múltiplas regulagens diferentes para qualidades diferentes de biogás, já que a fração de dióxido de carbono do biogás pode variar de 50% a 20%. As restrições de combustível podem ser posicionadas fora do o queimador, conforme mostrado na figura 75A ou, alternativamente, eles podem estar localizados nas entradas para o coletor 7273. Se as restrições 7278 forem posicionadas fora do queimador, então, uma parte significativa da queda de pressão de meios de envio de combustível não estará na temperatura de venturi e, assim, a relação combustível-ar poderá variar com a temperatura de venturi. O queimador funcionará inicialmente mais pobre e progressivamente ficará mais rico conforme o ar mais quente fluindo através do venturi exercer um vácuo mais forte sobre o combustível. Além disso, movendo uma parte significativa da queda de pressão das janelas de combustível 7279, o combustível não penetrará tão longe na corrente de ar. Não obstante, a localização de múltiplas restrições 7278 para gases diferentes pode tornar a fabricação da parte mais fácil.
[00402] Uma modalidade alternativa, que provê uma flexibilidade significativa no controle da relação combustível-ar e nos usos de garrafas combustível, é mostrada na figura 75B. Nesta modalidade, as
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127/146 duas fontes de combustível, 7272A e 7272B são reguladas para sua pressão individual e fluem através de meios de envio de combustível separados ajustados para cada combustível. Cada meio de envio de combustível inclui duas ou mais restrições em paralelo 7206A e 7208A, e 7206B e 7208B com uma ou mais válvulas 7202A, e 7202B, respectivamente, para variação da queda de pressão dos meios de envio de combustível. As válvulas podem ser atuadas manual ou automaticamente. Um seletor de combustível 7276 conecta os meios de envio de combustível ao venturi, enquanto fecha o outro combustível. [00403] As múltiplas restrições 7206A e 7208A, e 7206B e 7208B e as válvulas 7202A e 7202B permitem que a queda de pressão dos meios de envio de combustível seja ajustada durante um aquecimento do queimador. Assim, a relação combustível-ar pode ser aproximadamente mantida conforme a pressão de sucção aumentar com uma temperatura crescente de venturi. As múltiplas restrições também podem ajustar uma densidade mutável de gás combustível. Uma densidade mutável de gás combustível pode correr quando o queimador de combustível gasoso for conectado a um digestor de biogás, onde o digestor de biogás é a fonte de combustível. Em uma modalidade de digestor de biogás, o teor de dióxido de carbono (CO.sub.2) e, portanto, a densidade de energia pode variar semanalmente. Nesta modalidade, se o teor de CO.sub.2 aumentar, a queda de pressão através dos meios de envio de combustível deverá ser reduzida, para se permitirem fluxos mais altos do gás combustível de energia menos densa. Além disso, as múltiplas restrições podem melhorar a ignição do gás combustível pela provisão de uma mistura mais rica de combustível-ar para ignição. A mistura mais rica é provida pela abertura de válvulas adicionais 7202A ou 7202B, o que também reduz a queda de pressão dos meios de envio de combustível. Uma vez que o queimador seja aceso, a válvula 7202A ou 7202B pode ser fechada, para a produção
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128/146 de uma chama mais pobre. Conforme descrito supra, uma vez que o queimador seja aceso, o queimador pode ser feito funcionar com um combustível diferente. Um seletor de combustível pode ser usado para comutação dos tipos de combustível. Alternativamente, uma modalidade com um seletor de combustível múltiplo facilita a variação da relação combustível-ar durante a operação do queimador.
[00404] Agora, com referência às figuras 75A e 75B, o seletor de combustível 7276 pode permitir que o queimador seja inflamado em um combustível e funcione com um tipo diferente de combustível. Isto pode ser importante, se um combustível for fraco demais para a ignição, mas queimar em um queimador aquecido. Em um exemplo, o queimador pode ser aceso com um combustível de densidade mais alta, tal como propano. Uma vez que o queimador seja aquecido, o seletor de combustível 7276 é movido para aspirar um biogás de densidade baixa.
[00405] A figura 76 descreve uma modalidade em que um controlador automatizado 7288 ajusta uma restrição variável 7292, tal como uma válvula de fluxo variável nos meios de envio de combustível para se manter o oxigênio de exaustão constante, conforme medido por um sensor de lambda de faixa ampla ou UEGO 7286. Nesta modalidade, o esquema automatizado permite que qualquer combustível de biogás a propano seja conectado ao queimador, e o sistema de controle pode compensar a densidade de combustível mudando. Nesta modalidade, o controlador automatizado pode restringir o percurso de combustível para combustíveis densos, tal como propano, e abrir o percurso de combustível para combustíveis de densidade baixa, tais como metano e biogás. A ignição seria realizada pela partida da restrição variável 7292 na posição plenamente aberta, o que produzirá a mistura mais rica, então, fechando-a até a mistura de combustível-ar ser inflamada. Após a ignição, o controlador pode controlar o fluxo de combustível
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129/146 para a obtenção do nível de oxigênio de exaustão desejado. Também é previsto que uma modalidade como essa permitiria que a relação de combustível e ar fosse ajustada durante um aquecimento, para otimização da eficiência e da estabilidade do queimador.
[00406] Em uma outra modalidade, conforme mostrado na figura 77, o queimador de combustível gasoso é um queimador de alta eficiência para um motor de combustão externa, tal como um motor de ciclo Stirling. O queimador inclui controles manuais para controle do queimador. Os controles manuais incluem uma válvula de esfera 7270 para a seleção manual do tipo de combustível, uma válvula de compensação 7274 para ajuste da relação combustível-ar e um reostato 7702 para controle da velocidade do soprador e, subsequentemente, do fluxo de ar. O ar preaquecido 7222 no venturi 7240 aspira o combustível a partir de uma fonte de combustível 7272. O combustível então se mistura com o ar preaquecido para a criação da mistura de combustível-ar. A mistura de combustível-ar flui para a câmara de combustão 7250, onde queima. Nesta modalidade um microprocessador/controlador 7288 mantém a temperatura do cabeçote de aquecedor constante, conforme medido pelo sensor de temperatura 7289 pela variação da velocidade do motor. Além disso, a velocidade do soprador determina a saída de potência de queimador e, assim, a saída de potência do motor. Em uma modalidade alternativa, a válvula de compensação de combustível 7274 não é incluída.
[00407] Com referência, agora, à figura 78 o queimador de combustível gasoso 7201 é um queimador de alta eficiência para um motor de combustão externa tal como um motor de ciclo Stirling. Nesta modalidade, o queimador inclui um sensor de oxigênio 7286 localizado na corrente de exaustão 7284 e um microprocessador/controlador 7288 para a restrição automática do fluxo de combustível com a restrição variável 7292. Adicionalmente, o queimador inclui um controlador de
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130/146 soprador (mostrado como 7702 na figura 77). O controlador de soprador 7702 pode ser ajustado pelo microprocessador/controlador 7288 para combinar a saída de potência do motor de Stirling com a carga. Nesta modalidade, a temperatura de queimador é mantida constante pela variação da velocidade do motor, e a saída de potência do motor é automaticamente ajustada pela regulagem da velocidade do soprador. Assim sendo, nesta modalidade, o queimador pode queimar combustíveis mais gasosos, incluindo combustíveis sem propriedades constantes, tal como um biogás.
[00408] Em uma outra modalidade, conforme mostrado na figura 79, o combustível é entregue diretamente para o venturi em um ponto próximo à garganta de venturi 7244. Esta modalidade inclui um misturador espiralado 7230 para acomodação dos meios de envio de combustível, tal como uma linha de combustível ou um tubo de combustível. O misturador espiralado 7230 preferencialmente é um misturador espiralado axial posicionado no venturi 7240 e a montante da garganta de venturi 7244. Em operação, o combustível entregue é estranhado com o ar motor para a formação da mistura de combustível-ar. Os mecanismos de controle manuais ou automáticos de exemplo são adaptáveis a esta modalidade de envio de combustível alternativa.
[00409] Com referência de volta à figura 74, o queimador de combustível gasoso ainda compreende um ignitor 7260 e um dispositivo de monitoração de chama 7210. Preferencialmente, o ignitor 7260 é um ignitor de superfície quente excitável que pode atingir temperaturas maiores do que 1150°C. Alternativamente, o ignitor 7260 pode ser um ignitor de superfície quente de cerâmica ou um pino incandescente.
[00410] Com referência continuada à figura 74, outras modalidades incluem um dispositivo de monitoração de chama 7210. O dispositivo de monitoração de chama 7210 provê um sinal na presença de uma chama. Para segurança da operação de qualquer queimador, é impor
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131/146 tante que o combustível seja fechado, no caso de uma falha por extinção de chama. O dispositivo de monitoração para detecção de chama é o método de retificação usando um circuito de controle e uma haste de chama.
[00411] Uma retificação de chama, bem-conhecida na técnica, é uma abordagem de detecção de chama para os queimadores de gás de alta eficiência pequenos. O dispositivo usa uma única haste de chama para a detecção da chama. A haste de chama é relativamente menor do que o cabeçote de aquecedor retificado, e é posicionada na chama de combustão. Nesta modalidade de retificação de chama, a parte eletrônica de unidade de controle é fabricada pela Kidde-Fenwal, Inc., e a haste de chama está comercialmente disponível a partir da International Ceramics and Heating Systems.
[00412] Preferencialmente, o dispositivo de monitoração de chama usa o ignitor de superfície quente como a haste de chama Alternativamente, o dispositivo de monitoração de chama pode ser remoto do ignitor de superfície quente ou acondicionado com o ignitor como uma unidade única.
[00413] Alternativamente, um sensor ótico pode ser usado para a detecção da presença de uma chama. Um sensor preferido é um sensor de ultravioleta para uma visão clara do feixe da chama através de um vidro transparente a ultravioleta e um tubo de mira.
[00414] É para ser entendido que as várias modalidades de queimador de combustível descritas aqui podem ser adaptadas para funcionarem em uma configuração de queimador múltiplo.
Bomba de Combustível [00415] De acordo com algumas modalidades, um fluxo de combustível para uma câmara de combustão pressurizada de um motor, tal como um motor de Stirling, pode ser medido pela variação dos parâmetros de operação de uma bomba de combustível. Várias modalida
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132/146 des da bomba de combustível são descritas abaixo e na Patente U.S. N° 7.111.460, emitida em 26 de setembro de 2006, to Jensen et al., e no Pedido de Patente U.S. N° de Série 11/534.979, depositado em 25 de setembro de 2006, publicado em 8 de fevereiro de 2007, os quais são incorporados aqui como referência em suas totalidades. Uma performance desejada pode ser obtida sem placas de estrangulamento ou válvulas ou outros dispositivos restritivos que normalmente são usados para a medição do fluxo de combustível para a câmara de combustão. [00416] A figura 80 mostra um sistema de bomba de medição provendo combustível gasoso para uma câmara de combustão pressurizada 8058 de um motor 8022 de acordo com uma modalidade. Um trem de gás, rotulado geralmente como 8005, inclui uma bomba de combustível 8014, linhas de interconexão 8038, 8042 e podem incluir um regulador de pressão 8018. A bomba de combustível 8014 eleva a pressão de combustível na linha 8038 para uma pressão mais alta na linha 8042. O trem de gás entrega combustível a partir do suprimento de gás para o queimador 8010, onde ele é misturado com ar e queimado em uma câmara de combustão 8058. A bomba de combustível é controlada por um controlador 8034 que modula a taxa de combustível pela variação de um ou mais parâmetros de um sinal elétrico enviado para a bomba de combustível 8014. O controlador também pode regular um soprador 8060 que provê ar para a câmara de combustão 8058 e pode receber sinais de sensores que reportam os parâmetros de operação do motor.
[00417] Em algumas modalidades, a pressão de combustível entregue na linha 8038 é de 1,493 a 3,235 kPa (de 6 a 13 polegadas) de coluna de água para gás liquefeito de petróleo. Gás natural também pode ser suprido na linha 8038 a pressões ainda mais baixas de 0,747 a 1,991 kPa (3 a 8 polegadas) de coluna de água. Alternativamente, o regulador de pressão 8018 pode suprir o combustível a pressões mais
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133/146 baixas, mesmo a pressões negativas. As pressões de combustível típicas na linha 8042 podem variar de 3,447 a 34,47 kPa (0,5 a 5 psig). [00418] Em algumas modalidades, a bomba de combustível 8014 é uma bomba de pistão linear. Uma bomba de pistão linear é mostrada na figura 81. A bomba inclui um cilindro 8100, a pistão 8102, um enrolamento 8104, uma mola 8106 e válvulas de retenção 8108, 8112. Quando um sinal elétrico é aplicado ao enrolamento 8104, o enrolamento puxa o pistão de metal ferroso 8102 para a esquerda, comprimindo a mola 8106. A válvula de retenção 8108 no pistão permite que o combustível flua para o volume de compressão 8110. Quando o sinal elétrico é desativado e a força eletromagnética sobre o pistão começa a diminuir, o pistão 8102 é forçado para a direita pela mola 8106. O gás é forçado para fora da válvula de retenção 8112 para o volume de receptor 8114 a uma pressão mais alta.
[00419] A taxa da bomba pode ser modulada pela variação do curso do pistão 8102. Em uma modalidade, o sinal a partir do controlador até a bomba é um sinal de corrente alternada (AC) de meia onda, conforme mostrado na figura 82. Os circuitos para a produção deste sinal são bem-conhecidos na técnica. O curso de pistão e, assim, a taxa aumentam conforme a amplitude do sinal AC aumenta. Em algumas modalidades, sinais de amplitude baixa são orientados ligeiramente mais altos para melhoria da repetibilidade e da linearidade de fluxo versus o sinal de acionamento. A força aplicada ao pistão 8102 pelos enrolamentos 8104 é inversamente proporcional a uma distância a partir dos enrolamentos ao pistão. Em níveis de sinal baixos, o pistão não fica muito próximo dos enrolamentos e pequenas mudanças no atrito e na inércia do pistão produzirão mudanças significativas no curso e no fluxo de pistão resultantes. Uma voltagem de orientação é aplicada para se levar a posição inativa do pistão para mais perto dos enrolamentos, de modo que pequenas mudanças no sinal de controla
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134/146 dor que aciona o pistão dominem as forças de atrito e a inércia do pistão. Por exemplo, a voltagem de orientação adicionada ao sinal é mais alta no sinal de acionamento mais baixo (sinal a 10% na figura 82), e pode cair para zero, antes de o sinal de acionamento atingir 50%. A orientação é reduzida em níveis de fluxo mais altos para se tirar vantagem do curso de bomba pleno.
[00420] Em uma outra modalidade, o sinal de controlador que aciona a bomba é um sinal de voltagem de corrente contínua (DC) de largura de pulso modulada (PWM). A figura 83 mostra uma forma de onda DC de exemplo que pode ser usada para acionamento da bomba. Um circuito para a geração do sinal DC de PWM na figura 83 é bem-conhecido na técnica. Três sinais de acionamento diferentes são plotados versus o tempo. Estas modulações de sinal correspondem a ciclos de carga de 10%, 50% e 90%, os quais são mostrados para fins de ilustração e não de limitação. A aplicação de voltagens de onda retangular da figura 83 aos enrolamentos 8104 da figura 81 fará com que o pistão 8102 se mova para a esquerda e comprima a mola 8106. O curso e, portanto, o fluxo serão aproximadamente proporcionais à voltagem vezes a duração do sinal. Os sinais mais baixos, 10% e 50%, incluem voltagens entre pulsos de sinal. Como no caso do sinal de acionamento AC, a voltagem de orientação move o pistão para mais perto dos enrolamentos, para a provisão de uma resposta maior de pistão a pequenas mudanças no sinal e suplantam as forças de atrito e de inércia do pistão. Esta voltagem de orientação pode ser variada com a duração do sinal de acionamento. A voltagem de orientação é mais alta na duração de sinal de acionamento mínima e pode cair para zero, antes de o ciclo de carga de pulso de voltagem de acionamento atingir 50%.
[00421] Outras modalidades podem usar formas de onda de sinal de controlador diferentes para acionamento do pistão. Em uma outra
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135/146 modalidade, a bomba de pistão da figura 81 pode ser acionada sem as voltagens de orientação mostradas nas figuras 82 e 83.
[00422] Em uma outra modalidade, a frequência e a duração do sinal de controlador DC de PWM modulando a bomba pode ser variado para linearização do fluxo através da bomba com mudanças no sinal de acionamento.
[00423] Em modalidades adicionais, a bomba 8014 é uma bomba de diafragma, conforme mostrado na figura 84. Na bomba de diafragma, uma ou mais bobinas de solenoide 8200 acionam o eixo da bomba 8202 para trás e para frente. O eixo 8202 deflete dois diafragmas 8204 que alternadamente puxam o gás para as câmaras 8212 e, então, expelem-no. A bobina de dois fios é acionada com um sinal AC conectado aos fios (8234, 8236) que aciona o pistão 8202 para trás e para frente pela reversão do fluxo de corrente através da bobina 8200. O solenoide tem um ímã permanente, de modo que um campo magnético de reversão possa acionar o solenoide em direções opostas. A força de bombeamento nas duas câmaras 8212 é de fase separada a 180 graus, de modo que conforme uma câmara for preenchida a câmara associada seja esvaziada. As válvulas de retenção 8208 a montante das câmaras de bombeamento 8212 permitem o fluxo de gás para dentro, enquanto as válvulas a jusante 8210 permitem o fluxo para fora das câmaras e para o volume de recebedor 8216. A bobina de solenoide 8200 pode ser acionada com sinal AC de onda completa. De uma forma similar, a bomba de pistão que varia a amplitude do sinal AC variará o curso e, portanto, o fluxo de combustível através da bomba de diafragma.
[00424] Em uma outra modalidade, a bobina elétrica 8200 na bomba de diafragma 8014 da figura 84 pode ter uma derivação no centro pela adição de um terceiro fio 8232 ao centro da bobina 8200. Os fios (8234 e 8236) se conectam a cada extremidade da bobina. Esta cone
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136/146 xão de três fios permite que o pistão 8202 seja acionado para trás e para frente com uma fonte DC. A fonte DC se conecta ao fio central 8232 e os outros fios de conexão (8234 e 8236) são alternadamente conectados ao aterramento ou a uma voltagem negativa, fazendo com que a corrente flua em uma meia bobina ou na outra.
[00425] Uma bobina de três fios 8302 e dispositivos (8304, 8306, 8308) para controle do fluxo de corrente DC para a bobina são mostrados esquematicamente na figura 85. A bobina pode ser usada para acionamento de um solenoide de bomba de diafragma, como na figura 85. Os dispositivos (8304, 8306, 8308) podem ser relés, transistores de efeito de campo (FET), transistores bipolares ou outros dispositivos similares. O controlador pode variar o fluxo de combustível através da bomba de diafragma pela variação da amplitude do sinal de voltagem DC aplicado 8312 usando-se o dispositivo 8304. Os dispositivos 8306, 8308 podem ser acionados conforme mostrado na figura 86A, onde primeiramente um dispositivo é fechado, então, aberto e, então, o outro dispositivo é fechado e, então, aberto. O eixo vertical da figura corresponde a uma voltagem de acionamento normalizada, onde um sinal igual a 1 significa que um dispositivo está fechado (isto é, em curto). Estratégias de controle usando sinais de PWM, conforme ilustrado na figura 83, embora sem a orientação descrita anteriormente para a bomba de pistão e com um uso de fase adequado, podem ser aplicadas a cada um dos dispositivos 8306, 8308 na figura 85.
[00426] Em uma outra modalidade, a amplitude e a frequência de um curso de bomba de diafragma da figura 84 podem ser controladas pelo uso dos três dispositivos (8302, 8304, 8306) mostrados na figura 85. A amplitude do curso de bomba é controlada pela voltagem média no fio 8312. Esta voltagem pode ser modulada por um dispositivo de modulação de largura de pulso rápida 8304. A frequência de curso pode ser controlada como antes pelos dispositivos 8306 e 8308. Alterna
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137/146 tivamente, o dispositivo 8304 pode ser eliminado e os comutadores 8306 e 8308 podem ser de largura de pulso modulada a uma frequência alta, durante seu estado ativo, conforme ilustrado na figura 86B. Em outras modalidades, a bobina com derivação no centro pode ser substituída por uma ponte completa ou meia ponte, conforme conhecido por aqueles versados na técnica.
[00427] Em outras modalidades para uso em aplicações em que um fluxo constante de combustível é importante, um filtro 8701 pode ser adicionado entre a bomba 8700 e o cabeçote de queimador 8706, onde o combustível é misturado com o ar de combustão, conforme mostrado na figura 87A. Uma modalidade do filtro 8701 é um filtro RC compreendendo uma capacitância (volume) 8702 e um orifício 8704. O volume e o orifício são dimensionados para se permitir o fluxo de combustível requerido e redução das flutuações no fluxo para um nível desejado. Técnicas matemáticas que são bem-conhecidas na arte podem ser usadas para a determinação destes parâmetros de filtro.
[00428] Um filtro acústico usando um volume e uma restrição de orifício tem o circuito elétrico análogo mostrado na figura 87B. O análogo de fluxo de gás é corrente elétrica, o análogo da pressão de gás e uma voltagem elétrica, o análogo de volume é a capacitância elétrica, o análogo de resistência a fluxo é a resistência elétrica e o análogo da inércia de gás é a indutância elétrica. A restrição de orifício não se traduz diretamente neste modelo, porque a resistência a fluxo de orifício é proporcional ao fluxo de gás ao quadrado (não linear), ao invés de ser proporcional ao fluxo de gás, como o modelo sugere. O modelo pode ser usado através do processo de linearização da resistência a fluxo para sinais pequenos. A ondulação de fluxo de gás de bomba é atenuada pelo fator de 1/(1+2.pi.fRC), onde f é a componente de frequência do fluxo de gás entrando no filtro a partir da bomba. Devido às características não lineares da restrição de orifício, o filtro acústico tem
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138/146 uma atenuação mais baixa no fluxo baixo, causando uma ondulação de fluxo de queimador alta como uma percentagem do fluxo médio. A ondulação mais alta pode causar instabilidade de chama e emissões mais altas de poluentes. Esta não linearidade também causa uma alta resistência a um fluxo de gás médio nas taxas mais altas, reduzindo a capacidade de fluxo máxima da bomba.
[00429] A adição de um tubo fino longo 8703 ao filtro acústico provê uma atenuação de ondulação através da aceleração da massa de gás, conforme mostrado na figura 87C. O diagrama para o análogo elétrico é mostrado na figura 87D. A ondulação de fluxo de gás de bomba é atenuada pelo fator de 1/[1+(LC)(2.pi.f).sup.2]. Uma vez que L e C não são uma função do fluxo, a atenuação de filtro não é afetada pela taxa e não tem as desvantagens do filtro da figura 87A. A atenuação da ondulação também aumenta a taxa da bomba.
[00430] Com referência de novo à figura 80, em uma outra modalidade, o controlador 8034 modula a saída da bomba de combustível 8014 para controle da temperatura dos tubos de aquecedor 8026 do motor. A temperatura do tubo de aquecedor 8026 pode ser medida com um sensor de temperatura 8054, tal como um termopar, que é afixado a um tubo de aquecedor 8026. Quando o motor aumenta a velocidade, o motor retira mais energia térmica dos tubos de aquecedor 8026. Os tubos resfriam e o termopar 8054 reporta esta temperatura para o controlador 8034, o que, por sua vez, aumenta o fluxo de combustível até a temperatura medida ser restaurada para um nível específico. Qualquer um dos dispositivos e métodos para medição do combustível através da bomba de combustível, conforme descrito acima, podem ser empregados nesta modalidade da máquina. Vários tipos de bomba de combustível, incluindo bombas de palheta rotativa, bombas piezoelétricas, bombas de pistão acionadas por manivela, etc. podem ser empregados. Em outras modalidades, vários aplicativos de opera
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139/146 ção de um sistema, do que a câmara pressurizada faz parte, podem ser controlados pelo controle da bomba de combustível para medição do fluxo de combustível para a câmara. Por exemplo, a velocidade de um motor de combustão interna ou a saída de potência de um motor pode ser determinada pelo controlador. Alternativamente, a relação de mistura de combustível/ar para um queimador pode ser mantida pelo controlador.
[00431] É para ser entendido que as várias modalidades de bomba de combustível descritas aqui podem ser adaptadas para funcionarem em uma configuração de queimador múltiplo.
Motor de Pistão Múltiplo de Queimador Único [00432] Com referência, agora, à figura 88, 89A-89C, várias modalidades são mostradas, onde um motor 8800, tal como um motor de ciclo Stirling, tendo um acionamento de balancim 8802 (também mostrado como 810 e 812 na figura 8) e uma pluralidade de pistões (também mostrados na figura 8 como 802, 804, 806, e 808), inclui um queimador único (mostrado como 8900 nas figuras 89A e 89B) para aquecimento dos cabeçotes de aquecedor 8804 dos pistões. Os cabeçotes de aquecedor 8804 podem ser de uma das várias modalidades mostradas na seção precedente, incluindo, mas não limitando os cabeçotes de aquecedor de tubo, conforme designado pelo número 8902 na figura 89A (também mostrado como 9116 nas figuras 91C e 91D), ou cabeçotes de aquecedor de pino ou de aleta, conforme designado pelo número 8904 na figura 89C (e também mostrado 5100 nas figuras 53D a 53F). A figura 89B inclui um cabeçote de aquecedor de pino 8904 tendo um revestimento de cabeçote de aquecedor 8926 adaptado em torno do cabeçote de aquecedor 8904. O queimador 8900 pode ser um de qualquer uma das várias modalidades mostradas nas seções precedentes e na Patente U.S. N° 6.971.235, emitida em 6 de dezembro de 2005, para Langenfeld et al., o que é incorporado aqui
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140/146 como referência em sua totalidade.
[00433] Em uma modalidade, uma câmara de combustão 8906 é posicionada acima dos cabeçotes de aquecedor 8900, conforme mostrado nas figuras 89A - 89C. Uma pré-câmara 8901 pode conectar a câmara de combustão 8906 a um cabeçote de queimador 8903 através de um bocal de pré-câmara 8908, onde o bocal de pré-câmara 502 pode ser um bocal simples, um bocal de misturador espiralado, ou um bocal de turbilhonamento de pressão. O cabeçote de queimador 8903 pode alojar uma janela de UV 8910 para detecção de chama, um injetor de combustível 8912, o qual pode ser um injetor de combustível com assistência de ar, tal como um bocal de sifão Delevan, e um ignitor de superfície quente 8914. Também são conectadas ao cabeçote de queimador 8903 uma primeira entrada 8916 e uma segunda entrada 8918. Uma dessas entradas pode ser uma entrada de combustível líquido, e a outra entrada pode ser uma entrada de atomização.
[00434] A pré-câmara 8901 é um estágio de preparação de combustível localizado centralmente a montante da câmara de combustão 8906. A pré-câmara 8901 é onde o combustível é inflamado para a formação de uma chama de difusão. Em uma modalidade em que um combustível líquido é usado, o combustível líquido passa através da primeira entrada 8916. O atomizador passa através da segunda entrada 8918 para atomizar o combustível líquido e misturar com o combustível líquido na pré-câmara 8901. Conforme o atomizador e o combustível líquido entram na pré-câmara 8901 através do injetor de combustível 8912, eles são inflamados pelo ignitor de superfície quente 8914. O ar também pode passar através de uma admissão 8920 e ser preaquecido por um preaquecedor 8922, antes de seguir para a précâmara 8901, onde ele se misturará com o atomizador e o combustível líquido. Uma vez que a mistura seja preaquecida e formada na chama de difusão, ela segue através do bocal de pré-câmara 8908 para a
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141/146 câmara de combustão 8906, para a formação de uma chama PPV (pré-misturada pré-vaporizada) flame. Quando a chama de difusão deixa a pré-câmara 8901, uma evaporação pode ocorrer na précâmara 8901, o que pode permitir que a chama de difusão seja acesa de novo mais facilmente, caso tenha a chama apagada ou extinta.
[00435] Uma vez que a chama esteja na câmara de combustão 8901, o calor da chama é usado para aquecimento dos cabeçotes de aquecedor 8804. O gás aquecido a partir da câmara de combustão 8901 flui uniformemente para a superfície de cada dos cabeçotes de aquecedor 8804, onde os cabeçotes de aquecedor 8804 transferem o calor contido no gás aquecido para um fluido de trabalho contido no espaço de trabalho (mostrado como 8806 na figura 88) do motor (mostrado como 8800 na figura 88). A câmara de combustão 8901 pode ter aberturas 8924 em sua superfície, para ajudarem mais na distribuição da chama de PPV uniformemente através de cada um dos cabeçotes de aquecedor 8804.
[00436] Conforme descrito acima na seção atual e nas precedentes, os cabeçotes de aquecedor 8804 podem ser um cabeçote de aquecedor de pino, um cabeçote de aquecedor de pino dobrado, ou podem ser tubos de aquecedor. Em uma modalidade usando um cabeçote de aquecedor de pino ou de aleta, o cabeçote de aquecedor pode incluir um revestimento de cabeçote de aquecedor 8926, conforme mostrado na figura 89B (e também mostrado como 5340 na figura 53A). O revestimento de cabeçote de aquecedor 8926 pode ser uma luva que é adaptada em torno do cabeçote de aquecedor 8904, ou ele pode ser uma luva que é aquecida e expandida, e, então, adaptada em torno do cabeçote de aquecedor, de modo que, quando a luva resfriar, ela se contraia e crie um ajuste apertado em torno do cabeçote de aquecedor. O revestimento de cabeçote de aquecedor 8926 assegura um fluxo uniforme do gás aquecido. O fluxo uniforme impede uma distribui
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142/146 ção de temperatura não uniforme em torno dos cabeçotes de aquecedor 8804 e assegura uma eficiência térmica, conforme discutido em detalhes na seção precedente. A exaustão resultante a partir do queimador pode sair do queimador através de uma exaustão 8928.
[00437] Devido ao fato de o queimador poder atingir temperaturas muito altas, o metal usado para a formação do queimador pode se expandir. A expansão de certas superfícies de queimador 8930 pode interferir com a eficiência do motor ou pode danificar os cabeçotes de aquecedor 8804. Em uma modalidade alternativa, um membro maleável pode ser posicionado entre os cabeçotes de aquecedor 8804, ou, caso seja usado, o revestimento de cabeçote de aquecedor 8926 e a superfície de queimador 8930. O membro maleável atua como um amortecedor contra a superfície de queimador de metal se expandindo 8930, de modo que a superfície de queimador 8930 não se expanda para os cabeçotes de aquecedor 8804.
[00438] Em uma modalidade alternativa, um combustível gasoso, tal como propano, pode ser usado. Em uma modalidade como essa, o queimador pode incluir um cabeçote de queimador 8903 e uma câmara de combustão 8906. O cabeçote de queimador 8903 pode alojar a janela de UV 8910 para detecção de chama, um injetor de combustível 8912, o qual pode ser um injetor de combustível com assistência de ar, tal como um bocal de sifão Delevan, e um ignitor de superfície quente 8914. O combustível gasoso pode entrar na câmara de combustão 8906 através de o injetor de combustível 8912. Ao sair do injetor de combustível 8912, o combustível gasoso seria inflamado pelo ignitor de superfície quente 8914, desse modo se criando uma chama dentro da câmara de combustão 8906. A combustão de combustíveis gasosos é descrita em detalhes nas seções precedentes.
[00439] Em ainda uma outra modalidade, o queimador 8900 pode usar ambos os combustíveis gasoso e líquido. De modo similar à mo
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143/146 dalidade de exemplo descrita anteriormente e a várias outras modalidades descritas nas seções precedentes, o queimador 8900 incluiria uma câmara de combustão 8906, uma pré-câmara 8901, e um cabeçote de queimador 8903. A câmara de combustão 8906 pode ser posicionada acima dos cabeçotes de aquecedor 8804. A pré-câmara 8901 pode conectar a câmara de combustão 8906 a um cabeçote de queimador 8903 através de a bocal de pré-câmara 8908, onde o bocal de pré-câmara 8908 pode ser um bocal simples, um bocal de misturador espiralado, ou um bocal de turbilhonamento de pressão. O cabeçote de queimador 8903 pode alojar uma janela de UV 8910 para detecção de chama, um injetor de combustível 8912, o qual pode ser um injetor de combustível com assistência de ar, tal como um bocal de sifão Delevan, e um ignitor de superfície quente 8914. Também são conectadas ao cabeçote de queimador 8903 uma primeira entrada 8916 e uma segunda entrada 8918. Uma dessas entradas pode ser uma entrada de combustível líquido, e a outra entrada pode ser uma entrada de atomização. Um comutador pode ser posicionado entre a primeira entrada 8916 e a segunda entrada 8918, de modo que, quando um combustível gasoso fosse usado, o combustível gasoso fluísse através da segunda entrada 8918, ao invés do atomizador, conforme descrito acima. Quando um combustível líquido é usado, o comutador seria configurado de modo que o combustível líquido fluísse através da primeira entrada 8916 e o atomizador fluísse através da segunda entrada 8918.
[00440] Em uma modalidade adicional do queimador, um soprador pode ser acoplado ao queimador 8900.
Motor de Pistão Múltiplo de Queimador Múltiplo [00441] Com referência, agora, às figuras 90 a 91B, uma outra modalidade é mostrada, onde cada cabeçote de aquecedor 9002 de motor 9000 pode ser aquecido por um queimador individual 9004, con
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144/146 forme mostrado na figura 90. Os cabeçotes de aquecedor 9002 podem ser de qualquer uma das várias modalidades descritas nas seções precedentes, incluindo, mas não limitando cabeçotes de aquecedor de tubo, conforme designado pelo número 9116 nas figuras 91B-91D, ou cabeçotes de aquecedor de pino ou de aleta, conforme designado pelo número 9118 na figura 91A (e também mostrados 5100 nas figura 53D a 53F). O queimador 9004 pode ser qualquer um das várias modalidades mostradas nas seções precedentes e na Patente U.S. N° 6.971.235.
[00442] Cada queimador 9004 inclui um cabeçote de queimador 9100. De modo similar às modalidades de queimador anteriormente mostradas, o cabeçote de queimador 9100 tem um ignitor 9101, um injetor de combustível 9108, e uma janela de UV (mostrada como 9107 na figura 91B) para detecção de chama. O Combustível passa através da primeira entrada 9106, onde é aquecido pelo ignitor 9101 e formado em uma chama. O ar preaquecido, aquecido pelo preaquecedor 9102, pode ser misturado com o combustível na câmara de combustão 9103. A mistura de combustível aquecida forma uma chama dentro da câmara de combustão 9103 e aquece o cabeçote de aquecedor 9002. Qualquer exaustão a partir do queimador pode sair do queimador através de uma exaustão 9105. Em uma modalidade alternativa do queimador, um atomizador pode ser combinado com o combustível através de a segunda entrada 9110. Em uma outra modalidade do queimador, um soprador pode ser incorporado para se manter uma média dentre os queimadores individuais 9004.
[00443] Ainda uma outra modalidade pode incluir a pré-câmara 9111, conforme mostrado na figura 91B. Nesta modalidade, o queimador pode incluir uma câmara de combustão 9103, uma pré-câmara 9111, e um cabeçote de queimador 9100. As câmaras de combustão 9103 podem ser posicionadas acima dos cabeçotes de aquecedor
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9002. A pré-câmara 9111 pode conectar a câmara de combustão 9103 a um cabeçote de queimador 9100 através de a bocal de pré-câmara 9112, tal como um bocal simples, um bocal de misturador espiralado, ou um bocal de turbilhonamento de pressão. O cabeçote de queimador 9100 pode alojar a janela de UV 9107 para detecção de chama, uma injeção de combustível 9108, o que pode ser um injetor de combustível com assistência de ar, tal como um bocal de sifão Delevan, e um ignitor de superfície quente 9101. Também são conectadas ao cabeçote de queimador 9100 uma primeira entrada 9106 e uma segunda entrada 9110. Uma dessas entradas pode ser uma entrada de combustível líquido, e a outra entrada pode ser uma entrada de atomização [00444] A pré-câmara 9111 é um estágio de preparação de combustível localizado centralmente a montante da câmara de combustão 9103. A pré-câmara 9111 é onde o combustível é inflamado, para a formação de a chama de difusão. Em uma modalidade, em que um combustível líquido é usado, o combustível líquido passa através da primeira entrada 9106. O atomizador passa através da segunda entrada 9110 para atomização do combustível líquido e mistura com o combustível líquido na pré-câmara 9111. Conforme o atomizador e o combustível líquido entram na pré-câmara 9111 através do injetor de combustível 9108, eles são inflamados pelo ignitor de superfície quente 9101. O ar também pode passar através de uma admissão e ser preaquecido por um preaquecedor 9102, antes de passar para a précâmara 9111, onde ele se misturará com o atomizador e com o combustível líquido. Uma vez que a mistura seja preaquecida e formada na chama de difusão, ela passa através do bocal de pré-câmara 9112 para a câmara de combustão 9103 para a formação de uma chama PPV (pré-misturada pré-vaporizada). Quando a chama de difusão deixa a pré-câmara 9111, uma evaporação pode ocorrer na pré-câmara 9111, o que pode permitir que a chama de difusão seja acesa de novo mais
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146/146 facilmente, caso tenha a chama apagada ou extinta.
[00445] Uma vez que a chama esteja na câmara de combustão 9103, o calor da chama é usado para aquecimento dos cabeçotes de aquecedor 9002. O gás aquecido a partir da câmara de combustão 9103 flui uniformemente sobre a superfície de cada dos cabeçotes de aquecedor 9002, onde os cabeçotes de aquecedor 9002 transferem o calor contido no gás aquecido para um fluido de trabalho contido no espaço de trabalho do motor (mostrado como 9000 na figura 90). A câmara de combustão 9103 pode ter aberturas (mostradas como 9114 na figura 91A) em sua superfície, para ajudarem mais na distribuição da chama de PPV uniformemente através de cada um dos cabeçotes de aquecedor 8804.
[00446] Os princípios da presente invenção podem ser aplicados a todos os tipos de motores, incluindo motores de Stirling, e podem ser aplicados a outras máquinas de pistão utilizando cilindros, tais como motores de combustão interna, compressores, e refrigeradores. Contudo, a presente invenção pode não estar limitada a um motor de Stirling de quatro cilindros de ação dupla.
[00447] Embora os princípios da invenção tenham sido descritos aqui, é para ser entendido por aqueles versados na técnica que esta descrição é feita apenas a título de exemplo e não como uma limitação para o escopo da invenção. Outras modalidades são contempladas no escopo da presente invenção, além das modalidades de exemplo mostradas e descritas aqui. Modificações e substituições por alguém versado na técnica na técnica são consideradas como estando no escopo da presente invenção.

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Máquina de ciclo Stirling compreendendo:
    um balancim (216) tendo um pivô de balancim (218);
    pelo menos um cilindro (206), em que o cilindro compreende ainda uma extremidade fechada e uma extremidade aberta, em que a extremidade aberta compreende um mancal linear (220) conectado ao cilindro, o mancal linear tendo uma abertura;
    pelo menos um pistão (202), o pistão alojado dentro de um respectivo cilindro, em que o pistão é capaz de alternar de forma substancialmente linear dentro do respectivo cilindro; e pelo menos um conjunto de acoplamento tendo uma extremidade proximal e uma extremidade distal, a extremidade proximal estando conectada ao pistão e a extremidade distal estando conectada ao balancim por um pivô de extremidade (236), por meio do que um movimento linear do pistão é convertido em um movimento rotativo do balancim;
    em que o conjunto de acoplamento compreende ainda uma haste de pistão (228) e uma haste de tucho (230), a haste do pistão e haste de tucho acoplados juntas por um meio de acoplamento (238), os meios de acoplamento localizados ao longo do mancal linear, em que a abertura do mancal linear é configurada para acomodar o conjunto de acoplamento;
    um cárter alojando o balancim e alojando uma primeira porção do conjunto de acoplamento;
    uma árvore de manivelas (214) acoplada ao balancim por meio de uma haste de conexão, através da qual o movimento rotativo do balancim é transferido para a árvore de manivelas;
    um espaço de trabalho alojando o pelo menos um cilindro, o pelo menos um pistão e uma segunda porção do conjunto de acoplamento; e
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  2. 2/4 caracterizada pelo fato de que compreende ainda:
    uma vedação (1300) sendo conectada de forma vedada à haste do pistão, e em que a vedação é um diafragma cilíndrico compreendendo material elastomérico com fibras nele dispersas, em que a vedação é configurada para vedar o espaço de trabalho do cárter para manter um fluido lubrificante no cárter;
    uma retenção de ar (1312) localizada entre o cárter e o espaço de trabalho, a retenção de ar estando em comunicação fluida com o espaço de trabalho, de modo que a pressão dentro da retenção de ar é igual à pressão média do espaço de trabalho, onde a retenção de ar está disposta acima do diafragma cilíndrico, e o cárter está disposto abaixo do diafragma cilíndrico; e um regulador de pressão configurado para manter um diferencial de pressão constante entre a retenção de ar e o cárter.
    2. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio de acoplamento é um dentre: uma junta flexível, mancal de rolamento, uma articulação, uma flexão, e uma junta de coxim de mancal.
  3. 3. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma árvore de manivelas acoplada ao balancim (216) por meio de uma haste, por meio do que o movimento rotativo do balancim é transferido para a árvore de manivelas.
  4. 4. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que ainda compreende uma bomba de fluido de lubrificação no cárter.
  5. 5. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a bomba de fluido de lubrificação é uma bomba de fluido de lubrificação mecânica acionada por um conjunto de acionamento de bomba, o conjunto de acionamento de bomba
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    3/4 sendo conectado a e acionado por uma árvore de manivelas.
  6. 6. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a bomba de fluido de lubrificação é uma bomba de fluido de lubrificação elétrica.
  7. 7. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que ainda compreende um dentre: um motor conectado à árvore de manivelas e um gerador conectado à árvore de manivelas.
  8. 8. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que compreende:
    pelo menos dois mecanismos de acionamento oscilante, compreendendo:
    um balancim que tem um pivô de balancim;
    dois cilindros;
    dois pistões, cada um dos pistões alojados em um respectivo cilindro, por meio do que os pistões são capazes de alternarem de forma substancialmente linear no respectivo cilindro; e dois conjuntos de acoplamento tendo uma extremidade proximal e uma extremidade distal, a extremidade proximal sendo conectada ao pistão e a extremidade distal sendo conectada ao balancim por um pivô de extremidade, por meio do que um movimento linear do pistão é convertido em um movimento rotativo do balancim;
    uma bomba de fluido de lubrificação no cárter para bombeamento do fluido de lubrificação para lubrificação da árvore de manivelas e do balancim e da primeira porção dos conjuntos de acoplamento;
    em que o dito espaço de trabalho aloja os cilindros, os pistões e a segunda porção dos conjuntos de acoplamento.
  9. 9. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que compreende as fibras são Kevlar.
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    4/4
  10. 10. Máquina de ciclo de Stirling, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que as fibras são de poliéster.
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